JP2001250796A - Method and apparatus for forming metal wiring film - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for forming a metal wiring film of a semiconductor wafer produced according to a fine design rule of 0.1 μm or less through continuous processing. SOLUTION: The apparatus for forming a metal wiring film comprises a CVD chamber 10 forming a barrier film for preventing reaction between a metallic material and an insulation film material by CVD, a PVD chamber 11 for depositing a film of the metallic material by sputtering under an inert gas atmosphere containing hydrogen gas, a high pressure treating chamber 12 for pressure filling holes and trenches with the metallic material by heat treating a wiring film under a high pressure gas atmosphere, an a central chamber 14 provided with a transfer body 13 for placing a substrate to be treated in each chamber 10, 11, 12 and taking out the substrate therefrom.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ＵＬＳＩに代表さ
れる半導体装置の製造方法および製造装置に係り、より
詳細には、金属配線膜の形成方法（成膜方法）および形
成装置（成膜装置）に関するものである。とくに低電気
抵抗で微細な配線構造の配線膜の形成、とくに今後の
０．１μｍ以下の微細な設計ルールによって製造される
半導体ウェーハの金属配線膜を形成するための方法と装
置に関するものであって、結果として高速演算、低駆動
電圧化、低消費電力化を実現する技術に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a semiconductor device typified by ULSI, and more particularly, to a method for forming a metal wiring film (film forming method) and a forming apparatus (film forming apparatus). ). More particularly, the present invention relates to a method and an apparatus for forming a wiring film having a fine wiring structure with low electric resistance, and particularly for forming a metal wiring film of a semiconductor wafer to be manufactured according to a fine design rule of 0.1 μm or less in the future. As a result, the present invention relates to a technique for realizing high-speed operation, low drive voltage, and low power consumption.

【０００２】[0002]

【従来の技術と課題】近年，ＵＬＳＩ分野では微細化を
進めることによる高集積化が急速で進行しており、配線
膜についても、従来のＡｌ系材料では細線化に伴う電気
抵抗の増大による信号伝達の遅延がクローズアップされ
るとともにＳｉＯ２系絶縁膜の誘電率も高速化には限界
が指摘されてより低誘電率の絶縁膜材料が指向されつつ
ある。配線膜の低電気抵抗化には、従来のＡｌ系材料よ
り低電気抵抗の材料として銅および銅系合金さらには金
属では最も電気抵抗が小さい銀もしくは銀合金の利用が
検討されている。2. Description of the Related Art In recent years, in the ULSI field, high integration has been progressing rapidly by miniaturization. Also, in the case of a conventional Al-based material, a signal due to an increase in electrical resistance due to the thinning of a conventional Al-based material has been developed. The delay in transmission is getting closer, and the dielectric constant of the SiO 2 -based insulating film is limited in speeding up. Therefore, insulating film materials having a lower dielectric constant are being used. In order to reduce the electrical resistance of the wiring film, use of copper or a copper-based alloy, or silver or silver alloy, which has the lowest electrical resistance among metals, as a material having a lower electrical resistance than conventional Al-based materials is being studied.

【０００３】銅系の材料は低電気抵抗であることに加え
て、ＵＬＳＩの配線中を流れる電流による配線の変形・
断線現象（エレクトロマイグレーション）を生じないこ
と、さらには低価格であることから、最も有力な材料と
されている。この銅系金属や銀系金属の場合、Ａｌ系合
金絶縁膜の上にスパッタリング法を用いて成膜してから
エッチング法により、導線構造を形成することが困難で
あり、絶縁膜に溝を形成してこの溝にこれら金属をメッ
キ法により充填する方法が採用されている。メッキ法が
採用される理由は、室温近傍の低温度で形成可能で、今
後有望とされる有機系絶縁膜との組合せができること
で、従来のスパッタリング法では４５０〜５００℃の高
温が必要で組合せができないとされていることによる。
ただ、メッキが低温プロセスとは言いながらも、実際に
は膜の安定化のために、３００〜４００℃でのアニール
処理が必要である。[0003] In addition to the low electrical resistance, copper-based materials have the disadvantage of deforming wiring due to current flowing in the wiring of ULSI.
Since it does not cause a disconnection phenomenon (electromigration) and is inexpensive, it is regarded as the most influential material. In the case of such a copper-based metal or a silver-based metal, it is difficult to form a conductive wire structure by an etching method after forming a film on an Al-based alloy insulating film by a sputtering method, and a groove is formed in the insulating film. Then, a method of filling these grooves with these metals by plating is adopted. The plating method is adopted because it can be formed at a low temperature near room temperature and can be combined with an organic insulating film that is promising in the future, and the conventional sputtering method requires a high temperature of 450 to 500 ° C. It is said that it is not possible.
However, although plating is a low-temperature process, an annealing process at 300 to 400 ° C. is actually required to stabilize the film.

【０００４】また、メッキ法の場合、成膜速度の調整等
の観点から電解メッキ法が用いられるが、このために
は、あらかじめ半導体ウェーハの表面に導電性を付与す
るためのシード層をスパッタリング法もしくはＣＶＤ法
によって形成しておくことが必要で、このことは、これ
までのＡｌ配線膜形成プロセスと比較するとメッキ装置
とその後のアニール炉が別途に必要なこととなり、大き
な設備投資が必要で、さらには、メッキ廃液の処理とい
う大きな環境面での問題への対処が必要という問題を抱
えている。In the case of the plating method, an electrolytic plating method is used from the viewpoint of adjusting a film forming rate. For this purpose, a seed layer for imparting conductivity to a surface of a semiconductor wafer is previously formed by a sputtering method. Alternatively, it must be formed by a CVD method, which requires a separate plating apparatus and a subsequent annealing furnace as compared with the conventional Al wiring film forming process, requiring a large investment in equipment, Furthermore, there is a problem that it is necessary to deal with a large environmental problem of treating a plating waste liquid.

【０００５】スパッタリング法での銅系、銀系の低温度
での成膜が可能になれば、上記の有機系絶縁膜の観点か
らは問題がなくなる。このための一つの方法として水素
あるいは水素と酸素の混合雰囲気（Ｒｅｄｏｘ）で熱処
理を行う方法が提案されているが、行程が一つふえるこ
とを意味しており、工業的な方法として採用するには課
題が多い。また、近年、上記の微細化傾向からホールに
ついては現在の直径０．２５μｍから２００３年頃には
０．１μｍにまで小径化することが予測されている。こ
の場合、とくに０．１５μｍ以下の微細化に対して、深
さが直径の４倍以上になると、金属配線膜を形成する前
に絶縁膜材料との反応を防止するいわゆるバリア膜の形
成方法も問題となる。すなわちこれまでの０．２５μｍ
以上の直径の孔の内面にバリア層を形成するには、スパ
ッタリング法が用いられてきたが、このように孔の直径
が小さく、かつ深くなると、スパッタリング法では成膜
時の厚さに異方性があり孔の側面に効果的にバリア膜を
必要十分な厚さで付与することが困難となる。If a copper-based or silver-based film can be formed at a low temperature by a sputtering method, there is no problem from the viewpoint of the above-mentioned organic insulating film. As one method for this purpose, a method of performing a heat treatment in hydrogen or a mixed atmosphere of hydrogen and oxygen (Redox) has been proposed. However, this means that the number of processes is increased by one. Has many issues. Also, in recent years, it is predicted that the diameter of holes will be reduced from the current diameter of 0.25 μm to about 0.1 μm around 2003 in view of the above-described tendency toward miniaturization. In this case, a method of forming a so-called barrier film for preventing a reaction with an insulating film material before forming a metal wiring film when the depth becomes four times or more the diameter, particularly for miniaturization of 0.15 μm or less, is also available. It becomes a problem. That is, the conventional 0.25 μm
The sputtering method has been used to form a barrier layer on the inner surface of the hole having the above diameter. However, when the diameter of the hole is small and deep as described above, the sputtering method has an anisotropic thickness. It is difficult to effectively provide a barrier film with a necessary and sufficient thickness on the side surface of the hole.

【０００６】そこで本発明は、低電気抵抗化の観点から
今後の配線膜材料として期待されている銅系材料あるい
はさらに電気抵抗が小さな銀系の材料を、耐熱性が必ず
しも高くない有機系の低誘電率絶縁膜材料との組合せで
必須とされる４００℃以下の温度での成膜および孔や溝
への充填（加圧埋込み）が可能な金属配線膜の形成方法
とこれを連続処理可能な形成装置を提供することが目的
である。すなわち、ホール（孔）やトレンチ溝を形成し
た絶縁膜付き半導体ウェーハ（被処理基板）上に、まず
バリア層を形成して、次いで水素を添加した不活性ガス
雰囲気下でのスパッタリング法により銅系あるいは銀系
の金属配線膜を形成し、さらに高圧の不活性ガス雰囲気
下で高圧ガス熱処理を行うことにより微細な孔や溝を有
する半導体基板の密着性良く金属配線膜を形成する方法
と、この方法を実施するに当たって、基本的に半導体ウ
ェーハを大気に暴露することなく、しかも連続的に行う
ことができる形成装置を提供するものである。Accordingly, the present invention is intended to reduce the use of a copper-based material or a silver-based material having a smaller electric resistance, which is expected to be used as a wiring film material in the future from the viewpoint of lowering the electric resistance. A method of forming a metal wiring film capable of forming a film at a temperature of 400 ° C. or less and filling holes (grooves) (pressurization embedding), which is indispensable in combination with a dielectric constant insulating film material, and continuously processing the same. It is an object to provide a forming device. That is, first, a barrier layer is formed on a semiconductor wafer (substrate to be processed) with an insulating film in which holes (holes) and trench grooves are formed, and then a copper-based material is formed by a sputtering method in an inert gas atmosphere containing hydrogen. Alternatively, a method of forming a silver-based metal wiring film, and further performing high-pressure gas heat treatment under a high-pressure inert gas atmosphere to form a metal wiring film with good adhesion of a semiconductor substrate having fine holes and grooves, and It is an object of the present invention to provide a forming apparatus capable of performing a method without exposing a semiconductor wafer to the atmosphere and in a continuous manner.

【０００７】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、孔・溝が形成
された被処理基板の絶縁膜の表面を、銅，銀等の金属材
料で成膜して被覆することにより、孔・溝内部に当該金
属材料を加圧埋込みして配線構造を形成する方法におい
て、前述の目的を達成するために、次の技術的手段を講
じている。すなわち、請求項１に係る形成方法は、前記
金属材料と絶縁膜材料との反応を防ぐバリア膜を、絶縁
膜上にＣＶＤ法によって形成し、前記金属材料を不活性
ガス雰囲気下においてスパッタリング法により成膜する
とき水素ガスをドープすることで当該金属材料原子の拡
散現象を促進して前記孔・溝内部に金属材料を充填し、
その後、高圧のガス雰囲気下で加熱処理することで金属
材料を孔・溝内部に加圧埋込みすることを特徴とするも
のである。According to the present invention, the surface of an insulating film of a substrate on which holes and grooves are formed is formed by coating a metal material such as copper, silver or the like to cover the surface. In the method of forming a wiring structure by pressurizing and embedding the metal material therein, the following technical measures are taken in order to achieve the above object. That is, in the forming method according to claim 1, a barrier film for preventing a reaction between the metal material and the insulating film material is formed on the insulating film by a CVD method, and the metal material is formed by a sputtering method in an inert gas atmosphere. Filling the hole / groove with a metal material by promoting the diffusion phenomenon of the metal material atoms by doping hydrogen gas when forming the film,
Thereafter, a heat treatment is performed in a high-pressure gas atmosphere to pressurize and bury the metal material inside the holes / grooves.

【０００８】本発明の第１の処理は、金属配線膜と絶縁
膜材料との反応を防ぐバリア膜を形成することにある。
このバリア膜の形成には細く深い孔の内面への成膜性に
すぐれたＣＶＤ法を用いるのが望ましい。第２の処理
は、銅系・銀系の金属配線膜を形成する際に同時に金属
配線膜中に水素をドープさせることにより、金属配線膜
材料の金属材料原子の拡散による移動を促進することで
ある。この原子の拡散現象の促進によって、成膜時に十
分に金属配線材料を充填できなかった孔や溝の完全な充
填を、熱処理と組合せることにより行うようにするもの
である。A first treatment of the present invention is to form a barrier film for preventing a reaction between a metal wiring film and an insulating film material.
For the formation of the barrier film, it is desirable to use a CVD method which is excellent in film forming property on the inner surface of a fine and deep hole. The second treatment is to promote the movement of the metal wiring film material by diffusion of metal material atoms by simultaneously doping hydrogen into the metal wiring film when forming the copper-based / silver-based metal wiring film. is there. By accelerating the atom diffusion phenomenon, complete filling of holes and grooves that could not be sufficiently filled with the metal wiring material at the time of film formation is performed by combining with heat treatment.

【０００９】本発明の第３の処理は、第２の処理だけで
は、金属配線膜材料での完全な充填が困難なような直径
が細い孔あるいは溝の充填を行うために、上記の熱処理
を高圧のガス雰囲気下で行い、高圧力による塑性変形
（加工）現象や、高圧ガス雰囲気自体による拡散現象の
促進効果により充填（加圧埋込み）を行うものである。
このような構成と作用によって、とくに、今後進展が予
測される微細化に対して、請求項１に係る本発明によれ
ば、高圧ガス雰囲気下でのリフロー処理の組合せで、直
径０．１μｍ以下の直径の微細な孔まで埋め込みが可能
となり、かつ、高圧ガスの圧力が均一に作用する効果に
よる歩留りの向上効果が期待され、多層のＵＬＳＩへの
適用において著効となる。In the third process of the present invention, the above heat treatment is performed in order to fill a hole or a groove having a small diameter so that it is difficult to completely fill the metal wiring film material with the second process alone. The filling (pressurizing and embedding) is performed in a high-pressure gas atmosphere by a plastic deformation (working) phenomenon by a high pressure and a diffusion effect by a high-pressure gas atmosphere itself.
With such a configuration and operation, in particular, according to the present invention according to claim 1, a diameter of 0.1 μm or less is obtained by a combination of a reflow treatment under a high-pressure gas atmosphere with respect to miniaturization which is expected to progress in the future. It is possible to embed even fine holes having a diameter of 1 mm, and an effect of improving the yield by the effect of uniformly applying the pressure of the high-pressure gas is expected, and this is remarkably effective when applied to a multilayer ULSI.

【００１０】前述した請求項１において、ドープした水
素ガスを熱処理室において脱水素処理を行うことが推奨
される（請求項２）。更に、本発明は、孔・溝が形成さ
れた被処理基板の絶縁膜の表面を、銅，銀等の金属材料
で成膜して被覆することにより、孔・溝内部に当該金属
材料を加圧埋込みして配線構造を形成する装置におい
て、次の技術的手段を講じている。すなわち、請求項３
に係る本発明の装置は、ＣＶＤ法により前記金属材料と
絶縁膜材料との反応を防ぐバリア膜を絶縁膜上に形成す
るＣＶＤ室と、水素ガスを含む不活性ガス雰囲気下にお
いてスパッタリング法により前記金属材料を成膜するＰ
ＶＤ室と、高圧ガス雰囲気下で加熱して配線膜を高圧熱
処理して前記孔・溝内部に金属材料を加圧埋込みする高
圧処理室と、被処理基板を前記各室に装入・取出する移
送体を備えている中枢室と、を備えていることを特徴と
するものである。In the above-mentioned claim 1, it is recommended that the doped hydrogen gas is subjected to dehydrogenation treatment in a heat treatment chamber (claim 2). Further, according to the present invention, the surface of the insulating film of the substrate on which the holes / grooves are formed is formed by coating with a metal material such as copper or silver to cover the inside of the holes / grooves with the metal material. The following technical measures are taken in an apparatus for forming a wiring structure by pressure embedding. That is, claim 3
The apparatus of the present invention according to the present invention, a CVD chamber for forming a barrier film on an insulating film for preventing a reaction between the metal material and the insulating film material by a CVD method, and a sputtering method under an inert gas atmosphere containing hydrogen gas. P for depositing metal material
A VD chamber, a high-pressure processing chamber for heating the wiring film under a high-pressure gas atmosphere to perform a high-pressure heat treatment on the wiring film and pressurizing and embedding a metal material in the holes and grooves, and loading and unloading a substrate to be processed into and from each of the chambers. And a central chamber having a transfer body.

【００１１】このような構成を採用したことによりホー
ル（孔）やトレンチ溝を形成した絶縁膜付き半導体ウェ
ーハ上（被処理基板）に、まずＣＶＤ法によりバリア層
を形成して、次いで水素を添加した不活性ガス雰囲気下
でスパッタリング法により銅系あるいは銀系の金属配線
膜を形成（成膜）し、さらに高圧の不活性ガス雰囲気下
で高圧ガス熱処理を行うことにより微細な孔や溝を有す
る半導体基板の密着性良く金属配線膜を形成するという
プロセスを、上記中枢室に対して各室を連続的に配置し
基本的に半導体ウェーハを大気に暴露することなく連続
的に行うことができ、ＵＬＳＩの工業的な生産に寄与す
るところは極めて大きくなる。By adopting such a structure, a barrier layer is first formed by a CVD method on a semiconductor wafer with an insulating film (substrate to be processed) in which holes (holes) and trench grooves are formed, and then hydrogen is added. A copper-based or silver-based metal wiring film is formed (deposited) by a sputtering method in an inert gas atmosphere, and fine holes and grooves are formed by performing a high-pressure gas heat treatment in a high-pressure inert gas atmosphere. The process of forming a metal wiring film with good adhesion of the semiconductor substrate can be performed continuously without basically exposing the semiconductor wafer to the atmosphere by arranging each chamber continuously with respect to the central chamber, The contribution to the industrial production of ULSI is extremely large.

【００１２】前述した請求項１において、前記高圧処理
室と中枢室との間にバッファ室を備えることが推奨され
る（請求項４）。これによって、高圧熱処理室からの不
活性ガスのＣＶＤ室およびＰＶＤ室への漏出を抑制する
ことが可能となる。更に、前述した請求項４において、
前記バッファ室内には成膜処理した被処理基板を複数枚
保持して前記高圧処理室に対して装入・取出する移送体
が備えられていることが推奨される（請求項５）。In the above-mentioned claim 1, it is recommended that a buffer chamber be provided between the high-pressure processing chamber and the central chamber (claim 4). This makes it possible to suppress the leakage of the inert gas from the high-pressure heat treatment chamber to the CVD chamber and the PVD chamber. Further, in claim 4 described above,
It is recommended that the buffer chamber be provided with a transfer body for holding a plurality of substrates to be processed on which a film is formed and for loading and unloading the substrates into and from the high-pressure processing chamber.

【００１３】これによって、複数枚の被処理基板を同時
に処理を行うバッチ式のときには、処理時間の関係から
サイクルを他の行程と併せることができる。また、請求
項４において、 前記中枢室には脱水素処理を行う熱処
理室が並設されていることが推奨されるし（請求項６）
更に、請求項４〜６に記載の各室には、隣接する室の装
入・取出し口に、各室を隔絶する開閉自在なゲートが備
えられていることが推奨される（請求項７）。Thus, in the case of a batch type in which a plurality of substrates to be processed are simultaneously processed, the cycle can be combined with another process due to the processing time. Further, in claim 4, it is recommended that a heat treatment chamber for performing a dehydrogenation treatment is provided in parallel with the central chamber (claim 6).
Furthermore, it is recommended that each room described in claims 4 to 6 be provided with an openable and closable gate that isolates each room at the loading / unloading port of the adjacent room (claim 7). .

【００１４】[0014]

【発明の実施の形態】以下、図を参照して本発明の実施
の形態について説明する。図１は、本発明を適用するこ
とができる多層構造（図では６層（Ｍ１〜Ｍ６）である
がこれには限らない）のＵＬＳＩの断面を模式的に示し
たものである。トランジスタ２が形成されたＳｉ基板
（被処理基板）１の上に絶縁膜３が形成され、この絶縁
膜３の上には１層の金属配線（Ｍ１）が反応防止用のバ
リア膜を介して形成される。絶縁膜３にはコンタクトホ
ールと称される孔４が形成されて上層の配線構造への接
続が行われる。この最下層Ｍ１では、トランジスタ部２
が配線膜の金属材料と反応して素子としてのスイッチン
グ特性等が損なわれないように、孔４の部分はタングテ
ンをＣＶＤ法により充填するという構造が用いられる。
タングステンは通常の半導体プロセスで使用される５０
０℃以下の温度では化学的に非常に安定でＳｉ等と反応
しないこと、また、上層の金属配線膜Ｍ２との距離を保
って金属材料からの汚染を防止する働きを担う材料が必
要であることに起因して用いられている。また、この最
下層Ｍ１では前述のように、直径０．１５μｍ以下のよ
うな非常に微細な孔４が形成されており、微細で深い孔
への充填に適した方法ということからＣＶＤ法が採用さ
れる。このＭ１層は下の孔を充填するという必要がない
ため、安価な成膜方法で十分で、通常はＰＶＤ法（スパ
ッタリング法）が用いられる。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows a cross section of a ULSI having a multilayer structure (in the drawing, six layers (M1 to M6), but not limited thereto) to which the present invention can be applied. An insulating film 3 is formed on a Si substrate (substrate to be processed) 1 on which a transistor 2 is formed, and a single-layer metal wiring (M1) is formed on the insulating film 3 via a barrier film for preventing a reaction. It is formed. A hole 4 called a contact hole is formed in the insulating film 3 to connect to an upper wiring structure. In the lowermost layer M1, the transistor section 2
The hole 4 is filled with tonten by CVD so that the metal material of the wiring film does not react with the metal material of the wiring film to deteriorate the switching characteristics and the like of the element.
Tungsten is used in normal semiconductor processes.
At a temperature of 0 ° C. or less, a material which is chemically very stable and does not react with Si or the like, and which has a function of keeping the distance from the upper metal wiring film M2 and preventing contamination from the metal material is required. It is used because of In addition, as described above, very small holes 4 having a diameter of 0.15 μm or less are formed in the lowermost layer M1, and the CVD method is employed because it is a method suitable for filling fine and deep holes. Is done. Since the M1 layer does not need to fill the lower hole, an inexpensive film forming method is sufficient, and a PVD method (sputtering method) is usually used.

【００１５】このＭ１層の上にも絶縁膜層３が形成さ
れ、さらに銅系、銀系の金属配線膜層５が形成される
が、２層目以上には下層の配線もしくは素子との接続の
ための孔（ヴィアホール）が形成され、この孔は直上の
配線膜の成膜行程で同時に金属配線材料で充填される。
最近は、この孔を配線用の溝の底部に形成した構造（デ
ュアルダマシン構造）として配線膜６と同時に孔を金属
配線膜材料で充填することが、工程数の低減すなわちコ
スト低減の観点から注目されている。この場合孔のみの
深さは孔の直径の２．５〜３倍程度であるのが、溝を合
わせると４〜６倍程度となることが多い。当然ながら、
２層目より上の絶縁膜には下層からの接続のみの孔も形
成されこの孔は、直径は上記の孔よりも大きいものの単
独でのアスペクト比は溝のある場合よりも大きくなる。On the M1 layer, an insulating film layer 3 is formed, and further, a copper-based or silver-based metal wiring film layer 5 is formed. (Via hole) is formed, and this hole is simultaneously filled with a metal wiring material in the process of forming the wiring film immediately above.
Recently, as a structure (dual damascene structure) in which this hole is formed at the bottom of the wiring groove, the hole is filled with a metal wiring film material at the same time as the wiring film 6 from the viewpoint of reduction in the number of processes, that is, cost reduction. Have been. In this case, the depth of the hole alone is about 2.5 to 3 times the diameter of the hole, but the sum of the grooves is often about 4 to 6 times. Of course,
In the insulating film above the second layer, there is also formed a hole only for connection from the lower layer. This hole has a larger diameter than the above-mentioned hole, but has a single aspect ratio larger than that in the case where there is a groove.

【００１６】なお、４層目以上になると配線の幅すなわ
ち溝の幅も大きくなり、相対的にアスペクト比は小さく
なる。このような多層のＵＬＳＩへの適用を前提とし
て、本発明の構成と作用を具体的に説明する。但し、本
発明は一層のＵＬＳＩについても適用可能である。本発
明は、孔４・溝６が形成された被処理基板１の絶縁膜３
の表面を、銅，銀等の金属材料で成膜して被覆すること
により、孔・溝内部に当該金属材料を加圧埋込みして配
線構造を形成する方法である。In the fourth and subsequent layers, the width of the wiring, that is, the width of the groove becomes large, and the aspect ratio becomes relatively small. The configuration and operation of the present invention will be specifically described on the premise of application to such a multilayer ULSI. However, the present invention is also applicable to a single layer ULSI. According to the present invention, the insulating film 3 of the processing target substrate 1 in which the holes 4 and the grooves 6 are formed.
Is formed by coating a film of a metal material such as copper, silver or the like on the surface of the substrate, thereby embedding the metal material into the hole / groove under pressure to form a wiring structure.

【００１７】この場合、本発明では第１の処理として、
前記金属材料と絶縁膜材料との反応を防ぐバリア膜を、
絶縁膜上（孔壁・溝型を含む表面全体）に形成する。な
お、このバリア膜の形成には細く深い孔への成膜性にす
ぐれたＣＶＤ法を用いることとする。ここでバリア膜
（層）の材料としてはＴａＮやＴｉＮなどを採用するこ
とができ、膜厚みは５〜１０μｍのオーダでＣＶＤ法に
よって成膜される。また、このバリア膜の成膜前に、プ
ラズマ処理してウェーハ表面を清浄化する処理を付加す
ることも推奨される。In this case, in the present invention, the first processing is as follows.
A barrier film that prevents a reaction between the metal material and the insulating film material,
It is formed on the insulating film (the entire surface including the hole wall and groove type). The barrier film is formed by using a CVD method which is excellent in film forming property in a thin and deep hole. Here, as a material of the barrier film (layer), TaN, TiN, or the like can be adopted, and the film thickness is formed by a CVD method on the order of 5 to 10 μm. It is also recommended to add a treatment for cleaning the wafer surface by plasma treatment before forming the barrier film.

【００１８】更に、本発明では前記第１の処理の後に、
前記金属材料（銅，銅合金又は銀，銀合金等の配線膜材
料）を不活性ガス雰囲気下においてスパッタリング法に
より孔５や溝６を形成した絶縁膜上に成膜するとき水素
ガスをドープすることで当該金属材料原子の拡散現象を
促進して前記孔５・溝６内部に金属材料を充填する第２
の処理を行うのである。この第２の処理は水素ガスをド
ープすることで原子の拡散現象の促進によって、充填を
行うのであるが、本発明では、この成膜時に十分に金属
配線材料を充填できなかった孔や溝の完全な充填を、熱
処理と組合せることにより行うようにするものである。Further, according to the present invention, after the first processing,
When the metal material (a wiring film material such as copper, copper alloy or silver or silver alloy) is formed on an insulating film having holes 5 and grooves 6 formed therein by a sputtering method in an inert gas atmosphere, hydrogen gas is doped. This promotes the diffusion phenomenon of the metal material atoms and fills the inside of the holes 5 and the grooves 6 with the metal material.
Is performed. In the second treatment, the filling is performed by promoting the diffusion phenomenon of atoms by doping with hydrogen gas. However, in the present invention, the holes and the grooves that could not be sufficiently filled with the metal wiring material at the time of this film formation were formed. Complete filling is performed by combining with heat treatment.

【００１９】すなわち、本発明の第３の処理は、第２の
処理だけでは、金属配線膜材料での完全な充填が困難な
ような直径が細い孔あるいは溝の充填を行うために、上
記の熱処理を高圧のガス雰囲気下で行い、高圧力による
塑性変形（加工）現象や、高圧ガス雰囲気自体による拡
散現象の促進効果により充填を行うものである。すなわ
ち、前述の第２の処理後に、高圧のアルゴン等によるガ
ス雰囲気下で加熱処理することで金属材料を孔・溝内部
に加圧埋込みするのである。最終的な処理は、例えば温
度は４００℃以下、圧力は１００ＭＰａで２０分保持す
ることにより金属材料を孔・溝内部に加圧埋込みするの
である。That is, in the third process of the present invention, since the hole or the groove having a small diameter is filled by the second process alone, it is difficult to completely fill the material with the metal wiring film material. The heat treatment is performed in a high-pressure gas atmosphere, and the filling is performed by a plastic deformation (processing) phenomenon caused by the high pressure and a diffusion effect by the high-pressure gas atmosphere itself. That is, after the above-described second process, the metal material is pressurized and embedded in the holes / grooves by performing a heat treatment in a gas atmosphere with high-pressure argon or the like. In the final treatment, for example, the metal material is pressurized and embedded in the holes / grooves by maintaining the temperature at 400 ° C. or less and the pressure at 100 MPa for 20 minutes.

【００２０】図２および図３を参照すると、前述した本
発明に係る方法を実施する本発明に係る装置の概略が例
示されている。すなわち、本発明に係る装置は、図２で
示すように、ＣＶＤ法により前記金属材料と絶縁膜材料
との反応を防ぐバリア膜を絶縁膜上に形成するＣＶＤ室
１０と、水素ガスを含む不活性ガス雰囲気下においてス
パッタリング法により前記金属材料を成膜するＰＶＤ室
１１と、高圧ガス雰囲気下で加熱して配線膜を高圧熱処
理して前記孔・溝内部に金属材料を加圧埋込みする高圧
処理室１２と、被処理基板を前記各室１０，１１，１２
に装入・取出する移送体１３を備えている中枢室１４
と、を備えて主構成されている。Referring to FIGS. 2 and 3, there is schematically illustrated an apparatus according to the invention for implementing the method according to the invention described above. That is, as shown in FIG. 2, the apparatus according to the present invention includes a CVD chamber 10 for forming a barrier film for preventing a reaction between the metal material and the insulating film material on the insulating film by a CVD method. A PVD chamber 11 for forming the metal material by sputtering under an active gas atmosphere, and a high-pressure treatment for heating the wiring film under a high-pressure gas atmosphere and subjecting the wiring film to a high-pressure heat treatment so that the metal material is pressure-embedded in the holes and grooves. The chamber 12 and the substrate to be processed are stored in each of the chambers 10, 11, 12
Central chamber 14 equipped with transfer body 13 for loading and unloading to and from
And the main configuration.

【００２１】図２においては、中枢室（コアチャンバ）
１４は多角室（図では六角室）に形成されていて、その
各辺部に、ＣＶＤ室１０とＰＶＤ室１１および高圧処理
室１２がそれぞれそれらの装入・取出口に開閉自在なゲ
ート体１０Ａ〜１２Ａを有して備えているとともに、図
では第１・２のロードロック室１５，１６のそれぞれの
装入・取出口に開閉自在なゲート体１５Ａ，１６Ａを備
え、更に、装入・取出口に開閉自在なゲート体１７Ａを
有する熱処理室１７が備えられている。中枢室１４に備
えている移送体１３は縦軸廻りに旋回自在であるととも
に伸縮自在なアームを備えたロボットで構成されてい
る。In FIG. 2, a central chamber (core chamber) is shown.
Reference numeral 14 denotes a polygonal chamber (a hexagonal chamber in the figure), on each side of which a CVD chamber 10, a PVD chamber 11, and a high-pressure processing chamber 12 are openable and closable at their loading and unloading gates. In the figure, the first and second load lock chambers 15 and 16 are provided with openable and closable gate bodies 15A and 16A at the loading and unloading ports, respectively. A heat treatment chamber 17 having an openable and closable gate body 17A is provided at the outlet. The transfer body 13 provided in the central chamber 14 is constituted by a robot provided with an arm that can rotate around the longitudinal axis and extend and contract.

【００２２】図３は前述した図２において、中枢室１４
と高圧処理室１２との間に前述したロボットと同様なロ
ボットで例示する移送体１８Ａを有するバッファ室１８
を介設したものであり、その他の構成は共通するので共
通部分は共通符号で示している。図２および図３におい
て、ウェーハが収納されたカセット（通常２５枚入り）
から本プロセス専用のカセットに移し替えられた後、ロ
ードロック室１５または１６に入れられ、この室におい
て、真空中もしくは特定の不活性雰囲気等に収納され
る。次いで、コアチャンバ１４内のロボット１３により
１枚のウェーハを取出して、ＣＶＤ室１０に移送してバ
リア膜を形成する。このバリア膜形成前に、プラズマ処
理してウェーハ表面を清浄化する処理を行うことを熱処
理室１７で行っても良い。次いで、バリア膜の上の金属
配線膜の成膜が水素を添加したＰＶＤ法によりＰＶＤ室
１１によって実施される。金属配線膜成膜後、ウェーハ
は高圧処理室１２に移送されるが、この高圧処理室１２
は、一枚ずつ処理を行う枚葉式の装置（図示のもの）で
も、複数毎同時に処理を行うバッチ式の装置でも良い。
後者の場合には、図３で示すように、処理時間の関係か
らサイクルを他の工程と併せるためのバッファ室１８が
コアチャンバ１４と高圧処理装置１２の間に配置され
る。高温高圧処理により、ウェーハ上の配線膜は無気孔
化され各層間の密着性が向上される。ただ、水素ＰＶＤ
処理により添加された水素が最終製品に残存することは
必ずしも好ましくないこともあり、このような場合、熱
処理室１７において脱水素処理を行う。FIG. 3 is a view similar to FIG.
Chamber 18 having a transfer body 18A exemplified by a robot similar to the robot described above between
, And the other components are common. Therefore, common portions are indicated by common reference numerals. 2 and 3, a cassette containing wafers (usually 25 sheets)
After being transferred to a cassette dedicated to the present process, it is placed in a load lock chamber 15 or 16, where it is stored in a vacuum or a specific inert atmosphere. Next, one wafer is taken out by the robot 13 in the core chamber 14 and transferred to the CVD chamber 10 to form a barrier film. Before the formation of the barrier film, a process of cleaning the wafer surface by performing a plasma process may be performed in the heat treatment chamber 17. Next, the formation of the metal wiring film on the barrier film is performed in the PVD chamber 11 by a PVD method in which hydrogen is added. After the formation of the metal wiring film, the wafer is transferred to the high-pressure processing chamber 12.
May be a single-wafer type apparatus (shown in the drawing) for processing one sheet at a time, or may be a batch-type apparatus for simultaneously processing a plurality of sheets.
In the latter case, as shown in FIG. 3, a buffer chamber 18 for combining a cycle with other steps is disposed between the core chamber 14 and the high-pressure processing device 12 because of the processing time. By the high-temperature and high-pressure treatment, the wiring film on the wafer is made nonporous, and the adhesion between the layers is improved. But hydrogen PVD
It is not always preferable that the hydrogen added by the treatment remains in the final product. In such a case, the dehydrogenation treatment is performed in the heat treatment chamber 17.

【００２３】本例に示した装置を用いることにより、非
常に高品位の金属配線膜を連続処理により形成すること
が可能となる。By using the apparatus shown in this embodiment, it is possible to form a very high-quality metal wiring film by continuous processing.

【００２４】[0024]

【発明の効果】以上述べたように、本発明により、低電
気抵抗化の観点から今後の配線膜材料として期待されて
いる銅系材料あるいはさらに電気抵抗が小さな銀系の材
料を、耐熱性が必ずしも高くない有機系の低誘電率絶縁
膜材料との組合せで必須とされる４００℃以下の温度で
の成膜および孔や溝への充填が可能となり、これら金属
材料を用いた配線膜を用いたＵＬＳＩの工業的な生産に
寄与するところは極めて大きい。とくに、今後進展が予
測される微細化に対して、本発明によれば、高圧ガス雰
囲気下でのリフロー処理の組合せで、直径０．１μｍ以
下の直径の微細な孔まで埋め込みが可能となり、かつ、
高圧ガスの圧力が均一に作用する効果による歩留まりの
向上効果が期待され、今後の微細化への対応の観点から
も寄与するところは大きいものと期待される。As described above, according to the present invention, a copper-based material or a silver-based material having a lower electric resistance, which is expected to be used as a wiring film material in the future from the viewpoint of lowering the electric resistance, can be used for heat resistance. It is possible to form a film at a temperature of 400 ° C or less and fill holes and grooves, which are required in combination with an organic low-dielectric-constant insulating film material that is not necessarily high. It greatly contributes to the industrial production of ULSI. In particular, with respect to miniaturization, which is expected to progress in the future, according to the present invention, it becomes possible to embed even fine holes having a diameter of 0.1 μm or less by a combination of reflow treatment under a high-pressure gas atmosphere, and ,
The effect of improving the yield by the effect that the pressure of the high-pressure gas acts uniformly is expected, and it is expected that it will greatly contribute from the viewpoint of future miniaturization.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】 多層構造のＵＬＳＩの断面を模式的に示した
図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a ULSI having a multilayer structure.

【図２】 本発明装置の第１例を概略示した平面図であ
る。FIG. 2 is a plan view schematically showing a first example of the device of the present invention.

【図３】 本発明装置の第２例を概略示した平面図であ
る。FIG. 3 is a plan view schematically showing a second example of the device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１０ ＣＶＤ室 １１ ＰＶＤ室 １２ 高圧処理室 １３ 移送体 １４ 中枢室 Reference Signs List 10 CVD room 11 PVD room 12 High-pressure processing room 13 Transfer body 14 Central room

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K029 AA06 AA29 BA01 BA04 BA08 BA32 BB02 BD02 CA05 DA01 EA05 GA01 4M104 AA01 BB04 BB08 BB18 BB30 BB32 CC01 DD22 DD37 DD43 DD75 DD78 FF16 FF21 GG13 HH14 5F033 HH11 HH14 JJ19 JJ32 JJ33 KK11 KK14 MM02 MM12 NN06 PP06 PP15 QQ75 QQ86 QQ92 XX04  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4K029 AA06 AA29 BA01 BA04 BA08 BA32 BB02 BD02 CA05 DA01 EA05 GA01 4M104 AA01 BB04 BB08 BB18 BB30 BB32 CC01 DD22 DD37 DD43 DD75 DD78 FF16 FF21 GG13 HH14 JJ11H33 KKH MM02 MM12 NN06 PP06 PP15 QQ75 QQ86 QQ92 XX04

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 孔・溝が形成された被処理基板の絶縁膜
の表面を、銅，銀等の金属材料で成膜して被覆すること
により、孔・溝内部に当該金属材料を加圧埋込みして配
線構造を形成する方法において、 前記金属材料と絶縁膜材料との反応を防ぐバリア膜を、
絶縁膜上に形成し、前記金属材料を不活性ガス雰囲気下
においてスパッタリング法により成膜するとき水素ガス
をドープすることで当該金属材料原子の拡散現象を促進
して前記孔・溝内部に金属材料を充填し、その後、高圧
のガス雰囲気下で加熱処理することで金属材料を孔・溝
内部に加圧埋込みすることを特徴とする金属配線膜の形
成方法。1. A method in which the surface of an insulating film of a substrate on which holes and grooves are formed is coated with a metal material such as copper or silver, and the metal material is pressed inside the holes and grooves. In the method of forming a wiring structure by embedding, a barrier film for preventing a reaction between the metal material and the insulating film material,
When the metal material is formed on an insulating film, and the metal material is formed by a sputtering method in an inert gas atmosphere, the diffusion of the metal material atoms is promoted by doping with a hydrogen gas, and the metal material is formed inside the hole / groove. And then performing heat treatment in a high-pressure gas atmosphere to bury the metal material under pressure in the holes / grooves. 【請求項２】 請求項１において、ドープした水素ガス
を熱処理室において脱水素処理を行うことを特徴とする
金属配線膜の形成方法。2. The method for forming a metal wiring film according to claim 1, wherein the doped hydrogen gas is subjected to a dehydrogenation treatment in a heat treatment chamber. 【請求項３】 孔・溝が形成された被処理基板の絶縁膜
の表面を、銅，銀等の金属材料で成膜して被覆すること
により、孔・溝内部に当該金属材料を加圧埋込みして配
線構造を形成する装置において、 ＣＶＤ法により前記金属材料と絶縁膜材料との反応を防
ぐバリア膜を絶縁膜上に形成するＣＶＤ室と、 水素ガスを含む不活性ガス雰囲気下においてスパッタリ
ング法により前記金属材料を成膜するＰＶＤ室と、 高圧ガス雰囲気下で加熱して配線膜を高圧熱処理して前
記孔・溝内部に金属材料を加圧埋込みする高圧処理室
と、 被処理基板を前記各室に装入・取出する移送体を備えて
いる中枢室と、を備えていることを特徴とする金属配線
膜の形成装置。3. The metal material such as copper or silver is coated and formed on the surface of the insulating film of the substrate on which the holes and grooves are formed, so that the metal material is pressed inside the holes and grooves. An apparatus for forming a wiring structure by embedding, a CVD chamber for forming a barrier film on the insulating film for preventing a reaction between the metal material and the insulating film material by a CVD method, and sputtering in an inert gas atmosphere containing hydrogen gas. A PVD chamber for forming the metal material by a method, a high-pressure processing chamber for heating the wiring film under a high-pressure gas atmosphere and subjecting the wiring film to a high-pressure heat treatment, and pressurizing and embedding the metal material in the hole / groove. A central chamber provided with a transfer body for loading and unloading the chambers. 【請求項４】 前記高圧処理室と中枢室との間にバッフ
ァ室を備えていることを特徴とする請求項３に記載の金
属配線膜の形成装置。4. The apparatus according to claim 3, wherein a buffer chamber is provided between the high-pressure processing chamber and the central chamber. 【請求項５】 前記バッファ室内には成膜処理した被処
理基板を複数枚保持して前記高圧処理室に対して装入・
取出する移送体が備えられていることを特徴とする請求
項４に記載の金属配線膜の形成装置。5. A plurality of substrates to be subjected to film formation processing are held in the buffer chamber, and are loaded into the high-pressure processing chamber.
The apparatus for forming a metal wiring film according to claim 4, further comprising a transfer body for taking out. 【請求項６】 前記中枢室には脱水素処理を行う熱処理
室が並設されていることを特徴とする請求項４に記載の
金属配線膜の形成装置。6. The apparatus for forming a metal wiring film according to claim 4, wherein a heat treatment chamber for performing a dehydrogenation process is provided in the central chamber. 【請求項７】 請求項４〜６に記載の各室には、隣接す
る室の装入・取出し口に、各室を隔絶する開閉自在なゲ
ートが備えられていることを特徴とする金属配線膜の形
成装置。7. A metal wiring, wherein each of the chambers according to claim 4 is provided with an openable and closable gate for isolating each of the chambers at a loading / unloading port of an adjacent chamber. Film forming equipment.