JP2000216160A - Semiconductor manufacture and device - Google Patents

Semiconductor manufacture and device

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JP2000216160A
JP2000216160A JP11018003A JP1800399A JP2000216160A JP 2000216160 A JP2000216160 A JP 2000216160A JP 11018003 A JP11018003 A JP 11018003A JP 1800399 A JP1800399 A JP 1800399A JP 2000216160 A JP2000216160 A JP 2000216160A
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metal
copper
beam
wiring
semiconductor manufacturing
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Inventor
Kenji Hinode
Tatsuya Miyake
Ichiro Otake
Harvoe Peteck
Kenichi Takeda
ハルヴォエ ペテック
竜也 三宅
一郎 大嶽
憲治 日野出
健一 武田
Original Assignee
Hitachi Ltd
株式会社日立製作所
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable fine strcutures of metal and metal oxide to be formed and to form a metal wiring without burying metal or etching a metal wiring directly, by a method wherein a metal oxide such as a copper oxide or the like is locally reduced by the use of a reducing gas beam of atomic hydrogen or the like. SOLUTION: A titanium nitride film 3 is formed on a silicon oxide substrate 2 in a vacuum so as to prevent copper from diffusing internally, and a copper oxide layer 4 is formed thereon. The copper oxide layer 4 is formed through two methods, one is that copper is evaporated and oxidized by oxygen and the other is that copper oxide is evaporated directly sputtering. A titanium nitride mask 5 is formed on the copper oxide layer 4 through a lithography method, and the titanium nitride mask 5 is irradiated with an atomic hydrogen beam 1 from above. At this point, the substrate 2 provided with the copper oxide layer 4 is kept at a temperature of 300 deg.C or so by heating. The atomic hydrogen beam 1 does not react on the mask 5 but reduces the copper oxide layer 4 reacting on it, by which a copper wiring 6 is formed.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造方法、 The present invention relates to a semiconductor manufacturing method,
および半導体製造装置に関し、特に金属配線形成に適応される半導体製造方法、および半導体製造装置に関する。 And it relates to a semiconductor manufacturing apparatus, a semiconductor manufacturing method is particularly adapted to forming metal wiring, and a semiconductor manufacturing device.

【0002】 [0002]

【従来の技術】従来技術では、半導体素子の配線にはアルミが主に使用されているが、超高性能素子を実現するため低抵抗でエレクトロマイグレーション等の耐性を有する配線の必要性から、現在、アルミ配線から銅配線へ移行しつつある。 In the prior art, but aluminum wiring of the semiconductor element is mainly used, the need for wiring having a resistance of electromigration such a low resistance to realize a very high performance devices, now , it is shifting from aluminum wiring to copper wiring. 銅配線形成法は大きく分けて2つあり、それらは銅薄膜からエッチング技術により配線を作り出す方法と、絶縁体に配線の溝や穴を形成して銅を埋め込む方法(ダマシン法)がある。 Copper wiring forming method is two Broadly, they are a method of embedding a method of producing a wiring by etching of copper films, a copper to form grooves or holes of the wiring in insulator (damascene method). エッチング技術では主に塩素系の反応ガスを用いてエッチングすることにより銅配線を形成するが、銅塩化物の蒸気圧の低さからプロセス温度が高温になり、微細加工性が悪い。 Although the etching technique mainly using a reaction gas of chlorine to form a copper wiring by etching, the process temperature is a high temperature from the low vapor pressure of copper chloride, poor fine processability. また、環境保全の点から、塩化物の処理等の問題がある。 Further, from the viewpoint of environmental protection, there is a problem in processing of chloride. ダマシン法では、銅を埋め込む方法として、スパッタ蒸着、電解メッキ、化学気相成長の3つが主に検討されている。 In the damascene method, as a method of filling copper, sputter deposition, electroless plating, are three chemical vapor deposition are mainly studied.
スパッタ蒸着や電解メッキによる埋め込みは、簡便であるが、微細な配線形成には問題がある。 Embedding by sputter deposition or electroplating, but is simple, there is a problem with the fine wiring formation. 化学気相成長では微細配線形成は可能であるが、配線の電気特性が悪く、製造コストが高い。 Although the chemical vapor deposition is a fine wiring formation can, poor electrical characteristics of the wiring, the manufacturing cost is high. 現在、スパッタ蒸着や電解メッキにより製品化が行われている。 Currently, commercialization is being carried out by sputter deposition or electrolytic plating.

【0003】 [0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、多層配線においてデバイスの微細化に伴って顕著になる配線抵抗の増大は電源線の電圧降下、信号遅延の原因となり、問題となっている。 In [0006] the prior art, increase in wiring resistance becomes noticeable with the miniaturization of the devices in the multilayer wiring is the voltage drop of the power supply line, cause signal delay, it has become a problem. そのため、低抵抗化やエレクトロマイグレーション耐性の優れた配線材料が必要となる。 Therefore, good wiring material having low resistance and electromigration resistance are required. さらに将来、低誘電率を有する有機系の層間絶縁膜を使用する場合、配線形成の低温化、短時間プロセス等が必要となる。 Further future, when using an organic interlayer insulating film having a low dielectric constant, low temperature of the wiring formation, short process, etc. is required. 半導体素子は年々小型化しており、それらの配線も微細化する必要がある。 The semiconductor device is then yearly compact, their wiring must also be miniaturized. また、環境保全の面から、危険なガスを使用しないクリーンなプロセスが必要とされる。 Further, from the viewpoint of environmental protection is required clean process that does not use hazardous gases.

【0004】本発明の目的は、銅等の金属配線形成技術において、プロセス温度の低温化、大面積化や高生産性に対する全く新しい半導体製造方法、および、その装置を提案することにある。 An object of the present invention, the metal wiring formation technique such as copper, lowering the process temperature, a completely new semiconductor manufacturing method for large area and high productivity, and is to propose the apparatus.

【0005】 [0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明では、銅等の金属酸化物を原子状水素や水素イオンビーム等の還元性ガスのビームを用いて局部的に還元することにより、金属と金属酸化物の微細構造を形成し、金属の埋め込みや金属配線を直接エッチングすることなしに、金属配線を作ることを特徴とする。 To achieve the above object, according to the solution to ## in the present invention, locally reduced using a beam of reducing gas such as metal oxides atomic hydrogen or hydrogen ion beams such as copper it allows to form a fine structure of a metal and a metal oxide, without directly etching the metal of the buried and metal wires, characterized in that to produce a metal wiring. また、 Also,
本発明では、原子状酸素、オゾンや酸素イオンビーム等の酸化性ガスのビームを用いて、金属薄膜を局部的に酸化することにより、金属と金属酸化物の微細構造を形成することにより、金属配線を作ることも特徴としている。 In the present invention, atomic oxygen, using a beam of an oxidizing gas such as ozone and oxygen ion beam, by locally oxidizing the metal thin film, by forming the microstructure of the metal and a metal oxide, metal It is characterized also possible to make the wiring.

【0006】 [0006]

【発明の実施の形態】以下に本発明を実施例に基づき詳細に説明する。 Based on the present invention embodiment DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The following will be described in detail.

【0007】(実施例1)本実施例の微細金属配線形成法を図1を用いて説明する。 [0007] The fine metal wiring formation method (Example 1) This example is described with reference to FIG. 図1(a)〜(b)は工程図である。 Figure 1 (a) ~ (b) is a process diagram. いずれも斜視図である。 Both a perspective view.

【0008】本実施例では、還元性ガスのビームを用いて金属酸化物を局部的に還元することにより、金属と金属酸化物の微細構造を形成する技術について具体的に説明する。 [0008] In this embodiment, by locally reducing the metal oxide with a beam of reducing gas will be described in detail a technique for forming a fine structure of a metal and a metal oxide. 図1にその実施例を示す。 Examples of which are illustrated in Figure 1. 図1(a) に示すように、真空中で酸化シリコン基板2上に銅の内部拡散防止のための窒化チタン(TiN)膜3を形成し、さらにその上に酸化銅4を形成した。 As shown in FIG. 1 (a), to form a titanium nitride (TiN) film 3 for internal diffusion preventing copper on the silicon oxide substrate 2 in a vacuum, and further forming a copper oxide 4 is formed thereon. 酸化銅4の形成は、銅を蒸着した後、酸素で酸化させて作る方法と、直接、酸化銅をスパッタ蒸着する方法を用いた。 Formation of copper oxide 4 may be formed by depositing copper, and method of making it is oxidized by oxygen, directly, using the method of sputter deposition of copper oxide. TiN膜の他に、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、窒化タングステン(TiW)、窒化タンタル(TaN)等の高融点金属や窒化シリコン(SiN, Si 3 N In addition to the TiN film, a tungsten (W), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), tungsten nitride (TiW), a refractory metal and silicon nitride such as tantalum nitride (TaN) (SiN, Si 3 N
4 )等の窒化膜でもバリア性があった。 4) there is a barrier in the nitride film or the like. 酸化銅4の上に、半導体プロセスで用いられている光や電子線でのリソグラフィー技術や走査型原子間力顕微鏡でのリソグラフィー技術を用いて、TiNのマスク5を作成した。 On the copper oxide 4 using a lithography technique in lithography or a scanning atomic force microscope with light or an electron beam used in the semiconductor process, it has created a mask 5 of TiN. これに、上部から、指向性の良い原子状水素ビーム1を照射した。 This, from the top, was irradiated with atomic hydrogen beam 1 good directivity. その際、酸化銅4をつけた基板は、加熱装置の上に置かれ、約300℃に加熱保持されている。 At that time, the substrate carrying thereon an oxide of copper 4 is placed on the heating device and is heated and maintained at about 300 ° C.. 原子状水素ビーム1は、マスク5の上では何も反応せず、マスク5 Atomic hydrogen beam 1, nothing react on the mask 5, mask 5
の無い酸化銅4と反応し、酸化銅4を銅へ還元した。 It reacts with the copper oxide 4 no, was reduced copper oxide 4 to copper.

【0009】その結果、図1(b) に示すように、還元された後に、銅配線6を形成することができた。 [0009] As a result, as shown in FIG. 1 (b), after reduction, it was possible to form a copper wiring 6. 還元の際、酸化銅は、銅に変わると体積が60%に減少するため、図1(b)に示すように酸化銅4と比べると銅6は体積が縮小し、表面に凹凸ができる。 During reduction, copper oxide, the volume when the change in the copper is reduced to 60%, copper 6 as compared with copper oxide 4 as shown in FIG. 1 (b) volume is reduced, it is unevenness on the surface. 還元がされたかどうかの判断は、一般に銅配線6の元素分析をすればよいが、本発明では、この還元による体積変化から、還元の程度を知ることができた。 Determination whether the reduction is generally may be an elemental analysis of the copper wiring 6, but in the present invention, the volume change due to this reduction, it was possible to know the degree of reduction. 酸化銅4は、CuOの場合、誘電体であるので、バリア膜3を窒化シリコン(SiN, Si 3 Copper oxide 4, in the case of CuO, because a dielectric, a barrier layer 3 of silicon nitride (SiN, Si 3
N 4 )膜を用いれば、図1(b) の状態で、銅配線6は絶縁された金属配線として利用できる。 The use of N 4) film, in the state of FIG. 1 (b), the copper wiring 6 can be used as a metal wiring which is insulated. また、図1(b) FIG. 1 (b)
では、マスクされていない酸化銅4を全部還元したが、 In has been reduced all the copper oxide 4 unmasked,
途中まで還元することにより、銅配線の厚さを制御できる。 By reducing halfway, you can control the thickness of the copper wiring. 本発明では、銅材料の例を示したが、他のアルミ、 In the present invention, an example of a copper material, other aluminum,
銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄等の金属原子やそれらの合金分子の金属酸化物を用いても金属配線を形成することができた。 Silver, gold, could be formed of platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, a metal wiring be used metal oxides of the metal atoms and alloys molecules such as iron.

【0010】(実施例2)本実施例の微細金属配線形成法を図2を用いて説明する。 [0010] (Example 2) a fine metal wire forming method of this embodiment will be described with reference to FIG. 図2(a)〜(b)は工程図である。 Figure 2 (a) ~ (b) is a process diagram. いずれも斜視図である。 Both a perspective view.

【0011】実施例1では、還元により金属/金属酸化物の構造を形成する方法を示したが、還元と反対の反応である酸化反応でも同様なことができる。 [0011] In the first embodiment, the method of forming a structure of metal / metal oxide by reduction, can be similar in the opposite reaction as reduction-oxidation reactions. 本実施例では、原子状酸素、オゾン、フッ素や酸素イオンビーム等の酸化性ガスのビームを用いて局部的に酸化することにより、金属と金属酸化物の微細構造を形成する技術について具体的に説明する。 In this embodiment, atomic oxygen, ozone, by locally oxidizing using a beam of an oxidizing gas such as fluorine or oxygen ion beams, specifically a technique for forming a fine structure of a metal and a metal oxide explain. 図2にその実施例を示す。 Examples of which are illustrated in FIG. 図2 Figure 2
(a)に示すように、真空中で酸化シリコン基板2上に銅の内部拡散防止のための窒化チタン(TiN)膜3を形成し、さらにその上に真空中でのスパッタ蒸着により銅薄膜7を形成した。 (A), a on the silicon oxide substrate 2 in a vacuum to form a titanium nitride (TiN) film 3 for internal diffusion preventing copper, further copper film 7 by sputtering deposition in vacuum on it It was formed. TiN膜の他に、タングステン(W)、 In addition to the TiN film, a tungsten (W),
チタン(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、窒化タングステン(WN)、窒化タンタル(TaN)等の高融点金属や窒化シリコン(SiN, Si 3 N 4 )等の窒化膜でもバリア性があった。 Titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), tungsten nitride (WN), a refractory metal and silicon nitride such as tantalum nitride (TaN) (SiN, Si 3 N 4) barrier properties in nitride film or the like there were. 銅薄膜7の上に、半導体プロセスで用いられている光や電子線でのリソグラフィー技術や走査型原子間力顕微鏡でのリソグラフィー技術を用いて、 On the copper thin film 7, by a lithography technique in lithography or a scanning atomic force microscope with light or an electron beam used in the semiconductor process,
TiNのマスク5を作成した。 You create a mask 5 of TiN. これに、上部から、指向性の良い原子状酸素ビーム8を照射した。 Thereto, from the top, and irradiated with directional good atomic oxygen beam 8. その際、銅薄膜7をつけた基板は、真空中で加熱装置の上に置かれ、約 At this time, substrate carrying thereon a copper thin film 7 is placed on the heating device in a vacuum, about
300℃に加熱保持されている。 It is heated and maintained in 300 ° C.. 原子状酸素ビーム8は、 Atomic oxygen beam 8,
マスク5の上では何も反応せず、マスク5の無い銅薄膜7と反応し、銅薄膜7を酸化銅4へ酸化した。 Does nothing react on the mask 5, react with the copper film 7 without mask 5 was oxidized copper film 7 to copper oxide 4.

【0012】その結果、図2(b)に示すように、酸化された後に、銅配線6を形成することができた。 [0012] As a result, as shown in FIG. 2 (b), after being oxidized, it was possible to form a copper wiring 6. 酸化の際、銅は、酸化銅に変わると体積が1.7倍になるため、 During oxidation, for copper, the volume when changes to the copper oxide is 1.7 times,
図2(b) に示すように銅薄膜7と比べると酸化銅4は体積が膨張し、表面に凹凸ができる。 Figure 2 (b) in the copper oxide 4 compared with the copper thin film 7 as shown in volume expands, it is unevenness on the surface. 局部的に酸化がされたかどうかの判断は、これらの銅配線6の元素分析をすればよいが、本発明では、この還元による体積変化から、還元の程度を知ることができた。 Locally whether oxidation is determined, which may be the elemental analysis of these copper wires 6, in the present invention, the volume change due to this reduction, it was possible to know the degree of reduction. 酸化銅4は、CuO Copper oxide 4, CuO
の場合、誘電体であるので、バリア膜3に窒化シリコン(SiN, Si 3 N)膜を用いれば、図2(b) の状態で、銅配線6は絶縁された金属配線として利用できる。 For, since a dielectric, using the barrier film 3 a silicon nitride (SiN, Si 3 N) film, in the state of FIG. 2 (b), the copper wiring 6 can be used as a metal wiring which is insulated. 本発明では、銅材料の例を示したが、他のアルミ、銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄等の金属原子やそれらの合金分子の金属を用いても金属配線を形成することができた。 In the present invention, an example of a copper material, other aluminum, silver, gold, platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, metals of a metal of the metal atoms and alloys molecules such as iron it was possible to form wiring.

【0013】(実施例3)本実施例の微細金属配線形成法を図3を用いて説明する。 [0013] The fine metal wiring formation method of Example 3 This example will be described with reference to FIG. 図3(a)〜(h)は工程図である。 Figure 3 (a) ~ (h) are process diagrams. いずれも斜視図である。 Both a perspective view.

【0014】実施例1では、金属酸化物を絶縁層として利用した一層の金属配線の形成方法について述べたが、 [0014] In the first embodiment, the metal oxide mentioned method for forming a layer of metal wiring used as the insulating layer,
低誘電率の層間絶縁体を用いた多層金属配線の形成方法について、実施例を図3に示す。 A method for forming a multilayer metal wiring using the interlayer insulator having a low dielectric constant, showing an example in FIG. 図3(a) に示すように、真空中で酸化シリコン基板2上に銅の内部拡散防止のための窒化チタン(TiN)膜3を形成し、さらにその上に酸化銅4を形成した。 As shown in FIG. 3 (a), on the silicon oxide substrate 2 in a vacuum to form a titanium nitride (TiN) film 3 for internal diffusion preventing copper, and further forming a copper oxide 4 is formed thereon. 酸化銅4の形成は、銅を蒸着した後、酸素で酸化させて作る方法と、直接、酸化銅をスパッタ蒸着する方法を用いた。 Formation of copper oxide 4 may be formed by depositing copper, and method of making it is oxidized by oxygen, directly, using the method of sputter deposition of copper oxide. TiN膜の他に、タングステン(W)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、窒化タングステン(WN)、窒化タンタル(TaN)等の高融点金属や窒化シリコン(SiN, Si 3 N 4 In addition to the TiN film, a tungsten (W), titanium (Ti), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), tungsten nitride (WN), a refractory metal and silicon nitride such as tantalum nitride (TaN) (SiN, Si 3 N 4)
等の窒化膜でもバリア性があった。 It had barrier properties even in the nitride film and the like. 図3(b)に示すように、酸化銅4の上に、半導体プロセスで用いられている光や電子線でのリソグラフィー技術や走査型原子間力顕微鏡でのリソグラフィー技術を用いて、TiNのマスク5を作成した。 As shown in FIG. 3 (b), on the copper oxide 4 using a lithography technique in lithography or a scanning atomic force microscope with light or an electron beam used in the semiconductor process, TiN mask 5 was created. 酸化銅4をつけた基板を約300℃に加熱しながら表面の垂直方向から指向性の良い原子状水素ビームを照射した。 It was irradiated with good atomic hydrogen beam directivity from the vertical direction of the surface while heating the substrate carrying thereon an oxide of copper 4 to about 300 ° C..

【0015】その結果、図3(c)に示すように、還元された後に、銅配線6を形成することができた。 [0015] As a result, as shown in FIG. 3 (c), after reduction, it was possible to form a copper wiring 6. マスクに用いた窒化チタン膜5をフッ化炭素(CF 4 )を用いた反応性エッチング(RIE)で除去し(図3(d))、酸化銅を硫酸等の酸性の液体でエッチングすることにより、酸化銅4を除去した。 Removing the titanium nitride film 5 used as a mask by reactive etching using a carbon fluoride (CF 4) (RIE) (FIG. 3 (d)), copper oxide by etching with an acidic liquid such as sulfuric acid to remove the copper oxide 4. 酸化銅を除去した後は、図3(e) After removal of the copper oxide, FIG. 3 (e)
に示すように銅配線6が形成されるが、下地の窒化チタン膜3があるため、銅配線は絶縁されていない。 The Copper wiring 6 is formed as shown, because of the titanium nitride film 3 of the base, the copper wiring is not insulated. そこで、RIEにより、銅配線が無い部分のみ選択的にエッチングし、その上に図3(f)に示す窒化シリコン(Si Therefore, by RIE, and selectively etching only a portion of copper wire is not, a silicon nitride shown in FIG. 3 (f) thereon (Si
3 N 4 )膜9を蒸着する。 3 N 4) is deposited film 9. 窒化シリコン膜9は、絶縁体で、銅の絶縁層への拡散を防止する役割を持っている。 Silicon nitride film 9, an insulator, has a role of preventing diffusion of copper into the insulating layer.
次に、図3(g)に示すように配線間に低誘電率の絶縁体を埋め込む。 Then, buried insulator of low dielectric constant between the wirings as shown in FIG. 3 (g). この上に次の配線層を形成し、下部配線との接続をするため、図3(g) の上部に出ている窒化シリコン膜9に接続用の孔、若しくは、溝を作る。 The on to form the next wiring layer, for the connection to the lower wiring, Fig. 3 (g) hole for connection is a silicon nitride film 9 comes into the upper part of, or make a groove. それに図3(h)に示すように次の配線層のための窒化チタン膜3を形成し、再び、図3(a)からのプロセスを繰り返し、銅配線を形成する。 And a titanium nitride film 3 is formed for the next wiring layer as shown in FIG. 3 (h), again, repeat the process from FIG. 3 (a), to form a copper wiring. このプロセスを繰り返すことにより、所望の多層銅配線を作成できる。 By repeating this process you can create a desired multi-layer copper wiring. 本発明では、銅材料の例を示したが、他のアルミ、銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄等の金属原子やそれらの合金分子の金属を用いても金属配線を形成することができた。 In the present invention, an example of a copper material, other aluminum, silver, gold, platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, metals of a metal of the metal atoms and alloys molecules such as iron it was possible to form wiring.

【0016】(実施例4)本実施例の微細金属配線形成法を図4を用いて説明する。 [0016] The fine metal wiring formation method of Example 4 This example will be described with reference to FIG. 図4(a)〜(h)は工程図である。 Figure 4 (a) ~ (h) are process diagrams. いずれも斜視図である。 Both a perspective view.

【0017】実施例2では、金属酸化物を絶縁層として利用した一層の金属配線の形成方法について述べたが、 [0017] In Example 2, although the metal oxide mentioned method for forming a layer of metal wiring used as the insulating layer,
低誘電率の層間絶縁体を用いた多層金属配線の形成方法について、実施例を図4に示す。 A method for forming a multilayer metal wiring using the interlayer insulator having a low dielectric constant, showing an example in FIG. 図4(a)に示すように、真空中で酸化シリコン基板2上に銅の内部拡散防止のための窒化チタン(TiN)膜3を形成し、さらにその上に真空中でのスパッタ蒸着により銅薄膜7を形成した。 Figure 4 (a), a on the silicon oxide substrate 2 in a vacuum to form a titanium nitride (TiN) film 3 for internal diffusion preventing copper, further copper by sputtering deposition in vacuum on it to form a thin film 7. TiN膜の他に、タングステン(W)、チタン(Ti)、 Besides, tungsten TiN film (W), titanium (Ti),
タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、窒化タングステン(WN)、窒化タンタル(TaN)等の高融点金属や窒化シリコン(SiN, Si 3 N 4 )等の窒化膜でもバリア性があった。 Tantalum (Ta), molybdenum (Mo), tungsten nitride (WN), a refractory metal and silicon nitride such as tantalum nitride (TaN) (SiN, Si 3 N 4) in the nitride film such as had barrier properties. 図4(b)に示すように、銅薄膜7の上に、半導体プロセスで用いられている光や電子線でのリソグラフィー技術や走査型原子間力顕微鏡でのリソグラフィー技術を用いて、TiNのマスク5を作成した。 As shown in FIG. 4 (b), on the copper thin film 7, by a lithography technique in lithography or a scanning atomic force microscope with light or an electron beam used in the semiconductor process, TiN mask 5 was created. 銅薄膜7をつけた基板を約300℃に加熱しながら表面の垂直方向から指向性の良い原子状酸素ビーム8を照射した。 The substrate carrying thereon a copper thin film 7 was exposed to directional good atomic oxygen beam 8 from the vertical direction while heating the surface to about 300 ° C..

【0018】その結果、図4(c)に示すように、酸化された後に、銅配線6を形成することができた。 [0018] As a result, as shown in FIG. 4 (c), after being oxidized, it was possible to form a copper wiring 6. 図4 Figure 4
(d) では酸化銅を硫酸等の酸性の液体でエッチングすることにより、酸化銅4を除去した。 (D) is the copper oxide by etching with an acidic liquid such as sulfuric acid, to remove the copper oxide 4. その後、マスクに用いた窒化チタン膜5をフッ化炭素(CF 4 )を用いたRIE Thereafter, RIE titanium nitride film 5 used as a mask using a fluorocarbon (CF 4)
で除去した(図4(e))。 In removing (Fig 4 (e)). マスクを除去した後は、図4(e)に示すように銅配線6が形成され、その上に図4(f)に示す窒化シリコン(Si 3 N 4 )膜9を蒸着する。 After removing the mask, it is formed of copper wire 6 as shown in FIG. 4 (e), depositing FIG 4 (f) to indicate silicon nitride (Si 3 N 4) film 9 thereon.
窒化シリコン膜9は、絶縁体で、銅の絶縁層への拡散を防止する役割を持っている。 Silicon nitride film 9, an insulator, has a role of preventing diffusion of copper into the insulating layer. 次に、図4(g) に示すように配線間に低誘電率の絶縁体10を埋め込む。 Then, embedding the insulator 10 having a low dielectric constant between the wirings as shown in FIG. 4 (g). この上に次の配線層を形成し、下部配線との接続をするため、 Since the next wiring layer is formed on, the connection between the lower wiring,
図4(g)の上部に出ている窒化シリコン膜9に接続用の孔、若しくは、溝を作る。 Figure 4 (g) upper part out to have holes for connection to the silicon nitride film 9, or make a groove. それに図4(h)に示すように次の配線層のための窒化チタン膜3を形成し、再び、図4(a)からのプロセスを繰り返し、銅配線を形成する。 And a titanium nitride film 3 is formed for the next wiring layer as shown in FIG. 4 (h), again, repeat the process from FIG. 4 (a), the copper wiring is formed. このプロセスを繰り返すことにより、所望の多層銅配線を作成できる。 By repeating this process you can create a desired multi-layer copper wiring. 本発明では、銅材料の例を示したが、他のアルミ、銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄等の金属原子やそれらの合金分子の金属を用いても金属配線を形成することができた。 In the present invention, an example of a copper material, other aluminum, silver, gold, platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, metals of a metal of the metal atoms and alloys molecules such as iron it was possible to form wiring.

【0019】(実施例5)本実施例の微細金属配線形成法を図5を用いて説明する。 [0019] The fine metal wiring formation method of Example 5 This example will be described with reference to FIG. 図5(a)〜(d)は工程図である。 Figure 5 (a) ~ (d) are process diagrams. いずれも斜視図である。 Both a perspective view.

【0020】実施例4においては、層間絶縁膜に低誘電率絶縁体10と銅の拡散防止用に誘電率の高い窒化シリコン膜9の両方を使用しているので、配線間の実効的な誘電率は大きくなってしまう。 [0020] In Example 4, because it uses both the high dielectric constant silicon nitride film 9 in the diffusion preventing the low dielectric constant insulator 10 and the copper in the interlayer insulating film, the effective dielectric between wirings the rate is increased. 本実施例では、窒化シリコン膜9を用いないで、銅配線のバリア膜を形成する方法を図5に示す。 In this embodiment, without using the silicon nitride film 9, illustrating a method of forming a barrier film of the copper wiring in FIG. 実施例4の図4(d) の後、図5 After 4 Example 4 (d), 5
(a) に示すようにTiN膜11を付ける。 Attaching a TiN film 11 as shown in (a). その後、RIE Then, RIE
により上部からTiN膜をエッチングする。 Etching the TiN film from above by. 図5(b) に示すように銅配線6の側壁と上部のTiN膜がバリア膜として残る。 Side walls and top of the TiN film of the copper wiring 6 as shown in FIG. 5 (b) remains as a barrier film. これは、側壁はエッチングされにくく、マスクに用いたTiN膜5よりもTiN膜3が薄いため、銅配線の周囲にバリア膜を形成できる。 This side wall is difficult to be etched, because thinner TiN film 3 than TiN film 5 used as a mask to form a barrier film around a copper wire. 次に図5(c)に示すように配線間に低誘電率の絶縁体10を埋め込む。 Then embed the insulator 10 having a low dielectric constant between the wirings as shown in FIG. 5 (c). この上に図5(d)に示すようにTiN膜3を付けて、次の層の銅配線を形成する。 With the TiN film 3 as shown in FIG. 5 (d) on this, to form copper wirings of the next layer. この上部のTiN膜3は、直接、下部の銅配線周囲のバリア膜と接続するため、実施例4で説明した接続用の孔、若しくは、溝を作る必要がなかった。 TiN film 3 of the upper is directly for connection to the lower periphery of the copper wiring of the barrier film, a hole for connection illustrated in Example 4, or, did not have to make a groove. 以上のプロセスを繰り返すことにより、低誘電率絶縁体の特性を有効に利用した多層銅配線を作成できる。 By repeating the above process, it can be a multilayer copper wiring effectively utilizing the characteristics of the low dielectric constant insulator.
本発明では、銅材料の例を示したが、他のアルミ、銀、 In the present invention, an example of a copper material, other aluminum, silver,
金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄等の金属原子やそれらの合金分子の金属を用いても金属配線を形成することができた。 Gold, could be formed of platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, a metal wiring even by using a metal of the metal atoms and alloys molecules such as iron.

【0021】(実施例6)実施例1〜5では原理的な説明であったが、図6に真空装置内に組み込んだ実施例を示す。 [0021] (Example 6) was the embodiment of 1-5 principle the description, an embodiment incorporating into the vacuum apparatus in Fig. 装置の基本構成は、基板18が真空装置12内にゲートバルブ26を介し導出入ができる枚葉式の形式を取っている。 The basic configuration of the apparatus, the substrate 18 is taking single wafer format that can guide and out via a gate valve 26 into the vacuum apparatus 12. 真空装置12内には基板の回転および冷却加熱機構を持つ基板ステージ23が真空装置内移動機構24に設置されている。 Substrate stage 23 with the rotation and the cooling heating mechanism of the substrate is placed in a vacuum apparatus moving mechanism 24 in the vacuum device 12. この基板ステージ23と移動機構24はステージ制御装置25で制御され、中央制御装置25と接続し、酸化還元等の情報を総合的に制御している。 The substrate stage 23 moving mechanism 24 is controlled by the stage controller 25, connected to the central control unit 25, and comprehensively controls the information such as redox. 高指向性の原子状水素、酸素源14は、高温タングステンフィラメント上の熱解離方式によりビームを生成しており、反応性ビーム制御装置13で酸化還元速度を調整し、中央制御装置15に接続されている。 High directivity of atomic hydrogen, oxygen source 14 is to produce a beam by thermal dissociation method on hot tungsten filament, to adjust the redox rate reactive beam control unit 13 is connected to the central control unit 15 ing. 真空度は真空計17を用いて真空度制御装置16より観測されており、それを中央制御装置15に接続に接続し、真空ポンプ等の制御に用いている。 Vacuum is observed from vacuum control device 16 using a vacuum gauge 17, and connect it to the connection to the central control unit 15 is used to control such as a vacuum pump. 反応性ビームの指向性を上げるために小さい筒状孔の開いたコリメーター27を原子状水素、酸素源14の出口側に置き、より微細な構造を作成する場合に使用した。 Reactive beam collimator 27 atomic hydrogen open a small cylindrical hole in order to increase the directivity of, placed on the outlet side of the oxygen source 14 was used to create a finer structure. 本実施例では、反応性ビームを作るためにタングステンフィラメント上の熱解離方式を用いたが、他のプラズマ方式やイオンビーム方式を用いても同じ効果が得られた。 In this embodiment, using thermal dissociation method on a tungsten filament to produce a reactive beam, the same effect was obtained even by using other plasma method or an ion beam method. しかし、プラズマ方式やイオンビーム方式は、原子状水素等のビームエネルギーが高いため、試料に損傷を与え易い。 However, plasma method, ion beam method has a high beam energy of atomic hydrogen and the like, tends to damage the sample. 酸化還元量の確認は真空装置12の覗き窓20を通してヘリウムネオンレーザー光源19からレーザー光を酸化還元中の基板に照射し、反射してきたレーザー光を覗き窓21を通してレーザー強度検出装置22で測定した。 Check redox amount of laser light irradiating the substrate in the oxidation-reduction from helium-neon laser light source 19 through the viewing window 20 of the vacuum apparatus 12 was measured by the laser intensity detector 22 through the observation window 21 a laser beam reflected . 実施例1、2で説明したように酸化還元により表面に凹凸ができるので、それによる反射率の違いから酸化還元量を無損傷で且つ実時間で判断し、その情報を中央制御装置15に送り、酸化還元量や基板回転移動速度および基板温度を総合的に判断し歩留まり率を向上させることができた。 Since it is irregularities on the surface by oxidation-reduction as described in Examples 1 and 2, it by a redox amount from the difference in reflectance is determined with and real-time intact, sends the information to the central controller 15 , it was possible to improve the comprehensive evaluation and yield rate of the redox amount and substrate rotational transfer velocity and the substrate temperature. 本実施例では枚葉式の基板搬送方式を取っているが、バッチ式でも同じ効果が得られた。 In the present embodiment taking the substrate transfer method of single wafer, the same effect was obtained even in a batch.

【0022】 [0022]

【発明の効果】翻発明により、原理的には原子レベルでの局部酸化還元であるため、微細な構造に対しても有効で、酸化することにより薄膜の特性を変えて利用しているため、孔や溝を形成して埋め込むプロセス行程を減らして、金属配線を形成できる。 The transliteration invention, according to the present invention, since in principle a local oxidation reduction at the atomic level, effective against fine structure, utilizing changing the characteristics of the thin film by oxidizing, reduce the process operation for embedding to form a hole or groove can be formed a metal wiring.

【0023】また、さらに本発明の適用によって、その他の半導体プロセス技術開発の進展や磁性記憶材料等の金属/金属酸化物構造をとる材料素子への応用展開ができる。 Further, it is further by application of the present invention, application and development of the material element to take metal / metal oxide structure developments and such magnetic memory materials other semiconductor process technology development.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の金属酸化物の還元による金属配線を示す概略図。 Schematic diagram showing a metal wiring due to reduction of the metal oxide of the present invention; FIG.

【図2】本発明の金属の酸化による金属配線を示す概略図。 Schematic diagram showing a metal wiring due to oxidation of the metal of the present invention; FIG.

【図3】本発明の金属酸化物の還元による多層金属配線形成の実施例3の工程図。 [3] Step diagram of an embodiment 3 of the multilayer metal wiring formed by reduction of the metal oxide of the present invention.

【図4】本発明の金属の酸化による多層金属配線形成の実施例4の工程図。 Process diagram of the fourth embodiment of the multi-layer metal wiring formed by oxidation of the metal of the present invention; FIG.

【図5】本発明の金属の酸化による多層金属配線形成の実施例5の工程図。 Process diagram of Example 5 of the multilayer metal wiring formed by oxidation of the metal of the present invention; FIG.

【図6】酸化還元による金属配線製造装置を示す概略構成図。 Figure 6 is a schematic diagram showing a metal wiring manufacturing apparatus according redox.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1…原子状水素ビーム、2…酸化シリコン基板、3…窒化チタン、4…酸化銅、5…窒化チタンマスク、6…銅配線、7…銅薄膜、8…原子状酸素ビーム、9…窒化シリコン膜、10…絶縁体、11…窒化チタン膜、12… 1 ... atomic hydrogen beam, 2 ... oxidized silicon substrate, 3 ... titanium nitride, 4 ... copper oxide, 5 ... titanium nitride mask, 6 ... copper wiring, 7 ... copper film, 8 ... atomic oxygen beam, 9 ... silicon nitride film, 10 ... insulator, 11 ... titanium nitride film, 12 ...
真空装置、13…反応性ビーム制御装置、14…原子状水素、酸素源、15…中央制御装置、16…真空度制御装置、17…真空計、18…基板、19…レーザー光源、20…覗き窓、21…覗き窓、22…レーザー強度検出装置、23…基板ステージ、24…移動機構、25 Vacuum apparatus 13 ... reactive beam control unit, 14 ... atomic hydrogen, oxygen source, 15 ... central controller, 16 ... vacuum degree control device, 17 ... vacuum gauge, 18 ... substrate, 19 ... laser light source, 20 ... peep window, 21 ... viewing window, 22 ... laser intensity detector, 23 ... substrate stage, 24 ... moving mechanism, 25
…ステージ制御装置、26…ゲートバルブ、27…コリメーター。 ... stage controller, 26 ... gate valve, 27 ... collimator.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペテック ハルヴォエ 埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地 株式会 社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者 武田 健一 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 日野出 憲治 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 4M104 BB02 BB04 BB05 BB06 BB08 BB09 BB14 BB16 BB17 BB18 BB30 BB31 BB32 DD73 DD74 DD81 DD88 FF16 FF18 5F033 HH07 HH08 HH11 HH13 HH14 HH15 HH16 HH18 HH19 HH20 HH21 HH23 HH32 HH33 KK07 KK08 KK11 KK13 KK14 KK15 KK16 KK18 KK19 KK20 KK21 KK23 KK32 KK33 MM05 MM11 PP15 QQ08 QQ09 QQ13 QQ19 QQ27 QQ53 QQ54 QQ59 QQ60 QQ61 QQ63 QQ68 RR06 XX03 XX24 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (72) inventor Petekku Haruvoe Hiki-gun, Saitama Prefecture Hatoyama-cho, Akanuma 2520 address stock company Hitachi basis the laboratory (72) inventor Kenichi Takeda Tokyo Kokubunji Higashikoigakubo chome 280 address Hitachi Works within the central Research Institute (72) inventor Izuru Hino Kenji Tokyo Kokubunji Higashikoigakubo chome 280 address Hitachi central Research Laboratory in the F-term (reference) 4M104 BB02 BB04 BB05 BB06 BB08 BB09 BB14 BB16 BB17 BB18 BB30 BB31 BB32 DD73 DD74 DD81 DD88 FF16 FF18 5F033 HH07 HH08 HH11 HH13 HH14 HH15 HH16 HH18 HH19 HH20 HH21 HH23 HH32 HH33 KK07 KK08 KK11 KK13 KK14 KK15 KK16 KK18 KK19 KK20 KK21 KK23 KK32 KK33 MM05 MM11 PP15 QQ08 QQ09 QQ13 QQ19 QQ27 QQ53 QQ54 QQ59 QQ60 QQ61 QQ63 QQ68 RR06 XX03 XX24

Claims (11)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】銅もしくはアルミ、銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄の金属原子やそれらの合金分子の金属酸化物を原子状水素や水素イオンビームの還元性ガスのビームを用いて局部的に還元し、金属と金属酸化物の微細構造を形成することを特徴とする半導体製造方法。 1. A copper or aluminum, silver, gold, platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, a reducing gas of the metal oxide atomic hydrogen or hydrogen ion beam of metal atoms and alloys molecules Iron semiconductor manufacturing method characterized by the beam locally reduced using, to form a fine structure of a metal and a metal oxide.
  2. 【請求項2】銅もしくはアルミ、銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄の金属原子やそれらの合金分子を原子状酸素、オゾン、フッ素や酸素イオンビームの酸化性ガスのビームを用いて局部的に酸化し、金属と金属酸化物の微細構造を形成することを特徴とする半導体製造方法。 2. A copper or aluminum, silver, gold, platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, iron metal atoms and alloys molecular atomic oxygen, ozone, oxidizing gases of fluorine and oxygen ion beam semiconductor manufacturing method characterized by the beam locally oxidized using, to form a fine structure of a metal and a metal oxide.
  3. 【請求項3】エッチングにより金属酸化物を除去し、タングステン、チタン、タンタル、モリブデン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化チタンの高融点金属、それらの窒化物や合金、および、窒化シリコンの絶縁膜を金属拡散防止用のバリア膜として金属周囲に施し、配線間に層間絶縁膜を入れ、多層金属配線を形成することを特徴とする請求項1記載の半導体製造方法。 3. A metal oxide is removed by etching, tungsten, titanium, tantalum, molybdenum, tungsten nitride, tantalum nitride, a refractory metal of titanium nitride, nitride thereof and alloys, and the insulating film of silicon nitride subjecting the metal around as a barrier film for preventing metal diffusion, put interlayer insulating film between a wiring, a semiconductor manufacturing process according to claim 1, wherein the forming the multilayer metal wirings.
  4. 【請求項4】エッチングにより金属酸化物を除去し、タングステン、チタン、タンタル、モリブデン、窒化タングステン、窒化タンタル、窒化チタンの高融点金属、それらの窒化物や合金、および、窒化シリコン等の絶縁膜を金属拡散防止用のバリア膜として金属周囲に施し、配線間に層間絶縁膜を入れ、多層金属配線を形成することを特徴とする請求項2記載の半導体製造方法。 Wherein a metal oxide is removed by etching, tungsten, titanium, tantalum, molybdenum, tungsten nitride, tantalum nitride, a refractory metal of titanium nitride, nitride thereof and alloys, and the insulating film such as silicon nitride alms metal around as a barrier film for preventing metal diffusion, put interlayer insulating film between a wiring, a semiconductor manufacturing method according to claim 2, characterized in that to form a multilayer metal wiring.
  5. 【請求項5】金属配線の周囲だけにバリア膜を形成し、 5. A formed only on the barrier film around the metal wires,
    配線間の静電容量を減少させることを特徴とする請求項4記載の半導体製造方法。 Semiconductor manufacturing method according to claim 4, wherein reducing the capacitance between wirings.
  6. 【請求項6】銅もしくはアルミ、銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄の金属原子やそれらの合金分子の金属酸化物を原子状水素や水素イオンビームの還元性ガスのビームを用いて局部的に還元する手段を有し、金属と金属酸化物の微細構造を形成することを特徴とする半導体製造装置。 6. copper or aluminum, silver, gold, platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, a reducing gas of the metal oxide atomic hydrogen or hydrogen ion beam of metal atoms and alloys molecules Iron and means for locally reduced with a beam, a semiconductor manufacturing apparatus, and forming the microstructure of the metal and metal oxide.
  7. 【請求項7】銅もしくはアルミ、銀、金、白金、タングステン、タンタル、チタン、コバルト、ニッケル、鉄の金属原子やそれらの合金分子を原子状酸素、オゾン、フッ素や酸素イオンビームの酸化性ガスのビームを用いて局部的に酸化する手段を有し、金属と金属酸化物の微細構造を形成することを特徴とする半導体製造装置。 7. A copper or aluminum, silver, gold, platinum, tungsten, tantalum, titanium, cobalt, nickel, iron metal atoms and alloys molecular atomic oxygen, ozone, oxidizing gases of fluorine and oxygen ion beam and means for locally oxidized using the beam, a semiconductor manufacturing apparatus, and forming the microstructure of the metal and metal oxide.
  8. 【請求項8】金属、金属酸化物の酸化還元過程を観測し埋め込み量を制御する、レーザーの反射強度を測定する装置と、金属配線形成を自動制御する手段と、をさらに有することを特徴とする請求項6記載の半導体製造装置。 8. A metal, for controlling the observed buried weight redox process of the metal oxide, and wherein the device for measuring the reflection intensity of the laser, and means for automatically controlling the metal wiring formation, further comprising a the semiconductor manufacturing apparatus according to claim 6.
  9. 【請求項9】マルチノズルのビーム源と、ビームの指向性を向上させる、多数の孔の開いたコリメーターと、をさらに有し、大口径のウェハーを酸化還元し、ウェハー面内の酸化還元量を均一に制御し、複雑で微細な金属配線形成の大面積化を行うことを特徴とする請求項8記載の半導体製造装置。 9. A multi-nozzle beam source, to improve the directivity of the beam, and a collimator which open many holes, further comprising a, and redox wafers of large diameter, redox in wafer surface the amount and uniformly control the complex semiconductor manufacturing apparatus according to claim 8, characterized in that a large area of ​​fine metallic wires formed.
  10. 【請求項10】金属、金属酸化物の酸化還元過程を観測し埋め込み量を制御する、レーザーの反射強度を測定する装置と、金属配線形成を自動制御する手段と、をさらに有することを特徴とする請求項7記載の半導体製造装置。 10. A metal, for controlling the observed buried weight redox process of the metal oxide, and wherein the device for measuring the reflection intensity of the laser, and means for automatically controlling the metal wiring formation, further comprising a the semiconductor manufacturing apparatus according to claim 7 wherein.
  11. 【請求項11】マルチノズルのビーム源と、ビームの指向性を向上させる、多数の孔の開いたコリメーターと、 11. A multi-nozzle beam source, to improve the directivity of the beam, and a collimator which open many holes,
    をさらに有し、大口径のウェハーを酸化還元し、ウェハー面内の酸化還元量を均一に制御し、複雑で微細な金属配線形成の大面積化を行うことを特徴とする請求項10 Further comprising a, claim 10 and redox wafers of large diameter, and uniformly control the redox of the wafer surface, and performing a large area of ​​the complex and fine metal wire forming
    記載の半導体製造装置。 The semiconductor manufacturing apparatus according.
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