(57)【要約】【課題】アッシングチャンバ内の経時変化によるアッシングレートのバラツキを抑制することを目的とする。【解決手段】アッシングレートを一定にするために、プロセスチャンバ１０１内のアッシングガス中の酸素原子の数の減少を間接的にモニタして、減少した酸素原子の数に相当するアッシングガスを供給する。間接的にモニタする手段として、ＡＰＣバルブ１３０の開度をモニタリングし、減少したアッシングガスを予測し、アッシングガスを供給する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属配線が絶縁膜の表面に剥き出しになった半導体基板に対して、アッシングを行うアッシング工程を備えた半導体装置の製造方法において、
前記アッシング工程中に、レジストと反応するアッシングガスの減少量を間接的にモニタするモニタ工程と、
前記減少量に応じたアッシングガスを供給する供給工程と、
を備えることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記アッシングガスとして酸素原子を含むガスを用いる、請求項１記載の半導体製造方法。
【請求項３】
前記モニタ工程は、チャンバの圧力制御に用いる自動圧力制御バルブの開度に基づいて、前記減少量を間接的にモニタする、請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
金属配線が絶縁膜の表面に剥き出しになった半導体基板に対して、アッシングを行うチャンバを備えた半導体装置の製造装置において、
レジストと反応するアッシングガスの減少量を、前記チャンバの自動圧力制御バルブの開度に基づいて間接的にモニタするモニタ手段と、
前記減少量に応じて必要となるアッシングガスの流量を予測する予測手段と、
前記流量のアッシングガスを供給する供給手段と、
を備えることを特徴とする、半導体装置の製造装置。
【請求項５】
前記チャンバの温度を測定する温度センサを備え、前記モニタ手段は、さらに該チャンバの温度に基づいてアッシングレートの低下を予測し、前記アッシングガスの減少量を間接的にモニタする、請求項４記載の半導体装置の製造装置。
【請求項６】
前記アッシングガスが酸素原子を含むガスである、請求項４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、プラズマ処理を行う半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化および高速化に伴って、技術的に加工条件のスペックが厳しくなる傾向にある。半導体装置の微細加工プロセスにおいては、配線材料としてＣｕを用いることが主流になっている。また、配線の絶縁膜には低誘電率の膜が使用されるようになってきている。このように、配線材料にＣｕ、層間絶縁膜に低誘電率膜が使用されるようになって、配線を形成する際に幾つかの課題が発生してきている。
【０００３】
すなわち、配線を形成する際にレジストを除去する必要があり、このレジストを除去する際に、一般的にはプラズマを用いたアッシングを行うが、アッシングを行う際に、Ｃｕへのダメージや酸化、低誘電率膜へのダメージや誘電率変化が生じる。このため、これらの課題を考慮する種々の技術が提案されている。
【０００４】
前記低誘電率膜へのダメージを低減するひとつの方法として、アッシングを行う際に、水素を含むガスを使用し、２ステップのアッシングを行う方法が挙げられる。例えば、下記の特許文献１では、１ステップ目は低バイアスでアッシングを行い、２ステップにバイアスアッシングを行い、残渣除去を行う方法が開示されている。あるいは、下記の特許文献２では、ＣＯなどの炭素を含むガスを用いて、Ｃで下地を保護しながらアッシングを行う方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−５２３５８５号公報
【特許文献２】特開２００１−１８９３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来のアッシング方法を、Ｃｕが表面に剥き出しになった工程で実施すると、ウェーハからＣｕが飛散し、処理枚数が増加するにつれてプロセス室内のＣｕの堆積量が増える。これによりプロセスチャンバ内部に堆積したＣｕとアッシングガスが反応し、アッシングレートが変動する。
【０００６】
従来の構成ではアッシング時間は、固定もしくはプラズマの発光を利用した終点検出を行っている。処理枚数が増加するにつれてプロセス室内にＣｕが堆積し、レジストを除去する時間が長くなる。時間固定の場合は、十分にオーバーアッシング時間を考慮する必要がある。また、終点検出の場合は、アッシング時間が長くなり、ウェーハがプラズマにさらされる時間が長くなる。
【０００７】
前記課題に鑑み、本発明は、比較的安価な方法で、アッシングレートのバラツキの低減を行い、Ｃｕの酸化量の低減、低誘電率膜へのダメージの低減を図ること、最終的には安定したバラツキの少ないＣｕ配線の形成を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するため、本発明は、アッシングレートを一定にするために、チャンバ内のアッシングガス中の酸素原子の数の減少を間接的にモニタして、減少した酸素原子の数に相当するアッシングガスを供給する。例えば、チャンバの圧力制御に用いるＡＰＣ（Auto Pressure Control：自動圧力制御）バルブをモニタすることによってアッシング
ガスの減少量を予測し、アッシングガスの供給を行う。
【０００９】
このようにすることにより、処理枚数に依存して変動するアッシングレートの変動のバラツキをなくすことができるとともに、以下の効果を奏する。
（１）オーバーアッシング時間を最適化することにより、Ｃｕの酸化量の低減を図ることができる。
（２）アッシングレートのバラツキを低減することにより、アッシング時間のバラツキを低減でき、Ｃｕの酸化量のバラツキを低減することができる。
（３）オーバーアッシング時間を最適化することにより、絶縁膜のダメージの低減を図ることができる。
（４）アッシングレートのバラツキを低減することにより、アッシング時間のバラツキを低減でき、絶縁膜のダメージのバラツキを低減することができる。
（５）（１）から（４）のバラツキを低減することにより、結果的に配線抵抗のバラツキを低減することができる。
（６）オーバーアッシング時間が短くなることにより、チャンバ内のＣｕの堆積量が減少し、メンテナンス周期が長くなる。
（７）アッシングレート低下防止により、アッシング時間を最適化することによるスループットの向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、処理枚数に依存して変動するアッシングレートの変動のバラツキをなくすことができるなどの効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
前述の課題であるＣｕ配線の抵抗のバラツキは、Ｃｕが露出する工程において発生すると考えられる。このＣｕが露出する工程の１つとして、アッシング工程がある。アッシング工程について、図１を用いて説明する。
【００１３】
図１（ａ）に示すように、基板上の低誘電率膜１に溝１ａを形成した後、この溝１ａにバリア膜であるＴａＮ/Ｔａ膜４、配線材料のＣｕシード層、Ｃｕ膜３が埋め込まれ、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法で研磨を行うことにより、金属配線を形成する。その上をストッパー膜（ＳｉＮ）２で覆う。さらに、その上に低誘電率膜１０が形成される。そして、低誘電率膜１０に配線溝とビアを形成する。このとき、ストッパー膜（ＳｉＮ）２がエッチングされ、図１（ｂ）に示すように、Ｃｕ膜３が、ビア内に露出する。その後、ポリマーなどを除去するためにアッシングを行う。
【００１４】
次に、パッドを形成する工程に関して、図２を参照して説明する。
【００１５】
図２（ａ）に示すように、絶縁膜６に溝６ａを形成し、この溝６ａにＴａＮ/Ｔａ膜４、配線材料のＣｕ膜３を埋め込み、ＣＭＰ法で研磨を行うことにより、パッドを形成する。その上にｐＳｉＮ膜７で配線を覆い、パッドのエッチング部分に合わせるようにレジスト５でパターニングする。次に、図２（ｂ）に示すように、ｐＳｉＮ膜７をエッチングする。その後に、レジスト除去のアッシングを行うことにより、図２（ｃ）に示すように、Ｃｕ膜３の表面がむき出しの状態になる。
【００１６】
アッシングでは、アッシング装置のチャンバ内に導入するアッシングガスとして、Ｏ2，ＣＯ，Ｈ2Ｏのように酸素原子が含まれるガスを少なくとも使用する。このアッシングガス中の酸素原子は、絶縁膜表面に露出したＣｕと反応する。このため、チャンバ内において、アッシングに寄与する酸素原子の数が減少する。この酸素原子の数の減少により、アッシングレートが下がり、前述した課題が生じる。
【００１７】
前記減少に関してグラフに表すと図３のようになる。アッシングガス流量は一定に保たれている。アッシングレートはチャンバクリーニングまでの間は徐々に低下していく。チャンバクリーニングを行うとチャンバ内にＣｕの堆積がなくなり、元のアッシングレートまで上昇する。ＡＰＣ（Auto Pressure Control）バルブ開度も同様に変化し、チャンバクリーニングまでの間に徐々に低下していく。チャンバクリーニングを行うとチャンバ内にＣｕの堆積がなくなり、元のＡＰＣバルブ開度まで上昇する。
【００１８】
このアッシングレートを一定にするために、チャンバ内のアッシングガス中の酸素原子の数の減少を間接的にモニタして、減少した酸素原子の数に相当するアッシングガスを供給することを行う。
【００１９】
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図４は発明の第１実施形態におけるプラズマ処理装置の断面図である。
【００２１】
プラズマ処理を行うプロセスチャンバ１０１とウェーハ搬送チャンバ２０１とがウェーハ搬送経路部３０３で連通され、プロセスチャンバ１０１からのプラズマ雰囲気を遮断するようにウェーハ搬送経路部３０３を開閉するゲートバルブ３０１が設けられている。
【００２２】
ウェーハ搬送チャンバ２０１は、ウェーハ１０２をプロセスチャンバ１０１に搬入搬出する搬送機構（図示せず）を備えている。ゲートバルブ３０１は、ウェーハ搬送チャンバ２０１側に設置されている。
【００２３】
プロセスチャンバ１０１は、上部電源１０４に接続する上部電極１１０が天部に埋設されるとともに、ウェーハ１０２を設置するためのウェーハステージ１０３に下部電源１０５が接続されていて、ウェーハステージ１０３が下部電極として機能する２周波型装置として構成されている。
【００２４】
プロセスチャンバ１０１には、ガス供給源１０８などのガス供給系１０９が上部電極１１０内に連通するように接続されていて、プロセスガス流量コントローラー１１６により、流量が制御されたガスは、ガス噴出し板１１１に形成された複数の孔から噴出する。またウェーハ搬送経路部３０３に対向する側壁の下部の排気部１０７から排気領域１１２が設けられている。そして、排気領域１１２の底部に排気口１１３が形成され、排気口１１３を開閉する排気用ゲートバルブ１０６と排気口１１３に連通するターボ分子ポンプや排気配管などの排気に関わる部材とが設置されている。プロセスチャンバ１０１内のガスは、排気部１０７、排気領域１１２、排気口１１３を流れるように整流されて外部へ排気される。
【００２５】
なお、図４には、このプラズマ処理装置の各部をコントロールするＣＰＵ（中央演算処理ユニット）１２０を示している。このＣＰＵ１２０がプログラムを実行することにより、アッシングガスの減少量を間接的にモニタするモニタ手段、この減少量に応じて必要となるアッシングガスの流量を予測する予測手段、および、前記流量のアッシングガスを供給する供給手段として動作する。
【００２６】
アッシング条件は、本例では圧力：８．０Ｐａ、酸素流量：５００ｓｃｃｍ、上部ＲＦパワー：３０００Ｗ、下部ＲＦパワー：５０Ｗ、ウェーハステージ温度：２５℃とする。
【００２７】
図５に本実施形態のアッシング方法のフローを示す。はじめにチャンバクリーニングが終わり、アッシング処理ができる状態になった時点で、アッシングレートを評価する。その際のＡＰＣバルブ開度を記憶させる（図５ステップＳ５１）。
【００２８】
図６のグラフにＡＰＣバルブ開度とアッシングレートの関係を示す。この関係は、アッシングガス一定の環境下で行った実験により求められる。また、この実験は、ＡＰＣバルブ１３０の開度の調節を行うガス(後述)なども変化させずに同一の流量で実験を行った。仮にアッシングレートが１３００ｎｍ／ｍｉｎで、ＡＰＣバルブ開度が１７．０％とすると、このグラフの関係から大きく外れることになる。原因は、チャンバクリーニング時におけるパーツ交換や到達真空度などのバラツキなどが考えられる。そのため、この関係式に近づくように調整を行う。
【００２９】
本例では、図４に示すＡＰＣバルブ１３０とターボ分子ポンプ１３１の間にガスを供給する機構があり、ガス供給源１１５からガス流量コントローラー１１４を通じてガスを供給することができる。ＡＰＣバルブ１３０を目標の値に調整できるようにガスの供給量を調整する。ここではガスを供給することによりアッシング時にＡＰＣバルブ開度が１６．３２％になるように調整する（図５ステップＳ５２）。ガスはＮ2などの不活性ガスを用いる。ここではガスを供給することによってＡＰＣバルブ開度を調整するが、ほかの手段を用いて、排気能力をコントロールし、ＡＰＣバルブ開度を調整してもよい。例えば、ターボ分子ポンプ１３１とドライポンプ１３３の間にバルブを設けてコンダクタンスを変化させて、ＡＰＣバルブの開度を狙いの値に調整してもよい。
【００３０】
また、メンテナンス直後のアッシングレートをＹｔとし、この値をターゲットのアッシングレートとする。
【００３１】
図５に示すように、１枚目の製品を処理する際には、追加するアッシングガス（ここでは酸素）量：ｚ（１）＝０ｓｃｃｍとする。そして、処理中のＡＰＣバルブ開度ｘを記憶させる。Ｘ（１）＝ｘとする。ここで予測のアッシングレートを算出する。予測のアッシングレートＹ（１）＝Ａ×Ｘ（１）＋Ｂとする。ここでの係数Ａ，Ｂは事前に実験で求めた図６に示すような関係から求められる。
【００３２】
そして、２枚目の製品を処理する際に必要な追加するアッシングガス量Ｚ（２）＝Ｃ×（Ｙｔ−Ｙ（１））＋Ｚ（１）を算出する（図５ステップＳ５３）。係数Ｃも事前に実験で求める。ここでの条件の場合、実験結果より算出した係数Ｃの値として、Ｃ＝２．０ｓｃｃｍ／（ｎｍ／ｍｉｎ）を用いる。
【００３３】
２枚目の製品を処理する際は、前に求めた追加するアッシングガス量：Ｚ（２）を追加し、アッシング処理を行う。先と同様に、ＡＰＣバルブ開度ｘを記憶させ、Ｘ（２）＝ｘとし、予測のアッシングレート：Ｙ（２）＝Ａ×Ｘ（２）＋Ｂを算出する。そして、３枚目の製品を処理する際に必要な追加するアッシングガス量Ｚ（３）＝Ｃ×（Ｙｔ−Ｙ（２））＋Ｚ（２）を算出する（図５ステップＳ５４）。
【００３４】
この工程を繰り返し行う。ｎ枚目の製品を処理する際は、前に求めた追加するアッシングガス量：Ｚ（ｎ）を追加し、アッシング処理を行う。先と同様に、ＡＰＣバルブ開度ｘを記憶させ、Ｘ（ｎ）＝ｘとし、予測のアッシングレート：Ｙ（ｎ）＝Ａ×Ｘ（ｎ）＋Ｂを算出する。そして、ｎ＋１枚目の製品を処理する際に必要な追加するアッシングガス量Ｚ（ｎ＋１）＝Ｃ×（Ｙｔ−Ｙ（ｎ））＋Ｚ（ｎ）を算出する（図５ステップＳ５５）。
【００３５】
また、アッシングレートがほぼ一定になることにより、アッシング時間は固定できる。オーバーアッシング時間は必要に応じて事前に実験により算出し追加する。プラズマの発光をモニタリングすることによって終点検出する方法でも可能だが、アッシング時間はほぼ一定になる。
【００３６】
これによりアッシングレートがチャンバ内のＣｕの影響によって発生するバラツキを低減することができる。
【００３７】
また、設備が何らかの異常によりＡＰＣバルブ開度が大きく変動する可能性がある。その際に、次のウェーハへ異常なアッシングガス量を供給する可能性がある。Ｚ（ｎ＋１）−Ｚ（ｎ）の絶対値が、ある一定以上の値を示した場合は、次のウェーハを処理しないようにインターロックを設定するのが望ましい。また、基本的にはＺ（ｎ＋１）−Ｚ（ｎ）は正になる。
【００３８】
ここでは処理装置は２周波のものを用いたが、マイクロ波などの他のプラズマ源であっても、このアッシング方法を使用することが可能である。
【００３９】
（第２実施形態）
前記第１実施形態では、チャンバクリーニング後にＡＰＣバルブ開度を調整する工程を入れたが、これを省くこともできる。事前に多くのＡＰＣバルブ開度とアッシングレートの実験データを収集し、チャンバクリーニング後のＡＰＣバルブ開度とアッシングレートから前記係数Ａ，Ｂを算出する方法もある。
【００４０】
例えば、ＡＰＣバルブ開度が１６．５０から１６．６０％の場合で、かつアッシングレートが１４００〜１４５０ｎｍ／ｍｉｎの場合はＡ＝○○、Ｂ＝○○というように、想定できる範囲のＡとＢの値を予め求めておく(図７)。
【００４１】
そして、チャンバクリーニング後のＡＰＣバルブ開度とアッシングレートより、係数Ａ，Ｂの値を算出する。
【００４２】
これによって、チャンバクリーニングごとに、ＡＰＣバルブ開度を調整する必要がなくなる。
【００４３】
（第３実施形態）
一般的にはアッシングレートはチャンバ内の温度によって変動する。チャンバの側壁などに温度センサーを埋め込み、その温度を用いて、アッシングレートの予測の精度を向上させる。ただし、アッシングレートとその温度センサーの値に相関がある場合のみ有効である。第１実施形態で用いた予測アッシングレートの式に代えて次の式を用いる。すなわち、予測のアッシングレート：Ｙ（ｎ）＝Ａ×Ｘ（ｎ）＋Ｂ−Ｄ×（Ｔ（チャンバ温度）−Ｅ）を用いる。ここで係数Ｄ，Ｅは実験で求める。また、チャンバ温度Ｔは実測した値である。
【００４４】
これにより、チャンバの温度バラツキによって生じるアッシングレートのバラツキも低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明は、半導体製造におけるＣｕ配線抵抗のバラツキの要因の一つであるアッシングレートのバラツキ低減に有用である。また、生産性の観点からも本アッシング方法は無駄なアッシング時間を排除することができるなど有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る半導体装置の製造工程を示す工程断面図。
【図２】本発明に係る半導体装置の他の製造工程を示す工程断面図。
【図３】アッシングレート、バルブ開度、アッシング流量と放電時間との関係図。
【図４】本発明におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図。
【図５】本発明の第１実施形態におけるアッシング方法のフローチャート。
【図６】ＡＰＣバルブとアッシングレートの関係図。
【図７】本発明の第２実施形態における係数の換算表。
【符号の説明】
【００４７】
１  低誘電率膜
２  ＳｉＮ
３  Ｃｕ
４  Ｔａ／ＴａＮ
５  レジスト
６  絶縁膜
７  ｐＳｉＮ
１０  低誘電率膜
１０１  プロセスチャンバ
１０２  ウェーハ
１０３  ウェーハステージ
１０４  上部電源
１０５  下部電源
１０６  排気用ゲートバルブ
１０７  排気部
１０８  ガス供給源
１０９  ガス供給口
１１０  上部電極
１１１  ガス噴出し板
１１２  排気領域
１１３  排気口
１１４  ガス流量コントローラー
１１５  ガス供給源
１１６  プロセスガス流量コントローラー
１２０  ＣＰＵ
１３０  ＡＰＣバルブ
１３１  ターボ分子ポンプ
１３３  ドライポンプ
２０１  ウェーハ搬送チャンバ
３０１  ゲートバルブ
３０３  ウェーハ搬送経路部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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