JP3282496B2 - 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】本発明は半導体装置の製造方
法に関するものであり、特に化学機械研磨を用いて配線
を形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、シリコンよりなる半導体基板
上に形成されたLSIの配線材料としてはアルミニウム
が主に使用されてきたが、近年、半導体集積回路の高集
積化及び高速化のために、アルミニウムよりも低抵抗で
ある共に、高エレクトロマイグレーション(EM)耐
性を有する銅が配線材料として注目されている。
【0003】上記した銅を主材料とする配線を用いた半
導体装置の製造方法における従来の一例としては、例え
ば、特開平6−120219号公報に記載されたものが
挙げられる。そこで以下では上記した従来の銅配線を有
する半導体装置の製造方法について図面を参照しながら
説明する。
【0004】図2は従来の半導体装置の製造工程断面図
を示したものであり、配線材料としてCuを、バリアメ
タルとしてCrを用いた例である。
【0005】まず図2(a)に示すように、半導体基板
1上に絶縁膜としてのシリコン酸化膜2を堆積した後、
このシリコン酸化膜2をエッチングして配線を形成すべ
き溝3を形成する。次に図2(b)に示すように、溝3
を含むシリコン酸化膜2上全面にバリアメタルとしての
Cr膜7及び配線材料としてのCu膜5を順次積層して
形成する。
【0006】この後、図2(c)に示すように、溝3の
領域に凹部を有するCu膜5をエキシマレーザビームの
照射によって流動させてCu膜5の表面を平坦化させ
る。そして、CMP法(化学機械研磨:Chemica
l Mechanical Polishing)を用
いて溝3の領域以外の部分のCu膜5及びCr膜7を除
去し、最終的にはシリコン窒化膜8を全面に堆積して図
1(d)に示すような半導体装置を完成する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな従来の構成では、化学機械研磨により溝以外の配線
材料(Cu)とバリアメタル(Cr)を研磨する際に研
磨溶液(スラリー)中の研磨粒子(例えばアルミナやシ
リカの粒子)によって溝内のCu膜に欠陥が生じ、配線
の信頼性(具体的には、エレクトロマイグレーション耐
性等が挙げられる)を劣化させるという問題点を有して
いた。なお、上記の欠陥としては、例えば0.1〜0.
5μmのサイズのキズ等が挙げられる。
【0008】そして、上記の問題点は粒子を用いた研磨
を行う限り避けられない問題であり、特に銅やアルミニ
ウム等に代表されるように、化学機械研磨に用いられる
研磨溶液中の研磨粒子よりもかなり柔らかい導電性材料
を使用する場合に顕著な問題となる。今後、さらに配線
の微細化が進むことを考慮すると、わずかな配線の欠陥
によっても信頼性を著しく劣化させることが予想され
る。
【0009】従って、本発明は上記の問題点に鑑み、そ
の目的とするところは、化学機械研磨を用いて形成した
配線の高信頼性化を図ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は化学機械研磨により形成された金属表面の
欠陥を還元性雰囲気で熱処理することにより低減するも
のである。
【0011】本発明に係る半導体装置の製造方法は、絶
縁膜に設けられた溝又は開口部に導電膜を埋め込む工程
と、前記導電膜を化学機械研磨する工程と、前記化学機
械研磨の後、前記導電膜を埋め込む温度以上の温度の還
元性雰囲気中で熱処理する工程を備えたことを特徴とす
る。 本発明によると、化学機械研磨の際に生じた欠陥を
低減することができ、また、化学機械研磨の後、導電膜
の表面に形成された自然酸化膜を還元することができ
る。即ち、従来のように、化学機械研磨により生じた欠
陥を残したまま配線あるいは電極を形成すると信頼性に
悪影響を及ぼすが、熱処理による再結晶化によって欠陥
を低減することにより、配線及び電極部の信頼性を向上
させることができる。
【0012】本発明に係る半導体装置の製造方法は、還
元性雰囲気中での熱処理を行なった 後、バリア膜を堆積
する工程をさらに備えていてもよい。また、この熱処理
は、バリア膜堆積装置内でバリア膜堆積前に行うことに
より、効率的に化学機械研磨の際に生じた欠陥の低減を
図ることができる。
【0013】本発明に係る半導体装置の製造方法におけ
る還元性雰囲気は、自然酸化膜を還元できるものであれ
ばよく、水素を含む雰囲気又はアンモニアガスを含む雰
囲気とすることができる。
【0014】本発明に係る半導体装置の製造方法におけ
る導電膜は銅又は銅合金が好ましい。銅又は銅合金を用
いた埋め込み配線は化学機械研磨によりキズ等の欠陥が
生じ、また化学機械研磨後に自然酸化膜が形成される
が、本発明によると欠陥を低減するとともに自然酸化膜
を還元できるからである。
【0015】本発明に係る半導体装置の製造方法におい
て、導電膜は銅又は銅合金を埋め込む場合、導電膜を埋
め込む工程は、前記溝又は開口部の内部を含む前記絶縁
膜上にバリアメタルを形成する工程と、前記溝又は開口
部に銅を充填する工程を含んでいてもよい。バリアメタ
ルは銅原子の拡散を防止するための膜であればよい。ま
た、本発明に係る半導体装置の製造方法におけるバリア
膜はシリコン窒化膜を用いることができる。
【0016】
【発明の実施形態】以下本発明の一実施の形態における
半導体装置の製造方法について、図面を参照しながら説
明する。なお、本実施の形態では、本発明の効果が最も
現れる配線材料としてCuを例に挙げて説明する。
【0017】図1は本発明の実施の形態における半導体
装置の製造方法の工程断面図を示したものであり、この
図1において、1は半導体基板、2は絶縁膜としてのシ
リコン酸化膜、3は配線パターンを形成するための開口
部としての溝、4はバリアメタルとしての窒化チタン
(TiN)膜、5は銅(Cu)配線、6は研磨によって
生じた欠陥を示している。
【0018】そこで以下では図1(a)〜(e)を参照
しながら本実施の形態における半導体装置の製造方法に
ついて詳細に説明する。
【0019】まず図1(a)に示すように、シリコン等
により構成され、かつトランジスタ素子や容量素子等の
LSIを構成する各素子(図には示していない)が形成
されている半導体基板1上に絶縁膜としてのシリコン酸
化膜2を形成し、その後上記のシリコン酸化膜2をエッ
チングして、シリコン酸化膜2に所望の配線を形成する
ための配線パターンを有する溝3を形成する。
【0020】次に図1(b)に示すように、バリアメタ
ルとして約20nmの膜厚を有するTiN膜4をCVD
法により堆積した後、スパッタ法により約0.8μmの
Cu膜を堆積する。この時、図に示すように、溝3内は
完全にはCuにより埋め込まれた状態とはなっていな
い。そこで、図1(b)に示された半導体装置に対し
て、ロードロック付きの熱処理炉を用いて水素雰囲気中
で15分間、400℃で加熱するという熱処理を施すこ
とにより、Cu膜5を配線溝3内に充填する(図1
(c))。
【0021】なお、本実施の形態では、上記したように
Cu配線のバリア層としてCVD法で堆積したTiN膜
を用いているが、必ずしもTiN膜である必要性はな
く、300℃〜600℃の熱処理によってもシリコン酸
化膜中へCuが拡散しない膜であればよい。また、上記
の場合、スパッタ法により溝へCuを埋め込んでいるた
め、その後のロードロック付きの熱処理によりCuを流
動させて平坦化を行なう必要性があり、熱処理を施して
いるが、例えばCVD法により配線材料を埋め込むこと
ができれば必ずしもその後の熱処理は必要とはしない。
【0022】次に図1(d)に示すように、化学機械研
磨によって配線溝3内部以外のCu膜5及びTiN膜4
を除去してCu溝配線を形成する。その後、基板に残存
する研磨液及び研磨粒子等を除去するための洗浄処理を
行うわけであるが、図1(d)に示すように、化学機械
研磨後には、研磨液(スラリー)内の研磨粒子によって
Cu配線表面に欠陥が生じているため、この欠陥が生じ
た配線をそのまま放置しておくとCu配線の信頼性が低
下してしまう。
【0023】そこで本発明では、上記の欠陥を低減する
ために、図1(d)に示す状態の半導体装置に対して、
再度ロードロック付きの熱処理炉を用いて水素雰囲気中
で430℃、15分間の熱処理を行い、Cu膜5の配線
の表面の欠陥を低減させる(図1(e))。
【0024】上記のように図1(e)に示す工程におい
て、ロードロック付きの熱処理炉を使用するのは、ウエ
ハを炉内に挿入する際に大気の巻き込みによってCu膜
表面が熱酸化されることを防止するためである。また水
素雰囲気で熱処理を行うのは、Cu表面に形成された自
然酸化膜を還元し、Cu膜の欠陥を低減し易くする為で
あるが、本実施の形態においては、上記のように必ずし
もCu膜表面に形成された欠陥を低減する熱処理を水素
雰囲気中で行う必要性はなく、Cu膜表面に形成されて
いる自然酸化膜を還元できるものであれば、水素を含む
雰囲気あるいはアンモニアガスを含む雰囲気でもよい。
【0025】そして本実施の形態では、上記したよう
に、化学機械研磨により平坦化を行なう前の熱処理(言
い換えれば、配線パターンを有する溝への充填の為の熱
処理)時の温度よりも高い温度で化学機械研磨の際に生
じた欠陥を低減する熱処理を行なっているが、このよう
に、銅の堆積時の温度あるいは配線パターンを有する溝
への充填の為の熱処理温度以上の温度で欠陥回復の為の
熱処理を行えば、埋め込まれたCu等の配線材料の結晶
性が更に改善されるため、本発明の効果は大きくなる。
【0026】なお、本実施の形態においては、Cu膜表
面に形成された欠陥を低減する還元性雰囲気での熱処理
はロードロック付き熱処理炉を使用したが、Cu膜表面
に熱酸化膜を形成しないような方法であれば、RTA
(Rapid ThermalAnneal)装置
いることも可能である。
【0027】また、本実施の形態においては、配線パタ
ーンを有する溝へのCuの充填と化学機械研磨によりC
u配線を形成したが、本発明は必ずしも、絶縁膜に形成
された溝に対してCu配線を埋め込むものにしか適用で
きないものではなく、半導体基板上の拡散層や配線層へ
達する開口部へ金属電極を形成する場合においても効果
があることは言うまでもない。その具体的な例を挙げる
と、例えばコンタクトホールやスルーホールへ選択CV
D法によってAl、W、Cu等の金属を成長させ、ホー
ルより溢れた金属を除去する場合や、上記した実施の形
態における溝への埋め込み配線の材料としてCu−Ti
や他のCu合金、アルミニウムやその合金等の化学機械
研磨に使用する研磨粒子よりも柔らかい金属を用いる場
合である。上記のうち、Al等を配線材料として用いる
場合は、バリアメタルを必ずしも形成する必要性はな
く、本発明は、シリコン酸化膜等の絶縁膜にエッチング
により形成された溝に対して埋め込まれた導電膜を化学
機械研磨により平坦化するような場合全てに対して適用
することができるものである。
【0028】さらに、本実施の形態では、ロードロック
付きの熱処理炉を再度用いて水素雰囲気中での熱処理を
行い、Cuの配線の表面の欠陥を低減させているが、C
uを配線材料として用いた場合など、埋め込まれた配線
上に再度バリア膜を形成するような場合は、このバリア
膜堆積装置内でバリア膜堆積前に還元性雰囲気中で欠陥
低減の為の熱処理を行うとより効率的に化学機械研磨の
際に生じた欠陥の低減を図ることができる。
【0029】
【発明の効果】以上のように本発明はCu溝配線を化学
機械研磨で形成する際のCu配線の欠陥を水素雰囲気の
熱処理によって改善することによって、高信頼性を有す
るCu溝配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における半導体装置の製造
工程断面図
【図2】従来の半導体装置の製造工程断面図
【符号の説明】
1 半導体基板 2 シリコン酸化膜 3 配線パターンを有する溝 4 窒化チタン(TiN)膜 5 銅(Cu)膜 6 研磨によって生じた欠陥 7 クロム(Cr)膜 8 シリコン窒化膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁膜に設けられた溝又は開口部に導電
    膜を埋め込む工程と、前記導電膜を化学機械研磨する工
    程と、前記化学機械研磨の後、前記導電膜を埋め込む温
    度以上の温度の還元性雰囲気中で熱処理する工程を備え
    た半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記熱処理の後、バリア膜を堆積する工
    程をさらに備えた請求項1に記載の半導体装置の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 前記熱処理は、バリア膜堆積装置内で前
    記バリア膜堆積前に行うことを特徴とする請求項2に記
    載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記還元性雰囲気は、水素を含む雰囲気
    又はアンモニアガスを含む雰囲気であることを特徴とす
    る請求項1から3のいずれか1項に記載の半導体装置の
    製造方法。
  5. 【請求項5】 前記導電膜は銅又は銅合金であることを
    特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の半導
    体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記導電膜を埋め込む工程は、前記溝又
    は開口部の内部を含む前記絶縁膜上にバリアメタルを形
    成する工程と、前記溝又は開口部に銅を充填する工程を
    含んでいることを特徴とする請求項5に記載の半導体装
    置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記バリア膜はシリコン窒化膜であるこ
    とを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の
    半導体装置の製造方法。
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