(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅もしくは銅合金からなる配線を被覆する有機絶縁膜に前記配線に達する凹部を形成する工程
を備えた半導体装置の製造方法において、
前記凹部を形成した後、
前記凹部の底部に前記配線が露出した状態で、前記配線が形成されている基板を冷却しながら水素を含むガスを用いたプラズマ処理を行う工程を備え、
前記プラズマ処理工程では、水素ラジカルの活性度を低下させる低温にて、前記凹部の底部が水素プラズマによる還元作用によりクリーニングされる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記プラズマ処理を行う前に、
アルゴンを用いたスパッタリングを行う工程
を備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記凹部は接続孔からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記凹部は溝からなる
ことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記凹部は溝と該溝の底部に形成された接続孔とからなる
ことを特徴とする請求項１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関し、詳しくは接続孔のクリーニング工程を備えた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超ＬＳＩの微細化、高速化の要求が高まるにつれて、配線材料の低抵抗化、層間絶縁膜の低誘電率化が求められている。これにこたえ、配線材料としては、従来のアルミニウム合金に代えて銅が、また層間絶縁膜としては従来の酸化シリコンに代えて各種低誘電率材料が検討されている。
【０００３】
銅配線を形成する方法としては、銅のドライエッチングが一般的に困難であることから、いわゆるダマシン法が有望となっている。
【０００４】
一方、低誘電率有機膜の候補としては、ポリアリールエーテル等の有機絶縁膜が有望とされている。
【０００５】
ダマシン法により銅の多層配線を形成した場合の一例を図２によって説明する。図２に示すように、基板（図示せず）上に形成された絶縁膜１１１に溝配線構造の下層銅配線１１２を形成した後、絶縁膜１１１上に下層銅配線１１２を覆う層間絶縁膜１１３を形成する。そして既知のプロセスによって層間絶縁膜１１３に上層銅配線を形成するための溝１１４および下層銅配線１１２に達する接続孔１１５を形成する。
【０００６】
次いで、これから形成する上層銅配線と上記下層銅配線１１２との良好な電気的接続を得るために、接続孔１１５の底部に露出している下層銅配線１１２の表面に生成されている酸化膜等を、アルゴンスパッタリングによって、クリーニングして除去する。このアルゴンスパッタリングでは、酸化シリコン膜の膜厚換算で２５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の膜厚をスパッタリングするように行う。
【０００７】
次いでスパッタリングによって、上記溝１１４および接続孔１１５の内面にバリア層１１６を例えば窒化タンタルで形成する。その際、層間絶縁膜１１３上にもバリア層（図示せず）が形成される。さらにバリア層１１６の表面に銅シード層（図示せず）を形成した後、電解メッキ法によって接続孔１１５および溝１１４の内部に銅を埋め込む。その際、層間絶縁膜１１３上にも銅が堆積される。その後、化学的機械研磨法によって、層間絶縁膜１１３上の余分な銅およびバリア層を除去し、溝１１４および接続孔１１５の内部にバリア層１１６を介して銅を残し、プラグ１１７と上層銅配線１１８を形成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記アルゴンスパッタリングによるクリーニング方法は、従来のアルミニウム合金配線において行われてきた方法であり、配線の微細化が進むにつれて、より微細な接続孔の底部を十分にクリーニングすることは困難となっている。また、銅配線の場合には、図３に示すように、接続孔１１５の底部に露出している下層銅配線１１２の表面から叩きだされた銅が接続孔１１５の側壁に再付着し、この再付着物１２１が層間絶縁膜１１３中に拡散して配線間リークを引き起こすという問題が生じる。
【０００９】
そこで、銅配線プロセスでは、水素プラズマ法により接続孔の底部の酸化層を還元反応を利用して除去する方法が有望となっている。しかしながら、この水素プラズマ法では、図４に示すように、層間絶縁膜１１３の一部の層を有機絶縁膜１１３ａ、１１３ｂで形成した場合に、有機絶縁膜１１３ａ、１１３ｂが水素プラズマによってエッチングされるため、接続孔１１５や溝１１４の側壁部分が後退するという問題が起こる。この問題は、Proceedings of 1999 International Interconnect Texhnology Conference (1999) p.198 に開示されている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置の製造方法であって、銅もしくは銅合金からなる配線を被覆する有機絶縁膜に前記配線に達する凹部を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法において、前記凹部を形成した後、前記凹部の底部に前記配線が露出した状態で、前記配線が形成されている基板を冷却しながら水素を含むガスを用いたプラズマ処理を行う工程を備え、前記プラズマ処理工程では、水素ラジカルの活性度を低下させる低温にて、前記凹部の底部が水素プラズマによる還元作用によりクリーニングされる製造方法である。
【００１１】
上記製造方法では、低温にてプラズマ処理を行うことから、水素ラジカルの活性度が低下するため、水素ラジカルによる凹部の側壁のエッチング作用が大幅に抑制される。そのため、凹部の側壁がほとんど後退することなく、水素プラズマによる還元作用により凹部の底部は良好にクリーニングされる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施の形態を、図１の製造工程断面図によって説明する。
【００１３】
図１の（１）に示すように、基板１１上に形成した半導体素子、配線等（図示せず）を覆う絶縁膜１２に溝１３を形成し、その溝１３の内部にバリア層１４を介して導電体材料（例えば銅）を埋め込んで、いわゆる溝配線構造の第１の配線１５を形成する。その後、絶縁膜１２上に第１の配線１５を覆う絶縁膜１６を、例えば低誘電率有機膜１７、酸化シリコン膜１８、低誘電率有機膜１９、酸化シリコン膜２０を順に積層して形成する。上記低誘電率有機膜１７、１９には、例えばポリアリールエーテルを用いた。
【００１４】
そして既知のプロセスによって絶縁膜１６の酸化シリコン膜２０と低誘電率有機膜１９とに上層銅配線を形成するための溝２１を形成し、さらに酸化シリコン膜１８と低誘電率有機膜１７とに第１の配線１５に達する接続孔２２を形成して凹部２３を構成する。上記酸化シリコン膜１８、２０は、接続孔２２、溝２１をエッチングによって形成する際のいわゆるハードマスクとして作用する。
【００１５】
次に、基板を冷却しながら水素を含むガスを用いたプラズマ処理を行う。このプラズマ処理は、例えばヘリコン型プラズマ発生装置を用い、処理ガスには水素（例えば供給流量は２００ｃｍ3／ｍｉｎ）を用い、その処理条件は一例として、基板温度を−５０℃、プラズマ処理雰囲気の圧力を１Ｐａ、バイアスパワーを２００Ｗ、ソースパワーを３ｋＷに設定した。
【００１６】
上記プラズマ処理と同様の効果を得る別の方法としては、例えばヘリコン型プラズマ発生装置を用い、処理ガスには水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）との混合ガスを用いる、もしくはアンモニア（ＮＨ3）を用い、その処理条件は一例として、基板温度を−５０℃、プラズマ処理雰囲気の圧力を１Ｐａ、バイアスパワーを２００Ｗ、ソースパワーを３ｋＷに設定した。
【００１７】
次いで、図１の（２）に示すように、スパッタリングによって、上記溝２１および接続孔２２の内面にバリア層２４を例えば窒化タンタルで形成する。その際、絶縁膜１６上にもバリア層（図示せず）が形成される。さらにバリア層２４の表面に銅シード層（図示せず）を形成した後、電解メッキ法によって接続孔２２および溝２１の内部に銅を埋め込む。その際、絶縁膜１６上にも銅が堆積される。その後、化学的機械研磨法によって、絶縁膜１６上の余分な銅およびバリア層を除去し、溝２１および接続孔２２の内部にバリア層２４を介して銅を残し、プラグ２５と第２の配線２６を形成する。
【００１８】
上記製造方法におけるプラズマ処理を行う前に、第１の配線１５とプラグ２５との電気的接続をさらに良好にするために、接続孔２２の底部に露出している第１の配線１５の表面に生成されている有機物等の汚染物質を、アルゴンスパッタリングを行って除去することが好ましい。この場合のアルゴンスパッタリングは、従来のアルゴンスパッタリングよりも短時間に行うことにより、第１の配線１５の表面がスパッタリングされて銅が接続孔２２の側壁に再付着するようなことがないようにする。例えば、酸化シリコン膜の膜厚換算で１０ｎｍ程度がスパッタリングされるように、上記アルゴンスパッタリングを行うのが望ましい。
【００１９】
また、上記アルゴンスパッタリングでは、汚染物質の除去とともに、溝２１の開口部および接続孔２２の開口部に丸みをつける作用も有する。このように、開口部に丸みが形成されることにより、電解メッキにおける銅の埋め込み性が向上される。
【００２０】
上記製造方法における実施の形態では、溝２１とその底部に形成した接続孔２２とにより凹部２３が形成された場合のクリーニング方法を説明したが、凹部が接続孔のみからなる場合、凹部が溝のみからなる場合にも、バリア層を形成する前に、上記説明した水素プラズマ処理を行うことは、凹部底部の酸化膜や汚染物質を除去する上で効果的である。
【００２１】
上記製造方法では、低温にてプラズマ処理を行うことから、水素ラジカルの活性度が低下するため、水素ラジカルによる凹部２３の側壁、特に低誘電率有機膜１７、１９の側壁のエッチング作用が大幅に抑制される。そのため、凹部２３の側壁がほとんど後退することなく、水素プラズマによる還元作用により凹部の底部は良好にクリーニングされる。
【００２２】
また、上記製造方法において、上記水素プラズマ処理を行う前にアルゴンスパッタリングを行うことにより、接続孔２２の底部に付着している有機物等の汚染物質をさらに効果的に除去することができ、水素プラズマ処理のみを行う場合より、クリーニング効果を高めることができる。
【００２３】
さらに、上記製造方法の説明においては、配線材料に銅を用いたが、銅ジルコニウムのような銅合金を用いることも可能である。また、バリア層には、窒化タンタルの他に、タンタル、窒化ケイ化タンタル、タングステン、窒化タングステン、窒化ケイ化タングステン、窒化チタン等を用いることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の製造方法によれば、低温にてプラズマ処理を行うので、水素ラジカルの活性度が低下する。そのため、水素ラジカルによる凹部の側壁のエッチング作用を大幅に抑制することができるので、凹部の側壁がほとんど後退することなく、水素プラズマによる還元作用により凹部の底部を良好にクリーニングすることができる。よって、低抵抗で信頼性の高い銅配線を安定的に形成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図２】  従来の半導体装置の製造方法を示す概略構成断面図である。
【図３】  アルゴンスパッタリングによる接続孔底部のクリーニングの問題を説明する概略構成断面図である。
【図４】  水素プラズマ処理による接続孔底部のクリーニングの問題を説明する概略構成断面図である。
【符号の説明】
１５…第１の配線、１６…絶縁膜、２３…凹部
【図１】
0003783488.tif 000002
【図２】
0003783488.tif 000003
【図３】
0003783488.tif 000004
【図４】
0003783488.tif 000005