説明

半導体装置のCu系配線形成方法

【課題】 電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れているといった高品質を安定して発揮する信頼性の高い半導体装置用のCu系配線の形成方法を提供する。
【解決手段】 基板1上に形成された凹部を有する絶縁膜2の表面に、CuまたはCu合金(以下「Cu系金属」という)よりなる薄膜5をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Cu系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうことを特徴とする半導体装置のCu系配線形成方法。スパッタリングガス種:水素ガスと不活性ガスの混合比率(%)が5:95〜20:80である混合ガス、基板温度:0〜−20℃。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置のCu(純Cu)またはCu合金(以下「Cu系」と総称することがある)からなる配線の形成方法に関するものであり、特に、絶縁膜に形成されたビアやトレンチ等の凹部に、スパッタリング法でCu系金属よりなる薄膜を形成した後、高温高圧リフロー法で該Cu系金属を埋め込んで、例えばULSI(超大規模集積回路)等に代表されるSi半導体デバイス等の半導体装置におけるCu系配線を形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、LSI(大規模集積回路)の高集積化や高速信号伝播の要求を満たすためデザインルールは縮小の一途を辿っており、配線ピッチの縮小や配線幅の減少、配線間距離の縮小はますます加速されている。これらはデバイスの高速化を主目的とするものであるが、該デバイスの配線回路の微細化・高集積化に伴い配線抵抗が増加し、この配線抵抗の増加が信号伝達の遅延を招く。この様な問題を解消すべく、近年では、電気抵抗のより小さな配線材料を使用する試みが活発化している。即ち、従来のAl系配線材料よりも電気抵抗を低減できる配線材料としてCu系材料を使用し、Cu系配線を形成することが行なわれている。
【0003】
また高集積化・高性能化を実現するため、上記Cu系配線を多層構造とすることが行なわれており、該多層構造を実現するための手段として、ダマシン配線技術が用いられている(例えば特許文献1)。この方法は、常法に従って半導体基板上に酸化シリコンや窒化シリコン等の層間絶縁膜を形成し、該層間絶縁膜に埋込配線用のトレンチやビアホールといった配線溝や層間接続孔を形成し、該配線溝等の内部にTaN薄膜等を形成して、次いでCu薄膜のシード層を形成し、さらにCu薄膜を電解めっき法により上記配線溝や層間接続孔に埋め込み、配線溝や層間接続孔以外の部分に堆積した不要な配線材料を、最後に化学機械研磨(Chemical Mechanical Polish,CMP)を行なって除去し、配線溝や層間接続孔の内部にのみ配線材料を残してこれを配線とする方法である。近年では、前記層間接続孔を接続溝成形時に開孔し、この配線溝と層間接続孔を同時に配線材料(金属)で充填して配線を形成するデュアルダマシン配線技術が採用されている。
【0004】
ところでLSI配線はロードマップに従って微細化され、形成される上記配線溝の溝幅や層間接続孔の孔径も微細化が進み、かつアスペクト比(深さ/孔径の比)も高くなっている。しかし上記電解めっき法でCu配線を形成するプロセスでは微細形状の凹部への埋込みに限界があるため、高アスペクト比のビアや微細径(配線幅100nm以下)のビア・トレンチへのCu完全埋込みが難しい。特に配線ルールが0.1μm以下になると、ビア・トレンチのサイズの微細化や前記アスペクト比の増加が生じるためCu系材料の完全埋込が困難となり、信頼性の高い配線を形成できないという課題がある。
【0005】
またCu系配線には、前記完全埋込の他、低電気抵抗率(ρ≦3〜4μΩcm)、接続信頼性(確実なコンタクトの形成)、配線信頼性(ストレスマイグレーションによる断線に対する耐性[SM耐性]やエレクトロマイグレーションによる断線に対する耐性[EM耐性]等)などの特性が求められるが、電解めっき法を用いた現状のダマシン配線技術では、バルクCu材と同等の特性を有するCu系配線の形成が難しく、上記特性の全てに優れたCu系配線を実現することが難しい。
【0006】
配線溝や層間接続孔にCu系金属を完全に埋め込む方法として、これまでに、CVD(化学気相成長法)によるCu配線形成が提案されている。しかし、CVD法による成膜は、高純度のものが得られにくいといった問題や高コストであるといった問題を有しており、該問題の解消には、上記デュアルダマシン配線技術を改善することが有効であると考える。該技術は、日本においてカスタムICを中心に採用が進んでおり、今後もCu配線の形成方法として採用されると考えられるからである。
【0007】
ところで配線の信頼性を改善する手段としては、薄膜の耐力を向上させる観点および配線とバリア膜(TaN薄膜等)の密着性を向上させるという観点から、Cu配線の材料として純CuでなくCu合金を使用することが提案されている。現状では、5種類の合金系(Cu−Ti系、Cu−Zr系、Cu−Sn系、Cu−AI系、Cu−Mg系)が主として検討されているが、配線にCu合金を採用する場合、電解めっき法によるデュアルダマシン配線技術では、形成できるCu合金の種類が限られるといった問題がある。
【0008】
この様な電解めっき法によるデュアルダマシン配線技術の問題を解決するための方法として、Cu合金配線材料をスパッタリングし、該スパッタリング後に高温高圧リフロ一法を採用することが有効な方法であると考えられる。この高温高圧リフロー法は、図1(a)に示す様に、ビア(配線接続孔)3やトレンチ(配線溝)6といった凹部が予め形成された絶縁膜2の表面に、該凹部をブリッジングする様にCu系金属からなる薄膜5をスパッタリング法で形成した後、図1(b)に示す様に、該薄膜表面に対して垂直かつ等方的に加圧して(例えば特許文献2に記載の様に常圧を超える圧力の静水圧で加圧し)、凹部へCu系金属を押し込む方法である。
【0009】
例えば特許文献3には、孔・溝が形成された絶縁膜を有する基板の絶縁膜表面を、銅もしくは銅合金又は銀もしくは銀合金の金属材料で被覆した後、加熱処理することにより、絶縁膜に形成された孔・溝の内部に該金属材料を充填して配線膜を形成することが提案されている。
【0010】
しかし、この方法にも次の様な問題が残っている。即ち、形成されたCu合金薄膜が連続かつ気密状態でなければ、高温高圧リフロー法を実施しても十分に押し込まれず、またCu系金属の薄膜が変形して破断すると、それ以上埋め込まれないといった問題点がある。中でもスパッタリング法で形成したCu系薄膜は、電解めっき法で形成したCu系薄膜に比べてリフロー性(高温時の流動性)が悪く、スパッタリング法で形成したCu系薄膜の高温高圧処理時のリフロー性を高めることが、上記ダマシン配線技術を採用する上で重要な課題となっている。
【0011】
また、孔径や溝幅が微細でアスペクト比の高いビア・トレンチに完全に埋め込むには、より高い温度および圧力状態とすることが必要となるが、現状では、この様な温度と圧力を実現することも難しく、よりマイルドな条件で埋込処理できることが望まれている。
【特許文献1】特開平10−79428号公報
【特許文献2】特開平5−211238号公報
【特許文献3】特開2001−7050号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、半導体製造装置の製造において、Cu系配線を上記ダマシン配線技術を用いて形成するに際し、純Cu材料のみならずCu合金材料を使用した場合であっても、Cu系金属を配線接続孔や接続溝等の凹部に隙間なく充填でき、電気抵抗率が低く、緻密で絶縁膜との密着性に優れた信頼性の高いCu系配線を、容易にかつ歩留り良く実現するための方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記課題を解決することのできた本発明にかかる半導体装置のCu系配線形成方法とは、基板上に形成された溝や孔などの凹部を有する絶縁膜の表面に、Cu系金属(Cu[純Cu]またはCu合金)よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Cu系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうところに特徴を有する。
スパッタリングガス種:水素ガスと不活性ガスの混合比率(%)が
5:95〜20:80である混合ガス
基板温度:0〜−20℃
【0014】
前記高温高圧処理を下記条件で行なったり、更に高温高圧保持後の室温までの冷却速度を10℃/min以上とすれば、上記Cu系金属を確実に上記凹部内に充填できるので好ましい。
処理温度:400〜600℃
処理圧力:150〜200MPa
処理時間:30分以下(0分含む)
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、半導体装置(例えばSi半導体デバイス等)の製造において、配線接続孔や接続溝等の凹部に隙間なくCu系金属を充填させて、電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れた埋込式のCu系配線を容易に実現でき、集積回路の高集積化・高性能化の促進に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
基板上に形成された凹部(配線接続孔や接続溝等)を有する絶縁膜の表面に、Cu系金属よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を行なって該Cu系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法において、絶縁膜に形成された凹部に上記薄膜を隙間なく埋め込み、優れた特性を安定して発揮する半導体装置のCu系配線を容易に実現するには、特に、上記高温高圧処理時におけるCu系金属のリフロー性を高めることが重要であると考える。
【0017】
この高温高圧処理時のCu系金属のリフロー性を向上させるには、
(1)高温高圧処理を施すCu系薄膜中の原子空孔濃度を増加させる。
(2)原子空孔や転位の回復がより低温で起こるようにする。
ことが有効であり、特に上記(1)に示す通りCu系薄膜中への原子空孔欠陥の導入が有効であると考えられる。薄膜中に原子空孔欠陥が多く存在すると、これが回復する温度域(約300〜500℃)で激しい原子拡散が起こり、Cu系金属の軟化・変形が促進されるためである。
【0018】
ところでバルクCuが熱平衡状態の原子空孔量を有しているのに対し、Cu系薄膜は、一般に熱平衡状態以上の原子空孔量を有しており、バルクCuよりも原子空孔量が多い。特に電解めっき法で形成したCu系薄膜は多数の空孔を有しており、バルクCuの融点付近で熱平衡となる原子空孔量を有している。これに対し、スパッタリングで形成したCu系薄膜は、電解めっき法で形成したCu薄膜に比べて原子空孔欠陥量が少なく、これがリフロー性の低下をもたらしているものと考える。
【0019】
そこで本発明では、回復する温度域(約300〜500℃)での激しい原子拡散を利用してCu系金属の軟化・変形を促進させることを目的に、原子空孔の多量に導入されたCu系薄膜をスパッタリングで形成すべく、該スパッタリング成膜条件について検討したところ、特に、スパッタリングガス種と基板温度を制御することが有効であり、下記の条件を満たすように制御すればよいことを見出した。
【0020】
<スパッタリングガス種:水素ガスと不活性ガスの混合比率(%)が
5:95〜20:80である混合ガス>
スパッタリング法でのCu系薄膜形成を、ArにH2を添加した混合ガス雰囲気で行うと、雰囲気ガス中のH2がCu系薄膜中に一旦取り込まれる。しかしCuには水素吸蔵能がないため、H2は容易にCu系薄膜中を拡散して薄膜から抜け出し、Cu系薄膜中のH2の抜け跡が上記原子空孔となる。この様な作用は、Arガスのみの場合には生じないことから、本発明ではArとH2の混合ガスを使用することにした。
【0021】
また上述した激しい原子拡散によるCu系金属の軟化・変形を促進させるべく上記原子空孔を十分に確保する必要があることから、ArとH2の混合ガスに占めるH2分率を5%以上とした。好ましくは10%以上である。一方、混合ガスに占めるH2が多過ぎると、相対的にArガス量が少なくなりスパッタリングガスの仮想分子量が低下してスパッタリングの収率が低下するため、Cu系配線の生産性低下を招く。よって上記混合ガスに占めるH2分率を20%以下とした。
【0022】
<基板温度:0〜−20℃>
スパッタリング法でのCu系薄膜形成を、基板温度を低温に保持して行うと、基板(絶縁膜)上に堆積したCu粒子(原子)は、基板上をマイグレーションし難くなるため、配列しないままランダムに堆積し、形成されたCu系薄膜中に多量の原子空孔が生じる。
【0023】
本発明では、この様な現象を実現して十分な原子空孔を確保すべく、基板温度を0℃以下に抑えることとした。しかしながら現実的には、基板温度をより低くするための適当な冷媒が存在せず、また基板温度が低くなると結露等の問題が生じるため生産性の低下を招く。この様な観点から、本発明では基板温度の下限を−20℃と規定した。尚、上記範囲の基板温度は、例えばチラーユニットで冷却した住友スリーエム社製「フロリナート」(登録商標)などの冷媒を、基板ホルダー内に循環させることによって実現することができる。
【0024】
上記スパッタリングにおけるその他の条件については特に限定されず、例えば、スパッタリングガス圧、放電パワー密度、極間距離として下記の条件を採用することができる。尚、スパッタリング法としては、成膜効率の高さからDCマグネトロンスパッタリング法を採用するのが好ましい。
スパッタリングガス圧:0.5〜1.0 mTorr
放電パワー密度:3〜10W/cm2
極間距離:40〜65 mm
【0025】
また上記スパッタリングで形成するCu系薄膜の厚さは、デバイス設計で定まる事項であり特に限定されず、ビア・トレンチを完全にブリッジングできる程度の厚みを形成する必要がある。更にCu系薄膜の組成も特に限定されず、適度の導電性を有するものであれば、純Cuの他、上記5種類の合金系(Cu−Ti系、Cu−Zr系、Cu−Sn系、Cu−AI系、Cu−Mg系)に限らず任意の組成のCu系合金材料をスパッタリングに用いることができる。
【0026】
本発明では、上記スパッタリング時の成膜条件と併せて、スパッタリング後に行なう高温高圧処理の条件を制御すれば、Cu系金属の高温リフロー性を高めてより確実にCu系薄膜を凹部内に埋め込むことができ、高品質の半導体装置用Cu系配線を実現できる。以下、高温高圧処理の条件について詳述する。
【0027】
<処理温度:400〜600℃>
Cu系薄膜の高温リフロー性を高める観点から、処理温度は400℃以上に高めることが好ましい。しかし処理温度を高めすぎると、Cu系配線と組み合わせて使用される誘電体膜(Low−k材)の破壊や特性劣化を招くおそれがあるので、600℃以下に抑えることが好ましい。
【0028】
<処理圧力:150〜200MPa>
Cu薄膜の高温リフロー性を高める観点から、150MPa以上の圧力を加えることが好ましい。しかし圧力を高めすぎると、上記処理温度の場合と同様に、Cu配線と組み合わせて使用される誘電体膜(Low−k材)の破壊や特性劣化を招くおそれがあるので、200MPa以下に抑えることが好ましい。
【0029】
<処理時間(上記高温高圧状態での保持時間):30分以下(0分含む)>
処理時間(上記高温高圧状態での保持時間)は、処理圧力や処理温度を考慮して定めれば良いが、Cu系薄膜の高温リフロー性を高めてCu系金属を隙間なく凹部に充填させるには、30分間保持すれば十分である。
【0030】
<高温高圧保持後の冷却速度:10℃/min以上>
高温高圧処理において、配線を完全に埋め込む観点から高温高圧保持後の冷却速度を制御することも有効である。高温高圧処理では、圧力の印加・除加と昇温・降温はともに時間比例で行っており、その際、特に冷却速度(降温速度)がCu埋込性に影響を及ぼす。冷却速度が遅い場合には、上記条件で加熱・加圧して凹部(ビア・トレンチ)に埋め込まれたCu系金属が、再びビア・トレンチから出て行くという現象(吸上り現象)が生じる。これは、Cu系薄膜のSM(ストレスマイグレーション)により生ずると考えられる現象であり、凹部の上部に残っているブランケットCu系薄膜に冷却時に引張応力が生じ、この引張応力を駆動力として、凹部(ビア・トレンチ)に埋め込まれているCu系金属がクリープ変形により該凹部から引っ張り出される現象である。
【0031】
従って配線の完全埋込を図るには、高温高圧処理後の冷却速度を大きくしてこの吸上り現象が生じないようにすることが有効であり、高温高圧保持後の冷却速度を10℃/min以上にすることが好ましい。
【0032】
以上の通り、基板(絶縁膜)上に予め形成されたビア・トレンチ(配線接続孔・配線溝)等の凹部に対し、該凹部の開口部をブリッジングする形でCu系薄膜をスパッタリング法により上記条件で形成し、好ましくは該Cu系薄膜に上記条件で高圧高圧処理を施せば、特にビアサイズが直径0.2μm以下と微細パターンである場合にも、Cu系配線の完全埋込を達成でき、電気抵抗率が低く、膜の緻密性や絶縁膜との密着性に優れる信頼性の高い配線、すなわち高品質を長く維持できる配線の形成された半導体装置を実現できる。
【0033】
尚、本発明は、半導体装置のCu系配線以外の構成部分について、その製造方法を限定するものでない。即ち、上記Cu系合金膜のベースとなる半導体基板上の絶縁膜を形成する方法や、該絶縁膜に埋込配線用溝や接続孔を形成する方法も特に限定されず、公知の方法を採用すれば良い。上記絶縁膜としては、酸化シリコンや窒化シリコン、BSG(Boro-Silicate Glass)、PSG(Phospho-Silicate Glass)、BPSG(Boro-Phospho-SilicateGlass)等を用いることができる。
【0034】
更に、埋込配線用溝または接続孔の形成された絶縁膜上に、後述する実施例の図2に示す通りバリア層を形成することもできる。該バリア層とは、バリア層上に形成するCu系金属中のCuが絶縁膜へ拡散するのを防止する膜であり、該膜として、TaN膜、TiN等を形成することができる。尚、後述する実施例では、バリア層として窒化タンタル(TaN)を形成している。TaNはセラミックスであって、Cu系金属とは殆ど反応せず、例えば700℃程度の高温処理を行なってもTaN膜中へのCu系金属の拡散は殆ど起こらないので好ましい。前記絶縁膜上に該バリア層を形成する方法も特に限定されず、例えば、スパッタリング法(例えば、DCマグネトロンスパッタリング法)や化学蒸着法(CVD法)などが挙げられる。
【0035】
前記バリア層を形成する場合、その厚さは、Cu系金属が絶縁膜へ拡散するのを防止できる程度であれば良く、例えば5〜50nm程度とすることができる。但し、バリア層の膜厚を過度に厚くすることは、配線の実効的な電気抵抗率の増加を招くので好ましくない。
【0036】
本発明では、上述の通りCu系金属よりなる薄膜の形成を、上記条件を満たすスパッタリング法で行ない、その後に高温高圧処理を行なっているが、その他の詳細な工程まで規定するものでなく、例えば下記A工程〜C工程を含む積層プロセスを任意回数行い、各C工程の後または少なくとも最終C工程の後に上記高温高圧処理を行なうことができる。つまり、前記積層プロセスを1回行って単層とする場合には、C工程の後に上記条件で高温高圧処理を行なえばよく、前記積層プロセスを2回以上行なって多層構造とする場合は、各C工程の後に夫々上記条件で高温高圧処理を行なうか、A〜C工程を含む積層プロセスを繰り返した後、最終C工程の後に上記条件で高温高圧処理を行なえば良い。
・A工程…半導体基板上に、埋込配線用溝または接続孔を有する絶縁膜を形成する工程。
・B工程…該絶縁膜上にバリア層を形成する工程。
・C工程…該バリア層上にCu系金属膜を形成する工程。
【0037】
そして上記高温高圧処理を行なった後に、表面を研磨処理することによって半導体基板上に埋込式の配線が形成されるが、該研磨法についてもその詳細な条件等は限定されず、一般に半導体製造分野で採用されている化学機械的研磨法等を採用することができる。
【実施例】
【0038】
以下、具体例を示す実施例によって本発明を更に詳細に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限されるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更実施することは、全て本発明の技術範囲に包含される。
【0039】
<実施例1>
半導体装置における配線の形成は、図2に示す概略断面説明図の工程順に沿って行った。即ち図2(a)に略示するように、直径8インチのシリコンウェハー1上に形成した絶縁膜(TEOS膜:SiOF膜)2に、直径:0.18μm、ピッチ:450nmのビア3を多数[図2(a)では1つのみ]設けた評価素子(TEG)を用いた。このTEGの表面に、純Taターゲットを用いて(Ar+N2)ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法によりTaN薄膜を形成し、ビア3の底面及び側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した[図2(b)]。
【0040】
続いてこのTEGに対し、純Cuターゲットを用いてArガス雰囲気中またはでArとH2の混合ガス雰囲気中で、スパッタリング法により純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5を形成し、図2(c)に示す通りビア3の開口部をCu薄膜5で完全にブリッジングした。尚、該Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、放電パワー密度および基板温度を下記一定値とし、スパッタリングガスをArのみ、またはArとH2の混合ガスとした上で該混合ガス中のH2分率を5〜30%の範囲で変化させて行った。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:室温または−20℃
【0041】
次に、この様にビア3の開口部がCu薄膜5でブリッジングされたTEGに高温高圧処理を施した。詳細には、神戸製鋼所製の高温高圧処理装置「HiPA HIP mini−820」を用いて、処理圧力:150MPa、処理温度:450℃、処理時間:30分の条件で図2(d)に示す通り高温高圧処理を施した。尚、加圧にはArガスを使用した。
【0042】
この様に高温高圧処理まで行なった試料では、Cuのビア内部への埋込が確認されたのに対し、TEGのビア開口部をCu薄膜で完全にブリッジングしたのみで高温高圧処理を施していない試料の場合には、ビア内部にCuがほとんど埋め込まれていないことを断面観察で確認した。
【0043】
次に、高温高圧処理後のTEGに対して、それぞれ15個以上のビア部の断面が露出する様にFIB装置(集束イオンビーム装置)で加工し、該ビア部の断面をFIB装置のSIM像で観察してビア部へのCuの埋め込み状態を調べた。
【0044】
この埋込特性を定量的に評価するため、ビア部の断面SIM像を画像解析し、ビアの断面積に対してCu系金属が埋め込まれている断面積の割合を百分率で求めた埋込率(%)(以下、単に「Cu埋込率」ということがある)を評価指標とし、15個のビア部のCu埋込率の平均値を求めた。
【0045】
上記実験結果として、ArとH2の混合ガスに占めるH2分率とCu埋込率との関係を図3に示す。図3から、基板温度を低減させた上でスパッタリングガスとしてArにH2を混合させたものを使用すれば、スパッタリングガスとしてArガスのみ使用した場合よりもCu埋込性が著しく改善され、特に、混合ガス中のH2分率を5%以上にすれば、Cuはビア内部にほぼ完全に埋め込まれることがわかる。尚、上記H2分率を20%超とした場合でも高いCu埋込率を実現できるが(図3)、この様にH2分率を高めた場合、成膜時にスパッタリング収率が悪くなるといった不具合が生じた。
【0046】
<実施例2>
前記実施例1に記載した方法と同様の方法で、TEGのビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部をCu薄膜5で完全にブリッジングした。尚、上記Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、スパッタリングガス種および放電パワー密度を下記一定値とし、基板温度を−25℃〜200℃の範囲で変化させて行なった。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
【0047】
次に、このTEGに前記実施例1と同様の方法で高温高圧処理を施し、ビア3へのCu埋込性を評価した。得られた結果を図4に示す。図4は、純Cu薄膜成膜時の基板温度がCu埋込率に及ぼす影響を示したグラフであるが、該図4から、Cu埋込率は成膜時の基板温度に依存しており、スパッタリング時の基板温度が低いほどCuの埋込性が向上する、即ちCuが埋め込まれやすくなることがわかる。特に基板温度を0℃以下とすればCu埋込率が急激に上昇し、Cuがビア3内部にほぼ完全に埋込まれることがわかる。
【0048】
<実施例3>
前記実施例1に記載した方法と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5またはCu合金薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部をそれぞれの薄膜5で完全にブリッジングしたものを用意した。尚、純Cu薄膜5の成膜にはターゲットとして純Cuターゲットを用い、Cu合金薄膜5の成膜にはCu−2.0at%Dy合金ターゲットを使用した。またスパッタリングガス圧、スパッタリングガス種、放電パワー密度および基板温度は、表1(成膜条件1または成膜条件2)の通りとした。
【0049】
【表1】

【0050】
次にこのTEGに対し、実施例1に記載した方法と同様の方法で高圧高圧処理を施し、処理後のTEGのCu埋込率を求めた。その結果を表2に示す。
【0051】
【表2】

【0052】
表2から、純Cu薄膜を従来条件である成膜条件1で成膜した場合には、Cuがほとんど埋め込まれないのに対し、本発明の規定を満たす成膜条件2で成膜した場合には完全に埋め込まれることがわかる。また、Cu−Dy合金薄膜の場合も同様に、成膜条件1で成膜したものは高温高圧処理時にあまり埋め込まれないのに対し、成膜条件2で成膜した場合にはほぼ完全に埋め込まれる。
【0053】
尚、成膜条件1で成膜する場合、純Cu薄膜よりもCu−Dy合金薄膜の方がCu埋込性が良好であるが、これは、Cu−Dy合金薄膜の平均結晶粒径が純Cu薄膜よりも小さく、加熱による粒成長もあまり生じないため、高温時でも粒界が多く存在し、粒界すべりにより高温流動性(高温リフロー性)が向上するためであると考えられる。
【0054】
<実施例4>
前記実施例1に記載した方法と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部を純Cu薄膜5で完全にブリッジングした。尚、該純Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、ArとH2の混合比、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行なった。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:−20℃
【0055】
次にこのTEGに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、温度を室温〜500℃、圧力を0〜200MPaの範囲で変化させる以外は前記実施例1と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のTEGのCu埋込率を求めた。その結果を表3に示す[表3中の数値はCu埋込率(%)を示す]。
【0056】
【表3】

【0057】
上記表3から明らかな様に、本発明の規定条件で成膜した純Cu薄膜に対して高温高圧処理を行なう場合、該処理条件として、処理温度を350℃以上(好ましくは400℃以上)かつ処理圧力を150MPa以上とすればビア3にCuを完全に埋め込むことができる。
【0058】
尚、比較例として、Cu薄膜を規定外の条件で成膜し、上記と同様の条件で高温高圧処理を行なった場合について、その実験結果を下記に示す。
【0059】
前記実施例1に記載した方法と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部を純Cu薄膜5で完全にブリッジングした。該純Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、スパッタリングガス種、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。尚、下記成膜条件は、従来より、Cu薄膜をスパッタリング法で形成する際に一般に採用されている条件である。
スパッタリングガス圧:2×10-3 Torr
スパッタリングガス種:純Ar
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:室温
【0060】
次にCu薄膜の形成されたTEGに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、温度を室温〜500℃、圧力を0〜200MPaの範囲で変化させる以外は前記実施例1と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のTEGのCu埋込率を求めた。その結果を表4に示す[表4中の数値はCu埋込率(%)を示す]。
【0061】
【表4】

【0062】
表4より、規定外の条件で成膜した純Cu薄膜に高温高圧処理を施す場合、Cuを完全に埋め込むには、処理温度を500℃以上、処理圧力を200MPa以上とする必要があり、上記本発明の規定条件でCu薄膜を成膜した場合と比較して、より高温かつより高圧で行なう必要があり、高温高圧処理時の条件範囲が著しく狭まることがわかる。
【0063】
<実施例5>
前記実施例1と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部を純Cu薄膜5で完全にブリッジングした。
【0064】
尚、純Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、スパッタリングガス種、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:−20℃
【0065】
次に、Cu薄膜の形成されたTEGに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、処理温度を450℃、処理圧力を150MPaとし、処理時間を0〜120分の範囲で変化させる以外は前記実施例1と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のTEGのCu埋込率を求めた。その結果を図5に示す。図5より、上記本発明の規定を満たす条件で成膜したCu薄膜を用いて、上記高温高圧条件で保持時間を30分以下とすれば完全にCuが埋め込まれることがわかる。
【0066】
<実施例6>
前記実施例1と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部を純Cu薄膜5で完全にブリッジングした。尚、純Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、スパッタリングガス種、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:−20℃
【0067】
次にこのTEGに対し、次の条件で高温高圧処理を施した。即ち、処理温度:450℃かつ処理圧力:150MPaの高温高圧状態で保持した後の冷却速度を5〜30℃/minの範囲で変化させる以外は、前記実施例1と同様の方法で高温高圧処理を施し、処理後のTEGのCu埋込率を求めた。その結果を図6に示す。図6より、冷却速度が10℃/min以上の場合には完全に埋め込まれたままであるが、冷却速度がそれ以下ではCu埋込率が低下することがわかる。
【図面の簡単な説明】
【0068】
【図1】本発明に係る配線の形成方法を示す概念図である。
【図2】半導体装置の製法の一例を工程順に示す概略断面説明図である。
【図3】実施例1における成膜時のスパッタリングガス中のH2分率とCu埋込率との関係を示すグラフである。
【図4】実施例2における成膜時の基板温度とCu埋込率との関係を示すグラフである。
【図5】実施例5における高温高圧処理時の処理時間(アニール時間)とCu埋込率との関係を示すグラフである。
【図6】実施例6における高温高圧処理後の冷却速度とCu埋込率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【0069】
1 半導体基板(シリコンウエハー)
2 絶縁膜
3 ビア
4 バリア層
5 Cu系金属膜(純Cu薄膜,Cu合金薄膜)
6 トレンチ


【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板上に形成された凹部を有する絶縁膜の表面に、CuまたはCu合金(以下「Cu系金属」という)よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Cu系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうことを特徴とする半導体装置のCu系配線形成方法。
スパッタリングガス種:水素ガスと不活性ガスの混合比率(%)が
5:95〜20:80である混合ガス
基板温度:0〜−20℃
【請求項2】
前記高温高圧処理を下記条件で行なう請求項1に記載の半導体装置のCu系配線形成方法。
処理温度:400〜600℃
処理圧力:150〜200MPa
処理時間:30分以下(0分含む)
【請求項3】
前記高温高圧処理における高温高圧保持後の冷却速度を10℃/min以上とする請求項1または2に記載の半導体装置のCu系配線形成方法。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2006−41128(P2006−41128A)
【公開日】平成18年2月9日(2006.2.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−217761(P2004−217761)
【出願日】平成16年7月26日(2004.7.26)
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成15年度、経済産業省、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)からの委託研究、産業活力再生特別措置法第30条の適用を受ける特許出願
【出願人】(000001199)株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Fターム(参考)】