(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に銅を含有した第１導電層を形成する工程と、
前記第１導電層の表面に炭素を含有した物質を供給する工程と、
前記物質に由来した炭素が残留する前記第１導電層の表面に第２導電層を形成する工程とを含み、
前記第１導電層を形成する工程の前に前記半導体基板上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１導電層上に第２絶縁層を形成する工程と、
前記第２絶縁層をパターニングして前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程とをさらに含み、
前記半導体基板上に前記第１導電層を形成する工程は前記半導体基板と前記第１導電層との間に前記第１絶縁層を介在させて行われ、前記炭素を含有した物質を供給する工程と前記第２導電層を形成する工程とは前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程の後に行われ、
前記物質を供給する工程は、前記第１導電層の前記表面に炭素を含有した雰囲気中でレーザビームを照射することを含む半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板上に銅を含有した第１導電層を形成する工程と、
前記第１導電層の表面に炭素を含有した物質を供給する工程と、
前記物質に由来した炭素が残留する前記第１導電層の表面に第２導電層を形成する工程とを含み、
前記第１導電層を形成する工程の前に前記半導体基板上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１導電層上に第２絶縁層を形成する工程と、
前記第２絶縁層をパターニングして前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程とをさらに含み、
前記半導体基板上に前記第１導電層を形成する工程は前記半導体基板と前記第１導電層との間に前記第１絶縁層を介在させて行われ、前記炭素を含有した物質を供給する工程と前記第２導電層を形成する工程とは前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程の後に行われ、
前記炭素を含有した物質を供給する工程は、溶媒及び前記溶媒中に分散した粒子を含有した溶液を前記第１導電層の前記表面上にコートして塗膜を形成し、前記粒子を前記第１導電層の前記表面上に残して前記塗膜を乾燥させることを含み、前記粒子のそれぞれは炭素を含有している半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記炭素を含有した物質を供給する工程と前記第２導電層を形成する工程との間に、酸素を含有した雰囲気に前記第１導電層を晒す工程をさらに含む請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２導電層を形成する工程は酸素を含有した雰囲気中で行われる請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特には、銅を含有した導電層を含む半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体装置では、配線の材料としてアルミニウムが使用されていた。近年、配線材料としては、アルミニウムに代わり、比抵抗がより低く且つより安価である銅が使用されつつある。しかしながら、酸素を含有した雰囲気中でＣｕ配線を熱処理すると、その表面の酸化が進行し、その結果、配線の抵抗が著しく増加する。
【０００３】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、従来技術に係る多層配線の形成プロセスの一例を概略的に示す断面図である。図１１（ａ）において、半導体基板２上には第１層間絶縁膜１３が形成されており、第１Ｃｕ配線１４は絶縁膜１３中に埋め込まれている。なお、「Ｃｕ配線１４」は、Ｃｕを主成分とする配線であり、例えば、その側壁及び底面には、Ｔａ、ＴａＮ、Ｔｉ、及びＴｉＮなどを含有した単層或いは多層が形成されている。
【０００４】
このプロセスでは、まず、図１１（ａ）に示すように絶縁膜１３及び配線１４上に層間絶縁膜２３を連続膜として形成し、絶縁膜２３上にレジストパターン５を形成する。ここで、「層間絶縁膜２３」は、単層或いは多層構造を有しており、シリコン窒化膜（以下、「ＳｉＮ膜」という）、シリコン酸化膜、有機シリコン酸化膜、及び有機絶縁膜などを含んでいる。次に、図１１（ｂ）に示すように、レジストパターン５をマスクとして用いた反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥという）により、絶縁膜２３に第２Ｃｕ配線のための溝を形成する。なお、ヴィアコンタクトのために、絶縁膜２３に設けた溝の底面の一部ではＣｕ配線１４を露出させる。その後、酸素を含有する雰囲気中でのアッシングにより、レジストパターン５を除去する。この際、Ｃｕ配線１４の露出部は高温の酸素に晒されるため酸化し、その結果、図１１（ｃ）に示すように、Ｃｕ2Ｏなどからなる酸化膜１４ａが形成される。ＣｕはＣｕ2Ｏへと酸化することにより、元の堆積の１．６５倍にまで膨張する。そのため、図１１（ｃ）に示すように酸化膜１４ａが形成された場合、その周囲でクラックが発生し易い。
【０００５】
類似の問題は、ボンディングパッドのような電極の材料として銅を用いた場合においても同様に生ずる。
【０００６】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来技術に係るボンディングプロセスの一例を概略的に示す断面図である。図１２（ａ）において、半導体基板２上には層間絶縁膜１３が形成されており、Ｃｕを主成分とするボンディングパッド４は絶縁膜１３に埋め込まれている。絶縁膜１３上には、ＳｉＮ膜６及び絶縁膜２３が順次積層されている。
【０００７】
図１２（ａ）に示すパッド４へのＡｕワイヤのボンディングは、一般に、基板２を高温に加熱した状態で及び大気中で行われる。そのため、パッド４の表面は高温の酸素に晒されるため酸化し、その結果、図１２（ｂ）に示すように、Ｃｕ2Ｏなどからなる酸化膜４ａが形成される。その結果、パッド４の周囲でクラックが発生し、剥離を発生することがある。
【０００８】
図１１（ａ）〜（ｃ）並びに図１２（ａ）及び（ｂ）を参照して説明したクラックの発生を防止するプロセスとして、図１３（ａ）〜（ｆ）に示すプロセス及び図１４（ａ）及び（ｂ）に示すプロセスが知られている。
【０００９】
図１３（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、従来技術に係る多層配線の形成プロセスの他の例を概略的に示す断面図である。このプロセスでは、まず、図１３（ａ）に示すようにＣｕ配線１４を形成した後、図１３（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜１６、層間絶縁膜２３、及びレジストパターン５を形成する。次に、図１３（ｃ）に示すように、レジストパターン５をマスクとして用いたＲＩＥにより絶縁膜２３に溝を形成する。このエッチングの際、ＳｉＮ膜１６はエッチングストッパ膜としての役割を果たす。その後、酸素１１を含有する雰囲気中でのアッシングにより、レジストパターン５を除去する。次いで、図１３（ｅ）に示すように、ＳｉＮ膜１６の溝内に位置する部分をエッチングにより除去し、図１３（ｆ）に示すように溝を銅で埋め込んでＣｕ配線２４を得る。このプロセスによれば、アッシングの際、絶縁膜２３に設けた溝内でＣｕ配線１４はＳｉＮ膜１６によって覆われているため、Ｃｕ配線１４が酸化することはない。したがって、クラックの発生を防止することができる。
【００１０】
図１４（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来技術に係るボンディングプロセスの他の例を概略的に示す断面図である。このプロセスでは、まず、図１４（ａ）に示すように、半導体基板２上に、層間絶縁膜１３、銅製のボンディングパッド４、ＳｉＮ膜６、及び絶縁膜２３を形成する。次に、図１４（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜６及び絶縁膜２３に設けた溝の側壁及び底面をアルミニウム電極７で覆う。その後、この電極７にＡｕワイヤ８をボンディングする。このプロセスでは、溝内でボンディングパッド４はアルミニウム電極７で覆われているため、Ａｕワイヤ８のボンディングの際にボンディングパッド４が酸化することはない。
【００１１】
上記の通り、図１１（ａ）〜（ｃ）並びに図１２（ａ）及び（ｂ）を参照して説明したプロセスでは、Ｃｕ配線１４やＣｕパッド４の表面が酸化する。他方、図１３（ａ）〜（ｆ）並びに図１４（ａ）及び（ｂ）を参照して説明したプロセスでは、Ｃｕ配線１４やＣｕパッド４の表面が酸化するのを防止可能であるが、その反面で、ＳｉＮ膜１６の成膜工程及びエッチング工程やＡｌ電極７の形成工程がさらに必要となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、銅の酸化が抑制され且つ簡略化されたプロセスで製造可能な銅を含有した導電層を含む半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、半導体基板上に銅を含有した第１導電層を形成する工程と、前記第１導電層の表面に炭素を含有した物質を供給する工程と、前記物質に由来した炭素が残留する前記第１導電層の表面に第２導電層を形成する工程とを含み、前記第１導電層を形成する工程の前に前記半導体基板上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１導電層上に第２絶縁層を形成する工程と、前記第２絶縁層をパターニングして前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程とをさらに含み、前記半導体基板上に前記第１導電層を形成する工程は前記半導体基板と前記第１導電層との間に前記第１絶縁層を介在させて行われ、前記炭素を含有した物質を供給する工程と前記第２導電層を形成する工程とは前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程の後に行われ、前記物質を供給する工程は、前記第１導電層の前記表面に炭素を含有した雰囲気中でレーザビームを照射することを含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００１５】
本発明の第２の側面によると、半導体基板上に銅を含有した第１導電層を形成する工程と、前記第１導電層の表面に炭素を含有した物質を供給する工程と、前記物質に由来した炭素が残留する前記第１導電層の表面に第２導電層を形成する工程とを含み、前記第１導電層を形成する工程の前に前記半導体基板上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１導電層上に第２絶縁層を形成する工程と、前記第２絶縁層をパターニングして前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程とをさらに含み、前記半導体基板上に前記第１導電層を形成する工程は前記半導体基板と前記第１導電層との間に前記第１絶縁層を介在させて行われ、前記炭素を含有した物質を供給する工程と前記第２導電層を形成する工程とは前記第１導電層の表面の一部を露出させる工程の後に行われ、前記炭素を含有した物質を供給する工程は、溶媒及び前記溶媒中に分散した粒子を含有した溶液を前記第１導電層の前記表面上にコートして塗膜を形成し、前記粒子を前記第１導電層の前記表面上に残して前記塗膜を乾燥させることを含み、前記粒子のそれぞれは炭素を含有している半導体装置の製造方法が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同様の部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第１の参考例に係る半導体装置の製造プロセスで利用可能な処理を概略的に示す断面図である。図１（ａ）及び（ｂ）においては、表面にトランジスタなどが設けられた半導体基板２上に第１層間絶縁膜１３が形成されている。絶縁膜１３には溝が設けられており、この溝には銅製の配線１４が埋め込まれている。さらに、絶縁膜１３及び配線１４上には、それぞれ開口が設けられたＳｉＮ膜１６及び第２層間絶縁膜２３が順次積層されている。
【００１８】
図１（ａ）に示す構造では、ＳｉＮ膜１６及び第２層間絶縁膜２３に設けられた開口内で配線１４の一部が露出している。そのため、図１（ａ）に示す構造に対し、酸素を含有する雰囲気中で熱処理を施した場合、配線１４の露出した表面は酸化する。これに対し、本参考例では、上記熱処理に先立ち、図１（ｂ）に示すように、炭素を含有したプラズマ１０で配線１４の露出部を表面処理する。これにより、その後の熱処理によって配線１４の表面が酸化するのを防止することができる。したがって、本参考例によると、クラックや剥離の発生を防止し且つ製造プロセスを簡略化することができる。
【００１９】
以下に、上述したプラズマ処理の一例を記載する。
【００２０】
チャンバ内に供給する原料ガスとしてＣＯを含有するガスを使用したＲＩＥによりプラズマ１０を発生させ、このプラズマ１０で配線１４の露出部を表面処理した。なお、チャンバ内へ供給する原料ガスの流量は３５０ｓｃｃｍとし、チャンバ内のＣＯ分圧は５０ｍＴｏｒｒとした。また、プラズマパワーは４００Ｗとし、プラズマ１０を用いた表面処理，すなわちプラズマ処理，は１０秒間行った。
【００２１】
このプラズマ処理後、配線１４の表面をＸ線光電子分光（以下、ＸＰＳという）により組成分析した。その結果を以下の表に示す。
【００２２】
【表１】
0004301751.tif 000002
【００２３】
上記表において、「ＣｕＣＯ3」は、配線１４の表面領域における、ＣｕＣＯ3を形成している炭素原子の全原子に対する濃度を示している。また、「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」は、配線１４の表面領域における、Ｃ−Ｈ結合を形成しているＣ原子とＣ−Ｃ結合を形成しているＣ原子との合計の全原子に対する濃度を示している。さらに、「計」は、配線１４の表面領域における炭素原子の全原子に対する濃度を示している。
【００２４】
上記表から明白なように、表面領域中での炭素原子濃度は、プラズマ処理を行わない場合に比べて、プラズマ処理を行った場合において遥かに高い。この結果は、プラズマ処理により、配線１４の表面領域中に炭素原子或いは炭素原子を含む物質が導入されたことを示している。なお、プラズマ処理を行わない場合（「未処理」）であっても、配線１４の表面領域は炭素原子を含んでいる。これは、配線１４の表面領域が大気中に存在する炭素を含有する物質でコンタミネートされたためである。また、上記表から明白なように、プラズマ処理を行った場合、プラズマ処理を行わない場合に比べて、濃度「ＣｕＣＯ3」は大幅に低下し、濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」は大幅に増加している。なお、いずれの場合においても、配線１４の表面領域から炭化銅は検出されなかった。
【００２５】
次に、プラズマ処理後の配線１４に対し、大気中、２００℃の温度で熱処理を行い、熱処理時間と配線１４の表面に形成される酸化膜の膜厚との関係を調べた。また、同様に、プラズマ処理前の配線１４に対し、大気中、２００℃の温度で熱処理を行い、熱処理時間と配線１４の表面に形成される酸化膜の膜厚との関係を調べた。
【００２６】
図２は、図１（ａ）及び（ｂ）に示す構造に対して酸化処理を行った場合に形成された酸化膜の膜厚を示すグラフである。図中、横軸は熱処理時間を示し、縦軸は酸化膜の膜厚を示している。また、図中、曲線３１はプラズマ処理を行った場合に得られたデータを示し、曲線３２はプラズマ処理を行わなかった場合に得られたデータを示している。
【００２７】
図２から明白なように、プラズマ処理を行わない場合、熱処理の開始と同時に酸化膜の形成が始まった。それに対し、プラズマ処理を行った場合、熱処理開始から２０分経過するまで酸化膜は殆ど形成されなかった。すなわち、２０分間以内の熱処理であれば、プラズマ処理を行うことにより酸化膜の形成を防止することができる。
【００２８】
上記の結果は、例えば、以下のように説明され得る。
【００２９】
熱処理温度，例えば２００℃，において、ＣＯやＣＯ2のギブスの自由エネルギーは、Ｃｕ2Ｏのそれに比べて低い。すなわち、酸素は、炭素と結合した場合、銅と結合する場合に比べてより安定化される。また、Ｃ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合は、ＣｕＣＯ3に比べて遥かに酸素との反応性に富む。
【００３０】
上述のように、プラズマ処理を行うことにより、配線１４の表面領域における濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」を大幅に高めることができる。そのため、プラズマ処理を行った場合、酸素を含有する雰囲気中での熱処理の際に、配線１４の表面領域におけるＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合が優先的に酸素と反応し、その結果、銅の酸化は抑制される。
【００３１】
Ｃ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合が酸素と反応することによって生じるＣＯ及びＣＯ2は上記の温度では気体であり、配線１４の表面から雰囲気中へと速やかに放出される。そのため、本参考例によれば、酸素を含有する雰囲気中での熱処理が進行するのに伴い、配線１４の表面領域中での炭素原子濃度は低下する。したがって、本参考例によると、プラズマ処理条件や上記熱処理条件などを適宜設定することにより、配線１４の表面領域中に導入したＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合の多くを上記熱処理の際に消費させることができる。すなわち、本参考例によると、上記熱処理後における配線１４の表面領域中における炭素原子濃度を十分に低く抑えることができ、それゆえ、第１配線１４とその上に形成する第２配線（図示せず）との間のヴィアコンタクトが妨げられることはない。
【００３２】
また、プラズマ処理を施した配線１４の表面をＡｒスパッタリングで削りながらＸＰＳで組成分析した結果によると、Ｃ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合は配線１４の表面から１０Åまでの領域内でしか検出されていない。しかも、この表面領域内には、Ｃ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合だけでなく銅も存在している。したがって、本参考例によると、例え、上記熱処理後に配線１４の表面領域中にＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合が残留していたとしても、第１配線１４とその上に形成する第２配線（図示せず）との間のヴィアコンタクトが妨げられることはない。
【００３３】
本参考例において、上述した銅の酸化を抑制する効果は、通常、濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」が３０原子％以上である場合に得られる。配線１４の表面領域において、濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」の濃度「銅」に対する比は、好ましくは１以上である。この場合、上記酸化を抑制する効果がより顕著となる。
【００３４】
配線１４の表面領域において、濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」の濃度「銅」に対する比は、好ましくは１０以下であり、より好ましくは５以下であり、最も好ましくは２以下である。この場合、一般に、上記熱処理後の配線の表面領域における銅濃度は十分に高いので、第１配線１４とその上に形成される第２配線との間のヴィアコンタクトが妨げられることはない。
【００３５】
配線１４の表面領域は、Ｃ−Ｈ結合及び／またはＣ−Ｃ結合に加え、それ以外の形態でＣ原子をさらに含んでいてもよい。その表面領域は、例えば、炭酸銅や炭化銅のように炭素を含有し且つＣ−Ｈ結合及び／またはＣ−Ｃ結合を有していない化合物を含むことができる。
【００３６】
濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」の濃度「計」に対する比は、０．７０以上であることが好ましく、０．８０以上であることがより好ましく、０．８５以上であることがさらに好ましい。上述のように、ＣｕＣＯ3のようにＣ−Ｈ結合及び／またはＣ−Ｃ結合を有していない銅化合物は、Ｃ−Ｈ結合及び／またはＣ−Ｃ結合に比べて酸素との反応性に劣る。したがって、濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」の濃度「計」に対する比を上記のように設定した場合、銅の酸化を抑制する効果がより顕著となる。なお、上述したプラズマ処理や第１の実施形態において記載するレーザビーム照射後において、通常、濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」の濃度「ＣｕＣＯ3」に対する比は２以上である。
【００３７】
次に、第２の参考例について説明する。
【００３８】
図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、第２の参考例に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図である。本参考例に係るプロセスは、上記のプラズマ処理をボンディングパッドに対して行うこと以外は第１の参考例に係るプロセスとほぼ同様である。
【００３９】
図３（ａ）に示す構造においては、半導体基板２上に層間絶縁膜１３が形成されている。層間絶縁膜１３上には銅製のボンディングパッド４が形成されており、層間絶縁膜１３及びボンディングパッド４上には絶縁膜２３が形成されている。絶縁膜２３には開口が設けられており、この開口内でボンディングパッド４の一部は露出している。
【００４０】
本参考例では、図３（ｂ）に示すように、パッド４の露出部を第１の参考例で説明したプラズマ１０で処理する。この処理により、第１の参考例で説明したのと同様に、パッド４の表面領域にはＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合が導入される。そのため、図３（ｃ）に示すように、大気中でＡｕワイヤ８をパッド４へとボンディングする際にパッド４の酸化を抑制することができる。
【００４１】
このように、本参考例によると、プラズマ処理によりパッド４の酸化を防止することができるため、パッド４の露出部をアルミニウム電極などで覆う必要がない。また、本参考例においては、パッド４の表面領域はＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合だけでなく銅も含有しているため、金と銅との合金化が妨げられることがない。したがって、本参考例によると、クラックや剥離の発生を防止し且つ製造プロセスを簡略化することができる。さらに、本参考例によると、パッド４の酸化が抑制されるので、銅と金との間の接続の形成を大気雰囲気中で実行することができる。
【００４２】
第２の参考例では、上記のプラズマ処理はワイヤボンディングプロセスに適用された。そのプラズマ処理は、パッド上に提供されるべきＡｕバンプを用いたボンディングプロセスやパッド上に提供されるべきバンプを用いたフリップチップボンディングプロセスのような他のボンディングプロセスにも適用可能である。この場合も、同様の効果が得られる。
【００４３】
次に、第３の参考例について説明する。
【００４４】
図４（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、第３の参考例に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図である。本参考例に係るプロセスは、層間絶縁膜２３を形成する前に上記のプラズマ処理を行うこと以外は第１の参考例に係るプロセスとほぼ同様である。
【００４５】
本参考例に係るプロセスでは、まず、表面にトランジスタなどが形成された半導体基板２上に第１層間絶縁膜１３を形成する。次に、絶縁膜１３に配線用の溝を形成し、この溝をスパッタリング法などにより銅を主成分とする層で埋め込む。さらに、化学的機械研磨（以下、ＣＭＰという）法により銅層の溝の外側に位置する部分を除去して配線１４を形成する。その後、配線１４の表面を第１の実施形態で説明したプラズマ１０で処理する。この処理により、第１の参考例で説明したのと同様に、配線１４の表面領域にはＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合が導入される。以上のようにして、図４（ａ）に示す構造を得る。
【００４６】
次に、絶縁膜１３及び配線１４上に第２層間絶縁膜２３を堆積する。次いで、図４（ｂ）に示すように、絶縁膜２３上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターン５を形成する。このレジストパターン５をエッチングマスクとして用いたＲＩＥにより絶縁膜２３をパターニングして、図４（ｃ）に示す構造を得る。
【００４７】
次いで、図４（ｄ）に示すように、酸素１１を含有する雰囲気中でのアッシングにより、レジストパターン５を除去する。このアッシングの際、第１の参考例で説明したのと同様に、配線１４の表面領域中に導入したＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合は、銅が酸化するのを防止する。
【００４８】
その後、図４（ｅ）に示すように、絶縁膜２３に設けた溝の底面及び側壁にスパッタリング法などによりバリアメタル層２７を形成し、その溝を銅層で埋め込む。さらに、ＣＭＰ法により銅層の溝の外側に位置する部分を除去して配線２４を形成する。なお、バリアメタル層２７は、配線２４から絶縁膜２３などへと銅が拡散するのを防止する役割を果たす。
【００４９】
本参考例によると、第１の参考例で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、本参考例では、絶縁膜２３を形成する前にプラズマ処理を行うため、図４（ｃ）に示す構造においては、配線１４の絶縁膜２３に設けられた開口内で露出した部分だけでなく、配線１４の絶縁膜２３によって覆われた部分にもＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合が導入されている。アッシングの際、前者に導入されたＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合の少なくとも一部は消費されるのに対し、後者に導入されたＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合は消費されない。そのため、図４（ｅ）に示す構造において、両端に位置する２つの配線１４の表面領域における炭素原子濃度は、中央の配線１４の表面領域における炭素原子濃度に比べて遥かに高い。
【００５０】
上記の第１〜第３の参考例では、プラズマ処理にＣＯガスを用いたＲＩＥを利用することについて主に説明した。このＲＩＥをより長い時間行うと、配線１４やパッド４上には厚い非晶質炭素層が形成される。例えば、上記ＲＩＥを６０秒間行った場合、配線１４やパッド４上に非晶質炭素層が形成され、その非晶質炭素層は、７９．４原子％の炭素と、１６．９原子％の酸素と、３．７原子％の銅とを含有していた。
【００５１】
このように非晶質炭素層が形成された場合、配線１４やパッド４を４００℃以上の高温酸化雰囲気に晒しても銅の酸化は全く進行しない。しかしながら、この場合、非晶質炭素層は酸化雰囲気中での熱処理後においても残留する。そのため、例えば、Ａｕワイヤ８をパッド４にボンディングする際には、金と銅との合金化が妨げられ、Ａｕワイヤ８とパッド４との接続が不可能となることがある。また、多層配線構造においては、配線１４と配線２４との間に非晶質炭素層が介在するため、ヴィアコンタクト抵抗が増大する。
【００５２】
このような接続不良の発生及びコンタクト抵抗の増大は、ＣＯガスを用いたＲＩＥに続いて、Ｏ2ガスを用いたＲＩＥを行って、非晶質炭素層の余剰分を除去することにより回避可能である。例えば、ＣＯガスを用いたＲＩＥを６０秒間行い、その後、Ｏ2ガスを用いたＲＩＥを３０秒間行った場合、銅の酸化、接続不良の発生、及びコンタクト抵抗の増大を防止することができる。
【００５３】
また、酸化雰囲気中での熱処理が配線１４やパッド４への電気的接続以外の目的で行われる場合は、以下の方法を採用することもできる。すなわち、まず、配線１４やパッド４上に十分に厚い非晶質炭素層を形成する。次いで、酸化雰囲気中での熱処理を行う。その後、配線１４やパッド４上に残留する非晶質炭素層を、Ｏ2ガスを用いたＲＩＥにより除去する。この方法は、酸化雰囲気中での熱処理が４００℃以上の高温で行われる場合などに有効である。
【００５４】
第１〜第３の参考例において、プラズマの原料ガスとしては、ＣＯ、ＣＯ2、Ｃ2Ｈ4、Ｃ2Ｈ2、ＣＨ3ＯＨ、及びＣ2Ｈ5ＯＨなどのように炭素を含む化合物を含有したガスを使用することができる。なお、原料ガスとして、ＣＦ4、Ｃ4Ｆ8、及びＳＦ6などのフッ素を含む化合物を含有したガスを用いて配線１４をＲＩＥにより処理すると、配線１４の表面にはＣｕＦ2が形成される。配線１４の表面にＣｕＦ2を形成した場合も、銅の酸化を抑制することやＡｕワイヤのボンディングが可能であり、しかも、ヴィアコンタクト抵抗を十分に低く押えることも可能である。
【００５５】
上記の原料ガスを用いてプラズマを生じさせるには、ＲＩＥ法に加え、例えば、プラズマＣＶＤ法、ＥＣＲ法、光ＣＶＤ法、及び熱ＣＶＤ法なども利用することができる。
【００５６】
上記のプラズマ処理と層間絶縁膜２３などに開口を形成するために行うＲＩＥ処理とは、酸素の不存在下で連続的に行ってもよい。これは、例えば、上記プラズマ処理にＲＩＥを利用する場合は、それら処理を同一チャンバ内で行い且つチャンバ内に供給するガスの組成などを変更することにより可能である。
【００５７】
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００５８】
図５は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図である。図５に示す構造においては、半導体基板２上に層間絶縁膜１３が形成されている。層間絶縁膜１３には銅製の配線１４が埋め込まれており、層間絶縁膜１３及び配線１４上には層間絶縁膜２３が形成されている。層間絶縁膜２３には開口が設けられており、この開口内で配線１４の一部は露出している。
【００５９】
本実施形態は、プラズマ処理の代わりにレーザビーム照射を行うこと以外は第１の参考例とほぼ同様である。すなわち、本実施形態に係るプロセスでは、図５に示すように、大気中で配線１４の露出部にレーザビーム１２を照射する。これにより、配線１４の表面領域中にＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合を導入することができる。
【００６０】
以下に、上記レーザビーム照射の一例について記載する。
【００６１】
波長２６６ｎｍのＱスイッチＹＡＧ第４高調波レーザを用い、大気中で配線１４の露出部に１パルスのレーザビームを照射した。なお、パルス幅は５〜１０ｎｓｅｃであり、１パルス当りの照射エネルギーは１〜２Ｊ／ｃｍ2であった。その後、パッド４の表面をＸＰＳにより組成分析した。
【００６２】
図６（ａ）及び（ｂ）は、図５に示すレーザビーム照射を行ったパッド４の表面へのＸＰＳ測定により得られたＣ１ｓ及びＣｕ２ｐ３スペクトルを示すグラフである。また、図７（ａ）及び（ｂ）は、レーザビーム照射を行わなかったパッド４の表面へのＸＰＳ測定により得られたＣ１ｓ及びＣｕ２ｐ３スペクトルを示すグラフである。なお、図中、横軸は結合エネルギーを示し、縦軸は強度を示している。
【００６３】
図６（ａ）及び（ｂ）と図７（ａ）及び（ｂ）から得られた炭素原子濃度を上記表に纏める。
【００６４】
上記表から明白なように、表面領域中での炭素原子濃度は、レーザビーム照射を行わない場合（「未処理」）に比べて、レーザビーム照射を行った場合において遥かに高い。この結果は、レーザビーム照射により、配線１４の表面領域中に炭素原子或いは炭素原子を含む物質が導入されたことを示している。また、上記表から明白なように、レーザビーム照射を行った場合、レーザビーム照射を行わない場合（「未処理」）に比べて、濃度「ＣｕＣＯ3」は大幅に低下し、濃度「Ｃ−Ｈ／Ｃ−Ｃ」は大幅に増加している。すなわち、上記のレーザビーム照射は、第１〜第３の参考例で説明したプラズマ処理と同様に、配線１４の表面領域中へとＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合を導入する効果をもたらす。
【００６５】
次に、レーザビーム照射後の配線１４に対し、大気中、２００℃の温度で熱処理を行い、熱処理時間と配線１４の表面に形成される酸化膜の膜厚との関係を調べた。また、同様に、レーザビーム照射前の配線１４に対し、大気中、２００℃の温度で熱処理を行い、熱処理時間と配線１４の表面に形成される酸化膜の膜厚との関係を調べた。
【００６６】
図８は、図５に示す構造に対して酸化処理を行った場合に形成された酸化膜の膜厚を示すグラフである。図中、横軸は熱処理時間を示し、縦軸は酸化膜の膜厚を示している。また、図中、曲線３３はレーザビーム照射を行った場合に得られたデータを示し、曲線３２はレーザビーム照射を行わなかった場合に得られたデータを示している。
【００６７】
図８から明白なように、レーザビーム照射を行わない場合、熱処理の開始と同時に酸化膜の形成が始まった。それに対し、レーザビーム照射を行った場合、熱処理開始から２０分経過した時点でも酸化膜は殆ど形成されなかった。すなわち、本実施形態によると、第１の参考例で説明したのと同様の効果が得られた。また、図２の曲線３１と図８の曲線３３との比較から明らかなように、レーザビーム照射によると、プラズマ処理に比べて、より大きな酸化防止効果が得られた。
【００６８】
次に、レーザビーム照射を行った配線１４を透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭという）で観察した。
【００６９】
図９（ａ）は、図５に示すレーザビーム照射前の配線１４を概略的に示す断面図である。図９（ｂ）は、図５に示すレーザビーム照射後の配線１４を概略的に示す断面図である。なお、図中、参照番号１４１は、結晶粒界を示している。
【００７０】
上記のレーザビーム照射前では、通常、図９（ａ）に示すように、配線１４中の結晶粒界１４１は配線１４の露出面にまで達している。上記のレーザビーム照射を行うと、通常、配線１４の表面は溶融／再結晶化する。この溶融／再結晶化は、通常、図９（ｂ）に示すように、配線１４の表面に凹凸構造を生じさせるのに加え、配線１４の表面から数１０００Åまでの領域内の結晶粒を成長させ、その結果、配線１４の露出面にまで達する結晶粒界１４１は消失する。したがって、ＴＥＭなどを用いて配線１４の表面構造や結晶粒界などを調べることにより、配線１４に対してレーザビーム照射が行われているか否かを判別することができる。
【００７１】
以上説明した第１の実施形態では、大気中でレーザビーム照射を行うことにより配線１４の表面領域中へとＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合を導入したが、炭素或いは炭素化合物を含有する雰囲気中でレーザビーム照射を行っても同様の効果を得ることができる。
【００７２】
また、第１の実施形態では、波長２６６ｎｍのＱスイッチＹＡＧ第４高調波レーザを使用したが、他のレーザを使用することもできる。波長が紫外域にあるレーザを使用した場合、気相中や配線１４上の炭素または炭素化合物を効率的に光分解することができ、配線１４の表面領域中にＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合をより効果的に導入することができる。そのようなレーザとしては、例えば、上記の波長２６６ｎｍのＱスイッチＹＡＧ第４高調波レーザや、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを挙げることができる。なお、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザを用いて配線１４に１パルスのレーザビームを照射する場合、例えば、パルス幅を１０〜３０ｎｓｅｃとし且つ照射エネルギーを１〜２Ｊ／ｃｍ2としてもよい。なお、使用可能なレーザや照射条件は、上記に限定されず、種々変更が可能である。
【００７３】
さらに、第１の実施形態では、大気中でのレーザビーム照射を、配線１４の表面領域中へとＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合を導入するのに利用したが、大気中でのレーザビーム照射は、パッド４の表面領域中へとＣ−Ｈ結合やＣ−Ｃ結合を導入するのに利用することもできる。この場合、第２の参考例で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、上記レーザビーム照射は、酸化雰囲気中での熱処理前であれば何時行ってもよく、例えば、絶縁膜２３を形成する前に行ってもよい。
【００７４】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００７５】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図である。図１０（ａ）に示す構造においては、半導体基板２上に層間絶縁膜１３が形成されている。層間絶縁膜１３には銅製のボンディングパッド４が埋め込まれており、層間絶縁膜１３及び配線１４上にはＳｉＮ膜６及び絶縁膜２３が順次積層されている。ＳｉＮ膜６及び絶縁膜２３には開口が設けられており、この開口内でパッド４の一部は露出している。
【００７６】
本実施形態は、プラズマ処理の代わりに以下の処理を行うこと以外は第２の参考例とほぼ同様である。すなわち、本実施形態に係るプロセスでは、まず、図１０（ａ）に示す構造を準備する。次に、図１０（ｂ）に示すように、炭素を含有する粒子３５と溶剤３６とを含有する溶液をパッド４上にコートして塗膜３７を形成する。さらに、図１０（ｃ）に示すように、粒子３５をパッド４上に残して塗膜３７を乾燥させる。その後、第２の参考例で説明したのと同様のボンディングを行う。
【００７７】
このように、炭素を含有した粒子３５をパッド４に付着させた状態でボンディングを行った場合、粒子３５の近傍では銅の酸化が抑制される。したがって、第２の参考例で説明したのと同様の効果を得ることができる。この効果は、例えば、以下の試験結果などからも実証されている。
【００７８】
直径が１μｍ〜５μｍの炭素微粒子３５を溶剤３６中に分散させてなる溶液を銅製のパッド４上にコートして塗膜３７を形成した。次に、塗膜３７から溶剤を揮発させて、炭素微粒子３５をパッド４に付着させた。なお、炭素微粒子３５間の平均距離は１０μｍ以下とした。さらに、大気中、２００℃〜３５０℃の温度で熱酸化処理を行った。その結果、銅の酸化速度は著しく低下した。
【００７９】
以上説明した第２の実施形態では、粒子３５をパッド４の酸化防止に利用したが、粒子３５は配線１４の酸化防止に利用することもできる。この場合、第１及び第３の参考例で説明したのと同様の効果を得ることができる。また、図１０（ｂ）及び（ｃ）を参照して説明した工程は、酸化雰囲気中での熱処理前であれば何時行ってもよく、例えば、絶縁膜２３を形成する前に行ってもよい。
【００８０】
本実施形態においては、熱酸化処理が完了する時点で粒子３５は完全に消費されていてもよく、或いは、熱酸化処理後に粒子３５がパッド４上に残留していてもよい。熱酸化処理後に粒子３５がパッド４上に残留している場合、それら粒子３５を例えばＯ2ガスを用いたＲＩＥなどにより除去してもよい。この場合、高速動作処理用半導体装置で問題となる配線間の静電容量の増大などを防止する上で有利である。或いは、熱酸化処理後に粒子３５がパッド４上に残留している場合、それら粒子３５は除去しなくてもよい。粒子３５間に隙間があれば、銅と金とを合金化することができるため、パッド４にＡｕワイヤをボンディングすることができる。
【００８１】
本実施形態において、粒子３５は導電性であってもよく絶縁性であってもよい。いずれの場合であっても、粒子３５間に隙間があれば、パッド４にＡｕワイヤを直接接触させることができるため、表面抵抗に基づく問題を生ずることはない。
【００８２】
なお、本実施形態では、上記の通り、粒子３５と溶剤３６とを含有する溶液をコートするため、粒子３５がパッド４上だけでなく絶縁膜２３上にも付着することがある。この場合、粒子３５が導電性の炭素微粒子であっても粒子３５間の隙間が十分に広ければ、電流リークを生ずることはない。
【００８３】
本実施形態において、通常、パッド４上に付着した粒子３５は半径約１０μｍ以内の範囲内で銅の酸化を防止する機能を発揮する。したがって、例えば、パッド４上に付着した粒子３５間の距離が１０μｍ以下であれば、パッド４の表面全体で銅の酸化を防止することができる。
【００８４】
以上説明した第１〜第３の参考例並びに第１及び第２の実施形態では、プラズマ処理、レーザビーム照射、或いはコーティングによって配線１４やパッド４の表面に炭素を供給したが、炭素の供給法はこれらに限られるものではない。例えば、イオン注入法や熱拡散法なども利用可能である。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、銅を含有した導電層の表面に炭素を供給するため、酸素を含有した雰囲気中での熱処理の際、酸素は導電層の表面に残留する炭素と優先的に酸素と反応し、その結果、銅の酸化は抑制される。
すなわち、本発明によると、銅の酸化が抑制され且つ簡略化されたプロセスで製造可能な銅を含有した導電層を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第１の参考例に係る半導体装置の製造プロセスで利用可能な処理を概略的に示す断面図。
【図２】図１（ａ）及び（ｂ）に示す構造に対して酸化処理を行った場合に形成された酸化膜の膜厚を示すグラフ。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、第２の参考例に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ、第３の参考例に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、図５に示すレーザビーム照射を行ったパッドの表面へのＸＰＳ測定により得られたＣ１ｓ及びＣｕ２ｐ３スペクトルを示すグラフ。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、レーザビーム照射を行わなかったパッドの表面へのＸＰＳ測定により得られたＣ１ｓ及びＣｕ２ｐ３スペクトルを示すグラフ。
【図８】図５に示す構造に対して酸化処理を行った場合に形成された酸化膜の膜厚を示すグラフ。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、図５に示すレーザビーム照射前後の配線を概略的に示す断面図。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造プロセスを概略的に示す断面図。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、従来技術に係る多層配線の形成プロセスの一例を概略的に示す断面図。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来技術に係るボンディングプロセスの一例を概略的に示す断面図。
【図１３】（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、従来技術に係る多層配線の形成プロセスの他の例を概略的に示す断面図。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、従来技術に係るボンディングプロセスの他の例を概略的に示す断面図。
【符号の説明】
２…半導体基板；  ４…ボンディングパッド；  ４ａ…酸化膜；  ５…レジストパターン；  ６…ＳｉＮ膜；  ７…アルミニウム電極；  ８…Ａｕワイヤ；  １０…プラズマ；  １１…酸素；  １２…レーザビーム；  １３…絶縁膜；  １４…配線；  １４ａ…酸化膜；  １６…ＳｉＮ膜；  ２３…絶縁膜；  ２４…配線；  ２７…バリアメタル層；  ３１…曲線；  ３２…曲線；  ３３…曲線；  ３５…粒子；  ３６…溶剤；  ３７…塗膜；  １４１…結晶粒界。
【図１】
0004301751.tif 000003
【図２】
0004301751.tif 000004
【図３】
0004301751.tif 000005
【図４】
0004301751.tif 000006
【図５】
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【図６】
0004301751.tif 000008
【図７】
0004301751.tif 000009
【図８】
0004301751.tif 000010
【図９】
0004301751.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004301751.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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