JPH11135498A - 半導体装置の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】配線溝への金属原子埋め込みのアニール温度を
低温化し、電気的機械的耐性に優れた微細金属配線形成
方法を提供する。 【解決手段】基板冷却や表面化学反応を利用して、埋め
込み時の金属材料の表面拡散を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は金属配線形成法に係
わり、その形成方法を用いた半導体製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術では、半導体素子の配線にはア
ルミニウムが主に使用されているが、超高性能素子を実
現するため低抵抗でエレクトロマイグレーション等の耐
性を有する配線の必要性から、現在、研究レベルにおい
て銅配線等の形成技術が検討されている。銅配線形成法
は大きく分けて２つあり、それらは銅薄膜からエッチン
グ技術により配線を作り出す方法と絶縁体に配線の溝や
穴を形成して銅を埋め込む方法がある。後者の方法がプ
ロセスの簡便性と微細加工可能なことから主流となって
いる。この方法では配線の溝や穴に銅を蒸着し、その
後、水素ガス雰囲気中で４００〜５００℃の高温アニー
ル（リフロー）することにより微細な溝や穴に金属を埋
め込んでいる。

【０００３】図１にリフロー技術による配線の形成方法
の実施例を示す。図１（ａ）でシリコン基板１上に絶縁
体２を形成し、配線溝３をエッチングにより作製する。
その後、図１（ｂ）に示すように配線溝に配線材料４を
埋め込む。余分な配線材料を化学的機械研磨方法によ
り、図１（ｃ）に示すように除去し、金属配線５を形成
する。最後に図１（ｄ）に示すように上部に絶縁膜６を
形成することにより一段の金属配線が形成され、同様に
上部に多層配線を形成し、素子が完成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、多
層配線においてデバイスの微細化に伴って顕著になる配
線抵抗の増大は電源線の電圧降下，信号遅延の原因とな
り、問題となっている。そのため、低抵抗化やエレクト
ロマイグレーション耐性の優れた配線材料が必要とな
る。さらに将来、低誘電率を有する有機系の層間絶縁膜
を使用する場合、配線埋め込みの低温化，短時間プロセ
ス等が必要となる。

【０００５】具体的な課題を図２に示す。図１（ｂ）の
金属配線埋め込みにおいて、配線溝や穴の幅が深さに対
して十分大きい場合は問題ないが、微細化を行う場合、
埋め込みが困難になる。

【０００６】図２（ａ）に断面図を示すが、指向性を揃
えた銅原子７を上部から配線溝を形成した絶縁膜２に蒸
着すると、蒸着していくに従い、図２（ｂ）に示すよう
に溝の上部両端が銅により狭まり、最後には図２（ｃ）
に示すように溝上部両端が完全に接続し空洞（ボイド）
を形成し埋め込みが不可能となる。また、銅の蒸着を図
２（ａ）で停止し基板温度を上げて銅をリフローさせて
も微細な溝や穴では図２（ｃ）に示すようにボイドがで
きてしまう。本発明の目的は、銅等の金属配線埋め込み
技術において、リフロー温度の低温化，大面積化や高生
産性に対する半導体製造方法、および、その装置を提案
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、図２に示す
ように配線溝等に金属原子を蒸着する際に溝等の上部両
端が狭まる現象は、蒸着が室温以上の基板温度で実施し
ているためであり、指向性の良い蒸着源を用いて基板温
度を冷却し、蒸着した金属材料の表面拡散を抑制するこ
とにより、ボイドができることなく配線埋め込みが可能
となる。これにより、リフローさせることなく低損傷で
低コストで配線形成ができる。

【０００８】また、リフロープロセスが必要な場合は、
水素原子による金属材料の原子レベルでの表面自己拡散
を促進させ、微細配線溝や穴に短時間に配線埋め込みを
行う。これは、配線金属材料に遷移金属等を微量混合
し、その遷移金属の触媒作用により水素分子を解離して
水素原子を金属材料表面上に作り、水素原子源等の供給
源を必要とすることなしに配線埋め込みが可能となる。
また、配線材料と遷移金属等の合金化によりエレクトロ
マイグレーション耐性等も向上する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明を実施例に基づき詳
細に説明する。

【００１０】（実施例１）本実施例では試料基板冷却法
を用いた銅スパッタ膜の配線埋め込み技術について具体
的に説明する。図３にその実施例を示す。シリコン基板
１上に形成された酸化シリコンにプラズマエッチングに
より配線溝２を作製した。その上に銅の内部拡散防止の
ためのＴｉＷ，Ｔａ，ＴｉＮ，ＷＮ，Ｗ等の高融点金属
やＳｉＮ等の窒化膜のバリア膜を形成し、そこに基板と
垂直方向から高指向性の蒸着源より銅のスパッタ膜４を
真空中で堆積させた。蒸着源は、コリメートスパッタ法
や長距離スパッタ法により指向性を向上させた。通常、
スパッタ法では堆積速度は早いが段差被覆性が悪くアス
ペクト比の高い溝や穴を充填するには図２で示したよう
なボイド形成の問題がある。

【００１１】本実施例では試料基板を底部から冷却し、
溝や穴の上部での銅の表面拡散を抑制しボイド形成が起
きることなしに配線埋め込みをすることができた。基板
冷却は冷却ステージ９の内部に冷却したヘリウムや窒素
ガスを流すことにより、大面積の基板を均一に短時間で
冷却を行うことができるようになっている。通常、スパ
ッタ法では埋め込み性を向上させるため、成膜後、リフ
ロー処理するが、本発明ではリフロープロセスを省略す
ることが可能となり低コスト，低損傷、さらに高生産性
を実現できた。

【００１２】本実施例では層間絶縁膜として酸化シリコ
ンを使用したが、リフロープロセスが不要であるため、
高温で損傷しやすい低誘電率を有する有機系の層間絶縁
膜も使用することが可能となった。本実施例では、銅材
料について述べたが、他のアルミニウム，銀，金，白
金，タングステン，タンタル，チタン等の金属、もしく
は合金についても同じ効果が得られた。

【００１３】（実施例２）実施例１においては銅スパッ
タだけにより埋め込みを実現したが、複雑な形状の配線
溝や穴の場合、指向性良くスパッタ膜を堆積させること
はできない。表面に水素原子を生成する触媒効果のある
遷移金属をつけることにより、配線金属材料の表面拡散
を促進させ、微細構造への埋め込み、さらに、そのリフ
ロー温度の低温化を実現することができる。その実施例
を図４に示す。

【００１４】図４（ａ）に示すようにシリコン基板１上
に形成された酸化シリコンにプラズマエッチングにより
配線溝２を作製した。その上に銅の内部拡散防止のため
のバリア膜を形成し、そこに基板と垂直方向から高指向
性の蒸着源より銅のスパッタ膜４を堆積させた。そこに
パラジウム微粒子１２を蒸着し、その後、水素ガス雰囲
気中でリフロー処理することにより微細な溝や穴に銅を
埋め込むことができた。水素分子はパラジウム微粒子上
で触媒作用により表面付近で効率良く解離され、水素原
子を生成した。水素原子は銅のスパッタ膜４と結合し、
原子レベルでの銅の表面自己拡散を促進させた。その結
果、図４（ｂ）に示すように３２０℃のリフロー温度で
配線溝を銅で埋め込むことができた。

【００１５】本実施例では層間絶縁膜として酸化シリコ
ンを使用したが、リフロー温度が低温化できるため、低
誘電率を有する有機系の層間絶縁膜を使用することも可
能となった。さらに、パラジウム微粒子を混入したた
め、銅配線金属の結晶粒界表面付近に銅とパラジウムの
合金ができ、銅配線に電流を流した際に問題となるボイ
ド（欠損）やヒロック（突起）の発生を抑制し、配線の
断線を防ぎ、配線の信頼性も向上させることができた。

【００１６】本実施例では遷移金属としてパラジウムを
用いたが、白金やニッケル等の他の遷移金属（周期表で
いう３Ａ〜７Ａと８族）でも同じ効果が得られた。特に
触媒効果の大きい白金，パラジウム，ニッケルは水素分
子解離効率が高く、配線の埋め込み性が良かった。ま
た、銅に対して固溶度の低いアンチモン，クロム，ジル
コニウム等の元素を合金化させた場合、配線の抵抗特性
やエレクトロマイグレーション耐性が良かった。本実施
例では高指向性のスパッタ蒸着源を使用したが、他の蒸
着源でも表面拡散促進効果により、微細な配線構造への
埋め込みも可能であった。

【００１７】また、本実施例では、配線材料として銅に
ついて述べたが、他のアルミニウム，銀，金，白金，タ
ングステン，タンタル，チタン等の金属、もしくは合金
についても同じ効果が得られた。

【００１８】（実施例３）（実施例２）では遷移金属の
蒸着は銅スパッタ膜を堆積後に行ったが、銅スパッタと
同時に遷移金属の蒸着を行うことにより、埋め込み性を
向上させ短時間に配線形成させることができる。その実
施例を図５に示す。

【００１９】銅のスパッタ源の蒸着材料にパラジウムを
１％混合し、シリコン基板１上の配線溝２に垂直方向か
ら高指向性の蒸着源より銅原子ビーム７とパラジウム原
子ビーム１３を同時に照射し銅のスパッタ膜４とパラジ
ウム１２を堆積させた。

【００２０】本実施例では遷移金属としてパラジウムを
用いたが、白金やニッケル等の他の遷移金属（周期表で
いう３Ａ〜７Ａと８族）でも同じ効果が得られた。図５
(ａ)から蒸着源を停止し、リフロー処理を施すことによ
り微細な配線埋め込みを実現できた。また、図５（ｂ）
に示すように銅，パラジウムの混合スパッタと同時に基
板温度をリフロー温度まで加熱し、スパッタしながらリ
フロー処理することにより、より微細形状の配線構造ま
で埋め込みを短時間に行うことができた。

【００２１】本実施例では高指向性のスパッタ装置によ
りパラジウムを蒸着しているため、微細な配線溝の底部
まで遷移金属が蒸着され、水素原子による銅の自己拡散
が微細溝まで促進することができた。本実施例では高指
向性のスパッタ蒸着源を使用したが、他の蒸着源でも表
面拡散促進効果により、微細な配線構造への埋め込みも
可能であった。

【００２２】また、本実施例では、配線材料として銅に
ついて述べたが、他のアルミニウム，銀，金，白金，タ
ングステン，タンタル，チタン等の金属、もしくは合金
についても同じ効果が得られた。

【００２３】（実施例４）（実施例１〜３）では原理的
な説明であったが、図６に真空装置内に組み込んだ実施
例を示す。

【００２４】装置の基本構成は、基板１４が真空装置１
５内にゲートバルブ１６を介し導出入ができる枚葉式の
形式を取っている。真空装置１５内には基板の回転およ
び冷却加熱機構を持つ基板ステージ１７が真空装置内移
動機構１８に設置されている。この基板ステージ１７と
移動機構１８はステージ制御装置１９で制御され、中央
制御装置２３と接続し、蒸着速度や埋め込み量等の情報
を総合的に制御している。

【００２５】高指向性のスパッタ蒸着源２１は、コリメ
ートスパッタ法や長距離スパッタ法を用いており、蒸着
源はスパッタ制御装置２２で蒸着速度を調整し、中央制
御装置２３に接続されている。（実施例２，３）で用い
た遷移金属等の蒸着源２４は真空装置内に設置され、蒸
着制御装置２５でコントロールし、中央制御装置２３に
接続されている。また、遷移金属蒸着を銅スパッタと同
時に行うときは、スパッタ蒸着源２１内の銅ターゲット
基板にパラジウムを１％と付加したものを使用した。本
実施例では遷移金属としてパラジウムを用いたが、白金
やニッケル等の他の遷移金属（周期表でいう３Ａ〜７Ａ
と８族）でも同じ効果が得られた。

【００２６】埋め込み量の確認は真空装置１５の覗き窓
１６を通してヘリウムネオンレーザー光源２７からレー
ザー光を埋め込み中の基板１４に照射し、反射してきた
レーザー光を覗き窓１６を通してレーザー強度検出装置
２８で測定した。反射率の違いから埋め込み性を無損傷
で且つ実時間で判断し、その情報を中央制御装置２３に
送り、蒸着量や基板回転移動速度および基板温度を総合
的に判断し歩留り率を向上させることができた。

【００２７】本実施例では枚葉式の基板搬送方式を取っ
ているが、バッチ式でも同じ効果が得られた。微細配線
溝が比較的簡単な場合は、（実施例１）で説明した基板
冷却方式を採用し高生産性を実現できた。複雑な場合
は、（実施例２，３）の表面拡散促進方式を使い、銅配
線の埋め込みを行った。また、基板冷却方式と表面拡散
促進方式を本実施例装置内で両方を組み合わせて行うこ
とにより、最適な生産性，埋め込み性を確保した銅配線
形成を実現できた。

【００２８】

【発明の効果】従来技術ではリフロー温度を下げるため
の対策は、研究開発レベルでいろいろ考案されている
が、決定的な解決策はない。遷移金属等の同時蒸着によ
る発明では従来の水素分子より反応効率が３桁以上高い
水素原子を表面上で効率良く形成し、表面触媒反応を利
用した理想的なものである。また、遷移金属等との合金
化により電気的機械的耐性が増加することも有効であ
る。一方、冷却しながら配線金属材料を高指向性の蒸着
源により埋め込む発明は、リフロー技術を必要としなく
経済性，高生産性等に優れており、微細で簡単な配線構
造には非常に有効である。さらに本発明の適用によっ
て、ギガビット級ＬＳＩプロセス技術開発の進展や表面
反応利用の新分野の構築が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】通常のリフロー法による銅配線形成を示す斜視
図。

【図２】銅の埋め込み時の問題点を示す概略断面図。

【図３】基板冷却法による銅配線の埋め込み方法を説明
する概略断面図。

【図４】遷移金属を用いた表面拡散促進法による銅配線
の埋め込みを示す概略断面図。

【図５】銅と遷移金属の同時蒸着による銅配線の埋め込
みを示す概略断面図。

【図６】銅の埋め込み装置を示す概略構成図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…層間絶縁膜、３…配線溝、４…
配線材料、５…金属配線、６…絶縁膜、７…銅原子ビー
ム、８…ボイド、９…冷却ステージ、１０…冷却ガス、
１１…冷却ガス、１２…遷移金属、１３…パラジウム原
子ビーム、１４…基板、１５…真空容器、１６…ゲート
バルブ、１７…回転機構および加熱冷却ステージ、１８
…移動機構、１９…ステージ制御装置、２０…蒸着ビー
ム、２１…スパッタ蒸着源、２２…スパッタ制御装置、
２３…中央制御装置、２４…蒸着源、２５…蒸着制御装
置、２６…覗き窓、２７…レーザー光源、２８…レーザ
ー強度検出装置。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体プロセスにおける金属配線形成等の
   手法において、試料基板を冷却することにより、銅もし
   くはアルミニウム，銀，金，白金，タングステン，タン
   タル，チタン等の金属原子やそれらの合金分子の拡散速
   度を抑制し、配線溝もしくは穴に金属を埋め込み、金属
   配線を低温，短時間で形成することを特徴とする半導体
   装置の製造方法。
2. 【請求項２】半導体プロセスにおける金属配線形成等の
   手法において、白金，パラジウム等の遷移金属の触媒作
   用を使い試料基板上で水素原子を供給することにより、
   銅もしくはアルミニウム，銀，金，白金，タングステ
   ン，タンタル，チタン等の金属原子やそれらの合金分子
   の拡散速度を促進し、配線溝もしくは穴に金属を埋め込
   み、金属配線を低温，短時間で形成することを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】請求項２の方法において、白金，パラジウ
   ム等の遷移金属と配線溝もしくは穴用の金属蒸着を同時
   に行うことで、金属配線形成プロセスの時間および膜質
   を制御することを特徴とする請求項２記載の半導体装置
   の製造方法。
4. 【請求項４】複雑で微細な金属配線形成プロセスを制御
   するため、請求項１と請求項３の方法を両方組み合わせ
   たことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】請求項４において、レーザーの反射強度を
   測定することにより、金属配線の埋め込み過程を観測し
   埋め込み量を制御することを特徴とする半導体装置の製
   造方法。