JP4810306B2 - 銅ダマシン多層配線の形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路装置における銅ダマシン多層配線の形成方法に関する。
半導体集積回路装置を構成する配線の形成技術としては、絶縁膜上に、例えば、アルミニウムのような導体膜を堆積した後、これを通常のフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術によりパターニングすることで配線を形成する技術が確立されている。
しかし、上記配線形成技術においては、半導体集積回路装置を構成する素子や配線の微細化に伴い、配線抵抗の増大が顕著となり、配線遅延が生じる結果、半導体集積回路装置の性能を向上させる上で限界が生じつつある。
そこで、近年は、ダマシン法と呼ばれる配線形成技術が検討されている。ダマシン法とは、埋め込みにより電極や配線を形成する方法である。ダマシン法においては、まず、半導体基板の層間絶縁膜等の絶縁膜上に配線形成用の配線溝及びコンタクトホールを形成して、その上にめっき法により銅薄膜を堆積する。次に、絶縁膜上部を化学機械研磨（ＣＭＰ）法によって研磨し、絶縁膜上から銅薄膜を除去する。絶縁膜上部の銅薄膜を除去することにより、配線溝及びコンタクトホールに銅が埋め込まれた状態になって配線が形成される。めっき法により銅薄膜を堆積した後には、アニール処理が行われる。このダマシン配線の形成においては、銅のアニール処理は様々な目的あるは効果を得るために用いられる。
例えば、特許文献１においては、配線の信頼性を向上させることが開示されている。また、特許文献２においては、高圧リフロー等を用いた場合に良好な埋め込み特性を得ることができることが開示されている。さらに、特許文献３においては、専用の一体型の装置を必要とせずに、既存のスパッタ装置と熱処理装置を用いて配線溝に銅を堆積する方法が開示されている。
本発明の目的は、アニールを行うことにより銅の形状変化の制御と電気的特性向上の両立を達成することが可能な銅ダマシン多層配線の形成方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、半導体集積回路装置における銅ダマシン多層配線の形成方法であって、銅表面の酸化処理を行った後に、還元性ガス雰囲気にて300〜400℃の加熱あるいは還元性ガスプラズマ雰囲気にてプラズマアニールを行うことを特徴とする。
前記銅表面の酸化処理方法として、酸素を0.1〜20％含む窒素ガス雰囲気で200℃〜500℃の加熱処理を行うことが好ましい。
あるいは、前記銅表面の酸化処理方法として、過酸化水素水を含む溶液に浸漬することが好ましい。
あるいは、前記銅表面の酸化処理方法として、オゾンガスを溶解させた水に浸漬することが好ましい。
あるいは、前記銅表面の酸化処理方法として、1〜100PPMのオゾンガスあるいは1〜100％の酸素ガスを含む雰囲気にて常温で３時間以上晒すことが好ましい。
あるいは、前記銅表面の酸化処理方法として、酸素ガスを含むガスプラズマ雰囲気に晒すことが好ましい。
前記還元性ガスとして、例えば、テトラメチルシクロテトラシロキサン（1、3、5、7-tetramethylcyclotetrasiloxane）蒸気、ヘキサメチルジシラザン（hexamethyldisilazan）蒸気あるいはヘキサメチルジシロキサン（hexamethyldisiloxane）蒸気を用いる。
このように、本発明は、銅表面の酸化処理に引き続き還元性ガスを用いたアニールを行うことを特徴とする。
本発明では、良好な電気的特性と形状ばらつきの少ない銅配線を形成することが容易となる。
本発明における銅表面の酸化処理として最良の形態は、常に一定膜厚と膜質の酸化皮膜を形成するために、酸化剤濃度、温度の管理された雰囲気環境あるいは酸化炉あるいは酸化性薬液槽あるいは酸化性プラズマチャンバーを用いて一定時間晒す処理を行うことができることである。
さらに、効果的な還元処理を行うために、活性化された還元性ガスに比較的高温で晒すことができる還元炉あるいは還元性プラズマチャンバーを用いた処理を行うことである。
具体的には、銅表面の酸化処理を行った後に、還元性ガス雰囲気にて300〜400℃の加熱あるいは還元性ガスプラズマ雰囲気にてプラズマアニールを行う。
銅表面の酸化処理方法としては、以下の方法が挙げられる。
（１）酸素を0.1〜20％含む窒素ガス雰囲気で200℃〜500℃の加熱処理を行う。
（２）銅表面の酸化処理方法として、過酸化水素水を含む溶液に浸漬する。
（３）オゾンガスを溶解させた水に浸漬する。
（４）1〜100PPMのオゾンガスあるいは1〜100％の酸素ガスを含む雰囲気にて常温で３時間以上晒す。
（５）酸素ガスを含むガスプラズマ雰囲気に晒す。
また、還元性ガスとしては、（１）テトラメチルシクロテトラシロキサン（1、3、5、7-tetramethylcyclotetrasiloxane）蒸気、（２）ヘキサメチルジシラザン（hexamethyldisilazan）蒸気、（３）ヘキサメチルジシロキサン（hexamethyldisiloxane）蒸気などが挙げられる。
図１を参照して、本発明の第１の実施例による銅ダマシン多層配線の形成方法を説明する。
まず、基板１上に形成された層間絶縁膜２内に溝パターン３を形成する（図１（ａ）参照）。
次に、全面にバリア金属膜４をスパッタリング法にて形成し、その上に銅シード膜５をスパッタリング法にて形成する。ここで、バリア金属膜４は、タンタル、チタン等からなる金属膜で、銅が層間絶縁膜２へ拡散するのを防止する機能を有する。また、銅シード膜５は、後述の銅めっき膜６を形成する際の電解銅めっきにおける給電膜としての機能を有する。また、銅シード膜５は、銅めっき膜６とバリア金属膜４の密着性を向上させるという機能も有する。（図１（ｂ）参照）。
次に、銅めっき法により、銅を溝パターン３に埋設することにより、銅めっき膜６を形成する。その後、温度25℃、湿度10〜50％で管理された大気雰囲気で24時間晒す。この結果、銅めっき膜６上に銅酸化膜７が形成される。（図１（ｃ）参照）。
最後に、炉心菅型のアニール炉（図示せず）を用いて、400℃窒素ガスキャリアにTMCTS（テトラメチルシクロテトラシロキサン）蒸気を加えた雰囲気にて60分間晒す。これにより、銅めっき膜６の表面の荒れを抑制しながら銅の層抵抗値を下げることができる。このようにして、本発明の第１の実施例による銅ダマシン多層配線が形成される。（図１（ｄ）参照）。
図２を参照して、本発明の第２の実施例による銅ダマシン多層配線の形成方法を説明する。
まず、基板１上に形成された層間絶縁膜２内に溝パターン３を形成する。次に、全面にバリア金属膜４をスパッタリング法にて形成し、その上に銅シード膜５をスパッタリング法にて形成する。ここで、バリア金属膜４は、タンタル、チタン等からなる金属膜で、銅が層間絶縁膜２へ拡散するのを防止する機能を有する。また、銅シード膜５は、銅めっき膜６を形成する際の電解銅めっきにおける給電膜としての機能を有する。また、銅シード膜５は、後述の銅めっき膜６とバリア金属膜４の密着性を向上させるという機能も有する。次に、銅めっき法により、銅を溝パターンに３に埋設することにより、銅めっき膜６を形成する（図２（ａ）参照）。
次に、CMP法により、層間絶縁膜２上に形成されたバリア金属膜４、銅シード膜５及び銅めっき膜６を除去することによって、微細な銅配線であるダマシン銅配線８を溝パターン３内に形成する。（図２（ｂ）参照）。
次に、基板１を5〜50wt％の過酸化水素水に１分間浸漬する。これにより、ダマシン銅配線８上に銅酸化膜７が形成される（図２（ｃ）参照）。
最後に、400℃窒素雰囲気にTMCTS（テトラメチルシクロテトラシロキサン）蒸気を加え60分間晒すことにより、ダマシン銅配線８（微細銅配線）において、銅の凝集なしに配線の抵抗値を下げることができる。このようにして、本発明の第２の実施例による銅ダマシン多層配線が形成される（図２（ｄ）参照）。
１ 基板
２ 層間絶縁膜
３ 溝パターン
４ バリア金属膜
５ 銅シード膜
６ 銅めっき膜
７ 銅酸化膜
８ ダマシン銅配線
２ 層間絶縁膜
３ 溝パターン
４ バリア金属膜
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８ ダマシン銅配線
Claims (6)
- 半導体集積回路装置における銅ダマシン多層配線の形成方法であって、
銅表面の酸化処理を行った後に、還元性ガス雰囲気にて300〜400℃の加熱あるいは還元性ガスプラズマ雰囲気にてプラズマアニールを行い、
還元性ガスとして、テトラメチルシクロテトラシロキサン（1、3、5、7-tetramethylcyclotetrasiloxane）蒸気、ヘキサメチルジシラザン（hexamethyldisilazan）蒸気又はヘキサメチルジシロキサン（hexamethyldisiloxane）蒸気を用いることを特徴とする銅ダマシン多層配線の形成方法。 - 前記銅表面の酸化処理方法として、酸素を0.1〜20％含む窒素ガス雰囲気で200℃〜500℃の加熱処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の銅ダマシン多層配線の形成方法。
- 前記銅表面の酸化処理方法として、過酸化水素水を含む溶液に浸漬することを特徴とする請求項１に記載の銅ダマシン多層配線の形成方法。
- 前記銅表面の酸化処理方法として、オゾンガスを溶解させた水に浸漬することを特徴とする請求項１に記載の銅ダマシン多層配線の形成方法。
- 前記銅表面の酸化処理方法として、1〜100PPMのオゾンガスあるいは1〜100％の酸素ガスを含む雰囲気にて常温で３時間以上晒すことを特徴とする請求項１に記載の銅ダマシン多層配線の形成方法。
- 前記銅表面の酸化処理方法として、酸素ガスを含むガスプラズマ雰囲気に晒すことを特徴とする請求項１に記載の銅ダマシン多層配線の形成方法。
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