JPH11340318A - Copper film formation - Google Patents
Copper film formationInfo
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- JPH11340318A JPH11340318A JP14066598A JP14066598A JPH11340318A JP H11340318 A JPH11340318 A JP H11340318A JP 14066598 A JP14066598 A JP 14066598A JP 14066598 A JP14066598 A JP 14066598A JP H11340318 A JPH11340318 A JP H11340318A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、銅膜の形成方法に
関し、詳しくは半導体装置の銅配線を形成する銅膜の形
成方法に関する。The present invention relates to a method for forming a copper film, and more particularly to a method for forming a copper film for forming a copper wiring of a semiconductor device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来よりＬＳＩの配線材料としては、ア
ルミニウム合金が広く用いられてきた。しかし、ＬＳＩ
の微細化、高速化の要求が高まるにつれて、アルミニウ
ム合金配線では十分な配線の信頼性や、低い配線抵抗の
確保が困難になってきている。その対策として、アルミ
ニウム合金よりもエレクトロマイグレーション耐性に優
れ、かつ低抵抗である銅配線技術が高い注目を浴び、実
用化に向けて検討されている。2. Description of the Related Art Conventionally, aluminum alloys have been widely used as wiring materials for LSIs. However, LSI
As the demand for miniaturization and high-speed wiring increases, it has become difficult to secure sufficient wiring reliability and low wiring resistance with aluminum alloy wiring. As a countermeasure, copper wiring technology, which has better electromigration resistance and lower resistance than aluminum alloys, has received a great deal of attention and is being studied for practical use.
【０００３】銅配線を形成する技術としては、従来通
り、銅のドライエッチングにより形成する方法の他に、
一般に銅のドライエッチングが容易でないこと等の理由
から、いわゆる溝配線による方法が検討されている。溝
配線とは、酸化シリコン等の層間絶縁膜に予め所定の溝
を形成しておき、その溝に配線材料を埋め込み、その後
に溝外の余剰な配線材料を化学的機械研磨（以下ＣＭＰ
という、ＣＭＰはChemical Mechanical Polishing の
略）等によって除去することにより形成する配線をい
う。[0003] As a technique for forming a copper wiring, in addition to a conventional method of forming by copper dry etching,
In general, a method using so-called grooved wiring has been studied because, for example, dry etching of copper is not easy. The groove wiring is a method in which a predetermined groove is formed in an interlayer insulating film such as silicon oxide in advance, a wiring material is buried in the groove, and then an excess wiring material outside the groove is subjected to chemical mechanical polishing (hereinafter referred to as CMP).
CMP is an abbreviation of Chemical Mechanical Polishing) and refers to a wiring formed by removal by CMP or the like.
【０００４】通常のリソグラフィー技術とエッチングを
用いた配線の形成方法、上記溝配線の形成方法のいずれ
においても、微細な接続孔または溝に銅を埋め込む技術
が重要となっている。その埋め込み技術には、電解めっ
き法、ＣＶＤ法、スパッタリング後のリフロー法、高圧
リフロー法等が開示されている。そのなかで高圧リフロ
ー法は、埋め込み能力が高いこと、従来より実績のある
スパッタリング技術を基本としているため、製造装置の
信頼性が高いという点が有利となる。[0004] In any of the conventional method of forming a wiring using lithography and etching, and the above-described method of forming a grooved wiring, the technique of embedding copper in fine connection holes or grooves is important. As the embedding technology, an electrolytic plating method, a CVD method, a reflow method after sputtering, a high-pressure reflow method, and the like are disclosed. Among them, the high-pressure reflow method is advantageous in that the embedding ability is high and the reliability of the manufacturing apparatus is high because it is based on a sputtering technique that has been proven in the past.
【０００５】上記高圧リフロー法による埋め込み原理
を、図４によって以下に説明する。図４の（１）に示す
ように、基板（図示省略）上に素子等（図示省略）を形
成、さらに下層配線１１１や絶縁膜１１２等の形成を行
い、平坦化プロセスによってその絶縁膜１１２の表面を
平坦化して、上記下層配線１１１の上面を露出させる。
そして上記絶縁膜１１２上に層間絶縁膜１１３を形成す
る。次いでリソグラフィー技術とエッチングとにより、
この層間絶縁膜１１３に下層配線１１１に通じる接続孔
１１４を形成する。その後ＤＣマグネトロンスパッタ法
により、上記接続孔１１４の内壁および層間絶縁膜１１
３上に窒化チタン膜１１５および銅膜１１６を形成す
る。このとき、銅膜１１６は、接続孔１１４の凹部開口
部付近でつながり、接続孔１１４内にはボイド１１７が
残された形状となる。この状態を以下ブリッジという。The principle of embedding by the high-pressure reflow method will be described below with reference to FIG. As shown in FIG. 4A, an element (not shown) is formed on a substrate (not shown), and a lower wiring 111 and an insulating film 112 are formed. The upper surface of the lower wiring 111 is exposed by flattening the surface.
Then, an interlayer insulating film 113 is formed on the insulating film 112. Then, by lithography technology and etching,
A connection hole 114 communicating with the lower wiring 111 is formed in the interlayer insulating film 113. Thereafter, the inner wall of the connection hole 114 and the interlayer insulating film 11 are formed by DC magnetron sputtering.
On top of this, a titanium nitride film 115 and a copper film 116 are formed. At this time, the copper film 116 is connected in the vicinity of the opening of the concave portion of the connection hole 114, and has a shape in which the void 117 is left in the connection hole 114. This state is hereinafter referred to as a bridge.
【０００６】次に図４の（２）に示すように、基板を４
００℃に加熱した状態で高圧アルゴンガスを導入し、７
０ＭＰａ程度の気圧で銅膜１１６の表面を圧して、接続
孔１１４内に銅膜１１６を押し込む。その結果、図４の
（３）に示すように、接続孔１１４内は銅膜１１６の一
部により完全に埋め込まれる。Next, as shown in FIG.
While heating to 00 ° C, high-pressure argon gas was introduced,
The surface of the copper film 116 is pressed at a pressure of about 0 MPa to push the copper film 116 into the connection hole 114. As a result, as shown in FIG. 4C, the inside of the connection hole 114 is completely filled with a part of the copper film 116.
【０００７】上記埋め込み方法においては、高圧アルゴ
ンガス中に含まれている残留大気等の酸素が銅膜１１６
を酸化、硬化させ、埋め込み不良を生じる場合がある。
これを防止する手段として、銅膜１１６の表面上に酸化
防止層として窒化チタン膜（図示省略）を１００ｎｍ程
度の厚さに形成した後、高圧埋め込みを行う方法が、応
用物理学会秋期大会予稿集，（１９９７）前川和義，大
崎明彦，益子洋治，ｐ７７６で開示されている。In the above embedding method, oxygen such as residual air contained in high-pressure argon gas is removed from the copper film 116.
May be oxidized and cured to cause poor embedding.
As a means for preventing this, a method of forming a titanium nitride film (not shown) as an antioxidant layer to a thickness of about 100 nm on the surface of the copper film 116 and then performing high-pressure embedding is disclosed in the JSAP Autumn Meeting. , (1997) Kazuyoshi Maekawa, Akihiko Osaki, Yoji Mashiko, p. 776.
【０００８】一方、銅は層間絶縁膜として用いられる酸
化シリコン中に拡散する性質を持つため、これを防止す
るべく、銅膜１１６と層間絶縁膜１１３との間に上記説
明したように、窒化チタン膜１１５のようなバリア層を
形成する必要がある。このバリア層の材料としては、上
記説明した窒化チタンの他に、タンタル、タンタル合
金、タングステン、タングステン合金等が検討されてい
る。タンタル系およびタングステン系の材料は、窒化チ
タン系の材料に比べてバリア性が高いが、窒化チタンは
アルミニウム合金配線の時代から用いられてきた材料で
あるために取り扱い易い。そのため、新たな開発投資や
設備投資を最小限に抑えられるという利点がある。On the other hand, since copper has the property of diffusing into silicon oxide used as an interlayer insulating film, in order to prevent this, as described above, titanium nitride is provided between the copper film 116 and the interlayer insulating film 113. A barrier layer such as the film 115 needs to be formed. As a material for the barrier layer, tantalum, a tantalum alloy, tungsten, a tungsten alloy, and the like have been studied in addition to the titanium nitride described above. Tantalum-based and tungsten-based materials have a higher barrier property than titanium nitride-based materials, but titanium nitride is a material that has been used since the time of aluminum alloy wiring and is easy to handle. Therefore, there is an advantage that new development investment and capital investment can be minimized.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、バリア
層に窒化チタンのようなチタン系材料を用いた場合には
以下のような問題点が生じる。本来、完全な結晶構造を
有する窒化チタンは銅に対して高い耐熱性を有する。し
かし、スパッタ法等により実際に形成される窒化チタン
膜は、結晶構造が不完全な部分や、窒化反応が不十分な
未反応チタン等を多数含む。また銅膜は微量のチタンを
固溶する性質があり、上記のような窒化チタン膜中の十
分に窒化されていないチタンが、銅の成膜時の加熱や後
の加熱プロセスにより銅膜中に拡散し、例えば０．０５
％程度のチタンが銅膜中に固溶すると、その銅膜は硬化
しかつ抵抗が上昇することが知られている。銅膜の硬化
により、高圧リフローを行う際にはリフローしにくくな
るため埋め込み不良が発生することになる。However, when a titanium-based material such as titanium nitride is used for the barrier layer, the following problems occur. Originally, titanium nitride having a perfect crystal structure has high heat resistance to copper. However, a titanium nitride film actually formed by a sputtering method or the like contains a large number of portions having an incomplete crystal structure, unreacted titanium having an insufficient nitriding reaction, and the like. In addition, the copper film has a property of dissolving a trace amount of titanium in a solid solution. Diffuse, for example 0.05
It is known that when about% of titanium forms a solid solution in a copper film, the copper film hardens and the resistance increases. Due to the hardening of the copper film, when performing high-pressure reflow, it becomes difficult to perform reflow, so that an embedding failure occurs.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた銅膜の形成方法である。すなわ
ち、第１の形成方法は、銅を主成分とする銅膜を形成し
た後、この銅膜の表面に圧力をかけてリフロー処理する
工程を備えた銅膜の形成方法において、銅膜を形成した
後でリフロー処理を行う前に、銅膜の表面に酸化膜を形
成する工程と、酸化膜中の酸素を銅膜中に拡散する熱処
理を行う工程とを備えた銅膜の形成方法である。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a method for forming a copper film to solve the above-mentioned problems. That is, the first forming method is a method of forming a copper film comprising a step of forming a copper film containing copper as a main component and then applying a pressure to the surface of the copper film to perform a reflow treatment. And a step of forming an oxide film on the surface of the copper film and performing a heat treatment for diffusing oxygen in the oxide film into the copper film before performing the reflow treatment. .
【００１１】上記第１の形成方法では、銅膜の表面に酸
化膜を形成し、その酸化膜中の酸素を銅膜中に拡散する
ことから、銅膜中には微量の酸素が拡散されることにな
る。このように銅膜中に微量の酸素が含まれた場合、銅
膜中にチタン等の不純物が拡散しても、銅膜中の酸素が
チタンと反応してチタンの酸化物を生成、分離させるた
め、銅膜の硬化が防止される。そのため、リフロー処理
が容易になる。In the first forming method, an oxide film is formed on the surface of the copper film, and oxygen in the oxide film is diffused into the copper film. Therefore, a small amount of oxygen is diffused into the copper film. Will be. As described above, when a trace amount of oxygen is contained in the copper film, even if impurities such as titanium diffuse in the copper film, oxygen in the copper film reacts with titanium to generate and separate an oxide of titanium. Therefore, hardening of the copper film is prevented. Therefore, the reflow processing becomes easy.
【００１２】第２の形成方法は、銅を主成分とする銅膜
を形成する工程と、銅膜の表面に酸化膜を形成する工程
と、酸化膜中の酸素を銅膜中に拡散する熱処理を行っ
て、銅膜中の不純物と拡散した酸素とを化合させる工程
とを備えた銅膜の形成方法である。A second forming method includes a step of forming a copper film containing copper as a main component, a step of forming an oxide film on the surface of the copper film, and a heat treatment for diffusing oxygen in the oxide film into the copper film. To combine impurities diffused in the copper film with the oxygen in the copper film.
【００１３】上記第２の形成方法では、銅膜の表面に酸
化膜を形成し、その酸化膜中の酸素を銅膜中に拡散する
ことから、銅膜中には微量の酸素を拡散されることにな
る。このように銅膜中に微量の酸素が含まれた場合、銅
膜中にチタン等の不純物が拡散しても、銅膜中の酸素が
チタンと化合してチタンの酸化物を生成、分離させるた
め、銅膜の抵抗上昇が防止される。In the second forming method, since an oxide film is formed on the surface of the copper film and oxygen in the oxide film is diffused into the copper film, a small amount of oxygen is diffused into the copper film. Will be. When a small amount of oxygen is contained in the copper film as described above, even if impurities such as titanium diffuse in the copper film, the oxygen in the copper film combines with titanium to generate and separate a titanium oxide. Therefore, an increase in the resistance of the copper film is prevented.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】本発明の銅膜の形成方法に係わる
第１の実施の形態を、図１および図２の製造工程図によ
って説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A first embodiment of a method for forming a copper film according to the present invention will be described with reference to FIGS.
【００１５】図１の（１）に示すように、基板（図示省
略）上に素子（図示省略）を形成し、さらに下層配線１
１や絶縁膜１２等の形成を行い、平坦化プロセスによっ
てその絶縁膜１２の表面を平坦化して、上記下層配線１
１の上面を露出させる。そして例えばプラズマＣＶＤ法
により上記絶縁膜１２上に層間絶縁膜として酸化シリコ
ン（以下ＰＥ−ＳｉＯ2 と記す）膜１３を例えば８００
ｎｍの厚さに形成する。さらに窒化シリコン（以下ＰＥ
−ＳｉＮと記す）膜１４を例えば５０ｎｍの厚さに形成
する。As shown in FIG. 1A, an element (not shown) is formed on a substrate (not shown), and a lower wiring 1 is formed.
1 and the insulating film 12 are formed, and the surface of the insulating film 12 is flattened by a flattening process.
1 is exposed. Then, for example, a silicon oxide (hereinafter, referred to as PE-SiO 2 ) film 13 is formed as an interlayer insulating film on the insulating film 12 by, eg,
It is formed to a thickness of nm. In addition, silicon nitride (hereinafter PE
The film 14 is formed to a thickness of, for example, 50 nm.
【００１６】次に、通常のリソグラフィー技術および反
応性イオンエッチング（以下ＲＩＥという、ＲＩＥはRe
active Ion Etchingの略）技術により、ＰＥ−ＳｉＮ膜
１４に、例えば下層配線１１に通じる接続孔の一部とな
る開口部１５を形成する。上記開口部１５の口径は、例
えば０．３μｍとした。Next, a conventional lithography technique and reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE)
An opening 15 that becomes a part of a connection hole that communicates with, for example, the lower wiring 11 is formed in the PE-SiN film 14 by an active ion etching technique. The aperture 15 has a diameter of, for example, 0.3 μm.
【００１７】さらに図１の（２）に示すように、プラズ
マＣＶＤ法によって、上記ＰＥ−ＳｉＮ膜１４上かつ上
記開口部１５上に絶縁膜としてＰＥ−ＳｉＯ2 膜１６を
例えば５００ｎｍの厚さに形成する。次いでリソグラフ
ィー技術とエッチングとにより、このＰＥ−ＳｉＯ2 膜
１６に溝１７を、この溝１７の底部に上記開口部１５が
存在するように形成する。したがって、この溝１７の幅
は例えば０．５μｍとした。さらに上記エッチングによ
り、上記ＰＥ−ＳｉＮ膜１４をマスクにして、上記ＰＥ
−ＳｉＯ2 膜１３に下層配線１１に通じる接続孔１８を
形成する。このため、接続孔１８の上記開口部１５の口
径とほぼ同等の０．３μｍとなる。Further, as shown in FIG. 1B, a PE-SiO 2 film 16 as an insulating film is formed to a thickness of, for example, 500 nm on the PE-SiN film 14 and the opening 15 by a plasma CVD method. Form. Next, a groove 17 is formed in the PE-SiO 2 film 16 by lithography and etching so that the opening 15 exists at the bottom of the groove 17. Therefore, the width of the groove 17 is, for example, 0.5 μm. Further, by the etching, the PE-SiN film 14 is used as a mask, and the PE
Forming a connection hole 18 communicating with the lower wiring 11 in the SiO 2 film 13; Therefore, the diameter is 0.3 μm, which is substantially equal to the diameter of the opening 15 of the connection hole 18.
【００１８】次いで図１の（３）に示すように、ＤＣマ
グネトロンスパッタ法により、上記溝１７および接続孔
１８の各内壁に、窒化チタン膜２１を例えば８０ｎｍの
厚さに形成する。この窒化チタン膜２１の成膜条件の一
例としては、プロセスガスに、アルゴン（例えば供給流
量を２０ｓｃｃｍとする）と窒素（例えば供給流量を７
０ｓｃｃｍとする）とを用い、スパッタリング装置のＤ
Ｃパワーを１２ｋＷ、スパッタリング雰囲気の圧力を
０．３Ｐａ、成膜温度を４００℃に設定する。その結
果、窒化チタン膜２１が形成される。Next, as shown in FIG. 1C, a titanium nitride film 21 having a thickness of, for example, 80 nm is formed on each inner wall of the groove 17 and the connection hole 18 by DC magnetron sputtering. As an example of conditions for forming the titanium nitride film 21, argon (for example, a supply flow rate is set to 20 sccm) and nitrogen (for example, a supply flow rate of 7
0 sccm) and D of the sputtering apparatus.
The C power is set to 12 kW, the pressure of the sputtering atmosphere is set to 0.3 Pa, and the film forming temperature is set to 400 ° C. As a result, a titanium nitride film 21 is formed.
【００１９】さらにＤＣマグネトロンスパッタ法によ
り、上記窒化チタン膜２１の表面に銅を例えば１．５μ
ｍの厚さに堆積して上記溝１７に対していわゆるブリッ
ジ状に銅膜２２を形成する。上記銅膜２２の成膜条件の
一例としては、プロセスガスに、アルゴン（例えば供給
流量を５０ｓｃｃｍとする）を用い、スパッタリング装
置のＤＣパワーを１２ｋＷ、スパッタリング雰囲気の圧
力を０．２Ｐａ、成膜温度を４００℃に設定する。Further, copper is applied to the surface of the titanium nitride film 21 by, for example, 1.5 μm by DC magnetron sputtering.
Then, the copper film 22 is formed in a so-called bridge shape with respect to the groove 17 by depositing the copper film 22 with a thickness of m. As an example of the film forming conditions of the copper film 22, as a process gas, argon (for example, a supply flow rate is set to 50 sccm), a DC power of a sputtering apparatus is 12 kW, a pressure of a sputtering atmosphere is 0.2 Pa, and a film forming temperature is set. Is set to 400 ° C.
【００２０】さらに図１の（４）に示すように、銅膜２
２の表面を大気に暴露することで、銅膜２２の表面に酸
化膜２３を、例えば２ｎｍ〜３ｎｍの厚さの自然酸化膜
を生成して形成する。大気に暴露する時間は、１０分間
とした。または、銅膜２２を成膜したチャンバ内に例え
ば酸素を５０ｓｃｃｍの供給流量で導入して、当該チャ
ンバ内を酸素雰囲気にし、基板温度を４００℃、酸化雰
囲気の圧力を０．３Ｐａ、酸化時間を１分に設定して、
銅膜２２の表面に自然酸化膜を形成してもよい。上記条
件は一例であって、銅膜２２の表面に自然酸化膜が形成
される条件であればいかなる条件であってもよい。Further, as shown in FIG.
By exposing the surface of No. 2 to the atmosphere, an oxide film 23 is formed on the surface of the copper film 22 by generating a natural oxide film having a thickness of, for example, 2 nm to 3 nm. The time of exposure to the atmosphere was 10 minutes. Alternatively, for example, oxygen is introduced into the chamber where the copper film 22 is formed at a supply flow rate of 50 sccm, the inside of the chamber is set to an oxygen atmosphere, the substrate temperature is 400 ° C., the pressure of the oxidizing atmosphere is 0.3 Pa, and the oxidizing time is Set it to one minute,
A natural oxide film may be formed on the surface of the copper film 22. The above condition is an example, and any condition may be used as long as a natural oxide film is formed on the surface of the copper film 22.
【００２１】次に図１の（５）に示すように、高圧リフ
ロー処理を行って、溝１７内および接続孔１８内に銅膜
２２を埋め込む。上記高圧リフロー処理条件は、一例と
して、プロセスガスにアルゴンを用い、処理圧力を７０
ＭＰａ、処理温度を４５０℃、処理時間を５分に設定す
る。Next, as shown in FIG. 1 (5), a high-pressure reflow process is performed to bury a copper film 22 in the trench 17 and the connection hole 18. The high-pressure reflow processing conditions are, for example, as follows.
MPa, the processing temperature is set to 450 ° C., and the processing time is set to 5 minutes.
【００２２】酸素は銅に対して非常に速い拡散速度を有
する。例えば銅中の酸素原子の拡散係数Ｄ0 ＝０．５８
×ｍｍ2 ／ｓ、活性化エネルギーＱ＝５７．３ｋＪ／ｍ
ｏｌから計算すると、酸素が銅中に１μｍ拡散するため
に必要な加熱処理は、２００℃では約３秒、３００℃で
は約１秒である。したがって、上記高圧リフロー処理の
工程においては、この工程初期にウエハ温度を上昇させ
る数秒の段階で銅表面の酸素は銅中にほぼ均一に拡散す
るものと考えられる。その後、さらにウエハ温度を４５
０℃まで上昇させ、加熱保持する段階で、窒化チタン中
のチタンが銅中に拡散するが、銅中の酸素は、これらの
チタンと反応してチタンの酸化物を生成、分離する。こ
のため、銅膜２２の抵抗上昇や銅膜２２の硬化による埋
め込み性の劣化が効果的に防止される。Oxygen has a very fast diffusion rate for copper. For example, the diffusion coefficient D 0 of oxygen atoms in copper = 0.58
× mm 2 / s, activation energy Q = 57.3 kJ / m
Calculating from ol, the heat treatment required for oxygen to diffuse 1 μm into copper is about 3 seconds at 200 ° C. and about 1 second at 300 ° C. Therefore, in the high-pressure reflow process, it is considered that the oxygen on the copper surface diffuses almost uniformly into the copper at the stage of raising the wafer temperature several seconds at the beginning of the process. Thereafter, the wafer temperature is further reduced to 45.
At the stage of raising the temperature to 0 ° C. and heating and holding, titanium in the titanium nitride diffuses into the copper. Oxygen in the copper reacts with the titanium to form and separate a titanium oxide. For this reason, deterioration of the embedding property due to an increase in the resistance of the copper film 22 and hardening of the copper film 22 is effectively prevented.
【００２３】その後、ＣＭＰにより、接続孔１８および
溝１７の外にある余分な銅膜２２および窒化チタン膜２
１を除去する。その結果、図２に示すように、接続孔１
８および溝１７の各内部に銅膜２２および窒化チタン膜
２１が残されて、その銅膜２２等により配線２４および
下層配線１１に接続する接続プラグ２５が形成される。Thereafter, the extra copper film 22 and the extra titanium nitride film 2 outside the connection holes 18 and the trenches 17 are formed by CMP.
Remove one. As a result, as shown in FIG.
The copper film 22 and the titanium nitride film 21 are left inside each of the trenches 8 and the trenches 17, and connection plugs 25 connected to the wiring 24 and the lower wiring 11 are formed by the copper film 22 and the like.
【００２４】上記第１の実施の形態では、銅膜２２上に
形成した酸化膜２３より銅膜２２中に微量の酸素を拡散
させることから、銅膜２２中にチタン等の不純物が拡散
しても、銅膜２２中の酸素がチタンと反応してチタンの
酸化物を生成、分離させるため、銅膜２２の抵抗上昇お
よび硬化が防止される。In the first embodiment, since a small amount of oxygen is diffused into the copper film 22 from the oxide film 23 formed on the copper film 22, impurities such as titanium diffuse into the copper film 22. In addition, since oxygen in the copper film 22 reacts with titanium to generate and separate an oxide of titanium, resistance increase and hardening of the copper film 22 are prevented.
【００２５】上記説明したように、本発明の銅膜の形成
方法は、いわゆるデュアルダマシンプロセスに適用する
ことが可能である。当然のことながら、通常の溝配線を
形成するダマシンプロセスに適用することも可能であ
り、また接続孔に埋め込むとともに銅配線を形成するプ
ロセスにも適用することが可能である。As described above, the method of forming a copper film according to the present invention can be applied to a so-called dual damascene process. As a matter of course, the present invention can be applied to a damascene process of forming a normal trench wiring, and can also be applied to a process of forming a copper wiring while embedding in a connection hole.
【００２６】なお、高圧リフロー装置によっては、高圧
アルゴンガスの純度が低いため、銅膜の表面に露出した
状態で高圧ガスを導入すると、銅が極度に酸化され、か
えって埋め込み性を劣化させる場合がある。次に説明す
る第２の実施の形態は、高圧リフロー時に銅膜が極度に
酸化されるのを防止した形成方法であり、それを図３の
製造工程図によって説明する。Since the purity of the high-pressure argon gas is low depending on the high-pressure reflow apparatus, when a high-pressure gas is introduced in a state where the high-pressure argon gas is exposed on the surface of the copper film, the copper is extremely oxidized, which may deteriorate the filling property. is there. The second embodiment described below is a formation method in which a copper film is prevented from being excessively oxidized during high-pressure reflow, which will be described with reference to a manufacturing process diagram of FIG.
【００２７】前記図１の（１）〜（４）によって説明し
たのと同様に、図３の（１）に示すように、基板（図示
省略）上に素子（図示省略）を形成し、さらに下層配線
１１や絶縁膜１２等の形成を行い、さらに絶縁膜１２上
に層間絶縁膜としてＰＥ−ＳｉＯ2 膜１３、ＰＥ−Ｓｉ
Ｎ膜１４を形成する。次にＰＥ−ＳｉＮ膜１４に下層配
線１１に通じる接続孔の一部となる開口部１５を形成す
る。さらに上記ＰＥ−ＳｉＮ膜１４上かつ上記開口部１
５上に絶縁膜としてＰＥ−ＳｉＯ2 膜１６を形成した
後、ＰＥ−ＳｉＯ2 膜１６に溝１７を形成し、さらにＰ
Ｅ−ＳｉＯ2 膜１３に下層配線１１に通じる接続孔１８
を形成する。次いで上記溝１７および接続孔１８の各内
壁に、窒化チタン膜２１を形成した後、上記窒化チタン
膜２１の表面に銅を堆積して上記溝１７に対していわゆ
るブリッジ状に銅膜２２を形成する。さらに銅膜２２の
表面に酸化膜２３を、例えば自然酸化膜で形成する。As described with reference to FIGS. 1A to 1D, an element (not shown) is formed on a substrate (not shown) as shown in FIG. The lower wiring 11 and the insulating film 12 are formed, and the PE-SiO 2 film 13 and the PE-Si
An N film 14 is formed. Next, an opening 15 to be a part of a connection hole leading to the lower wiring 11 is formed in the PE-SiN film 14. Further, on the PE-SiN film 14 and on the opening 1
After forming a PE-SiO 2 film 16 as an insulating film on the substrate 5, a groove 17 is formed in the PE-SiO 2 film 16,
Connection hole 18 leading to lower wiring 11 in E-SiO 2 film 13
To form Next, after a titanium nitride film 21 is formed on each inner wall of the groove 17 and the connection hole 18, copper is deposited on the surface of the titanium nitride film 21 to form a copper film 22 in a so-called bridge shape with respect to the groove 17. I do. Further, an oxide film 23 is formed on the surface of the copper film 22 by, for example, a natural oxide film.
【００２８】次いで図３の（２）に示すように、ＤＣマ
グネトロンスパッタ法により、上記酸化膜２３上に窒化
チタン膜３１を例えば２００ｎｍの厚さに形成する。こ
の窒化チタン膜３１の成膜条件の一例としては、プロセ
スガスに、アルゴン（例えば供給流量を２０ｓｃｃｍと
する）と窒素（例えば供給流量を７０ｓｃｃｍとする）
とを用い、スパッタリング装置のＤＣパワーを１２ｋ
Ｗ、スパッタリング雰囲気の圧力を０．３Ｐａ、成膜温
度を４００℃に設定する。Next, as shown in FIG. 3 (2), a titanium nitride film 31 is formed to a thickness of, for example, 200 nm on the oxide film 23 by DC magnetron sputtering. As an example of the conditions for forming the titanium nitride film 31, the process gas includes argon (for example, a supply flow rate of 20 sccm) and nitrogen (for example, a supply flow rate of 70 sccm).
And the DC power of the sputtering apparatus is 12 k
W, the pressure of the sputtering atmosphere is set to 0.3 Pa, and the film forming temperature is set to 400 ° C.
【００２９】次に高圧リフロー処理を行って、溝１７内
および接続孔１８内に銅膜２２を埋め込む。上記高圧リ
フロー処理条件は、前記図１によって説明した条件と同
様である。その後、ＣＭＰにより、接続孔１８および溝
１７の外にある余分な銅膜２２および窒化チタン膜２
１，３１を除去する。その結果、図２の（３）に示すよ
うに、接続孔１８および溝１７の各内部に銅膜２２およ
び窒化チタン膜２１が残されて、その銅膜２２等により
配線２４および下層配線１１に接続する接続プラグ２５
が形成される。Next, a copper film 22 is embedded in the trench 17 and the connection hole 18 by performing a high-pressure reflow process. The high-pressure reflow processing conditions are the same as the conditions described with reference to FIG. Thereafter, the extra copper film 22 and the titanium nitride film 2 outside the connection holes 18 and the trenches 17 are formed by CMP.
1, 31 are removed. As a result, as shown in FIG. 2C, the copper film 22 and the titanium nitride film 21 are left inside each of the connection hole 18 and the groove 17, and the wiring 24 and the lower wiring 11 are formed by the copper film 22 and the like. Connection plug 25 to connect
Is formed.
【００３０】上記第２の実施の形態では、銅膜２２上に
窒化チタン膜３１を形成したことにより、純度の低い高
圧アルゴンガスにウエハがさらされても窒化チタン膜３
１が銅膜２２の酸化を防止する。また銅膜２２を一旦大
気開放したことで、銅膜２２の表面には自然酸化膜から
なる酸化膜２３が形成されていることから、この酸化膜
２３より銅膜２２中に微量の酸素を取り込むことが可能
になる。それによって、銅膜２２中の不純物、例えばチ
タンと酸素とが反応して、酸化物を生成、離脱すること
から、銅膜２２の抵抗上昇や硬化が防止される。In the second embodiment, since the titanium nitride film 31 is formed on the copper film 22, even if the wafer is exposed to a low-purity high-pressure argon gas, the titanium nitride film 3
1 prevents oxidation of the copper film 22. Further, since the copper film 22 is once exposed to the atmosphere, an oxide film 23 made of a natural oxide film is formed on the surface of the copper film 22, so that a small amount of oxygen is taken into the copper film 22 from the oxide film 23. It becomes possible. Thereby, impurities in the copper film 22, for example, titanium and oxygen react with each other to generate and release an oxide, thereby preventing the copper film 22 from increasing in resistance and hardening.
【００３１】上記第１，第２の実施の形態では、銅膜２
２の下地層を窒化チタン膜２１で形成したが、この下地
層は、窒化チタン膜／チタン膜の積層構造で形成するこ
とも可能である。また窒化チタン以外に、拡散バリア性
を有する高融点金属材料であれば窒化チタン以外の材料
で形成することが可能である。例えば、窒化チタンの他
には、タンタル、窒化タンタル、タングステン、窒化タ
ングステン、または窒化ケイ化タングステンを用いて形
成することも可能である。In the first and second embodiments, the copper film 2
The second underlayer is formed of the titanium nitride film 21. However, the underlayer may be formed with a laminated structure of a titanium nitride film / titanium film. In addition, other than titanium nitride, a high melting point metal material having a diffusion barrier property can be formed of a material other than titanium nitride. For example, in addition to titanium nitride, it can be formed using tantalum, tantalum nitride, tungsten, tungsten nitride, or tungsten silicide.
【００３２】また、配線材料としては、銅の他に、銅合
金を用いることも可能である。この銅合金の一例として
は、ジルコニウム銅がある。As a wiring material, a copper alloy may be used in addition to copper. One example of this copper alloy is zirconium copper.
【００３３】[0033]
【発明の効果】以上、説明したように本発明の第１の形
成方法によれば、銅膜の表面に形成した酸化膜中の酸素
が銅膜中に拡散されるので、その酸素と銅膜中のチタン
等の不純物とが反応して例えばチタンの酸化物を生成、
分離させるため、銅膜の硬化を防止することができる。
そのため、高圧リフロー等を用いた場合に良好な埋め込
み性を得ることができる。As described above, according to the first forming method of the present invention, oxygen in the oxide film formed on the surface of the copper film is diffused into the copper film. Reacts with impurities such as titanium in the inside to produce, for example, titanium oxide,
Because of the separation, curing of the copper film can be prevented.
Therefore, good embedding properties can be obtained when high-pressure reflow or the like is used.
【００３４】第２の形成方法によれば、銅膜の表面した
酸化膜中の酸素が銅膜中に拡散されるので、その酸素と
銅膜中のチタン等の不純物とが化合して例えばチタンの
酸化物を生成、分離させるため、銅膜の抵抗上昇を防止
することができる。よって、低抵抗な銅配線を得ること
ができる。According to the second formation method, since oxygen in the oxide film on the surface of the copper film is diffused into the copper film, the oxygen and impurities such as titanium in the copper film combine to form, for example, titanium. Since the oxide of the oxide is generated and separated, an increase in the resistance of the copper film can be prevented. Therefore, a low-resistance copper wiring can be obtained.
【図１】本発明の銅膜の形成方法に係わる第１の実施の
形態を説明する製造工程図である。FIG. 1 is a manufacturing process diagram for explaining a first embodiment according to a copper film forming method of the present invention.
【図２】本発明の銅膜の形成方法に係わる第１の実施の
形態を説明する製造工程図（続き）である。FIG. 2 is a manufacturing process diagram (continued) illustrating a first embodiment of the method of forming a copper film according to the present invention.
【図３】本発明の銅膜の形成方法に係わる第２の実施の
形態を説明する製造工程図である。FIG. 3 is a manufacturing process diagram for explaining a second embodiment according to the copper film forming method of the present invention.
【図４】従来の銅表面の酸化防止方法を説明する製造工
程図である。FIG. 4 is a manufacturing process diagram for explaining a conventional copper surface oxidation preventing method.
２２…銅膜、２３…酸化膜 22: copper film, 23: oxide film
Claims (8)
記銅膜の表面に圧力をかけて該銅膜をリフロー処理する
工程を備えた銅膜の形成方法において、 前記銅膜を形成した後で前記リフロー処理を行う前に、 前記銅膜の表面に酸化膜を形成する工程と、 前記酸化膜中の酸素を前記銅膜中に拡散する熱処理を行
う工程とを備えたことを特徴とする銅膜の形成方法。1. A method for forming a copper film, comprising the steps of: applying a pressure to the surface of the copper film to reflow the copper film after forming the copper film containing copper as a main component; Forming the oxide film on the surface of the copper film before performing the reflow treatment after the formation, and performing a heat treatment for diffusing oxygen in the oxide film into the copper film. Characteristic method of forming a copper film.
て、 前記銅膜は少なくともチタンを含む膜上に形成されるこ
とを特徴とする銅膜の形成方法。2. The method for forming a copper film according to claim 1, wherein said copper film is formed on a film containing at least titanium.
て、 前記銅膜を少なくとも酸素を含む雰囲気にさらすことに
より該銅膜の表面を酸化して前記酸化膜を形成すること
を特徴とする銅膜の形成方法。3. The method for forming a copper film according to claim 1, wherein the surface of the copper film is oxidized by exposing the copper film to an atmosphere containing at least oxygen to form the oxide film. A method for forming a copper film.
て、 前記銅膜を少なくとも酸素を含む雰囲気にさらすことに
より該銅膜の表面を酸化して前記酸化膜を形成すること
を特徴とする銅膜の形成方法。4. The method for forming a copper film according to claim 2, wherein the surface of the copper film is oxidized by exposing the copper film to an atmosphere containing at least oxygen to form the oxide film. A method for forming a copper film.
と、 前記銅膜の表面に酸化膜を形成する工程と、 前記酸化膜中の酸素を前記銅膜中に拡散する熱処理を行
って前記銅膜中の不純物と前記拡散した酸素とを化合さ
せる工程とを備えたことを特徴とする銅膜の形成方法。5. A step of forming a copper film containing copper as a main component, a step of forming an oxide film on the surface of the copper film, and a heat treatment for diffusing oxygen in the oxide film into the copper film. Combining the impurity in the copper film with the diffused oxygen by a method of forming a copper film.
て、 前記銅膜は少なくともチタンを含む膜上に形成されるこ
とを特徴とする銅膜の形成方法。6. The method for forming a copper film according to claim 5, wherein the copper film is formed on a film containing at least titanium.
て、 前記銅膜を少なくとも酸素を含む雰囲気にさらすことに
より該銅膜の表面を酸化して前記酸化膜を形成すること
を特徴とする銅膜の形成方法。7. The method for forming a copper film according to claim 5, wherein the surface of the copper film is oxidized by exposing the copper film to an atmosphere containing at least oxygen to form the oxide film. A method for forming a copper film.
て、 前記銅膜を少なくとも酸素を含む雰囲気にさらすことに
より該銅膜の表面を酸化して前記酸化膜を形成すること
を特徴とする銅膜の形成方法。8. The method for forming a copper film according to claim 6, wherein the surface of the copper film is oxidized by exposing the copper film to an atmosphere containing at least oxygen to form the oxide film. A method for forming a copper film.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14066598A JPH11340318A (en) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Copper film formation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14066598A JPH11340318A (en) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Copper film formation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11340318A true JPH11340318A (en) | 1999-12-10 |
Family
ID=15273923
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14066598A Pending JPH11340318A (en) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Copper film formation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11340318A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100436134B1 (en) * | 1999-12-30 | 2004-06-14 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for forming metal line of semiconductor device |
| JP2007311383A (en) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Nec Corp | Formiing method of copper damascine multilayer wiring |
| JP2010098300A (en) * | 2008-09-16 | 2010-04-30 | Tohoku Univ | Copper interconnection, method for forming copper interconnection structure, and semiconductor device |
-
1998
- 1998-05-22 JP JP14066598A patent/JPH11340318A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100436134B1 (en) * | 1999-12-30 | 2004-06-14 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for forming metal line of semiconductor device |
| JP2007311383A (en) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Nec Corp | Formiing method of copper damascine multilayer wiring |
| JP2010098300A (en) * | 2008-09-16 | 2010-04-30 | Tohoku Univ | Copper interconnection, method for forming copper interconnection structure, and semiconductor device |
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