JP3542326B2

JP3542326B2 - 多層配線構造の製造方法

Info

Publication number: JP3542326B2
Application number: JP2000292311A
Authority: JP
Inventors: 正三新宮原; 隆行高萩; 弘之坂上
Original assignee: 株式会社半導体理工学研究センター
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2020-09-26
Also published as: JP2002110784A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線構造の製造方法に関し、特に、上層配線層と下層配線層との間を接続するビアコンタクト構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、一般的な多層配線構造２０の断面図である。かかる多層配線構造２０では、トランジスタ等の素子（図示せず）が形成された半導体基板１上に、絶縁膜２と下層配線層３とが形成されている。下層配線層３は、半導体基板１に形成された素子（図示せず）に接続されている。図４では、下層配線層３は紙面に垂直な方向に延びている。
絶縁膜２上には、層間絶縁膜４が形成され、例えば横断面が略円形のビアホールが下層配線層３上の位置に設けられる。ビアホール内には、バリアメタル層５、めっき層７が順次形成され、ビアコンタクトが形成される。更に、層間絶縁膜４上には、ビアコンタクトと電気的に接続された上層配線層８が形成される。図４では、上層配線層８は紙面に平行な方向に延びている。
このように、下層配線層３と上層配線層８とがビアコンタクトを介して電気的に接続されて、多層配線構造２０が形成される。
【０００３】
図５は、電解めっき法を用いた従来の多層配線構造の製造工程である。まず、工程（ａ）に示すように、一般的な方法を用いて、半導体基板１上に絶縁膜２、下層配線層３を形成し、その上に層間絶縁膜４を形成する。
【０００４】
次に、工程（ｂ）に示すように、下層配線層３上の層間絶縁膜４に、例えば断面が略円形のビアホール８を形成し、その内壁にバリアメタル層５を形成する。なお、工程（ｂ）以下の工程では、半導体基板１が省略されている。
【０００５】
次に、工程（ｃ）に示すように、スパッタ法で、後に行われる電解めっき法に用いるシード層６を形成する。
【０００６】
最後に、工程（ｄ）に示すように、電解めっき法を用いて、シード層６上にめっき層７を形成して、ビアホール８を埋め込み、ビアコンタクトを形成する。
【０００７】
層間絶縁膜４上のシード層６、めっき層７をＣＭＰ法等により除去し、ビアコンタクトと電気的に接続するように上層配線層（図示せず）を形成する。かかる工程により、図４に示す多層配線構造２０が形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、回路の高集積化、小型化に伴い、回路に使用される多層配線構造のビアホールのアスペクト比（深さ／直径）が大きくなり、スパッタで形成されたシード層６の膜厚の均一性が悪くなる。特に、図５（ｃ）に示すように、ビアホール８の側面において、シード層６の厚みが部分的に薄くなったり、又はシード層６が部分的に形成されなかったりする。この結果、シード層６を用いた電解めっき工程において、シード層６の薄いビアホールの側面上には、めっき層７が十分に形成されず、図５（ｄ）に示すようなボイド１２が形成され、ビアコンタクトの高抵抗化や断線の原因となっていた。
【０００９】
これに対して、近年、無電解めっき法を用いたビアコンタクトの形成方法が提案されている。図６は、無電解めっき法を用いた多層配線構造の製造工程である。
図５（ａ）（ｂ）と同様の方法で、図６（ａ）に示すように、層間絶縁膜４中に、表面がバリアメタル層５で覆われたビアホール８を形成する。なお、図６（ａ）〜（ｃ）では、半導体基板１は省略されている。
【００１０】
次に、図６（ｂ）に示すように、層間絶縁膜４の表面上、及びビアホール８の底面及び側面上に、略均一な厚みの貴金属の触媒層９を湿式法で形成する。
【００１１】
最後に、無電解めっき法を用いて、触媒層９上に無電解めっき層１０を成長させる。一般に、無電解めっき法では、触媒層９上の全面で触媒反応が略均一に起きるため、全面に渡って略均一な厚みのめっき層１０を形成することができる。
しかしながら、ビアホール８のアスペクト比が高くなると、ビアホール８内へのめっき液の供給が不十分となり、ビアホール８の底面近傍で、めっき層１０の堆積速度が遅くなる。この結果、図６（ｃ）に符号１２で示したようなボイドが発生し、無電解めっき法を用いた場合であっても、ビアコンタクトの高抵抗化や断線が発生していた。
【００１２】
そこで、本発明は、高集積化、小型化された回路において、無電解めっき法を用いて、アスペクト比の高いビアホールを埋め込んでビアコンタクトを形成した多層配線構造を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、層間絶縁膜を挟むように配線層を設け、該配線層間をビアコンタクトで接続する多層配線構造の製造方法であって、基板を準備する工程と、該基板上に下層配線層を形成する工程と、該下層配線層を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、該下層配線層上の該層間絶縁膜を貫通し、該下層配線層が露出するように、ビアホールを形成する工程と、該下層配線層と電気的に接続するように該ビアホールにめっき金属層を埋め込み、ビアコンタクトとするビアコンタクト形成工程と、該ビアコンタクトと電気的に接続するように、該層間絶縁膜上に上層配線層を形成する工程とを含み、該ビアコンタクト形成工程が、該ビアホールの底面上及び側面上に、膜厚が略均一な触媒層を形成する工程と、該側壁上の該触媒層を基板バイアススパッタ法で除去し、該底面上に該触媒層を残す工程と、該触媒層上に該ビアホールの上方に向って該めっき金属層を成長させ、該めっき金属層で該ビアホールを充填する無電解めっき工程とを含むことを特徴とする多層配線構造の製造方法である。
かかる製造方法では、ビアホールの底面から開口部に向ってめっき層が堆積されるため、従来の方法で発生していたボイドが形成されることなく、ビアホールをめっき層で埋め込むことができる。これにより、ボイドの発生に起因するビアコンタクトの高抵抗化や断線を防止することができる。また、ビアホールの底面上に触媒層を形成することにより、触媒層を用いた無電解めっき工程でのボイドの発生を防止することができる。
【００１４】
また、本発明は、層間絶縁膜を挟むように配線層を設け、該配線層間をビアコンタクトで接続する多層配線構造の製造方法であって、基板を準備する工程と、該基板上に下層配線層を形成する工程と、該下層配線層を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、該下層配線層上の該層間絶縁膜を貫通し、該下層配線層が露出するように、ビアホールを形成する工程と、該下層配線層と電気的に接続するように該ビアホールにめっき金属層を埋め込み、ビアコンタクトとするビアコンタクト形成工程と、該ビアコンタクトと電気的に接続するように、該層間絶縁膜上に上層配線層を形成する工程とを含み、該ビアコンタクト形成工程が、ドライプロセスにより、該ビアホールの底面上及び側面上に、該側面上より該底面上でその膜厚が厚くなるように、触媒層を形成する工程と、該触媒層をウエットエッチングで除去して、該底面上に該触媒層を残す工程と、該触媒層を用いた無電解めっき法により、該触媒層上に該ビアホールの上方に向って該めっき金属層を成長させ、該めっき金属層で該ビアホールを充填する無電解めっき工程とを含むことを特徴とする多層配線構造の製造方法でもある。
【００１５】
上記触媒層の膜厚は、上記底面上において、上記側面上における膜厚の２倍以上の膜厚であることが好ましい。
ウエットエッチング工程を用いて、ビアホールの側面上の触媒層のみを選択的に除去できるからである。
【００１６】
上記側面上の上記触媒層を除去する工程は、粘性を１０センチポアズ以上に調整したエッチング液を用いたウエットエッチング工程でも良い。
ビアホールの底面上の触媒層へのエッチング液の供給を抑制し、側面上の触媒層のみを選択的に除去できるからである。
【００１７】
上記触媒層は、上記ビアホールの上記底面上、及び該底面近傍の上記側面上に連続して設けられるものであっても良い。
【００１８】
上記触媒層は、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム及び金からなる群より選択される一の金属からなることが好ましい。
【００１９】
上記めっき金属層は、銅、アルミニウム及び銀からなる群より選択された一の金属からなることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本実施の形態にかかる多層配線構造の製造工程の断面図である。かかる方法では、まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１が準備される。半導体基板１には、例えば、シリコン基板が使用される。半導体基板１上には、トランジスタ等の半導体素子が、一般的な製造プロセスを用いて形成される。
【００２１】
半導体基板１上には、例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜２と、例えば銅からなる下層配線層３が形成される。下層配線層３は、半導体基板１に形成されたトランジスタ（図示せず）等と接続されている。図１（ａ）では、下層配線層３は、紙面に垂直な方向に伸びている。
【００２２】
続いて、絶縁膜２、下層配線層３上の全面に、例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜４が形成される。層間絶縁膜４の下層配線層３上には、一般的なリソグラフィ工程、エッチング工程を用いてビアホール８が形成される。ビアホール８は、例えば横断面が円形であり、その底部には下層配線層３の表面が露出している。
【００２３】
続いて、ビアホール８の底面及び側面を覆うように、例えばＴａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮのようなバリアメタル層５が、スパッタ法を用いて形成される。かかるバリアメタル層５は、ビアホール８に埋め込まれる銅が、後の工程で層間絶縁膜４内に拡散するのを防止する。ビアホール８に埋め込む金属の種類によってはバリアメタル層５を設けないことも可能である。
【００２４】
次に、図１（ｂ）に示すように、触媒金属コロイド吸着法を用いて、無電解めっき法に使用する触媒層９が形成される。具体的には、例えば、塩化スズ水溶液を用いて、ビアホール８の内部表面及び層間絶縁膜４上にスズを吸着させた後に、塩化パラジウム水溶液を用いてスズをパラジウムで置換し、パラジウムコロイドからなる触媒層９が形成される。触媒層９の膜厚は、ビアコンタクトの電気抵抗が大きくならないように、１０ｎｍ以下であることが好ましい。
なお、図１（ａ）から（ｅ）では、基板１は省略されている。
【００２５】
次に、図１（ｃ）に示すように、Ａｒ、Ｎ_２、ＮＨ_３等のプラズマを用いたスパッタにより、ビアホール８の底面上及びかかる底面近傍の側面上にのみ触媒層９が残るように触媒層９を除去する。この場合、ビアホール８の側面上の触媒層９は、スパッタされた後にビアホール８の底面近傍に再付着する。かかるスパッタでは、例えば半導体基板１に高周波バイアスを印加することにより、方向性を有するイオンビームを半導体基板１上に照射することができる。ビアホール８の底面上の触媒層９がスパッタされるのを防止するために、圧力が１００ｍＴｏｒｒ以上、印加される高周波バイアスが３００Ｖ以下の条件で、スパッタが行われることが好ましい。
なお、図１（ｃ）では、ビアホール８の側面上にも触媒層９を残したが、側面上の触媒層９をすべて除去して底面上にのみ残してもかまわない。
【００２６】
次に、図１（ｄ）に示すように、パラジウムからなる触媒層９を用いた無電解めっき法により、銅の無電解めっき層１０が触媒層９上に形成される。この場合、無電解めっき層１０は、触媒層９の表面からビアホール８の上方に向かって堆積される。このため、ビアホール８は下方から上方に向かって埋め込まれていくため、図６（ｃ）に示すような、従来の無電解めっき法で発生していたボイド１２の発生を防止することができる。最終的に、図１（ｄ）に示すように、ビアホール８が無電解めっき層１０で埋め込まれた状態で、無電解めっき工程を終了させる。
【００２７】
最後に、図１（ｅ）に示すように、ＣＭＰ法等を用いて、層間絶縁膜４の表面から上方に突出した無電解めっき層１０を除去し、その上に、例えば銅からなる上層配線層１１を形成する。図１（ｅ）では、上層配線層１１は、紙面に平行な方向に延びている。
以上の工程により、下層配線層３と上層配線層１１とが、無電解めっき層１０を含むビアコンタクトにより接続された多層配線構造が形成される。
【００２８】
実施の形態２
図２は、本実施の形態にかかる他の多層配線構造の製造工程の断面図である。かかる方法では、まず、上述の図１（ａ）の工程と同様の工程により、図２（ａ）に示すバリアメタル層５が設けられたビアホール８が形成される。なお、図２（ａ）から（ｅ）では、基板１は省略されている。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、ビアホールの底面及び側面を覆うように、例えばパラジウムからなる触媒層９が形成される。触媒層９の形成には、例えば、イオン化スパッタ法、イオンビーム蒸着法、アーク放電堆積法、クラスターイオンビーム蒸着法のようなドライプロセスが用いられる。
かかるドライプロセスでは、触媒層９が異方性を持って堆積される。即ち、ビアホール８内において、触媒層９の膜厚は、側面上より底面上の方が厚く形成される。特に、底面上の触媒層９の膜厚が、側面上の触媒層９の膜厚の２倍以上であることが好ましい。なお、ビアコンタクトの電気抵抗を大きくしないために、触媒層９の膜厚は、１０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
次に、図２（ｃ）に示すように、層間絶縁膜４上の触媒層９が、ＣＭＰ法により除去される。
【００３１】
次に、図２（ｄ）に示すように、ウエットエッチング法を用いて、ビアホール８の側面上の触媒層９を選択的に除去し、ビアホール８の底面上にのみ触媒層９を残す。上述のように、触媒層９の膜厚は、底面上で側面上より厚くなっているため、通常の等方性エッチングを行うことにより、側面上の触媒層９を選択的に除去することができる。エッチング液としては、塩酸、硝酸及び酢酸の混合液、塩酸と硝酸の混合液等を使用することができる。
【００３２】
一方、エッチング液の粘性を調整することにより、ビアホール８の底面へのエッチング液の供給を抑制した選択エッチングが可能となる。即ち、ビアホールのアスペクト比が大きい場合、エッチング液の粘性を大きくするとビアホールにエッチング液が入りにくくなり、ビアホールの開口部近傍の触媒層９のみを選択的なエッチングすることができる。
かかる方法により、ビアホール８の底部に触媒層９を残しながら、側面上の触媒層９のみを選択的に除去することができる。
また、上記図２（ｃ）の工程で行ったＣＭＰ工程を省略し、ビアホール８の側面上の触媒層９と同時に、層間絶縁膜４上の触媒層９を除去することも可能である。
【００３３】
なお、図２（ｄ）では、ビアホール８の底面上にのみ触媒層９を残したが、図１（ｃ）のように、底面近傍の側面上に触媒層９を残してもかまわない。
【００３４】
次に、図２（ｅ）に示すように、無電解めっき法により触媒層９上に銅からなる無電解めっき層１０を堆積させる。無電解めっき層１０はビアホール８内を埋め込むように堆積され、これによりビアコンタクトが形成される。めっき層１０は、ビアホール８の下方から上方に向かって、ビアホール８を埋め込むように堆積される。このため、めっき層１０中にボイドは発生しない。
最後に、層間絶縁膜４上の無電解めっき層１０をＣＭＰ法により除去し、更に、例えば銅からなる上層配線層１１が形成される。かかる工程により、多層配線構造を得ることができる。
【００３５】
参考例
図３は、参考例にかかる他の多層配線構造の製造工程の断面図である。かかる方法では、まず、上述の図１（ａ）の工程と同様の工程により、図３（ａ）に示すバリアメタル層５が設けられたビアホール８が形成される。なお、図３（ａ）から（ｅ）の工程においても、基板１が省略されている。
【００３６】
次に、図２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜４上に、ビアホール８を埋め込むようにフォトレジスト層１１を形成する。更に、一般的な、フォトリソグラフィ工程を用いて、ビアホール８の内部のフォトレジスト層１１に、ビアホール８の直径より小さい直径を有する孔部を設ける。孔部の底面には、ビアホール８内に設けられたバリアメタル層５が露出している。
【００３７】
次に、図３（ｃ）に示すように、例えば触媒金属コロイド吸着法を用いて、触媒層９が孔部の底面上に形成される。
【００３８】
次に、図３（ｄ）に示すように、フォトレジスト層１１を除去することにより、ビアホール８の底面上の一部に触媒層９を形成することができる。
なお、触媒層９は、図３（ｃ）の工程で、例えばドライプロセスにより、フォトレジスト層１１の上部と、孔部の底部に触媒層９を形成し、図３（ｄ）の工程で、フォトレジスト層１１上の触媒層９をリフトオフすることにより形成してもかまわない。
【００３９】
次に、図３（ｅ）に示すように、無電解めっき法により触媒層９上に銅からなる無電解めっき層１０を堆積させる。無電解めっき層１０はビアホール８内を埋め込むように堆積され、これによりビアコンタクトが形成される。この場合も、ビアホール８の下方から上方に向かって、めっき層１０が堆積されるため、めっき層１０中にボイドは発生しない。
最後に、層間絶縁膜４上の無電解めっき層１０をＣＭＰ法により除去し、更に、例えば銅からなる上層配線層１１が形成される。かかる工程により、多層配線構造を得ることができる。
【００４０】
なお、実施の形態１、２及び参考例では、触媒層９にパラジウムを用い、無電解めっき層１０として銅を埋め込む場合について説明したが、触媒層９には、パラジウムの他に、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、金等を用いることもできる。また、無電解めっき層１０には、銅の他に、アルミニウム、銀等を用いることもできる。
【００４１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明にかかる多層配線構造の製造方法では、ビアホールの底面から開口部に向かってめっき層が堆積されるため、ボイドが発生することなくビアホールをめっき層で埋め込むことができる。
この結果、ボイドの発生に起因するビアコンタクトの高抵抗化、断線等を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる多層配線構造の製造工程の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態にかかる多層配線構造の製造工程の断面図である。
【図３】本発明の参考例にかかる多層配線構造の製造工程の断面図である。
【図４】従来の多層配線構造の断面図である。
【図５】従来の多層配線構造の製造工程の断面図である。
【図６】従来の多層配線構造の製造工程の断面図である。
【符号の説明】
１...半導体基板、２...絶縁膜、３...下層配線層、４...層間絶縁膜、５...バリアメタル層、６...シード層、７...めっき層、８...ビアホール、９...触媒層、１０...めっき層、１１...上層配線層、１２...ボイド、２０...多層配線構造。

Claims

層間絶縁膜を挟むように配線層を設け、該配線層間をビアコンタクトで接続する多層配線構造の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
該基板上に下層配線層を形成する工程と、
該下層配線層を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
該下層配線層上の該層間絶縁膜を貫通し、該下層配線層が露出するように、ビアホールを形成する工程と、
該下層配線層と電気的に接続するように該ビアホールにめっき金属層を埋め込み、ビアコンタクトとするビアコンタクト形成工程と、
該ビアコンタクトと電気的に接続するように、該層間絶縁膜上に上層配線層を形成する工程とを含み、
該ビアコンタクト形成工程が、
該ビアホールの底面上及び側面上に、膜厚が略均一な触媒層を形成する工程と、
該側壁上の該触媒層を基板バイアススパッタ法で除去し、該底面上に該触媒層を残す工程と、
該触媒層上に該ビアホールの上方に向って該めっき金属層を成長させ、該めっき金属層で該ビアホールを充填する無電解めっき工程とを含むことを特徴とする多層配線構造の製造方法。
層間絶縁膜を挟むように配線層を設け、該配線層間をビアコンタクトで接続する多層配線構造の製造方法であって、
基板を準備する工程と、
該基板上に下層配線層を形成する工程と、
該下層配線層を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
該下層配線層上の該層間絶縁膜を貫通し、該下層配線層が露出するように、ビアホールを形成する工程と、
該下層配線層と電気的に接続するように該ビアホールにめっき金属層を埋め込み、ビアコンタクトとするビアコンタクト形成工程と、
該ビアコンタクトと電気的に接続するように、該層間絶縁膜上に上層配線層を形成する工程とを含み、
該ビアコンタクト形成工程が、
ドライプロセスにより、該ビアホールの底面上及び側面上に、該側面上より該底面上でその膜厚が厚くなるように、触媒層を形成する工程と、
該触媒層をウエットエッチングで除去して、該底面上に該触媒層を残す工程と、
該触媒層を用いた無電解めっき法により、該触媒層上に該ビアホールの上方に向って該めっき金属層を成長させ、該めっき金属層で該ビアホールを充填する無電解めっき工程とを含むことを特徴とする多層配線構造の製造方法。
上記触媒層の膜厚が、上記底面上において、上記側面上における膜厚の２倍以上の膜厚であることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
上記側壁上の上記触媒層を除去する工程が、粘性を１０センチポアズ以上に調整したエッチング液を用いたウエットエッチング工程であることを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の製造方法。
上記触媒層が、上記ビアホールの上記底面上、及び該底面近傍の上記側面上に連続して設けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の製造方法。
上記触媒層が、パラジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム及び金からなる群より選択される一の金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の製造方法。
上記めっき金属層が、銅、アルミニウム及び銀からなる群より選択された一の金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の製造方法。