(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部金属配線が形成された半導体基板を提供する段階と、
前記下部金属配線を含んだ全体構造上に多孔性誘電物質からなる低誘電膜を形成する段階と、
前記低誘電膜上にハードマスク層を形成する段階と、
前記ハードマスク層上にフォトレジストパターンを形成した後、前記フォトレジストパターンを用いたエッチング工程で前記低誘電膜の一部分をエッチングしてダマシンパターンを形成し、前記ダマシンパターン形成のためのエッチング工程中に発生するポリマーが前記ダマシンパターンの側面に付着してポリマー層を形成する段階と、
ＳｉＨ４プラズマを用いて前記ポリマー層をＳｉＣＨ膜に変化させた後、前記フォトレジストパターンを除去する段階と、
前記ハードマスク層と前記ＳｉＣＨ膜によって取り囲まれている前記低誘電膜を含んだ全体構造上に銅層を形成した後、化学機械研磨工程で前記銅層を研磨して銅配線を形成する段階と、
を含んでなることを特徴とする半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項２】
前記低誘電膜は誘電率が２.５以下の多孔性誘電物質で形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項３】
前記ハードマスク層はＳｉＮ、ＳｉＣＨ、ＳｉＯｘのような絶縁物質で形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項４】
前記ダマシンパターンを形成させるためのエッチング工程は反応性イオンエッチング装備を用いることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項５】
前記ポリマー層はエッチングガスを変化させて厚さまたは成分を調節することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項６】
前記ＳｉＣＨ膜の成分または強度はプラズマ電力を変化させて調節することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項７】
前記ＳｉＣＨ膜の厚さは前記ポリマー層の厚さに依存することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項８】
前記ＳｉＣＨ膜は銅拡散防止膜の役割をすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項９】
前記ＳｉＣＨ膜は機械的強度に弱い多孔性の前記低誘電膜を構造的に支持する役割をすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項１０】
前記銅層は物理気相蒸着（ＰＶＤ）法／リフロー、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法、電解メッキ法、無電解メッキ法のいずれか一つで形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項１１】
前記銅層形成前に銅拡散防止膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【請求項１２】
前記銅拡散防止膜はイオン化(ionized)ＰＶＤ ＴｉＮ、ＣＶＤ ＴｉＮ、ＭＯＣＶＤ ＴｉＮ、イオン化(ionized)ＰＶＤＴａ、イオン化(ionized)ＰＶＤ ＴａＮ、ＣＶＤ Ｔａ、ＣＶＤ ＴａＮ、ＣＶＤ ＷＮのいずれか一つで形成することを特徴とする請求項１１記載の半導体素子の銅配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の銅配線形成方法に係り、特に、低誘電膜の一部分をエッチングしてダマシンパターンを形成する際に発生するポリマー除去のためのウェット洗浄(wet cleaning)工程またはフォトレジストパターン除去工程時に、ダマシンパターンの側面に露出された低誘電膜への有機溶剤またはエッチングガスなどの浸透によって低誘電膜の誘電率が増加し且つ銅拡散防止膜の蒸着が不良になることを防止することが可能な半導体素子の銅配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体産業の超大規模集積回路への移行に伴って、素子のジオメトリー(geometry)がサブハーフミクロン(sub-half-micron)領域に減りつつあるが、性能向上及び信頼度の側面における回路密度(circuitdensity)は増加している。このような要求に応えて、半導体素子の金属配線を形成するにおいて、銅薄膜は、アルミニウムに比べ融点が高くて電気移動度(electro-migration;ＥＭ)に対する抵抗が大きいため、半導体素子の信頼性を向上させることができ、比抵抗が小さくて信号伝達速度を増加させることができるため、集積回路(integration circuit)に有用な相互接続材料(interconnection material)として使用されている。
【０００３】
現在、使用可能な銅埋込み方法としては、物理気相蒸着（ＰＶＤ）法／リフロー(reflow)、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法、電解メッキ(electroplating)法、無電解メッキ(Electroless-plating)法などがあるが、この中でも多く用いられるのが比較的良好な銅埋込み特性を有する電解メッキ法と化学気相蒸着法である。
【０００４】
半導体素子の銅配線形成工程に下部層と電気的に連結するためのビアコンタクトホール及び金属配線の位置するトレンチを同時に形成させるダマシン技法が広く適用されており、誘電率の低い低誘電膜が適用されている。
【０００５】
現在、半導体素子において、誘電率２.５以下の超低誘電膜を基本としてダマシン銅配線形成工程を行っている。超低誘電膜は膜内に数多くの気孔を有している。ところが、ダマシンパターンを形成するためのエッチング工程によって発生したポリマー除去のためのウェット洗浄工程またはフォトレジストパターンの除去工程中に、ダマシンパターンの側面に露出された多孔性超低誘電膜へ有機溶剤またはエッチングガスなどが浸透し、これにより超低誘電膜の気孔が誘電率の高い有機溶剤で埋められて配線構造全体の誘電率が上昇し、後続の工程で形成される銅拡散防止膜蒸着工程時にダマシンパターン側面の超低誘電膜から有機溶剤が蒸発して銅拡散防止膜の緻密性と密着性を悪くする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、多孔性低誘電膜内への有機溶剤またはエッチングガスなどの浸透を防止して銅配線の電気的特性及び信頼性を向上させることが可能な半導体素子の銅配線形成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の実施例に係る半導体素子の銅配線形成方法は、下部金属配線が形成された半導体基板を提供する段階と、前記下部金属配線を含んだ全体構造上に多孔性誘電物質からなる低誘電膜を形成する段階と、前記低誘電膜上にハードマスク層を形成する段階と、前記ハードマスク層上にフォトレジストパターンを形成した後、前記フォトレジストパターンを用いたエッチング工程で前記低誘電膜の一部分をエッチングしてダマシンパターンを形成し、前記ダマシンパターン形成のためのエッチング工程中に発生するポリマーが前記ダマシンパターンの側面に付着してポリマー層を形成する段階と、ＳｉＨ４プラズマを用いて前記ポリマー層をＳｉＣＨ膜に変化させた後、前記フォトレジストパターンを除去する段階と、前記ハードマスク層と前記ＳｉＣＨ膜によって取り囲まれている前記低誘電膜を含んだ全体構造上に銅層を形成した後、化学機械研磨工程で前記銅層を研磨して銅配線を形成する段階と、を含んでなることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
図１及び図２は本発明の実施例に係る半導体素子の銅配線形成方法を説明するための素子の断面図である。
【００１０】
図１（ａ）を参照すると、半導体素子製造工程によって下部金属配線１１形成工程まで完了した半導体基板を提供する。下部金属配線１１を含んだ全体構造上に低誘電膜１２を形成する。低誘電膜１２上にハードマスク層１３を形成し、ハードマスク層１３上にフォトレジストパターン１４を形成する。フォトレジストパターンを用いたダマシン技法でエッチング工程を行い、低誘電膜１２に下部金属配線１１と電気的に連結するためのビアコンタクトホール及び銅配線の位置するトレンチを有するダマシンパターン１５を形成する。
【００１１】
ここで、低誘電膜１２は誘電率２.５以下の多孔性誘電物質で形成する。多孔性誘電物質はDow-Corning社の「XLK」、「BOSS」、Honeywell社の「Nanoglass」、JSR社の「LKD-T401」、IBM社の「Porogen」及びDowChemical社の「Porous-SiLK」などがある。ハードマスク層１３はＳｉＮ、ＳｉＣＨ、ＳｉＯｘなどのような絶縁物質で形成する。ダマシンパターン１５を形成させるためのエッチング工程は、反応性イオンエッチング(ReactiveIon Etch)装備を用いるが、エッチング工程時に炭化水素(hydrocarbon)成分のポリマーが発生し、発生したポリマーはビアコンタクトホール及びトレンチを有するダマシンパターン１５の側面にくっ付いてポリマー層１６を成す。ポリマー層１６の厚さまたは成分はエッチングガスを変化させて自由に調節することができる。エッチングガスはＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＣＨＦ３、Ｃ２ＨＦ５、ＣＦ２Ｈ２などがあり、Ｈ入りガスとＣＦ系統ガスの比率を調節してポリマーの厚さと成分を調節することができる。ポリマーはＣＦｘＨｙであって、ｘとｙはガスの量と比によって調節される。ＣＦｘガス：ＣＨＦガスの比は２：１〜１０：１にする。従って、所望の厚さのポリマー層１６を容易に得ることができる。
【００１２】
図１（ｂ）を参照すると、ＳｉＨ４プラズマを用いてポリマー層１６をＳｉＣＨ膜１６０に変化させるが、反応式は下記の通りである。
【００１３】
＜反応式＞Polymer(ＣＦｘＨｙ)＋ＳｉＨ４ plasma→ＳｉＣＸＨＹ+ ＨＦ(Exhaust gas)
【００１４】
前記反応式のように、炭化水素成分からなるポリマーがＳｉＨ４プラズマと反応し、反応はポリマーが全部ＳｉＣＨに変換されれば停止し、ＨＦのようなその他排出ガスは蒸発して無くなる。
【００１５】
前記において、ＳｉＣＨ膜１６０の成分または強度は、プラズマ電力を変化させて調節することができる。すなわち、プラズマ電力を高めると、ＳｉＣＨ膜１６０内に含有されたＨの量が減って機械的強度及び誘電率が高くなり、プラズマ電力を低めると、ＳｉＣＨ膜１６０内に含有されたＨの量が増加して機械的強度及び誘電率が低くなる。その厚さはポリマー層１６の厚さによって決定される。ＳｉＣＨ膜１６０は膜質が稠密で機械的強度に優れるので、後続工程のウェル洗浄工程またはフォトレジストパターン除去工程時に、ダマシンパターン１５の側面に露出された低誘電膜１２への有機溶剤またはエッチングガスなどの浸透、金属イオンの拡散を防止することができる上、後続の工程で形成される銅拡散防止膜の役割を補助することができ、機械的強度に弱い多孔性低誘電膜１２を構造的に支持することができる。
【００１６】
図２（ａ）を参照すると、フォトレジストパターン１４を除去する。これにより、低誘電膜１２は、ハードマスク層１３とＳｉＣＨ膜１６０によって取り囲まれており、後続の工程で形成される銅配線の銅拡散から十分保護される。
【００１７】
図２（ｂ）を参照すると、ハードマスク層１３とＳｉＣＨ膜１６０によって取り囲まれている低誘電膜１２を含んだ全体構造上に銅層を形成した後、ＣＭＰ（化学機械研磨）工程で銅層を研磨して上部銅配線１７を形成する。
【００１８】
ここで、銅層は物理気相蒸着（ＰＶＤ）法／リフロー(reflow)、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法、電解メッキ法、無電解メッキ法などで形成する。
【００１９】
一方、銅配線１７から拡散する銅をより効率よく防止するために、銅層形成前に銅拡散防止膜を形成することができる。銅拡散防止膜はイオン化(ionized)ＰＶＤ ＴｉＮ、ＣＶＤ ＴｉＮ、ＭＯＣＶＤ ＴｉＮ、イオン化(ionized)ＰＶＤＴａ、イオン化(ionized)ＰＶＤＴａＮ、ＣＶＤ Ｔａ、ＣＶＤ ＴａＮ、ＣＶＤＷＮのいずれか一つで形成する。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、低誘電膜の劣化を防止するために、エッチング時に発生した炭化水素成分のポリマーをフォトレジスト除去工程前にＳｉＨ４プラズマで選択的に反応させて側面にＳｉＣＨ銅拡散防止膜を形成させ、後続のウェット洗浄時に溶剤(solvent)の浸透を防ぎ、またＳｉＣＨの強い機械的強度を用いて、機械的強度に弱い低誘電膜を支持して配線全体の構造的強度を向上させるうえ、ＳｉＣＨの銅拡散防止特性を用いて銅拡散防止膜の側面脆弱性を補完する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る半導体素子の銅配線形成方法を説明するための素子の断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る半導体素子の銅配線形成方法を説明するための素子の断面図である。
【符号の説明】
１１ 下部金属配線
１２ 低誘電層
１３ ハードマスク層
１４ フォトレジストパターン
１５ ダマシンパターン
１６ ポリマー膜
１６０ ＳｉＣＨ膜
１７ 上部銅配線
【図１】
0004087235.tif 000002
【図２】
0004087235.tif 000003