JPH1074761A

JPH1074761A - 銅配線製造方法

Info

Publication number: JPH1074761A
Application number: JP24926696A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Takahashi; 誠一高橋; Masaaki Murata; 真朗村田; Toshio Kusumoto; 淑郎楠本
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-17
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JP3547027B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ボイドのない銅配線が得られる銅配線製造方法
を提供する。【解決手段】基板１０上に形成された凹部１３₁、１
３₂内を銅材料で充填して銅配線を形成する際、絶縁膜
１２上での銅薄膜１６の等方的な成長を開始した後、凹
部１３₁、１３₂側面に形成された銅薄膜１６が互いに接
触する前にその成長を停止させ、次いでアニール処理を
行う。銅薄膜１６の成長の際には凹部１３₁、１３₂内に
は閉塞した空間が形成されていないので、アニール処理
による銅薄膜１６の流動化によって周囲の銅材料が凹部
１３₁、１３₂内に引き込まれ、銅材料で充填することが
できる。銅薄膜の等方的な成長にはＣＶＤ法を用いると
よい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁膜表面の微細
な凹部に銅材料を充填して銅配線を形成する技術にかか
り、特に、銅配線中にボイドが形成されない銅配線製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体集積回路では、加工の容易
性等から、主にアルミニウム(Ａｌ)を主成分とする電極
配線材料が使用されている。

【０００３】しかし、アルミニウムで構成した電極配線
では、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレ
ーションに対する耐性が弱いため、半導体集積回路の微
細化が進むに連れ、不良が多発して問題となっている。

【０００４】そこで従来より、アルミニウムを主成分と
する電極配線材料に替え、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に対する耐性が高いタング
ステン(Ｗ)やモリブデン(Ｍｏ)を用いることが提案され
ている。しかし、それらの材料はアルミニウムに比較し
て抵抗値が大きいため、微細な配線パターンに適用した
場合には、大きな電圧降下による信号遅延が新たな問題
として生じている。

【０００５】その解決のため、抵抗値が小さく、しかも
エレクトロマイグレーション耐性やストレスマイグレー
ション耐性に優れた銅(Ｃｕ)を電極配線材料として用い
ることが検討されており、種々の銅配線製造方法が提案
されている。

【０００６】そのような、銅配線製造方法のうち、ＣＭ
Ｐ法(化学的機械研磨法)を用いた従来技術の方法の工程
を説明する。

【０００７】図８(ａ)〜(ｅ)を参照し、符号１０８は配
線対象物であり、基板１１０とその上に成膜された絶縁
膜１１２上とを有しており、その絶縁膜１１２表面に
は、ドライエッチング法によって凹部１１３₁、１１３₂
が形成されている(同図(ａ))。

【０００８】先ず、この配線対象物１０８に対し、拡散
防止膜(バリアメタル)１１４を全面成膜し(同図(ｂ))、
ＣＶＤ法を用いて銅薄膜１１６を形成する(同図(ｃ))。
このとき、反応条件を適切に設定し、拡散防止膜１１４
の表面上で銅を等方的に成長させ、凹部１１３₁、１１
３₂内を、銅薄膜１１６を構成する銅材料で充填させ
る。

【０００９】しかし、ＣＶＤ法の反応条件の微妙な相違
等により、銅薄膜１１６表面は滑らかにならず、突起や
窪みが生じてしまう(同図(ｃ))。特に、高アスペクト比
の凹部１１３₁内では、側面から成長した銅薄膜１１６
表面の突起同士が接触した場合、その部分１２１で銅薄
膜１１６が閉じ、閉塞した空洞１２２が生じてしまう。

【００１０】かかる事態が生じた場合には、そのような
空洞１２２に対しては、ＣＶＤ法による反応をそれ以上
進めても閉塞した空洞１２２内には銅薄膜は成長しない
ため、凹部１１３₁内を銅材料によって完全に充填する
ことができなくなる(同図(ｄ))。

【００１１】そして、銅薄膜１１６表面をＣＭＰ法によ
って研磨した場合には、凹部１１３₁、１１３₂内に形成
される銅配線１２５₁、１２５₂のうち、空洞のない方の
凹部１１３₂内の銅配線１２５₂は銅材料で充填される
が、空洞１２２のある方の凹部１１３₁内の銅配線１２
５₁では、その内部にボイド１２６が形成されてしま
う。

【００１２】銅配線１２５₁内のボイド１２６は、配線
を高抵抗にする他、断線等の種々の不良を引き起こす原
因となり、特性や信頼性を低下させるため、その解決が
望まれていた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の不都合を解決するために創作されたもので、その目
的は、ボイドのない銅配線が得られる技術を提供するこ
とにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明方法は、基板上に形成され、凹
部が設けられた絶縁膜上に銅薄膜を形成し、前記凹部を
銅材料で充填する銅配線製造方法において、前記銅薄膜
の等方的な成長を開始した後、前記凹部側面に形成され
た前記銅薄膜が互いに接触する前にその成長を停止さ
せ、次いで熱処理を行って前記銅薄膜を流動化させるこ
とを特徴とする。

【００１５】この場合、前記銅薄膜の成長には、請求項
２記載の発明のように、ＣＶＤ法を用いることができ
る。

【００１６】それら請求項１又は請求項２のいずれか１
項記載の銅配線製造方法については、請求項３記載の発
明のように、前記銅薄膜と前記絶縁膜との間に拡散防止
膜を設けることが望ましい。

【００１７】また、請求項１乃至請求項３のいずれか１
項記載の銅配線製造方法の熱処理については、請求項４
記載の発明のように、６００℃以下の温度で行うことが
できる。

【００１８】このような請求項１乃至請求項４のいずれ
か１項記載の銅配線製造方法については、請求項５記載
の発明のように、前記凹部内に充填された銅材料を残
し、他の部分の銅材料を化学的機械研磨法で除去し、前
記凹部内に充填された銅材料で銅配線を形成することが
できる。

【００１９】一般に、銅薄膜の成長状態には、等方的な
成長と非等方的な成長とがあるが、金属薄膜の形成に広
く用いられているスパッタリング法では、非等方的な成
長によって薄膜が形成されるため、凹部内をスパッタリ
ング法により堆積させた銅薄膜によって充填しようとし
た場合、凹部の開口端にはオーバーハングが生じ、高ア
スペクト比の凹部ではその部分が閉塞してしまう場合が
ある。

【００２０】他方、ＣＶＤ法では、低温での成長反応は
等方的であり、高温での成長反応は非等方的であること
が知られている。図３に、銅薄膜の成長速度Ｓを縦軸、
基板温度Ｔ(Ｋ)の逆数(１０００／Ｔ)を横軸にとり、Ｃ
ＶＤ法における基板温度Ｔと銅薄膜の成長速度Ｓの関係
を示す。低温における成長は反応律速であり、充満した
原料ガスが表面に均一に吸着されて銅が生成するため、
等方的な成長となる。高温における反応は、表面に飛来
した原料ガスが表面に付着したところで銅が成長するた
め、付着しやすい位置の成長速度が速くなり、非等方的
になる。

【００２１】このような非等方的成長により形成される
オーバーハング等の問題は、アルミニウムスパッタ薄膜
の場合では、４００℃〜４５０℃という低温での熱処理
を行うことにより、アルミニウム薄膜を流動化させ、薄
膜内部に形成された空洞をアルミニウム材料で充填する
ことで解決されている(リフロー技術)。

【００２２】ところが、スパッタリング法によって形成
された銅薄膜の場合には、加熱によるアニール処理を行
っても容易に流動化せず、リフロー技術を適用できな
い。

【００２３】しかしながら本発明の発明者等は、ＣＶＤ
法により等方的(コンフォーマル)に成長した銅薄膜を加
熱した場合、６００℃以下の低温で容易に流動化するこ
とを見出した。このような流動化を生じさせれば、アル
ミニウム薄膜の場合と同様、銅薄膜内の空洞も銅材料で
充填し、ボイドのない銅配線を形成できると期待され
た。

【００２４】そこで、凹部を有する絶縁膜表面に従来の
ＣＶＤ法によって銅薄膜を形成し、次いでアニール処理
(熱処理)を行ったが、銅薄膜内部にあった空洞は銅材料
で充填されず、銅配線内にボイドが残った。

【００２５】そのボイドが残った銅薄膜の断面ＳＥＭ写
真(溝幅０．４μｍ、高さ１．０μｍ)を、熱処理前を図
４(ａ)に、熱処理後を同図(ｂ)に示す。

【００２６】ところで、ＣＶＤ法により凹部内に銅薄膜
を等方的に成長させた場合には、理論的には凹部内は銅
薄膜で充填されるはずである。実際の銅薄膜の場合に空
洞が生じる原因は、ＣＶＤ法により形成した銅薄膜の表
面が滑らかでなく、凹部側面に形成された銅薄膜同士
が、その表面の突起部分で互いに接触してしまうためで
あり、その部分で銅薄膜が閉塞すると空洞が形成されて
しまう(同図(ａ)のＳＥＭ写真)。

【００２７】そのような銅薄膜を熱処理(アニール処理)
によって流動化させても、基板表面の同薄膜は平坦化す
るものの、一旦銅薄膜内に形成された空洞は、小さなも
のが集まって大きくはなるが、消滅しない場合がある
(同図(ｂ)のＳＥＭ写真)。従って、銅薄膜の場合、単に
流動化させるだけではボイドのない銅配線を形成するた
めには不十分であり、上述の本発明の構成のように、基
板上に形成された絶縁膜表面の凹部内で銅薄膜を等方的
に成長させる際、凹部側面に形成された銅薄膜が互いに
接触する前に成長を停止させ、凹部内の銅薄膜が空洞を
形成しないようにして、熱処理(アニール処理)を行う必
要がある。

【００２８】この場合、凹部の上端は開放されており、
加熱により流動化した凹部周囲の銅薄膜が凹部内に流れ
込むので凹部内が銅材料で充填され、ボイドのない銅配
線を形成することが可能となる。

【００２９】このような本発明方法により形成した銅薄
膜のアニール処理前の断面ＳＥＭ写真を図５(ａ)に、ア
ニール処理後の断面ＳＥＭ写真を同図(ｂ)に示す。この
ＳＥＭ写真の銅薄膜は、ＣＶＤ法によって基板温度１７
０℃で成長させ、凹部側面の銅薄膜が接触する前に成長
を停止させ、４００℃でアニール処理を行ったものであ
る。図５(ａ)、(ｂ)のＳＥＭ写真から観察される通り、
本発明によれば、凹部内をボイドのない銅材料で充填で
きることが分かる。

【００３０】以上のように形成した銅薄膜は凹部外の絶
縁膜上に残っているため、ＣＭＰ法やその他のエッチン
グ法、研磨法を用い、絶縁膜上の銅薄膜を除去すると、
凹部内にだけ銅材料が残り、銅配線を形成することがで
きる。なお、銅は拡散しやすいため、予め基板上に拡散
防止膜を形成し、その後ＣＶＤ法によって銅薄膜を形成
するとよい。

【００３１】次に、図６(ａ)、(ｂ)に、幅０．４〜０．
７μｍ、高さ１．０μｍの細溝を凹部とし、本発明方法
を用いて形成した銅薄膜の断面ＳＥＭ写真を示す。同図
(ａ)は熱処理前であり、幅０．４μｍの溝の側面に形成
された銅薄膜が互いに接触する前に成長を停止させた場
合の０．４〜０．７μｍの溝の状態が示されている。同
図(ｂ)はその状態から熱処理を行った後の断面ＳＥＭ写
真である。この図６(ａ)、(ｂ)の凹部概略形状と寸法
を、図７(ａ)、(ｂ)にそれぞれ対応させて示す。

【００３２】細溝の幅が広くなると銅薄膜の成長不足が
観察される。従って、小電流を流す細い銅配線の他、大
電流を流す銅配線も必要な場合には、小電流を流す銅配
線を形成するための細溝を複数本並列にし、電流を分散
させるようにすればよい。例えば、最も幅が狭い細溝が
幅０．４μｍである場合に、その細溝に形成される銅配
線に流す電流の倍の電流を流す銅配線が必要なときに
は、０．４μｍの細溝を２本形成し、幅０．４μｍの銅
配線を２本並列に用いるようにすればよい。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を用い
て説明する。図１(ａ)〜(ｄ)は、本発明の銅配線製造方
法の一例の工程図であり、図１(ａ)の符号８は配線対象
物を示している。

【００３４】この配線対象物８は、シリコン単結晶から
成る基板１０と、その基板１０表面に形成された膜厚
１．０μｍのシリコン酸化膜から成る絶縁膜１２とを有
しており、絶縁膜１２表面には、幅０．３５〜０．７μ
ｍの細溝形状の凹部が、底部に基板１０表面が露出しな
いようにして設けられている。符号１３₁で幅０．４μ
ｍの細溝形状の凹部を、符号１３₂で幅０．６μｍの細
溝形状の凹部を示す。

【００３５】先ず、その配線対象物８をスパッタリング
装置(図示せず)内に搬入し、ＴｉＮターゲットをスパッ
タリングし、絶縁膜１２表面に膜厚７００Åの窒化チタ
ン(ＴｉＮ)薄膜から成る拡散防止膜１４を形成した(同
図(ｂ))。その拡散防止膜１４は、凹部１３₁、１３₂の
側面にも形成されている。次いで、拡散防止膜１４が形
成された配線対象物８を、図２の符号５２で示す銅薄膜
製造装置の搬出入室６１内に納めた。

【００３６】この銅薄膜製造装置５２は、搬送室６０を
中心として、その周囲に搬出入室６１と、ＣＶＤ室６２
と、アニーリング室６３とが配置されて構成されてお
り、搬出入室６１内に配線対象物８を納めた後、真空状
態にし、搬送室６０内に配置された搬送ロボット７１の
アーム７２上に乗せてＣＶＤ室６２内へ搬送した。

【００３７】ＣＶＤ室６２内に、銅・ヘキサフルオロア
セチルアセトン・ビニルトリメチルシラン(Hexafluoroa
cetylacetonate Cu(I) vinyltrimetylsilane)([Cu(hfa
c)(vtms)]と略す)を主成分とする原料ガスを導入し、基
板温度１７０℃、成膜圧力１．０Torr、水素キャリア流
量６００sccm、原料ガス[Cu(hfac)(vtms)]供給量０．５
ｇ／分の成膜条件によってＣＶＤ法による銅の成長を行
い、銅薄膜１６を形成した。

【００３８】その成膜条件によれば、銅は等方的に成長
するので、５分間の成長により、凹部１３₁、１３₂内部
表面や絶縁膜１２表面に膜厚約１０００Åの均一な膜厚
の銅薄膜１６が形成された。

【００３９】一般に、溝幅をＷ、膜厚をＤとした場合、
膜厚Ｄが次式、Ｄ＜Ｗ／２を満たせば、溝内部の側面に形成された銅薄膜は互いに
接触しないが、ＣＶＤ法により形成した銅薄膜表面は凹
凸があるため、銅薄膜同士が確実に接触しないようにす
るためには、Ｗ／２よりも小さめにし、凸部同士が接触
しないようにしておく必要がある。

【００４０】上記ＣＶＤ条件により成長した銅薄膜１６
の膜厚は１０００Åであり溝幅は０．４μｍであるか
ら、銅薄膜１６は上式を満たしており、銅薄膜その突起
も含めて表面同士は接触していなかった。

【００４１】次いで、銅薄膜１６が形成された配線対象
物８をアーム７２によってＣＶＤ室６２からアニーリン
グ室６３に搬送し、そのアニーリング室６３内を水素雰
囲気にして基板温度４００℃でアニール処理(熱処理)を
１０分間行った。

【００４２】そのアニール処理によって銅薄膜１６は流
動化し、凹部１３₁、１３₂内は銅配線１６を構成する銅
材料で充填された(同図(ｄ))。その表面をＣＭＰ法等の
方法で研磨したところ、凹部１３₁、１３₂内に、ボイド
の無い銅配線が得られた。

【００４３】以上は絶縁膜中に形成した凹部１３₁、１
３₂が細溝形状の場合について説明したが、凹部の形状
はそれに限定されるものではない。また、凹部１３₁、
１３₂底面の拡散防止膜１４下には絶縁膜１２があり、
拡散防止膜１４と基板１０表面とは接触していなかった
が、基板表面が露出するコンタクトホールや、下層の金
属配線の表面が露出するビアホールに対しても、必要に
応じて拡散防止膜を形成した後、本発明方法を適用して
銅配線を形成することができる。

【００４４】その拡散防止膜は、上記実施例ではＴｉＮ
薄膜を用いたが、本発明に用いることができる拡散防止
膜はそれに限定されるものではない。拡散防止膜として
は、絶縁膜や酸化膜中への銅の拡散を防止できる薄膜
で、例えば、ＴｉＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ等の高融点金属
や、それら高融点金属の化合物を用いることができる。
それらの単層膜で拡散防止膜を構成してもよく、多層膜
を形成して拡散防止膜を構成してもよい。拡散防止膜の
形成は、スパッタリング法に限定されず、ＣＶＤ法等の
種々の薄膜形成方法を用いることができる。

【００４５】また、本発明に言う絶縁膜はシリコン酸化
膜に限定されるものではなく、窒化シリコン膜等各種の
絶縁性の薄膜が含まれる。基板についてもシリコン基板
に限定されるものではない。銅薄膜や銅材料について
は、銅を主成分とする金属薄膜や金属材料を広く含む。
例えば、ＣＶＤ法によって銅薄膜を成長させる際、他の
金属を含有するガスを添加し、特性を改善させた銅薄膜
や、その銅薄膜の流動化によって凹部内に充填された銅
材料も含まれる。

【００４６】そのような銅薄膜を形成するＣＶＤ法につ
いては、基板温度を１７０℃にする場合に限定されるも
のではないが、本実施例に用いた銅薄膜の原料ガスで
は、高温になると成膜反応が供給律速状態となり、等方
的な銅薄膜の成長を行えなくなるので、１８０℃以下の
基板温度でＣＶＤ法を行うことが望ましい。

【００４７】銅薄膜のアニール処理の温度については、
上述した４００℃に限定されるものではない。高温で行
った場合、アニール処理を短時間で終了させることがで
きるので、コスト面からは望ましいが、絶縁膜や基板中
に銅が拡散しない温度で行う必要がある。拡散防止膜と
してＴｉＮを用いた場合、６００℃を超える温度になる
とバリア性が低下してしまうので、その温度以下にする
必要がある。但し、ＴｉＮ膜等の拡散防止膜は、膜質に
よっては６００℃以下の温度でバリア性が低下してしま
う場合もあるため、アニール処理の温度範囲としては３
００℃以上４５０℃以下が実用的である。

【００４８】そのようなアニール処理を行う際の雰囲気
については、必ずしも水素ガス雰囲気に限定されるもの
ではない。例えば真空中で加熱するだけでも銅薄膜を流
動化させることができる。

【００４９】なお、上記実施例では、ＣＭＰ法による表
面研磨を行う場合について説明したが、凹部内の銅材料
を残して絶縁膜表面の銅薄膜を除去できる研磨法、エッ
チング法を広く用いることができる。

【００５０】

【発明の効果】高アスペクト比の凹部内を銅材料で充填
できる。銅配線の中にボイドがなくなるので、信頼性の
高い銅配線を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例の製造工程を説明するための図

【図２】その製造工程に用いることができる銅薄膜製
造装置の一例

【図３】銅薄膜の成長温度と成長速度の関係を説明す
るための図

【図４】(ａ)：幅０．４μｍ、高さ１．０μｍの溝に対
して従来技術により形成した銅薄膜の断面ＳＥＭ写真 (ｂ)：その銅薄膜のアニール処理後の断面ＳＥＭ写真

【図５】(ａ)：幅０．４μｍ、高さ１．０μｍの溝に対
して本発明方法を適用した場合の、銅薄膜のアニール処
理前の状態を示す断面ＳＥＭ写真 (ｂ)：そのアニール処理後の断面ＳＥＭ写真

【図６】(ａ)：幅０．４〜０．７μｍ、高さ１．０μｍ
の溝に本発明方法を適用した場合の銅薄膜のアニール処
理前の断面ＳＥＭ写真 (ｂ)：そのアニール処理後の断面ＳＥＭ写真

【図７】(ａ)：図６(ａ)の溝幅を説明するための図 (ｂ)：図６(ｂ)の溝幅を説明するための図

【図８】(ａ)〜(ｄ)：従来技術の銅配線製造方法の工程
を説明するための図

【符号の説明】

１０……基板１２……絶縁膜１３₁、１３₂……
凹部１４……拡散防止膜１６……銅薄膜

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【手続補正書】

【提出日】平成８年１１月８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】（ａ）〜（ｅ）：従来技術の銅配線製造方法の
工程を説明するための図

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成され、凹部が設けられた絶
縁膜上に銅薄膜を形成し、前記凹部を銅材料で充填する
銅配線製造方法において、前記銅薄膜の等方的な成長を開始した後、前記凹部側面に形成された前記銅薄膜が互いに接触する
前にその成長を停止させ、次いで熱処理を行って前記銅薄膜を流動化させることを
特徴とする銅配線製造方法。
【請求項２】前記銅薄膜の成長にＣＶＤ法を用いるこ
とを特徴とする請求項１記載の銅配線製造方法。
【請求項３】前記銅薄膜と前記絶縁膜との間に拡散防
止膜を設けることを特徴とする請求項１又は請求項２の
いずれか１項記載の銅配線製造方法。
【請求項４】前記熱処理を６００℃以下の温度で行う
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項
記載の銅配線製造方法。
【請求項５】前記凹部内に充填された銅材料を残し、
他の部分の銅材料を化学的機械研磨法で除去し、前記凹
部内に充填された銅材料で銅配線を形成することを特徴
とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の銅配
線製造方法。