(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
孔又は溝が形成された基板の絶縁膜の表面を物理蒸着法により配線膜材料で被覆した後、該配線膜材料の融点以下の温度でガス圧力を作用させ該配線膜材料を塑性流動又は拡散クリープさせることにより、被膜に残存する気孔を埋込んで消滅させる方法において、
前記配線膜材料として、Ｃｕを主成分にＳｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｐｄの１種又は２種以上の合金元素を含み前記合金元素の総添加量が５〜１０原子パーセントである銅合金を使用し、
前記基板の温度が２００〜４００℃で前記物理蒸着法による被覆を行った後、ガス圧力を作用させて埋込み処理を行う
ことを特徴とする銅系配線膜の加圧埋込方法。
【請求項２】
孔又は溝が形成された基板の絶縁膜の表面を物理蒸着法により配線膜材料で被覆した後、該配線膜材料の融点以下の温度でガス圧力を作用させ該配線膜材料を塑性流動又は拡散クリープさせることにより、被膜に残存する気孔を埋込んで消滅させる方法において、
前記配線膜材料として、Ｃｕを主成分にＳｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｐｄの１種又は２種以上の合金元素を含み前記合金元素の総添加量が５〜１０原子パーセントである銅合金を使用し、
前記物理蒸着法による被覆を、前記基板が室温で行う第１段成膜と前記基板の温度が２００〜４００℃で行う第２段成膜との少なくとも２段階で行った後、ガス圧力を作用させて埋込み処理を行う
ことを特徴とする銅系配線膜の加圧埋込方法。
【請求項３】
前記基板がＳｉ半導体ウェーハである
請求項１または請求項２に記載の銅系配線膜の加圧埋込方法。
【請求項４】
前記物理蒸着法が、スパッタリング法である
請求項１〜３のいずれかひとつに記載の銅系配線膜の加圧埋込方法。
【請求項５】
前記埋込み処理後の圧力温度操作において、圧力を１０ＭＰａ以下に下げた後温度を下げる
請求項１〜４のいずれかひとつに記載の銅系配線膜の加圧埋込方法。
【請求項６】
前記埋込み処理時の圧力媒体ガスに窒素を使用する
請求項１〜５のいずれかひとつに記載の銅系配線膜の加圧埋込方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＵＬＳＩに代表される半導体の製造工程における配線膜の形成に関するものであり、とくに湿式の成膜方法、化学蒸着法、または物理蒸着法により形成された配線材料被膜の下に不可避的に残存する気孔を埋めるとともに密着性を改善して、健全な銅系の配線被膜を形成する方法に関するものである。より、具体的には、これらの成膜方法により形成された被膜を持つ半導体基板を、高温下で高圧のガス圧力を作用させて上記の気孔を圧潰して気孔を除去して低電気抵抗で密着性に優れた配線膜を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特許第２６６００４０号（登録：平成９年６月６日）の特許公報には、「スパッタリング法、ＣＶＤ法、真空蒸着法等の真空被膜形成法により、凹状部を有する基板上に金属薄膜を形成する工程と、基板上に形成された金属薄膜全体を加熱して流動化させる工程と、流動化した金属薄膜の金属を気体で加圧して、凹状部内に金属薄膜の金属を凹状部内で空洞の発生しないように埋め込む工程とを含むことを特徴とする真空成膜方法」が開示されている。
【０００３】
また、特開平７−１９３０６３号公報には、「物品の処理方法であって、該物品は表面を有し、該表面は表面内に少なくとも一つの凹部を有する物品の処理方法において、該表面の少なくとも一部の上に層を形成することを含み、該層は該凹部の上方を延びており、更に、該物品および該層を、該層の一部が該凹部を埋めるように変形せしめられるのに十分な高い圧力および高い温度にさらすことを含む、物品の処理方法」が開示されている。
本公知資料には、該物品が半導体ウェーハで、該凹部が半導体ウェーハに形成された穴、溝およびヴィア等で、該層がアルミ等の金属からなることが記載されている。また、該層がアルミニウムの場合には温度として３５０〜６５０℃、圧力３０００ｐｓｉ以上で加圧にはガスも使用できること、穴あるいは溝の上に形成される層の厚さは少なくとも穴の幅と等しい厚さが必要なことが、それぞれ開示されている。さらに、半導体ウェーハ自体は複数個の特性の異なった層を含み、これを形成するために複数の段階を含む製造プロセスの結果として得られることが記載されている。
【０００４】
このように、これらの公知技術には、主として半導体の配線膜の導電性改善のために前記の穴や溝に形成された空隙を埋める方法として、高温下で高い圧力にさらすことが効果的であることが示されている。しかし、これら公知の資料に示されたＡｌ配線膜は、配線材料として、今後のＵＬＳＩの微細化に伴なって要求されている、対ＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）性や、低電気抵抗化の点で限界に来ており、これらの点でＡｌに勝るとされているＣｕに期待が寄せられている。
【０００５】
本発明者らは、これら公知技術を銅系の配線膜に適用して実験等により検討した結果、このような効果は確認されたものの、工業生産に用いるにはさらに幾つかの問題点があることを見出した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
まず第１に、加圧埋込処理により穴や溝部に気孔のない組織を形成するには、成膜時点で成膜材料がこれらの穴や溝を完全に覆った状態にしておくことが重要である。成膜方法としては、スパッタリング法に代表されるＰＶＤ法のほかに、ＣＶＤ法や電気メッキ法が適用可能であるが、ＣＶＤ法では非常に微細な穴まで充填が可能であるものの、原料となるガスが限定されかつ非常に高価であるという工業的な利用という点で決定的な欠点を持っている。また、電気メッキ状では電解液の使用に起因する膜内への電解液の混入や水素の巻込み現象が回避できず、これらを除去して組織を安定化させるために熱処理が必須であるほか、廃液としての電解液の処理が工業化の点で重要な課題となり、既設の工場でなく、全く新たな専用工場から建てなければならない、という問題を抱えている。
【０００７】
ＰＶＤ法、とくにスパッタリング法は実際にＡｌ配線膜の製造方法を広く用いられており、これが銅系の配線膜に適用できれば、これまでの設備の利用が可能であることを含めて、プロセスの大幅な変更をすることなく、実現できて、最も好ましいと言える。
このスパッタリング法は、配線膜材料をターゲットとしたカソードにＡｒイオンを衝突させて配線膜材料を飛出させて対象部材の表面にデポジットさせる方法で、ターゲットと対象物との距離やＡｒイオンのもつエネルギーにより付着の状態を制御することが可能である。ただ、材料によって配線膜粒子の飛出す方向や分布（指向性）も変化することなどがあって、成膜の条件の設定は非常に重要である。また、成膜された膜の性質には対象物の温度も大きな影響を与える。
【０００８】
本発明者らは、Ａｌ配線膜の形成でしばしば用いられているスパッタリング技術としてのロングスロースパッタリング（ターゲットと対象物の距離を３５０〜４００ｍｍまで大きくする）等を用いて実験を行った結果、前記の加圧埋込を前提とした穴や溝を完全に覆った状態の膜を形成するには、条件の最適化が重要であることを見出した。
また、銅系配線膜として純銅（純度９９．９９％以上）を形成すると、穴の径が０．５μｍ以下のように小さい場合には、加圧埋込処理の条件として４５０℃の温度でも１００ＭＰａ以上の圧力が必要であり、加圧埋込処理時における温度を低く抑える方法を勘案して絶縁膜層の変質や成膜された配線膜の電気特性を確保することが重要であること、とくに、２００ＭＰａ以上もの高圧力で力によって気孔を埋め込むと、配線膜の下地として形成されたＴｉＮやＴａＮバリア膜が、穴中に無理矢理押込まれる銅系の配線膜材料の侵入時に剥がれてしまう問題などが見出された。
【０００９】
本発明は以上述べた従来技術の問題点（課題）を解消した銅系配線膜の加圧埋込方法を提供することが目的である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、孔又は溝が形成された基板の絶縁膜の表面を物理蒸着法により配線膜材料で被覆した後、該配線膜材料の融点以下の温度でガス圧力を作用させ該配線膜材料を塑性流動又は拡散クリープさせることにより、被膜に残存する気孔を埋込んで消滅させる銅系配線膜の加圧埋込方法において、前述の目的を達成するために、次の技術的手段を講じている。
すなわち、本発明では、前記配線膜材料として、Ｃｕを主成分にＳｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｐｄの１種又は２種以上の合金元素を含み前記合金元素の総添加量が５〜１０原子パーセントである銅合金を使用し、前記基板の温度が２００〜４００℃で前記物理蒸着法による被覆を行った後、ガス圧力を作用させて埋込み処理を行うことを特徴とするものである。
【００１１】
また、他の本発明にかかる銅系配線膜の加圧埋込方法は、前記配線膜材料として、Ｃｕを主成分にＳｉ，Ｔｉ，Ｓｂ，Ｓｎ，Ｐｄの１種又は２種以上の合金元素を含み前記合金元素の総添加量が５〜１０原子パーセントである銅合金を使用し、前記物理蒸着法による被覆を、前記基板が室温で行う第１段成膜と前記基板の温度が２００〜４００℃で行う第２段成膜との少なくとも２段階で行った後、ガス圧力を作用させて埋込み処理を行うことを特徴とするものである。
前述において、基板はＳｉ半導体ウェーハであることが望ましく、また、物理蒸着法は、スパッタリング法が望ましく、更に、前記埋込み処理後の圧力温度操作において、圧力を１０ＭＰａ以下に下げた後温度を下げることが望ましく、また、前記埋込み処理時の圧力媒体ガスに窒素を使用することが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を表１および表２を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
【表１】
0003939426.tif 000002
【００１４】
【表２】
0003939426.tif 000003
【００１５】
表１および表２は、配線膜材料にＣｕもしくはＣｕ系の合金を用いて、直径２００ｍｍのＳｉウェーハ上に形成されたコンタクトホール（孔、穴）もしくはコンタクトホールが底部に形成された配線溝にスパッタリング法により配線膜を形成した後、高圧ガス圧力を利用した加圧埋込処理を行うことにより配線膜を製造する実験を行った結果を示したものである。
表１中Ａ．Ｒ．（Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ）はコンタクトホールの深さと穴径の比を示す。また、表２で埋込結果の欄に示した記号は、◎がコンタクトホールが完全に配線膜材料で埋め込まれて気孔が残存していなかったことを、×は気孔が残存していたことを、また、△は気孔は残存していないが、下地のＴｉＮ層が剥離したなど完全ではないことを示す。
【００１６】
成膜にはスパッタリング装置を用い、ターゲットと基板との距離は、３８ｍｍ、８０ｍｍ、３８０ｍｍの３種類を用いた。配線膜材料としては、高純度の純銅（膜で９９．９９％）、Ｃｕ−Ｓｉ合金系、Ｃｕ−Ｔｉ合金系、Ｃｕ−Ｓｎ合金系、Ｃｕ−Ｓｉ−Ｔｉ合金系を選択した。加圧埋込処理時のガスには、この種の処理で用いられているアルゴンおよび窒素（実施例１０）を用いた。装置には、最高圧力２００ＭＰａ、最高処理温度２０００℃のＨＩＰ装置を用いた。
実施例１および比較例１−Ａ〜比較例１−Ｃは、直径０．２５μｍ、ＡＲ＝３，４のコンタクトホールの形成されたＳｉウェーハ（基板）にＴｉＮバリア層を５〜１０ｎｍのオーダで付与した後、純銅配線膜をスパッタリング法により厚さ約１．２μｍで形成して、処理を行ったものである。圧力は実施例１では１２０ＭＰａ、比較例では１５０ＭＰａとした。実施例１と比較例１−Ａ、比較例１−Ｂでは、スパッタリング時の基板の温度を変化させた点（実施例１では３００℃、比較例１−Ａでは室温（Ｒ．Ｔ）、比較例１−Ｂでは１９０℃）が大きな違いである。実施例１と比較例１−Ｃでは、加圧埋込処理時後の減圧と降温の操作に違いがある（表２中の備考参照）。
【００１７】
実施例１の結果から判るように、スパッタリング時の基板温度を３００℃程度の高温として、基本的な操作方法により、完全埋込みが達成されると同時に製造された配線膜の体積固有抵抗値も純銅の１．５５〜１．６μΩｃｍにほぼ近い約１．７μΩｃｍが得られる。このコンタクトホールの中に埋め込まれた配線膜材料の結晶学的なモーフォロジは極めて特徴的で、Ａｌ合金の場所のように穴の中央部に結晶粒界が観察されず、上部の膜部分と同一の結晶粒からなるほぼ単結晶となっている。このため、多結晶の場合と異なり、結晶粒界により電子の散乱に伴う電気抵抗の発生がないため、低抵抗化にも寄与しているものと推定される。
【００１８】
一方、比較例１−Ａおよび比較例１−Ｂに示すようにスパッタリング時の温度を２００℃より低い温度や室温（ＲＴ）にすると、実施例１よりも高い圧力で加圧埋込操作を行ってもコンタクトホール中の気孔を埋め込むことは困難であった。
また、比較例１−Ｃは加圧埋込処理、すなわち４５０℃、１５０ＭＰａで５分の処理を行った後の降温と圧力の減圧の仕方を実施例１のように圧力を下げてから温度を下げるという順序ではなく、温度を先にさげてから圧力を抜いたものでは、気孔は完全に埋まっているものの、下地のバリア層の局部的な剥れが観察されると同時に、穴の内部の配線膜材料部には双晶が発生しており、特有の縞模様が観察された。これは、気孔内部の銅が減圧時に体積膨張して応力が発生したためと推定される。バリア層の剥離も同様の原因によるものと推定される。
【００１９】
実施例２、比較例２−Ａおよび比較例２−Ｂは、実施例１よりもアスペクトレイショ（ＡＲ）が大きな、すなわち、孔の奥まで埋め込むことが難しい形状（ＡＲ６である）のコンタクトホールを対象部材とした実験結果を示している。
実施例２では、加圧埋込後、圧力を１５０ＭＰａから１０ＭＰａに降圧後に温度４５０℃からの降温を開始したもので実施例１と同様な結果を得た。
一方、処理時の温度を室温とした比較例２−Ａ、２−Ｂでは埋め込み処理時の保持時間を長く（３０分）にしても、また、圧力を２００ＭＰａまで上げても完全な埋込を行うことは困難であった。
【００２０】
実施例３は、いわゆるデュアルダマシンといわれる構造の配線形成手法によるコンタクトホールと配線溝の製造を行ったものである。この構造を図１に模式的に示す。溝の底面に形成されたコンタクトホールの穴径は０．２５μｍで穴部の深さは０．７μｍである。この場合、スパッタリングは２回行い、１回目のスパッタリングは室温で、ターゲットと基板の距離を若干大きくして（ターゲット距離８０ｍｍ）孔の奥への配線膜材料の着きまわりを良くするように配慮し、２回目のスパッタリングはターゲット距離３８ｍｍに小さくし孔と同時に溝全体を覆うように高温（３００℃）で行った。実施例１の場合と同様、このような複雑な構造であっても完全な埋込が可能で電気抵抗的にも良い配線膜が得られることが実証された。比較例３は２回のスパッタリングを両方とも室温で行ったものである。比較例１−Ａと同様、埋込はほとんどできない状況であった。
【００２１】
以上の実験から、スパッタリングの条件により埋め込みができない最大の原因が、スパッタリング後の孔や溝の上が配線膜材料によって完全に覆われているか、否かによっていることが判明した。すなわち、室温でスパッタリングを行うと、純銅では融点が１０８３℃と結構高いことから、図２に示すように、ターゲットと基板の距離を小さくしても、飛んできて孔の外縁部に付着した銅粒子の温度がすぐに下がって硬くなるため、次に銅粒子が飛んできて衝突しても変形せず、孔の外縁に沿ってほとんど垂直にしか堆積せず、結果として孔や溝がそのまま残ってしまうためと推定される。基板温度を２００℃以上に上げることにより、付着した銅粒子に次の粒子が衝突した際には、面方向に押しつぶされるように変形を起こし、これが連続して生じるという現象が促進されて、容易に孔や溝を覆うように成膜されると考えられる。
【００２２】
以上の結果により、純銅による配線膜の製造が可能なことが実証されたが、実用化という観点では、実施例１〜３に示したような加圧埋込処理の圧力・温度はいずれも高すぎるといわざるを得ない。加圧埋込時の温度を下げる、あるいは圧力を下げるための方策としては、銅に合金元素を添加して、より低い温度で圧力による塑性変形流動あるいは拡散クリープ現象を発現するようにすることが考えられる。
実施例４〜１０はこのような観点から、少しの添加量で銅の融点を下げ、かつ電気抵抗に大きな影響を与えず、かつＳｉなど至近に存在する構成材料との反応等の問題を生じないような元素を添加したものである。表２の膜材質の欄に添加元素と量（原子％）を示した。実施例４〜１０および比較例４〜７から明らかなように、このような銅合金を採用することにより加圧埋込時の温度および圧力を低下できることが明らかである。一方、このように合金化してもスパッタリング時の温度を室温としたままでは、やはり埋込が不可能なことも実証された。合金元素の添加量は、多ければ多いほど融点を下げることが可能であるが、それと同時に形成された膜の電気抵抗の増大も顕著となる。Ａｌ合金膜とほぼ同等（３〜３．５μΩｃｍ）以下を目安とすれば、最大添加量は１０原子％程度である。添加する合金元素としては、表１に示したＳｉ，Ｔｉ，Ｓｎのほか、Ｓｂ，Ｐｄ等が上げられ、また、これら元素を１種又は２種類以上添加することも本発明の範囲に含まれる。
【００２３】
なお、スパッタリングを２回とする場合、実施例９、１０に示すように１回目は純銅とし、２回目以降を前述した合金元素を添加したものとするとともにターゲット距離を表１で示すように変化させ、しかも１回目（１段目）は基板温度が低温（１００℃であるが室温近傍を含む意である）で行い、２回目（２段目）は高温（３００℃を示している）で行うことも推奨され、このような構成とすることにより、電気抵抗値を低くすることも可能である。
また、加圧埋込処理を行う場合、圧力媒体として通常はアルゴンガスが用いられるが、処理コストを低減するためには、より安価な窒素ガスを用いることも推奨される。この場合、高圧の窒素は材料によっては窒化される可能性があるので、処理物はもちろん、加圧埋込処理に用いる装置の高温部構成部材の選定にも配慮することが推奨される。
【００２４】
更に、加圧するとき、配線膜材料の再結晶温度以上でかつ融点以下の温度で行うことも推奨される。
また、実施例１１で示すように、基板温度の上限は４００℃であっても良いが望ましくは２００〜３００℃程度が有利であり、基板としてはＳｉ半導体ウェーハが推奨されるが、該基板としてはＧａ等であっても良いし、また、物理蒸着法による成膜を複数段で行うときは、前段に対して後段の温度を高くして行う限りにおいてその回数は３段以上であっても良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明により、今後、ますます微細化と多層化が進むＵＬＳＩ半導体の製造において大きな課題となりつつある配線膜の低電気抵抗化、対ＥＭ性の改善の観点から注目されている銅系合金配線膜の製造を、従来から用いられているスパッタリング技術とガス圧による加圧埋込技術の組合せで実現できることとなり、加圧埋込処理が本来持っている歩留まり改善効果を享受できるようになった。さらに、Ａｌ配線膜用に設置された既存のスパッタリング設備をそのまま用いて銅配線膜のＵＬＳＩを製造できることとなり、多大な設備投資が不要となるほか、処理コストの観点から、工業生産への利用が非常に容易となる。このように、本発明は、ＵＬＳＩ業界の今後の発展に寄与するところは非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  デュアルダマシン構造の配線形成手法を示す斜視図である。
【図２】  埋込状況不調を示す断面図である。
【図１】
0003939426.tif 000004
【図２】
0003939426.tif 000005