JPH1187349A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
半導体装置の製造方法及び半導体装置Info
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- JPH1187349A JPH1187349A JP10043623A JP4362398A JPH1187349A JP H1187349 A JPH1187349 A JP H1187349A JP 10043623 A JP10043623 A JP 10043623A JP 4362398 A JP4362398 A JP 4362398A JP H1187349 A JPH1187349 A JP H1187349A
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Abstract
(57)【要約】 (修正有)
【課題】 半導体装置のコンタクトホールあるいはスル
ーホール等に配線を形成する際、Cuの高圧リフロープロ
セス時におけるCuの酸化とそれに基づく埋め込み特性の
劣化を防止する。 【解決手段】 半導体装置の層間絶縁膜2の配線用接続
孔3aを覆うように銅膜5を形成し、Cu膜の上に銅の酸
化防止膜4を形成するプロセスにおいて、この酸化防止
膜4の形成の前後には1.33×10-3Pa以下の高真
空雰囲気を維持し、その後に高温・高圧の不活性ガスに
より配線用接続孔3aに銅膜の銅を圧入する。酸化防止
膜としては、チタン等の金属あるいはシリコン窒化膜を
用いる。また、純度99.999wt%(5N)以上の銅をターゲッ
トに用いスパッタ法によりCu膜を形成する。また、高圧
不活性ガス中の不純物ガス量を50vpm以下にする。
ーホール等に配線を形成する際、Cuの高圧リフロープロ
セス時におけるCuの酸化とそれに基づく埋め込み特性の
劣化を防止する。 【解決手段】 半導体装置の層間絶縁膜2の配線用接続
孔3aを覆うように銅膜5を形成し、Cu膜の上に銅の酸
化防止膜4を形成するプロセスにおいて、この酸化防止
膜4の形成の前後には1.33×10-3Pa以下の高真
空雰囲気を維持し、その後に高温・高圧の不活性ガスに
より配線用接続孔3aに銅膜の銅を圧入する。酸化防止
膜としては、チタン等の金属あるいはシリコン窒化膜を
用いる。また、純度99.999wt%(5N)以上の銅をターゲッ
トに用いスパッタ法によりCu膜を形成する。また、高圧
不活性ガス中の不純物ガス量を50vpm以下にする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法及び半導体装置に関するものである。さらに詳し
くは、半導体装置の配線形成における高圧リフロープロ
セスの改良に関するものである。
造方法及び半導体装置に関するものである。さらに詳し
くは、半導体装置の配線形成における高圧リフロープロ
セスの改良に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図3は、従来の半導体装置の製造方法と
その構造とを示す図である。図3を参照して、従来の半
導体装置の製造方法及び構造について説明する。先ず、
図3(a)に示すように、半導体ウェーハ10におい
て、半導体素子が形成された半導体基板1(シリコン基
板)上に、層間絶縁膜2を形成した後、半導体基板1上
に形成された半導体素子(図示せず)と層間絶縁膜2の
上に形成された上層配線(図示せず)とを電気的に接続
するための配線溝3及び接続孔3aを形成する。
その構造とを示す図である。図3を参照して、従来の半
導体装置の製造方法及び構造について説明する。先ず、
図3(a)に示すように、半導体ウェーハ10におい
て、半導体素子が形成された半導体基板1(シリコン基
板)上に、層間絶縁膜2を形成した後、半導体基板1上
に形成された半導体素子(図示せず)と層間絶縁膜2の
上に形成された上層配線(図示せず)とを電気的に接続
するための配線溝3及び接続孔3aを形成する。
【0003】次にこの製造工程中の半導体ウェーハ10
を減圧雰囲気下に置き、昇温することにより表面に吸着
した水分等を除去する。また、必要に応じて、この後Ar
の逆スパッタによるエッチングを行ってウェーハ10の
表面クリーニングを行なう。次に、スパッタ法により銅
膜5(Cu膜)を成膜する。この時、図3(b)に示すよ
うに、半導体ウェーハ10の配線溝3及び接続孔3aの
底部にはボイド8が形成されている。続いてこの半導体
ウェーハ10を400℃以上に加熱しながら、40〜100MPa
程度の高圧を印加し、先ほどのボイド8にCuを流動さ
せ、配線溝3及び接続孔3aの内部をCuで充填する。
を減圧雰囲気下に置き、昇温することにより表面に吸着
した水分等を除去する。また、必要に応じて、この後Ar
の逆スパッタによるエッチングを行ってウェーハ10の
表面クリーニングを行なう。次に、スパッタ法により銅
膜5(Cu膜)を成膜する。この時、図3(b)に示すよ
うに、半導体ウェーハ10の配線溝3及び接続孔3aの
底部にはボイド8が形成されている。続いてこの半導体
ウェーハ10を400℃以上に加熱しながら、40〜100MPa
程度の高圧を印加し、先ほどのボイド8にCuを流動さ
せ、配線溝3及び接続孔3aの内部をCuで充填する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この際、図3
(c)に示すように、高圧を印加するArガス中の酸素あ
るいは水分によりCu膜5が酸化し、Cu表面にはCu酸化物
7が形成される。Cuの酸化は表面だけにとどまらずCu膜
5の内部にも酸素が拡散し、高圧印加時のCuの流動性を
低下させるために、高圧処理後も図3(c)に示すよう
なボイド8が残存し、埋め込み不良が発生する。
(c)に示すように、高圧を印加するArガス中の酸素あ
るいは水分によりCu膜5が酸化し、Cu表面にはCu酸化物
7が形成される。Cuの酸化は表面だけにとどまらずCu膜
5の内部にも酸素が拡散し、高圧印加時のCuの流動性を
低下させるために、高圧処理後も図3(c)に示すよう
なボイド8が残存し、埋め込み不良が発生する。
【0005】この発明は、上記のような問題を解決する
ためになされたもので、半導体装置、例えばDRAMあるい
はロジックデバイスなどにおける配線やコンタクトホー
ルあるいはスルーホールによる配線の形成において、上
述したようなCuの高圧リフロープロセス時におけるCuの
酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止した半導
体装置の製造方法及び半導体装置を提供しようとするも
のである。
ためになされたもので、半導体装置、例えばDRAMあるい
はロジックデバイスなどにおける配線やコンタクトホー
ルあるいはスルーホールによる配線の形成において、上
述したようなCuの高圧リフロープロセス時におけるCuの
酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止した半導
体装置の製造方法及び半導体装置を提供しようとするも
のである。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置の
製造方法は、半導体ウェーハの層間絶縁膜に配線用溝及
び/または接続孔を形成する工程と、上記配線用溝及び
/または接続孔を覆うように上記層間絶縁膜の上に銅膜
を形成する銅膜形成工程と、上記銅膜形成工程の終了時
から、1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高
真空雰囲気を維持した後、連続真空を維持しつつ上記銅
膜の上に銅の酸化防止膜を形成する酸化防止膜形成工程
と、高温・高圧の不活性ガスにより上記配線用溝及び/
または接続孔に上記銅膜の銅を圧入する銅圧入工程と、
化学機械的研磨により上記銅膜の銅を上記配線用溝及び
/または接続孔にのみ残して除去する工程とを含むこと
を特徴とするものである。
製造方法は、半導体ウェーハの層間絶縁膜に配線用溝及
び/または接続孔を形成する工程と、上記配線用溝及び
/または接続孔を覆うように上記層間絶縁膜の上に銅膜
を形成する銅膜形成工程と、上記銅膜形成工程の終了時
から、1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高
真空雰囲気を維持した後、連続真空を維持しつつ上記銅
膜の上に銅の酸化防止膜を形成する酸化防止膜形成工程
と、高温・高圧の不活性ガスにより上記配線用溝及び/
または接続孔に上記銅膜の銅を圧入する銅圧入工程と、
化学機械的研磨により上記銅膜の銅を上記配線用溝及び
/または接続孔にのみ残して除去する工程とを含むこと
を特徴とするものである。
【0007】また、この発明の半導体装置の製造方法
は、上記酸化防止膜形成工程の後、上記銅圧入工程に至
るまでの間、1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以
下の高真空雰囲気を維持することを特徴とするものであ
る。
は、上記酸化防止膜形成工程の後、上記銅圧入工程に至
るまでの間、1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以
下の高真空雰囲気を維持することを特徴とするものであ
る。
【0008】また、この発明の半導体装置の製造方法
は、上記酸化防止膜の材料として、チタン、タンタル、
タングステン、モリブデン、マンガンのいずれか、また
はこれらの酸化物、窒化物もしくは珪化物のいずれか、
あるいはそれらの複合物を用いることを特徴とするもの
である。
は、上記酸化防止膜の材料として、チタン、タンタル、
タングステン、モリブデン、マンガンのいずれか、また
はこれらの酸化物、窒化物もしくは珪化物のいずれか、
あるいはそれらの複合物を用いることを特徴とするもの
である。
【0009】また、この発明の半導体装置の製造方法
は、上記酸化防止膜の材料として、シリコン窒化膜を用
いることを特徴とするものである。
は、上記酸化防止膜の材料として、シリコン窒化膜を用
いることを特徴とするものである。
【0010】また、この発明の半導体装置の製造方法
は、上記銅膜の形成を、純度99.999wt%(5N)以上の銅を
ターゲットとして用いてスパッタ法により形成するもの
である。
は、上記銅膜の形成を、純度99.999wt%(5N)以上の銅を
ターゲットとして用いてスパッタ法により形成するもの
である。
【0011】また、この発明の半導体装置の製造方法
は、上記銅圧入工程に用いる上記不活性ガス中の不純物
ガス量を50vpm以下にすることを特徴とするものであ
る。
は、上記銅圧入工程に用いる上記不活性ガス中の不純物
ガス量を50vpm以下にすることを特徴とするものであ
る。
【0012】また、この発明の半導体装置は、上記のい
ずれかの製造方法により製造されたことを特徴とするも
のである。
ずれかの製造方法により製造されたことを特徴とするも
のである。
【0013】
実施の形態1.図1は、この発明の実施の形態による半
導体装置の製造方法及び構造を示す図である。以下、図
面を参照して製造方法及び構造について説明する。先
ず、図1(a)に示す半導体ウェーハ10の断面図にお
いて、半導体素子(図示せず)が形成された半導体基板
1(Si基板)上に、層間絶縁膜2を形成した後、層間絶
縁膜2に配線溝3を形成する。また、半導体基板1(Si
基板)上に形成された半導体素子と配線溝3に形成され
る配線との間、あるいは半導体基板1(Si基板)上に形
成された半導体素子と層間絶縁膜2の上に形成される上
層配線(図示せず)との間を電気的に接続する接続孔3
aを形成する。
導体装置の製造方法及び構造を示す図である。以下、図
面を参照して製造方法及び構造について説明する。先
ず、図1(a)に示す半導体ウェーハ10の断面図にお
いて、半導体素子(図示せず)が形成された半導体基板
1(Si基板)上に、層間絶縁膜2を形成した後、層間絶
縁膜2に配線溝3を形成する。また、半導体基板1(Si
基板)上に形成された半導体素子と配線溝3に形成され
る配線との間、あるいは半導体基板1(Si基板)上に形
成された半導体素子と層間絶縁膜2の上に形成される上
層配線(図示せず)との間を電気的に接続する接続孔3
aを形成する。
【0014】図1(b)は図1(a)の半導体ウェーハ
10の平面図であり、図1(a)は図1(b)のA−A
断面を示している。また、図1(c)は図1(b)のB
−B断面を示す図である。
10の平面図であり、図1(a)は図1(b)のA−A
断面を示している。また、図1(c)は図1(b)のB
−B断面を示す図である。
【0015】次に、この製造工程中の半導体ウェーハ1
0を減圧雰囲気下に置き、昇温することにより表面に吸
着した水分等を除去する。昇温方法はランプ加熱あるい
は、処理チェンバー内の半導体ウェーハ10を保持する
プラテンの温度を上昇させ、そこに不活性ガスを10〜10
00Pa程度導入することにより半導体ウェーハ10を加熱
するガス加熱方式のいずれの手法を用いてもよい。ま
た、必要に応じて、この後Arの逆スパッタによるエッチ
ングを行ってウェーハ10の表面クリーニングを行な
う。ここで行なう表面クリーニングは、Arの逆スパッタ
によるクリーニングのほか、Ar中に水素(H2)を添加
した混合ガス中での逆スパッタによるクリーニングでも
よい。
0を減圧雰囲気下に置き、昇温することにより表面に吸
着した水分等を除去する。昇温方法はランプ加熱あるい
は、処理チェンバー内の半導体ウェーハ10を保持する
プラテンの温度を上昇させ、そこに不活性ガスを10〜10
00Pa程度導入することにより半導体ウェーハ10を加熱
するガス加熱方式のいずれの手法を用いてもよい。ま
た、必要に応じて、この後Arの逆スパッタによるエッチ
ングを行ってウェーハ10の表面クリーニングを行な
う。ここで行なう表面クリーニングは、Arの逆スパッタ
によるクリーニングのほか、Ar中に水素(H2)を添加
した混合ガス中での逆スパッタによるクリーニングでも
よい。
【0016】続いて、図1(d)に示すように、スパッ
タ法あるいはCVD法により、配線溝3と接続孔3aを含
む層間絶縁膜2の上に、銅膜5(Cu膜)を形成する。こ
の時成膜するCu膜5は、配線溝3あるいは接続孔3aを
十分に覆うだけの膜厚で形成する。
タ法あるいはCVD法により、配線溝3と接続孔3aを含
む層間絶縁膜2の上に、銅膜5(Cu膜)を形成する。こ
の時成膜するCu膜5は、配線溝3あるいは接続孔3aを
十分に覆うだけの膜厚で形成する。
【0017】このCu膜5の形成工程以降、後に説明する
Cu膜5の酸化防止膜形成工程までの間、半導体ウェーハ
10は、大気に曝露することなく、処理チェンバーは
1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空で
連続真空を維持する。これはCu膜5の酸化を防止するた
めである。望ましくは、この高真空の連続維持は、次の
工程の酸化防止膜形成の直前まで継続する。
Cu膜5の酸化防止膜形成工程までの間、半導体ウェーハ
10は、大気に曝露することなく、処理チェンバーは
1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空で
連続真空を維持する。これはCu膜5の酸化を防止するた
めである。望ましくは、この高真空の連続維持は、次の
工程の酸化防止膜形成の直前まで継続する。
【0018】次に、Cu膜5の形成後、後に説明する工程
で、高温・高圧で印加されるAr等のガス中に含まれる不
純物(酸素等)によりCu膜5が酸化するのを防止するた
めに、半導体ウェーハ10を大気に曝露することなく連
続真空に維持しながら、Cu膜5の上に酸化防止膜4を形
成する。この酸化防止膜形成中の連続真空は、1.33
×10-2Pa(1×10-4Torr)程度となってもよい。
で、高温・高圧で印加されるAr等のガス中に含まれる不
純物(酸素等)によりCu膜5が酸化するのを防止するた
めに、半導体ウェーハ10を大気に曝露することなく連
続真空に維持しながら、Cu膜5の上に酸化防止膜4を形
成する。この酸化防止膜形成中の連続真空は、1.33
×10-2Pa(1×10-4Torr)程度となってもよい。
【0019】酸化防止膜4としてはチタン窒化膜(TiN
膜):200nm程度を用いることが適当である。この時、図
1(d)に示すように、半導体ウェーハ10の配線溝3
及び接続孔3aの底部にはボイド8が形成されている。
望ましくは、酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印
加の直前までは、再び1.33×10-3Pa(1×10-5T
orr)以下の連続真空を維持する。
膜):200nm程度を用いることが適当である。この時、図
1(d)に示すように、半導体ウェーハ10の配線溝3
及び接続孔3aの底部にはボイド8が形成されている。
望ましくは、酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印
加の直前までは、再び1.33×10-3Pa(1×10-5T
orr)以下の連続真空を維持する。
【0020】続いてこの半導体ウェーハ10を、高温・
高圧処理チャンバーで400℃以上に加熱しながら、Ar等
の不活性ガスを流入させ、40〜100MPa程度の高圧を印加
し、Cu膜5のCuをボイド8に圧入・流動させ、図1
(e)に示すように、配線溝3及び接続孔3aの内部を
Cuで充填する。
高圧処理チャンバーで400℃以上に加熱しながら、Ar等
の不活性ガスを流入させ、40〜100MPa程度の高圧を印加
し、Cu膜5のCuをボイド8に圧入・流動させ、図1
(e)に示すように、配線溝3及び接続孔3aの内部を
Cuで充填する。
【0021】先にも述べたように、ここまでの一連の処
理が終わるまでは、Cuの酸化を防止するために大気中に
半導体ウェーハ10をさらすことなく、高真空を維持す
る。特に、望ましくは、銅膜形成工程の終了時から次の
酸化防止膜形成工程の開始までの間は、1.33×10
-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空雰囲気を維持す
る。さらに、酸化防止膜形成工程の後から銅圧入工程の
開始に至るまでの間も、1.33×10-3Pa(1×10
-5Torr)以下の高真空雰囲気を維持することがのぞまし
い。なお、酸化防止膜の形成中の連続真空は、1.33
×10-2Pa(1×10-4Torr)程度となってもよい。本
願発明者の実験によれば、Cu膜5の形成後に半導体ウェ
ーハ10を1.33×10-2Pa(1×10-4Torr)の処
理チェンバーに放置した場合には、Cuの酸化がひどく、
高圧時でのCuの埋め込み特性が劣化した。6.65×1
0-3Pa(5×10-5Torr)でも若干のCuの酸化がみられ
ており、1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下に
することによりCuの酸化をなくすることができた。
理が終わるまでは、Cuの酸化を防止するために大気中に
半導体ウェーハ10をさらすことなく、高真空を維持す
る。特に、望ましくは、銅膜形成工程の終了時から次の
酸化防止膜形成工程の開始までの間は、1.33×10
-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空雰囲気を維持す
る。さらに、酸化防止膜形成工程の後から銅圧入工程の
開始に至るまでの間も、1.33×10-3Pa(1×10
-5Torr)以下の高真空雰囲気を維持することがのぞまし
い。なお、酸化防止膜の形成中の連続真空は、1.33
×10-2Pa(1×10-4Torr)程度となってもよい。本
願発明者の実験によれば、Cu膜5の形成後に半導体ウェ
ーハ10を1.33×10-2Pa(1×10-4Torr)の処
理チェンバーに放置した場合には、Cuの酸化がひどく、
高圧時でのCuの埋め込み特性が劣化した。6.65×1
0-3Pa(5×10-5Torr)でも若干のCuの酸化がみられ
ており、1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下に
することによりCuの酸化をなくすることができた。
【0022】酸化防止膜4としては、ここではチタン窒
化膜(TiN膜):200nmとしたが、TiN膜であれば50nm以上
で酸化防止の効果を有する。また、Cuの酸化防止膜4の
材料としては、チタン(Ti)のほかタンタル(Ta),タ
ングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)
等、又はこれらの酸化物もしくは窒化物、あるいは珪化
物を用いることができる。また、TiN/Tiのようにこれら
の複合膜を用いてもよい。これらの酸化防止膜4の金属
が酸化することにより、その下のCu膜5の酸化を防止す
る働きをする。なお、高温・高圧処理の結果、Cu中に0.
1〜10wt.%程度のAl,Ti,Si等の元素が1種類以上含まれ
ていてもよい。
化膜(TiN膜):200nmとしたが、TiN膜であれば50nm以上
で酸化防止の効果を有する。また、Cuの酸化防止膜4の
材料としては、チタン(Ti)のほかタンタル(Ta),タ
ングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)
等、又はこれらの酸化物もしくは窒化物、あるいは珪化
物を用いることができる。また、TiN/Tiのようにこれら
の複合膜を用いてもよい。これらの酸化防止膜4の金属
が酸化することにより、その下のCu膜5の酸化を防止す
る働きをする。なお、高温・高圧処理の結果、Cu中に0.
1〜10wt.%程度のAl,Ti,Si等の元素が1種類以上含まれ
ていてもよい。
【0023】次に、図1(f)に示すように、配線溝3
及び接続孔3aにCuが埋め込まれた半導体ウェーハ10
を化学機械的研磨法(CMP法)を用いて酸化防止膜4及
び不要なCu膜5を除去して、配線溝3及び接続孔3aに
のみCu膜5を残し、配線溝3および接続孔3aの配線を
完成する。その後、一般に行なわれる半導体装置の製造
工程を続けて、半導体装置の製造を完成する。
及び接続孔3aにCuが埋め込まれた半導体ウェーハ10
を化学機械的研磨法(CMP法)を用いて酸化防止膜4及
び不要なCu膜5を除去して、配線溝3及び接続孔3aに
のみCu膜5を残し、配線溝3および接続孔3aの配線を
完成する。その後、一般に行なわれる半導体装置の製造
工程を続けて、半導体装置の製造を完成する。
【0024】以上のように、この実施の形態1では、高
真空雰囲気を連続して維持しつつ、配線用のCu膜5を形
成した上に、Cu膜の酸化防止膜4としてTi等による膜を
形成し、高温・高圧の不活性ガスにより配線用溝3及び
/または孔3aにCu膜5の銅を圧入するようにしたの
で、Cu膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を
防止することができる。
真空雰囲気を連続して維持しつつ、配線用のCu膜5を形
成した上に、Cu膜の酸化防止膜4としてTi等による膜を
形成し、高温・高圧の不活性ガスにより配線用溝3及び
/または孔3aにCu膜5の銅を圧入するようにしたの
で、Cu膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を
防止することができる。
【0025】実施の形態2.図1及び図2を参照して、
この発明の実施の形態2による半導体装置の製造方法に
ついて説明する。先ず、図1(a)に示した半導体ウェ
ーハ10における配線溝3及び/または接続孔3aを形
成する工程、及びその後の半導体ウェーハ10の表面洗
浄について、実施の形態1で説明した工程と同様の工程
を行なう。簡略のため、重複した説明を省略する。
この発明の実施の形態2による半導体装置の製造方法に
ついて説明する。先ず、図1(a)に示した半導体ウェ
ーハ10における配線溝3及び/または接続孔3aを形
成する工程、及びその後の半導体ウェーハ10の表面洗
浄について、実施の形態1で説明した工程と同様の工程
を行なう。簡略のため、重複した説明を省略する。
【0026】次に、図2に示すように、配線溝3及び接
続孔3aの表面に、Cu埋め込みのための濡れ層として働
くバリア層6を、TiN/Ti膜:70/30nmにより形成する。次
に、バリア層6で表面が被覆された配線溝3及び接続孔
3aを含む層間絶縁膜2の上に、実施の形態1と同様に
スパッタ法あるいはCVD法によりCu膜5を成膜する。こ
の時成膜するCu膜5は、配線溝3あるいは接続孔3aを
十分に覆うだけの膜厚を成膜する。
続孔3aの表面に、Cu埋め込みのための濡れ層として働
くバリア層6を、TiN/Ti膜:70/30nmにより形成する。次
に、バリア層6で表面が被覆された配線溝3及び接続孔
3aを含む層間絶縁膜2の上に、実施の形態1と同様に
スパッタ法あるいはCVD法によりCu膜5を成膜する。こ
の時成膜するCu膜5は、配線溝3あるいは接続孔3aを
十分に覆うだけの膜厚を成膜する。
【0027】続いてこのCu膜5の上にCuの酸化防止を目
的とした酸化防止膜4を形成する。この実施の形態2で
は、酸化防止膜4として、シリコン窒化膜をCVD法を用
いて形成する。シリコン窒化膜がCuの酸化を防止するた
め、高圧印加時のCuの埋め込み特性の劣化を防止する。
このとき配線溝3及び接続孔3aの底部には、図1
(d)に示すように、ボイド8が形成されている。
的とした酸化防止膜4を形成する。この実施の形態2で
は、酸化防止膜4として、シリコン窒化膜をCVD法を用
いて形成する。シリコン窒化膜がCuの酸化を防止するた
め、高圧印加時のCuの埋め込み特性の劣化を防止する。
このとき配線溝3及び接続孔3aの底部には、図1
(d)に示すように、ボイド8が形成されている。
【0028】次に、高温・高圧の不活性ガスによるCu膜
5のボイド8への圧入の工程、ならびに化学機械的研磨
法(CPM法)による配線の形成の工程を行なう。これら
は実施の形態1で説明した工程と同様であるから、重複
した説明を省略する。
5のボイド8への圧入の工程、ならびに化学機械的研磨
法(CPM法)による配線の形成の工程を行なう。これら
は実施の形態1で説明した工程と同様であるから、重複
した説明を省略する。
【0029】また、この実施の形態2においても、実施
の形態1と同様に、Cu膜5の形成工程の後からCu膜5の
酸化防止膜4の形成工程の直前まで、Cu膜5の酸化を防
止するため、半導体ウェーハ10は、大気に曝露するこ
となく、処理チェンバーは1.33×10-3Pa(1×1
0-5Torr)以下の高真空で連続真空を維持する。また、
酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印加の直前まで
は、再び1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の
連続真空を維持することがのぞましい。
の形態1と同様に、Cu膜5の形成工程の後からCu膜5の
酸化防止膜4の形成工程の直前まで、Cu膜5の酸化を防
止するため、半導体ウェーハ10は、大気に曝露するこ
となく、処理チェンバーは1.33×10-3Pa(1×1
0-5Torr)以下の高真空で連続真空を維持する。また、
酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印加の直前まで
は、再び1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の
連続真空を維持することがのぞましい。
【0030】次に、不要なCu膜5の除去と配線の形成工
程を行なう。これは実施の形態1で説明した工程と同様
であるから、簡略のため重複説明は省略する。
程を行なう。これは実施の形態1で説明した工程と同様
であるから、簡略のため重複説明は省略する。
【0031】なお、上記の配線溝3及び接続孔3aの表
面へのバリア層6の形成は、実施の形態1において適用
することもできる。このバリア層6は、Cu膜5の埋め込
みを容易にするために効果があるが、このバリア層6が
なくても差し支えはない。
面へのバリア層6の形成は、実施の形態1において適用
することもできる。このバリア層6は、Cu膜5の埋め込
みを容易にするために効果があるが、このバリア層6が
なくても差し支えはない。
【0032】以上のように、この実施の形態2では、高
真空雰囲気を連続して維持しつつ、配線用のCu膜5を形
成した上に、Cu膜5の酸化防止膜4としてシリコン窒化
膜を形成し、高温・高圧の不活性ガスにより配線用溝3
及び/または接続孔3aにCu膜5の銅を圧入するように
したので、Cu膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の
劣化を防止することができる。
真空雰囲気を連続して維持しつつ、配線用のCu膜5を形
成した上に、Cu膜5の酸化防止膜4としてシリコン窒化
膜を形成し、高温・高圧の不活性ガスにより配線用溝3
及び/または接続孔3aにCu膜5の銅を圧入するように
したので、Cu膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の
劣化を防止することができる。
【0033】実施の形態3.図1を参照して、この発明
の実施の形態3による半導体装置の製造方法について説
明する。先ず、図1(a)に示した半導体ウェーハ10
における配線溝3及び/または接続孔3aを形成する工
程から、図1(d)に示したCu膜5の形成工程及び酸化
防止膜4の形成工程については、実施の形態1で説明し
た工程と同様の工程を行なう。簡略のため、重複した説
明を省略する。
の実施の形態3による半導体装置の製造方法について説
明する。先ず、図1(a)に示した半導体ウェーハ10
における配線溝3及び/または接続孔3aを形成する工
程から、図1(d)に示したCu膜5の形成工程及び酸化
防止膜4の形成工程については、実施の形態1で説明し
た工程と同様の工程を行なう。簡略のため、重複した説
明を省略する。
【0034】次に、この半導体ウェーハ10を400℃以
上に加熱しながら40〜100MPa程度の高圧をAr等の不活性
ガスを用いて印加し、図1(e)に示すように、ボイド
8にCuを流動させ配線溝3及び接続孔3aの内部をCuで
充填する。
上に加熱しながら40〜100MPa程度の高圧をAr等の不活性
ガスを用いて印加し、図1(e)に示すように、ボイド
8にCuを流動させ配線溝3及び接続孔3aの内部をCuで
充填する。
【0035】この実施の形態3においては、ここで印加
する不活性ガス中の不純物ガスの量を、Cuの酸化を防止
するために50vpm (Volumetric parts per million)
以下に制御する。不活性ガス中の不純物ガスとしては、
酸素および水分等が含まれており、これらは高温・高圧
印加中にCuを酸化させるのでその量を極力少なくする。
本願発明者の実験によれば、高圧印加時の不活性ガス
(Ar)中の不純物ガスの濃度が、100vpm程度の場合に
は、Cuの酸化の程度がひどく、これに起因してCuの埋め
込み特性が劣化した。これを50vpm以下にした場合にはC
uの酸化はほとんど認められず、特に10vpm以下にした場
合には、Cuの酸化及びこれに基づくCuの埋め込み特性の
劣化はみられなかった。
する不活性ガス中の不純物ガスの量を、Cuの酸化を防止
するために50vpm (Volumetric parts per million)
以下に制御する。不活性ガス中の不純物ガスとしては、
酸素および水分等が含まれており、これらは高温・高圧
印加中にCuを酸化させるのでその量を極力少なくする。
本願発明者の実験によれば、高圧印加時の不活性ガス
(Ar)中の不純物ガスの濃度が、100vpm程度の場合に
は、Cuの酸化の程度がひどく、これに起因してCuの埋め
込み特性が劣化した。これを50vpm以下にした場合にはC
uの酸化はほとんど認められず、特に10vpm以下にした場
合には、Cuの酸化及びこれに基づくCuの埋め込み特性の
劣化はみられなかった。
【0036】また、この実施の形態3においても、実施
の形態1と同様に、Cu膜5の形成工程の後からCu膜5の
酸化防止膜4の形成工程の直前まで、Cu膜5の酸化を防
止するため、半導体ウェーハ10は、大気に曝露するこ
となく、処理チェンバーは1.33×10-3Pa(1×1
0-5Torr)以下の高真空で連続真空を維持する。また、
酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印加の直前まで
は、再び1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の
連続真空を維持することがのぞましい。
の形態1と同様に、Cu膜5の形成工程の後からCu膜5の
酸化防止膜4の形成工程の直前まで、Cu膜5の酸化を防
止するため、半導体ウェーハ10は、大気に曝露するこ
となく、処理チェンバーは1.33×10-3Pa(1×1
0-5Torr)以下の高真空で連続真空を維持する。また、
酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印加の直前まで
は、再び1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の
連続真空を維持することがのぞましい。
【0037】次に、不要なCu膜5の除去と配線の形成工
程を行なう。これは実施の形態1で説明した工程と同様
であるから、簡略のため重複説明は省略する。
程を行なう。これは実施の形態1で説明した工程と同様
であるから、簡略のため重複説明は省略する。
【0038】以上のように、この実施の形態3では、高
真空雰囲気を連続して維持しつつ、配線用のCu膜5を形
成した上に、酸化防止膜4を形成し、不純物量を制御し
た高温・高圧の不活性ガスにより配線溝3及び/または
接続孔3aにCu膜5の銅を圧入するようにしたので、Cu
膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止す
ることができる。
真空雰囲気を連続して維持しつつ、配線用のCu膜5を形
成した上に、酸化防止膜4を形成し、不純物量を制御し
た高温・高圧の不活性ガスにより配線溝3及び/または
接続孔3aにCu膜5の銅を圧入するようにしたので、Cu
膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止す
ることができる。
【0039】実施の形態4.図1を参照して、この発明
の実施の形態4による半導体装置の製造方法について説
明する。先ず、図1(a)に示した半導体ウェーハ10
における配線溝3及び/または接続孔3aを形成する工
程、及びその後の半導体ウェーハ10の表面洗浄につい
て、実施の形態1で説明した工程と同様の工程を行な
う。簡略のため、重複した説明を省略する。
の実施の形態4による半導体装置の製造方法について説
明する。先ず、図1(a)に示した半導体ウェーハ10
における配線溝3及び/または接続孔3aを形成する工
程、及びその後の半導体ウェーハ10の表面洗浄につい
て、実施の形態1で説明した工程と同様の工程を行な
う。簡略のため、重複した説明を省略する。
【0040】次に、図1(d)に示すように、スパッタ
法あるいはCVD法により、層間絶縁膜2の上に、Cu膜5
を成膜する。この時成膜するCu膜5は、配線溝3あるい
は接続孔3aを十分に覆うだけの膜厚を成膜する。
法あるいはCVD法により、層間絶縁膜2の上に、Cu膜5
を成膜する。この時成膜するCu膜5は、配線溝3あるい
は接続孔3aを十分に覆うだけの膜厚を成膜する。
【0041】この実施の形態4において、スパッタ法を
用いてCu膜5を形成する場合、Cuターゲットは99.999w
t.%(5N)以上の純度のものを用いる。高純度Cuターゲッ
トを用いることにより、スパッタ法で形成されるCu膜5
中の不純物が減少し、高圧印加時にCuの酸化等による埋
め込み特性の劣化が防止される。本願発明者の実験によ
れば、Cuの純度が99.995wt.%(4N5)ではCu膜形成後の埋
め込み特性が劣化したが、99.999wt.%(5N)にすればCu
膜の埋め込み特性の劣化がみられなかった。
用いてCu膜5を形成する場合、Cuターゲットは99.999w
t.%(5N)以上の純度のものを用いる。高純度Cuターゲッ
トを用いることにより、スパッタ法で形成されるCu膜5
中の不純物が減少し、高圧印加時にCuの酸化等による埋
め込み特性の劣化が防止される。本願発明者の実験によ
れば、Cuの純度が99.995wt.%(4N5)ではCu膜形成後の埋
め込み特性が劣化したが、99.999wt.%(5N)にすればCu
膜の埋め込み特性の劣化がみられなかった。
【0042】次に、酸化防止膜4の形成工程を行なう
が、これは実施の形態1又は2で説明した工程と同様で
あるから、簡略のため説明を省略する。次に、不活性ガ
スの高温・高圧下で配線溝3及び接続孔3aへのCuの圧
入の工程を行なう。これは実施の形態1又は3と同様で
あるから、簡略のため説明を省略する。
が、これは実施の形態1又は2で説明した工程と同様で
あるから、簡略のため説明を省略する。次に、不活性ガ
スの高温・高圧下で配線溝3及び接続孔3aへのCuの圧
入の工程を行なう。これは実施の形態1又は3と同様で
あるから、簡略のため説明を省略する。
【0043】また、この実施の形態4においても、実施
の形態1と同様に、Cu膜5の形成工程の後からCu膜5の
酸化防止膜4の形成工程の直前まで、Cu膜5の酸化を防
止するため、半導体ウェーハ10は、大気に曝露するこ
となく、処理チェンバーは1.33×10-3Pa(1×1
0-5Torr)以下の高真空で連続真空を維持する。また、
酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印加の直前まで
は、再び1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の
連続真空を維持することがのぞましい。
の形態1と同様に、Cu膜5の形成工程の後からCu膜5の
酸化防止膜4の形成工程の直前まで、Cu膜5の酸化を防
止するため、半導体ウェーハ10は、大気に曝露するこ
となく、処理チェンバーは1.33×10-3Pa(1×1
0-5Torr)以下の高真空で連続真空を維持する。また、
酸化防止膜4の形成後、次の工程の高圧印加の直前まで
は、再び1.33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の
連続真空を維持することがのぞましい。
【0044】次に、不要なCu膜5の除去と配線の形成工
程は、実施の形態1で説明した工程と同様であるから、
簡略のため重複説明は省略する。
程は、実施の形態1で説明した工程と同様であるから、
簡略のため重複説明は省略する。
【0045】以上のように、この実施の形態4では、高
真空雰囲気を連続して維持しつつ、高純度のCuを用いて
配線用のCu膜5を形成した上に、Cu膜5の酸化防止膜4
を形成し、高温・高圧の不活性ガスにより配線溝3及び
/または接続孔3aにCu膜5のCuを圧入するようにした
ので、Cu膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化
を防止することができる。
真空雰囲気を連続して維持しつつ、高純度のCuを用いて
配線用のCu膜5を形成した上に、Cu膜5の酸化防止膜4
を形成し、高温・高圧の不活性ガスにより配線溝3及び
/または接続孔3aにCu膜5のCuを圧入するようにした
ので、Cu膜5の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化
を防止することができる。
【0046】以上、本発明の実施の形態1〜4では、図
1(a)に示す断面図において、配線溝3の底から接続
孔3aが半導体基板1に通じている配線構造を例にとっ
て説明した。しかし、この発明の実施の形態において、
配線構造はこのようなものに限定されるものではない。
例えば、層間絶縁膜2に配線溝3のみが形成されている
場合がありうる。また、層間絶縁膜2の上層の配線また
は導電部分と半導体基板とを接続する接続孔3aのみが
形成されている場合もありうる。この発明の実施の形態
は、このような場合、配線溝3及び接続孔3aの両方で
はなく,配線溝3のみ、あるいは接続孔3aのみをCuで
埋め込んで配線を形成する場合も含むものである。
1(a)に示す断面図において、配線溝3の底から接続
孔3aが半導体基板1に通じている配線構造を例にとっ
て説明した。しかし、この発明の実施の形態において、
配線構造はこのようなものに限定されるものではない。
例えば、層間絶縁膜2に配線溝3のみが形成されている
場合がありうる。また、層間絶縁膜2の上層の配線また
は導電部分と半導体基板とを接続する接続孔3aのみが
形成されている場合もありうる。この発明の実施の形態
は、このような場合、配線溝3及び接続孔3aの両方で
はなく,配線溝3のみ、あるいは接続孔3aのみをCuで
埋め込んで配線を形成する場合も含むものである。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、半導体ウェーハの層間絶縁膜に配線用溝または接続
孔を形成し、配線用溝または接続孔の上に銅膜を形成し
た後、次の酸化防止膜の形成工程に至るまでの間、1.
33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空雰囲気
を維持し、この銅膜を高温・高圧の不活性ガスにより配
線用溝または接続孔に圧入して配線を形成するので、Cu
膜の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止し、
特性の良好な配線を形成することができる。
ば、半導体ウェーハの層間絶縁膜に配線用溝または接続
孔を形成し、配線用溝または接続孔の上に銅膜を形成し
た後、次の酸化防止膜の形成工程に至るまでの間、1.
33×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空雰囲気
を維持し、この銅膜を高温・高圧の不活性ガスにより配
線用溝または接続孔に圧入して配線を形成するので、Cu
膜の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止し、
特性の良好な配線を形成することができる。
【0048】また、この発明によれば、上記酸化防止膜
形成工程の後、上記銅圧入工程に至るまでの間、1.3
3×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空雰囲気を
維持するので、さらにCu膜の酸化とそれに基づく埋め込
み特性の劣化を防止し、特性の良好な配線を形成するこ
とができる。
形成工程の後、上記銅圧入工程に至るまでの間、1.3
3×10-3Pa(1×10-5Torr)以下の高真空雰囲気を
維持するので、さらにCu膜の酸化とそれに基づく埋め込
み特性の劣化を防止し、特性の良好な配線を形成するこ
とができる。
【0049】また、この発明によれば、銅膜の酸化防止
膜の材料として、チタン、タンタル、タングステン、モ
リブデン、マンガンのいずれか、またはこれらの酸化
物、窒化物もしくは珪化物のいずれか、あるいはそれら
の複合物を用いて、Cu膜の酸化とそれに基づく埋め込み
特性の劣化を防止し、特性の良好な配線を形成すること
ができる。
膜の材料として、チタン、タンタル、タングステン、モ
リブデン、マンガンのいずれか、またはこれらの酸化
物、窒化物もしくは珪化物のいずれか、あるいはそれら
の複合物を用いて、Cu膜の酸化とそれに基づく埋め込み
特性の劣化を防止し、特性の良好な配線を形成すること
ができる。
【0050】また、この発明によれば、銅膜の酸化防止
膜の材料として、シリコン窒化膜を用いて、Cu膜の酸化
とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止し、特性の良
好な配線を形成することができる。
膜の材料として、シリコン窒化膜を用いて、Cu膜の酸化
とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止し、特性の良
好な配線を形成することができる。
【0051】また、この発明によれば、銅膜の形成を、
純度99.999wt%(5N)以上の銅をターゲットとして用いて
形成するので、純度の高い銅膜を形成することができ、
Cu膜の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止
し、特性の良好な配線を形成することができる。
純度99.999wt%(5N)以上の銅をターゲットとして用いて
形成するので、純度の高い銅膜を形成することができ、
Cu膜の酸化とそれに基づく埋め込み特性の劣化を防止
し、特性の良好な配線を形成することができる。
【0052】また、この発明によれば、配線用溝または
接続孔に銅を圧入する工程に用いる不活性ガスとして、
不純物ガス量を50vpm以下にするので、Cu膜の酸化とそ
れに基づく埋め込み特性の劣化を防止し、特性の良好な
配線を形成することができる。
接続孔に銅を圧入する工程に用いる不活性ガスとして、
不純物ガス量を50vpm以下にするので、Cu膜の酸化とそ
れに基づく埋め込み特性の劣化を防止し、特性の良好な
配線を形成することができる。
【図1】 この発明の実施の形態1〜4による半導体装
置の製造方法及び構造を示す工程図である。
置の製造方法及び構造を示す工程図である。
【図2】 この発明の実施の形態2による半導体装置の
製造方法を示す工程図である。
製造方法を示す工程図である。
【図3】 従来の半導体装置の製造方法及び構造を示す
工程図である。
工程図である。
1 半導体基板(Si基板)、 2 層間絶縁膜、 3
配線溝、 3a 接続孔、 4 酸化防止膜、 5 銅
膜(Cu膜)、 6 バリア層、 8 ボイド、10 半
導体ウェーハ。
配線溝、 3a 接続孔、 4 酸化防止膜、 5 銅
膜(Cu膜)、 6 バリア層、 8 ボイド、10 半
導体ウェーハ。
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体ウェーハの層間絶縁膜に配線用溝
及び/または接続孔を形成する工程と、 上記配線用溝及び/または接続孔を覆うように上記層間
絶縁膜の上に銅膜を形成する銅膜形成工程と、 上記銅膜形成工程の終了時から、1.33×10-3Pa
(1×10-5Torr)以下の高真空雰囲気を維持した後、連
続真空を維持しつつ上記銅膜の上に銅の酸化防止膜を形
成する酸化防止膜形成工程と、 高温・高圧の不活性ガスにより上記配線用溝及び/また
は接続孔に上記銅膜の銅を圧入する銅圧入工程と、 化学機械的研磨により上記銅膜の銅を上記配線用溝及び
/または接続孔にのみ残して除去する工程とを含むこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 上記酸化防止膜形成工程の後、上記銅圧
入工程に至るまでの間、1.33×10-3Pa(1×10
-5Torr)以下の高真空雰囲気を維持することを特徴とす
る請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 上記酸化防止膜の材料として、チタン、
タンタル、タングステン、モリブデン、マンガンのいず
れか、またはこれらの酸化物、窒化物もしくは珪化物の
いずれか、あるいはそれらの複合物を用いることを特徴
とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 上記酸化防止膜の材料として、シリコン
窒化膜を用いることを特徴とする請求項1又は2に記載
の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 上記銅膜の形成を、純度99.999wt%(5N)
以上の銅をターゲットとして用いてスパッタ法により形
成することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載
の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 上記銅圧入工程に用いる上記不活性ガス
中の不純物ガス量を50vpm以下にすることを特徴とする
請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の製造方
法により製造されたことを特徴とする半導体装置。
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US8169079B2 (en) | 2008-12-19 | 2012-05-01 | Advanced Interconnect Materials, Llc | Copper interconnection structures and semiconductor devices |
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CN103187361A (zh) * | 2011-12-31 | 2013-07-03 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 铜互连层的制造方法 |
-
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- 1998-02-25 JP JP10043623A patent/JPH1187349A/ja not_active Withdrawn
- 1998-04-01 CN CNB981051839A patent/CN1157778C/zh not_active Expired - Fee Related
- 1998-04-01 DE DE19814703A patent/DE19814703A1/de not_active Ceased
- 1998-04-01 KR KR1019980011436A patent/KR100271456B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1998-04-02 TW TW087104970A patent/TW461043B/zh not_active IP Right Cessation
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