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銅の成膜装置、銅の成膜方法、銅配線形成方法、銅配線 NEW

国内特許コード P170014602
整理番号 S2016-0471-N0
掲載日 2017年9月26日
出願番号 特願2016-035760
公開番号 特開2017-152628
出願日 平成28年2月26日(2016.2.26)
公開日 平成29年8月31日(2017.8.31)
発明者
  • 山内 智
出願人
  • 国立大学法人茨城大学
発明の名称 銅の成膜装置、銅の成膜方法、銅配線形成方法、銅配線 NEW
発明の概要 【課題】銅配線を用いた半導体装置を安価に得る。
【解決手段】
成膜チャンバ10の下側において基板100と対向する箇所には、坩堝(CuI蒸気発生手段)30が設けられている。坩堝30には原料加熱ヒータ(CuI蒸気発生手段)31及び熱電対32が装着されており、坩堝30の温度を測定し、その制御をすることができる。ここで、坩堝30内には、銅の成膜の原料となる粒子が充填されている。この粒子は、CuIで構成される。真空中で坩堝30を加熱することによって、CuI蒸気が生成され、基板100はこのCuI蒸気に曝される。基板100の温度Tsubを300℃程度とすることによって、絶縁体の上には何も堆積させず、導電性の金属材料の上においてのみCuを堆積させることができる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


近年、LSI(半導体集積回路)における配線の構造としては、複数の配線層が層間絶縁層を介して積層された多層配線構造が広く用いられている。ここでは、特に配線の低抵抗化が要求されるため、配線層を構成する材料として、電気抵抗率の低い銅が用いられている。銅配線を形成する方法としては、一般的に、銅自身のドライエッチングを行わないダマシン法が用いられている。図7は、ダマシン法によって銅の多層配線を形成する場合の工程について示す。ここで、この多層配線においては、下側の第1配線層と上側の第2配線層とがビアで接続されているものとする。第1配線層、ビア、第2配線層とそれぞれ主に銅から構成された銅配線であり、これらが各々所望の形状とされて接続されるように形成される。



図7(a)に示されるように、ここでは、半導体(Si)で構成されたウェハ上において、SiO等で構成された層間絶縁層(絶縁層)70中に、図中紙面垂直方向に延伸する第1配線層71が形成されている。第1配線層71も銅で形成されているものとする。次に、図7(b)に示されるように、これらを覆って層間絶縁層(絶縁層)72を形成する。その後、図7(c)に示されるように、第1配線層71上の層間絶縁層72に、第1配線層71の表面を露出させるように、ドライエッチングによって開口(凹部)72Aを形成する(凹部形成工程)。ここで、この開口72Aの形状は、第1配線層71とその上に形成される第2配線層との間の接続に用いられるビアの形状に対応する。



その後、図7(d)に示されるように、開口72Aの内部を含む全面に薄くバリアメタル層(下地金属層)73を形成する(下地金属層形成工程)。バリアメタル層73は例えばTiN等で構成される。その後、図7(e)に示されるように、開口72Aを埋め込むように、銅層300を充分厚く全面に形成する(銅層形成工程)。その後、銅層300に対してCMP(化学機械研磨)を行うことにより、層間絶縁層72上の銅層300及びバリアメタル層73を除去する(CMP工程)。CMPにおいては、銅を化学反応させかつ機械的研磨を同時に行うために、銅層300は除去されるが層間絶縁層72は除去されない条件でCMPを行うことができる。また、バリアメタル層73は充分薄く、このCMPの際に除去されるため、結局、図7(f)に示されるように、開口72A中においてのみ銅層300及びバリアメタル層73を残存させることができ、これ以外の銅層300及びバリアメタル層73は全て除去される。このため、開口72A中の銅層300及びバリアメタル層73(主体は銅層300)がビア74となる。図7(f)に示されるように、この際の表面は平坦となる。なお、上記のバリアメタル層73としては、銅層300を電解めっきを用いて形成する場合には、その際のシード層となるものを用いる、あるいはこのシード層とバリアメタル層との積層構造を上記のバリアメタル層73とすることができる。



その後、図7(g)に示されるように、上記の平坦な表面上に再び層間絶縁層75を形成し(絶縁層形成工程)、図7(h)に示されるように、層間絶縁層75中に、前記の開口72Aよりも大きな溝(凹部)75Aを形成する(凹部形成工程)。溝75Aの形状は、第2配線層の形状に対応し、溝75A(第2配線層)も第1配線層71と同様に図中紙面垂直方向に延伸している。その後、図7(i)に示されるように、図7(d)と同様にバリアメタル層73を形成(下地金属層形成工程)した後に、図7(j)に示されるように、図7(e)と同様に溝75Aを埋め込むように、銅層300を充分厚く全面に形成する(銅層形成工程)。その後、前記と同様にCMPを行うこと(CMP工程)により、図7(k)に示されるように、溝75A中においてのみ残存した銅層300及びバリアメタル層73が第2配線層76となる。なお、第1配線層71についても、第2配線層76と同様の構造、製造方法とすることができる。



上記の製造方法においては、ビア74、第2配線層76等の銅配線を形成するために、(1)下層配線上への層間絶縁層の形成及び凹部形成工程、(2)下地金属層形成工程、(3)銅層形成工程、(4)CMP工程、の各工程を、ビア74を形成するに際しては第1配線層71を上記の下層配線として、第2配線層76を形成するに際してはビア74を上記の下層配線として、繰り返し行っている。このように、これらをビアの形成と配線層の形成毎に行う方法はシングルダマシン法と呼称される。これに対して、第1配線層上においてビアに対応した開口と第2配線層に対応した溝とを連続して層間絶縁層中に形成した後に、これらの開口と溝とを一括して埋め込む銅層を形成し、その後でCMPを行うことによってビアと第2配線層とを一括して形成するデュアルダマシン法も行われている。



ドライエッチングを用いて銅の微細加工を行うことは、銅よりも抵抗率の高いアルミニウム等と比べて、一般的には困難である。上記の製造方法においては、銅(銅層300)の加工はCMPのみによって行われ、銅のドライエッチングは不要であるため、銅を用いた微細配線を形成する上ではこうした製造方法は特に好ましい。また、CMP工程直後(図7(f)、図7(k))においては、表面が平坦化されているために、ビアや配線層を多数積層させる多層配線構造を形成する上では、上記の製造方法は特に好ましい。図7においては2つの配線層に関わる構造(第1配線層71から第2配線層76に至る構造)の製造方法が記載されたが、上記の工程を繰り返すことによってより多層の構造を製造することもできる。



ここで、配線抵抗を充分低く、かつ配線の信頼性を高めるためには、銅層形成工程(図7(e)(j))において、後にビア74、第2配線層76となる銅層300を、開口72Aや溝75A中を充分緻密に埋め込んで形成することが必要である。こうした要求が満たされる銅層300の成膜方法としては、主に電解めっき(例えば特許文献1)が用いられている。また、CVD(化学気相成長)法も用いられている(例えば特許文献2)。また、これらの方法と比べて埋め込み性に劣るスパッタリング法を用いた場合でも、成膜後に400℃程度の熱処理を行いリフローを起こすことによって、同様の銅層300を形成できることも知られている(例えば特許文献3)。

産業上の利用分野


本発明は、銅の成膜装置、成膜方法に関する。また、この成膜方法を用いて層間絶縁層上に銅配線を形成する銅配線形成方法、及びこの銅配線に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
基板上に銅を成膜する銅の成膜装置であって、
前記基板を減圧雰囲気下で内部に収容する成膜チャンバと、
前記基板の温度を250~350℃の範囲とする基板加熱手段と、
CuI(ヨウ化銅(I))蒸気を前記成膜チャンバ中で前記基板に照射するCuI蒸気発生手段と、
を具備することを特徴とする銅の成膜装置。

【請求項2】
前記CuI蒸気発生手段は、固体状のCuI(ヨウ化銅(I))を含む原料を加熱して気化させて前記CuI蒸気を生成することを特徴とする請求項1に記載の銅の成膜装置。

【請求項3】
前記CuI蒸気発生手段において、前記原料を300~400℃の温度に加熱することを特徴とする請求項2に記載の銅の成膜装置。

【請求項4】
前記成膜チャンバ内の圧力は1×10-3Torr以下とされることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の銅の成膜装置。

【請求項5】
前記成膜チャンバの内面は絶縁体で構成され、かつその温度が200℃以上とされたことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の銅の成膜装置。

【請求項6】
基板における少なくとも部分的に導電性とされた表面上に銅を成膜する銅の成膜方法であって、
前記基板の温度を250~350℃の温度とし、減圧雰囲気下でCuI(ヨウ化銅(I))蒸気を前記表面に照射することを特徴とする銅の成膜方法。

【請求項7】
CuI(ヨウ化銅(I))を含む固体の原料を減圧雰囲気下で300~400℃の温度に加熱することによって前記CuI蒸気を生成することを特徴とする請求項6に記載の銅の成膜方法。

【請求項8】
前記原料及び前記基板の雰囲気の圧力を1×10-3Torr以下とすることを特徴とする請求項6又は7に記載の銅の成膜方法。

【請求項9】
絶縁層中に埋め込まれた銅配線を形成する銅配線形成方法であって、
前記銅配線に対応する凹部を前記絶縁層に形成する凹部形成工程と、
前記凹部の底面において露出する下地金属層の上において、請求項6から請求項8までのいずれか1項に記載の銅の成膜方法によって選択的に銅を成膜する銅層形成工程と、
を具備することを特徴とする銅配線形成方法。

【請求項10】
前記凹部形成工程と前記銅層形成工程の間に、前記下地金属層を前記底面上に形成する下地金属層形成工程を具備することを特徴とする請求項9に記載の銅配線形成方法。

【請求項11】
前記銅配線は前記絶縁層の下の下層配線と接続するように形成され、前記下地金属層を前記下層配線の表面に形成することを特徴とする請求項9に記載の銅配線形成方法。

【請求項12】
基板上に形成された絶縁層中に埋め込まれて形成された銅配線であって、前記基板の表面に対して垂直方向に延伸する柱状結晶構造を具備することを特徴とする銅配線。

【請求項13】
前記柱状結晶構造の延伸する方向は銅の(111)方向であることを特徴とする請求項12に記載の銅配線。

【請求項14】
前記銅配線の(111)配向の配向度は90%以上であることを特徴とする請求項13に記載の銅配線。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 公開
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