説明

半導体装置の製造方法

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製造方法に係り、詳しくは、半導体基板を覆う絶縁膜の接続孔又は接続溝に、銅又は銅を主成分とする配線をCVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法を利用して形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の代表として知られているマイクロプロセッサやメモリなどのLSI(大規模集積回路)は、集積度の向上につれて個々の素子の寸法は益々微細化されてきており、これに伴って各素子を構成する半導体領域の寸法も微細化されている。また、各半導体領域に対して配線を接続する場合、絶縁膜に形成するコンタクトホールやビアホールなどの接続孔、又は配線を埋め込む接続溝の径も微細化されてきている。さらに、配線密度が高くなってきているので、配線を半導体基板の厚さ方向に多層にわたって積層するようにした多層配線技術が発展してきている。
【0003】このようなLSIにおいて、特に高速向きのマイクロプロセッサなどでは、動作上特に配線の抵抗値が問題となるので、低い抵抗値の配線が望まれている。従来から、LSIを含めた半導体装置の配線材料としては、電気的特性、加工性などの点で優れているアルミニウム(Al)またはアルミニウムを主成分とするアルミニウム系金属が用いられてきている。しかしながら、同アルミニウム系金属は、エレクトロマイグレーション耐性、ストレスマイグレーション耐性に弱いという欠点がある。このため、アルミニウム系金属に代わって同アルミニウム系金属よりも抵抗値が小さくて、エレクトロマイグレーション耐性、ストレスマイグレーション耐性に優れている銅(Cu)又は銅を主成分とする銅系金属が用いられる傾向になる。
【0004】このように配線材料として優れている銅系金属からなる薄膜を半導体基板上に形成するには、一般にCVD法又はスパッタ法や蒸着法などのPVD(PhysicalVapor Deposition:物理的気相成長)法により行われるが、通常は段差被覆性(ステップカバレッジ)に優れているCVD法を利用して形成されることが多い。ところで、CVD法により銅系金属薄膜を形成する場合、同薄膜を配線として十分な膜厚となるように比較的厚く形成すると、同薄膜中にボイド(気泡・空隙)の発生が避けられないことが知られている。配線にそのようなボイドが存在すると、配線抵抗が高くなったり、断線の原因になったりするので、半導体装置の信頼性を低下させることになる。
【0005】このため、ボイドの発生を抑制又は防止するようにして銅配線を形成することが考えられている。例えば特開平10−79389号公報には、CVDにより銅配線を形成する場合に、ボイドの影響を避けるようにした半導体装置の製造方法が開示されている。以下、図7(a)〜(d)を参照して、同半導体装置の製造方法について工程順に説明する。まず、図7(a)に示すように、シリコン基板61を覆う酸化シリコン膜からなる膜厚が略0.1μmの絶縁膜62に凹部63A、63Bを形成した後、同凹部63A、63Bを含むシリコン基板61上に拡散防止膜64を介して、CVD法により膜厚が略150nmの第1層目の銅薄膜65を形成する。このとき、同銅薄膜65にはボイド66A、66Bが形成される。
【0006】次に、図7(b)に示すように、シリコン基板61を略400℃で、略10分間アニール処理を行うことにより、第1層目の銅薄膜65を流動(リフロー)させてボイド66A、66Bに銅を流し込む。次に、図7(c)に示すように、上述と同様なCVD法により、第1層目の銅薄膜65上に第2層目の銅薄膜66を形成する。次に、図7(d)に示すように、CMP(Chemical Mechnical Polishing:化学的機械的研磨)法により、第1層目及び第2層目の銅薄膜65、66の表面を研磨して、各凹部63A、63Bに埋め込まれた銅配線67を形成する。これにより、ボイドの存在しない銅配線67を得ることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の公報記載の半導体装置の製造方法は、配線として十分な膜厚となるように厚く銅薄膜を形成する場合には、CVD法による薄膜の形成工程及びリフロー工程を数回繰り返す必要があるので、工程数が多くなるため製造効率が悪くなる、という問題がある。すなわち、従来の半導体装置の製造方法では、CVD法によりボイドが形成されない程度に小さな膜厚で銅薄膜を形成する工程と、リフロー工程とを組み合わせて十分な膜厚となる配線を得るようにしているので、配線の膜厚によってはCVD工程を3回以上に分割して、その工程間にリフロー工程を行う必要があるので、銅配線の形成が非効率となるのが避けられない。
【0008】この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、CVD法を利用して銅系金属からなる配線を形成するにあたり、工程数を低減して効率的に同配線を形成できるようにした半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【0009】上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、半導体基板を覆う絶縁膜の接続溝又は接続孔に、配線を形成する半導体装置の製造方法であって、上記接続溝又は接続孔を含む上記半導体基板上に、化学的気相成長法により所望金属からなる第1導電性薄膜を、該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じない程度の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、上記半導体基板を熱処理して上記第1導電性薄膜の表面を流動させる第1導電性薄膜リフロー工程と、上記第1導電性薄膜上に、めっき法により上記所望金属からなる第2導電性薄膜を、上記接続溝又は接続孔の深さ以上の膜厚に形成する第2導電性薄膜形成工程と、上記第2導電性薄膜を平坦化する第2導電性薄膜平坦化工程とを含むことを特徴としている。
【0010】請求項2記載の発明は、半導体基板を覆う絶縁膜の接続溝又は接続孔に、銅又は銅を主成分とする配線を形成する半導体装置の製造方法であって、上記接続溝又は接続孔を含む上記半導体基板上に、化学的気相成長法により銅又は銅を主成分とする第1導電性薄膜を、該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じない程度の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、上記半導体基板を熱処理して前記第1導電性薄膜の表面を流動させる第1導電性薄膜リフロー工程と、上記第1導電性薄膜上に、めっき法により上記銅又は銅を主成分とする第2導電性薄膜を、上記接続溝又は接続孔の深さ以上の膜厚に形成する第2導電性薄膜形成工程と、上記第2導電性薄膜を平坦化する第2導電性薄膜平坦化工程とを含むことを特徴としている。
【0011】請求項3記載の発明は、請求項2記載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記第1導電性薄膜形成工程の前に、上記接続溝又は接続孔を含む上記半導体基板上にバリア金属膜を形成するバリア金属膜形成工程を含むことを特徴としている。
【0012】請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記第1導電性薄膜形成工程を、非酸化性雰囲気中で行うことを特徴としている。
【0013】請求項5記載の発明は、請求項2、3又は4記載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記第1導電性薄膜リフロー工程を、還元性雰囲気中又は真空中で行うことを特徴としている。
【0014】請求項6記載の発明は、請求項2乃至5のいずれか1に記載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記第2導電性薄膜平坦化工程を、化学的機械的研磨法により行うことを特徴としている。
【0015】請求項7記載の発明は、請求項2乃至6のいずれか1に記載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記第1導電性薄膜形成工程における上記銅又は銅を主成分とする第1導電性薄膜を、30〜150nmの膜厚で形成することを特徴としている。
【0016】請求項8記載の発明は、請求項2乃至7のいずれか1に記載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記バリア金属膜形成工程における上記バリア金属膜として高融点金属を用いることを特徴としている。
【0017】
【0018】
【発明の実施の形態】以下、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。説明は、実施例を用いて具体的に行う。
◇第1実施例図1(a)〜(c)及び図2(d)〜(f)は、この発明の第1実施例である半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図、また、図3は同半導体装置の製造方法により製造された半導体装置を示す斜視図である。以下、図1R>1(a)〜(c)及び図2(d)〜(f)を参照して、同半導体装置の製造方法について工程順に説明する。まず、図1(a)に示すように、例えばシリコン単結晶からなり表面が酸化シリコン膜(SiO)からなる、膜厚が500〜1000nmの絶縁膜2で覆われた半導体基板1を用意する。同半導体基板1には予め不純物イオン打ち込みなどにより所望の素子領域が形成されているものとする。次に、ドライエッチング法により、絶縁膜2に径が略0.28μmの接続溝3を形成する。同接続溝3の形成は、周知のリソグラフィ技術を利用することにより、所望の位置に所望の深さに形成することができる。
【0019】次に、図1(b)に示すように、PVD法の一種であるスパッタ法により、接続溝3を含む絶縁膜2上にチタンナイトライド(TiN)膜からなる膜厚が20〜50nmのバリア金属膜4を形成する。同バリア金属膜4は、以後の工程で形成される銅薄膜が絶縁膜2又は半導体基板1に拡散するのを阻止する働きをする。次に、図1(c)に示すように、CVD法により膜厚が30〜150nmの第1銅薄膜5をバリア金属膜4上に形成する。この場合、同第1銅薄膜5の成膜速度は略30nm/分である。ここで、第1銅薄膜5の膜厚は、同銅薄膜5の表面に結晶粒子に起因する凹凸が実質的に生じない程度に選ぶようにする。すなわち、CVD法により第1銅薄膜5を形成する場合、上述した30〜150nmの膜厚であれば、図4(a)に示すように、同銅薄膜5は表面に凹凸がほとんど生じないように形成することができる。一方、上述した150nm以上の膜厚に堆積されると、同図(b)に示すように、結晶粒子に起因した凹凸が現れるようになって、銅薄膜5の表面に凹凸10が生じてくる。この凹凸10は膜厚が大きくなるにしたがって、ボイド発生の原因となってくる。一方、上述した30nm以下の膜厚になると、均質な銅薄膜として成膜されるのが困難となる。
【0020】上述のCVD法による第1銅薄膜5の具体的形成方法としては、次の2種類の成膜条件で行った。
成膜条件(1)
原料ガス:ヘクサフロロアセチルアセトナート銅トリメチルビニルシラン(Cu(hfac)tmvs)
キャリアガス:ヘリウム(He)
キャリアガス流量:50〜1000sccm(Standard cubic centimeterper minute)成膜温度:150〜250℃成膜時間:1〜10分成長室圧力:0.1〜30Torr成膜条件(2)
原料ガス:シクロペンタジェニルトリエチルフォスヒン銅(CuCpTep)
キャリアガス:ヘリウムキャリアガス流量:50〜1000sccm成膜温度:150〜300℃成膜時間:1〜10分成長室圧力:0.01〜30Torrなお、成膜条件(1)及び(2)とも、キャリアガスは、アルゴン(Ar)、水素(H)と置換が可能である。このキャリアガスは、非酸化性ガスなら用いることができる。
【0021】次に、図2(d)に示すように、半導体基板1を熱処理して、第1銅薄膜5の表面を流動させることによりリフローさせる。これにより、同銅薄膜5の表面は極めて滑らかになる。上述のリフローの具体的熱処理方法としては、次の3種類の条件で行った。
条件(1)
雰囲気ガス:水素ガス流量:100〜50000sccm基板温度:350〜500℃条件(2)
雰囲気ガス:水素(30〜95%)+酸素(70〜5%)
ガス流量:1000〜50000sccm基板温度:350〜650℃条件(3)
雰囲気:真空(10−6〜10−11Torr)
基板温度:350〜500℃条件(1)〜(3)から明らかなように、リフローの熱処理の雰囲気は、還元性、酸化性及び真空を選ぶことができる。ここで、真空雰囲気中で行うときは、CVD法により第1銅薄膜5を形成した半導体基板1を、CVD装置の外部に取り出すことなくそのまま真空中で保持して、リフローを行うようにする。
【0022】次に、図2(e)に示すように、めっき法により膜厚が1.0〜2.0μmの第2銅薄膜6を、第1銅薄膜5上に形成する。これにより、同第2銅薄膜6は接続溝3の上部に盛り上がるように堆積される。ここで、めっき法により銅薄膜を形成するのは、短時間で銅配線を形成して量産性に適した工程とするためである。ここで、第1銅薄膜5がCVD法により形成されることにより段差被覆性に優れた薄膜となっており、しかも同第1銅薄膜5の表面はリフロー処理されているので、同第1銅薄膜5上に形成される第2銅薄膜6がめっき法により形成されていても、同第2銅薄膜6の膜質は何ら問題がない。
【0023】次に、図2(f)に示すように、CMP法により第1銅薄膜5及び第2銅薄膜6を研磨して平坦化する。これにより、接続溝3に第1銅薄膜5と第2銅薄膜6とが積層されて埋め込まれて形成された銅配線7を有する半導体装置8が製造される。銅配線7は図示しない素子領域に接続されている。図3は、半導体装置8の完成構造を示す斜視図である。
【0024】このように、この例の構成によれば、半導体基板1を覆う接続溝3を含む絶縁膜2上にバリア金属膜4を介して、CVD法により表面に結晶粒子に起因する凹凸が実質的に生じない程度の膜厚の第1銅薄膜5を形成した後、リフロー処理を施して同銅薄膜5の表面を流動させ、続いてめっき法により第1銅薄膜5上に時間で十分な膜厚の第2銅薄膜6を形成した後、CMP法により表面を平坦化して銅配線7を形成するようにしたので、工程数を低減して効率的に銅配線を形成できる。したがって、配線として十分な膜厚となるように厚く銅薄膜を形成する場合でも、CVD法による薄膜の形成工程及びリフロー工程を繰り返す必要がないので、生産性を向上することができる。
【0025】◇第2実施例図5(a)〜(d)及び図6(e)〜(g)は、この発明の第2実施例である半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。この第2実施例の半導体装置の製造方法の構成が、上述の第1実施例のそれと大きく異なるところは、銅配線を接続溝に代えて接続孔に形成するようにした点である。以下、図5(a)〜(d)及び図6(e)〜(g)を参照して、同半導体装置の製造方法について工程順に説明する。まず、図5(a)に示すように、予め下層配線11が形成され表面がシリコン酸化膜からなる、膜厚が500〜1000nmの絶縁膜12で覆われた半導体基板1を用意して、ドライエッチング法により、絶縁膜12に径が略0.28μmの接続孔13を形成する。
【0026】次に、図5(b)に示すように、スパッタ法により、接続孔13を含む絶縁膜12上にチタンナイトライド膜からなる膜厚が20〜50nmのバリア金属膜14を形成する。
【0027】次に、図5(c)に示すように、CVD法により膜厚が30〜150nmの第1銅薄膜15をバリア金属膜14上に形成する。同第1銅薄膜15の形成は、第1実施例における第1銅薄膜5の成膜条件と略同様な内容で行うことができる。次に、図5(d)に示すように、半導体基板1を熱処理して、第1銅薄膜15の表面を流動させることによりリフローさせる。同リフローの熱処理は、第1実施例における熱処理の条件と略同様な内容で行うことができる。
【0028】次に、図6(e)に示すように、めっき法により膜厚が1.0〜2.0μmの第2銅薄膜16を、第1銅薄膜15上に形成する。これにより、同第2銅薄膜16は接続孔13の上部に盛り上がるように堆積される。ここで、第1銅薄膜15がCVD法により形成されることにより段差被覆性に優れた薄膜となっており、しかも同第1銅薄膜15の表面はリフロー処理されているので、同第1銅薄膜15上に形成される第2銅薄膜16がめっき法により形成されていても、同第2同薄膜16の膜質は何ら問題がない。
【0029】次に、図6(f)に示すように、CMP法により第1銅薄膜15及び第2銅薄膜16を研磨して平坦化する。これにより、接続孔13に第1銅薄膜15と第2銅薄膜16とが積層されて埋め込まれてビアプラグ17が形成される。次に、図6(g)に示すように、絶縁膜12上に銅配線17と接続するように上層配線19を形成することにより、銅配線17を通じて下層配線11と上層配線19とが接続された半導体装置18が製造される。
【0030】このように、この例の構成によっても、第1実施例において述べたのと略同様の効果を得ることができる。これに加えて、この例によれば、ビアプラグのように特に膜厚の厚い銅配線が必要とされる要求にも対応させることができる。
【0031】以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあってもこの発明に含まれる。例えば、CVD法により表面に結晶粒子に起因する凹凸が実質的に生じない程度の膜厚に形成する薄膜としては、銅に限らずアルミニウムなどの他の金属に対しても適用することができる。したがって、アルミニウム配線を十分な膜厚に形成する場合にも適用できる。
【0032】また、銅配線は銅100%に限ることなく、他の材料が多少含まれていても銅を主成分とする銅系金属であれば同様に適用することができる。例えば、微量のチタン(Ti),クロム(Cr)などの高融点金属を含ませて、配線の信頼性を向上させるような場合に適用して効果的となる。また、十分な膜厚の銅又は銅を主成分とする配線を形成するために、CVD法により形成した第1導電性薄膜上に、第2導電性薄膜をめっき法により形成すれば、膜質に優れた銅又は銅を主成分とする配線を容易に形成することができる利点がある。
【0033】また、バリア金属膜としては、チタンナイトライドに限ることなく、タンタルナイトライド(TaN)、タングステンナイトライド(WN)、チタンタングステン(TiW)、タングステンシリコンナイトライド(WSiN)、タンタルシリコンナイトライド(TaSiN)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モリブテン(Mo)などの高融点金属であれば同様に用いることができる。また、絶縁膜は、酸化シリコン膜に限らずに、窒化シリコン膜、BSG(BoroSilicate Glass)膜PSG(Phospho Silicate Glass)膜あるいはBPSG(Boro-Phospho Silicate Glass)などを用いることができる。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板を覆う接続溝又は接続孔を含む絶縁膜上に、CVD法により表面に結晶粒子に起因する凹凸が実質的に生じない程度の膜厚の第1導電性薄膜を形成した後、リフロー処理を施して同薄膜の表面を流動させ、続いてめっき法により第1導電性薄膜上に短時間で十分な膜厚の第2導電性薄膜を形成した後、同第2導電性薄膜の表面を平坦化して配線を形成するようにしたので、工程数を低減して効率的に配線を形成できる。したがって、配線として十分な膜厚となるように厚く導電性薄膜を形成する場合でも、CVD法による薄膜の形成工程及びリフロー工程を繰り返す必要がないので、生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例である半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。
【図2】同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。
【図3】同半導体装置の製造方法により製造された半導体装置を示す斜視図である。
【図4】同半導体装置の製造方法の原理を説明する図である。
【図5】この発明の第2実施例である半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。
【図6】同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。
【図7】従来の半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2、12 絶縁膜
3 接続溝
4、14 バリア金属膜
5、15 第1銅薄膜(CVD法による)
6、16 第2銅薄膜(スパッタ法による)
7 銅配線
8、18 半導体装置
10 凹凸
11 下層配線
13 接続孔
17 ビアプラグ
19 上層配線

【特許請求の範囲】
【請求項1】 半導体基板を覆う絶縁膜の接続溝又は接続孔に、配線を形成する半導体装置の製造方法であって、前記接続溝又は接続孔を含む前記半導体基板上に、化学的気相成長法により所望金属からなる第1導電性薄膜を、該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じない程度の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、前記半導体基板を熱処理して前記該第1導電性薄膜の表面を流動させる第1導電性薄膜リフロー工程と、前記第1導電性薄膜上に、めっき法により前記所望金属からなる第2導電性薄膜を、前記接続溝又は接続孔の深さ以上の膜厚に形成する第2導電性薄膜形成工程と、前記第2導電性薄膜を平坦化する第2導電性薄膜平坦化工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】 半導体基板を覆う絶縁膜の接続溝又は接続孔に、銅又は銅を主成分とする配線を形成する半導体装置の製造方法であって、前記接続溝又は接続孔を含む前記半導体基板上に、化学的気相成長法により銅又は銅を主成分とする第1導電性薄膜を、該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じない程度の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、前記半導体基板を熱処理して前記該第1導電性薄膜の表面を流動させる第1導電性薄膜リフロー工程と、前記第1導電性薄膜上に、めっき法により前記銅又は銅を主成分とする第2導電性薄膜を、前記接続溝又は接続孔の深さ以上の膜厚に形成する第2導電性薄膜形成工程と、前記第2導電性薄膜を平坦化する第2導電性薄膜平坦化工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項3】 前記第1導電性薄膜形成工程の前に、前記接続溝又は接続孔を含む前記半導体基板上にバリア金属膜を形成するバリア金属膜形成工程を含むことを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】 前記第1導電性薄膜形成工程を、非酸化性雰囲気中で行うことを特徴とする請求項2又は3記載の半導体装置の製造方法。
【請求項5】 前記第1導電性薄膜リフロー工程を、還元性雰囲気中又は真空中で行うことを特徴とする請求項2、3又は4記載の半導体装置の製造方法。
【請求項6】 前記第2導電性薄膜平坦化工程を、化学的機械的研磨法により行うことを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】 前記第1導電性薄膜形成工程における前記銅又は銅を主成分とする第1導電性薄膜を、30〜150nmの膜厚で形成することを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】 前記バリア金属膜形成工程における前記バリア金属膜として高融点金属を用いることを特徴とする請求項2乃至7のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。

【図3】
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【図4】
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【図1】
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【図2】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【特許番号】特許第3244058号(P3244058)
【登録日】平成13年10月26日(2001.10.26)
【発行日】平成14年1月7日(2002.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願平10−213336
【出願日】平成10年7月28日(1998.7.28)
【公開番号】特開2000−49162(P2000−49162A)
【公開日】平成12年2月18日(2000.2.18)
【審査請求日】平成10年7月28日(1998.7.28)
【出願人】(000004237)日本電気株式会社 (19,353)
【参考文献】
【文献】特開 平10−74763(JP,A)
【文献】特開 平10−79389(JP,A)