(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜上に銅薄膜を形成し、前記凹部を銅材料で充填する銅配線製造方法において、
ＣＶＤ法の反応律速条件を満たす温度に前記基板を昇温させ、前記ＣＶＤ法によって前記銅薄膜を前記凹部内に等方的に成長させ、
前記凹部側面に形成された前記銅薄膜が互いに接触する前に前記銅薄膜の成長を終了させ、
次いで、前記銅薄膜を３００℃以上４５０℃以下に加熱する熱処理を行って前記銅薄膜を流動化させることを特徴とする銅配線製造方法。
【請求項２】
前記銅薄膜のＣＶＤ法による成長を、１８０℃以下の基板温度で行うことを特徴とする請求項１記載の銅配線製造方法。
【請求項３】
前記ＣＶＤ法は、銅・ヘキサフルオロアセチルアセトン・ビニルトリメチルシランを主成分とする原料ガスを用いることを特徴とする請求項２記載の銅配線製造方法。
【請求項４】
前記銅薄膜の流動化を水素雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の銅配線製造方法。
【請求項５】
前記銅薄膜と前記絶縁膜との間に拡散防止膜を設けることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の銅配線製造方法。
【請求項６】
前記凹部内に充填された銅材料を残し、他の部分の銅材料を化学的機械研磨法で除去し、前記凹部内に充填された銅材料で銅配線を形成することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の銅配線製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁膜表面の微細な凹部に銅材料を充填して銅配線を形成する技術にかかり、特に、銅配線中にボイドが形成されない銅配線製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体集積回路では、加工の容易性等から、主にアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする電極配線材料が使用されている。
【０００３】
しかし、アルミニウムで構成した電極配線では、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性が弱いため、半導体集積回路の微細化が進むに連れ、不良が多発して問題となっている。
【０００４】
そこで従来より、アルミニウムを主成分とする電極配線材料に替え、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性が高いタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）を用いることが提案されている。しかし、それらの材料はアルミニウムに比較して抵抗値が大きいため、微細な配線パターンに適用した場合には、大きな電圧降下による信号遅延が新たな問題として生じている。
【０００５】
その解決のため、抵抗値が小さく、しかもエレクトロマイグレーション耐性やストレスマイグレーション耐性に優れた銅（Ｃｕ）を電極配線材料として用いることが検討されており、種々の銅配線製造方法が提案されている。
【０００６】
そのような、銅配線製造方法のうち、ＣＭＰ法（化学的機械研磨法）を用いた従来技術の方法の工程を説明する。
【０００７】
図８（ａ）〜（ｅ）を参照し、符号１０８は配線対象物であり、基板１１０とその上に成膜された絶縁膜１１２上とを有しており、その絶縁膜１１２表面には、ドライエッチング法によって凹部１１３１、１１３２が形成されている（同図（ａ））。
【０００８】
先ず、この配線対象物１０８に対し、拡散防止膜（バリアメタル）１１４を全面成膜し（同図（ｂ））、ＣＶＤ法を用いて銅薄膜１１６を形成する（同図（ｃ））。このとき、反応条件を適切に設定し、拡散防止膜１１４の表面上で銅を等方的に成長させ、凹部１１３１、１１３２内を、銅薄膜１１６を構成する銅材料で充填させる。
【０００９】
しかし、ＣＶＤ法の反応条件の微妙な相違等により、銅薄膜１１６表面は滑らかにならず、突起や窪みが生じてしまう（同図（ｃ））。特に、高アスペクト比の凹部１１３１内では、側面から成長した銅薄膜１１６表面の突起同士が接触した場合、その部分１２１で銅薄膜１１６が閉じ、閉塞した空洞１２２が生じてしまう。
【００１０】
かかる事態が生じた場合には、そのような空洞１２２に対しては、ＣＶＤ法による反応をそれ以上進めても閉塞した空洞１２２内には銅薄膜は成長しないため、凹部１１３１内を銅材料によって完全に充填することができなくなる（同図（ｄ））。
【００１１】
そして、銅薄膜１１６表面をＣＭＰ法によって研磨した場合には、凹部１１３１、１１３２内に形成される銅配線１２５１、１２５２のうち、空洞のない方の凹部１１３２内の銅配線１２５２は銅材料で充填されるが、空洞１２２のある方の凹部１１３１内の銅配線１２５１では、その内部にボイド１２６が形成されてしまう。
【００１２】
銅配線１２５１内のボイド１２６は、配線を高抵抗にする他、断線等の種々の不良を引き起こす原因となり、特性や信頼性を低下させるため、その解決が望まれていた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたもので、その目的は、ボイドのない銅配線が得られる技術を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、基板上に形成され、凹部が設けられた絶縁膜上に銅薄膜を形成し、前記凹部を銅材料で充填する銅配線製造方法において、ＣＶＤ法の反応律速条件を満たす温度に前記基板を昇温させ、前記ＣＶＤ法によって前記銅薄膜を前記凹部内に等方的に成長させ、前記凹部側面に形成された前記銅薄膜が互いに接触する前に前記銅薄膜の成長を終了させ、次いで、前記銅薄膜を３００℃以上４５０℃以下に加熱する熱処理を行って前記銅薄膜を流動化させることを特徴とする銅配線製造方法である。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の銅配線製造方法であって、前記銅薄膜のＣＶＤ法による成長を、１８０℃以下の基板温度で行うことを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の銅配線製造方法であって、前記ＣＶＤ法は、銅・ヘキサフルオロアセチルアセトン・ビニルトリメチルシランを主成分とする原料ガスを用いることを特徴とする。
【００１６】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の銅配線製造方法であって、前記銅薄膜の流動化を水素雰囲気中で行うことを特徴とする。
【００１７】
求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の銅配線製造方法であって、前記銅薄膜と前記絶縁膜との間に拡散防止膜を設けることを特徴とする。
【００１８】
請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の銅配線製造方法であって、前記凹部内に充填された銅材料を残し、他の部分の銅材料を化学的機械研磨法で除去し、前記凹部内に充填された銅材料で銅配線を形成することを特徴とする。
【００１９】
一般に、銅薄膜の成長状態には、等方的な成長と非等方的な成長とがあるが、金属薄膜の形成に広く用いられているスパッタリング法では、非等方的な成長によって薄膜が形成されるため、凹部内をスパッタリング法により堆積させた銅薄膜によって充填しようとした場合、凹部の開口端にはオーバーハングが生じ、高アスペクト比の凹部ではその部分が閉塞してしまう場合がある。
【００２０】
他方、ＣＶＤ法では、低温での成長反応は等方的であり、高温での成長反応は非等方的であることが知られている。図３に、銅薄膜の成長速度Ｓを縦軸、基板温度Ｔ（Ｋ）の逆数（１０００／Ｔ）を横軸にとり、ＣＶＤ法における基板温度Ｔと銅薄膜の成長速度Ｓの関係を示す。低温における成長は反応律速であり、充満した原料ガスが表面に均一に吸着されて銅が生成するため、等方的な成長となる。高温における反応は、表面に飛来した原料ガスが表面に付着したところで銅が成長するため、付着しやすい位置の成長速度が速くなり、非等方的になる。
【００２１】
このような非等方的成長により形成されるオーバーハング等の問題は、アルミニウムスパッタ薄膜の場合では、４００℃〜４５０℃という低温での熱処理を行うことにより、アルミニウム薄膜を流動化させ、薄膜内部に形成された空洞をアルミニウム材料で充填することで解決されている（リフロー技術）。
【００２２】
ところが、スパッタリング法によって形成された銅薄膜の場合には、加熱によるアニール処理を行っても容易に流動化せず、リフロー技術を適用できない。
【００２３】
しかしながら本発明の発明者等は、ＣＶＤ法により等方的（コンフォーマル）に成長した銅薄膜を加熱した場合、６００℃以下の低温で容易に流動化することを見出した。このような流動化を生じさせれば、アルミニウム薄膜の場合と同様、銅薄膜内の空洞も銅材料で充填し、ボイドのない銅配線を形成できると期待された。
【００２４】
そこで、凹部を有する絶縁膜表面に従来のＣＶＤ法によって銅薄膜を形成し、次いでアニール処理（熱処理）を行ったが、銅薄膜内部にあった空洞は銅材料で充填されず、銅配線内にボイドが残った。
【００２５】
そのボイドが残った銅薄膜の断面ＳＥＭ写真（溝幅０．４μｍ、高さ１．０μｍ）を、熱処理前を図４（ａ）に、熱処理後を同図（ｂ）に示す。
【００２６】
ところで、ＣＶＤ法により凹部内に銅薄膜を等方的に成長させた場合には、理論的には凹部内は銅薄膜で充填されるはずである。実際の銅薄膜の場合に空洞が生じる原因は、ＣＶＤ法により形成した銅薄膜の表面が滑らかでなく、凹部側面に形成された銅薄膜同士が、その表面の突起部分で互いに接触してしまうためであり、その部分で銅薄膜が閉塞すると空洞が形成されてしまう（同図（ａ）のＳＥＭ写真）。
【００２７】
そのような銅薄膜を熱処理（アニール処理）によって流動化させても、基板表面の同薄膜は平坦化するものの、一旦銅薄膜内に形成された空洞は、小さなものが集まって大きくはなるが、消滅しない場合がある（同図（ｂ）のＳＥＭ写真）。従って、銅薄膜の場合、単に流動化させるだけではボイドのない銅配線を形成するためには不十分であり、上述の本発明の構成のように、基板上に形成された絶縁膜表面の凹部内で銅薄膜を等方的に成長させる際、凹部側面に形成された銅薄膜が互いに接触する前に成長を停止させ、凹部内の銅薄膜が空洞を形成しないようにして、熱処理（アニール処理）を行う必要がある。
【００２８】
この場合、凹部の上端は開放されており、加熱により流動化した凹部周囲の銅薄膜が凹部内に流れ込むので凹部内が銅材料で充填され、ボイドのない銅配線を形成することが可能となる。
【００２９】
このような本発明方法により形成した銅薄膜のアニール処理前の断面ＳＥＭ写真を図５（ａ）に、アニール処理後の断面ＳＥＭ写真を同図（ｂ）に示す。このＳＥＭ写真の銅薄膜は、ＣＶＤ法によって基板温度１７０℃で成長させ、凹部側面の銅薄膜が接触する前に成長を停止させ、４００℃でアニール処理を行ったものである。図５（ａ）、（ｂ）のＳＥＭ写真から観察される通り、本発明によれば、凹部内をボイドのない銅材料で充填できることが分かる。
【００３０】
以上のように形成した銅薄膜は凹部外の絶縁膜上に残っているため、ＣＭＰ法やその他のエッチング法、研磨法を用い、絶縁膜上の銅薄膜を除去すると、凹部内にだけ銅材料が残り、銅配線を形成することができる。なお、銅は拡散しやすいため、予め基板上に拡散防止膜を形成し、その後ＣＶＤ法によって銅薄膜を形成するとよい。
【００３１】
次に、図６（ａ）、（ｂ）に、幅０．４〜０．７μｍ、高さ１．０μｍの細溝を凹部とし、本発明方法を用いて形成した銅薄膜の断面ＳＥＭ写真を示す。同図（ａ）は熱処理前であり、幅０．４μｍの溝の側面に形成された銅薄膜が互いに接触する前に成長を停止させた場合の０．４〜０．７μｍの溝の状態が示されている。同図（ｂ）はその状態から熱処理を行った後の断面ＳＥＭ写真である。この図６（ａ）、（ｂ）の凹部概略形状と寸法を、図７（ａ）、（ｂ）にそれぞれ対応させて示す。
【００３２】
細溝の幅が広くなると銅薄膜の成長不足が観察される。従って、小電流を流す細い銅配線の他、大電流を流す銅配線も必要な場合には、小電流を流す銅配線を形成するための細溝を複数本並列にし、電流を分散させるようにすればよい。例えば、最も幅が狭い細溝が幅０．４μｍである場合に、その細溝に形成される銅配線に流す電流の倍の電流を流す銅配線が必要なときには、０．４μｍの細溝を２本形成し、幅０．４μｍの銅配線を２本並列に用いるようにすればよい。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の銅配線製造方法の一例の工程図であり、図１（ａ）の符号８は配線対象物を示している。
【００３４】
この配線対象物８は、シリコン単結晶から成る基板１０と、その基板１０表面に形成された膜厚１．０μｍのシリコン酸化膜から成る絶縁膜１２とを有しており、絶縁膜１２表面には、幅０．３５〜０．７μｍの細溝形状の凹部が、底部に基板１０表面が露出しないようにして設けられている。符号１３１で幅０．４μｍの細溝形状の凹部を、符号１３２で幅０．６μｍの細溝形状の凹部を示す。
【００３５】
先ず、その配線対象物８をスパッタリング装置（図示せず）内に搬入し、ＴｉＮターゲットをスパッタリングし、絶縁膜１２表面に膜厚７００Åの窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜から成る拡散防止膜１４を形成した（同図（ｂ））。その拡散防止膜１４は、凹部１３１、１３２の側面にも形成されている。
次いで、拡散防止膜１４が形成された配線対象物８を、図２の符号５２で示す銅薄膜製造装置の搬出入室６１内に納めた。
【００３６】
この銅薄膜製造装置５２は、搬送室６０を中心として、その周囲に搬出入室６１と、ＣＶＤ室６２と、アニーリング室６３とが配置されて構成されており、搬出入室６１内に配線対象物８を納めた後、真空状態にし、搬送室６０内に配置された搬送ロボット７１のアーム７２上に乗せてＣＶＤ室６２内へ搬送した。
【００３７】
ＣＶＤ室６２内に、銅・ヘキサフルオロアセチルアセトン・ビニルトリメチルシラン（Ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ  Ｃｕ（Ｉ）  ｖｉｎｙｌｔｒｉｍｅｔｙｌｓｉｌａｎｅ）（［Ｃｕ（ｈｆａｃ）（ｖｔｍｓ）］と略す）を主成分とする原料ガスを導入し、基板温度１７０℃、成膜圧力１．０Ｔｏｒｒ、水素キャリア流量６００ｓｃｃｍ、原料ガス［Ｃｕ（ｈｆａｃ）（ｖｔｍｓ）］供給量０．５ｇ／分の成膜条件によってＣＶＤ法による銅の成長を行い、銅薄膜１６を形成した。
【００３８】
その成膜条件によれば、銅は等方的に成長するので、５分間の成長により、凹部１３１、１３２内部表面や絶縁膜１２表面に膜厚約１０００Åの均一な膜厚の銅薄膜１６が形成された。
【００３９】
一般に、溝幅をＷ、膜厚をＤとした場合、膜厚Ｄが次式、
Ｄ  ＜  Ｗ／２
を満たせば、溝内部の側面に形成された銅薄膜は互いに接触しないが、ＣＶＤ法により形成した銅薄膜表面は凹凸があるため、銅薄膜同士が確実に接触しないようにするためには、Ｗ／２よりも小さめにし、凸部同士が接触しないようにしておく必要がある。
【００４０】
上記ＣＶＤ条件により成長した銅薄膜１６の膜厚は１０００Åであり溝幅は０．４μｍであるから、銅薄膜１６は上式を満たしており、銅薄膜その突起も含めて表面同士は接触していなかった。
【００４１】
次いで、銅薄膜１６が形成された配線対象物８をアーム７２によってＣＶＤ室６２からアニーリング室６３に搬送し、そのアニーリング室６３内を水素雰囲気にして基板温度４００℃でアニール処理（熱処理）を１０分間行った。
【００４２】
そのアニール処理によって銅薄膜１６は流動化し、凹部１３１、１３２内は銅配線１６を構成する銅材料で充填された（同図（ｄ））。その表面をＣＭＰ法等の方法で研磨したところ、凹部１３１、１３２内に、ボイドの無い銅配線が得られた。
【００４３】
以上は絶縁膜中に形成した凹部１３１、１３２が細溝形状の場合について説明したが、凹部の形状はそれに限定されるものではない。また、凹部１３１、１３２底面の拡散防止膜１４下には絶縁膜１２があり、拡散防止膜１４と基板１０表面とは接触していなかったが、基板表面が露出するコンタクトホールや、下層の金属配線の表面が露出するビアホールに対しても、必要に応じて拡散防止膜を形成した後、本発明方法を適用して銅配線を形成することができる。
【００４４】
その拡散防止膜は、上記実施例ではＴｉＮ薄膜を用いたが、本発明に用いることができる拡散防止膜はそれに限定されるものではない。拡散防止膜としては、絶縁膜や酸化膜中への銅の拡散を防止できる薄膜で、例えば、ＴｉＷ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ等の高融点金属や、それら高融点金属の化合物を用いることができる。それらの単層膜で拡散防止膜を構成してもよく、多層膜を形成して拡散防止膜を構成してもよい。拡散防止膜の形成は、スパッタリング法に限定されず、ＣＶＤ法等の種々の薄膜形成方法を用いることができる。
【００４５】
また、本発明に言う絶縁膜はシリコン酸化膜に限定されるものではなく、窒化シリコン膜等各種の絶縁性の薄膜が含まれる。基板についてもシリコン基板に限定されるものではない。銅薄膜や銅材料については、銅を主成分とする金属薄膜や金属材料を広く含む。例えば、ＣＶＤ法によって銅薄膜を成長させる際、他の金属を含有するガスを添加し、特性を改善させた銅薄膜や、その銅薄膜の流動化によって凹部内に充填された銅材料も含まれる。
【００４６】
そのような銅薄膜を形成するＣＶＤ法については、基板温度を１７０℃にする場合に限定されるものではないが、本実施例に用いた銅薄膜の原料ガスでは、高温になると成膜反応が供給律速状態となり、等方的な銅薄膜の成長を行えなくなるので、１８０℃以下の基板温度でＣＶＤ法を行うことが望ましい。
【００４７】
銅薄膜のアニール処理の温度については、上述した４００℃に限定されるものではない。高温で行った場合、アニール処理を短時間で終了させることができるので、コスト面からは望ましいが、絶縁膜や基板中に銅が拡散しない温度で行う必要がある。拡散防止膜としてＴｉＮを用いた場合、６００℃を超える温度になるとバリア性が低下してしまうので、その温度以下にする必要がある。但し、ＴｉＮ膜等の拡散防止膜は、膜質によっては６００℃以下の温度でバリア性が低下してしまう場合もあるため、アニール処理の温度範囲としては３００℃以上４５０℃以下が実用的である。
【００４８】
そのようなアニール処理を行う際の雰囲気については、必ずしも水素ガス雰囲気に限定されるものではない。例えば真空中で加熱するだけでも銅薄膜を流動化させることができる。
【００４９】
なお、上記実施例では、ＣＭＰ法による表面研磨を行う場合について説明したが、凹部内の銅材料を残して絶縁膜表面の銅薄膜を除去できる研磨法、エッチング法を広く用いることができる。
【００５０】
【発明の効果】
高アスペクト比の凹部内を銅材料で充填できる。
銅配線の中にボイドがなくなるので、信頼性の高い銅配線を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例の製造工程を説明するための図
【図２】その製造工程に用いることができる銅薄膜製造装置の一例
【図３】銅薄膜の成長温度と成長速度の関係を説明するための図
【図４】（ａ）：幅０．４μｍ、高さ１．０μｍの溝に対して従来技術により形成した銅薄膜の断面ＳＥＭ写真
（ｂ）：その銅薄膜のアニール処理後の断面ＳＥＭ写真
【図５】（ａ）：幅０．４μｍ、高さ１．０μｍの溝に対して本発明方法を適用した場合の、銅薄膜のアニール処理前の状態を示す断面ＳＥＭ写真
（ｂ）：そのアニール処理後の断面ＳＥＭ写真
【図６】（ａ）：幅０．４〜０．７μｍ、高さ１．０μｍの溝に本発明方法を適用した場合の銅薄膜のアニール処理前の断面ＳＥＭ写真
（ｂ）：そのアニール処理後の断面ＳＥＭ写真
【図７】（ａ）：図６（ａ）の溝幅を説明するための図
（ｂ）：図６（ｂ）の溝幅を説明するための図
【図８】（ａ）〜（ｅ）：従来技術の銅配線製造方法の工程を説明するための図
【符号の説明】
１０……基板    １２……絶縁膜    １３１、１３２……凹部
１４……拡散防止膜    １６……銅薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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