半導體布線形成方法及裝置、器件製造方法及裝置和晶片的製作方法
2023-05-22 14:15:51
專利名稱：半導體布線形成方法及裝置、器件製造方法及裝置和晶片的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體布線形成方法及裝置、半導體器件製造方法及裝置以及晶片，尤其涉及以在晶片上形成的溝內埋入的方式形成布線。
背景技術：
在VLSI領域中，實現了稱為波紋裝飾工藝的布線形成方法。通過該波紋裝飾工藝在層間絕緣膜中形成接觸孔、通孔(連接孔)等之後，通過在這些孔中填充銅，實現埋入層間絕緣膜中的布線系統。由此，得到布線無臺階、表面平坦化的IC，同時，以低電阻實現高可靠性的金屬布線系統。
因此，在波紋裝飾工藝中，通常，採用僅在層間絕緣膜中的布線溝等中填充銅的溼式鍍。通過溼式鍍，具有能在高長寬比的布線溝中填充銅的優點。
但是，在溼式鍍中需要晶種膜，由於晶種膜本身是通過溼式鍍以外的成膜方法形成的，因此在布線溝的長寬比高時難以均勻地在布線溝中形成晶種膜。這樣，若晶種膜不均勻，則膜厚薄的部分由於電鍍電流的熔融而消失，於是，容易產生空白點。因此，在溼式鍍中，長寬比越高越容易產生空白點。在波紋裝飾工藝中，在布線溝等中填充銅之後，通過CPM(化學機械拋光chemical and mechanical polishing)使晶片表面平坦化，但在該處理中，通過溼式鍍形成的銅膜軟而不能直接拋光，因此，通過熱處理進行硬化，同時通過回流減少膜表面的臺階後拋光。於是就存在與多餘的用人工時有關的問題。在波紋裝飾工藝中，為了防止銅向層間絕緣膜中擴散而設置阻擋層，但在長寬比高、換言之寬度窄的布線溝中，為了減小布線電阻，阻擋層的寬度最好儘可能的窄。然而，溼式鍍層必需有一定的厚度。而且，在溼式鍍中，有可能因廢液而汙染環境。
另一方面，在特開2000-64028號公報中，公開了通過利用等離子束使由銅構成的蒸發物質蒸發的離子鍍法，通過乾式工藝在高長寬比的溝內填充布線材料的銅成膜法。根據Cu成膜法，因為是乾式工藝，所以消除了環境汙染問題，而且，認為還能迴避溼式鍍中作為固有現象的空白點的發生。
然而，在銅成膜法中，蒸發的物質(銅)的能量在濺射時不是大體上不變的，所以並不能指望在晶片上形成的銅膜的硬度能提高那麼高，因此，是否能在省略熱硬化處理和通過回流進行的表面平滑化處理的情況下減小阻擋層的厚度尚未可知。而且，在銅成膜法中，蒸發的物質的離子化是通過使蒸發物質蒸發的等離子束來進行的，因此，蒸發的物質的離子化不能獨立於蒸發物質的蒸發來控制，因此，未必能在最合適的條件下成膜。
發明內容
為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種能省略熱硬化處理及表面平滑化處理、減小阻擋層的厚度並以最佳條件在高長寬比的溝中形成布線的半導體布線形成方法及裝置、半導體器件製造方法及裝置以及晶片。
為了解決上述問題，本發明涉及的半導體布線形成方法及裝置是(權利要求1，17)利用內部可保持真空狀態的真空室，通過配設在該真空室內的基材支架保持形成半導體布線膜的晶片，通過配置在上述真空室內的蒸發源使上述半導體布線膜的材料蒸發，將上述基材支架作為一個電極，通過高頻電源提供用於使上述真空室內產生等離子體的高頻功率。根據該結構，被蒸發源蒸發的半導體布線膜材料被等離子體激發，同時，被由真空室內的高頻電場產生的自偏壓明顯加速，衝擊在晶片表面上並在其上沉積。因此，沉積在晶片上的半導體布線膜因緻密而粘合性好。其結果，可省略半導體布線膜的熱硬化處理和表面平滑化處理，減小阻擋層的厚度。而且，蒸發的半導體布線膜材料的直線傳播性好，可獨立地控制真空室內等離子體的發生狀態。這樣，在晶片上形成布線溝時，和現有例相比，即使長寬比高的溝，也能很好地填充半導體布線膜材料。
這種情況下，可向上述真空室內提供含氫或OH基的氣體(權利要求2，18)。根據涉及的結構，可使受等離子體激勵的半導體布線膜材料具有遷移效果，由此，可使晶片上形成的半導體布線膜因更緻密而具有低電阻。
這種情況下，上述真空室內氣氛的氫含有量的體積比可為4～20％(權利要求19)。根據該結構，可有效得到遷移效果。
通過直流電源，可將上述基材支架作為負電極在上述真空室內形成直流電場(權利要求3，20)。根據該結構，受等離子體激發的半導體用材料可由於直流電場而進一步加速，該半導體用材料的直線傳播性進一步提高，可更好地將半導體布線膜材料填充到晶片表面的溝內。
這種情況下，根據形成在上述晶片上的半導體布線膜的沉積狀況的監視結果，可控制上述半導體布線膜的形成條件(權利要求4，21)。根據涉及的結構，可如願地控制半導體布線膜的沉積曲線。其結果，可以以最佳沉積曲線形成半導體布線膜。
這種情況下，上述半導體布線膜的形成條件可以是上述半導體布線膜的沉積速度、上述高頻功率的大小以及上述直流電場的強度至少其中之一(權利要求5，22)。根據該結構，可在晶片上恰當地形成半導體布線膜材料。
可暫時將上述基材支架的電位變為正電位(權利要求6，23)。在絕緣體上形成半導體布線膜時，離子化的半導體布線膜材料彼此排斥，容易形成錐體狀，但根據該結構，晶片附近的電場方向暫時反向，一旦沉積的半導體布線膜材料離開晶片表面後再次附著到晶片表面上時就被矯正，因此，半導體布線膜材料和晶片表面大致平行地順次沉積成層狀。結果得到更緻密的半導體布線膜。
通過在上述直流電場上疊加持續預定期間以預定周期反向的脈衝，可將上述基材支架的電位暫時變為正電位(權利要求7，24)。
通過可24小時以上連續提供上述半導體布線膜材料的半導體布線膜材料供給裝置，可供給從上述蒸發源蒸發的該半導體布線膜材料(權利要求8，25)。根據涉及的結構，在持續成膜時，作為關鍵的蒸發材料的半導體布線膜材料的補給可以連續24小時以上，因此，可連續運行在晶片上成膜半導體布線膜材料時要求的24小時以上。
上述蒸發源及半導體布線膜材料供給裝置可以是電子束加熱和自公轉多點坩堝的組合方式、電子束加熱和半導體布線膜材料線自動運送機構的組合方式、電子束加熱和半導體布線膜材料自動供給機構的組合方式、電阻加熱和自公轉多點焊接的組合方式，電阻加熱和半導體布線膜材料線自動運送機構的組合方式、帶半導體布線膜材料自動運送機構的電弧放電方式、離子束照射方式、以及DC濺射方式中至少之一或它們的組合(權利要求9，26)。根據該結構，則可容易地實現可連續24小時以上供給半導體布線膜材料的蒸發源和半導體布線膜材料供給裝置。
也可定量供給從上述蒸發源蒸發的上述半導體布線膜材料(權利要求10，27)。根據該結構，則的確可控制在晶片上形成的半導體布線膜的膜厚。
上述基本真空狀態中氣壓可以是10-3Pa級(權利要求11，28)。根據該結構，可適當地在長寬比高的溝內填充半導體布線膜材料。
在提供上述高頻功率的電路中，用於使電源側的阻抗與負載側阻抗的匹配的耦合單元和預定電容值的電容器串聯插入用於供給上述高頻功率的另一方電極和上述基材支架中(權利要求12，29)。根據該結構，在真空室內通過高頻功率穩定並產生等離子體。
可以向保持在上述基材支架上的晶片表面上形成的上述半導體布線膜照射能量束(權利要求13，30)。根據該結構，形成在晶片表面上的半導體布線膜的能量得到提高，其分子變成無間隙，因此，其半導體布線膜變得更緻密。
用於供給上述高頻功率得另一方電極可是由導電性部件構成得真空室(權利要求14，31)。根據涉及的結構，在真空室內分布比較廣的等離子體，因此，半導體布線膜材料在晶片表面上的跟蹤性提高。
在上述晶片的表面上形成布線用溝，上述半導體布線膜材料可以是銅(權利要求15，32)。根據該結構，與現有技術相比，可在高長寬比的晶片上的溝中形成銅布線膜。
本發明涉及的半導體布線形成方法包含通過權利要求17記載的半導體布線形成方法在晶片上形成晶種膜的工序；用該晶種膜，通過溼式鍍在該晶片上形成半導體布線膜的工序(權利要求33)。根據該結構，在形成晶種膜時，等離子云的位置是包圍晶片表面，因此蒸發材料在晶片表面的跟蹤性好，因此，晶種膜分級敷層變好。其結果，此後通過溼式鍍形成的銅布線的分級敷層變好，並且銅布線中產生的空白點減少。
這種情況下，可形成阻擋層作為上述晶種膜的下層，用銅作為上述晶種膜和上述半導體布線膜的材料(權利要求34)。根據該結構，晶種膜和阻擋層因緻密而變硬，因此，晶種膜的銅難以擴散到阻擋層中，同時，阻擋層的銅擴散阻止性能提高，因此，兩方效果相加，與現有技術相比可使阻擋層的厚度變薄。其結果，阻擋層的厚度被減小，可降低布線電阻。
本發明涉及的半導體器件製造方法及裝置包含這樣的步驟至少使用搬運槽、通過閘門分別和該搬運槽連接的負載鎖定槽、阻擋槽、銅成膜槽及卸載槽，晶片放置在上述負載鎖定槽中，進行下述的步驟通過配設在上述搬運槽中的搬運裝置，一邊開關上述閘門一邊使上述阻擋槽及上述銅成膜槽順序移動並對該晶片施加預定的處理後，放置到上述卸載槽中，在上述銅成膜槽中的規定處理由權利要求32的半導體布線形成方法構成，或者上述銅成膜槽由權利要求15的半導體布線形成裝置構成(權利要求16，35)。根據這種結構，通過幹處理，可在晶片上適當形成銅布線。
本發明涉及的晶片是在晶片或該晶片上形成的層的表面上形成的寬度約為0.35μm、深度約為1μm的溝中，通過幹處理約100％填充由銅構成的布線膜材料(權利要求36)。根據這種結構，可以高密度提供相對較低電阻的半導體器件用布線。
圖1是根據本發明實施例的半導體布線形成裝置結構的模式圖；圖2是圖1的半導體布線形成裝置的偏置電壓的波形的波形圖；圖3是圖1的半導體布線裝置的基材支架-蒸發源間的電位分布的模式圖；圖4是圖1的半導體布線形成裝置的蒸發源及蒸發材料供給裝置的結構的模式圖；圖5是通過本發明的實施形態1的實施例通過半導體布線形成方法向晶片上的布線溝填充布線材料的狀態的截面照片；圖6是圖5的截面照片的草圖；圖7是通過本發明實施形態1的實施例2通過半導體布線形成方法拋光在晶片上形成的薄膜表面的狀態的截面照片；圖8模式地示出了本發明實施例形態1的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第一變形例的結構的立體圖；圖9模式地示出了本發明實施例形態1的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第二變形例的結構的立體圖；圖10模式地示出了本發明實施例形態1的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第三變形例的結構的立體圖；圖11模式地示出了本發明實施例形態1的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第四變形例的結構的立體圖；圖12模式地示出了本發明實施例形態1的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第五變形例的結構的截面圖；圖13模式地示出了本發明實施例形態1的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第六變形例的結構的模式圖；圖14模式地示出了本發明實施例形態1的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第七變形例的結構的立體圖；圖15模式地示出了根據本發明實施形態2的半導體器件製造裝置的結構的平面圖；圖16模式地示出了本發明實施形態2的變形例的結構的平面圖；圖17是半導體器件的布線形成方法的不同工序的截面圖；圖18是根據本發明的實施形態3的半導體布線形成方法在晶片上形成的晶種膜的敷層的截面照片；圖19是圖18的照片的草圖；圖20是根據本發明實施形態4的半導體布線形成裝置的結構的模式圖。
具體實施例方式
下面，參照
本發明的實施例。
實施形態1圖1是根據本發明實施例的半導體布線形成裝置結構的模式圖；圖2是圖1的半導體布線形成裝置的偏置電壓的波形的波形圖；圖3是圖1的半導體布線裝置的基材支架-蒸發源間的電位分布的模式圖；圖4是圖1的半導體布線形成裝置的蒸發源及蒸發材料供給裝置的結構的模式圖。
圖1中，根據本實施形態的半導體布線形成裝置1由適合在晶片上形成布線的結構的離子鍍裝置構成，具有真空室2。真空室2由導電性材料構成，在其內部配設用於裝載晶片201的基材支架3。基材支架3由導電性材料構成，其中心部固定到旋轉軸5的一端。旋轉軸5由導電性材料構成，通過軸承6旋轉自由地安裝到真空室2的壁部。這樣，向旋轉軸5的真空室2突出的另一端連接到電動機7的主軸上。由此，基材支架3由電動機7旋轉驅動。軸承6和真空室2之間以及旋轉軸5的另一端和電動機7的主軸之間通過未圖示的絕緣材料絕緣。高頻電源10和偏置電源裝置11的一方的輸出端子(未圖示)通過電刷8分別連接到旋轉軸5的真空室外的部分。即，高頻電源10和偏置電源裝置11相對於電刷8彼此並聯連接，在電刷8和高頻電源10之間，插入串聯連接的匹配電容器C和匹配單元9，另一方面，在電刷8和高頻電源10之間插入高頻阻止用的低通濾波器14。高頻電源10和偏置電源裝置11的另一個端子(未圖示)接地，由此和同樣接地的真空室2連接。這樣，在高頻電源10的輸出端子間形成通過匹配單元9和匹配電容器C連接作為放電用電極的基材支架3和真空室2的高頻等離子發生電路，在作為該放電用電極的基材支架3和真空室2之間形成通過偏置電源裝置11經低通濾波器14施加預定偏置電壓的偏置電路。
在真空室2的內部，和基材支架3相對地配置使形成在晶片201上的布線膜的材料(半導體布線膜材料以下稱為布線材料)蒸發的蒸發源4，該蒸發源4連接到用於供給蒸發能量的蒸發電源15上。這樣，蒸發源4的構成能從蒸發材料供給裝置(布線材料供給裝置)16供給布線材料。可以不管蒸發電源15和布線材料供給裝置16設置在真空室2的內部或外部，這裡蒸發電源15設置在真空室2的外部，布線材料供給裝置16設置在真空室2的內部。
在真空室2內的基材支架3的附近設置膜厚監視器19。
真空泵17和氣體供給源18和真空室2連接，由此，在真空室2保持在規定的真空度，同時，將規定氣體從氣體供給源18導入真空室2內。從氣體供給源18導入的氣體是氫(H2)氣或OH基氣體，這裡，是氫氣。
另外，電動機7、高頻電源10、偏置電源12、波形發生器13、蒸發電源15、布線材料供給裝置16、真空泵17和氣體供給源18通過由計算機構成的控制器20進行控制。膜厚監視器19的輸出輸入到控制器20中。
下面，詳細說明半導體布線形成裝置1的各個部分的結構。
晶片201最終加工成半導體器件，因此，在本實施例中，如圖17(b)所示，由矽(Si)構成，在其表面形成由二氧化矽(SiO2)構成的絕緣層202。另外，在絕緣層202的表面上形成布線溝203，形成阻擋層204以便薄薄地覆蓋形成該布線溝203的絕緣層202。為了防止銅(Cu)擴散到絕緣層202上，阻擋層204由TaN、TiN等構成。
這裡，高頻電源10輸出13.56MHz頻率的高頻功率。匹配單元9由公知的元件構成，隨著成膜的進行，追隨基材支架3和真空室2之間的阻抗的變化，使其負載側的阻抗和電源側的阻抗匹配。匹配電容器C阻止直流，同時向從匹配單元9看的負載側的阻抗提供規定的固定電容值，擴大匹配單元9的可使用範圍。通過適當選擇匹配電容器C的電容值，即使負載即作為基材的晶片201和成膜條件改變，也可通過匹配單元9很好地進行匹配動作，其結果，即使在高真空度下，也可穩定地產生等離子體。這裡，匹配電容器C的電容值和匹配單元9內的電容器的電容值相同，約為1000pF。
偏置電源裝置11具有波形發生器13和偏置電源12。波形發生器13發生具有規定波形的電壓信號，偏置電源12放大發生的電壓信號後從偏置電源裝置11的輸出端子輸出。這裡，如圖2所示，從偏置電源裝置11輸出的偏置電壓具有矩形波波形，所述矩形波波形為經過期間T1、取負值-Vn，經過期間T2、取正值+Vp，換言之，該偏置電壓是將高(Vn+Vp)、寬度T2及周期T(＝T1+T2)的正矩形波脈衝疊加到-Vn的負直流偏置電壓上。從而，偏置電源裝置11是權利要求範圍內的直流電源裝置的一種。+Vp和-Vn的值根據成膜條件在0v～2000v的範圍內進行適當選擇。正的矩形波脈衝的佔空因數(T2/T)最好在40％以下。如果是以上那樣，則存在使高頻等離子體衰減後成膜效率下降的擔心。正的矩形波脈衝的頻率(＝1/T)最好在1KHz以上1GHz以下。如在1KHz以下，脈衝取正值的頻度少，因此，在中和在晶片201周邊捕捉的蓄積的正電荷之前，形成對其帶來絕緣破壞的電場，另一方面，如在1GHz以上，則難以調整施加正矩形波脈衝的時間。
如圖4所示，蒸發源4和布線材料供給裝置16由電子束髮生器43和自公轉多點坩堝40構成。自公轉多點坩堝40構成為收容規定量布線材料(這裡是銅)的多個(這裡是4個)的坩堝42a～42d分別自轉，同時繞公共的公轉軸41公轉，作為其自轉和公轉的驅動源的電動機(未圖示)連接到圖1的控制器20上。使多個坩堝42a～42d自公轉的機構可用公知的行星齒輪來實現，因此，這裡不再贅述。電子束髮生器43和圖1的蒸發電源15連接，公轉的4個坩堝42a～42d中向位於規定位置的坩堝(圖4中是坩堝42a)照射電子束44，使其中的布線材料加熱熔融後蒸發。通過如此配備4個坩堝42a～42d，可連續24個小時以上供給蒸發材料。
這裡，由於膜厚監視器19用於監視在裝載於基材支架3上的晶片201上形成的布線材料層205(參照圖17(c))的膜厚，在此由水晶振子構成。控制器20檢測作為膜厚監視器19的水晶振子的振動數，即水晶振子的振蕩頻率。根據該結構，在蒸發的布線材料沉積在膜厚監視器19上時，因為該膜厚監視器19的振蕩頻率隨其厚度增加而下降，由此，可監視形成在晶片201上的布線材料層205的膜厚。
下面，對如上構成的半導體布線形成裝置的動作(半導體布線形成方法)進行說明。
在圖1～圖4中，在真空室2內的基材支架3上安裝晶片201，在啟動半導體布線形成裝置1時，半導體布線形成裝置1受控制器20控制，自動進行以下動作。
首先，電動機7動作，基材支架3旋轉。另一方面，真空泵17動作，真空室2內被排氣至規定的真空度，接著，將氫氣從氣體供給源18導入真空室2內。這裡，規定的真空度為10-3Pa。真空室2內的氣氛的氫含有率在體積比為4～20％的範圍內維持一定。氫含有率在4％以上，後述的遷移效果才有效，若氫含有率超過20％，則從防爆性的觀點看是不可取的。
接著，高頻電源10動作，在真空室2和基材支架3之間施加高頻電壓，由此，在真空室2內形成等離子體301。接著，偏置電源裝置11動作，在真空室2和基材支架3之間施加圖2所示的偏置電壓，由此，在期間T1從真空室2向基材支架3，在比期間T1短的期間T2向其相反方向，並且形成以周期T反覆這些動作的電場。
接著，作為蒸發源4和蒸發材料供給裝置16的電子束髮生器43和自公轉多點坩堝40動作，從電子束髮生器43向自公轉的坩堝42a～42d中的布線材料照射電子束44，布線材料從坩堝42a～42d中蒸發。
這裡，在期間T1中，蒸發源4和基材支架3之間的電位Vp的分布如圖3所示，從蒸發源4連續靠近基材支架3，首先，上升直至若干正電位，從它開始變成幾乎一定，在到達基材支架3的極近旁時，開始急劇下降至負電位。其電位Vp的分布主要通過高頻電壓由自偏壓獲得的。在這種狀況下，在某個期間T1中，上述蒸發的原子狀的布線材料利用蒸發能量通過等離子體301中，同時，在其間被等離子體301激發，通過基材支架3附近的急劇電場被明顯加速，衝撞在晶片201的表面上，附著並沉積到其上。此時，蒸發的布線材料被等離子體301激發並通過以自偏壓為主的電場被明顯加速，因此，在晶片201上形成的膜因緻密而粘合性好。將自偏壓和上述偏置電壓疊加起來的電場具有大概垂直於晶片201表面的方向，因此，直線傳播性好，因此，如圖17(c)所示，以高比例填充到在晶片201表面上形成的高長寬比的布線溝203中。沉積在晶片201上的布線材料層205由於氫氣帶來的遷移效果更緻密，而具有低電阻。
接著，隨著時間的推移，沉積在晶片201上的布線材料層205的厚度增加。這時，在其間，由布線材料構成的膜也沉積在膜厚監視器19上，與此相應，膜厚監視器19的振蕩頻率降低，因此，對其響應，控制器20改變成膜參數。即，控制器20響應膜厚監視器19的振蕩頻率的降低，控制蒸發電源15並使成膜條件變化。根據晶片201的結構，預先求出最適合它的成膜率和成膜條件即成膜參數，設定對其時間軸的變化曲線。這就是通過最佳控制其成膜參數，首先，使晶片201上形成的布線材料層205的品質和向布線溝203的填充比例最佳。
其間，基材支架3和真空室2之間的阻抗變化，但由於匹配電容器C的存在，通過匹配單元9可適當進行負載側和電源側的阻抗的匹配，因此，不會產生異常放電，穩定地維持等離子體。而且，其間，在期間T1中，在沉積在晶片201上的布線材料層205中，由於絕緣層202的存在而難以放出離子化的布線材料的電荷，因此其布線材料彼此推斥，容易沉積成錐體狀，但在期間T2中，晶片201附近的電場方向反向，一旦沉積的布線材料離開晶片201的表面(正確地放電的布線材料的沉積層的表面)並再度附著到晶片201表面上並在那一刻矯正，因此布線材料大致平行於晶片201表面地順次沉積成層狀。其結果，得到更緻密的布線材料層205。
因為使用具有4個坩堝42a～42d的多點坩堝40作為蒸發材料供給裝置16，因此，和具備1個坩堝的情況相比，可將4倍的蒸發材料積累在真空室2內，因此，可連續24小時以上進行成膜。之所以要求所謂的24小時以上，是因為要迴避在夜間使半導體布線形成裝置1停止的需要。
實施例1圖5示出了根據本實施例的半導體布線形成方法向晶片上的布線溝填充布線材料狀態的截面照片，圖6是圖5的截面照片的草圖。
參照圖5和圖6，在本實施例中，在由矽構成的晶片60上形成由二氧化矽構成的絕緣層61。在絕緣層61中形成布線溝62。從而省略阻擋層。布線溝62的深度為1μm、寬度為0.35μm。在具有這種布線溝62的晶片60上，用上述半導體布線形成裝置1形成布線材料為銅的薄膜。這時，真空室2的真空度(氣壓)為10-3Pa。其結果，如圖5和圖6所示，形成由銅構成的薄膜63，以便覆蓋形成晶片60的布線溝62的絕緣層61的表面。這種情況下，在布線溝62中填充幾乎100％銅(薄膜63)。看不到在填充到布線溝62中的銅中存在點等缺陷。以前，通過幹處理，在深度為1μm、寬度為0.35μm的布線溝中完全填充銅是不可能的。
實施例2圖7是拋光根據本實施例的半導體布線形成方法在晶片上形成的薄膜表面的狀態的截面照片。
參考圖7，在本實施例中，根據上述半導體布線形成方法，在具有布線溝62的晶片上形成由銅構成的薄膜(以下成為銅膜)63，通過用於CMP的機械拋光裝置拋光原來的銅膜(未實施熱硬化處理的銅膜)63的表面。其結果，如圖7所示，通過拋光在銅膜63的表面上乾淨地形成平坦部63a。與通過對其進行溼式鍍的銅膜相比，因為通過溼式鍍的銅膜柔軟，因此在不對其實施硬化處理的進行機械拋光時，由於銅膜表面的凸部陷成凹部，表面破裂，不能幹淨地實現平坦化。於是，通過熱硬化處理和回流對銅膜實施表面平滑化處理後，進行機械拋光。這樣，根據本實施例，可省略該熱硬化處理即表面平滑化處理。
根據以上結果，根據本實施例形態的半導體布線形成裝置及方法尤其適合於形成半導體器件的銅布線。
下面，說明本實施形態的變形例。
圖8模式地示出了本實施形態的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第一變形例構成的立體圖。
如圖8所示，在本變形例中，配備作為通常的1個坩堝42和蒸發材料供給裝置16的自動送線裝置58來代替上述構成例的多點坩堝40。自動送線裝置58的構成是設置在真空室內，由布線材料構成的線57卷到線軸53上，卷好的線57通過傳送輥55經送料器54從線軸53引出，引出的線57通過導管56從其前端供給到坩堝42中。另外，傳送輥的驅動電動機(未圖示)連接到圖1的控制器20上。在這種結構的變形例中，從自動送線裝置58提供到坩堝42中的線57狀的布線材料通過來自電子束髮生器43的電子束44蒸發。另外，蒸發材料作為線蓄備在真空室內的自動送線裝置58中，因此，可連續24小時以上供給蒸發材料。
圖9模式地示出了本實施形態的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第2變形例的結構的立體圖。
如圖9所示，在本變形例中，與第一變形例的區別點在於配備小球自動供給裝置70作為蒸發材料供給裝置16來代替自動送線裝置58，其他與第一變形例相同。小球自動供給裝置70的結構是將由布線材料構成的小球73儲藏在漏鬥71中，儲藏的小球73通過導槽72供給到坩堝42中。此外，驅動漏鬥71的小球投下用閘門的電動機(未圖示)連接到圖1的控制器20上。根據這種結構，蒸發材料作為小球蓄備在真空室內的小球自動供給裝置70中，因此，可連續24小時以上連續供給蒸發材料。
圖10模式地示出了本實施形態的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第三變形例的結構的透視圖。
如圖10所示，在本變形例中，和第一變形例的不同點在於配備電阻加熱裝置75作為蒸發源4來代替電子束髮生器43，其他與第一變形例相同。電阻加熱裝置75的結構是在一對電極76、77的前端之間架設收容蒸發材料的艙78。一對電極76、77連接到圖1的蒸發電源15上。在如此構成的本變形例中，通過經一對電極76、77流入艙78中的電流，使供給該艙78中的線57狀的布線材料加熱並蒸發。根據這種結構，和第一變形例同樣，可連續24小時以上供給蒸發材料。
圖11模式地示出了本實施形態的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第四變形例的結構的透視圖。
如圖11所示，在本變形例中，和第三變形例的不同點在於配備小球自動供給裝置70作為蒸發材料供給裝置16來代替自動送線裝置58，其他和第三變形例相同。根據這種結構，和第三變形例同樣，可連續24小時以上供給蒸發材料。
圖12模式地示出了本實施形態的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第五變形例的結構的截面圖。
圖12中，在本變形例中，分別配備電弧蒸發源80及陰極傳送機構401作為蒸發源4及蒸發材料供給裝置16。
電弧蒸發源具有配設在形成在真空室2的壁部2a上的凹部2b中的圓筒狀的陽極83、和插過形成在位於真空室2的壁部2b的該凹部2b部分中的貫通孔86的圓柱狀的陰極82。陽極83封閉前端面83b並在前端部的周面83a中形成多個貫通孔83c，由鎢等耐熱性的導電材料構成。陰極82由布線材料構成，配置成前端部位於陽極83內且和陽極83共用中心軸89。陰極82構成為將其基端保持在陰極傳送機構(在圖12中示出了其一部分)401中，並使該陰極傳送機構401進退。而且，在真空室2的貫通孔86的內周面上配設圓環等單元部件87，由此，陰極82可相對於該貫通孔86氣密性地滑動。陽極83和陰極82分別連接作為蒸發電源的直流電弧電源15的正極端子和負極端子。陰極傳送機構401的驅動電動機(未圖示)連接到圖1的控制器20上。
在這種構成的本變形例中，通過直流電弧電源15施加的電弧電壓在陽極83與陰極82之間發生電弧放電，由此，構成陰極82的布線材料蒸發，從陽極83的貫通孔83c流到其外部83c。陰極82根據蒸發引起的消耗，通過陰極傳送機構401前進。從而，通過充分拉長陰極82的長度，可連續24小時以上供給蒸發材料。
與此同樣，可用配備自公轉的多個艙的電阻加熱裝置來代替自公轉的多點坩堝40作為蒸發源4及蒸發材料供給裝置16。也可使用公知的DC濺射方式。由此，可連續24小時以上供給蒸發材料。
圖13示出了本實施形態的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第六變形例的結構模式圖。
如圖13所示，在本變形例中，在配設在真空室2內的旋轉臺503上裝載由蒸發材料構成的板狀目標502。在真空室2的壁部2a上形成的凹部2c中配設離子槍501，離子槍501通過控制器20的控制向板狀目標502照射正的離子束504來構成。通過離子束504的照射，從板狀目標502蒸發蒸發材料。在本變形例中，板狀目標502和離子槍501構成圖1的蒸發源4和蒸發材料供給裝置16，通過使板狀目標502充分大，可連續24小時以上供給蒸發材料。
圖14模式地示出了本實施形態的蒸發源及蒸發材料供給裝置的第七變形例的結構的透視圖。
如圖14所示，本變形例在第二變形例的小球自動供給裝置70中設置蒸發材料定量供給裝置79來代替漏鬥。具有和一般的部件送料器同樣的結構，收容由布線材料構成的小球73作為供給對象物來代替一般的部件。作為一般的部件送料器的結構是公知的，因此，這裡不詳細說明蒸發材料定量供給裝置79的結構。蒸發材料定量供給裝置79以下述方式構成通過內置收容的小球的振動起振並導出到供給口，通過控制器20控制振動的動作時間和強度，由此可控制小球的供給量。由此，除可連續24小時以上供給蒸發材料以外，可定量供給蒸發材料。其結果，通過離子鍍形成在晶片上的薄膜的膜厚基本上由蒸發材料的供給量決定，因此能可靠控制薄膜的膜厚。
實施形態2圖15模式地示出了根據本發明實施形態2的半導體器件製造裝置的結構的平面圖。
如圖15所示，半導體器件製造裝置具有真空室92和與該真空室92相鄰設置的清潔室91。在通過夾著清潔室91而和真空室92相對的空間中，沿清潔室91在X方向上順序形成測具器94、對準器96以及第二測具器95，收容晶片的盒子93順序通過它們。
在清潔室91中在X方向上配設軌道90，清潔機械手97在軌道90上移動。另一方面，在真空室92中設置搬運槽99，負載鎖定槽98、阻擋槽102、銅成膜槽101和卸載槽103通過閘門104分別和搬運槽99連接。這些槽98、99、101、102、103的內部保持規定的真空度。負載鎖定槽98和卸載槽103通過閘門104分別和清潔室91連接。負載鎖定槽98載X方向上比卸載槽103配置在更上遊側。銅成膜槽101由實施形態1的半導體布線形成裝置1構成，在搬運槽99中配設真空機械手100。
接著，用圖15和圖17說明如上構成的半導體器件製造裝置的動作(半導體器件製造方法)。圖17示出了半導體器件的布線形成方法的不同工序的截面圖。以下的動作通過未完全圖示的控制器控制而自動進行。
參照圖15和圖17，盒子93在本工序中收容加工前的晶片201，在X方向上從上遊側移動出來。在加工前的晶片201上，如圖17(a)所示形成二氧化矽構成的絕緣層202，在絕緣層202的表面中形成高長寬比的布線溝203。盒子93達到第一測具器94並由此停止。這時，清潔機械手97在軌道90上移動直至盒子93前，在那裡取出加工前的晶片201，此後移動至負載鎖定槽98的前面。這時，向負載鎖定槽98的閘門104打開，清潔機械手97將加工前的晶片201置於負載鎖定槽98中。另一方面，盒子93向盒子93移動並在那裡備齊後，向第二測具器95移動，在那裡等待。
接著，閘門104關閉，負載鎖定槽98被排氣成規定的真空度。接著，開閉與搬運槽99之間的閘門104，在其間通過真空機械手100從負載鎖定槽98中取出加工前的晶片201。接著，開閉和阻擋槽102之間的閘門104，在其間通過真空機械手100將加工前的晶片201置於阻擋槽102中。
接著，在阻擋槽102中在晶片201的絕緣層202上形成阻擋層204。阻擋層204由TaN、TiN構成，離子鍍通過濺射等形成。
接著，和以上一樣順序開閉和搬運槽99和阻擋槽102和銅成膜槽101之間的閘門104，在其間通過真空機械手100從阻擋槽102中取出形成阻擋層204的晶片201，之後，置於銅成膜槽101中。
接著，在銅成膜槽101中，和實施形態1一樣，如圖17(c)所示，在阻擋層204上形成由銅構成的布線材料層205。
接著，和以上一樣順序開閉和搬運槽99和阻擋槽102及銅成膜槽101之間的閘門104，在其間通過真空機械手100從銅成膜槽101中取出形成布線材料層205的晶片201，此後，置於卸載槽103中。
接著，卸載槽103中回到大氣壓之後，開閉和清潔室之間的閘門104，在其間通過清潔機械手97從卸載槽103中取出形成布線材料層205的晶片201，之後，在第二測具器95處等待，被收納到盒子93中。接著，盒子93移動到下一個工序。在那裡，形成布線材料層205的晶片201通過CMP拋光表面，如圖17(d)所示，將由銅構成的布線205埋入絕緣層202的高長寬比的布線溝203中。此時，布線205實施CMP後十分硬，因此，可省略其熱硬化處理及表面平滑化處理。
如上所述，根據本實施形態，可適合製造具有埋入高長寬比的布線溝中的銅配線的半導體器件。
接著，說明本實施形態的變形例。圖16模式地示出了本實施形態的變形例的結構的平面圖。
參照圖16和17，在本變形例中，通過閘門104將腐蝕槽105和熱處理槽106分別連接於搬運槽99。熱處理槽106由可導入氮氣(N2)或氬氣(Ar)的回流槽或退火槽構成，通過再熔融或退火在銅成膜槽101中形成的銅構成的布線材料層205來消除或緩和其殘留應力。從而，該熱處理與通過溼式鍍對銅布線進行的熱硬化處理和表面平滑化處理是不同的。腐蝕槽105由可導入氯氣(Cl2)的腐蝕槽構成，除去附著到形成在阻擋層204上的布線材料層205中的布線溝203入口部的物質。在由此構成的本變形例中，真空機械手100在銅成膜槽101和腐蝕槽105之間多次來回運送形成布線材料層205的晶片201後，通過熱處理槽106，之後，置於卸載槽103中。由此，在布線材料層205容易附著到布線溝203的入口部上時，通過腐蝕槽105除去它，通過銅成膜槽101可形成布線材料層205，因此，即使在這種情況下，也可以高比例將布線材料層205填充到高長寬比的布線溝中。形成在晶片上的布線材料層205通過熱處理槽106中的熱處理，使其內部應力降低，因此，可靠性提高。
在本變形例中，雖然設置腐蝕槽105，但把它省略了，在銅成膜槽101中，在存在氬氣的情況下進行逆濺射，由此可除去附著到布線溝203的入口部上的布線材料層205。根據這種結構，可在同一個槽101內形成布線材料層205和除去其特定部分，因此，簡化了半導體器件製造裝置的結構。
實施形態3圖18是根據本發明實施形態3的半導體布線形成方法在晶片上形成的晶種膜的敷層的截面照片，圖19是圖18的草圖。
在本實施形態中，用實施形態1的半導體布線形成裝置，將阻擋層和銅構成的晶種膜層疊在晶片上，之後，用通常的溼式鍍在晶種膜上形成銅布線。
參照圖1，在本實施形態中，用半導體布線形成裝置1形成阻擋槽和晶種膜時，等離子體301的雲的位置是包含晶片201的表面，因此，蒸發材料在晶片表面上的跟蹤性好。從而，如圖18和圖19所示，由此形成的阻擋槽和晶種膜206的分級敷層(布線溝203的側面敷層和底部敷層)好。其結果，使其後通過溼式鍍形成的銅布線的分級敷層好，且降低了銅布線中的空白點的發生。在圖18中沒有拍照阻擋層，因此，在圖19中也省略。
在本實施形態中，通過實施形態1的半導體布線形成裝置1形成的阻擋層和晶種膜206由於實施形態1所述的理由因緻密而硬，因此，晶種膜206的銅難以擴散到阻擋層，同時，因為提高了阻擋層的銅擴散阻止性能，所以兩者效果互相結合，阻擋層的厚度可比現有的薄。例如，通常，阻擋層的厚度是300～500埃，但本實施形態中，用TaN作為材料，因此阻擋層的厚度未150～200埃就足夠了。阻擋層和晶種膜合起來的厚度為1500～2000埃。這樣，根據本實施形態，阻擋層的厚度被減小，可降低布線電阻。
實施形態4圖20是根據本發明實施形態4的半導體布線形成裝置的結構的模式圖。圖20中，和圖1相同或相應的部分用相同的符號表示。
如圖20所示，在本實施形態中，在圖1的結構中，在真空室2的壁部2a的凹部2d中配設作為能量束照射裝置的離子槍601，該離子槍601構成為通過控制器20的控制將正離子束(能量束)602朝向保持在基材支架3上的晶片201照射。通過離子束602的照射，沉積在晶片201上的布線材料的能量高，使這些分子無間隙地排列。由此，布線材料層更加緻密。
作為能量束照射裝置，用照射作為能量束的雷射的雷射器來代替離子槍。作為這種雷射器，可用受激準分子雷射器、YAG高諧波雷射器、短波長雷射器等。
在上述實施形態1、4中，為了將偏置電壓疊加到高頻電壓上而使用偏置電源裝置11，但也可省略。在這種情況下，由於高頻電壓的自偏壓電場引起的加速效果，受激勵的原子狀的布線材料的直線傳播性變好，並且，在晶片上形成的布線材料層的緻密性提高。
實施形態1中，膜厚監視器19可構成為檢測在晶片201上形成的布線材料層的電阻或介電率。
在實施形態1中，可向真空室2內提供含OH基的氣體來代替氫氣。
權利要求
1.一種半導體布線形成裝置，包括能使內部基本上保持真空狀態的真空室；配設在該真空室內並保持待形成半導體布線膜的晶片的基材支架；配置在上述真空室內並使上述半導體布線膜的材料蒸發的蒸發源；將上述基材支架作為一個電極並供給使上述真空室內產生等離子體的高頻電功率的高頻電源。
2.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於包括向上述真空室內提供氫或OH基氣體的裝置。
3.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於包括將上述基材支架作為負電極並用於在上述真空室內形成直流電場的直流電源。
4.根據權利要求3所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於還包括根據上述晶片上形成的半導體布線膜的沉積狀況的監視結果，控制上述半導體布線膜的形成條件的控制器。
5.根據權利要求4所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於上述半導體布線膜的形成條件是上述半導體布線膜的沉積速度、上述高頻功率的大小以及上述直流電場的強度中至少之一。
6.根據權利要求3所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於具有將上述基材支架的電位暫時改變為正電位的電位可變裝置。
7.根據權利要求6所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於上述電位可變裝置把使該直流磁場的方向以一定的周期持續規定時間反向的脈衝疊加在上述直流磁場上。
8.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於包括能連續24小時以上供給從上述蒸發源蒸發的上述半導體布線膜材料的半導體布線膜材料供給裝置。
9.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於上述蒸發源和半導體布線膜材料供給裝置是電子束加熱和自公轉多點坩堝的組合方式、電子束加熱和半導體布線膜材料線自動運送機構的組合方式、電子束加熱和半導體布線膜材料自動供給機構的組合方式、電阻加熱和自公轉多點焊接的組合方式、電阻加熱和半導體布線膜材料線自動運送機構的組合方式、帶半導體布線膜材料自動運送機構的電弧放電方式、離子束照射方式、以及DC濺射方式中至少之一或它們組合的裝置。
10.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於包括能定量供給從上述蒸發源蒸發的上述半導體布線膜材料的半導體布線膜材料供給裝置。
11.根據權利要求1任一項所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於上述真空狀態的氣壓為10-3Pa級。
12.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於在供給上述高頻功率的電路中，用於使電源側的阻抗與負載側阻抗匹配的耦合單元和預定電容值的電容器串聯地插入用於供給上述高頻功率的另一電極和上述基材支架中。
13.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於包括用於向保持在上述基材支架上的晶片表面上形成的上述半導體布線膜照射能量束的能量束照射裝置。
14.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於用於供給上述高頻功率的另一電極是由導電性部件構成的真空室。
15.根據權利要求1所述的半導體布線形成裝置，其特徵在於在上述晶片表面上形成布線用溝，上述半導體布線膜材料是銅。
16.一種半導體器件製造裝置，其特徵在於至少包括搬運槽、通過閘門分別和該搬運槽連接的負載鎖定槽、阻擋槽、銅成膜槽及卸載槽，並以下述方式構成使配設在上述搬運槽中的晶片通過搬運裝置，一邊開關上述閘門一邊使上述阻擋槽及上述銅成膜槽順序移動並對放置在上述負載鎖定槽中的晶片進行預定的處理後，放置到上述卸載槽中，上述銅成膜槽由權利要求15的半導體布線形成裝置構成。
17.一種半導體布線形成方法，包括下述步驟利用可基本上保持內部真空狀態的真空室；通過配設在該真空室內的基材支架保持待形成半導體布線膜的晶片；通過配置在上述真空室內的蒸發源蒸發上述半導體布線膜的材料；將上述基材支架作為一個電極通過高頻電源供給用於使上述真空室內產生等離子體的高頻功率。
18.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於向上述真空室內供給含氫或OH基的氣體。
19.根據權利要求18所述的半導體布線形成方法，其特徵在於上述真空室內的氣氛的氫含有率的體積比是4～20％。
20.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於通過直流電源，將上述基材支架作為負電極在上述真空室內形成直流電場。
21.根據權利要求20所述的半導體布線形成方法，其特徵在於根據在上述晶片上形成的半導體布線膜的沉積狀況的監視結果，控制上述半導體布線膜的形成條件。
22.根據權利要求21所述的半導體布線形成方法，其特徵在於上述半導體布線膜的形成條件是上述半導體布線膜的沉積速度、上述高頻功率的大小和上述直流電場的強度中至少之一。
23.根據權利要求20所述的半導體布線形成方法，其特徵在於將上述基材支架的電位暫時變為正電位。
24.根據權利要求23所述的半導體布線形成方法，其特徵在於通過把以規定周期持續規定期間使該直流電場的方向反向的脈衝疊加到上述直流電場上，將上述基材支架的電位暫時變為正電位。
25.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於通過能連續24小時以上供給上述半導體布線膜材料的半導體布線膜材料供給裝置，供給被上述蒸發源蒸發的上述半導體布線膜材料。
26.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於上述蒸發源和半導體布線膜材料供給裝置是電子束加熱和自公轉多點坩堝的組合方式、電子束加熱和半導體布線膜材料線自動運送機構的組合方式、電子束加熱和半導體布線膜材料自動供給機構的組合方式、電阻加熱和自公轉多點焊接的組合方式、電阻加熱和半導體布線膜材料線自動運送機構的組合方式、帶半導體布線膜材料自動運送機構的電弧放電方式、離子束照射方式、和DC濺射方式中至少之一或它們的組合。
27.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於定量供給被上述蒸發源蒸發的上述半導體布線膜材料。
28.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於上述真空狀態的氣壓為10-3Pa級。
29.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於在供給上述高頻功率的電路中，用於使電源側的阻抗與負載側阻抗匹配的耦合單元和規定電容值的電容器串聯地插入用於供給上述高頻功率的另一電極和上述基材支架中。
30.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於向保持在上述基材支架上的晶片表面上形成的上述半導體布線膜照射能量束。
31.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於用於供給上述高頻功率的另一電極是由導電性部件構成的真空室。
32.根據權利要求17所述的半導體布線形成方法，其特徵在於在上述晶片表面上形成布線用溝，上述半導體布線膜材料是銅。
33.一種半導體布線形成方法，包括通過權利要求17所述的半導體布線形成方法在晶片上形成晶種膜的工序，用該晶種膜，通過溼式鍍在該晶片上形成半導體布線膜的工序。
34.根據權利要求33所述的半導體布線形成方法，其特徵在於形成阻擋層作為上述晶種膜的下層，用銅作為上述晶種膜和上述半導體布線膜的材料。
35.一種半導體器件製造方法，包括至少用搬運槽、通過閘門分別與該搬運槽連接的負載鎖定槽、阻擋槽、銅成膜槽和卸載槽，進行下述的步驟通過配設在上述搬運槽中的搬運裝置，一邊開關上述閘門一邊使上述阻擋槽及上述銅成膜槽順序移動並對放置在上述負載鎖定槽中的晶片進行預定的處理後，放置到上述卸載槽中，並由上述銅成膜槽中規定的處理形成權利要求32所述的半導體布線形成方法構成。
36.一種晶片，在晶片或該晶片上形成的層的表面中形成的寬度約為0.35μm、深度約為1μm的溝中，通過幹處理填充約100％的銅組成的布線膜材料。
全文摘要
用內部可保持真空狀態的真空室，通過配設在真空室內的基材支架保持形成半導體布線膜的晶片，通過配置在真空室內的蒸發源蒸發半導體布線膜的材料，將基材支架作為一個電極通過高頻電源供給用於使真空室內產生等離子體的高頻功率。
文檔編號H01L21/02GK1438692SQ0215427
公開日2003年8月27日 申請日期2002年12月17日 優先權日2001年12月17日
發明者丸中正雄, 土井聰也, 能勢功一, 瀧川志朗, 大竹聖司 申請人:新明和工業株式會社, 筑波半導體技工株式會社, 日商日制電子貿易股份有限公司