(57)【要約】【課題】太幅の配線パターンと細幅の配線パターンとが混在する配線をダマシン法で形成する際に、細幅の配線パターン形成用の配線形成用溝内にも配線材料を良好に埋め込むことができる配線の形成方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、まず、層間絶縁膜１１に第１の幅の配線形成用溝１１ａと第２の幅の配線形成用溝１１ｂとを形成する。ついで、層間絶縁膜１１上にバリアメタル膜１２を形成し、配線形成用溝１１ａ内を埋め込み配線形成用溝１１ｂを埋め込まない厚さでＷ膜１３を形成する。その後、層間絶縁膜１１上のバリアメタル膜１２とＷ膜１３とをエッチングによって除去する。ついで、層間絶縁膜１１上の全面にバリアメタル膜１４を形成し、バリアメタル膜１４上にメッキ法によって配線形成用溝１１ｂを埋め込むようにＣｕ膜１５を形成する。そして、層間絶縁膜１１上のバリアメタル膜１４とＣｕ膜１５とを除去する。【選択図】図１−２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間絶縁膜に第１の幅を有する第１配線形成用溝と前記第１の幅よりも広い第２の幅の第２配線形成用溝とを形成する配線形成用溝形成工程と、
前記第１配線形成用溝と前記第２配線形成用溝が形成された前記層間絶縁膜上に第１バリアメタル膜を形成する第１バリアメタル膜形成工程と、
前記第１配線形成用溝内を埋め込み前記第２配線形成用溝を埋め込まない厚さで前記第１バリアメタル膜が形成された前記層間絶縁膜上にＷ膜を形成するＷ膜形成工程と、
前記層間絶縁膜上の前記第１バリアメタル膜と前記Ｗ膜とを異方性エッチングによって除去し、前記第２配線形成用溝の側面に前記第１バリアメタル膜と前記Ｗ膜とが積層された側壁膜を残し、前記層間絶縁膜の前記第１配線形成用溝内に第１配線を形成する第１配線形成工程と、
前記第１配線が形成された前記層間絶縁膜上に第２バリアメタル膜を形成する第２バリアメタル膜形成工程と、
前記第２バリアメタル膜上にシード膜を形成した後、メッキ法によって前記第２配線形成用溝を埋め込むようにＣｕ膜を形成するＣｕ膜形成工程と、
前記層間絶縁膜上の前記第２バリアメタル膜と前記シード膜と前記Ｃｕ膜とを除去しつつ、前記第１配線の上面と前記Ｃｕ膜の上面をＣＭＰ法によって平坦化して前記第２配線形成用溝内に第２配線を形成する第２配線形成工程と、
前記第１配線および前記第２配線の周囲の前記層間絶縁膜を除去する層間絶縁膜除去工程と、
を含むことを特徴とする配線の形成方法。
【請求項２】
層間絶縁膜に第１の幅を有する第１配線形成用溝と前記第１の幅よりも広い第２の幅の第２配線形成用溝とを形成する配線形成用溝形成工程と、
前記第１配線形成用溝と前記第２配線形成用溝が形成された前記層間絶縁膜上に第１バリアメタル膜を形成する第１バリアメタル膜形成工程と、
前記第１配線形成用溝内を埋め込み前記第２配線形成用溝を埋め込まない厚さで前記第１バリアメタル膜が形成された前記層間絶縁膜上にＷ膜を形成するＷ膜形成工程と、
前記層間絶縁膜上の前記第１バリアメタル膜と前記Ｗ膜とをエッチングによって除去し、前記層間絶縁膜の前記第１配線形成用溝内に第１配線を形成する第１配線形成工程と、
前記第１配線が形成された前記層間絶縁膜上に第２バリアメタル膜を形成する第２バリアメタル膜形成工程と、
前記第２バリアメタル膜上にシード膜を形成した後、メッキ法によって前記第２配線形成用溝を埋め込むようにＣｕ膜を形成するＣｕ膜形成工程と、
前記層間絶縁膜上の前記第２バリアメタル膜と前記シード膜と前記Ｃｕ膜とを除去しつつ、前記第１配線の上面と前記Ｃｕ膜の上面をＣＭＰ法によって平坦化して前記第２配線形成用溝内に第２配線を形成する第２配線形成工程と、
を含むことを特徴とする配線の形成方法。
【請求項３】
前記第１配線形成工程では、前記第１バリアメタル膜と前記Ｗ膜とを等方性エッチングによって除去することを特徴とする請求項２に記載の配線の形成方法。
【請求項４】
前記第１配線形成工程では、前記第１バリアメタル膜と前記Ｗ膜とを異方性エッチングによって除去することを特徴とする請求項２に記載の配線の形成方法。
【請求項５】
前記層間絶縁膜除去工程では、前記層間絶縁膜をウエットエッチングで除去し、
前記第１バリアメタル膜は、前記層間絶縁膜除去工程で用いるエッチング液に対して耐性を有する材料からなり、
前記第２バリアメタル膜は、前記エッチング液に対して耐性を有さない材料からなることを特徴とする請求項１に記載の配線の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体装置の微細化によって配線も微細化されてきている。微細化された半導体装置で所望の特性を得るために、より低抵抗なＣｕ（銅）が配線材料として用いられる。Ｃｕは、エッチングなどでの加工が困難なため、絶縁層に配線形成用溝を形成し、配線形成用溝内面を覆うようにバリアメタル膜とＣｕシード膜を形成した後、メッキ法で配線形成用溝内をＣｕ膜で埋め込むダマシン法によって形成される。
【０００３】
しかし、さらなる配線の微細化によって、幅が数十ｎｍ以下に細くなった配線形成用溝内にＣｕ膜を埋め込むことが困難となってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−８０２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の一つの実施形態は、太幅の配線パターンと細幅の配線パターンとが混在する配線をダマシン法で形成する際に、細幅の配線パターン形成用の配線形成用溝内にも配線材料を良好に埋め込むことができる配線の形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの実施形態によれば、まず、配線形成用溝形成工程で、層間絶縁膜に第１の幅を有する第１配線形成用溝と前記第１の幅よりも広い第２の幅の第２配線形成用溝とを形成する。ついで、第１バリアメタル膜形成工程で、前記第１配線形成用溝と前記第２配線形成用溝が形成された前記層間絶縁膜上に第１バリアメタル膜を形成する。その後、Ｗ膜形成工程で、前記第１配線形成用溝内を埋め込み前記第２配線形成用溝を埋め込まない厚さで前記第１バリアメタル膜が形成された前記層間絶縁膜上にＷ膜を形成する。ついで、第１配線形成工程で、前記層間絶縁膜上の前記第１バリアメタル膜と前記Ｗ膜とをエッチングによって除去し、前記層間絶縁膜の前記第１配線形成用溝内に第１配線を形成する。その後、第２バリアメタル膜形成工程で、前記第１配線が形成された前記層間絶縁膜上に第２バリアメタル膜を形成する。ついで、Ｃｕ膜形成工程で、前記第２バリアメタル膜上にシード膜を形成した後、メッキ法によって前記第２配線形成用溝を埋め込むようにＣｕ膜を形成する。そして、第２配線形成工程で、前記層間絶縁膜上の前記第２バリアメタル膜と前記シード膜と前記Ｃｕ膜とを除去しつつ、前記第１配線の上面と前記Ｃｕ膜の上面をＣＭＰ法によって平坦化して前記第２配線形成用溝内に第２配線を形成する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１−１】図１−１は、第１の実施形態による配線の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図１−２】図１−２は、第１の実施形態による配線の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−１】図２−１は、第２の実施形態による配線の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】図２−２は、第２の実施形態による配線の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である（その２）。
【図３】図３は、第１の実施形態の方法でエアギャップを形成する場合の問題点を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる配線の形成方法として半導体装置の製造方法に適用した例を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態で用いられる配線層の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合がある。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１−１〜図１−２は、第１の実施形態による配線の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。まず、図１−１（ａ）に示されるように、トランジスタなどの能動素子やキャパシタなどの受動素子が集積形成されたシリコン基板などの図示しない基板上に層間絶縁膜１１を形成する。層間絶縁膜１１として、シリコン酸化膜系のＴＥＯＳ（Tetraethyl  orthosilicate）膜などを用いることができる。
【００１０】
ついで、層間絶縁膜１１上に図示しないレジストを塗布し、リソグラフィ技術を用いて配線を形成する領域が開口するようにパターニングを行う。その後、レジストをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）法などの異方性エッチング技術を用いて、層間絶縁膜１１をエッチングし、配線形成用溝１１ａ，１１ｂを形成する。
【００１１】
ここで、領域Ｒ１は、第１の配線幅を有し、第１のピッチで所定の方向に並行して配列される複数の第１の配線が形成される領域であり、領域Ｒ１には、第１の配線の配線形成用溝１１ａが形成される。配線形成用溝１１ａは、数十ｎｍ以下の幅を有するものとする。また、領域Ｒ２は、第１の配線幅よりも広い第２の配線幅を有し、第１のピッチよりも広い第２のピッチで所定の方向に配列される第２の配線が形成される領域であり、領域Ｒ２には、第２の配線の配線形成用溝１１ｂが形成される。たとえば、第１の配線は、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリのメモリセルに接続されるラインアンドスペース状に形成される複数の配線であり、第２の配線は、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリの周辺回路に接続される孤立した配線である。ここで示したように、第１の配線の配線形成用溝１１ａと第２の配線の配線形成用溝１１ｂとは、同じリソグラフィ工程および異方性エッチング工程で形成される。なお、図では、それぞれの領域Ｒ１，Ｒ２に、配線形成用溝１１ａ，１１ｂがそれぞれ１つだけ示されている。
【００１２】
ついで、図１−１（ｂ）に示されるように、配線形成用溝１１ａ，１１ｂの内面を被覆するように、後の工程で形成されるＷが層間絶縁膜１１や基板に拡散するのを防止するバリアメタル膜１２を層間絶縁膜１１上の全面に形成する。バリアメタル膜１２としてＴｉＮ膜などを用いることができる。バリアメタル膜１２は、たとえばスパッタ法などのＰＶＤ（Physical  Vapor  Deposition）法を用いて形成することができる。
【００１３】
ついで、図１−１（ｃ）に示されるように、バリアメタル膜１２上に、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法を用いて埋め込み特性の良好なＷ膜１３を形成する。このとき、配線形成用溝１１ａがＷ膜１３で埋め込まれるように、Ｗ膜１３を形成する。そのためには、配線形成用溝１１ａ内に形成されるＷ膜１３の最大幅をａ［ｎｍ］とすると、ａ／２［ｎｍ］以上の厚さとなるように、Ｗ膜１３を形成する。これによって、配線形成用溝１１ａ内はＷ膜１３で埋め込まれ、配線形成用溝１１ｂの側面と底面にはａ／２［ｎｍ］以上の厚さのＷ膜１３がコンフォーマルに形成される。
【００１４】
ついで、図１−２（ａ）に示されるように、エッチングによって、層間絶縁膜１１の上面に形成されているＷ膜１３とバリアメタル膜１２とを除去し、配線形成用溝１１ａ内にバリアメタル膜１２とＷ膜１３とからなる第１の配線２１を形成する。ここで、エッチングとしては、等方性エッチングと異方性エッチングのどちらを用いてもよく、またドライエッチングとウエットエッチングのどちらを用いてもよい。ここでは、等方性エッチングによってＷ膜１３とバリアメタル膜１２とをエッチングするものとする。これによって、層間絶縁膜１１上と配線形成用溝１１ｂの内面に形成されたＷ膜１３とバリアメタル膜１２とが除去される。また、異方性エッチングによってＷ膜１３とバリアメタル膜１２とをエッチングする場合には、第２の実施形態に示すように配線形成用溝１１ｂの側面にバリアメタル膜１２とＷ膜１３とが積層された側壁膜が残ることになる。
【００１５】
その後、図１−２（ｂ）に示されるように、第１の配線２１が埋め込まれた層間絶縁膜１１上の全面に、後の工程で形成されるＣｕが層間絶縁膜１１や基板に拡散するのを防止するバリアメタル膜１４を形成する。バリアメタル膜１４として層間絶縁膜１１上にＴｉ膜とＴｉＮ膜が順に積層されたＴｉＮ／Ｔｉ膜などを用いることができる。バリアメタル膜１４は、たとえばスパッタ法などのＰＶＤ法を用いて形成することができる。これによって、配線形成用溝１１ｂの内面を被覆するようにコンフォーマルにバリアメタル膜１４が形成される。
【００１６】
ついで、図１−２（ｃ）に示されるように、スパッタ法などのＰＶＤ法を用いて、バリアメタル膜１４上に図示しないシード膜を形成した後、メッキ法を用いて、シード膜を通電層として配線形成用溝１１ｂ内と層間絶縁膜１１上に抵抗に優れたＣｕ膜１５を堆積させる。その後、ＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing）法によって、層間絶縁膜１１をストッパとして層間絶縁膜１１および第１の配線２１上に形成されたＣｕ膜１５と図示しないシード膜とバリアメタル膜１４とを除去しつつ、層間絶縁膜１１と配線形成用溝１１ｂ内のＣｕ膜１５の上面を平坦化する。このとき、図１−２（ａ）でＷ膜１３をエッチングした際には、配線形成用溝１１ａ内のＷ膜１３の上面は、凹状となっているが、このＣＭＰ処理によってＷ膜１３の上面は研磨されるため、最終的には段差が解消されることになる。これによって、配線形成用溝１１ｂ内には、バリアメタル膜１４と図示しないシード膜とＣｕ膜１５とからなる第２の配線２２が形成される。なお、シード膜がＣｕからなる場合、ＣＭＰ処理の前に熱処理を行えば、第２の配線２２においてシード膜とシード膜上のＣｕ膜１５とを一体化させることができる。以上によって、配線の形成方法が終了する。
【００１７】
この第１の実施形態では、細い幅の配線形成用溝１１ａと太い幅の配線形成用溝１１ｂとを、リソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて層間絶縁膜１１に同時に形成し、配線形成用溝１１ａ内にＣＶＤ法によってＷ膜１３を埋め込み、エッチングによって層間絶縁膜１１上のＷ膜１３を除去した後、配線形成用溝１１ｂ内に埋め込むようにＣｕ膜１５をメッキ法によって形成し、最後にＣＭＰ法で層間絶縁膜１１の上面が露出するまでＣｕ膜１５を除去しつつ層間絶縁膜１１の上面を平坦化した。これによって、数十ｎｍ以下の細い幅の配線形成用溝１１ａにも配線を良好な形で埋め込むことができるという効果を有する。
【００１８】
また、第１の配線２１としてＷ膜１３を用いることで、細い幅の配線形成用溝１１ａを含む層間絶縁膜１１上に形成した後に、エッチング法によって余分なＷ膜１３を除去できるので、ＣＭＰ法を用いる場合に比して処理を簡略化することができるという効果を有する。
【００１９】
さらに、細い幅の配線形成用溝１１ａのみを層間絶縁膜１１にリソグラフィ工程とエッチング工程とを用いて形成し、Ｗ膜１３を配線形成用溝１１ａに埋め込み、ＣＭＰ工程で余分なＷ膜１３を除去した後、層間絶縁膜１１にリソグラフィ工程とエッチング工程を用いて太い幅の配線形成用溝１１ｂを形成し、Ｃｕ膜１５を配線形成用溝１１ｂに埋め込み、ＣＭＰ工程で余分なＣｕ膜１５を除去する方法に比べて、リソグラフィ工程とエッチング工程とＣＭＰ工程とをそれぞれ１回分削減することができ、低コストで半導体装置を製造することができるという効果を有する。
【００２０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では隣接する配線間にエアギャップが形成された配線の形成方法について説明する。
【００２１】
図２−１〜図２−２は、第２の実施形態による配線の形成方法の手順の一例を模式的に示す断面図である。第１の実施形態の図１−１（ａ）〜（ｃ）と同様に、層間絶縁膜１１にリソグラフィ技術と異方性エッチング技術とを用いて、領域Ｒ１には第１の配線幅の配線形成用溝１１ａを形成し、領域Ｒ２には第２の配線幅の配線形成用溝１１ｂを形成する。また、層間絶縁膜１１上の全面にＴｉＮなどからなるバリアメタル膜１２をコンフォーマルに形成した後、ＣＶＤ法などの方法で配線形成用溝１１ａ内が埋め込まれるようにＷ膜１３を形成する。
【００２２】
ついで、図２−１（ａ）に示されるように、ＲＩＥ法などの異方性エッチングによって、バリアメタル膜１２とＷ膜１３の積層膜をエッチバックする。これによって、層間絶縁膜１１の上面と、配線形成用溝１１ｂの底面に形成されたバリアメタル膜１２とＷ膜１３とが除去され、配線形成用溝１１ａ内には、バリアメタル膜１２とＷ膜１３とからなる第１の配線２１が形成される。また、配線形成用溝１１ｂの側面には、バリアメタル膜１２とＷ膜１３の積層膜からなる側壁膜が形成される。
【００２３】
その後、図２−１（ｂ）に示されるように、第１の配線２１が埋め込まれた層間絶縁膜１１上の全面に、ＴｉＮ／Ｔｉ膜などからなるバリアメタル膜１４を形成する。これによって、バリアメタル膜１２とＷ膜１３からなる側壁膜が形成された配線形成用溝１１ｂの内面を被覆するようにコンフォーマルにバリアメタル膜１４が形成される。
【００２４】
ついで、図２−１（ｃ）に示されるように、スパッタ法などのＰＶＤ法を用いて、バリアメタル膜１４上にＣｕからなる図示しないシード膜を形成した後、メッキ法を用いて、シード膜を通電層として配線形成用溝１１ｂ内と層間絶縁膜１１上にＣｕ膜１５を堆積させる。その後、適宜熱処理を行なった上でＣＭＰ法によって、層間絶縁膜１１をストッパとして層間絶縁膜１１上に形成されたＣｕ膜１５と図示しないシード膜とバリアメタル膜１４とを除去しつつ、層間絶縁膜１１、第１の配線２１およびＣｕ膜１５の上面を平坦化する。これによって、配線形成用溝１１ｂ内には、バリアメタル膜１２とＷ膜１３とバリアメタル膜１４とシード膜が一体化したＣｕ膜１５とからなる第２の配線２２が形成される。
【００２５】
その後、図２−２に示されるように、隣接する第１の配線２１間、隣接する第２の配線２２間、および第１の配線２１と第２の配線２２との間の層間絶縁膜１１をウエットエッチングによって除去する。層間絶縁膜１１がシリコン酸化膜からなる場合には、エッチング液として希フッ酸（ｄＨＦ）を用いることができる。このとき、Ｃｕ膜１５に対するバリアメタル膜１４を構成するＴｉは、希フッ酸に対して耐性を有さず、溶解してしまう。そのため、層間絶縁膜１１のエッチング時にバリアメタル膜１４の上部の一部が除去されてしまうが、全体が除去されることはない。また、Ｗ膜１３に対するバリアメタル膜１２を構成するＴｉＮは、希フッ酸に対して耐性を有するので、層間絶縁膜１１のエッチング時に除去されることはない。そして、図示しないが段差被覆性が良好でない成膜法によって、第１の配線２１と第２の配線２２の上に層間絶縁膜を形成することによって、第１の配線２１と第２の配線２２の周囲にエアギャップ１６が形成された配線を得ることができる。
【００２６】
図３は、第１の実施形態の方法でエアギャップを形成する場合の問題点を説明する模式図である。第１の実施形態の図１−２（ａ）では、Ｗ膜１３を等方性エッチングによって除去した。その結果、配線形成用溝１１ｂには、ＴｉＮ／Ｔｉ膜からなるバリアメタル膜１４を介してＣｕ膜１５が形成される。層間絶縁膜１１を除去する場合には、上記したように一般的には希フッ酸が用いられるが、Ｃｕ膜１５に対するバリアメタル膜１４を構成するＴｉは、希フッ酸に対して耐性を有さない。そのため、層間絶縁膜１１が除去されると、バリアメタル膜１４が露出する。そして、露出したバリアメタル膜１４が希フッ酸に溶解してしまい、第２の配線２２が層間絶縁膜１１から剥離してしまう虞がある。
【００２７】
これに対して、第２の実施形態では、Ｗ膜１３の形成後に配線形成用溝１１ａ以外の領域に形成された余分なＷ膜１３の除去に、等方性エッチングではなく異方性エッチングを用い、配線形成用溝１１ｂの側面にバリアメタル膜１２とＷ膜１３とが積層された側壁膜を形成した。これによって、配線形成用溝１１ｂ内にバリアメタル膜１４とＣｕ膜１５とを埋め込んだ後に、第１の配線２１と第２の配線２２の周囲の層間絶縁膜１１を除去する場合でも、層間絶縁膜１１除去用のエッチング液に対して耐性を有するバリアメタル膜１２でＣｕ膜１５の周囲が覆われているので、Ｃｕ膜１５を含む第２の配線２２の層間絶縁膜１１からの剥離を防ぐことができるという効果を有する。 
【００２８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００２９】
１１…層間絶縁膜、１１ａ，１１ｂ…配線形成用溝、１２…バリアメタル膜、１３…Ｗ膜、１４…バリアメタル膜、１５…Ｃｕ膜、１６…エアギャップ、２１…第１の配線、２２…第２の配線。
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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