JPH088253A - Formation of copper film and manufacture of semiconductor device - Google Patents
Formation of copper film and manufacture of semiconductor deviceInfo
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- JPH088253A JPH088253A JP13759794A JP13759794A JPH088253A JP H088253 A JPH088253 A JP H088253A JP 13759794 A JP13759794 A JP 13759794A JP 13759794 A JP13759794 A JP 13759794A JP H088253 A JPH088253 A JP H088253A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、銅膜の形成方法及び半
導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、化学気相成
長法を用いた銅膜の形成方法及び段差を有する基板上に
銅配線層を形成する半導体装置の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a copper film and a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for forming a copper film using a chemical vapor deposition method and a copper wiring on a substrate having a step. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a layer is formed.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、取扱い易く、ポピュラーな配線材
料としてＡｌ膜が多用されている。しかし、半導体装置
の高密度化に伴い、配線層の微細化が進んでいる現状で
は、エレクトロマイグレーションによる断線等の信頼性
の低下が問題となることが予想される。2. Description of the Related Art Conventionally, an Al film has been frequently used as a popular wiring material which is easy to handle. However, under the present circumstances where the wiring layers are becoming finer with the increase in the density of semiconductor devices, it is expected that a decrease in reliability such as disconnection due to electromigration will become a problem.
【０００３】銅配線は従来のＡｌ配線に対してエレクト
ロマイグレーションに強く、低抵抗であるなどの利点が
あり、高密度の半導体デバイスへの適用が期待されてい
る。更に、高密度化に伴うコンタクトホールなどのアス
ペクト比の増大に対処するため、段差被覆率の高い化学
気相成長法による銅薄膜の形成プロセスが開発されてい
る。Copper wiring has advantages over conventional Al wiring such as resistance to electromigration and low resistance, and is expected to be applied to high-density semiconductor devices. Further, in order to cope with the increase in aspect ratio of contact holes and the like accompanying the increase in density, a process for forming a copper thin film by a chemical vapor deposition method with a high step coverage has been developed.
【０００４】化学気相成長法による銅薄膜形成技術にお
いて、従来は常温で固体である銅の有機錯体、例えば、
Cu(HFA)2が銅のソースガスとして用いられてきたが、近
年ではより取扱い易い液体の有機錯体、例えば、Cu(HF
A)tmvs 等が利用されている。なお、HFA はヘキサフル
オロアセチルアセトンを表し、tmvsはトリメチルビニル
シリルを表す。In the copper thin film forming technique by chemical vapor deposition, an organic complex of copper which is conventionally solid at room temperature, for example,
Cu (HFA) 2 has been used as a source gas for copper, but in recent years it has become easier to handle liquid organic complexes such as Cu (HFA).
A) tmvs etc. are used. HFA represents hexafluoroacetylacetone, and tmvs represents trimethylvinylsilyl.
【０００５】例えば、下部配線層上の層間絶縁膜の開口
を介して下部配線層と接続する上部配線層を形成する場
合について図４（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明す
る。まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１上に
形成された下地絶縁膜２の上の下部配線層３を被覆して
層間絶縁膜４を形成し、続いて、パターニングして下部
配線層３上部に層間絶縁膜４の開口５を形成する。For example, a case of forming an upper wiring layer connected to the lower wiring layer through an opening of an interlayer insulating film on the lower wiring layer will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 4A, an interlayer insulating film 4 is formed by covering a lower wiring layer 3 on a base insulating film 2 formed on a semiconductor substrate 1, and then patterned to form a lower layer. The opening 5 of the interlayer insulating film 4 is formed on the wiring layer 3.
【０００６】次に、ヒータの内蔵された基板保持具８に
半導体基板１を載置した後、半導体基板１を加熱して、
所定の温度に保持する。次いで、液体のCu(HFA)tmvs を
用いて、化学気相成長法により、開口５を被覆して銅膜
６ｂを形成する。図４（ｂ）は成膜途中の銅膜６ａの形
成状態を示し、図４（ｃ）は成膜後の銅膜６ｂの状態を
示す。Next, after mounting the semiconductor substrate 1 on the substrate holder 8 having a built-in heater, the semiconductor substrate 1 is heated to
Hold at a given temperature. Then, liquid Cu (HFA) tmvs is used to cover the opening 5 by chemical vapor deposition to form a copper film 6b. FIG. 4B shows the state of the copper film 6a formed during film formation, and FIG. 4C shows the state of the copper film 6b after film formation.
【０００７】その後、銅膜６ｂをパターニングして下部
配線層３と接続する上部配線層を形成する。Then, the copper film 6b is patterned to form an upper wiring layer connected to the lower wiring layer 3.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかし、成膜速度を増
大させるため、ソースガスの流量を増し、かつ成膜温度
を高めると、開口５の底部にはソースガス粒子が到達し
にくくなって、図４（ｂ）に示すように、開口５の上部
の方が底部よりも早く成膜され、括れが生ずる。更に厚
く成膜すると、図４（ｃ）に示すように、開口５内部に
ボイド７が生じる。However, if the flow rate of the source gas is increased and the film formation temperature is increased in order to increase the film formation rate, it becomes difficult for the source gas particles to reach the bottom of the opening 5, As shown in FIG. 4B, a film is formed in the upper part of the opening 5 earlier than in the bottom part, and the constriction occurs. When the film is made thicker, voids 7 are formed inside the opening 5, as shown in FIG.
【０００９】このため、形成された銅膜６ａ，６ｂの段
差被覆率が低下し、配線の抵抗が増大したり、最悪の場
合、配線の切断に至るという問題がある。本発明は、係
る従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、成膜
速度の向上を図り、かつ高い段差被覆率を確保すること
ができる銅膜の形成方法及び半導体装置の製造方法を提
供することを目的とするものである。Therefore, there is a problem that the step coverage of the formed copper films 6a and 6b is lowered, the resistance of the wiring is increased, and in the worst case, the wiring is cut. The present invention was created in view of the problems of the conventional example, and is capable of improving the film formation rate and ensuring a high step coverage, and a method of manufacturing a semiconductor device. It is intended to provide.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記課題は、第１に、金
属銅を含んだ有機或いは無機の化合物をソースガスとし
て用い、活性化された粒子に接触させて前記ソースガス
を活性化し、かつ基板を加熱して前記ソースガスの反応
を起こさせ、前記基板上に銅膜を形成することを特徴と
する銅膜の形成方法によって達成され、第２に、前記反
応は表面反応律速に基づくものであることを特徴とする
銅膜の形成方法によって達成され、第３に、前記活性化
された粒子はプラズマからイオンを除去した後に残るラ
ジカルであることを特徴とする銅膜の形成方法によって
達成され、第４に、前記活性化された粒子は水素ラジカ
ルであることを特徴とする銅膜の形成方法によって達成
され、第５に、前記ソースガスは、化学構造式 Cu(HFA)tmvs （HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し、tmvs
はトリメチルビニルシリルを示す） Cu(HFA)COD （HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し、COD
はシクロオクタジエニルを示す） Cu(HFA)2-butyne （HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示す） Cu(HFA)BTMSE （HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し、BTMS
E はビストリメチルシリルエチレンを示す）で表される
もののうちいずれかであることを特徴とする銅膜の形成
方法によって達成され、第６に、前記加熱の温度は２０
０℃以下であることを特徴とする銅膜の形成方法によっ
て達成され、第７に、前記銅膜の形成方法を用いて段差
を有する基板上に銅膜を形成し、パターニングして銅配
線層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法
によって達成され、第８に、前記段差は下部配線層上の
層間絶縁膜に形成された開口の段差であることを特徴と
する半導体装置の製造方法によって達成される。In order to solve the above-mentioned problems, firstly, an organic or inorganic compound containing metallic copper is used as a source gas, which is brought into contact with activated particles to activate the source gas, and This is achieved by a method of forming a copper film, which comprises heating a substrate to cause a reaction of the source gas to form a copper film on the substrate, and secondly, the reaction is based on a surface reaction rate limiting. And a third method, wherein the activated particles are radicals remaining after removing ions from the plasma. And fourthly, the activated particles are hydrogen radicals, and fifthly, the source gas has a chemical structure of Cu (HFA) tmvs (HFA). Is hexaf Shows the Oro acetylacetone, tmvs
Indicates trimethylvinylsilyl) Cu (HFA) COD (HFA indicates hexafluoroacetylacetone, COD
Represents cyclooctadienyl) Cu (HFA) 2-butyne (HFA represents hexafluoroacetylacetone) Cu (HFA) BTMSE (HFA represents hexafluoroacetylacetone, BTMS
And E is bistrimethylsilylethylene), and sixthly, the heating temperature is 20%.
And a copper wiring layer formed by patterning a copper film on a substrate having steps using the copper film forming method and patterning the copper wiring layer. And the eighth step is the step of an opening formed in the interlayer insulating film on the lower wiring layer. The eighth step of manufacturing the semiconductor device is characterized in that Achieved by the method.
【００１１】[0011]
【作用】図３は、有機錯体のCu(HFA)tmvs について熱に
よる分解特性を示す特性図である。縦軸は蒸気圧（mTor
r ）を表し、横軸はソースガスに印加する温度（℃）を
表す。それによれば、このCu(HFA)tmvs は１３０℃付近
で自発的に分解を始めて銅を析出する。図３において、
温度に対する蒸気圧の増加割合が変化している点Ａで示
される。この温度より高いところでは、 2Cu(HFA)tmvs→Cu＋Cu(HFA)2＋2tmvs の反応が起きると考えられる。この反応は次の変曲点Ｂ
である３００℃近くの温度まで成膜反応を支配する。FUNCTION FIG. 3 is a characteristic diagram showing thermal decomposition characteristics of Cu (HFA) tmvs, an organic complex. The vertical axis is the vapor pressure (mTor
r), and the horizontal axis represents the temperature (° C) applied to the source gas. According to it, this Cu (HFA) tmvs starts spontaneously decomposing at around 130 ° C. to deposit copper. In FIG.
It is indicated by point A where the rate of increase in vapor pressure with respect to temperature changes. It is considered that the reaction of 2Cu (HFA) tmvs → Cu + Cu (HFA) 2 + 2tmvs occurs at a temperature higher than this temperature. This reaction is the next inflection point B
The film formation reaction is controlled up to a temperature near 300 ° C.
【００１２】また、別の調査により基板温度が２００℃
以下の領域では成膜速度が温度とともに増加する表面反
応律速による反応が支配的となり、それ以上の温度では
供給律速の反応が支配的となる。ところで、高い段差被
覆率を確保するためには表面反応律速による反応を用い
て成膜することが必要であることが分かった。なぜな
ら、表面反応律速による反応の場合、開口の底部の温度
と開口の上部の温度が一様であれば、底部も上部も同じ
速度で成膜されるためである。According to another investigation, the substrate temperature is 200 ° C.
In the region below, the reaction due to the surface reaction rate control, in which the film formation rate increases with temperature, becomes dominant, and at the temperature above that, the supply rate control reaction becomes dominant. By the way, it has been found that in order to secure a high step coverage, it is necessary to form a film by using a reaction based on the surface reaction rate limiting. This is because, in the case of the reaction based on the surface reaction rate control, if the temperature at the bottom of the opening and the temperature at the top of the opening are uniform, the film is formed on both the bottom and the top at the same rate.
【００１３】従って、上記化学気相成長法では、高い段
差被覆率を確保するために２００℃以下の温度領域にお
いて成膜を行う必要がある。一方、２００℃以下の温度
領域においては成膜速度を低下させる結果となる。従っ
て、実用性の向上を図るためには、表面反応律速が主反
応形態である２００℃以下の温度を維持しつつ、成膜速
度を向上させることが必要である。Therefore, in the chemical vapor deposition method, it is necessary to form a film in a temperature range of 200 ° C. or lower in order to secure a high step coverage. On the other hand, in the temperature range of 200 ° C. or lower, the film forming rate is reduced. Therefore, in order to improve the practicality, it is necessary to improve the film formation rate while maintaining the temperature of the surface reaction rate control at 200 ° C. or lower which is the main reaction mode.
【００１４】本発明の銅膜の形成方法においては、活性
化された粒子にソースガスを接触させて活性化し、かつ
基板を加熱して前記ソースガスの反応を起こさせ、基板
上に銅膜を形成している。従って、ソースガスには加熱
によるエネルギに更に活性化された粒子からのエネルギ
が加わるため、表面反応律速に基づく反応が起こるよう
な低い温度で基板を加熱しても、基板に到達したソース
ガスには分解の促進に必要な十分なエネルギが付与され
る。In the method for forming a copper film according to the present invention, a source gas is brought into contact with activated particles to activate the particles, and the substrate is heated to cause a reaction of the source gas, thereby forming a copper film on the substrate. Is forming. Therefore, since the energy from the activated particles is added to the source gas in addition to the energy due to heating, even if the substrate is heated at such a low temperature that a reaction based on the surface reaction rate-determining occurs, the source gas reaching the substrate does not reach the source gas. Is provided with sufficient energy necessary to promote decomposition.
【００１５】これにより、上記の反応式で生じるCu(HF
A)2の分解が促進されて、ソースガスの銅原子の分離が
促進される。十分なエネルギを得たソースガスには次の
ような反応が起こると考えられる。即ち、活性化された
粒子として、例えば、水素ラジカル（H *）を用いた場
合、 2Cu(HFA)tmvs＋2H * →2Cu ＋2H-(HFA)＋2tmvs のような反応が起こり、副生成物であるCu(HFA)2を生じ
させることなく、水素ラジカルがHFA を安定化させて銅
原子の分離を促進する。As a result, the Cu (HF
A) The decomposition of 2 is promoted and the separation of copper atoms in the source gas is promoted. It is considered that the following reactions occur in the source gas that has obtained sufficient energy. That is, for example, when hydrogen radicals (H * ) are used as the activated particles, a reaction such as 2Cu (HFA) tmvs + 2H * → 2Cu + 2H- (HFA) + 2tmvs occurs and Cu (by-product) Hydrogen radicals stabilize HFA and promote the separation of copper atoms without producing HFA) 2 .
【００１６】従って、ソースガスCu(HFA)tmvs の一分子
あたり銅の一原子を析出するため、成膜速度は大幅に増
す。このため、開口を有する基板上に銅配線層を形成す
る本発明の半導体装置の製造方法に上記の銅膜の形成方
法を用いることにより、段差被覆率を高め、かつ成膜速
度の向上を図ることが可能となる。Therefore, since one atom of copper is deposited per molecule of the source gas Cu (HFA) tmvs, the film formation rate is significantly increased. Therefore, by using the above-described method for forming a copper film in the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention in which a copper wiring layer is formed on a substrate having openings, the step coverage is increased and the film formation rate is improved. It becomes possible.
【００１７】[0017]
【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明の実施例
について説明する。 （１）第１の実施例に係る銅膜の形成方法についての説
明 図４は本発明の第１の実施例に係る銅膜の形成方法に用
いられるトライオードタイプの電極を有する成膜装置に
ついて示す斜視図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (1) Description of Copper Film Forming Method According to First Embodiment FIG. 4 shows a film forming apparatus having a triode type electrode used in the copper film forming method according to the first embodiment of the present invention. It is a perspective view.
【００１８】図４において、１１は減圧可能になってい
る成膜室で、不図示の排気装置が接続され、成膜室１１
内が排気される。この成膜室１１内に不図示のガス導入
口から金属銅の有機錯体を含むソースガスが導入され
る。また、成膜室１１内には被成膜基板１７を載置する
基板保持具１２が設置されている。この基板保持具１２
にはヒータが内蔵されており、載置された被成膜基板１
７を加熱する。In FIG. 4, reference numeral 11 denotes a film forming chamber which can be depressurized, and an exhaust device (not shown) is connected to the film forming chamber 11.
The inside is exhausted. A source gas containing an organic complex of metallic copper is introduced into the film forming chamber 11 from a gas inlet (not shown). In addition, a substrate holder 12 on which a film formation target substrate 17 is placed is installed in the film formation chamber 11. This substrate holder 12
Has a built-in heater, and the deposition target substrate 1 is placed on the substrate.
Heat 7.
【００１９】１３はイオントラップ電極１４を介して成
膜室１１に連通するプラズマ生成室である。プラズマ生
成室１３内には不図示のガス導入口から水素ガス等が導
入され、プラズマ化される。イオントラップ電極１４は
網目状に形成されており、接地されることによりプラズ
マ生成室１３で生成されたプラズマからイオンをトラッ
プする。そして、ラジカル（活性化された粒子）のみを
下流の成膜室１１に流し、成膜室１１内に導入されたソ
ースガスを活性化する。Reference numeral 13 is a plasma generation chamber communicating with the film forming chamber 11 via the ion trap electrode 14. Hydrogen gas or the like is introduced into the plasma generation chamber 13 from a gas introduction port (not shown) to generate plasma. The ion trap electrode 14 is formed in a mesh shape, and is grounded to trap ions from the plasma generated in the plasma generation chamber 13. Then, only radicals (activated particles) are caused to flow into the downstream film forming chamber 11 to activate the source gas introduced into the film forming chamber 11.
【００２０】15ａ，15ｂはプラズマ生成室１３の外周部
に形成されたトライオードタイプの電極で、プラズマ生
成室１３を挟んで互いに対向する。これらの電極15ａ，
15ｂ間に接続された電源１６により周波数13.56MHzの高
周波電力を印加して、プラズマ生成室１２内に導入され
た水素ガス等をプラズマ化する。次に、上記の成膜装置
を用いて銅膜を形成する方法について説明する。Reference numerals 15a and 15b denote triode type electrodes formed on the outer peripheral portion of the plasma generation chamber 13 and face each other with the plasma generation chamber 13 interposed therebetween. These electrodes 15a,
A high-frequency power having a frequency of 13.56 MHz is applied by a power supply 16 connected between 15b to turn hydrogen gas and the like introduced into the plasma generation chamber 12 into plasma. Next, a method for forming a copper film using the above film forming apparatus will be described.
【００２１】まず、例えばシリコン基板上に酸化膜及び
ＴｉＮ膜が順次形成された被成膜基板１７を基板保持具
１２に載置した後、プラズマ生成室１３内及び成膜室１
１内を排気し、所定の圧力に達したら、プラズマ生成室
１３内に流量２００SCCMで水素ガスを導入する。また、
成膜室１１内の被成膜基板１７を加熱し、所定の温度に
保持する。First, for example, a film formation substrate 17 in which an oxide film and a TiN film are sequentially formed on a silicon substrate is placed on the substrate holder 12, and then, inside the plasma generation chamber 13 and the film formation chamber 1.
After evacuating the inside of 1 and reaching a predetermined pressure, hydrogen gas is introduced into the plasma generation chamber 13 at a flow rate of 200 SCCM. Also,
The deposition target substrate 17 in the deposition chamber 11 is heated and maintained at a predetermined temperature.
【００２２】次に、成膜室１１内に金属銅を含む有機錯
体からなるソースガスを導入し、成膜室１１内の全圧力
を２００mTorr に保持する。ソースガスとして、例え
ば、化学構造式 Cu(HFA)tmvs （HFA はヘキサフルロロアセチルアセトンを示し、tmvs
はトリメチルビニルシリルを示す）で表される液体状の
銅の有機錯体を気化させたものを用いる。Next, a source gas consisting of an organic complex containing metallic copper is introduced into the film forming chamber 11 to maintain the total pressure in the film forming chamber 11 at 200 mTorr. As a source gas, for example, the chemical structural formula Cu (HFA) tmvs (HFA represents hexafluorochloroacetone, tmvs
Represents a trimethylvinylsilyl group) and is used by vaporizing a liquid organic complex of copper.
【００２３】続いて、電極15ａ，15ｂ間に周波数13.56M
Hzの高周波電力１００Ｗを印加し、プラズマ生成室１３
内の水素ガスをプラズマ化する。水素プラズマはイオン
トラップ電極１４を通過して下流に流れる。このとき、
水素プラズマ中のイオンはトラップされ、或いは中性化
されて水素ラジカルのみが成膜室１１内に導入される。Then, a frequency of 13.56M is applied between the electrodes 15a and 15b.
High frequency power of 100 Hz is applied to the plasma generation chamber 13
The hydrogen gas inside is turned into plasma. The hydrogen plasma passes through the ion trap electrode 14 and flows downstream. At this time,
Ions in the hydrogen plasma are trapped or neutralized and only hydrogen radicals are introduced into the film forming chamber 11.
【００２４】水素ラジカルより成膜室１１内のソースガ
スが活性化されて、被成膜基板１７の表面に達する。こ
のとき、被成膜基板１７は、所定の温度、例えばソース
ガスが自然に分解し、かつ表面反応律速による反応が生
ずるような温度に保持されている。従って、被成膜基板
１７の表面に達したソースガスは、水素ラジカルにより
付加されたエネルギにより分解反応の中間過程で生じる
Cu(HFA)2の分解が促進されて銅原子が一層分離されると
ともに、被成膜基板１７の表面で表面反応律速による反
応が生じて銅膜が生成しはじめる。The source gas in the film formation chamber 11 is activated by the hydrogen radicals and reaches the surface of the film formation substrate 17. At this time, the film formation substrate 17 is kept at a predetermined temperature, for example, a temperature at which the source gas is spontaneously decomposed and a reaction due to the surface reaction rate control occurs. Therefore, the source gas reaching the surface of the film formation target substrate 17 is generated in the intermediate process of the decomposition reaction by the energy added by the hydrogen radicals.
The decomposition of Cu (HFA) 2 is promoted and the copper atoms are further separated, and at the surface of the film formation target substrate 17, a reaction due to the surface reaction rate control occurs and a copper film starts to be formed.
【００２５】上記の成膜反応において、予想される反応
過程を示すと、 2Cu(HFA)tmvs＋2H * →2Cu ＋2H-(HFA)＋2tmvs になる。このように、水素ラジカルがHFA を安定化させ
て銅原子の分離を促進し、ソースガスCu(HFA)tmvs の一
分子あたり銅の一原子を析出するようになるため、被成
膜基板１７の温度が低いにもかかわらず、成膜速度は高
くなる。In the above film forming reaction, an expected reaction process is 2Cu (HFA) tmvs + 2H * → 2Cu + 2H- (HFA) + 2tmvs. In this way, the hydrogen radicals stabilize HFA and promote the separation of copper atoms, so that one atom of copper is deposited per molecule of the source gas Cu (HFA) tmvs. Despite the low temperature, the film formation rate is high.
【００２６】この状態で所定時間が経過した後、被成膜
基板１７上に所定の膜厚の銅膜が形成される。次に、上
記の方法で銅膜を形成した調査結果について説明する。
調査では基板温度を１３０℃〜２００℃まで変化させ
た。図２は種々の基板温度に対する成膜速度の関係を示
す特性図である。比較のため、従来例の方法を用いて基
板温度に対する成膜速度の関係を取得した結果について
も、同図に示す。横軸はリニヤ目盛で示す温度Ｔの逆数
（×1000／Ｋ）を表し、縦軸は対数目盛で示す成膜速度
（Å／分）を表す。After a predetermined time has passed in this state, a copper film having a predetermined thickness is formed on the film formation substrate 17. Next, the investigation results of forming the copper film by the above method will be described.
In the investigation, the substrate temperature was changed from 130 ° C to 200 ° C. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship of the film forming rate with respect to various substrate temperatures. For comparison, the result of acquiring the relationship between the substrate temperature and the film formation rate using the method of the conventional example is also shown in the same figure. The horizontal axis represents the reciprocal of the temperature T indicated on the linear scale (× 1000 / K), and the vertical axis represents the film formation rate (Å / min) indicated on the logarithmic scale.
【００２７】なお、従来例の場合、金属銅を含む有機錯
体からなるソースガスとして上記と同じものを用い、か
つソースガスに流量２００SCCMの水素ガスを加えた。水
素ガスは活性化していない。図２に示す結果によれば、
本発明の実施例による場合、温度Ｔの上昇とともに成膜
速度は増し、基板温度１８０℃で成膜速度約1500〜2000
Å／分が得られた。更に、従来の場合と比較して成膜速
度は約３倍程度高くなった。In the case of the conventional example, the same source gas as described above was used as the source gas composed of an organic complex containing metallic copper, and hydrogen gas having a flow rate of 200 SCCM was added to the source gas. Hydrogen gas is not activated. According to the result shown in FIG.
According to the embodiment of the present invention, the film formation rate increases as the temperature T increases, and the film formation rate is about 1500 to 2000 at a substrate temperature of 180 ° C.
Å / min was obtained. Further, the film forming rate is about three times higher than that in the conventional case.
【００２８】しかも、成膜状態を観察したところ、段差
被覆率も高かった。これは、表面反応律速による反応が
支配的であることを示す。一方、従来例の場合、基板温
度１８０℃で、成膜速度は約５５０Å／分となる。しか
も、それ以上基板温度を上昇させても成膜速度は高くな
らない。また、基板温度１８０℃以上で供給律速による
反応が支配的になり、段差被覆率も低くなる。Moreover, when the film formation state was observed, the step coverage was also high. This indicates that the reaction due to the surface reaction rate control is dominant. On the other hand, in the case of the conventional example, when the substrate temperature is 180 ° C., the film formation rate is about 550 Å / min. Moreover, the film formation rate does not increase even if the substrate temperature is further increased. Further, at a substrate temperature of 180 ° C. or higher, the reaction due to the supply rate control becomes dominant, and the step coverage becomes low.
【００２９】この違いは、水素ラジカルによりソースガ
スを活性化したことが強く影響していることによると考
えられる。従って、低い基板温度で成膜することにより
表面反応律速による反応を維持しつつ、水素ラジカルに
よる活性化により成膜速度を増すことができた。 （２）第２の実施例に係る半導体装置の製造方法につい
ての説明 次に、上記の成膜装置を用いて銅配線層を形成する方法
を含む半導体装置の製造方法について説明する。図１
（ａ）〜（ｃ）は層間絶縁膜２４の開口２５を介して下
部配線層２３と接続する上部銅配線層を形成する方法に
ついて示す断面図である。It is considered that this difference is due to the fact that the activation of the source gas by hydrogen radicals has a strong influence. Therefore, it was possible to increase the film formation rate by activation by hydrogen radicals while maintaining the reaction by the surface reaction rate limiting by forming the film at a low substrate temperature. (2) Description of Manufacturing Method of Semiconductor Device According to Second Example Next, a manufacturing method of a semiconductor device including a method of forming a copper wiring layer by using the above film forming apparatus will be described. FIG.
9A to 9C are cross-sectional views showing a method of forming an upper copper wiring layer connected to the lower wiring layer 23 through the opening 25 of the interlayer insulating film 24.
【００３０】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
からなる半導体基板２１に熱酸化によりシリコン酸化膜
からなる下地絶縁膜２２を形成する。続いて、下地絶縁
膜２２上にＣＶＤ法（化学気相成長法）によりＴｉＮ膜
を形成した後、パターニングして下部配線層２３を形成
する。次に、ＣＶＤ法により下部配線層２３を被覆して
膜厚約8000Åのシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜２４
を形成する。続いて、ホトリソグラフィ技術を用いて層
間絶縁膜２４をパターニングし、下部配線層２３上部に
開口２５を形成する。First, as shown in FIG. 1A, a base insulating film 22 made of a silicon oxide film is formed on a semiconductor substrate 21 made of silicon by thermal oxidation. Subsequently, a TiN film is formed on the base insulating film 22 by a CVD method (chemical vapor deposition method) and then patterned to form a lower wiring layer 23. Next, the interlayer insulating film 24 which covers the lower wiring layer 23 by the CVD method and is made of a silicon oxide film having a film thickness of about 8000Å
To form. Then, the interlayer insulating film 24 is patterned by using the photolithography technique, and the opening 25 is formed in the upper portion of the lower wiring layer 23.
【００３１】次いで、上記した成膜装置の基板保持具１
２に被成膜基板１７を載置した後、成膜室１１内を減圧
する。所定の圧力に達したら、内蔵のヒータにより被成
膜基板１７を加熱し、被成膜基板１７の温度を１８０℃
に保持する。次に、第１の実施例に示した成膜方法及び
条件と同じ成膜方法及び条件により、層間絶縁膜２４上
に開口２５を被覆する膜厚約5000Åの銅膜26ｂを形成す
る。Next, the substrate holder 1 of the above film forming apparatus
After the deposition target substrate 17 is placed on the substrate 2, the inside of the deposition chamber 11 is depressurized. When the predetermined pressure is reached, the film formation substrate 17 is heated by a built-in heater to raise the temperature of the film formation substrate 17 to 180 ° C.
To hold. Next, a copper film 26b having a film thickness of about 5000 Å covering the opening 25 is formed on the interlayer insulating film 24 by the same film forming method and conditions as those shown in the first embodiment.
【００３２】図１（ｂ）は成膜途中の銅膜26ａの形成状
態を示す。被堆積基板１７の温度が２００℃以下である
ため、表面反応律速による反応が支配的であり、成膜箇
所の温度により成膜速度が決まる。このため、被堆積基
板１７の凹凸の影響が少なくなる。従って、開口２５の
底部，側壁及び開口２５近傍の層間絶縁膜２４上に均一
な膜厚の銅膜26ａが形成される。図１（ｃ）は成膜後の
銅膜26ｂの形成状態を示す。表面反応律速による反応に
基づく均一な膜厚の銅膜26ａの形成が可能なので、開口
２５内にボイド等が生じない。FIG. 1B shows a state of formation of the copper film 26a during film formation. Since the temperature of the deposition target substrate 17 is 200 ° C. or lower, the reaction due to the surface reaction rate control is dominant, and the deposition rate is determined by the temperature of the deposition location. Therefore, the influence of the unevenness of the deposition target substrate 17 is reduced. Therefore, a copper film 26a having a uniform thickness is formed on the bottom and side walls of the opening 25 and on the interlayer insulating film 24 near the opening 25. FIG. 1C shows the state of formation of the copper film 26b after film formation. Since it is possible to form the copper film 26a having a uniform film thickness based on the reaction by the surface reaction rate control, voids and the like do not occur in the opening 25.
【００３３】その後、銅膜26ｂをパターニングし、開口
２５を介して下部配線層２３と接続する上部配線層を形
成する。このように、本発明の実施例の半導体装置の製
造方法によれば、被成膜基板１７の温度を１８０℃に保
持した状態で成膜している。従って、表面反応律速によ
る成膜反応により銅膜26ｂが形成されるため、開口２５
において高い段差被覆率が得られる。Then, the copper film 26b is patterned to form an upper wiring layer connected to the lower wiring layer 23 through the opening 25. As described above, according to the semiconductor device manufacturing method of the embodiment of the present invention, the film formation is performed while the temperature of the film formation target substrate 17 is maintained at 180 ° C. Therefore, since the copper film 26b is formed by the film formation reaction by the surface reaction rate control, the opening 25
A high step coverage is obtained at.
【００３４】また、水素ラジカルにソースガスを接触さ
せて活性化している。従って、被成膜基板１７に到達し
たソースガスには温度によるエネルギのほかに活性化さ
れた粒子からのエネルギが加わる。このため、表面反応
律速に基づく反応が起こるような低い温度で被成膜基板
１７を加熱しても、ソースガスには分解の促進のための
十分なエネルギが付与される。Further, the source gas is brought into contact with hydrogen radicals for activation. Therefore, in addition to energy due to temperature, energy from activated particles is added to the source gas that has reached the film formation target substrate 17. Therefore, even if the film formation substrate 17 is heated at such a low temperature that a reaction based on the surface reaction rate control occurs, sufficient energy is provided to the source gas for promoting decomposition.
【００３５】このため、反応の中間過程で生じるCu(HF
A)2の分解が促進されて、ソースガス中の銅原子を一層
分離させることができる。従って、ソースガスCu(HFA)t
mvs は一分子あたり銅の一原子を析出するため、成膜速
度が大幅に増大する。これにより、段差被覆率を高め、
かつ成膜速度の向上を図ることが可能となる。For this reason, Cu (HF
A) The decomposition of 2 is promoted, and the copper atoms in the source gas can be further separated. Therefore, the source gas Cu (HFA) t
Since mvs deposits one atom of copper per molecule, the film formation rate increases significantly. This increases the step coverage,
In addition, the film forming speed can be improved.
【００３６】なお、上記実施例では、ソースガスとして
Cu(HFA)tmvs を用いているが、化学構造式 Cu(HFA)COD （HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し、COD
はシクロオクタジエニルを示す）で表されるものを用い
ることかできる。この場合、基板温度２００℃以下で、
表面反応律速による反応が得られる。In the above embodiment, as the source gas
Although Cu (HFA) tmvs is used, the chemical structural formula Cu (HFA) COD (HFA represents hexafluoroacetylacetone,
Represents cyclooctadienyl). In this case, when the substrate temperature is 200 ° C or lower,
A surface reaction rate-controlled reaction can be obtained.
【００３７】また、化学構造式 Cu(HFA)2-butyne （HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示す）で表
されるものを用いることかできる。この場合、基板温度
２２０℃以下で、表面反応律速による反応が得られる。Further, those represented by the chemical structural formula Cu (HFA) 2-butyne (HFA represents hexafluoroacetylacetone) can be used. In this case, at a substrate temperature of 220 ° C. or lower, a reaction by the surface reaction rate control can be obtained.
【００３８】更に、化学構造式 Cu(HFA)BTMSE （HFA はヘキサフルオロアセチルアセトンを示し、BTMS
E はビストリメチルシリルエチレンを示す）で表される
ものを用いることも可能である。この場合、基板温度１
９０℃以下で、表面反応律速による反応が得られる。Further, the chemical structural formula Cu (HFA) BTMSE (HFA represents hexafluoroacetylacetone, BTMS
E represents bistrimethylsilylethylene). In this case, the substrate temperature 1
At 90 ° C. or lower, a surface reaction-controlled reaction can be obtained.
【００３９】また、活性化された粒子として水素ラジカ
ルを用いているが、他の方法で活性化された粒子、例え
ばマイクロ波による水素を含んだ化合物の励起により生
じたプロトンを用いてもよい。更に、半導体装置の上部
配線層の形成に適用しているが、液晶駆動用のＴＦＴの
配線層の形成やプリント基板の配線層の形成等に用いる
こともできる。特に、段差を有する基板上に段差被覆率
の高い配線層を形成する場合に最適である。Although hydrogen radicals are used as activated particles, particles activated by other methods, for example, protons generated by exciting a compound containing hydrogen by microwaves may be used. Furthermore, although it is applied to the formation of the upper wiring layer of the semiconductor device, it can also be used to form the wiring layer of the liquid crystal driving TFT, the wiring layer of the printed circuit board, and the like. In particular, it is optimal when a wiring layer having a high step coverage is formed on a substrate having a step.
【００４０】[0040]
【発明の効果】以上のように、本発明の銅膜の形成方法
においては、基板を加熱し、かつ活性化された粒子にソ
ースガスを接触させて活性化している。従って、基板に
到達したソースガスには温度によるエネルギのほかに水
素ラジカルからのエネルギが加わるため、表面反応律速
による反応を生じさせる低い温度で基板加熱しても、ソ
ースガスには分解の促進のための十分なエネルギが付与
される。このため、ソースガスに含まれる銅原子の分離
が促進されてソースガスの一分子あたりの銅原子の生成
量が増えるので、成膜速度は大幅に増大する。As described above, in the method of forming a copper film of the present invention, the substrate is heated and the activated particles are activated by contacting the source gas. Therefore, energy from the hydrogen radicals is added to the source gas reaching the substrate in addition to the energy due to the temperature, so that even if the substrate is heated at a low temperature that causes a reaction due to the surface reaction rate, the source gas can accelerate the decomposition. Sufficient energy for Therefore, the separation of copper atoms contained in the source gas is promoted and the amount of copper atoms produced per molecule of the source gas is increased, so that the film formation rate is significantly increased.
【００４１】これにより、開口等の段差を有する基板上
に銅配線層を形成する本発明の半導体装置の製造方法に
上記の銅膜の形成方法を適用することにより、段差被覆
率を高め、かつ成膜速度の向上を図ることが可能とな
る。Thus, by applying the above copper film forming method to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention in which a copper wiring layer is formed on a substrate having a step such as an opening, the step coverage is increased and It is possible to improve the film forming speed.
【図１】本発明の実施例に係る銅膜の形成方法を用いた
半導体装置の製造方法について示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device using a method for forming a copper film according to an example of the present invention.
【図２】本発明の実施例に係る種々の基板温度に対する
成膜速度の関係を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship of a film forming rate with respect to various substrate temperatures according to an example of the present invention.
【図３】本発明に係る銅膜の形成方法に用いられる有機
錯体のCu(HFA)tmvs について熱による分解特性を示す特
性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing thermal decomposition characteristics of Cu (HFA) tmvs of an organic complex used in the method for forming a copper film according to the present invention.
【図４】本発明の実施例に係る銅膜の形成方法に用いら
れるトライオードタイプの電極を有する成膜装置につい
て示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a film forming apparatus having a triode type electrode used in a method for forming a copper film according to an example of the present invention.
【図５】従来例に係る銅膜の形成方法を用いた半導体装
置の製造方法について示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device using a method of forming a copper film according to a conventional example.
１１ 成膜室、 １２ 基板保持具、 １３ プラズマ生成室、 １４ イオントラップ電極、 15ａ，15ｂ 電極、 １６ 電源、 １７ 被成膜基板、 ２１ 半導体体基板、 ２２ 下地絶縁膜、 ２３ 下部配線層、 ２４ 層間絶縁膜、 ２５ 開口、 26ａ，26ｂ 銅膜。 11 film forming chamber, 12 substrate holder, 13 plasma generating chamber, 14 ion trap electrodes, 15a and 15b electrodes, 16 power supply, 17 film forming substrate, 21 semiconductor substrate, 22 underlying insulating film, 23 lower wiring layer, 24 Interlayer insulating film, 25 openings, 26a, 26b Copper film.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｃ０７Ｆ 1/08 Ｂ 7457−4Ｈ ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI technical display location // C07F 1/08 B 7457-4H
Claims (11)
て用い、活性化された粒子に接触させて前記ソースガス
を活性化し、かつ基板を加熱して前記ソースガスの反応
を起こさせ、前記基板上に銅膜を形成することを特徴と
する銅膜の形成方法。1. A substrate containing a compound containing metallic copper as a source gas to activate the source gas by contacting it with activated particles, and heating the substrate to cause a reaction of the source gas. A method for forming a copper film, which comprises forming a copper film on the top.
あることを特徴とする請求項１記載の銅膜の形成方法。2. The method for forming a copper film according to claim 1, wherein the reaction is based on surface reaction rate limiting.
オンを除去した後に残るラジカルであることを特徴とす
る請求項１又は請求項２記載の銅膜の形成方法。3. The method for forming a copper film according to claim 1, wherein the activated particles are radicals remaining after removing ions from plasma.
あることを特徴とする請求項３記載の銅膜の形成方法。4. The method for forming a copper film according to claim 3, wherein the activated particles are hydrogen radicals.
はトリメチルビニルシリルを示す）で表されるものであ
ることを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３又は
請求項４記載の銅膜の形成方法。5. The source gas is a chemical structural formula Cu (HFA) tmvs (HFA is hexafluoroacetylacetone, tmvs
Is trimethylvinylsilyl), and the method for forming a copper film according to claim 1, claim 2, claim 3 or claim 4.
はシクロオクタジエニルを示す）で表されるものである
ことを特徴とする請求項１，請求項２，請求項３又は請
求項４記載の銅膜の形成方法。6. The source gas is a chemical structural formula Cu (HFA) COD (HFA is hexafluoroacetylacetone, COD
Represents cyclooctadienyl), and the method for forming a copper film according to claim 1, claim 2, claim 3 or claim 4.
されるものであることを特徴とする請求項１，請求項
２，請求項３又は請求項４記載の銅膜の形成方法。7. The source gas is represented by a chemical structural formula Cu (HFA) 2-butyne (HFA represents hexafluoroacetylacetone). The method for forming a copper film according to claim 3 or 4.
E はビストリメチルシリルエチレンを示す）で表される
ものであることを特徴とする請求項１，請求項２，請求
項３又は請求項４記載の銅膜の形成方法。8. The source gas is a chemical structural formula Cu (HFA) BTMSE (HFA is hexafluoroacetylacetone, BTMS
E represents bistrimethylsilylethylene), The method for forming a copper film according to claim 1, claim 2, claim 3, or claim 4,
とを特徴とする請求項４，請求項５，請求項６，請求項
７又は請求項８記載の銅膜の形成方法。9. The method of forming a copper film according to claim 4, wherein the heating temperature is 200 ° C. or lower.
項４，請求項５，請求項６，請求項７，請求項８又は請
求項９記載の銅膜の形成方法を用いて段差を有する基板
上に銅膜を形成し、パターニングして銅配線層を形成す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。10. A method for forming a copper film according to claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6, claim 7, claim 8 or claim 9. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a copper film on a substrate having steps and patterning the copper film to form a copper wiring layer.
に形成された開口の段差であることを特徴とする請求項
１０記載の半導体装置の製造方法。11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the step is a step of an opening formed in an interlayer insulating film on a lower wiring layer.
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|---|---|---|---|
| JP13759794A JP3755539B2 (en) | 1994-06-20 | 1994-06-20 | Method for forming copper film |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH088253A true JPH088253A (en) | 1996-01-12 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13759794A Expired - Lifetime JP3755539B2 (en) | 1994-06-20 | 1994-06-20 | Method for forming copper film |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3755539B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6174563B1 (en) | 1997-07-07 | 2001-01-16 | Nec Corporation | Method for forming thin metal films |
| KR100339179B1 (en) * | 1998-04-27 | 2002-05-31 | 포만 제프리 엘 | Copper interconnection structure incorporating a metal seed layer |
-
1994
- 1994-06-20 JP JP13759794A patent/JP3755539B2/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6174563B1 (en) | 1997-07-07 | 2001-01-16 | Nec Corporation | Method for forming thin metal films |
| KR100339179B1 (en) * | 1998-04-27 | 2002-05-31 | 포만 제프리 엘 | Copper interconnection structure incorporating a metal seed layer |
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