JP2006147922A - Apparatus for fabricating semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属膜配線に銅(Cu)などを用いた半導体装置を製造する装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for manufacturing a semiconductor device using copper (Cu) or the like for metal film wiring.
一般に、低抵抗で高いエレクトロマイグレーション(EM)耐性を有するCu配線(金属膜配線)は、高集積化し微細化されたLSI配線用の高信頼性材料として期待されている。
微細加工の難しいCu配線を作製する有効な手法の一つに、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地にCu膜の埋め込みを行うダマシン法がある。ダマシン法を用いてCu膜の埋め込みを行う手法として、現在実用化されている技術が、電解めっきである。
In general, Cu wiring (metal film wiring) having low resistance and high electromigration (EM) resistance is expected as a highly reliable material for highly integrated and miniaturized LSI wiring.
One effective method for producing a Cu wiring that is difficult to finely process is a damascene method in which a Cu film is embedded in a base that has been previously processed with grooves and vias. As a technique for embedding a Cu film using the damascene method, a technique that is currently in practical use is electrolytic plating.
図4に電解めっきを用いたダマシンCu配線の形成プロセスの一例を示す。このプロセスでは、まず、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地基板401(含む下地配線402)(図4−1)を、不活性雰囲気(ArもしくはN2)にて200〜350℃のアニール処理を行い、加工面(溝・ビアの側壁ならびに底面)に吸着している水分等を除去する。
次に、前記下地基板401(含む下地配線402)の下層配線表面にできた高抵抗層403(主として酸化銅)を除去する目的で、イオン化させたArを基板バイアスで引き込んで物理的除去を行う(図4−2)。次にバリアメタル404(TaN,TiN、WN等)の成膜を行ってから、電解めっき用シード層405としてCuの成膜を行なう(図4−3)。
さらに、電解めっきによりCuの埋め込み成膜を行い、めっき層406を形成する(図4−4)。
最後に、CMPにより上部の余分なCu層およびバリアメタルを除去し、平坦化を行う(図4−5)。以上の工程で、Cu配線の形成を行う。
FIG. 4 shows an example of a damascene Cu wiring formation process using electrolytic plating. In this process, first, the base substrate 401 (including the base wiring 402) (FIG. 4-1) that has been previously processed with grooves and vias is annealed at 200 to 350 ° C. in an inert atmosphere (Ar or N 2 ). To remove moisture adsorbed on the processing surface (side walls and bottom surfaces of grooves and vias).
Next, for the purpose of removing the high resistance layer 403 (mainly copper oxide) formed on the lower wiring surface of the base substrate 401 (including the base wiring 402), the ionized Ar is drawn with a substrate bias and physically removed. (Fig. 4-2). Next, after forming a barrier metal 404 (TaN, TiN, WN, etc.), Cu is formed as a
Further, Cu-embedded film formation is performed by electrolytic plating to form a plating layer 406 (FIG. 4-4).
Finally, the upper Cu layer and the barrier metal are removed by CMP, and planarization is performed (FIGS. 4-5). Cu wiring is formed through the above steps.
このようにして、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地に、電解めっきにより、Cu膜の埋め込みが行なわれているが、今後のデバイスにおいては、絶縁膜が低誘電率膜、特に誘電率を下げるために、空孔を有する低誘電率膜の使用が検討されている。 In this way, the Cu film is buried by electrolytic plating on the ground / grooved base in advance, but in future devices, the insulating film will lower the dielectric constant, especially the dielectric constant. Therefore, use of a low dielectric constant film having pores has been studied.
例えば、上述に示した、特許文献の如く、低誘電率絶縁膜特に空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する場合、下層配線表面にできた高抵抗層をArイオンで物理的に除去すると、あらかじめ溝・ビア加工を施した間口部分がArイオンによりたたかれて広がってしまい(図4−2)、隣り合う配線間がショートしてしまうという問題がある。また、ビア底の高抵抗層を除去する際に、ArイオンでたたかれたCu成分が、ビア側壁に付着し、後のプロセス温度において、Cuが、絶縁膜中を拡散し、配線間のリーク電流が増大し、配線の性能を悪化させる原因となる。
また、Arイオンにより、低誘電率膜にダメージが入り、配線間容量の増加、膜の収縮率の問題が生じる。
For example, as described above, when a barrier metal is formed on a low dielectric constant insulating film, particularly a low dielectric constant insulating film having vacancies as in the patent document, the high resistance layer formed on the lower wiring surface is formed of Ar ions. If it is physically removed, the gap portion that has been subjected to groove / via processing in advance is spread by being hit by Ar ions (FIG. 4-2), and there is a problem that adjacent wirings are short-circuited. Further, when the high resistance layer at the bottom of the via is removed, the Cu component struck by Ar ions adheres to the via side wall, and Cu diffuses in the insulating film at a later process temperature, and between the wirings. Leakage current increases, causing deterioration of wiring performance.
Further, Ar ions damage the low dielectric constant film, resulting in an increase in inter-wiring capacitance and a film shrinkage problem.
これを解決するために、水素もしくはアンモニアガスを含むガスをプラズマ励起させてCu表面の残渣物を還元除去する方法が考えられたが、特に、層間膜にLow−k材料を用いた場合においては、このプラズマ処理により、膜がダメージを受け、配線溝ならびにビア側壁の形状がボウイングするため、後のCu埋設が困難となり、配線ならびに配線同士を繋ぐビア内部にボイドを形成し、導通不良や配線の信頼性を劣化させてしまう。また、膜がダメージを受けることにより、Low−k膜が変質し、誘電率が上昇してしまう問題がある。 In order to solve this, there has been considered a method of reducing and removing residues on the Cu surface by plasma-exciting a gas containing hydrogen or ammonia gas. In particular, in the case where a low-k material is used for the interlayer film. Because of this plasma treatment, the film is damaged and the shape of the wiring trench and via sidewall bows, making subsequent Cu embedding difficult, forming voids inside the vias that connect the wires and wires, and causing poor conduction and wiring. Will deteriorate the reliability. In addition, when the film is damaged, the low-k film is degenerated and the dielectric constant is increased.
以上説明したように、従来の方法では、配線ならびに配線同士を繋ぐビア内部にボイドを形成し、導通不良や配線の信頼性が乏しく、膜がダメージを受けることにより、Low−k膜が変質し、誘電率が上昇してしまうという問題があった。 As described above, in the conventional method, voids are formed inside the wiring and vias connecting the wirings, the conduction failure and the reliability of the wiring are poor, the film is damaged, and the Low-k film is altered. There was a problem that the dielectric constant would increase.
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前におけるビア底の高抵抗層の除去手段として、プラズマを用いない半導体装置を製造する装置即ちガス導入に還元性を有するガスの配管を温調して行なうようにした製造装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and a semiconductor that does not use plasma as a means for removing a high resistance layer at the bottom of a via before forming a barrier metal on a low dielectric constant insulating film having holes. An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing an apparatus, that is, a manufacturing apparatus in which gas piping having a reducing property for gas introduction is temperature-controlled.
本発明は、層間膜に比誘電率の値が3未満の低誘電率膜を用いた金属膜配線を含む半導体装置の製造する装置であって、前記金属膜配線と前記層間膜の間に形成されるバリアメタルを成膜する前に、還元性を有するガスもしくは還元性を有するガスを含む混合ガスで熱還元処理に当たって、チャンバーを有し、且つ前記還元性を有するガスの配管を温調してガス導入することを特徴とする半導体装置の製造装置にある The present invention is an apparatus for manufacturing a semiconductor device including a metal film wiring using a low dielectric constant film having a relative dielectric constant of less than 3 as an interlayer film, and formed between the metal film wiring and the interlayer film Before the barrier metal film is formed, a thermal reduction treatment is performed with a reducing gas or a mixed gas containing a reducing gas, and the temperature of the piping of the reducing gas is controlled by a chamber. In a semiconductor device manufacturing apparatus characterized by introducing gas
本発明に用いる前記還元性を有するガスは、ガスラインにヒーター加熱機構を具備したバッファタンクを設けて加熱されたガスを供給するようにしたことを特徴とする。 The reducing gas used in the present invention is characterized in that a heated gas is supplied by providing a buffer tank equipped with a heater heating mechanism in a gas line.
本発明に用いる前記還元性を有するガスは、1/4インチ以下の配管径で且つスパイラル状のガスライン部分を設け、前記部分に加熱機構を具備して加熱されたガスを供給するようにしたことを特徴とする。 The reducing gas used in the present invention is provided with a spiral gas line portion having a pipe diameter of ¼ inch or less, and a heated mechanism is provided to the portion to supply heated gas. It is characterized by that.
また、本発明において、前記加熱されたガスの温度を100度から400度の範囲で温調することが望ましい。 In the present invention, it is desirable to adjust the temperature of the heated gas in the range of 100 to 400 degrees.
さらに、前記熱還元処理に用いるガスは、還元作用を有し、水素、アンモニア、CO、H2S、HCl、SO2、ヒドラジンのうち少なくとも1種を具備することが、望ましい。 Furthermore, it is desirable that the gas used for the thermal reduction treatment has a reducing action and includes at least one of hydrogen, ammonia, CO, H 2 S, HCl, SO 2 , and hydrazine.
また、本発明に用いる前記導入できるガスは、還元性を有するガスと、不活性ガスの混合ガスであって、前記不活性ガスとはヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのうちのいずれかであることが望ましい。 The gas that can be introduced used in the present invention is a mixed gas of a reducing gas and an inert gas, and the inert gas is any one of helium, nitrogen, neon, argon, krypton, and xenon. It is desirable.
本発明において、プラズマを用いないでプレクリーン処理を行うことにより、特に層間膜にLow−k材料を用いた際においても、膜にダメージを与えることが無いために、誘電率上昇が抑えられる。
また、膜がエッチングされないため、配線溝やビアホールを加工した形状が保たれ、後のバリアメタル・シードCu・めっき成長においても、配線やビア内部にボイド無くCuを埋め込むことが可能となる。
In the present invention, by performing the pre-clean treatment without using plasma, even when a low-k material is used for the interlayer film, the film is not damaged, so that an increase in dielectric constant can be suppressed.
Further, since the film is not etched, the processed shape of the wiring groove and via hole is maintained, and Cu can be embedded in the wiring and via without voids in the later barrier metal / seed Cu / plating growth.
本発明の実施形態につき、実施例を基に、図1乃至図3を用いて詳細に説明する。
(実施例1)
まず、PVD装置を用いて、あらかじめ比誘電率の値が2.2のポーラスMSQ膜(低誘電率絶縁膜)102上に溝・ビア加工を施した基板(下地基板)101を、350℃に加熱したヒーターステージ上に載置し、NH3を導入してチャンバー内圧力を666.5Pa(5Torr)に保ち、下層配線103表面の高抵抗層104除去の目的で、120秒間の還元処理を行った。
次に、真空を保持したまま、バリアメタル105として、TaN(例えば10nm)およびTa(例えば15nm)をPVD法にて成膜した。
さらに、真空を保持したまま、電解めっき用シード層106として、Cu(例えば100nm)をPVD法にて成膜を行った。その後、電解めっきによりCuの埋め込み成膜を行い、めっき層107を形成した。
最後に、CMPにより上部の余分なCu層を除去し、平坦化を行った。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3 based on examples.
Example 1
First, using a PVD apparatus, a substrate (underlying substrate) 101 having grooves and vias formed on a porous MSQ film (low dielectric constant insulating film) 102 having a relative dielectric constant of 2.2 in advance is set to 350 ° C. The sample was placed on a heated heater stage, NH3 was introduced to keep the pressure in the chamber at 666.5 Pa (5 Torr), and reduction treatment was performed for 120 seconds for the purpose of removing the
Next, while maintaining the vacuum, TaN (for example, 10 nm) and Ta (for example, 15 nm) were formed as the
Furthermore, Cu (for example, 100 nm) was deposited by PVD as the
Finally, the upper excess Cu layer was removed by CMP and planarization was performed.
以上から形成されたCuデュアルダマシン配線の形状を確認したところ、あらかじめ溝・ビア加工した間口の形状を変化させることなく、且つ、高抵抗層の除去が確認できた。 As a result of confirming the shape of the Cu dual damascene wiring formed as described above, it was confirmed that the high resistance layer was removed without changing the shape of the slot / via formed in advance.
次に、ヒーターステージ温度200℃、250℃、300℃、400℃、450℃についても同様に実験した。形状は、全水準ともに変化が見られなかったものの、温度200℃の場合、処理時間を300秒に延長しても、完全に高抵抗層を除去することができなかった。なお、250℃では処理時間200秒で、400℃では60秒で、450℃では45秒で、それぞれ高抵抗層を完全に除去することができた。 Next, a similar experiment was conducted for heater stage temperatures of 200 ° C., 250 ° C., 300 ° C., 400 ° C., and 450 ° C. Although the shape did not change at all levels, when the temperature was 200 ° C., the high resistance layer could not be completely removed even if the treatment time was extended to 300 seconds. The high resistance layer could be completely removed at 250 ° C. with a treatment time of 200 seconds, 400 ° C. with 60 seconds, and 450 ° C. with 45 seconds.
(実施例2)
まず、還元処理に用いるNH3ガスの配管の途中に、図3に示す1/4インチのスパイラル形状の配管(図3の301)をつなげて、まわりを電熱線で巻き、250℃に温調し、実施例1と同様にNH3ガスをチャンバー内に導入して圧力666.5Pa(5Torr)に保ち還元処理を行った。
すると、前記実施例1において高抵抗層除去の効果が見られなかったヒーターステージ温度200℃においても、100秒で完全に除去することができ、その他の温度、たとえば250℃では60秒で高抵抗層を除去することができ、還元効率が向上した。
(Example 2)
First, a 1/4 inch spiral pipe (301 in FIG. 3) shown in FIG. 3 is connected in the middle of the NH 3 gas pipe used for the reduction treatment. In the same manner as in Example 1, NH 3 gas was introduced into the chamber, and the pressure was kept at 666.5 Pa (5 Torr) for reduction treatment.
Then, even at the heater stage temperature of 200 ° C. where the effect of removing the high resistance layer was not observed in the first embodiment, it can be completely removed in 100 seconds, and at other temperatures, for example, 250 ° C., high resistance in 60 seconds. The layer could be removed and the reduction efficiency was improved.
従って、デュアルダマシン配線の形状を変えることなく、且つMSQ膜にダメージを与えることなく、ビア底の高抵抗層を除去するためには、還元性ガスの温調を行わない場合に、ヒーターステージ温度として、250℃≦ヒーターステージ温度≦450℃を用いることが望ましい。また、還元性ガスの温調を100℃〜400℃にしてチャンバーに導入した場合のヒーターステージ温度は、さらに低い150℃〜250℃でも十分効果が得られる。配線信頼性向上の観点では、プロセスの低温化が重要であり、還元性ガスの温調を行うことで、ステージ温度が低くても還元効果が得られるという点で、温調を行っての還元処理をおこなうことがより望ましい。 Therefore, in order to remove the high resistance layer at the bottom of the via without changing the shape of the dual damascene wiring and without damaging the MSQ film, the heater stage temperature is not adjusted when the temperature of the reducing gas is not adjusted. It is desirable to use 250 ° C. ≦ heater stage temperature ≦ 450 ° C. In addition, the heater stage temperature when the temperature of the reducing gas is adjusted to 100 ° C. to 400 ° C. and introduced into the chamber is sufficiently effective even at a lower temperature of 150 ° C. to 250 ° C. From the viewpoint of improving wiring reliability, it is important to lower the temperature of the process. By reducing the temperature of the reducing gas, a reduction effect can be obtained even if the stage temperature is low. It is more desirable to perform processing.
なお、本実施例に用いた熱還元処理チャンバーの構造を図2に示す。まず、チャンバー201には、抵抗加熱方式のステージ202で、温度は500℃までコントロールすることができ、ここにウエハーをおいて、処理を行う。チャンバー内へは、ArとNH3のガスライン303がつながっており、圧力はチャンバー301と排気ライン304の間に取り付けられたボールバルブ205の開閉度を制御することにより、13.33Pa(100mTorr)から2666Pa(20Torr)の範囲で制御が可能である。なお、アイドル時に真空度を保つため、ターボ分子ポンプ206からも排気が可能であるが、処理時には、ゲートバルブ207を閉じて処理を行う。
FIG. 2 shows the structure of the thermal reduction treatment chamber used in this example. First, in the
上述した本実施形態によれば、高信頼なCu−lowK配線を作製することが可能となりULSIデバイスの高集積化に貢献することができる。 According to this embodiment described above, it is possible to produce a highly reliable Cu-lowK wiring, which can contribute to higher integration of ULSI devices.
101 基板(下地基板)
102 ポーラスMSQ(低誘電率絶縁膜)
103 下層配線(金属膜配線)
104 高抵抗層
105 バリアメタル
106 電解めっき用シード層
107 めっき層
201 処理チャンバー
202 ステージ
203 ガスライン
204 排気ライン
205 ボールバルブ
206 ターボ分子ポンプ
207 ゲートバルブ
101 Substrate (underlying substrate)
102 Porous MSQ (Low dielectric constant insulating film)
103 Lower layer wiring (metal film wiring)
104
Claims (6)
The gas that can be introduced is a mixed gas of a reducing gas and an inert gas, and the inert gas is any one of helium, nitrogen, neon, argon, krypton, and xenon. The apparatus for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
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JP2008159720A (en) * | 2006-12-21 | 2008-07-10 | Nec Electronics Corp | Semiconductor device and method of manufacturing same |
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2004
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