(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された絶縁膜の表面に金属配線を配設するための方法であって、
上記絶縁膜に凹部を形成する工程と、
この凹部が形成された絶縁膜上に金属配線材料からなる金属配線膜を積層する工程と、
上記凹部を形成する工程と上記金属配線膜を積層する工程との間に、上記凹部が形成された絶縁膜上にバリアメタル膜を積層する工程と、
上記絶縁膜の凹部外の表面領域上に積層された金属配線膜を選択的に除去する工程と、
この金属配線膜の選択除去後に、上記凹部の上方に積層された金属配線膜を、化学的機械的研磨法により研磨する工程とを含み、
上記金属配線膜を選択的に除去する工程では、上記絶縁膜の凹部外の表面領域上に積層されたバリアメタル膜も選択的に除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
上記化学的機械的研磨法により研磨する工程は、金属配線膜の表面と上記絶縁膜の凹部外の表面とがほぼ面一になるまで続けられる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】
上記金属配線膜を選択的に除去する工程は、上記金属配線膜の表面の上記凹部に対向する領域上にパターニング用マスクを選択的に形成する工程と、
このパターニング用マスクでマスキングされた部分以外の金属配線膜を選択的に除去する工程とを含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、たとえばＬＳＩ（大規模集積回路）などの半導体装置の製造方法に関する。特に、半導体基板上に形成された絶縁膜の表面に金属配線を配設するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩなどの半導体装置の製造工程において、半導体基板上に形成された絶縁膜の表面に金属配線をパターン形成するために、いわゆるダマシン法が用いられることがある。
図２は、従来のダマシン法による金属配線のパターン形成工程を順に示す断面図である。まず、図２(a) に示すように、半導体基板９１の上に、ＳｉＯ2（酸化シリコン）からなる絶縁膜９２が形成される。そして、図２(b) に示すように、絶縁膜９２の表面の金属配線を形成すべき領域に対応する部分に、フォトリソグラフィ技術により、金属配線埋め込み用の凹部９３が形成される。
【０００３】
その後、図２(c) に示すように、凹部９３が形成された絶縁膜９２上に、たとえばＴｉＮ（窒化チタン）からなるバリアメタル膜９４が形成される。さらに、図２(d) に示すように、このバリアメタル膜９４の上に、たとえばＣｕ（銅）のような金属からなるシード膜９５が形成される。そして、図２(e) に示すように、シード膜９５上に、シード膜９５と同種の金属を用いた電気メッキが施されることにより金属配線膜９６が形成される。
【０００４】
次に、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨法) 処理が行われて、図２(e) 〜(g) に示すように、絶縁膜９２上の金属配線膜９６、シード膜９５およびバリアメタル膜９４が順に削られていく。そして、絶縁膜９２の凹部９３外の表面領域９２ａ上に積層された金属配線膜９６、シード膜９５およびバリアメタル膜９４がすべて削られて、表面領域９２ａの全域が露出するとＣＭＰ処理が終了される。これにより、絶縁膜９２の表面には、凹部９３に埋め込まれた金属配線９７のパターンが形成されることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の方法では、図２(g) に示すように、ＣＭＰ処理が終了した時点で、絶縁膜９２の凹部９３外の表面と金属配線９７の表面とが面一にならずに、金属配線９７の表面が断面視において皿状に窪む、いわゆるディッシングを生じてしまうといった問題があった。
【０００６】
詳細に説明すれば、シード膜９５上に電気メッキによって金属配線膜９６を形成すると、図２(e) に示すように、金属配線膜９６の表面には、絶縁膜９２の凹部９３と対向する部分に窪みが生じる。この後に行われるＣＭＰ処理で用いられる定盤パッドは、たとえば発泡ポリウレタンのような柔軟性を有する材料で構成されているため、金属配線膜９６の表面起伏に沿った形状に変形して、その金属配線膜９６の表面全域をほぼ均一に研磨していく。したがって、金属配線膜９６の表面は、絶縁膜９２の凹部９３に対向する部分が窪んだ状態で削られていき、凹部９３内の金属配線膜９６が絶縁膜９２の凹部９３外の表面とほぼ面一になった時点では、図２(f) に示すように、表面領域９２ａ上に金属配線膜９６、シード膜９５およびバリアメタル膜９４が残った状態となる。
【０００７】
この表面領域９２ａ上に残留している金属配線膜９６、シード膜９５およびバリアメタル膜９４を除去すべくＣＭＰ処理が続けられると、凹部９３内の金属配線膜９６が徐々に削り取られていく。また、金属配線膜９６は、バリアメタル膜９４よりも削れやすいので、表面領域９２ａにおいてバリアメタル膜９４が露出した後は、表面領域９２ａ上のバリアメタル膜９４よりも凹部９３内の金属配線膜９６の研磨レートが大きくなる。その結果、表面領域９２ａの全域が露出した時点で、凹部９３内に埋め込まれた状態の金属配線９７にディッシングを生じてしまう。
【０００８】
このような金属配線９７のディッシングにより、金属配線９７の断面積が設計値よりも小さくなり、その結果、金属配線９７の電気抵抗が大きくなる。
また、半導体基板上に多層配線が施される場合には、金属配線９７にディッシングが生じていると、その後の工程に悪影響を及ぼしてしまう。たとえば、金属配線９７にディッシングが生じていると、金属配線９７が埋め込まれた絶縁膜９２上に新たな酸化シリコン絶縁膜を形成した場合に、この新たな酸化シリコン絶縁膜の表面の金属配線９７に対向する部分が窪んでしまうために、新たな金属配線埋め込み用の凹部をパターニングするためのフォトリソグラフィ工程中の露光処理時において焦点ずれを生じてしまう。また、新たな酸化シリコン膜上に金属配線膜を形成した後、凹部外の金属配線膜の不要部分を除去するためにＣＭＰ処理を施しても、新たな酸化シリコン絶縁膜に生じた窪みに金属配線膜が残ってしまい、この残留した金属配線膜によって、新たな金属配線の短絡を生じるおそれがある。
【０００９】
このような不都合を回避する方法として、新たな酸化シリコン絶縁膜の表面を平坦化した後にフォトリソグラフィ工程を実行することが考えられるが、この方法は、工程数が増加し、製造コストの増大を招くので好ましくない。
そこで、この発明の目的は、上述の技術的課題を解決し、金属配線にディッシングが生じることを防止できる半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体基板上に形成された絶縁膜の表面に金属配線を配設するための方法であって、上記絶縁膜に凹部を形成する工程と、この凹部が形成された絶縁膜上に金属配線材料からなる金属配線膜を積層する工程と、上記凹部を形成する工程と上記金属配線膜を積層する工程との間に、上記凹部が形成された絶縁膜上にバリアメタル膜を積層する工程と、上記絶縁膜の凹部外の表面領域上に積層された金属配線膜を選択的に除去する工程と、この金属配線膜の選択除去後に、上記凹部の上方に積層された金属配線膜を、化学的機械的研磨法により研磨する工程とを含み、上記金属配線膜を選択的に除去する工程では、上記絶縁膜の凹部外の表面領域上に積層されたバリアメタル膜も選択的に除去することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、上記化学的機械的研磨法により研磨する工程は、金属配線膜の表面と上記絶縁膜の凹部外の表面とがほぼ面一になるまで続けられる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である。
以上の発明によれば、絶縁膜の凹部外の表面領域上の金属配線膜は、化学的機械的研磨法による処理が行われる前に除去されているから、不要な金属配線膜を除去するための化学的機械的研磨法による処理は、金属配線膜の表面が絶縁膜の凹部外の表面と面一になった時点で終了することができる。したがって、絶縁膜の凹部に埋め込まれた金属配線にディッシングを生じることを防止できる。
【００１２】
これにより、設計値どおりの断面積および電気抵抗を有する良質な金属配線を得ることができる。
また、絶縁膜の表面と金属配線の表面とをほぼ面一にできるから、この発明に係る方法が多層配線に適用される場合には、絶縁膜および金属配線上に新たな絶縁膜をほぼ平坦に形成することができる。よって、この新たに形成した絶縁膜に金属配線埋め込み用の凹部をパターニングするためのフォトリソグラフィ工程中の露光処理時において焦点ずれを生じることを防止できる。また、新たな絶縁膜に生じた窪みに金属配線膜が残ることによる金属配線の短絡を防止できる。しかも、この焦点ずれや金属配線の短絡を防止するために、新たに形成した絶縁膜を平坦化するための処理を追加して行う必要もないので、製造コストの増大を招くといったこともない。
バリアメタル膜は、たとえばＴｉ（チタン）やＴｉＮ（窒化チタン）などで構成され、化学的機械的研磨法においては、Ｃｕ（銅）などの金属材料で構成される金属配線膜よりも削れにくい。そのため、化学的機械的研磨法による処理において、金属配線膜とともに絶縁膜の凹部外の表面領域上に積層されたバリアメタル膜を研磨した場合、バリアメタル膜よりも金属配線膜の方が研磨レートが大きいために、金属配線膜が余分に削られてしまう。その結果、金属配線にディッシングを生じてしまう。
絶縁膜の凹部外の表面領域上に積層されたバリアメタル膜は、化学的機械的研磨法による処理を行う前に、絶縁膜の凹部外の表面領域上に積層された金属配線膜とともに除去される。したがって、化学的機械的研磨法による処理時に、バリアメタル膜を除去するために金属配線膜の研磨が進みすぎるといったことがない。ゆえに、バリアメタル膜が形成されている場合であっても、金属配線にディッシングが生じることを防止できる。
【００１３】
請求項３記載の発明は、上記金属配線膜を選択的に除去する工程は、上記金属配線膜の表面の上記凹部に対向する領域上にパターニング用マスクを選択的に形成する工程と、このパターニング用マスクでマスキングされた部分以外の金属配線膜を選択的に除去する工程とを含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法である。
【００１４】
なお、上記パターニング用マスクでマスキングされた部分以外の金属配線膜は、エッチングにより除去されることが好ましい。
この発明によれば、絶縁膜の凹部外の表面領域上の金属配線膜は、金属配線膜の表面の凹部に対向する領域にパターニング用マスクを形成した後に、たとえば、パターニング用マスクでマスキングされた部分以外のエッチングを行うことにより除去することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。この図１に示す製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜の表面に凹部を形成して、金属配線を上記凹部に埋め込んだ状態に配設するための方法である。
【００１９】
まず、図１(a) に示すように、シリコン基板１の一方表面に、たとえばＳｉＯ2（酸化シリコン）からなる絶縁膜２を形成する。この絶縁膜２は、たとえば、シリコン基板１を酸素雰囲気中で加熱して、シリコン基板１の一方表面を酸化させる熱酸化法や、酸化シリコンの気化物をシリコン基板１の一方表面上に沈着させるＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition) 法により形成することができる。
【００２０】
次に、図１(b) に示すように、フォトリソグラフィ技術により、絶縁膜２の表面の金属配線を形成すべき領域に対応する部分に、金属配線埋め込み用の凹部３を形成する。つづいて、図１(c) に示すように、凹部３が形成された絶縁膜２上に、スパッタ法によって、たとえばＴｉＮ（窒化チタン）からなるバリアメタル膜４を形成する。さらに、図１(d) に示すように、バリアメタル膜４の上に、スパッタ法によって、たとえばＣｕからなるシード膜５を形成する。そして、図１(e) に示すように、たとえば電気メッキによって、シード膜５の上にシード膜５と同種の金属（たとえばＣｕ）からなる金属配線膜６を形成する。この金属配線膜６の膜厚は、凹部３内が金属配線膜６で満たされるのに十分な膜厚に設定されるとよく、また、絶縁膜２に複数の凹部が形成されている場合には、最も幅の広い凹部内が金属配線膜６で満たされるのに十分な膜厚に設定されるのが好ましい。たとえば、凹部３の深さが約１μｍの場合、金属配線膜６の膜厚は約２〜３μｍに設定されるのが好ましい。
【００２１】
なお、バリアメタル膜４は、シード膜５を構成するＣｕなどの金属が絶縁膜２中に拡散するのを防ぐためのものであり、上記したＴｉＮの他にも、たとえばＴｉ、Ｔａ（タンタル）、ＴａＮ（窒化タンタル）、Ｗ（タングステン）などで構成することができる。また、シード膜５および金属配線膜６の材料としては、上記したＣｕの他にも、たとえばＡｕ（金）やＡｇ（銀）のような導電性の優れた金属材料を用いることができる。
【００２２】
次いで、図１(f) に示すように、金属配線膜６の表面の凹部３と対向する領域に、フォトリソグラフィ技術によって、たとえば、ＳｉＯ2からなるパターニング用マスク７を形成する。このパターニング用マスク７の膜厚は、たとえば、約０．１〜０．５μｍに設定されるのが好ましい。
その後、パターニング用マスク７でマスキングされた部分以外のバリアメタル膜４、シード膜５および金属配線膜６を除去すべく、たとえばウエットエッチングによるパターニングを行う。これにより、図１(g) に示すように、絶縁膜２の凹部３上に積層されたバリアメタル膜４、シード膜５および金属配線膜６のみが残されて、絶縁膜２の凹部３外の表面領域２ａのほぼ全域が露出する。
【００２３】
その後、たとえばウエットエッチングにより、図１(h) に示すように、パターニング用マスク７を除去する。つづいて、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨法) 処理が行われることにより、凹部３上の金属配線膜６が化学的および物理的に削られていき、この金属配線膜６の表面と絶縁膜２の凹部３外の表面（表面領域２ａ）とがほぼ面一になると、このＣＭＰ処理が終了される。これにより、図１(i) に示すように、絶縁膜２の表面に、凹部３に埋め込まれた平坦な金属配線８のパターンを得ることができる。
【００２４】
以上のようにこの実施形態によれば、絶縁膜２の凹部３以外の表面領域２ａ上のバリアメタル膜４、シード膜５および金属配線膜６がＣＭＰ処理前に除去されているから、不要な金属配線膜６を除去するためのＣＭＰ処理は、金属配線膜６の表面が絶縁膜２の凹部３外の表面とほぼ面一になった時点で終了することができる。したがって、絶縁膜２の凹部３に埋め込まれた金属配線８にディッシングを生じることを防止できる。
【００２５】
これにより、設計値どおりの断面積および電気抵抗を有する良質な金属配線８を得ることができる。
また、絶縁膜２の表面と金属配線８の表面とがほぼ面一になるから、この実施形態に係る方法が多層配線に適用される場合には、絶縁膜２および金属配線８上に新たな絶縁膜をほぼ平坦に形成することができる。よって、この新たに形成した絶縁膜に金属配線埋め込み用の凹部をパターニングするためのフォトリソグラフィ工程中の露光処理時において焦点ずれを生じることを防止できる。また、新たな絶縁膜に生じた窪みに金属配線膜が残ることによる金属配線の短絡を防止できる。しかも、この焦点ずれや金属配線の短絡を防止するために、新たに形成した絶縁膜を平坦化するための処理を追加して行う必要もないので、製造コストの増大を招くといったこともない。
【００２６】
この発明の一実施形態の説明は以上のとおりであるが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではない。たとえば、パターニング用マスクは、上記したＳｉＯ2などの酸化物以外に、たとえばＳｉ3Ｎ4（窒化シリコン）のような窒化物で構成されてもよい。
また、上述の実施形態においては、バリアメタル膜上に、スパッタ法によってシード膜が形成され、このシード膜上に、電気メッキによって金属配線膜が形成されるとしている。しかしながら、必ずしもシード膜が形成される必要はなく、たとえば、バリアメタル膜上に、スパッタ法によって金属配線膜が直接に形成されてもよい。
【００２７】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で、種々の設計変更を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図２】従来のダマシン法による金属配線のパターン形成工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１      シリコン基板
２      絶縁膜
２ａ    表面領域
３      凹部
４      バリアメタル膜
５      シード膜
６      金属配線膜
７      パターニング用マスク
８      金属配線
【図１】
0003933331.tif 000002
【図２】
0003933331.tif 000003