(57)【要約】【課題】微細なトレンチまたはホールにも確実にＣｕを埋め込むことができるＣｕ配線の形成方法を提供すること。【解決手段】シリコン基板１上に形成されたトレンチ３を有するＬｏｗ−ｋ膜２にバリア層４を介してＣｕ配線を形成するにあたり、バリア層４の上にＣＶＤによりＣｕが濡れる金属材料で構成された被濡れ層５を形成し、被濡れ層５の上にＰＶＤによりＣｕ層６を形成し、Ｃｕ層６を形成した後、シリコン基板１を加熱してＣｕ層６を流動させ、トレンチ３内にＣｕを流し込む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたトレンチまたはホールを有する所定の層にバリア層を介してＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、
前記バリア層の上にＣＶＤによりＣｕが濡れる金属材料で構成された被濡れ層を形成する工程と、
前記被濡れ層の上にＰＶＤによりＣｕ層を形成する工程と、
Ｃｕ層を形成した後、基板を加熱してＣｕ層を流動させ、トレンチまたはホール内にＣｕを流し込む工程と
を有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法。
【請求項２】
前記Ｃｕ層の厚さは、５〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項３】
基板上に形成されたトレンチまたはホールを有する所定の層にバリア層を介してＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、
前記バリア層の上にＣＶＤによりＣｕが濡れる金属材料で構成された被濡れ層を形成する工程と、
前記被濡れ層の上にＰＶＤによりＣｕ層を形成する工程と、
Ｃｕ層を形成した後、基板を加熱してＣｕ層を流動させ、トレンチまたはホール内の途中までＣｕを流し込む工程と、
その後、Ｃｕめっき層を形成し、トレンチまたはホールを完全に埋める工程と
を有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法。
【請求項４】
前記Ｃｕ層の厚さは、５〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項３に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項５】
前記被濡れ層は、Ｒｕで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項６】
前記基板を加熱する際の温度は、２５０〜３５０℃であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のＣｕ配線の形成方法。
【請求項７】
前記被濡れ層の厚さは、１〜５ｎｍであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のＣｕ配線の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体ウエハ等の基板に形成されたトレンチまたはホールを有する低誘電率層間絶縁膜等の所定の層にバリア層を介してＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、半導体デバイスの高速化、配線パターンの微細化、高集積化の要求に対応して、配線間の容量の低下ならびに配線の導電性向上およびエレクトロマイグレーション耐性の向上が求められており、それに対応した技術として、配線材料にアルミニウム（Ａｌ）やタングステン（Ｗ）よりも導電性が高くかつエレクトロマイグレーション耐性に優れている銅（Ｃｕ）を用い、層間絶縁膜として低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を用いたＣｕ多層配線技術が注目されている。
【０００３】
この際のＣｕ配線の形成方法としては、トレンチやホールが形成されたＬｏｗ−ｋ膜にＴａ、ＴａＮ、Ｔｉなどからなるバリア層をスパッタリングに代表される物理蒸着法（ＰＶＤ）で形成し、その上に同じくＰＶＤによりＣｕシード層を形成し、さらにその上にＣｕめっきを施す技術が知られている（例えば特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、半導体デバイスのデザインルールが益々微細化しており、今後の３２ｎｍノード以降においては、上記特許文献１に開示された技術では、ステップカバレッジが本質的に低いＰＶＤでＣｕシード層をトレンチやホール内に形成することが困難となり、したがって、ホール内にめっきを形成することも困難となることが予想される。
【０００５】
また、めっきプロセスにおいては微細配線を埋め込むにあたり、添加剤を必要とし、その管理には多大なコストがかかり、コストアップの要因となっている。さらに配線にその添加剤が残留し配線抵抗の上昇の要因ともなっている。
【特許文献１】特開平１１−３４０２２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、微細なトレンチまたはホールにも確実にＣｕを埋め込むことができるＣｕ配線の形成方法を提供することを目的とする。
また、めっきを用いることなく、またはめっきの使用を極力少なくして、Ｃｕ配線を形成することができるＣｕ配線の形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、基板上に形成されたトレンチまたはホールを有する所定の層にバリア層を介してＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、前記バリア層の上にＣＶＤによりＣｕが濡れる金属材料で構成された被濡れ層を形成する工程と、前記被濡れ層の上にＰＶＤによりＣｕ層を形成する工程と、Ｃｕ層を形成した後、基板を加熱してＣｕ層を流動させ、トレンチまたはホール内にＣｕを流し込む工程とを有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法を提供する。
【０００８】
この場合に、前記Ｃｕ層の厚さは、５〜５０ｎｍであることが好ましい。
【０００９】
本発明の第２の観点では、基板上に形成されたトレンチまたはホールを有する所定の層にバリア層を介してＣｕ配線を形成するＣｕ配線の形成方法であって、前記バリア層の上にＣＶＤによりＣｕが濡れる金属材料で構成された被濡れ層を形成する工程と、前記被濡れ層の上にＰＶＤによりＣｕ層を形成する工程と、Ｃｕ層を形成した後、基板を加熱してＣｕ層を流動させ、トレンチまたはホール内の途中までＣｕを流し込む工程と、その後、Ｃｕめっき層を形成し、トレンチまたはホールを完全に埋める工程とを有することを特徴とするＣｕ配線の形成方法を提供する。
【００１０】
この場合に、前記Ｃｕ層の厚さは、５〜３０ｎｍであることが好ましい。
【００１１】
上記第１、第２の観点において、前記被濡れ層は、Ｒｕで構成されていることが好ましい。また、前記基板を加熱する際の温度は、２５０〜３５０℃であることが好ましい。さらに、前記被濡れ層の厚さは、１〜５ｎｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バリア層の上に、ＰＶＤによるＣｕ層の形成に先立って、ステップカバレッジの良好なＣＶＤによりＣｕが濡れる金属材料で構成された被濡れ層を形成するので、微細なトレンチまたはホールにも容易に形成することができ、しかも、被濡れ層の上にＰＶＤによりＣｕ層を形成した際にＣｕ層が微細トレンチまたはホール内に入り込まなくても、その後の加熱によりトレンチやホールの周囲のＣｕ層が被濡れ層に沿ってトレンチまたはホール内に流れ込み、トレンチまたはホール内に確実にＣｕを充填させることができる。このように、純度の高いＰＶＤによるＣｕ層をトレンチまたはホール内に流動させてＣｕを充填するので、Ｃｕめっきは必須ではなく、また、Ｃｕめっきを用いたとしても補助的なものでよいため、めっきの添加剤等の問題を解消ないしは軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図１は本発明に係るＣｕ配線の形成方法の一例を説明するためのフローチャート、図２はこれらの工程を示す工程断面図である。
【００１４】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１上にＬｏｗ−ｋ膜２を形成し、フォトリソグラフィによりトレンチ（またはホール）３を形成した後に全面にバリア層４を形成した構造を準備する（工程１）。ここで、バリア層４を構成する材料としては、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ等を挙げることができる。ＴａＮおよびＴａの積層膜であってもよい。
【００１５】
次に、図２（ｂ）に示すように、バリア層４の上に、ＣＶＤによりＣｕが濡れる金属材料で構成された被濡れ層５を形成する（工程２）。Ｃｕが濡れる金属材料とは、Ｃｕに対して親和性を有するものであり、格子定数がＣｕと近い金属が該当する。そのような点から、この被濡れ層５としては、Ｒｕが好ましい。ＲｕはＣｕに対する濡れ性が極めて高い材料であり、格子定数が２．３４オングストロームとＣｕの２．２３オングストロームに極めて近い。ＲｕのＣＶＤ成膜は、原料ガスとしてＲｕ３（ＣＯ）１２を用いて、圧力：１．３〜６６．５Ｐａ、温度：１５０〜２５０℃の条件で行うことができる。被濡れ層５を構成する金属材料として、他に、Ｉｒ、Ｃｏ等の貴金属系材料を好適に用いることができる。この被濡れ層５の厚さは１〜５ｎｍ程度であることが好ましい。また、この被濡れ層５は、Ｃｕとの親和性を確保する観点から高純度のものが好ましく、純度が９９％以上のものが好ましい。
【００１６】
次に、図２（ｃ）に示すように、被濡れ層５の上にスパッタリング等のＰＶＤによりＣｕ層６を形成する（工程３）。スパッタリングでＣｕ層６を形成する場合には、スパッタリング装置にＣｕターゲットを設置し、チャンバ内の圧力：０．６７〜１３．３Ｐａ、温度：−３０〜３０℃の条件で常法に従って行うことができる。ＰＶＤはステップカバレッジが悪いため、トレンチ（またはホール）３内には入り込みにくく、特に線幅、すなわちホール径またはトレンチ幅が３２ｎｍよりも小さい場合には、図示するように、ほとんどその中にＣｕが入り込まない。
【００１７】
このようにしてＣｕ層６を形成後、シリコン基板１を加熱してＣｕ層６を流動させ、図２（ｄ）に示すように、トレンチ（またはホール）３内にＣｕを流し込む（工程４）。この場合の加熱温度は２５０〜３５０℃の範囲が好ましい。２５０℃より低いとＣｕが流動し難く、３５０℃より高くなるとＣｕが凝集しやすくなり、かつ下地のＬｏｗ−ｋ膜２などに悪影響を及ぼすおそれがある。より流動性を良好にする観点からは２６０℃以上が好ましい。また、凝集等の不都合をなくす観点からは、３００℃以下がより好ましい。
【００１８】
このような加熱によるＣｕの流入によってトレンチ（またはホール）３を埋めるためには、トレンチ等の体積にもよるが、Ｃｕ層６の厚さは５〜５０ｎｍ程度が好ましい。
【００１９】
この加熱処理は、例えば、チャンバ内のステージにシリコン基板を載置し、チャンバ内に不活性ガス、例えばＡｒガスやＮ２ガスやＨ２ガスを導入しつつ排気し、チャンバ内を１３３３Ｐａ程度の高真空に維持し、ステージに埋設された抵抗ヒータによりシリコン基板を加熱することにより行われる。
【００２０】
この工程４について図３を参照しながら具体的に説明する。図２（ｃ）の状態でシリコン基板１を加熱すると（図３（ａ））、Ｃｕ層６は流動し、トレンチ（またはホール）３の周囲部分のＣｕ層のＣｕが被濡れ層５に沿って、ホール３内に流れて行く（図３（ｂ）。そして、流れ込んだＣｕが徐々にトレンチ（またはホール）３を埋め込んで行き、図３（ｃ）の状態を経て、図２（ｄ）に示すようにトレンチ（またはホール）３内を完全にＣｕで埋め込んで、Ｃｕ配線層を形成する。このようにＣｕ層６のＣｕをトレンチ（またはホール）３内に流し込んでＣｕ配線層を形成するため、Ｃｕ層６はトレンチ（またはホール）３を埋め込むのに十分な厚さに形成する必要がある。
【００２１】
このようにＣｕが凝集せずにトレンチ（またはホール）３内に流れるのは、被濡れ層５を構成する材料がＲｕ等のＣｕに対して濡れ性、つまり親和性の良好な金属であり、加熱されたＣｕが被濡れ層５に濡れた状態で流動するからである。
【００２２】
本実施形態では、Ｃｕが被濡れ層５に沿って流動してトレンチ（またはホール）３内の被濡れ層５の全面にＣｕが形成され、引き続きトレンチ（またはホール）３をＣｕが埋めて行くので、ボイド等の欠陥を生じさせることなくＣｕを埋め込むことができる。
【００２３】
また、被濡れ層５はステップカバレッジの良好なＣＶＤにより形成されるのでトレンチ（またはホール）３の内面全面に形成することができ、その上にＰＶＤによりＣｕ層６を形成した後、基板を加熱することによりＣｕが被濡れ層５に濡れた状態で被濡れ層５に沿ってホール３内に流動するので、極狭いホール内にもＣｕを埋め込むことができる。このため、従来のＰＶＤによるＣｕシード＋Ｃｕめっきでは困難であった線幅３２ｎｍよりも狭いＣｕ配線を高信頼性をもって形成することができる。また、Ｃｕ配線が極めて高純度のＰＶＤで形成されたもののみであり、Ｃｕめっきを使用しないため、Ｃｕ配線に添加剤が残留して配線抵抗が上昇するといったことが生じない。
【００２４】
以上は、トレンチ（またはホール）３内をすべてＰＶＤで形成したＣｕ層６を流動させて埋め込む場合について示したが、Ｃｕ層６を十分な厚さで形成することが困難である場合、またはＣｕを埋め込むべきトレンチ（またはホール）の体積が大きい場合等、全てＣｕ層６の流動でまかなうことが困難な場合もある。そのような場合には、図４に示すように、Ｃｕ層６を流動させてＣｕをホール３の途中まで埋め込み（図４（ａ））、その後、補助的にＣｕめっき層７を形成する（図４（ｂ））ことが好ましい。これにより、Ｃｕ層６のみでは十分にホールを埋め込めない場合でも、Ｃｕ配線を形成することができる。この場合のＣｕ層６の流動する前の厚さは、５〜３０ｎｍ程度が好ましい。
【００２５】
この場合に、Ｃｕめっきは補助的に用いるのみで、その量は少ないから、Ｃｕめっきの添加剤にともなう配線抵抗の増大といった不都合を最少限に抑制することができる。
【００２６】
なお、本発明を実施するにあたっては、被濡れ層の形成、Ｃｕ層の形成、その後の加熱処理を全く別個の装置を用いて行ってもよいし、クラスタータイプのマルチチャンバシステムを用いて真空を破らずにこれらの処理の一部または全部を連続して行ってもよい。また、バリア層を形成するチャンバをマルチチャンバシステムに含めてもよい。
【００２７】
次に、実際に本発明を実施した結果について説明する。
ここでは、まず、シリコン基板上に、厚さ２００ｎｍのＬｏｗ−ｋ膜（ＳｉＯＣ）を形成し、フォトリソグラフィによりＬｏｗ−ｋに、径がそれぞれ３０ｎｍ、６５ｎｍ、８５ｎｍのトレンチを形成し、その上に厚さ４ｎｍのＴｉバリア層をスパッタリングで形成した構造体を準備し、これらのバリア層の上に被濡れ層として厚さ２ｎｍのＲｕ膜を全面に形成し、さらにその上にスパッタリングによりＣｕ層を１０ｎｍの厚さで形成してサンプルを作製した。その後、これらサンプルをＡｒガス雰囲気中、２６０℃で加熱してＣｕ層をホール内に流動させた。その際の断面の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図５に示す。図５に示すように、いずれの幅のトレンチも２６０℃の加熱により、トレンチ内にＣｕが充填されている部分が見られる。したがって、本発明によりトレンチ内にＣｕを埋め込んでＣｕ配線を形成することが可能であることが見出された。
【００２８】
次いで、シリコン基板上に厚さ２００ｎｍのＬｏｗ−ｋ膜（ＳｉＯＣ）を形成し、Ｌｏｗ−ｋに、幅がそれぞれ３０ｎｍ、５０ｎｍ、７０ｎｍのトレンチを形成し、その上に厚さ４ｎｍのＴｉバリア層をスパッタリングで形成した構造体を準備し、これらのバリア層の上に被濡れ層として厚さ２ｎｍのＲｕ膜を全面に形成し、さらにその上にスパッタリングによりＣｕ層を１０ｎｍの厚さで形成してサンプルを作製した。その後、これらサンプルをＡｒガス雰囲気中にて、それぞれ１５０℃、２００℃、２６０℃、３００℃、３５０℃で加熱してＣｕ層をホール内に流動させた。その際の平面の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図６に示す。比較のため加熱前の成膜まま（ａｓ  ｄｅｐｏ）のサンプルについても同様に図６に示す。図６に示すように、加熱温度が２００℃までは、状態がａｓ  ｄｅｐｏと変わらず、Ｃｕの流れ込みが生じていないことが確認された。これに対して加熱温度が２６０℃以上でＣｕが流動してトレンチ内への流れ込みが生じているのがわかる。しかし、加熱温度３５０℃においては、トレンチ幅７０ｎｍのサンプルではＣｕが良好にトレンチ内に流れ込んでいるものの、トレンチ幅３０ｎｍおよび５０ｎｍではＣｕの凝集が生じていることがわかる。したがって、Ｃｕ層を形成した後の加熱は、２５０〜３５０℃が好ましい範囲であることが確認された。
【００２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、被エッチング層としてＬｏｗ−ｋ膜を用いた場合について示したが、これに限らず他の膜であってもよい。また、基板としてシリコン基板を用いた例について示したが、他の半導体基板であってもよいし、半導体基板以外の基板であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係るＣｕ配線の形成方法の一例を説明するためのフローチャート。
【図２】本発明に係るＣｕ配線の形成方法の一例を説明するための工程断面図。
【図３】加熱した際のＣｕの流動挙動を説明するための断面図。
【図４】加熱によりＣｕをトレンチ内に流動させた後Ｃｕめっきを施す場合の手順を示す工程断面図。
【図５】本発明の方法をトレンチ幅を変えて実際に行った場合のサンプルの断面状態を示す走査型顕微鏡写真。
【図６】本発明の方法をトレンチ幅および加熱の際の温度を変えて実際に行った場合のサンプルの平面状態を示す操作型顕微鏡写真。
【符号の説明】
【００３１】
１；シリコン基板
２；Ｌｏｗ−ｋ膜
３；トレンチ（またはホール）
４；バリア層
５；被濡れ層
６；Ｃｕ層
７；Ｃｕめっき層
【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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