JP4266360B2 - 半導体装置のCu系配線形成方法 - Google Patents
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Description
スパッタリングガス種:水素ガスと不活性ガスの混合比率(%)が
5:95〜20:80である混合ガス
基板温度:0〜−20℃
処理温度:400〜600℃
処理圧力:150〜200MPa
処理時間:30分以下(0分含む)
(1)高温高圧処理を施すCu系薄膜中の原子空孔濃度を増加させる。
(2)原子空孔や転位の回復がより低温で起こるようにする。
ことが有効であり、特に上記(1)に示す通りCu系薄膜中への原子空孔欠陥の導入が有効であると考えられる。薄膜中に原子空孔欠陥が多く存在すると、これが回復する温度域(約300〜500℃)で激しい原子拡散が起こり、Cu系金属の軟化・変形が促進されるためである。
5:95〜20:80である混合ガス>
スパッタリング法でのCu系薄膜形成を、ArにH2を添加した混合ガス雰囲気で行うと、雰囲気ガス中のH2がCu系薄膜中に一旦取り込まれる。しかしCuには水素吸蔵能がないため、H2は容易にCu系薄膜中を拡散して薄膜から抜け出し、Cu系薄膜中のH2の抜け跡が上記原子空孔となる。この様な作用は、Arガスのみの場合には生じないことから、本発明ではArとH2の混合ガスを使用することにした。
スパッタリング法でのCu系薄膜形成を、基板温度を低温に保持して行うと、基板(絶縁膜)上に堆積したCu粒子(原子)は、基板上をマイグレーションし難くなるため、配列しないままランダムに堆積し、形成されたCu系薄膜中に多量の原子空孔が生じる。
スパッタリングガス圧:0.5〜1.0 mTorr
放電パワー密度:3〜10W/cm2
極間距離:40〜65 mm
Cu系薄膜の高温リフロー性を高める観点から、処理温度は400℃以上に高めることが好ましい。しかし処理温度を高めすぎると、Cu系配線と組み合わせて使用される誘電体膜(Low−k材)の破壊や特性劣化を招くおそれがあるので、600℃以下に抑えることが好ましい。
Cu薄膜の高温リフロー性を高める観点から、150MPa以上の圧力を加えることが好ましい。しかし圧力を高めすぎると、上記処理温度の場合と同様に、Cu配線と組み合わせて使用される誘電体膜(Low−k材)の破壊や特性劣化を招くおそれがあるので、200MPa以下に抑えることが好ましい。
処理時間(上記高温高圧状態での保持時間)は、処理圧力や処理温度を考慮して定めれば良いが、Cu系薄膜の高温リフロー性を高めてCu系金属を隙間なく凹部に充填させるには、30分間保持すれば十分である。
高温高圧処理において、配線を完全に埋め込む観点から高温高圧保持後の冷却速度を制御することも有効である。高温高圧処理では、圧力の印加・除加と昇温・降温はともに時間比例で行っており、その際、特に冷却速度(降温速度)がCu埋込性に影響を及ぼす。冷却速度が遅い場合には、上記条件で加熱・加圧して凹部(ビア・トレンチ)に埋め込まれたCu系金属が、再びビア・トレンチから出て行くという現象(吸上り現象)が生じる。これは、Cu系薄膜のSM(ストレスマイグレーション)により生ずると考えられる現象であり、凹部の上部に残っているブランケットCu系薄膜に冷却時に引張応力が生じ、この引張応力を駆動力として、凹部(ビア・トレンチ)に埋め込まれているCu系金属がクリープ変形により該凹部から引っ張り出される現象である。
・A工程…半導体基板上に、埋込配線用溝または接続孔を有する絶縁膜を形成する工程。
・B工程…該絶縁膜上にバリア層を形成する工程。
・C工程…該バリア層上にCu系金属膜を形成する工程。
半導体装置における配線の形成は、図2に示す概略断面説明図の工程順に沿って行った。即ち図2(a)に略示するように、直径8インチのシリコンウェハー1上に形成した絶縁膜(TEOS膜:SiOF膜)2に、直径:0.18μm、ピッチ:450nmのビア3を多数[図2(a)では1つのみ]設けた評価素子(TEG)を用いた。このTEGの表面に、純Taターゲットを用いて(Ar+N2)ガス雰囲気中で反応性スパッタリング法によりTaN薄膜を形成し、ビア3の底面及び側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した[図2(b)]。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:室温または−20℃
前記実施例1に記載した方法と同様の方法で、TEGのビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部をCu薄膜5で完全にブリッジングした。尚、上記Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、スパッタリングガス種および放電パワー密度を下記一定値とし、基板温度を−25℃〜200℃の範囲で変化させて行なった。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
前記実施例1に記載した方法と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5またはCu合金薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部をそれぞれの薄膜5で完全にブリッジングしたものを用意した。尚、純Cu薄膜5の成膜にはターゲットとして純Cuターゲットを用い、Cu合金薄膜5の成膜にはCu−2.0at%Dy合金ターゲットを使用した。またスパッタリングガス圧、スパッタリングガス種、放電パワー密度および基板温度は、表1(成膜条件1または成膜条件2)の通りとした。
前記実施例1に記載した方法と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部を純Cu薄膜5で完全にブリッジングした。尚、該純Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、ArとH2の混合比、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行なった。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:−20℃
スパッタリングガス圧:2×10-3 Torr
スパッタリングガス種:純Ar
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:室温
前記実施例1と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部を純Cu薄膜5で完全にブリッジングした。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:−20℃
前記実施例1と同様の方法で、ビア3の底面と側面に膜厚50nmのバリア層(TaN薄膜)4を形成した後、純Cu薄膜(膜厚:7500Å)5をスパッタリング法で形成して、ビア3の開口部を純Cu薄膜5で完全にブリッジングした。尚、純Cu薄膜5の成膜は、スパッタリングガス圧、スパッタリングガス種、放電パワー密度および基板温度を下記の通り一定にして行った。
スパッタリングガス圧:2×10-3Torr
スパッタリングガス種:Ar−20%H2
放電パワー密度:3.5 W/cm2
基板温度:−20℃
2 絶縁膜
3 ビア
4 バリア層
5 Cu系金属膜(純Cu薄膜,Cu合金薄膜)
6 トレンチ
Claims (1)
- 基板上に形成された凹部を有する絶縁膜の表面に、CuまたはCu合金(以下「Cu系金属」という)よりなる薄膜をスパッタリング法で形成した後、高温高圧処理を施して該Cu系金属を上記凹部内に充填して半導体装置の配線を形成する方法であって、上記スパッタリングを下記条件で行なうと共に、前記高温高圧処理を下記条件で行ない、かつ、前記高温高圧処理における高温高圧保持後の冷却速度を10℃/min以上とすることを特徴とする半導体装置のCu系配線形成方法。
(スパッタリング成膜条件)
スパッタリングガス種:水素ガスと不活性ガスの混合比率(%)が
5:95〜20:80である混合ガス
基板温度:0〜−20℃
(高温高圧処理の条件)
処理温度:400〜600℃
処理圧力:150〜200MPa
上記高温高圧状態での保持時間:30分以下(0分含む)
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