(57)【要約】    【課題】  金属配線部にヒロックが生じることを防止して、電気特性における不均一性の拡大を防止し、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供する。    【解決手段】  半導体基板上に層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜に配線開口部を形成するとともに、この配線開口部内に銅を主成分とした導体膜を形成して金属配線を形成するようにした半導体装置の製造方法において、前記導体膜に水素を導入するための表面処理を施すこととした。また、前記表面処理を水素プラズマ処理とし、この水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去する表面処理を引き続き実行することとした。【選択図】      図４
2006100462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に配線開口部を形成するとともに、この配線開口部内に銅を主成分とした導体膜を形成して金属配線を形成するようにした半導体装置の製造方法において、
前記導体膜に水素を導入するための表面処理を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記表面処理を水素プラズマ処理とし、この水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去する表面処理を引き続き実行する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】
前記水素プラズマ処理の後の表面処理としてアンモニアプラズマ処理を施すことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記アンモニアプラズマ処理の実行時間は、前記水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去可能な時間とす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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に銅を主成分とした金属配線を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化に伴って、配線に関しては配線幅の縮小、高電流密度化、積層化が進んできており、配線上に形成する層間絶縁膜についても低誘電率化、薄膜化が要求されている。
【０００３】
また、配線の高電流密度化のために、配線材料としては配線抵抗の低い銅を主成分とした導体膜が用いられてきているが、このような銅を主成分とした導体膜を用いて半導体基板上に金属配線を形成する半導体装置の製造方法として、例えば下記の技術が知られている。
【０００４】
これは、半導体基板の上層に第１絶縁膜として例えばシリコン酸化膜を形成し、この第１絶縁膜に配線開口部を形成した後、例えば窒化チタン膜などからなる銅の拡散を防止するブロッキング膜を第１導体膜とするとともに、前記配線開口部を埋める銅膜を第２導体膜としてこれらを順次形成し、この第２導体膜及び前記第１導体膜を研磨して前記配線開口部内に配線を形成し、次いで、前記第１絶縁膜及び配線の表面を還元性雰囲気のプラズマにより処理して前記銅膜上の自然酸化膜を除去し、さらに、前記第１絶縁膜及び配線上に、例えばシリコン窒化膜などからなるキャップ絶縁膜を第２絶縁膜として堆積させるものである（例えば、特許文献１を参照。）。なお、還元性雰囲気のプラズマによる処理とは、アンモニアに代表されるガスを用いたプラズマエッチング処理が広く用いられている。
【特許文献１】特開２００１−０５３０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、半導体装置において金属配線部にボイド（void）やヒロック（hillock）が生じることがあったが、大きな配線部に生じる多少のボイドやヒロックについては、信頼性上ほとんど問題にならなかった。
【０００６】
ところが、上述したような近年の微細化された半導体装置においては、微細な金属配線部に前記ボイドやヒロックが生じてしまうと電気特性における不均一性の拡大、信頼性の低下といった不具合が生じてしまう。
【０００７】
すなわち、銅は容易にマイグレーションする事が知られており、例えば配線上に絶縁膜を形成する際の膜の応力やその後のプラズマエッチング処理時に、銅の移動によってボイドが発生すると配線抵抗の増加・断線を引き起こしたりするおそれがあるとともに、ヒロック（図３参照）が生じこれが成長するとショート故障に至るおそれがある。
【０００８】
本発明は、銅を主成分とした金属配線上にヒロックを生じさせないようにした半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１記載の本発明では、半導体基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に配線開口部を形成するとともに、この配線開口部内に銅を主成分とした導体膜を形成して金属配線を形成するようにした半導体装置の製造方法において、前記導体膜に水素を導入するための表面処理を施すこととした。
【００１０】
請求項２記載の本発明では、請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記表面処理を水素プラズマ処理とし、この水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去する表面処理を引き続き実行することを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の本発明では、請求項２記載の半導体装置の製造方法において、前記水素プラズマ処理の後の表面処理としてアンモニアプラズマ処理を施すことを特徴とする。
【００１２】
請求項４記載の本発明では、請求項３記載の半導体装置の製造方法において、前記アンモニアプラズマ処理の実行時間は、前記水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去可能な時間とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
（１）請求項１記載の本発明によれば、半導体基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に配線開口部を形成するとともに、この配線開口部内に銅を主成分とした導体膜を形成して金属配線を形成するようにした半導体装置の製造方法において、前記導体膜に水素を導入するための表面処理を施すこととしたので、ヒロックの発生を抑制することが可能となり、銅を主成分とする配線を有する半導体装置の電気特性における不均一性の拡大、信頼性の低下を防止することができる。
【００１４】
（２）請求項２記載の本発明によれば、前記表面処理を水素プラズマ処理とし、この水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去する表面処理を引き続き実行することにより、前記水素プラズマ処理によって導体膜に水素を加えてヒロックの発生を抑制することができるとともに、引き続き実行される表面処理によって、前記導体膜中に導入された水素を脱離させることできるので、残留水素によるボイド発生に起因する抵抗増大などの不具合の発生も防止可能となる。
【００１５】
（３）請求項３記載の本発明によれば、前記水素プラズマ処理の後の表面処理としてアンモニアプラズマ処理を施すこととしたので、前記水素プラズマ処理によって導体膜に水素を加えてヒロックの発生を抑制することができるとともに、前記アンモニアプラズマ処理によって、前記導体膜中に導入された水素を脱離させることができ、残留水素によるボイド発生に起因する抵抗増大などの不具合の発生も防止可能となる。しかも、水素プラズマ処理とアンモニアプラズマ処理とは、半導体プロセスに一般的に用いられるマルチチャンバなどを利用して一連の処理が可能であり、特別な処理装置などは不要となる。
【００１６】
（４）請求項４記載の本発明によれば、前記アンモニアプラズマ処理の実行時間は、前記水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去可能な時間としたので、熱量依存性のあるヒロック発生防止効果を損なうことなく、効果的に水素の脱離を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、半導体基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に配線開口部を形成するとともに、この配線開口部内に銅を主成分とした導体膜を形成して金属配線を形成するようにした半導体装置の製造方法において、前記導体膜に水素を導入するための表面処理を施すようにしたものである。
【００１８】
すなわち、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に配線開口部を形成する工程と、前記配線開口部内に銅を主成分とした導体膜を形成する工程と、前記導体膜に水素を導入するための表面処理工程と、一旦導入した水素を脱離させる表面処理工程とを有し、その後の絶縁膜の形成工程などを含む一連の他の工程を経て所望の半導体装置を得るようにしている。
【００１９】
上記製造方法は、銅を主成分とする埋め込み金属配線を備える半導体装置を製造するにあたって、金属配線上へのヒロック発生の抑制を目的として実験を重ねた結果、銅を主成分とした導体膜上に水素ガスを使用したプラズマ処理を施して前記導体膜中に水素を導入することにより、金属配線にヒロックが生じることを抑制することができることを見出したことによるものであり、その結果、銅を主成分とする金属配線を有する半導体装置の電気特性における不均一性の拡大、信頼性の低下を防止することができるようになった。
【００２０】
また、導体膜に水素を導入するための前記表面処理を水素プラズマ処理とし、この水素プラズマ処理の後、さらに導体膜に導入された水素を除去する表面処理を引き続き実行することが望ましい。この引き続き行われる表面処理により水素を脱離させることで、導体膜中の残留水素によりボイドなどが発生し、抵抗増大などを招くなどの不具合が発生することを防止することができる。
【００２１】
特に、水素プラズマ処理の後に引き続き行う前記表面処理としてはアンモニアプラズマ処理が好適である。
【００２２】
このアンモニアプラズマ処理は、従来から導体膜上に発生する自然酸化膜を除去するために行われているものであるが、ここでは、さらに水素プラズマ処理により導体膜中に導入された水素を脱離させることを大きな目的としている。かかる処理によって、導体膜中の残留水素によりボイドなどが発生し、抵抗増大などを招くなどの不具合が発生することを防止することができるのである。
【００２３】
また、水素プラズマ処理に引き続きアンモニアプラズマ処理を施す場合、半導体プロセスに一般的に用いられるマルチチャンバなどを共用することができるので、特別な処理装置を設置する必要はなく、コスト的に著しく不利になることもない。さらに、前記マルチチャンバを用いることで、アンモニアプラズマ処理を行った後、さらにプラズマＣＶＤ法などにより窒化珪素膜などからなる絶縁膜を配線上に形成することができる。なお、絶縁膜としては前記窒化珪素膜の他、例えばＳｉＯＣ膜、ＳｉＣＮ膜、ＳｉＣＯＨ膜、あるいは酸化膜などであってもよい。
【００２４】
ところで、前記アンモニアプラズマ処理の実行時間は、前記水素プラズマ処理により前記導体膜に導入された水素を除去可能な時間とするとよい。
【００２５】
すなわち、ヒロックは熱量依存性があることが知られており、アンモニアプラズマ処理の時間が必要以上に長くなると、ヒロックは再び増加する傾向となるからである。アンモニアプラズマ処理の最適な実行時間は、前記導体膜中に導入する水素量によって変化するものであるが、例えば、前述したように自然酸化膜を除去する目的で行う場合と同等の条件で行うアンモニアプラズマ処理であれば、その実行時間は１５秒以下とすることが望ましいことが実験的に分かった。より好ましくは８〜１０秒程度とするとよい。この時間であれば、導体膜中の残留水素はほとんどなくなり、かつヒロックの発生も著しく抑制することができる。すなわち、かかる処理時間ではヒロックを発生させるほどの熱量には至っていないものと推定される。
【００２６】
このように、本実施形態では、水素ガスとアンモニアガスとによる還元性雰囲気のプラズマ処理を二段階で行うようにしたことで、導体膜上の自然酸化膜をプラズ処理により除去する工程を兼ねながら、ヒロックの発生を抑制するとともに、アンモニアプラズマ処理の実行時間を最適化することで、熱量依存性のあるヒロック発生防止効果を損なうことなく、効果的に水素の脱離を図り、導体膜中の残留水素によるボイド発生などの不具合も防止可能となる。
【００２７】
なお、導体膜中の水素を脱離させるためであれば、アンモニアプラズマ処理に代えて、酸素、ヘリウム、アルゴンなどのプラズマ処理及び熱処理を用いることもできる。
【００２８】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながらより具体的に説明する。
【００２９】
図１は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図、図２は同製造方法により製造される半導体装置の断面視による模式的説明図、図３は金属配線上にヒロックが発生した状態を示す模式的説明図、図４はアンモニアプラズマ処理時間と導体膜中の水素含有量及びヒロック発生数との関係を示すグラフである。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に層間絶縁膜を形成する層間絶縁膜形成工程（Ｓ１）と、前記層間絶縁膜に配線開口部を形成する開口工程（Ｓ２）と、前記配線開口部内に銅を主成分とした導体膜を形成する導体膜形成工程（Ｓ３）と、前記導体膜上にキャップ層としての絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程（Ｓ６）とを有しており、この工程中、前記導体膜形成工程（Ｓ３）と前記絶縁膜形成工程（Ｓ６）との間に、導体膜に水素を加えるための表面処理工程（Ｓ４）と、前記水素を導体膜中から脱離させるためのアンモニアガスを用いたプラズマ処理工程（Ｓ５）とを設けたことに特徴がある。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、先ず、半導体基板１上に、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical  Vapor  Deposition）により堆積させたＳｉＯ2からなる絶縁膜１０に、銅を主成分とする金属配線部２（図２（ｃ）を参照）を形成するための配線用開口１１を形成し、この配線用開口１１内に、例えばタンタルや窒化タンタルからなる拡散防止金属膜１２を形成する。
【００３２】
なお、前記配線用開口１１は、図示しないが、レジストマスクを用いて開口パターンを設けたマスク層を形成し、このマスク層を介してプラズマエッチングを行うことにより形成することができる。
【００３３】
次いで、図２（ｂ）に示すように、例えば電気めっき法（ＥＣＤ：Electrochemical  Deposition）などを用いて銅メッキを行って導体膜１３を積層し、次いで熱処理する。
【００３４】
次いで、図２（ｃ）に示すように、化学機械研磨法（ＣＭＰ：Chemical  Mechanical  Polishing）により、前記絶縁膜１０上の余分な導体膜１３及び拡散防止金属膜１２を除去するために研磨して平坦化する。そして、有機酸系の洗浄液を用いて表面を洗浄し、銅が埋め込まれた金属配線部２が形成される。
【００３５】
この金属配線部２を形成した後、本発明の要部となる前記表面処理工程（Ｓ４）とこれに引き続きアンモニアガスによるプラズマ処理（Ｓ５）を実行することになる。この表面処理工程（Ｓ４）及びアンモニアガスによるプラズマ処理（Ｓ５）については後に詳述する。
【００３６】
そして、図２（ｄ）に示すように、金属配線部２上に、銅を拡散させないように、キャップ層として機能する層間絶縁膜３の一つとして例えば窒化珪素膜をＣＶＤ法により形成する（Ｓ６）。なお、この層間絶縁膜３は、このＣＶＤ法に代えて、ＳＯＤ（Spin  On  Diffusion）法やＳＯＧ（Spin  On  Glass）法などの塗布・コーティング法により成膜することもできる。
【００３７】
前記表面処理工程（Ｓ４）は、水素を前記導体膜１３中に導入するためのもので、本実施形態では水素ガスを用いた水素プラズマ処理を実行するようにしている。
【００３８】
この水素プラズマ処理は、プラズマＣＶＤ法などにも用いることのできるマルチチャンバ装置を用いており、水素ガス総数量を７００sccmとし、プラズマ処理時間としては４５秒、結合誘電型プラズマの発生条件として、２MHzの低周波出力４０００Ｗとしている。
【００３９】
その後、アンモニアガスによるプラズマ処理を行い、前記水素プラズマ処理で導体膜１３中に導入された水素を脱離させるのであるが、ここでのアンモニアプラズマ処理はアンモニアと窒素ガスとの混合ガス（アンモニア：窒素＝１：１０）を用い、ガス総流量を９８８０sccmとし、プラズマ処理時間を３０秒、結合誘電型プラズマの発生条件として１３．５６MHzの高周波出力３００Ｗとしている。これらプラズマ処理は、いずれも還元性雰囲気のプラズマ処理であり、前記金属配線部２上に発生する自然酸化膜を除去することもできる。
【００４０】
このように、水素ガスとアンモニアガスとによる二段階の還元性雰囲気のプラズマ処理を連続的な真空状態において行い、導体膜１３上に発生する自然酸化膜を除去する工程を兼ねながら、導体膜１３中に水素を導入してヒロックの発生を抑制するとともに、アンモニアプラズマ処理によって熱量依存性のあるヒロック発生防止効果を損なうことなく、効果的に水素の脱離を図るようにしている。
【００４１】
上述の水素ガスを用いたプラズマ処理を実行しなかった場合、図３に示すように、金属配線部２上には結果的に多数のヒロック（Hillock）が発生する。実験結果によれば、８５％程度の発生率であることが分かった。
【００４２】
一方、上述した水素プラズマ処理とこれに引き続きアンモニアプラズマ処理とを適宜条件で実行すると、図２（ｄ）に示すようにヒロックの発生はほとんど無い。
【００４３】
上述してきた本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、水素プラズマ処理により導入した水素を、銅を主成分とした導体膜１３（金属配線部２）上に形成する層間絶縁膜３の成膜前に行う自然酸化膜除去を目的としたプラズマ処理により脱離させるようにしたものであり、かかる処理を施したことによる効果も実験的に確認されている。
【００４４】
すなわち、図４に示すように、アンモニアプラズマ処理の開始とともに導体膜１３の含有水素は減少していく。水素含有量が適当な間はヒロックの発生はないものの処理時間を延ばしていくとヒロック数が増加しはじめる。
【００４５】
これは、ヒロックに熱量依存性があるからであり、このように、ヒロック抑制効果を保つためには、アンモニアプラズマ処理の処理時間や処理後放置時間に留意する必要がある。
【００４６】
このように、水素プラズマ処理を施すことにより、銅を主成分とした導体膜１３中に水素が導入され、この状態においてはヒロックの発生が著しく抑制される。そして引き続きアンモニアプラズマ処理を行うことで前記導体膜１３中に導入された水素が脱離し、残留水素によりボイドなどが発生することも防止可能となるのである。
【００４７】
なお、銅を主成分とする導体膜１３に水素が導入されていればヒロックの発生は抑制されることが分かっているので、水素プラズマ処理のみ、もしくはアンモニアプラズマ処理後に水素プラズマ処理を行った場合でもヒロックの発生については抑制できる。
【００４８】
以上説明してきたように、本実施形態によれば、銅を主成分とした導体膜１３の膜中に水素を導入することで、銅を主成分とした導体膜１３にヒロックが生じることを抑制でき、かつ導入された水素を、アンモニアプラズマ処理を行うことでヒロックの発生を抑制した状態で脱離し、残留水素によるボイド発生などの不具合も防止することができる。
【００４９】
したがって、銅を主成分とした導体膜１３を形成した後に窒化珪素膜などの層間絶縁膜３を形成する場合、よりヒロック発生の少ない状態で銅を主成分とした導体膜１３上の層間絶縁膜３の形成を行うことができる。
【００５０】
また、ヒロック発生が少ないため電気特性に不均一性拡大、信頼性の低下といった不具合を発生させずに層間絶縁膜３の形成を行うことができ、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００５１】
以上、本発明を実施形態を通して説明したが、本発明は上述した実施形態に限るものではない。
【００５２】
例えば、絶縁膜１０に形成した配線用開口１１内に形成した拡散防止金属膜１２を廃止して、前記配線用開口１１に導体膜１３を直接形成してもよい。
【００５３】
また、導体膜１３を電気めっき法（ＥＣＤ）により形成したが、これに代えて、物理気相成長法（ＰＶＤ：Physical  Vapor  Deposition）やＣＶＤ法により形成することもできる。
【００５４】
また、導体膜１３の膜中に水素を導入する表面処理としては、ＭＷ（Micro  wave）、ＥＣＲ（Electron  cyclotron  rensonance）などの手法を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図２】同製造方法により製造される半導体装置の断面視による模式的説明図である。
【図３】金属配線上にヒロックが発生した状態を示す模式的説明図である。
【図４】アンモニアプラズマ処理時間と導体膜中の水素含有量及びヒロック発生数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１  半導体基板
２  金属配線部
３  層間絶縁膜
１０  絶縁膜
１１  配線用開口
１２  拡散防止金属膜
１３  導体膜
【図１】
2006100462.tif 000003
【図２】
2006100462.tif 000004
【図３】
2006100462.tif 000005
【図４】
2006100462.tif 000006