(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に金属配線及び層間絶縁膜を順に堆積した後、その層間絶縁膜を選択的に除去して形成させたコンタクト領域を洗浄する方法において、
前記コンタクト領域内に窒素系ラジカルを注入させ、前記層間絶縁膜のコンタクト領域内壁表面に窒化膜バリアを形成させる段階と、
前記コンタクト領域内にアルゴンイオンをスパッタリングして、コンタクト領域内に露出した金属配線の表面の、金属酸化膜や残留感光膜からなる残留物を除去する段階と、
前記コンタクト領域内に水素ラジカルを用いた反応洗浄を行って露出された金属配線上に形成された金属酸化膜を除去する段階と、
前記コンタクト領域内に窒素系ラジカルを用いたプラズマ表面処理を行って、前記コンタクト領域の前記バリアからなる側壁に吸着された、前記除去する段階で発生した反応副産物を除去する段階と
を備えることを特徴とする金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項２】
前記層間絶縁膜は多層の絶縁膜からなることを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項３】
前記金属配線はＣｕからなることを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項４】
前記窒素系ラジカルはＮＨ3又はＮ2ガスをプラズマで励起させて形成することを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項５】
前記窒化膜バリアは、後続熱処理工程時に層間絶縁膜への金属の拡散を抑制できる拡散防止膜として機能することを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項６】
前記窒化膜バリアは４００℃以下の温度範囲でプラズマによってバイアス電圧印加なしに１０分以下窒素系ラジカルを注入して形成することを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項７】
前記反応洗浄は、注入するＨ2と露出された金属配線上に生成された金属酸化膜との酸化還元過程を介して金属が還元され、その還元の結果として反応副産物が発生する過程として行うことを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項８】
前記反応洗浄中に発生する前記還元の結果としての反応副産物は、層間絶縁膜の内部に浸透されず、前記窒化膜のバリアの表面に吸収又は吸着されることを特徴とする請求項７記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項９】
前記窒化膜バリアは、反応洗浄時に発生する前記還元の結果としての反応副産物による層間絶縁膜の低誘電率の特性低下を抑制するバリアとして機能することを特徴とする請求項８記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項１０】
前記還元の結果としての反応副産物はＨ2Ｏ又はＯＨ*ラジカルであることを特徴とする請求項８記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項１１】
前記窒素系ラジカルのプラズマ表面処理は、常温から４０℃以下の温度範囲で、１分〜１０分間の表面処理時間、１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍのガス流量及び１００Ｗ〜８００Ｗ範囲のパワーを有する工程条件で行うことを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項１２】
前記窒素系ラジカルのプラズマ表面処理はパワーとして５００Ｗ以下を印加し、ＤＣバイアス電圧を５０Ｖ以下に維持して行うことを特徴とする請求項１１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項１３】
前記窒素系ラジカルを注入させ、窒化膜バリアを形成する段階と、前記窒素系ラジカルを用いたプラズマ表面処理を行う段階時にそれぞれ基板の温度を異なるようにして行うことを特徴とする請求項１記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【請求項１４】
前記基板の温度は、前記窒素系ラジカルを注入させ窒化膜バリアを形成する段階は２００℃以下に、前記窒素系ラジカルを用いたプラズマ表面処理を行う段階は２００℃以上に行うことを特徴とする請求項１３記載の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の金属配線に関し、特に、窒素系ラジカルをコンタクト領域内に注入して、コンタクト領域内の層間絶縁膜の側壁に窒化膜バリアを形成させることにより、金属イオンの再付着による低誘電層間絶縁膜の劣化と、反応洗浄時に活性化された水素ラジカルによる低誘電層間絶縁膜の劣化を同時に防止して、層間絶縁膜の低誘電特性を維持するようにする金属配線のコンタクト領域の洗浄方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ダマ洗浄（dama cleaning)とは、次世代金属多層配線技術に適用される技術であり、コンタクト金属を堆積させる前に金属配線の上に形成される金属酸化膜を除去する技術を云う。
【０００３】
ダマ洗浄の基本メカニズムは、ＤＦＥ(Dual Frequency Etch）のエッチング工程である。すなわち、活性化されたアルゴン（Ａｒ）粒子を金属酸化膜へ衝突させる物理的な方法と、水素（Ｈ２  ）ラジカルとパターン内部の金属酸化膜の成分との酸化還元反応を用いる化学的方法との２段階を介して金属酸化膜を除去するものである。
【０００４】
このように、金属酸化膜の除去工程がダマ洗浄と呼ばれるようになったのは、素子の超高速化のために素子の配線材料がアルミニウムからＣｕに替わり、既存のドライエッチング方法ではＣｕ配線には適用不可能であるため、金属配線のコンタクト領域を形成する新たな方法として、ダマシン構造を用いるようになったためである。かかるダマシン構造でも既存の工程技術と同様に、コンタクト領域に発生した残留物の除去過程が要求され、それに答えなければならなかった。
【０００５】
以下、添付の図面を参照して、従来のダマ洗浄を用いた金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を説明する。
【０００６】
以下に説明する例はＣｕを金属配線として使用したものである。
図１ａ〜図１ｅは従来の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【０００７】
図１ａに示すように、基板１１上に金属配線１２を形成した後、順に第１窒化膜１３、層間絶縁膜１４、キャップ酸化膜１５、第２窒化膜１６を堆積する。
第２窒化膜１６、キャップ酸化膜１５、層間絶縁膜１４、第１窒化膜１３を選択的に除去して、金属配線１２を露出させてコンタクト領域を形成する。
ここで、層間絶縁膜１４は低誘電率（低ｋ）の絶縁物質を使用して素子の寄生静電容量を減らすことにより、素子の動作速度を高める。
この際、露出された金属配線１２は、経時変化に伴って空気と接触するため酸化膜が発生する。このように金属酸化膜やフォトエッチング工程の後に残った感光膜のような残留物１７は、金属間のコンタクト特性を劣化させるため、洗浄工程を介して除去されなければならない。特に、ダマシン型のコンタクト構造である時は、ダマ洗浄を利用する。
【０００８】
ダマ洗浄工程は、次のように、Ａｒを用いたスパッタリング工程と、水素ラジカル（Ｈ＊）を用いた反応洗浄工程とからなる。
図１ｂのように、露出された残留物（金属酸化膜及び残留感光膜）１７をアルゴン（Ａｒ＋）をスパッタリングしてエッチングする。
アルゴンスパッタリングのエッチングは物質的な方法で、アルゴン粒子を残留物１７の表面にスパッタリングして残留物１７を除去する。これにより、金属配線１２が露出される。
【０００９】
図１ｃのように、アルゴンスパッタリングによるエッチング工程を介して、金属酸化膜などの残留物１７の除去が可能ではあるが、金属酸化膜を除去するために過度エッチングが行われ、エッチングの行われた部位の金属が層間絶縁膜の側壁に再付着される。
その再付着した金属酸化膜が、金属のコンタクト領域の側面に拡散され、低誘電（低ｋ）特性を維持する層間絶縁膜の特性が劣化する。
【００１０】
そのため、図１ｄのように、アルゴンによるスパッタリングエッチングが終了した後、残留した金属酸化膜に対して水素ラジカル（Ｈ＊  ）を用いて反応洗浄を行っていた。
水素ラジカル（Ｈ＊  ）と金属酸化膜の反応式は、例えば、金属配線でＣｕを用いた場合、Ｃｕ２Ｏ＋２Ｈ＊→２Ｃｕ＋Ｈ２Ｏ又はＣｕ２Ｏ＋Ｈ＊→２Ｃｕ＋ＯＨ＊である。したがって、反応洗浄によって金属酸化膜は金属に還元され、ラジカル状態のＯＨ＊とＨ２Ｏが発生する。その成分は層間絶縁膜の内部に吸着されるか吸収される。すなわち、かかる反応洗浄時にもＨ２ＯやＯＨ＊のような反応副産物が発生して、層間絶縁膜の低誘電特性が更に劣化する。
【００１１】
次いで、図１ｅのように、水素ラジカルを用いた反応洗浄完了後には金属酸膜の大部分が除去されるが、層間絶縁膜の側壁に残留している再付着されたＣｕイオンや、Ｈ２Ｏ、ＯＨ＊ラジカルのような反応副産物が除去されずに残っている。
このような層間絶縁膜の側壁の残留物は、以後の工程で層間絶縁膜の内部に吸収され、低誘電率を維持していた層間絶縁膜の特性を悪化させる主要因となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上記のような従来の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法は次のような問題点があるということができる。
【００１３】
一般に、ダマ洗浄は活性化されたアルゴン（Ａｒ＋  ）粒子を金属酸化膜にスパッタリングする物理的な方法及び、水素ラジカル（Ｈ＊  ）を用いて金属酸化膜を金属に還元する化学的な方法を用いている。
しかしながら、アルゴン粒子を用いた方法では過度エッチングが行われ、金属がコンタクト領域内の層間絶縁膜の側壁に再付着される問題が発生し、水素ラジカルを用いた方法は反応副産物が側壁に残り、再び吸着且つ吸収されるという問題が発生する。
【００１４】
また、層間絶縁膜の側壁に残留している不純物は、後続工程でコンタクト領域に満たされるコンタクト金属と層間絶縁膜間の凝着力を弱くする。
結果的に、層間絶縁膜の低誘電特性が破壊され、コンタクト領域外の領域で絶縁性が維持できなくなって、半導体素子の特性が劣化する。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、金属イオンの再付着による低誘電層間絶縁膜の劣化と反応洗浄時に活性化された水素ラジカルによる低誘電層間絶縁膜の劣化とを同時に防止して、層間絶縁膜の低誘電特性を維持できるようにした金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法は、窒素系ラジカルをコンタクト領域内に注入して、コンタクト領域内の層間絶縁膜の側壁に窒化膜バリアを形成させることを特徴とするものである。
より具体的には、コンタクト領域内に窒素系ラジカルを注入させ、層間絶縁膜のコンタクト領域内壁表面に窒化膜バリアを形成させる段階と、コンタクト領域内にアルゴンイオンをスパッタリングして、コンタクト領域内に露出した金属配線の表面の残留物を除去する段階と、コンタクト領域内に反応洗浄を行って露出された金属配線上に形成された金属酸化膜を除去する段階と、コンタクト領域内に窒素系ラジカルを用いたプラズマ表面処理を行って、コンタクト領域の前記バリアからなる側壁に吸着された反応副産物を除去する段階とを備えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を詳細に説明する。
【００１８】
以下で説明する実施形態はＣｕを金属配線として用いたものである。
図２ａ〜図２ｆは本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【００１９】
図２ａのように、基板２１上に金属配線２２を形成した後、順に第１窒化膜２３、層間絶縁膜２４、キャップ酸化膜２５、第２窒化膜２６を堆積する。
第２窒化膜２６、キャップ酸化膜２５、層間絶縁膜２４、第１窒化膜２３を選択的に除去して、金属配線２２を露出させコンタクト領域を形成する。
ここで、層間絶縁膜２４は低誘電率（低ｋ）の絶縁物質を使用して絶縁の効果を高める。露出した金属配線２２は経時変化に伴って空気と接触するため酸化膜が発生するが、その金属酸化膜のような残留物２７はコンタクト領域の特性を劣化させるため、工程過程中に除去しなければならない。
【００２０】
図２ｂのように、本発明ではＮＨ３や或いはＮ２ガスをプラズマで励起させて形成した窒素系ラジカルをコンタクト領域上に注入させ、第２窒化膜２６、層間絶縁膜２５、キャップ酸化膜２４、第１窒化膜２３の側壁に窒化膜バリア２８を形成させる。このバリア２８は、ダマ洗浄時に発生する反応副産物に対するバリアの役割を果たす。
窒化膜バリア２８を化学気相堆積法（ＣＶＤ）を用いて形成してもバリアとしての役割を果たすることができる。
【００２１】
本実施形態においては、上記のように、反応性の強いＮＨ３ガス或いはＮ２ガスをプラズマで励起させて形成した窒素系のラジカルを使用する。どちらを使用しても良いが、ＮＨ３ガスはＮ２（窒素）ガスより反応性が高いのでより有用である。
窒化膜バリア２８はＳｉＯｘＮｙの成分を有し、４００℃以下の温度範囲でプラズマによってバイアス電圧を加えずに１０分又はそれ以下で窒素系ラジカルを注入して形成する。
【００２２】
以下の洗浄工程はアルゴン（Ａｒ＋）と水素ラジカル（Ｈ＊）を用いたＤＦＥ（Dual Frequency Etch）工程である。
図２ｃのように、アルゴン（Ａｒ＋  ）をスパッタリングして、露出された金属配線２２上に生成された残留物（金属酸化膜及び残留した感光膜）２７をエッチングする。
その際、コンタクト領域内の層間絶縁膜２４の側壁に窒化膜バリア２８が形成されているので、金属酸化膜が再付着されても、層間絶縁膜の劣化は防止される。
【００２３】
アルゴンによるスパッタリング洗浄完了の後、図２ｄのように、水素ラジカル（Ｈ＊  ）を用いて残留している残留物（成分は金属酸化膜）２７との反応洗浄を行うことになるが、かかる反応洗浄は注入する水素ラジカルと露出された金属配線２２上に生成された金属酸化膜との酸化還元過程を経て金属に還元される。これにより、Ｈ２ＯやＯＨ＊のような反応副産物が発生する。
【００２４】
その際、コンタクト領域の側壁の窒化膜バリア２８により、Ｈ２ＯやＯＨ＊のような反応副産物が従来のようには層間絶縁膜２４の内部に吸収されず、側壁に形成された窒化膜バリア２８に吸収又は吸着されるのみである。したがって、層間絶縁膜２４は低誘電率の特性をそのまま維持できる。
【００２５】
反応洗浄によって窒化膜バリア２８に吸収又は吸着されたＨ２ＯやＯＨ＊を除去するために、図２ｅのように、プラズマに励起されたＮＨ３或いはＮ２のラジカルでプラズマ表面処理する。
このプラズマ表面処理は、常温から４００℃以下の温度範囲で、１分〜１０分間の表面処理時間、１ｓｃｃｍ〜２０ｓｃｃｍのガス流量及び、１００Ｗ〜８００Ｗ範囲のパワーの工程条件で行う。かかるプラズマ表面処理は５００Ｗ以下のパワーを印加し、ＤＣバイアス電圧を５０Ｖ以下に維持して行う。
【００２６】
最終的なコンタクト領域の断面を図２ｆに示す。金属配線の露出された表面に異物質が生成されず、また、窒化膜バリアが形成された層間絶縁膜の側壁から反応副産物が除去されているので、高い表面堆積性を維持することができる。したがって、後続する金属堆積工程におけるコンタクト金属と層間絶縁膜との間の凝着力が優れたものとなる。
【００２７】
本実施形態はダマ洗浄前に窒素系ラジカルを注入して、コンタクト領域の側面に窒化膜の側壁を形成し、ダマ洗浄後には窒素系ラジカルを用いたプラズマ表面処理を行うダマ洗浄の特性を改善させた単位工程技術である。
【００２８】
特に、窒素系ラジカルを注入させて窒化膜バリアを形成する段階と、窒素系ラジカルを用いたプラズマ表面処理を行う段階がそれぞれ基板の温度を異なるようにして行うようにすれば、低誘電層間絶縁膜の特性を最適化することができる。その際、それぞれの段階での基板の温度は、窒素系ラジカルを注入させて窒化膜バリアを形成する段階は２００℃以下に、窒素系ラジカルを用いたプラズマ表面処理を行う段階は２００℃以上で行うことが望ましい。
【００２９】
このように、窒化膜バリア（ＳｉＯｘＮｙ）を形成させると、層間絶縁膜の側壁に微量の金属が再付着されても、後続熱処理工程時に層間絶縁膜への金属の拡散を抑制できる拡散防止膜としてそのバリアが働く。
また、この窒化膜バリアは、ＤＦＥの後続工程のＨ２反応洗浄で発生するＨ２ＯとＯＨラジカルによる層間絶縁膜の低誘電率の特性低下を抑制する化学的防止膜の役割をも果たしている。
【００３０】
このような金属配線のコンタクト領域の洗浄方法は、デュアルダマシン形成工程に含ませて行うことができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法によれば、次のような効果がある。
【００３２】
まず、従来のダマ洗浄から発生するコンタクト領域内の層間絶縁膜の側壁のＣｕ再付着問題を抑制することができる。すなわち、ＮＨ３又はＮ２の窒素系ラジカルによってコンタクト領域内の層間絶縁膜表面を窒化させて側壁を作ることにより、後続する熱処理工程時に金属に対する拡散防止膜としての働きを増大させることができる。
したがって、素子製作時における層間絶縁膜の絶縁特性の劣化を防ぐことができるので、素子の収率の向上を期待できるだろう。
【００３３】
また、窒化膜バリアは、水素ラジカルを用いた反応洗浄時に副産物として生成されるＨ２ＯやＯＨ＊ラジカルのような反応副産物を吸収又は吸着するので、層間絶縁膜の低誘電率特性の低下を防止することができる。
【００３４】
そして、水素ラジカルの反応洗浄後に行う窒素系ラジカルのプラズマ表面処理は、反応副産物を除去できるので、後続する金属の堆積工程において、コンタクト領域内に余分なものが一切なくなるので、凝着力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図１ｂ】従来の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図１ｃ】従来の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図１ｄ】従来の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図１ｅ】従来の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図２ａ】本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図２ｂ】本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図２ｃ】本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図２ｄ】本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図２ｅ】本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【図２ｆ】本発明の金属配線のコンタクト領域の洗浄方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
２１：基板
２２：金属配線
２３：第１窒化膜
２４：層間絶縁膜
２５：キャップ酸化膜
２６：第２窒化膜
２７：金属酸化膜
２８：窒化膜バリア
Ｘ＊：Ｘラジカル
【図１ａ】
0004109061.tif 000002
【図１ｂ】
0004109061.tif 000003
【図１ｃ】
0004109061.tif 000004
【図１ｄ】
0004109061.tif 000005
【図１ｅ】
0004109061.tif 000006
【図２ａ】
0004109061.tif 000007
【図２ｂ】
0004109061.tif 000008
【図２ｃ】
0004109061.tif 000009
【図２ｄ】
0004109061.tif 000010
【図２ｅ】
0004109061.tif 000011
【図２ｆ】
0004109061.tif 000012