JP6405196B2

JP6405196B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6405196B2
Application number: JP2014228330A
Authority: JP
Inventors: 章宏河野; 博晃佐野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2034-11-10
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Description

本発明は半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置において微細な配線パターンを形成するために、配線パターンの材料として銅（Ｃｕ）が用いられることがある。配線パターンを銅で形成すると、配線パターンにヒロックが発生することがある。特許文献１では、配線パターンを形成するためのめっき処理及びＣＭＰの後に熱処理を行うことで、ヒロックの低減する方法が提案されている。

特開２０１１−２４９５８２号公報

後述するように、ＣＭＰ処理後に熱処理を行っただけでは配線パターンに発生したヒロックを十分に低減できない。そこで、本発明の１つの側面は、配線パターンに発生するヒロックを低減するための技術を提供することを目的とする。

上記課題に鑑みて、本発明の一部の側面は、半導体装置の製造方法であって、開口を有する第１絶縁膜の上と、前記開口とに、銅を材料とする導電膜を形成する工程と、前記導電膜を研磨して、前記導電膜のうち前記第１絶縁膜の上にある部分を除去することによって、前記導電膜から配線パターンを形成する工程と、不活性ガスの雰囲気で前記配線パターンに対して熱処理を行う熱処理工程と、前記熱処理工程の後に、前記配線パターンに対して還元ガスを用いてプラズマ処理を行う工程とを有し、前記プラズマ処理における温度は、前記熱処理における温度以下であることを特徴とする製造方法を提供する。

上記手段により、配線パターンに発生するヒロックを低減するための技術が提供される。

一部の実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図である。一部の実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図である。一部の実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図である。一部の実施形態の固体撮像装置の製造方法を説明する図である。配線パターンの厚さとヒロック密度との関係を説明する図である。熱処理とヒロック密度との関係を説明する図である。

添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。本発明は一般に、固体撮像装置、演算装置及びメモリ装置などを含む半導体装置の製造方法に適用可能である。以下の説明では半導体装置の例として固体撮像装置を扱う。固体撮像装置の製造方法に関する一般的な手法については既存の技術を用いることができるので、以下ではその詳細な説明を省略することがある。

図１〜図４を参照して、一部の実施形態に係る固体撮像装置の製造方法を説明する。まず、図１（ａ）に示すように、光電変換素子やトランジスタが形成された半導体基板１００を準備する。半導体基板１００は、固体撮像装置への入射光の光量に応じて発生した電荷を蓄積する半導体領域１０１を有し、この半導体領域１０１が光電変換素子を構成する。また、半導体基板１００はトランジスタのソース又はドレインを構成する半導体領域１０３や光電変換素子の半導体領域１０１などの回路素子を分離するための素子分離領域１０４を有する。半導体基板１００の表面にはゲート電極１０２が形成される。その後、半導体基板１００の上に絶縁膜１０５を形成する。絶縁膜１０５は層間絶縁膜として機能する。絶縁膜１０５は例えばＳｉＮ、ＮＳＧ、ＢＰＳＧ、ＳｉＯ₂で形成される。絶縁膜１０５は複数の絶縁膜の積層構造であってもよい。その後、絶縁膜１０５を貫通するコンタクトプラグ１０６を形成する。コンタクトプラグ１０６は例えばタングステンで形成される。コンタクトプラグ１０６の絶縁膜１０５との間にバリアメタル層が形成されてもよい。これにより、図１（ａ）に示す構造体が形成される。

続いて、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜１０５の上に、絶縁膜１０７と絶縁膜１０８とをこの順に形成する。絶縁膜１０７は、後述の工程で絶縁膜１０８をエッチングする際のエッチングストップ層として機能する。絶縁膜１０７は例えばＳｉＮやＳｉＣを材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。これに代えて、絶縁膜１０７をＬｏｗ−ｋ材料でＳｏＧ法を用いて形成してもよい。絶縁膜１０８は層間絶縁膜として機能する。絶縁膜１０８は例えばＳｉＯやＳｉＯＣを材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。

続いて、図１（ｃ）に示すように、絶縁膜１０７及び絶縁膜１０８を貫通する開口を形成する。この開口は配線パターンの形状を有する。この開口の一部はコンタクトプラグ１０６の上面を露出する。この開口は、例えば、絶縁膜１０８の上にフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてエッチングをすることで形成される。エッチングは例えば異方性エッチングである。このエッチングにおいて、絶縁膜１０７がエッチングストップ層として機能する。絶縁膜１０７までエッチングが行われた後、絶縁膜１０７に対するエッチングレートが高い条件に切り替えて絶縁膜１０７をエッチングし、コンタクトプラグ１０６の上面を露出する。

続いて、絶縁膜１０８の上から金属膜１０９を例えばスパッタ法を用いて形成する。金属膜１０９の一部は絶縁膜１０７及び絶縁膜１０８の開口に入り込む。金属膜１０９は銅拡散防止膜として機能する。すなわち、後続の工程で使用される銅が金属膜１０９の下にある層に拡散するのを防止する。金属膜１０９は例えばＴａやＴｉで形成される。続いて、金属膜１０９の上から、銅を主成分とする導電性部材を材料とした導電膜１１０を形成する。導電膜１１０の一部は絶縁膜１０７及び絶縁膜１０８の開口に入り込む。導電膜１１０は例えば電界めっき法を用いて形成される。導電膜１１０の厚さは１０００ｎｍ程度である。導電膜１１０を形成した後、導電膜１１０に対して１５０℃程度の熱処理を行う。

続いて、図１（ｄ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を用いて、金属膜１０９及び導電膜１１０のうち絶縁膜１０８の上にある部分を除去する。導電膜１１０のうち除去されずに残った部分が配線パターン１１１となる。このＣＭＰは、配線パターン１１１の厚さが例えば３０００Å以下になるまで継続する。ＣＭＰで用いられる研磨材（スラリー）研磨材には、銅の腐食防止剤としてベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）が含まれる。そのため、ＣＭＰ後の配線パターン１１１の表面にはＢＴＡが結合している。また、配線パターン１１１の一部は酸化されており、ＣｕＯ、ＣｕＯ₂が形成されている。

続いて、配線パターン１１１に対して熱処理を行う。この熱処理は、例えば枚葉式の熱処理装置において、不活性ガス（Ａｒ、Ｎ₂、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ等）の雰囲気で、３００〜４００℃の温度で、１２０秒程度行う。この熱処理における温度は、後述する絶縁膜２０１を形成する際の温度と等しくてもよいし、それよりも高くてもよい。ここでは、不活性ガスとして、ＡｒまたはＮ₂を用いることが望ましい。

続いて、還元ガスを用いて配線パターン１１１に対してプラズマ処理（プラズマ照射）を行う。このプラズマ処理によって、配線パターン１１１の表面のＢＴＡや酸化銅が除去される。還元ガスには例えばＨ₂又はＮＨ₃が含まれる。プラズマ処理は、２００〜４００℃の温度で、１５秒程度行われる。配線パターン１１１からＢＴＡや酸化銅を除去することによって、配線パターン１１１と後述する絶縁膜２０１との間の密着性を向上できる。プラズマ照射における熱が高いため、プラズマ処理の時間を出来る限り短くしてもよい。このプラズマ処理における温度は、熱処理の温度と等しくてもよいし、それよりも低い温度でもよい。熱処理の温度以下の温度でプラズマ処理を行うことによって、熱処理において安定化した金属膜１０９の結晶が変化（異常成長など）をすることが抑制される。

続いて、図２（ａ）に示すように、絶縁膜１０８及び配線パターン１１１の上に、絶縁膜２０１を形成する。絶縁膜２０１は銅拡散防止膜として機能する。すなわち、配線パターン１１１の銅が絶縁膜２０１の上にある層に拡散するのを防止する。絶縁膜２０１は例えばＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮのいずれかを材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。これら絶縁膜は、例えば、ＳｉＣＯ等の多少の酸素を含んでいる場合や、ＳｉＮＯ等の結合が異なる場合も含む。この絶縁膜２０１の形成は、２００〜３５０℃の温度で行われる。この絶縁膜２０１を形成する際の温度は、上述したように、熱処理の温度と等しくてもよいし、それよりも低い温度でもよい。熱処理の温度以下の温度で絶縁膜２０１を形成することによって、熱処理において安定化した金属膜１０９の結晶が変化（異常成長など）をすることが抑制される。絶縁膜２０１の厚さは例えば７００Å程度である。絶縁膜２０１は２以上のチャンバーで数１００Å程度の膜を複数回に分けて形成してもよい。このように形成することによって、異物等に起因するピンホールが各回の膜に発生したとしても、絶縁膜２０１全体としてはピンホールの発生を抑制できる。

続いて、図２（ｂ）に示すように、絶縁膜２０１のうち半導体領域１０１の上にある部分を除去して、絶縁膜２０１に開口２０２を形成する。開口２０２は、例えば、絶縁膜２０１の上にフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてエッチングを行うことで形成される。絶縁膜１０７が光学特性に影響を与える材料を含む場合に、このエッチングを、絶縁膜１０７のうち半導体領域１０１の上にある部分が除去されるまで行ってもよい。

続いて、図２（ｃ）に示すように、絶縁膜２０１の上に、絶縁膜２０３、絶縁膜２０４及び絶縁膜２０５をこの順に形成する。絶縁膜２０３及び絶縁膜２０５は層間絶縁膜として機能する。絶縁膜２０３及び絶縁膜２０５は例えばＳｉＯやＳｉＯＣを材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。絶縁膜２０４は、後述の工程で絶縁膜１０８をエッチングする際のエッチングストップ層として機能する。絶縁膜２０４は例えばＳｉＮやＳｉＣを材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。これに代えて、絶縁膜２０４をＬｏｗ−ｋ材料でＳｏＧ法を用いて形成してもよい。

続いて、図３（ａ）に示すように、絶縁膜２０１、絶縁膜２０３、絶縁膜２０４及び絶縁膜２０５を貫通する開口を形成する。絶縁膜２０１及び絶縁膜２０３を貫通する開口は配線パターン１１１に接続されるビアプラグの形状を有し、絶縁膜２０４及び絶縁膜２０５を貫通する開口は配線パターンの形状を有する。この開口は、例えば、絶縁膜２０５の上にフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてエッチングをすることで形成される。エッチングは例えば異方性エッチングである。このエッチングにおいて、絶縁膜２０４がエッチングストップ層として機能する。そのエッチングの後、絶縁膜２０４についてエッチングを行うことによって、貫通する開口が形成される。

続いて、絶縁膜２０５の上から金属膜２０６を例えばスパッタ法を用いて形成する。金属膜２０６の一部は絶縁膜２０１、絶縁膜２０３、絶縁膜２０４及び絶縁膜２０５の開口に入り込む。金属膜２０６は銅拡散防止膜として機能する。すなわち、後続の工程で使用される銅が金属膜２０６の下にある層に拡散するのを防止する。金属膜２０６は例えばＴａやＴｉで形成される。続いて、金属膜２０６の上から、銅を主成分とする導電性部材を材料とした導電膜２０７を形成する。導電膜２０７の一部は絶縁膜２０１、絶縁膜２０３、絶縁膜２０４及び絶縁膜２０５の開口に入り込む。導電膜２０７は例えば電界めっき法を用いて形成される。導電膜２０７の厚さは１０００ｎｍ程度である。導電膜２０７を形成した後、導電膜２０７に対して１５０℃程度の熱処理を行う。

続いて、図３（ｂ）に示すように、ＣＭＰを用いて、金属膜２０６及び導電膜２０７のうち絶縁膜２０５の上にある部分を除去する。導電膜２０７のうち除去されずに残った部分が配線パターン２０８となる。このＣＭＰは、配線パターン２０８の厚さが例えば３０００Å以下になるまで継続する。ＣＭＰで用いられる研磨材（スラリー）には、銅の腐食防止剤としてＢＴＡが含まれる。そのため、ＣＭＰ後の配線パターン２０８の表面にはＢＴＡが結合している。また、配線パターン２０８の一部は酸化されており、ＣｕＯ、ＣｕＯ₂が形成されている。

続いて、配線パターン２０８に対して熱処理を行う。この熱処理は、例えば枚葉式の熱処理装置において、不活性ガス雰囲気（ＡｒまたはＮ₂）で、３００〜３５０℃の温度で、１２０秒程度行う。この熱処理における温度は、後述する絶縁膜２０９を形成する際の温度と等しくてもよいし、それよりも高くてもよい。続いて、配線パターン１１１に対して行ったプラズマ処理と同様のプラズマ処理を配線パターン２０８に対しても行う。

続いて、図３（ｃ）に示すように、絶縁膜２０５及び配線パターン２０８の上に、絶縁膜２０９を形成する。絶縁膜２０９は銅拡散防止膜として機能する。すなわち、配線パターン２０８の銅が絶縁膜２０９の上にある層に拡散するのを防止する。絶縁膜２０９は例えばＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＮのいずれかを材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。絶縁膜２０９の厚さは例えば７００Å程度である。絶縁膜２０９は上述の絶縁膜２０１と同様に、２以上のチャンバーで数１００Å程度の膜を複数回に分けて形成してもよい。

続いて、絶縁膜２０９のうち半導体領域１０１の上にある部分を除去して、絶縁膜２０９に開口２０２を形成する。開口２０２は、例えば、絶縁膜２０９の上にフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてエッチングを行うことで形成される。絶縁膜２０４が光学特性に影響を与える材料を含む場合に、このエッチングを、絶縁膜２０４のうち半導体領域１０１の上にある部分が除去されるまで行ってもよい。

続いて、図４（ａ）に示すように、絶縁膜２０９の上に絶縁膜３０１を形成する。絶縁膜２０９は層間絶縁膜として機能する。絶縁膜２０９は例えばＳｉＯ₂を材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。

続いて、図４（ｂ）に示すように、ビアプラグ３０２を形成する。ビアプラグ３０２は絶縁膜３０１に形成した開口に、例えばタングステン膜を埋め込み、余分な部分をＣＭＰ法などで除去することによって形成される。続いて、絶縁膜３０１の上に配線パターン３０３を形成する。配線パターン３０３は例えばパターニングによって形成される。配線パターン３０３は、半導体基板１００の周辺回路領域の遮光膜としても機能する。固体撮像装置において、周辺回路領域を遮光膜で覆う場合に、遮光膜の幅は１０μｍ以上となる。そのため、遮光膜を銅で形成した場合に、ディッシングが発生してしまい、遮光膜の均一性や遮光性が低下する。そのため、本実施形態では遮光膜として機能する配線パターン３０３を、アルミニウムを主成分とする導電体を材料とする。続いて、配線パターン３０３の上に絶縁膜３０４を形成する。絶縁膜３０４は例えばＳｉＮ、ＳｉＯＮを材料としてプラズマＣＶＤ法を用いて形成される。絶縁膜３０４は積層構造を有してもよい。絶縁膜３０４は、入力パッドや出力パッドに対応する領域に開口を有する。続いて、樹脂からなる平坦化層３０５、カラーフィルタを含むカラーフィルタ層３０６、マイクロレンズを含むマイクロレンズ層３０７をこの順に形成する。以上の工程により固体撮像装置が製造される。

図５を参照して、上述の配線パターン１１１の厚さとヒロック密度との関係を説明する。図５のグラフは、上述の製造方法において、配線パターン１１１の厚さを変更した場合のヒロック密度の測定結果を示す。この測定では、半導体基板１００の直径を２００ｍｍとし、ＮＨ₃を含む還元ガスを用いて配線パターン１１１に対してプラズマ処理を行い、絶縁膜２０１の材料をＳｉＮとした。この条件において、絶縁膜２０１を形成した後の配線パターン１１１のヒロック密度を測定した。図５から見て取れるように、配線パターン１１１の厚さが厚いほどヒロック密度も高くなり、さらにヒロック密度の変化率（グラフの傾き）も大きくなる。これは、プラズマ処理やプラズマＣＶＤ処理で発生した熱による銅結晶の成長が、銅膜が厚いほど大きいため、配線パターン１１１の表面に押し出された銅がヒロックとなっているためであると考えられる。そこで、上述のように、一部の実施形態では、配線パターン１１１の厚さを３０００Å以下とする。配線パターン２０８についても図５の関係が成り立つ。

図６を参照して、上述の配線パターン１１１への熱処理とヒロック密度との関係を説明する。図６のグラフは、上述の製造方法において、不活性ガス雰囲気での熱処理を行わなかった場合と、不活性ガスとしてＮＨ₃を用いた場合と、不活性ガスとしてＮ₂を用いた場合のヒロック密度の測定結果を示す。この測定では、半導体基板１００の直径を２００ｍｍとし、配線パターン１１１の厚さを３０００Åとし、ＮＨ₃を含む還元ガスを用いて配線パターン１１１に対してプラズマ処理を行い、絶縁膜２０１の材料をＳｉＮとした。この条件において、絶縁膜２０１を形成した後の配線パターン１１１のヒロック密度を測定した。また、熱処理を行う場合では、３５０℃、１２０秒の熱処理を行った。図６から見て取れるように、ＮＨ₃ガスの場合は、熱処理を行わない場合よりもヒロック密度が高くなるが、Ｎ₂ガスの場合は、熱処理を行わない場合よりもヒロック密度が低くなる。これは、ＮＨ₃ガスが銅表面のＣｕＯ、ＣｕＯ₂を還元することで銅表面の銅結晶が成長しやすくなり、ヒロックが発生したと考えられる。不活性ガスとしてＡｒを使用した場合も熱処理を行わなかった場合よりもヒロック密度が低下した。配線パターン２０８についても図６の関係が成り立つ。

上述の製造方法では、配線パターン１１１をシングルダマシン法により形成し、配線パターン２０８をデュアルダマシン法により形成した。他の実施形態では、配線パターン１１１と配線パターン２０８との両方を上述のシングルダマシン法により形成してもよいし、これらを上述のデュアルダマシン法により形成してもよい。また、固体撮像装置が複数の配線パターンを含む場合に、その一部の配線パターンのみに対して上述の不活性ガス雰囲気での熱処理を行ってもよい。

１００半導体基板、１１１配線パターン、２０８配線パターン、３０３配線パターン

Claims

半導体装置の製造方法であって、
開口を有する第１絶縁膜の上と、前記開口とに、銅を材料とする導電膜を形成する工程と、
前記導電膜を研磨して、前記導電膜のうち前記第１絶縁膜の上にある部分を除去することによって、前記導電膜から配線パターンを形成する工程と、
不活性ガスの雰囲気で前記配線パターンに対して熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程の後に、前記配線パターンに対して還元ガスを用いてプラズマ処理を行う工程とを有し、
前記プラズマ処理における温度は、前記熱処理における温度以下であることを特徴とする製造方法。
前記導電膜は、めっき法で形成されることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
前記導電膜の研磨はＣＭＰで行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。
前記配線パターンの上面を覆う第２絶縁膜を形成する工程を更に有し、
前記第２絶縁膜を形成する際の温度は、前記熱処理における温度以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の製造方法。
前記第２絶縁膜は、ＳｉＮと、ＳｉＣと、ＳｉＯＮとのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４に記載の製造方法。
前記第２絶縁膜は、２以上のチャンバーで複数回に分けて形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の製造方法。
前記半導体装置は光電変換素子を有する固体撮像装置であり、
前記製造方法は、前記第２絶縁膜のうち前記光電変換素子の上にある部分を除去する工程を更に有することを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の製造方法。
前記還元ガスは、Ｈ₂とＮＨ₃とのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の製造方法。
前記不活性ガスは、Ｎ₂又はＡｒであることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の製造方法。
前記配線パターンの厚さは３０００Å以下であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の製造方法。
前記第２絶縁膜は、前記配線パターンに含まれる銅が前記第２絶縁膜の上にある層に拡散することを抑制することを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項に記載の製造方法。
前記第２絶縁膜を形成する工程の後に、層間絶縁膜を形成する工程を更に有し、
前記層間絶縁膜は、ＳｉＯ又はＳｉＯＣを含むことを特徴とする請求項４乃至７及び１１の何れか１項に記載の製造方法。