JPH11283983A - 金属配線膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板とターゲットとの対面距離を適正にして
加圧埋込を行う。 【解決手段】 スパッタリング法による成膜時のターゲ
ット材と、対象部材（基板）の距離を５〜５０ｍｍとし
て行った後、高圧ガスによる加圧埋込み処理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＵＬＳＩに代表さ
れる半導体の製造工程における配線膜の形成に関するも
のであり、とくに物理蒸着法の一つであるスパッタリン
グ法により形成された配線材料被膜の下に不可避的に残
存する気孔を埋めるとともに密着性を改善して、健全な
金属配線被膜を形成する方法に関するものである。

【０００２】より具体的には、形成された被膜を持つ半
導体基板を、高温下で高圧のガス圧力を作用させて上記
の気孔を圧潰することで気孔を除去して低電気抵抗で密
着性に優れた配線膜を製造する方法に関するものであ
る。

【０００３】

【従来の技術】特許第２６６００４０号公報（平成９年
１０月８日発行）には、「スパッタリング法、ＣＶＤ
法，真空蒸着法等の真空薄膜形成法により、凹状部を有
する基板上に金属薄膜を形成する工程と、基板上に形成
された金属薄膜全体を加熱して流動化させる工程と、流
動化した金属薄膜の金属を気体で加圧して、凹状部内に
金属薄膜の金属を凹状部内で空胴の発生しないように埋
め込む工程とを含むことを特徴とする真空成膜法」が開
示されている。

【０００４】また、特開平７−１９３０６３号公報に
は、「物品の処理方法であって、該物品は表面を有し、
該表面は表面内に少なくとも一つの凹部を有する物品の
処理方法において、該表面の少なくとも一部の上に層を
形成することを含み、該層は該凹部の上方に延びてお
り、更に、該物品および該層を、該層の一部が該凹部を
埋めるように変形せしめられるのに十分な高い圧力およ
び高い温度をさらすことを含む、物品の処理方法」が開
示されている。本公知資料には、該物品が半導体ウェー
ハで、該凹部が半導体ウェーハに形成された穴、溝およ
びヴィア等で、該層がアルミなどの金属からなることが
記載されている。

【０００５】また、該層がアルミニウムの場合には温度
として３５０〜６５０℃、圧力３，０００ｐｓｉ以上で
加圧にはガスも使用できること、穴あるいは溝の上に形
成される層の厚さは少なくとも穴の幅と等しい厚さが必
要なことが、開示されている。さらに、半導体ウェーハ
自体は複数個の特性の異なった層を含み、これを形成す
るために複数の段階を含む製造プロセスの結果として得
られることが記載されている。

【０００６】このように、これらの公知技術には、主と
して半導体の配線膜の導電性改善のために前記の穴や溝
に形成された空隙を埋める方法として、高温下で高い圧
力にさらすことが効果的であることが示されている。し
かし、これら公知の資料に示されたＡｌ配線膜は、配線
材料として、今後のＵＬＳＩの微細化に伴って要求され
ている。対ＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｇｒａｔｉｏ
ｎ）性や、低電気抵抗化の点で限界に来ており、これら
の点でＡｌに勝るとされているＣｕに期待が寄せられて
いる。

【０００７】本発明者らは、これら公知技術を主として
銅系の配線膜に適用して実験等により検討した結果、こ
のような効果は確認されたものの、工業生産に用いるに
はさらに幾つかの問題点があることを見出した。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】まず第１の問題は、加
圧埋込処理により穴や溝部に気孔のない組織を形成する
には、成膜時点で成膜材料がこれらの穴や溝を完全に覆
った状態にしておかねばならないことである。とくに、
成膜方法としてスパッタリング法に限定した場合、この
ような状態とするための具体的な手法について前述の従
来の技術では言及されていない。スパッタリング法は実
際にＡｌ配線膜の製造方法を広く用いられている方法で
あり、これが銅系の配線膜に適用できれば、これまでの
設備の利用が可能であることを含めて、プロセスの大幅
なプロセスの変更をすることなく、実現できて、最も好
ましいと言える。

【０００９】このスパッタリング法は、配線膜材料をタ
ーゲットとしたカソードにＡｒイオンを衝突させて配線
膜材料を飛出させて対象部材（基板）の表面にデポジッ
トさせる方法で、ターゲットと対象物との距離やＡｒイ
オンのもつエネルギーにより付着の状態を制御すること
が可能という利点を有している。ただ、材料によって配
線膜粒子の飛出す方向や分布（指向性）も変化すること
などがあり、かつ成膜条件の設定の仕方によって形成さ
れた膜の組織や性質が大きく変わることから、成膜条件
の設定は非常に重要である。また、成膜された膜の性質
には対象物の温度も大きな影響を与える。

【００１０】また、成膜されたウェーハを高圧ガス雰囲
気下で加圧埋込処理を行うという複合的なプロセスにお
いては、たとえば、銅系配線膜として純銅（純度９９．
９９％以上）を形成すると、穴の系が０．５μｍ以下の
ように小さい場合には、加圧埋込処理の条件として４５
０℃の温度でも１００ＭＰａ以上の圧力が必要であるな
どの問題がある。

【００１１】本発明者らは、前記の加圧埋込みを前提と
した穴や溝を完全に覆った状態の膜を形成するためのス
パッタリングの条件について鋭意研究を行った結果、下
記のような現象を見出すとともに、加圧埋込処理時にお
ける温度を低く抑える方法についても勘案して、コンタ
クトホールなどの孔や、配線溝部に完全に金属配線材料
を埋め込むための条件および手法についての知見を得
て、本発明に至ったものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る本発明
は、孔もしくは溝が形成された基板の絶縁膜の表面を、
スパッタリング法により銅，アルミニウム，銀等の配線
膜材料で被覆した後、該配線膜材料の融点以下の温度
で、高圧のガス圧力を作用させて、該配線膜材料を塑性
流動もしくは拡散クリープさせて、被膜の下に残存した
気孔を実質的に埋込んで消滅させる金属配線膜の形成方
法において、スパッタリング法による成膜時のターゲッ
ト材と、対象部材（基板）の距離を５〜５０ｍｍとして
スパッタリングを行った後、高圧ガスによる加圧埋込み
処理を行うことを特徴とするものである。

【００１３】請求項１に係る方法において、対象部材の
温度を２００〜４００℃でスパッタリングを行った後、
高圧ガスによる埋込み処理を行うことが推奨される（請
求項２）。また、前記対象部材（基板）はＳｉ半導体ウ
ェーハであり（請求項３）、更に金属配線材料が、銅系
配線膜材料であり、Ｃｕを主成分として、合金元素とし
て、Ｓｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ｐｄ等を含み、該
合金元素の総添加量が１０原子パーセント以下であるこ
とが推奨される（請求項４）。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図を参照しつつ本発明の構
成と作用について実施の形態を詳述してから、本発明の
実施例を具体的に説明する。図１は、Ｓｉ基板（ウェー
ハ）で例示する対象部材１の上に形成されたＳｉＯ２絶
縁膜層２にエッチング法によりコンタクトホールと称す
る孔３を形成して、ＴｉＮバリア膜４を下地として形成
した後、図２で示すように室温下でターゲット５とＳｉ
ウェーハ１の距離Ｌを２００ｍｍ以上離してスパッタリ
ング法により、銅配線膜材料６をデポジットさせた例を
示したものである。コンタクトホールの底にはＳｉ基板
上に形成された素子領域６Ａが露出している。近年ＵＬ
Ｓｌの集積度が上がり、結果としてこのコンタクトホー
ル３の直径は、０．２５μｍ以下と微細になる一方、Ｓ
ｉＯ２絶縁膜層２の厚さはさほど薄くはできず、孔の深
さと孔の直径の比（Ａｓｐｅｃｔｏ Ｒａｔｉｏ）は大
きくなる傾向にある。このような孔の内部にもスパッタ
リング法により金属配線材料をデポジットさせるため
に、ターゲットとＳｉウェーハの距離を長くするロング
スロースパッタリング法（ＬＴＳ）が用いられつつあ
る。このようなＬＴＳを使うと、図２に示すように、金
属配線膜材料はＳｉウェーハの面に対して垂直に飛来す
る粒子７が多くなり、孔の内部にまで金属材料粒子がデ
ポジットするとされている。

【００１５】しかし、金属配線膜材料によっては、図１
に示したように、孔の奥まで埋まらず、また、孔の開口
部が開放されたままとなるため、ガス圧力による加圧埋
込処理もできないような状態となる。この現象は、融点
が高い金属材料ほど顕著で、融点が１０８３℃と１００
０℃を越える銅の場合でも発生する。加圧埋込法を適用
するこをと前提にすると、必要条件は、前記の公知技術
にも示されているように、孔の開口部が完全に覆われ、
かつ孔の上を覆っている金属配線膜材料の厚さが孔の直
径と比較してほぼ同等以上であることが必要である。図
３はにはこれを模式的に示した。図３（ａ）は、加圧埋
込処理にも最も適した金属配線膜のスパッタリング後の
形態を示しており、これを加圧埋込処理すると、図３
（ｂ）に示したように、孔の上を覆っていた金属配線膜
材料が孔に押し込まれて、底部の素子領域とコンタクト
する。

【００１６】スパッタリングにより、図３（ａ）のよう
な形態を得られる場合の膜の形成過程を、図４に模式的
に示す。図４（ａ）は、スパッタリングによる成膜の初
期の状況を示しており、孔の開口部近傍に金属粒子が図
で斜め上方向、側方に近い方向から飛来している。この
ように側方に近い方向から飛来する粒子が多いほど、孔
の開口部を効率良く覆うことが可能で、図４（ｂ）のよ
うな状態を経て、最終的に図４（ｃ）に示すように、孔
の開口部は完全に覆われることになる。

【００１７】このように金属配線膜粒子を側方に近い方
向からも飛来（指向）させるためには、前述のロングス
ロースパッタリングとは逆にターゲットとＳｉウェーハ
の距離をできるだけ近づけることが好ましい。直径２０
０ｍｍのウェーハを対象とした標準的なスパッタリング
装置では、この距離（図２のＬ）は３８ｍｍ〜４０ｍｍ
である。このような標準のスパッタリング装置でもかな
り図４に示したような効果は期待可能である。

【００１８】特に、ウェーハの直径が３００ｍｍのよう
に大型化してくると、Ｌが３８〜４０ｍｍであっても、
側方から飛来する金属粒子の量も多くなる。さらに、好
ましくは、５〜３０ｍｍのようにさらに両者の距離を接
近させることである。理由については、前述の説明から
自明でである。なお、このように、金属配線膜材料ター
ゲットとウェーハの距離を近づけることにより、生産性
の面での利点が派生することも見逃せない。

【００１９】すなわち、この距離が短くなることで、タ
ーゲットから飛出した金属波線膜粒子が歩留まり良くＳ
ｉウェーハに堆積するので、生産性が向上される。さら
に、余計な方向に飛来した金属配線膜粒子はスパッタリ
ング装置のチャンバ内部に堆積し、これをしばしば剥離
するために、半導体製造で最も敬遠されているパーティ
クルの発生源となっており、防着板などを配置して定期
的にこれを交換する作業がなされているが、このように
することにより、このような交換作業の回数も激減す
る。

【００２０】

【実施例】以下、表１および表２に基づいて、実施例を
参照しつつ、本発明をさらに詳細に説明する。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】表１・２は、配線膜材料にＣｕ，Ｃｕ系合
金、Ａｌ，Ａｇを用いて、直径２００ｍｍのＳｉウェー
ハ上に形成されたコンタクトホールもしくはダマシン法
による配線溝の上にスパッタリング法により配線膜を形
成した後、高圧ガス圧力を利用した加圧埋込処理を行う
ことにより配線膜を製造する実験を行った結果を示しあ
ものである。表中Ａ．Ｒ．（Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｉｔ
ｏ）はコンタクトホールの深さと穴径の比を示す。ま
た、埋込結果の欄に示した記号は、◎がコンタクトホー
ルが完全に配線膜材料で埋め込まれて気孔が残存してい
なかったことを、×は気孔が残存していたことを、ま
た、△は一部のコンタクトホールが全く埋まっていな
い、もしくは、特定のコンタクトホールについて完全に
埋込みができておらず、内部に気孔は残存しており、信
頼性の観点から生産に使用できる状態でないことを示
す。

【００２４】成膜にはスパッタリング装置を用い、本発
明の要点であるターゲットと基板との距離は、５ｍｍ，
２０ｍｍ，５０ｍｍ，６０ｍｍ，２００ｍｍ，３８０ｍ
ｍの３種類を用いた。加圧埋込処理時のガスには、この
種の処理で用いられているアルゴンおよび窒素（実施例
１０）を用いた。装置には、最高圧力２００ＭＰａ、最
高処理温度２０００℃のＨＩＰ装置を用いた。

【００２５】実施例１および比較例１は、直径０．３５
μｍ，Ａ．Ｒ．＝３．４のコンタクトホールの形成され
たＳｉウェーハにＴｉＮバリア層を５〜１０ｎｍのオー
ダで付与した後、純銅配線膜をスパッタリング法により
厚さ約１．２μｍで形成して、処理を行ったものであ
る。圧力は実施例１では７０ＭＰａ，比較例では１５０
ＭＰａとした。実施例１と比較例１では、スパッタリン
グ時のターゲットと基板との距離が５ｍｍと２００ｍｍ
また、高圧処理時の圧力温度が異なることが大きな違い
である。実施例１では、気孔はＣｕで埋めることができ
た。ただ、加圧埋込された組織および膜の組織は、粒径
０．１〜０．２の結晶の集合体すなわち多結晶体であっ
た。この結果、電気抵抗値は若干大きな値となった。比
較例１では、スパッタリング処理時の孔の加工部が塞が
らず、圧力温度を実施例１よりも大きくしたが、効果な
く、全く埋め込みがされていなかった。

【００２６】実施例２および比較例２は、直径０．２５
μｍ，Ａ．Ｒ．＝６の深孔に適用したものであるが、ス
パッタリングとウェーハとの距離を実施例で５０ｍｍ、
比較例６０ｍｍとした以外の条件は同じとした。実施例
１と異なり、スパッタリング時のウェーハ温度を４００
℃と高くした。その結果、実施例２では、このような深
孔も埋込できることが確認されたが、孔内部の組織は実
施例１と異なり、ほとんどが単結晶の状態であった。こ
のため、加圧埋込時の圧力温度が実施例１よりも高くな
った。このように単結晶化した結果として、電気抵抗値
は約１．６μΩｃｍと銅本来の値に近い数値が得られ
た。比較例２では、スパッタリング時に一部のコンタク
トホールの開口部が塞がっていなかったものと推定さ
れ、完全な埋込は達成されなかった。

【００２７】実施例３および比較例３は、いわゆるデュ
アルダマシンといわれる構造の配線形成手法によるコン
タクトホールと配線溝に適用したものである。溝の底面
に形成されたコンタクトホールの穴径は０．２５μｍで
穴部の深さは０．７μｍである。スパッタリングターゲ
ットと基板の距離以外は同一の条件とした。スパッタリ
ング時の温度は４００℃と高くした。これは、スパッタ
リング自体によるウェーハの温度上昇を加味すると、Ｓ
ｉウェーハ上の素子が変質を起こさない上限の温度であ
る。実施例３では、このような複雑な構造のものでも埋
込処理が可能なこと、スパッタリング時の温度を上げる
ことにより、配線膜を大きな結晶粒からなる組織とでき
ることが判明した。比較例３では、一部のコンタクトホ
ールが全く埋め込まれていない状態であった。

【００２８】実施例４と比較例４は、ターゲットにＣｕ
−Ｓｎ合金（Ｓｎの総添加量が１０原子パーセント以
下）を用いたものである。ターゲットとウェーハとの距
離以外の条件は同じとした。実施例４では、コンタクト
ホールが完全に埋込まれ、合金化によって、圧力温度を
下げた条件で加圧埋込できること、合金化によって電気
抵抗値が大き目となること等が判明した。比較例４で
は、埋込ができていなかった。

【００２９】実施例５，６および比較例５，６はＡｌ配
線膜材料に本発明を適用したものである。実施例５と６
の違いはスパッタリング時のウェーハ温度である。ウェ
ーハ温度を高くすることにより、結晶粒を大きくでき、
電気抵抗値を下げられること、加圧埋込時の条件は、圧
力が余分にいるなどの事項が判明した。比較例はこれら
に対し、スパッタリングターゲットとウェーハの距離を
長くしたもので、いずれの場合も埋込が不完全であっ
た。

【００３０】実施例７及び比較例７は、Ａｇ配線膜材料
に適用したものである。本発明による方法によれば、完
全な埋込が可能でほぼ所期の電気抵抗値が得られること
が実証された。実施例８よび比較例８は、Ｃｕ−Ｓｎ合
金配線膜材料を対象として、高圧ガスによる加圧埋込処
理時のガスに窒素を用いたものである。両者の差異は、
スパッタリングターゲットとウェーハの距離のみであ
る。窒素によるＣｕの変質等の抑制にもＳｎは有効であ
ることを含め、本発明によれば、完全な加圧埋込が可能
で、アルゴンガスより安価な窒素ガスを使用しても、健
全な組織の配線構造が製造できることが実証できた。

【００３１】以上の実験から、スパッタリングの条件に
よる埋め込みができない最大の原因が、スパッタリング
後の孔や溝の上が配線膜材料によって完全に覆われてい
るか、否かによっていることが非常に瞭然となった。基
本的に、スパッタリング時のターゲットとウェーハの距
離を短くすることが重要で、さらにスパッタリング時の
温度を低くするか、高温とするかにより、ホール内部の
配線膜材料の微組織の構造を制御することも判明した。

【００３２】

【発明の効果】以上のべたように、本発明により、今
後、ますます微細化と多層化が進むＵＬＳＩ半導体の製
造において大きな課題となりつつある配線膜の低電気抵
抗化が可能となること、とくに低電気抵抗化および対Ｅ
Ｍ性の点で注目を浴びている銅系合金配線膜の製造を、
従来から用いられているスパッタリング技術とガス圧に
よる加圧埋込技術の組合せで実現できることが実証さ
れ、加圧埋込処理が本来持っている歩留まり改善効果を
享受できるようになった。さらに、Ａｌ配線膜用に設置
された既存のスパッタリング設備をそのまま用いてＡｌ
以外の低電気抵抗の金属配線膜のＵＬＳＩを製造できる
こととなり、多大な設備投資が不要となるほか、処理コ
ストの観点から、工業生産への利用が非常に容易とな
る。

【００３３】このように、本発明は、ＵＬＳＩ業界の今
後の発展に寄与するところは非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 基板に金属配線膜材料をデポジットさせた図
である。

【図２】 ターゲットと基板との対向距離を示す図であ
る。

【図３】 成膜状態（ａ）とその後の加圧埋込み（ｂ）
の挙動を示す図である。

【図４】 金属粒子の飛来による埋込挙動の説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ターゲット ３ 配線膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 成川 裕 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 門口 誠 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目３番１号 株式会社神戸製鋼所高砂製作所内 (72)発明者 田口 洋治 静岡県裾野市須山 1220−14

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 孔もしくは溝が形成された基板の絶縁膜
   の表面を、スパッタリング法により銅，アルミニウム，
   銀等の配線膜材料で被覆した後、該配線膜材料の融点以
   下の温度で、高圧のガス圧力を作用させて、該配線膜材
   料を塑性流動もしくは拡散クリープさせて、被膜の下に
   残存した気孔を実質的に埋込んで消滅させる金属配線膜
   の形成方法において、 スパッタリング法による成膜時のターゲット材と、対象
   部材（基板）の距離を５〜５０ｍｍとしてスパッタリン
   グを行った後、高圧ガスによる加圧埋込み処理を行うこ
   とを特徴とする金属配線膜の形成方法。
2. 【請求項２】対象部材の温度を２００〜４００℃でスパ
   ッタリングを行った後、高圧ガスによる埋込み処理を行
   うことを特徴とする請求項１記載の銅系配線膜の形成方
   法。
3. 【請求項３】基板がＳｉ半導体ウェーハであることを特
   徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 【請求項４】金属配線材料が、銅系配線膜材料であり、
   Ｃｕを主成分として、合金元素として、Ｓｉ，Ｔｉ，Ｓ
   ｂ，Ｓｎ，Ｍｇ，Ｐｄ等を含み、該合金元素の総添加量
   が１０原子パーセント以下であることを特徴とする請求
   項１〜３のいずれかに記載の方法。