(57)【要約】【課題】配線溝への埋め込み特性が良好で、信頼性の高い半導体装置を作製することができる半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板１０１上に、配線溝１０３が設けられた絶縁膜１０２を形成する工程（ａ）と、絶縁膜１０２上に導電性バリア膜１０４およびシード膜１０５を順次形成する工程（ｂ）と、シード膜１０５上に電解めっき法により電解めっき膜１０６を形成する工程（ｃ）とを備えている。工程（ｃ）では、半導体基板１０１の基板面に対して７０度以上９０度以下の方向から光を照射しながら、電解めっきを行う。【選択図】図１
2008153301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、配線溝が設けられた絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
前記絶縁膜の上面上および前記配線溝の内壁の上に第１の金属膜を形成する工程（ｂ）と、
前記第１の金属膜上に、第２の金属膜を形成する工程（ｃ）と、
前記半導体基板の基板面に対して７０度以上９０度以下の方向から光を照射しながら、電解めっき法により前記第２の金属膜上に前記配線溝を埋める第３の金属膜を形成する工程（ｄ）と、
前記配線溝の外側に形成された前記第１の金属膜、前記第２の金属膜、および前記第３の金属膜を除去して、前記配線溝内に配線を形成する工程（ｅ）と
を備えている半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記工程（ｄ）では、前記半導体基板の基板面に対して垂直な方向から光を照射する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｄ）では、波長が４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である光を照射する請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）で形成される前記第２の金属膜と前記工程（ｄ）で形成される前記第３の金属膜とは、互いに同じ金属を主成分とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記金属は銅である請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
回転機構を有し、半導体基板を保持するための保持部と、
前記保持部に対向し、前記半導体基板へ光を出射するための発光体と、
前記保持部と前記発光体との間に設けられ、少なくとも１つの開口部を有する遮蔽板とを備えている半導体装置の製造装置。
【請求項７】
前記発光体から出射する光は、前記開口部を通って前記半導体基板の基板面に対して７０度以上９０度以下の方向から入射する請求項６に記載の半導体装置の製造装置。
【請求項８】
前記発光体から出射する光は、前記開口部を通って前記半導体基板の基板面に対して垂直に入射する請求項７に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、銅などの電解めっきを用いた半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の低抵抗化を実現するために、銅を用いたダマシン配線の開発が行われている。しかし、半導体装置の微細化が進むとともに、電解めっき法を用いたダマシン配線の形成工程において、配線溝の良好な埋め込み特性を維持するのが困難になってきている。
【０００３】
これまで、ダマシン配線の配線溝の埋め込み方法として、電解めっき方法の中でも、電流および電圧をパルス状に印加しながらめっきする方法や、光を照射することにより添加剤を分解させながらめっきする方法などが提案されている。以下、図４を参照しながら、従来の半導体装置の製造方法について説明する（特許文献１参照）。図４（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ従来の半導体装置の製造方法におけるダマシン配線工程を示す断面図である。
【０００４】
最初に、図４（ａ）に示す工程では、半導体基板４０１上にシリコン酸化膜４０２を成膜する。続いて、図４（ｂ）に示す工程では、リソグラフィー法およびドライエッチング法により、シリコン酸化膜４０２内にダマシン配線溝４０３を形成する。
【０００５】
次に、図４（ｃ）に示す工程では、シリコン酸化膜４０２の上面およびダマシン配線溝４０３の内壁の上に、導電性バリア金属層４０４を成膜する。その後、図４（ｄ）に示すように、導電性バリア金属層４０４上に、シード層４０５を成膜する。
【０００６】
続いて、図４（ｅ）に示す工程では、シード層４０５を電極として、短波長の紫外線４０７を照射しながら電解銅めっきを行い、シード層４０５上に少なくともダマシン配線溝４０３が埋まるまで、銅膜４０６を成膜させる。ここで、電解銅めっき液としては、硫酸銅溶液を基本めっき液とする。また、硫酸銅溶液に含まれる溶剤としては、光沢性および機械的電気的強度を改善するための塩素、抑制剤として働くポリエチレングリコールなどの高分子化合物、促進剤として働くチオ化合物、およびレベラー剤として働くアゾ化合物が用いられる。なお、この工程では紫外線４０７を斜め方向（半導体基板４０１の基板面（配線が形成される面）に対して１度の方向）から照射することにより、シリコン酸化膜４０２の凸部上に形成された銅膜４０６に含まれるチオ化合物（促進剤）を優先的に分解させて、シリコン酸化膜４０２の凹部上に形成された銅膜４０６に含まれるチオ化合物（促進剤）を残存させる。このような状態で、電解銅めっきを行うことにより、チオ化合物（促進剤）が残存している凹部が凸部よりも優先的にめっきされる。以上の電解めっきプロセスにより、従来の半導体装置の製造方法では、凹凸が少なく、平坦化された銅膜４０６を成膜することができる。
【０００７】
最後に、図４（ｆ）に示す工程では、化学機械研磨法によって、ダマシン配線溝４０３の外側に形成された銅膜４０６、シード層４０５、および導電性バリア金属層４０４を除去することにより、ダマシン配線を形成することができる。
【特許文献１】特開２００５−３３３１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、チオ化合物（促進剤）を分解する従来の電解めっき方法では、ダマシン配線溝４０３の埋め込み特性が劣化するため、半導体装置の微細化への対応が難しくなっている。ここで、ダマシン配線溝４０３の埋め込み特性が劣化すると、ダマシン配線溝４０３内にボイドが発生し、半導体装置における電気特性および信頼性が低下するという可能性がある。
【０００９】
また、従来の電解めっき方法では、図５に示すような不具合も生じる可能性がある。図５（ａ）、（ｂ）は、従来の半導体装置の製造方法における光を照射する様子を示す断面図である。
【００１０】
図５（ａ）に示すように、半導体装置５０１の基板面に対して低角度の方向から光を照射する際、例えば半導体装置５０１の基板面に対して３度で入射させる場合、めっき装置に設けられた電界遮蔽板５０２あるいはフィルター（図示せず）等と半導体装置５０１との距離を８ｍｍ以上にしなければ、光を半導体装置５０１の基板面全体に照射することができない。しかしながら、通常、電解めっき膜の均一性を向上させるためには、フィルターあるいは電界遮蔽板５０２と半導体装置５０１との距離は、それぞれ１〜４ｍｍの範囲であることが望ましい。したがって、上記の距離を大きくする必要がある従来の半導体装置の製造方法では、電解めっき膜の均一性が悪化するおそれがある。
【００１１】
また、図５（ｂ）に示すように、半導体基板４０１に対して低角度の方向から光を照射する際は、凸部と凹部との段差により、銅膜４０６上には光が照射されない影の領域が生じてしまう。ここで、上記の段差が２００ｎｍある場合、配線幅方向の長さが約４０００ｎｍである影の領域が生じ、影の領域では電解めっきが十分に進行しなくなってしまうおそれがある。
【００１２】
本発明は、上記の不具合を鑑みてなされたものであり、配線溝への埋め込み特性が良好で、信頼性の高い半導体装置を作製することができる半導体装置の製造方法および半導体装置の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】
【００１３】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、配線溝が設けられた絶縁膜を形成する工程（ａ）と、前記絶縁膜の上面上および前記配線溝の内壁の上に第１の金属膜を形成する工程（ｂ）と、前記第１の金属膜上に、第２の金属膜を形成する工程（ｃ）と、前記半導体基板の基板面に対して７０度以上９０度以下の方向から光を照射しながら、電解めっき法により前記第２の金属膜上に前記配線溝を埋める第３の金属膜を形成する工程（ｄ）と、前記配線溝の外側に形成された前記第１の金属膜、前記第２の金属膜、および前記第３の金属膜を除去して、前記配線溝内に配線を形成する工程（ｅ）とを備えている。
【００１４】
この方法によると、工程（ｄ）において半導体基板の基板面に対して７０度以上９０度以下の方向から光を照射しながら電解めっきを行うことで、電解めっき液に含まれる添加剤が分解されることなく、第２の金属膜を活性化することができる。これにより、活性化された第２の金属膜の表面に、例えば促進剤などの添加剤が効率良く作用することができるため、配線溝におけるボイドの発生が抑制され、埋め込み特性が良好な第３の金属膜を得ることができる。その結果、本発明の製造方法では、微細化されても良好な埋め込み特性を維持することができ、信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。
【００１５】
また、前記工程（ｄ）では、前記半導体基板の基板面に対して垂直な方向から光を照射することが好ましい。この場合、半導体基板に形成された凸部による影の領域の発生が抑制されるため、半導体基板に対して光をより均一に照射することができ、均一性が良好な第３の金属膜を形成することができる。
【００１６】
なお、前記工程（ｃ）で形成される前記第２の金属膜と前記工程（ｄ）で形成される前記第３の金属膜とは、互いに同じ金属を主成分とすることが好ましく、前記金属が銅であれば特に好ましい。
【００１７】
また、本発明の半導体装置の製造装置は、回転機構を有し、半導体基板を保持するための保持部と、前記保持部に対向し、前記半導体基板へ光を出射するための発光体と、前記保持部と前記発光体との間に設けられ、少なくとも１つの開口部を有する遮蔽板とを備えている。
【００１８】
これによれば、発光体と半導体基板との間に設置された電界遮蔽板に開口部が形成されているため、半導体基板の基板面に対して例えば垂直な方向から光を照射することができる。このため、電解めっきの工程において本発明の製造装置を用いると、電解めっき液に含まれる添加剤が分解されることなく、効率良く電解めっきを行うことができ、配線溝に対する金属の埋め込み特性を向上させることができる。その結果、本発明に係る半導体装置の製造装置では、初期の電気特性の不良が起こりにくく、信頼性の高い半導体装置を製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置によると、従来よりも半導体基板の基板面に対して大きな角度から光を照射しながら電解めっきを行うことで、配線溝の埋め込み特性を向上させることができる。このため、半導体装置を微細化しても、良好な埋め込み特性を示し、信頼性の高い半導体装置を実現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】
【００２０】
（実施形態）
以下、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置について、図面を参照しながら説明する。最初に本実施形態の半導体装置の製造方法について述べる。
【００２１】
図１（ａ）〜（ｆ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００２２】
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により成膜温度を３５０℃として、膜厚が３００ｎｍの絶縁膜１０２を形成する。なお、絶縁膜１０２の材料としては、例えばＳｉ（シリコン）とＣ（炭素）、Ｏ（酸素）またはＮ（窒素）などから構成される化合物が挙げられる。また、本実施形態では１層のみを成膜しているが、２層以上の絶縁膜を順次形成してもよい。なお、成膜方法としては、溶剤を塗布した後、２００℃以上の条件でアニール処理することで絶縁膜１０２を成膜する方法も用いることができる。
【００２３】
次に、図１（ｂ）に示すように、フォトレジスト（図示せず）をマスクとして、ドライエッチング法により絶縁膜１０２内に配線溝１０３を形成する。
【００２４】
次に、図１（ｃ）に示すように、絶縁膜１０２の上面および配線溝１０３の内壁の上に、スパッタ法を用いて例えばＴａ（タンタル）からなる導電性バリア膜１０４を成膜する。このとき、ターゲットバイアスを３０ｋＷ、基板バイアスを３００Ｗとする成膜条件を用いる。ここで、導電性バリア膜１０４の材料としてＴａ以外に、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、およびＲｕ（ルテニウム）などの金属や、これらの金属にＮ（窒素）、Ｃ（炭素）、またはＳｉ（シリコン）がドープされた金属化合物を用いてもよい。また、これらの金属や金属化合物を順次積層した膜でも問題ない。特に、導電性バリア膜１０４としては、ＴａＮ、Ｔａを順次形成した積層膜が好ましい。また、導電性バリア膜１０４の成膜方法としては、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いているが、ＣＶＤ法によって成膜してもよい。さらに、成膜用のガスの組成を連続的に変化させながら成膜することで、組成が連続的に変化した導電性バリア膜１０４を形成してもよい。
【００２５】
次に図１（ｄ）に示すように、導電性バリア膜１０４上に、スパッタ法を用いて例えば膜厚が４０ｎｍで、Ｃｕなどからなるシード膜１０５を成膜する。このとき、ターゲットバイアスを４０ｋＷ、基板バイアスを６００Ｗとする成膜条件を用いる。なお、ＰＶＤ法以外に、ＣＶＤ法を用いてシード膜１０５を成膜してもよい。
【００２６】
次に図１（ｅ）に示すように、半導体基板１０１全体を硫酸銅めっき液が入っためっき槽（図示せず）に浸漬し、光１０７を照射しながら、電解めっきによりシード膜１０５に電流を流すことで、シード膜１０５上に例えば膜厚が５００ｎｍで銅からなる電解めっき膜１０６を成膜する。ここで用いる硫酸銅めっき液には、例えば塩素が１０〜１００ｐｐｍ、硫酸が１０〜２５０ｇ／Ｌ、および銅が５〜１００ｇ／Ｌの濃度でそれぞれ含まれている。硫酸銅めっき液に含まれる添加剤としては、ポリエチレングリコールなどの高分子化合物（抑制剤）、チオ化合物（促進剤）、およびアゾ化合物（レベラー剤）などが用いられる。
【００２７】
なお、本工程では半導体基板１０１の基板面に対して垂直な方向から光１０７を照射させる。また、照射する光１０７の波長は、４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることが好ましい。この範囲の波長を有する光１０７を照射する理由について図２を用いて以下に説明する。
【００２８】
図２は、光の波長に対する銅の反射率を示す図である。同図から、銅は、６００ｎｍ以下の波長の光を吸収しやすいことがわかる。また、上述した各種の添加剤に含まれるＣ−Ｃ結合などの単結合は２００〜３７０ｎｍの波長を有する光を吸収し、Ｃ＝Ｏ結合などのニ重結合は１５０〜２２０ｎｍの波長を有する光を吸収する。このため、光による添加剤の分解を抑制するためには、例えば４００ｎｍ以上の長波長の光を用いることが好ましい。以上のことより、添加剤へ及ぼす影響を抑えながら、銅の表面を活性化するためには、４００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を照射することが効果的である。
【００２９】
最後に、図１（ｆ）に示すように、ＣＭＰ（化学機械研磨）法により、配線溝１０３の外側に形成された電解めっき膜１０６、シード膜１０５、および導電性バリア膜１０４を除去することにより、本実施形態の半導体装置に係るダマシン配線を作製することができる。
【００３０】
本実施形態の製造方法の特徴は、図１（ｅ）に示す工程において、半導体基板１０１の基板面に対して垂直な方向から光１０７を照射しながら、電解めっきを行うことにある。この方法によれば、めっき液に含まれる添加剤が分解されることなく、銅からなるシード膜１０５が照射された光１０７を吸収し活性化することができる。この場合、活性化されたシード膜１０５の表面に、促進剤などの添加剤が効率良く作用することができるため、配線溝１０３にボイドなどが発生するのが抑制され、埋め込み特性が良好な電解めっき膜１０６を得ることができる。その結果、本実施形態の製造方法では、微細化されても良好な埋め込み特性を維持でき、信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。
【００３１】
なお、図１（ｅ）に示す電解めっきの工程では、半導体基板１０１上に形成された凸部により影の領域が発生するのを抑制するため、半導体基板１０１の基板面に対して、７０度以上９０度以下の方向から光１０７を照射することが好ましい。さらには、実施形態の製造方法のように、半導体基板１０１の基板面に対して垂直な方向から光１０７を照射すると特に好ましい。
【００３２】
次に、本実施形態に係る半導体装置の製造装置について図３を用いて説明する。図３（ａ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すIIIｂ−IIIｂ線における断面図である。また、図３（ｃ）は、本実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す斜視図である。なお、図３に示す製造装置は、上述の図１（ｅ）に示す電解めっきの工程に用いる製造装置である。
【００３３】
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態に係る半導体装置の製造装置は、回転機構を有し、半導体基板２０１を支持するための保持部２００と、保持部２００に対向し、半導体基板２０１へ光２０５を出射するための発光体２０３と、保持部２００と発光体２０３との間に設けられ、開口部２０２を有する電界遮蔽板２０４およびフィルター（図示せず）とを備えている。なお、電界遮蔽板２０４は、フィルター（図示せず）や半導体基板２０１の周辺部にいおける電界をコントロールするために設けられている。また、電界遮蔽板２０４およびフィルター（図示せず）に設けられた開口部は複数個形成されていてもよい。
【００３４】
また、図示はしないが、電界遮蔽板２０４およびフィルターと発光体２０３との間にはアノードが設けられている。図１（ｅ）に示す工程では、半導体基板２０１上に形成されたシード膜１０５（図１（ｄ）参照）をカソードとして、アノードとカソードとの間に電流を印加することで、電解めっきが行われる。電界めっきの電流条件としては、電流密度が５〜５０ｍＡ、回転数が５〜２００ｒｐｍであることが好ましい。
【００３５】
続いて、本実施形態に係る半導体装置の製造装置の動作について説明する（図３参照）。本実施形態の製造装置では、半導体基板２０１を保持部２００に設置し、保持部２００を回転させながら、発光体２０３より半導体基板２０１に対して光２０５を照射する。このとき、発光体２０３から出射された光２０５は、フィルター（図示せず）および電界遮蔽板２０４に設けられた開口部２０２を通って、半導体基板２０１へ入射する。
【００３６】
本実施形態の半導体装置の製造装置では、発光体２０３と半導体基板２０１との間に設置されたフィルター（図示せず）および電界遮蔽板２０４に開口部２０２が形成されているため、半導体基板２０１の基板面に対して垂直に光２０５を照射することができる。その結果、電解めっきの際に、めっき液中の添加剤が分解されることなく効率良く電解めっきを行うことができ、配線溝に対しても良好な埋め込み特性を示すことができる。これにより、本実施形態に係る半導体製造装置を用いると、初期の電気特性の不良が起こりにくく、信頼性の高い半導体装置を製造することができる。
【００３７】
なお、例えば直径が３００ｎｍである半導体基板２０１を用いる場合、開口部２０２の長手方向の長さは１５０ｍｍ以上あればよい。この場合、半導体基板２０１を回転させながら電界めっきを行うことで、半導体基板２０１全体に光２０５を照射することができる。また、開口部２０２の短手方向の長さは、半導体基板２０１の回転数によって調整することができる。
【００３８】
なお、本実施形態の製造装置では、例えば半導体基板２０１の基板面および電界遮蔽板２０４の下面（発光体２０３に対向する面）に平行な方向を軸として所定の幅で回転したり、平面的に見て一部分のみが開口部２０２と重なるように、電界遮蔽板２０４と平行な方向に移動したりすることができる発光体２０３を備えていてもよい。以上のような可動式の発光体２０３を用いることで、半導体基板２０１の基板面に対して７０度以上９０度未満の方向から光を照射することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置の製造装置は、例えば埋め込み配線を有する半導体装置の微細化に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光の波長に対する銅の反射率を示す図である。
【図３】（ａ）は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造装置を示す上面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すIIIｂ−IIIｂ線における断面図であり、図３（ｃ）は、実施形態の製造装置を示す斜視図である。
【図４】従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ従来の半導体装置の製造方法に係る光照射の様子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１      半導体基板 
１０２      絶縁膜 
１０３      配線溝 
１０４      導電性バリア膜 
１０５      シード膜 
１０６      電界めっき膜 
１０７      光
２００      保持部 
２０１      半導体基板 
２０２      開口部 
２０３      発光体 
２０４      電界遮蔽板
２０５      光 
４０１      半導体基板 
４０２      シリコン酸化膜 
４０３      ダマシン配線溝 
４０４      導電性バリア金属層 
４０５      シード層 
４０６      銅膜 
４０７      紫外線 
５０１      半導体装置 
５０２      電界遮蔽板
【図１】
2008153301.tif 000003
【図２】
2008153301.tif 000004
【図３】
2008153301.tif 000005
【図４】
2008153301.tif 000006
【図５】
2008153301.tif 000007