JP2000331957A - Cu配線膜形成方法 - Google Patents
Cu配線膜形成方法Info
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Abstract
散バリア用下地膜とCu配線膜との密着性を高め、かつ
簡易な構成と簡略な工程で密着性向上、製作コストの上
昇と生産効率の低下を抑制したCu配線膜形成方法を提
供する。 【解決手段】 このCu配線膜形成方法は、拡散バリア
用TiN膜を成膜し、TiN膜の上にCu配線膜を成膜
する方法であり、TiN膜の成膜工程とCu配線膜の成
膜工程の間に下地膜の成膜工程後大気にさらすことなく
真空一貫の状態で200〜500℃の温度で加熱するア
ニール工程を設ける。これによって下地膜とその後の成
膜で堆積する上層のCu膜との密着性を高くする。アニ
ール工程は、TiN膜の成膜を行うチャンバと同じチャ
ンバで実施することもできる。
Description
配線材料としてCuを用いる場合に拡散バリア用下地膜
と配線用Cu膜の間の密着性を高めたCu配線膜の形成
方法に関する。
材料としてCu(銅)が注目されている。その理由は、
Cuは、Al(アルミニウム)に比較して、ストレスマ
イグレーションやエレクトロマイグレーションという配
線を構成する金属原子の拡散挙動が支配する現象に対し
て高い耐性を有しているからである。Cu膜の成膜方法
としては、多層配線層間の接続孔(ビアホールまたはコ
ンタクトホール)等の段差被覆性が優れたCVD法(化
学気相成長法)が使用される。一方、Cu膜を半導体デ
バイスの配線材料として利用する場合、Cu膜中のCu
原子はシリコンやシリコン酸化膜の中に拡散し、トラン
ジスタ素子等の電気特性に悪影響を及ぼすため、配線層
のCu原子の拡散を阻止する目的で拡散防止用薄膜(拡
散バリア層)を下地膜として形成する必要がある。拡散
バリア層としては熱的に安定な高融点金属の窒化物とし
てのTiNが注目されている。シリコン大規模集積回路
の極微細化によるビアホール等の増加するアスペクト比
に対する良好なステップカバリレッジの形成方法として
TiN膜のCVD法が研究されている。
は、従来より拡散バリア用下地膜であるTiN膜とCu
膜の間の密着性が弱いという問題があり、そのため配線
形成後の研磨工程等でCu膜が剥がれるという不具合が
あった。密着性が弱い理由は、MOCVD法で成膜され
たTiNの膜中からガスが放出されるからである。従来
では、下地膜とCu膜の間の密着性を高めるために、密
着層としてのTi膜を設ける方法があった。また当該密
着性を良好にする従来の技術として特開平8−2882
42号公報に開示される半導体装置の製造方法があっ
た。この方法によれば、例えばその実施例1に記載され
るごとく、拡散防止層としての下地のTiN膜をスパッ
タリング法で成膜し、さらにTiN膜の上に熱CVD法
により成膜されたCu膜を、その後で加熱処理するよう
にしている。
材料としてCu膜を用いるとき、拡散バリア用下地膜と
してのTiN膜と配線用Cu膜との間の密着性を高める
ためTi膜を成膜する方法は、Ti膜を成膜するための
装置構成(電力供給系を備えたプラズマ生成機構等)を
別途に追加しなければならず、装置の複雑化を招くとい
う問題が起きる。上記密着性を高くするための手段は、
低コストな簡易な構成で実現されることが望まれる。
体デバイスでCu配線を用いる場合において、拡散バリ
ア用下地膜とCu配線膜との密着性を高め、簡易な構成
および簡略な工程で密着性を向上でき、製作コストの上
昇と生産効率の低下を抑制したCu配線膜形成方法を提
供することにある。
Cu配線膜形成方法は、MOCVD法により原料として
テトラキスジアルキルアミノチタン(TDAAT)を用
いて拡散バリア用TiN膜を成膜し、下地膜の上に配線
用Cu膜を成膜するCu配線膜形成方法であり、下地膜
の成膜工程とCu膜の成膜工程の間に下地膜の成膜工程
後大気にさらすことなく真空一貫の状態で200〜50
0℃の温度で加熱するアニール工程を設けたことを特徴
とする。MOCVD法によるTDAATを用いたTiN
膜は、非常に活性で、大気にさらされると、大気中の酸
素等と反応を起こし、また、酸素をTiNの膜中に取り
込む。真空下にあり、酸素を取り込んでいないTiN膜
は、前記アニール工程により、成膜時残留したガスを放
出させることは容易であるが、一旦、大気にさらすこと
により取り込んだ酸素を放出することは困難である。こ
こにMOVCD法によるTiN膜の成膜とアニール工程
が真空一貫の条件下で行われる必要性がある。これによ
って、TiN膜中の密着性に悪影響を及ぼす残留ガスは
低減され、その後の成膜で堆積する上層のCu膜との密
着性が向上する。200〜500℃の温度範囲は、例え
ばMOCVD−TiN膜の場合、膜形成後のCu−CV
Dの成膜条件は通常200℃以下であり、従って最低限
200℃以上に加熱しないと、密着性改善の効果が不十
分となる。また上限の500℃は、高温アニールによる
基板へのダメージが生じない温度範囲であり、半導体製
造工程で広く実施されている多層配線形成時の上限温度
である。ただし、アニール工程で使用されるガスは、窒
素、アルゴン、水素、アンモニアのうちのいずれか1種
類のガスあるいは2種類以上の混合ガスであり、その圧
力範囲は1Pa〜10kPaとする。特に、アニール工
程で使用するガスとして、アンモニア単体やこれを含む
混合ガスを用いた場合、アンモニアは、200℃以上で
乖離を起こし、化学的に活性なラジカル(NH,NH2
等)を生成するため、これらのラジカルにより、TiN
膜中の不純物の除去をさらに促進させ、堆積するCu膜
との密着性をいっそう高める効果がある。
ってMOCVD法で成膜され、Cu膜はCVD法で成膜
される。本発明ではMOCVD法で作製されるTiN膜
が最も好ましい。MOCVD法でTiN膜をバリア層と
して成膜する場合、原料としてはテトラキスジアルキル
アミノチタン(TDAAT)が好ましい。また上記のア
ニール工程は、TiN膜の成膜が行われるチャンバ内
で、成膜工程が終了した後に行うことも可能である。
を添付図面に基づいて説明する。
の実施する装置の概略構成の一例を示す。この装置は、
MOCVD(Metal Organic Chemical vapour Depositio
n)チャンバ11、CVDチャンバ12、アニールチャン
バ13を備えたマルチチャンバ式装置である。この装置
の構成によれば、中央に位置する搬送モジュール14の
周囲にMOCVDチャンバ11、CVDチャンバ12、
アニールチャンバ13が設けられ、さらに2つのロード
/アンロード・ロック・モジュール15,16が付設さ
れている。ここで「モジュール」とは、装置・機械・シ
ステムを構成する部分で、機能的にまとまった部分を意
味する。なおMOCVD、CVD、アニールが実施され
るチャンバもモジュールとして構成されるのは当然であ
るが、これらの処理方法が実施される場所を指す用語と
してチャンバが使用される。チャンバ等の各々にはゲー
トバルブ17が設けられている。搬送モジュール14の
チャンバ中には搬送ロボット(基板搬送機構)18が設
けられ、搬送ロボット18はそのハンドでシリコン基板
19を各チャンバ等に搬入しまたは各チャンバ等から搬
出する。
にセットされた1枚のシリコン基板19は1つのロード
/アンロード・ロック・モジュール15から搬送ロボッ
ト18によって搬送モジュール14内に搬入される。M
OCVDチャンバ11、CVDチャンバ12、アニール
チャンバ13のそれぞれで所定処理を行った後に、シリ
コン基板19は搬送ロボット18によってロード/アン
ロード・ロック・モジュール16に戻され、搬出され
る。上記のマルチチャンバ式装置構成では、搬送モジュ
ール14によって、真空雰囲気に維持されたまま、すな
わち大気に晒されることなく真空一貫の接続構造で、予
め定められた手順に従って行われる。
チャンバ11は配線用Cu膜(Cu配線膜)の中の金属
原子がシリコン等に拡散するのを防止するバリア層とし
ての下地膜(拡散バリア用下地膜)を成膜するためのチ
ャンバであり、CVDチャンバ12はCu配線膜を成膜
するためのチャンバであり、アニールチャンバ13は各
層における下地膜の成膜とCu配線膜の成膜に関し下地
膜とCu配線膜の密着性を高めるアニール処理を実施す
るためのチャンバである。MOCVDチャンバ11で
は、原料ガスが導入され、MOCVD法によって拡散バ
リア用下地膜が成膜される。下地膜は好ましくはTiN
膜である。TiN膜の成膜では、原料としてテトラキス
ジアルキルアミノチタン(TDAAT)を用いられるこ
とが好ましい。またCVDチャンバ12では、有機金属
錯体等の原料を用いてCVD法によって、バリア膜であ
るTiN膜の上にCu配線膜が成膜される。多層配線構
造の半導体デバイスの場合、下層の電気回路部と上層の
電気回路部との間に層間絶縁膜が形成されており、下層
と上層のそれぞれで下地膜の成膜とCu配線膜の成膜が
行われる。上層における下地膜とCu配線膜の成膜工程
では、下層のCu配線膜との電気的接続を行うため、層
間絶縁膜にビアホールを形成し、その後に、バリア層と
しての下地膜を成膜し、さらにその後に上層のCu配線
膜の成膜が行われることになる。上層のCu配線膜の成
膜ではCuがビアホールの中に埋め込まれ、ビアプラグ
が形成され、下層のCu配線膜と上層のCu配線膜とが
接続される。
ニールチャンバ13でのアニール処理によって、各層に
おける下地膜の成膜とCu配線膜の成膜に関し下地膜と
Cu配線膜の密着性が高められる。MOCVDチャンバ
11で基板19に対してMOCVDによって下地膜の成
膜が行われた後に、当該基板はアニールチャンバ13に
搬入され、ここにおいて当該下地膜は200〜500℃
の範囲に含まれる温度でアニールされる。これにより下
地膜とCu配線膜の密着性が高められる。本実施形態の
場合には、アニール専用のチャンバを設けた構成とした
が、特別にアニール工程用のチャンバを設けず、例えば
MOCVDチャンバ11にてアニール工程が実施される
ように構成することもできる。MOCVDチャンバ11
は、本来、前述のごとく拡散バリア用の下地膜を成膜す
るためのチャンバではあるが、500℃までの加熱が可
能な熱CVDチャンバとして構成されているものである
ので、これによってMOCVDチャンバ11内で密着性
改善のためのアニール工程を行うことが可能となる。従
って、MOCVDチャンバ11で、MOCVDによって
下地膜の成膜が行われた後に、当該下地膜は200〜5
00℃の範囲に含まれる温度でアニールすることもでき
る。
ール処理が行われた後に、基板19はCVDチャンバ1
2に搬入され、ここでCu配線膜が成膜される。
2,13には、それぞれ真空排気機構11a,12a,
13aを備える。各チャンバは、その真空排気機構によ
って内部を適宜な減圧状態すなわち所望の真空状態に保
持される。真空排気機構11a,12a,13aの動作
はコントローラ20によって制御される。またアニール
工程で使用されるガス(窒素、アルゴン、水素、アンモ
ニア)は、主にMFCと配管より構成されるガス供給系
(図示せず)によりアニールチャンバ13へ導入される
が、その他のチャンバで使用されるプロセスガスと同
様、それらの流量制御も上記コントローラ20によって
行われる。
の移動は、基板に対する処理の手順に応じて決まる。当
該基板19の移動は、搬送ロボット18の動作によって
行われる。基板19の移動の仕方についてはコントロー
ラ20によって制御される。また各チャンバ11,1
2,13における下地膜あるいはCu配線膜の成膜、下
地膜のアニール等の各動作もコントローラ20によって
制御される。
実施例について述べる。
て拡散バリア用下地膜としてTiN膜を成膜する条件は
次の通りである。まず原料としてTDAATが例えば
0.004〜0.2g/分の範囲で供給され、このとき
キャリアガス(アルゴン:Ar)は例えば100〜10
00sccmの流量範囲で、添加ガス(NH3 )は例えば1
〜500sccmの流量範囲で供給される。MOCVDチャ
ンバ11の内部圧力は例えば0.1〜15Paの範囲で
ある。さらに温度条件は例えば約300〜400℃とな
るように加熱される。上記の条件によってバリア層であ
るTiN膜は例えば10〜30nmの膜厚で成膜され
る。
て、成膜されたTiN膜をアニールする条件は、次の通
りである。基板はその温度が例えば約400℃になるよ
うに加熱される。その結果、TiN膜は400℃で加熱
される。このとき、チャンバ内はArが導入され、Ar
雰囲気で例えば約8.0Paに保持されている。加熱時
間は例えば約10分である。
アンモニアを用いた場合のアニール条件は次の通りであ
る。アンモニア流量を50sccm、窒素流量を50sccmの
混合ガスを使用し、圧力1kPa、加熱温度300℃で
30分加熱した。
散バリア用下地膜としての上記TiN膜の上にCu配線
膜を成膜する条件は次の通りである。材料としてCu(hfa
c)(tmvs)が例えば約0.17g/分の流量で供給され、
このときキャリアガス(H2 )が例えば約300sccmで
供給される。また成膜の際の温度は例えば約170℃に
保持され、内部圧力は例えば約2.6kPaに保持され
る。この条件で、Cu配線膜は約200nmの膜厚で成
膜される。
順で成膜したCVDCu/MO−CVDTiN/Siウ
ェハーの積層構造を有する試料について、Cu膜とTi
N膜の密着性の評価としてテープ(メンディングテー
プ)を用いた引き剥がし試験を行った。下記の表1は、
実施例および比較例のテープ引き剥がし試験の評価結果
を示す。
DTiNの積層条件の違い、つまり、MO−CVDTi
N成膜後のアニールの有無、および積層過程での雰囲気
の違いにより、比較用として比較例A〜Cを作成した。
ただし、上記アニールの有無、および積層過程での雰囲
気以外のCVDCu/MO−CVDTiNの積層条件本
実施例と同等である。また表中の密着性評価結果におい
て、○はCu膜の剥離がなかったもの、△は一部剥離が
確認されたもの、×は完全にCu膜が箔状に剥がれたも
のを示している。以上のことから、本発明によるCu配
線膜の形成方法を用いることにより、Cu膜と下地であ
るTiN膜との密着性を向上させることができることが
確認された。
れば、MOCVD法により所定の原料を用いて拡散バリ
ア用のTiN膜を成膜し、このTiN膜の上にCu配線
膜を成膜する方法において、TiN膜の成膜とCu配線
膜の成膜の間に下地膜の成膜工程後大気にさらすことな
く真空一貫の状態で200〜500℃の温度で加熱する
アニール工程を設けため、TiN膜とCu配線膜との密
着性を高めることができ、特にアンモニアガスを用いた
場合、良好な密着性が得られた。その結果、簡易な構成
および簡略な工程で密着性を向上でき、製作コストの上
昇と生産効率の低下を抑制することができる。
めの装置の概略図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 MOCVD法により原料としてテトラキ
スジアルキルアミノチタン(TDAAT)を用いて拡散
バリア用TiN膜を成膜し、前記下地膜の上に配線用C
u膜を成膜するCu配線膜形成方法において、前記下地
膜の成膜工程と前記Cu膜の成膜工程の間に前記下地膜
の成膜工程後大気にさらすことなく真空一貫の状態で2
00〜500℃の温度で加熱するアニール工程を設けた
ことを特徴とするCu配線膜形成方法。 - 【請求項2】 前記アニール工程では、1Pa〜10k
Paの圧力範囲で、かつ使用されるガスは、窒素、アル
ゴン、水素のうちのいずれか1種類のガスあるいは2種
類以上の混合ガスで行うことを特徴とする請求項1記載
のCu配線膜形成方法。 - 【請求項3】 前記アニール工程では、1Pa〜10k
Paの圧力範囲で、かつ使用されるガスが、アンモニア
単体、または、窒素、アルゴン、水素のうちの1種類の
ガスあるいは2種類以上のガスとアンモニアとの混合ガ
スで行うことを特徴とする請求項1記載のCu配線膜形
成方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11135592A JP2000331957A (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | Cu配線膜形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11135592A JP2000331957A (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | Cu配線膜形成方法 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008070590A Division JP2008166847A (ja) | 2008-03-19 | 2008-03-19 | Cu配線膜形成方法 |
Publications (1)
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ID=15155435
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11135592A Pending JP2000331957A (ja) | 1999-05-17 | 1999-05-17 | Cu配線膜形成方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000331957A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100398034B1 (ko) * | 2000-12-28 | 2003-09-19 | 주식회사 하이닉스반도체 | 반도체 소자의 구리 배선 형성 방법 |
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-
1999
- 1999-05-17 JP JP11135592A patent/JP2000331957A/ja active Pending
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