(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の素子の下部構造が形成された半導体基板の上部に層間絶縁膜を形成し、その層間絶縁膜にダマシンパターンを形成する段階と、
ダマシンパターンが形成された構造全体の上に拡散防止膜を形成する段階と、
拡散防止膜にＨｈｆａｃ ／２Ｈ2Ｏの液体又はガスのいずれかを用いて−２０〜３００℃の温度で１秒〜１０分間処理を行って拡散防止膜の上に化学的強化剤層を形成する段階と、
化学的強化剤層を形成した後、水素、アルゴン、窒素、ヘリウムの単一ガスを用いるか、水素とアルゴンとの混合ガスを用いて１〜１０００Ｗの供給電力を加えてプラズマ処理を行ってダマシンパターンの埋込特性を改善する段階と、
ダマシンパターンが埋め込まれるようにプラズマ処理を行った構造全体の上に、直接液体注入、制御蒸発ミクサ、オリフィス、スプレー方式の気化器を用いたＭＯＣＶＤ法でＣｕ薄膜を形成する段階と、
層間絶縁膜の表面が露出されるように研磨工程を行って、ダマシンパターン内にのみＣｕ薄膜が残留するようにする段階と
を備えることを特徴とする半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項２】
ダマシンパターンを形成した後、洗浄工程を行う段階を更に備えることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項３】
洗浄工程は下層がタングステン、アルミニウムからなる金属層である場合にはＲＦプラズマを用いて行い、下層がＣｕからなる金属層である場合には反応性洗浄方法を適用して行うことを特徴とする請求項２記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項４】
拡散防止膜はＴｉＮ膜をイオン化ＰＶＤ方法、ＣＶＤ法及びＭＯＣＶＤ法の何れか一つの方法で堆積させて形成するか、Ｔａ膜またはＴａＮ膜をイオン化ＰＶＤ方法またはＣＶＤ法で堆積させて形成するか、ＷＮ膜をＣＶＤ法で堆積させて形成するか、ＴｉＡｌＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜及びＴａＳｉＮ膜のうち何れか一つをＰＶＤ方法またはＣＶＤ法で堆積させて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金属配線形成方法。
【請求項５】
化学的強化剤処理は１００〜２２０℃の温度で行うことを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項６】
水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの単一ガスを用いる場合は、それぞれ５〜１０００ｓｃｃｍの量で流入させることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項７】
水素とアルゴンとの混合ガスは５〜９５％の水素と５〜９５％のアルゴンとの混合ガスであることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の金属配線形成方法。
【請求項８】
Ｃｕ薄膜は（ｈｆａｃ）Ｃｕ（３−Ｈｅｘｙｎｅ）系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＭＨＹ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＣＯＤ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ系列のうち何れか一つを用いて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金属配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体素子の金属配線形成方法に関するもので、特に拡散障壁層上に化学的強化剤処理を行い、プラズマ処理を行った後、Ｃｕ薄膜を堆積させることによって超微細構造の埋め込み特性を向上させることのできる半導体素子の金属配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代半導体素子の急激な高性能化傾向に伴うコンタクトサイズの減少や急激なアスペクト比の増加により、優れたステップカバレッジが要求され、かつコンタクトを埋め込むことが必要である。
かかる次世代半導体素子の金属配線物質としてはＣｕ薄膜が多く使用されている。Ｃｕ薄膜の形成方法を概略に説明すると次の通りである。
【０００３】
所定の素子構造が形成された半導体基板の上に層間絶縁膜を形成し、シングルダマシンまたはデュアルダマシン工程で層間絶縁膜をパターニングしてダマシンパターンを形成する。ダマシンパターンが形成された層間絶縁膜の上部に拡散防止膜を形成するが、ＰＶＤ方法を用いてＴａ、ＴａＮを形成する。そして、電気メッキ法でＣｕ薄膜を堆積させる。
【０００４】
前記のように電気メッキ法でＣｕ薄膜を堆積させる場合、超微細構造のコンタクト内に堆積させることができないことから、ＣＶＤ法を用いたＣｕ薄膜の堆積方法への研究が進められている。しかし、ＣＶＤ法によるＣｕ薄膜の堆積方法もまた低い堆積方法及び高い経費のため使用上制約を受けている。そのため、ヨードなどの化学的強化剤を用いたＣＥＣＶＤ法でＣｕ薄膜を堆積させることによって、ＣＶＤ法によるＣｕ薄膜の堆積限界を克服できる可能性が提案されている。
【０００５】
しかし、ＣＥＣＶＤ法を用いたＣｕ薄膜の堆積方法は、図１及び図２に示すように、超微細構造の埋込時、埋め込み特性が不均一になるので、その方法を更に改善する必要がある。即ち、図１は１〜３０秒間化学的強化剤処理を行うＣＥＣＶＤ法でＣｕ薄膜を堆積させた場合の例を示すもので、超微細構造における不均一な埋め込み特性を現わしている。そして、図２は３０〜１００秒間化学的強化剤処理を行うＣＥＣＶＤ法でＣｕ薄膜を堆積させた場合の例を示すもので、化学的強化剤処理時間が増加しても超微細構造の不均一な埋め込み特性は改善されないことが分かるであろう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は化学的強化剤処理を行うＣＥＣＶＤ法でＣｕを堆積させるとき、超微細構造を均一に埋め込むことができる半導体素子の金属配線形成方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明はヨードなどの化学的強化剤処理を行った後、プラズマ処理を実施してＣｕ薄膜を堆積させることにより、超微細構造を均一に埋め込ませるようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
より具体的には、素子の所定の下部構造が形成された半導体基板の上に層間絶縁膜を形成し、その層間絶縁膜にダマシンパターンを形成する段階と、ダマシンパターンが形成された全体構造の上に拡散防止膜を形成する段階と、拡散防止膜上に化学的強化剤処理を行った後、拡散防止膜の上に化学的強化剤層を形成する段階と、化学的強化剤層を形成した後、プラズマ処理を行う段階と、ダマシンパターンが埋め込まれるように構造全体の上にＣｕ薄膜を形成する段階と、層間絶縁膜の上部表面が露出されるように研磨工程を行って、ダマシンパターン内にのみＣｕ薄膜が残留するようにする段階とを備えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１０】
図３（ａ) 〜 図３（ｅ）は本発明による半導体素子の金属配線形成方法を説明するための各工程を示した素子の断面図である。
図３（ａ）を参照すると、素子のソース／ドレインなどの所定の下部構造が形成された半導体基板１１の上部に低誘電率を有する絶縁膜を用いて層間絶縁膜１２を形成する。シングルダマシンまたはデュアルダマシン工程を行って、層間絶縁膜１２にダマシンパターンを形成する。洗浄工程を実施した後、ダマシンパターンが形成された層間絶縁膜１２の上に拡散防止膜１３を形成する。洗浄工程は素子の下部構造がタングステン、アルミニウムなどで形成されている場合にはＲＦプラズマを用いて実施し、下部構造がＣｕである場合には反応性洗浄方法を適用する。また、拡散防止膜１３はＴｉＮ膜、Ｔａ膜、ＴａＮ膜、ＷＮ膜、ＴｉＡｌＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜及びＴａＳｉＮ膜の何れか一つの膜から形成する。ＴｉＮ膜はイオン化ＰＶＤ方法、ＣＶＤ法及びＭＯＣＶＤ法の何れの方法で形成し、Ｔａ膜及びＴａＮ膜はイオン化ＰＶＤ方法で形成し、ＷＮ膜はＣＶＤ法で形成する。一方、ＴｉＡｌＮ膜、ＴｉＳｉＮ膜及びＴａＳｉＮ膜はＰＶＤ方法またはＣＶＤ法で形成する。
【００１１】
図３（ｂ）を参照すると、拡散防止膜１３上に触媒などの化学的強化剤処理を行って化学的強化剤層１４を形成する。化学的強化剤処理工程を行う前に、シード層を形成するか、プラズマ処理を実施することができる。化学的強化剤処理はＨｈｆａｃ ／２Ｈ2Ｏの液体又はガスのいずれかを用いて−２０〜３００℃の温度で１秒〜１０分間行う。このとき、ウェハとシャワーヘッドとは５〜５０ｍｍの間隔を維持させる。なお、ＨｈｆａｃはHhexafluoroacetonatoである。
【００１２】
図３（ｃ）を参照すると、化学的強化剤処理の後、プラズマ処理を行う。
プラズマ処理は２重周波数プラズマ、遠隔プラズマまたはプラズマエッチング方法で行う。２重周波数プラズマ処理は−５０〜３００℃の温度を維持する状態で０〜１０００Ｗの高周波と０〜１０００Ｗの低周波数を印加して、１秒〜１０分間行う。一方、遠隔プラズマを使用する場合には反応性処理を用い、プラズマエッチングを使用する場合には単一または２重周波数エッチングが可能である。
【００１３】
遠隔プラズマまたはプラズマエッチングは水素、窒素、アルゴン及びヘリウムのうち何れか一つの単一ガスを用いて実施するか、水素とアルゴンとの混合ガスを用いて実施し、１回ステップで行うか１〜１０回の多段階で行う。そして、遠隔プラズマまたはプラズマエッチング時の供給電力は１〜１０００Ｗとし、処理時間は１秒〜１０分とする。また、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムのうち何れか一つの単一ガスを用いてプラズマ処理を行う場合、各単一ガスの流量は５〜１０００ｓｃｃｍとし、混合ガスを使用する場合には５〜９５％の水素と５〜９５％のアルゴンを用いて実施する。
【００１４】
一方、１回ステップを用いる場合には単一ガスの混合ガスの使用が可能であり、多段階処理を用いる場合には、まず、アルゴン単一ガスまたは混合ガスを用いて処理した後、水素ガスを用いて最終処理する周期を１〜１０回繰り返す。プラズマ処理時のウェハの温度は１０〜３５０℃に維持し、チャンバー内の圧力は０．３〜１０Ｔｏｒｒとする。
【００１５】
図３（ｄ）を参照すると、ダマシンパターンが埋め込まれるように構造全体の上にＣｕ薄膜１５を形成する。Ｃｕ薄膜は（ｈｆａｃ：hexaflouroacetonato)Ｃｕ（３−Ｈｅｘｙｎｅ）系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＭＨＹ(Cu 2-metyl-hexen 3-yne）系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＣＯＤ（Cu dimethycyclooctadiene)系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＶＴＭＯＳ（Cu vintltri-methoxysilane)系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＤＭＢ系列、（ｈｆａｃ）ＣｕＴＭＶＳ(Cu trimethyvinylsilane)系列などのｈｆａｃを用いた前駆体及びその他のあらゆるＣｕの前駆体を用いて形成し、直接液体注入(direct liquid injection：ＤＬＩ）、制御蒸発ミキサ(control evaporation mixer：ＣＥＭ）、オリフィス、スプレー方式の全ての気化器を用いたＭＯＣＶＤ法で堆積させる。Ｃｕ薄膜１５の代わりにアルミニウム、タングステンなどを形成することができる。このとき、ウェハとシャワーヘッドとは５〜５０ｍｍの間隔を維持させる。
【００１６】
図３（ｅ）はＣｕ薄膜１５、化学的強化剤層１４及び拡散防止膜１３を研磨して、Ｃｕ配線を形成した状態の断面図である。
上記工程で拡散防止膜１３形成工程、化学的強化剤処理工程、プラズマ処理工程及びＣｕ薄膜１５形成工程は、ｉｎ−ｓｉｔｕ又はｅｘ−ｓｉｔｕで行うことができる。
【００１７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は化学的強化剤処理の後、プラズマ処理を行っていない場合（ａ）と行った場合（ｂ）との超微細構造の埋め込み特性を示すものである。
このとき、プラズマ処理は１００〜２２０℃の温度で０〜１０００Ｗの高周波と０〜１０００Ｗの低周波を印加して１〜１００秒の間実施した場合を示す。
【００１８】
図５は化学的強化剤処理の後、プラズマ処理を行った場合、１０：１のアスペクト比を有する０．１６μｍのコンタクト埋め込み特性を断面方向に沿って示すもので、プラズマ処理を実施することで完全な埋め込み特性を現す。かかる例は８：１のアスペクト比を有する０．１μｍのコンタクトも完全に埋め込むことができる。
【００１９】
【発明の効果】
上述したように、本発明の半導体素子の金属配線形成方法によれば、化学的強化剤処理を行った後、プラズマ処理を行うことにより、超微細構造の埋め込み特性を向上させることができ、素子の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】化学的強化剤処理を行った後、ＣＥＣＶＤ法でＣｕを堆積させた場合の断面写真。
【図２】化学的強化剤処理を行った後、ＣＥＣＶＤ法でＣｕを堆積させた場合の断面写真。
【図３ａ】〜【図３ｅ】本発明による半導体素子の金属配線形成方法を説明するために示した素子の断面図。
【図４ａ】化学的強化剤処理の後プラズマ処理を行ってない場合における超微細構造の埋め込み特性を示す断面写真。
【図４ｂ】化学的強化剤処理の後プラズマ処理を行った場合における超微細構造の埋め込み特性を示す断面写真。
【図５】化学的強化剤処理の後プラズマ処理を行った場合、１０：１のアスペクト比を有する０．１６μｍのコンタクト埋め込み特性を断面方向に沿って示す写真。
【符号の説明】
１１：半導体基板
１２：層間絶縁膜
１３：拡散防止膜
１４：化学的強化剤層
１５：Ｃｕ薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図３ｅ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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