JP3755539B2 - Method for forming copper film - Google Patents

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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、銅膜の形成方法及び半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、化学気相成長法を用いた銅膜の形成方法及び段差を有する基板上に銅配線層を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、取扱い易く、ポピュラーな配線材料としてAl膜が多用されている。しかし、半導体装置の高密度化に伴い、配線層の微細化が進んでいる現状では、エレクトロマイグレーションによる断線等の信頼性の低下が問題となることが予想される。
【0003】
銅配線は従来のAl配線に対してエレクトロマイグレーションに強く、低抵抗であるなどの利点があり、高密度の半導体デバイスへの適用が期待されている。更に、高密度化に伴うコンタクトホールなどのアスペクト比の増大に対処するため、段差被覆率の高い化学気相成長法による銅薄膜の形成プロセスが開発されている。
【0004】
化学気相成長法による銅薄膜形成技術において、従来は常温で固体である銅の有機錯体、例えば、Cu(HFA)2が銅のソースガスとして用いられてきたが、近年ではより取扱い易い液体の有機錯体、例えば、Cu(HFA)tmvs 等が利用されている。なお、HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを表し、tmvsはトリメチルビニルシリルを表す。
【0005】
例えば、下部配線層上の層間絶縁膜の開口を介して下部配線層と接続する上部配線層を形成する場合について図5(a)〜(c)を参照しながら説明する。
まず、図5(a)に示すように、半導体基板1上に形成された下地絶縁膜2の上の下部配線層3を被覆して層間絶縁膜4を形成し、続いて、パターニングして下部配線層3上部に層間絶縁膜4の開口5を形成する。
【0006】
次に、ヒータの内蔵された基板保持具8に半導体基板1を載置した後、半導体基板1を加熱して、所定の温度に保持する。
次いで、液体のCu(HFA)tmvs を用いて、化学気相成長方法により、開口5を被覆して銅膜6bを形成する。図5(b)は成膜途中の銅膜6aの形成状態を示し、図5(c)は成膜後の銅膜6bの状態を示す。
【0007】
その後、銅膜6bをパターニングして下部配線層3と接続する上部配線層を形成する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、成膜速度を増大させるため、ソースガスの流量を増し、かつ成膜温度を高めると、開口5の底部にはソースガス粒子が到達しにくくなって、図5 (b)に示すように、開口5の上部の方が底部よりも早く成膜され、括れが生ずる。更に厚く成膜すると、図5(c)に示すように、開口5内部にボイド7が生じる。
【0009】
このため、形成された銅膜6a,6bの段差被覆率が低下し、配線の抵抗が増大したり、最悪の場合、配線の切断に至るという問題がある。
本発明は、係る従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、成膜速度の向上を図り、かつ高い段差被覆率を確保することができる銅膜の形成方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願発明は、基板上の下層配線上の絶縁膜中にパターニング開口されたコンタクト窓を通して、下層配線層と電気的に接続する上層配線層として銅膜を形成する方法であって、プラズマ生成室に水素ガスを導入して水素プラズマにし、接地された網目状電極を介して水素プラズマからイオンを除去した後に残る水素ラジカルに、ソースガスを接触させて活性化し、かつ前記ソースガスが表面反応律速に基づく反応を起こすように前記基板を加熱して前記基板上で前記ソースガスの熱分解反応を起こさせ、さらに水素ラジカルと反応させることにより生じた金属銅により前記コンタクト窓内から前記絶縁膜上に延在するように銅膜を形成する銅膜の形成方法であって、前記ソースガスは、化学構造式Cu(HFA)tmvs(HFAはヘキサフルオロアセチルアセトンを示し(以下同じ)、tmvsはトリメチルビニルシリルを示す)、Cu(HFA)COD(CODはシクロオクタジエニルを示す)、Cu(HFA)2-butyne及びCu(HFA)BTMSE(BTMSEはビストリメチルシリルエチレンを示す)のうち何れか一であり、前記加熱の温度は、前記ソースガスが、前記化学構造式Cu(HFA)tmvsで表されるものであるとき、180℃以下であり、前記化学構造式Cu(HFA)CODで表されるものであるとき、200℃以下であり、前記化学構造式Cu(HFA)2-butyneで表されるものであるとき、220℃以下であり、前記化学構造式Cu(HFA)BTMSEで表されるものであるとき、190℃以下であることを特徴としている。
【0011】
【作用】
図3は、有機錯体のCu(HFA)tmvs について熱による分解特性を示す特性図である。縦軸は蒸気圧(mTorr )を表し、横軸はソースガスに印加する温度(℃)を表す。
それによれば、このCu(HFA)tmvs は130℃付近で自発的に分解を始めて銅を析出する。図3において、温度に対する蒸気圧の増加割合が変化している点Aで示される。この温度より高いところでは、
2Cu(HFA)tmvs→Cu+Cu(HFA)2+2tmvs
の反応が起きると考えられる。この反応は次の変曲点Bである300℃近くの温度まで成膜反応を支配する。
【0012】
また、別の調査により、ソースガスがCu(HFA)tmvsの場合、基板温度が180℃以下の領域では成膜速度が温度とともに増加する表面反応律速による反応が支配的となり、それ以上の温度では供給律速の反応が支配的となる。なお、表面反応律速による反応が支配的となる温度はソースガスの種類によって異なり、ソースガスが、例えばCu(HFA)CODのとき200℃以下であり、Cu(HFA)2-butyneのとき220℃以下であり、Cu(HFA)BTMSEのとき190℃以下である。
ところで、高い段差被覆率を確保するためには表面反応律速による反応を用いて成膜することが必要であることが分かった。なぜなら、表面反応律速による反応の場合、開口の底部の温度と開口の上部の温度が一様であれば、底部も上部も同じ速度で成膜されるためである。
【0013】
従って、上記化学気相成長法では、ソースガスがCu(HFA)tmvsの場合、高い段差被覆率を確保するために180℃以下の温度領域において成膜を行う必要がある。なお、他のソースガスの場合も、高い段差被覆率を確保するために表面反応律速が主反応形態である温度領域において成膜を行うことが必要である。
一方、ソースガスがCu(HFA)tmvsの場合、180℃以下の温度領域においては成膜速度を低下させる結果となる。
従って、実用性の向上を図るためには、ソースガスがCu(HFA)tmvsの場合、180℃以下の温度を維持しつつ、成膜速度を向上させることが必要である。なお、他のソースガスも同様に、実用性の向上を図るためには、表面反応律速が主反応形態である温度範囲を維持しつつ、成膜速度を向上させることが必要である。
【0014】
本発明の銅膜の形成方法においては、活性化された粒子にソースガスを接触させて活性化し、かつ基板を加熱して前記ソースガスの反応を起こさせ、基板上に銅膜を形成している。
従って、ソースガスには加熱によるエネルギに更に活性化された粒子からのエネルギが加わるため、表面反応律速に基づく反応が起こるような低い温度で基板を加熱しても、基板に到達したソースガスには分解の促進に必要な十分なエネルギが付与される。
【0015】
これにより、上記の反応式で生じるCu(HFA)2の分解が促進されて、ソースガスの銅原子の分離が促進される。十分なエネルギを得たソースガスには次のような反応が起こると考えられる。即ち、活性化された粒子として、例えば、水素ラジカル(H *)を用いた場合、
2Cu(HFA)tmvs+2H * →2Cu +2H-(HFA)+2tmvs
のような反応が起こり、副生成物であるCu(HFA)2を生じさせることなく、水素ラジカルがHFA を安定化させて銅原子の分離を促進する。
【0016】
従って、ソースガスCu(HFA)tmvs の一分子あたり銅の一原子を析出するため、成膜速度は大幅に増す。
このため、開口を有する基板上に銅配線層を形成する本発明の半導体装置の製造方法に上記の銅膜の形成方法を用いることにより、段差被覆率を高め、かつ成膜速度の向上を図ることが可能となる。
【0017】
【実施例】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。
(1)第1の実施例に係る銅膜の形成方法についての説明
図4は本発明の第1の実施例に係る銅膜の形成方法に用いられるトライオードタイプの電極を有する成膜装置について示す斜視図である。
【0018】
図4において、11は減圧可能になっている成膜室で、不図示の排気装置が接続され、成膜室11内が排気される。この成膜室11内に不図示のガス導入口から金属銅の有機錯体を含むソースガスが導入される。また、成膜室11内には被成膜基板17を載置する基板保持具12が設置されている。この基板保持具12にはヒータが内蔵されており、載置された被成膜基板17を加熱する。
【0019】
13はイオントラップ電極14を介して成膜室11に連通するプラズマ生成室である。プラズマ生成室13内には不図示のガス導入口から水素ガス等が導入され、プラズマ化される。イオントラップ電極14は網目状に形成されており、接地されることによりプラズマ生成室13で生成されたプラズマからイオンをトラップする。そして、ラジカル(活性化された粒子)のみを下流の成膜室11に流し、成膜室11内に導入されたソースガスを活性化する。
【0020】
15a,15bはプラズマ生成室13の外周部に形成されたトライオードタイプの電極で、プラズマ生成室13を挟んで互いに対向する。これらの電極15a,15b間に接続された電源16により周波数13.56MHzの高周波電力を印加して、プラズマ生成室12内に導入された水素ガス等をプラズマ化する。
次に、上記の成膜装置を用いて銅膜を形成する方法について説明する。
【0021】
まず、例えばシリコン基板上に酸化膜及びTiN膜が順次形成された被成膜基板17を基板保持具12に載置した後、プラズマ生成室13内及び成膜室11内を排気し、所定の圧力に達したら、プラズマ生成室13内に流量200SCCMで水素ガスを導入する。また、成膜室11内の被成膜基板17を加熱し、所定の温度に保持する。
【0022】
次に、成膜室11内に金属銅を含む有機錯体からなるソースガスを導入し、成膜室11内の全圧力を200mTorr に保持する。ソースガスとして、例えば、化学構造式
Cu(HFA)tmvs
(HFA はヘキサフルロロアセチルアセトンを示し、tmvsはトリメチルビニルシリルを示す)
で表される液体状の銅の有機錯体を気化させたものを用いる。
【0023】
続いて、電極15a,15b間に周波数13.56MHzの高周波電力100Wを印加し、プラズマ生成室13内の水素ガスをプラズマ化する。水素プラズマはイオントラップ電極14を通過して下流に流れる。このとき、水素プラズマ中のイオンはトラップされ、或いは中性化されて水素ラジカルのみが成膜室11内に導入される。
【0024】
水素ラジカルより成膜室11内のソースガスが活性化されて、被成膜基板17の表面に達する。このとき、被成膜基板17は、所定の温度、例えばソースガスが自然に分解し、かつ表面反応律速による反応が生ずるような温度に保持されている。従って、被成膜基板17の表面に達したソースガスは、水素ラジカルにより付加されたエネルギにより分解反応の中間過程で生じるCu(HFA)2の分解が促進されて銅原子が一層分離されるとともに、被成膜基板17の表面で表面反応律速による反応が生じて銅膜が生成しはじめる。
【0025】
上記の成膜反応において、予想される反応過程を示すと、
2Cu(HFA)tmvs+2H * →2Cu +2H-(HFA)+2tmvs
になる。このように、水素ラジカルがHFA を安定化させて銅原子の分離を促進し、ソースガスCu(HFA)tmvs の一分子あたり銅の一原子を析出するようになるため、被成膜基板17の温度が低いにもかかわらず、成膜速度は高くなる。
【0026】
この状態で所定時間が経過した後、被成膜基板17上に所定の膜厚の銅膜が形成される。
次に、上記の方法で銅膜を形成した調査結果について説明する。調査では基板温度を130℃〜200℃まで変化させた。
図2は種々の基板温度に対する成膜速度の関係を示す特性図である。比較のため、従来例の方法を用いて基板温度に対する成膜速度の関係を取得した結果についても、同図に示す。横軸はリニヤ目盛で示す温度Tの逆数(×1000/K)を表し、縦軸は対数目盛で示す成膜速度(Å/分)を表す。
【0027】
なお、従来例の場合、金属銅を含む有機錯体からなるソースガスとして上記と同じものを用い、かつソースガスに流量200SCCMの水素ガスを加えた。水素ガスは活性化していない。
図2に示す結果によれば、本発明の実施例による場合、温度Tの上昇とともに成膜速度は増し、基板温度180℃で成膜速度約1500〜2000Å/分が得られた。更に、従来の場合と比較して成膜速度は約3倍程度高くなった。
【0028】
しかも、成膜状態を観察したところ、段差被覆率も高かった。これは、表面反応律速による反応が支配的であることを示す。
一方、従来例の場合、基板温度180℃で、成膜速度は約550Å/分となる。しかも、それ以上基板温度を上昇させても成膜速度は高くならない。また、基板温度180℃以上で供給律速による反応が支配的になり、段差被覆率も低くなる。
【0029】
この違いは、水素ラジカルによりソースガスを活性化したことが強く影響していることによると考えられる。従って、低い基板温度で成膜することにより表面反応律速による反応を維持しつつ、水素ラジカルによる活性化により成膜速度を増すことができた。
(2)第2の実施例に係る半導体装置の製造方法についての説明
次に、上記の成膜装置を用いて銅配線層を形成する方法を含む半導体装置の製造方法について説明する。図1(a)〜(c)は層間絶縁膜24の開口25を介して下部配線層23と接続する上部銅配線層を形成する方法について示す断面図である。
【0030】
まず、図1(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板21に熱酸化によりシリコン酸化膜からなる下地絶縁膜22を形成する。
続いて、下地絶縁膜22上にCVD法(化学気相成長法)によりTiN膜を形成した後、パターニングして下部配線層23を形成する。
次に、CVD法により下部配線層23を被覆して膜厚約8000Åのシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜24を形成する。続いて、ホトリソグラフィ技術を用いて層間絶縁膜24をパターニングし、下部配線層23上部に開口25を形成する。
【0031】
次いで、上記した成膜装置の基板保持具12に被成膜基板17を載置した後、成膜室11内を減圧する。所定の圧力に達したら、内蔵のヒータにより被成膜基板17を加熱し、被成膜基板17の温度を180℃に保持する。
次に、第1の実施例に示した成膜方法及び条件と同じ成膜方法及び条件により、層間絶縁膜24上に開口25を被覆する膜厚約5000Åの銅膜26bを形成する。
【0032】
図1(b)は成膜途中の銅膜26aの形成状態を示す。被堆積基板17の温度が200℃以下であるため、表面反応律速による反応が支配的であり、成膜箇所の温度により成膜速度が決まる。このため、被堆積基板17の凹凸の影響が少なくなる。従って、開口25の底部,側壁及び開口25近傍の層間絶縁膜24上に均一な膜厚の銅膜26aが形成される。図1(c)は成膜後の銅膜26bの形成状態を示す。表面反応律速による反応に基づく均一な膜厚の銅膜26aの形成が可能なので、開口25内にボイド等が生じない。
【0033】
その後、銅膜26bをパターニングし、開口25を介して下部配線層23と接続する上部配線層を形成する。
このように、本発明の実施例の半導体装置の製造方法によれば、被成膜基板17の温度を180℃に保持した状態で成膜している。
従って、表面反応律速による成膜反応により銅膜26bが形成されるため、開口25において高い段差被覆率が得られる。
【0034】
また、水素ラジカルにソースガスを接触させて活性化している。従って、被成膜基板17に到達したソースガスには温度によるエネルギのほかに活性化された粒子からのエネルギが加わる。このため、表面反応律速に基づく反応が起こるような低い温度で被成膜基板17を加熱しても、ソースガスには分解の促進のための十分なエネルギが付与される。
【0035】
このため、反応の中間過程で生じるCu(HFA)2の分解が促進されて、ソースガス中の銅原子を一層分離させることができる。従って、ソースガスCu(HFA)tmvs は一分子あたり銅の一原子を析出するため、成膜速度が大幅に増大する。
これにより、段差被覆率を高め、かつ成膜速度の向上を図ることが可能となる。
【0036】
なお、上記実施例では、ソースガスとしてCu(HFA)tmvs を用いているが、化学構造式
Cu(HFA)COD
(HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し、COD はシクロオクタジエニルを示す)
で表されるものを用いることかできる。この場合、基板温度200℃以下で、表面反応律速による反応が得られる。
【0037】
また、化学構造式
Cu(HFA)2-butyne
(HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示す)
で表されるものを用いることかできる。この場合、基板温度220℃以下で、表面反応律速による反応が得られる。
【0038】
更に、化学構造式
Cu(HFA)BTMSE
(HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し、BTMSE はビストリメチルシリルエチレンを示す)
で表されるものを用いることも可能である。この場合、基板温度190℃以下で、表面反応律速による反応が得られる。
【0039】
また、活性化された粒子として水素ラジカルを用いているが、他の方法で活性化された粒子、例えばマイクロ波による水素を含んだ化合物の励起により生じたプロトンを用いてもよい。
更に、半導体装置の上部配線層の形成に適用しているが、液晶駆動用のTFTの配線層の形成やプリント基板の配線層の形成等に用いることもできる。特に、段差を有する基板上に段差被覆率の高い配線層を形成する場合に最適である。
【0040】
【発明の効果】
以上のように、本発明の銅膜の形成方法においては、基板を加熱し、かつ活性化された粒子にソースガスを接触させて活性化している。
従って、基板に到達したソースガスには温度によるエネルギのほかに水素ラジカルからのエネルギが加わるため、表面反応律速による反応を生じさせる低い温度で基板加熱しても、ソースガスには分解の促進のための十分なエネルギが付与される。このため、ソースガスに含まれる銅原子の分離が促進されてソースガスの一分子あたりの銅原子の生成量が増えるので、成膜速度は大幅に増大する。
【0041】
これにより、開口等の段差を有する基板上に銅配線層を形成する本発明の半導体装置の製造方法に上記の銅膜の形成方法を適用することにより、段差被覆率を高め、かつ成膜速度の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係る銅膜の形成方法を用いた半導体装置の製造方法について示す断面図である。
【図2】本発明の実施例に係る種々の基板温度に対する成膜速度の関係を示す特性図である。
【図3】本発明に係る銅膜の形成方法に用いられる有機錯体のCu(HFA)tmvs について熱による分解特性を示す特性図である。
【図4】本発明の実施例に係る銅膜の形成方法に用いられるトライオードタイプの電極を有する成膜装置について示す斜視図である。
【図5】従来例に係る銅膜の形成方法を用いた半導体装置の製造方法について示す断面図である。
【符号の説明】
11 成膜室、
12 基板保持具、
13 プラズマ生成室、
14 イオントラップ電極、
15a,15b 電極、
16 電源、
17 被成膜基板、
21 半導体体基板、
22 下地絶縁膜、
23 下部配線層、
24 層間絶縁膜、
25 開口、
26a,26b 銅膜。
[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for forming a copper film and a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a copper film using chemical vapor deposition and a semiconductor device for forming a copper wiring layer on a substrate having a step. It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, Al films have been frequently used as an easy-to-handle and popular wiring material. However, in the present situation where the wiring layer is miniaturized as the density of the semiconductor device is increased, it is expected that a decrease in reliability such as disconnection due to electromigration will be a problem.
[0003]
Copper wiring has advantages such as resistance to electromigration and low resistance over conventional Al wiring, and is expected to be applied to high-density semiconductor devices. Furthermore, in order to cope with an increase in the aspect ratio of contact holes and the like accompanying the increase in density, a process for forming a copper thin film by a chemical vapor deposition method having a high step coverage has been developed.
[0004]
In copper thin film formation technology by chemical vapor deposition, copper organic complexes that are solid at room temperature, for example, Cu (HFA) 2 have been used as the source gas for copper. Organic complexes such as Cu (HFA) tmvs are used. HFA represents hexafluoroacetylacetone, and tmvs represents trimethylvinylsilyl.
[0005]
For example, the case where the upper wiring layer connected to the lower wiring layer through the opening of the interlayer insulating film on the lower wiring layer is formed will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 5A, an interlayer insulating film 4 is formed by covering a lower wiring layer 3 on a base insulating film 2 formed on a semiconductor substrate 1, and then patterned to form a lower portion. An opening 5 of the interlayer insulating film 4 is formed on the wiring layer 3.
[0006]
Next, after placing the semiconductor substrate 1 on the substrate holder 8 incorporating the heater, the semiconductor substrate 1 is heated and held at a predetermined temperature.
Next, a copper film 6b is formed to cover the opening 5 by a chemical vapor deposition method using liquid Cu (HFA) tmvs. FIG. 5B shows the state of formation of the copper film 6a during film formation, and FIG. 5C shows the state of the copper film 6b after film formation.
[0007]
Thereafter, the upper wiring layer connected to the lower wiring layer 3 is formed by patterning the copper film 6b.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the flow rate of the source gas is increased and the deposition temperature is increased in order to increase the deposition rate, the source gas particles hardly reach the bottom of the opening 5 as shown in FIG. The upper part of the opening 5 is formed earlier than the bottom part, and constriction occurs. When the film is further thickened, a void 7 is generated inside the opening 5 as shown in FIG.
[0009]
For this reason, there is a problem that the step coverage of the formed copper films 6a and 6b is reduced, the resistance of the wiring is increased, and in the worst case, the wiring is cut.
The present invention was created in view of the problems of the conventional example, and is a method for forming a copper film and a method for manufacturing a semiconductor device capable of improving a film formation rate and ensuring a high step coverage. Is intended to provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is a method of forming a copper film as an upper wiring layer electrically connected to a lower wiring layer through a contact window patterned and opened in an insulating film on a lower wiring on a substrate. A hydrogen gas is introduced into the plasma generation chamber to form a hydrogen plasma, and the hydrogen radicals remaining after removing ions from the hydrogen plasma through a grounded mesh electrode are activated by contacting the source gas with the hydrogen radicals, and The contact window is formed by metallic copper generated by heating the substrate so that the source gas causes a reaction based on a surface reaction rate to cause a thermal decomposition reaction of the source gas on the substrate and further reacting with hydrogen radicals. A copper film forming method for forming a copper film so as to extend from the inside to the insulating film, wherein the source gas has a chemical structural formula Cu (HFA) tmvs (HFA is Indicates safluoroacetylacetone (hereinafter the same), tmvs indicates trimethylvinylsilyl), Cu (HFA) COD (COD indicates cyclooctadienyl), Cu (HFA) 2-butyne and Cu (HFA) BTMSE (BTMSE Represents the bistrimethylsilylethylene), and the heating temperature is 180 ° C. or lower when the source gas is represented by the chemical structural formula Cu (HFA) tmvs, When it is represented by the chemical structural formula Cu (HFA) COD, it is 200 ° C. or less, and when it is represented by the chemical structural formula Cu (HFA) 2-butyne, it is 220 ° C. or less. When it is represented by the chemical structural formula Cu (HFA) BTMSE, it is characterized by being 190 ° C. or lower.
[0011]
[Action]
FIG. 3 is a characteristic diagram showing thermal decomposition characteristics of Cu (HFA) tmvs of the organic complex. The vertical axis represents the vapor pressure (mTorr), and the horizontal axis represents the temperature (° C.) applied to the source gas.
According to this, this Cu (HFA) tmvs starts to decompose spontaneously at around 130 ° C. and precipitates copper. In FIG. 3, this is indicated by a point A where the increase rate of the vapor pressure with respect to the temperature is changed. Above this temperature,
2Cu (HFA) tmvs → Cu + Cu (HFA) 2 + 2 + tmvs
It is thought that this reaction occurs. This reaction dominates the film forming reaction up to the next inflection point B, which is a temperature close to 300 ° C.
[0012]
According to another investigation, when the source gas is Cu (HFA) tmvs, the reaction due to the surface reaction rate control, in which the film formation rate increases with temperature, is dominant in the region where the substrate temperature is 180 ° C. or lower, and at temperatures higher than that, Supply-controlled reaction becomes dominant. The temperature at which the reaction based on the surface reaction rate is dominant varies depending on the type of the source gas. For example, when the source gas is Cu (HFA) COD, the temperature is 200 ° C. or less, and when the source gas is Cu (HFA) 2-butyne, 220 ° C. The temperature is 190 ° C. or lower for Cu (HFA) BTMSE.
By the way, in order to ensure a high level | step difference coverage, it turned out that it is necessary to form into a film using the reaction by surface reaction rate control. This is because in the case of the reaction based on the surface reaction rate control, if the temperature at the bottom of the opening and the temperature at the top of the opening are uniform, the film is formed at the same speed at the bottom and the top.
[0013]
Therefore, in the chemical vapor deposition method, when the source gas is Cu (HFA) tmvs, it is necessary to form a film in a temperature region of 180 ° C. or lower in order to ensure a high step coverage. In the case of other source gases as well, it is necessary to perform film formation in a temperature region where surface reaction rate control is the main reaction mode in order to ensure a high step coverage.
On the other hand, when the source gas is Cu (HFA) tmvs, the film forming rate is reduced in the temperature range of 180 ° C. or lower.
Therefore, in order to improve practicality, when the source gas is Cu (HFA) tmvs, it is necessary to improve the film formation rate while maintaining a temperature of 180 ° C. or lower. Similarly, in order to improve the practicality of other source gases, it is necessary to improve the film formation rate while maintaining the temperature range in which the surface reaction rate control is the main reaction mode.
[0014]
In the method for forming a copper film of the present invention, the activated particles are activated by contacting a source gas, and the substrate is heated to cause a reaction of the source gas, thereby forming a copper film on the substrate. Yes.
Therefore, since the energy from the activated particles is added to the energy of the heating source gas, even if the substrate is heated at such a low temperature that the reaction based on the surface reaction rate is controlled, the source gas that has reached the substrate is converted into the source gas. Is provided with sufficient energy necessary for promoting decomposition.
[0015]
Thereby, the decomposition of Cu (HFA) 2 generated in the above reaction formula is promoted, and the separation of copper atoms in the source gas is promoted. It is considered that the following reaction occurs in the source gas having sufficient energy. That is, for example, when hydrogen radicals (H * ) are used as activated particles,
2Cu (HFA) tmvs + 2H * → 2Cu + 2H- (HFA) + 2tmvs
Thus, the hydrogen radical stabilizes HFA and promotes the separation of copper atoms without generating by-product Cu (HFA) 2 .
[0016]
Therefore, since one atom of copper is deposited per molecule of the source gas Cu (HFA) tmvs, the deposition rate is greatly increased.
Therefore, by using the above-described copper film forming method in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention in which a copper wiring layer is formed on a substrate having an opening, the step coverage is increased and the film forming speed is improved. It becomes possible.
[0017]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(1) Description of Method for Forming Copper Film According to First Embodiment FIG. 4 shows a film forming apparatus having a triode type electrode used in the method for forming a copper film according to the first embodiment of the present invention. It is a perspective view.
[0018]
In FIG. 4, reference numeral 11 denotes a film formation chamber that can be decompressed, and an exhaust device (not shown) is connected to exhaust the inside of the film formation chamber 11. A source gas containing an organic complex of metallic copper is introduced into the film forming chamber 11 from a gas inlet (not shown). A substrate holder 12 on which the deposition target substrate 17 is placed is installed in the deposition chamber 11. The substrate holder 12 has a built-in heater, and heats the deposited film formation substrate 17.
[0019]
A plasma generation chamber 13 communicates with the film formation chamber 11 through the ion trap electrode 14. Hydrogen gas or the like is introduced into the plasma generation chamber 13 from a gas inlet (not shown) to be turned into plasma. The ion trap electrode 14 is formed in a mesh shape, and traps ions from the plasma generated in the plasma generation chamber 13 by being grounded. Then, only radicals (activated particles) are allowed to flow into the downstream deposition chamber 11 to activate the source gas introduced into the deposition chamber 11.
[0020]
Reference numerals 15 a and 15 b denote triode-type electrodes formed on the outer periphery of the plasma generation chamber 13 and face each other across the plasma generation chamber 13. A high-frequency power having a frequency of 13.56 MHz is applied by a power source 16 connected between the electrodes 15a and 15b, and the hydrogen gas or the like introduced into the plasma generation chamber 12 is turned into plasma.
Next, a method for forming a copper film using the film forming apparatus will be described.
[0021]
First, for example, after a deposition substrate 17 in which an oxide film and a TiN film are sequentially formed on a silicon substrate is placed on the substrate holder 12, the plasma generation chamber 13 and the deposition chamber 11 are evacuated, When the pressure is reached, hydrogen gas is introduced into the plasma generation chamber 13 at a flow rate of 200 SCCM. In addition, the deposition target substrate 17 in the deposition chamber 11 is heated and maintained at a predetermined temperature.
[0022]
Next, a source gas made of an organic complex containing metallic copper is introduced into the film forming chamber 11, and the total pressure in the film forming chamber 11 is maintained at 200 mTorr. Source gas, for example, chemical structural formula
Cu (HFA) tmvs
(HFA indicates hexafluorochloroacetone and tmvs indicates trimethylvinylsilyl)
Vaporized liquid organic complex of copper represented by
[0023]
Subsequently, a high frequency power of 100 W having a frequency of 13.56 MHz is applied between the electrodes 15a and 15b, and the hydrogen gas in the plasma generation chamber 13 is turned into plasma. The hydrogen plasma flows downstream through the ion trap electrode 14. At this time, ions in the hydrogen plasma are trapped or neutralized, and only hydrogen radicals are introduced into the deposition chamber 11.
[0024]
The source gas in the film formation chamber 11 is activated by the hydrogen radicals and reaches the surface of the film formation substrate 17. At this time, the deposition target substrate 17 is maintained at a predetermined temperature, for example, a temperature at which the source gas is naturally decomposed and a reaction based on the surface reaction rate control occurs. Therefore, the source gas that has reached the surface of the deposition target substrate 17 promotes the decomposition of Cu (HFA) 2 generated in the intermediate process of the decomposition reaction by the energy added by the hydrogen radicals, and further separates the copper atoms. Then, a reaction due to surface reaction rate control occurs on the surface of the substrate 17 to be formed, and a copper film starts to be generated.
[0025]
In the above film formation reaction, the expected reaction process is shown as follows:
2Cu (HFA) tmvs + 2H * → 2Cu + 2H- (HFA) + 2tmvs
become. In this way, the hydrogen radical stabilizes HFA and promotes the separation of copper atoms, so that one atom of copper is deposited per molecule of the source gas Cu (HFA) tmvs. Despite the low temperature, the deposition rate is high.
[0026]
After a predetermined time has passed in this state, a copper film having a predetermined thickness is formed on the deposition target substrate 17.
Next, the investigation result of forming a copper film by the above method will be described. In the investigation, the substrate temperature was changed from 130 ° C to 200 ° C.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship of the film formation rate with respect to various substrate temperatures. For comparison, the results of obtaining the relationship between the film formation rate and the substrate temperature using the conventional method are also shown in FIG. The horizontal axis represents the reciprocal of the temperature T indicated by the linear scale (× 1000 / K), and the vertical axis represents the deposition rate (Å / min) indicated by the logarithmic scale.
[0027]
In the case of the conventional example, the same source gas as described above was used as the source gas composed of an organic complex containing metallic copper, and hydrogen gas having a flow rate of 200 SCCM was added to the source gas. Hydrogen gas is not activated.
According to the results shown in FIG. 2, in the case of the example of the present invention, the film formation rate increased as the temperature T increased, and a film formation rate of about 1500 to 2000 mm / min was obtained at a substrate temperature of 180 ° C. Furthermore, the film formation rate was about three times higher than in the conventional case.
[0028]
Moreover, when the film formation state was observed, the step coverage was also high. This indicates that the reaction by surface reaction rate control is dominant.
On the other hand, in the case of the conventional example, when the substrate temperature is 180 ° C., the film forming rate is about 550 Å / min. In addition, the deposition rate does not increase even if the substrate temperature is increased further. In addition, the substrate-controlled reaction is dominant at a substrate temperature of 180 ° C. or higher, and the step coverage is also lowered.
[0029]
This difference is considered to be due to the strong influence of the activation of the source gas by hydrogen radicals. Accordingly, it was possible to increase the deposition rate by activation with hydrogen radicals while maintaining the reaction based on the surface reaction rate by forming the film at a low substrate temperature.
(2) Description of Method for Manufacturing Semiconductor Device According to Second Embodiment Next, a method for manufacturing a semiconductor device including a method for forming a copper wiring layer using the film forming apparatus will be described. FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating a method of forming an upper copper wiring layer connected to the lower wiring layer 23 through the opening 25 of the interlayer insulating film 24. FIG.
[0030]
First, as shown in FIG. 1A, a base insulating film 22 made of a silicon oxide film is formed on a semiconductor substrate 21 made of silicon by thermal oxidation.
Subsequently, a TiN film is formed on the base insulating film 22 by a CVD method (chemical vapor deposition method), and then patterned to form a lower wiring layer 23.
Next, an interlayer insulating film 24 made of a silicon oxide film having a thickness of about 8000 mm is formed by covering the lower wiring layer 23 by the CVD method. Subsequently, the interlayer insulating film 24 is patterned by using a photolithography technique, and an opening 25 is formed on the lower wiring layer 23.
[0031]
Next, after the deposition target substrate 17 is placed on the substrate holder 12 of the above-described deposition apparatus, the inside of the deposition chamber 11 is decompressed. When the predetermined pressure is reached, the film formation substrate 17 is heated by a built-in heater, and the temperature of the film formation substrate 17 is maintained at 180 ° C.
Next, a copper film 26b having a film thickness of about 5000 mm covering the opening 25 is formed on the interlayer insulating film 24 by the same film forming method and conditions as those shown in the first embodiment.
[0032]
FIG. 1B shows the formation state of the copper film 26a during the film formation. Since the temperature of the substrate 17 to be deposited is 200 ° C. or less, the reaction based on the surface reaction rate is dominant, and the film formation rate is determined by the temperature of the film formation location. For this reason, the influence of the unevenness of the substrate to be deposited 17 is reduced. Accordingly, a copper film 26a having a uniform thickness is formed on the bottom and side walls of the opening 25 and the interlayer insulating film 24 in the vicinity of the opening 25. FIG. 1C shows the formation state of the copper film 26b after film formation. Since the copper film 26a having a uniform film thickness can be formed based on the reaction based on the surface reaction rate control, no voids or the like are generated in the opening 25.
[0033]
Thereafter, the copper film 26 b is patterned to form an upper wiring layer connected to the lower wiring layer 23 through the opening 25.
As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the embodiment of the present invention, the film is formed while the temperature of the deposition target substrate 17 is maintained at 180 ° C.
Therefore, since the copper film 26b is formed by the film formation reaction based on the surface reaction rate control, a high step coverage can be obtained in the opening 25.
[0034]
Moreover, it is activated by bringing a source gas into contact with hydrogen radicals. Therefore, energy from activated particles is added to the source gas that has reached the film formation substrate 17 in addition to energy due to temperature. For this reason, even if the deposition target substrate 17 is heated at a low temperature at which a reaction based on the surface reaction rate is controlled, sufficient energy for promoting decomposition is imparted to the source gas.
[0035]
For this reason, decomposition of Cu (HFA) 2 generated in the intermediate process of the reaction is promoted, and copper atoms in the source gas can be further separated. Therefore, since the source gas Cu (HFA) tmvs deposits one atom of copper per molecule, the film formation rate is greatly increased.
As a result, the step coverage can be increased and the film formation rate can be improved.
[0036]
In the above example, Cu (HFA) tmvs is used as the source gas.
Cu (HFA) COD
(HFA represents hexafluoroacetylacetone and COD represents cyclooctadienyl)
Can be used. In this case, a reaction based on the surface reaction rate is obtained at a substrate temperature of 200 ° C. or lower.
[0037]
Also, chemical structural formula
Cu (HFA) 2-butyne
(HFA indicates hexafluoroacetylacetone)
Can be used. In this case, a reaction based on the surface reaction rate is obtained at a substrate temperature of 220 ° C. or lower.
[0038]
Furthermore, chemical structural formula
Cu (HFA) BTMSE
(HFA indicates hexafluoroacetylacetone, BTMSE indicates bistrimethylsilylethylene)
It is also possible to use what is represented by. In this case, a reaction based on the surface reaction rate is obtained at a substrate temperature of 190 ° C. or lower.
[0039]
Further, although hydrogen radicals are used as the activated particles, particles activated by other methods, for example, protons generated by excitation of a compound containing hydrogen by microwaves may be used.
Furthermore, although it is applied to the formation of the upper wiring layer of the semiconductor device, it can also be used to form a wiring layer of a TFT for driving a liquid crystal or a wiring layer of a printed board. In particular, it is optimal when a wiring layer having a high step coverage is formed on a substrate having steps.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, in the method for forming a copper film according to the present invention, the substrate is heated and activated by bringing the activated particles into contact with the activated particles.
Therefore, the source gas that reaches the substrate receives energy from hydrogen radicals in addition to the energy due to temperature. Therefore, even if the substrate is heated at a low temperature that causes a reaction based on the surface reaction rate, the source gas can promote decomposition. Sufficient energy is provided. For this reason, the separation of copper atoms contained in the source gas is promoted, and the amount of copper atoms generated per molecule of the source gas is increased, so that the film formation rate is greatly increased.
[0041]
Thus, by applying the copper film forming method to the semiconductor device manufacturing method of the present invention for forming a copper wiring layer on a substrate having a step such as an opening, the step coverage is increased and the film forming speed is increased. Can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device using a copper film forming method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship of film forming speed with respect to various substrate temperatures according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing thermal decomposition characteristics of Cu (HFA) tmvs of an organic complex used in the method for forming a copper film according to the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a film forming apparatus having a triode type electrode used in a method for forming a copper film according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device using a conventional copper film forming method.
[Explanation of symbols]
11 Deposition chamber
12 Substrate holder,
13 Plasma production chamber,
14 ion trap electrode,
15a, 15b electrodes,
16 power supply,
17 deposition substrate,
21 semiconductor substrate,
22 Underlying insulating film,
23 Lower wiring layer,
24 interlayer insulation film,
25 opening,
26a, 26b Copper film.

Claims (1)

基板上の下層配線上の絶縁膜中にパターニング開口されたコンタクト窓を通して、下層配線層と電気的に接続する上層配線層として銅膜を形成する方法であって、プラズマ生成室に水素ガスを導入して水素プラズマにし、接地された網目状電極を介して水素プラズマからイオンを除去した後に残る水素ラジカルに、ソースガスを接触させて活性化し、かつ前記ソースガスが表面反応律速に基づく反応を起こすように前記基板を加熱して前記基板上で前記ソースガスの熱分解反応を起こさせ、さらに水素ラジカルと反応させることにより生じた金属銅により前記コンタクト窓内から前記絶縁膜上に延在するように銅膜を形成する銅膜の形成方法であって、
前記ソースガスは、化学構造式 Cu(HFA)tmvs HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し(以下同じ)、 tmvs はトリメチルビニルシリルを示す)、 Cu(HFA)COD COD はシクロオクタジエニルを示す)、 Cu(HFA)2-butyne 及び Cu(HFA)BTMSE BTMSE はビストリメチルシリルエチレンを示す)のうち何れか一であり、前記加熱の温度は、前記ソースガスが、前記化学構造式 Cu(HFA)tmvs で表されるものであるとき、180℃以下であり、前記化学構造式 Cu(HFA)COD で表されるものであるとき、200℃以下であり、前記化学構造式 Cu(HFA)2-butyne で表されるものであるとき、220℃以下であり、前記化学構造式 Cu(HFA)BTMSE で表されるものであるとき、190℃以下であることを特徴とする銅膜の形成方法。
A method of forming a copper film as an upper wiring layer that is electrically connected to a lower wiring layer through a contact window that is patterned and opened in an insulating film on a lower wiring on a substrate, and introducing hydrogen gas into the plasma generation chamber Then, the hydrogen gas is activated by bringing the source gas into contact with the hydrogen radicals remaining after removing the ions from the hydrogen plasma through the grounded mesh electrode, and the source gas causes a reaction based on the surface reaction rate control. so that the substrate heated by causing thermal decomposition reaction of the source gas on the substrate, further extending over said insulating film from said contact in the window by metallic copper produced by reacting with hydrogen radicals as A method of forming a copper film on a copper film,
The source gas has the chemical structural formula Cu (HFA) tmvs ( HFA represents hexafluoroacetylacetone (hereinafter the same), tmvs represents trimethylvinylsilyl), Cu (HFA) COD ( COD represents cyclooctadienyl) , Cu (HFA) 2-butyne and Cu (HFA) BTMSE ( BTMSE represents bistrimethylsilylethylene), and the heating temperature is the chemical structural formula Cu (HFA) When represented by tmvs , it is 180 ° C. or lower, and when represented by the chemical structural formula Cu (HFA) COD , it is 200 ° C. or lower, and the chemical structural formula Cu (HFA) 2− A method for forming a copper film, characterized in that when it is represented by butyne , it is 220 ° C. or lower, and when it is represented by the chemical structural formula Cu (HFA) BTMSE , it is 190 ° C. or lower .
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