JP2001053028A - Cu薄膜の形成法 - Google Patents

Cu薄膜の形成法

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JP2001053028A
JP2001053028A JP11227517A JP22751799A JP2001053028A JP 2001053028 A JP2001053028 A JP 2001053028A JP 11227517 A JP11227517 A JP 11227517A JP 22751799 A JP22751799 A JP 22751799A JP 2001053028 A JP2001053028 A JP 2001053028A
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Masaaki Oda
正明 小田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アスペクト比の大きい凹部を有する半導
体基板に対し、凹部にボイドを生じることなくCu金属
を埋め込んだり、スパッタ法、メッキ法等により形成さ
れた凹凸の大きい膜表面に既に埋め込まれているCu膜
よりも研磨されにくい犠牲層としてCu又はCu−C薄
膜を低コストで形成すること。 【解決手段】 凹部を有する半導体基板上にCu有機金
属化合物分散液を塗布し、該分散液中の有機物質を分解
するがCuを酸化しない雰囲気中で焼成してCuの金属
薄膜を得、次いで該凹部以外の基板上にあるCuを除去
して平坦化し、該凹部にCu薄膜を形成する。あるい
は、スパッタ法、メッキ法等により形成された凹凸の大
きい半導体基板上に上記分散液を塗布し、上記と同じ雰
囲気中で焼成して、既に埋め込まれているCu膜よりも
研磨されにくいCu−Cからなる犠牲層を形成し、CM
Pによる平坦化を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、LSI基板などの
半導体基板上にCu薄膜を形成する方法に関し、特にC
u有機金属化合物分散液を利用して半導体基板上にCu
薄膜を形成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】最近の半導体産業におけるLSIの高集
積化及び高速化により、半導体基板の配線の微細化と多
層化が進み、配線ピッチが狭まることによって配線間容
量や配線抵抗による信号遅延の問題が生じている。これ
を避けるために、抵抗率の低い配線材料と誘電率の低い
層間絶縁膜を用いる必要に迫られ、配線材として、従来
のAl合金等の代わりに抵抗率の低いかつエレクトロマ
イグレーション(EM)耐性のあるCuを使用する動き
が活発になってきている。Cu薄膜の形成法には、スパ
ッタ法、CVD法、メッキ法等によりCu膜を配線溝、
ビアホール、コンタクトホール等に堆積させ、次いでC
MP(Chemical-mechanical polishing)処理するいわゆ
るダマシン法が開発されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来技術のCu薄膜の形成法においては、次のような問
題があった。Cu薄膜の堆積法のうち、スパッタ法の場
合は、一般に、ステップカバレッジに限界があり、リフ
ロー法と併用するとしても、低誘電率膜との整合性のた
めリフロー温度の低温下という制約があり、リフローに
よって微小溝部への埋め込みを促進することは困難であ
る。また、プロセスコストも高いという問題がある。C
VD法の場合は、原料コストが高く、成膜速度が遅く、
プロセスコストが高いという問題がある。また、メッキ
法の場合は、バリヤ層の上にいわゆるシード層としての
Cuの薄膜を設けることが必要であり、ボイド中へのメ
ッキ液の残留等の問題がある。上記いずれの成膜法もC
u薄膜の形成法としては満足すべきものではない。これ
らいずれの成膜法も高いアスペクト比の場合に、配線溝
等への満足すべき埋め込み性能が得られていない。ま
た、スパッタ法、メッキ法においては、形成された膜表
面の凹凸が大きく、後工程であるCMP処理が困難とな
っていた。
【0004】本発明は、このような従来の技術の問題点
を解決するためになされたものであり、アスペクト比の
大きい配線溝、ビアホールやコンタクトホール等の凹部
を有する半導体基板に対し、凹部にボイドを生じること
なくCu金属を埋め込んだり、スパッタ法、メッキ法に
よって形成された凹凸をCu金属よりも研磨されにくい
Cu−C混合物又はCu−C固溶体により埋め込み平坦
化し、CMP処理を容易にする低プロセスコストでCu
薄膜を形成しうる方法を提供することを課題としてい
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明のCu薄膜の形成
法は、アスペクト比が1〜30である配線溝、ビアホー
ル、コンタクトホール等の凹部を有する半導体基板上に
Cu有機金属化合物分散液を塗布し、該分散液中の有機
物質を分解するがCuを酸化しない雰囲気中で焼成して
Cuの金属薄膜を得、次いで該凹部以外の基板上にある
Cuを除去して平坦化し、該凹部にCu薄膜を形成した
り、他の方法で形成された凹凸を有する半導体基板上の
Cu膜の上にCu有機金属化合物分散液を塗布し、該分
散液中の有機物質を分解するがCuを酸化しない雰囲気
中で焼成して、既に形成されているCu膜よりも研磨さ
れにくいCu−C混合物又はCu−C固溶体を形成し、
後工程のCMP研磨による平坦化処理を容易にすること
からなる。前記焼成を、真空雰囲気中、所望により10
-2Torr以下で、微量のO2の存在下又はH2OやCO 2
存在下で行うことが望ましい。この場合、O2又はH
2O、CO2から解離した酸素原子の量が少ない程Cu膜
中のカーボン量が増加する。焼成温度は150〜500
℃であり、好ましくは10分〜1時間の間行われる。こ
の焼成温度は、150℃未満だと分散溶剤が十分に乾燥
除去されないという問題があり、500℃を超えると半
導体素子に熱的ダメージを与えるという問題がある。前
記焼成の後、該焼成の雰囲気と同じ雰囲気中で、しかし
300〜500℃で、好ましくは15〜30分の間加熱
すれば、Cu金属及びCu−C薄膜の結晶化、及び該薄
膜の該凹部の内側表面への密着性を向上せしめることが
できる。この加熱温度は、300℃未満だと結晶化が不
十分となるという問題があり、500℃を超えると半導
体素子に熱的ダメージを与えるという問題がある。ま
た、前記分散液の塗布方法には制限はなく、通常の塗布
方法であればよく、例えば、スピンコーティング、浸
漬、スプレーによる塗装などの方法が用いられる。該平
坦化工程は、例えばいわゆるCMP処理を用いたダマシ
ン法により行われる。
【0006】本発明のCu薄膜の形成法では、その前処
理として、配線溝、ビアホール、コンタクトホール等の
凹部の内表面を含む基板表面に、指向性スパッタのよう
なスパッタによりTiN,Ta、TaN、WN等で又は
CVDでバリヤ膜を形成し、次いでその上に指向性スパ
ッタのようなスパッタ又はCVDでCuのシード膜を形
成してもよい。
【0007】本発明のCu配線形成法で用いることので
きるCu有機金属化合物分散液は、例えば半導体基板上
にCu配線を形成する際の乾燥・焼成工程で蒸発するよ
うな有機溶媒、好ましくは150℃以上で蒸発する有機
溶媒と、Cu有機金属化合物分子とを混合してなる粘度
が100cP以下の液である。
【0008】前記有機溶媒としては、α−テルピネオー
ル、ミネラルスピリット、トリデカン、ドデシルベンゼ
ン又はそれらの混合物等を使用することが好ましく、前
記Cu有機金属化合物として、Cu(C572)2、Cu
(C11192)2、Cu(C5HF62)2、Cu(CH3CO
O)2、(C5HF62)Cu:CH3C≡CCH3、(C5HF
62)Cu:C812を使用することができる。また、前
記Cu有機金属化合物の濃度は、10〜70wt%、好
ましくは20〜50wt%である。前記Cu有機金属化
合物分散液は、Cu有機金属化合物以外にCuへの溶解
度が低く、かつ半導体基板の基材と反応しやすい金属又
はこれらの金属を含む化合物を少なくとも一種含有して
いてもよく、これにより基材との接着性が向上されう
る。このCu金属元素以外の具体的な例としては、例え
ば、Mg、Al、B、Ta、Nb及びVから選ばれれる
金属又はこれら金属を含む化合物が挙げられる。本発明
で用いるCu有機金属化合物分散液の粘度は100cP
以下、好ましくは10cP以下であれば、Cu有機金属
化合物は、該Cu有機金属化合物分散液の形態で、半導
体基板上の1〜30のようなアスペクト比の大きい配線
溝、ビアホール、コンタクトホール等の凹部に対して何
らの問題もなく入り込み、完全にこれらの凹部を埋設し
て、基板表面に平坦な液膜を形成する。そして、所定の
雰囲気中、所定の温度・時間で加熱することにより、該
分散液の分散媒が蒸発され、Cu等の有機金属化合物が
凹部に隙間なく埋設され、さらに、有機金属化合物が分
解してCu金属を析出し、有機物質が蒸発することによ
り、半導体基板にCu又はCu−C薄膜が形成される。
また、かかる分散液を適用するCu薄膜形成法ではほと
んど金属原料のロスもなく、かつ真空装置を用いてもよ
いが基本的には真空装置を必要としない。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 (実施例1)Cuの有機金属化合物である(C5HF
62)Cu:CH3C≡CCH320gに対しミネラルスピ
リット20gを加え、50℃の温度に保ち、30分間攪
拌し、分散液約40ccを作製した。この分散液は粘度
が室温で50cP、150℃で3cPであった。
【0010】次いで、上記Cu有機金属化合物分散液を
用いて、Si基板上に設けられたビアホールを処理し
た。このSi基板に形成されている絶縁膜としてのSi
2 膜には孔径0.15μm(アスペクト比5)、0.
25μm(アスペクト比4)のビアホールが開けられて
おり、ビアホールの内表面を含む基板の表面にはスパッ
タにより、WNのバリヤ膜が厚さ0.02μmで形成さ
れており、またこのバリヤ膜の表面にはスパッタにより
Cuのシード膜が形成されている。
【0011】上記の基板をスピンコータにセットして5
00rpmで回転させ、その上方から加熱した状態の上
記Cu有機金属化合物分散液を滴下することによって、
スピンコーティングした。50℃以上に加熱した状態で
スピンコーティングすることにより、ビアホール内には
Cu有機金属化合物分散液が充填され、基板の表面には
平坦な該分散液の液膜が形成された。この状態の基板を
10-2Torr以下の真空中、250℃の温度で、2分
間加熱して有機溶媒を蒸発させ、次いで温度を300℃
に上げて、真空雰囲気中で酸素ガスの存在下(酸素分
圧:10-9Torr)、60分間焼成した。さらに、温
度を400℃に上げて、酸素を除去した不活性ガス中で
30分間焼成した。かくして、Cu有機金属化合物が分
解し、有機成分が蒸発し、ビアホール内がCuで空洞な
く埋め込まれた縮みや割れのないCu薄膜が形成され
た。次いで、該ビアホールの内部以外のCu膜をCMP
処理したところ、基板表面の余分なCuが除去され、ビ
アホール内に平坦な表面を有するCu薄膜が形成され
た。その比抵抗は2.0μΩcmであった。 (実施例2)実施例1における(C5HF62)Cu:CH
3C≡CCH3の代わりに、Cu(C5HF62)220gに
対しドデシルベンゼン30gを加え、100℃の温度に
保ち、30分間攪拌し、分散液約50ccを作製した。
この分散液の粘度は室温で5cPであった。
【0012】次いで、上記分散液を用いて、実施例1と
同様であるが、分散液を加熱せずに基板のビアホールを
埋め込み、Cu膜を形成したところ、得られた薄膜は、
焼成後も縮や割れが生じることもなく、その比抵抗は
2.0μΩcmであった。 (実施例3)実施例1におけるCu有機金属化合物分散
液の代わりに、有機溶媒としてトリデカンを用いて作製
したCu有機金属化合物分散液にMg、Al、B、T
a、Nb又はVの有機化合物の添加されたものを、実施
例1と同様にして作製した。得られた分散液の粘度はい
ずれも室温で10cPであった。
【0013】次いで、これらの分散液を用いて、WNバ
リア膜とCuシード膜とを形成する工程を省き、他は実
施例1と同様にして基板のビアホールを埋め込み、Cu
膜を形成したところ、得られた薄膜は、焼成後も及びC
MPによる平坦化処理工程中も縮や割れが生じることも
なく、基板との密着性も良好であり、その比抵抗は2.
1μΩcmであった。 (実施例4)実施例1におけるCu有機金属化合物分散
液の代わりに、有機溶媒としてα−テルピネオールを用
いて分散液を作製した。この分散液の粘度は室温で10
0cP、150℃で10cPであった。これを用いてS
i基板上に配線パターンを形成した。このSi基板に形
成されている絶縁膜としてのSiO2 膜には幅0.25
μm、深さ1μm(アスペクト比4)の溝がパターン状
に形成されており、溝の内表面を含む基板の表面にはス
パッタにより、WNバリヤ膜が厚さ0.02μmで形成
されており、またこのバリヤ膜の表面にはスパッタによ
りCuのシード膜が形成されている。
【0014】上記の基板をスピンコータにセットして5
00rpmで回転させ、その上方から加熱した状態の上
記のCu有機金属化合物分散液を滴下することによっ
て、スピンコーティングした。パターン状の溝内にはこ
の分散液が充填され、基板の表面には平坦な該分散液の
液膜が形成された。この状態の基板を10-2Torr以
下の真空中、250℃の温度で、2分間加熱して有機溶
媒を蒸発させ、次いで温度を300℃に上げて、不活性
ガス雰囲気中で、H2Oガスの存在下(H2O分圧:10
Torr)、60分間焼成した。さらに、温度を400
℃に上げて、H2Oを除去した不活性ガス中で30分間
焼成した。かくして、Cu有機金属化合物が分解し、有
機成分が蒸発し、溝内がCuで空洞なく埋め込まれた縮
みや割れのないCu薄膜が形成された。次いで、該溝の
内部以外のCu膜をCMP処理したところ、基板表面の
余分なCuが除去され、平坦な表面を有するCu薄膜が
形成され、その比抵抗は2.0μΩcmであった。 (実施例5)実施例4の焼成工程において、H2Oガス
の代わりに760TorrのCO2ガスの存在下で焼成
してCu薄膜を形成した。その比抵抗値は2.0μΩc
mであった。 (実施例6)実施例1における(C5HF62)Cu:CH
3C≡CCH3の代わりに、Cu有機金属化合物としてC
u(CH3COO)2を用いてCu有機金属化合物分散液を
作製した。この分散液は粘度が室温で50cPであっ
た。
【0015】次いで、上記Cu有機金属化合物分散液を
用いて、Si基板上で、既にメッキ法により配線溝、ビ
アホール、コンタクトホール等の凹部が埋め込み処理を
されているが、大きな凹凸のあるCu薄膜を処理した。
この凹凸の高さは最大2μm、その周期は0.5μm〜
500μmの間に分布していた。
【0016】上記の基板をスピンコータにセットして5
00rpmで回転させ、その上方から上記Cu有機金属
化合物分散液を滴下することによってスピンコーティン
グした。既に形成されている基板上の凹凸に分散液が充
填され、基板の表面には平坦な該分散液の膜が形成され
た。この状態の基板を10-7Torrの真空下、250
℃の温度で、2分間加熱して有機溶媒を蒸発させ、その
まま温度を400℃に上げて酸素を除去した不活性ガス
ガス中で30分間焼成した。かくしてCu有機金属化合
物が分解し、膜中にカーボン含有率の高いCu−C混合
物の平坦な膜が形成された。この基板をCMP処理した
ところ、SiO2絶縁膜、微細幅の配線溝及び幅の広い
配線溝においてもディッシング、エロージョン等の過度
のポリシングが起こらずに完全な平坦化された研磨面が
得られた。
【0017】
【発明の効果】本発明のCu薄膜形成方法によれば、L
SI基板の微細な配線溝、ビアホール、コンタクトホー
ル等を完全に埋設することができ、導電性の均一な微細
パターンを形成することができる。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アスペクト比が1〜30である配線溝、
    ビアホール、コンタクトホールの凹部を有する半導体基
    板上にCu有機金属化合物分散液を塗布し、該分散液中
    の有機物質を分解するがCuを酸化しない雰囲気中で焼
    成してCuの金属薄膜を得、次いで該凹部以外の基板上
    にあるCuを除去して平坦化し、該凹部にCu薄膜を形
    成することを特徴とするCu薄膜の形成法。
  2. 【請求項2】 スパッタ法、メッキ法等の方法により配
    線溝、ビアホール、コンタクトホールの凹部にCuを埋
    め込んだ後の凹凸を有する半導体基板上にCu有機金属
    化合物分散液を塗布し、該分散液中の有機物質を分解す
    るがCuを酸化しない雰囲気中で焼成して、犠牲層とし
    て、CMP研磨が既に埋め込まれているCu金属より研
    磨されにくいCu−C混合物又はCu−C固溶体の層を
    形成し、該基板表面の平坦化、かつ、CMP処理を容易
    にすることを特徴とするCu薄膜の形成法。
  3. 【請求項3】 前記焼成を、真空雰囲気中微量のO2
    存在下で行うことを特徴とする請求項1又は2記載のC
    u薄膜の形成法。
  4. 【請求項4】 前記焼成を、不活性ガス雰囲気中でH2
    O、CO2 の存在下、150〜500℃で行うことを特
    徴とする請求項1又は2記載のCu薄膜の形成法。
  5. 【請求項5】 前記焼成の後、不活性ガス雰囲気中で、
    しかし300〜500℃の温度で、焼成体を加熱して、
    Cu金属膜又はCu−C膜の結晶化、及び該金属膜又は
    Cu−C膜の前記凹部の内表面への密着性を向上せしめ
    ることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のC
    u薄膜の形成法。
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Cited By (7)

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