JP5437655B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置のアルミヒロックを抑制する製造方法、半導体装置、および半導体製造装置に関する。   The present invention relates to a manufacturing method, a semiconductor device, and a semiconductor manufacturing apparatus that suppress aluminum hillocks in a semiconductor device.

従来、半導体集積回路装置の配線材料として純アルミニウム又はアルミニウムに僅かのシリコンを含ませたAl−Si合金が広く用いられている。半導体集積回路装置の微細化に伴い、このようなアルミニウム系金属からなる配線も微細にパターン化されるようになっている。その際、微細化された配線においては、熱サイクルが加わると横方向のアルミヒロックが発生しやすくなり、このヒロックの発生によって相隣接する配線間で電気的ショートが発生し、場合によっては重大なデバイス特性不良となり得る。   Conventionally, pure aluminum or an Al—Si alloy containing a small amount of silicon in aluminum has been widely used as a wiring material for semiconductor integrated circuit devices. With the miniaturization of semiconductor integrated circuit devices, wirings made of such aluminum-based metals are also finely patterned. At that time, in the miniaturized wiring, when a thermal cycle is applied, lateral aluminum hillocks are likely to occur, and this hillock causes an electrical short between adjacent wirings, which may be serious in some cases. Device characteristics can be poor.

図3に従来の条件で処理したときに発生したヒロックのSEM像を示す。アルミ系金属13の表面に保護膜17を被覆した後に従来の水素シンター処理を行ったものであるが、アルミ系金属13の側壁にヒロック16が成長しているのが確認できる。これがさらに成長すると配線間スペースを埋めで相隣接する配線とショートするのである。   FIG. 3 shows an SEM image of hillocks generated when processed under conventional conditions. A conventional hydrogen sintering process is performed after the protective film 17 is coated on the surface of the aluminum-based metal 13, and it can be confirmed that hillocks 16 are grown on the side walls of the aluminum-based metal 13. As this grows further, the inter-wiring space is filled and short-circuited with adjacent wirings.

アルミニウム系配線をもつ半導体装置のアルミヒロックを抑制する方法として、配線全面にTiNやTiWなどの金属膜をキャップメタル層として形成する方法や金属配線形成後の熱処理を低温化するなどの方法が報告されている。(例えば、特許文献1を参照のこと。)   Reported methods for suppressing aluminum hillocks in semiconductor devices with aluminum wiring include forming a metal film such as TiN or TiW over the entire wiring surface as a cap metal layer and reducing the temperature of heat treatment after forming the metal wiring. Has been. (For example, see Patent Document 1)

特開平05−36693号公報JP 05-36693 A

しかしながら、配線全面にTiNやTiWなどのメタル膜をキャップメタル層として形成する方法では、配線形成後にキャップメタル層をスパッタリング法で堆積し、その後、エッチバックするという方法であるため、追加される工程が長いうえに下地段差部にキャップメタル層が残ったりする不具合もある。また、メタル配線形成後の熱処理を低温化する方法でも完全にはヒロックを抑制することはできない。   However, in the method of forming a metal film such as TiN or TiW as the cap metal layer on the entire surface of the wiring, the cap metal layer is deposited by sputtering after the wiring is formed, and then etched back. In addition, there is a problem that the cap metal layer remains in the base step portion. Further, hillocks cannot be completely suppressed even by a method of lowering the heat treatment after forming the metal wiring.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡便な方法でヒロックを防止する方法を提供することにある。   This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is to provide the method of preventing a hillock by a simple method.

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体装置のヒロックを抑制した製造方法においては、以下のような手段を用いた。   In order to solve the above-described problems, the following means are used in the manufacturing method of the present invention in which hillocks of the semiconductor device are suppressed.

アルミニウム系配線形成後のバッチ式水素シンター処理時において、隣接する配線間の上面及び側面に発生するヒロックを抑制する事を可能とする。具体的には、水素シンター処理(炉体処理時)のウェハを炉内へ導入する際(ウェハロード時)と処理後炉内からウェハを搬出する際(ウェハアンロード時)に、処理装置内に積極的に大気の巻き込みを行う事とした。また、ウェハアンロード時のウェハ搬出スピードを遅くするという手段をとる。   It is possible to suppress hillocks generated on the upper surface and the side surface between adjacent wirings during the batch hydrogen sintering process after forming the aluminum wiring. Specifically, when a wafer for hydrogen sintering (furnace body processing) is introduced into the furnace (at the time of wafer loading) and when a wafer is unloaded from the furnace after processing (at the time of wafer unloading), It was decided to actively involve the atmosphere. Further, a means for slowing the wafer carry-out speed at the time of wafer unloading is taken.

また、クリーンな大気を炉内に巻き込むために炉体の下部周辺にドーナツリング状の大気供給口を有する半導体製造装置を用いて上記のヒロック抑制方法を実施した。   Further, the above hillock suppression method was implemented using a semiconductor manufacturing apparatus having a donut ring-shaped air supply port around the lower part of the furnace body in order to entrain clean air in the furnace.

上記説明した半導体装置のヒロックを抑制した製造方法を用いることにより、配線の上面および側面でのヒロックを抑制することができ、アルミ配線から横方向に成長したヒロックによる配線間ショートが無くなり、収率良く半導体装置を製造できる。また、ヒロックの成長した配線は、半導体装置の初期の電気特性測定においては合格であったとしても信頼性は低く、長年の使用により配線間ショートに至ることもある。上記手段を用いることで信頼性の高い半導体装置を製造することが可能になる。   By using the manufacturing method that suppresses hillocks of the semiconductor device described above, hillocks on the top and side surfaces of the wiring can be suppressed, and there is no short circuit between wiring due to hillocks grown laterally from the aluminum wiring, yield. A semiconductor device can be manufactured well. Moreover, even if the wiring in which the hillock has grown passes the initial electrical characteristic measurement of the semiconductor device, the reliability is low, and the wiring may be short-circuited by long-term use. By using the above means, a highly reliable semiconductor device can be manufactured.

本発明の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of this invention. 本発明の半導体製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the semiconductor manufacturing apparatus of this invention. 従来条件にて発生した横方向ヒロックを示すSEM像である。It is a SEM image which shows the horizontal direction hillock which generate | occur | produced on the conventional conditions.

以下、本発明の第1の実施形態を表1の水素シンター処理のプロセスレシピに基づいて説明する。   Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described based on the process recipe of the hydrogen sintering process shown in Table 1.

Figure 0005437655
Figure 0005437655

水素シンター処理は例えば、縦型拡散炉のような半導体製造装置を用いて、表1のようなレシピで処理される。本レシピはStep#欄に示されるSTEP0からSTEP12で構成される。STEP1のStep NameであるSTABYは装置がスタンバイ状態、STEP2のWF_LDはウェハのボートへの移載、STEP3のT_WAITは保持を示している。   For example, the hydrogen sintering process is performed using a semiconductor manufacturing apparatus such as a vertical diffusion furnace according to the recipe shown in Table 1. This recipe is composed of STEP0 to STEP12 shown in the Step # column. STABY which is the Step Name of STEP 1 indicates that the apparatus is in a standby state, WF_LD of STEP 2 indicates transfer of a wafer to a boat, and T_WAIT of STEP 3 indicates holding.

ここまでのSTEPでは炉内温度は430℃で、炉内には毎分10Lの窒素が流れている。STEP4のLOADは炉体の炉口を開け、ウェハを搭載したボートを入炉させるステップである。通常、このステップでは窒素を流した状態であるが、本発明においては窒素を流さずに入炉させることにしている。次のSTEP5のWAITはウェハボートの入炉が完了した後に炉口を開口したまま保持するステップである。STEP5も通常の水素シンタープロセスには含まれないステップである。STEP4およびSTEP5により炉内への大気の巻き込みが起こり、配線材料であるアルミニウム表面及び側壁に大気中の酸素が反応してアルミ表面及び側壁にアルミナが形成される。この表面のアルミナがヒロックの成長を抑制することになる。   In STEP so far, the furnace temperature is 430 ° C., and 10 L of nitrogen flows in the furnace every minute. The LOAD in STEP 4 is a step in which the furnace port of the furnace body is opened and the boat on which the wafer is mounted is entered. Usually, in this step, nitrogen is flowed, but in the present invention, the furnace is entered without flowing nitrogen. The next STEP 5 WAIT is a step of keeping the furnace port open after the wafer boat has been entered. STEP5 is also a step not included in the normal hydrogen sintering process. At STEP 4 and STEP 5, the atmosphere is entrained in the furnace, and oxygen in the atmosphere reacts with the aluminum surface and the side wall, which is the wiring material, to form alumina on the aluminum surface and the side wall. This surface alumina suppresses the growth of hillocks.

STEP6のSTABにて炉口を閉めて再度窒素を炉内に流し、続くSTEP7のPROCESSで窒素に水素を添加してシンター処理を行う。STEP8のN2PURGEは窒素のみを流してシンター処理に使用した水素を排出するステップである。STEP9のUNLOADは炉口を開口してボートを炉外へ搬出するステップである。従来技術では本ステップで窒素ガスを流すが、本発明においてはガスを流さないこととしている。さらにボートの搬出速度も従来に比べ極めて遅く、従来の半分以下である40mm/minにて搬出する。STEP10のCOOLにて炉外のウェハおよびボートは冷却され、STEP11のWF_ULDにてウェハボートから搬送キャリアへウェハを移載する。そして、STEP12のENDにて終了となる。   At the STEP 6 STAB, the furnace port is closed and nitrogen is allowed to flow again into the furnace. Then, at STEP 7 PROCESS, hydrogen is added to the nitrogen to perform a sintering process. STEP2 N2PURGE is a step in which only the nitrogen is passed to discharge the hydrogen used in the sintering process. STEP 9 UNLOAD is a step of opening the furnace port and carrying the boat out of the furnace. In the prior art, nitrogen gas is allowed to flow in this step, but in the present invention, no gas is allowed to flow. In addition, the boat unloading speed is extremely slow compared to the prior art, and the boat is unloaded at 40 mm / min, which is less than half the conventional speed. The wafer and the boat outside the furnace are cooled in COOL in STEP 10, and the wafer is transferred from the wafer boat to the transfer carrier in WF_ULD in STEP 11. Then, the process ends at END of STEP12.

要点を絞って説明すると、通常の水素シンター処理プログラムと異なるステップはSTEP4,5,9であって、いずれも大気の炉内への巻き込みを促進し、アルミ配線の表面にアルミナを形成する。図1は水素シンター処理後のアルミ配線の断面を示した図である。図1(a)は半導体基板11上の絶縁膜12の上にアルミニウム配線が形成されたもので、その配線はアルミ系金属13配線の上面にTiNなどの反射防止膜14が予め積層されているためアルミ配線の側壁のみが酸化されアルミナ膜15となっている。図1(b)のように反射防止膜の無い構造ではアルミ系金属13の側面および上面が酸化されてアルミナ膜15が形成されている。アルミ系金属は酸化しやすいため従来の水素シンター処理の場合でも表面に7nm程度のアルミナ膜が形成されるが、本発明の水素シンター処理プログラムを用いると膜厚が11nm以上のアルミナ膜が形成される。   To explain the point in detail, the steps different from the normal hydrogen sintering program are STEPs 4, 5, and 9, which all promote the entrainment of the atmosphere into the furnace and form alumina on the surface of the aluminum wiring. FIG. 1 is a view showing a cross section of the aluminum wiring after the hydrogen sintering process. In FIG. 1A, an aluminum wiring is formed on an insulating film 12 on a semiconductor substrate 11, and the wiring is pre-laminated with an antireflection film 14 such as TiN on the upper surface of an aluminum-based metal 13 wiring. Therefore, only the side wall of the aluminum wiring is oxidized to form the alumina film 15. In the structure without the antireflection film as shown in FIG. 1B, the side and top surfaces of the aluminum-based metal 13 are oxidized to form the alumina film 15. Since aluminum metal is easily oxidized, an alumina film having a thickness of about 7 nm is formed on the surface even in the case of the conventional hydrogen sintering treatment. However, when the hydrogen sintering treatment program of the present invention is used, an alumina film having a thickness of 11 nm or more is formed. The

表1に示した水素シンター処理プログラムは一例であるが、様々に条件を設定したときのヒロックの発生状況を表2に示す。   The hydrogen sintering program shown in Table 1 is an example, but Table 2 shows the occurrence of hillocks when various conditions are set.

Figure 0005437655
Figure 0005437655

ここで計測したヒロックは、半導体チップ75個中に存在した0.1um以上の大きさのヒロックである。表2より、従来条件ではヒロックが98個もあったが、STEP4の窒素流量を0L(ゼロリットル)にして、その後の保持時間を5分としただけでも相当の効果があることが理解できる。(新条件2参照)。因みに、表1に示した水素シンター処理プログラム条件(新条件5)であれば、ヒロック数はゼロとなる。   The hillock measured here is a hillock having a size of 0.1 μm or more present in 75 semiconductor chips. From Table 2, it can be understood that there are 98 hillocks under the conventional conditions, but it is possible to obtain a considerable effect only by setting the nitrogen flow rate of STEP 4 to 0 L (zero liter) and the subsequent holding time to 5 minutes. (See New Condition 2). Incidentally, the hillock number is zero under the hydrogen sintering process program conditions (new condition 5) shown in Table 1.

水素シンター処理を行う半導体製造装置は、例えば図2に示すような縦型拡散炉構造である。炉体1の上部に水素や窒素を導入するプロセスガス供給口2があり、炉体1の下にはウェハ4を搭載したウェハボート3があり、炉体下端の炉口から出入りする。本発明の半導体製造装置では従来装置には無い新たな機能を有している。本実施形態の水素シンター処理プロセスレシピには大気を炉内に巻き込むステップを有するが、炉内へ取り込まれる大気がクリーンな状態でないと炉内およびウェハが汚染されてしまうので、この半導体製造装置においては大気がクリーン、すなわち高純度でパーティクルが極めて少ない大気を供給することができる構造になっている。図示していないが拡散炉本体下部にクリーンな窒素と酸素を混合する混合器を設け、炉口周辺には炉口をドーナツリング状に囲む大気供給口5が備わっている。混合器と大気供給口5は配管で連結され、混合器内で作られた大気を大気供給口へ導き吹き出すようにしている。なお、大気混合器の設置場所は炉体下部に限定されることはない。また、1台の混合器から複数の拡散炉へ供給するという形態でも構わない。   A semiconductor manufacturing apparatus that performs a hydrogen sintering process has a vertical diffusion furnace structure as shown in FIG. 2, for example. A process gas supply port 2 for introducing hydrogen and nitrogen is provided at the upper part of the furnace body 1, and a wafer boat 3 on which a wafer 4 is mounted is provided under the furnace body 1. The semiconductor manufacturing apparatus of the present invention has a new function not found in conventional apparatuses. The hydrogen sintering process recipe of the present embodiment has a step of entraining the atmosphere into the furnace, but the furnace and the wafer are contaminated if the atmosphere taken into the furnace is not clean. Has a structure in which the atmosphere is clean, that is, the atmosphere can be supplied with high purity and very few particles. Although not shown, a mixer for mixing clean nitrogen and oxygen is provided at the lower part of the diffusion furnace body, and an atmosphere supply port 5 surrounding the furnace port in a donut ring shape is provided around the furnace port. The mixer and the atmosphere supply port 5 are connected by piping, and the atmosphere created in the mixer is guided to the atmosphere supply port and blown out. The installation place of the air mixer is not limited to the lower part of the furnace body. Moreover, the form of supplying to a some diffusion furnace from one mixer may be sufficient.

以上、説明した製造装置構造とすることにより、クリーンな大気が炉内へ取り込まれパーティクルが無く、高純度なアルミナ膜が形成され、その結果、ヒロックの成長が抑制された半導体装置を高収率で製造することができる。   With the manufacturing apparatus structure described above, a clean atmosphere is taken into the furnace, particles are not formed, a high-purity alumina film is formed, and as a result, a semiconductor device in which the growth of hillocks is suppressed has a high yield. Can be manufactured.

1 炉体
2 プロセスガス供給口
3 ボート
4 ウェハ
5 大気供給口
6 大気巻き込みを示す矢印
11 半導体基板
12 絶縁膜
13 アルミ系金属
14 反射防止膜
15 アルミナ膜
16 ヒロック
17 保護膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Furnace 2 Process gas supply port 3 Boat 4 Wafer 5 Atmospheric supply port 6 Arrow 11 showing atmospheric entrainment Semiconductor substrate 12 Insulating film 13 Aluminum metal 14 Antireflection film 15 Alumina film 16 Hillock 17 Protective film

Claims (4)

半導体基板上にアルミニウム系配線を有する半導体装置の製造方法であって、
縦型炉の周囲の大気を巻き込みながら半導体装置が形成されるウェハを搭載したボートを前記縦型炉に入炉させるステップと、
前記入炉が完了した後に炉口を開口したまま保持し、前記大を巻き込みながら露出しているアルミニウム表面にアルミナを形成するステップと、
前記炉口を閉め、窒素を炉内に流してから水素を添加し、シンター処理するステップと、
前記シンター処理の終了後に窒素で前記水素を排出するステップと、
前記炉口を開口して、前記大気を巻き込みながら前記ボートを炉外へ搬出するとともに前記大気により前記露出したアルミニウム表面にさらにアルミナを形成するステップと、
を有する半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device having aluminum wiring on a semiconductor substrate,
A step of Iriro boat equipped with a wafer vertical furnace semiconductor device reluctant Na entrainment of air surrounding is formed in the vertical furnace,
Forming an alumina on the aluminum surface of the Iriro is kept opened the furnace opening after completing, they are exposed while before entrainment care Kitai,
A step of closing the furnace opening, by adding hydrogen from flowing nitrogen into the furnace and sintering treatment,
Exhausting the hydrogen with nitrogen after completion of the sintering process ;
A step of further forming an alumina to the exposed aluminum surface by pre Kitai air with open the furnace opening, unloading the boat reluctant before Na entrainment gas Kitai out of the furnace,
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記ボートを搬出するときの速度は40mm/min以下である請求項1記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a speed at which the boat is carried out is 40 mm / min or less. 前記形成されたアルミナの膜厚が合計で11nm以上である請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the total thickness of the formed alumina is 11 nm or more. 記大気は前記炉口周辺に設けられた、前記炉口をドーナツリング状に囲む大気供給口から供給される請求項1記載の半導体装置の製造方法。 Before Kitai air was provided around the furnace opening, a manufacturing method of a semiconductor device according to claim 1, wherein supplied from the atmosphere supply opening surrounding the furnace opening in a donut ring shape.
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