JP3409831B2 - 半導体装置の配線構造の製造方法 - Google Patents
半導体装置の配線構造の製造方法Info
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-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、銅を配線主材料
として用いる半導体装置の配線構造およびその製造方法
に関する。
として用いる半導体装置の配線構造およびその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミ配線を用いたシリコン半導体集積
回路において、配線遅延の回路性能への影響や、配線の
エレクトロマイグレーションによる信頼性の低下が深刻
化している。まず、配線による信号の遅延としては、配
線抵抗に起因するものがある。この解消には、電気抵抗
の低い材料を用いるようにすればよい。また、信号遅延
としては、配線容量に起因するものがある。これは、高
密度に集積された配線間における配線容量に起因する遅
延である。この配線容量の低減のためには、配線の横だ
けでなく厚さ方向の微細化が必要となる。したがって、
配線容量に起因する信号遅延を抑制しようとすると、配
線に流れる電流が増大することになり、エレクトロマイ
グレーションが起きやすい状態となる。
回路において、配線遅延の回路性能への影響や、配線の
エレクトロマイグレーションによる信頼性の低下が深刻
化している。まず、配線による信号の遅延としては、配
線抵抗に起因するものがある。この解消には、電気抵抗
の低い材料を用いるようにすればよい。また、信号遅延
としては、配線容量に起因するものがある。これは、高
密度に集積された配線間における配線容量に起因する遅
延である。この配線容量の低減のためには、配線の横だ
けでなく厚さ方向の微細化が必要となる。したがって、
配線容量に起因する信号遅延を抑制しようとすると、配
線に流れる電流が増大することになり、エレクトロマイ
グレーションが起きやすい状態となる。
【０００３】以上の問題点を解消するために、アルミニ
ウムに変わる配線材料として、電気抵抗が低くマイグレ
ーション耐性を有する銅が有望とされている（特開平２
−２５６２３８号公報）。ここで、銅はシリコン酸化物
中を拡散してトランジスタ素子に悪影響を与えること
や、絶縁膜との密着性が弱いことなどから、銅による配
線を形成する場合、その下地にタンタルや窒化チタンや
窒化タンタルからなる下地膜を配置し、銅の拡散を防止
し、配線と絶縁膜との密着性を向上させるようにしてい
た。
ウムに変わる配線材料として、電気抵抗が低くマイグレ
ーション耐性を有する銅が有望とされている（特開平２
−２５６２３８号公報）。ここで、銅はシリコン酸化物
中を拡散してトランジスタ素子に悪影響を与えること
や、絶縁膜との密着性が弱いことなどから、銅による配
線を形成する場合、その下地にタンタルや窒化チタンや
窒化タンタルからなる下地膜を配置し、銅の拡散を防止
し、配線と絶縁膜との密着性を向上させるようにしてい
た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、現在ＬＳＩ
の多層配線では、層間の接続孔のアスペクト比（孔の深
さ／孔径）は年々高くなる傾向にある。したがって、微
細な径のアスペクト比の高い接続孔に配線材料を埋め込
むことになる。ところで、接続孔に前述した銅および下
地膜を埋め込む場合、スパッタリングや化学気相成長法
またはメッキ法などによる成膜技術が用いられる。しか
し、埋め込む孔が微細な径の高アスペクト比となると、
以下に説明することによりスパッタリングによる成膜方
法では限界がある。
の多層配線では、層間の接続孔のアスペクト比（孔の深
さ／孔径）は年々高くなる傾向にある。したがって、微
細な径のアスペクト比の高い接続孔に配線材料を埋め込
むことになる。ところで、接続孔に前述した銅および下
地膜を埋め込む場合、スパッタリングや化学気相成長法
またはメッキ法などによる成膜技術が用いられる。しか
し、埋め込む孔が微細な径の高アスペクト比となると、
以下に説明することによりスパッタリングによる成膜方
法では限界がある。
【０００５】スパッタリングによる成膜では、ターゲッ
トより飛来してくる成膜材料の粒子が、成膜対象の面に
到達することでその成膜材料による膜が形成されてい
く。一方で、接続孔のアスペクト比が高くなりその径が
微細化していくと、上方から接続孔の底部を見込める角
度幅が小さくなっていく。したがって、接続孔のアスペ
クト比が高くなりその径が微細化していくと、スパッタ
リングにより飛来する粒子がその接続孔底部に到達しに
くくなる。そして、成膜粒子が接続孔底部に届かなけれ
ば、接続孔を成膜材料で埋め込むことができなくなる。
トより飛来してくる成膜材料の粒子が、成膜対象の面に
到達することでその成膜材料による膜が形成されてい
く。一方で、接続孔のアスペクト比が高くなりその径が
微細化していくと、上方から接続孔の底部を見込める角
度幅が小さくなっていく。したがって、接続孔のアスペ
クト比が高くなりその径が微細化していくと、スパッタ
リングにより飛来する粒子がその接続孔底部に到達しに
くくなる。そして、成膜粒子が接続孔底部に届かなけれ
ば、接続孔を成膜材料で埋め込むことができなくなる。
【０００６】以上のことに対して、化学気相成長法また
はメッキ法では、成膜材料が孔底部に届かなくなること
が原理的に発生しないため、より高集積化した多層配線
における接続孔へは、化学気相成長法またはメッキによ
る成膜が必要になってくる。ところが、タンタルは化学
気相成長法やメッキ法で成膜することが困難である。ま
た、それらの技術でタンタル膜が形成できたとしても、
タンタルは空気中で酸化されやすいため、この上に銅配
線形成のための銅を化学気相成長法やメッキ法で成膜す
るときに、タンタル膜表面に酸化膜が形成されてしま
う。タンタルの酸化膜は絶縁体であるため、下地膜と配
線との間の層間接続の抵抗が高くなってしまう。
はメッキ法では、成膜材料が孔底部に届かなくなること
が原理的に発生しないため、より高集積化した多層配線
における接続孔へは、化学気相成長法またはメッキによ
る成膜が必要になってくる。ところが、タンタルは化学
気相成長法やメッキ法で成膜することが困難である。ま
た、それらの技術でタンタル膜が形成できたとしても、
タンタルは空気中で酸化されやすいため、この上に銅配
線形成のための銅を化学気相成長法やメッキ法で成膜す
るときに、タンタル膜表面に酸化膜が形成されてしま
う。タンタルの酸化膜は絶縁体であるため、下地膜と配
線との間の層間接続の抵抗が高くなってしまう。
【０００７】一方、窒化チタンや窒化タンタルは化学気
相成長法で成膜することが可能であり、空気中で酸化す
ることはない。しかし、化学気相成長法で成膜した窒化
チタンや窒化タンタルは電気抵抗が高くなってしまう。
また、窒化チタンや窒化タンタルはメッキ法により成膜
することが非常に困難である。そして、窒化チタン上に
堆積した銅の密着性は、十分な強度を持っていない。し
たがって、この発明は、以上のような問題点を解消する
ためになされたものであり、銅を配線材料として用いた
多層配線構造において、銅との密着性が高く接触抵抗の
小さい材料を下地膜とした、銅の拡散を防ぐために用い
られる膜を、より微細な径で高アスペクト比となった接
続孔内に形成しやすくすることを目的とする。
相成長法で成膜することが可能であり、空気中で酸化す
ることはない。しかし、化学気相成長法で成膜した窒化
チタンや窒化タンタルは電気抵抗が高くなってしまう。
また、窒化チタンや窒化タンタルはメッキ法により成膜
することが非常に困難である。そして、窒化チタン上に
堆積した銅の密着性は、十分な強度を持っていない。し
たがって、この発明は、以上のような問題点を解消する
ためになされたものであり、銅を配線材料として用いた
多層配線構造において、銅との密着性が高く接触抵抗の
小さい材料を下地膜とした、銅の拡散を防ぐために用い
られる膜を、より微細な径で高アスペクト比となった接
続孔内に形成しやすくすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置の
配線構造の製造方法は、まず、半導体基板上に形成され
た絶縁膜の所定位置に溝を形成した後、その絶縁膜上と
溝底部および側壁とにルテニウム，オスミウム，イリジ
ウム，もしくは，ロジウムからなる第１の膜を化学気相
成長法により形成する。ついで、第１の膜上に銅もしく
は銅合金からなる第２の膜を化学気相成長法により形成
して溝を埋め込み、第２の膜および第１の膜を、溝内に
形成された部分を残して絶縁膜表面が露出するまで削除
する。そして、その削除した後で、第１の膜および前記
第２の膜の表面に露出している部分にルテニウム，オス
ミウム，イリジウム，もしくは，ロジウムからなる第３
の膜を選択的化学気相成長法により形成するようにし
た。 以上説明したように、化学気相成長法により第１お
よび第２の膜を形成するので、溝内底部にまで第１の膜
および第２の膜が充填される。
配線構造の製造方法は、まず、半導体基板上に形成され
た絶縁膜の所定位置に溝を形成した後、その絶縁膜上と
溝底部および側壁とにルテニウム，オスミウム，イリジ
ウム，もしくは，ロジウムからなる第１の膜を化学気相
成長法により形成する。ついで、第１の膜上に銅もしく
は銅合金からなる第２の膜を化学気相成長法により形成
して溝を埋め込み、第２の膜および第１の膜を、溝内に
形成された部分を残して絶縁膜表面が露出するまで削除
する。そして、その削除した後で、第１の膜および前記
第２の膜の表面に露出している部分にルテニウム，オス
ミウム，イリジウム，もしくは，ロジウムからなる第３
の膜を選択的化学気相成長法により形成するようにし
た。 以上説明したように、化学気相成長法により第１お
よび第２の膜を形成するので、溝内底部にまで第１の膜
および第２の膜が充填される。
【０００９】そして、この発明の半導体装置の配線構造
の製造方法は、まず、半導体基板上に形成された絶縁膜
の所定位置に溝を形成した後、その絶縁膜上と溝底部お
よび側壁とにルテニウム，オスミウム，イリジウム，も
しくは，ロジウムからなる第１の膜を無電界メッキ法に
より形成する。ついで、第１の膜上に銅もしくは銅合金
からなる第２の膜をメッキ法により形成して溝を埋め込
み、第２の膜および前記第１の膜を、溝内に形成された
部分を残して絶縁膜表面が露出するまで削除する。そし
て、その削除した後で、第１の膜および前記第２の膜の
表面に露出している部分にルテニウム，オスミウム，イ
リジウム，もしくは，ロジウムからなる第３の膜を選択
的な無電界メッキ法により形成するようにした。以上説
明したように、メッキ法により第１および第２の膜を形
成するので、溝内底部にまで第１の膜および第２の膜が
充填される。
の製造方法は、まず、半導体基板上に形成された絶縁膜
の所定位置に溝を形成した後、その絶縁膜上と溝底部お
よび側壁とにルテニウム，オスミウム，イリジウム，も
しくは，ロジウムからなる第１の膜を無電界メッキ法に
より形成する。ついで、第１の膜上に銅もしくは銅合金
からなる第２の膜をメッキ法により形成して溝を埋め込
み、第２の膜および前記第１の膜を、溝内に形成された
部分を残して絶縁膜表面が露出するまで削除する。そし
て、その削除した後で、第１の膜および前記第２の膜の
表面に露出している部分にルテニウム，オスミウム，イ
リジウム，もしくは，ロジウムからなる第３の膜を選択
的な無電界メッキ法により形成するようにした。以上説
明したように、メッキ法により第１および第２の膜を形
成するので、溝内底部にまで第１の膜および第２の膜が
充填される。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。 実施の形態１ 図１は、この発明の実施の形態１における半導体装置の
配線構造の一部を示す断面図であり、基板１０１上には
図示していないがトランジスタ等の素子が形成され、そ
の上に層間絶縁膜１０２を介して、銅もしくは銅合金か
らなる配線１０３が形成されている。そして、この配線
１０３は、バリア膜１０４によって被覆されている。こ
れらの構成の中で、層間絶縁膜１０２は例えば、二酸化
珪素，三窒化珪素，リンガラス，ボロンリンガラス，ま
たは，有機系の低誘電率絶縁材料から構成すればよい。
また、配線部分は、例えばダマシン法による埋め込み配
線形成法や、配線材料を成膜した後で所定形状に加工す
るドライエッチング法などにより形成すればよい。そし
て、バリア膜１０４としては、ルテニウム，オスミウ
ム，イリジウム，および，ロジウムいずれかの金属を用
いるようにすればよい。
参照して説明する。 実施の形態１ 図１は、この発明の実施の形態１における半導体装置の
配線構造の一部を示す断面図であり、基板１０１上には
図示していないがトランジスタ等の素子が形成され、そ
の上に層間絶縁膜１０２を介して、銅もしくは銅合金か
らなる配線１０３が形成されている。そして、この配線
１０３は、バリア膜１０４によって被覆されている。こ
れらの構成の中で、層間絶縁膜１０２は例えば、二酸化
珪素，三窒化珪素，リンガラス，ボロンリンガラス，ま
たは，有機系の低誘電率絶縁材料から構成すればよい。
また、配線部分は、例えばダマシン法による埋め込み配
線形成法や、配線材料を成膜した後で所定形状に加工す
るドライエッチング法などにより形成すればよい。そし
て、バリア膜１０４としては、ルテニウム，オスミウ
ム，イリジウム，および，ロジウムいずれかの金属を用
いるようにすればよい。
【００１１】以下、この実施の形態１における配線構造
の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示す
ように、基板２０１上に絶縁膜２０２介して第１層配線
２０３が形成された状態で、公知の方法（ダマシン法）
により、所定位置に接続孔２０５および２層配線が形成
される溝２０６を層間絶縁膜２０４に同時に形成する。
ここで、溝２０６は紙面に直角にのびており、また第１
層配線２０３と直角な関係となっている。なお、図２に
は示していないが、基板２０１の他の領域には、トラン
ジスタなどの素子が形成されている。
の製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示す
ように、基板２０１上に絶縁膜２０２介して第１層配線
２０３が形成された状態で、公知の方法（ダマシン法）
により、所定位置に接続孔２０５および２層配線が形成
される溝２０６を層間絶縁膜２０４に同時に形成する。
ここで、溝２０６は紙面に直角にのびており、また第１
層配線２０３と直角な関係となっている。なお、図２に
は示していないが、基板２０１の他の領域には、トラン
ジスタなどの素子が形成されている。
【００１２】ついで、図２（ｂ）に示すように、金属膜
２０７を以下に説明することにより形成する。この金属
膜２０７の形成は、化学気相成長法を用い、原料として
カルボニル系材料のルテニウムカルボニウム［Ｒｕ（Ｃ
Ｏ）4］3を用い、基板２０１の加熱温度は２００〜４０
０℃程度として行う。すなわち、ルテニウムカルボニウ
ムを加熱された基板２０１上に導入することで、ルテニ
ウムカルボニウムを熱分解し、層間絶縁膜２０４表面に
ルテニウムを析出させる。この結果、層間絶縁膜２０４
表面には、ルテニウムからなる金属膜２０７（第１の
膜）が形成されることになる。
２０７を以下に説明することにより形成する。この金属
膜２０７の形成は、化学気相成長法を用い、原料として
カルボニル系材料のルテニウムカルボニウム［Ｒｕ（Ｃ
Ｏ）4］3を用い、基板２０１の加熱温度は２００〜４０
０℃程度として行う。すなわち、ルテニウムカルボニウ
ムを加熱された基板２０１上に導入することで、ルテニ
ウムカルボニウムを熱分解し、層間絶縁膜２０４表面に
ルテニウムを析出させる。この結果、層間絶縁膜２０４
表面には、ルテニウムからなる金属膜２０７（第１の
膜）が形成されることになる。
【００１３】ここで、上述では、金属膜２０７としてル
テニウムを用いるようにしたが、これに限るものではな
く、オスミウム，イリジウム，ロジウムを用いるように
しても同様である。この場合、化学気相成長を行うとき
のカルボニル系材として、オスミウムカルボニル［Ｏｓ
（ＣＯ）5 ］，イリジウムカルボニウム［Ｉｒ（ＣＯ）
3 ］もしくは［Ｉｒ（ＣＯ）4 ］，ロジウムカルボニル
［Ｒｈ（ＣＯ）4］を用いるようにすればよい。また、
熱分解による化学気相成長法の原料として、シクロペン
タジニエル系の原料を用いるようにしてもよい。例え
ば、ビスシクロペンタジニエルルテニウム［Ｒｕ（Ｃ5
Ｈ6）2］を用い、基板温度を４００〜６００℃とし、ル
テニウムを析出させることができる。
テニウムを用いるようにしたが、これに限るものではな
く、オスミウム，イリジウム，ロジウムを用いるように
しても同様である。この場合、化学気相成長を行うとき
のカルボニル系材として、オスミウムカルボニル［Ｏｓ
（ＣＯ）5 ］，イリジウムカルボニウム［Ｉｒ（ＣＯ）
3 ］もしくは［Ｉｒ（ＣＯ）4 ］，ロジウムカルボニル
［Ｒｈ（ＣＯ）4］を用いるようにすればよい。また、
熱分解による化学気相成長法の原料として、シクロペン
タジニエル系の原料を用いるようにしてもよい。例え
ば、ビスシクロペンタジニエルルテニウム［Ｒｕ（Ｃ5
Ｈ6）2］を用い、基板温度を４００〜６００℃とし、ル
テニウムを析出させることができる。
【００１４】一方、βケトナート系化合物を化学気相成
長原料としてもよい。この場合、水素雰囲気中で基板温
度を３００〜６００℃として、導入した成膜原料を還元
することにより金属膜を析出堆積させて膜形成を行う。
このとき、水蒸気もしくはアルコールを添加すること
で、堆積速度を速めることができる。また、水素プラズ
マ中もしくは水素ラジカルが導入された状態で、それら
の成膜を行うようにすれば、成膜時の基板温度を１００
〜２００℃低下させることが可能となる。この水素還元
による化学気相成長では、例えば、ルテニウムアセチル
アセトナト［Ｒｕ（Ｃ5Ｈ7０2）3］，オスミウムアセチ
ルアセトナト［Ｏｓ（Ｃ5Ｈ7０2）3］，イリジウムアセ
チルアセトナト［Ｉｒ（Ｃ5Ｈ7０2）3］，もしくは，ロ
ジウムアセチルアセトナト［Ｒｈ（Ｃ5Ｈ7０2）3］を用
いるようにすればよい。また、それらのフッ化炭素の誘
導体を、原料として用いるようにすればよい。その一例
として、ルテニウムヘキサフロロアセチルアセトナト
［Ｒｕ（Ｃ5Ｆ6Ｈ０2）3］がある。
長原料としてもよい。この場合、水素雰囲気中で基板温
度を３００〜６００℃として、導入した成膜原料を還元
することにより金属膜を析出堆積させて膜形成を行う。
このとき、水蒸気もしくはアルコールを添加すること
で、堆積速度を速めることができる。また、水素プラズ
マ中もしくは水素ラジカルが導入された状態で、それら
の成膜を行うようにすれば、成膜時の基板温度を１００
〜２００℃低下させることが可能となる。この水素還元
による化学気相成長では、例えば、ルテニウムアセチル
アセトナト［Ｒｕ（Ｃ5Ｈ7０2）3］，オスミウムアセチ
ルアセトナト［Ｏｓ（Ｃ5Ｈ7０2）3］，イリジウムアセ
チルアセトナト［Ｉｒ（Ｃ5Ｈ7０2）3］，もしくは，ロ
ジウムアセチルアセトナト［Ｒｈ（Ｃ5Ｈ7０2）3］を用
いるようにすればよい。また、それらのフッ化炭素の誘
導体を、原料として用いるようにすればよい。その一例
として、ルテニウムヘキサフロロアセチルアセトナト
［Ｒｕ（Ｃ5Ｆ6Ｈ０2）3］がある。
【００１５】引き続き、図２（ｃ）に示すように、銅ヘ
キサフロロアセチルアセトナトビニルトリメチルシラン
の不均化反応による化学気相成長法で、金属膜２０７上
に銅膜２０８（第２の膜）を堆積形成し、接続孔２０５
および溝２０６内をそれらで埋め込む。なお、ここでは
銅膜を形成するようにしたが、銅合金の膜を形成するよ
うにしてもよい。ついで、化学機械研磨により銅膜２０
８および金属膜２０７の平坦部を、層間絶縁膜２０４の
表面が露出するまで除去する。この結果、図３（ｄ）に
示すように、バリアメタル２０７ａに側面および下面が
覆われた、第２層配線としての銅配線２０８ａが形成さ
れる。
キサフロロアセチルアセトナトビニルトリメチルシラン
の不均化反応による化学気相成長法で、金属膜２０７上
に銅膜２０８（第２の膜）を堆積形成し、接続孔２０５
および溝２０６内をそれらで埋め込む。なお、ここでは
銅膜を形成するようにしたが、銅合金の膜を形成するよ
うにしてもよい。ついで、化学機械研磨により銅膜２０
８および金属膜２０７の平坦部を、層間絶縁膜２０４の
表面が露出するまで除去する。この結果、図３（ｄ）に
示すように、バリアメタル２０７ａに側面および下面が
覆われた、第２層配線としての銅配線２０８ａが形成さ
れる。
【００１６】ついで、銅配線２０８ａおよびその側面で
表面に露出しているバリアメタル２０７ａ上に、以下に
示すことにより選択的にバリアメタル２０７ｂ（第３の
膜）を形成する。このバリアメタル２０７ｂの形成で
は、前述した、シクロペンタジニエル系の材料もしくは
βケトナート系の材料を用いた化学気相成長法により金
属膜を形成することで行う。すなわち、この化学気相成
長では、層間絶縁膜２０４の表面には金属膜が形成され
ず、銅配線２０８ａおよびその側面で表面に露出してい
るバリアメタル２０７ａ上に選択的に金属膜が形成さ
れ、これがバリアメタル２０７ｂとなる。
表面に露出しているバリアメタル２０７ａ上に、以下に
示すことにより選択的にバリアメタル２０７ｂ（第３の
膜）を形成する。このバリアメタル２０７ｂの形成で
は、前述した、シクロペンタジニエル系の材料もしくは
βケトナート系の材料を用いた化学気相成長法により金
属膜を形成することで行う。すなわち、この化学気相成
長では、層間絶縁膜２０４の表面には金属膜が形成され
ず、銅配線２０８ａおよびその側面で表面に露出してい
るバリアメタル２０７ａ上に選択的に金属膜が形成さ
れ、これがバリアメタル２０７ｂとなる。
【００１７】なお、βケトナート系材料を用いた化学気
相成長では、その原料とともにヘキサフロロアセチルケ
トンを、反応系に同時に供給するようにすれば、それら
選択性の維持に効果的である。そして、以上示したよう
にして第２層配線を形成した後、それらの上にパシベー
ション膜を形成するようにしてもよく、場合によって
は、さらに層間絶縁膜を形成して第３層配線を形成する
ようにし、多層配線構造を構成するようにしてもよい。
相成長では、その原料とともにヘキサフロロアセチルケ
トンを、反応系に同時に供給するようにすれば、それら
選択性の維持に効果的である。そして、以上示したよう
にして第２層配線を形成した後、それらの上にパシベー
ション膜を形成するようにしてもよく、場合によって
は、さらに層間絶縁膜を形成して第３層配線を形成する
ようにし、多層配線構造を構成するようにしてもよい。
【００１８】実施の形態２
なお、上記実施の形態１においては、化学気相成長法に
より、バリア膜を形成するための金属膜、および、銅配
線層を形成するための銅膜を形成するようにしたが、こ
れに限るものではなく、それらをメッキ（無電界メッ
キ）により形成するようにしてもよい。この場合、図２
（ａ）に示すように、層間絶縁膜２０４の所定位置に接
続孔２０５および第２層配線が形成される溝２０６を形
成した後、まず、以下に説明するように、層間絶縁膜２
０４表面に無電界メッキの析出核となるメッキ触媒を形
成する。なお、以下ではこれらのことを「担持する」と
表現する。
より、バリア膜を形成するための金属膜、および、銅配
線層を形成するための銅膜を形成するようにしたが、こ
れに限るものではなく、それらをメッキ（無電界メッ
キ）により形成するようにしてもよい。この場合、図２
（ａ）に示すように、層間絶縁膜２０４の所定位置に接
続孔２０５および第２層配線が形成される溝２０６を形
成した後、まず、以下に説明するように、層間絶縁膜２
０４表面に無電界メッキの析出核となるメッキ触媒を形
成する。なお、以下ではこれらのことを「担持する」と
表現する。
【００１９】この担持としては、例えば、ペンタン溶媒
にルテニウムのπ−アリル錯体が溶解している前処理液
に、メッキ対象の基板を浸漬する。ついで、その基板を
水素気流中で約１００℃に加熱することで焼成し、つい
で、酸素気流中にさらすことで金属膜を形成する表面に
吸着している析出核としてのルテニウムを酸化する。以
上のことにより、前処理として、金属膜を形成する層間
絶縁膜表面に、メッキの析出核となるメッキ触媒が形成
されたことになる。
にルテニウムのπ−アリル錯体が溶解している前処理液
に、メッキ対象の基板を浸漬する。ついで、その基板を
水素気流中で約１００℃に加熱することで焼成し、つい
で、酸素気流中にさらすことで金属膜を形成する表面に
吸着している析出核としてのルテニウムを酸化する。以
上のことにより、前処理として、金属膜を形成する層間
絶縁膜表面に、メッキの析出核となるメッキ触媒が形成
されたことになる。
【００２０】ついで、この表面が担持された基板をメッ
キ液に浸漬することで、層間絶縁膜２０４表面にルテニ
ウムからなる金属膜２０７を形成する。このメッキ液と
しては、塩化ルテニウムもしくは硫酸ルテニウムの水和
物と、塩酸ヒドラジン［Ｎ2Ｈ4・ＨＣｌ］などの還元剤
とを溶かした水溶液を用いるようにすればよい。これら
の、メッキ液組成およびメッキ条件は、公知の金属メッ
キ法を用いるようにすればよい。そして、この金属膜２
０７が形成された表面に、やはり、公知の銅メッキ法に
より銅膜２０８を形成すればよい。なお、銅のメッキと
しては無電界メッキの他に、電界メッキを用いるように
してもよい。
キ液に浸漬することで、層間絶縁膜２０４表面にルテニ
ウムからなる金属膜２０７を形成する。このメッキ液と
しては、塩化ルテニウムもしくは硫酸ルテニウムの水和
物と、塩酸ヒドラジン［Ｎ2Ｈ4・ＨＣｌ］などの還元剤
とを溶かした水溶液を用いるようにすればよい。これら
の、メッキ液組成およびメッキ条件は、公知の金属メッ
キ法を用いるようにすればよい。そして、この金属膜２
０７が形成された表面に、やはり、公知の銅メッキ法に
より銅膜２０８を形成すればよい。なお、銅のメッキと
しては無電界メッキの他に、電界メッキを用いるように
してもよい。
【００２１】以上説明したことにより、前述した実施の
形態１における化学気相成長法と同様に、金属膜２０７
および銅膜２０８の形成が行える。なお、ここでは、金
属膜としてルテニウムを形成するようにしたが、これに
限るものではなく、オスミウム，イリジウム，もしく
は，ロジウムの塩化物もしくは硫化物の水和物によるメ
ッキ液を用いてそれらの金属膜をメッキするようにして
もよい。また、担持材料としてルテニウムのπ−アリル
錯体を用いるようにしたが、これに限るものではなく、
有機溶媒に可溶な他の有機金属錯体を用いるようにして
もよい。また、有機溶媒としてペンタンを用いるように
したが、他の有機溶媒を用いるようにしてもよい。な
お、この場合、常温で揮発性を有するものが好ましい。
形態１における化学気相成長法と同様に、金属膜２０７
および銅膜２０８の形成が行える。なお、ここでは、金
属膜としてルテニウムを形成するようにしたが、これに
限るものではなく、オスミウム，イリジウム，もしく
は，ロジウムの塩化物もしくは硫化物の水和物によるメ
ッキ液を用いてそれらの金属膜をメッキするようにして
もよい。また、担持材料としてルテニウムのπ−アリル
錯体を用いるようにしたが、これに限るものではなく、
有機溶媒に可溶な他の有機金属錯体を用いるようにして
もよい。また、有機溶媒としてペンタンを用いるように
したが、他の有機溶媒を用いるようにしてもよい。な
お、この場合、常温で揮発性を有するものが好ましい。
【００２２】この後、前述した実施の形態１と同様に、
化学機械研磨により銅膜２０８および金属膜２０７の平
坦部を、層間絶縁膜２０４の表面が露出するまで除去す
る。この結果、図３（ｄ）に示すように、バリアメタル
２０７ａに側面および下面が覆われた、第２層配線とし
ての銅配線２０８ａが形成される。そして、銅配線２０
８ａおよびその側面で表面に露出しているバリアメタル
２０７ａ上に、以下に示すことにより選択的にバリアメ
タル２０７ｂを形成する。このバリアメタル２０７ｂの
形成では、前述した、担持することなく、基板２０１を
メッキ液に浸漬することで行う。ここでは、銅配線２０
８ａおよびその側面で表面に露出しているバリアメタル
２０７ａの表面は金属が露出していることになるので、
前述したメッキ液にその表面がふれることで、そこには
ルテニウムがメッキされる。しかし、ここでは担持され
ていないので、層間絶縁膜２０４の露出している表面に
はメッキがされない。
化学機械研磨により銅膜２０８および金属膜２０７の平
坦部を、層間絶縁膜２０４の表面が露出するまで除去す
る。この結果、図３（ｄ）に示すように、バリアメタル
２０７ａに側面および下面が覆われた、第２層配線とし
ての銅配線２０８ａが形成される。そして、銅配線２０
８ａおよびその側面で表面に露出しているバリアメタル
２０７ａ上に、以下に示すことにより選択的にバリアメ
タル２０７ｂを形成する。このバリアメタル２０７ｂの
形成では、前述した、担持することなく、基板２０１を
メッキ液に浸漬することで行う。ここでは、銅配線２０
８ａおよびその側面で表面に露出しているバリアメタル
２０７ａの表面は金属が露出していることになるので、
前述したメッキ液にその表面がふれることで、そこには
ルテニウムがメッキされる。しかし、ここでは担持され
ていないので、層間絶縁膜２０４の露出している表面に
はメッキがされない。
【００２３】なお、このバリアメタル２０７ｂは、ルテ
ニウムをメッキすることで形成するようにしたが、これ
に限るものではなく、バリアメタル２０７ａと同様に、
オスミウム，イリジウム，ロジウムをメッキするように
してもよいことはいうまでもない。そして、以上示した
ようにして第２層配線を形成した後、それらの上にパシ
ベーション膜を形成するようにしてもよく、場合によっ
ては、さらに層間絶縁膜を形成して第３層配線を形成す
るようにし、多層配線構造を構成するようにしてもよ
い。
ニウムをメッキすることで形成するようにしたが、これ
に限るものではなく、バリアメタル２０７ａと同様に、
オスミウム，イリジウム，ロジウムをメッキするように
してもよいことはいうまでもない。そして、以上示した
ようにして第２層配線を形成した後、それらの上にパシ
ベーション膜を形成するようにしてもよく、場合によっ
ては、さらに層間絶縁膜を形成して第３層配線を形成す
るようにし、多層配線構造を構成するようにしてもよ
い。
【００２４】実施の形態３
ところで、上記実施の形態１，２においては、銅配線の
バリア膜としてルテニウム，オスミウム，イリジウム，
もしくは，ロジウムからなる金属を用いるようにした
が、これらに限るものではなく、それらの酸化物を用い
るようにしてもよい。このように、それら金属の酸化物
を下地膜として用いる場合、それら金属の酸化物からな
る膜は、化学気相成長法を用いて成膜すればよい。この
場合、原料は実施の形態１において掲げたものを用いる
ようにすればよい。ただし、成膜雰囲気に酸素を同時に
導入する。このことにより、金属酸化膜の形成が可能と
なる。ここで、酸化物の成膜をより効率よく行うために
は、高周波放電などにより酸素のプラズマを生成させた
状態とすればよい。この酸素プラズマを用いて金属酸化
物の成膜を行うようにすれば、成膜時の基板温度を低下
させることができる。
バリア膜としてルテニウム，オスミウム，イリジウム，
もしくは，ロジウムからなる金属を用いるようにした
が、これらに限るものではなく、それらの酸化物を用い
るようにしてもよい。このように、それら金属の酸化物
を下地膜として用いる場合、それら金属の酸化物からな
る膜は、化学気相成長法を用いて成膜すればよい。この
場合、原料は実施の形態１において掲げたものを用いる
ようにすればよい。ただし、成膜雰囲気に酸素を同時に
導入する。このことにより、金属酸化膜の形成が可能と
なる。ここで、酸化物の成膜をより効率よく行うために
は、高周波放電などにより酸素のプラズマを生成させた
状態とすればよい。この酸素プラズマを用いて金属酸化
物の成膜を行うようにすれば、成膜時の基板温度を低下
させることができる。
【００２５】実施の形態４
ところで、上述では、銅配線の側面および底面にバリア
膜を配置するようにしたが、これに限るものではなく、
図４に示すように、バリア膜１０４と層間絶縁膜１０２
との間に、タンタルまたはチタンもしくは窒化チタンか
らなる分離膜１０５を設けるようにしてもよい。なお、
図４中において、他の符号は図１と同様である。また、
バリア膜１０４に酸化膜を用いる場合、分離膜１０５と
してルテニウム，オスミウム，イリジウム，ロジウム，
または、タンタル，チタン，もしくは，窒化チタンを用
いるようにしてもよい。
膜を配置するようにしたが、これに限るものではなく、
図４に示すように、バリア膜１０４と層間絶縁膜１０２
との間に、タンタルまたはチタンもしくは窒化チタンか
らなる分離膜１０５を設けるようにしてもよい。なお、
図４中において、他の符号は図１と同様である。また、
バリア膜１０４に酸化膜を用いる場合、分離膜１０５と
してルテニウム，オスミウム，イリジウム，ロジウム，
または、タンタル，チタン，もしくは，窒化チタンを用
いるようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明では、半
導体基板上に絶縁膜を介して形成された銅もしくは銅合
金からなる配線層と、その配線層を覆うように形成され
たルテニウム，オスミウム，イリジウム，もしくは，ロ
ジウム、または、それらの酸化物からなるバリア膜とを
備える配線構造を、次に示すようにして製造するように
した。すなわち、まず、半導体基板上に形成された絶縁
膜の所定位置に溝を形成した後、その絶縁膜上と溝底部
および側壁とにルテニウム，オスミウム，イリジウム，
もしくは，ロジウムからなる第１の膜を化学気相成長法
もしくは無電界メッキ法により形成する。ついで、第１
の膜上に銅もしくは銅合金からなる第２の膜を化学気相
成長法もしくはメッキ法により形成して溝を埋め込み、
第２の膜および第１の膜を、溝内に形成された部分を残
して絶縁膜表面が露出するまで削除する。そして、その
削除した後で、第１の膜および前記第２の膜の表面に露
出している部分にルテニウム，オスミウム，イリジウ
ム，もしくは，ロジウムからなる第３の膜を選択的化学
気相成長法や選択的な無電界メッキ法により形成するよ
うにした。
導体基板上に絶縁膜を介して形成された銅もしくは銅合
金からなる配線層と、その配線層を覆うように形成され
たルテニウム，オスミウム，イリジウム，もしくは，ロ
ジウム、または、それらの酸化物からなるバリア膜とを
備える配線構造を、次に示すようにして製造するように
した。すなわち、まず、半導体基板上に形成された絶縁
膜の所定位置に溝を形成した後、その絶縁膜上と溝底部
および側壁とにルテニウム，オスミウム，イリジウム，
もしくは，ロジウムからなる第１の膜を化学気相成長法
もしくは無電界メッキ法により形成する。ついで、第１
の膜上に銅もしくは銅合金からなる第２の膜を化学気相
成長法もしくはメッキ法により形成して溝を埋め込み、
第２の膜および第１の膜を、溝内に形成された部分を残
して絶縁膜表面が露出するまで削除する。そして、その
削除した後で、第１の膜および前記第２の膜の表面に露
出している部分にルテニウム，オスミウム，イリジウ
ム，もしくは，ロジウムからなる第３の膜を選択的化学
気相成長法や選択的な無電界メッキ法により形成するよ
うにした。
【００２７】以上示したことにより、この発明の半導体
装置の配線構造では、配線層と絶縁膜とはバリア膜で分
離され、配線層から絶縁膜へ銅が拡散することがない。
加えて、それらの構造を形成する上で、金属膜の形成を
化学気相成長法もしくはメッキ法により行うようにした
ので、たとえ微細で深い溝であっても、溝底部にまでバ
リア膜は形成され、そして、その溝を埋めるように配線
層が形成される。また、バリア膜はルテニウム，オスミ
ウム，イリジウム，もしくは，ロジウム、または、それ
らの酸化物から構成するようにしたので、配線層と絶縁
膜との間の密着性を向上させることが可能となる。
装置の配線構造では、配線層と絶縁膜とはバリア膜で分
離され、配線層から絶縁膜へ銅が拡散することがない。
加えて、それらの構造を形成する上で、金属膜の形成を
化学気相成長法もしくはメッキ法により行うようにした
ので、たとえ微細で深い溝であっても、溝底部にまでバ
リア膜は形成され、そして、その溝を埋めるように配線
層が形成される。また、バリア膜はルテニウム，オスミ
ウム，イリジウム，もしくは，ロジウム、または、それ
らの酸化物から構成するようにしたので、配線層と絶縁
膜との間の密着性を向上させることが可能となる。
【図１】 この発明の実施の形態１における半導体装置
の配線構造の一部を示す断面図である。
の配線構造の一部を示す断面図である。
【図２】 この発明の配線構造の製造方法を説明する断
面図である。
面図である。
【図３】 図２に続く、この発明の配線構造の製造方法
を説明する断面図である。
を説明する断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態４における半導体装置
の配線構造の一部を示す断面図である。
の配線構造の一部を示す断面図である。
１０１…基板、１０２…層間絶縁膜、１０３…配線、１
０４…バリア膜、１０５…分離膜。
０４…バリア膜、１０５…分離膜。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平８−316233（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−343455（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−222569（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−218035（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−140393（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−264538（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−207868（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−218919（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/28 - 21/288
H01L 21/3205 - 21/3213
H01L 21/768
Claims (6)
- 【請求項１】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
と、 前記絶縁膜の所定位置に溝を形成する工程と、 前記絶縁膜上と前記溝底部および側壁とにルテニウム，
オスミウム，イリジウム，もしくは，ロジウムからなる
第１の膜を化学気相成長法により形成する工程と、 前記第１の膜上に銅もしくは銅合金からなる第２の膜を
化学気相成長法により形成して前記溝を埋め込む工程
と、 前記第２の膜および前記第１の膜を、前記溝内に形成さ
れた部分を残し、前記絶縁膜表面が露出するまで削除す
る工程と、 前記削除する工程の後で、前記第１の膜および前記第２
の膜の表面に露出している部分にルテニウム，オスミウ
ム，イリジウム，もしくは，ロジウムからなる第３の膜
を選択的化学気相成長法により形成する工程と を少なく
とも 備えたことを特徴とする半導体装置の配線構造の製
造方法。 - 【請求項２】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
と、 前記絶縁膜の所定位置に溝を形成する工程と、 前記絶縁膜上と前記溝底部および側壁とに、ルテニウム
の酸化物，オスミウムの酸化物，イリジウムの酸化物，
もしくは，ロジウムの酸化物からなる第１の膜を化学気
相成長法により形成する工程と、 前記第１の膜上に銅もしくは銅合金からなる第２の膜を
化学気相成長法により形成して前記溝を埋め込む工程
と、 前記第２の膜および前記第１の膜を、前記溝内に形成さ
れた部分を残し、前記絶縁膜表面が露出するまで削除す
る工程と、 前記削除する工程の後で、前記第１の膜および前記第２
の膜の表面に露出している部分にルテニウム，オスミウ
ム，イリジウム，もしくは，ロジウムの酸化物からなる
第３の膜を選択的化学気相成長法により形成する工程と
を少なくとも 備えたことを特徴とする半導体装置の配線
構造の製造方法。 - 【請求項３】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
と、 前記絶縁膜の所定位置に溝を形成する工程と、 前記絶縁膜上と前記溝底部および側壁とにルテニウム，
オスミウム，イリジウム，もしくは，ロジウムからなる
第１の膜を無電界メッキ法により形成する工程と、 前記第１の膜上に銅もしくは銅合金からなる第２の膜を
メッキ法により形成して前記溝を埋め込む工程と、 前記第２の膜および前記第１の膜を、前記溝内に形成さ
れた部分を残し、前記絶縁膜表面が露出するまで削除す
る工程と、 前記削除する工程の後で、前記第１の膜および前記第２
の膜の表面に露出している部分にルテニウム，オスミウ
ム，イリジウム，もしくは，ロジウムからなる第３の膜
を選択的な無電界メッキ法により形成する工程と を少な
くとも 備えたことを特徴とする半導体装置の配線構造の
製造方法。 - 【請求項４】 請求項１記載の半導体装置の配線構造の
製造方法において、 前記第１の膜は、ルテニウム，オスミウム，イリジウ
ム，もしくは，ロジウムのカルボニル化合物，βケトナ
ート化合物，または，シクロペンタジニエル化合物を原
料とした化学気相成長法により形成し、 前記第２の膜は、銅または銅を主成分とするβケトナー
ト化合物を原料とした化学気相成長法により形成する こ
とを特徴とする半導体装置の配線構造の製造方法。 - 【請求項５】 請求項２記載の半導体装置の配線構造の
製造方法において、 前記第１の膜は、ルテニウム，オスミウム，イリジウ
ム，もしくは，ロジウムのカルボニル化合物，βケトナ
ート化合物，または，シクロペンタジニエル化合物を原
料とした酸化性雰囲気における化学気相成長法により形
成し、 前記第２の膜は、銅または銅を主成分とするβケトナー
ト化合物を原料とした化学気相成長法により形成する こ
とを特徴とする半導体装置の配線構造の製造方法。 - 【請求項６】 請求項３記載の半導体装置の配線構造の
製造方法において、 前記第１の膜は、前記絶縁膜表面にルテニウム，オスミ
ウム，イリジウム，もしくは，ロジウム，またはそれら
の酸化物からなる触媒核を担持したあと、無電界メッキ
法により形成し、 前記第２の膜は、無電界メッキ法もしくは電界メッキ法
により形成する ことを特徴とする半導体装置の配線構造
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03043297A JP3409831B2 (ja) | 1997-02-14 | 1997-02-14 | 半導体装置の配線構造の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03043297A JP3409831B2 (ja) | 1997-02-14 | 1997-02-14 | 半導体装置の配線構造の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10229084A JPH10229084A (ja) | 1998-08-25 |
| JP3409831B2 true JP3409831B2 (ja) | 2003-05-26 |
Family
ID=12303794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03043297A Expired - Lifetime JP3409831B2 (ja) | 1997-02-14 | 1997-02-14 | 半導体装置の配線構造の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3409831B2 (ja) |
Cited By (1)
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| US7663239B2 (en) | 2004-06-30 | 2010-02-16 | Panasonic Corporation | Semiconductor device and method for fabricating the same |
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- 1997-02-14 JP JP03043297A patent/JP3409831B2/ja not_active Expired - Lifetime
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