(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｌｏｗ−ｋ膜を用いた銅配線形成工程における乾燥不良の問題を解消することのできる半導体基板の洗浄方法を提供する。【解決手段】銅配線層が形成された半導体基板の洗浄方法であって、銅配線層の上には、親水性の第１の膜７、疎水性の第２の膜８および親水性の第３の膜９がこの順に積層されており、これらの膜に設けられた開口部１１から銅配線層を構成する銅層が露出した状態で半導体基板に対して薬液処理を行う第１の工程と、この薬液処理後に半導体基板に対して純水を用いた水洗処理を行う第２の工程と、半導体基板を回転させた状態で、濃度が０．０１体積％〜２．０体積％であるイソプロピルアルコールの蒸気を含むガスを供給し、半導体基板に付着した純水を除去する乾燥処理を行う第３の工程とを有する。【選択図】図４
2005340618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅配線層が形成された半導体基板の洗浄方法であって、
前記銅配線層の上には、親水性の第１の膜、疎水性の第２の膜および親水性の第３の膜がこの順に積層されており、これらの膜に設けられた開口部から前記銅配線層を構成する銅層が露出した状態で前記半導体基板に対して薬液処理を行う第１の工程と、
前記薬液処理後に前記半導体基板に対して純水を用いた水洗処理を行う第２の工程と、
前記半導体基板を回転させた状態で、濃度が０．０１体積％〜２．０体積％であるイソプロピルアルコールの蒸気を含むガスを供給し、前記半導体基板に付着した前記純水を除去する乾燥処理を行う第３の工程とを有することを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
【請求項２】
前記第２の工程に連続して前記第３の工程を行う請求項１に記載の半導体基板の洗浄方法。
【請求項３】
前記第２の工程を終了する間際に前記第３の工程を開始する請求項１に記載の半導体基板の洗浄方法。
【請求項４】
前記第３の工程は、前記半導体基板を２００ｒｐｍ〜８００ｒｐｍの低速で回転させる第１のステップと、該第１のステップの後に前記半導体基板を１，０００ｒｐｍ以上の高速で回転させる第２のステップとからなる請求項１に記載の半導体基板の洗浄方法。
【請求項５】
前記第１のステップは、さらに回転速度の異なる複数のステップからなる請求項４に記載の半導体基板の洗浄方法。
【請求項６】
前記第１の膜は拡散防止膜であり、
前記第２の膜は低誘電率絶縁膜であり、
前記第３の膜はキャップ膜である請求項１〜５に記載の半導体基板の洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の洗浄方法に関し、より詳しくは、銅配線層が形成された半導体基板の洗浄方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスの高速化は著しく、多層配線部における配線抵抗と配線層間の寄生容量に起因する信号伝搬速度の低下による伝送遅延が問題となってきている。こうした問題は、半導体デバイスの高集積化に伴う配線幅および配線間隔の微細化につれて配線抵抗が上昇し且つ寄生容量が増大するので、益々顕著となる傾向にある。
【０００３】
配線抵抗および寄生容量の増大に基づく信号遅延を防止するために、従来より、アルミニウム配線に代わる銅配線の導入が行われるとともに、層間絶縁膜として低誘電率の絶縁膜（以下、Ｌｏｗ−ｋ膜という。）を用いることが試みられてきた。
【０００４】
Ｌｏｗ−ｋ膜を用いた銅配線の形成方法としては、ダマシン法によるものがある。これは、銅がアルミニウムに比較してエッチングレートの制御が困難であることに鑑み、銅をエッチングせずに配線を形成する技術として知られている。
【０００５】
ダマシン法は、具体的には、レジスト膜をマスクとしたＬｏｗ−ｋ膜のドライエッチングによって開口部を形成した後、レジスト膜をアッシングにより除去してから開口部に銅層を埋込むことによって銅配線層を形成する方法である。銅層の埋込みは、メッキ法により開口部を埋設するように銅膜を形成した後、開口部内にのみ銅膜を残すようにＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用いて表面を平坦化することによって実現することができる。
【０００６】
ところで、半導体装置の製造工程で行われる基板の洗浄方法には、複数の基板を一括して洗浄するバッチ方式と、基板を１枚づつ洗浄する枚葉方式とがある。基板の大口径化が進む近年では、枚様方式による洗浄方法が主流となる傾向にある。
【０００７】
枚様方式の洗浄装置としては、スピン式の洗浄装置が一般的である。この装置によれば、洗浄は、回転した基板上に薬液、純水を順に供給することによって行われる。また、洗浄後の基板の乾燥は、基板に付着した液を回転により弾き飛ばすことによって行う他、不活性ガスまたはクリーンエアーを基板に吹き付けたり、付着した液をイソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡという。）液またはその蒸気で置換したりすることによっても行われる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特開平０９−０３８５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、ダマシン法による銅配線工程において、Ｌｏｗ−ｋ膜に開口部を形成した後に行う洗浄では次のような問題があった。以下、この問題を図７を用いて詳述する。
【００１０】
図７において、シリコン基板２１上に設けられた拡散防止膜２２の上には、Ｌｏｗ−ｋ膜２３および銅配線層２４が形成されている。また、Ｌｏｗ−ｋ膜２３の上には、さらに、拡散防止膜２５、Ｌｏｗ−ｋ膜２６およびキャップ膜２７がこの順に積層されている。そして、これらの膜には、銅配線層２４に至る開口部２８が設けられている。
【００１１】
一般に、拡散防止膜２５およびキャップ膜２７としては親水性の材料が用いられるのに対し、Ｌｏｗ−ｋ膜２６としては疎水性の材料が用いられる。このため、洗浄に使用された水（純水）２９はＬｏｗ−ｋ膜２６に弾かれて、図７に示すように、開口部２８の内部で上下に分かれて存在するようになる。この場合、開口部２８の底部にある水２９は除去され難いので、乾燥処理後も開口部２８内に残留して銅配線層２４上に被膜を形成する。この被膜は、配線間の接続不良を起こして接触抵抗を増大させ、配線形成工程における歩留まり低下をもたらすという問題があった。
【００１２】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、Ｌｏｗ−ｋ膜を用いた銅配線形成工程における乾燥不良の問題を解消することのできる半導体基板の洗浄方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、銅配線層が形成された半導体基板の洗浄方法であって、銅配線層の上には、親水性の第１の膜、疎水性の第２の膜および親水性の第３の膜がこの順に積層されており、これらの膜に設けられた開口部から銅配線層を構成する銅層が露出した状態で半導体基板に対して薬液処理を行う第１の工程と、この薬液処理後に半導体基板に対して純水を用いた水洗処理を行う第２の工程と、半導体基板を回転させた状態で、濃度が０．０１体積％〜２．０体積％であるイソプロピルアルコールの蒸気を含むガスを供給し、半導体基板に付着した純水を除去する乾燥処理を行う第３の工程とを有することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明において、第３の工程は第２の工程に連続して行うことが好ましい。または、第２の工程を終了する間際に第３の工程を開始することが好ましい。
【００１６】
本発明において、第３の工程は、半導体基板を２００ｒｐｍ〜８００ｒｐｍの低速で回転させる第１のステップと、この第１のステップの後に半導体基板を１，０００ｒｐｍ以上の高速で回転させる第２のステップとからなることが好ましい。この場合、第１のステップは、さらに回転速度の異なる複数のステップからなるものとすることができる。
【００１７】
本発明において、第１の膜は拡散防止膜とすることができる。
【００１８】
また、本発明において、第２の膜は低誘電率絶縁膜とすることができる。ここで、低誘電率絶縁膜とは、比誘電率がＳｉＯ２膜よりも低い絶縁膜をいう。
【００１９】
さらに、本発明において、第３の膜はキャップ膜とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、濃度が０．０１体積％〜２．０体積％であるイソプロピルアルコールの蒸気を含むガスを用いて半導体基板の乾燥処理を行うので、乾燥不良を起こすことなしに半導体基板を洗浄することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。尚、ＭＯＳトランジスタ、拡散層およびプラグ形成などの通常のＬＳＩ製造工程については便宜上割愛し、金属配線の形成工程について説明する。
【００２２】
図１〜図６および図８は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を示す断面図である。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【００２３】
まず、半導体基板としてのシリコン基板１上に下層の銅配線層２を形成する（図１）。
【００２４】
具体的には、シリコン基板１上に、第１の拡散防止膜３および第１の層間絶縁膜４を順に積層した後、第１の層間絶縁膜４に第１の拡散防止膜３に至る開口部を設け、この開口部内に第１のバリアメタル膜５を介して第１の銅層６を埋め込むことによって、銅配線層２を形成することができる。
【００２５】
次に、銅配線層２の形成された第１の層間絶縁膜４上に、第２の拡散防止膜７、第２の層間絶縁膜８およびキャップ膜９をこの順に積層する（図２）。ここで、第２の拡散防止膜７、第２の層間絶縁膜８およびキャップ膜９は、それぞれ本発明における親水性の第１の膜、疎水性の第２の膜および親水性の第３の膜に対応する。
【００２６】
本実施の形態では、第１の層間絶縁膜４および第２の層間絶縁膜８として、比誘電率がＳｉＯ２膜より低い絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）を用いる。特に、比誘電率が３．０以下であることが好ましい。また、第２層間絶縁膜８は疎水性の材料からなるものとする。このような膜であれば、第１の層間絶縁膜４および第２の層間絶縁膜８は、如何なる方法によって形成された膜であってもよい。例えば、膜中に空孔（ポア）を有するポーラスな絶縁膜であってもよいし、空孔のない絶縁膜であってもよい。さらに、空孔を有する場合の空孔のサイズや空孔の密度などにも特に制限があるものではない。具体的には、ＳｉＯＣ系、ＨＳＱ（水素化シルセスキオキサン）系、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）系、ポーラスＨＳＱ系およびポーラスＭＳＱ系などの無機絶縁膜の他に、フッ素を含む有機ポリマー系の絶縁膜なども用いることができる。尚、第１の層間絶縁膜４と第２の層間絶縁膜８とは同じ材料からなる膜であってもよいし、異なる材料からなる膜であってもよい。
【００２７】
一方、第１の拡散防止膜３、第２の拡散防止膜７およびキャップ膜９としては、例えば、ＳｉＯ２系、ＳｉＮ系、ＳｉＣ系またはＡｌＯ系などの無機絶縁膜などを用いることができる。但し、本発明では、第２の拡散防止膜７およびキャップ膜９は親水性の材料からなるものとする。また、上記の層間絶縁膜と同様に、第１の拡散防止膜３、第２の拡散防止膜７およびキャップ膜９もできるだけ低い比誘電率の絶縁膜であることが好ましい。このような特性を有するものであれば、これらの膜の膜質、膜厚および形成方法などについて特に制限はない。尚、比誘電率が比較的高い材料を用いる場合には、膜の特性を損ねない程度にできるだけ薄く形成することが好ましい。
【００２８】
キャップ膜９を形成した後は、フォトリソグラフィー法を用いて、所定のパターンを有するハードマスク１０を形成する（図３）。ハードマスク１０としては、キャップ膜９とのエッチング選択比が大きい材料からなる膜を用いる。
【００２９】
次に、ハードマスク１０をマスクとして、キャップ膜９、第２の層間絶縁膜８および第２の拡散防止膜７を順にドライエッチングする。これにより、図４に示すように、銅配線層２に至る第２の開口部１１を形成することができる。この際、開口部１１の形成とともに、銅配線層２上にはエッチングにより生成した汚染物１２が付着する（図４）。汚染物１２は、主として、プラズマ活性種と銅が反応することによって生成した物質からなっている。
【００３０】
開口部１１を形成した後は、シリコン基板１に対して洗浄処理を行う。この洗浄処理は、主として銅配線層２上に形成された汚染物１２の除去を目的としており、薬液処理、水洗処理および乾燥処理からなる。
【００３１】
薬液処理に使用する薬液は、汚染物１２を剥離除去できるとともに、銅配線層２および第２の層間絶縁膜８に対して実質的なダメージを与えないものであることを必要とする。但し、薬液は、このような特性を有するものであれば、その成分および組成に特に制限はない。本実施の形態に好適な薬液としては、例えば、フッ素（Ｆ）を含むものを挙げることができる。
【００３２】
薬液処理は、回転状態にある基板に薬液を吹き付けて基板を１枚づつ洗浄する枚様方式により行うことができる。また、洗浄処理は、複数枚の基板を薬液に浸漬するバッチ方式により行ってもよい。
【００３３】
薬液処理を終えた後は、純水を用いた水洗処理によって薬液を洗い流すとともに、残留している汚染物１２を完全に除去する。水洗処理は、枚葉方式およびバッチ方式のいずれにより行ってもよいが、例えば、枚葉方式で洗浄処理を行う場合には、水洗は、薬液処理後の基板に対して、これを回転させた状態で純水を吹き付けることによって行うことができる。
【００３４】
基板に付着した薬液を純水によって完全に置換した後は、この純水を除去するための乾燥処理を行う。本発明においては、イソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡという。）を０．０１体積％〜２．０体積％の濃度で含む雰囲気中で乾燥処理を行うことを特徴としている。ＩＰＡは表面張力が小さく且つ浸透性が高いので、開口部の内部に入り込んだ純水と容易に置換することが可能である。
【００３５】
ここで、ＩＰＡの濃度が０．０１体積％よりも低くなると、図４で開口部１１の内部に水が残留しやすくなる。一方、ＩＰＡの濃度が２．０体積％よりも高くなると水は除去されるものの、開口部１１内にＩＰＡが残留するようになる。残留したＩＰＡは、銅配線層２の表面に被膜を形成して配線層間の接続不良を起こし、配線形成工程における歩留まりを低下させる。また、ＩＰＡの爆発限界は２．０体積％〜１２．７体積％であることからも、乾燥処理におけるＩＰＡの濃度は２．０体積％以下であることが好ましい。
【００３６】
尚、ＩＰＡを用いて乾燥処理を行う場合、厳密には、ＩＰＡの濃度にかかわらず乾燥処理後の銅配線層２の表面にＩＰＡの被膜が形成される。このＩＰＡの被膜は、使用するＩＰＡの濃度が高くなるほど厚いものとなる。しかし、開口部１１の内部に配線層を形成する前に、銅配線層２の表面をスパッタ処理によって物理的にクリーニングすることにより、表面に形成されたＩＰＡの被膜を除去することが可能である。したがって、逆に言えば、ＩＰＡの濃度は、残留するＩＰＡがこのクリーニングによって除去可能な範囲であればよい。
【００３７】
ＩＰＡを用いた乾燥処理は、具体的には次のようにして行うことができる。
【００３８】
まず、液体のＩＰＡを沸点以上の温度（８３℃以上）に加熱することによって、気体状のＩＰＡ（ＩＰＡ蒸気）にする。次に、希釈ガスとして窒素（Ｎ２）ガスを用い、ＩＰＡの濃度が０．０１体積％〜２．０体積％である混合ガスを生成する。そして、混合ガスからＩＰＡが結露するのを防ぐために、混合ガスの温度を一定温度以上に保った状態で、回転している基板上に混合ガスを供給する。
【００３９】
ＩＰＡ蒸気を基板上に供給すると、ＩＰＡ蒸気よりも純水の方が低い温度であるために、両者の接触によってＩＰＡ蒸気が冷却されて凝縮し、ＩＰＡ蒸気から液体のＩＰＡへと変化する。この液化したＩＰＡは、純水と混合しながら次第に純水と置換することによって、基板の表面を乾燥させていく。すなわち、ＩＰＡ蒸気を供給している間、基板は回転した状態にあるので、純水と置換したＩＰＡは、基板の外方に押し出されながら蒸発していく。これにより、基板に付着した純水を除去することができる。
【００４０】
本発明においては、水洗処理と乾燥処理との間に時間を置かないようにすることが好ましい。すなわち、水洗処理に連続して乾燥処理を行うことが好ましい。具体的には、水洗処理における純水の供給終了後、連続してＩＰＡを含む混合ガスの供給を行うことができる。また、本発明においては、水洗処理と乾燥処理とを一部重複して行うこともできる。すなわち、水洗処理工程を終了する間際に乾燥処理工程を開始してもよい。具体的には、純水供給工程の終了間際にＩＰＡの供給を開始し、純水供給終了後はＩＰＡの供給のみが行われるようにする。以上のようにすることによって、開口部内に水分を残留させることなく乾燥処理を行うことが可能となる。
【００４１】
また、本発明においては、乾燥処理時の基板の回転状態を少なくとも２段階に設定することが好ましい。基板が低速で回転した状態ではＩＰＡの供給が支配的になるのに対し、基板が高速で回転した状態ではＩＰＡの蒸発が支配的になるからである。
【００４２】
ＩＰＡの供給を高速回転状態でのみ行った場合には、純水がＩＰＡで十分置換されないうちにＩＰＡが蒸発してしまうので、乾燥処理後も開口部の内部に純水が残存するおそれがある。乾燥処理の第１段階（第１のステップ）は、純水からＩＰＡへの置換を進める段階であるので、基板の回転を低速にした状態でＩＰＡの供給を行うことが好ましい。具体的には、基板の回転を１，０００ｒｐｍ以下とすることが好ましく、２００ｒｐｍ〜８００ｒｐｍとすることがより好ましい。このようにすることによって、基板上に設けられた開口部内においても十分に純水とＩＰＡとの置換を行うことができる。
【００４３】
尚、本発明においては、低速での回転は１段階の回転に限られるものではなく、２段階以上の回転であってもよい。すなわち、低速で回転させる第１のステップは、さらに回転速度の異なる複数のステップからなっていてもよい。
【００４４】
純水とＩＰＡとの置換を終えた後は、第２段階（第２のステップ）であるＩＰＡの蒸発を進めるために、半導体基板の回転を高速に変えることが好ましい。低速状態のままではＩＰＡの蒸発が遅くなり、スループットが低下するからである。具体的には、半導体基板の回転を１，０００ｒｐｍ以上とすることが好ましい。このようにすることによって、ＩＰＡの蒸発を促進して、乾燥処理時間を短縮することができる。
【００４５】
１つの例として、乾燥処理時の基板の回転状態を、１５０ｒｐｍで５秒間（ステップ１）、５００ｒｐｍで１０秒間（ステップ２）、４，０００ｒｐｍで１５秒間（ステップ３）のように変化させることができる。この場合、ステップ１およびステップ２が低速回転段階であり、ステップ３が高速回転段階である。
【００４６】
以上の工程によって、洗浄処理、水洗処理および乾燥処理の各工程を終えた後は、図４の開口部１１の内面に、窒化タンタル（ＴａＮ）膜などの第２のバリアメタル膜１３を形成する。その後、開口部１１の内部に、第２のバリアメタル膜１３を介して銅層１４を埋め込む。これにより、下層の銅配線層２の上層に銅配線層１５を形成することができる（図５）。具体的には、スパッタ法によってシード銅としての銅膜（図示せず）を形成した後に、メッキ法を用いて開口部１１を埋設するように第２の銅層１４を形成する。次に、開口部１１内にのみ第２の銅層１４を残すように、ＣＭＰ（化学的機械研磨）法を用いて表面を平坦化する。これにより、銅配線層２に電気的に接続する銅配線層１５を形成することができる。
【００４７】
図６は、本発明による乾燥処理を施した場合の製品歩留まりの一例を示したものである。具体的には、水洗処理後に、基板を１５０ｒｐｍで５秒間、５００ｒｐｍで１０秒間、４，０００ｒｐｍで１５秒間の３つのステップで回転させながらＩＰＡ蒸気を供給し、乾燥処理を行っている。また、比較のために、水洗処理後に基板の回転のみで乾燥処理を行った場合（比較例１）と、水洗処理後に基板を３０秒間回転させた後にＩＰＡ蒸気を供給して乾燥処理を行った場合（比較例２）のそれぞれの製品歩留まりについても示している。尚、図６における製品歩留まりは、下層の銅配線層と上層の銅配線層との接触抵抗の歩留まりを指している。
【００４８】
図６より、比較例１の歩留まりは７０％程度であり、基板の回転のみでは乾燥が十分でないことを示している。一方、ＩＰＡ蒸気の供給（比較例２）によって、比較例１よりは、歩留まりをある程度向上できることが分かる。しかし、比較例２の歩留まりは９０％程度であり、この方法によっても乾燥不良を十分に解消することはできない。一方、本発明によれば、９９％以上の歩留まりを達成可能である。このことは、本発明が、Ｌｏｗ−ｋ膜を用いた銅配線形成工程における乾燥不良の問題を解消し、電気的特性に優れた半導体装置を高い歩留まりで製造できることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図３】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明を適用した場合の歩留まりを示す図である。
【図７】従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，２１  シリコン基板
２，１５，２４  銅配線層
３  第１の拡散防止膜
４  第１の層間絶縁膜
５  第１のバリアメタル膜
６  第１の銅層
７  第２の拡散防止膜
８  第２の層間絶縁膜
９，２７  キャップ膜
１０  ハードマスク
１１，２８  開口部
１２  汚染物
１３  第２のバリアメタル膜
１４  第２の銅層
２２，２５  拡散防止膜
２３，２６  Ｌｏｗ−ｋ膜
２９  水
【図１】
2005340618.tif 000003
【図２】
2005340618.tif 000004
【図３】
2005340618.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005340618.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005340618.tif 000009