JPH11186383A - 半導体装置の製造方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置の製造方法とその装置に係り、特
に、金属配線を有する半導体装置における金属配線の形
成方法とその形成装置に関する。 【解決手段】 半導体基板１の上の絶縁膜２に設けられ
たホールや配線溝３に、その上部に形成された金属膜４
にレーザ光Ｌを照射して溶融し、ホールや配線溝３を正
確に埋め込む際に、金属膜４の変化に対応してレーザエ
ネルギーを調整するようにしたので、適正なレーザ照射
エネルギーで金属膜４を照射することが出来る。従っ
て、例え金属膜４の膜厚にばらつきがあっても、常に良
好な埋め込みが出来るため、高集積度の半導体装置が形
成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属配線を有する
半導体装置の製造方法とその装置に係り、特に、Ｃｕ配
線を有する半導体装置におけるＣｕ配線の形成方法とそ
の形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の配線としては主とし
てＡｌが使用されているが、近年、特に超微細化パター
ンで超高速動作が要求される半導体装置においては、配
線の微細化に伴う電流密度の増大や配線抵抗の増大のた
めに、エレクトロマイグレーションが起こり配線が流動
して断線してしまう問題や配線での遅延信号伝達時間の
増大による動作速度の低下が懸念されている。

【０００３】そのため、エレクトロマイグレーション耐
性が高く、Ａｌより電気抵抗の低いＣｕやＡｇの配線が
使用されはじめている。特に安価なＣｕは多く利用され
はじめている。

【０００４】Ｃｕ配線を形成する際は、ＣｕはＡｌに比
して蒸気圧が低い化合物が無いため、ドライエッチング
が難しいため埋め込み構造の配線が用いられることが多
い。

【０００５】埋め込み構造の配線形成方法として通常用
いられるのが、スパッタリングによりパターン形成され
た絶縁膜上にＣｕ膜を形成し、そのＣｕ膜にエキシマレ
ーザを照射してＣｕ膜を溶融させてホールや配線溝の中
に埋め込むレーザメルト法がである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のレーザメルト法
では、Ｃｕ膜を溶融させてＣｕを埋め込もうとするホー
ルや溝の大きさが小さく深くなると溶融Ｃｕの流動性が
低下し、Ｃｕの溶融時間不足による埋め込み不良が生じ
てくる。この埋め込み性の低下に伴う埋め込み不良を補
うために、より高いレーザエネルギーをＣｕ膜に照射し
てＣｕの溶融時間を長く保つ必要が生じてくる。Ｃｕの
ホールや溝への埋め込みはＣｕが液相の状態でのみ成立
するもので、温度を２５７０℃以上にするとＣｕは蒸発
していまい、埋め込みは成立しない。

【０００７】また、Ｃｕの溶融点である１０８３℃以下
ではＣｕは固相状態なので流動が起こらないため埋め込
みは成立しない。従って、図６において２本の直線の間
の条件のときが液相になりこの状態でのみ埋め込みが成
立する。

【０００８】その結果、埋め込みを行うことの出来るレ
ーザエネルギーの範囲は図６に示すように狭くなる。

【０００９】このようにレーザパルスを照射しＣｕを溶
融させる場合、レーザ照射エネルギーに対しＣｕの溶融
時間と最高到達温度は１対１の比例関係となるため、照
射できるレーザエネルギー密度の上限は、Ｃｕの沸騰気
化温度までとなり埋め込むホールの大きさの限界が、埋
め込む金属の物理定数で決定されてしまうという問題が
ある。

【００１０】また、Ｃｕを溶融させるレーザの適正エネ
ルギー値は、図６で示すようにＣｕの膜厚で決定される
ため、埋め込みを行うレーザの適正エネルギー値も１０
８３℃の直線と２５７０℃の直線に挟まれた範囲内とな
る。

【００１１】また、ホールや溝の大きさが小さく深くな
ると埋め込みを行うレーザエネルギーの適正範囲は、Ｃ
ｕ溶融範囲の上方のみへと狭くなってくる。これに加え
て図７に示すようにウエハの面内でレーザエネルギーの
適正値が異なり、ホールや溝への埋め込み率が低下する
という問題がある。

【００１２】本発明はこれらの事情に鑑みなされたもの
で、半導体基板上の絶縁膜に形成されたホールや溝に金
属を溶融させて所望の金属配線を得るにあたって、ウエ
ハ面内の金属膜の膜厚の変化に対応して、照射するレー
ザエネルギーを調整するようにして、ウエハの膜厚が変
化してばらつきが生じている場合でも、常に適正なレー
ザエネルギーを与えることを可能にし、ウエハ全面のホ
ールや溝の全てに正確に金属を埋め込むことを目的とし
ている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板上の絶縁膜に形成されたホール及び溝に堆積された
金属膜にレーザ光を照射して溶融させ、前記ホール及び
溝を埋め込む埋め込み工程を有する半導体装置の製造方
法において、前記埋め込み工程は、前記金属膜の膜厚の
変化に応じて前記レーザ光の照射エネルギーを調整する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法にある。

【００１４】また本発明によれば、前記レーザ光の照射
エネルギーの調整は、レーザ光の発振パルス毎に行うこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法にある。

【００１５】また本発明によれば、前記レーザ光の照射
エネルギーの調整は、光強度減衰手段へのレーザ光の入
射角度を変化させることによりレーザ光の透過光量を可
変させることを特徴とする半導体装置の製造方法にあ
る。

【００１６】また本発明によれば、前記レーザ光の入射
角度を変化させる手段は、ガルバノスキャナを用いるこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法にある。

【００１７】また本発明によれば、前記金属膜の膜厚の
測定は、半導体基板の密度と表面積から厚さを非接触で
測定することを特徴とする半導体装置の製造方法にあ
る。

【００１８】また本発明によれば、半導体基板上の絶縁
膜に形成されたホール及び溝に堆積された金属膜にレー
ザ光を照射して溶融させ、前記ホール及び溝を埋め込む
埋め込み手段を有するる半導体装置の製造装置におい
て、前記埋め込み手段は、前記金属膜の膜厚の変化に応
じて前記レーザ光の照射エネルギーを調整することを特
徴とする半導体装置の製造装置にある。

【００１９】また本発明によれば、前記レーザ光の照射
エネルギーの調整は、レーザ光の発振パルス毎に行うこ
とを特徴とする半導体装置の製造装置にある。

【００２０】また本発明によれば、前記レーザ光の照射
エネルギーの調整は、レーザ光の入射角度を変化させる
手段によりレーザ光の透過光量を可変させることを特徴
とする半導体装置の製造装置にある。

【００２１】また本発明によれば、前記レーザ光の入射
角度を変化させる手段は、ガルバノスキャナを用いるこ
とを特徴とする半導体装置の製造装置にある。

【００２２】また本発明によれば、前記金属膜の膜厚の
測定は、半導体基板の密度と表面積から厚さを非接触で
測定することを特徴とする半導体装置の製造装置にあ
る。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について金属膜としてＣｕを例に説明する。

【００２４】図１は、本発明の半導体装置の製造方法に
おける製造工程毎のウエハの断面構造を示している。

【００２５】すなわち、図１（ａ）〜ａ（ｅ）に示すよ
うに、例えば、まず、図１（ａ）のようにシリコンの基
板１の上に形成された絶縁膜２に配線溝３を形成する。
次に、図１（ｂ）に示すように、スパッタリングによっ
て絶縁膜２上に厚さが０．３μｍのＣｕ膜４を形成す
る。次に、図１（ｃ）に示すように、Ｘｅ−Ｃｌエキシ
マレーザをＣｕ膜４の一部に照射して溶融させることに
より配線溝３の内部にＣｕを埋め込む。その際、Ｃｕの
融点は１０８３℃でレーザ光Ｌの照射温度は１１００℃
程度である。

【００２６】これにより照射処理の雰囲気中に含まれる
Ｈ２ＯやＯ２にやＣＯ２によってＣｕが部分的に酸化し
て、Ｃｕ酸化物（ＣｕやＣｕ２Ｏ）を含んだ高抵抗の変
質層が形成されても、レーザエネルギーで加熱されて還
元反応を起こし除去される。

【００２７】次に、図１（ｄ）に示すように、化学的機
械的研磨技術（ＣＭＰ法）により配線溝３の内部のＣｕ
配線５を残して、それ以外の絶縁膜２の上のＣｕ膜４を
研磨・除去する。

【００２８】次に、図１（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法
により基板１の上の全面に層間絶縁膜６を形成する。こ
の際のＣＶＤ処理の温度は約３５０℃で、処理雰囲気中
における還元性ガスの酸化性ガスに対する分圧比を所定
値に制御した状態でＣＶＤ処理を行う。

【００２９】その後は、図示しない以下の処理を行う。
すなわち、上記層間絶縁膜６にビア・コンタクト・ホー
ル（層間接続孔）を開口し、その上に第２層目のＣｕ配
線を形成し、されに、その上にパッシベーション膜を形
成し、パッドを形成する。

【００３０】上述の例では、幅が約０．６μｍ、深さが
約０．３μｍ、総延長が約５０ｃｍの配線溝３内に埋め
込み形成されたＣｕ配線５の長さは方向の両端間に電圧
を印可し、それに流れる電流を測定して抵抗値を算出し
た結果は約４７ＫΩ（Ｃｕ本来の低い抵抗値とほぼ等し
い）であった。

【００３１】さて、次に、上述のＸｅ−Ｃｌエキシマレ
ーザをＣｕ膜４の一部に照射して溶融させることにより
配線溝３の内部にＣｕを埋め込む工程の際に用いた照射
方法と照射装置について図２に基づいて詳述する。

【００３２】レーザ発振器１０の光軸上の前方には順
次、ガルバノスキャナ１１に固定された光学素子１２、
５枚の伝送ミラーＭ１〜Ｍ５、レーザ光Ｌ空間的強度分
布均一化光学系１３、真空チャンバー１４が設けられて
いる。そして、各制御部は制御用コンピュータ１５と接
続している。

【００３３】レーザ発振器１０はＸｅ−Ｃｌエキシマレ
ーザを発振する装置で、制御用コンピュータ１５に接続
し、それに制御されてレーザパルスを発振する。

【００３４】ガルバノスキャナ１１に固定されている光
学素子１２は光強度減衰手段であるバリアブルアッテネ
ータ１２ａで、レーザ発振器１０から発振されたレーザ
光Ｌの入射角度に対応してレーザ光Ｌの透過光量を可変
にする機能を有している。このバリアブルアッテネータ
１２ａへの入射角度に対するレーザエネルギーの関係は
図３に示すような関係である。なお、レーザ光Ｌの入射
角度はガルバノスキャナ１１の回転角度によって制御さ
れている。

【００３５】伝送ミラーＭ１〜Ｍ５は反射ミラーでそれ
ぞれ光軸場の所定位置で、所定の角度に設定され、入射
したレーザ光Ｌをそれぞれ反射して伝送する。

【００３６】レーザ光Ｌ空間的強度分布均一化光学系１
３はカライドスコープ１３ａで、４角筒又は４角柱の形
状である。４角筒のものは４つの内面が反射ミラーで構
成され、カライドスコープ１３ａの入口から入射したレ
ーザ光Ｌが筒内の４つの反射ミラーで反射を繰返すこと
によって出口では均一化されたレーザビームが得られ
る。また、４角柱のものは光学ガラス製の４角柱で、入
口から入射したレーザ光Ｌは光学ガラスの４つのガラス
壁面で反射を繰返し出口で均一化したレーザビームを出
力する。

【００３７】なお、出力するレーザビームの均一化特性
は、入射レンズの焦点距離、カライドスコープ１３ａの
光導波路の径、カライドスコープ１３ａの長さによって
定められる反射回数に依存する。

【００３８】また、このカライドスコープ１３ａと５枚
目の伝送ミラーＭ４、Ｍ５はＸＹテーブル１６に固定さ
れ、ＸＹテーブル１６によって所定方向へ走査する構造
に構成されている。このＸＹテーブル１６はＸＹテーブ
ルドライバ１７を経由して制御用コンピュータ１５に接
続している。

【００３９】真空チャンバー１４は内部が真空に保持さ
れ、内部に図示しない基板保持機構と基板加熱機構を備
えている。また、上面には光軸に対応してレーザビーム
を取入れる透光性の窓１８が設けられている。

【００４０】つまりこれらの構成により、レーザ発振器
１０から出射したレーザ光Ｌは、まず、光軸に沿って光
学素子１２を通過する。光学素子１２はガルバノスキャ
ナ１１に固定されており、また、ガルバノスキャナ１１
は制御用コンピュータ１５によって回転角度が制御され
ているため光学素子１２であるバリアブルアッテネー１
２ａタは所定の角度でレーザ光Ｌを入射する。バリアブ
ルアッテネータ１２ａは入射角度により透過光量を可変
する機能を有しているため、出力するレーザ光Ｌの光量
は入射した角度に関係する。

【００４１】バリアブルアッテネータ１２ａから出力さ
れたレーザ光Ｌは、光軸上に配置された５枚の伝送ミラ
ーＭ１〜Ｍ５でそれぞれ反射してレーザ光空間的強度分
布均一化光学系１３であるカライドスコープ１３ａに入
射する。入射したレーザ光Ｌはカライドスコープ１３ａ
の中で反射を繰返し、空間的強度分布が均一化される。
そして、その均一化されたレーザビームは真空チャンバ
ー１４の中で基板保持機構に保持されているウエハＷの
所定の個所を照射する。

【００４２】このウエハＷの照射は５枚目の伝送ミラー
Ｍ１〜Ｍ５とカライドスコープ１３ａがＸＹテーブル１
６に固定されているので、制御用コンピュータ１５から
の指示でＸＹテーブル１６が作動し、図４に示すように
１ステップづつ走査する。なお、このステップ走査は照
射部分がＸ、Ｙ両方向の隣接する照射部分と所定量重な
り合うように設定されている。

【００４３】なお、その際、制御用コンピュータ１５に
より同時に、レーザ発振器１０のパルス発振仕様と出力
エネルギー、ＸＹテーブル１６の走査速度と位置、ガル
バノスキャナ１１の回転角度が制御されているので、ウ
エハＷの照射についてのレーザ光Ｌの照射位置に対する
照射エネルギーの精度が十分確保されている。

【００４４】また、ウエハＷの面内のＣｕ膜の膜厚は、
通常、図６に示すように位置により変化しておりばらつ
いている。

【００４５】この膜厚の測定は、非接触式の蛍光Ｘ線法
や走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡や半導体基板
の重量を測定し、密度と表面積から厚さを求める手法に
より予め求めている。

【００４６】従って本発明では、その予め求めたデータ
に基づいてガルバノスキャナ１１の角度を設定し、その
結果、Ｃｕ膜の膜厚の変化に対応してＣｕ膜に照射する
レーザ光Ｌの照射エネルギーが調整されるので、Ｃｕ膜
を溶融してを正確にホールや溝に埋め込むことが出来
る。

【００４７】なお、上述の実施の形態では金属としてＣ
ｕを用いた例を示したが、Ｃｕ以外の金属にも本発明を
適用できることは言うまでもない。

【００４８】

【発明の効果】以上に述べたように本発明は、半導体基
板上の絶縁層に設けられたホールや溝に、その上部に形
成された金属膜にレーザ光Ｌを照射して溶融し、ホール
や溝を正確に埋め込む際に、金属膜の変化に対応してレ
ーザエネルギーを調整するようにしたので、適正なレー
ザ照射エネルギーで金属膜を照射することが出来る。

【００４９】従って、例えＣｕ膜の膜厚にばらつきがあ
っても、常に良好な埋め込みが出来るため、高集積度の
半導体装置が形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の製造方法の製造工程毎の
ウエハの断面構造を示す説明図。

【図２】本発明の半導体装置の製造装置の一実施例を示
す概要図。

【図３】光学素子（バリアブルアッテネータ）の入射角
度に対する、レーザエネルギーの透過率の関係を示すグ
ラフ。

【図４】本発明によるウエハへのレーザ光照射の走査方
法を説明する説明図。

【図５】ウエハ面内のＣｕ膜の膜厚の変化によるばらつ
きをの例を示す説明図。

【図６】Ｃｕ膜の膜厚に対するレーザ照射エネルギーの
密度の関係を示すグラフ。

【図７】埋め込みホール径に対するレーザエネルギーの
関係を説明する説明図。

【符号の説明】

１…基板、２…絶縁膜、３…配線溝、４…Ｃｕ膜、５…
Ｃｕ配線、６…層間絶縁膜、１０…レーザ発振器、１１
…ガルバノスキャナ、１２…光学素子、１２ａ…バリア
ブルアッテネータ、１３…均一化光学系、１４…真空チ
ャンバー、１５…制御用コンピュータ、１６…ＸＹテー
ブル、Ｍ１〜Ｍ５…伝送ミラー、Ｌ…レーザ光

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上の絶縁膜に形成されたホー
   ル及び溝に堆積された金属膜にレーザ光を照射して溶融
   させ、前記ホール及び溝を埋め込む埋め込み工程を有す
   る半導体装置の製造方法において、前記埋め込み工程
   は、前記金属膜の膜厚の変化に応じて前記レーザ光の照
   射エネルギーを調整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】 前記レーザ光の照射エネルギーの調整
   は、レーザ光の発振パルス毎に行うことを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記レーザ光の照射エネルギーの調整
   は、光強度減衰手段へのレーザ光の入射角度を変化させ
   ることによりレーザ光の透過光量を可変させることを特
   徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 前記レーザ光の入射角度を変化させる手
   段は、ガルバノスキャナを用いることを特徴とする請求
   項３記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記金属膜の膜厚の測定は、半導体基板
   の密度と表面積から厚さを非接触で測定することを特徴
   とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
6. 【請求項６】 半導体基板上の絶縁膜に形成されたホー
   ル及び溝に堆積された金属膜にレーザ光を照射して溶融
   させ、前記ホール及び溝を埋め込む埋め込み手段を有す
   る半導体装置の製造装置において、前記埋め込み手段
   は、前記金属膜の膜厚の変化に応じて前記レーザ光の照
   射エネルギーを調整することを特徴とする半導体装置の
   製造装置。
7. 【請求項７】 前記レーザ光の照射エネルギーの調整
   は、レーザ光の発振パルス毎に行うことを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置の製造装置。
8. 【請求項８】 前記レーザ光の照射エネルギーの調整
   は、レーザ光の入射角度を変化させる手段によりレーザ
   光の透過光量を可変させることを特徴とする請求項１記
   載の半導体装置の製造装置。
9. 【請求項９】 前記レーザ光の入射角度を変化させる手
   段は、ガルバノスキャナを用いることを特徴とする請求
   項３記載の半導体装置の製造装置。
10. 【請求項１０】 前記金属膜の膜厚の測定は、半導体基
    板の密度と表面積から厚さを非接触で測定することを特
    徴とする請求項１記載の半導体装置の製造装置。