(57)【要約】【課題】微細な溝部の内部に隙間無く導電材料を埋め込み、導電性に優れた配線を得ることが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。【解決手段】中間層の形成時に、第２コイル４６および第３コイル６１によってターゲット５３と基体１１との間に磁力線Ｍ１が通るように磁場を発生させることによって、溝部１２の内壁面に均一な厚みで中間層を成膜することが可能になる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体溝部の内壁面を覆う中間層を形成する中間層形成工程と、を少なくとも備えた半導体装置の製造方法であって、
前記中間層形成工程は、Ｃｕを主成分としてＭｎが添加されたターゲットを前記基体に対向配置させ、前記基体および前記ターゲットが配されたプロセスチャンバー内にスパッタリングガスを導入して前記ターゲットをスパッタリングするとともに、前記基体および前記ターゲットを結ぶ方向に磁力線が生じるように磁場を形成し、前記溝部の内壁面にＣｕを主成分としＭｎ化合物を含有する中間層を成膜する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記中間層形成工程の後工程において、前記中間層を加熱して、前記溝部の内壁面にＭｎ化合物を含有するバリア層および該バリア層の表面にＣｕを主成分とする下地層を形成する加熱工程を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記下地層の内側領域に導電材料を埋め込む埋込工程を更に備えたことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記Ｍｎ化合物は、Ｍｎ酸化物またはＭｎ窒化物であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか１項記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法、半導体装置に関し、詳しくは微細な配線を高精度に形成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板に形成した半導体素子等の微細な配線材料として、Ａｌ（アルミニウム）やＡｌ合金が用いられていた。しかし、Ａｌは融点が低く、かつ耐マイグレーション性に劣るため、半導体素子の高集積化、高速化への対応が困難であった。
【０００３】
このため、近年は配線材料として、Ｃｕ（銅）が用いられるようになっている。ＣｕはＡｌより融点が高く、かつ電気抵抗率も低いため、ＬＳＩ配線材料として有力である。しかし、配線材料としてＣｕが用いる際には微細加工が困難であるという課題があった。例えば、特許文献１には、絶縁層に溝を形成し、この溝の内部にＣｕを埋め込み、その後、溝からはみ出した余分なＣｕを除去することにより、微細な溝内にＣｕ配線を形成する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平６−１０３６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された発明では、溝の内部に隙間無くＣｕを埋め込むことが困難であるという課題があった。
即ち、溝の内部にスパッタリングによってＣｕを積層する場合、微細な溝の内部までＣｕが堆積せず、溝の内部は空洞のまま溝の開口端付近だけＣｕが堆積してしまう。
また、リフロー法によって溝の内部を溶融したＣｕによって埋め込む場合、溝の内壁面に予め形成されるバリアメタル層に対して、溶融したＣｕとの濡れ性が悪く、溝の内部に空洞が生じた状態でＣｕが固化するという課題があった。
このように溝の内部に形成したＣｕ配線に空洞が生じると、Ｃｕ配線の抵抗値が高くなり、断線の虞もある。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、微細な溝部の内部に隙間無く導電材料を埋め込み、導電性に優れた配線を得ることが可能な半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は次のような半導体装置の製造方法、半導体装置を提供する。
即ち、本発明の半導体装置の製造方法は、基体に溝部を形成する溝部形成工程と、少なくとも該溝部の内壁面を覆う中間層を形成する中間層形成工程と、を少なくとも備えた半導体装置の製造方法であって、
前記中間層形成工程は、Ｃｕを主成分としてＭｎが添加されたターゲットを前記基体に対向配置させ、前記基体および前記ターゲットが配されたプロセスチャンバー内にスパッタリングガスを導入して前記ターゲットをスパッタリングするとともに、前記基体および前記ターゲットを結ぶ方向に磁力線が生じるように磁場を形成し、前記溝部の内壁面にＣｕを主成分としＭｎ化合物を含有する中間層を成膜する工程であることを特徴とする。
【０００８】
前記中間層形成工程の後工程において、前記中間層を加熱して、前記溝部の内壁面にＭｎ化合物を含有するバリア層および該バリア層の表面にＣｕを主成分とする下地層を形成する加熱工程を更に備えたことを特徴とする。
【０００９】
前記下地層の内側領域に導電材料を埋め込む埋込工程を更に備えたことを特徴とする。
【００１０】
前記Ｍｎ化合物は、Ｍｎ酸化物またはＭｎ窒化物であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体装置は、前記各項記載の半導体装置の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の半導体装置の製造方法、半導体装置によれば、中間層形成工程において、ターゲットと基体との間に磁力線が通るように磁場を発生させることによって、溝部の内壁面に均一な厚みで中間層を成膜することが可能になる。そして、溝部内部まで均等に中間層の構成材料が入り、溝部の内壁面に均一な厚みの中間層を成膜することができる。
これによって、導電材料を隙間無く緻密に溝部に埋め込むことが可能になり、微細な溝部の内部に隙間無く導電材料が埋め込まれた、導電性に優れた配線を備えた半導体装置を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の半導体装置の一例を示す要部拡大断面図である。
【図２】本発明の半導体装置の製造方法を段階的に示した要部拡大断面図である。
【図３】本発明の半導体装置の製造方法を段階的に示した要部拡大断面図である。
【図４】成膜装置（スパッタリング装置）の一例を示す概略断面図である。
【図５】成膜装置の作用を示す説明図である。
【図６】加熱装置の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る半導体装置の製造方法、半導体装置について、図面に基づき説明する。なお、本実施形態は発明の趣旨をより良く理解させるために、一例を挙げて説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１５】
（半導体装置）
図１は、本発明の半導体装置の一例を示す要部拡大断面図である。
半導体装置１０は、基体１１を備えている。基体１１は、絶縁性基板、例えばガラス基板、樹脂基板などから構成される。なお、この基体１１の一部に、例えば半導体素子等が形成されていてもよい。
【００１６】
基体１１の一面１１ａには、溝部（トレンチ）１２が形成されている。溝部１２は、例えば、基体１１の一面１１ａから基体１１の厚み方向に掘り下げられた幅が細く、かつ深い（アスペクト比の大きい）微細な溝からなる。溝部１２の底部の幅Ｗは、例えば２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度になるように形成される。また、溝部１２の深さＤは、例えば８０ｎｍ〜２００ｎｍ程度になるように形成される。このような溝部１２の内側領域に、例えば半導体素子の回路配線を構成する導電体が形成される。
【００１７】
溝部１２には、その内壁面１２ａを覆うように、バリア層（バリアメタル）１３が形成されている。バリア層１３は、例えば、Ｍｎ酸化物やＭｎ窒化物などから構成される。このようなバリア層１３は、溝部１２に形成した中間層に含まれるＭｎ（マンガン）を内壁面１２ａに向けて熱拡散させ、酸素や窒素と反応させて形成する。このようなバリア層１３の形成方法は後ほど詳述する。バリア層１３は、厚みｔ１が例えば１ｎｍ〜３ｎｍ程度になるように形成される。
【００１８】
更に、バリア層１３を覆うように下地層１４が形成されている。下地１４は、例えばＣｕ（銅）を主成分としてＭｎ（マンガン）を含む材料から構成される。下地層１４は、厚みｔ２が例えば３ｎｍ〜８ｎｍ程度になるように形成される。
【００１９】
溝部１２における下地層１４の内側領域には、導電材料からなる導電体１５が形成されている。導電体１５は、Ｃｕから構成されている。この導電体１５は、下地層１４の内側に、例えばスパッタリング法やメッキ成長法によってＣｕを堆積させることによって形成される。あるいは、下地層１４の内側にシード層を形成し、このシード層を溶融（リフロー）することによって、溝部１２を埋め込む導電体１５を形成することも好ましい。導電体１５は、例えば、基体１１に形成された半導体素子の回路配線となる。
【００２０】
（半導体装置の製造方法）
図２、図３は、本発明の半導体装置の製造方法を段階的に示した要部拡大断面図である。
本発明の半導体装置を製造する際には、まず、基体１１を用意する（図２（ａ）参照）。基体１１としては、絶縁性基板、半導体基板が用いられる。絶縁性基板として、例えば、ガラス基板、樹脂基板が挙げられる。また、半導体基板としては、例えば、シリコンウェーハ、ＳｉＣウェーハなどが挙げられる。更に、基体１１として半導体基板の一面に酸化膜などの絶縁層を形成したものを用いることも好ましい。基体１１には、例えば、予め半導体素子（図示略）が形成されている。
【００２１】
次に、この基体１１の一面１１ａに、所定の深さの溝部１２を形成する（図２（ｂ）参照：溝部形成工程）。溝部１２は、例えば、半導体素子の回路配線を象ったパターンとなるように形成される。基体１１の一面１１ａに溝部１２を形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィーによるエッチング加工や、レーザー光による加工を用いることができる。
【００２２】
次に、溝部１２の内壁面１２ａを含む基体１１の一面１１ａに、所定の厚みの中間層１６を形成する（図２（ｃ）参照：中間層形成工程）。中間層１６は、例えば、Ｃｕを主成分とし、Ｍｎを所定量（例えば０．２〜５原子％）含有したものからなる。
【００２３】
図４は、中間層形成工程に用いられる成膜装置（スパッタリング装置）を示す概略断面図である。この成膜装置５１は、ＤＣマグネトロンスパッタリング方式のものであり、真空雰囲気の形成が可能なプロセスチャンバー５２を備える。プロセスチャンバー５２の天井部にはカソードユニットＣが取り付けられている。なお、この実施形態では、以下、プロセスチャンバー５２の天井部側を「上」とし、その底部側を「下」として説明する。
【００２４】
カソードユニットＣは、ターゲット５３を備え、このターゲット５３はホルダ５５に取り付けられている。ターゲット５３は、中間層１６を構成する成分、例えばＣｕを主成分とし、Ｍｎが所定量（例えば０．２〜５原子％）添加された合金ターゲットであり、ターゲット５３がマグネトロンスパッタされると、Ｃｕを主成分とし、Ｍｎが添加された合金材料からなるスパッタ粒子が放出される。
【００２５】
さらに、カソードユニットＣは、ターゲット３のスパッタ面（下面）５３ａ前方にトンネル状の磁場を発生する第１磁場発生手段５４を備えている。ターゲット５３は、処理すべき基体１１の形状に対応させて、スパッタ面５３ａの面積が基体１１の表面積より大きくなるように公知の方法で所定形状（例えば、平面視円形）に形成されている。また、ターゲット５３は、公知の構造を有するＤＣ電源（スパッタ電源）５９に電気的に接続され、所定の負の電位が印加されるようになっている。
【００２６】
第１磁場発生手段５４は、スパッタ面５３ａと背向する側（上側）に配置され、ターゲット５３に平行に配置されたヨーク５４ａと、ヨーク５４ａの下面にターゲット５３側の極性を交互に変えて配置した磁石５４ｂ、５４ｃとから構成されている。
【００２７】
なお、磁石５４ｂ、５４ｃの形状や個数は、放電の安定性やターゲットの使用効率の向上などの観点からターゲット５３の前方に形成しようとする磁場に応じて適宜選択され、例えば、薄片状や棒状のものまたはこれらを適宜組み合わせて用いるようにしてもよく、また、第１磁場発生手段５４がターゲット５３の背面側で往復運動や回転運動するように構成してもよい。
【００２８】
プロセスチャンバー５２の底部には、ターゲット５３に対向させてステージ４０が配置され、基体１１を位置決め保持できるようになっている。また、プロセスチャンバー５２の側壁には、スパッタリングガスを導入するガス管４１が接続され、その他端は、図示しないマスフローコントローラを介してガス源に連通している。さらに、プロセスチャンバー５２には、ターボ分子ポンプやロータリポンプなどからなる真空排気手段４２に通じる排気管４２ａが接続されている。
【００２９】
メタルイオン、希ガス（アルゴンなど）イオンおよび電子の入射方向を制御するための第２磁場発生手段４３と第３磁場発生手段４８は、プロセスチャンバー５２の周囲に設置されている。
第２磁場発生手段５３および第３磁場発生手段５８は、ターゲット５３および基体１１の中心間を結ぶ垂直軸ＣＬの周りで、かつ、上下方向に所定の間隔を存してプロセスチャンバー５２の外側壁に設けたリング状のコイル支持体４４，４９にそれぞれ、導線４５，６０を巻回してなる第２コイル１６および第３コイル６１と、第２コイル４６および第３コイル６１の通電を可能とする電源装置４７，６２とを備えている。
【００３０】
ここで、コイルの個数、導線４５の径や巻数は、例えば、ターゲット５３の寸法、ターゲット５３と基体１１との間の距離、電源装置４７，６２の定格電流や発生させようとする磁場の強度（ガウス）に応じて適宜設定される。
【００３１】
電源装置４７，６２は、第２コイル４６および第３コイル６１への電流および電流の向きを任意に変更できる制御回路（図示せず）を備えた公知の構造のものである。本発明では、メタルイオン、アルゴンイオンおよび電子の入射方向を制御するために、第２コイル４６に下向きの垂直磁場が発生するようにマイナスの電流を印加できるようになっている。  一方、第３コイル６１には上向きの垂直磁場が発生するようにプラスの電流を印加できるようになっている。
【００３２】
図５は、第２磁場発生手段４３および第３磁場発生手段４８によって形成される磁力線Ｍを示す説明図である。ここで磁力線Ｍは矢印を用いて図示しているが、この矢印は説明のための便宜上のためのもので、磁場の方向を限定するものではない。Ｎ→Ｓ、Ｓ→Ｎの方向、どちらも含める。
【００３３】
図５は、第２コイル４６、第３コイル６１ともにマイナスの電流を印加した場合の磁力線Ｍ１を示している。第２コイル４６および第３コイル６１にマイナスの電流を印加することによって、ターゲット５３と基体１１との間に磁力線Ｍ１が通るように磁場が発生する。
【００３４】
このような構成の成膜装置５１のプロセスチャンバー５２内部を真空排気手段４２によって真空排気しつつ、ガス管４１からスパッタガスと、化学構造中に窒素又は酸素を含む反応ガスを導入し（例えば反応ガスが酸素の場合、流量が０．１ｓｃｃｍ以上５ｓｃｃｍ以下）、プロセスチャンバー５２内部に大気圧よりも低い成膜雰囲気（例えば全圧が１０−４Ｐａ以上１０−１Ｐａ以下）を形成する。
【００３５】
そして、プロセスチャンバー５２を接地電位に置き、プロセスチャンバー５２内部の成膜雰囲気を維持しながら、ターゲット５３に負電圧を印加するとターゲット５３はマグネトロンスパッタされる。ターゲット５３がマグネトロンスパッタされると、Ｃｕを主成分とし、Ｍｎが添加された合金材料からなるスパッタ粒子が放出される。
この時、第２コイル４６、第３コイル６１ともにマイナスの電流を印加することによって、基体１１とターゲット５３とを結ぶ方向に磁力線Ｍ１が生じるように磁場が発生する。
【００３６】
放出されたスパッタ粒子と、反応ガスは基体１１に溝部１２が形成された一面１１ａに入射し、その表面、および溝部１２の内壁面に上記合金材料に反応ガスが含有された薄膜が成長する。このとき、ステージ４０には高周波電圧（０Ｖを含む）が印加されており、基材１１の溝部１２が形成された一面１１ａには高周波電圧の大きさに応じた量のプラズマが入射し、表面に成長する薄膜がエッチングされる。
【００３７】
負電圧と高周波電圧の大きさは、薄膜がエッチングされないと仮定した時の薄膜の膜厚成長速度（スパッタ速度）が、薄膜が成長せずにエッチングだけされると仮定した時の膜厚減少速度（エッチング速度）よりも大きくなるよう設定されており、溝部１２の側壁及び底面などの内壁面と、基材１１の一面１１ａには、図２（ｃ）に示すように中間層１６が成長する（中間層形成工程）。
【００３８】
このような中間層１６の形成時に、第２コイル４６および第３コイル６１によってターゲット５３と基体１１との間に磁力線Ｍ１が通るように磁場を発生させることによって、溝部１２の内壁面に均一な厚みで中間層１６を成膜することが可能になる。
【００３９】
即ち、ターゲット５３と基体１１との間に磁力線Ｍ１を印加せずに中間層を成膜すると、溝部１２の開口端付近に過剰に中間層の構成物が堆積し、溝部１２の開口端が閉塞ないし狭められることがある。この状態で、後工程で溝部の内側に導電体を埋め込むと、溝部の内部に空洞が生じてしまい、断線や導通不良の原因となる。
【００４０】
しかしながら、中間層１６の形成時にターゲット５３と基体１１との間に磁力線Ｍ１が通るように磁場を発生させることによって、溝部１２内部まで均等に中間層１６の構成材料が入り、溝部１２の内壁面に均一な厚みの中間層１６を成膜することができる。
【００４１】
次に、基体１１に形成した中間層１６を加熱して、溝部１２の内壁面にＭｎ化合物を含有するバリア層１３と、このバリア層１３の表面にＣｕを主成分とする下地層１４とを形成する（図３（ａ）参照：加熱工程）。
【００４２】
図６は基体を加熱する加熱装置の一例を示す概略断面図である。
加熱装置６５は加熱室６６と、加熱室６６に接続された真空排気系６７とを有している。真空排気系６７を起動して加熱室６６の内部に真空雰囲気を形成し、その真空雰囲気を維持したまま、中間層１６が形成された基材１１を加熱室３６に搬入する。
【００４３】
加熱室６６の内部にはヒータ６８が配置されており、該ヒータ６８に通電し、中間層１６の酸化を防止するために、真空雰囲気を維持しながら基材１１を中間層形成工程時に昇温する温度よりも高い温度（例えば３５０℃で２時間）で加熱して、中間層１６をアニール処理する。
【００４４】
図３ａ下部の拡大図に示すように、中間層１６に含まれるＭｎはＣｕ中での拡散速度が速く、アニール処理の時に中間層１６が昇温すると、中間層１６に含まれるＭｎが拡散して、溝部１２の内壁面に到達する。
Ｍｎは窒素と酸素に対する反応性がＣｕよりも高く、しかも、中間層１６に上述した反応ガスが添加されることで反応性がより高められている。
【００４５】
ここで、例えば基材１１がＳｉＮのような窒化物、あるいはＳｉＯ２のような酸化物で構成されている場合、Ｍｎは基材１１の界面で、基材１１に含まれる酸化物や窒化物と反応し、窒化マンガンや酸化マンガンが析出する。
このとき、反応ガスが窒素を含む場合は、反応ガスの窒素とＭｎの反応物である窒化マンガンが各界面に析出し、反応ガスが酸素を含む場合は反応ガスの酸素とＭｎの反応物である酸化マンガンが各界面に析出する。
【００４６】
このようなＭｎの熱拡散、および酸化反応や窒化反応によって、溝部１２の内壁面１２ａおよび基材１１の一面１１ａには、窒化マンガンや酸化マンガンからなるバリア層１３が形成される。また、中間層１６の主成分であるＣｕと、Ｍｎと反応ガスの一部はバリア層１３の表面上に残り、その残った中間層１６が下地層１４となる。
【００４７】
下地層１４は中間層１６と同様にＣｕを主成分としており、Ｃｕは酸化ケイ素やケイ素に拡散しやすいが、酸化マンガンと窒化マンガンはＣｕの拡散を遮蔽する性質を有しているため、Ｃｕはバリア層１３によって遮蔽され、基材１１には侵入しない。
【００４８】
次に、下地層の内側領域に導電材料を埋め込む（図３（ｂ）参照：埋込工程）。
基材１１の溝部１２に形成された下地層１４の内側領域に、例えば、Ｃｕからなる導電材料Ｍを埋め込む際には、スパッタリング法を用いることができる。
スパッタリング法によって導電材料を埋め込む場合、図４に示す成膜装置を用いてターゲット５３をＣｕとして、下地層１４の内側領域を含む基体１１の一面１１ａ側にＣｕからなる導電材料を堆積させる。
【００４９】
この後、溝部１２を除いた基体１１の一面１１ａに積層されているバリア層１３、下地層１４および導電材料Ｍを除去する（図３（ｃ）参照）。これによって、それぞれの溝部１２ごとに、溝部１２を埋め込む導電体１５、即ち回路配線が形成される。
【符号の説明】
【００５０】
１０  半導体装置、１１  基体、１２  溝部（トレンチ）、１３  バリア層、１４  下地層、１５  導電体（回路配線）、１６  中間層。
【図１】
2013080779.tif 000003
【図２】
2013080779.tif 000004
【図３】
2013080779.tif 000005
【図４】
2013080779.tif 000006
【図５】
2013080779.tif 000007
【図６】
2013080779.tif 000008