(57)【要約】【課題】層間絶縁膜上に析出しためっき成分を選択的に除去して、埋め込み配線を有する半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法が、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜にトレンチを形成する工程と、層間絶縁膜の表面およびトレンチの内部を覆うように、バリアメタル層を形成する工程と、バリアメタル層の上に、トレンチを埋め込むように銅からなる金属層を形成する工程と、層間絶縁膜上の金属層とバリアメタル層とを、ＣＭＰ法を用いて除去し、バリアメタル層と金属層をトレンチ内に残す工程と、金属層の上にキャップメタル層を形成する工程と、熱処理によりキャップメタル層の材料を金属層内に拡散させ、キャップメタル層の下部にキャップ拡散層を形成する工程と、ＣＭＰ法を用いてキャップメタル層を除去し、キャップ拡散層で被覆された金属層をトレンチ内に残して配線層とする工程とを含む。【選択図】図１Ｆ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間絶縁膜に埋め込まれた配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
該層間絶縁膜にトレンチを形成する工程と、
該層間絶縁膜の表面および該トレンチの内部を覆うように、バリアメタル層を形成する工程と、
該バリアメタル層の上に、該トレンチを埋め込むように銅からなる金属層を形成する工程と、
該層間絶縁膜上の該金属層と該バリアメタル層とを、ＣＭＰ法を用いて除去し、該バリアメタル層と該金属層を該トレンチ内に残す第１ＣＭＰ工程と、
該金属層の上にキャップメタル層を形成するキャップメタル形成工程と、
熱処理により該キャップメタル層の材料を該金属層内に拡散させ、該キャップメタル層の下部にキャップ拡散層を形成する工程と、
ＣＭＰ法を用いて該キャップメタル層を除去し、該キャップ拡散層で被覆された該金属層を該トレンチ内に残して配線層とする第２ＣＭＰ工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
層間絶縁膜に埋め込まれた配線層を有する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
該層間絶縁膜にトレンチを形成する工程と、
該層間絶縁膜の表面および該トレンチの内部を覆うように、バリアメタル層を形成する工程と、
該バリアメタル層の上に、該トレンチを埋め込むように銅からなる金属層を形成する工程と、
ＣＭＰ法を用いて該バリアメタル層上の該金属層を除去し、該金属層を該トレンチ内に残す第１ＣＭＰ工程と、
該金属層の上にキャップメタル層を形成するキャップメタル形成工程と、
熱処理により該キャップメタル層の材料を該金属層内に拡散させ、該キャップメタル層の下部にキャップ拡散層を形成する工程と、
ＣＭＰ法を用いて該層間絶縁層上の該バリアメタル層と、該キャップメタル層とを除去し、該キャップ拡散層で被覆された該金属層を該トレンチ内に残して配線層とする第２ＣＭＰ工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記層間絶縁膜が、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記層間絶縁膜が、ＳｉＯＣからなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記キャップメタル層が、ＣｏＷＰ、ＣｏＭｏＰ、ＣｏＷＢ、ＣｏＭｏＢ、ＣｏＰＢ、およびＣｏＷＰＢからなる群から選択される金属からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記キャップメタル形成工程が、無電解めっき工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
上記無電解めっき工程が、硫酸コバルト、タングステン酸、クエン酸、ジメチルアミンボラン、次亜リン酸、およびテトラメチルアンモニウムヒドロキシドからなる群から選択される材料を含有する溶液を用いて行われることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
上記キャップ拡散層が、銅とコバルトとを含む材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
層間絶縁膜に埋め込まれた配線層を有する半導体装置であって、
半導体基板と、
該半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
該層間絶縁膜に形成されたトレンチと、
該トレンチの内部を覆うように形成されたバリアメタル層と、
該バリアメタル層の上に、該トレンチを埋め込むように形成された配線層と、を含み、
該配線層が、銅からなる金属層と、該金属層を覆うように設けられた銅とコバルトとを含むキャップ拡散層とを含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
上記層間絶縁膜が、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料からなることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
上記層間絶縁膜が、ＳｉＯＣからなることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、埋め込み配線層を有する半導体装置およびその製造方法に関し、特に、埋め込み配線層が、キャップ拡散層で覆われた金属層からなる半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高集積化に伴い、配線層の材料として、従来のＡｌに代えて高速性、エレクトロマイグレーション耐性に優れたＣｕが用いられる。Ｃｕの配線層の作製には、一般にダマシン法が使用される。ダマシン法では、ドライエッチングによりトレンチを形成した層間絶縁膜上に、バリアメタル層、Ｃｕシード層を成膜した後、電気めっき法でウエハ全面にＣｕ膜を成膜する。その後、層間絶縁膜上のＣｕ膜、バリアメタルをＣＭＰ法で研磨、除去して、層間絶縁膜に埋め込まれたＣｕの配線層を形成する。最後に、ウエハ全面に、窒化シリコン膜、炭化シリコン膜などのライナ膜を成膜し、Ｃｕの拡散防止を図っている。
【０００３】
しかしながら、配線層とライナ膜との界面でのエレクトロマイグレーション耐性の低下や、ライナ膜を形成する窒化シリコンや炭化シリコンの誘電率に起因してＲＣ遅延が大きくなるなどの問題があった。これに対して、配線層からのＣｕの拡散防止、エレクトロマイグレーション耐性の向上、ＲＣ遅延の改善のために、Ｃｕの配線層の直上に無電解めっき法でキャップメタル層を形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１５０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
無電解めっき法によるキャップメタル層の材料には、一般に、ＣｏＷＰ、ＣｏＭｏＰ、ＣｏＷＢ、ＣｏＭｏＢ、ＣｏＰＢ、ＣｏＷＰＢなどが用いられ、無電解めっき液の還元剤としては、次亜リン酸ナトリウムが用いられる。ここで次亜リン酸ナトリウムはＣｕ上では反応が進行しない不活性な還元剤であるため、無電解めっきを行うにあたり、Ｐｄを吸着させる前処理が必要となる。Ｐｄは活性な金属であるため、Ｃｕ配線層への吸着は容易である一方で、層間絶縁膜上にも析出するという問題があった。
【０００５】
一方、還元剤としてジメチルアミンボラン（ＤＭＡＢ）を用いると、Ｐｄ吸着の前処理を行うことなくＣｕの配線層上に無電解めっきを行えるが、めっき液が不安定であり、めっき液の分解に起因して層間絶縁膜層の上にもめっき層が析出するという問題があった。
【０００６】
このように、無電解めっき工程において層間絶縁膜上にめっき層が析出した場合、配線間のリーク耐性の低下や、絶縁膜破壊耐性の低下を招き、半導体装置の信頼性を低下させるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、層間絶縁膜上に析出しためっき成分等のメタル残渣を選択的に除去した、埋め込み配線を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、層間絶縁膜に埋め込まれた配線層を有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜にトレンチを形成する工程と、層間絶縁膜の表面およびトレンチの内部を覆うように、バリアメタル層を形成する工程と、バリアメタル層の上に、トレンチを埋め込むように銅からなる金属層を形成する工程と、層間絶縁膜上の金属層とバリアメタル層とを、ＣＭＰ法を用いて除去し、バリアメタル層と金属層をトレンチ内に残す第１ＣＭＰ工程と、金属層の上にキャップメタル層を形成するキャップメタル形成工程と、熱処理によりキャップメタル層の材料を金属層内に拡散させ、キャップメタル層の下部にキャップ拡散層を形成する工程と、ＣＭＰ法を用いてキャップメタル層を除去し、キャップ拡散層で被覆された金属層をトレンチ内に残して配線層とする第２ＣＭＰ工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【０００９】
また、本発明は、層間絶縁膜に埋め込まれた配線層を有する半導体装置であって、半導体基板と、半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜に形成されたトレンチと、トレンチの内部を覆うように形成されたバリアメタル層と、バリアメタル層の上に、トレンチを埋め込むように形成された配線層とを含み、配線層が、銅からなる金属層と、金属層を覆うように設けられた銅とコバルトとを含むキャップ拡散層とを含むことを特徴とする半導体装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、層間絶縁膜上のメタル残渣を除去するとともに、キャップ拡散層を備えた埋め込み配線層を作製することができ、配線間のリーク耐性、絶縁膜破壊耐性に優れた配線層を備えた半導体装置を提供できる。また、低誘電体材料からなる層間絶縁膜の誘電率を、低誘電率のまま維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。
【００１２】
実施の形態１．
図１Ａ〜図１Ｆは、本発明の実施の形態１にかかる配線層の製造方法を示す断面図である。かかる配線層の製造方法は、以下の工程１〜６を含む。
【００１３】
工程１：図１Ａに示すように、半導体基板（図示せず）の上に、例えばＣＶＤ法を用いて、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）材料であるＳｉＯＣからなる層間絶縁膜１を形成する。図２に構造式を示すように、ＳｉＯＣは周囲がＨにより終端された状態となっている。層間絶縁膜１の材料には、他の低誘電率（例えば比誘電率が３．２以下）材料、ＴＥＯＳやＳｉＯ２等を用いても構わない。続いて、ドライエッチング法を用いて、層間絶縁膜１にトレンチ１１を形成する。続いて、層間絶縁膜１の上に、例えばＰＶＤ法により、Ｔａ／ＴａＮからなるバリアメタル層２、ＣｕからなるＣｕシード層３を形成する。
【００１４】
工程２：図１Ｂに示すように、電気めっき法を用いて、層間絶縁膜１上にＣｕ膜１４を作製する。
【００１５】
工程３：図１Ｃに示すように、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜１の上のＣｕ膜１４、Ｃｕシード層３、バリアメタル層２を除去する（第１ＣＭＰ工程）。これにより、層間絶縁膜１のトレンチ１１に、バリアメタル層２、Ｃｕシード層３を介してＣｕ配線層４が埋め込まれる。なお、Ｃｕシード層３とＣｕ配線層４とにより、Ｃｕの埋め込み配線層が形成される。
【００１６】
工程４：図１Ｄに示すように、クエン酸を含有する薬液でＣＭＰ後の残留物を除去した後、無電解めっき法を用いてキャップメタル層５を形成する。無電解めっき法には、硫酸コバルト、タングステン酸、クエン酸、ジメチルアミンボラン（ＤＭＡＢ）、次亜リン酸、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）等を含有するめっき液が用いられる。キャップメタル層５は、ＣｏＷＰ、ＣｏＭｏＰ、ＣｏＷＢ、ＣｏＭｏＢ、ＣｏＰＢ、又はＣｏＷＰＢ等からなる。
なお、キャップメタル層５には、ＮｉＷＰ、ＮｉＭｏＰ、ＮｉＷＢ、ＮｉＭｏＢ、ＮｉＰＢ、ＮｉＷＰＢ等を用いても構わない。
【００１７】
ここでは、ＤＭＡＢを含有しためっき液を用いてＣｏからなるキャップメタル層５を作製する。無電解めっきに先立って、Ｐｄ吸着による前処理は行っていない。無電解めっき液の温度は５０〜９５℃で、好ましくは７０〜９０℃である。キャップメタル層５の組成は、Ｃｏ：９０ａｔ％以上、Ｗ：数ａｔ％であり、他にＰ、Ｂなどを含有する。かかる無電解めっき工程では、Ｃｕ配線層４の上にキャップメタル層５が形成されるとともに、層間絶縁膜１の上にもメタル残渣（残留メタル成分）１５が付着する。
【００１８】
なお、キャップメタル層５の形成は、ここで述べたような、Ｐｄ吸着の前処理なしで無電解めっきを行う方法に限らず、Ｐｄ吸着の前処理を行った後に無電解めっきを行っても構わない。また、無電解めっきに限らず、Ｃｕ配線層４の上への選択成長が可能な方法、例えば、ＣＶＤ法を用いたＷ層の選択成長でも構わない。このような選択成長においても、層間絶縁膜１上にメタル残渣１５が付着する。
【００１９】
工程５：図１Ｅに示すように、熱処理を行い、キャップメタル層５の成分を下層のＣｕシード層３およびＣｕ配線層４中に拡散させる。これにより、キャップメタル層５の下層に、キャップ拡散層２５が形成される。キャップ拡散層２５は、ＣｕとＣｏを主成分とし、Ｃｕシード層３およびＣｕ配線層４の上面を覆うように形成される。
熱処理の温度は、５００℃以下、好ましくは２００〜４００℃である。具体的には、３７５℃で１時間の熱処理を行う。
【００２０】
工程６：図１Ｆに示すように、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜１の上のメタル残渣１５と、キャップ拡散層２５の上のキャップメタル層５を研磨して除去する（第２ＣＭＰ工程）。これにより、Ｃｕ配線層４と、これを覆うキャップ拡散層２５からなる埋め込み配線層を有する半導体装置が作製できる。
【００２１】
以上の工程により、層間絶縁膜１の上にメタル残渣１５を残すことなく、キャップ拡散層２５に覆われたＣｕ配線層４の形成が可能となる。これにより、配線間のリーク耐性、絶縁膜破壊耐性に優れた埋め込み配線層の作製が可能となる。
【００２２】
また、Ｃｕ配線層４を覆うようにキャップ拡散層２５が埋め込まれているため、キャップ拡散層２５の無い場合に比較して、ストレスマイグレーション（ＳＭ）耐性や、エレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性を向上させることができる。
【００２３】
更に、キャップメタル層５の作製後に第２ＣＭＰを行うため、層間絶縁膜１とキャップ拡散層２５の上面が良好な平坦性を有する。これにより、更に上層配線を形成する場合のフォトリソグラフィー工程において、露光を正確に行うことができる。
【００２４】
また、キャップメタル層５が除去されるため、埋め込み配線層の上に、これに接続されるようにビアを形成する場合に、ビアと埋め込み配線層との接続抵抗を小さくできる。
【００２５】
実施の形態２．
図３Ａ〜図３Ｄは、本発明の実施の形態２にかかる配線層の製造方法を示す断面図であり、図３Ａ〜図３Ｄ中、図１Ａ〜図１Ｆと同一符号は同一又は相当箇所を示す。かかる配線層の製造方法は、以下の工程１〜４を含む。
【００２６】
工程１：実施の形態１の工程１〜２と同様の工程により、半導体基板（図示せず）の上に、例えば低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）材料であるＳｉＯＣからなる層間絶縁膜１を形成する。ＳｉＯＣは、図２に示すように、周囲がＨにより終端された状態となっている。続いて、ドライエッチング法を用いて、層間絶縁膜１にトレンチを形成する。
【００２７】
次に、層間絶縁膜１の上に、例えばＰＶＤ法により、Ｔａ／ＴａＮからなるバリアメタル層２、ＣｕからなるＣｕシード層３を形成する。続いて、電気めっき法を用いて、層間絶縁膜１上にＣｕ膜を作製する。
【００２８】
次に、例えばＣＭＰ法を用いて、バリアメタル層２の上のＣｕ膜、Ｃｕシード層３を除去する（第１ＣＭＰ工程）。これにより、図３Ａに示すように、層間絶縁膜１のトレンチに、バリアメタル層２、Ｃｕシード層３を介してＣｕ配線層４が埋め込まれる。Ｃｕシード層３とＣｕ配線層４とにより、Ｃｕの埋め込み配線層が形成される。なお、本実施の形態２では、層間絶縁膜１の上にもバリアメタル層２が残されている。
【００２９】
工程２：実施の形態１の工程４と同様の工程により、図３Ｂに示すように、クエン酸を含有する薬液でＣＭＰ後の残留物を除去した後、無電解めっき法を用いてキャップメタル層５を形成する。無電解めっき法には、硫酸コバルト、タングステン酸、クエン酸、ジメチルアミンボラン（ＤＭＡＢ）、次亜リン酸、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）等を含有するめっき液が用いられる。キャップメタル層５は、ＣｏＷＰ、ＣｏＭｏＰ、ＣｏＷＢ、ＣｏＭｏＢ、ＣｏＰＢ、又はＣｏＷＰＢ等からなる。
なお、キャップメタル層５には、ＮｉＷＰ、ＮｉＭｏＰ、ＮｉＷＢ、ＮｉＭｏＢ、ＮｉＰＢ、ＮｉＷＰＢ等を用いても構わない。
【００３０】
ここでは、ＤＭＡＢを含有しためっき液を用いてＣｏからなるキャップメタル層５を作製する。かかる無電解めっき工程では、Ｃｕ配線層４の上にキャップメタル層５が形成されるとともに、層間絶縁膜１の上にもメタル残渣（残留メタル成分）１５が付着する。
【００３１】
なお、キャップメタル層５の形成は、Ｐｄ吸着の前処理なしで無電解めっきを行う方法に限らず、Ｐｄ吸着の前処理を行った後に無電解めっきを行っても構わない。また、キャップメタル層５の形成は、無電解めっきに代えて、ＣＶＤ法を用いたＷ層の選択成長で行っても構わない。
【００３２】
工程３：実施の形態１の工程５と同様の工程により、図３Ｃに示すように、熱処理を行い、キャップメタル層５の成分を下層のＣｕシード層３およびＣｕ配線層４中に拡散させて、キャップ拡散層２５を形成する。キャップ拡散層２５は、ＣｕとＣｏを主成分とし、Ｃｕシード層３およびＣｕ配線層４の上面を覆うように形成される。
熱処理の温度は、５００℃以下、好ましくは２００〜４００℃である。具体的には、３７５℃で１時間の熱処理を行う。
【００３３】
工程４：図３Ｄに示すように、例えばＣＭＰ法を用いて、層間絶縁膜１の上のバリアメタル層２とメタル残渣１５、およびキャップ拡散層２５の上のキャップメタル層５を研磨して除去する（第２ＣＭＰ工程）。これにより、Ｃｕ配線層４と、これを覆うキャップ拡散層２５からなる埋め込み配線層を有する半導体装置が作製できる。
【００３４】
以上の工程により、上述の実施の形態１と同様に、層間絶縁膜１の上にメタル残渣１５を残すことなく、キャップ拡散層２５に覆われたＣｕ配線層４の形成が可能となる。これにより、配線間のリーク耐性、絶縁膜破壊耐性に優れ、更にストレスマイグレーション耐性や、エレクトロマイグレーション耐性を向上させた埋め込み配線層が形成できる。
【００３５】
また、層間絶縁膜１とキャップ拡散層２５の上面は良好な平坦性を有する。
【００３６】
また、ビアと埋め込み配線層との接続抵抗を小さくできる。
【００３７】
特に、本実施の形態２では、工程４において、バリアメタル層２とキャップメタル層５とを、１回のＣＭＰで除去することができ、製造工程の簡略化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】本発明の実施の形態１にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態１にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図１Ｃ】本発明の実施の形態１にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図１Ｄ】本発明の実施の形態１にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図１Ｅ】本発明の実施の形態１にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図１Ｆ】本発明の実施の形態１にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に用いるＳｉＯＣ膜の構造式である。
【図３Ａ】本発明の実施の形態２にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施の形態２にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図３Ｃ】本発明の実施の形態２にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【図３Ｄ】本発明の実施の形態２にかかる配線層の製造工程の断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１  層間絶縁膜、２  バリアメタル層、３  Ｃｕシード層、４  Ｃｕ配線層、５  キャップメタル層、１１  トレンチ、１４  Ｃｕ膜、１５  メタル残渣（残留メタル成分）、２５  キャップ拡散層。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２】
2009147214.tif 000009
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2009147214.tif 000011
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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