JP4300259B2 - 銅配線膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理基板上に形成され、凹部が設けられている絶縁膜上に形成した拡散バリア膜上に銅膜を形成し、前記凹部を銅材料で充填する銅配線形成方法において、拡散バリア用下地膜と銅膜との間の密着性が高められたCu(銅)配線膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高性能化にともない、配線材料としてCu(銅)が使用されている。その理由は、Cuは、Al(アルミニウム)に比較して低抵抗であり、ストレスマイグレイションやエレクトロマイグレイションという配線を構成する金属原子の拡散挙動が支配する現象に対して、高い耐性をもっているからである。
【0003】
このようなCuを用いた配線の形成については、絶縁膜に配線及び接続孔(ビアホール、またはコンタクトホール)のパターンを形成し、その後バリア膜を成膜、さらに、銅(Cu)膜をパターン凹部に埋め込み、CMP(化学的機械研磨法)により余分な銅膜を除去して行う方法が用いられている。
【0004】
例えば、特開平10−79389号では、銅配線製造方法として基板上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜上にCVD法によって銅薄膜を形成し、凹部内をその銅薄膜の銅材料で充填する際、銅薄膜を形成するCVD工程を2回以上に分割し、分割されたCVD工程の間に、前工程で形成されている銅薄膜を流動化させるための熱処理工程を設けることが提案されている。
【0005】
現在までのところ、半導体デバイスの配線膜形成方法としては、PVDによるバリア膜の形成、PVDによるCuのシード膜(電解銅メッキの電極用下地膜)の形成、そして電解銅メッキによる埋め込み技術が広く用いられている。
【0006】
例えば、特開平11−135504号では、エレクトロマイグレイション耐性が良好な銅膜の形成を目的として、半導体基板の上方に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、ターゲットを用いるスパッタによって絶縁膜の上と溝の中に第一の銅膜を形成する工程と、第一の銅膜を加熱してリフローする工程と、第二の銅膜を第一の銅膜の上に、メッキ又はCVD法(化学気相成長法)により成長させる工程と、絶縁膜の上の第二の銅膜、第一の銅膜をCMP法により除去することにより、溝の中に少なくとも第一の銅膜を残す工程とからなる半導体装置の製造方法が提案されている。
【0007】
電解銅メッキによる埋め込みは、コストのかからない技術として広く採用されてきているが、上述のように、予め、電極としてシード膜を形成しておく必要がある。そこで、今後、半導体デバイスの微細化に伴い、PVD法に代わるCuシード膜の形成方法として、カバレッジ(被覆性)の良いCVD法が有力な候補として上げられている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
近年、配線の微細化にともない、カバレッジの良好なCVD法によるシード膜の形成が有望視されている。
【0009】
前述した特開平11−135504号で提案されている方法では、スパッタで形成した銅膜に対して加熱(アニール)することにより当該銅膜を一旦流動化させている。しかし、今後、より薄くすることが要求される下で、CVD法によって形成されたCuシード膜では、薄くなるほど、加熱(アニール)によって凝集する可能性が高まるという問題がある。そして、Cuシード膜の形成段階で凝集が生じ、ところどころに膜のない下地(バリア膜)が露出してしまうと、その後の電解銅メッキによる埋め込み工程後にボイド(空隙)が発生するという新たな問題も生じてしまう。
【0010】
また、例えば、CVD法によって、シード膜として第一の銅膜が形成される工程と、第一の銅膜を電極としたメッキ法により第二の銅薄膜が形成される半導体デバイスの製造方法では、従来から、TiN等の拡散バリア用下地膜と界面をなすCu膜の密着性が弱いという課題があった。そのため、CVD法による銅配線膜形成後の研磨工程(CMP工程)では、Cu膜がTiN等の拡散バリア用の下地膜から剥がれてしまうという不具合が発生することがあった。
【0011】
そこで、本発明は、カバレッジが良好であるというCVD法の特徴をいかし、CVD法によってシード膜となる銅薄膜を形成しながら、なおかつこのようにCVD法によって形成された銅薄膜と拡散バリア用下地膜との密着性を、シード膜のアニールという手法を用いることで容易に、しかも凝集を起こさずに改善できる銅配線膜形成方法を提案することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、この発明が提案する銅配線膜形成方法は、半導体基板上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜上に拡散バリア用下地膜を形成し、さらにその上にCVD法によって、第一の銅膜が形成される工程と、当該第一の銅膜を電極としたメッキ法により第二の銅膜が形成される銅配線膜形成方法において、前記第一の銅膜形成工程と第二の銅膜形成工程の間に、第一の銅膜を200〜500℃の温度範囲で、10KPa〜40KPaの圧力にて加熱(アニール)する工程が設けられていることを特徴とするものである。
【0013】
ここで、加熱(アニール)工程における加熱温度を200〜500℃の範囲としたのは、CVD法による銅の成膜条件が、通常約200℃であるため、それ以上の温度で加熱しないと加熱(アニール)工程を介在させることによる密着性改善の効果が不充分となるからであり、また、500℃を越えると、熱によって基板が損傷を被るおそれがあるので好ましくないからである。
【0014】
なお、加熱(アニール)工程においてより良好な密着性の改善が確認できる、より好ましい加熱温度は350〜450℃の範囲である。
【0015】
前記の本発明の銅配線膜形成方法において、加熱(アニール)工程の雰囲気を、10KPa以上とすると、極めて薄く形成されている第一の銅膜を、前記の200〜500℃という温度条件で加熱(アニール)したときに、流動化させたり凝集させたりすることがなく、さらに、密着性を向上できる。
【0016】
前述した本発明の銅配線膜形成方法において、第二の銅膜形成工程の後に、第二の加熱(アニール)工程を行うこととすると、配線の信頼性を高め、さらに密着性の向上を図る上で有利である。
【0017】
また、前述した本発明の銅配線膜形成方法において、第一の銅膜形成工程で形成される第一の銅膜の厚さは100nm以下とすることが望ましい。
【0018】
第一の銅膜は、いわゆるシード(Seed)膜と呼ばれるもので、その後の工程の電解メッキ法の電極としての機能が満足される厚さであれば、コスト上、薄ければ薄いほどよいとされており、通常、その厚さは20nm〜せいぜい100nmとすることが製造コスト上有利だからである。
【0019】
そして、本発明の銅配線膜形成方法で採用される加熱温度範囲(200〜500℃)(より好ましくは、350〜450℃)で行われる第一の加熱工程、好ましくは、雰囲気を10KPa以上としつつかかる温度範囲で行われる第一の加熱工程によれば、前記のように100nm以下と薄い第一の銅膜であっても、流動化や凝集を生じさせることなく密着性の改善を図ることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0021】
図1は、本発明の銅配線膜形成方法に使用される銅配線膜形成装置の一例の概略構成を表すものである。
【0022】
図1図示の装置は、図2図示のように、半導体基板1上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜2上に、拡散バリア用下地膜としてTiN膜3が、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition )で成膜され、この上に、CVD法によって第一の銅膜4が形成され、次いで、この第一の銅膜4を加熱(アニール)する工程を行うまでのシステムの一例を表すものである。
【0023】
この場合、絶縁膜2が、例えば有機低誘電率膜であってもかまわない。しかも、拡散バリア用下地膜は、TiN膜に限られることなく、Ta、TaN、WxNや、TiSiN等の高融点金属膜でも可能であり、また、この拡散バリア用下地膜の成膜方法もCVD法に限られず、スパッタリングなどを用いてもかまわない。また、拡散バリア用下地膜は、成膜後、膜質の改善のため、水素やArガスなどのプラズマにさらされていてもかまわない。
【0024】
図1図示の銅配線膜形成装置は、一例としてマルチチャンバ方式の装置として構成され、搬送ロボット(基板搬送機構)18を内蔵したセパレーションチャンバ(トランスファーチャンバ)14が中央に設けられ、セパレーションチャンバ14の周囲に3つのプロセスチャンバ、すなわち拡散バリア用TiNCVDチャンバ11、銅膜用CVDチャンバ12、アニールチャンバ13を配し、さらに、2つのロード/アンロード・ロックモジュール15、16が付設されているものである。各チャンバ等には、ゲートバルブ17が設けられている。
【0025】
なお、ここで「モジュール」とは、装置・機械・システムを構成する部分で、機能的にまとまった部分を意味する。したがって、前記の3つのプロセスチャンバ(拡散バリア用TiNCVDチャンバ11、銅膜用CVDチャンバ12、アニールチャンバ13)も当然、モジュールとして構成されており、これらのプロセスが実施される場所を指す用語としてチャンバが使用される。
【0026】
セパレーションチャンバ14の内部には、搬送ロボット(基板搬送機構)18が設けられ、搬送ロボット18は、そのハンドで基板19を各チャンバ等に搬入、又は、各チャンバ等から搬出する。上記装置において、カセット(図示せず)にセットされた1枚の基板19は、図面左側のロード/アンロード・ロック・モジュール15から搬送ロボット18によってセパレーションチャンバ14内に搬入される。
【0027】
拡散バリア用TiNCVDチャンバ11、銅膜用CVDチャンバ12、アニールチャンバ13のそれぞれのチャンバで所定のプロセスが行われ、図2(c)図示のように、半導体基板1上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜2上に、拡散バリア用下地膜としてTiN膜3がMOCVD法で成膜され、この上に、CVD法によって第一の銅膜4が形成され、次いで、この第一の銅膜4を加熱(アニール)する工程が行われた後に、これらの一連の処理が施された基板19は、搬送ロボット18によってロード/アンロード・ロックモジュール16に戻されて搬出される。上記の構成において、プロセスチャンバについてもう少し詳細に述べる。
【0028】
拡散バリア用TiNCVDチャンバ11、銅膜用CVDチャンバ12、アニールチャンバ13は、それぞれ真空排気機構11a、12a、13aを備えている。各プロセスチャンバは、その真空排気機構11a、12a、13aによって内部を適宜、減圧状態、すなわち所望の真空状態に保持される。真空排気機構11a、12a、13aの動作はコントローラ20によって制御される。
【0029】
拡散バリア用TiNCVDチャンバ11、銅膜用CVDチャンバ12、アニールチャンバ13の各プロセスチャンバは、搬送ロボット18により各プロセスチャンバ内に搬入される基板19を配置できる基板支持機構(不図示)を具備し、その上で各工程のプロセスが進行し、しかも、基板19を所定の温度に加熱できる基板加熱機構(不図示)も設置されている。
【0030】
アニールチャンバ13で使用されるガス(主にArが使用されるが、N2、H2も使用可能)は、主にMFC(マスフローコントローラ)と配管より構成されるガス供給系(図示せず)により、アニールチャンバ13内へ導入される。なお、その他のチャンバで使用されるプロセスガスの流量制御も上記コントローラ20によって行われる。
【0031】
本発明に係るCu配線膜形成方法は、前述のように、基板19が、拡散バリア用TiNCVDチャンバ11、銅膜用CVDチャンバ12、アニールチャンバ13の順に搬送され、それぞれ拡散バリア用のTiN膜3が成膜された後に、第一の銅膜4が成膜され、次に第一の銅膜4をアニール処理するという各工程の順序を特徴としている。図1図示の装置を用いて行われるこれらの各工程のプロセス条件の一例を以下に説明する。
【0032】
まず、拡散バリア用TiNCVDチャンバ11によって行われる、半導体基板1上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜2上に、拡散バリア用下地膜としてTiN膜3がMOCVDで成膜されて図2(a)図示状態となるTiNCVD成膜工程であるが、拡散バリア用TiNCVDチャンバ11内の内部圧力は、例えば、0.1〜15Paの範囲で、基板19の温度は、約300〜400℃となるように加熱される。この状態で、まず原料ガスとしてTDAAT(テトラキスジアルキルアミノチタン)を、例えば、0.004〜0.2g/min.の範囲で供給する。このとき、配管内で原料ガスの流動性を良くするために添加するキャリアガス(Ar:アルゴンガス)は、約0.05〜3.0g/min(約30〜170ml/min)の流量範囲とする。添加ガス(NH3:アンモニアガス)は、例えば、0.76〜380mg/minの流量範囲で供給される。上記の条件で、拡散バリア膜3を、10nmの膜厚で成膜した(図2(a))。
【0033】
次に、上記TiNCVD成膜工程を終えた基板19は、銅薄膜用CVDチャンバ12内に搬入され、ここで、拡散バリア用下地膜としてのTiN膜3の上に、CVD法によって第一の銅膜4が形成されて図2(b)図示の状態となる銅薄膜の成膜工程が行われる。銅膜用CVDチャンバ12内の内部圧力は、例えば、1.0KPaに保持され、基板19の温度は、約170℃に設定されている。この状態で、原料ガスとしてCu(hfac)(tmvs)(トリメチルビニルシリルヘキサフルオロアセチルアセトナト酸塩銅I)を使用し、第一の銅膜4の成膜を行った(図2(b))。
【0034】
第一の銅膜4の成膜工程を終えた基板19は、アニールチャンバ13内に搬入され、ここで、図2(c)図示のように、第一の銅膜4を加熱(アニール)する工程が行われる。アニールの条件は、例えば、アニールチャンバ13内にアルゴンガス(Ar)を導入し、内部圧力を0.008〜40KPaに保持して行う。使用されるガスは、Ar以外に窒素(N2)もしくは水素のいずれかでもよく、2種類以上の混合ガスで行ってもかまわない。基板19の温度は、300〜400℃であり、加熱時間は、例えば30分である(図2(c))。
【0035】
ここで、アニールチャンバ13までの工程、つまり、拡散バリア膜上に第一の銅膜4を形成するまでの工程は、処理中の基板19を大気にさらすことなく、真空の雰囲気で連続的に進行されることが望ましい。しかし、第一の銅膜4が形成された基板19は、アニール工程の前に大気にさらしてもかまわない。実際、第一の銅膜4形成後、真空連続でなく、一旦大気にさらし、電気炉にてアニールを行った場合も、同様の効果が得られた。
【0036】
この場合、アニール工程は、処理時間として10分以上行われることが好ましいので、同時に複数枚の基板の一括処理が可能な電気炉で行うことで、生産性の向上を図ることもできる。
【0037】
【試験例】
CVD法によって形成された銅薄膜と拡散バリア用下地膜との密着性を、シード膜のアニールという手法を用いることで容易に、しかも凝集を起こさずに改善できることを以下の実験によって確認した。
【0038】
最初に、図1図示の装置を用いて、良好な密着性が得られるアニール条件を調査した。
【0039】
ここで、密着性の強度が、拡散バリア用下地膜とCuシード膜の界面状態に関係していることを明瞭にし、また、密着性評価のテープテストの違いを明瞭にするため、銅膜用CVDチャンバ12によって成膜するCuシード膜は、厚く(膜厚:>450nm)して評価を行った。
【0040】
密着性の評価は、前述の工程を経た銅薄膜(第一の銅薄膜4)について、その表面上に10mm角の100個のマス目を切り、そのマス目をセロハンテープで引き剥がすテープテスト法で加熱(アニール)工程時のアニール温度、Ar圧力、及び密着性の関係を調べた(密着性は密着率として剥がれなかったマス目の割合で示し、3回の測定の平均値とした。)。
【0041】
前述のとおり、Cuを用いた配線を形成するためのCMP(化学的機械研磨法)の工程で、Cu膜が剥がれてしまうのは、密着性が悪いためである。このようなテープテスト法による評価手段では、CMP工程での耐久性についてのおおまかな目安が与えられる。つまり、密着性が0%では、CMP工程でほぼ確実にCu膜は剥がれ、80%以上では、剥がれることはほぼ起こらない。
【0042】
まず最初に、図1図示のアニールチャンバ13において、一定のアニール圧力(=1.3KPa)にした時のアニール温度の変化に対する密着性の効果を調べた。その結果を表1に示す。
【0043】
【表1】
表1の結果より、基板に熱による損傷を与えないアニール温度として400℃までアニール温度を高めたが、測定したアニール温度の中で最も高温である400℃から密着性向上の効果が出始めることが確認された。
【0044】
次に、表1の結果よりアニール温度を400℃に固定し、アニール圧力を変化させた場合の密着性の効果を調べた。その結果を表2に示す。
【0045】
【表2】
表2の結果から、アニールを13KPa以上の圧力の下で行った場合、密着性が97%以上と大きく改善され、密着強度が向上することが確認できた。しかも、銅膜の表面は、変色や白濁することなく、金属光沢を維持していた。この結果を下に次の実施例を行った。
【0046】
【実施例】
本発明に係る銅配線膜形成方法として、実際の半導体デバイスに近い構成として、Cuシード膜(図2中の符号4で示されている第一の銅膜)を30nmの膜厚にし、これを電極として電解銅メッキを使用した試料で密着性向上の確認を行った。
【0047】
密着性評価用の試料は、前述した図1図示の装置を用い、つまり、拡散バリア用TiNCVDチャンバ11、銅膜用CVDチャンバ12を真空一貫の条件で処理を行い、その後、アニール工程だけ電気炉を用いて行った。
【0048】
電気炉によるアニール条件は、Arガス雰囲気下で13KPa、アニール温度400℃、アニール時間を30minで行った。
【0049】
この後、電気炉でアニール処理をしたCuシード膜(第一の銅膜、図2中の符号4)を電解メッキの電極にして第二の銅膜(図2中の符号5)を電解銅メッキにより形成して基板19の凹部を埋め(図2(d)、膜厚:900nm)、密着性評価用の試料とした。
【0050】
現在、第二の銅膜5の形成工程では、電気銅メッキ浴がいくつか使用されており、硫酸銅浴を利用したものが一般的である。本実施例でも、第二の銅膜5の形成においては硫酸銅浴を利用した。
【0051】
上記の各工程を経た密着性評価用の試料について前記の試験例と同様のテープテストを行ったところ、銅膜の剥離は確認されず、良好な結果が示された。
【0052】
また、前記の工程を経て、基板19上の凹部を銅で埋め(図2(d)、膜厚:900nm)、銅配線膜を形成した後に、第二の加熱(アニール)工程を行った密着性評価用の試料を準備し、これについて前記の試験例と同様のテープテストを行った。この場合の密着性評価用の試料の作製過程と密着性の評価結果を表3に示す。
【0053】
【表3】
電解メッキ銅の安定性の向上と密着性をより良好ならしめることを目的として、電解銅メッキ工程後に第二の加熱(アニール)工程を設けて準備した密着性評価用の試料について、密着性の評価を行ったところ、前記の表3に示すとおり、銅膜の剥離は全く確認されず、良好な密着性が確認された。
【0054】
この第二の加熱工程は、CMP(化学的機械研磨法)加工を可能にするためには、必ずしも必要ではないが、配線の信頼性の点から更に密着性の向上が求められる場合があり、その場合には、有効な工程となる。
【0055】
以上、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。
【0056】
例えば、アニール工程の時間については、前述した試験例では、銅膜の厚みが>450nmの場合で30min.としたときに良好な密着性が確認されたため、前記の実施例においても同様に30min.としたが、試験例に比べ、はるかに薄い30nmのシード膜の場合は、30min.より短いアニール時間でも同等の密着性向上の効果が得られることが予想される。
【0057】
また、アニール温度に関しても、熱による基板への損傷が確実に起こらない500℃以下の温度として、400℃で密着性の評価を行ったが、例えば、450℃に設定すれば、30min.のアニール時間を短縮しても400℃の場合と同等の効果が期待される。つまり、アニール工程の時間設定は、銅膜の膜厚やアニール温度等によって変動する。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、CVD法によって第一の銅膜が形成される工程と、第一の銅膜を電極としたメッキ法により第二の銅薄膜が形成される工程とを含む半導体デバイスの製造方法において、これらの工程の間に、第一の銅膜を200〜500℃の温度で、10KPa〜40KPaの圧力にて加熱することにより、前記第一の銅膜が熱により流動化を始めて凝集することなく、なおかつ拡散バリア用下地膜とSeed膜となる前記第一の銅膜との密着性を高めることができる。
【0059】
その結果、半導体製造工程におけるCMP(化学的機械研磨法)工程においても膜剥がれが起きない信頼性の高いCu膜配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の銅配線膜形成方法に使用される銅配線膜形成装置の一例の概略構成を表す図。
【図2】 本発明の銅配線膜形成方法の工程を説明する図であって、(a)は半導体基板上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜上に、拡散バリア用下地膜が成膜された状態の一部断面図、(b)は、更に第一の銅膜が形成された状態の一部断面図、(c)は加熱処理が施されている状態を説明する一部断面図、(d)は第二の銅膜が形成された状態の一部断面図。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 絶縁膜
3 TiN膜(拡散バリア用下地膜)
4 第一の銅膜
5 第二の銅膜
11 拡散バリア用TiNCVDチャンバ
11a、12a、13a 真空排気機構
12 銅膜用CVDチャンバ
13 アニールチャンバ
14 セパレーションチャンバ(トランスファーチャンバ)
15、16 ロード/アンロード・ロックモジュール
17 ゲートバルブ
18 搬送ロボット(基板搬送機構)
19 基板
20 コントローラ
Claims (2)
- 半導体基板上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜上に拡散バリア用下地膜を形成し、さらにその上にCVD法によって、第一の銅膜が形成される工程と、当該第一の銅膜を電極としたメッキ法により第二の銅膜が形成される銅配線膜形成方法において、前記第一の銅膜形成工程と第二の銅膜形成工程の間に、第一の銅膜を200〜500℃の温度範囲で、10KPa〜40KPaの圧力にて加熱する工程が設けられていることを特徴とする銅配線膜形成方法。
- 第二の銅膜形成工程の後に、第二の加熱工程が行われることを特徴とする請求項1記載の銅配線膜形成方法。
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