JP3244058B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法に係り、詳しくは、半導体基板を覆う絶縁膜の接
続孔又は接続溝に、銅又は銅を主成分とする配線をCV
D(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法を利
用して形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の代表として知られているマ
イクロプロセッサやメモリなどのLSI(大規模集積回
路)は、集積度の向上につれて個々の素子の寸法は益々
微細化されてきており、これに伴って各素子を構成する
半導体領域の寸法も微細化されている。また、各半導体
領域に対して配線を接続する場合、絶縁膜に形成するコ
ンタクトホールやビアホールなどの接続孔、又は配線を
埋め込む接続溝の径も微細化されてきている。さらに、
配線密度が高くなってきているので、配線を半導体基板
の厚さ方向に多層にわたって積層するようにした多層配
線技術が発展してきている。
【0003】このようなLSIにおいて、特に高速向き
のマイクロプロセッサなどでは、動作上特に配線の抵抗
値が問題となるので、低い抵抗値の配線が望まれてい
る。従来から、LSIを含めた半導体装置の配線材料と
しては、電気的特性、加工性などの点で優れているアル
ミニウム(Al)またはアルミニウムを主成分とするア
ルミニウム系金属が用いられてきている。しかしなが
ら、同アルミニウム系金属は、エレクトロマイグレーシ
ョン耐性、ストレスマイグレーション耐性に弱いという
欠点がある。このため、アルミニウム系金属に代わって
同アルミニウム系金属よりも抵抗値が小さくて、エレク
トロマイグレーション耐性、ストレスマイグレーション
耐性に優れている銅(Cu)又は銅を主成分とする銅系
金属が用いられる傾向になる。
【0004】このように配線材料として優れている銅系
金属からなる薄膜を半導体基板上に形成するには、一般
にCVD法又はスパッタ法や蒸着法などのPVD(Physi
calVapor Deposition:物理的気相成長)法により行われ
るが、通常は段差被覆性(ステップカバレッジ)に優れ
ているCVD法を利用して形成されることが多い。とこ
ろで、CVD法により銅系金属薄膜を形成する場合、同
薄膜を配線として十分な膜厚となるように比較的厚く形
成すると、同薄膜中にボイド(気泡・空隙)の発生が避
けられないことが知られている。配線にそのようなボイ
ドが存在すると、配線抵抗が高くなったり、断線の原因
になったりするので、半導体装置の信頼性を低下させる
ことになる。
【0005】このため、ボイドの発生を抑制又は防止す
るようにして銅配線を形成することが考えられている。
例えば特開平10−79389号公報には、CVDによ
り銅配線を形成する場合に、ボイドの影響を避けるよう
にした半導体装置の製造方法が開示されている。以下、
図7(a)〜(d)を参照して、同半導体装置の製造方
法について工程順に説明する。まず、図7(a)に示す
ように、シリコン基板61を覆う酸化シリコン膜からな
る膜厚が略0.1μmの絶縁膜62に凹部63A、63
Bを形成した後、同凹部63A、63Bを含むシリコン
基板61上に拡散防止膜64を介して、CVD法により
膜厚が略150nmの第1層目の銅薄膜65を形成す
る。このとき、同銅薄膜65にはボイド66A、66B
が形成される。
【0006】次に、図7(b)に示すように、シリコン
基板61を略400℃で、略10分間アニール処理を行
うことにより、第1層目の銅薄膜65を流動(リフロ
ー)させてボイド66A、66Bに銅を流し込む。次
に、図7(c)に示すように、上述と同様なCVD法に
より、第1層目の銅薄膜65上に第2層目の銅薄膜66
を形成する。次に、図7(d)に示すように、CMP(C
hemical Mechnical Polishing:化学的機械的研磨)法に
より、第1層目及び第2層目の銅薄膜65、66の表面
を研磨して、各凹部63A、63Bに埋め込まれた銅配
線67を形成する。これにより、ボイドの存在しない銅
配線67を得ることができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
公報記載の半導体装置の製造方法は、配線として十分な
膜厚となるように厚く銅薄膜を形成する場合には、CV
D法による薄膜の形成工程及びリフロー工程を数回繰り
返す必要があるので、工程数が多くなるため製造効率が
悪くなる、という問題がある。すなわち、従来の半導体
装置の製造方法では、CVD法によりボイドが形成され
ない程度に小さな膜厚で銅薄膜を形成する工程と、リフ
ロー工程とを組み合わせて十分な膜厚となる配線を得る
ようにしているので、配線の膜厚によってはCVD工程
を3回以上に分割して、その工程間にリフロー工程を行
う必要があるので、銅配線の形成が非効率となるのが避
けられない。
【0008】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、CVD法を利用して銅系金属からなる配線を形
成するにあたり、工程数を低減して効率的に同配線を形
成できるようにした半導体装置の製造方法を提供するこ
とを目的としている。
【0009】上記課題を解決するために、請求項1記載
の発明は、半導体基板を覆う絶縁膜の接続溝又は接続孔
に、配線を形成する半導体装置の製造方法であって、上
記接続溝又は接続孔を含む上記半導体基板上に、化学的
気相成長法により所望金属からなる第1導電性薄膜を、
該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じない程度
の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、上記半導
体基板を熱処理して上記第1導電性薄膜の表面を流動さ
せる第1導電性薄膜リフロー工程と、上記第1導電性薄
膜上に、めっき法により上記所望金属からなる第2導電
性薄膜を、上記接続溝又は接続孔の深さ以上の膜厚に形
成する第2導電性薄膜形成工程と、上記第2導電性薄膜
を平坦化する第2導電性薄膜平坦化工程とを含むことを
特徴としている。
【0010】請求項2記載の発明は、半導体基板を覆う
絶縁膜の接続溝又は接続孔に、銅又は銅を主成分とする
配線を形成する半導体装置の製造方法であって、上記接
続溝又は接続孔を含む上記半導体基板上に、化学的気相
成長法により銅又は銅を主成分とする第1導電性薄膜
を、該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じない
程度の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、上記
半導体基板を熱処理して前記第1導電性薄膜の表面を流
動させる第1導電性薄膜リフロー工程と、上記第1導電
性薄膜上に、めっき法により上記銅又は銅を主成分とす
る第2導電性薄膜を、上記接続溝又は接続孔の深さ以上
の膜厚に形成する第2導電性薄膜形成工程と、上記第2
導電性薄膜を平坦化する第2導電性薄膜平坦化工程とを
含むことを特徴としている。
【0011】請求項3記載の発明は、請求項2記載の半
導体装置を製造するための方法に係り、上記第1導電性
薄膜形成工程の前に、上記接続溝又は接続孔を含む上記
半導体基板上にバリア金属膜を形成するバリア金属膜形
成工程を含むことを特徴としている。
【0012】請求項4記載の発明は、請求項2又は3記
載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記第1
導電性薄膜形成工程を、非酸化性雰囲気中で行うことを
特徴としている。
【0013】請求項5記載の発明は、請求項2、3又は
4記載の半導体装置を製造するための方法に係り、上記
第1導電性薄膜リフロー工程を、還元性雰囲気中又は真
空中で行うことを特徴としている。
【0014】請求項6記載の発明は、請求項2乃至5の
いずれか1に記載の半導体装置を製造するための方法に
係り、上記第2導電性薄膜平坦化工程を、化学的機械的
研磨法により行うことを特徴としている。
【0015】請求項7記載の発明は、請求項2乃至6の
いずれか1に記載の半導体装置を製造するための方法に
係り、上記第1導電性薄膜形成工程における上記銅又は
銅を主成分とする第1導電性薄膜を、30〜150nm
の膜厚で形成することを特徴としている。
【0016】請求項8記載の発明は、請求項2乃至7の
いずれか1に記載の半導体装置を製造するための方法に
係り、上記バリア金属膜形成工程における上記バリア金
属膜として高融点金属を用いることを特徴としている。
【0017】
【0018】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用い
て具体的に行う。 ◇第1実施例 図1(a)〜(c)及び図2(d)〜(f)は、この発
明の第1実施例である半導体装置の製造方法を工程順に
示す工程図、また、図3は同半導体装置の製造方法によ
り製造された半導体装置を示す斜視図である。以下、図
1(a)〜(c)及び図2(d)〜(f)を参照して、
同半導体装置の製造方法について工程順に説明する。ま
ず、図1(a)に示すように、例えばシリコン単結晶か
らなり表面が酸化シリコン膜(SiO)からなる、膜
厚が500〜1000nmの絶縁膜2で覆われた半導体
基板1を用意する。同半導体基板1には予め不純物イオ
ン打ち込みなどにより所望の素子領域が形成されている
ものとする。次に、ドライエッチング法により、絶縁膜
2に径が略0.28μmの接続溝3を形成する。同接続
溝3の形成は、周知のリソグラフィ技術を利用すること
により、所望の位置に所望の深さに形成することができ
る。
【0019】次に、図1(b)に示すように、PVD法
の一種であるスパッタ法により、接続溝3を含む絶縁膜
2上にチタンナイトライド(TiN)膜からなる膜厚が
20〜50nmのバリア金属膜4を形成する。同バリア
金属膜4は、以後の工程で形成される銅薄膜が絶縁膜2
又は半導体基板1に拡散するのを阻止する働きをする。
次に、図1(c)に示すように、CVD法により膜厚が
30〜150nmの第1銅薄膜5をバリア金属膜4上に
形成する。この場合、同第1銅薄膜5の成膜速度は略3
0nm/分である。ここで、第1銅薄膜5の膜厚は、同
銅薄膜5の表面に結晶粒子に起因する凹凸が実質的に生
じない程度に選ぶようにする。すなわち、CVD法によ
り第1銅薄膜5を形成する場合、上述した30〜150
nmの膜厚であれば、図4(a)に示すように、同銅薄
膜5は表面に凹凸がほとんど生じないように形成するこ
とができる。一方、上述した150nm以上の膜厚に堆
積されると、同図(b)に示すように、結晶粒子に起因
した凹凸が現れるようになって、銅薄膜5の表面に凹凸
10が生じてくる。この凹凸10は膜厚が大きくなるに
したがって、ボイド発生の原因となってくる。一方、上
述した30nm以下の膜厚になると、均質な銅薄膜とし
て成膜されるのが困難となる。
【0020】上述のCVD法による第1銅薄膜5の具体
的形成方法としては、次の2種類の成膜条件で行った。 成膜条件(1) 原料ガス:ヘクサフロロアセチルアセトナート銅トリメ
チルビニルシラン(Cu(hfac)tmvs) キャリアガス:ヘリウム(He) キャリアガス流量:50〜1000sccm(Standard
cubic centimeterper minute) 成膜温度:150〜250℃ 成膜時間:1〜10分 成長室圧力:0.1〜30Torr 成膜条件(2) 原料ガス:シクロペンタジェニルトリエチルフォスヒン
銅(CuCpTep) キャリアガス:ヘリウム キャリアガス流量:50〜1000sccm 成膜温度:150〜300℃ 成膜時間:1〜10分 成長室圧力:0.01〜30Torr なお、成膜条件(1)及び(2)とも、キャリアガス
は、アルゴン(Ar)、水素(H)と置換が可能であ
る。このキャリアガスは、非酸化性ガスなら用いること
ができる。
【0021】次に、図2(d)に示すように、半導体基
板1を熱処理して、第1銅薄膜5の表面を流動させるこ
とによりリフローさせる。これにより、同銅薄膜5の表
面は極めて滑らかになる。上述のリフローの具体的熱処
理方法としては、次の3種類の条件で行った。 条件(1) 雰囲気ガス:水素 ガス流量:100〜50000sccm 基板温度:350〜500℃ 条件(2) 雰囲気ガス:水素(30〜95%)+酸素(70〜5
%) ガス流量:1000〜50000sccm 基板温度:350〜650℃ 条件(3) 雰囲気:真空(10−6〜10−11Torr) 基板温度:350〜500℃ 条件(1)〜(3)から明らかなように、リフローの熱
処理の雰囲気は、還元性、酸化性及び真空を選ぶことが
できる。ここで、真空雰囲気中で行うときは、CVD法
により第1銅薄膜5を形成した半導体基板1を、CVD
装置の外部に取り出すことなくそのまま真空中で保持し
て、リフローを行うようにする。
【0022】次に、図2(e)に示すように、めっき法
により膜厚が1.0〜2.0μmの第2銅薄膜6を、第
1銅薄膜5上に形成する。これにより、同第2銅薄膜6
は接続溝3の上部に盛り上がるように堆積される。ここ
で、めっき法により銅薄膜を形成するのは、短時間で銅
配線を形成して量産性に適した工程とするためである。
ここで、第1銅薄膜5がCVD法により形成されること
により段差被覆性に優れた薄膜となっており、しかも同
第1銅薄膜5の表面はリフロー処理されているので、同
第1銅薄膜5上に形成される第2銅薄膜6がめっき法に
より形成されていても、同第2銅薄膜6の膜質は何ら問
題がない。
【0023】次に、図2(f)に示すように、CMP法
により第1銅薄膜5及び第2銅薄膜6を研磨して平坦化
する。これにより、接続溝3に第1銅薄膜5と第2銅薄
膜6とが積層されて埋め込まれて形成された銅配線7を
有する半導体装置8が製造される。銅配線7は図示しな
い素子領域に接続されている。図3は、半導体装置8の
完成構造を示す斜視図である。
【0024】このように、この例の構成によれば、半導
体基板1を覆う接続溝3を含む絶縁膜2上にバリア金属
膜4を介して、CVD法により表面に結晶粒子に起因す
る凹凸が実質的に生じない程度の膜厚の第1銅薄膜5を
形成した後、リフロー処理を施して同銅薄膜5の表面を
流動させ、続いてめっき法により第1銅薄膜5上に時間
で十分な膜厚の第2銅薄膜6を形成した後、CMP法に
より表面を平坦化して銅配線7を形成するようにしたの
で、工程数を低減して効率的に銅配線を形成できる。し
たがって、配線として十分な膜厚となるように厚く銅薄
膜を形成する場合でも、CVD法による薄膜の形成工程
及びリフロー工程を繰り返す必要がないので、生産性を
向上することができる。
【0025】◇第2実施例 図5(a)〜(d)及び図6(e)〜(g)は、この発
明の第2実施例である半導体装置の製造方法を工程順に
示す工程図である。この第2実施例の半導体装置の製造
方法の構成が、上述の第1実施例のそれと大きく異なる
ところは、銅配線を接続溝に代えて接続孔に形成するよ
うにした点である。以下、図5(a)〜(d)及び図6
(e)〜(g)を参照して、同半導体装置の製造方法に
ついて工程順に説明する。まず、図5(a)に示すよう
に、予め下層配線11が形成され表面がシリコン酸化膜
からなる、膜厚が500〜1000nmの絶縁膜12で
覆われた半導体基板1を用意して、ドライエッチング法
により、絶縁膜12に径が略0.28μmの接続孔13
を形成する。
【0026】次に、図5(b)に示すように、スパッタ
法により、接続孔13を含む絶縁膜12上にチタンナイ
トライド膜からなる膜厚が20〜50nmのバリア金属
膜14を形成する。
【0027】次に、図5(c)に示すように、CVD法
により膜厚が30〜150nmの第1銅薄膜15をバリ
ア金属膜14上に形成する。同第1銅薄膜15の形成
は、第1実施例における第1銅薄膜5の成膜条件と略同
様な内容で行うことができる。次に、図5(d)に示す
ように、半導体基板1を熱処理して、第1銅薄膜15の
表面を流動させることによりリフローさせる。同リフロ
ーの熱処理は、第1実施例における熱処理の条件と略同
様な内容で行うことができる。
【0028】次に、図6(e)に示すように、めっき法
により膜厚が1.0〜2.0μmの第2銅薄膜16を、
第1銅薄膜15上に形成する。これにより、同第2銅薄
膜16は接続孔13の上部に盛り上がるように堆積され
る。ここで、第1銅薄膜15がCVD法により形成され
ることにより段差被覆性に優れた薄膜となっており、し
かも同第1銅薄膜15の表面はリフロー処理されている
ので、同第1銅薄膜15上に形成される第2銅薄膜16
がめっき法により形成されていても、同第2同薄膜16
の膜質は何ら問題がない。
【0029】次に、図6(f)に示すように、CMP法
により第1銅薄膜15及び第2銅薄膜16を研磨して平
坦化する。これにより、接続孔13に第1銅薄膜15と
第2銅薄膜16とが積層されて埋め込まれてビアプラグ
17が形成される。次に、図6(g)に示すように、絶
縁膜12上に銅配線17と接続するように上層配線19
を形成することにより、銅配線17を通じて下層配線1
1と上層配線19とが接続された半導体装置18が製造
される。
【0030】このように、この例の構成によっても、第
1実施例において述べたのと略同様の効果を得ることが
できる。これに加えて、この例によれば、ビアプラグの
ように特に膜厚の厚い銅配線が必要とされる要求にも対
応させることができる。
【0031】以上、この発明の実施例を図面により詳述
してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるもの
ではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変
更などがあってもこの発明に含まれる。例えば、CVD
法により表面に結晶粒子に起因する凹凸が実質的に生じ
ない程度の膜厚に形成する薄膜としては、銅に限らずア
ルミニウムなどの他の金属に対しても適用することがで
きる。したがって、アルミニウム配線を十分な膜厚に形
成する場合にも適用できる。
【0032】また、銅配線は銅100%に限ることな
く、他の材料が多少含まれていても銅を主成分とする銅
系金属であれば同様に適用することができる。例えば、
微量のチタン(Ti),クロム(Cr)などの高融点金
属を含ませて、配線の信頼性を向上させるような場合に
適用して効果的となる。また、十分な膜厚の銅又は銅を
主成分とする配線を形成するために、CVD法により形
成した第1導電性薄膜上に、第2導電性薄膜をめっき法
により形成すれば、膜質に優れた銅又は銅を主成分とす
る配線を容易に形成することができる利点がある。
【0033】また、バリア金属膜としては、チタンナイ
トライドに限ることなく、タンタルナイトライド(Ta
N)、タングステンナイトライド(WN)、チタンタン
グステン(TiW)、タングステンシリコンナイトライ
ド(WSiN)、タンタルシリコンナイトライド(Ta
SiN)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、モ
リブテン(Mo)などの高融点金属であれば同様に用い
ることができる。また、絶縁膜は、酸化シリコン膜に限
らずに、窒化シリコン膜、BSG(BoroSilicate Glass)
膜、PSG(Phospho Silicate Glass)膜、あるいはBP
SG(Boro-Phospho Silicate Glass)などを用いること
ができる。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の半導体
装置の製造方法によれば、半導体基板を覆う接続溝又は
接続孔を含む絶縁膜上に、CVD法により表面に結晶粒
子に起因する凹凸が実質的に生じない程度の膜厚の第1
導電性薄膜を形成した後、リフロー処理を施して同薄膜
の表面を流動させ、続いてめっき法により第1導電性薄
膜上に短時間で十分な膜厚の第2導電性薄膜を形成した
後、同第2導電性薄膜の表面を平坦化して配線を形成す
るようにしたので、工程数を低減して効率的に配線を形
成できる。したがって、配線として十分な膜厚となるよ
うに厚く導電性薄膜を形成する場合でも、CVD法によ
る薄膜の形成工程及びリフロー工程を繰り返す必要がな
いので、生産性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例である半導体装置の製造
方法を工程順に示す工程図である。
【図2】同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図
である。
【図3】同半導体装置の製造方法により製造された半導
体装置を示す斜視図である。
【図4】同半導体装置の製造方法の原理を説明する図で
ある。
【図5】この発明の第2実施例である半導体装置の製造
方法を工程順に示す工程図である。
【図6】同半導体装置の製造方法を工程順に示す工程図
である。
【図7】従来の半導体装置の製造方法を工程順に示す工
程図である。
【符号の説明】 1 半導体基板 2、12 絶縁膜 3 接続溝 4、14 バリア金属膜 5、15 第1銅薄膜(CVD法による) 6、16 第2銅薄膜(スパッタ法による) 7 銅配線 8、18 半導体装置 10 凹凸 11 下層配線 13 接続孔 17 ビアプラグ 19 上層配線

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板を覆う絶縁膜の接続溝又は接
    続孔に、配線を形成する半導体装置の製造方法であっ
    て、 前記接続溝又は接続孔を含む前記半導体基板上に、化学
    的気相成長法により所望金属からなる第1導電性薄膜
    を、該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じない
    程度の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、 前記半導体基板を熱処理して前記該第1導電性薄膜の表
    面を流動させる第1導電性薄膜リフロー工程と、 前記第1導電性薄膜上に、めっき法により前記所望金属
    からなる第2導電性薄膜を、前記接続溝又は接続孔の深
    さ以上の膜厚に形成する第2導電性薄膜形成工程と、 前記第2導電性薄膜を平坦化する第2導電性薄膜平坦化
    工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 半導体基板を覆う絶縁膜の接続溝又は接
    続孔に、銅又は銅を主成分とする配線を形成する半導体
    装置の製造方法であって、 前記接続溝又は接続孔を含む前記半導体基板上に、化学
    的気相成長法により銅又は銅を主成分とする第1導電性
    薄膜を、該薄膜の表面に結晶粒子に起因する凹凸が生じ
    ない程度の膜厚に形成する第1導電性薄膜形成工程と、 前記半導体基板を熱処理して前記該第1導電性薄膜の表
    面を流動させる第1導電性薄膜リフロー工程と、 前記第1導電性薄膜上に、めっき法により前記銅又は銅
    を主成分とする第2導電性薄膜を、前記接続溝又は接続
    孔の深さ以上の膜厚に形成する第2導電性薄膜形成工程
    と、 前記第2導電性薄膜を平坦化する第2導電性薄膜平坦化
    工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記第1導電性薄膜形成工程の前に、前
    記接続溝又は接続孔を含む前記半導体基板上にバリア金
    属膜を形成するバリア金属膜形成工程を含むことを特徴
    とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第1導電性薄膜形成工程を、非酸化
    性雰囲気中で行うことを特徴とする請求項2又は3記載
    の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記第1導電性薄膜リフロー工程を、還
    元性雰囲気中又は真空中で行うことを特徴とする請求項
    2、3又は4記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第2導電性薄膜平坦化工程を、化学
    的機械的研磨法により行うことを特徴とする請求項2乃
    至5のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記第1導電性薄膜形成工程における前
    記銅又は銅を主成分とする第1導電性薄膜を、30〜1
    50nmの膜厚で形成することを特徴とする請求項2乃
    至6のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記バリア金属膜形成工程における前記
    バリア金属膜として高融点金属を用いることを特徴とす
    る請求項2乃至7のいずれか1に記載の半導体装置の製
    造方法。
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