半導体装置の製造方法
【課題】 CVD−MnOxをバリア膜に用いても歩留りの低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】 N層以上の銅、又は銅合金配線4、8を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線4、8のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の製造方法であって、第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜3は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、第N層のCVD−MnOx膜7は、セルフリミットがかかるように成膜する。
【解決手段】 N層以上の銅、又は銅合金配線4、8を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線4、8のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の製造方法であって、第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜3は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、第N層のCVD−MnOx膜7は、セルフリミットがかかるように成膜する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、半導体装置の製造方法に係わり、特に、バリア膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属配線、例えば、銅(Cu)配線の新しいバリア膜として、特許文献1に記載されるように、酸化マンガン(MnOx)膜が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2008−205177号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本件発明者等の研究によると、MnOx膜はCVD法を用いて形成できることが分かった。また、酸素源となるガスを意図的には供給せず、Mn源となるガスのみ供給する条件で形成したCVD−MnOx膜は、MnOxとの親和力が大きい二酸化シリコン(SiO2)膜上においては、セルフリミット的に連続膜状に成膜することが分かった。即ち、CVD−MnOx膜は、セルフリミット時間が経過した後に成膜を続けても膜厚はほとんど増加しない。なお、酸素源は膜表面に存在する酸素原子またはCVD室内に存在する残留成分(H2O、O2など)と考えられる。
【0005】
しかし、CVD−MnOx膜は、Cu上にわずかに付着することも分かった。CVD−MnOx膜はCuに比較して抵抗が高く、絶縁性である。このため、CVD−MnOxをバリア膜に用いると、ヴィア孔における導通不良等による歩留り低下が懸念される、という事情がある。
【0006】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、CVD−MnOxをバリア膜に用いても歩留りの低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法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】
【0007】
上記課題を解決するため、この発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、N層以上の銅、又は銅合金配線を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の製造方法であって、第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、第N層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜する。
【発明の効果】
【0008】
この発明によれば、CVD−MnOxをバリア膜に用いても歩留りの低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1B】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1C】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1D】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1E】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1F】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1G】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図2】CVD−MnOxのセルフリミットを示す図
【図3A】比較例を示す断面図
【図3B】比較例を示す断面図
【図4】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実施するための酸化マンガン成膜装置の一例を概略的に示す断面図
【図5A】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5B】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5C】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5D】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5E】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。この説明において、参照する図面全てにわたり、同一の部分については同一の参照符号を付す。
【0011】
(第1の実施形態)
図1A乃至図1Gは、この発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。なお、図1A乃至図1Gにおいては、半導体基板(例えば、シリコンウエハ)の図示は省略し、半導体基板上に形成された第1層層間絶縁膜より上にある構造を示している。
【0012】
(第1層金属配線形成工程)
まず、図1Aに示すように、第1層層間絶縁膜1に、フォトリソグラフィ技術を用いて第1層金属配線を埋め込むための凹部2を形成する。
第1層層間絶縁膜の材質例としては、
シリコン(Si)、及び酸素(O)を含む絶縁物(例えば、SiOx系膜)
シリコン(Si)、酸素(O)、及び炭素(C)を含む絶縁物(例えば、SiOC系膜)
シリコン(Si)、酸素(O)、及びフッ素(F)を含む絶縁物(例えば、SiOF系膜)
シリコン(Si)、酸素(O)、炭素(C)、及び水素(H)を含む絶縁物(例えば、SiCOH系膜)
等の酸素を含む絶縁物を挙げることができる。また、これらの絶縁物を含む複数の絶縁膜を積層させても良い。本例では、酸化シリコン(SiOx)系の絶縁物、例えば、CVDを用いて形成されたCVD−SiO2膜とした。
【0013】
次に、図1Bに示すように、CVD法を用いて、凹部2を含む第1層層間絶縁膜1上に、第1層バリア膜3となるCVD酸化マンガン(以下CVD−MnOx)膜を形成する。CVD法を用いて形成されたCVD−MnOx膜は、図2に示すように、“セルフリミット”と呼ばれる性質を有しており、成膜時間に関わらず、ある膜厚以上には成長しない、という特徴を持つ。CVD−MnOx膜は、4乃至6nmが膜厚の限界値(以下セルフリミット膜厚と呼ぶ)であり、おおよそ1minの成膜時間でセルフリミット膜厚に達する。本例では、第1層バリア膜3の形成に際し、例えば、図2中の円A内に示す成膜時間及び膜厚で成膜を完了させ、MnOx膜の膜厚t1をセルフリミットがかからない膜厚、即ち、セルフリミット膜厚未満の膜厚とする。なお、酸化マンガンCVD装置の一例については後述する。
【0014】
次に、図1Cに示すように、第1層バリア膜3上に、第1層金属配線4となる銅膜、又は銅を含む銅合金膜を形成する。次いで、化学的機械研磨(CMP)法を用いて、銅、又は銅合金膜を研磨し、銅、又は銅合金膜を凹部2の内部に埋め込む。これにより、第1層金属配線4が形成される。なお、CMPの際に銅または銅合金膜を研磨した後、層間絶縁膜1の上部に形成された第1層バリア膜3も研磨除去するようにしても良い。
(第2層配線形成工程)
次に、図1Dに示すように、第1層層間絶縁膜1上、及び第1層金属配線4上に、第2層層間絶縁膜5を形成する。第2層層間絶縁膜5の材質例は、第1層層間絶縁膜1と同じで良く、本例では、CVD−SiO2膜とした。
【0015】
次に、デュアルダマシン法を用いて、第2層層間絶縁膜5に、第1層金属配線4に達するヴィア孔6aと第2層金属配線の形成パターンとされた溝6bとを有する凹部6を形成する。
【0016】
次に、図1Eに示すように、CVD法を用いて、凹部6を含む第2層層間絶縁膜5上に、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜を形成する。上述したように、第1層バリア膜3となるCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させた。しかし、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜され、その膜厚t2は、セルフリミット膜厚とされる。例えば、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜は、図2中の円B内に示す成膜時間及び膜厚で成膜を完了される。
【0017】
Mnを含む物質は、第2層層間絶縁膜5上だけでなく、第1層金属配線4上にもわずかに付着する。ここで、Mnを含む物質は、酸素を含む絶縁物、本例では第1層層間絶縁膜1や第2層層間絶縁膜5を構成するCVD−SiO2と親和力が高い。しかも、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中、本例では銅、又は銅合金の結晶粒界中に入り込み、第1層金属配線4中を拡散する。そして、Mnを含む物質は、結晶粒界中を、酸素を含む絶縁物に引き寄せられるように、酸素を含む絶縁物に向かって移動する。本例では、Mnを含む物質は、凹部2の周囲にある第1層層間絶縁膜1に向かって第1層金属配線4の結晶粒界中を移動する。凹部2の周囲には、第1層バリア膜3がある。第1層バリア膜3は、上述したようにセルフリミット膜厚未満である。このため、第1層バリア膜3に到達したMnを含む物質は、第1層バリア膜3を、セルフリミット膜厚に向かってさらに成長させる。やがて、第1層バリア膜3は、図1Fに示すように、セルフリミット膜厚に達する。第1層バリア膜3が、セルフリミット膜厚に達すると、Mnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中にほとんど入り込まない。第1層バリア膜3が、セルフリミット膜厚に達した時点で、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜の成膜を完了させる。
【0018】
この後、図1Gに示すように、第2層バリア膜7上に、第2層金属配線8となる銅膜、又は銅を含む銅合金膜を形成する。次いで、化学的機械研磨(CMP)法を用いて、銅、又は銅合金膜を研磨し、銅、又は銅合金膜を凹部6の内部に埋め込む。これにより、第2層金属配線8が形成される。
【0019】
このような第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法であると、次のような利点を得ることができる。
【0020】
図3A及び図3Bは比較例を示す断面図である。
【0021】
図3A及び図3Bに示す比較例は、第1層バリア膜3の膜厚t1、及び第2層バリア膜7の膜厚t2の双方を、セルフリミット膜厚で形成する。
【0022】
この場合には、第1層バリア膜3は、既にセルフリミット膜厚となっているから、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中にほとんど入り込まない。即ち、第2層バリア膜7の成膜中、Mnを含む物質は、第1層金属配線4中をほとんど拡散しない。このため、図3Aに示すように、第2層バリア膜7の成膜に使用されたMnを含む物質は、第1層金属配線4上に付着して、CVD−MnOx膜を形成する(図中の円C参照)。
【0023】
図3Aに示す状態で、第2層金属配線8を形成すると、第1層金属配線4と第2層金属配線8との間に、銅、又は銅合金よりも抵抗値が高いCVD−MnOx膜が介在することになる。このため、ヴィア孔6aにおける導通不良等を起こす可能性が生じる。
【0024】
対して、第1の実施形態によれば、第1層バリア膜3がセルフリミット膜厚に達していないので、第2層バリア膜7の成膜中、Mnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中に入り込む。このため、図1Eに示したように、第2層バリア膜7の成膜に使用されたMnを含む物質は、第1層金属配線4中を拡散して、第1層バリア膜3を成長させる。つまり、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、第1層バリア膜3の成長のために消費される。このため、第1の実施形態は、第1層金属配線4上に付着するMnを含む物質を、図3A及び図3Bに示す比較例に比較して少なくすることができる。しかも、第1層バリア膜3がセルフリミット膜厚に達した時点で、第2層バリア膜7の成膜を完了させるようにすると、と、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、ほとんど無い状態にすることもできる。
【0025】
従って、第1の実施形態によれば、比較例に比較して、ヴィア孔6aにおける導通不良等を起こす可能性を軽減でき、CVD−MnOxをバリア膜に用いても歩留りの低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を得ることができる。
【0026】
しかも、第1の実施形態によれば、第1層バリア膜3、及び第2層バリア膜7の双方ともが、セルフリミット膜厚、即ち、最大の膜厚である。このため、第1層金属配線4、及び第2層金属配線8の双方からのCuの拡散を防ぐバリア性も高い、という利点も得ることができる。
【0027】
(装置構成)
次に、酸化マンガン成膜装置(酸化マンガンCVD装置)の一例を説明する。
【0028】
図4は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の実施に使用することが可能な酸化マンガン成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。
【0029】
図4に示すように、酸化マンガンCVD装置100は、真空チャンバをなす処理容器101を有する。この処理容器101内にはウエハWを水平に載置するための載置台102が設けられている。載置台102内にはウエハの温調手段となるヒータ102aが設けられている。また、載置台102には昇降機構102bにより昇降自在な3本の昇降ピン102c(便宜上2本のみ図示)が設けられており、この昇降ピン102cを介して図示せぬウエハ搬送手段と載置台102との間でウエハWの受け渡しが行われる。
【0030】
処理容器101の底部には排気管103の一端側が接続され、この排気管103の他端側には真空ポンプ104が接続されている。処理容器101の側壁には、ゲートバルブGにより開閉される搬送口105が形成されている。
【0031】
処理容器101の天井部には載置台102に対向するガスシャワーヘッド106が設けられている。ガスシャワーヘッド106はガス室106aを備え、ガス室106aに供給されたガスはガス供給孔107aから処理容器101内に供給される。
【0032】
また、ガスシャワーヘッド106にはマンガンを含む有機化合物の蒸気をガス室106aに導入するためのMn原料ガス供給配管系108aが接続されている。Mn原料ガス供給配管系108aは原料ガス供給路109aを備え、この原料ガス供給路109aの上流側には原料貯留部113が接続されている。
【0033】
原料貯留部113にはマンガンを含む有機化合物、例えば(EtCp)2Mn(ビスエチルシクロペンタジエニルマンガン)が液体の状態で貯留されている。また原料貯留部113には加圧部114が接続されており、この加圧部114から供給されたHeやArガス等によって原料貯留部113内を加圧することにより(EtCp)2Mnをガスシャワーヘッド106に向けて押し出すことができるようになっている。
【0034】
また、原料ガス供給路109aには液体マスフローコントローラやバルブを含む流量調整部115及び(EtCp)2Mnを気化するためのベーパライザ116が上流側からこの順に介設されている。ベーパライザ116はキャリアガス供給源117から供給されたキャリアガスであるH2ガスと接触混合させて(EtCp)2Mnを気化させ、ガス室106aに供給する役割を果たす。
【0035】
なお、図4中の118は後述する制御部112からの制御信号を受けて、キャリアガスの流量を調整し、ガス室106aへのマンガンを含む有機化合物の蒸気の給断を制御する流量調整部である。
【0036】
制御部112は、プログラム、メモリ、CPUからなるデータ処理部等を備えており、プログラムには制御部112から酸化マンガンCVD装置100の各部に制御信号を送り、ステップを進行させるように命令(各ステップ)が組み込まれている。また、例えば、メモリには処理圧力、処理温度、処理時間、ガス流量または電力値等の処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、CPUがプログラムの各命令を実行する際、これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号が、酸化マンガンCVD装置100の各部位に送られることになる。このプログラム(処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む)は、コンピュータ記憶媒体、例えば、フレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、MO(光磁気ディスク)等の記憶部75Aに格納されて制御部112にインストールされる。
【0037】
このような酸化マンガンCVD装置100によれば、マンガンを含む有機化合物の蒸気、例えば、(EtCp)2Mnの蒸気を供給することで、ウエハWの表面上に、バリア膜となる酸化マンガン膜を形成することができる。
【0038】
また、酸化マンガンCVD装置100は、マンガンを含む有機化合物として(EtCp)2Mn[=Mn(C2H5C5H4)2]を用いたが、マンガンを含む有機化合物としては、(EtCp)2Mnの他、
Cp2Mn[=Mn(C5H5)2]
(MeCp)2Mn[=Mn(CH3C5H4)2]
(i−PrCp)2Mn[=Mn(C3H7C5H4)2]
(t−BuCp)2Mn[=Mn(C4H9C5H4)2]
Mn(DMPD)(EtCp)[=Mn(C7H11C2H5C5H4)]
((CH3)5Cp)2Mn[=Mn((CH3)5C5H4)2]よりなる群から選択される1以上の有機化合物を用いることもできる。
【0039】
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、多層の銅、又は銅合金配線の層数が2層の例を示したが、3層以上の銅、又は銅合金配線を有する半導体装置にも適用することができる。
以下、3層以上の例として、3層の銅、又は銅合金配線を有する半導体装置の製造方法を、第2の実施形態として説明する。
【0040】
図5A乃至図5Eは、この発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。なお、図5A乃至図5Eにおいては、半導体基板(例えば、シリコンウエハ)の図示は省略し、半導体基板上に形成された第1層層間絶縁膜より上にある構造を示している。
【0041】
(第1層、第2層金属配線形成工程)
まず、図5Aに示すように、例えば、第1の実施形態において説明した製造方法に従って、第1層金属配線4、及び第2層金属配線8まで形成する。ただし、第1層バリア膜3の膜厚t1、及び第2層バリア膜7の膜厚t2の双方とも、セルフリミット膜厚未満とする。
【0042】
(第3層配線形成工程)
次に、図5Bに示すように、第2層層間絶縁膜5上、及び第2層金属配線8上に、第3層層間絶縁膜9を形成する。第3層層間絶縁膜9の材質例は、第1の実施形態において説明した第1層層間絶縁膜1及び第2層層間絶縁膜5と同じで良い。本例では、CVD−SiO2膜とした。
【0043】
次に、デュアルダマシン法を用いて、第3層層間絶縁膜9に、第2層金属配線8に達するヴィア孔10aと第3層金属配線の形成パターンとされた溝10bとを有する凹部10を形成する。
【0044】
次に、図5Cに示すように、CVD法を用いて、凹部10を含む第3層層間絶縁膜9上に、第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜を形成する。上述したように、第1層バリア膜3、及び第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜の膜厚t1、t2は、本例ではそれぞれセルフリミット膜厚未満とした。しかし、第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜の膜厚t3は、セルフリミット膜厚とする。第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜の成膜中、Mnを含む物質は、第3層層間絶縁膜9上だけでなく、第2層金属配線8上にも付着する。しかし、第1の実施形態において説明したように、第2層金属配線8上に付着したMnを含む物質は、第2層金属配線8中に拡散し、セルフリミット膜厚未満の第2層バリア膜7及び第1層バリア膜3を成長させる。
【0045】
図5Dに示すように、第1層バリア膜3及び第2層バリア膜7の膜厚がセルフリミット膜厚に達すると、Mnを含む物質は、第1層金属配線4及び第2層金属配線8中を拡散しなくなる。このように第1層バリア膜3及び第2層バリア膜7の膜厚がそれぞれセルフリミット膜厚に達した時点で、第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜の成膜を完了させる。
【0046】
この後、図5Eに示すように、第3層バリア膜11上に、第3層金属配線12となる銅膜、又は銅を含む銅合金膜を形成する。次いで、化学的機械研磨(CMP)法を用いて、銅、又は銅合金膜を研磨し、銅、又は銅合金膜を凹部10の内部に埋め込む。これにより、第3層金属配線12が形成される。
【0047】
このような第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法においても、第1の実施形態と同様の利点を得ることができる。
【0048】
また、本第2の実施形態によって説明されたように、この発明に係る半導体装置の製造方法は、N層以上の銅、又は銅合金配線を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の全般に適用することができる。そして、この発明に係る半導体装置の製造方法は、第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、第N層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜する、と一般化することができる。
【0049】
以上、この発明をいくつかの実施形態に従って説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形することが可能である。
【0050】
例えば、上記実施形態では、バリア膜3、7、11を、マンガンを含む有機化合物の蒸気を供給しつつウエハを加熱するいわゆる熱CVD法により形成しているが、プラズマCVD法や光CVD法による形成を行ってもよい。
【0051】
なお、第2層配線及び第3層配線はデュアルダマシン法を用いてヴィア孔と溝の両方を有する凹部を形成する例で説明したが、シングルダマシン法を用いてヴィア孔または溝のどちらか一方のみを有する凹部を形成するようにして、半導体装置を製造しても良い。この場合、ヴィア孔のバリア膜及び溝のバリア膜の両方にCVD−MnOxを適用することが可能である。その場合、銅または銅合金配線の層数はヴィア孔、溝それぞれに対して1層として考えればよい。デュアルダマシンで1層と計算した配線は、シングルダマシンでは2層と計算する。
【符号の説明】
【0052】
1…第1層層間絶縁膜、2…凹部、3…第1層バリア膜、4…第1層金属配線、5…第2層層間絶縁膜、6…凹部、7…第2層バリア膜、8…第2層金属配線、9…第3層層間絶縁膜、10…凹部、11…第3層バリア膜、12…第3層金属配線。
【技術分野】
【0001】
この発明は、半導体装置の製造方法に係わり、特に、バリア膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属配線、例えば、銅(Cu)配線の新しいバリア膜として、特許文献1に記載されるように、酸化マンガン(MnOx)膜が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2008−205177号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本件発明者等の研究によると、MnOx膜はCVD法を用いて形成できることが分かった。また、酸素源となるガスを意図的には供給せず、Mn源となるガスのみ供給する条件で形成したCVD−MnOx膜は、MnOxとの親和力が大きい二酸化シリコン(SiO2)膜上においては、セルフリミット的に連続膜状に成膜することが分かった。即ち、CVD−MnOx膜は、セルフリミット時間が経過した後に成膜を続けても膜厚はほとんど増加しない。なお、酸素源は膜表面に存在する酸素原子またはCVD室内に存在する残留成分(H2O、O2など)と考えられる。
【0005】
しかし、CVD−MnOx膜は、Cu上にわずかに付着することも分かった。CVD−MnOx膜はCuに比較して抵抗が高く、絶縁性である。このため、CVD−MnOxをバリア膜に用いると、ヴィア孔における導通不良等による歩留り低下が懸念される、という事情がある。
【0006】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、CVD−MnOxをバリア膜に用いても歩留りの低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法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】
【0007】
上記課題を解決するため、この発明の一態様に係る半導体装置の製造方法は、N層以上の銅、又は銅合金配線を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の製造方法であって、第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、第N層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜する。
【発明の効果】
【0008】
この発明によれば、CVD−MnOxをバリア膜に用いても歩留りの低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1B】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1C】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1D】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1E】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1F】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図1G】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図2】CVD−MnOxのセルフリミットを示す図
【図3A】比較例を示す断面図
【図3B】比較例を示す断面図
【図4】第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実施するための酸化マンガン成膜装置の一例を概略的に示す断面図
【図5A】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5B】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5C】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5D】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【図5E】第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、添付図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。この説明において、参照する図面全てにわたり、同一の部分については同一の参照符号を付す。
【0011】
(第1の実施形態)
図1A乃至図1Gは、この発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。なお、図1A乃至図1Gにおいては、半導体基板(例えば、シリコンウエハ)の図示は省略し、半導体基板上に形成された第1層層間絶縁膜より上にある構造を示している。
【0012】
(第1層金属配線形成工程)
まず、図1Aに示すように、第1層層間絶縁膜1に、フォトリソグラフィ技術を用いて第1層金属配線を埋め込むための凹部2を形成する。
第1層層間絶縁膜の材質例としては、
シリコン(Si)、及び酸素(O)を含む絶縁物(例えば、SiOx系膜)
シリコン(Si)、酸素(O)、及び炭素(C)を含む絶縁物(例えば、SiOC系膜)
シリコン(Si)、酸素(O)、及びフッ素(F)を含む絶縁物(例えば、SiOF系膜)
シリコン(Si)、酸素(O)、炭素(C)、及び水素(H)を含む絶縁物(例えば、SiCOH系膜)
等の酸素を含む絶縁物を挙げることができる。また、これらの絶縁物を含む複数の絶縁膜を積層させても良い。本例では、酸化シリコン(SiOx)系の絶縁物、例えば、CVDを用いて形成されたCVD−SiO2膜とした。
【0013】
次に、図1Bに示すように、CVD法を用いて、凹部2を含む第1層層間絶縁膜1上に、第1層バリア膜3となるCVD酸化マンガン(以下CVD−MnOx)膜を形成する。CVD法を用いて形成されたCVD−MnOx膜は、図2に示すように、“セルフリミット”と呼ばれる性質を有しており、成膜時間に関わらず、ある膜厚以上には成長しない、という特徴を持つ。CVD−MnOx膜は、4乃至6nmが膜厚の限界値(以下セルフリミット膜厚と呼ぶ)であり、おおよそ1minの成膜時間でセルフリミット膜厚に達する。本例では、第1層バリア膜3の形成に際し、例えば、図2中の円A内に示す成膜時間及び膜厚で成膜を完了させ、MnOx膜の膜厚t1をセルフリミットがかからない膜厚、即ち、セルフリミット膜厚未満の膜厚とする。なお、酸化マンガンCVD装置の一例については後述する。
【0014】
次に、図1Cに示すように、第1層バリア膜3上に、第1層金属配線4となる銅膜、又は銅を含む銅合金膜を形成する。次いで、化学的機械研磨(CMP)法を用いて、銅、又は銅合金膜を研磨し、銅、又は銅合金膜を凹部2の内部に埋め込む。これにより、第1層金属配線4が形成される。なお、CMPの際に銅または銅合金膜を研磨した後、層間絶縁膜1の上部に形成された第1層バリア膜3も研磨除去するようにしても良い。
(第2層配線形成工程)
次に、図1Dに示すように、第1層層間絶縁膜1上、及び第1層金属配線4上に、第2層層間絶縁膜5を形成する。第2層層間絶縁膜5の材質例は、第1層層間絶縁膜1と同じで良く、本例では、CVD−SiO2膜とした。
【0015】
次に、デュアルダマシン法を用いて、第2層層間絶縁膜5に、第1層金属配線4に達するヴィア孔6aと第2層金属配線の形成パターンとされた溝6bとを有する凹部6を形成する。
【0016】
次に、図1Eに示すように、CVD法を用いて、凹部6を含む第2層層間絶縁膜5上に、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜を形成する。上述したように、第1層バリア膜3となるCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させた。しかし、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜され、その膜厚t2は、セルフリミット膜厚とされる。例えば、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜は、図2中の円B内に示す成膜時間及び膜厚で成膜を完了される。
【0017】
Mnを含む物質は、第2層層間絶縁膜5上だけでなく、第1層金属配線4上にもわずかに付着する。ここで、Mnを含む物質は、酸素を含む絶縁物、本例では第1層層間絶縁膜1や第2層層間絶縁膜5を構成するCVD−SiO2と親和力が高い。しかも、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中、本例では銅、又は銅合金の結晶粒界中に入り込み、第1層金属配線4中を拡散する。そして、Mnを含む物質は、結晶粒界中を、酸素を含む絶縁物に引き寄せられるように、酸素を含む絶縁物に向かって移動する。本例では、Mnを含む物質は、凹部2の周囲にある第1層層間絶縁膜1に向かって第1層金属配線4の結晶粒界中を移動する。凹部2の周囲には、第1層バリア膜3がある。第1層バリア膜3は、上述したようにセルフリミット膜厚未満である。このため、第1層バリア膜3に到達したMnを含む物質は、第1層バリア膜3を、セルフリミット膜厚に向かってさらに成長させる。やがて、第1層バリア膜3は、図1Fに示すように、セルフリミット膜厚に達する。第1層バリア膜3が、セルフリミット膜厚に達すると、Mnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中にほとんど入り込まない。第1層バリア膜3が、セルフリミット膜厚に達した時点で、第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜の成膜を完了させる。
【0018】
この後、図1Gに示すように、第2層バリア膜7上に、第2層金属配線8となる銅膜、又は銅を含む銅合金膜を形成する。次いで、化学的機械研磨(CMP)法を用いて、銅、又は銅合金膜を研磨し、銅、又は銅合金膜を凹部6の内部に埋め込む。これにより、第2層金属配線8が形成される。
【0019】
このような第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法であると、次のような利点を得ることができる。
【0020】
図3A及び図3Bは比較例を示す断面図である。
【0021】
図3A及び図3Bに示す比較例は、第1層バリア膜3の膜厚t1、及び第2層バリア膜7の膜厚t2の双方を、セルフリミット膜厚で形成する。
【0022】
この場合には、第1層バリア膜3は、既にセルフリミット膜厚となっているから、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中にほとんど入り込まない。即ち、第2層バリア膜7の成膜中、Mnを含む物質は、第1層金属配線4中をほとんど拡散しない。このため、図3Aに示すように、第2層バリア膜7の成膜に使用されたMnを含む物質は、第1層金属配線4上に付着して、CVD−MnOx膜を形成する(図中の円C参照)。
【0023】
図3Aに示す状態で、第2層金属配線8を形成すると、第1層金属配線4と第2層金属配線8との間に、銅、又は銅合金よりも抵抗値が高いCVD−MnOx膜が介在することになる。このため、ヴィア孔6aにおける導通不良等を起こす可能性が生じる。
【0024】
対して、第1の実施形態によれば、第1層バリア膜3がセルフリミット膜厚に達していないので、第2層バリア膜7の成膜中、Mnを含む物質は、第1層金属配線4を構成する金属の結晶粒界中に入り込む。このため、図1Eに示したように、第2層バリア膜7の成膜に使用されたMnを含む物質は、第1層金属配線4中を拡散して、第1層バリア膜3を成長させる。つまり、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、第1層バリア膜3の成長のために消費される。このため、第1の実施形態は、第1層金属配線4上に付着するMnを含む物質を、図3A及び図3Bに示す比較例に比較して少なくすることができる。しかも、第1層バリア膜3がセルフリミット膜厚に達した時点で、第2層バリア膜7の成膜を完了させるようにすると、と、第1層金属配線4上に付着したMnを含む物質は、ほとんど無い状態にすることもできる。
【0025】
従って、第1の実施形態によれば、比較例に比較して、ヴィア孔6aにおける導通不良等を起こす可能性を軽減でき、CVD−MnOxをバリア膜に用いても歩留りの低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を得ることができる。
【0026】
しかも、第1の実施形態によれば、第1層バリア膜3、及び第2層バリア膜7の双方ともが、セルフリミット膜厚、即ち、最大の膜厚である。このため、第1層金属配線4、及び第2層金属配線8の双方からのCuの拡散を防ぐバリア性も高い、という利点も得ることができる。
【0027】
(装置構成)
次に、酸化マンガン成膜装置(酸化マンガンCVD装置)の一例を説明する。
【0028】
図4は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の実施に使用することが可能な酸化マンガン成膜装置の一例を概略的に示す断面図である。
【0029】
図4に示すように、酸化マンガンCVD装置100は、真空チャンバをなす処理容器101を有する。この処理容器101内にはウエハWを水平に載置するための載置台102が設けられている。載置台102内にはウエハの温調手段となるヒータ102aが設けられている。また、載置台102には昇降機構102bにより昇降自在な3本の昇降ピン102c(便宜上2本のみ図示)が設けられており、この昇降ピン102cを介して図示せぬウエハ搬送手段と載置台102との間でウエハWの受け渡しが行われる。
【0030】
処理容器101の底部には排気管103の一端側が接続され、この排気管103の他端側には真空ポンプ104が接続されている。処理容器101の側壁には、ゲートバルブGにより開閉される搬送口105が形成されている。
【0031】
処理容器101の天井部には載置台102に対向するガスシャワーヘッド106が設けられている。ガスシャワーヘッド106はガス室106aを備え、ガス室106aに供給されたガスはガス供給孔107aから処理容器101内に供給される。
【0032】
また、ガスシャワーヘッド106にはマンガンを含む有機化合物の蒸気をガス室106aに導入するためのMn原料ガス供給配管系108aが接続されている。Mn原料ガス供給配管系108aは原料ガス供給路109aを備え、この原料ガス供給路109aの上流側には原料貯留部113が接続されている。
【0033】
原料貯留部113にはマンガンを含む有機化合物、例えば(EtCp)2Mn(ビスエチルシクロペンタジエニルマンガン)が液体の状態で貯留されている。また原料貯留部113には加圧部114が接続されており、この加圧部114から供給されたHeやArガス等によって原料貯留部113内を加圧することにより(EtCp)2Mnをガスシャワーヘッド106に向けて押し出すことができるようになっている。
【0034】
また、原料ガス供給路109aには液体マスフローコントローラやバルブを含む流量調整部115及び(EtCp)2Mnを気化するためのベーパライザ116が上流側からこの順に介設されている。ベーパライザ116はキャリアガス供給源117から供給されたキャリアガスであるH2ガスと接触混合させて(EtCp)2Mnを気化させ、ガス室106aに供給する役割を果たす。
【0035】
なお、図4中の118は後述する制御部112からの制御信号を受けて、キャリアガスの流量を調整し、ガス室106aへのマンガンを含む有機化合物の蒸気の給断を制御する流量調整部である。
【0036】
制御部112は、プログラム、メモリ、CPUからなるデータ処理部等を備えており、プログラムには制御部112から酸化マンガンCVD装置100の各部に制御信号を送り、ステップを進行させるように命令(各ステップ)が組み込まれている。また、例えば、メモリには処理圧力、処理温度、処理時間、ガス流量または電力値等の処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、CPUがプログラムの各命令を実行する際、これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号が、酸化マンガンCVD装置100の各部位に送られることになる。このプログラム(処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む)は、コンピュータ記憶媒体、例えば、フレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、MO(光磁気ディスク)等の記憶部75Aに格納されて制御部112にインストールされる。
【0037】
このような酸化マンガンCVD装置100によれば、マンガンを含む有機化合物の蒸気、例えば、(EtCp)2Mnの蒸気を供給することで、ウエハWの表面上に、バリア膜となる酸化マンガン膜を形成することができる。
【0038】
また、酸化マンガンCVD装置100は、マンガンを含む有機化合物として(EtCp)2Mn[=Mn(C2H5C5H4)2]を用いたが、マンガンを含む有機化合物としては、(EtCp)2Mnの他、
Cp2Mn[=Mn(C5H5)2]
(MeCp)2Mn[=Mn(CH3C5H4)2]
(i−PrCp)2Mn[=Mn(C3H7C5H4)2]
(t−BuCp)2Mn[=Mn(C4H9C5H4)2]
Mn(DMPD)(EtCp)[=Mn(C7H11C2H5C5H4)]
((CH3)5Cp)2Mn[=Mn((CH3)5C5H4)2]よりなる群から選択される1以上の有機化合物を用いることもできる。
【0039】
(第2の実施形態)
第1の実施形態では、多層の銅、又は銅合金配線の層数が2層の例を示したが、3層以上の銅、又は銅合金配線を有する半導体装置にも適用することができる。
以下、3層以上の例として、3層の銅、又は銅合金配線を有する半導体装置の製造方法を、第2の実施形態として説明する。
【0040】
図5A乃至図5Eは、この発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。なお、図5A乃至図5Eにおいては、半導体基板(例えば、シリコンウエハ)の図示は省略し、半導体基板上に形成された第1層層間絶縁膜より上にある構造を示している。
【0041】
(第1層、第2層金属配線形成工程)
まず、図5Aに示すように、例えば、第1の実施形態において説明した製造方法に従って、第1層金属配線4、及び第2層金属配線8まで形成する。ただし、第1層バリア膜3の膜厚t1、及び第2層バリア膜7の膜厚t2の双方とも、セルフリミット膜厚未満とする。
【0042】
(第3層配線形成工程)
次に、図5Bに示すように、第2層層間絶縁膜5上、及び第2層金属配線8上に、第3層層間絶縁膜9を形成する。第3層層間絶縁膜9の材質例は、第1の実施形態において説明した第1層層間絶縁膜1及び第2層層間絶縁膜5と同じで良い。本例では、CVD−SiO2膜とした。
【0043】
次に、デュアルダマシン法を用いて、第3層層間絶縁膜9に、第2層金属配線8に達するヴィア孔10aと第3層金属配線の形成パターンとされた溝10bとを有する凹部10を形成する。
【0044】
次に、図5Cに示すように、CVD法を用いて、凹部10を含む第3層層間絶縁膜9上に、第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜を形成する。上述したように、第1層バリア膜3、及び第2層バリア膜7となるCVD−MnOx膜の膜厚t1、t2は、本例ではそれぞれセルフリミット膜厚未満とした。しかし、第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜の膜厚t3は、セルフリミット膜厚とする。第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜の成膜中、Mnを含む物質は、第3層層間絶縁膜9上だけでなく、第2層金属配線8上にも付着する。しかし、第1の実施形態において説明したように、第2層金属配線8上に付着したMnを含む物質は、第2層金属配線8中に拡散し、セルフリミット膜厚未満の第2層バリア膜7及び第1層バリア膜3を成長させる。
【0045】
図5Dに示すように、第1層バリア膜3及び第2層バリア膜7の膜厚がセルフリミット膜厚に達すると、Mnを含む物質は、第1層金属配線4及び第2層金属配線8中を拡散しなくなる。このように第1層バリア膜3及び第2層バリア膜7の膜厚がそれぞれセルフリミット膜厚に達した時点で、第3層バリア膜11となるCVD−MnOx膜の成膜を完了させる。
【0046】
この後、図5Eに示すように、第3層バリア膜11上に、第3層金属配線12となる銅膜、又は銅を含む銅合金膜を形成する。次いで、化学的機械研磨(CMP)法を用いて、銅、又は銅合金膜を研磨し、銅、又は銅合金膜を凹部10の内部に埋め込む。これにより、第3層金属配線12が形成される。
【0047】
このような第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法においても、第1の実施形態と同様の利点を得ることができる。
【0048】
また、本第2の実施形態によって説明されたように、この発明に係る半導体装置の製造方法は、N層以上の銅、又は銅合金配線を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の全般に適用することができる。そして、この発明に係る半導体装置の製造方法は、第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、第N層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜する、と一般化することができる。
【0049】
以上、この発明をいくつかの実施形態に従って説明したが、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形することが可能である。
【0050】
例えば、上記実施形態では、バリア膜3、7、11を、マンガンを含む有機化合物の蒸気を供給しつつウエハを加熱するいわゆる熱CVD法により形成しているが、プラズマCVD法や光CVD法による形成を行ってもよい。
【0051】
なお、第2層配線及び第3層配線はデュアルダマシン法を用いてヴィア孔と溝の両方を有する凹部を形成する例で説明したが、シングルダマシン法を用いてヴィア孔または溝のどちらか一方のみを有する凹部を形成するようにして、半導体装置を製造しても良い。この場合、ヴィア孔のバリア膜及び溝のバリア膜の両方にCVD−MnOxを適用することが可能である。その場合、銅または銅合金配線の層数はヴィア孔、溝それぞれに対して1層として考えればよい。デュアルダマシンで1層と計算した配線は、シングルダマシンでは2層と計算する。
【符号の説明】
【0052】
1…第1層層間絶縁膜、2…凹部、3…第1層バリア膜、4…第1層金属配線、5…第2層層間絶縁膜、6…凹部、7…第2層バリア膜、8…第2層金属配線、9…第3層層間絶縁膜、10…凹部、11…第3層バリア膜、12…第3層金属配線。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
N層以上の銅、又は銅合金配線を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の製造方法であって、
第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、
第N層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記第N層のCVD−MnOx膜が、前記第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜に、セルフリミットがかかるように成膜されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記N層の銅、又は銅合金配線を互いに絶縁する層間絶縁膜に、酸素を含む絶縁物が用いられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記酸素を含む絶縁物が、酸化シリコン系の絶縁物であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記酸化シリコン系の絶縁物が、CVD−SiO2であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項1】
N層以上の銅、又は銅合金配線を有し、これらN層の銅、又は銅合金配線のバリア膜としてCVD−MnOx膜を使用する半導体装置の製造方法であって、
第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかる前に成膜を完了させ、
第N層のCVD−MnOx膜は、セルフリミットがかかるように成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記第N層のCVD−MnOx膜が、前記第1層乃至第N−1層のCVD−MnOx膜に、セルフリミットがかかるように成膜されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
前記N層の銅、又は銅合金配線を互いに絶縁する層間絶縁膜に、酸素を含む絶縁物が用いられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
前記酸素を含む絶縁物が、酸化シリコン系の絶縁物であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】
前記酸化シリコン系の絶縁物が、CVD−SiO2であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図1E】
【図1F】
【図1G】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【公開番号】特開2010−212497(P2010−212497A)
【公開日】平成22年9月24日(2010.9.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−58176(P2009−58176)
【出願日】平成21年3月11日(2009.3.11)
【出願人】(000219967)東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年9月24日(2010.9.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年3月11日(2009.3.11)
【出願人】(000219967)東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Fターム(参考)】
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