(57)【要約】【課題】  バリア層を形成する前にビアホール底部に形成された酸化Ｃｕ層を除去する際に、ダメージ等の問題がなく、大口径の基板であっても均一に除去できる半導体装置の製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】  ビアホール底部に形成された酸化Ｃｕ層を有機酸洗浄により還元処理する還元処理工程Ｓ１０１と、前記還元処理工程Ｓ１０１後にスパッタリングによりバリア層を形成するバリア層形成工程Ｓ１０６と、前記バリア層形成後にスパッタリングによりＣｕシード層を形成するＣｕシード層形成工程Ｓ１０７とを有し、前記還元処理工程Ｓ１０１と前記バリア層形成工程Ｓ１０６と前記Ｃｕシード層形成工程Ｓ１０７とを同一の製造装置内で連続して行う。これにより、低比誘電率材料からなる層間絶縁膜を劣化させることなく、かつ半導体基板面内にわたって均一に、下層配線Ｃｕとバリア層との間に良好なコンタクトを形成することが可能となる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ配線上に堆積された低比誘電率材料から成る層間絶縁膜にドライエッチングにより配線溝とビアホールとが形成された半導体基板を処理する半導体装置の製造方法であって、
ビアホール底部に形成された酸化Ｃｕ層を有機酸洗浄により還元処理する還元処理工程と、
前記還元処理工程後にスパッタリングによりバリア層を形成するバリア層形成工程と、
前記バリア層形成後にスパッタリングによりＣｕシード層を形成するＣｕシード層形成工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記還元工程と前記バリア層形成工程と前記Ｃｕシード層形成工程とを同一の製造装置内で連続して行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記還元工程において使用する有機酸は、シュウ酸、クエン酸のいずれかあるいは少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記シュウ酸およびクエン酸は、濃度が０．０１〜３％であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記還元処理工程において使用する有機酸は、界面活性剤が添加されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
Ｃｕ配線上に堆積された低比誘電率材料から成る層間絶縁膜にドライエッチングにより配線溝とビアホールとが形成された半導体基板を処理する半導体装置の製造装置であって、
有機酸洗浄によりビアホール底部の酸化Ｃｕ層を還元処理する還元処理室と、
前記還元処理後にスパッタリングによりバリア層を形成するバリア層形成室と、
前記バリア層形成後にスパッタリングによりＣｕシード層を形成するＣｕシード層形成室とを有し、
前記還元処理室と前記バリア層形成室との間に、基板加熱手段を備えた真空乾燥室が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置。
【請求項７】
前記還元処理室と前記真空乾燥室との間に、室内雰囲気の酸素濃度を規定以下に保持することが可能な搬送室が設けられていることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の製造方法および製造装置に関し、特にその半導体装置の製造工程のうち、Ｃｕ配線形成工程に関わる半導体装置の製造方法および製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコン半導体製品の高性能化に伴い、配線構造は微細化、多層化が加速している。このような高性能な配線を実現するために、近年は配線材料としてＣｕが使用されている。さらに、配線間の寄生容量を低減して信号の高速化を実現するために、層間絶縁膜として低比誘電率材料が使用され始めている。このような高性能なＣｕ配線構造の形成方法としては、銅のドライエッチングが極めて困難なことから、ダマシン技術が一般的に行われている。ダマシン技術では、下層配線上に層間絶縁膜を堆積した後、まず層間絶縁膜のドライエッチングによりビアホールおよび配線溝を形成する。次に、形成されたビアホールおよび配線溝へスパッタ法によりバリア層およびＣｕシード層を形成し、この後、電解めっきによるＣｕの埋め込みを行い、最後に化学機械研磨により余剰なＣｕの除去および平坦化を行うことにより、一連の配線構造を形成している。
【０００３】
このような配線構造の形成プロセスにおいて、高い配線歩留りを実現するためには、下層配線のＣｕ表面とビアホール底部に形成されるバリア層との間に良好なコンタクトが形成されなければならない。ビアホール形成後のビアホール底部に露出したＣｕの表面は、酸素アッシングによるレジスト除去工程や、その後の大気への放置によって、酸化Ｃｕ層が形成されている。したがって、バリア層との良好なコンタクトを得るためには、バリア層を形成することに先立ってこの酸化Ｃｕ層を除去しなければならず、その手段として従来は、アルゴン逆スパッタ法が一般的に用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、アルゴン逆スパッタ法は、プラズマによりイオン化したアルゴン粒子を半導体基板の表面に衝突させることによって半導体基板の表面の酸化Ｃｕ層を物理的に除去する方法であるために、以下のような問題がある。まず、ビアホール底部のＣｕがリスパッタによりビアホール側壁の層間絶縁膜に付着してしまうことにより、Ｃｕが層間絶縁膜中を拡散する。また、低比誘電率材料からなる層間絶縁膜がプラズマにさらされることにより損傷を受け、比誘電率が上昇してしまう。さらに、微細化したホールパターンがイオン衝撃により形状を損傷する。これらは何れも高性能な配線の実現に対して大きな問題となる。したがって、このような問題を発生することなく、ビアホール底部表面の酸化Ｃｕ層を除去することが必要である。
【０００５】
このような問題に対応するために、従来のアルゴン逆スパッタ法に替わる方法として、水素プラズマによる方法や、気化した蟻酸を作用させる方法が提案されている。
例えば、特許文献１では、異方性水素プラズマ法を用い、主に化学反応によりビアホール底部の酸化Ｃｕを除去することを提案している。
【０００６】
また、特許文献２では、気化させた蟻酸を真空反応室に導入し、ビアホール底部の酸化Ｃｕと蟻酸の化学反応により酸化Ｃｕを除去することを提案している。この方法では酸化Ｃｕの除去は効率的に行うことができる。
【特許文献１】特開２０００−３３２１１２号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１などに開示されているような、異方性水素プラズマ法を用いて、主に化学反応によりビアホール底部の酸化Ｃｕを除去する方法では、水素プラズマによる酸化Ｃｕとの化学反応の反応時間が遅くて処理に長時間を要すること、またこのために処理時間を長くすると、アルゴン逆スパッタ法と同様にプラズマによる低比誘電率膜の劣化およびパターンダメージの恐れがあることなどの課題を有している。
【０００８】
また、特許文献２などに開示されているような、気化させた蟻酸を真空反応室に導入し、ビアホール底部の酸化Ｃｕと蟻酸の化学反応により酸化Ｃｕを除去する方法では、以下の課題がある。まず、蟻酸は常温で液体のために真空チャンバーに導入する前にバブリングにより気化し、その後、高温を保持してチャンバーに導入させなければならないが、このような方法では大口径化した半導体基板面内に対し均一に蟻酸を供給することは難しく、酸化Ｃｕの除去量にばらつきが発生する可能性がある。また、金属製の真空チャンバーにそのような高温の酸を長時間導入するとチャンバー内に腐食が発生するため、量産に適用するには問題がある。
【０００９】
本発明はこれらの課題を解決するもので、バリア層を形成する前にビアホール底部に形成された酸化Ｃｕ層を除去する際に、ダメージ等の問題がなく、大口径の基板であっても酸化Ｃｕ層を均一に除去できる半導体装置の製造方法および製造装置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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法においては、配線溝とビアホールとが形成された半導体基板を有機酸洗浄してビアホール底部に形成された酸化Ｃｕ層を還元処理する工程と、前記還元処理後に真空加熱によりビアホール内の残留水分を完全に除去する工程と、前記残留水分除去後にスパッタリングによりバリア層およびＣｕシード層を形成する工程とを備える。
【００１１】
本発明を実現する装置は、ビアホール底部の酸化Ｃｕ層を有機酸洗浄により除去する還元処理室（還元処理部）と、前記洗浄後のビアホール内にわずかに残留する水分を真空加熱により除去する乾燥室（乾燥部）と、前記乾燥後に配線溝およびビアホール内にスパッタリングによりバリア層を形成するバリア層形成室（バリア層形成部）と、バリア層上にスパッタリングによりＣｕシード層を形成するＣｕシード層形成室（Ｃｕシード層形成部）とから構成される。前記還元処理室と前記乾燥室とをつなぐ部屋は、密閉性の高い搬送室となっており、大気圧で半導体基板を搬送する搬送ロボットが設置されている。前記搬送室は窒素が充満しており、酸素濃度が規定濃度以下に保持される。前記乾燥室と前記バリア層形成室およびＣｕシード層形成室とは、真空搬送室によって連結されており、前記真空搬送室には真空搬送ロボットが設置されている。
【００１２】
半導体基板は、本製造装置内において、まず還元処理室において有機酸洗浄処理が実施される。シュウ酸やクエン酸などの有機酸は、一般に、ＣｕやＦｅなどの金属汚染を除去するための洗浄液として用いられるが、中でもシュウ酸が高い除去能力を持つ。これは、シュウ酸は、化学構造が単純であるため、ＣｕやＦｅと容易にキレート錯体を形成することができるためである。この作用により、シュウ酸は、金属結合しているＣｕとは錯体を形成しないが、酸化Ｃｕ（ＣｕＯｘ）とはキレート錯体を形成してＣｕを溶解することができ、酸化Ｃｕ層を除去することができる。この際、有機酸には界面活性剤を添加することにより、有機酸はビアホール内に容易に侵入し、ビアホール底部に形成された酸化Ｃｕを効果的に除去してＣｕを露出させる。その後、直ちに純水洗浄およびスピン乾燥が実施される。
【００１３】
この後、半導体基板は前記搬送ロボットにより窒素で充満された搬送室を経由して乾燥室内に搬送される。この時、搬送室内の酸素濃度は規定濃度以下に保持されているため、洗浄により露出したＣｕ表面は酸化されることなく清浄度を保つことができる。乾燥室内ではビアホール内にわずかに残留する水分を真空加熱により完全に除去する。この後、半導体基板は、真空ロボットによりバリア層形成部に搬送され、スパッタリングによりバリア層が形成される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、Ｃｕ配線形成工程のうち、ビアホールおよび配線溝の形成後に上記方法を有する処理を施すことにより、低比誘電率材料からなる層間絶縁膜を劣化させることなく、かつ半導体基板面内にわたって均一に、下層配線Ｃｕとバリア層との間に良好なコンタクトを形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法および製造装置について図面を参照しながら説明する。図１に本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法のフローを示し、図２に本発明による半導体装置の断面を示す。また、図３に本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造装置の装置構成を示す。
【００１６】
以下に、本工程（本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に対応する工程）前までの工程の概略を説明する。図１、図２に示すように、まずＣｕによる下層配線２が形成された半導体基板１上に層間絶縁膜３を堆積させる（ステップＳ１０１）。層間絶縁膜３としては、近年の半導体装置の高性能化に伴い、配線容量を低減して信号の高速化を実現できる低比誘電率材料が用いられる。次にレジストパターンを形成した後、層間絶縁膜３のドライエッチングによりビアホール４および配線溝５を形成する（ステップＳ１０２）。次いで、酸素アッシングによりレジストを除去し、その後、薬液洗浄によりビアホール４内および配線溝５内に付着した有機物を除去（ステップＳ１０３）した後、本工程を行う。本工程が開始されるまでに、ビアホール４の底部に露出したＣｕ表面は、前記酸素アッシングおよび本工程を行う箇所に搬送されるまでに大気中に放置されることによって、３〜５ｎｍの厚さの酸化Ｃｕ層６が形成されている。
【００１７】
以下に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に対応する本工程の処理ならびに本半導体装置の製造装置について、順を追って説明する。図３に示すように、本半導体装置の製造装置は、還元処理室（還元処理部（有機酸洗浄部））１４、大気搬送ロボット１３が設けられた大気搬送室（大気搬送部）１２、赤外線ヒーター１６が設けられた真空乾燥室（真空乾燥部）１５、真空搬送ロボット１８が設けられた真空搬送室（真空搬送部）１７、バリア層形成室（バリア層形成部）１９、Ｃｕシード層形成室（Ｃｕシード層形成部）２０から構成されている。
【００１８】
上記したように、半導体基板１は、層間絶縁膜３にビアホール４および配線溝５が形成されているとともにビアホール４の底部に酸化Ｃｕ層６が形成されており、まず、この半導体基板１は、大気搬送室１２の大気搬送ロボット１３によって還元処理室１４に搬送される。
【００１９】
ステップＳ１０４において、還元処理室１４内では、５００ｒｐｍの速度で半導体基板１を回転させ、濃度が１．０％のシュウ酸を毎分１リットルの流量で３０秒間、半導体基板１上に注ぐことにより、ビアホール４の底部のＣｕ表面に形成された酸化Ｃｕ層６を除去し、Ｃｕを露出させる。前記シュウ酸には界面活性剤が添加されており、このため微細なビアホール４内に有機酸が容易に侵入し、ビアホール４の底部の酸化Ｃｕ層６を効率よく除去することができる。本処理によって、ビアホール４の底部のＣｕ表面に形成された酸化Ｃｕ層６は、層間絶縁膜３への物理的なダメージを生じることなく、半導体基板１の全面にわたって均一に除去される。この後、純水により１５秒間リンスを行い、さらに半導体基板１を１５００ｒｐｍの速度で回転させることによりスピン乾燥を実施する。
【００２０】
次にステップＳ１０５において、半導体基板１は、大気搬送室１２の大気搬送ロボット１３により、大気搬送室１２を通じて真空乾燥室１５に搬送される。ここで、大気搬送室１２は略大気圧に維持された密閉構造となっており、その室内は高純度窒素が充満されており、酸素濃度が１０ｐｐｍ以下に保持されている。このためビアホール４の底部に露出したＣｕ表面は酸化することなく清浄度を保ったまま真空乾燥室１５に搬送される。
【００２１】
次に真空乾燥室１５内では、半導体基板１の搬入後、１Ｐａまで真空引きされ、さらに赤外線ヒーター１６により２００℃で３０秒間加熱され、これにより、ビアホール４内にわずかに残留している水分が完全に除去される。
【００２２】
次に、ステップＳ１０６において、半導体基板１は、真空搬送室１７内に設けられた真空搬送ロボット１８により、真空搬送室１７を通じてバリア層形成室１９に搬送され、スパッタリングによりバリア層７を形成することによって、下層配線（Ｃｕ）２とバリア層７との間に良好なコンタクトを形成することができる。
【００２３】
ステップＳ１０７において、半導体基板１は、真空搬送ロボット１８によってＣｕシード層形成室２０に搬送され、スパッタリングによりＣｕシード層８を形成し、本製造装置内での処理を終了する。
【００２４】
本工程の後、電解めっきによるＣｕの埋め込みを行い（ステップＳ１０８）、次いで化学機械研磨により余剰なＣｕの除去および平坦化ステップＳ１０９を行うことにより、一連の配線構造が形成される。
【００２５】
次に、本発明による処理方法（製造方法）を実施した場合の効果について以下に説明する。本発明による処理方法の効果を確認するために、以下を実施した。
まず、ビア歩留りを評価するテストウエハを用いて、従来のアルゴン逆スパッタによる処理を実施した場合と、本発明による処理を実施した場合とで、歩留りを比較した結果、図４（ａ）に示す結果となり、両処理方法ともに９８％以上と良好な歩留りが得られた。ここで用いたテストウエハのビアホール径は０．１８μｍ、アスペクト比は３であり、微細なホールに対しても高歩留まりを得ることが可能であるといえる。
【００２６】
また、低比誘電率膜への影響を評価するために、低比誘電率膜を成膜した半導体基板１を用い、アルゴン逆スパッタ処理を実施した場合と、シュウ酸洗浄処理を実施した場合に、それぞれ比誘電率の変化を計測した。結果は、図４（ｂ）に示すようになり、アルゴン逆スパッタ処理を実施すると比誘電率は４０％上昇するが、シュウ酸洗浄処理ではほとんど変化しないことがわかる。
【００２７】
以上のことから、本発明に示す半導体装置の製造方法ならびに製造装置により、低比誘電率の層間絶縁膜３にダメージを与えることなく、大口径の半導体基板１であっても酸化Ｃｕ層６を均一に除去でき、良好なコンタクトを形成することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明にかかる半導体装置は、Ｃｕ配線による多層配線を有する高性能な半導体装置の製造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の各工程（前工程および後工程を含む）を示す処理フローを示す図
【図２】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ同製造方法の各工程（前工程および後工程を含む）により製造した半導体装置の断面図
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造装置の装置構成を概略的に示す図
【図４】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ本発明の製造方法ならびに製造装置による半導体装置の効果を示す図
【符号の説明】
【００３０】
１  半導体基板
２  下層配線
３  層間絶縁膜
４  ビアホール
５  配線溝
６  酸化Ｃｕ層
７  バリア層
８  Ｃｕシード層
１２  大気搬送部
１３  大気搬送ロボット
１４  有機酸洗浄部
１５  真空乾燥部
１６  赤外線ヒーター
１７  真空搬送部
１８  真空搬送ロボット
１９  バリア層形成部
２０  Ｃｕシード層形成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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