JPH08181147A - Formation of wiring made mainly of copper - Google Patents

Formation of wiring made mainly of copper

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JPH08181147A
JPH08181147A JP32221194A JP32221194A JPH08181147A JP H08181147 A JPH08181147 A JP H08181147A JP 32221194 A JP32221194 A JP 32221194A JP 32221194 A JP32221194 A JP 32221194A JP H08181147 A JPH08181147 A JP H08181147A
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JP
Japan
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copper
film
wiring
temperature
barrier metal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP32221194A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tomomi Yamanobe
智美 山野辺
Yasushi Igarashi
泰史 五十嵐
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Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH08181147A publication Critical patent/JPH08181147A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE: To provide formation of wiring made mainly of copper in which film separation is prevented even when etching is carried out at high temperatures. CONSTITUTION: A copper wiring preparation layer 23 including a lower barrier metal film 16, a copper film 18 and an upper barrier metal film 20 is formed on an underlying layer 13. Then, the structure composed of the copper wiring preparation layer 23 and the underlying layer 13 is annealed at a temperature higher than the recrystallization temperature of copper.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、銅を主体とする配線
の形成方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming a wiring mainly composed of copper.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の銅を主体とする配線(銅配線とも
いう。)の形成方法については、文献(JAPANES
E JOURNAL OF APPLIDE PHYS
ICS、Vol.28、No.6、June、198
9、pp.L1070−L1072)に開示されたもの
がある。
2. Description of the Related Art For a conventional method of forming a wiring mainly composed of copper (also referred to as a copper wiring), see a document (JAPANES).
E JOURNAL OF APPLIDE PHYS
ICS, Vol. 28, No. 6, June, 198
9, pp. L1070-L1072).

【0003】この文献によれば、まず、シリコン基板上
にSiO2 膜、下側窒化チタン膜、銅膜及び上側窒化チ
タン膜からなる銅配線予備層を形成する。
According to this document, first, a copper wiring preliminary layer including a SiO 2 film, a lower titanium nitride film, a copper film and an upper titanium nitride film is formed on a silicon substrate.

【0004】次に、上側窒化チタン上に所定の銅を主体
とする配線と同じ形状のレジストパターンを形成する。
その後、銅配線予備層に対してリアクティブイオンエッ
チング(RIE)法を用いて上側窒化チタン膜から基板
の深さ方向に対して異方性エッチングを行い、SiO2
膜の面が露出するまでエッチングする。従来のRIEの
エッチングは、以下の条件で行っていた。
Next, a resist pattern having the same shape as the wiring mainly composed of copper is formed on the upper titanium nitride.
Then, anisotropic etching is performed on the copper wiring preliminary layer in the depth direction of the substrate from the upper titanium nitride film by using a reactive ion etching (RIE) method to form SiO 2
Etch until the surface of the film is exposed. Conventional RIE etching has been performed under the following conditions.

【0005】エッチング用ガス:SiCl4 ガスとN2
ガスとの混合ガス エッチング温度 :250℃ 上述したようなRIE法を用いて銅を主体とする配線を
形成する場合、銅のエッチング生成物である銅塩化物
(CuClx :但し、xは組成比を表す数値である。)
は蒸気圧が低いため、室温の下では気化しない。このた
め、被エッチング試料を最低でも250℃の温度に設定
した状態で、エッチングを行う必要があった。
Etching gas: SiCl 4 gas and N 2
Mixed gas with gas Etching temperature: 250 ° C. When a wiring mainly composed of copper is formed by using the RIE method as described above, copper chloride (CuCl x : where x is a composition ratio) is an etching product of copper. Is a numerical value that represents.)
Does not vaporize at room temperature due to its low vapor pressure. For this reason, it is necessary to carry out etching with the sample to be etched set at a temperature of at least 250 ° C.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たRIE法を用いて基板上に銅を主体とする配線を形成
するとき、以下に述べるような問題があった。
However, when the wiring mainly composed of copper is formed on the substrate by using the above-mentioned RIE method, there are the following problems.

【0007】銅(Cu)は、一般に耐酸性や耐薬品性に
弱いため、銅膜の表面と裏面とを銅の拡散や反応を防止
するためのバリア材料(バリア金属膜)を用いて銅膜を
挟む必要がある。しかし、銅膜の表面及び裏面をバリア
金属膜で挟んだ後、高温(例えば250℃)でドライエ
ッチングを行った場合、銅膜とバリア金属膜との熱膨張
係数が異なるため、銅膜とバリア金属膜との間に熱膨張
係数差を生じ、主に銅膜と下側バリア金属膜との間に膜
剥れを生じるという問題があった。このため、従来、R
IE法を用いて良好な銅を主体とする配線形状が得られ
なかった。
Since copper (Cu) is generally weak in acid resistance and chemical resistance, a copper film is used by using a barrier material (barrier metal film) for preventing diffusion and reaction of copper on the front surface and the back surface of the copper film. Need to be sandwiched. However, when the front surface and the back surface of the copper film are sandwiched by the barrier metal film and then dry etching is performed at a high temperature (for example, 250 ° C.), the copper film and the barrier metal film have different thermal expansion coefficients, so that the copper film and the barrier film are different from each other. There is a problem that a difference in thermal expansion coefficient occurs between the metal film and the copper film, and film peeling mainly occurs between the copper film and the lower barrier metal film. Therefore, conventionally, R
A good wiring shape mainly composed of copper could not be obtained by using the IE method.

【0008】そこで、高温度でエッチングしても膜剥れ
を起こさない銅を主体とする配線の形成方法が望まれて
いた。
Therefore, there has been a demand for a method of forming a wiring mainly composed of copper that does not cause film peeling even if it is etched at a high temperature.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】このため、この発明で
は、下地上に下側バリア金属膜/銅膜/上側バリア金属
膜を含む銅配線予備層を形成した後、上側バリア金属層
から下地面が露出するまでエッチングして銅を主体とす
る配線を形成する方法において、下地上に銅配線予備層
を形成した後、この銅配線予備層と下地とを含む構造体
に対して、銅の再結晶化温度よりも高い温度で、アニー
ル処理を行う。一方、高温側の限界温度は、使用するバ
リア金属膜によって決まるので、銅の拡散或いは反応を
起こさずにバリア特性が保持される温度とするのが良
い。
Therefore, according to the present invention, a copper wiring preliminary layer including a lower barrier metal film / copper film / upper barrier metal film is formed on the underlayer, and then the upper barrier metal layer is applied to the underlayer surface. In the method of forming a wiring mainly composed of copper by etching until the copper is exposed, after the copper wiring preliminary layer is formed on the underlayer, the copper re-deposition is performed on the structure including the copper wiring preliminary layer and the underlayer. Annealing is performed at a temperature higher than the crystallization temperature. On the other hand, since the high temperature side limit temperature is determined by the barrier metal film used, it is preferable to set the temperature at which the barrier property is maintained without causing the diffusion or reaction of copper.

【0010】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、アニール処理に用いるキャリアガスを水素(H2
と窒素(N2 )の混合ガスとするのが良い。
In carrying out the present invention, preferably, the carrier gas used for the annealing treatment is hydrogen (H 2 ).
A mixed gas of nitrogen and nitrogen (N 2 ) is preferable.

【0011】また、この発明の実施に当たり、銅配線予
備層を構成する上側バリア金属膜上に耐熱性を有する耐
エッチングマスク層を形成するのが良い。
In implementing the present invention, it is preferable to form an etching resistant mask layer having heat resistance on the upper barrier metal film forming the copper wiring preliminary layer.

【0012】[0012]

【作用】上述したこの発明の銅を主体とする配線の形成
方法では、基板上に下側バリア金属膜、銅膜、上側バリ
ア金属膜を含む銅配線予備層を形成した後、銅配線予備
層と下地とを含む構造体に対して、銅の再結晶温度より
も高い温度で、アニール処理を行う。このとき、アニー
ル処理によって銅配線予備層を構成している下側及び上
側バリア金属膜と銅膜との間の応力も低減されるので、
下側バリア金属膜と銅膜との間の膜剥れがなくなる。
According to the above-described method of forming a wiring mainly composed of copper in the present invention, after the copper wiring preliminary layer including the lower barrier metal film, the copper film and the upper barrier metal film is formed on the substrate, the copper wiring preliminary layer is formed. Annealing is performed on the structure including the underlayer and the underlayer at a temperature higher than the recrystallization temperature of copper. At this time, since the annealing treatment also reduces the stress between the lower and upper barrier metal films forming the copper wiring preliminary layer and the copper film,
There is no film peeling between the lower barrier metal film and the copper film.

【0013】[0013]

【実施例】以下、各図面を参照して、この発明の実施例
の銅を主体とする配線(以下、銅配線と称する。)の形
成方法について説明する。なお、図1及び図2は、この
発明が理解できる程度に各構成成分の形状、大きさ、及
び配置関係を概略的に示してあるにすぎない。したがっ
て、この実施例に何ら限定されるものではない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A method for forming a copper-based wiring (hereinafter referred to as a copper wiring) according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that FIGS. 1 and 2 merely schematically show the shapes, sizes, and arrangement relationships of the respective constituents to the extent that the present invention can be understood. Therefore, it is not limited to this embodiment.

【0014】図1の(A)及び(B)〜図2の(A)、
(B)及び(C)は、この発明の銅配線の形成方法につ
いて説明するための工程図である。
1A and 1B to 2A,
(B) And (C) is process drawing for demonstrating the formation method of the copper wiring of this invention.

【0015】まず、下地13として、基板10上にSi
2 膜12を形成した積層構造体を用いる。このときの
SiO2 膜12の膜厚を約0.6μmとする。また、下
地13に用いる基板10をシリコン(Si)基板とす
る。
First, as the base 13, Si on the substrate 10
A laminated structure having the O 2 film 12 is used. The thickness of the SiO 2 film 12 at this time is set to about 0.6 μm. Further, the substrate 10 used as the base 13 is a silicon (Si) substrate.

【0016】次に、この下地上にチタン(Ti)膜1
4、下側バリア金属膜16、銅膜18、上側バリア金属
膜20及びNSG膜22を順次形成し、図1の(A)に
示す構造体を得る。以下、それぞれの膜の形成方法につ
いて説明する。
Next, a titanium (Ti) film 1 is formed on this underlayer.
4, the lower barrier metal film 16, the copper film 18, the upper barrier metal film 20, and the NSG film 22 are sequentially formed to obtain the structure shown in FIG. Hereinafter, a method of forming each film will be described.

【0017】スパッタ法を用いてSiO2 膜12上にチ
タン(Ti)膜14を形成する。このときのチタン膜1
4の膜厚を0.03μmとする。なお、このときのスタ
ッパの条件は以下の通りとする。
A titanium (Ti) film 14 is formed on the SiO 2 film 12 by using the sputtering method. Titanium film 1 at this time
The film thickness of No. 4 is 0.03 μm. The conditions of the stapper at this time are as follows.

【0018】キャリアガス:アルゴン(Ar)ガス ガス流量 :24sccm 圧力 :3mTorr DC電力 :500W この実施例では、SiO2 /TiNとの界面の密着性を
良くするため、Ti膜14を用いているが、SiO2
TiNとの界面の密着性が十分確保できる場合は必ずし
もTi膜14を用いる必要はない。
Carrier gas: Argon (Ar) gas Gas flow rate: 24 sccm Pressure: 3 mTorr DC power: 500 W In this embodiment, the Ti film 14 is used in order to improve the adhesion at the interface with SiO 2 / TiN. , SiO 2 /
The Ti film 14 is not necessarily used if sufficient adhesion at the interface with TiN can be ensured.

【0019】次に、スパッタ法を用いてチタン膜14上
に下側バリア金属膜18を形成する。この実施例では、
下側バリア金属膜16を窒化チタン(TiN)とし、膜
厚を約0.1μmとする。ここでは、下側バリア金属膜
16を下側TiN膜とも称する。このときのスパッタ条
件は、以下の通りとする。
Next, the lower barrier metal film 18 is formed on the titanium film 14 by using the sputtering method. In this example,
The lower barrier metal film 16 is made of titanium nitride (TiN) and has a film thickness of about 0.1 μm. Here, the lower barrier metal film 16 is also referred to as a lower TiN film. The sputtering conditions at this time are as follows.

【0020】使用ガス:ArガスとN2 ガスとの混合ガ
ス ガス流量比(sccm/sccm):Ar/N2 =20
/20(体積比) 圧力 :5mTorr DC電力:2kW 次に、スパッタ法を用いてこの下側TiN膜16上に銅
膜18を形成する。このときの銅膜の膜厚を約0.4μ
mとする。また、銅膜を形成するためのスパッタ条件を
以下の通りとする。
Gas used: Mixed gas of Ar gas and N 2 gas Gas flow rate ratio (sccm / sccm): Ar / N 2 = 20
/ 20 (volume ratio) Pressure: 5 mTorr DC power: 2 kW Next, a copper film 18 is formed on the lower TiN film 16 by sputtering. The thickness of the copper film at this time is about 0.4μ
m. The sputtering conditions for forming the copper film are as follows.

【0021】キャリアガス:Arガス ガス流量 :56sccm 圧力 :3mTorr DC電力 :1kW 続いて、スパッタ法を用いて銅膜18上に上側バリア金
属膜20を形成する。この実施例では、上側バリア金属
膜20をTiN膜とし、膜厚を約0.1μmとする。こ
こでは、上側バリア金属膜20を上側TiN膜とも称す
る。なお、このときのスパッタ条件は、既に説明した上
側TiN膜16の場合と同一とする。このため詳細な説
明は省略する。
Carrier gas: Ar gas Gas flow rate: 56 sccm Pressure: 3 mTorr DC power: 1 kW Subsequently, an upper barrier metal film 20 is formed on the copper film 18 by the sputtering method. In this embodiment, the upper barrier metal film 20 is a TiN film and the film thickness is about 0.1 μm. Here, the upper barrier metal film 20 is also referred to as an upper TiN film. The sputtering conditions at this time are the same as those for the upper TiN film 16 already described. Therefore, detailed description is omitted.

【0022】次に、プラズマCVD法を用いて上側Ti
N膜20上に耐熱性を有する耐エッチングマスク層22
を形成する。このときの耐エッチングマスク層22を例
えばノンドープのけい素ガラス(Non−doped
Silicate Glass(略称NSGと称す
る。))膜22とする。このときのNSG膜22の材料
をSiO2 膜とし、膜厚を0.6μmとする。尚、この
NSG膜の成膜条件は、以下の通りとする。
Next, the upper Ti is formed by using the plasma CVD method.
Etching resistant mask layer 22 having heat resistance on the N film 20
To form. At this time, the etching resistant mask layer 22 is formed of, for example, non-doped silicon glass (Non-doped).
The Silicate Glass (abbreviated as NSG) film 22 is used. At this time, the material of the NSG film 22 is a SiO 2 film and the film thickness is 0.6 μm. The film forming conditions for this NSG film are as follows.

【0023】使用ガス:シラン(SiH4 )ガスと亜酸
化窒素(N2 O)ガスとの混合ガス 流量比(sccm/sccm):SiH4 :N2 O=8
0:1800(体積比) 圧力 :300mTorr 基板温度:約115℃ RF電力:180W この実施例では、耐エッチングマスク層22にNSG膜
を用いたが、例えば、SiNx (xは組成比を表す数値
である。)のような材料を用いても良い。
Gas used: mixed gas of silane (SiH 4 ) gas and nitrous oxide (N 2 O) gas Flow rate ratio (sccm / sccm): SiH 4 : N 2 O = 8
0: 1800 (volume ratio) Pressure: 300 mTorr Substrate temperature: About 115 ° C. RF power: 180 W In this embodiment, an NSG film was used as the etching resistant mask layer 22, but for example, SiN x (x is a numerical value indicating a composition ratio). It is also possible to use a material such as

【0024】次に、この発明では、図1の(A)の構造
体をアニール用装置(図示せず)に搬入してアニール処
理を行う。このときのアニール温度は、銅の再結晶温度
よりも高い温度とする。この実施例では、アニール処理
の条件を以下の通りとする。
Next, in the present invention, the structure shown in FIG. 1A is carried into an annealing device (not shown) and an annealing process is performed. The annealing temperature at this time is higher than the recrystallization temperature of copper. In this embodiment, the annealing conditions are as follows.

【0025】キャリアガス及び流量:水素(H2 )ガス
と窒素(N2 )ガスとの混合ガス ガス流量比(sccm/sccm):H2 /N2 =10
00/5000(体積比) アニール温度及び処理時間:400℃(基板温度)、1
時間 なお、上述したアニール処理条件は、最適温度条件を示
している。しかし、アニール温度は、銅の再結晶温度よ
りも高い温度であれば良い。この実施例では、実験デー
タから銅の再結晶温度が150℃から始まるので、この
温度以上で銅配線予備層と下地とを含む構造体をアニー
ル処理する。このようなアニール処理によって銅の再結
晶化が促進されるので、図1の(A)の構造体を形成し
ている銅配線予備層を構成しているそれぞれの膜の応力
が低減される。また、アニールの上限温度は、上側及び
下側バリア金属膜の材料によって決まり、この実施例で
はバリア材料にTiN膜を使用しているので、約700
℃が上限温度になる。この上限温度を越えると上側及び
下側TiN膜を通しての銅の拡散或いは反応を抑制する
効果が失われるため好ましくない。従って、この実施例
におけるアニールの好適温度範囲は、150℃〜700
℃の温度範囲とするのが良い。
Carrier gas and flow rate: mixed gas of hydrogen (H 2 ) gas and nitrogen (N 2 ) gas Gas flow rate ratio (sccm / sccm): H 2 / N 2 = 10
00/5000 (volume ratio) Annealing temperature and processing time: 400 ° C. (substrate temperature), 1
Time Note that the above-mentioned annealing treatment conditions indicate optimum temperature conditions. However, the annealing temperature may be higher than the recrystallization temperature of copper. In this embodiment, since the recrystallization temperature of copper starts from 150 ° C. from the experimental data, the structure including the copper wiring preliminary layer and the base is annealed at this temperature or higher. Since the recrystallization of copper is promoted by such an annealing treatment, the stress of each film forming the copper wiring preliminary layer forming the structure of FIG. 1A is reduced. Also, the upper limit temperature of annealing is determined by the material of the upper and lower barrier metal films, and in this embodiment, since the TiN film is used as the barrier material, it is about 700.
C becomes the upper limit temperature. Exceeding this upper limit temperature is not preferable because the effect of suppressing the diffusion or reaction of copper through the upper and lower TiN films is lost. Therefore, the preferred temperature range for annealing in this example is 150 ° C to 700 ° C.
The temperature range of ℃ is good.

【0026】次に、NSG膜22上にレジスト層24を
形成し、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパタ
ーン24を形成する(図1の(B))。
Next, a resist layer 24 is formed on the NSG film 22, and a resist pattern 24 is formed by using the photolithography technique (FIG. 1B).

【0027】次に、マグネトロンRIE装置(図示せ
ず)を用いてNSG膜22のエッチングを行い、図2の
(A)の構造体を得る。このとき形成されたNSG膜2
2を符号22aで示す。また、このときのRIEの条件
は、以下の通りとする。
Next, the NSG film 22 is etched by using a magnetron RIE device (not shown) to obtain the structure shown in FIG. NSG film 2 formed at this time
2 is indicated by reference numeral 22a. The conditions of RIE at this time are as follows.

【0028】エッチングガス:三フッ化メタン(CHF
3 )ガスと酸素(O2 )ガスとの混合ガス ガス流量比(sccm/sccm):CHF3 /O2
100/2(体積比) 圧力 :45mTorr RF電力:200W 次に、任意好適な方法によりレジストパターン24を除
去した後、再度、マグネトロンRIE装置を用いてドラ
イエッチングを行い、上側TiN膜22の上面からSi
2 膜12の面が露出するまで、それぞれの膜をエッチ
ング除去して、図2の(B)に示すような構造体を得
る。このときのRIEの条件は以下の通りとする。
Etching gas: methane trifluoride (CHF
3 ) Mixed gas of oxygen gas (O 2 ) gas and gas flow ratio (sccm / sccm): CHF 3 / O 2 =
100/2 (volume ratio) Pressure: 45 mTorr RF power: 200 W Next, after removing the resist pattern 24 by any suitable method, dry etching is performed again by using a magnetron RIE apparatus, and then from the upper surface of the upper TiN film 22. Si
Each film is removed by etching until the surface of the O 2 film 12 is exposed to obtain a structure as shown in FIG. The conditions of RIE at this time are as follows.

【0029】エッチングガス:塩化けい素(SiCl
4 )ガスと塩素(Cl2 )ガスと窒素(N2 )ガスとの
混合ガス ガス流量比(sccm/sccm):(SiCl4 /C
2 /N2 =20/10/120(体積比)) 圧力 :30mTorr RF電力 :500W 基板温度 :約300℃ このとき残存しているTi膜14a、下側TiN膜16
a、銅膜18a及び上側TiN膜20aのそれぞれの膜
からなる銅配線25が形成される(図2の(C))。
Etching gas: Silicon chloride (SiCl
4 ) Gas / Chlorine (Cl 2 ) gas / Nitrogen (N 2 ) gas mixed gas Gas flow rate ratio (sccm / sccm): (SiCl 4 / C
l 2 / N 2 = 20/10/120 (volume ratio)) Pressure: 30 mTorr RF power: 500 W Substrate temperature: about 300 ° C. Ti film 14 a and lower TiN film 16 remaining at this time
The copper wiring 25 is formed of the respective films of a, the copper film 18a, and the upper TiN film 20a ((C) of FIG. 2).

【0030】図3は、アニール処理(450℃)を行っ
た後の銅の結晶面をX線で測定した結果を示すX線回折
曲線図である。図中、横軸に2θ(単位は角度、ただ
し、2θは試料面からのX線の回折角である。)を取
り、縦軸にカンウント数(強度に対応する。)を取って
表している。なお、測定に用いた試料は、シリコン基板
上にTi膜、下側TiN膜及び銅膜を順次形成した構造
体のものを用いる。
FIG. 3 is an X-ray diffraction curve diagram showing the result of the X-ray measurement of the copper crystal plane after the annealing treatment (450 ° C.). In the figure, the horizontal axis represents 2θ (the unit is an angle, where 2θ is the diffraction angle of the X-ray from the sample surface), and the vertical axis represents the count number (corresponding to the intensity). . The sample used for the measurement has a structure in which a Ti film, a lower TiN film and a copper film are sequentially formed on a silicon substrate.

【0031】図3の測定結果からも理解できるように、
Cuの(111)面が2θが約45度の地点に現れてお
り、また、Cuの(200)面が2θが約50度の地点
に現れている。更に、Cuの(222)面が2θが約9
5度の地点に現れている。
As can be understood from the measurement results of FIG.
The (111) plane of Cu appears at a point where 2θ is about 45 degrees, and the (200) plane of Cu appears at a point where 2θ is about 50 degrees. Furthermore, 2θ of Cu (222) plane is about 9
It appears at the point of 5 degrees.

【0032】アニール処理を行わない場合、CuのAS
TMカードを見るとCuの(111)面のピーク強度は
(200)面に対して約2.2倍である。なお、AST
Mカードは、周知の通りAmerican Socie
ty for Testinng Materials
の略称で、カードにそれぞれの物質の強い線dが記載さ
れている。又、相対強度(I/I1 )及び結晶面(hk
l)も記載されているので測定データをカードと照合す
ることにより特定の結晶面に対する強い線d及び相対強
度I/I1 を知ることができる。
When no annealing treatment is performed, the Cu AS
Looking at the TM card, the peak intensity of the (111) plane of Cu is about 2.2 times that of the (200) plane. In addition, AST
As is well known, the M card is an American Society.
ty for Testing Materials
The strong line d of each substance is written on the card. In addition, the relative intensity (I / I 1 ) and the crystal plane (hk
Since l) is also described, the strong line d and the relative intensity I / I 1 for a specific crystal plane can be known by comparing the measured data with the card.

【0033】これに対して、アニール処理を行った場
合、図3から理解できるように、Cuの(111)面の
ピークカウント数(強度)は、5612となり、(20
0)面のピーク強度は251となる。したがって、Cu
の(111)面の強度は(200)面に比べて約22倍
の強度を示している。これは、Cuの再結晶温度以上で
アニール処理を行うことにより、銅原子や銅膜中の微細
なボイドが銅膜中を移動(この現象をマイグレーション
という。)するため、Cuの(111)面の配向性が強
くなっているものと考えられる。また、銅は、周知の通
り面心立方型構造をしているので、(111)面が辷り
面となる。従って、銅は、(111)面で塑性変形が生
じるので、銅膜の応力が低減する。この実施例では、銅
膜の表面及び裏面に上側及び下側TiN膜を形成してい
る。このため、銅の上下方向からも銅膜に対して応力が
加わり、銅単体のときよりもこの実施例では応力が大き
くなる。従って、銅の(111)面に強く配向すること
で銅膜の結晶構造が安定し、かつ緻密になるものと考え
られる。
On the other hand, when the annealing treatment is performed, as can be understood from FIG. 3, the peak count number (intensity) of the (111) plane of Cu is 5612, and (20)
The peak intensity of the 0) plane is 251. Therefore, Cu
The intensity of the (111) plane is about 22 times that of the (200) plane. This is because, when annealing is performed at a recrystallization temperature of Cu or higher, copper atoms and fine voids in the copper film move in the copper film (this phenomenon is referred to as migration). It is considered that the orientation of is stronger. Further, since copper has a face-centered cubic structure as is well known, the (111) plane becomes the sloping surface. Therefore, since copper is plastically deformed in the (111) plane, the stress of the copper film is reduced. In this embodiment, upper and lower TiN films are formed on the front and back surfaces of the copper film. For this reason, stress is applied to the copper film even from the vertical direction of the copper, and the stress becomes larger in this embodiment than in the case of copper alone. Therefore, it is considered that the crystal structure of the copper film becomes stable and becomes dense by strongly orienting to the (111) plane of copper.

【0034】図4の(A)及び(B)は、反りの測定に
用いる試料とその測定方法を説明するための図である。
ここで用いた測定用試料は、シリコン基板上にSiO2
膜/Ti膜/下側TiN膜/Cu膜/上側TiN膜/N
SG膜の積層した構造体のものを用いる。この試料は、
既に説明した図1の(A)の構造と同一である。そし
て、この試料の反りを測定する場合、断面試料の正面か
ら見て湾曲した上部の両端部から基準線に対し、凸部の
上面までの距離Dをプラス符号で示し、又、基準線に対
して凹部の底面までの距離Dをマイナス符号で示してあ
る。
FIGS. 4A and 4B are views for explaining the sample used for measuring the warp and the measuring method thereof.
The measurement sample used here is SiO 2 on a silicon substrate.
Film / Ti film / Lower TiN film / Cu film / Upper TiN film / N
A laminated structure of SG films is used. This sample is
It is the same as the structure of FIG. When measuring the warpage of this sample, the distance D from the both ends of the curved upper portion when viewed from the front of the cross-section sample to the upper surface of the convex portion with respect to the reference line is indicated by a plus sign, and with respect to the reference line. The distance D to the bottom of the recess is indicated by a minus sign.

【0035】また、反り量の測定は、以下のようにして
行う。既に説明した試料を薄膜内部応力測定装置(例え
ば真空理工社製(株))内に搬入する。その後、装置内
に所定のキャリアガスを供給して所定の温度で昇温及び
降温を行ってリアルタイムでそり量を測定する。
The amount of warpage is measured as follows. The sample described above is loaded into a thin film internal stress measuring device (for example, Vacuum Riko Co., Ltd.). Then, a predetermined carrier gas is supplied into the apparatus to raise and lower the temperature at a predetermined temperature, and the amount of warpage is measured in real time.

【0036】図5の(A)及び(B)は、アニール温度
(℃)に対する反り量(D:μm)を測定した図であ
る。図中、(A)はアニール処理が無い場合の反りを示
す図であり、(B)はアニール処理が有る場合の反りを
示す。
FIGS. 5A and 5B are views showing the amount of warpage (D: μm) with respect to the annealing temperature (° C.). In the figure, (A) is a diagram showing warpage in the absence of annealing treatment, and (B) shows warpage in the presence of annealing treatment.

【0037】図5の(A)及び(B)から理解できるよ
うに、アニール処理を行わない場合、温度を400℃ま
で昇温(曲線I)すると、約200℃で約30μmのプ
ラス方向の反りが発生する。続いて、400℃から降温
(曲線II)すると室温に戻るまでに昇温のときとは反
対側、すなわちマイナス方向に反り始める。このとき室
温での反りは、約20μmになる。従って、昇温及び降
温のときの反りを合わせると約50μmになる。
As can be understood from FIGS. 5A and 5B, without annealing, when the temperature is raised to 400 ° C. (curve I), a warp in the plus direction of about 30 μm at about 200 ° C. Occurs. Then, when the temperature is decreased from 400 ° C. (curve II), the temperature starts to warp in the opposite direction to the temperature increase, that is, in the negative direction until the temperature returns to room temperature. At this time, the warp at room temperature is about 20 μm. Therefore, the total warp when the temperature is raised and lowered is about 50 μm.

【0038】これに対して、一度、アニール処理(40
0℃)した後、昇温及び降温を行った場合、昇温温度が
400℃での反りはプラス方向に約35μm程度生じる
が、降温して温度を室温まで下げた場合、反りは0μm
となる。従って、昇温及び降温のときの反りを合わせる
と約35μm程度になる。このように、アニール処理を
行うことによって、反り量がアニール処理を行わないと
きの約70%になり、試料の応力が低減されていること
がわかる。
On the other hand, the annealing treatment (40
When the temperature is raised and lowered, the warp at a temperature rise of 400 ° C is about 35 μm in the positive direction, but when the temperature is lowered to room temperature, the warp is 0 μm.
Becomes Therefore, the total warp when the temperature is raised and lowered is about 35 μm. Thus, it can be seen that by performing the annealing treatment, the amount of warpage becomes about 70% of that when the annealing treatment is not performed, and the stress of the sample is reduced.

【0039】また、図5の(A)の反り曲線から以下の
ような現象が起こるものと考えられる。最初、室温から
温度を上げていくと、反りは150℃程度まで直線的に
大きくなる。その後、400℃まで温度を高くしても反
り量は次第に減少している。これは、銅を再結晶化温度
以上で処理することにより、銅原子や銅膜中の微細なボ
イドがマイグレートして銅の構造が変化するためと考え
られる。
From the warp curve of FIG. 5A, it is considered that the following phenomenon occurs. First, when the temperature is raised from room temperature, the warp increases linearly up to about 150 ° C. After that, even if the temperature is raised to 400 ° C., the amount of warpage is gradually reduced. It is considered that this is because when the copper is treated at the recrystallization temperature or higher, the copper atoms and fine voids in the copper film migrate to change the structure of copper.

【0040】図6の(A)及び(B)は、アニール処理
の有無による銅配線の断面をSEMで測定した断面写真
を模式的に描いた図である。図中、(A)はアニール処
理を行った場合を示し、(B)はアニール処理を行わな
い場合を示す。
FIGS. 6A and 6B are schematic drawings of cross-sectional photographs of the cross-sections of the copper wiring with and without annealing, which are measured by SEM. In the figure, (A) shows the case where the annealing treatment is performed, and (B) shows the case where the annealing treatment is not performed.

【0041】図6から理解できるように、アニール処理
を行った場合(図6の(A))は銅膜はがれを生じない
のに比べ、アニール処理を行わない場合(図6の
(B))は銅膜と下側TiN膜との間に銅膜剥れが生じ
ている。
As can be understood from FIG. 6, when the annealing treatment is performed ((A) of FIG. 6), the copper film is not peeled, whereas when the annealing treatment is not performed ((B) of FIG. 6). The copper film peeled between the copper film and the lower TiN film.

【0042】上述した結果からも明らかなように、銅の
再結晶化温度(150℃)よりも高い温度(400℃)
で、銅配線予備層を含む構造体を一度アニール処理を行
うことにより、銅配線予備層の形成過程で生じた各膜の
応力が低減されるため、銅膜の剥れは防止できる。
As is clear from the above results, a temperature (400 ° C.) higher than the recrystallization temperature (150 ° C.) of copper.
Since the structure including the copper wiring preliminary layer is annealed once, the stress of each film generated in the process of forming the copper wiring preliminary layer is reduced, so that the peeling of the copper film can be prevented.

【0043】なお、上述した実施例では、銅の拡散及び
反応防止用のバリア金属膜としてTiN膜を用いたが、
なんらこの材料に限定されるものではなく、例えばタン
グステン(W)、タンタル(Ta)、タングステンチタ
ン(TiW)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、バ
ナジウム(V)及びニオブ(Nb)、及びこれらの金属
の窒化物並びにZrNの中の1種類又は2種類以上を組
み合わせの材料を用いても良い。
In the above-mentioned embodiment, the TiN film is used as the barrier metal film for preventing the diffusion and reaction of copper.
The material is not limited to these materials, and examples thereof include tungsten (W), tantalum (Ta), tungsten titanium (TiW), chromium (Cr), cobalt (Co), vanadium (V) and niobium (Nb), and these. It is also possible to use one kind or a combination of two or more kinds of the above metal nitrides and ZrN.

【0044】また、この実施例では、SiO2 膜と下側
TiN膜との間にTi膜を形成してSiO2 膜とTiN
膜どうしの密着性を良くしたが、なんらこのTi膜に限
定されるものではなく、バリア材料を変えた場合、この
バリア材料と熱膨張係数が近く、かつSiO2 膜或いは
使用したバリア金属膜と密着性の良い材料を選んでも良
い。
Further, in this embodiment, a Ti film is formed between the SiO 2 film and the lower TiN film to form the SiO 2 film and the TiN film.
Although the adhesion between the films was improved, the Ti film is not limited to this Ti film. When the barrier material is changed, the barrier material has a thermal expansion coefficient close to that of the SiO 2 film or the barrier metal film used. You may choose a material with good adhesion.

【0045】また、この実施例のアニール条件の内、ガ
ス流量比及び処理時間は一例にすぎず、従って、上述し
た値に何ら限定されるものではない。
Further, among the annealing conditions of this embodiment, the gas flow rate ratio and the processing time are merely examples, and therefore are not limited to the above values.

【0046】[0046]

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、下
地上に下側バリア金属膜、銅膜、上側バリア金属膜を含
む銅配線予備層を形成した後、銅の再結晶温度よりも高
い温度でアニール処理する。このため、銅の再結晶温度
よりも高い温度になると銅配線予備層と下地とを含む構
造体の応力が緩和される。このときそれぞれの膜に生じ
ている応力も低減されるので、銅膜と下側バリア金属膜
又は銅膜と上側バリア金属膜との間の膜剥れが防止でき
る。
As is apparent from the above description, after the copper wiring preliminary layer including the lower barrier metal film, the copper film and the upper barrier metal film is formed on the underlayer, the temperature is higher than the recrystallization temperature of copper. Anneal at temperature. Therefore, when the temperature becomes higher than the recrystallization temperature of copper, the stress of the structure including the copper wiring preliminary layer and the base is relaxed. At this time, the stress generated in each film is also reduced, so that film peeling between the copper film and the lower barrier metal film or between the copper film and the upper barrier metal film can be prevented.

【0047】また、アニール処理のキャリアガスに水素
ガス(H2 )と窒素(N2 )ガスとの混合ガスを用い
る。このため、アニール処理の際に銅配線予備層を含む
構造体が酸化して酸化物を生じ配線の抵抗が高くなった
り、汚染されて付着物が生じたりすることがなくなるの
で、良質な銅を主体とする配線が形成できる。
A mixed gas of hydrogen gas (H 2 ) and nitrogen (N 2 ) gas is used as a carrier gas for the annealing treatment. Therefore, during annealing, the structure including the copper wiring preliminary layer is not oxidized to generate an oxide, which increases the resistance of the wiring and is prevented from being contaminated and deposits. The main wiring can be formed.

【0048】また、発明では、銅配線予備層を構成して
いる上側バリア金属膜上に耐熱性を有するエッチングマ
スク層を形成してある。このため、RIEによるエッチ
ングの際に基板温度が高くなってもエッチングマスク層
は熱に対し変形したりしないため、設計通りの形状に銅
を主体とする配線を形成することができる。
In the invention, the heat-resistant etching mask layer is formed on the upper barrier metal film forming the copper wiring preliminary layer. Therefore, the etching mask layer is not deformed by heat even when the substrate temperature rises during etching by RIE, so that the wiring mainly composed of copper can be formed in a shape as designed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(A)〜(B)は、この発明の銅配線を形成す
る工程を説明するために供する工程図である。
FIG. 1A to FIG. 1B are process drawings provided for explaining a process of forming a copper wiring of the present invention.

【図2】(A)〜(C)は、図1に続く、この発明の銅
配線の形成方法を説明するために供する工程図である。
2A to 2C are process diagrams provided for explaining the method for forming a copper wiring according to the present invention, which is subsequent to FIG.

【図3】銅配線予備層部をアニール処理した後の結晶構
造を説明するためのX線回折曲線図である。
FIG. 3 is an X-ray diffraction curve diagram for explaining a crystal structure after annealing a copper wiring preliminary layer portion.

【図4】(A)〜(B)は、反り測定に用いる試料及び
その測定方法を説明するために供する図である。
4 (A) to (B) are diagrams provided for explaining a sample used for warpage measurement and a measuring method thereof.

【図5】(A)〜(B)は、アニール処理の有無と反り
量との関係を説明するために供する説明図である。
5A to 5B are explanatory diagrams provided for explaining the relationship between the presence or absence of annealing treatment and the amount of warpage.

【図6】(A)〜(B)は、アニール処理の有無による
銅膜剥れ状態をSEMで観察したときの模式図である。
FIGS. 6A to 6B are schematic views when observing a copper film peeling state with or without annealing treatment with an SEM.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:基板(Si基板) 12:SiO2 膜 13:下地 14、14a:Ti膜 16、16a:下側TiN膜 18、18a:Cu膜 20、20a:上側TiN膜 22、22a:NSG膜 23:銅配線予備層 24:レジストパターン 25:銅配線10: Substrate (Si substrate) 12: SiO 2 film 13: Underlayer 14, 14a: Ti film 16, 16a: Lower TiN film 18, 18a: Cu film 20, 20a: Upper TiN film 22, 22a: NSG film 23: Copper wiring preliminary layer 24: Resist pattern 25: Copper wiring

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下地上に下側バリア金属膜、銅膜及び上
側バリア金属膜を含む銅配線予備層を形成した後、該銅
配線予備層を前記上側バリア金属膜から前記下地面が露
出するまでエッチングして銅を主体とする配線を形成す
る方法において、 前記下地上に前記銅配線予備層を形成した後、該銅配線
予備層と前記下地とを含む構造体に対して、銅の再結晶
化温度よりも高い温度で、アニール処理を行うことを特
徴とする銅を主体とする配線の形成方法。
1. A copper wiring preliminary layer including a lower barrier metal film, a copper film and an upper barrier metal film is formed on a lower surface, and then the copper wiring preliminary layer is exposed from the upper barrier metal film to the underlying surface. In the method of forming a copper-based wiring by etching up to, a copper wiring preliminary layer is formed on the underlayer, and a copper re-deposition is performed on a structure including the copper wiring preliminary layer and the underlayer. A method for forming a wiring mainly composed of copper, which comprises performing an annealing treatment at a temperature higher than a crystallization temperature.
【請求項2】 請求項1に記載の銅を主体とする配線の
形成方法において、 前記アニール処理に用いるキャリアガスを水素(H2
と窒素(N2 )の混合ガスとすることを特徴とする銅を
主体とする配線の形成方法。
2. The method for forming a copper-based wiring according to claim 1, wherein the carrier gas used for the annealing treatment is hydrogen (H 2 ).
A method of forming a wiring mainly composed of copper, characterized in that a mixed gas of nitrogen and nitrogen (N 2 ) is used.
【請求項3】 請求項1に記載の銅を主体とする配線の
形成方法において、 前記銅配線予備層を構成する前記上側バリア金属膜上に
耐熱性を有する耐エッチングマスク層を形成することを
特徴とする銅を主体とする配線の形成方法。
3. The copper-based wiring forming method according to claim 1, wherein an etching resistant mask layer having heat resistance is formed on the upper barrier metal film that constitutes the copper wiring preliminary layer. A method for forming a wiring mainly composed of copper.
JP32221194A 1994-12-26 1994-12-26 Formation of wiring made mainly of copper Withdrawn JPH08181147A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5959359A (en) * 1996-09-05 1999-09-28 Nec Corporation Semiconductor device with a copper wiring pattern
KR100289655B1 (en) * 1998-06-30 2001-05-02 박종섭 Metal wiring formation method of semiconductor device
JP2008028225A (en) * 2006-07-24 2008-02-07 Ricoh Co Ltd Method of manufacturing semiconductor device

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