(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板の主表面上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝内を埋め込むように配置されたＣｕを主成分とする配線と、
前記配線の上面を覆うように配置され、ｃ軸配向した窒化硼素により形成された拡散防止層と、
前記拡散防止層の上に配置された第２の絶縁膜と
を有する配線構造。
【請求項２】
さらに、前記第１の絶縁膜の下に配置され、窒化硼素により形成されたエッチング停止層であって、該エッチング停止層の上面の一部が前記配線溝の底面を構成する前記エッチング停止層を有する請求項１に記載の配線構造。
【請求項３】
前記エッチング停止層が、ｃ軸配向した窒化硼素膜である請求項２に記載の配線構造。
【請求項４】
さらに、前記配線溝の底面及び側面を覆うバリアメタル層を有し、
前記配線が、前記バリアメタル層の表面上に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の配線構造。
【請求項５】
さらに、
前記エッチング停止層の下に配置された第３の絶縁膜と、
前記第３の絶縁膜の一部の領域の下に配置された導電性領域と、
前記配線溝の底面の一部の領域において、前記エッチング停止層と前記第３の絶縁膜とを貫通し、前記導電性領域の上面まで達するビアホールと、
前記ビアホール内を埋め込む導電性プラグと
を有する請求項１〜４のいずれかに記載の配線構造。
【請求項６】
前記バリアメタル層が前記ビアホールの底面及び側面をも覆い、前記導電性プラグと前記配線とが同一材料で一体成形されている請求項５に記載の配線構造。
【請求項７】
基板の主表面上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝内を、Ｃｕを主成分とする導電材料で埋め込み、配線を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜及び配線の上に、ｃ軸配向した窒化硼素からなる拡散防止層を形成する工程と、
前記拡散防止層の上に、第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜及び前記拡散防止層を貫通し、前記配線の上面の一部を露出させるビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内を導電性プラグで埋め込む工程と
を有する配線構造の形成方法。
【請求項８】
前記第１の絶縁膜を形成する工程の後、前記配線溝を形成する工程の前に、さらに、前記第１の絶縁膜の上に、窒化硼素からなる保護層を形成する工程を含み、
前記配線溝を形成する工程において、前記保護層と前記第１の絶縁膜を含む積層構造に前記配線溝を形成し、
前記配線を形成する工程が、
前記配線溝の内面及び前記基板の平坦面上にバリアメタル層を堆積する工程と、
前記バリアメタル層の表面上に、前記配線溝内を埋め込むように、Ｃｕを主成分とする導電膜を堆積する工程と、
前記導電膜及びバリアメタル層のうち、前記配線溝内以外に堆積した部分を除去する工程と
を含む請求項７に記載の配線構造の形成方法。
【請求項９】
基板上にＣｕを主成分とする配線を形成する工程と、
前記配線の上に、ｃ軸配向した第１の窒化硼素層を堆積する工程と、
前記第１の窒化硼素層の上に第１の絶縁膜を堆積する工程と、
前記第１の絶縁膜の上に、第２の窒化硼素層を堆積する工程と、
前記第２の窒化硼素層の、前記配線に対応する領域に第１の開口を形成する工程と、
前記第２の窒化硼素層及び前記第１の開口の上に、第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上に、前記第１の開口の少なくとも一部に重畳する第２の開口を有するマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクとし、前記第１及び第２の絶縁膜を部分的にエッチングし、前記第２の絶縁膜に前記第２の開口に対応する配線溝を形成するとともに、前記第１の絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールの底面に露出した前記第１の窒化硼素層を除去する工程と、
前記配線溝及びビアホール内にＣｕを主成分とする導電性材料を埋め込む工程と
を有する配線構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線構造及びその形成方法に関し、特に、Ｃｕを主成分とする配線を用いた配線構造及びその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の多層配線における信号の伝搬速度は、配線抵抗と配線間の寄生容量により決定される。半導体集積回路の高集積化により配線間隔が狭くなり、配線間の寄生容量が増大している。同一配線層内の配線間の寄生容量は、各配線を薄くすることにより低減できるが、配線を薄くすると配線抵抗の増大を伴うため、半導体集積回路装置の動作速度の高速化には繋がらない。
【０００３】
配線抵抗を小さくするために、抵抗率の低いＣｕを用いて配線を形成する技術が注目されている。配線材料としてＣｕを用いることにより、配線を薄くしても十分小さな配線抵抗とすることが可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体集積回路装置に使用される層間絶縁膜としては、化学気相成長（ＣＶＤ）によるシリコン酸化膜、フォスフォシリケートガラス（ＰＳＧ）膜等が主流である。近年、分子内にＳｉ−Ｈ結合を含むシリコーン樹脂が低誘電率の層間絶縁膜材料として注目されている。配線材料としてＣｕを用いると、熱処理によりＣｕがこれらの層間絶縁膜中に拡散し、絶縁不良を起こし易くなる。Ｃｕの拡散を防止するために、ＳｉＮ膜を拡散防止層として用いることが提案されている。しかし、ＳｉＮの比誘電率は約８であり、ＳｉＯ2 の比誘電率よりも高い。このため、配線間の寄生容量低減の要請に反することになる。
【０００５】
本発明の目的は、Ｃｕを主成分とする配線材料を用いた信頼性の高い配線構造及びその形成方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、
支持基板の主表面上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜に形成された配線溝と、
前記配線溝内を埋め込むように配置されたＣｕを主成分とする配線と、
前記配線の上面を覆うように配置され、ｃ軸配向した窒化硼素により形成された拡散防止層と、
前記拡散防止層の上に配置された第２の絶縁膜と
を有する配線構造が提供される。
【０００７】
窒化硼素からなる拡散防止層が、配線中のＣｕ原子の絶縁膜内への拡散を防止する。Ｃｕ原子の拡散による絶縁不良等を防止することができる。
【０００８】
本発明の他の観点によると、
基板の主表面上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記配線溝内を、Ｃｕを主成分とする導電材料で埋め込み、配線を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜及び配線の上に、ｃ軸配向した窒化硼素からなる拡散防止層を形成する工程と、
前記拡散防止層の上に、第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜及び前記拡散防止層を貫通し、前記配線の上面の一部を露出させるビアホールを形成する工程と、
前記ビアホール内を導電性プラグで埋め込む工程と
を有する配線構造の形成方法が提供される。
【０００９】
配線の上面が、窒化硼素からなる拡散防止層で覆われる。このため、配線内のＣｕ原子の第２の絶縁膜内への拡散を防止することができる。
【００１０】
本発明の一観点によると、
基板上にＣｕを主成分とする配線を形成する工程と、
前記配線の上に、ｃ軸配向した第１の窒化硼素層を堆積する工程と、
前記第１の窒化硼素層の上に第１の絶縁膜を堆積する工程と、
前記第１の絶縁膜の上に、第２の窒化硼素層を堆積する工程と、
前記第２の窒化硼素層の、前記配線に対応する領域に第１の開口を形成する工程と、
前記第２の窒化硼素層及び前記第１の開口の上に、第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上に、前記第１の開口の少なくとも一部に重畳する第２の開口を有するマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクとし、前記第１及び第２の絶縁膜を部分的にエッチングし、前記第２の絶縁膜に前記第２の開口に対応する配線溝を形成するとともに、前記第１の絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
前記ビアホールの底面に露出した前記第１の窒化硼素層を除去する工程と、
前記配線溝及びビアホール内にＣｕを主成分とする導電性材料を埋め込む工程と
を有する配線構造の形成方法が提供される。
【００１１】
第１の絶縁膜と第２の絶縁膜との間に配置されるエッチング停止層を窒化硼素で形成している。窒化硼素は、ＳｉＮよりも低い誘電率を有する。このため、エッチング停止層をＳｉＮで形成する場合に比べて、配線間の寄生容量を低減することができる。
また、ｃ軸配向した窒化硼素を用いることにより、拡散防止層の誘電率を低減させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図４を参照して、本発明の実施例による配線形成方法について説明する。
【００１３】
図１（Ａ）に示すように、シリコン基板１の表面にフィールド酸化膜２が形成され、フィールド酸化膜２により活性領域が画定されている。この活性領域内に、ＭＯＳトランジスタ３が形成されている。ＭＯＳトランジスタ３は、ソース領域３Ｓ、ドレイン領域３Ｄ、ゲート電極３Ｇを含んで構成される。
【００１４】
ＭＯＳトランジスタ３を覆うように、平行平板型のプラズマ励起型化学気相成長（ＰＥ−ＣＶＤ）装置を用いて、ＳｉＯ2 からなる厚さ１．５μｍの層間絶縁膜５を堆積する。層間絶縁膜５の堆積条件は、例えば、基板温度３５０℃、圧力３．０Ｔｏｒｒ、高周波印加電力３００Ｗ、電極間隔４００ｍｉｌｓ（約１ｃｍ）、ＳｉＨ4 流量４０ｓｃｃｍ、Ｎ2 Ｏ流量４００ｓｃｃｍ、及びＮ2 流量２０００ｓｃｃｍである。層間絶縁膜５の表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化する。平坦化後の層間絶縁膜５の厚さは、約１．２μｍになる。
【００１５】
層間絶縁膜５の上に、窒化硼素（ＢＮ）からなる厚さ０．１μｍのエッチング停止層６を形成する。エッチング停止層６の堆積は、原料ガスとしてＢＣｌ3 とＮＨ3 を用いたＣＶＤにより行う。堆積条件は、ＢＣｌ3 とＮＨ3 の流量比１：２０、基板温度４５０℃、圧力７６０Ｔｏｒｒ（常圧）である。この条件で堆積したＢＮ膜の屈折率は、約１．７８になる。
【００１６】
図１（Ｂ）に示すように、ソース領域３Ｓ及びドレイン領域３Ｄに対応する領域に、それぞれエッチング停止層６と層間絶縁膜５を貫通するビアホール１０Ｓ及び１０Ｄを形成する。エッチング停止層６のエッチングは、ＣＦ4 とＯ2 を用いたＲＩＥにより行い、層間絶縁膜５のエッチングは、ＣＨＦ3 とＯ2 を用いたＲＩＥにより行う。ビアホール１０Ｓ及び１０Ｄ内を、それぞれ導電性プラグ１１Ｓ及び１１Ｄで埋め込む。
【００１７】
導電性プラグ１１Ｓ及び１１Ｄの形成は、ビアホール内面を覆うＴｉＮ膜を堆積し、その上にＷ膜を堆積してビアホール内を埋め込み、その後ＣＭＰによりビアホール以外の領域に堆積しているＴｉＮ膜及びＷ膜を除去することにより行う。ＢＮからなるエッチング停止層６は高いＣＭＰ耐性を有するため、エッチング停止層６が現れた時点でＣＭＰを再現性良く停止することができる。ＴｉＮ膜の堆積は、例えば、ＴｉターゲットとＡｒ／Ｎ2 混合ガスを用いたＤＣマグネトロンスパッタリングにより、基板温度３００℃、ガス圧３ｍＴｏｒｒの条件で行う。Ｗ膜の堆積は、例えば、原料ガスとしてＷＦ6 、ＳｉＨ4 、及びＨ2 を用いた熱ＣＶＤにより、成長温度３８０℃の条件で行う。
【００１８】
図１（Ｃ）に示すように、エッチング停止層６の上に、ＢＮからなる厚さ０．１μｍのエッチング停止層１５を、エッチング停止層６の堆積条件と同様の条件で形成する。エッチング停止層１５の上に、水素シルセキオキサン（ＨＳＱ）からなる厚さ０．６μｍの層間絶縁膜１６を形成する。層間絶縁膜１６は、溶剤に溶かしたＨＳＱ（ダウコーニング社の商品Ｆｏｘ）を基板上にスピン塗布し、Ｎ2 雰囲気中で基板温度を４００℃とし、３０分間の熱処理を行うことにより形成される。
【００１９】
図２（Ａ）に示すように、層間絶縁膜１６とエッチング停止層１５との２層に、複数の配線溝１７を形成する。１本の配線溝１７の底面に導電性プラグ１１Ｓの上面が露出し、他の１本の配線溝１７の底面に導電性プラグ１１Ｄの上面が露出する。層間絶縁膜１６のエッチングは、ＣＨＦ3 とＯ2 を用いたＲＩＥにより行う。このとき、エッチング停止層１５によりエッチングが自動的に停止する。エッチング停止層１５のエッチングは、ＣＦ4 とＯ2 を用いたＲＩＥにより行う。エッチング停止層６の上にエッチング停止層１５を形成したのは、導電性プラグ１１Ｓ及び１１Ｄを形成するときのＣＭＰにより、エッチング停止層６がほとんど除去されてしまう場合を考えたためである。
【００２０】
層間絶縁膜１６の表面及び配線溝１７の内面を覆うように、厚さ１０ｎｍのＴｉＮ膜２０を形成する。ＴｉＮ膜２０の表面上に、スパッタリングによりＣｕからなる厚さ５００ｎｍのめっきシード層２１を形成する。めっきシード層２１の表面上に、配線溝１７内を埋め込むように、電解めっきによりＣｕ膜２２を形成する。
【００２１】
図２（Ｂ）に示すように、ＣＭＰにより層間絶縁膜１６の上面よりも上に堆積しているＣｕ膜２２、めっきシード層２１、及びＴｉＮ膜２０を除去する。配線溝１７内にめっきシード層２１とＣｕ膜２２とからなるＣｕ配線２２ａが残る。Ｃｕ配線２２ａの側面及び底面は、ＴｉＮ膜２０ａで覆われている。このため、Ｃｕ配線２２ａ内のＣｕ原子の層間絶縁膜５及び１６内への拡散を防止することができる。層間絶縁膜１６及び配線２２ａの上に、ＢＮからなる厚さ０．１μｍの拡散防止層２５を形成する。
【００２２】
図３及び図４は、図２（Ｂ）以降の工程を、Ｃｕ配線２２ａよりも上層の配線構造に着目して示す。図３及び図４では、Ｃｕ配線２２ａのうち１本を代表して表している。
【００２３】
図３（Ａ）に示すように、拡散防止層２５の上に、ＳｉＯ2 からなる厚さ１μｍの層間絶縁膜２６を形成する。層間絶縁膜２６の上に、ＢＮからなる厚さ０．１μｍのエッチング停止層２７を形成する。配線２２ａの上方の一部の領域に、エッチング停止層２７を貫通する開口２８を形成する。
【００２４】
図３（Ｂ）に示すように、エッチング停止層２７の上に、ＨＳＱからなる厚さ０．６μｍの層間絶縁膜３０を形成する。層間絶縁膜３０の上に、ＢＮからなる厚さ０．１μｍのエッチング停止層３１を形成する。エッチング停止層３１の上に、フォトレジストによりマスクパターン３２を形成する。マスクパターン３２には、開口２８の上方を通過する配線模様に対応した開口３３が形成されている。
【００２５】
マスクパターン３２をマスクとし、エッチング停止層３１を部分的にエッチングする。エッチング停止層３１に、配線模様に対応した開口が形成される。
【００２６】
図３（Ｃ）に示すように、マスクパターン３２をマスクとし、ＢＮからなるエッチング停止層２７及び拡散防止層２５のエッチング速度が遅く、ＨＳＱからなる層間絶縁膜３０及びＳｉＯ2 からなる層間絶縁膜２６を選択的にエッチングする条件で、層間絶縁膜３０及び２６をエッチングする。このエッチングは、例えば、フッ素プラズマを用いたプラズマエッチングにより行うことができる。
【００２７】
層間絶縁膜３０に、開口３３に対応する配線溝３０ａが形成され、層間絶縁膜２６に、開口２８に対応するビアホール２６ａが形成される。ビアホール２６ａの底には、拡散防止層２５の一部が露出する。ビアホール２６ａの底に露出した拡散防止層２５を除去し、配線２２ａの上面を露出させる。その後、マスクパターン３２を除去する。
【００２８】
図４（Ａ）に示すように、エッチング停止層３１の上面、配線溝３０ａ及びビアホール２６ａの内面上に、厚さ１０ｎｍのＴｉＮ膜３５を形成する。ＴｉＮ膜３５の表面上に、Ｃｕからなる厚さ５００ｎｍのめっきシード層３６を形成する。めっきシード層３６の表面上に、配線溝３０ａ及びビアホール２６ａ内を埋め込むように、電解めっきによりＣｕ膜３７を形成する。
【００２９】
図４（Ｂ）に示すように、エッチング停止層３１の上面よりも上に堆積しているＣｕ膜３７、めっきシード層３６、及びＴｉＮ膜３５をＣＭＰにより除去する。配線溝３０ａ及びビアホール２６ａ内に、Ｃｕ膜３７とめっきシード層３６からなるＣｕ配線及びＣｕプラグ３７ａが残る。Ｃｕ配線及びＣｕプラグ３７ａの側面と底面は、ＴｉＮ膜３５ａで覆われている。このように、配線溝とビアホールとを同時に埋め込む方法は、デュアルダマシン法と呼ばれる。
【００３０】
エッチング停止層３１及びＣｕ配線３７ａの上に、ＢＮからなる厚さ０．１μｍの拡散防止層４０を形成する。Ｃｕ配線及びＣｕプラグ３７ａの表面が、拡散防止層４０及びＴｉＮ膜３５ａで覆われるため、Ｃｕ原子の層間絶縁膜中への拡散を防止することができる。また、配線２２ａの上面が拡散防止層２５で覆われているため、配線２２ａ内のＣｕ原子の層間絶縁膜２６内への拡散を防止することができる。
【００３１】
図３（Ａ）から図４（Ｂ）までの工程を３回繰り返し、配線２２ａを含めて４層の配線構造を形成した。この配線構造に対し、４００℃で１０時間の熱処理を行ったところ、リーク電流による絶縁不良の発生はなかった。ＢＮからなる拡散防止層２５及び４０が、Ｃｕ原子の層間絶縁膜中への拡散を防止しているものと考えられる。
【００３２】
次に、拡散防止層をＢＮで形成した場合の寄生容量を評価した結果について説明する。
【００３３】
図５は、評価実験で作製したサンプルの断面図を示す。シリコン基板上に形成されたＳｉＯ2 膜５０の上に、厚さ５０ｎｍのＢＮ膜５１が形成されている。ＢＮ膜５１の上に厚さ０．６μｍのＨＳＱ膜５２が形成されている。ＨＳＱ膜５２に、図５の紙面に垂直な方向に延在する複数の配線溝が形成され、この配線溝内に、Ｃｕ配線５３が埋め込まれている。Ｃｕ配線５３の側面及び底面は、厚さ１０ｎｍのＴｉＮ膜５４で覆われている。ＨＳＱ膜５２及びＣｕ配線５３の上に、厚さ５０ｎｍのＢＮ膜５５が形成されている。
【００３４】
各配線５３の幅及び配線間の間隔は、共に０．３μｍである。配線５５のうち１つおきに配置された配線が相互に接続されて一方の櫛歯電極を構成し、その他の配線が相互に接続されて他方の櫛歯電極を構成する。１つの櫛歯電極の櫛歯は１００本であり、櫛歯の合計の長さは５００μｍである。
【００３５】
図５のサンプルの一対の櫛歯電極間の寄生容量は、ＢＮ膜５１及び５５の代わりにＳｉＮ膜を用いた場合に比べて、約１０％小さくなった。拡散防止層として、ＳｉＮよりも比誘電率の低いＢＮを用いた効果が現れている。
【００３６】
上記実施例で用いたＢＮからなる拡散防止層として、ｃ軸配向したＢＮ膜を用いることが好ましい。ｃ軸配向したＢＮ膜を用いることにより、拡散防止層の誘電率を３．５〜４．０に低減でき、容量を下げる効果が得られる。なお、上記実施例で説明したＣＶＤ条件でＢＮ膜を形成すると、ｃ軸配向した膜が得られる。
【００３７】
上記実施例では、配線材料としてＣｕを用いた場合を説明したが、Ｃｕを主成分とする材料、例えばＣｕにＳｎ、Ｚｒ、Ｐｄ等を０．１〜１．０重量％添加したＣｕ合金を用いる場合にも同様の効果が得られる。
【００３８】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ｃｕを主成分とする配線をＢＮからなる拡散防止層で被覆することにより、Ｃｕ原子の層間絶縁膜内への拡散を防止することができる。また、ＢＮの比誘電率は、ＳｉＮの比誘電率よりも小さいため、拡散防止層としてＳｉＮを用いる場合に比べて、配線間の寄生容量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による配線構造を形成する方法を説明するための配線構造の断面図（その１）である。
【図２】本発明の実施例による配線構造を形成する方法を説明するための配線構造の断面図（その２）である。
【図３】本発明の実施例による配線構造を形成する方法を説明するための配線構造の断面図（その３）である。
【図４】本発明の実施例による配線構造を形成する方法を説明するための配線構造の断面図（その４）である。
【図５】評価実験で用いたサンプルの断面図である。
【符号の説明】
１  シリコン基板
２  フィールド酸化膜
３  ＭＯＳトランジスタ
５、２６  層間絶縁膜（ＳｉＯ2 ）
６、１５、２７、３１  エッチング停止層（ＢＮ）
１０Ｓ、１０Ｄ  ビアホール
１１Ｓ、１１Ｄ  導電性プラグ
１６、３０  層間絶縁膜（ＨＳＱ）
１７、３０ａ  配線溝
２０、３５  ＴｉＮ膜
２１、３６  めっきシード層（Ｃｕ）
２２、３７  Ｃｕ膜
２２ａ  Ｃｕ配線
２５、４０  拡散防止層（ＢＮ）
２６ａ  ビアホール
２８、３３  開口
３２  マスクパターン
３７ａ  Ｃｕ配線とＣｕプラグ
５０  ＳｉＯ2 膜
５１  ＢＮ膜
５２  ＨＳＱ膜
５３  Ｃｕ配線
５４  ＴｉＮ膜
５５  ＢＮ膜
【図１】
0004108189.tif 000002
【図２】
0004108189.tif 000003
【図３】
0004108189.tif 000004
【図４】
0004108189.tif 000005
【図５】
0004108189.tif 000006