JPH0677221A - 半導体装置の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ヒロック等の不良発生モードを金属配線に形
成することなく絶縁膜の被覆することができる半導体装
置の熱処理方法を提供する。 【構成】 金属配線を形成した半導体基板に絶縁膜を被
覆する半導体装置の熱処理方法において、１００℃以下
の低温部に載置された半導体基板を前記金属配線の金属
の融点より高くない融点近傍の高温温度まで、前記金属
配線に不良発生モードが形成されないほどに速い昇温速
度で昇温する工程（ＳＴ１）と、次に前記高温温度で前
記金属配線に粒界を形成する工程（ＳＴ２）と、次に前
記金属配線の他との反応が進行しないほどに速い降温速
度で前記半導体基板を降温して絶縁膜を被覆する工程
（ＳＴ３）とを備えることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の熱処理方
法に係り、特に、金属配線を形成した半導体基板に絶縁
膜を被覆する半導体装置の熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の高密度化、高速化は主
として素子の微細化および配線の多層化によって実現さ
れている。

【０００３】素子寸法の微細化および多層配線化にとも
なって大きい問題の一つになってきたものに、金属配線
の信頼性がある。

【０００４】半導体装置の微細化した金属配線の不良発
生モードは多くある。エレクトロマイグレーション、ス
トレスマイグレーションの配線断線モードや、ヒロック
発生による層間ショートやにそれに起因する配線腐食な
どである。これらの信頼性劣化現象は現在主に使用され
ているＡｌ配線において顕著である。その理由は低融点
であるために熱、応力などのストレスによって容易にＡ
ｌ原子が移動、拡散し易いためである。

【０００５】エレクトロマイグレーションは、金属配線
中の電流密度が増加するために生じる不良である。配線
中を流れる高密度電子流にＡｌ原子が流され、そのＡｌ
原子流が配線中で不均一になるとボイド、ヒロックなど
が発生して故障が発生する。配線幅の微細化に加えて素
子の高速動作のために配線中の電流密度はますます高く
なる傾向にあるため、エレクトロマイグレーション不良
は益々生じ易くなってきている。エレクトロマイグレー
ション不良による配線の寿命は電流密度の２乗に反比例
することから、例えば、膜厚は変わらないで配線幅が１
／２になると、電流密度が２倍になる配線寿命は１／４
に低下してしまう。

【０００６】ストレスマイグレーションは、配線に引っ
張りの機械的応力が加わるために生じるクリープ破壊モ
ードである。この応力は配線を保護するための絶縁膜と
配線金属との熱膨張係数の差が生成原因となっており、
配線幅の微細化に伴って大きくなる傾向にある。半導体
装置の配線として多く用いられているＡｌ配線の場合、
配線幅が１／２になると加わる応力はおよそ２倍にな
る。このストレスマイグレーションによる配線の寿命は
配線幅のｎ乗（ｎ＝３〜４）に比例することから、配線
幅の微細化は大きな配線寿命の低下をもたらしている。

【０００７】ヒロックは、配線形成後のＳｉ基板とのコ
ンタクトをとるための熱処理や配線上へ絶縁膜を形成す
る時の高温処理時に、配線上に突起状にＡｌが盛り上が
る現象である。熱処理の昇温時にＡｌ膜に圧縮応力が加
わることと、そのときの温度がＡｌの再結晶温度より高
い時にＡｌ原子が拡散して突起が生じる。ヒロックが成
長すると隣合う配線間のショートにや層間絶縁膜を突き
破って配線層間のショート不良が発生する。

【０００８】従来より、半導体装置の金属配線にはＡｌ
膜多く用いられているが、その理由は成膜および加工の
容易さ、低抵抗性、基板シリコンとのコンタクト形成の
容易さなどの特性を有するためである。しかしながら、
Ａｌ配線は、その低融点性のために原子移動の活性化エ
ネルギーが小さく、上述のエレクトロマイグレーション
やストレスマイグレーションの耐性が小さい。このよう
なＡｌ微細配線の信頼性低下に対して、いくつかの対策
が提案されている。その代表的な例にＡｌ中にＣｕ、Ｔ
ｉ、Ｐｄ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｂ、Ｎｂなどの添加物を混入さ
せるＡｌ合金配線がある。さらに最近ではＡｌ膜の下に
ＴｉＮ、ＴｉＷなどの、いわゆるバリアメタル膜を設け
た積層構造配線が採用されている。

【０００９】これらのＡｌ配線高信頼化対策はある程度
の効果を挙げている。しかしながら、今後の０．５μｍ
以下の配線幅の信頼性に対しては、電流密度がさらに増
大することを考えると、信頼性対策としては充分とはい
えない。

【００１０】Ａｌ以外の低抵抗高信頼性配線材料である
Ｃｕの場合でも、その信頼性は例えば結晶粒径に依存し
ており、それが１μｍ以下と小さい場合（通常の蒸着や
スパッタでの粒径に相当）にはＡｌに比較して数倍程度
の高信頼性しか達成できない。

【００１１】Ａｌ、Ｃｕなどの金属配線の究極的な信頼
性対策として、不良発生の根本的な解決が得られる金属
膜の単結晶が提案された。故障の発生原因である粒界を
完全に無くした単結晶膜を金属配線として用いた場合、
非常な高信頼性ができることが確認されている。しかし
ながら、現状では単結晶金属膜は単結晶の下地にしか成
長していないので実用技術となっていない。

【００１２】次に、具体的に従来例としてＡｌ配線にＳ
ｉＯ２絶縁膜を形成する場合について説明する。

【００１３】図５はＡｌ配線を形成した半導体基板に絶
縁膜を形成する時の基板温度の時間変化を図示したもの
である。基板は室温から時刻ｔ１で高温（温度Ｔ１：通
常３００〜４００℃）の絶縁膜形成装置に入れられる。
時刻ｔ２で基板温度は絶縁膜形成温度Ｔ１に達する。従
来では、このときの昇温速度は２００℃／分未満であ
り、速くはなかった。

【００１４】その後、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで絶縁膜
を形成し、それから冷却し時刻ｔ４で基板を炉から取り
出す。

【００１５】このようにして絶縁膜を形成したＡｌ配線
の結晶粒構造は図６に示すように、粒界３重点６２を含
む多数の結晶粒６１から構成されている。さらに、Ａｌ
配線表面には高さ１μｍにも達するヒロックが成長して
いる（図７は表面粗さ計で測定した半導体基板の表面形
状を示す。）。

【００１６】このような構造を示す理由は、絶縁膜形成
温度が３００〜４００℃と比較的低温の為にＡｌ膜の結
晶成長が不十分であり、配線幅に比較して結晶粒径が小
さくて配線中に粒界３重点が残存することにある。ま
た、絶縁膜が被覆されることで、絶縁膜が粒径成長を阻
害することもその一因となっている。

【００１７】さらにヒロックが、図５における時刻ｔ１
からｔ２までの昇温過程でＡｌ膜に圧縮応力が発生する
ことから発生・成長する。

【００１８】このような構造を持つ配線は粒界３重点を
多数有するためにエレクトロマクグレーションのために
ボイドが発生し易く、断線不良が容易に生じる。また、
ヒロックは配線層間のショート不良、絶縁膜クラックに
よる配線腐食、配線間のショート不良等の信頼性劣化を
引き起こす。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにＡｌなど
の金属配線の信頼性を大幅に向上させるには、Ａｌを単
結晶化することが非常に効果がある事実がわかってい
る。

【００２０】しかしながら、現状技術として単結晶膜は
単結晶下地にしか形成することができないため、現実の
半導体装置では非晶質絶縁膜上に配線を走らせているた
めに単結晶配線を実用化できていない。

【００２１】一方、配線中の粒界を減らし、その粒界の
形状を竹の節状、いわゆるバンブー構造にし、且つ膜の
配向性を向上させ単結晶構造に近づけることで配線の信
頼性が大幅に向上することがわかってきた。このバンブ
ー粒界構造を実現するには、配線を構成する結晶粒径を
大きくすること、および、配線を形成した後に熱処理し
て十分な粒径成長をさせることが必要である。

【００２２】しかしながら、十分な粒径成長を達成する
ためには、金属膜の融点に近い温度での熱処理が必要で
ある。しかし金属膜の高温熱処理は粒成長に伴う膜表面
の荒れやヒロックの発生が生じる。Ａｌ配線の場合、シ
ンター熱処理やパシベーション絶縁膜被覆時の高温処理
によってヒロック不良が発生してしまう。

【００２３】従来、ＲＴＡ（Rapid Thermal Anneal）や
パルスレーザーアニールを用いた高温短時間熱処理によ
る対策が提案されている。しかしながら、ＲＴＡではＡ
ｌ膜の反射率が高く、所望の温度で均一に熱処理するこ
とが困難である欠点を有している。レーザーアニールで
は配線パターン密度によって熱処理温度が変化する欠点
がある。

【００２４】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、ヒロック等の不良発生モードを金属
配線に形成することなく絶縁膜の被覆することができる
半導体装置の熱処理方法を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明は、本発明者によ
る次のような発見に基ずくものである。すなわち、絶縁
膜を被覆する前にまず予め金属配線の融点より低い融点
近傍の高温温度へ所定以上の昇温速度で昇温した後に、
この高温温度で短時間の熱処理すると、ヒロック等の発
生が無くなる、という発見である。

【００２６】上記目的を達成するために、本発明による
半導体装置の熱処理方法は、金属配線を形成した半導体
基板に絶縁膜を被覆する半導体装置の熱処理方法におい
て、１００℃以下の低温部に載置された半導体基板を前
記金属配線の金属の融点より高くない融点近傍の高温温
度まで、前記金属配線に不良発生モードが形成されない
ほどに速い昇温速度で昇温する工程と、次に前記高温温
度で前記金属配線に粒界を形成する工程と、次に前記金
属配線の他との反応（例えば、前記金属配線とその下地
の絶縁膜との反応）が進行しないほどに速い降温速度で
前記半導体基板を降温して絶縁膜を被覆する工程とを備
えることを特徴とする。

【００２７】また、前記昇温速度は２００℃／分以上で
あることが好適である。

【００２８】また、前記降温速度は２００℃／分以上で
あることが好適である。

【００２９】また、昇温する前記工程は、前記高温温度
にある均熱板に向かって前記半導体基板を漸次接近させ
ることによることが好適である。

【００３０】また、前記金属配線にバンブー状の粒界を
形成する前記工程は、前記高温温度にある均熱板に、前
記金属配線の形成されていない面を近接対向させること
によることが好適である。

【００３１】また、前記不良発生モードはヒロック、エ
レクトロマイグレーションまたはストレスマイグレーシ
ョンであることが好適である。

【００３２】また、前記粒界はバンブー状の粒界である
ことが好適である。

【００３３】

【作用】ヒロック等の不良発生モードの発生を懸念する
必要のない温度である１００℃以下の低温部に載置され
た半導体基板を、速い昇温速度で昇温するので、融点近
傍の高温温度まで昇温しても金属配線にヒロック等の不
良発生モードが形成されない。金属配線の金属の融点よ
り高くない融点近傍の高温温度で金属配線の金属に粒界
を形成させるので、金属配線の金属の結晶粒径が大きく
なりバンブー状の粒界を実現することができる。この結
果、配線層間のショート不良の無い高信頼性の多層配線
を実現できる。

【００３４】また、高配向のバンブー粒界構造となるた
め、金属配線の耐エレクトロマイグレーション特性や耐
ストレスマイグレーション特性などの信頼性を大幅に向
上させることができる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は本発明を実施するのに用いた高速昇温・高
温・短時間熱処理炉と絶縁膜形成装置を兼ねる装置の要
部断面図の一例である。

【００３６】装置は２つの主要部分から成っており、１
つは熱処理と絶縁膜形成をする炉１１であり、他の部分
は半導体基板１５を収納する室１２である。これらの間
は半導体基板を搬送する通路１３で繁っており、半導体
基板は一枚ずつ処理される枚様式となっている。

【００３７】処理炉１１の上部１７は加熱炉となってお
り、ヒーター１６で加熱する。下部１９は冷却室で室温
に保つために水冷パイプ１８が巻かれている。処理され
る半導体基板１５は試料台１４に載せられ、試料台１４
は加熱炉１７と室温部１９との間を高速で上下に移動す
る。試料台１４に載せられた半導体基板１５は、上部１
７に支持されている均熱板２１に向かって半導体基板を
漸次接近または遠ざけることができる。これによって、
昇温速度または降温速度を調節することができる。ま
た、均熱板２１に、半導体基板の金属配線の形成されて
いない面を均熱板２１に対向させるようになっている。

【００３８】なお、この試料台は小さな熱容量となって
おり、基板の熱応答性が良くなっている。さらに炉の上
部には絶縁膜形成のための原料ガス供給パイプ２０が設
けられている。

【００３９】半導体基板が往復する雰囲気中の酸素、二
酸化炭素、水蒸気の分圧は１ｐｐｍ以下である。

【００４０】つぎにこの装置を使用してＡｌ金属配線上
に絶縁膜を形成する時の熱処理履歴を図２で具体的に説
明する。

【００４１】処理する半導体基板１５は時刻ｔ０からｔ
１で基板収納部１２から搬送室１３を通って試料台１４
上にセットされる。

【００４２】その後、試料台ｔ１からｔ２の短時間で室
温部１９から高温部１７に移動させる（ＳＴ１）。この
ときの高温部の温度Ｔ２は５００〜６００℃ｔがＡｌの
結晶成長を促進させる為には望ましい。さらに室温から
Ｔ２までの昇温速度は２００℃／分以上とするとヒロッ
クの発生を抑制できる。

【００４３】基板温度がＴ２に達した後、ｔ２からｔ３
の短時間でＡｌ配線の粒成長を完成させて配線中の粒界
構造を図３に示すようにバンブー状にする（ＳＴ２）。
この時間は温度Ｔ２によって変化させるが高温であるほ
ど短時間で済む。この時間が長時間となると、Ａｌとそ
の下地の絶縁膜あるいはバリア金属膜と反応し始めるの
で、５分間以上が望ましい。

【００４４】次いでｔ３からｔ４で基板温度を絶縁膜の
形状温度に下げる（ＳＴ３）。この方法としては試料台
を下げて低温域に持っていくか、ヒーターのパワーを下
げて低温にするなどの手段がある。

【００４５】その後、絶縁膜形成のための原料ガスをパ
イプ２０が導入してｔ４からｔ５にかけて所定の膜厚の
絶縁膜をＡｌ配線上に形成する（ＳＴ３）。

【００４６】次いでｔ５からｔ６で試料台１４を室温域
１９に下げて後に基板１４を搬送系１３を通して収納室
１２に戻す。このような処理したＡｌ配線は図３に示す
ように配線中のほとんどが全部がバンブー粒界３２を持
つ結晶粒３１で構成されている。図４に表面粗さ計で金
属配線の表面を測定した結果を示す。図４に示すよう
に、表面には大きなヒロックの発生が無い。なお、バン
ブー粒界３２の形成は光学顕微鏡によっても確認され
た。

【００４７】また、表１に示すように、ヒロックの発生
密度は高速昇降温で熱処理することで大幅に低減化する
ことができる。これは、基板の昇温速度が大きい効果に
よるものである。

【００４８】

【表１】 このように絶縁膜が形成された金属配線は、ヒロック等
の発生が無くバンブー粒界構造をもつ。

【００４９】しかも、バンブー粒界構造の形成する工程
に引き続いて絶縁膜の被覆を連続して実施することか
ら、１００℃以下の温度からあらたに昇温して絶縁膜を
被覆する場合の再熱処理によるヒロックの発生を防止す
ることができる。このため、配線層間のショート不良が
無い、高信頼性の多層配線を実現することができる。

【００５０】また、高配向のバンブー粒界構造となるた
め金属配線の耐エレクトロマイグレーション特性や耐ス
トレスマイグレーション特性などの信頼性を大幅に向上
させることができる。

【００５１】なお、実施例においては、熱処理および絶
縁膜形成炉の加熱をヒーターで行なったが、ランプなど
その他の加熱方法で実施しても良い。

【００５２】また、絶縁膜形成は大気圧、減圧、プラズ
マなどのＣＶＤやその他ＰＶＤ等の方法で実施しても良
い。

【００５３】また、配線金属として実施例ではＡｌを用
いたがＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏなど他の金属に対し
ても同様な結果が得られることはいうまでもない。

【００５４】また、本実施例では配線金属の熱処理と絶
縁膜被覆が同一の炉で行なわれたが、プロセスを連続し
て処理をできるように連結した装置（クラスター型）構
成にしても良い。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
１００℃以下の低温部に載置された半導体基板を、速い
昇温速度で昇温するので、融点近傍の高温温度まで昇温
しても金属配線にヒロック等の不良発生モードが形成さ
れない。

【００５６】金属配線の金属の融点より高くない融点近
傍の高温温度で金属配線の金属に粒界を形成させるの
で、金属配線の金属の結晶粒径が大きくなりバンブー状
の粒界を実現することができる。

【００５７】バンブー粒界構造の形成する工程に引き続
いて絶縁膜の被覆を連続して実施することから、１００
℃以下の温度からあらたに昇温して絶縁膜を被覆する場
合の再熱処理によるヒロックの発生を防止することがで
きる。この結果、配線層間のショート不良が無い、高信
頼性の多層配線を実現することができる。

【００５８】また、高配向のバンブー粒界構造となるた
め金属配線の耐エレクトロマイグレーション特性や耐ス
トレスマイグレーション特性などの信頼性を大幅に向上
させることができる。

【００５９】従来の３重点を含む多結晶金属配線で問題
とされてきた故障に対し、全く心配の無い高信頼性の金
属配線を実現することができる。この効果、素子および
配線が微細化された高密度・高集積化半導体装置の信頼
性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の熱処理方法の一実施
例に使用する熱処理炉を示す概略断面図。

【図２】本発明の実施例におけるＡｌ金属配線上に絶縁
膜を形成する時の熱処理履歴を示す図。

【図３】本発明の実施例においてバンブー粒界構造の形
成された金属配線を示す平面図。

【図４】同金属配線の表面形状を表面粗さ計で測定した
結果を示す図。

【図５】従来の半導体装置の熱処理方法における金属配
線上に絶縁膜を形成する時の熱処理履歴を示す図。

【図６】従来の金属配線に形成された粒界構造を示す金
属配線の平面図。

【図７】従来の金属配線の表面形状を表面粗さ計で測定
した結果を示す図。

【符号の説明】 １１ 熱処理炉 １２ 半導体基板収納室 １３ 搬送系 １４ 試料台 １５ 半導体基板 １６ ヒーター １７ 加熱炉 １８ 水冷パイプ １９ 室温部 ２０ 原料ガス供給パイプ ２１ 均熱板 ３１ 結晶粒 ３２ バンブー粒界 ６１ 結晶粒 ６２ 粒界３重点

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属配線を形成した半導体基板に絶縁膜を
   被覆する半導体装置の熱処理方法において、１００℃以
   下の低温部に載置された半導体基板を前記金属配線の金
   属の融点より高くない融点近傍の高温温度まで、前記金
   属配線に不良発生モードが形成されないほどに速い昇温
   速度で昇温する工程と、次に前記高温温度で前記金属配
   線に粒界を形成する工程と、次に前記金属配線の他との
   反応が進行しないほどに速い降温速度で前記半導体基板
   を降温して絶縁膜を被覆する工程とを備えることを特徴
   とする半導体装置の熱処理方法。
2. 【請求項２】前記昇温速度は２００℃／分以上であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の熱処理方
   法。
3. 【請求項３】前記降温速度は２００℃／分以上であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の熱処理方
   法。
4. 【請求項４】昇温する前記工程は、前記高温温度にある
   均熱板に向かって前記半導体基板を漸次接近させること
   によることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の
   熱処理方法。
5. 【請求項５】前記金属配線にバンブー状の粒界を形成す
   る前記工程は、前記高温温度にある均熱板に、前記金属
   配線の形成されていない面を近接対向させることによる
   とともに、前記粒界はバンブー状の粒界であることを特
   徴とする請求項１に記載の半導体装置の熱処理方法。