半導体装置およびその製造方法
【課題】Ｒｕ膜上におけるＣｕのめっき不良を抑制し、それにより半導体装置の性能を向上することを目的とする。
【解決手段】金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は前記金属バリア層表面に設けられ、
前記第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は前記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられる半導体装置の製造方法。
【解決手段】金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は前記金属バリア層表面に設けられ、
前記第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は前記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられる半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、より詳細には、Ｃｕめっきによるトレンチ配線部とＶｉａ部との埋め込みを改良した半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ウェハのＣｕ配線あるいはＣｕコンタクトを接続する工程において、Ｒｕバリヤなどの新規材料の適用が検討されている。Ｒｕ上のＣｕ成膜技術において、Ｒｕ上に直接Ｃｕめっき膜を成膜するプロセスとして２段階のめっきプロセスが提案されている。この２段階のプロセスは、等方性の膜を成膜する従来のＰＶＤ成膜のＣｕシードに対応したＲｕ上にＣｕを直接めっきする第１ステップと、その後のパターン埋込のためのＣｕめっきをおこなう第２ステップのめっきシーケンスである。
【０００３】
上記Ｃｕめっきは電解めっきによりおこなわれるが、ウェハとの電極のコンタクト部には電極のコンタクト痕が残るため、電極のコンタクト部は通常、デバイス領域でないウェハ外周部に設けられる。この電極コンタクトの方法としては、電極のコンタクト部にもめっき液が接触するウエットコンタクトと、テフロン（登録商標）系樹脂をウェハに押し当てるシールを設けることによりコンタクト部にはめっき液が接触しないドライコンタクトとの２種に分類される。上記ウエットコンタクトは、ウェハ全面にめっき成膜可能である利点を持つが、電極やコンタクト部にもＣｕ膜が成膜されるため、めっき後に逆方向の電流を流し、コンタクト上のＣｕめっき膜を除去する必要がある。また、コンタクト部近傍にめっき電流が集中しＣｕ膜が過度に成膜されるため、めっき膜厚を均一に制御することが困難であり、めっき後に過剰なめっき膜を除去する必要があるなど、プロセスの難易度や安定性に問題がある。一方、ドライコンタクトはめっき液が接液している領域のみにめっき膜が形成されるため、めっき成膜の範囲が制限されるという難点があるが、電極のコンタクト部へはめっき液が接触しないので、ウエットコンタクトにおいて生じるようなコンタクト部付近の上記問題は発生せず、ウエットコンタクトに比べて工程が簡略化されるという利点を有する。そのため、現状ドライコンタクトによるめっき方式が広く採用されている。
【０００４】
上記ドライコンタクトを用いて、Ｒｕ上に直接Ｃｕめっきを２段階のめっきプロセスにより行なう場合、従来は、ウェハおよびめっき膜の断面の構造と、めっき時の電極コンタクト位置とは図２に示すような関係となっていた（たとえば、特許文献１参照）。このように、第１ステップと第２ステップの電極コンタクト位置が同じ位置（図２の矢印Ｃ）である従来法の場合、めっき時の電流が大きくなる第２ステップにおいて、電極コンタクト位置が第１ステップによるＣｕめっき膜が成膜されてないＲｕ膜表面のままであるため、該Ｒｕ膜のみに電流が流れることとなり、高抵抗のＲｕ膜内でジュール熱が大量に発生し、Ｒｕ膜が焼失するという問題が発生した。このＲｕ膜の焼失により、めっき電流がウェハ内部に流れなくなり、めっき反応が起こらず、結果として第２ステップのめっき成膜が不良であるという問題があった。このような状況下、第１および第２の両ステップにおいてめっき不良を起こさず、均一なＣｕめっき膜を形成する方法が望まれている。
【特許文献１】特開平５−３０８０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、Ｒｕ膜上におけるＣｕのめっき不良を抑制し、それによる半導体装置の性能を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する半導体装置の製造方法であって、第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は上記金属バリア層表面に設けられ、第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は上記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられる半導体装置の製造方法に関する。
【０００７】
上記第一コンタクト部は、ウェハ最外周から０〜２．０ｍｍの位置に設けられることが好ましい。
【０００８】
上記第二コンタクト部は、上記第一コンタクト部の位置よりもウェハ中心側であり、ウェハ最外周から０．５〜５．０ｍｍの位置であって、第一コンタクト部の位置との間隔がウェハ表面水平方向に０．２〜３．５ｍｍ離れて設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の製造方法によれば、高度に制御されためっきパターンを形成することができる半導体装置を提供することが可能である。また、異種金属上への直接的なＣｕめっきの形成において、電流エラーや過剰電圧の印加などのプロセストラブルが発生せず、安定してＣｕめっきを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する工程を含む。
【００１１】
＜ウェハ＞
本発明におけるウェハは、その形状など特に限定されるものではなく、Ｃｕ配線あるいはＣｕコンタクトの形成を要するものであり、たとえば、デュアルダマシン構造に加工したパターンウェハ、シングルダマシン構造に加工したパターンウェハなどがあげられる。
【００１２】
＜金属バリア層＞
本発明における金属バリア層は、ウェハ表面の全体に設けられ、トレンチ配線部やＶｉａ部などに埋め込まれるＣｕの隣接する回路への拡散を防止するために設けられる。
【００１３】
上記金属バリア層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗなどの金属元素により構成することができる。これらの元素のなかでも、上記金属バリア層をＲｕにより構成する場合は、配線の抵抗値を低減させることができ、これによりデバイスの動作特性、信頼性（寿命性）を向上させることができる。また、Ｒｕは後述の第一Ｃｕめっき膜との密着性が良好である。本発明において上記金属バリア層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗの各窒化物により構成されてもよい。この場合の、窒素の含有量はＣｕの拡散防止に有効である限り特に限定されるものではない。
【００１４】
上記金属バリア層の厚みは、５〜３０ｎｍであることが好ましく、より好ましくは７〜２０ｎｍである。金属バリア層の厚みが５ｎｍ未満の場合は、該金属バリア層上のＣｕ配線との接続が十分ではないことがあり、３０ｎｍを超える場合は、たとえば４５〜５０ｎｍという細詳化パターンを有する配線部やＶｉａ部を備えたデバイスでは、必要以上の金属バリア層の存在により、これら配線部等の空間が狭くなりＣｕめっき量が低減するため、良好な導通を維持できなくなる傾向がある。
【００１５】
上記金属バリア層の形成方法は、スパッタリング法などの物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、ＡＬＤ法などの化学蒸着法（ＣＶＤ法）を適宜選択し、適用することができる。ウェハ表面との密着性および形成した金属バリア層表面の平坦性などの点から、スパッタリング法を用いることが好ましい。これらの物理蒸着法における各条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選択できるものである。
【００１６】
＜Ｃｕめっき膜＞
本発明においては、上記金属バリア層上に直接Ｃｕめっき膜を設ける。従来Ｃｕ配線の形成においては、ＰＶＤ法によりＴａ系のバリア層上にＣｕシード膜を形成し、Ｃｕシード膜上にＣｕめっきによりパターン埋込をおこなう方法が採用されている。しかし、Ｃｕシード膜は異方性であり、さらなるＣｕめっきの成膜の際に、配線中にボイドが形成されたり、配線部の埋め込みが不良であるといった問題があった。本発明においては、上記Ｃｕめっきを電解めっき法により形成するものであり、この場合はめっき浴に公知の添加剤を添加することにより配線部のボトムアップを促進することができ、ボイドの形成を防ぐことができ、歪んでいる箇所（表面に凹凸がある箇所など）に対しても均一な成膜が可能であるという利点を有する。
【００１７】
本発明におけるＣｕめっき膜は、第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜により構成される。第一Ｃｕめっき膜は、等方性のウェハパターン上に均一な厚みで設けられる上記金属バリア層表面に直接形成される膜である。第二Ｃｕめっき膜は、トレンチ配線部およびＶｉａ部をＣｕにより埋め込むために設けられるものであり、上記第一Ｃｕめっき膜上に形成される膜である。
【００１８】
これらのＣｕめっき膜を形成する方法としては、一般にウエットコンタクト方法とドライコンタクト方法があるが、ウエットコンタクト方法の場合には、電極上のＣｕめっき膜を除去する必要がある。さらに、コンタクト近傍にめっき電流が集中しＣｕ膜が過度に成膜されることにより、めっき膜厚均一性の制御が困難であることや、めっき後に過剰なめっき膜を除去する必要があるなどの問題点が多い。一方、ドライコンタクト方法では、ウエットコンタクト方法において生じる電極コンタクト付近の問題は発生しないことから、本発明においてはドライコンタクト方法により上記各Ｃｕめっき膜を形成する。
【００１９】
上記ドライコンタクト方法において用いるめっき装置は、たとえば３枚〜４枚のウェハを同時に処理することができる枚葉装置であり、１台で複数のめっき液による連続処理が可能なものを好適に用いることができる。
【００２０】
＜第一Ｃｕめっき膜＞
上述のように本発明における第一Ｃｕめっき膜は、金属バリア層上に直接形成されるものである。第一Ｃｕめっき膜は、従来のＣｕシード膜と同様に、後述の第二めっき膜のＣｕめっき核として機能させるために設けられる。
【００２１】
第一Ｃｕめっき膜の厚みは、従来公知のＣｕシード膜と同様の厚みとすればよく、めっき膜表面の均一性や、後述する第二Ｃｕめっき膜との密着性などの点から２ｎｍ〜２０ｎｍとすることが好ましく、５ｎｍ〜１０ｎｍとすることがより好ましい。
【００２２】
上記第一Ｃｕめっき膜を形成するめっき液は、Ｃｕ核の形成に即しためっき液を適用することが好ましく、たとえば、ＣｕＳＯ4をＣｕ換算で１〜１００ｇ／Ｌ含有し、Ｈ2ＳＯ4を０．１〜１０ｇ／Ｌ含有するように調整しためっき液を用いることができる。
【００２３】
＜第二Ｃｕめっき膜＞
本発明における第二Ｃｕめっき膜は、上記第一Ｃｕめっき膜上に形成されるものである。この第二Ｃｕめっき膜は、トレンチ配線部やＶｉａ部などを埋め込むようにＣｕめっき膜全体の厚みをかせぐために形成され、デバイスにおける導通を確保するものである。
【００２４】
第二Ｃｕめっき膜の厚みは、１０μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。ここで、第二Ｃｕめっき膜の厚みとは、トレンチ配線部やＶｉａ部などの陥没部を除くウェハ表面における平均化しためっきの厚み（べた厚み）をいう。第二Ｃｕめっき膜の厚みが１０μｍ未満の場合は、ウェハのトレンチ配線部とＶｉａ部を十分に埋められない場合があり、半導体装置の接触不良などの原因となることがある。一方、上記第二Ｃｕめっき膜の厚みが１００μｍを超える場合は、後続の化学機械研磨（ＣＭＰ）において削るべきＣｕ量が多くなり、この削られたＣｕの屑が十分に除去できずに、隣接する回路が接続されるなど、回路の正確性を保つことができない虞がある。
【００２５】
上記第二Ｃｕめっき膜を形成するためのめっき液は、特に限定されるものではなく、従来のＣｕシード膜上にＣｕめっき膜を設ける場合に用いられるめっき液と同様に、ウェハに加工されたパターンのボトムからのめっき膜成長が他の部分よりも速いボトムアップ性能を有するものが用いられる。該めっき液としてはＣｕＳＯ4水溶液を用いることが好ましく、ＣｕＳＯ4をＣｕ換算で１０〜１００ｇ／Ｌ含有し、Ｈ2ＳＯ4を１０〜２００ｇ／Ｌ含有するように調整したものを用いることが好ましい。この第二Ｃｕめっき膜を形成するめっき液には、スルホプロピルジスルフィド、ポリエチエングリコール、窒素含有の有機系化合物などの添加剤やｐＨ調節剤などを添加することができる。
【００２６】
＜Ｃｕめっき膜の形成形態＞
ここで、本発明においては、電流エラーや過剰電圧の印加などのプロセストラブルを発生させずに、安定してＣｕめっき膜を形成するために、上記ドライコンタクト方法において以下の形態を採用する。
【００２７】
すなわち、後述のように第二めっき膜を設ける際の電極の第二コンタクト部を既に形成した第一めっき膜表面上にとるものである。第二コンタクト部を上記第一Ｃｕめっき膜表面上にとることにより、該第二Ｃｕめっき膜を形成する際に、低い抵抗値のＣｕめっき膜を介してめっき電流が流れるので、第二Ｃｕめっき膜のめっき不良を解消することが可能となる。
【００２８】
上記第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は上記金属バリア層表面に設けられる。この第一コンタクト部は上記金属バリア層表面であれば問題はないが、生産性等の観点からたとえばウェハ最外周から１．０ｍｍの領域内（すなわちウェハ最外周からの距離が０〜１．０ｍｍ）に設けられることが好ましい。第一コンタクト部がウェハ最外周から１．０ｍｍを超えて設けられた場合でも、特に問題はないが、チップを取得できる面積が減少する傾向がある。
【００２９】
また、本発明において上記第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は上記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられるものである。この第二コンタクト部は、ウェハ最外周から０．５〜５．０ｍｍの領域内に設けられることが好ましい。第二コンタクト部がウェハ最外周から５．０ｍｍを超えて設けられた場合でも、特に問題はないが、チップを取得できる面積が従来よりも小さくなる傾向がある。
【００３０】
ここで、上記第二コンタクト部は、第一コンタクト部の位置との間隔がウェハ表面水平方向に０．２〜３．５ｍｍ離れて設けられることが好ましく、コンタクト部と第一コンタクト部との間隔が０．２ｍｍ未満では、第一コンタクト部の電極コンタクト痕の存在により、ウェハ外周部全体において安定して第二コンタクト部をとることができない場合がある。一方、上記間隔が３．５ｍｍを超えても特に問題はないが、得られるチップの面積が小さくなる傾向がある。
【００３１】
上記のような第一コンタクト部と第二コンタクト部との関係により金属バリア層上に形成される各Ｃｕめっき膜の形態について説明する。
【００３２】
第一Ｃｕめっき膜は、上記電極の第一コンタクト部の位置により、ウェハ最外周から２．０ｍｍ以内（すなわち最外周からの距離が０〜２．０ｍｍ）の領域にその末端（最外周）が位置するように形成されることが好ましい。上記第一めっき膜の領域は、歩留まりなどにより調整するため限定されるものではなく、上記範囲を外れても特に問題はないが、一般的に第一めっき膜が最外周から２．０ｍｍを超える位置に設けられる場合は、チップを取得することができる面積が、従来の方法によりＣｕめっき膜を設ける場合に比べて小さくなる傾向にある。
【００３３】
第二Ｃｕめっき膜は、第一Ｃｕめっき膜の最外周よりもウェハ中心側にその最外周が位置するように形成される。この第二Ｃｕめっきの最外周は、第一Ｃｕめっき膜の最外周よりもウェハ中心側であればよいものであるが、上記電極の第二コンタクト部のコンタクトの安定性から、第二Ｃｕめっき膜はその最外周が、ウェハ最外周から０．５ｍｍを超えるところに位置するように設けられることが好ましい。このような位置に第二Ｃｕめっき膜の最外周を設けた場合は、電極コンタクトをより安定した状態でとることができる。また、該第二Ｃｕめっき膜は、ウェハ最外周から５．０ｍｍ以内の領域に設けられることが好ましく、これは上述のようにチップを取得できる面積を確保するためである。
【００３４】
＜その他の工程＞
本発明において、上記方法によりＣｕめっき膜を設けたウェハは、従来のＣｕ配線形成と同様に、ウェハ外周の不要な金属バリア層やＣｕめっき膜の除去、汚染物質の除去、めっき膜結晶化のためのアニール処理、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing；化学機械研磨)によるパターン以外の不要なＣｕやＲｕ膜の除去、絶縁膜の成膜へと供される。上記各処理は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を適宜採用することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３６】
（実施例１）
実施例１における金属バリア層および各Ｃｕめっき膜のウェハ外周付近の断面構造を図１に示す。
【００３７】
＜金属バリア層の形成＞
技術世代３２ｎｍの最小配線幅／スペース幅＝５０ｎｍ／５０ｎｍを有するデュアルダマシン構造に加工を行なったパターンウェハ上に、ＰＶＤ法であるスパッタ法によりＲｕ膜を２０ｎｍ成膜した。スパッタ条件は、直流バイアス １０ｋＷ、交流バイアス ５００Ｗとした。このＲｕ膜の成膜領域は最外周も含めたウェハ表面の全面であった。その後、Ｃｕ電解めっきによるトレンチ配線部とＶｉａ部の埋込プロセスとして、めっき装置（Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社製、ＳＡＢＲＥ）１台による２種類のめっき液による連続処理をおこなった。
【００３８】
＜第一Ｃｕめっき膜の形成＞
第一Ｃｕめっきは、等方性のめっき膜を薄く成膜するプロセスである。上記Ｒｕ膜上に従来のＰＶＤ法によるＣｕシード膜と同様の形状となるように、第一Ｃｕめっき膜を成膜した。めっき時のＰｔ電極のコンタクト位置（第一コンタクト部）はウェハ最外周（図１中、０ｍｍと表示された位置）から０.５ｍｍ（図１の矢印Ａ）の位置として、印加電圧５０Ｖの条件で成膜をおこなった。この第一Ｃｕめっき膜の厚みは１０ｎｍであり、めっき領域は図１の第一Ｃｕめっき膜３に示されるようにウェハ最外周から１ｍｍ以内であった。
【００３９】
その後、めっき液からウェハを取り出し、純水にて洗浄した後に、室温でウェハを乾燥させた。
【００４０】
＜第二Ｃｕめっき膜の形成＞
次に第一Ｃｕめっき膜の成膜に用いたのものとは別のめっきセルにおいて、第二Ｃｕめっき膜の成膜を行なった。第二Ｃｕめっき膜の成膜には、めっき液としてＥｎｔｈｏｎｅ製Ｖｉａｆｏｒｍを用いた。また、第二コンタクト部は、ウェハ最外周から１．５ｍｍとし（図１の矢印Ｂ）、印加電流密度１０ｍＡ/ｃｍ２の条件で成膜をおこなった。
【００４１】
第二Ｃｕめっき膜の厚みはパターン埋込や配線信頼性などを考慮し１.０μｍとした。また、第二Ｃｕめっき膜のめっき領域は図１の第二Ｃｕめっき膜４に示されるようにウェハ最外周から２ｍｍ以内であり、ウェハ最外周からウェハ中心側２ｍｍ以内において必要なＣｕめっき膜が得られた。これにより、デバイス構築が可能となり、チップ取得が可能な面積はウェハ外周から２ｍｍ以内とすることができ、チップ面積において従来プロセスとの差は発生しなかった。
【００４２】
めっき後のプロセスフローは従来のＣｕ配線形成と同様に、ウェハ外周の不要な金属膜をＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２とＨ２Ｏとの混合溶液により除去し、ＨＦとＨ２Ｏ２とＨ２Ｏとの混合溶液による汚染物質の除去を行なった。次いで、Ｃｕめっき膜の結晶化のために１５０℃、３０ｍｉｎの条件によりＮ２雰囲気内でアニール処理をおこない、その後ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)によりパターン以外の不要なＣｕやＲｕ膜の除去をおこなった。
【００４３】
このようにして、得られたデバイスは、配線部のボイドの問題がなく、信頼性の高いものであった。
【００４４】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００４５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１のウェハ外周の断面構造とめっき電極のコンタクト位置を示す図である。
【図２】従来のドライコンタクト方式におけるウェハ外周の断面構造とめっき電極のコンタクト位置を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ ウェハ、２ 金属バリア層、３ 第一Ｃｕめっき膜、４ 第二Ｃｕめっき膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、より詳細には、Ｃｕめっきによるトレンチ配線部とＶｉａ部との埋め込みを改良した半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ウェハのＣｕ配線あるいはＣｕコンタクトを接続する工程において、Ｒｕバリヤなどの新規材料の適用が検討されている。Ｒｕ上のＣｕ成膜技術において、Ｒｕ上に直接Ｃｕめっき膜を成膜するプロセスとして２段階のめっきプロセスが提案されている。この２段階のプロセスは、等方性の膜を成膜する従来のＰＶＤ成膜のＣｕシードに対応したＲｕ上にＣｕを直接めっきする第１ステップと、その後のパターン埋込のためのＣｕめっきをおこなう第２ステップのめっきシーケンスである。
【０００３】
上記Ｃｕめっきは電解めっきによりおこなわれるが、ウェハとの電極のコンタクト部には電極のコンタクト痕が残るため、電極のコンタクト部は通常、デバイス領域でないウェハ外周部に設けられる。この電極コンタクトの方法としては、電極のコンタクト部にもめっき液が接触するウエットコンタクトと、テフロン（登録商標）系樹脂をウェハに押し当てるシールを設けることによりコンタクト部にはめっき液が接触しないドライコンタクトとの２種に分類される。上記ウエットコンタクトは、ウェハ全面にめっき成膜可能である利点を持つが、電極やコンタクト部にもＣｕ膜が成膜されるため、めっき後に逆方向の電流を流し、コンタクト上のＣｕめっき膜を除去する必要がある。また、コンタクト部近傍にめっき電流が集中しＣｕ膜が過度に成膜されるため、めっき膜厚を均一に制御することが困難であり、めっき後に過剰なめっき膜を除去する必要があるなど、プロセスの難易度や安定性に問題がある。一方、ドライコンタクトはめっき液が接液している領域のみにめっき膜が形成されるため、めっき成膜の範囲が制限されるという難点があるが、電極のコンタクト部へはめっき液が接触しないので、ウエットコンタクトにおいて生じるようなコンタクト部付近の上記問題は発生せず、ウエットコンタクトに比べて工程が簡略化されるという利点を有する。そのため、現状ドライコンタクトによるめっき方式が広く採用されている。
【０００４】
上記ドライコンタクトを用いて、Ｒｕ上に直接Ｃｕめっきを２段階のめっきプロセスにより行なう場合、従来は、ウェハおよびめっき膜の断面の構造と、めっき時の電極コンタクト位置とは図２に示すような関係となっていた（たとえば、特許文献１参照）。このように、第１ステップと第２ステップの電極コンタクト位置が同じ位置（図２の矢印Ｃ）である従来法の場合、めっき時の電流が大きくなる第２ステップにおいて、電極コンタクト位置が第１ステップによるＣｕめっき膜が成膜されてないＲｕ膜表面のままであるため、該Ｒｕ膜のみに電流が流れることとなり、高抵抗のＲｕ膜内でジュール熱が大量に発生し、Ｒｕ膜が焼失するという問題が発生した。このＲｕ膜の焼失により、めっき電流がウェハ内部に流れなくなり、めっき反応が起こらず、結果として第２ステップのめっき成膜が不良であるという問題があった。このような状況下、第１および第２の両ステップにおいてめっき不良を起こさず、均一なＣｕめっき膜を形成する方法が望まれている。
【特許文献１】特開平５−３０８０７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、Ｒｕ膜上におけるＣｕのめっき不良を抑制し、それによる半導体装置の性能を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する半導体装置の製造方法であって、第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は上記金属バリア層表面に設けられ、第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は上記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられる半導体装置の製造方法に関する。
【０００７】
上記第一コンタクト部は、ウェハ最外周から０〜２．０ｍｍの位置に設けられることが好ましい。
【０００８】
上記第二コンタクト部は、上記第一コンタクト部の位置よりもウェハ中心側であり、ウェハ最外周から０．５〜５．０ｍｍの位置であって、第一コンタクト部の位置との間隔がウェハ表面水平方向に０．２〜３．５ｍｍ離れて設けられることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の製造方法によれば、高度に制御されためっきパターンを形成することができる半導体装置を提供することが可能である。また、異種金属上への直接的なＣｕめっきの形成において、電流エラーや過剰電圧の印加などのプロセストラブルが発生せず、安定してＣｕめっきを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する工程を含む。
【００１１】
＜ウェハ＞
本発明におけるウェハは、その形状など特に限定されるものではなく、Ｃｕ配線あるいはＣｕコンタクトの形成を要するものであり、たとえば、デュアルダマシン構造に加工したパターンウェハ、シングルダマシン構造に加工したパターンウェハなどがあげられる。
【００１２】
＜金属バリア層＞
本発明における金属バリア層は、ウェハ表面の全体に設けられ、トレンチ配線部やＶｉａ部などに埋め込まれるＣｕの隣接する回路への拡散を防止するために設けられる。
【００１３】
上記金属バリア層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗなどの金属元素により構成することができる。これらの元素のなかでも、上記金属バリア層をＲｕにより構成する場合は、配線の抵抗値を低減させることができ、これによりデバイスの動作特性、信頼性（寿命性）を向上させることができる。また、Ｒｕは後述の第一Ｃｕめっき膜との密着性が良好である。本発明において上記金属バリア層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗの各窒化物により構成されてもよい。この場合の、窒素の含有量はＣｕの拡散防止に有効である限り特に限定されるものではない。
【００１４】
上記金属バリア層の厚みは、５〜３０ｎｍであることが好ましく、より好ましくは７〜２０ｎｍである。金属バリア層の厚みが５ｎｍ未満の場合は、該金属バリア層上のＣｕ配線との接続が十分ではないことがあり、３０ｎｍを超える場合は、たとえば４５〜５０ｎｍという細詳化パターンを有する配線部やＶｉａ部を備えたデバイスでは、必要以上の金属バリア層の存在により、これら配線部等の空間が狭くなりＣｕめっき量が低減するため、良好な導通を維持できなくなる傾向がある。
【００１５】
上記金属バリア層の形成方法は、スパッタリング法などの物理蒸着法（ＰＶＤ法）や、ＡＬＤ法などの化学蒸着法（ＣＶＤ法）を適宜選択し、適用することができる。ウェハ表面との密着性および形成した金属バリア層表面の平坦性などの点から、スパッタリング法を用いることが好ましい。これらの物理蒸着法における各条件は、特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選択できるものである。
【００１６】
＜Ｃｕめっき膜＞
本発明においては、上記金属バリア層上に直接Ｃｕめっき膜を設ける。従来Ｃｕ配線の形成においては、ＰＶＤ法によりＴａ系のバリア層上にＣｕシード膜を形成し、Ｃｕシード膜上にＣｕめっきによりパターン埋込をおこなう方法が採用されている。しかし、Ｃｕシード膜は異方性であり、さらなるＣｕめっきの成膜の際に、配線中にボイドが形成されたり、配線部の埋め込みが不良であるといった問題があった。本発明においては、上記Ｃｕめっきを電解めっき法により形成するものであり、この場合はめっき浴に公知の添加剤を添加することにより配線部のボトムアップを促進することができ、ボイドの形成を防ぐことができ、歪んでいる箇所（表面に凹凸がある箇所など）に対しても均一な成膜が可能であるという利点を有する。
【００１７】
本発明におけるＣｕめっき膜は、第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜により構成される。第一Ｃｕめっき膜は、等方性のウェハパターン上に均一な厚みで設けられる上記金属バリア層表面に直接形成される膜である。第二Ｃｕめっき膜は、トレンチ配線部およびＶｉａ部をＣｕにより埋め込むために設けられるものであり、上記第一Ｃｕめっき膜上に形成される膜である。
【００１８】
これらのＣｕめっき膜を形成する方法としては、一般にウエットコンタクト方法とドライコンタクト方法があるが、ウエットコンタクト方法の場合には、電極上のＣｕめっき膜を除去する必要がある。さらに、コンタクト近傍にめっき電流が集中しＣｕ膜が過度に成膜されることにより、めっき膜厚均一性の制御が困難であることや、めっき後に過剰なめっき膜を除去する必要があるなどの問題点が多い。一方、ドライコンタクト方法では、ウエットコンタクト方法において生じる電極コンタクト付近の問題は発生しないことから、本発明においてはドライコンタクト方法により上記各Ｃｕめっき膜を形成する。
【００１９】
上記ドライコンタクト方法において用いるめっき装置は、たとえば３枚〜４枚のウェハを同時に処理することができる枚葉装置であり、１台で複数のめっき液による連続処理が可能なものを好適に用いることができる。
【００２０】
＜第一Ｃｕめっき膜＞
上述のように本発明における第一Ｃｕめっき膜は、金属バリア層上に直接形成されるものである。第一Ｃｕめっき膜は、従来のＣｕシード膜と同様に、後述の第二めっき膜のＣｕめっき核として機能させるために設けられる。
【００２１】
第一Ｃｕめっき膜の厚みは、従来公知のＣｕシード膜と同様の厚みとすればよく、めっき膜表面の均一性や、後述する第二Ｃｕめっき膜との密着性などの点から２ｎｍ〜２０ｎｍとすることが好ましく、５ｎｍ〜１０ｎｍとすることがより好ましい。
【００２２】
上記第一Ｃｕめっき膜を形成するめっき液は、Ｃｕ核の形成に即しためっき液を適用することが好ましく、たとえば、ＣｕＳＯ4をＣｕ換算で１〜１００ｇ／Ｌ含有し、Ｈ2ＳＯ4を０．１〜１０ｇ／Ｌ含有するように調整しためっき液を用いることができる。
【００２３】
＜第二Ｃｕめっき膜＞
本発明における第二Ｃｕめっき膜は、上記第一Ｃｕめっき膜上に形成されるものである。この第二Ｃｕめっき膜は、トレンチ配線部やＶｉａ部などを埋め込むようにＣｕめっき膜全体の厚みをかせぐために形成され、デバイスにおける導通を確保するものである。
【００２４】
第二Ｃｕめっき膜の厚みは、１０μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。ここで、第二Ｃｕめっき膜の厚みとは、トレンチ配線部やＶｉａ部などの陥没部を除くウェハ表面における平均化しためっきの厚み（べた厚み）をいう。第二Ｃｕめっき膜の厚みが１０μｍ未満の場合は、ウェハのトレンチ配線部とＶｉａ部を十分に埋められない場合があり、半導体装置の接触不良などの原因となることがある。一方、上記第二Ｃｕめっき膜の厚みが１００μｍを超える場合は、後続の化学機械研磨（ＣＭＰ）において削るべきＣｕ量が多くなり、この削られたＣｕの屑が十分に除去できずに、隣接する回路が接続されるなど、回路の正確性を保つことができない虞がある。
【００２５】
上記第二Ｃｕめっき膜を形成するためのめっき液は、特に限定されるものではなく、従来のＣｕシード膜上にＣｕめっき膜を設ける場合に用いられるめっき液と同様に、ウェハに加工されたパターンのボトムからのめっき膜成長が他の部分よりも速いボトムアップ性能を有するものが用いられる。該めっき液としてはＣｕＳＯ4水溶液を用いることが好ましく、ＣｕＳＯ4をＣｕ換算で１０〜１００ｇ／Ｌ含有し、Ｈ2ＳＯ4を１０〜２００ｇ／Ｌ含有するように調整したものを用いることが好ましい。この第二Ｃｕめっき膜を形成するめっき液には、スルホプロピルジスルフィド、ポリエチエングリコール、窒素含有の有機系化合物などの添加剤やｐＨ調節剤などを添加することができる。
【００２６】
＜Ｃｕめっき膜の形成形態＞
ここで、本発明においては、電流エラーや過剰電圧の印加などのプロセストラブルを発生させずに、安定してＣｕめっき膜を形成するために、上記ドライコンタクト方法において以下の形態を採用する。
【００２７】
すなわち、後述のように第二めっき膜を設ける際の電極の第二コンタクト部を既に形成した第一めっき膜表面上にとるものである。第二コンタクト部を上記第一Ｃｕめっき膜表面上にとることにより、該第二Ｃｕめっき膜を形成する際に、低い抵抗値のＣｕめっき膜を介してめっき電流が流れるので、第二Ｃｕめっき膜のめっき不良を解消することが可能となる。
【００２８】
上記第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は上記金属バリア層表面に設けられる。この第一コンタクト部は上記金属バリア層表面であれば問題はないが、生産性等の観点からたとえばウェハ最外周から１．０ｍｍの領域内（すなわちウェハ最外周からの距離が０〜１．０ｍｍ）に設けられることが好ましい。第一コンタクト部がウェハ最外周から１．０ｍｍを超えて設けられた場合でも、特に問題はないが、チップを取得できる面積が減少する傾向がある。
【００２９】
また、本発明において上記第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は上記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられるものである。この第二コンタクト部は、ウェハ最外周から０．５〜５．０ｍｍの領域内に設けられることが好ましい。第二コンタクト部がウェハ最外周から５．０ｍｍを超えて設けられた場合でも、特に問題はないが、チップを取得できる面積が従来よりも小さくなる傾向がある。
【００３０】
ここで、上記第二コンタクト部は、第一コンタクト部の位置との間隔がウェハ表面水平方向に０．２〜３．５ｍｍ離れて設けられることが好ましく、コンタクト部と第一コンタクト部との間隔が０．２ｍｍ未満では、第一コンタクト部の電極コンタクト痕の存在により、ウェハ外周部全体において安定して第二コンタクト部をとることができない場合がある。一方、上記間隔が３．５ｍｍを超えても特に問題はないが、得られるチップの面積が小さくなる傾向がある。
【００３１】
上記のような第一コンタクト部と第二コンタクト部との関係により金属バリア層上に形成される各Ｃｕめっき膜の形態について説明する。
【００３２】
第一Ｃｕめっき膜は、上記電極の第一コンタクト部の位置により、ウェハ最外周から２．０ｍｍ以内（すなわち最外周からの距離が０〜２．０ｍｍ）の領域にその末端（最外周）が位置するように形成されることが好ましい。上記第一めっき膜の領域は、歩留まりなどにより調整するため限定されるものではなく、上記範囲を外れても特に問題はないが、一般的に第一めっき膜が最外周から２．０ｍｍを超える位置に設けられる場合は、チップを取得することができる面積が、従来の方法によりＣｕめっき膜を設ける場合に比べて小さくなる傾向にある。
【００３３】
第二Ｃｕめっき膜は、第一Ｃｕめっき膜の最外周よりもウェハ中心側にその最外周が位置するように形成される。この第二Ｃｕめっきの最外周は、第一Ｃｕめっき膜の最外周よりもウェハ中心側であればよいものであるが、上記電極の第二コンタクト部のコンタクトの安定性から、第二Ｃｕめっき膜はその最外周が、ウェハ最外周から０．５ｍｍを超えるところに位置するように設けられることが好ましい。このような位置に第二Ｃｕめっき膜の最外周を設けた場合は、電極コンタクトをより安定した状態でとることができる。また、該第二Ｃｕめっき膜は、ウェハ最外周から５．０ｍｍ以内の領域に設けられることが好ましく、これは上述のようにチップを取得できる面積を確保するためである。
【００３４】
＜その他の工程＞
本発明において、上記方法によりＣｕめっき膜を設けたウェハは、従来のＣｕ配線形成と同様に、ウェハ外周の不要な金属バリア層やＣｕめっき膜の除去、汚染物質の除去、めっき膜結晶化のためのアニール処理、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing；化学機械研磨)によるパターン以外の不要なＣｕやＲｕ膜の除去、絶縁膜の成膜へと供される。上記各処理は、特に限定されるものではなく、従来公知の方法を適宜採用することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３６】
（実施例１）
実施例１における金属バリア層および各Ｃｕめっき膜のウェハ外周付近の断面構造を図１に示す。
【００３７】
＜金属バリア層の形成＞
技術世代３２ｎｍの最小配線幅／スペース幅＝５０ｎｍ／５０ｎｍを有するデュアルダマシン構造に加工を行なったパターンウェハ上に、ＰＶＤ法であるスパッタ法によりＲｕ膜を２０ｎｍ成膜した。スパッタ条件は、直流バイアス １０ｋＷ、交流バイアス ５００Ｗとした。このＲｕ膜の成膜領域は最外周も含めたウェハ表面の全面であった。その後、Ｃｕ電解めっきによるトレンチ配線部とＶｉａ部の埋込プロセスとして、めっき装置（Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社製、ＳＡＢＲＥ）１台による２種類のめっき液による連続処理をおこなった。
【００３８】
＜第一Ｃｕめっき膜の形成＞
第一Ｃｕめっきは、等方性のめっき膜を薄く成膜するプロセスである。上記Ｒｕ膜上に従来のＰＶＤ法によるＣｕシード膜と同様の形状となるように、第一Ｃｕめっき膜を成膜した。めっき時のＰｔ電極のコンタクト位置（第一コンタクト部）はウェハ最外周（図１中、０ｍｍと表示された位置）から０.５ｍｍ（図１の矢印Ａ）の位置として、印加電圧５０Ｖの条件で成膜をおこなった。この第一Ｃｕめっき膜の厚みは１０ｎｍであり、めっき領域は図１の第一Ｃｕめっき膜３に示されるようにウェハ最外周から１ｍｍ以内であった。
【００３９】
その後、めっき液からウェハを取り出し、純水にて洗浄した後に、室温でウェハを乾燥させた。
【００４０】
＜第二Ｃｕめっき膜の形成＞
次に第一Ｃｕめっき膜の成膜に用いたのものとは別のめっきセルにおいて、第二Ｃｕめっき膜の成膜を行なった。第二Ｃｕめっき膜の成膜には、めっき液としてＥｎｔｈｏｎｅ製Ｖｉａｆｏｒｍを用いた。また、第二コンタクト部は、ウェハ最外周から１．５ｍｍとし（図１の矢印Ｂ）、印加電流密度１０ｍＡ/ｃｍ２の条件で成膜をおこなった。
【００４１】
第二Ｃｕめっき膜の厚みはパターン埋込や配線信頼性などを考慮し１.０μｍとした。また、第二Ｃｕめっき膜のめっき領域は図１の第二Ｃｕめっき膜４に示されるようにウェハ最外周から２ｍｍ以内であり、ウェハ最外周からウェハ中心側２ｍｍ以内において必要なＣｕめっき膜が得られた。これにより、デバイス構築が可能となり、チップ取得が可能な面積はウェハ外周から２ｍｍ以内とすることができ、チップ面積において従来プロセスとの差は発生しなかった。
【００４２】
めっき後のプロセスフローは従来のＣｕ配線形成と同様に、ウェハ外周の不要な金属膜をＨ２ＳＯ４とＨ２Ｏ２とＨ２Ｏとの混合溶液により除去し、ＨＦとＨ２Ｏ２とＨ２Ｏとの混合溶液による汚染物質の除去を行なった。次いで、Ｃｕめっき膜の結晶化のために１５０℃、３０ｍｉｎの条件によりＮ２雰囲気内でアニール処理をおこない、その後ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)によりパターン以外の不要なＣｕやＲｕ膜の除去をおこなった。
【００４３】
このようにして、得られたデバイスは、配線部のボイドの問題がなく、信頼性の高いものであった。
【００４４】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００４５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１のウェハ外周の断面構造とめっき電極のコンタクト位置を示す図である。
【図２】従来のドライコンタクト方式におけるウェハ外周の断面構造とめっき電極のコンタクト位置を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１ ウェハ、２ 金属バリア層、３ 第一Ｃｕめっき膜、４ 第二Ｃｕめっき膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は前記金属バリア層表面に設けられ、
前記第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は前記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられる半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第一コンタクト部は、ウェハ最外周から０〜２．０ｍｍの位置に設けられる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第二コンタクト部は、前記第一コンタクト部の位置よりもウェハ中心側であり、ウェハ最外周から０．５〜５．０ｍｍの位置であって、第一コンタクト部の位置との間隔がウェハ表面水平方向に０．２〜３．５ｍｍ離れて設けられる請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
金属バリア層を表面全体に備えたウェハに、電解めっきにより第一Ｃｕめっき膜および第二Ｃｕめっき膜を形成する半導体装置の製造方法であって、
前記第一Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第一コンタクト部は前記金属バリア層表面に設けられ、
前記第二Ｃｕめっき膜の電解めっきにおける電極の第二コンタクト部は前記第一Ｃｕめっき膜表面に設けられる半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第一コンタクト部は、ウェハ最外周から０〜２．０ｍｍの位置に設けられる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第二コンタクト部は、前記第一コンタクト部の位置よりもウェハ中心側であり、ウェハ最外周から０．５〜５．０ｍｍの位置であって、第一コンタクト部の位置との間隔がウェハ表面水平方向に０．２〜３．５ｍｍ離れて設けられる請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−６４９６５（Ｐ２００９−６４９６５Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３１６６４（Ｐ２００７−２３１６６４）
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
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