JP2011086825A - 銅薄膜形成方法及び銅薄膜付き基板 - Google Patents

Abstract

【課題】表面に開口幅が１００ｎｍ以下の微細な孔又は溝が形成された基板に銅薄膜を形成するに際し、前記孔又は前記溝の開口部を閉塞することなく、内壁面及び内底面の全体に銅薄膜を形成することが可能な、銅薄膜の形成方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る銅薄膜の形成方法は、表面に微細な孔又は溝２２が形成された基板２１を用い、該孔又は該溝の内壁面２２ｂ及び内底面２２ｃを含む前記基材の全面に銅薄膜２３を形成する工程と、前記銅薄膜を熱処理する工程と、を少なくとも順に有し、前記孔の開口径又は溝の開口幅が１００ｎｍ以下であり、前記熱処理が、８０℃以上、２５０℃以下の温度範囲で行われること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、銅薄膜の形成方法及び銅薄膜付き基板に係り、特に、基板上に形成された微細な孔や溝等を銅薄膜によって充填できる銅薄膜形成方法、及び該形成方法により形成された銅薄膜を備えた銅薄膜付き基板に関する。

２５６ＭＤＲＡＭやＭＰＵに代表されるＵＬＳＩは、高集積化が増々加速しているが、その高集積化は、スケーリング則に基いた微細化や多層配線技術によって支えられている。ＵＬＳＩのうちでも、特にマイクロプロセッサ用のＬＳＩについては、多層配線技術がＬＳＩ自体の性能を支配する大きな要因として台頭しつつある。

多層配線を形成する方法を分類した場合、ＣＶＤ方法とスパッタリング方法とに大別することができる。ＣＶＤ方法は、基板が配置された真空槽内に原料ガスを導入し、ＣＶＤ反応を生じさせて基板表面に配線薄膜を形成する技術であり、原料ガスが高アスペクト比の孔や溝内に侵入し、その底面上でＣＶＤ反応が進行することから、高アスペクト比の孔や溝等を配線材料薄膜によって充填させやすいという長所がある（たとえば、特許文献１、特許文献２）。

しかしながらＣＶＤ方法では、使用する原料ガスが有害であり、そのため、高価な廃ガス除去施設が必要になり、また、成膜できる配線薄膜の材料が制限されるという欠点がある。そのため、現在では、比較的プロセスの熟成度の高いスパッタリング方法が配線薄膜形成技術の主流となっている（たとえば、特許文献３）。

一般的なスパッタリング方法は、配線薄膜材料から成るターゲットが設けられた真空槽内に、ターゲットと所定間隔だけ離して成膜対象である基板を対向配置させ、ターゲット裏面に設けられた磁気回路(例えば永久磁石など)によってターゲット表面に磁界を形成させ、真空槽内に導入したスパッタリングガス(アルゴンガスなどの不活性ガス)のプラズマを発生させ、電離したスパッタリングガスイオンをターゲットに入射させ、ターゲット表面から配線材料を飛び出させ、基板表面に付着させて薄膜形成が行われる。

ところで、従来の配線材料にはアルミニウムが用いられていたが、エレクトロマイグレーション耐性等の信頼性や低抵抗化の観点から、近年では、アルミニウムに変わる次世代配線材料候補として銅が注目を浴びている。銅はアルミニウムに比べ、比抵抗が小さく(Ｃｕ:１．７μΩ・ｃｍ、Ａｌ:２．７μΩ・ｃｍ)、融点も１０８３℃(Ａｌ:６６０℃)と高いことから、耐エレクトロマイグレーション性能や低抵抗化という観点からはアルミニウムよりも優れている。現在のところ、ダマシンプロセスとＣＭＰ方法を用い、銅薄膜から微細な銅配線を形成する技術が研究されている。

しかしながら、ＵＬＳＩ等の微細化が進むにつれ、配線孔等の開口径は益々小さくなっており、配線材料の埋め込み不良が多発する等の深刻な問題が生じている。アルミニウムの場合、低融点であることから、基板表面にアルミニウム薄膜を全面成膜した後、基板を加熱し、フローイングを行うことで埋め込み特性を向上させることができるが、銅では融点が高いため、アルミニウムと同様にはフローイングの効果が得られない。

そこで銅薄膜を用いて高アスペクト比の孔や溝内を埋め込むため、従来技術でも種々の方法が検討されており、基板表面にスパッタリング方法によって銅薄膜を形成した直後、真空槽内にＨ_２ ガスを導入し、銅薄膜表面で生じる還元反応を利用して、銅薄膜のリフローイングを行う技術が注目されている。

しかしながら、従来のスパッタリング方法によって、基板表面に銅薄膜を全面成膜した際に、孔や溝の開口部において銅薄膜が孔や溝の開口部を閉塞してしまうという問題があった。
特に、近年の高密度化に伴い、孔や溝の開口径がますます小さくなってきており、このような問題が顕在化しつつある。

特開２００１−３０８０２９号公報 特許第３７８０２０４号公報 特許第３９５８２５９号公報

本発明は、このような従来の実情に鑑みて考案されたものであり、表面に開口幅が１００ｎｍ以下の微細な孔又は溝が形成された基板に銅薄膜を形成するに際し、前記孔又は前記溝の開口部を閉塞することなく、内壁面及び内底面の全体に銅薄膜を形成することが可能な、銅薄膜の形成方法を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、表面に開口幅が１００ｎｍ以下の微細な孔又は溝が形成された基板において、前記孔又は前記溝の開口部を閉塞することなく、内壁面及び内底面の全体にに形成された銅薄膜を備えた銅薄膜付き基板を提供することを第二の目的とする。

本発明の請求項１に記載の銅薄膜の形成方法は、表面に微細な孔又は溝が形成された基板を用い、該孔又は該溝の内壁面及び内底面を含む前記基材の全面に銅薄膜を形成する工程と、前記銅薄膜を熱処理する工程と、を少なくとも順に有し、前記孔の開口径又は溝の開口幅が１００ｎｍ以下であり、前記熱処理が、８０℃以上、２５０℃以下の温度範囲で行われること、を特徴とする。
本発明の請求項２に記載の銅薄膜付き基板は、表面に微細な孔又は溝が形成された基板上に、請求項１に記載の銅薄膜の形成方法を用いて形成された銅薄膜が配されていること、を特徴とする。
本発明の請求項３に記載の銅薄膜付き基板は、請求項２において、前記孔又は前記溝の内壁面及び内壁面と、前記銅薄膜との間にバリア層が配されており、該バリア層が、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）のいずれか一つを含む薄膜であること、を特徴とする。

本発明の銅薄膜の形成方法では、表面に開口径又は開口幅が１００ｎｍ以下の微細な孔又は溝が形成された基板の全面に銅薄膜を形成した後、該銅薄膜に対する熱処理を８０℃以上、２５０℃以下の比較的低い温度範囲で行うことで、孔又は溝の開口部を閉塞することなく、孔又は溝の内壁面及び内底面の全体に銅薄膜を行き渡らせることができる。
また、本発明の銅薄膜付き基板では、前記銅薄膜の形成方法により形成された銅薄膜を備えているので、該銅薄膜は、微細な孔又は溝の開口部を閉塞することなく、孔又は溝の内壁面及び内底面の全体に形成されたものとなる。

本発明の銅薄膜付き基板の一例を模式的に示す断面図。 本発明の銅薄膜の形成方法に用いるスパッタリング装置の一例を模式的に示す図。 本発明の銅薄膜付き基板の一例を模式的に示す断面図。 熱処理の温度と銅薄膜の変化との関係を模式的に示す断面図。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の銅薄膜付き基板の一例を模式的に示す断面図である。
本発明の銅薄膜付き基板２０は、表面に微細な孔又は溝２２が形成された基板２１上に、銅薄膜２３が配されていること、を特徴とする。この銅薄膜２３は、具体的には後述する本発明の銅薄膜の形成方法を用いて形成されたものである。

微細な孔又は溝２２が形成されている基板２１は、例えば、周知の絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２ 、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＳｉＣ等）金属膜（例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、ＴａＮ、Ｔｉ等）、層間絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２ 、ＳｉＮ、Ｌｏｗ−ｋ、ＦＳＧ等）を形成した後に、その膜の所定の領域にコンタクトホールや溝が形成されている半導体基板である。

銅薄膜２３は、例えばスパッタリング法等により形成される。
この銅薄膜２３は、前記基板２１に金属配線を形成する際にシード層として機能し、該銅薄膜２３の表面にメッキ法等により金属材料が被覆され、この被覆層の材料が孔又は溝２２に充填される。

この銅薄膜付き基板２０が備える銅薄膜２３は、本発明の銅薄膜の形成方法により形成されているので、微細な孔又は溝２２の開口部２２ａを閉塞することなく、孔又は溝２２の内壁面２２ｂ及び内底面２２ｃの全体に形成されたものとなる。

次に、本発明の銅薄膜の形成方法について説明する。
本発明の銅薄膜の形成方法は、表面に微細な孔又は溝２２が形成された基板２１を用い、孔又は溝２２の内壁面２２ｂ及び内底面２２ｃを含む前記基材の全面に銅薄膜２３を形成する工程と、前記銅薄膜２３を熱処理する工程と、を少なくとも順に有し、前記孔の開口径又は溝の開口幅が１００ｎｍ以下であり、前記熱処理が、８０℃以上、１１０℃以下の温度範囲で行われること、を特徴とする。
本発明では、表面に開口径又は開口幅が１００ｎｍ以下の微細な孔又は溝２２が形成された基板２１の全面に銅薄膜２３を形成した後、該銅薄膜２３に対する熱処理を８０℃以上、１１０℃以下の比較的低い温度範囲で行うことで、孔又は溝２２の開口部２２ａを閉塞することなく、孔又は溝２２の内壁面２２ｂ及び内底面２２ｃの全体に銅薄膜２３を行き渡らせることができる。

図２は、本発明の銅薄膜の形成方法に用いることができるスパッタリング装置の一例である。
このスパッタリング装置１は、真空槽１０を有しており、真空槽１０の天井には、カソード電極４が固定されており、その表面には純銅から成る銅ターゲット５が配置されている。

真空槽１０外のカソード電極４の裏面位置には、永久磁石から成る磁気回路８が設けられており、その磁気回路８が形成する磁束がカソード電極４と銅ターゲット５を貫通し、銅ターゲット５表面に漏洩磁界が形成されるように構成されている。スパッタリングを行う際にはその漏洩磁界に電子がトラップされ、プラズマが高密度化する。

真空槽１０の底面には、基板ホルダー６が設けられており、その表面にはシリコン基板等から成る基板２１（被処理体）が、銅ターゲット５と略平行に対向配置されている。
また、基板ホルダー６内には基板電極１２が設けられている。この基板電極１１ａは、ブロッキングコンデンサー１３を介して高周波バイアス電力を印加する高周波電源１４に接続され、コンデンサー１３によって電位的に浮遊電極になっており、負のバイアス電位となる。

真空槽１０にはガス導入口２と真空排気口３とが設けられており、ガス導入口２にはスパッタリングガスが充填されたガスボンベが接続され、真空排気口３には、真空ポンプが接続されている(ただし、図２には、ガスボンベと真空ポンプを図示していない。)。

このスパッタリング装置１を用いた本発明の銅薄膜の形成方法について説明する。
まず、基板ホルダー６上に基板２１を配置した状態で、真空排気口３から真空槽１０内を真空排気し、真空槽１０内が所定の圧力（例えば１．０×１０^−５Ｐａ以下の圧力）になった後、ガス導入口２からスパッタリングガス(例えばアルゴンガス)を導入する。

スパッタリングガスを導入し、真空槽１０内が所定の圧力（例えば４．０×１０^−２Ｐａ以上の圧力）に安定した後、直流電源９を起動して、カソード電極４に負電圧を印加することにより、放電が開始され、銅ターゲット５の表面近傍にプラズマを発生させる。
スパッタリングによる成膜を所定時間行い、基板２１の全面に銅薄膜２３を形成した後、真空槽１０から基板２１を搬出する。

なお、上述のスパッタリング装置１の基板ホルダー６内にはヒーター１１が設けられており、銅薄膜２３を形成する際にヒーター１１に通電し、基板温度を室温〜５５０℃にしておくことも可能である。

上記スパッタリング装置１では、磁気回路８は銅ターゲット５表面と平行に移動・回転できるように構成されており、銅ターゲット５表面のスパッタされる領域（エロージョン領域）をターゲット上の任意の位置に形成させることができる。

エロージョン領域が微細孔の真上に位置していると、銅ターゲット５から叩き出された銅粒子が基板２１に対して垂直に入射し、より高アスペクト比の微細孔を銅薄膜２３で埋め込むことが可能となる。

その後、基板２１を、リフロー処理室（図示略）内に搬入し、８０℃以上、１１０℃以下の範囲で、所定時間（例えば１５分間）の熱処理（リフロー）を行う。
このとき、熱処理温度が低すぎると、銅が流動せず、開口部２２ａの閉塞を防止することが困難である。一方、熱処理温度が高すぎると、銅が流動するが、ボリュームのあるほうに引き寄せられ、銅薄膜２３が孔又は溝２２の内壁面２２ｂで切断されてしまう。熱処理温度を８０℃以上、１１０℃以下とすることで、銅がわずかに流動する。その結果、銅薄膜２３が孔又は溝２２内壁面２２ｂで切断されることなく、開口部２２ａを保持することができる。

このように本発明では、表面に開口径又は開口幅が１００ｎｍ以下の微細な孔又は溝２２が形成された基板２１の全面に銅薄膜２３を形成した後、該銅薄膜２３に対する熱処理を８０℃以上、１１０℃以下の比較的低い温度範囲で行うことで、孔又は溝２２の開口部２２ａを閉塞することなく、孔又は溝２２の内壁面２２ｂ及び内底面２２ｃの全体に亘って銅薄膜２３を行き渡らせることができる。

なお、図３に示すように、前記孔又は前記溝の内壁面２２ｂ及び内壁面２２ｂと、前記銅薄膜２３との間にバリア層２５が配されていてもよい。孔又は溝２２の内壁面２２ｂ及び内壁面２２ｂと銅薄膜２３との間にバリア層２５を配することで、熱処理により銅が流動した際に、該銅薄膜２３がボリュームのあるほうに引き寄せられることを抑制し、孔又は溝２２の内壁面２２ｂでの銅薄膜２３の切断を防止することができる。また、熱処理の際の温度マージンを広げることができる。これにより、信頼性の高い銅薄膜２３を形成することができる。
上述したバリア層２５は、例えばコバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）のいずれか一つを含む薄膜である。

（実験例）
以下、本発明の銅薄膜の形成方法について行った実験例について説明する。
図２に示したようなスパッタリング装置を用い、基板上に銅薄膜を形成した。
基板７として、表面に開口径又は開口幅が４５ｎｍの微細な孔又は溝が形成された基板を用いた。
スパッタリング装置の基板ホルダー６上に基板７を配置した状態で、真空排気口３から真空槽１０内を真空排気し、真空槽１０内が所定の圧力（例えば１．０×１０^−５Ｐａ以下の圧力）になった後、ガス導入口２からスパッタリングガス（例えばアルゴンガス）を導入した。

スパッタリングガスの導入により、真空槽１０内が所定の圧力（例えば４．０×１０^−２Ｐａ以上の圧力）で安定したところで、直流電源９を起動し、カソード電極４に負電圧を印加すると、放電が開始され、銅ターゲット５表面にプラズマが発生した。スパッタリングを所定時間行い、基板全面に銅薄膜を形成した。その後、真空槽１０から基板７を搬出した。

この銅薄膜が形成された基板に対して、１５分間の熱処理を行った。このとき、熱処理の温度を７０℃、１００℃、１２０℃とそれぞれ変えて行い、銅薄膜の変化について観察した。その結果を図４に示す。

図４から、以下の点が明らかとなった。
（１）熱処理温度が７０℃の場合、図４（ａ）に示すように、銅が流動せず、銅薄膜により孔の開口部が閉塞されてしまった。
（２）熱処理温度が１００℃の場合、図４（ｂ）に示すように、銅がわずかに流動する。その結果、銅薄膜が孔の側壁面で切断されることなく、開口部を保持することができた。
（３）熱処理温度が１２０℃の場合、図４（ｃ）に示すように、銅が流動し、開口部を保持することができたが、ボリュームのあるほうに引き寄せられ、薄膜が孔の側壁面で切断されてしまった。

以上の結果より、表面に微細な孔又は溝が形成された基板の全面に銅薄膜を形成した後、該銅薄膜に対する熱処理を８０℃以上、１１０℃以下の比較的低い温度範囲で行うことで、孔又は溝の開口部を閉塞することなく、孔又は溝の内壁面及び内底面の全体に銅薄膜を行き渡らせることができることが確認された。

以上、本発明の銅薄膜の形成方法及び銅薄膜付き基板について説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明は、基板上に形成された微細な孔や溝等を銅薄膜によって充填する銅薄膜の形成方法、及び該形成方法により作製された銅薄膜を備えた銅薄膜付き基板に広く適用可能である。

２０ 銅薄膜付き基板、２１ 基板、２２ 孔又は溝、２３ 銅薄膜。

Claims (3)

1. 表面に微細な孔又は溝が形成された基板を用い、該孔又は該溝の内壁面及び内底面を含む前記基材の全面に銅薄膜を形成する工程と、
   前記銅薄膜を熱処理する工程と、を少なくとも順に有し、
   前記孔の開口径又は溝の開口幅が１００ｎｍ以下であり、
   前記熱処理が、８０℃以上、２５０℃以下の温度範囲で行われること、を特徴とする銅薄膜の形成方法。
2. 表面に微細な孔又は溝が形成された基板上に、
   請求項１に記載の銅薄膜の形成方法を用いて形成された銅薄膜が配されていること、を特徴とする銅薄膜付き基板。
3. 前記孔又は前記溝の内壁面及び内壁面と、前記銅薄膜との間にバリア層が配されており、
   該バリア層が、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）のいずれか一つを含む薄膜であること、を特徴とする請求項２に記載の銅薄膜付き基板。

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