(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部構造を有する基板上に層間絶縁膜を形成し、ダマシンパターンを形成した後、洗浄工程を実施する段階と、
前記ダマシンパターンが形成された全体構造の上に拡散障壁層を形成する段階と、
前記拡散障壁層が形成された全体構造に対してプラズマ処理を実施する段階と、
前記プラズマ処理を実施した拡散障壁層上に触媒を用いた化学的前処理を実施する段階と、
前記ダマシンパターンが埋め込まれるように全体構造の上に銅をＭＯＣＶＤ法で蒸着する段階と、
前記層間絶縁膜の上部表面が露出されるように化学的機械的研磨工程を実施して前記ダマシンパターン内にのみ銅金属配線が残留するようにする段階と、
前記触媒の吸着サイトが増加されるように前記プラズマ処理は、遠隔プラズマまたはプラズマエッチング方法で行うこと
を含んでなることを特徴とする半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２】
前記洗浄工程は、下地層がタングステン、アルミニウムからなる金属層の場合にはＲＦプラズマを用いて実施し、下地層が銅からなる金属層の場合には反応性洗浄方法を適用して実施することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項３】
前記拡散障壁層は、ＴｉＮをイオン化ＰＶＤ、ＣＶＤまたはＭＯＣＶＤ法により蒸着して形成するか、ＴａまたはＴａＮをイオン化ＰＶＤ法またはＣＶＤ法により蒸着して形成するか、ＷＮをＣＶＤ法により蒸着して形成するか、或いはＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮのいずれかをＰＶＤまたはＣＶＤ法により蒸着し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銅金属配線形成方法。
【請求項４】
前記プラズマ処理は水素、アルゴン、窒素の単一ガスを用いて実施するか、或いは水素とアルゴンとの混合ガスを用いて実施することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項５】
前記プラズマ処理は単一段階で実施するか、或いは１〜１０回の多段階で実施することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項６】
前記プラズマ処理の際、供給電力を５０Ｗ〜１０ＫＷとし、処理時間を１秒〜１０分とすることを特徴とする請求項１記載の銅金属配線形成方法。
【請求項７】
前記プラズマ処理は、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムのいずれかの単一ガスを用いて実施する場合には各単一ガスの流量を５０〜５００ｓｃｃｍ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ことを特徴とする請求項１または請求項４記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項８】
前記プラズマ処理は、単一段階を利用する場合には単一ガス及び混合ガスを用いて実施し、多段階で実施する場合には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回繰り返し行うことを特徴とする請求項１または請求項５記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項９】
前記プラズマ処理の際、ウェーハの温度を１０〜３５０℃とし、ウェーハとシャワーヘッドとの間隔を５〜５０ｍｍとし、チャンバー内の圧力を０.３〜１０Ｔｏｒｒとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１０】
前記触媒としては、ヨード含有液体化合物、純粋ヨード、ヨード含有ガスのいずれか一種を利用することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１１】
前記触媒としては、F、Cl、Br、I、Atの７族元素の液体及びガス状態、そしてその化合物の液体及びガス状態のいずれか一つを利用することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１２】
前記化学的前処理は１秒〜１０分間実施することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１３】
前記化学的前処理は−２０〜３００℃の温度範囲で実施することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１４】
前記銅は(hfac)CuVTMOS系列、(hfac)CuDMB系列、(hfac)CuTMVS系列のhfacを用いた全種類の銅前駆体を用いて蒸着することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１５】
前記銅はダイレクトリキッドインジェクション、コントロールエバポレーションミキサ、オリフィス、スプレイのリキッドデリバリシステムを装着した全ての蒸着装備を用いたＭＯＣＶＤ法により蒸着することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１６】
前記銅は０.１〜５.０ｓｃｃｍ流量の前駆体を用いて蒸着することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１７】
前記銅はヘリウム、水素、アルゴンのキャリアガスを１００〜７００ｓｃｃｍの流量でフローしながら蒸着することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１８】
前記銅蒸着の際、反応チャンバー内の圧力を０.５〜５Ｔｏｒｒとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項１９】
前記銅蒸着の際、反応チャンバー内の温度を蒸着装備の温度と同一に維持し、シャワーヘッドの温度を一定に維持するように制御することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２０】
前記銅は５０〜３００℃の温度条件で蒸着することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２１】
前記銅蒸着の際、反応チャンバー内でシャワーヘッドとサセプタプレートとの間隔を５〜５０ｍｍとすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２２】
前記銅蒸着の後、水素還元雰囲気下に常温〜４５０℃の温度で１分〜３時間熱処理する段階をさらに含んでなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【請求項２３】
前記水素還元雰囲気は水素のみを適用するか、或いは水素に０〜９５％のＡｒまたはＮ2を混合した水素混合気体を使用することを特徴とする請求項２３記載の半導体素子の銅金属配線形成方法。
【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金属配線形成方法に係り、特にＣＥＣＶＤ(Chemically Enhanced Chemical Vapor Deposition)法により銅を蒸着して金属配線を形成する際、触媒(Chemical Enhancer)の吸着サイト(site)を増加させるための半導体素子の銅金属配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代半導体素子は急激な高性能化に伴ってコンタクトサイズが減少しアスペクト比(aspect ration)が急激化され、金属配線形成の際に優れたコンタクト埋込み特性及びステップカバレージが要求される。
【０００３】
最近、半導体素子の金属配線形成方法としては、チタニウムＴｉ薄膜を蒸着した後、ＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)及びＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法でアルミニウムＡｌを蒸着する方法、或いはＰＶＤ法によってＴａ及びＴａＮ薄膜を拡散防止膜として形成し電気めっき法で銅Ｃｕを蒸着する方法が用いられている。しかし、前者の方法はアルミニウムが銅より高い抵抗をもつため次世代高性能半導体素子には適用し難く、後者の方法はコンタクトサイズの急激な減少及びアスペクト比の増加によって銅の埋込み特性に限界がある。また、銅の拡散防止膜として適用されているＴａＮ膜は拡散防止膜を適用しないアルミニウムと比較するとき抵抗増加効果が大きいので、極めて薄い薄膜が要求されるなどの問題点がある。このようにアルミニウム配線及び電気めっきを用いた銅配線の適用は次世代半導体素子に多くの問題点をもたらす。
【０００４】
かかる問題点を解決するために、最近は銅配線蒸着時にＣＶＤ法を適用する方法に対する研究が行われているが、この方法は低い蒸着速度によってバルク埋込み(bulk filling)に限界がある。
【０００５】
近年ではヨードＩなどの触媒を用いたＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて銅薄膜を蒸着する方法に対する研究が行われているが、このように触媒を用いたＭＯＣＶＤ法をＣＥＣＶＤ(Chemically Enhanced Chemical Vapor Deposition)法という。ところが、ヨードなどの触媒（即ち化学的強化剤(Chemical Enhanced)）は拡散障壁層の表面性質に大きく依存するため、触媒をシード(seed)の蒸着無しで拡散障壁層上に直接蒸着すると、触媒の吸着特性が低下する。即ち、拡散障壁層が、触媒が十分安定に蒸着されうるサイトを提供しない非晶質層または緻密な薄膜の場合には触媒が拡散障壁層にほとんど吸着されないため化学的強化効果が殆ど現れず、これにより銅金属配線の埋込み特性が低下するという問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ＣＥＣＶＤ法を用いて銅金属配線を形成する場合、触媒蒸着後プラズマ処理を行うことにより、拡散障壁層の表面に触媒の吸着サイトを極大化させ、これにより銅の埋込み特性を向上させることができる半導体素子の銅金属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の本発明に係る半導体素子の銅金属配線形成方法は、下部構造を有する基板上に層間絶縁膜を形成し、ダマシンパターンを形成した後、洗浄工程を行う段階と、前記ダマシンパターンが形成された全体構造の上に拡散障壁層を形成する段階と、前記拡散障壁層の設けられた全体構造に対してプラズマ処理を行う段階と、前記プラズマ処理を行った拡散障壁層上に触媒を用いた化学的前処理を行う段階と、前記ダマシンパターンが埋め込まれるように全体構造の上に銅を蒸着する段階と、前記層間絶縁膜の上部表面が露出されるように化学的機械的研磨工程を行って前記ダマシンパターン内にのみ銅金属配線を残留させる段階と、前記触媒の吸着サイトが増加されるように前記プラズマ処理は、遠隔プラズマまたはプラズマエッチング方法で行うこ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、添付図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００９】
図１ａに示すように、下部構造を有する基板１１上に層間絶縁膜１２を形成する。その後、シングルダマシン(Single damascene)またはデュアルダマシン(Dual damascene)工程で層間絶縁膜１２をパターニングしてコンタクトＡ及びトレンチＢからなるダマシンパターンを形成し、洗浄工程を行う。ここで、層間絶縁膜１２は低誘電率を有する絶縁物質を蒸着して形成する。そして、洗浄工程は、下地層がタングステンやアルミニウムなどの金属層の場合にはＲＦプラズマを用いて実施し、下地層が銅からなる金属層の場合には反応性(reactive)洗浄方法を適用して実施する。
【００１０】
図１ｂに示すように、ダマシンパターンが形成された全体構造の上に拡散障壁層１３を形成した後、プラズマ処理を施す。
【００１１】
ここで、拡散障壁層１３はＴｉＮをイオン化ＰＶＤ、ＣＶＤまたはＭＯＣＶＤ法で蒸着して形成するか、ＴａまたはＴａＮをイオン化ＰＶＤ法またはＣＶＤ法で蒸着して形成するか、或いはＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＳｉＮのいずれかをＰＶＤまたはＣＶＤ法で蒸着して形成する。
【００１２】
拡散障壁層１３の形成後に実施するプラズマ処理は、後続工程で蒸着される触媒の吸着効果を極大化させるために実施するが、遠隔プラズマ(remote plasma)またはプラズマエッチング(plasma etch)方法で行う。遠隔プラズマを使用する場合には反応性処理(reactive treatment)を用いて触媒の吸着サイトが増加されるようにし、プラズマエッチングを適用する場合にはシングルまたはデュアル周波数エッチングが可能である。また、プラズマ処理は水素、アルゴン、窒素などの単一ガスを用いて実施するか、或いは水素とアルゴン混合ガスを用いて実施し、プラズマ処理を単一段階で実施するか、１〜１０回の多段階で処理する。
【００１３】
そして、プラズマ処理時の供給電力を５０Ｗ〜１０ＫＷとし、処理時間を１秒〜１０分とする。また、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの単一ガスを用いてプラズマ処理を実施する場合には各単一ガスの流量を５０〜５００ｓｃｃｍ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、単一ステップを利用する場合には単一ガスの混合ガスの使用が可能であり、多段階処理を利用す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。
【００１５】
プラズマ処理時、ウェーハの温度を１０〜３５０℃とし、ウェーハとシャワーヘッドの間隔を５〜５０ｍｍとし、チャンバー内の圧力を０.３〜１０Ｔｏｒｒとする。
【００１６】
図１ｃに示すように、プラズマ処理を施した拡散障壁層１３上に触媒（即ち化学的強化剤）を用いた化学処理を行う。ここで、触媒としてはヨード含有液体化合物、純粋ヨード、ヨード含有ガスのいずれか一種を利用する。また、触媒としてはＦ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、Ａｔなど７族元素の液体及びガス状態、そしてその化合物の液体及びガス状態のいずれか一つを利用する。このような触媒を用いた化学処理時間を１秒〜１０分とし、処理温度を−２０〜３００℃とする。
【００１７】
図１ｄに示すように、ダマシンパターンが埋め込まれるように全体構造上に銅金属配線１４を形成する。
【００１８】
ここで、銅の埋込みは(hfac)CuVTMOS系列、(hfac)CuDMB系列、(hfac)CuTMVS系列などのhfacを用いた全種類の銅前駆体を用いて実施し、ダイレクトリキッドインジェクション(Direct Liquid Injectio;DLI) 、コントロールエバポレーションミキサ(Control Evaporation Mixer;CEM)、オリフィス、スプレイなどのリキッドデリバリシステム(Liquid Delivery System;LDS)を装着した全ての蒸着装備を用いたＭＯＣＶＤ法により蒸着する。この際、銅前駆体の流量は０.１〜５.０ｓｃｃｍとなるようにする。
【００１９】
また、銅金属配線形成時、キャリアガスとしてはヘリウム、水素、アルゴンなどを使用し、その流量を１００〜７００ｓｃｃｍとする。そして、反応チャンバー内の圧力を０.５〜５Ｔｏｒｒとし、反応チャンバー内の温度を蒸着装備の温度と同一に維持し、シャワーヘッドの温度を一定に維持するように制御する。
【００２０】
そして、銅の蒸着温度を５０〜３００℃とし、反応チャンバー内でシャワーヘッドとサセプタプレートとの間隔を５〜５０ｍｍとする。
【００２１】
以上のような方法で銅を埋め込んだ後は、水素還元雰囲気中及び常温〜４５０℃の温度で１分〜３時間熱処理を行い、グレーン組織形態を変化させる。この際の水素還元雰囲気はＨ2のみを適用するか、或いはＨ2に０〜９５％のＡｒまたはＮ2を混合した水素混合気体を使用する。
【００２２】
図１ｅに示すように、ダマシンパターン内にのみ銅金属配線１４が残留するようにＣＭＰ(化学的機械的研磨)工程を実施して層間絶縁膜１３の表面を露出させる。その後、洗浄工程を実施する。
【００２３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ＣＥＣＶＤ法で銅金属配線を形成する場合、拡散障壁層を形成し、触媒を用いた化学処理を行った後、プラズマ処理を行うことにより、触媒の吸着サイトを急激に増加させることができるため、触媒が拡散障壁層上に非常に均一で安定的に吸着され、結果として銅薄膜を高い蒸着速度で蒸着することができる。これにより、半導体素子の製造コスト及びスループット(Through put)を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１ａ乃至図１ｅは、本発明の一実施例に係る半導体素子の銅金属配線形成方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【符号の説明】
１１  基板
１２  層間絶縁膜
１３  拡散障壁層
１４  銅金属配線
【図１】
0004936602.tif 000002