JP4327407B2 - Copper wiring film forming method - Google Patents

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Description

【0001】
【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用下地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)配線膜の形成方法及び配線膜に関する。
【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(銅)を用いた配線の形成方法の中に、半導体基板上の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、拡散バリア用下地膜を成膜、さらに銅(Cu)膜を凹部パターンに埋め込み、CMP(化学的機械研磨法)により余分な銅膜等を除去して行う方法が用いられている。
【0004】
このような拡散バリア用下地膜や銅(Cu)膜の形成方法は、半導体デバイスの高集積化がさらに進み、ビアホール等のアスペクト比(ビアホールの深さ/ビアホールの開口径)はさらに大きくなり、ビアホール等の開口内部を完全に被覆することが困難になりつつある。
【0005】
また、配線及び接続孔の凹部パターンヘの銅による埋め込みについては、コストのかからない技術として電解銅メッキ法による銅の埋めこみが広く採用されているが、予め、電極として拡散バリア用下地膜上にCuシード膜と呼ばれる第1の銅膜を形成しておく必要がある。このような技術的な背景の中で、Cuシード膜の形成方法として被覆性(カバレッジ)の優れた化学気相成長法(本明細書において「CVD法」と表す)が有力な候補として上げられている。
【0006】
しかし、上述のようなCVD法によってCuシード膜として第1の銅膜を形成し、第1の銅膜を電極とした電解銅メッキ法により第2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等の拡散防止用の下地膜と界面をなす銅(Cu)膜の密着性が弱いという課題があり、実用化には密着力の強化が不可欠であった。
【0007】
そのため、CVD法による銅配線形成後(電解銅メッキ法による第2の銅膜形成後)の研磨工程(CMP工程)では、銅膜(第1の銅膜、Cuシード膜)がTiN等の拡散バリア用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。
【0008】
そこで、例えば、本願出願人による先の特許出願である特願2001−13621では、拡散バリア用下地膜とCuシード膜の密着性の改善に関して、Cuシード膜をアニールすることの重要性を見出し、提案している。
【0009】
この発明では、CVD法による第1の銅膜(Cuシード膜)形成工程と当該第1の銅膜を電極とした電解銅メッキ法による第2の銅膜を形成する工程の間に、第1の銅膜(Cuシード膜)を200〜500℃の温度範囲にて加熱する工程を設けることで、第1の銅膜と拡散バリア用下地膜との密着性が改善され、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膜配線を形成する銅配線膜形成方法を提案した。
【0010】
しかし、密着性の改善効果は確認されるものの、Cuシード膜の膜厚やその成膜条件、または、Cuシード膜のアニール時間等の条件によっては、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面の一部分において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象が見られた。この現象は、半導体基板の大部分を占めている平坦部(半導体基板と水平な表面部)に見られるものではなく、ホールやトレンチパターンの上角部に限られていた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上述のとおり、特願2001−13621で提案された銅配線形成方法では、拡散バリア用下地膜とCuシード膜の密着性の改善については、その有効性が確認されているが、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面の一部分において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象が見られた。このようなCuシード膜が完全に拡散バリア用下地膜を被覆することなく露出箇所がある場合、Cuシード膜を電極とする電解銅メッキ工程において、露出箇所では銅(Cu)膜が成長できず、電解銅メッキ工程後、その箇所は空洞となってしまう。
【0012】
上角部(開口部近傍)に空洞部分が存在しているホールの配線抵抗は高く、マイグレーション耐性が弱くなり、銅配線に電気を長時間流すと断線不良を発生する可能性が高くなるという信頼性の問題が発生してしまう。
【0013】
したがって本発明は、かかる状況に鑑み、銅配線形成方法において、密着性の改善に有効なCuシード膜のアニール処理を行っても、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象を起こさずにアニール処理が行える方法と、こうして形成した配線膜を提供するものである。
【0014】
【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1の銅膜を形成し、当該第1の銅膜を電極とした電解メッキ法により第2の銅膜を形成する銅配線膜形成方法において
記拡散バリア用下地膜を形成する工程と第1の銅膜形成工程の間に、当該拡散バリア用下地膜を、到達真空度で1×10-4Pa以下の真空状態にしてから加熱する工程が設けられていると供に、
第1の銅膜の形成工程と第2の銅膜形成工程との間に、200〜500℃の温度範囲、10KPa以上の圧力雰囲気で第1の銅膜を加熱する工程が行われる ことを特徴とするものである。
【0015】
第1の銅膜(Cuシード膜)と拡散バリア用下地膜との密着性を改善させるべく、CVD法による第1の銅膜形成工程と当該第1の銅膜を電極とした電解銅メッキ法による第2の銅膜を形成する工程の間に、第1の銅膜(Cuシード膜)を加熱する工程を設ける場合であっても、前記本発明の銅配線膜形成方法のように、拡散バリア用下地膜を形成する工程と第1の銅膜形成工程の間に、当該拡散バリア用下地膜を、到達真空度で1×10-4Pa以下の真空状態にしてから加熱する工程を設けておくことにより、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象が発生することを防止できる。
なお、拡散バリア用下地膜を加熱する工程において、到達真空度で1×10 −4 Pa以下の真空状態にすると供に、O 、H Oの分圧を前記到達真空度と同等レベル以上に低い値にするのは、加熱工程の際、O 、H Oの分圧を下げ、酸化を防止することがCuシード膜の凝集防止により有効であると考えられるからである。
【0016】
前記において、前記拡散バリア用下地膜の形成から前記第1の銅膜形成までの工程は、前記半導体基板を大気に晒すことなく真空一貫の状態で行われることが望ましい。
【0017】
拡散バリア用下地膜が大気に晒されてしまうと、大気中の酸素が拡散バリア用下地膜の中に取り込まれてしまう。拡散バリア用下地膜を形成している間に残留したガスを前記の加熱工程によって放出させることは容易であるが、大気に晒すことによって取り込んだ酸素を放出させることは困難である。大気に晒すことによって取り込まれた酸素が拡散バリア用下地膜中に残留していると、この上にCVD法によって形成される第1の銅膜との間の密着性に悪影響が及ぼされる。そこで、前述したように、第1の銅膜が形成されまでの工程は、半導体基板を大気に晒すことなく真空一貫の状態で行われることが望ましい。
【0018】
また、前記において、拡散バリア用下地膜を加熱する工程は、アニールの効果が現われる拡散バリア用下地膜の成膜温度以上、すなわち、300℃以上で行うことが望ましい。ただし、半導体基板に熱的にダメージを与えない温度領域、せいぜい600℃くらいまでで行うことが望ましい。
【0019】
なお、前記において、拡散バリア用下地膜の形成は、原料ガスとしてテトラキスジアルキルアミノチタン(本明細書において「TDAAT」と表すことがある)を用いて行うことができる。
【0020】
本願出願人は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition )法により、原料としてTDAATを用いて拡散バリア用下地膜としてのTiN膜を形成し、この上にCu膜を形成するCu配線膜形成方法において、拡散バリア用下地膜(TiN膜)とCu配線膜との密着性を高めるために、拡散バリア用下地膜(TiN膜)の成膜工程と、Cu膜の成膜工程との間に、拡散バリア用下地膜(TiN膜)の成膜工程後、大気に晒すことなく真空一貫の状態で、1Pa〜10KPaの圧力範囲、200〜500℃の温度範囲で加熱するアニール工程を設けたCu配線膜形成方法を提案している(特開2000−331957号)。
【0021】
この特開2000−331957号で提案したCu配線膜形成方法により、拡散バリア用下地膜(TiN膜)とCu膜との間の密着性が良好なCu配線膜を形成することができている。
【0022】
本発明は、この特開2000−331957号や、前述した特願2001−13621で提案した銅配線形成方法に更に検討と改良を加えて完成されたものである。
【0023】
すなわち、本発明は、拡散バリア用下地膜を成膜しその上にCu膜を成膜する前に拡散バリア用下地膜を所定の条件の下でアニール処理する工程を含むものであるが、特開2000−331957号で提案されている発明とは異なり、拡散バリア用下地膜上に形成する第1の銅膜はCuシード膜とされ、この上に電解銅メッキ法によって第2の銅膜が形成される銅配線膜形成方法に関するものである。特に、このような銅配線膜形成方法において、第1の銅膜(Cuシード膜)と拡散バリア用下地膜との密着性を改善すべく、第1の銅膜を電極とした電解銅メッキ法による第2の銅膜形成の前に、第1の銅膜をアニール処理する場合であっても、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面の一部分において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象が生じないようにすることを目的として研究し、完成されたものである。
【0024】
本発明は、Cuシード膜とされる第1の銅膜を拡散バリア用下地膜の上に形成する前に拡散バリア用下地膜をアニール処理することとし、この際の最も好ましい条件を特定することにより完成されたものである。
【0025】
この本発明の方法によれば、拡散バリア用下地膜上に形成した第1の銅膜をCuシード膜とし、この上に、電解銅メッキ法によって第2の銅膜が形成される銅配線膜形成において、拡散バリア用下地膜とCuシード膜との密着性の改善を図るべく第1の銅膜(Cuシード膜)を電極とした電解銅メッキ法による第2の銅膜形成の前に第1の銅膜をアニール処理することとしても、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面の一部分において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象が生じないようにできる。すなわち、拡散バリア用下地膜上にCVD法によって第1の銅膜を形成し、この上に第1の銅膜を電極として電解銅メッキ法により第2の銅膜を形成する銅配線膜形成方法において、第1の銅膜(Cuシード膜)と拡散バリア用下地膜との密着性を改善すべく、例えば、第1の銅膜の形成工程と第2の銅膜形成工程との間に、200〜500℃の温度範囲で、より好ましくは350〜450℃の温度範囲で、またこの加熱工程における圧力雰囲気を10KPa以上として第1の銅膜を加熱する工程を設けるようにしても、本発明の方法を併用することによって、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面の一部分において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象が生じないようにできる。
【0026】
【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。
【0027】
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。
【0028】
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TiN膜3を加熱(アニール)した後、CVD法によって第一の銅膜4を当該アニール処理後のTiN膜3の上に形成し、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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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る。まず、図2(a)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法で成膜される。次に、このTiN膜3を加熱(アニール)する工程が行われる(図2(b))。次いで、このアニール処理後のTiN膜3の上にCVD法によって第一の銅膜4が形成される(図2(c))。そして、図2(d)図示のように、この第一の銅膜4を加熱(アニール)する工程が行われる。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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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、アニールチャンバ13、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、アニール処理が行われ、次いで、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。
【0038】
まず、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TiNCVDチャンバ11によって、拡散バリア用下地膜としてTiN膜3がMOCVDで成膜される(図2(a)図示)。具体的な成膜工程は次のように行われる。
【0039】
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))。
【0040】
次に、上記拡散バリア用下地膜(TiN膜)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(b)図示のようにTiN膜3を加熱(アニール)する工程が行われる。
【0041】
アニールの条件は、アニールチャンバ13の内部圧力を到達真空度で1×10-4Pa以下の真空状態に一旦した後行われる。
【0042】
このとき、02(酸素)やH20(水)の分圧が到達真空度と同等レベル以上に充分低い値であることがより好ましい。つまり、このアニールの際には、H20の分圧を下げ、酸化を防止することがCuシード膜の凝集防止により有効であると考えられるからである。
【0043】
基板19の加熱温度は、アニールの効果が現われる拡散バリア用下地膜であるTiN膜3の成膜温度以上、つまり、300℃以上が好ましい。アニール温度の上限は、基板19に熱的にダメージを与えない温度領域、せいぜい600℃くらいまでが望ましい。
【0044】
アニール時間は、少なくとも拡散バリア用下地膜であるTiN膜3の下限である300℃に達するまでの昇温時間が、加熱として費やされていれば効果が現れる。
【0045】
次に、上記TiNの成膜工程とアニール処理工程とを終えた基板19は、銅膜用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(c)図示の状態となる銅薄膜の成膜工程が行われる。
【0046】
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(c))。
【0047】
最後に、第1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(d)図示のように、第1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、300〜500℃であり、加熱時間は、例えば30分である。
【0048】
ここで、銅膜用CVDチャンバ12までの工程、つまり、バリア用下地膜(TiN膜3)に第1の銅膜4を形成するまでの工程(図2(a)〜図2(c)の工程)は、処理中の基板19を大気に晒すことなく、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1の銅膜4が形成された基板19は、第1の銅膜4に対するアニール工程の前に大気に晒してもかまわない。したがって、例えば、図1図示のマルチチャンバ方式におけるアニールチャンバ13のように、真空の状態を維持したままで一連の工程の中で連続的に第1の銅膜4に対するアニール工程を行ってもよく、図示していないが、第1の銅膜4を大気に晒して、例えば、電気炉でアニール工程を行ってもよい。
【0049】
第1の銅膜4に対するアニール工程後は、第1の銅膜4を電解銅メッキの電極(Cuシード膜)にして基板19の凹部を第2の銅膜5で埋め込む(図2(e)の工程)。
【0050】
【実験例1】
以下の条件で、図2(a)〜図2(d)の工程を行ってCuシード膜を形成し、これを実験例とした。
TiN膜(拡散バリア用下地膜)の成膜条件
原料ガス(TDAAT)流量:0.04g/min
キャリアガス(N2)流量:50〜300ml/minで調整
添加ガス(NH3)流量:1.1ml/min
加熱温度:300℃
内部圧力:10Pa
膜厚:10nm
TiN膜のアニール条件
到達真空度:1×10-4Pa
(アニール開始前の到達真空度)
加熱温度:400℃
加熱時間:10分
Cuシード膜(第1の銅膜)の成膜条件
原料ガス(Cu(hfac)(tmvs))流量:1g/min
キャリアガス(Ar)流量:100〜1000ml/minで調整
加熱温度:200℃
内部圧力:500Pa
膜厚:50nm
Cuシード膜(第1の銅膜)のアニール条件
内部圧力:400Pa
加熱温度:400℃
加熱時間:30分
【0051】
一方、TiN膜のアニール開始前の到達真空度を1×10-3Paとした以外は前記と同一の条件にして、図2(a)〜図2(d)の工程を行ってCuシード膜を形成し、これを比較例とした。
【0052】
実験例と比較例についてそれぞれ表面をSEM(走査型電子顕微鏡)で観察したところ、図3(a)(実験例:TiN膜のアニールの際、到達真空度で1×10-4Paの真空状態としてからアニールを開始した)、図3(b)(比較例:TiN膜のアニールの際、到達真空度で1×10-3Paの真空状態としてからアニールを開始した)の結果が得られた。
【0053】
比較例(図3(b))の場合、孔の入り口部の上角部(開口部近傍)でCuシード膜が拡散バリア用下地膜に弾かれ、拡散バリア用下地膜が一部露出していた。一方、実験例(図3(a))の場合、Cuシード膜は拡散バリア用下地膜に弾かれることなく連続であった。
【0054】
この実験結果から、本発明の銅配線形成方法によれば、密着性の改善に有効なCuシード膜のアニール処理を行っても、半導体基板上のホールの上角部(開口部近傍)といった基板表面において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象を起こさずにアニール処理を行うことができることを確認できた。
【0055】
【実験例2】
図2(b)図示の加熱(アニール)工程におけるアニールチャンバ13の到達圧力と、ホール上角部被覆率(%)との関係に関する実験を以下のように行ったところ、図4図示の結果が得られた。
【0056】
実験は、凹部(ホール)が設けられている8インチウェハ上の絶縁膜に拡散バリア用下地膜を形成した後、当該拡散バリア用下地膜をアニール処理し、次いで、この上に、CuCVD法によってCuシード膜(第1の銅膜)を形成するにあたり、拡散バリア用下地膜をアニール処理する際の、アニールチャンバ13の到達圧力を変更した以外の条件を一定にしてCuシード膜を形成し、8インチウェハの中心部の所定領域における試験パターンでの被覆状況をSEMで確認したものである。
【0057】
所定領域の全ホール数に対し、ホールの上角部で拡散バリア用下地膜が露出されることなく完全に被覆されていたホール数の割合(ホール上角部被覆率)を算出した。ホール上角部被覆率:100%は、所定領域のホールすべてが、ホール上角部で拡散バリア用下地膜が露出されることなく完全に被覆されていたことを示す。
【0058】
図4中、横軸は、図2(b)図示の拡散バリア用下地膜を加熱する工程が開始される前のアニールチャンバ13の到達圧力、縦軸は、ホール上角部被覆率を表している。図4に示された実験結果から、アニールチャンバ13の到達圧力を1×10-4Pa以下の真空状態に一旦した後に、図2(b)図示の拡散バリア用下地膜を加熱する工程を行うことにより、密着性の改善に有効なCuシード膜のアニール処理を行っても、半導体基板上のホールの上角部(開口部近傍)といった基板表面において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象を起こさずにアニール処理を行うことができることを確認できた。
【0059】
以上、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明したが、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。
【0060】
【発明の効果】
本発明によれば、密着性の改善に有効なCuシード膜のアニール処理を行っても、半導体基板上のホールやトレンチパターンの上角部(開口部近傍)といった基板表面において、Cuシード膜が弾かれその下の拡散バリア用下地膜が露出する現象を起こさずにアニール処理を行うことができ、銅配線としての信頼性を確保した上で、密着性の改善を図ることができる。
【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)は図2(a)図示の工程の後に加熱処理が施されている状態を説明する一部断面図、(c)は、更に第一の銅膜が形成された状態の一部断面図、(d)は図2(c)図示の工程の後に加熱処理が施されている状態を説明する一部断面図、(e)は第二の銅膜が形成された状態の一部断面図。
【図3】 (a)本発明の銅配線膜形成方法によって形成されたCuシード膜(アニールチャンバの到達真空度を1×10-4Paの真空状態としてから拡散バリア用下地膜のアニールを開始)におけるCuシード膜アニール後の表面のSEM写真、(b)本発明の銅配線膜形成方法によらないCuシード膜(アニールチャンバの到達真空度を1×10−3Paの真空状態としてから拡散バリア用下地膜のアニールを開始)におけるCuシード膜アニール後の表面のSEM写真。
【図4】 拡散バリア用下地膜アニール開始前のアニールチャンバ到達圧力と、Cuシード膜アニール後のホール上角部被覆率との実験結果を表すグラフ。
【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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a copper wiring formation method in which a copper film is formed on a diffusion barrier base film formed on a substrate to be processed and formed on an insulating film provided with a recess, and the recess is filled with a copper material. The present invention relates to a method for forming a Cu (copper) wiring film with improved adhesion between a base film for diffusion barrier and a copper film, and a wiring film .
[0002]
[Prior art]
In recent years, Cu (copper) has been used as a wiring material along with improvement in performance of semiconductor devices. The reason is that Cu has a low resistance compared to Al (aluminum), and has high resistance to the phenomenon governed by the diffusion behavior of metal atoms constituting the wiring such as stress migration and electromigration. It is.
[0003]
In such a method for forming wiring using Cu (copper), a pattern of wiring and connection holes (via holes or contact holes) is formed in an insulating film on a semiconductor substrate, and then a diffusion barrier base film is formed. A method of forming a film and further embedding a copper (Cu) film in a concave pattern and removing an excess copper film or the like by CMP (chemical mechanical polishing method) is used.
[0004]
The formation method of such a diffusion barrier base film and copper (Cu) film further increases the integration of semiconductor devices, and the aspect ratio (via hole depth / via hole opening diameter) of via holes and the like is further increased. It is becoming difficult to completely cover the inside of openings such as via holes.
[0005]
In addition, as for the embedding of the wiring and the connection hole into the concave pattern with copper, copper embedding by electrolytic copper plating is widely adopted as a cost-effective technique. However, a Cu seed is previously formed on the diffusion barrier base film as an electrode. It is necessary to form a first copper film called a film. In such a technical background, a chemical vapor deposition method (referred to as “CVD method” in the present specification) with excellent coverage (coverage) is cited as a promising candidate as a Cu seed film formation method. ing.
[0006]
However, a semiconductor device manufacturing method in which a first copper film is formed as a Cu seed film by the CVD method as described above, and a second copper thin film is formed by an electrolytic copper plating method using the first copper film as an electrode. In the past, there has been a problem that the adhesion of a copper (Cu) film that forms an interface with a base film for preventing diffusion such as TiN has been weak, and strengthening of the adhesion has been indispensable for practical use.
[0007]
Therefore, in the polishing process (CMP process) after the formation of the copper wiring by the CVD method (after the formation of the second copper film by the electrolytic copper plating method), the copper film (first copper film, Cu seed film) is diffused as TiN or the like. There was a problem that the film was peeled off from the barrier underlayer.
[0008]
Therefore, for example, in Japanese Patent Application No. 2001-13621, which is a previous patent application by the applicant of the present application, the importance of annealing the Cu seed film for improving the adhesion between the diffusion barrier base film and the Cu seed film is found, is suggesting.
[0009]
In the present invention, the first copper film (Cu seed film) forming step by the CVD method and the second copper film forming step by the electrolytic copper plating method using the first copper film as an electrode By providing the step of heating the copper film (Cu seed film) in the temperature range of 200 to 500 ° C., the adhesion between the first copper film and the base film for diffusion barrier is improved, and the CMP in the semiconductor manufacturing process A copper wiring film forming method for forming a highly reliable Cu film wiring that does not cause film peeling even in the (chemical mechanical polishing method) step has been proposed.
[0010]
However, although the effect of improving adhesion is confirmed, depending on the film thickness of the Cu seed film, the film formation conditions, or the annealing time of the Cu seed film, the upper corner of the hole or trench pattern on the semiconductor substrate In a part of the substrate surface such as the portion (near the opening), a phenomenon was observed in which the Cu seed film was repelled and the underlying diffusion barrier base film was exposed. This phenomenon is not observed in the flat portion (surface portion parallel to the semiconductor substrate) that occupies most of the semiconductor substrate, but is limited to the upper corner portion of the hole or trench pattern.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the copper wiring forming method proposed in Japanese Patent Application No. 2001-13621, the effectiveness of improving the adhesion between the diffusion barrier base film and the Cu seed film has been confirmed. There was a phenomenon in which the Cu seed film was repelled and the underlying diffusion barrier base film was exposed at a part of the substrate surface such as the upper corner (near the opening) of the hole or trench pattern. When such a Cu seed film is exposed without completely covering the diffusion barrier base film, in the electrolytic copper plating process using the Cu seed film as an electrode, the copper (Cu) film cannot be grown at the exposed part. After the electrolytic copper plating process, the location becomes a cavity.
[0012]
Reliability that holes with hollow portions in the upper corner (near the opening) have high wiring resistance, low migration resistance, and a high possibility of disconnection failure when electricity is applied to copper wiring for a long time. Sexual problems will occur.
[0013]
Therefore, in view of such a situation, the present invention provides a method for forming a hole on a semiconductor substrate or an upper corner portion of a trench pattern (near the opening) even if the Cu seed film is effectively annealed in the copper wiring forming method. And a wiring film formed in this manner , which can be annealed without causing the phenomenon that the Cu seed film is repelled on the substrate surface and the underlying diffusion barrier film is exposed.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
To solve the above problems, the copper wiring film forming how the present invention proposes is formed on a semiconductor substrate, a recessed portion to form a diffusion barrier for the underlying film on an insulating film provided, the CVD thereon In the copper wiring film forming method, the first copper film is formed by a method, and the second copper film is formed by an electrolytic plating method using the first copper film as an electrode .
During the process of forming the pre-Symbol diffusion barrier for the underlying film and the first copper film formation step, heating the diffusion barrier for the underlying film, after the vacuum of 1 × 10 -4 Pa or less at an ultimate vacuum of Along with a process,
A step of heating the first copper film in a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure atmosphere of 10 KPa or more is performed between the first copper film forming step and the second copper film forming step. It is what.
[0015]
In order to improve the adhesion between the first copper film (Cu seed film) and the base film for diffusion barrier, the first copper film forming step by the CVD method and the electrolytic copper plating method using the first copper film as an electrode Even when a step of heating the first copper film (Cu seed film) is provided between the steps of forming the second copper film by the diffusion, as in the method for forming a copper wiring film of the present invention, diffusion is performed. Between the step of forming the barrier base film and the first copper film forming step, a step is provided in which the diffusion barrier base film is heated to a vacuum state of 1 × 10 −4 Pa or less in the ultimate vacuum. This causes a phenomenon that the Cu seed film is repelled and the underlying layer for the diffusion barrier is exposed on the substrate surface such as holes on the semiconductor substrate and the upper corners (near the opening) of the trench pattern. Can be prevented.
In addition, in the step of heating the diffusion barrier base film, the partial pressure of O 2 and H 2 O is equal to or higher than the ultimate vacuum level, while the ultimate vacuum level is 1 × 10 −4 Pa or less. The reason why the value is set to a low value is that it is considered effective to prevent the aggregation of the Cu seed film by reducing the partial pressure of O 2 and H 2 O and preventing oxidation during the heating step .
[0016]
In the above, it is preferable that the steps from the formation of the base film for diffusion barrier to the formation of the first copper film are performed in a consistent vacuum state without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere.
[0017]
If the base film for diffusion barrier is exposed to the atmosphere, oxygen in the air is taken into the base film for diffusion barrier. It is easy to release the gas remaining during the formation of the diffusion barrier base film by the heating process, but it is difficult to release oxygen taken in by exposure to the atmosphere. If oxygen taken in by exposure to the air remains in the diffusion barrier base film, the adhesion between the first copper film formed thereon by the CVD method is adversely affected. Therefore, as described above, it is desirable that the steps until the first copper film is formed be performed in a consistent vacuum state without exposing the semiconductor substrate to the atmosphere.
[0018]
In the above, the step of heating the diffusion barrier underlayer is preferably performed at a temperature equal to or higher than the film formation temperature of the diffusion barrier underlayer where the effect of annealing appears, that is, 300 ° C. or higher. However, it is desirable to carry out the process in a temperature range that does not thermally damage the semiconductor substrate, up to about 600 ° C. at most.
[0019]
In the above, the formation of the diffusion barrier base film can be performed using tetrakisdialkylaminotitanium (may be referred to as “TDAAT” in this specification) as a source gas.
[0020]
The applicant of the present application forms a TiN film as a base film for a diffusion barrier by using TDAAT as a raw material by a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, and forms a Cu film thereon. In order to improve the adhesion between the diffusion barrier base film (TiN film) and the Cu wiring film, the diffusion barrier is formed between the film formation process of the diffusion barrier base film (TiN film) and the Cu film formation process. Cu wiring film formation provided with an annealing process in a pressure range of 1 Pa to 10 KPa and a temperature range of 200 to 500 ° C. in a consistently vacuum state without being exposed to the atmosphere after the film forming process of the base film for coating (TiN film) A method has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-331957).
[0021]
According to the Cu wiring film forming method proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-331957, a Cu wiring film having good adhesion between the diffusion barrier base film (TiN film) and the Cu film can be formed.
[0022]
The present invention has been completed by further examining and improving the copper wiring forming method proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-331957 and the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2001-13621.
[0023]
That is, the present invention includes a step of annealing a diffusion barrier base film under a predetermined condition before forming a diffusion barrier base film and forming a Cu film thereon. Unlike the invention proposed in US Pat. No. 3,331,957, the first copper film formed on the diffusion barrier base film is a Cu seed film, on which a second copper film is formed by electrolytic copper plating. The present invention relates to a method for forming a copper wiring film. In particular, in such a method for forming a copper wiring film, an electrolytic copper plating method using the first copper film as an electrode in order to improve the adhesion between the first copper film (Cu seed film) and the base film for diffusion barrier. Even when the first copper film is annealed before the second copper film is formed by the above-described method, in a part of the substrate surface such as a hole on the semiconductor substrate or an upper corner (near the opening) of the trench pattern, The research has been completed for the purpose of preventing the phenomenon that the Cu seed film is repelled and the underlying diffusion barrier film is exposed.
[0024]
According to the present invention, the diffusion barrier underlayer is annealed before forming the first copper film to be a Cu seed film on the diffusion barrier underlayer, and the most preferable conditions at this time are specified. It was completed by.
[0025]
According to the method of the present invention, the first copper film formed on the diffusion barrier base film is used as a Cu seed film, and the second copper film is formed thereon by electrolytic copper plating. In the formation, the second copper film is formed before the second copper film is formed by electrolytic copper plating using the first copper film (Cu seed film) as an electrode in order to improve the adhesion between the diffusion barrier base film and the Cu seed film. Even if the copper film of 1 is annealed, the Cu seed film is repelled in a part of the substrate surface such as the upper corner of the hole or trench pattern (near the opening) on the semiconductor substrate, and the diffusion barrier base film underneath It is possible to prevent the phenomenon of exposure. That is, a copper wiring film forming method in which a first copper film is formed on a diffusion barrier base film by a CVD method, and a second copper film is formed thereon by an electrolytic copper plating method using the first copper film as an electrode In order to improve the adhesion between the first copper film (Cu seed film) and the diffusion barrier base film, for example, between the first copper film forming process and the second copper film forming process, The present invention may be provided in the temperature range of 200 to 500 ° C., more preferably in the temperature range of 350 to 450 ° C., and the step of heating the first copper film with the pressure atmosphere in this heating step being 10 KPa or more. By using this method in combination, the Cu seed film is repelled and the underlying diffusion barrier base film is exposed in a part of the substrate surface such as the upper corner of the hole or trench pattern (near the opening) on the semiconductor substrate. Does not occur It can be so.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
[0027]
FIG. 1 shows a schematic configuration of an example of a copper wiring film forming apparatus used in the copper wiring film forming method of the present invention.
[0028]
As shown in FIG. 2, the apparatus shown in FIG. 1 is formed on a semiconductor substrate 1 and a TiN film 3 as a diffusion barrier base film is formed on an insulating film 2 provided with a concave portion by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition). The TiN film 3 is heated (annealed), and a first copper film 4 is formed on the annealed TiN film 3 by a CVD method, and then the first copper film 4 shows an example of a system until a process of heating (annealing) 4 is performed.
[0029]
In this case, the insulating film 2 may be an organic low dielectric constant film, for example. Moreover, the diffusion barrier underlying film is not limited to the TiN film, but can be a refractory metal film such as Ta, TaN, WxN, or TiSiN. The film formation method of the diffusion barrier underlying film is also CVD. The method is not limited, and sputtering or the like may be used. In addition, the diffusion barrier base film may be exposed to plasma such as hydrogen or Ar gas after film formation in order to improve the film quality.
[0030]
The copper wiring film forming apparatus shown in FIG. 1 is configured as a multi-chamber apparatus as an example, and a separation chamber (transfer chamber) 14 including a transfer robot (substrate transfer mechanism) 18 is provided in the center. Three process chambers, namely, a TiNCVD chamber 11 for diffusion barrier, a CVD chamber 12 for copper film, and an annealing chamber 13 are arranged in the periphery, and two load / unload lock modules 15 and 16 are additionally provided. is there. Each chamber is provided with a gate valve 17.
[0031]
Here, the “module” means a part that constitutes a device, a machine, and a system and is functionally grouped. Therefore, the above-mentioned three process chambers (diffusion barrier TiNCVD chamber 11, copper film CVD chamber 12, and annealing chamber 13) are naturally also configured as modules, and the term chamber refers to the place where these processes are performed. Is used.
[0032]
Inside the separation chamber 14, a transfer robot (substrate transfer mechanism) 18 is provided, and the transfer robot 18 carries the substrate 19 into or out of each chamber or the like with its hand. In the above apparatus, one substrate 19 set in a cassette (not shown) is carried into the separation chamber 14 by the transfer robot 18 from the load / unload lock module 15 on the left side of the drawing.
[0033]
A predetermined process is performed in each of the diffusion barrier TiNCVD chamber 11, the copper film CVD chamber 12, and the annealing chamber 13. First, as shown in FIG. 2A, a TiN film 3 is formed by MOCVD as a diffusion barrier base film on an insulating film 2 formed on a semiconductor substrate 1 and provided with a recess. Next, a step of heating (annealing) the TiN film 3 is performed (FIG. 2B). Next, a first copper film 4 is formed on the annealed TiN film 3 by CVD (FIG. 2C). Then, as shown in FIG. 2D, a step of heating (annealing) the first copper film 4 is performed. The substrate 19 subjected to these series of processes is returned to the load / unload / lock module 16 by the transfer robot 18 and carried out. In the above configuration, the process chamber will be described in a little more detail.
[0034]
The diffusion barrier TiNCVD chamber 11, the copper film CVD chamber 12, and the annealing chamber 13 include vacuum evacuation mechanisms 11 a, 12 a, and 13 a, respectively. Each process chamber is appropriately maintained in a reduced pressure state, that is, in a desired vacuum state, by the vacuum exhaust mechanisms 11a, 12a, and 13a. The operation of the vacuum exhaust mechanisms 11a, 12a, and 13a is controlled by the controller 20.
[0035]
Each process chamber of the diffusion barrier TiNCVD chamber 11, the copper film CVD chamber 12, and the annealing chamber 13 includes a substrate support mechanism (not shown) in which a substrate 19 that is carried into each process chamber by the transfer robot 18 can be disposed. In addition, a process of each step proceeds, and a substrate heating mechanism (not shown) that can heat the substrate 19 to a predetermined temperature is also installed.
[0036]
Gas used in the annealing chamber 13 (mainly Ar is used, but N 2 and H 2 can also be used) is a gas supply system (not shown) mainly composed of an MFC (mass flow controller) and piping. Thus, it is introduced into the annealing chamber 13. The controller 20 also controls the flow rate of the process gas used in other chambers.
[0037]
In the Cu wiring film forming method according to the present invention, as described above, the substrate 19 is transferred in the order of the diffusion barrier TiNCVD chamber 11, the annealing chamber 13, the copper film CVD chamber 12, and the annealing chamber 13. After the TiN film 3 is formed, the annealing process is performed, the first copper film 4 is then formed, and the first copper film 4 is then annealed. Yes. An example of the process conditions of each of these steps performed using the apparatus shown in FIG. 1 will be described below.
[0038]
First, on the insulating film 2 formed on the semiconductor substrate 1 and provided with a recess, a TiN film 3 is formed by MOCVD as a diffusion barrier base film by a diffusion barrier TiNCVD chamber 11 (FIG. 2A). ) A specific film forming process is performed as follows.
[0039]
The internal pressure in the diffusion barrier TiNCVD chamber 11 is, for example, in the range of 0.1 to 15 Pa, and the temperature of the substrate 19 is heated to about 300 to 400 ° C. In this state, first, TDAAT (tetrakisdialkylaminotitanium) is supplied as a source gas in a range of 0.004 to 0.2 g / min, for example. At this time, the carrier gas (Ar: argon gas) added to improve the fluidity of the raw material gas in the pipe has a flow rate range of about 0.05 to 3.0 g / min (about 30 to 170 ml / min). To do. The additive gas (NH3: ammonia gas) is supplied in a flow rate range of 0.76 to 380 mg / min, for example. Under the above conditions, the diffusion barrier film 3 was formed with a thickness of 10 nm (FIG. 2A).
[0040]
Next, the substrate 19 after the film formation step of the diffusion barrier base film (TiN film) is carried into the annealing chamber 13, where the TiN film 3 is heated (see FIG. 2B). Annealing) is performed.
[0041]
The annealing conditions are performed after the internal pressure of the annealing chamber 13 is once reduced to a vacuum state of 1 × 10 −4 Pa or less in terms of ultimate vacuum.
[0042]
At this time, it is more preferable that the partial pressure of 0 2 (oxygen) or H 2 0 (water) is sufficiently lower than the level equivalent to the ultimate vacuum. That is, in this annealing, it is considered that reducing the partial pressure of H 2 O to prevent oxidation is effective in preventing aggregation of the Cu seed film.
[0043]
The heating temperature of the substrate 19 is preferably equal to or higher than the deposition temperature of the TiN film 3 which is the diffusion barrier base film in which the annealing effect appears, that is, 300 ° C. or higher. The upper limit of the annealing temperature is desirably a temperature range in which the substrate 19 is not thermally damaged, up to about 600 ° C. at most.
[0044]
As for the annealing time, an effect appears if at least the heating time until the temperature reaches 300 ° C. which is the lower limit of the TiN film 3 which is the base film for the diffusion barrier is spent as heating.
[0045]
Next, the substrate 19 that has completed the TiN film forming process and the annealing process is carried into the copper film CVD chamber 12, where the CVD film is formed on the TiN film 3 as a diffusion barrier base film. The first copper film 4 is formed by the method, and a film forming process of the copper thin film in the state shown in FIG.
[0046]
The internal pressure in the copper film CVD chamber 12 is maintained at 1.0 KPa, for example, and the temperature of the substrate 19 is set to about 170 ° C. In this state, Cu (hfac) (tmvs) (trimethylvinylsilylhexafluoroacetylacetonate copper I) was used as the source gas, and the first copper film 4 was formed (FIG. 2C). ).
[0047]
Finally, the substrate 19 that has completed the first copper film 4 deposition process is carried into the annealing chamber 13 where the first copper film 4 is heated as shown in FIG. Annealing) is performed. The annealing conditions are performed, for example, by introducing argon gas (Ar) into the annealing chamber 13 and maintaining the internal pressure at 0.008 to 40 KPa. The gas used may be either nitrogen (N 2 ) or hydrogen in addition to Ar, and may be a mixed gas of two or more types. The temperature of the substrate 19 is 300 to 500 ° C., and the heating time is, for example, 30 minutes.
[0048]
Here, the process up to the CVD chamber for copper film 12, that is, the process up to the formation of the first copper film 4 on the barrier base film (TiN film 3) (FIGS. 2A to 2C). The step (step) is preferably carried out continuously in a vacuum atmosphere without exposing the substrate 19 being processed to the atmosphere. However, the substrate 19 on which the first copper film 4 is formed may be exposed to the atmosphere before the annealing process for the first copper film 4. Therefore, for example, as in the annealing chamber 13 in the multi-chamber system shown in FIG. 1, the first copper film 4 may be annealed continuously in a series of steps while maintaining a vacuum state. Although not shown, the first copper film 4 may be exposed to the atmosphere and an annealing process may be performed in an electric furnace, for example.
[0049]
After the annealing process for the first copper film 4, the first copper film 4 is used as an electrode for electrolytic copper plating (Cu seed film), and the concave portion of the substrate 19 is filled with the second copper film 5 (FIG. 2E). Process).
[0050]
[Experiment 1]
A Cu seed film was formed by performing the steps of FIGS. 2A to 2D under the following conditions, and this was used as an experimental example.
Deposition conditions of TiN film (underlying film for diffusion barrier) Raw material gas (TDAAT) flow rate: 0.04 g / min
Carrier gas (N 2 ) flow rate: 50 to 300 ml / min and adjusted additive gas (NH 3 ) flow rate: 1.1 ml / min
Heating temperature: 300 ° C
Internal pressure: 10Pa
Film thickness: 10nm
Degree of vacuum for annealing conditions of TiN film: 1 × 10 −4 Pa
(Achieving vacuum before annealing)
Heating temperature: 400 ° C
Heating time: 10 minutes Film formation conditions for Cu seed film (first copper film) Raw material gas (Cu (hfac) (tmvs)) Flow rate: 1 g / min
Carrier gas (Ar) flow rate: 100 to 1000 ml / min and adjusted heating temperature: 200 ° C.
Internal pressure: 500Pa
Film thickness: 50nm
Annealing conditions for Cu seed film (first copper film) Internal pressure: 400 Pa
Heating temperature: 400 ° C
Heating time: 30 minutes [0051]
On the other hand, under the same conditions as described above except that the ultimate vacuum before annealing of the TiN film was set to 1 × 10 −3 Pa, the steps of FIGS. 2A to 2D were performed to perform the Cu seed film. This was used as a comparative example.
[0052]
When the surface of each of the experimental example and the comparative example was observed with an SEM (scanning electron microscope), FIG. 3A (experimental example: when the TiN film was annealed, the vacuum state was 1 × 10 −4 Pa at the ultimate vacuum. The result of FIG. 3B (comparative example: when annealing the TiN film, the annealing was started after the vacuum state of 1 × 10 −3 Pa was reached when the TiN film was annealed) was obtained. .
[0053]
In the case of the comparative example (FIG. 3B), the Cu seed film is repelled by the diffusion barrier underlayer at the upper corner (near the opening) of the hole entrance, and the diffusion barrier underlayer is partially exposed. It was. On the other hand, in the case of the experimental example (FIG. 3A), the Cu seed film was continuous without being repelled by the diffusion barrier base film.
[0054]
From this experimental result, according to the copper wiring forming method of the present invention, even when annealing of the Cu seed film effective for improving the adhesion is performed, the substrate such as the upper corner (near the opening) of the hole on the semiconductor substrate It was confirmed that the annealing treatment can be performed without causing the phenomenon that the Cu seed film is repelled on the surface and the underlying diffusion barrier base film is exposed.
[0055]
[Experimental example 2]
When the experiment on the relationship between the ultimate pressure of the annealing chamber 13 and the hole upper corner coverage (%) in the heating (annealing) step shown in FIG. 2B was performed as follows, the result shown in FIG. Obtained.
[0056]
In the experiment, after forming a diffusion barrier base film on an insulating film on an 8-inch wafer provided with recesses (holes), the diffusion barrier base film was annealed, and then on this by a CuCVD method. In forming the Cu seed film (first copper film), the Cu seed film is formed under the same conditions except that the ultimate pressure of the annealing chamber 13 is changed when annealing the diffusion barrier base film. This is a SEM confirmation of the covering state with a test pattern in a predetermined region at the center of an 8-inch wafer.
[0057]
The ratio of the number of holes that were completely covered without exposing the diffusion barrier base film at the upper corners of the holes with respect to the total number of holes in the predetermined region (hole upper corner coverage) was calculated. The hole upper corner coverage: 100% indicates that all holes in a predetermined region are completely covered without exposing the diffusion barrier base film at the hole upper corner.
[0058]
In FIG. 4, the horizontal axis represents the ultimate pressure of the annealing chamber 13 before the step of heating the diffusion barrier underlayer shown in FIG. 2B is started, and the vertical axis represents the hole top corner coverage. Yes. From the experimental results shown in FIG. 4, after the ultimate pressure of the annealing chamber 13 is once reduced to a vacuum state of 1 × 10 −4 Pa or less, the step of heating the diffusion barrier base film shown in FIG. 2B is performed. As a result, even if the Cu seed film is effectively annealed to improve the adhesion, the Cu seed film is repelled on the substrate surface such as the upper corner (near the opening) of the hole on the semiconductor substrate and diffused thereunder It was confirmed that the annealing treatment can be performed without causing the phenomenon of exposing the barrier underlayer.
[0059]
The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various forms are possible within the technical scope grasped from the description of the claims. Can be changed.
[0060]
【The invention's effect】
According to the onset bright, even when the annealing treatment effective Cu seed film for improving the adhesion, the substrate surface such as upper corner of the hole or trench pattern on a semiconductor substrate (vicinity of the opening), Cu seed film Thus, annealing can be performed without causing a phenomenon that the underlying film for diffusion barrier is exposed, and the reliability as a copper wiring can be ensured, and the adhesion can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a copper wiring film forming apparatus used in a copper wiring film forming method of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a process of a copper wiring film forming method according to the present invention, in which (a) is formed on a semiconductor substrate, and a base film for a diffusion barrier is formed on an insulating film provided with a recess. (B) is a partial cross-sectional view for explaining a state in which heat treatment is performed after the step shown in FIG. 2 (a), and (c) is a first copper. FIG. 2D is a partial cross-sectional view illustrating a state where a film is formed, FIG. 2D is a partial cross-sectional view illustrating a state in which heat treatment is performed after the step illustrated in FIG. 2C, and FIG. The partial sectional view in the state where the film was formed.
FIG. 3 (a) Cu seed film formed by the copper wiring film forming method of the present invention (after the ultimate vacuum of the annealing chamber is set to a vacuum state of 1 × 10 −4 Pa, annealing of the base film for diffusion barrier is started. SEM photograph of the surface after annealing of the Cu seed film in (1), (b) Cu seed film not subjected to the copper wiring film forming method of the present invention (diffusion after the ultimate vacuum of the annealing chamber is set to a vacuum state of 1 × 10 −3 Pa) SEM photograph of the surface after Cu seed film annealing in (begin annealing of barrier underlayer).
FIG. 4 is a graph showing an experimental result of an annealing chamber ultimate pressure before starting the diffusion barrier underlayer annealing and a hole upper corner coverage after the Cu seed film annealing.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate 2 Insulating film 3 TiN film (Diffusion barrier base film)
4 First copper film 5 Second copper film 11 Diffusion barrier TiNCVD chambers 11a, 12a, 13a Vacuum exhaust mechanism 12 Copper film CVD chamber 13 Annealing chamber 14 Separation chamber (transfer chamber)
15, 16 Load / unload lock module 17 Gate valve 18 Transfer robot (substrate transfer mechanism)
19 Board 20 Controller

Claims (1)

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1の銅膜を形成し、当該第1の銅膜を電極とした電解メッキ法により第2の銅膜を形成する銅配線膜形成方法において、
前記拡散バリア用下地膜を形成する工程と第1の銅膜形成工程の間に、当該拡散バリア用下地膜を、到達真空度で1×10-4Pa以下の真空状態にしてから加熱する工程が設けられていると供に、
第1の銅膜の形成工程と第2の銅膜形成工程との間に、200〜500℃の温度範囲、10KPa以上の圧力雰囲気で第1の銅膜を加熱する工程が行われる
ことを特徴とする銅配線膜形成方法。
A base film for diffusion barrier is formed on an insulating film formed on a semiconductor substrate and provided with a recess, and a first copper film is formed thereon by CVD, and the first copper film is used as an electrode. In the copper wiring film forming method of forming the second copper film by the electrolytic plating method as described above,
Between the step of forming the diffusion barrier base film and the first copper film forming step, the diffusion barrier base film is heated to a vacuum state of 1 × 10 −4 Pa or less in ultimate vacuum. With
A step of heating the first copper film in a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure atmosphere of 10 KPa or more is performed between the first copper film forming step and the second copper film forming step. A copper wiring film forming method.
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