JP5655308B2

JP5655308B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5655308B2
Application number: JP2010002204A
Authority: JP
Inventors: 誠河崎; 林　浩司; 浩司林; 信貴西川; 晴光藤田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: JP2011142221A

Description

本発明は、半導体集積回路などの半導体装置に用いられる金属配線層を成膜する技術に関する。

半導体集積回路などの半導体装置に用いられる金属配線は、回路の微細化が進むことにより、断面積が小さくなり、エレクトロマイグレーションが生じやすくなっている。また、金属配線の微細化により、金属配線の周囲の層間絶縁膜などとの熱膨張係数の違いから、ストレスマイグレーションも生じやすくなっている。これらのマイグレーションによっては、金属配線中にボイドやヒロックを生じることとなり、金属配線の抵抗の上昇、発熱、断線、他の金属配線とのショートなど信頼性を悪化させる要因となっている。
金属配線にＡｌ（アルミニウム）を用いる場合には、１％程度のＣｕ（銅）を混合した合金とすることにより、Ａｌの粒界にＣｕを析出させて、エレクトロマイグレーションを抑制することができるが、この析出の影響が強く出てしまうと、逆にストレスマイグレーションへの耐性が弱くなる場合があった。
そのため、金属配線におけるエレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性を向上させる様々な技術が開発されている（例えば、特許文献１）。

特開２００１−１４４１８０号公報

金属配線におけるエレクトロマイグレーション耐性およびストレスマイグレーション耐性を向上させる様々な技術が開発されているが、金属配線層を形成したときの導電膜の膜質によっては、後工程における各処理やその構造により各耐性を向上させることはできる場合もあるが、この場合においては必ずしも導電膜自体の各耐性が向上しないこともある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、金属配線に用いられるＡｌにＣｕを添加した合金導電膜の膜質を改善して、ストレスマイグレーション耐性を向上させることを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、表面の少なくとも一部の領域に絶縁膜が形成された半導体基板上に、大気開放をせずに複数の導電膜を積層して成膜することにより半導体装置の配線となる導電層を形成する半導体装置の製造方法であって、第１の温度に前記半導体基板を加熱する加熱工程と、前記加熱された半導体基板の表面側に遷移金属を含む１以上の層の導電膜を成膜する第１成膜工程と、前記第１成膜工程において成膜された導電膜上にアルミニウムおよび銅の合金を含む合金導電膜を成膜する第２成膜工程と、前記合金導電膜が成膜された半導体基板を、前記第２成膜工程よりもチャンバ内の圧力が高い状態で、第２の温度に冷却する冷却工程と、前記冷却された半導体基板における前記合金導電膜上に遷移金属を含む１以上の層の導電膜を成膜する第３成膜工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。

また、別の好ましい態様において、前記第１成膜工程、前記第２成膜工程および前記第３成膜工程においては、スパッタリングにより前記導電膜の成膜を行い、前記冷却工程においては、前記スパッタリングによる成膜に用いるガスを前記半導体基板が存在する前記チャンバ内に流入させることにより、予め決められた温度変化となるように前記半導体基板を冷却することを特徴とする。

また、別の好ましい態様において、前記冷却工程においては、前記ガスの圧力が予め決められた圧力に達するまで、前記ガスを流入させることを特徴とする。

また、別の好ましい態様において、前記ガスは、希ガスであることを特徴とする。また、別の好ましい態様において、前記冷却工程においては、前記チャンバ内に室温のガスが流入されることを特徴とする。

また、別の好ましい態様において、前記第１成膜工程および前記第３成膜工程において成膜される前記導電膜は、遷移金属の導電膜および当該遷移金属窒化物の導電膜を含むことを特徴とする。また、別の好ましい態様において、前記冷却工程においては、前記半導体基板を固定する基板ステージの温度を室温にすることを特徴とする。

本発明によれば、金属配線に用いられるＡｌにＣｕを添加した合金導電膜の膜質を改善して、ストレスマイグレーション耐性を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。本発明の実施形態に係る各製造工程における金属配線層の膜構成を説明する図である。本発明の実施形態に係る合金導電膜の粒界への析出態様について従来例と比較する説明図である。

＜実施形態＞
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）などの半導体装置に用いられる配線となる導電層の形成する方法である。以下、この導電層を配線層という。この配線層がフォトリソグラフィ技術などによりパターン形成されることにより半導体装置における配線として用いられる。
この例においては、インライン方式のスパッタ装置を用いて、複数の導電膜をスパッタリングにより成膜して積層することにより、半導体基板に配線層を形成する。このスパッタ装置は、Ｔｉ（チタン）のターゲットが設置された第１チャンバ、ＡｌにＣｕが０．５から２ｗｔ％程度（この例においては、１ｗｔ％）添加された合金（以下、Ａｌ−Ｃｕという）のターゲットが設置された第２チャンバ、Ｔｉのターゲットが設置された第３チャンバを有する。なおＡｌ−Ｃｕには、数ｗｔ％のＳｉ（シリコン）が含まれていてもよい。
そして、スパッタ装置は、第１チャンバ、第２チャンバ、第３チャンバの順に、配線層が形成される半導体基板を基板ステージに固定した状態で移動させる。少なくとも半導体基板が存在する間の各チャンバは大気開放されず、また半導体基板のチャンバ間の移動においても、大気開放はされないようになっている。大気開放とは、チャンバ内にチャンバ外の空気を導入して、チャンバ内を大気圧にすることである。
また、スパッタ装置は、第１チャンバに搬送する前、および第３チャンバから搬送された後に、スパッタ装置から半導体基板を出し入れするためのロードロックチャンバを有している。

スパッタ装置において配線層を形成するときの半導体基板は、この例においては、ＳｉウエハにＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタが形成され、そのトランジスタを覆う層間絶縁膜が形成された基板である。層間絶縁膜は、例えば、ＳｉＯ₂を主成分とした絶縁膜であり、Ｆ（フッ素）またはＮ（窒素）などが混合されていてもよい。また、層間絶縁膜には、トランジスタを構成するゲート電極やＳｉのソース、ドレイン領域となる部分の一部を露出させ、スパッタ装置において形成される配線層と電気的に接続するためのコンタクトホールが形成されていてもよい。このように、配線層が形成される前の半導体基板は、表面の少なくとも一部の領域に絶縁膜が形成されている基板である。以下の説明においては、半導体基板のトランジスタが形成されている面側を表面側という。なお、半導体基板の表面に形成されている層間絶縁膜は、ゲート電極などを直接覆うものに限らず、さらに上層の配線を覆う層間絶縁膜であってもよい。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。図１に示すように、本実施形態における半導体装置の製造方法は、加熱工程（ステップＳ１００）、第１成膜工程（ステップＳ２００）、第２成膜工程（ステップＳ３００）、冷却工程（ステップＳ４００）および第３成膜工程（ステップＳ５００）を有する。これらの各工程は、上述したスパッタ装置において、半導体基板に対して処理される製造工程である。以下、各製造工程について、図１、図２を用いて説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る各製造工程における配線層の膜構成を説明する図である。図２においては、説明の便宜のため、各層における厚さの相対関係は保たれていないため、ある層の厚さが他の層の厚さに対して２倍で図示されていても、実際の厚さは２倍とは限らない。まず、上述のように層間絶縁膜が形成された半導体基板は、スパッタ装置のロードロックチャンバにおいて基板ステージに固定され、第１チャンバに搬送される。この半導体基板は、ＭＯＳトランジスタが形成されたＳｉウエハ１１０に層間絶縁膜１２０が形成されている基板である（図２（ａ）参照）。

スパッタ装置は、ロードロックチャンバを減圧して半導体基板を第１チャンバに搬送すると、加熱工程（ステップＳ１００）を行う。加熱工程は、基板ステージの温度を上昇させて、半導体基板を第１温度に加熱する工程である。この例においては、基板ステージの温度を１５０℃に設定し、基板ステージに固定されている半導体基板を加熱する。このとき、続いて行われる第１成膜工程においてスパッタリングを行う際のガス（この例においては、Ａｒ（アルゴン））を第１チャンバ内に導入しておいてもよい。

続いて、スパッタ装置は、第１成膜工程（ステップＳ２００）を行う。第１成膜工程は、加熱された半導体基板の表面側に、導電膜としてＴｉ膜２１０、ＴｉＮ（窒化チタン）膜２２０、Ｔｉ膜２３０を順に積層して成膜する工程である。Ｔｉ膜２１０、２３０を成膜するときには、第１チャンバ内が０．１Ｐａから１０Ｐａ程度の圧力になるように第１チャンバ内にＡｒを導入してスパッタリングを行い、ＴｉＮ膜２２０を成膜するときには、さらにＮ₂を導入してＴｉとＮを反応させてスパッタリングを行う。このようにして成膜された３層の導電膜のＴｉ膜２１０、ＴｉＮ膜２２０、Ｔｉ膜２３０は、この例においては、下層から２０ｎｍ、４０ｎｍ、７．５ｎｍの膜厚で成膜される（図２（ｂ）参照）。
なお、最上層のＴｉ膜２３０については成膜されていなくてもよく、また、いずれか１層の膜のみが成膜されるようにしてもよい。また、第１成膜工程の前（加熱工程の前でもよい）において、Ａｒプラズマ処理により露出しているゲート電極、Ｓｉの表面の酸化膜を除去してもよい。

第１成膜工程が終了すると、スパッタ装置は、第１チャンバから第２チャンバに半導体基板を搬送し、第２成膜工程（ステップＳ３００）を行う。第２成膜工程は、第１成膜工程において成膜された導電膜上に、合金導電膜としてＡｌ−Ｃｕ膜３１０を成膜する工程である。Ａｌ−Ｃｕ膜３１０を成膜するときには、第２チャンバ内に数Ｐａの圧力になるようにＡｒを導入してスパッタリングを行う。Ａｌ−Ｃｕ膜３１０は、４００ｎｍから９００ｎｍ程度の膜厚、この例においては、７００ｎｍの膜厚で成膜される（図２（ｃ）参照）。このとき、第１成膜工程、第２成膜工程におけるスパッタリングにより、半導体基板の温度は、１８０℃から２３０℃程度、この例においては、２００℃に上昇する。

第２成膜工程が終了すると、スパッタ装置は、冷却工程（ステップＳ４００）を行う。この冷却工程は、第２チャンバ内で行ってもよいし、第３チャンバ内、または、上述した各チャンバ以外に別途設けられた冷却チャンバに搬送して行ってもよい。この例においては、第２チャンバ内で行うものとする。
冷却工程において、スパッタ装置は、第２チャンバにＡｌ−Ｃｕのスパッタリングに用いたガスであるＡｒを導入して、第２チャンバ内の圧力を上昇させる。この例においては、Ａｒの流入量は、３．１３×１０^-1Ｐａ・ｍ³／ｓ（１８５ｓｃｃｍ）であり、１０秒から２０秒程度（この例においては、１５秒）流入させることで、第２チャンバの圧力が２．７×１０²Ｐａ（２Ｔｏｒｒ）になるようにした。このＡｒについては、室温のガスとして導入されることにより、また、圧力がスパッタリングのときに比べて高くなることにより、Ａｒを導入しない場合に比べて、半導体基板の冷却が進みやすくなる。このとき、スパッタ装置は、半導体基板を固定する基板ステージの温度として設定されている１５０℃を室温（以下、単に室温という場合には、２３℃とする）に設定する。これにより、基板ステージも半導体基板と共に冷却される。
この例においては、冷却開始前の半導体基板の温度は２００℃であるが、第２チャンバの圧力が上記圧力に達してＡｒの第２チャンバへの導入を終了したとき、すなわち、冷却開始から１５秒後においては、５０℃から８０℃程度、この例においては、６０℃まで冷却された。そして、スパッタ装置が第２チャンバへのＡｒの導入を終了した後、半導体基板は、さらに冷却が進み、この例においては、Ａｒの導入終了後４０秒経過後すると、その温度は概ね室温になった。
なお、上述した半導体基板の温度変化は一例であって、後述するように、従来例における製造工程に比べて改善された膜質のＡｌ−Ｃｕ膜３１０が得られるものであれば、どのような温度変化であってもよく、スパッタ装置は、半導体基板がこの温度変化で冷却されるように、Ａｒの流入量、第２チャンバ内の圧力を制御すればよい。

冷却工程が終了すると、スパッタ装置は、第２チャンバから第３チャンバに半導体基板を搬送し、第３成膜工程（ステップＳ５００）を行う。第３成膜工程は、半導体基板の表面側の第２成膜工程において成膜されたＡｌ−Ｃｕ膜３１０上に、導電膜としてＴｉ膜５１０、ＴｉＮ膜５２０を順に積層して成膜する工程である。Ｔｉ膜５１０、ＴｉＮ膜５２０を成膜する方法は、第１成膜工程と同様である。ただし、半導体基板が冷却状態にあるので、詳細な条件まで一致している必要は無く、適宜調整されたものである。このようにして成膜された２層の導電膜のＴｉ膜５１０、ＴｉＮ膜５２０は、この例においては、下層から５ｎｍ、６０ｎｍの膜厚で成膜され（図２（ｄ）参照）、キャップメタルとして機能する。以上が、スパッタ装置において行われる製造工程の説明である。
次に、本実施形態における製造工程で成膜されたＡｌ−Ｃｕ膜３１０と、従来例として冷却工程（ステップＳ４００）が無いものとして成膜されたＡｌ−Ｃｕ膜３１０との粒界析出の違いについて図３を用いて説明する。なお、従来例においては、冷却工程がないため、半導体基板は、第３成膜工程後にロードロックチャンバに搬送され、大気開放されることにより冷却される。

図３は、本発明の実施形態に係るＡｌ−Ｃｕ膜３１０（合金導電膜）の粒界への析出態様について従来例と比較する説明図である。図３（ａ）は、従来例における析出態様を示し、図３（ｂ）は、本実施形態における析出態様を示す。
Ａｌ−Ｃｕ膜３１０は、図３に示すように、Ａｌ−Ｃｕの結晶粒（グレイン）３１０ａと粒界に析出したＣｕ析出物（Ａｌも含まれる）３１０ｂを有する。このような結晶粒３１０ａとＣｕ析出物３１０ｂとの存在により、Ａｌ−Ｃｕ膜３１０内で粗密差が生じ、後の工程による熱履歴によっては、熱履歴により生じるＡｌ−Ｃｕ膜３１０への応力に起因してヒロックが発生してストレスマイグレーション耐性が低くなる場合がある。

図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すると、従来例に比べて本実施形態におけるＣｕ析出物３１０ｂの量が少なくなり、結晶粒３１０ａと粗密差が生じる領域が狭くなる。これは、上述した製造工程、すなわち、第２成膜工程（ステップＳ３００）においてＡｌ−Ｃｕ膜３１０を成膜した後、キャップメタル（第３成膜工程において成膜される導電膜）が存在しない状態で、予め決められた温度変化で半導体基板を冷却すること（冷却工程）で、Ｃｕ析出物３１０ｂの析出が抑制されているためと考えられる。

このように、冷却工程（ステップＳ４００）の存在により、Ａｌ−Ｃｕ膜３１０は、結晶粒３１０ａと粗密差が生じる領域が従来例よりも狭くなってヒロックの発生が抑制される膜質に改善される。その後に続く製造工程（層間絶縁膜の形成など）における熱履歴によってヒロックの発生が抑制され、その結果、このＡｌ−Ｃｕ膜３１０を有する配線層から形成された配線のストレスマイグレーション耐性が向上する。

＜変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以下のように、さまざまな態様で実施可能である。
[変形例１]
上述した実施形態においては、インライン方式のスパッタ装置を用いて、複数の導電膜を積層して成膜することにより配線層を形成していたが、枚葉式のスパッタ装置を用いてもよい。

[変形例２]
上述した実施形態においては、第１成膜工程、第３成膜工程において成膜する導電膜にはＴｉ、ＴｉＮを用いたが、Ｔｉの代わりにＴａ（タンタル）など他の遷移金属を用いてもよい。

[変形例３]
上述した実施形態においては、各成膜工程においてスパッタリングを行うためのガスとしてＡｒを用いたが、Ａｒに代えて例えば、Ｈｅ（ヘリウム）、Ｘｅ（キセノン）などの他の希ガスを用いてもよい。また、冷却工程（ステップＳ４００）において第２チャンバ内に導入されるガスも希ガスであれば、Ａｒでなくてもよい。このとき、各成膜工程においてスパッタリングを行うためのガスと冷却工程において冷却に用いるガスとは同一のガスでなくてもよいが、複数の希ガスを用いなくても済むように同一のガスを用いることが望ましい。

[変形例４]
上述した実施形態においては、冷却工程（ステップＳ４００）において、スパッタ装置は、基板ステージを自然冷却で冷却させていたが、水冷、ペルチェ素子などを用いて基板ステージを冷却することにより、予め決められた温度変化で半導体基板が冷却されるようにしてもよい。この温度変化とは、実施形態における冷却工程での半導体基板の温度変化を再現するものとして予め決められたものである。この場合は、実施形態における場合と比べて、Ａｒを第２チャンバへ導入するときの流入量は少なくてもよいし、第２チャンバの圧力がより低いものであってもよい。また、Ａｒの導入を行わなくてもよい。

１１０…Ｓｉウエハ、１２０…層間絶縁膜、２１０，２３０，５１０…Ｔｉ膜、２２０，５２０…ＴｉＮ膜、３１０…Ａｌ−Ｃｕ膜、３１０ａ…結晶粒、３１０ｂ…Ｃｕ析出物

Claims

表面の少なくとも一部の領域に絶縁膜が形成された半導体基板上に、大気開放をせずに複数の導電膜を積層して成膜することにより半導体装置の配線となる導電層を形成する半導体装置の製造方法であって、
第１の温度に前記半導体基板を加熱する加熱工程と、
前記加熱された半導体基板の表面側に遷移金属を含む１以上の層の導電膜を成膜する第１成膜工程と、
前記第１成膜工程において成膜された導電膜上にアルミニウムおよび銅の合金を含む合金導電膜を成膜する第２成膜工程と、
前記合金導電膜が成膜された半導体基板を、前記第２成膜工程よりもチャンバ内の圧力が高い状態で、第２の温度に冷却する冷却工程と、
前記冷却された半導体基板における前記合金導電膜上に遷移金属を含む１以上の層の導電膜を成膜する第３成膜工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第１成膜工程、前記第２成膜工程および前記第３成膜工程においては、スパッタリングにより前記導電膜の成膜を行い、
前記冷却工程においては、前記スパッタリングによる成膜に用いるガスを前記半導体基板が存在する前記チャンバ内に流入させることにより、予め決められた温度変化となるように前記半導体基板を冷却する
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。
前記冷却工程においては、前記ガスの圧力が予め決められた圧力に達するまで、前記ガスを流入させる
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記ガスは、希ガスである
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
前記冷却工程においては、前記チャンバ内に室温のガスが流入される
ことを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記第１成膜工程および前記第３成膜工程において成膜される前記導電膜は、遷移金属の導電膜および当該遷移金属窒化物の導電膜を含む
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記冷却工程においては、前記半導体基板を固定する基板ステージの温度を室温にする
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。