配線構造及びその形成方法
【課題】 配線遅延を抑止し配線の微細化及び多層配線化を可能とする配線構造、及び当該配線構造の材料に固有の諸問題、例えば一方の材料の他方の材料への溶出等の不都合を解決して、信頼性の高い配線構造を実現する。
【解決手段】 Ｃｕ配線１０１と電気的に接続されるWプラグ１０２を形成するに際して、■ＷＦ6ガスを一定時間連続して供給する工程、■。ＷＦ6ガス雰囲気を一定時間連続して排気除去する工程、■ＳｉＨ4ガスを一定時間連続して供給する工程、■ＳｉＨ4ガス雰囲気を一定時間連続して排気除去する工程からなる一連工程（工程■〜■）を繰り返し行い、Ｗ核形成を行う。
【解決手段】 Ｃｕ配線１０１と電気的に接続されるWプラグ１０２を形成するに際して、
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に適用して好適な配線構造及びその形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体集積回路における配線形成技術としては、一般的には、アルミニウム（Ａｌ）あるいはＡｌ合金に代表される金属膜をスパッタ法で成膜する技術が広く用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近時における更なる半導体装置の小型化・高集積化の要請に応えるべく、配線の微細化及び多層配線化が加速的に進められている。こうした多層配線を有するロジックデバイスにおいては、配線遅延がデバイス信号遅延の支配的要因の１つになりつつある。デバイスの信号遅延は配線抵抗値と配線容量の積に比例しており、従って配線遅延の改善のためには、配線抵抗値や配線容量の軽減が重要であり、これを実現するために好適な配線材料やコンタクト孔の埋め込み材料を選択し、当該材料により製造上の不都合を生ぜしめることなく配線形成を行う技術が待たれる現況にある。
【０００４】そこで本発明は、前記課題を解決すべくなされたものであり、配線遅延を抑止し配線の微細化及び多層配線化を可能とする配線構造、及び当該配線構造の材料に固有の諸問題、例えば一方の材料の他方の材料への溶出等の不都合を解決して、信頼性の高い配線構造を実現する形成方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００６】本発明の配線構造は、少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線と、少なくとも、前記下層配線上の絶縁膜に形成された開孔を埋め込み、前記下層配線と電気的に接続されるように形成された高融点金属膜とを含む。
【０００７】本発明において、前記配線構造を実現する形成方法は、前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込むに際して、半導体基板が設置されたチャンバー内に前記高融点金属の化合物ガスをある一定時間連続して供給する第１の工程と、前記化合物ガスの供給を停止させた後に、前記チャンバー内をある一定時間連続して排気する第２の工程と、前記チャンバー内に第２の還元系ガスをある一定時間連続して供給する第３の工程と、前記第２の還元系ガスの供給を停止させた後に、前記チャンバー内をある一定時間連続して排気する第４の工程とを含み、前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行し、所望の膜厚となるように前記高融点金属材料を堆積する。
【０００８】
【発明の実施の形態】−本発明の主要構成−先ず、本発明の主要構成について、その作用原理と共に説明する。配線抵抗の低い好適な金属材料の代表例としては、銅（Ｃｕ）がある。本発明では、Ｃｕ配線を用い、更にそのコンタクトのための金属材料として高融点金属を用いる。高融点金属膜を埋め込み材料に用いる利点としては、配線信頼性の向上や、耐熱性における特性変動を受け難いことが挙げられる。高融点金属膜の代表例はタングステン（Ｗ）である。
【０００９】このように、Ｃｕ配線を最上層に適用した配線構造を構成する場合、ヒューズの形成過程における耐湿性の低下が懸念させる。そこで、最上層の耐湿性の改善を考慮して検討したところ、下層にＣｕ配線、上層にＡｌ配線、両者の接続にＷプラグを用いる配線構造に優位性を見出した。本発明では、当該考察に基づき、図１に示すように、Ｃｕ配線１０１−Ｗプラグ１０２−Ａｌ配線１０３を含む配線構造を提案する。
【００１０】前記配線構造を実現する具体的な形成方法としては、以下の手法が考えられる。先ずＳｉＨ4系ガスを用いて半導体基板（ウェーハ）表面にＳｉを吸着させる。その後、ＳｉＨ4系ガス及びＷＦ6ガスを用いて、高抵抗ではあるが密着性の優れたＷ核の成膜を行う。しかる後、ＷＦ6ガス及びＨ2ガスを用いた低抵抗且つ高カバレッジのブランケットＷ膜を成膜する。
【００１１】しかしながら、前記形成方法によりＷ膜を形成すると、図２に示すように、下層のＣｕ配線からコンタクト孔内にＣｕ溶出が発生し、コンタクト抵抗不良、配線の信頼性低下等を引き起こし、歩留まりが低下するという問題が生じることが判った。このＣｕ溶出の発生は、Ｗ膜の成膜シーケンスに大きく依存しており、成膜初期においてＳｉＨ4ガスを流すことによるＣｕとＳｉＨ4ガスの反応に起因しており、これによりコンタクト孔内にＣｕが溶出するものと考えられる。
【００１２】本発明では、このＣｕ溶出を抑止することに主眼をおき、前記配線構造を実現するために、特にブランケットＷ膜の成膜を以下のように行う。Ｗ膜の成膜方法としては、大別すると３段階（ステップ１〜３）に分けることができる。
【００１３】ステップ１：一連の反応初期では、ウェーハ表面にＨ2ガスを流しながらウェーハを熱処理（アニール処理）する。この手法によれば、ハロゲン系プラスマ処理を用いずにウェーハ表面を清浄化処理することができ、また、成膜温度と清浄化処理温度とを分ける必要も無い。成膜シーケンスも単純化することが可能となる。
【００１４】ステップ２：続いて、ＳｉＨ4ガスとＷＦ6ガスを交互に供給してＷ核の形成を行う。これらの反応ガスを交互供給することにより、下地膜（密着性膜）との選択性を抑えることができ、配線への侵食を抑制することが可能となる。
【００１５】ここで、ＳｉＨ4ガスとＷＦ6ガスは、互いの反応性が非常に高い事が知られており、交互に供給を繰り返すだけでは、残留ガス雰囲気の影響を受け、ＷＦ6：ＳｉＨ4の流量比が１より大きくなる可能性がある。この流量比が１を超えると、いわゆるガス・フェーズ・パーティクル（Gas Phase Particle）を発生させる要因となりかねない。このパーティクルの発生を抑制させるために、本発明では、ＷＦ6：ＳｉＨ4の流量比が１より大きくならないように、ＷＦ６ガス及びＳｉＨ4ガスを供給した後に、ガス雰囲気を除去するために、ガス排気を行う工程を導入している。シーケンスとしては、■ＷＦ6ガスを一定時間連続して供給する工程、■。ＷＦ6ガス雰囲気を一定時間連続して排気除去する工程、■ＳｉＨ4ガスを一定時間連続して供給する工程、■ＳｉＨ4ガス雰囲気を一定時間連続して排気除去する工程からなる一連工程（工程■〜■）を繰り返し行い、Ｗ核形成を行う。
【００１６】ステップ３：最終ステップとして、低抵抗且つ高カバレッジのＷ膜を成膜する。このときの成膜ガスとしては、ＷＦ6／Ｈ2ガスを用いる。
【００１７】−具体的な実施形態−上述した主要構成を踏まえ、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、半導体装置として一般的なＭＯＳトランジスタを例に採り、その配線構造に本発明を適用する。なお便宜上、配線構造の構成をその形成方法とともに説明する。
【００１８】図３〜図５は、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。この配線構造を形成するにあたり、シリコンウェーハ上にゲート電極、ソース／ドレインを備えたＭＯＳトランジスタを形成する。そして、このＭＯＳトランジスタの例えばソース／ドレインと電気的に接続される配線構造に本発明が適用される。
【００１９】先ず、図３（ａ）に示すように、半導体基板上のＭＯＳトランジスタ（共に不図示）を覆うようにＣＶＤ法によりシリコン酸化膜３１を堆積した後、いわゆるダマシン法によりＣｕ配線を形成する。具体的には、先ず、シリコン酸化膜３１上にフォトレジスト（不図示）を塗布し、フォトリソグラフィーによりフォトレジストを配線形状に加工する。次に、このフォトレジストをマスクとしてシリコン酸化膜３１をドライエッチングし、シリコン酸化膜３１にフォトレジストの形状に倣った配線溝１２を形成する。
【００２０】続いて、図３（ｂ）に示すように、配線溝１２の内壁面を覆うように、シリコン酸化膜３１上にＴａＮからなるバリアメタル膜１３を膜厚２５ｎｍ程度に、更にシード金属膜としてＣｕ膜１４を膜厚２００ｎｍ程度にクラスター化されたスパッタ装置により真空中で連続的に堆積形成する。ここで、ＲＦ処理とバリアメタル膜１３及びＣｕ膜１４の形成は真空中で連続的に行なうことが望ましい。
【００２１】続いて、図３（ｃ）に示すように、Ｃｕ膜１４を電極として、メッキ法により配線溝１２内を埋め込む膜厚、ここでは１μｍ程度にＣｕ膜１５を形成する。
【００２２】そして、図３（ｄ）に示すように、ダマシン法によるＣｕ膜１５の分離のため、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法によりＣｕ膜１５（１４）及びバリアメタル膜１３を研磨して配線溝１２内のみにＣｕ膜１５及びバリアメタル膜１３を残し、Ｃｕ配線１６を形成する。
【００２３】続いて、Ｃｕ配線１６と電気的に接続されるタングステン（Ｗ）プラグを形成する。具体的には、先ず図４（ａ）に示すように、Ｃｕ配線１６の表面の拡散バリア（パッシベーション）となるシリコン窒化膜１７を膜厚７０ｎｍ程度に堆積形成する。次に、シリコン窒化膜１７上に例えばＵＳＧからなる層間絶縁膜１８を膜厚７００ｎｍ程度に形成する。
【００２４】続いて、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより層間絶縁膜１８及びシリコン窒化膜１７を加工し、Ｃｕ配線１６の表面の一部を露出させるコンタクト孔２０をパターン形成する。
【００２５】続いて、図４（ｃ）に示すように、コンタクト孔２０の内壁面を覆うように、層間絶縁膜１８上にタンタルナイトライド（ＴａＮ）膜２１及びチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜２２を共に膜厚５０ｎｍ程度に順次形成する。ＴａＮ膜２１及びＴｉＮ膜２２からなる積層構造の下地膜は、Ｃｕ配線１６と後述するＷプラグとの密着性を向上させる機能を有するものである。なおこの場合、当該下地膜としてＴａＮ膜又はＴｉＮ膜の単層膜としても良い。
【００２６】続いて、図４（ｄ）に示すように、コンタクト孔２０を埋め込むように、上述したステップ１〜３により前記下地膜上にタングステン（Ｗ）膜２３を堆積する。このとき、図６に示すようなＣＶＤ装置を用いる。このＣＶＤ装置は、反応室（反応チャンバー）５と、この反応チャンバー５内に設置され一枚以上のウェーハ６を保持できるウェーハ支持台８と、ウェーハ６を加熱する機能を有し、ウェーハ６面内の温度分布を向上させるために回転する機構を備えた加熱用ランプ１１と、反応チャンバー５内に化合物ガス及び還元系ガスを導入して両者を混合することができる機構と、導入された反応ガスを排気する機構を備えて構成されている。
【００２７】このＣＶＤ装置では、反応チャンバー５内に真空ロードロック室（不図示）を介してウェーハ６を搬送し、これをウェーハ支持台８に載置し、クランプリング７によりウェーハ周辺部で固定する。この状態で反応室５内の雰囲気を排気口１０から排気することにより真空状態とし、ガス導入口１から反応ガス（本実施形態では化合物ガス及び還元系ガス）を導入する。反応ガスは、ミキシングブレード２を介してシャワーヘッド４の分散板３を経て反応室５内に供給される。ウェーハ６は加熱用ランプ１１により所定温度に加熱されており、当該所定温度は温度測定熱電対９により管理される。反応チャンバー５内に導入された反応ガスは、ウェーハ６表面で反応し、ウェーハ６全面に均一に成膜される。
【００２８】先ずステップ１として、ウェーハに対してＨ2ガスを用いたアニール処理を行う。当該アニール条件の一例を下記に示す。
［Ｈ2アニール条件］
Ｈ2ガスの流量 ：１８００ｓｃｃｍチャンバー内の圧力：２．７×１０3Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）
ウェーハ加熱温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃
【００２９】前記アニール処理を行うことにより、均等にウェーハ表面をアニールすることが可能となる。
【００３０】続いて、ステップ２として、ＷＦ6ガス及びＳｉＨ4ガスを用いてＷ核の形成を行う。膜厚は５ｎｍ〜１０ｎｍ程度とする。Ｗ核形成条件の一例を下記に示す。
【００３１】
［ＷＦ6ガス供給条件］
ＷＦ6／Ａｒ／Ｎ2の各流量：３０／２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力 ：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは１０秒
【００３２】
［ＷＦ6ガス雰囲気の排気条件］
Ａｒ／Ｎ2の各流量 ：２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは５秒
【００３３】
〔ＳｉＨ4ガス供給条件〕
ＳｉＨ4／Ａｒ／Ｎ2の各流量：１８／２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは１０秒成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは１０秒
【００３４】〔ＳｉＨ4ガス雰囲気の排気条件〕
Ａｒ／Ｎ2の各流量 ：２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）成膜時間 ：６０秒未満、ここでは５秒
【００３５】前記したステップ１〜３からなる一連のシーケンスを複数回繰り返し行い、Ｗ核形成を行う。各反応ガス供給のタイムチャートを図７に示す。
【００３６】先ず、時刻ｔ０にて不活性ガスＡｒ／Ｎ2を時刻ｔ１まで導入する。続いて、時刻ｔ１にてＷＦ6／Ａｒ／Ｎ2ガスを時刻ｔ２まで導入する。この状態では、ＷＦ6はその反応ガスがないためにコンタクト孔内部を含めたウェーハ表面全体に均一に吸着している。
【００３７】続いて、時刻ｔ２にてＷＦ6ガスの導入を停止させ、ＷＦ6ガス雰囲気を排気するために時刻ｔ３までＡｒ／Ｎ2を流す。続いて、時刻ｔ３にてＳｉＨ4／Ａｒ／Ｎ2ガスを時刻ｔ４まで導入する。この状態では、先に流し、基板表面に吸着しているＷＦ6とＳｉＨ4が反応するため、コンタクト孔内部までＷ成膜が進行する。続いて、時刻ｔ４にてＳｉＨ4ガスの供給を停止させ、ＳｉＨ4ガス雰囲気を排気するために、Ａｒ／Ｎ2を時刻ｔ５まで流す。
【００３８】時刻ｔ５からは、先に述べたシーケンスを複数回繰り返し行う。これにより、コンタクト孔内を含めたウェーハ表面にＷ核を全面に均一形成することが可能となる。
【００３９】次に、ステップ３として、ＷＦ6ガス及びＨ2ガスを用いたＷ膜の成膜を行う。Ｗ膜の膜厚は、コンタクト孔を埋め込むために必要な膜厚を成膜すれば良い。この場合、下層へのＷＦ6の侵食を抑えるため、以下のように２段階に流量を変化させることが好適である。Ｗ膜形成条件の一例を下記に示す。
【００４０】
〔Ｗ形成条件−１回目〕
ＷＦ6ガスの流量 ：７０ｓｃｃｍＡｒガスの流量 ：９００ｓｃｃｍＨ2ガスの流量 ：１５００ｓｃｃｍチャンバー内の圧力 ：２．７×１０3Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）
成膜温度 ：３００℃〜５００℃、ここでは３７０℃
【００４１】
〔Ｗ形成条件−２回目〕
ＷＦ6ガスの流量 ：９０ｓｃｃｍＡｒガスの流量 ：９００ｓｃｃｍＨ2ガスの流量 ：７５０ｓｃｃｍチャンバー内の圧力 ：２．７×１０3Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）
成膜温度 ：３００℃〜５００℃、ここでは３７０℃
【００４２】このステップ３では、低抵抗且つ高カバレッジのＷ膜を成膜することが可能となる。
【００４３】続いて、図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜１８を研磨ストッパーとして、上述のステップ１〜３を経て形成されたＷ膜２３及び下地膜をＣＭＰ法により研磨し、コンタクト孔２０内のみを下地膜を介して充填するＷプラグ２４を形成する。
【００４４】続いて、図５（ｂ）に示すように、スパッタ法により全面にＡｌ膜２５を膜厚８００ｎｍ程度に堆積する。
【００４５】続いて、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングによりＡｌ膜２５を配線形状に加工し、Ｗプラグ２４と接続されたＡｌ配線２６をパターン形成する。
【００４６】以上の工程により、下層のＣｕ配線１６と上層のＡｌ配線２６がＷプラグ２４を介して電気的に接続されてなる配線構造を完成させる。前記形成方法により当該配線構造を実際に形成し、図４（ｄ）に示すようなＷ膜を堆積した状態における断面観察結果を図８に示す。コンタクト孔内にＣｕ溶出が認められないことが明確に示されている。
【００４７】しかる後、更なる層間絶縁膜やビア孔、上層配線等、保護膜等の形成工程を経て、ＭＯＳトランジスタを完成させる。
【００４８】以上説明したように、本実施形態によれば、下層配線をダマシン法によるＣｕ配線、そのコンタクトプラグをＷを材料として形成するも、Ｃｕ配線からＷプラグへのＣｕ溶出を抑止しつつ、コンタクト孔のＷ膜による埋め込みを確実に行い、Ｃｕ配線−Ｗプラグ−Ａｌ配線を含む配線構造を高信頼性をもって不都合なく形成することが可能となる。
【００４９】以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５０】（付記１）半導体基板の上部に少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線を形成する工程と、前記下層配線を覆う絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に前記配線の表面の一部を露出する開孔を形成する工程と、少なくとも前記開孔を埋め込み前記下層配線と導通するように、高融点金属材料を堆積する工程とを含むことを特徴とする配線構造の形成方法。
【００５１】（付記２）前記高融点金属材料がタングステンであることを特徴とする付記１に記載の配線構造の形成方法。
【００５２】（付記３）少なくとも前記開孔の内壁面を覆うように、前記下層配線と高融点金属材料とを密着させるための下地膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする付記１又は２に記載の配線構造の形成方法。
【００５３】（付記４）前記下地膜がタンタル化合物層及びチタン化合物層の積層膜、或いはタンタル化合物層又はチタン化合物層の単層膜であることを特徴とする付記３に記載の配線構造の形成方法。
【００５４】（付記５）前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程において、前記材料により前記開孔内のみを充填するプラグを形成し、少なくともアルミニウムを含有する材料からなり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と導通する下層配線を形成する工程を更に含むことを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００５５】（付記６）前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、第１の還元系ガスを用いて前記半導体基板を熱処理する工程を含むことを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００５６】（付記７）前記第１の還元系ガスが水素ガスであることを特徴とする付記６に記載の配線構造の形成方法。
【００５７】（付記８）前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、前記半導体基板に前記高融点金属の化合物ガスをある一定時間連続して供給する第１の工程と、前記化合物ガスの供給を停止させた後に、前記化合物ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第２の工程と、前記半導体基板に第２の還元系ガスをある一定時間連続して供給する第３の工程と、前記第２の還元系ガスの供給を停止させた後に、前記第２の還元系ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第４の工程とを含み、前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行し、所望の膜厚となるように前記高融点金属材料を堆積することを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００５８】（付記９）前記第１の工程では、前記化合物ガスの供給時間を６０秒未満とし、前記第３の工程では、前記第２の還元系ガスの供給時間を６０秒未満とし、前記第２の工程及び前記第４の工程では、排気時間を６０秒未満とすることを特徴とする付記８に記載の配線構造の形成方法。
【００５９】（付記１０）前記第２の還元系ガスがシランガスであることを特徴とする付記８又は９に記載の配線構造の形成方法。
【００６０】（付記１１）前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行した後、前記半導体基板に前記化合物ガス及び第３の還元系ガスを同時にある一定時間連続して供給する第５の工程を更に実行することを特徴とする付記８〜１０のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００６１】（付記１２）前記第５の工程において、少なくとも前記化合物ガスの流量を複数段階に変化させることを特徴とする付記１１に記載の配線構造の形成方法。
【００６２】（付記１３）前記第３の還元系ガスが水素ガスであることを特徴とする請求１１又は１２に記載の配線構造の形成方法。
【００６３】（付記１４）前記化合物ガスが六フッ化タングステンガスであることを特徴とする付記８〜１３のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００６４】（付記１５）少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線と、少なくとも、前記下層配線上の絶縁膜に形成された開孔を埋め込み、前記下層配線と電気的に接続されるように形成された高融点金属膜とを含むことを特徴とする配線構造。
【００６５】（付記１６）前記高融点金属膜が前記開孔のみを充填するプラグであり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と電気的に接続される、少なくともアルミニウムを含有する材料からなる上層配線を更に含むことを特徴とする付記１５に記載の配線構造。
【００６６】（付記１７）前記高融点金属がタングステンであることを特徴とする付記１５又は１６に記載の配線構造。
【００６７】（付記１８）少なくとも前記下層配線と前記プラグとの間に、両者を密着させるための下地膜が設けられていることを特徴とする付記１５〜１７のいずれか１項に記載の配線構造。
【００６８】（付記１９）前記下地膜がタンタル化合物層及びチタン化合物層の積層膜、或いはタンタル化合物層又はチタン化合物層の単層膜であることを特徴とする付記１８に記載の配線構造。
【００６９】
【発明の効果】本発明によれば、配線遅延を抑止し配線の微細化及び多層配線化を可能とする配線構造、及び当該配線構造の材料に固有の諸問題、例えば一方の材料の他方の材料への溶出等の不都合を解決して、信頼性の高い配線構造を実現することが可能となる。これにより、当該配線構造を適用して各種半導体デバイスの高性能化を図り、歩留まりや生産性の向上が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線構造の具体例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の配線構造の形成方法を適用することなく、Ｃｕ配線及びＷプラグを形成した場合の様子を示す顕微鏡写真である。
【図３】本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図４】図３に引き続き、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】図４に引き続き、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図６】本実施形態に用いるＣＶＤ装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】本実施形態における各反応ガス供給のタイムチャートである。
【図８】本発明の配線構造の形成方法を適用して、Ｃｕ配線及びＷプラグを形成した場合の様子を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ ガス導入口
２ ミキシングブレード
３ 分散板
４ シャワーヘッド
５ 反応チャンバー
６ ウェーハ
７ クランプリング
８ ウェーハ支持台
９ 温度測定熱電対
１０ 排気口
１１ 加熱用ランプ
１２ 配線溝
１３ バリアメタル膜
１４，１５ Ｃｕ膜
１６，１０１ Ｃｕ配線
１７ シリコン窒化膜
１８ 層間絶縁膜
２０ コンタクト孔
２１ ＴａＮ膜
２２ ＴｉＮ膜
２３ Ｗ膜
２４，１０２ Ｗプラグ
２５ Ａｌ膜
２６，１０３ Ａｌ配線
３１ シリコン酸化膜
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に適用して好適な配線構造及びその形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体集積回路における配線形成技術としては、一般的には、アルミニウム（Ａｌ）あるいはＡｌ合金に代表される金属膜をスパッタ法で成膜する技術が広く用いられてきた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近時における更なる半導体装置の小型化・高集積化の要請に応えるべく、配線の微細化及び多層配線化が加速的に進められている。こうした多層配線を有するロジックデバイスにおいては、配線遅延がデバイス信号遅延の支配的要因の１つになりつつある。デバイスの信号遅延は配線抵抗値と配線容量の積に比例しており、従って配線遅延の改善のためには、配線抵抗値や配線容量の軽減が重要であり、これを実現するために好適な配線材料やコンタクト孔の埋め込み材料を選択し、当該材料により製造上の不都合を生ぜしめることなく配線形成を行う技術が待たれる現況にある。
【０００４】そこで本発明は、前記課題を解決すべくなされたものであり、配線遅延を抑止し配線の微細化及び多層配線化を可能とする配線構造、及び当該配線構造の材料に固有の諸問題、例えば一方の材料の他方の材料への溶出等の不都合を解決して、信頼性の高い配線構造を実現する形成方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意検討の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００６】本発明の配線構造は、少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線と、少なくとも、前記下層配線上の絶縁膜に形成された開孔を埋め込み、前記下層配線と電気的に接続されるように形成された高融点金属膜とを含む。
【０００７】本発明において、前記配線構造を実現する形成方法は、前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込むに際して、半導体基板が設置されたチャンバー内に前記高融点金属の化合物ガスをある一定時間連続して供給する第１の工程と、前記化合物ガスの供給を停止させた後に、前記チャンバー内をある一定時間連続して排気する第２の工程と、前記チャンバー内に第２の還元系ガスをある一定時間連続して供給する第３の工程と、前記第２の還元系ガスの供給を停止させた後に、前記チャンバー内をある一定時間連続して排気する第４の工程とを含み、前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行し、所望の膜厚となるように前記高融点金属材料を堆積する。
【０００８】
【発明の実施の形態】−本発明の主要構成−先ず、本発明の主要構成について、その作用原理と共に説明する。配線抵抗の低い好適な金属材料の代表例としては、銅（Ｃｕ）がある。本発明では、Ｃｕ配線を用い、更にそのコンタクトのための金属材料として高融点金属を用いる。高融点金属膜を埋め込み材料に用いる利点としては、配線信頼性の向上や、耐熱性における特性変動を受け難いことが挙げられる。高融点金属膜の代表例はタングステン（Ｗ）である。
【０００９】このように、Ｃｕ配線を最上層に適用した配線構造を構成する場合、ヒューズの形成過程における耐湿性の低下が懸念させる。そこで、最上層の耐湿性の改善を考慮して検討したところ、下層にＣｕ配線、上層にＡｌ配線、両者の接続にＷプラグを用いる配線構造に優位性を見出した。本発明では、当該考察に基づき、図１に示すように、Ｃｕ配線１０１−Ｗプラグ１０２−Ａｌ配線１０３を含む配線構造を提案する。
【００１０】前記配線構造を実現する具体的な形成方法としては、以下の手法が考えられる。先ずＳｉＨ4系ガスを用いて半導体基板（ウェーハ）表面にＳｉを吸着させる。その後、ＳｉＨ4系ガス及びＷＦ6ガスを用いて、高抵抗ではあるが密着性の優れたＷ核の成膜を行う。しかる後、ＷＦ6ガス及びＨ2ガスを用いた低抵抗且つ高カバレッジのブランケットＷ膜を成膜する。
【００１１】しかしながら、前記形成方法によりＷ膜を形成すると、図２に示すように、下層のＣｕ配線からコンタクト孔内にＣｕ溶出が発生し、コンタクト抵抗不良、配線の信頼性低下等を引き起こし、歩留まりが低下するという問題が生じることが判った。このＣｕ溶出の発生は、Ｗ膜の成膜シーケンスに大きく依存しており、成膜初期においてＳｉＨ4ガスを流すことによるＣｕとＳｉＨ4ガスの反応に起因しており、これによりコンタクト孔内にＣｕが溶出するものと考えられる。
【００１２】本発明では、このＣｕ溶出を抑止することに主眼をおき、前記配線構造を実現するために、特にブランケットＷ膜の成膜を以下のように行う。Ｗ膜の成膜方法としては、大別すると３段階（ステップ１〜３）に分けることができる。
【００１３】ステップ１：一連の反応初期では、ウェーハ表面にＨ2ガスを流しながらウェーハを熱処理（アニール処理）する。この手法によれば、ハロゲン系プラスマ処理を用いずにウェーハ表面を清浄化処理することができ、また、成膜温度と清浄化処理温度とを分ける必要も無い。成膜シーケンスも単純化することが可能となる。
【００１４】ステップ２：続いて、ＳｉＨ4ガスとＷＦ6ガスを交互に供給してＷ核の形成を行う。これらの反応ガスを交互供給することにより、下地膜（密着性膜）との選択性を抑えることができ、配線への侵食を抑制することが可能となる。
【００１５】ここで、ＳｉＨ4ガスとＷＦ6ガスは、互いの反応性が非常に高い事が知られており、交互に供給を繰り返すだけでは、残留ガス雰囲気の影響を受け、ＷＦ6：ＳｉＨ4の流量比が１より大きくなる可能性がある。この流量比が１を超えると、いわゆるガス・フェーズ・パーティクル（Gas Phase Particle）を発生させる要因となりかねない。このパーティクルの発生を抑制させるために、本発明では、ＷＦ6：ＳｉＨ4の流量比が１より大きくならないように、ＷＦ６ガス及びＳｉＨ4ガスを供給した後に、ガス雰囲気を除去するために、ガス排気を行う工程を導入している。シーケンスとしては、
【００１６】ステップ３：最終ステップとして、低抵抗且つ高カバレッジのＷ膜を成膜する。このときの成膜ガスとしては、ＷＦ6／Ｈ2ガスを用いる。
【００１７】−具体的な実施形態−上述した主要構成を踏まえ、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、半導体装置として一般的なＭＯＳトランジスタを例に採り、その配線構造に本発明を適用する。なお便宜上、配線構造の構成をその形成方法とともに説明する。
【００１８】図３〜図５は、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。この配線構造を形成するにあたり、シリコンウェーハ上にゲート電極、ソース／ドレインを備えたＭＯＳトランジスタを形成する。そして、このＭＯＳトランジスタの例えばソース／ドレインと電気的に接続される配線構造に本発明が適用される。
【００１９】先ず、図３（ａ）に示すように、半導体基板上のＭＯＳトランジスタ（共に不図示）を覆うようにＣＶＤ法によりシリコン酸化膜３１を堆積した後、いわゆるダマシン法によりＣｕ配線を形成する。具体的には、先ず、シリコン酸化膜３１上にフォトレジスト（不図示）を塗布し、フォトリソグラフィーによりフォトレジストを配線形状に加工する。次に、このフォトレジストをマスクとしてシリコン酸化膜３１をドライエッチングし、シリコン酸化膜３１にフォトレジストの形状に倣った配線溝１２を形成する。
【００２０】続いて、図３（ｂ）に示すように、配線溝１２の内壁面を覆うように、シリコン酸化膜３１上にＴａＮからなるバリアメタル膜１３を膜厚２５ｎｍ程度に、更にシード金属膜としてＣｕ膜１４を膜厚２００ｎｍ程度にクラスター化されたスパッタ装置により真空中で連続的に堆積形成する。ここで、ＲＦ処理とバリアメタル膜１３及びＣｕ膜１４の形成は真空中で連続的に行なうことが望ましい。
【００２１】続いて、図３（ｃ）に示すように、Ｃｕ膜１４を電極として、メッキ法により配線溝１２内を埋め込む膜厚、ここでは１μｍ程度にＣｕ膜１５を形成する。
【００２２】そして、図３（ｄ）に示すように、ダマシン法によるＣｕ膜１５の分離のため、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法によりＣｕ膜１５（１４）及びバリアメタル膜１３を研磨して配線溝１２内のみにＣｕ膜１５及びバリアメタル膜１３を残し、Ｃｕ配線１６を形成する。
【００２３】続いて、Ｃｕ配線１６と電気的に接続されるタングステン（Ｗ）プラグを形成する。具体的には、先ず図４（ａ）に示すように、Ｃｕ配線１６の表面の拡散バリア（パッシベーション）となるシリコン窒化膜１７を膜厚７０ｎｍ程度に堆積形成する。次に、シリコン窒化膜１７上に例えばＵＳＧからなる層間絶縁膜１８を膜厚７００ｎｍ程度に形成する。
【００２４】続いて、図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングにより層間絶縁膜１８及びシリコン窒化膜１７を加工し、Ｃｕ配線１６の表面の一部を露出させるコンタクト孔２０をパターン形成する。
【００２５】続いて、図４（ｃ）に示すように、コンタクト孔２０の内壁面を覆うように、層間絶縁膜１８上にタンタルナイトライド（ＴａＮ）膜２１及びチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜２２を共に膜厚５０ｎｍ程度に順次形成する。ＴａＮ膜２１及びＴｉＮ膜２２からなる積層構造の下地膜は、Ｃｕ配線１６と後述するＷプラグとの密着性を向上させる機能を有するものである。なおこの場合、当該下地膜としてＴａＮ膜又はＴｉＮ膜の単層膜としても良い。
【００２６】続いて、図４（ｄ）に示すように、コンタクト孔２０を埋め込むように、上述したステップ１〜３により前記下地膜上にタングステン（Ｗ）膜２３を堆積する。このとき、図６に示すようなＣＶＤ装置を用いる。このＣＶＤ装置は、反応室（反応チャンバー）５と、この反応チャンバー５内に設置され一枚以上のウェーハ６を保持できるウェーハ支持台８と、ウェーハ６を加熱する機能を有し、ウェーハ６面内の温度分布を向上させるために回転する機構を備えた加熱用ランプ１１と、反応チャンバー５内に化合物ガス及び還元系ガスを導入して両者を混合することができる機構と、導入された反応ガスを排気する機構を備えて構成されている。
【００２７】このＣＶＤ装置では、反応チャンバー５内に真空ロードロック室（不図示）を介してウェーハ６を搬送し、これをウェーハ支持台８に載置し、クランプリング７によりウェーハ周辺部で固定する。この状態で反応室５内の雰囲気を排気口１０から排気することにより真空状態とし、ガス導入口１から反応ガス（本実施形態では化合物ガス及び還元系ガス）を導入する。反応ガスは、ミキシングブレード２を介してシャワーヘッド４の分散板３を経て反応室５内に供給される。ウェーハ６は加熱用ランプ１１により所定温度に加熱されており、当該所定温度は温度測定熱電対９により管理される。反応チャンバー５内に導入された反応ガスは、ウェーハ６表面で反応し、ウェーハ６全面に均一に成膜される。
【００２８】先ずステップ１として、ウェーハに対してＨ2ガスを用いたアニール処理を行う。当該アニール条件の一例を下記に示す。
［Ｈ2アニール条件］
Ｈ2ガスの流量 ：１８００ｓｃｃｍチャンバー内の圧力：２．７×１０3Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）
ウェーハ加熱温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃
【００２９】前記アニール処理を行うことにより、均等にウェーハ表面をアニールすることが可能となる。
【００３０】続いて、ステップ２として、ＷＦ6ガス及びＳｉＨ4ガスを用いてＷ核の形成を行う。膜厚は５ｎｍ〜１０ｎｍ程度とする。Ｗ核形成条件の一例を下記に示す。
【００３１】
［ＷＦ6ガス供給条件］
ＷＦ6／Ａｒ／Ｎ2の各流量：３０／２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力 ：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは１０秒
【００３２】
［ＷＦ6ガス雰囲気の排気条件］
Ａｒ／Ｎ2の各流量 ：２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは５秒
【００３３】
〔ＳｉＨ4ガス供給条件〕
ＳｉＨ4／Ａｒ／Ｎ2の各流量：１８／２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは１０秒成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）
成膜時間 ：６０秒未満、ここでは１０秒
【００３４】〔ＳｉＨ4ガス雰囲気の排気条件〕
Ａｒ／Ｎ2の各流量 ：２０００／９００ｓｃｃｍ成膜温度 ：２５０℃〜５００℃、ここでは３５０℃チャンバー内の圧力：１．０×１０3Ｐａ（７．５Ｔｏｒｒ）成膜時間 ：６０秒未満、ここでは５秒
【００３５】前記したステップ１〜３からなる一連のシーケンスを複数回繰り返し行い、Ｗ核形成を行う。各反応ガス供給のタイムチャートを図７に示す。
【００３６】先ず、時刻ｔ０にて不活性ガスＡｒ／Ｎ2を時刻ｔ１まで導入する。続いて、時刻ｔ１にてＷＦ6／Ａｒ／Ｎ2ガスを時刻ｔ２まで導入する。この状態では、ＷＦ6はその反応ガスがないためにコンタクト孔内部を含めたウェーハ表面全体に均一に吸着している。
【００３７】続いて、時刻ｔ２にてＷＦ6ガスの導入を停止させ、ＷＦ6ガス雰囲気を排気するために時刻ｔ３までＡｒ／Ｎ2を流す。続いて、時刻ｔ３にてＳｉＨ4／Ａｒ／Ｎ2ガスを時刻ｔ４まで導入する。この状態では、先に流し、基板表面に吸着しているＷＦ6とＳｉＨ4が反応するため、コンタクト孔内部までＷ成膜が進行する。続いて、時刻ｔ４にてＳｉＨ4ガスの供給を停止させ、ＳｉＨ4ガス雰囲気を排気するために、Ａｒ／Ｎ2を時刻ｔ５まで流す。
【００３８】時刻ｔ５からは、先に述べたシーケンスを複数回繰り返し行う。これにより、コンタクト孔内を含めたウェーハ表面にＷ核を全面に均一形成することが可能となる。
【００３９】次に、ステップ３として、ＷＦ6ガス及びＨ2ガスを用いたＷ膜の成膜を行う。Ｗ膜の膜厚は、コンタクト孔を埋め込むために必要な膜厚を成膜すれば良い。この場合、下層へのＷＦ6の侵食を抑えるため、以下のように２段階に流量を変化させることが好適である。Ｗ膜形成条件の一例を下記に示す。
【００４０】
〔Ｗ形成条件−１回目〕
ＷＦ6ガスの流量 ：７０ｓｃｃｍＡｒガスの流量 ：９００ｓｃｃｍＨ2ガスの流量 ：１５００ｓｃｃｍチャンバー内の圧力 ：２．７×１０3Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）
成膜温度 ：３００℃〜５００℃、ここでは３７０℃
【００４１】
〔Ｗ形成条件−２回目〕
ＷＦ6ガスの流量 ：９０ｓｃｃｍＡｒガスの流量 ：９００ｓｃｃｍＨ2ガスの流量 ：７５０ｓｃｃｍチャンバー内の圧力 ：２．７×１０3Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）
成膜温度 ：３００℃〜５００℃、ここでは３７０℃
【００４２】このステップ３では、低抵抗且つ高カバレッジのＷ膜を成膜することが可能となる。
【００４３】続いて、図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜１８を研磨ストッパーとして、上述のステップ１〜３を経て形成されたＷ膜２３及び下地膜をＣＭＰ法により研磨し、コンタクト孔２０内のみを下地膜を介して充填するＷプラグ２４を形成する。
【００４４】続いて、図５（ｂ）に示すように、スパッタ法により全面にＡｌ膜２５を膜厚８００ｎｍ程度に堆積する。
【００４５】続いて、図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィー及びそれに続くドライエッチングによりＡｌ膜２５を配線形状に加工し、Ｗプラグ２４と接続されたＡｌ配線２６をパターン形成する。
【００４６】以上の工程により、下層のＣｕ配線１６と上層のＡｌ配線２６がＷプラグ２４を介して電気的に接続されてなる配線構造を完成させる。前記形成方法により当該配線構造を実際に形成し、図４（ｄ）に示すようなＷ膜を堆積した状態における断面観察結果を図８に示す。コンタクト孔内にＣｕ溶出が認められないことが明確に示されている。
【００４７】しかる後、更なる層間絶縁膜やビア孔、上層配線等、保護膜等の形成工程を経て、ＭＯＳトランジスタを完成させる。
【００４８】以上説明したように、本実施形態によれば、下層配線をダマシン法によるＣｕ配線、そのコンタクトプラグをＷを材料として形成するも、Ｃｕ配線からＷプラグへのＣｕ溶出を抑止しつつ、コンタクト孔のＷ膜による埋め込みを確実に行い、Ｃｕ配線−Ｗプラグ−Ａｌ配線を含む配線構造を高信頼性をもって不都合なく形成することが可能となる。
【００４９】以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５０】（付記１）半導体基板の上部に少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線を形成する工程と、前記下層配線を覆う絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に前記配線の表面の一部を露出する開孔を形成する工程と、少なくとも前記開孔を埋め込み前記下層配線と導通するように、高融点金属材料を堆積する工程とを含むことを特徴とする配線構造の形成方法。
【００５１】（付記２）前記高融点金属材料がタングステンであることを特徴とする付記１に記載の配線構造の形成方法。
【００５２】（付記３）少なくとも前記開孔の内壁面を覆うように、前記下層配線と高融点金属材料とを密着させるための下地膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする付記１又は２に記載の配線構造の形成方法。
【００５３】（付記４）前記下地膜がタンタル化合物層及びチタン化合物層の積層膜、或いはタンタル化合物層又はチタン化合物層の単層膜であることを特徴とする付記３に記載の配線構造の形成方法。
【００５４】（付記５）前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程において、前記材料により前記開孔内のみを充填するプラグを形成し、少なくともアルミニウムを含有する材料からなり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と導通する下層配線を形成する工程を更に含むことを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００５５】（付記６）前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、第１の還元系ガスを用いて前記半導体基板を熱処理する工程を含むことを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００５６】（付記７）前記第１の還元系ガスが水素ガスであることを特徴とする付記６に記載の配線構造の形成方法。
【００５７】（付記８）前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、前記半導体基板に前記高融点金属の化合物ガスをある一定時間連続して供給する第１の工程と、前記化合物ガスの供給を停止させた後に、前記化合物ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第２の工程と、前記半導体基板に第２の還元系ガスをある一定時間連続して供給する第３の工程と、前記第２の還元系ガスの供給を停止させた後に、前記第２の還元系ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第４の工程とを含み、前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行し、所望の膜厚となるように前記高融点金属材料を堆積することを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００５８】（付記９）前記第１の工程では、前記化合物ガスの供給時間を６０秒未満とし、前記第３の工程では、前記第２の還元系ガスの供給時間を６０秒未満とし、前記第２の工程及び前記第４の工程では、排気時間を６０秒未満とすることを特徴とする付記８に記載の配線構造の形成方法。
【００５９】（付記１０）前記第２の還元系ガスがシランガスであることを特徴とする付記８又は９に記載の配線構造の形成方法。
【００６０】（付記１１）前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行した後、前記半導体基板に前記化合物ガス及び第３の還元系ガスを同時にある一定時間連続して供給する第５の工程を更に実行することを特徴とする付記８〜１０のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００６１】（付記１２）前記第５の工程において、少なくとも前記化合物ガスの流量を複数段階に変化させることを特徴とする付記１１に記載の配線構造の形成方法。
【００６２】（付記１３）前記第３の還元系ガスが水素ガスであることを特徴とする請求１１又は１２に記載の配線構造の形成方法。
【００６３】（付記１４）前記化合物ガスが六フッ化タングステンガスであることを特徴とする付記８〜１３のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【００６４】（付記１５）少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線と、少なくとも、前記下層配線上の絶縁膜に形成された開孔を埋め込み、前記下層配線と電気的に接続されるように形成された高融点金属膜とを含むことを特徴とする配線構造。
【００６５】（付記１６）前記高融点金属膜が前記開孔のみを充填するプラグであり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と電気的に接続される、少なくともアルミニウムを含有する材料からなる上層配線を更に含むことを特徴とする付記１５に記載の配線構造。
【００６６】（付記１７）前記高融点金属がタングステンであることを特徴とする付記１５又は１６に記載の配線構造。
【００６７】（付記１８）少なくとも前記下層配線と前記プラグとの間に、両者を密着させるための下地膜が設けられていることを特徴とする付記１５〜１７のいずれか１項に記載の配線構造。
【００６８】（付記１９）前記下地膜がタンタル化合物層及びチタン化合物層の積層膜、或いはタンタル化合物層又はチタン化合物層の単層膜であることを特徴とする付記１８に記載の配線構造。
【００６９】
【発明の効果】本発明によれば、配線遅延を抑止し配線の微細化及び多層配線化を可能とする配線構造、及び当該配線構造の材料に固有の諸問題、例えば一方の材料の他方の材料への溶出等の不都合を解決して、信頼性の高い配線構造を実現することが可能となる。これにより、当該配線構造を適用して各種半導体デバイスの高性能化を図り、歩留まりや生産性の向上が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線構造の具体例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の配線構造の形成方法を適用することなく、Ｃｕ配線及びＷプラグを形成した場合の様子を示す顕微鏡写真である。
【図３】本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図４】図３に引き続き、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】図４に引き続き、本実施形態による配線構造の形成方法を工程順に示す概略断面図である。
【図６】本実施形態に用いるＣＶＤ装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】本実施形態における各反応ガス供給のタイムチャートである。
【図８】本発明の配線構造の形成方法を適用して、Ｃｕ配線及びＷプラグを形成した場合の様子を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ ガス導入口
２ ミキシングブレード
３ 分散板
４ シャワーヘッド
５ 反応チャンバー
６ ウェーハ
７ クランプリング
８ ウェーハ支持台
９ 温度測定熱電対
１０ 排気口
１１ 加熱用ランプ
１２ 配線溝
１３ バリアメタル膜
１４，１５ Ｃｕ膜
１６，１０１ Ｃｕ配線
１７ シリコン窒化膜
１８ 層間絶縁膜
２０ コンタクト孔
２１ ＴａＮ膜
２２ ＴｉＮ膜
２３ Ｗ膜
２４，１０２ Ｗプラグ
２５ Ａｌ膜
２６，１０３ Ａｌ配線
３１ シリコン酸化膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体基板の上部に少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線を形成する工程と、前記下層配線を覆う絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に前記配線の表面の一部を露出する開孔を形成する工程と、少なくとも前記開孔を埋め込み前記下層配線と導通するように、高融点金属材料を堆積する工程とを含むことを特徴とする配線構造の形成方法。
【請求項２】 少なくとも前記開孔の内壁面を覆うように、前記下層配線と高融点金属材料とを密着させるための下地膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の配線構造の形成方法。
【請求項３】 前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程において、前記材料により前記開孔内のみを充填するプラグを形成し、少なくともアルミニウムを含有する材料からなり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と導通する下層配線を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の配線構造の形成方法。
【請求項４】 前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、第１の還元系ガスを用いて前記半導体基板を熱処理する工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項５】 前記第１の還元系ガスが水素ガスであることを特徴とする請求項４に記載の配線構造の形成方法。
【請求項６】 前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、前記半導体基板に前記高融点金属の化合物ガスをある一定時間連続して供給する第１の工程と、前記化合物ガスの供給を停止させた後に、前記化合物ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第２の工程と、前記半導体基板に第２の還元系ガスをある一定時間連続して供給する第３の工程と、前記第２の還元系ガスの供給を停止させた後に、前記第２の還元系ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第４の工程とを含み、前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行し、所望の膜厚となるように前記高融点金属材料を堆積することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項７】 少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線と、少なくとも、前記下層配線上の絶縁膜に形成された開孔を埋め込み、前記下層配線と電気的に接続されるように形成された高融点金属膜とを含むことを特徴とする配線構造。
【請求項８】 前記高融点金属膜が前記開孔のみを充填するプラグであり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と電気的に接続される、少なくともアルミニウムを含有する材料からなる上層配線を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の配線構造。
【請求項９】 前記高融点金属がタングステンであることを特徴とする請求項７又は８に記載の配線構造。
【請求項１０】 少なくとも前記下層配線と前記プラグとの間に、両者を密着させるための下地膜が設けられていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の配線構造。
【請求項１】 半導体基板の上部に少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線を形成する工程と、前記下層配線を覆う絶縁膜を形成し、前記絶縁膜に前記配線の表面の一部を露出する開孔を形成する工程と、少なくとも前記開孔を埋め込み前記下層配線と導通するように、高融点金属材料を堆積する工程とを含むことを特徴とする配線構造の形成方法。
【請求項２】 少なくとも前記開孔の内壁面を覆うように、前記下層配線と高融点金属材料とを密着させるための下地膜を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の配線構造の形成方法。
【請求項３】 前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程において、前記材料により前記開孔内のみを充填するプラグを形成し、少なくともアルミニウムを含有する材料からなり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と導通する下層配線を形成する工程を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の配線構造の形成方法。
【請求項４】 前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、第１の還元系ガスを用いて前記半導体基板を熱処理する工程を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項５】 前記第１の還元系ガスが水素ガスであることを特徴とする請求項４に記載の配線構造の形成方法。
【請求項６】 前記開孔を前記高融点金属材料により埋め込む工程は、前記半導体基板に前記高融点金属の化合物ガスをある一定時間連続して供給する第１の工程と、前記化合物ガスの供給を停止させた後に、前記化合物ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第２の工程と、前記半導体基板に第２の還元系ガスをある一定時間連続して供給する第３の工程と、前記第２の還元系ガスの供給を停止させた後に、前記第２の還元系ガスの雰囲気をある一定時間連続して排気する第４の工程とを含み、前記第１の工程〜前記第４の工程からなる一連のプロセスを１回又は複数回実行し、所望の膜厚となるように前記高融点金属材料を堆積することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の配線構造の形成方法。
【請求項７】 少なくとも銅を含有する材料からなる下層配線と、少なくとも、前記下層配線上の絶縁膜に形成された開孔を埋め込み、前記下層配線と電気的に接続されるように形成された高融点金属膜とを含むことを特徴とする配線構造。
【請求項８】 前記高融点金属膜が前記開孔のみを充填するプラグであり、前記プラグ上で当該プラグを介して前記下層配線と電気的に接続される、少なくともアルミニウムを含有する材料からなる上層配線を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の配線構造。
【請求項９】 前記高融点金属がタングステンであることを特徴とする請求項７又は８に記載の配線構造。
【請求項１０】 少なくとも前記下層配線と前記プラグとの間に、両者を密着させるための下地膜が設けられていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の配線構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００３−２４３４９７（Ｐ２００３−２４３４９７Ａ）
【公開日】平成１５年８月２９日（２００３．８．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００２−３７３９３（Ｐ２００２−３７３９３）
【出願日】平成１４年２月１４日（２００２．２．１４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（０００２３７６１７）富士通ヴィエルエスアイ株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１５年８月２９日（２００３．８．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年２月１４日（２００２．２．１４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（０００２３７６１７）富士通ヴィエルエスアイ株式会社 (10)
【Ｆターム（参考）】
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