(57)【要約】      （修正有）【課題】空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前におけるビア底の高抵抗層の除去手段として、プラズマを用いない新規な半導体装置の製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】層間膜に比誘電率の値が３未満の低誘電率膜１０２を用いた金属膜配線１０３を含む半導体装置の製造方法において、前記金属膜配線と前記層間膜の間に形成されるバリアメタル１０５を成膜する前に、１００℃〜４００℃に温調されたＮＨ3ガスなどの還元性を有するガスもしくは還元性を有するガスを含む混合ガスで熱還元処理を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間膜に比誘電率の値が３未満の低誘電率膜を用いた金属膜配線を含む半導体装置の製造方法において、前記金属膜配線と前記層間膜の間に形成されるバリアメタルを成膜する前に、１００℃〜４００℃に温調された還元性を有するガスもしくは還元性を有するガスを含む混合ガスで熱還元処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記熱還元処理に用いるガスは、還元作用を有し、水素、アンモニア、ＣＯ、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ、ＳＯ２、ヒドラジンのうち少なくとも１種を具備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】
前記還元処理に用いるガスは、還元性を有するガスと、不活性ガスの混合ガスであって、前記不活性ガスはヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記還元性を有するガスもしくは還元性を有するガスを含む混合ガスの温調を、ガス導入配管を温調することにより行うことを特徴とする請求項１又は２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、金属膜配線に銅（Ｃｕ）などを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、低抵抗で高いエレクトロマイグレーション（ＥＭ）耐性を有するＣｕ配線（金属膜配線）は、高集積化し微細化されたＬＳＩ配線用の高信頼性材料として期待されている。
微細加工の難しいＣｕ配線を作製する有効な手法の一つに、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地にＣｕ膜の埋め込みを行うダマシン法がある。ダマシン法を用いてＣｕ膜の埋め込みを行う手法として、現在実用化されている技術が、電解めっきである。
【０００３】
図３に電解めっきを用いたダマシンＣｕ配線の形成プロセスの一例を示す。このプロセスでは、まず、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地基板３０１（含む下地配線３０２）（図３−１）を、不活性雰囲気（ＡｒもしくはＮ２）にて２００〜３５０℃のアニール処理を行い、加工面（溝・ビアの側壁ならびに底面）に吸着している水分等を除去する。
次に、前記下地基板３０１（含む下地配線１０２）の下層配線表面にできた高抵抗層３０３（主として酸化銅）を除去する目的で、イオン化させたＡｒを基板バイアスで引き込んで物理的除去を行う（図３−２）。次にバリアメタル３０４（ＴａＮ，ＴｉＮ、ＷＮ等）の成膜を行ってから、電解めっき用シード層３０５としてＣｕの成膜を行なう（図３−３）。
さらに、電解めっきによりＣｕの埋め込み成膜を行い、めっき層３０６を形成する（図３−４）。
最後に、ＣＭＰにより上部の余分なＣｕ層およびバリアメタルを除去し、平坦化を行う（図３−５）。以上の工程で、Ｃｕ配線の形成を行う。
【０００４】
このようにして、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地に、電解めっきにより、Ｃｕ膜の埋め込みが行なわれているが、今後のデバイスにおいては、絶縁膜が低誘電率膜、特に誘電率を下げるために、空孔を有する低誘電率膜の使用が検討されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６９１２号公報
【０００６】
例えば、上述に示した、特許文献の如く、低誘電率絶縁膜特に空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する場合、下層配線表面にできた高抵抗層をＡｒイオンで物理的に除去すると、あらかじめ溝・ビア加工を施した間口部分がＡｒイオンによりたたかれて広がってしまい（図３−２）、隣り合う配線間がショートしてしまうという問題がある。また、ビア底の高抵抗層を除去する際に、ＡｒイオンでたたかれたＣｕ成分が、ビア側壁に付着し、後のプロセス温度において、Ｃｕが、絶縁膜中を拡散し、配線間のリーク電流が増大し、配線の性能を悪化させる原因となる。
また、Ａｒイオンにより、低誘電率膜にダメージが入り、配線間容量の増加、膜の収縮率の問題が生じる。
【０００７】
これを解決するために、水素もしくはアンモニアガスを含むガスをプラズマ励起させてＣｕ表面の残渣物を還元除去する方法が考えられたが、特に、層間膜にＬｏｗ−ｋ材料を用いた場合においては、このプラズマ処理により、膜がダメージを受け、配線溝ならびにビア側壁の形状がボウイングするため、後のＣｕ埋設が困難となり、配線ならびに配線同士を繋ぐビア内部にボイドを形成し、導通不良や配線の信頼性を劣化させてしまう。また、膜がダメージを受けることにより、Ｌｏｗ−ｋ膜が変質し、誘電率が上昇してしまう問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上説明したように、従来の方法では、配線ならびに配線同士を繋ぐビア内部にボイドを形成し、導通不良や配線の信頼性が乏しく、膜がダメージを受けることにより、Ｌｏｗ−ｋ膜が変質し、誘電率が上昇してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前におけるビア底の高抵抗層の除去手段として、プラズマを用いない新規な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、層間膜に比誘電率の値が３未満の低誘電率膜を用いた金属膜配線を含む半導体装置の製造方法において、前記金属膜配線と前記層間膜の間に形成されるバリアメタルを成膜する前に、１００℃〜４００℃に温調された還元性を有するガスもしくは還元性を有するガスを含む混合ガスで熱還元処理を行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明の方法において、前記熱還元処理に用いるガスは、還元作用を有し、水素、アンモニア、ＣＯ、Ｈ２Ｓ、ＨＣｌ、ＳＯ２、ヒドラジンのうち少なくとも１種を用いることが望ましい。
【００１２】
また、本発明の方法において、前記還元処理に用いるガスは、還元性を有するガスと、不活性ガスの混合ガスであって、前記不活性ガスはヘリウム、窒素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンのうちのいずれかであることが望ましい。
【００１３】
さらに、本発明の方法において、前記還元性を有するガスもしくは還元性を有するガスを含む混合ガスの温調を、ガス導入配管を温調することにより行うことが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明において、プラズマを用いないでプレクリーン処理を行うことにより、特に層間膜にＬｏｗ−ｋ材料を用いた際においても、膜にダメージを与えることが無いために、誘電率の上昇が抑えられる。
また、膜がエッチングされないため、配線溝やビアホールを加工した形状が保たれ、後のバリアメタル・シードＣｕ・めっき成長においても、配線やビア内部にボイド無くＣｕを埋め込むことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態につき、実施例を基に、図１及び２を用いて詳細に説明する。
【００１６】
（実施例１）
まず、ＰＶＤ装置を用いて、あらかじめ比誘電率の値が２．２のポーラスＭＳＱ膜（低誘電率絶縁膜）１０２上に溝・ビア加工を施した基板（下地基板）１０１を、３５０℃に加熱したヒーターステージ上に載置し、ＮＨ３を導入してチャンバー内圧力を６６６．５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）に保ち、下層配線１０３表面の高抵抗層１０４除去の目的で、１２０秒間の還元処理を行った。
次に、真空を保持したまま、バリアメタル１０５として、ＴａＮ（例えば１０ｎｍ）およびＴａ（例えば１５ｎｍ）をＰＶＤ法にて成膜した。
さらに、真空を保持したまま、電解めっき用シード層１０６として、Ｃｕ（例えば１００ｎｍ）をＰＶＤ法にて成膜を行った。その後、電解めっきによりＣｕの埋め込み成膜を行い、めっき層１０７を形成した。
最後に、ＣＭＰにより上部の余分なＣｕ層を除去し、平坦化を行った。
【００１７】
以上から形成されたＣｕデュアルダマシン配線の形状を確認したところ、あらかじめ溝・ビア加工した間口の形状を変化させることなく、且つ、高抵抗層の除去が確認できた。
次に、ヒーターステージ温度２００℃、２５０℃、３００℃、４００℃、４５０℃についても同様に実験した。形状は、全水準ともに変化が見られなかったものの、温度２００℃の場合、処理時間を３００秒に延長しても、完全に高抵抗層を除去することができなかった。なお、２５０℃では処理時間２００秒で、４００℃では６０秒で、４５０℃では４５秒で、それぞれ高抵抗層を完全に除去することができた。
【００１８】
（実施例２）
上記実施例１と同様の実験を、あらかじめ還元性ガスの配管のまわりをスパイラルの電熱線で取り巻き、２５０℃に温調した還元性ガスをチャンバー内に導入して圧力６６６．５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）に保ち還元処理を行った。その結果、前記実施例１において高抵抗層除去の効果が見られなかったヒーターステージ温度２００℃においても、１００秒で完全に除去することができ、その他の温度、たとえば２５０℃では６０秒で高抵抗層を除去することができ、還元効率が向上した。
【００１９】
従って、デュアルダマシン配線の形状を変えることなく、且つＭＳＱ膜にダメージを与えることなく、ビア底の高抵抗層を除去するためには、還元性ガスの温調を行わない場合には、ヒーターステージ温度として、２５０℃≦ヒーターステージ温度≦４５０℃をもちいることが望ましく、還元性ガスの温調を１００℃〜４００℃にしてチャンバーに導入した場合のヒーターステージ温度は、さらに低い１５０℃〜２５０℃でも十分効果が得られる。配線信頼性向上の観点では、プロセスの低温化が重要であり、還元性ガスの温調を行うことで、ステージ温度が低くても還元効果が得られるという点で、温調を行っての還元処理をおこなうことがより望ましい。
【００２０】
なお、本実施例に用いた熱還元処理チャンバーの構造を図２に示す。まず、チャンバー２０１には、抵抗加熱方式のステージ２０２で、温度は５００℃までコントロールすることができ、ここにウエハーをおいて、処理を行う。チャンバー内へは、ＡｒとＮＨ３のガスライン２０３がつながっており、圧力はチャンバー２０１と排気ライン２０４の間に取り付けられたボールバルブ２０５の開閉度を制御することにより、１３．３３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）から２６６６Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）の範囲で制御が可能である。なお、アイドル時に真空度を保つため、ターボ分子ポンプ２０６からも排気が可能であるが、処理時には、ゲートバルブ２０７を閉じて処理を行う。
【００２１】
上述した本実施形態によれば、高信頼なＣｕ−ｌｏｗＫ配線を作製することが可能となりＵＬＳＩデバイスの高集積化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態を説明するための工程図
【図２】本発明の実施形態に用いた熱還元処理チャンバーの構造を示す図
【図３】従来のダマシン法によるＣｕ配線成膜方法を説明するための工程図
【符号の説明】
【００２３】
１０１  基板（下地基板）
１０２  ポーラスＭＳＱ（低誘電率絶縁膜）
１０３  下層配線（金属膜配線）
１０４  高抵抗層
１０５  バリアメタル
１０６  電解めっき用シード層
１０７  めっき層
２０１  処理チャンバー
２０２  ステージ
２０３  ガスライン
２０４  排気ライン
２０５  ボールバルブ
２０６  ターボ分子ポンプ
２０７  ゲートバルブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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