半導体装置の製造方法、半導体装置及び半導体装置の製造装置
【課題】製造工程数を増加させることなく配線上にキャップメタル膜を選択的に形成することにより、配線間リーク電流の増大及び配線間ショートを抑制する。
【解決手段】絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置の製造方法において、基板上に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、前記溝に導電膜を埋め込む工程と、それぞれに電解液が注入された複数の貫通孔を有する基体を前記導電膜の表面に接触させながら、前記電解液と電気的に接続されたアノードと前記基体表面に露出したカソードとの間に電位差を付与することで、前記導電膜が埋め込まれた前記絶縁膜を表面処理する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【解決手段】絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置の製造方法において、基板上に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、前記溝に導電膜を埋め込む工程と、それぞれに電解液が注入された複数の貫通孔を有する基体を前記導電膜の表面に接触させながら、前記電解液と電気的に接続されたアノードと前記基体表面に露出したカソードとの間に電位差を付与することで、前記導電膜が埋め込まれた前記絶縁膜を表面処理する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャップメタル膜を有する半導体装置及びキャップメタル膜を有する半導体装置の製造方法並びに半導体装置の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化にともなって、低抵抗な配線を形成する技術が必要になっている。Ｃｕは低抵抗な配線材料として注目されているがＣｕのハロゲン化合物の蒸気圧が低いためＣｕ膜を形成してからドライエッチングによりパターンニングして配線を形成することが困難である。そこで基板上に形成した絶縁膜上に配線用の溝をあらかじめ形成して、該溝にＣｕで埋め込んで、その後絶縁膜上の余分なＣｕをＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）で除去するダマシン配線が早くから試みられていた。
【０００３】
一方、Ｃｕは酸化シリコン系の絶縁膜中を拡散するので、Ｃｕのダマシン配線の表面をバリア層で覆い、絶縁膜中へのＣｕの拡散を阻止する必要がある。現状のダマシン配線は、上記絶縁膜に形成された配線溝の内側にあらかじめバリアメタル膜を形成し、その後Ｃｕを埋め込み、最後にキャップ絶縁膜で蓋をしてＣｕ表面を保護している。しかしＣｕとキャップ絶縁膜との界面には十分な密着強度が得られず、通電中に当該界面にボイドが発生し信頼性を低下させる場合がある。
【０００４】
特許文献１にはダマシン配線上にコバルト−タングステン−リン（ＣｏＷＰ）膜等のキャップメタル膜を成長させ、ダマシン配線の信頼性を向上するプロセスが提案されている。
【０００５】
以下、図１０を参照しながら、特許文献１に開示されたキャップメタル膜を形成したダマシン配線を備える半導体装置の製造方法について説明する。
【０００６】
まず、トランジスタ等の半導体素子が形成された半導体基板（図示せず）上に図１０（Ａ）に示すように絶縁膜６１２を形成するとともに、当該絶縁膜６１２に、リソグラフィー法及びドライエッチング法により凹部６１３を形成する。また凹部６１３を形成した絶縁膜６１２上に、メタルからなるバリア層６１０を形成する。さらに、図１０（Ｂ）に示すようにバリア層６１０上にスパッタリング法等によりＣｕからなるシード層６１４を形成する。次にこのシード層６１４上に図１０（Ｃ）に示すＣｕめっき層６１５を形成する。次に図１０（Ｄ）で示すように前記のＣｕめっき層６１５の凹部６１３以外の部分、シード層６１４、及びバリア層６１０を、ＣＭＰ法により除去することで、Ｃｕが凹部６１３に充填されたＣｕ配線６０９を形成する。
【０００７】
次に、図１０（Ｅ）に示すように無電解めっき法により、Ｃｕ配線６０９の表面にＣｏＷＰからなるキャップメタル膜６１１を形成する。その際、Ｐｄを触媒として１種類の還元剤を用いて無電解還元をすることによって、Ｃｕ配線表面にキャップメタル膜６１１を形成する。
【０００８】
しかし、上記の無電解めっき法でキャップメタル膜６１１を形成するとＣｕ配線６０９上だけではなく、配線間の層間絶縁膜６１２上にもメタル６１７が異常成長し、層間絶縁膜６１２上に残留するので、配線ショート、信頼性劣化などの不具合が生じる。
【０００９】
この問題を解決するために特許文献２には、Ｃｕ配線表面が露出する開口を備えたマスク上に、無電解めっき法によりキャップメタル膜を形成した後、マスクを除去する技術が開示されている。特許文献３には、２種類の還元剤を用いて触媒金属を還元することによって、無電解めっき法によりキャップメタル膜を形成する技術が開示されている。特許文献４には、絶縁膜の開口に形成された導電性材料膜に掘り込み部（リセス）を形成して、触媒金属を形成した後、絶縁膜上の触媒金属を除去し、導電性材料膜上の触媒金属を還元することで、無電解めっき法によりキャップメタル膜を形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特表２００３−５０５８８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９５８９号公報
【特許文献３】特開２００４−２００２７３号公報
【特許文献４】特開２００６−１２０６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記いずれのキャップメタル膜形成技術にも次の問題がある。特許文献２の技術では、マスクを除去する際に配線上に存在するキャップメタル膜も同時に除去されてしまい、キャップメタル膜が不均一に形成されてしまう。さらに、マスクを形成する工程が増えるため、全体の工程数が増加する。特許文献３の技術では、２種類の還元剤を用いることによる工程数の増加と、それに対するコストが増加する。特許文献４の技術では、工程数の増加、コストの増加、リセスの加工による加工ばらつきが生じる。
【００１１】
上記の課題を鑑み、本発明の目的は製造工程数を増加させることなく、配線上にキャップメタル膜を均一に形成することにより、配線間リーク電流の増大及び配線間ショートを抑制する半導体装置の製造方法、半導体装置の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は以下の手順を採用している。まず本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置の製造方法を前提としている。
【００１３】
まず、基板上に形成された絶縁膜に溝を形成し、前記溝に導電膜を埋め込む。次いで、それぞれに電解液が注入された複数の貫通孔を有する基体を前記導電膜の表面に接触させながら、前記電解液と電気的に接続されたアノードと前記基体表面に露出したカソードとの間に電位差を付与することで前記導電膜が埋め込まれた前記絶縁膜を表面処理するようになっている。この構成において、基体が導電性を有し、基体表面の全てがカソードであることが望ましい。また、前記基体の複数の貫通孔の側壁は、電解液と導電性の基体とを電気的に絶縁する絶縁性の材料で構成されていることが望ましい。
【００１４】
上記構成において、前記電解液が金属元素を含み、前記表面処理が、前記絶縁膜に埋め込まれた導電膜の表面に、前記電解液に含まれる金属元素を析出させる電解めっき処理であると電解液に接触していない部分にはメタル膜は形成されないので、電解液に接触した導電膜部分のみに選択的にキャップメタル膜を形成することができる。さらに導電膜以外の部分に形成したメタル膜を除去する工程が不要となる。
【００１５】
上記キャップメタル膜形成後、キャップメタル膜の表面を基体により機械的に研磨する工程を有してもよい。この場合、当該基体は研磨パッドとしても機能する。これにより、電解めっきにより形成されたキャップメタル膜表面を平坦化することができる。
【００１６】
また、上記構成において、前記電解液が非金属元素のみを含み、前記表面処理が、前記絶縁膜上に形成された金属膜を除去する研磨処理であってもよい。無電解めっき法でキャップメタル膜を形成するとＣｕ配線上だけではなく、配線間の層間絶縁膜上にも金属膜が異常成長し、層間絶縁膜上に残留する。当該金属膜はこの無電解めっきで絶縁膜上に発生した膜である。この場合、凹部に導電膜が埋め込まれた絶縁膜の表面を、導電性基体と電解液との間に電界を発生させた状態で研磨することができる。これにより、キャップメタル膜の膜厚を減少させることなく、絶縁膜上の不要な金属膜を除去することができる。
【００１７】
上記の半導体装置の製造装置を使用すると配線上のキャップメタル膜に電解をかけることで電流の流れやすいキャップメタル膜３００の密着力は増す。したがって導電性の基体５０５の機械的研磨によっては、キャップメタル膜は除去されにくい。逆に、絶縁膜１１２上に析出したメタル３１０には、電流が流れにくいので機械的研磨によって研磨される。以上により絶縁膜１１２に析出したメタル３１０のみを導電性の基体５０５で機械的に研磨することができる。
【００１８】
前記電解めっきにより前記導体膜上にはめっき膜が形成される。前記表面処理後に、当該めっき膜の表面を前記基体により研磨することが望ましい。さらに前記キャップメタル膜の形成と、前記表面処理との間に、前記キャップメタル膜の表面に、電解めっき法により第２のキャップメタル膜を形成することが望ましい。
【００１９】
一方、本発明は上記の課題を解決する半導体装置を提供することができる。すなわち、本発明の半導体装置は、絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置を前提とし、半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成された溝と、前記溝に埋め込まれた導電膜とを有している。導電膜上には第１のキャップメタル膜が形成され、当該第１のキャップメタル膜上には第２のキャップメタルが形成される。第２のキャップメタルは主成分として前記第１のキャップメタル膜の主成分を含む。
【００２０】
第１と第２のキャップメタル膜の主成分を同じにすることで、第１のキャップメタルと第２のキャップメタル全体の不純物濃度が低下する。この不純物は無電解めっきで第１のキャップメタルを形成したときに使用した触媒である。
【００２１】
さらに本発明は、上記の課題を解決する半導体装置の製造装置を提供することができる。すなわち本発明の半導体装置の製造装置は、半導体基板の主面、すなわち配線面を処理する半導体装置の製造装置を前提とする。当該製造装置は、定盤と、前記定盤上に設けられたアノード板と、前記アノード板上に設けられた絶縁性基体と、絶縁性基体上に設けられたカソードとして機能する導電性基体とを有する。絶縁性基体は、前記アノード板に通じる複数の貫通孔を有し、導電性基体は、前記絶縁性基体の貫通孔に連通する貫通孔と、貫通孔には、電解液が注入されるとともに絶縁性の側壁を有する。
【００２２】
さらに本発明の製造装置は、前記半導体基板を保持するとともに、当該半導体基板を前記導電性基体に押圧する手段と、前記保持された半導体基板の主面に対して前記定盤を相対的に運動させる手段を備える。
【００２３】
上記半導体製造装置には、基体上に電解液を供給する機構を備えることが望ましい。本半導体製造装置では、半導体基板表面に露出した導電膜（配線）および電解液を介してカソードとアノードとが電気的に接続される。このため、電解液がめっき液である場合、電解めっきにより導電膜上にキャップメタル膜を形成することが可能となる。また、定盤に設置された導電性の基体を研磨バッドの機能を有する構成とすれば、導電膜が露出した半導体基板表面を電界を印加した状態で研磨することができる。例えば、無電解めっき法により導電膜上にキャップメタル膜を形成した半導体基板に対して当該研磨を実施することで、キャップメタル膜を除去することなく、層間絶縁膜上に形成された余剰なメタル膜のみを除去することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本願発明によれば、製造工程数を増加させることなく、配線上にキャップメタル膜を形成することができる。その結果、配線間リーク電流の増大及び配線間ショートの抑制を低コストにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、材料、膜厚、開口径、電解液の種類及び電流値、温度、荷重、回転数などのプロセス条件はあくまで例示であって、以下の材料、膜厚又はプロセス条件に限定されることはない。
【００２６】
(第１の実施形態)
第１の実施形態では、まず、以降で説明する第２〜第５の実施形態において使用する半導体製造装置について説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る半導体製造装置の要部を示すものである。定盤５０１上にはアノード板５０２が設置され、当該アノード板５０２上には、絶縁体のパッド５０３を介してカソードとなる導電性の基体５０５が設置されている。前記基体５０５の上面からパッド５０３を貫通して、アノード板５０２の表面に至る複数の貫通孔５０４が穿設されるとともに、当該貫通孔５０４の基体５０５の内側には絶縁膜５０７が形成されている。
【００２８】
前記、アノード板５０２の材料は、白金めっきしたチタン（Ｔｉ）などの白金めっき系金属、酸化イリジウム、酸化イリジウム系ルテニウム複合材などの、電解中の電解液に金属イオンを溶出しない不溶性アノードであることが好ましい。アノード板５０２の全てが上記アノードである必要はなく、後述するように、導電性基体５０５と電解液を介して電気的に導通できれば一部に上記アノードを使用したアノード板５０２でよい。上記絶縁体のパッド５０３は、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚みとなっている。
【００２９】
上記、基体５０５は、所定の合成樹脂材料にカーボン等を含ませて導電性を与えるように形成されているとともに、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂の不織布等で構成され、多孔質となっている。
【００３０】
上記基体５０５の貫通孔５０４は、直径１００μｍ以上５０００μｍの大きさであり、
開口率は、５０％〜８０％で等ピッチに配列されているのが好ましい。直下の絶縁性のパッド５０３も貫通しているので、貫通孔５０４はアノード板で底が塞がれ、基体５０５の上面に開口していることになる。上記貫通孔５０４の内側の絶縁膜５０７も、上記基体５０５と同じ材質で構成されるが、カーボン等の導電性材料を含まず、絶縁性を有している。
【００３１】
図２に示すように、この装置の外部には電解液供給機構５３０が設けられており、上記貫通孔５０４に対して電解液を充填できるようになっている。前記のように、基体５０５は多孔質であるので、供給された電解液５０６は空孔内をも満たすことになり、上記絶縁体のパッド５０３と絶縁膜５０７で絶縁された電解槽とカソード（基体５０５）が一体になった構成となる。
【００３２】
上記半導体製造装置は、更に、円盤状の定盤５０１を中心を軸心として水平面内で回転させる回転機構５４０と、被めっき金属（この場合半導体装置の配線面）を下向きにして半導体基板を保持するとともに、基板を基体５０５に所定の圧力で押圧する基板保持部５５０を有する。
【００３３】
基体保持部５５０は、保持した半導体基板の中心を回転軸として半導体基板を保持する回転可能な機構であり、かつ定盤５０１に対して水平面内で揺動可能となる機構である。これにより定盤５０１は回転機構５４０により自転し、基板５０８は基体保持部５５０の機構により自転、揺動しながら定盤５０１と基体５０８が相対的に運動することで、被めっき金属に対して均一なめっき（本件の場合、配線上にキャップメタル膜を均一）を施すことができる。なお、定盤５０１と基板保持部５５０とは、どちらか一方が水平面内で上記移動可能であればよい。
【００３４】
図３は、図１において、貫通孔５０４に電解液５０６を充填し、基体５０５をカソードアノード板５０２をアノードとして使用した場合のＸ−Ｘの断面図を示している。基体５０５（カソード）からの電子の流れは基体５０５上の電解液５０６、貫通孔５０４の電解液５０６を介してアノードに達するようになっている。従って、基体５０５上に被めっき金属を配置すると、当該被めっき金属が静止している状態で、アノード板５０２との距離がもっとも近い貫通孔５０４の開口端に位置する部分にめっきが施されることになる。被めっき金属を定盤に対して相対的に移動すると、めっきは被めっき金属全体に及ぶことになる。
【００３５】
また、上記したように上記基体５０５は、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂の不織布等で形成され、多孔質となっている。従って、上記したように電解液全体に浸透させることができるとともに、砥粒が混入した液を充填させることができ、研磨装置としても利用可能である。また、上記したように上記貫通孔５０４側壁に設置した絶縁性を有する側壁５０７は、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂などの絶縁性物質で形成され、空孔などが存在しない連続された膜で形成されている。絶縁性の膜５０３も同様の材質で形成されており、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂などの絶縁性物質で形成され空孔などが存在しない連続された膜で形成されている。
【００３６】
〈半導体製造装置を使用したキャップメタル膜の形成方法）
次にこの半導体製造装置の使用方法について説明する。図４は、図１及び図３で説明した半導体製造装置を用いて、配線表面にキャップメタル膜の一部を形成する際の断面図を示している。半導体基板５０８には、絶縁膜１１２上に形成されたバリアメタル膜１１０を有するＣｕ配線１０９が形成されている。なお、半導体基板５０８において、絶縁膜１１２よりも下層にはトランジスタ等の半導体素子が形成されているが、本発明に直接関係するものではないため、説明及び図示は省略する。
【００３７】
電解めっき中は、半導体基板５０８に形成されたＣｕ配線１０９とアノード板５０２が、基体５０５、電解液５０６を介して電気的に接続されている。そのため、基体５０５は、外部から負の電位をかけることで、カソードとしての役割を果たす。
【００３８】
電解液５０６は導電性の基体５０５における貫通孔５０４及びそれに連通する絶縁性基体５０３の貫通孔５２０の内部を満たしており、Ｃｕ配線１０９が電解液５０６と基体５０５との双方に接触したときに、当該電解液５０６とカソードとしての基体５０５とアノード５０２が電気的に導通する。図４に記載のカソードとアノードを結ぶ線は、カソードとアノードが電解液と配線を通して電気的に導通していることを模式的に表している。
【００３９】
キャップメタル膜としては、コバルト合金またはニッケル合金、金合金などが挙げられる。特に、コバルトニッケルは好ましい合金であるので、Ｃｕ配線１０９上に、電解めっき法を用いてコバルトニッケルを形成する方法について以下で説明する。
【００４０】
電解液５０６としては、例えば、塩化コバルト、酸化ニッケル及びシュウ酸アンモニウムを含む溶液を用いる。その後、Ｃｕ配線１０９表面に導電性の基体５０５及び電解液５０６を接触させる。次に、導電性の基体５０５をカソード（負極）として電流密度が２０〜６０Ａ／ｄｍ2の電流を流す。プロセス温度は５０〜９０℃程度とする。電解液５０６とカソードとして機能する導電性の基体５０５との両者はＣｕ配線１０９表面と接しており、両者は絶縁性を有する膜５０７によって電気的に絶縁されている。そのため、Ｃｕ配線１０９表面と電解液５０６が接触している部分に電流が流れ、Ｃｕ配線１０９表面に、例えば、コバルト７０％，ニッケル３０％の組成比を有するコバルトニッケル膜を形成することができる。上記の電解めっきをすることで、Ｃｕ配線１０９表面上に、キャップメタル膜５１０を形成することができる。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。電解液が絶縁膜１１２上に漏れることを防ぐためである。
【００４１】
上記導電性の基体５０５は、回転させなくてもキャップメタル膜は形成できるが、ウェハ面内を均一にするために、回転させながらキャップメタル膜５１０を形成する方が好ましい。この場合、導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板５０８の回転数を３０〜６０ｒｐｍとして、半導体基板５０８を導電性の基体５０５に押し付ける、押し付け圧を０．１ｐｓｉ（約６８９Ｐａ）以上０．５ｐｓｉ（約３４４７Ｐａ）以下とすることが好ましい。導電性基体５０５の材質は、不織布なので、押し付け圧を上記の範囲内で制御しながらキャップメタル膜５１０を形成すると、当該キャップメタル膜５１０を導電性基体５０５が研磨するだけの応力を確保できないので、研磨は進行しない。使用の際には半導体基板の配線面を導電性基体５０５の方に向けて、半導体製造装置に半導体基板をセットすることが好ましい。
【００４２】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態において説明した半導体装置の製造装置を使用して、半導体基板上に形成されたＣｕ配線上に電界めっきによりキャップメタル膜を形成する方法について説明する。まず、半導体基板上の配線形成方法について説明する。
【００４３】
〈絶縁膜と凹部の形成〉
まず半導体基板（図示せず）上に図６（Ａ）に示すように絶縁膜１１２を形成し、リソグラフィー法及びドライエッチング法により、絶縁膜１１２の表面に凹部１１３を形成する。絶縁膜１１２は、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ等のシリコン（Ｓｉ）と、炭素（Ｃ）あるいは酸素（Ｏ）あるいは窒素（Ｎ）等との化合物からなる。半導体装置の微細化に伴い、絶縁膜の低誘電率化が要求されるため、より誘電率の低いＳｉＯＣ膜を絶縁膜として用いることが好ましい。
【００４４】
〈バリア層の形成〉
その後、絶縁膜１１２上に形成された上記凹部１１３に、スパッタリング法を用いて、Ｔａからなる膜厚が２０ｎｍ程度のバリア層１１０を形成する。バリア層１１０はＴａ膜に限定されることはなく、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高融点金属や、これらにＮ、Ｃ、Ｓｉがドープされた材質の膜でもよい。また、バリア層１１０は、これらの積層膜であってもよい。バリア層１１０の形成方法は、スパッタリング法に限定されることはなく、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、Ｍｎを有する金属を形成後、アニール処理によって自己整合的にバリア層を形成する方法でもよい。
【００４５】
〈シード層の形成〉
次に、図６（Ｂ）に示すようにバリア層１１０上に、スパッタリング法を用いてＣｕからなる膜厚が３０ｎｍ程度のシード層１１４を形成する。シード層１１４としてＣｕ膜に限定されることはなく、Ｒｕや白金（Ｐｔ）等、後述するＣｕ導電膜形成時のめっき電極として機能する材質の導電膜を使用することができる。シード層１１４を構成する導体膜には、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、Ｔｉなどの金属がドープされていてもよい。シード層１１４の形成方法は、スパッタリング法に限定されることはなく、ＣＶＤ法でもよい。
【００４６】
〈Ｃｕ導電膜の形成〉
次に、図６（Ｃ）に示すようにシード層１１４上に、電解めっき法により、膜厚が１０００ｎｍ程度のＣｕめっき層１１５を形成する。より具体的には、シード層１１４が形成された半導体基板を硫酸銅溶液に浸漬し、シード層１１４に電流を流してＣｕめっき層１１５を形成する。当該電解めっきにより、凹部１１３は、Ｃｕめっき層１１５で充填される。なお、めっき液は硫酸銅を主成分とするめっき液であり、Ｃｕ濃度１０〜４０ｇ／Ｌ、硫酸濃度１０〜２００ｇ／Ｌである。めっき温度は室温であり、シード層１１４に供給する電流の電流密度は５〜５０ｍＡ／ｍｍ2程度である。
【００４７】
次に、図６（Ｄ）に示すように凹部１１３以外に形成されたＣｕめっき層１１５、シード層１１４、及びバリア層１１０をＣＭＰ法により除去してＣｕ配線１０９を形成する。ＣＭＰの研磨条件は、Ｃｕ−ＣＭＰ、バリア層ＣＭＰそれぞれについて、荷重を０．５ｐｓｉ〜２ｐｓｉ（約３４４７Ｐａ〜約１３８００Ｐａ）、研磨ヘッド及び定盤回転数が６０ｒｐｍ、スラリー流量が２５０ｍｌ／ｍｉｎである。Ｃｕ配線１０９は、ＣＭＰ除去後クエン酸や、シュウ酸などの有機酸を主成分とする洗浄薬液を用いて洗浄して形成される。
【００４８】
〈電解めっき法によるキャップメタル膜の形成〉
以上のようにして形成されたＣｕ配線１０９上に、第１の実施形態に係る半導体製造装置を用いた電解めっき法で、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度のキャップメタル膜１１１を形成する。半導体製造装置のうち説明の便宜上図６（Ｅ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。
【００４９】
前記半導体製造装置を使用すると図６（Ｆ）のようにＣｕ配線１０９表面全面にキャップメタル膜１１１を形成できる。なお、アノード板５０２が電界めっきにより消耗することを前提とした場合には、コバルトからなるアノード、もしくは、コバルトをコーティングしたアノードを用いることもできる。
【００５０】
〈効果〉
第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、電解めっき法によりＣｕ配線表面上に、キャップメタル膜を形成することが出来る。本実施形態では、絶縁膜上にメタルが析出することがないため、配線間ショートの問題を解決することができる。従って、絶縁膜上に析出したメタルを除去する又はメタルを析出させないための工程数増加の問題もなく、配線間ショートおよび信頼性劣化のない、高歩留まりの配線を低コストに形成することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図７で説明する。第２の実施形態との相違点は、電解めっき法を用いてＣｕ配線１０９上に１ｎｍ〜２０ｎｍ程度のキャップメタル膜１１１を形成した後に、当該キャップメタル膜２１１表面を研磨することである。 〈絶縁膜と凹部の形成〉工程から〈電解めっき法によるキャップメタル膜の形成〉工程を経て図７（Ａ）のキャップメタル膜１１１が形成される。
【００５２】
〈キャップメタル膜の研磨〉
図７（Ｂ）に示すＣｕ配線１０９表面全面に第２の実施形態の〈電解めっき法によるキャップメタル膜の形成〉工程で形成したキャップメタル膜１１１の表面を図７（Ｃ）の第１の実施形態の半導体製造装置を用いて研磨する。その結果図７（Ｄ）のようにＣｕ配線１０９表面全面にキャップメタル膜１１１を形成できる。ここで、半導体製造装置のうち説明の便宜上、図７（Ａ、Ｃ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。導電性の基体５０５は研磨パッドとしても機能する。導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板の回転数を３０〜６０ｒｐｍとして、半導体基板を導電性の基体５０５に押し付け圧０．５ｐｓｉ以上で押し付けることが好ましい。押し付け圧を上記の値以上にすることで、キャップメタル膜１１１の表面を確実に研磨することができる。研磨中は、貫通孔５０４に電解液が含まれていなくてもよい。また、基体５０５の表面には、適宜、スラリーが供給される。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。電解液が絶縁膜１１２上に漏れることを防ぐためである。なお、キャップメタル膜表面の研磨は、キャップメタル膜の選択形成と同時に実施されてもよい。この場合は貫通孔５０４に電解液を注入したまま研磨する。
【００５３】
〈効果〉
第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、電解めっきによりＣｕ配線表面にキャップメタル膜を形成した後に、連続的にキャップメタル膜表面を研磨して、Ｃｕ配線１０９表面上に均一なキャップメタル膜を形成することができる。さらにキャップメタル膜の膜厚を制御することができる。第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、配線間ショートおよび信頼性劣化のない、高歩留まりの配線を低コストに形成することができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図８で説明する。第２の実施形態との相違点は、まず無電解めっき法を用いてＣｕ配線１０９上にキャップメタル膜１１１を１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。次にＣｕ配線１０９上のキャップメタル膜１１１に電界をかけながら、導電性の基体５０５を用いて、絶縁膜１１２表面に余剰に析出したメタル３１０を電気的機械的に研磨することにある。〈絶縁膜と凹部の形成〉工程から〈Ｃｕ導電膜の形成〉工程を経て図８（Ａ）のＣｕ配線１０９が形成される。
【００５５】
〈無電解めっき法によるキャップメタルの形成〉
第２の実施形態の〈Ｃｕ導電膜の形成〉工程で形成したＣｕ配線１０９上に、無電解めっき法で図８（Ｂ）に示す１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜厚のキャップメタル膜３００を形成する。無電解めっき法でキャップメタル膜であるＣｏＷＰ膜を成長させるためには、キャップメタル膜３００を成長させる部位に触媒層が必要となるが、Ｃｕは触媒活性度が低いので、キャップメタル膜を形成する触媒層としての機能が十分ではない。そのため、まずパラジウム（Ｐｄ）膜等の触媒層をＣｕ配線１０９の上面に形成する。
【００５６】
Ｃｕ配線１０９上にＰｄ膜を形成する方法としては、例えば以下の置換めっき法が使用される。塩化パラジウムと塩酸との溶液中に、Ｃｕ配線１０９が形成された半導体基板を浸漬すると、当該溶液中にＣｕ配線１０９の表面に存在するＣｕが溶解する。このとき、Ｃｕの溶解にともなって放出された電子は、Ｃｕイオンよりもイオン化傾向が小さいパラジウムイオンに捕獲されるので、パラジウム原子がＣｕ原子と置換される。以上が置換めっき法である。置換は、Ｃｕ配線１０９の表面だけで起こるので、Ｃｕ配線１０９の表面にＰｄ膜が形成される。
【００５７】
このＰｄ膜を触媒層として無電解めっき法を実施し、ＣｏＷＰ膜を形成する。キャップメタル膜は、ＣｏＷＰ膜に限定されることはなく、無電解めっき法で形成するための触媒金属、還元液、プロセス条件を変更することによって、ＣｏＷＰ膜以外の膜を形成することができる。例えば、ニッケル、ニッケルの窒化物、金、銀、クロム、ロジウム、パラジウムなどの物質を含むキャップメタル膜を形成してもよい。なお置換めっき法によりＰｄ膜を形成する際、絶縁膜上の一部にも触媒金属が付着することにより余剰のメタル３１０が析出するので、以下の工程で当該余剰のメタル３１０を除去する。
【００５８】
〈半導体製造装置を使用した余剰の金属膜の除去〉
次に、図８（Ｃ）に示すＣｕ配線１０９上のキャップメタル膜に電界をかけながら、絶縁膜１１２上に析出した余剰のメタル３１０を導電性基体５０５により機械的に研磨除去する。ここで、導電性の基体５０５は研磨パッドとしても機能する。
【００５９】
余剰の金属膜の除去は前述の第１の実施形態に係る半導体製造装置を使用する。説明の便宜上図８（Ｃ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。除去の方法の詳細を図５で示す。複数の貫通孔５０４内には電解液５０６が満たされている。複数の貫通孔５０４の側壁には絶縁性を有する膜５０７が形成され、電解液５０６とカソードとして機能する導電性の基体５０５とを電気的に絶縁する。電解液としては、金属原子を含まない溶液が望ましく、例えば硫酸及びシュウ酸アンモニウム等を含む溶液を用いる。この半導体製造装置を用いてキャップメタル膜３００表面に導電性の基体５０５及び電解液５０６を接触させる。
【００６０】
次に、導電性の基体５０５をカソード（負極）とし、アノード板５０２をアノード（正極）として電流密度が２０〜６０Ａ／ｄｍ2の電流を流す。プロセス温度は５０〜９０℃程度とする。電解液５０６と、カソードとして機能する導電性の基体５０５の両者はキャップメタル膜３００表面と接しており、両者は絶縁性を有する膜５０７によって電気的には絶縁されているので、キャップメタル膜３００表面と電解液５０６が接触している部分に電流が流れる。電解液には金属原子は含まれていないため、キャップメタル膜上に金属原子は析出しない。
【００６１】
導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板を導電性の基体５０５に押し付ける、押し付け圧を０．１ｐｓｉ（約６８９Ｐａ）以上０．５ｐｓｉ（約３４４７Ｐａ）以下とすることが好ましい。キャップメタル膜を形成するときの押し付け圧より増やすことで、確実に、絶縁膜１１２上に析出しているメタル３１０を除去することができるからである。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。絶縁膜１１２上に析出したメタルを確実に研磨除去することができるからである。
【００６２】
上記の半導体装置の製造装置を使用すると配線上のキャップメタル膜に電解をかけることで電流の流れやすいキャップメタル膜３００の密着力は増す。したがって導電性の基体５０５の機械的研磨によっては、キャップメタル膜は除去されにくい。逆に、絶縁膜１１２上に析出したメタル３１０には、電流が流れにくいので機械的研磨によって研磨される。以上により絶縁膜１１２に析出したメタル３１０のみを導電性の基体５０５で機械的に研磨することができる。この結果図８（Ｄ）に示すようにＣｕ配線１０９表面全面にキャップメタル膜３００を形成できる。
【００６３】
〈効果〉
キャップメタル膜３００表面に電界をかけながら、Ｃｕ配線１０９間の絶縁膜１１２上に析出したメタルを研磨することで、無電解めっきによりキャップメタル膜を形成する場合でも、Ｃｕ配線１０９表面上に均一なキャップメタル膜を形成することができる。従ってキャップメタル膜の膜厚が極端に薄くなり、キャップ膜としての特性が劣化するのを防止しつつ、絶縁膜１１２上のメタルをパッドの機械的研磨により除去することができる。さらに従来の無電解めっき法による絶縁膜上の余剰なメタル３１０による配線間ショートなどの弊害のない配線を形成することができる。第４の実施形態によると、キャップメタル膜を短時間で形成することができる。無電解めっき法は、化学反応によってキャップメタル膜を形成するので、電解めっきより比較的短時間でキャップメタル膜を形成できるからである。第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、配線間ショートおよび信頼性劣化のない、高歩留まりの配線を低コストに形成することができる。
【００６４】
（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図９で説明する。第２の実施形態との相違点は、無電解めっき法を用いて１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜厚の第１のキャップメタル膜４０１をＣｕ配線１０９上に形成する。次に電解めっき法により第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする第２のキャップメタル膜４０２を第１のキャップメタル膜４０１上に形成する。その後、導電性の基体５０５を用いて、絶縁膜１１２表面に余剰に析出したメタル４１０を機械的に研磨することにある。〈絶縁膜と凹部の形成〉工程から〈無電解めっき法によるキャップメタルの形成〉工程を経て図９（Ａ）のキャップメタル膜３００を形成する。
【００６５】
〈第２のキャップメタルの形成〉
まず図９（Ｂ）に示すように第１の実施形態に係る、半導体製造装置を使用して第２のキャップメタル膜４０２を第１のキャップメタル膜４０１上に形成する。第２のキャップメタル膜材料としては、コバルト合金またはニッケル合金、金合金などの第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする材料が挙げられる。特に、コバルトニッケルは好ましい合金の具体例であるので、Ｃｕ配線１０９上に、電解めっき法を用いてコバルトニッケルを形成する。
【００６６】
説明の便宜上図９（Ｂ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。電解液としては、例えば、塩化コバルト、酸化ニッケル、シュウ酸アンモニウムを含む溶液を用いる。この電解液中には、絶縁膜上の余剰なメタル残渣の除去効率を上げるため、砥粒を０．１％〜１％含めてもよい。
【００６７】
上記のように電解液５０６と、カソードとして機能する導電性の基体５０５とは第１のキャップメタル膜４０１表面で接し、両者は絶縁性を有する膜５０７によって電気的に絶縁されているので、第１のキャップメタル膜４０１表面と電解液５０６とが接触している部分に電流が流れる。その結果、たとえば、コバルト７０％ニッケル２９．５％シリカ砥粒０．５％の組成比を有するコバルトニッケル膜である、第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする第２のキャップメタル膜４０２を第１のキャップメタル膜４０１表面に選択的に形成することができる。
【００６８】
〈キャップメタル膜の研磨〉
次に、図９（Ｃ）に示すように、絶縁膜１１２の表面に析出したメタルを、同じく導電性の基体５０５を用いて研磨する。その結果、図９（Ｄ）に示すように、キャップメタル膜４０１及び４０２をＣｕ配線１０９表面全面に形成する。ここで、導電性の基体５０５は研磨パッドとしても機能する。導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板を導電性の基体５０５に押し付ける押し付け圧を０．１ｐｓｉ以上０．５ｐｓｉ以下とすることが好ましい。第２及び第３の実施形態と比較して押し付け圧を増やすことで、確実に絶縁膜１１２上に析出している余剰のメタル４１０を除去することができるからである。研磨中は、電解液が貫通孔５０４に含まれていなくてもよい。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。絶縁膜１１２上に析出したメタルを確実に研磨除去することができるからである。
【００６９】
上記工程では、第２のキャップメタル膜を第１のキャップメタル膜上に形成した後に、Ｃｕ配線間の絶縁膜上に析出する余剰のメタルを除去したが、第２のキャップメタル膜の形成と同時に余剰のメタルを除去してもよい。この場合は貫通孔５０４に電解液を注入したまま除去される。
【００７０】
〈第５の実施形態の方法で製造された半導体装置〉
図９（Ｄ）は前記第４の実施形態の方法で製造された半導体装置である。半導体基板（図示せず）上に形成された絶縁膜１１２表面部に形成された凹部１０９の底部及び側壁には、Ｔａからなる膜厚が２０ｎｍ程度のバリア層１１０が形成される。凹部４０９にはＣｕ膜が埋め込まれて、Ｃｕ配線１０９が形成されている。バリア層１１０としてＴａ膜に限定されることはなく、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高融点金属や、これらにＮ、Ｃ、Ｓｉがドープされた材質の膜でもよく、これらの積層膜であってもよい。
【００７１】
Ｃｕ配線４０９の表面には、第１のキャップメタル膜４０１が形成されており、第１のキャップメタル膜の上には、第２のキャップメタル膜４０２が形成されている。第１のキャップメタル膜４０１は、ＣｏＷＰなどの無電解めっき法により形成される合金膜であることが好ましい。第２のキャップメタル膜４０２は、ＣｏＮｉなどの電解めっき法により形成される合金膜であることが好ましい。第１のキャップメタル膜４０１は、無電解めっき法により形成されるため、Ｐｄなどの触媒金属を含んでおり、Ｃｕ配線にもＰｄなどの触媒金属は含まれる。一方、第２のキャップメタル膜４０２は、電解めっき法により形成されるため、Ｐｄなどの触媒金属を含んでいない。第１のキャップメタル膜については、第４の実施形態で説明した、無電解めっき法で形成するための触媒金属、還元液、プロセス条件を変更することによって、ＣｏＷＰ膜以外の膜を形成することができる。
【００７２】
〈効果〉
第５の実施形態では、無電解めっき法により形成された第１のキャップメタル膜４０１の上に、第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする第２のキャップメタル膜４０２を電解めっき法により形成する。従って第２のキャップメタル膜４０２は触媒金属を有していないので、不純物である触媒金属が相対的に少ないキャップメタル膜を形成することができる。そのため、層間絶縁膜上の余剰のメタルを研磨する際に、キャップメタル膜の膜厚が極端に薄くなるのをより確実に防止することが出来る。ここで第２のキャップメタル膜がＣｏＮｉであり、第１のキャップメタル膜がＣｏＷＰであれば、両者に共通する主成分とは、Ｃｏである。不純物とは、無電解めっき法を使用する前段階の触媒金属のＰｄなどが挙げられる。また、第１のキャップメタル膜を無電解めっき法で形成するので、電解めっき法により直接形成するよりも、短い時間でキャップメタル膜を形成することが出来る。無電解めっき後に電解めっきを施した場合、電解めっき中に無電解めっきでめっきされたＣｏＷＰ膜が溶解する間に、Ｐｄがさらに少なくなることから、層間絶縁膜の抵抗を低くすることができ直上のビアに対して、ＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）耐性を良化することができる。
【００７３】
第５の実施形態によると、研磨によるキャップメタル膜の膜厚が極端に薄くなりキャップ膜としての特性が劣化するのを防止しつつ、同時に絶縁膜１１２上のメタルをパッドの機械的研磨により除去することができる。従って、均一なキャップメタル膜をＣｕ配線１０９表面上に形成することができ、従来の無電解めっき法による絶縁膜上の余剰なメタル４１０による配線間ショートなどの弊害は生じない。
【００７４】
(その他)
第１〜第５の実施形態において電解めっき法により形成するキャップメタル膜は、コバルトニッケル膜に限定されることはなく、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）などバリアとして特性をもつ膜も好ましい。コバルトニッケル膜以外の膜を形成する際には、電解液の種類及びプロセス条件を変更すればよい。第１の実施形態において、基体５０５全体が導電性であることは必須ではなく、例えば、貫通孔５０４周囲等の、基体表面の一部にカソードとして機能する導電体が露出する構成であってもよい。第２の実施形態の図６（Ｅ）及び第３の実施形態の図７（Ａ）では、貫通孔５０４の開口径がＣｕ配線１０９の幅よりも小さく記載したが、貫通孔５０４の開口径はＣｕ配線１０９の幅と同等程度であってもよい。貫通孔５０４の開口径は例えば直径１００μｍ以上５０００μｍ以下であることが好ましい。第４の実施形態の図８（Ｃ）及び第５の実施形態の図９（Ｂ）及び（Ｃ）では、貫通孔５０４の開口径がＣｕ配線１０９の幅と同等程度に記載したが、貫通孔５０４の開口径はＣｕ配線１０９の幅よりも小さくても構わない。第３の実施形態の図７（Ｃ）では、貫通孔５０４同士の間隔がＣｕ配線１０９の幅と同等程度に記載されているが、貫通孔５０４同士の間隔がＣｕ配線１０９の幅よりも大きくても小さくてもよい。貫通孔５０４同士の間隔は例えば１００μｍ以上５０００μｍ以下であり、貫通孔の面積が５０％以上８０％以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の半導体製造装置は、単純な構造であり、且つ、めっき技術と研磨技術の融合である。従って、Ｃｕめっき層などを研磨する通常の研磨装置内部に内蔵することが可能である。そうすることで、半導体装置の製造時間、コストを大幅に短縮することが可能である、従って産業上の利用可能性は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の製造装置を示す摸式図である。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の製造装置を示す摸式図である。
【図３】第１の実施形態の半導体装置の製造装置の使用方法を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態の半導体装置の製造装置の使用方法を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の半導体装置の製造装置の使用方法を示す模式図である。
【図６】第２の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図７】第３の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図８】第４の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図９】第５の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図１０】従来の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１０ バリア膜
１１２ 絶縁膜
１１３ 凹部
１１４ シード層
１１５ Ｃｕ層
１１１、３００，４０１，５１１ キャップ（バリア）メタル
１０９ Ｃｕ配線
４０２ キャップ（バリア）メタル
５０１ 定盤
５０２ アノード
５０３ 絶縁性基体
５０４ 貫通孔
５０５ 導電性基体
５０６ 電解液
５０８ 基板
５３０ 電解供給機構
５４０ 回転機構
５５０ 基板保持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャップメタル膜を有する半導体装置及びキャップメタル膜を有する半導体装置の製造方法並びに半導体装置の製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化にともなって、低抵抗な配線を形成する技術が必要になっている。Ｃｕは低抵抗な配線材料として注目されているがＣｕのハロゲン化合物の蒸気圧が低いためＣｕ膜を形成してからドライエッチングによりパターンニングして配線を形成することが困難である。そこで基板上に形成した絶縁膜上に配線用の溝をあらかじめ形成して、該溝にＣｕで埋め込んで、その後絶縁膜上の余分なＣｕをＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）で除去するダマシン配線が早くから試みられていた。
【０００３】
一方、Ｃｕは酸化シリコン系の絶縁膜中を拡散するので、Ｃｕのダマシン配線の表面をバリア層で覆い、絶縁膜中へのＣｕの拡散を阻止する必要がある。現状のダマシン配線は、上記絶縁膜に形成された配線溝の内側にあらかじめバリアメタル膜を形成し、その後Ｃｕを埋め込み、最後にキャップ絶縁膜で蓋をしてＣｕ表面を保護している。しかしＣｕとキャップ絶縁膜との界面には十分な密着強度が得られず、通電中に当該界面にボイドが発生し信頼性を低下させる場合がある。
【０００４】
特許文献１にはダマシン配線上にコバルト−タングステン−リン（ＣｏＷＰ）膜等のキャップメタル膜を成長させ、ダマシン配線の信頼性を向上するプロセスが提案されている。
【０００５】
以下、図１０を参照しながら、特許文献１に開示されたキャップメタル膜を形成したダマシン配線を備える半導体装置の製造方法について説明する。
【０００６】
まず、トランジスタ等の半導体素子が形成された半導体基板（図示せず）上に図１０（Ａ）に示すように絶縁膜６１２を形成するとともに、当該絶縁膜６１２に、リソグラフィー法及びドライエッチング法により凹部６１３を形成する。また凹部６１３を形成した絶縁膜６１２上に、メタルからなるバリア層６１０を形成する。さらに、図１０（Ｂ）に示すようにバリア層６１０上にスパッタリング法等によりＣｕからなるシード層６１４を形成する。次にこのシード層６１４上に図１０（Ｃ）に示すＣｕめっき層６１５を形成する。次に図１０（Ｄ）で示すように前記のＣｕめっき層６１５の凹部６１３以外の部分、シード層６１４、及びバリア層６１０を、ＣＭＰ法により除去することで、Ｃｕが凹部６１３に充填されたＣｕ配線６０９を形成する。
【０００７】
次に、図１０（Ｅ）に示すように無電解めっき法により、Ｃｕ配線６０９の表面にＣｏＷＰからなるキャップメタル膜６１１を形成する。その際、Ｐｄを触媒として１種類の還元剤を用いて無電解還元をすることによって、Ｃｕ配線表面にキャップメタル膜６１１を形成する。
【０００８】
しかし、上記の無電解めっき法でキャップメタル膜６１１を形成するとＣｕ配線６０９上だけではなく、配線間の層間絶縁膜６１２上にもメタル６１７が異常成長し、層間絶縁膜６１２上に残留するので、配線ショート、信頼性劣化などの不具合が生じる。
【０００９】
この問題を解決するために特許文献２には、Ｃｕ配線表面が露出する開口を備えたマスク上に、無電解めっき法によりキャップメタル膜を形成した後、マスクを除去する技術が開示されている。特許文献３には、２種類の還元剤を用いて触媒金属を還元することによって、無電解めっき法によりキャップメタル膜を形成する技術が開示されている。特許文献４には、絶縁膜の開口に形成された導電性材料膜に掘り込み部（リセス）を形成して、触媒金属を形成した後、絶縁膜上の触媒金属を除去し、導電性材料膜上の触媒金属を還元することで、無電解めっき法によりキャップメタル膜を形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特表２００３−５０５８８２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７９５８９号公報
【特許文献３】特開２００４−２００２７３号公報
【特許文献４】特開２００６−１２０６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記いずれのキャップメタル膜形成技術にも次の問題がある。特許文献２の技術では、マスクを除去する際に配線上に存在するキャップメタル膜も同時に除去されてしまい、キャップメタル膜が不均一に形成されてしまう。さらに、マスクを形成する工程が増えるため、全体の工程数が増加する。特許文献３の技術では、２種類の還元剤を用いることによる工程数の増加と、それに対するコストが増加する。特許文献４の技術では、工程数の増加、コストの増加、リセスの加工による加工ばらつきが生じる。
【００１１】
上記の課題を鑑み、本発明の目的は製造工程数を増加させることなく、配線上にキャップメタル膜を均一に形成することにより、配線間リーク電流の増大及び配線間ショートを抑制する半導体装置の製造方法、半導体装置の製造装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明は以下の手順を採用している。まず本発明の半導体装置の製造方法は、絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置の製造方法を前提としている。
【００１３】
まず、基板上に形成された絶縁膜に溝を形成し、前記溝に導電膜を埋め込む。次いで、それぞれに電解液が注入された複数の貫通孔を有する基体を前記導電膜の表面に接触させながら、前記電解液と電気的に接続されたアノードと前記基体表面に露出したカソードとの間に電位差を付与することで前記導電膜が埋め込まれた前記絶縁膜を表面処理するようになっている。この構成において、基体が導電性を有し、基体表面の全てがカソードであることが望ましい。また、前記基体の複数の貫通孔の側壁は、電解液と導電性の基体とを電気的に絶縁する絶縁性の材料で構成されていることが望ましい。
【００１４】
上記構成において、前記電解液が金属元素を含み、前記表面処理が、前記絶縁膜に埋め込まれた導電膜の表面に、前記電解液に含まれる金属元素を析出させる電解めっき処理であると電解液に接触していない部分にはメタル膜は形成されないので、電解液に接触した導電膜部分のみに選択的にキャップメタル膜を形成することができる。さらに導電膜以外の部分に形成したメタル膜を除去する工程が不要となる。
【００１５】
上記キャップメタル膜形成後、キャップメタル膜の表面を基体により機械的に研磨する工程を有してもよい。この場合、当該基体は研磨パッドとしても機能する。これにより、電解めっきにより形成されたキャップメタル膜表面を平坦化することができる。
【００１６】
また、上記構成において、前記電解液が非金属元素のみを含み、前記表面処理が、前記絶縁膜上に形成された金属膜を除去する研磨処理であってもよい。無電解めっき法でキャップメタル膜を形成するとＣｕ配線上だけではなく、配線間の層間絶縁膜上にも金属膜が異常成長し、層間絶縁膜上に残留する。当該金属膜はこの無電解めっきで絶縁膜上に発生した膜である。この場合、凹部に導電膜が埋め込まれた絶縁膜の表面を、導電性基体と電解液との間に電界を発生させた状態で研磨することができる。これにより、キャップメタル膜の膜厚を減少させることなく、絶縁膜上の不要な金属膜を除去することができる。
【００１７】
上記の半導体装置の製造装置を使用すると配線上のキャップメタル膜に電解をかけることで電流の流れやすいキャップメタル膜３００の密着力は増す。したがって導電性の基体５０５の機械的研磨によっては、キャップメタル膜は除去されにくい。逆に、絶縁膜１１２上に析出したメタル３１０には、電流が流れにくいので機械的研磨によって研磨される。以上により絶縁膜１１２に析出したメタル３１０のみを導電性の基体５０５で機械的に研磨することができる。
【００１８】
前記電解めっきにより前記導体膜上にはめっき膜が形成される。前記表面処理後に、当該めっき膜の表面を前記基体により研磨することが望ましい。さらに前記キャップメタル膜の形成と、前記表面処理との間に、前記キャップメタル膜の表面に、電解めっき法により第２のキャップメタル膜を形成することが望ましい。
【００１９】
一方、本発明は上記の課題を解決する半導体装置を提供することができる。すなわち、本発明の半導体装置は、絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置を前提とし、半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜に形成された溝と、前記溝に埋め込まれた導電膜とを有している。導電膜上には第１のキャップメタル膜が形成され、当該第１のキャップメタル膜上には第２のキャップメタルが形成される。第２のキャップメタルは主成分として前記第１のキャップメタル膜の主成分を含む。
【００２０】
第１と第２のキャップメタル膜の主成分を同じにすることで、第１のキャップメタルと第２のキャップメタル全体の不純物濃度が低下する。この不純物は無電解めっきで第１のキャップメタルを形成したときに使用した触媒である。
【００２１】
さらに本発明は、上記の課題を解決する半導体装置の製造装置を提供することができる。すなわち本発明の半導体装置の製造装置は、半導体基板の主面、すなわち配線面を処理する半導体装置の製造装置を前提とする。当該製造装置は、定盤と、前記定盤上に設けられたアノード板と、前記アノード板上に設けられた絶縁性基体と、絶縁性基体上に設けられたカソードとして機能する導電性基体とを有する。絶縁性基体は、前記アノード板に通じる複数の貫通孔を有し、導電性基体は、前記絶縁性基体の貫通孔に連通する貫通孔と、貫通孔には、電解液が注入されるとともに絶縁性の側壁を有する。
【００２２】
さらに本発明の製造装置は、前記半導体基板を保持するとともに、当該半導体基板を前記導電性基体に押圧する手段と、前記保持された半導体基板の主面に対して前記定盤を相対的に運動させる手段を備える。
【００２３】
上記半導体製造装置には、基体上に電解液を供給する機構を備えることが望ましい。本半導体製造装置では、半導体基板表面に露出した導電膜（配線）および電解液を介してカソードとアノードとが電気的に接続される。このため、電解液がめっき液である場合、電解めっきにより導電膜上にキャップメタル膜を形成することが可能となる。また、定盤に設置された導電性の基体を研磨バッドの機能を有する構成とすれば、導電膜が露出した半導体基板表面を電界を印加した状態で研磨することができる。例えば、無電解めっき法により導電膜上にキャップメタル膜を形成した半導体基板に対して当該研磨を実施することで、キャップメタル膜を除去することなく、層間絶縁膜上に形成された余剰なメタル膜のみを除去することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本願発明によれば、製造工程数を増加させることなく、配線上にキャップメタル膜を形成することができる。その結果、配線間リーク電流の増大及び配線間ショートの抑制を低コストにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、材料、膜厚、開口径、電解液の種類及び電流値、温度、荷重、回転数などのプロセス条件はあくまで例示であって、以下の材料、膜厚又はプロセス条件に限定されることはない。
【００２６】
(第１の実施形態)
第１の実施形態では、まず、以降で説明する第２〜第５の実施形態において使用する半導体製造装置について説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る半導体製造装置の要部を示すものである。定盤５０１上にはアノード板５０２が設置され、当該アノード板５０２上には、絶縁体のパッド５０３を介してカソードとなる導電性の基体５０５が設置されている。前記基体５０５の上面からパッド５０３を貫通して、アノード板５０２の表面に至る複数の貫通孔５０４が穿設されるとともに、当該貫通孔５０４の基体５０５の内側には絶縁膜５０７が形成されている。
【００２８】
前記、アノード板５０２の材料は、白金めっきしたチタン（Ｔｉ）などの白金めっき系金属、酸化イリジウム、酸化イリジウム系ルテニウム複合材などの、電解中の電解液に金属イオンを溶出しない不溶性アノードであることが好ましい。アノード板５０２の全てが上記アノードである必要はなく、後述するように、導電性基体５０５と電解液を介して電気的に導通できれば一部に上記アノードを使用したアノード板５０２でよい。上記絶縁体のパッド５０３は、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚みとなっている。
【００２９】
上記、基体５０５は、所定の合成樹脂材料にカーボン等を含ませて導電性を与えるように形成されているとともに、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂の不織布等で構成され、多孔質となっている。
【００３０】
上記基体５０５の貫通孔５０４は、直径１００μｍ以上５０００μｍの大きさであり、
開口率は、５０％〜８０％で等ピッチに配列されているのが好ましい。直下の絶縁性のパッド５０３も貫通しているので、貫通孔５０４はアノード板で底が塞がれ、基体５０５の上面に開口していることになる。上記貫通孔５０４の内側の絶縁膜５０７も、上記基体５０５と同じ材質で構成されるが、カーボン等の導電性材料を含まず、絶縁性を有している。
【００３１】
図２に示すように、この装置の外部には電解液供給機構５３０が設けられており、上記貫通孔５０４に対して電解液を充填できるようになっている。前記のように、基体５０５は多孔質であるので、供給された電解液５０６は空孔内をも満たすことになり、上記絶縁体のパッド５０３と絶縁膜５０７で絶縁された電解槽とカソード（基体５０５）が一体になった構成となる。
【００３２】
上記半導体製造装置は、更に、円盤状の定盤５０１を中心を軸心として水平面内で回転させる回転機構５４０と、被めっき金属（この場合半導体装置の配線面）を下向きにして半導体基板を保持するとともに、基板を基体５０５に所定の圧力で押圧する基板保持部５５０を有する。
【００３３】
基体保持部５５０は、保持した半導体基板の中心を回転軸として半導体基板を保持する回転可能な機構であり、かつ定盤５０１に対して水平面内で揺動可能となる機構である。これにより定盤５０１は回転機構５４０により自転し、基板５０８は基体保持部５５０の機構により自転、揺動しながら定盤５０１と基体５０８が相対的に運動することで、被めっき金属に対して均一なめっき（本件の場合、配線上にキャップメタル膜を均一）を施すことができる。なお、定盤５０１と基板保持部５５０とは、どちらか一方が水平面内で上記移動可能であればよい。
【００３４】
図３は、図１において、貫通孔５０４に電解液５０６を充填し、基体５０５をカソードアノード板５０２をアノードとして使用した場合のＸ−Ｘの断面図を示している。基体５０５（カソード）からの電子の流れは基体５０５上の電解液５０６、貫通孔５０４の電解液５０６を介してアノードに達するようになっている。従って、基体５０５上に被めっき金属を配置すると、当該被めっき金属が静止している状態で、アノード板５０２との距離がもっとも近い貫通孔５０４の開口端に位置する部分にめっきが施されることになる。被めっき金属を定盤に対して相対的に移動すると、めっきは被めっき金属全体に及ぶことになる。
【００３５】
また、上記したように上記基体５０５は、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂の不織布等で形成され、多孔質となっている。従って、上記したように電解液全体に浸透させることができるとともに、砥粒が混入した液を充填させることができ、研磨装置としても利用可能である。また、上記したように上記貫通孔５０４側壁に設置した絶縁性を有する側壁５０７は、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂などの絶縁性物質で形成され、空孔などが存在しない連続された膜で形成されている。絶縁性の膜５０３も同様の材質で形成されており、変形量が２０〜１５０μｍ／ｋｇの一定の弾性を持った材質、例えば、ポリウレタン、ポリエステル樹脂や、ポリアミドクロス、ポリエステル樹脂などの絶縁性物質で形成され空孔などが存在しない連続された膜で形成されている。
【００３６】
〈半導体製造装置を使用したキャップメタル膜の形成方法）
次にこの半導体製造装置の使用方法について説明する。図４は、図１及び図３で説明した半導体製造装置を用いて、配線表面にキャップメタル膜の一部を形成する際の断面図を示している。半導体基板５０８には、絶縁膜１１２上に形成されたバリアメタル膜１１０を有するＣｕ配線１０９が形成されている。なお、半導体基板５０８において、絶縁膜１１２よりも下層にはトランジスタ等の半導体素子が形成されているが、本発明に直接関係するものではないため、説明及び図示は省略する。
【００３７】
電解めっき中は、半導体基板５０８に形成されたＣｕ配線１０９とアノード板５０２が、基体５０５、電解液５０６を介して電気的に接続されている。そのため、基体５０５は、外部から負の電位をかけることで、カソードとしての役割を果たす。
【００３８】
電解液５０６は導電性の基体５０５における貫通孔５０４及びそれに連通する絶縁性基体５０３の貫通孔５２０の内部を満たしており、Ｃｕ配線１０９が電解液５０６と基体５０５との双方に接触したときに、当該電解液５０６とカソードとしての基体５０５とアノード５０２が電気的に導通する。図４に記載のカソードとアノードを結ぶ線は、カソードとアノードが電解液と配線を通して電気的に導通していることを模式的に表している。
【００３９】
キャップメタル膜としては、コバルト合金またはニッケル合金、金合金などが挙げられる。特に、コバルトニッケルは好ましい合金であるので、Ｃｕ配線１０９上に、電解めっき法を用いてコバルトニッケルを形成する方法について以下で説明する。
【００４０】
電解液５０６としては、例えば、塩化コバルト、酸化ニッケル及びシュウ酸アンモニウムを含む溶液を用いる。その後、Ｃｕ配線１０９表面に導電性の基体５０５及び電解液５０６を接触させる。次に、導電性の基体５０５をカソード（負極）として電流密度が２０〜６０Ａ／ｄｍ2の電流を流す。プロセス温度は５０〜９０℃程度とする。電解液５０６とカソードとして機能する導電性の基体５０５との両者はＣｕ配線１０９表面と接しており、両者は絶縁性を有する膜５０７によって電気的に絶縁されている。そのため、Ｃｕ配線１０９表面と電解液５０６が接触している部分に電流が流れ、Ｃｕ配線１０９表面に、例えば、コバルト７０％，ニッケル３０％の組成比を有するコバルトニッケル膜を形成することができる。上記の電解めっきをすることで、Ｃｕ配線１０９表面上に、キャップメタル膜５１０を形成することができる。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。電解液が絶縁膜１１２上に漏れることを防ぐためである。
【００４１】
上記導電性の基体５０５は、回転させなくてもキャップメタル膜は形成できるが、ウェハ面内を均一にするために、回転させながらキャップメタル膜５１０を形成する方が好ましい。この場合、導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板５０８の回転数を３０〜６０ｒｐｍとして、半導体基板５０８を導電性の基体５０５に押し付ける、押し付け圧を０．１ｐｓｉ（約６８９Ｐａ）以上０．５ｐｓｉ（約３４４７Ｐａ）以下とすることが好ましい。導電性基体５０５の材質は、不織布なので、押し付け圧を上記の範囲内で制御しながらキャップメタル膜５１０を形成すると、当該キャップメタル膜５１０を導電性基体５０５が研磨するだけの応力を確保できないので、研磨は進行しない。使用の際には半導体基板の配線面を導電性基体５０５の方に向けて、半導体製造装置に半導体基板をセットすることが好ましい。
【００４２】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態において説明した半導体装置の製造装置を使用して、半導体基板上に形成されたＣｕ配線上に電界めっきによりキャップメタル膜を形成する方法について説明する。まず、半導体基板上の配線形成方法について説明する。
【００４３】
〈絶縁膜と凹部の形成〉
まず半導体基板（図示せず）上に図６（Ａ）に示すように絶縁膜１１２を形成し、リソグラフィー法及びドライエッチング法により、絶縁膜１１２の表面に凹部１１３を形成する。絶縁膜１１２は、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＮ等のシリコン（Ｓｉ）と、炭素（Ｃ）あるいは酸素（Ｏ）あるいは窒素（Ｎ）等との化合物からなる。半導体装置の微細化に伴い、絶縁膜の低誘電率化が要求されるため、より誘電率の低いＳｉＯＣ膜を絶縁膜として用いることが好ましい。
【００４４】
〈バリア層の形成〉
その後、絶縁膜１１２上に形成された上記凹部１１３に、スパッタリング法を用いて、Ｔａからなる膜厚が２０ｎｍ程度のバリア層１１０を形成する。バリア層１１０はＴａ膜に限定されることはなく、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高融点金属や、これらにＮ、Ｃ、Ｓｉがドープされた材質の膜でもよい。また、バリア層１１０は、これらの積層膜であってもよい。バリア層１１０の形成方法は、スパッタリング法に限定されることはなく、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、Ｍｎを有する金属を形成後、アニール処理によって自己整合的にバリア層を形成する方法でもよい。
【００４５】
〈シード層の形成〉
次に、図６（Ｂ）に示すようにバリア層１１０上に、スパッタリング法を用いてＣｕからなる膜厚が３０ｎｍ程度のシード層１１４を形成する。シード層１１４としてＣｕ膜に限定されることはなく、Ｒｕや白金（Ｐｔ）等、後述するＣｕ導電膜形成時のめっき電極として機能する材質の導電膜を使用することができる。シード層１１４を構成する導体膜には、アルミニウム（Ａｌ）、錫（Ｓｎ）、マンガン（Ｍｎ）、Ｔｉなどの金属がドープされていてもよい。シード層１１４の形成方法は、スパッタリング法に限定されることはなく、ＣＶＤ法でもよい。
【００４６】
〈Ｃｕ導電膜の形成〉
次に、図６（Ｃ）に示すようにシード層１１４上に、電解めっき法により、膜厚が１０００ｎｍ程度のＣｕめっき層１１５を形成する。より具体的には、シード層１１４が形成された半導体基板を硫酸銅溶液に浸漬し、シード層１１４に電流を流してＣｕめっき層１１５を形成する。当該電解めっきにより、凹部１１３は、Ｃｕめっき層１１５で充填される。なお、めっき液は硫酸銅を主成分とするめっき液であり、Ｃｕ濃度１０〜４０ｇ／Ｌ、硫酸濃度１０〜２００ｇ／Ｌである。めっき温度は室温であり、シード層１１４に供給する電流の電流密度は５〜５０ｍＡ／ｍｍ2程度である。
【００４７】
次に、図６（Ｄ）に示すように凹部１１３以外に形成されたＣｕめっき層１１５、シード層１１４、及びバリア層１１０をＣＭＰ法により除去してＣｕ配線１０９を形成する。ＣＭＰの研磨条件は、Ｃｕ−ＣＭＰ、バリア層ＣＭＰそれぞれについて、荷重を０．５ｐｓｉ〜２ｐｓｉ（約３４４７Ｐａ〜約１３８００Ｐａ）、研磨ヘッド及び定盤回転数が６０ｒｐｍ、スラリー流量が２５０ｍｌ／ｍｉｎである。Ｃｕ配線１０９は、ＣＭＰ除去後クエン酸や、シュウ酸などの有機酸を主成分とする洗浄薬液を用いて洗浄して形成される。
【００４８】
〈電解めっき法によるキャップメタル膜の形成〉
以上のようにして形成されたＣｕ配線１０９上に、第１の実施形態に係る半導体製造装置を用いた電解めっき法で、１ｎｍ〜２０ｎｍ程度のキャップメタル膜１１１を形成する。半導体製造装置のうち説明の便宜上図６（Ｅ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。
【００４９】
前記半導体製造装置を使用すると図６（Ｆ）のようにＣｕ配線１０９表面全面にキャップメタル膜１１１を形成できる。なお、アノード板５０２が電界めっきにより消耗することを前提とした場合には、コバルトからなるアノード、もしくは、コバルトをコーティングしたアノードを用いることもできる。
【００５０】
〈効果〉
第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、電解めっき法によりＣｕ配線表面上に、キャップメタル膜を形成することが出来る。本実施形態では、絶縁膜上にメタルが析出することがないため、配線間ショートの問題を解決することができる。従って、絶縁膜上に析出したメタルを除去する又はメタルを析出させないための工程数増加の問題もなく、配線間ショートおよび信頼性劣化のない、高歩留まりの配線を低コストに形成することができる。
【００５１】
（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図７で説明する。第２の実施形態との相違点は、電解めっき法を用いてＣｕ配線１０９上に１ｎｍ〜２０ｎｍ程度のキャップメタル膜１１１を形成した後に、当該キャップメタル膜２１１表面を研磨することである。 〈絶縁膜と凹部の形成〉工程から〈電解めっき法によるキャップメタル膜の形成〉工程を経て図７（Ａ）のキャップメタル膜１１１が形成される。
【００５２】
〈キャップメタル膜の研磨〉
図７（Ｂ）に示すＣｕ配線１０９表面全面に第２の実施形態の〈電解めっき法によるキャップメタル膜の形成〉工程で形成したキャップメタル膜１１１の表面を図７（Ｃ）の第１の実施形態の半導体製造装置を用いて研磨する。その結果図７（Ｄ）のようにＣｕ配線１０９表面全面にキャップメタル膜１１１を形成できる。ここで、半導体製造装置のうち説明の便宜上、図７（Ａ、Ｃ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。導電性の基体５０５は研磨パッドとしても機能する。導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板の回転数を３０〜６０ｒｐｍとして、半導体基板を導電性の基体５０５に押し付け圧０．５ｐｓｉ以上で押し付けることが好ましい。押し付け圧を上記の値以上にすることで、キャップメタル膜１１１の表面を確実に研磨することができる。研磨中は、貫通孔５０４に電解液が含まれていなくてもよい。また、基体５０５の表面には、適宜、スラリーが供給される。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。電解液が絶縁膜１１２上に漏れることを防ぐためである。なお、キャップメタル膜表面の研磨は、キャップメタル膜の選択形成と同時に実施されてもよい。この場合は貫通孔５０４に電解液を注入したまま研磨する。
【００５３】
〈効果〉
第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、電解めっきによりＣｕ配線表面にキャップメタル膜を形成した後に、連続的にキャップメタル膜表面を研磨して、Ｃｕ配線１０９表面上に均一なキャップメタル膜を形成することができる。さらにキャップメタル膜の膜厚を制御することができる。第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、配線間ショートおよび信頼性劣化のない、高歩留まりの配線を低コストに形成することができる。
【００５４】
（第４の実施形態）
第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図８で説明する。第２の実施形態との相違点は、まず無電解めっき法を用いてＣｕ配線１０９上にキャップメタル膜１１１を１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜厚で形成する。次にＣｕ配線１０９上のキャップメタル膜１１１に電界をかけながら、導電性の基体５０５を用いて、絶縁膜１１２表面に余剰に析出したメタル３１０を電気的機械的に研磨することにある。〈絶縁膜と凹部の形成〉工程から〈Ｃｕ導電膜の形成〉工程を経て図８（Ａ）のＣｕ配線１０９が形成される。
【００５５】
〈無電解めっき法によるキャップメタルの形成〉
第２の実施形態の〈Ｃｕ導電膜の形成〉工程で形成したＣｕ配線１０９上に、無電解めっき法で図８（Ｂ）に示す１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜厚のキャップメタル膜３００を形成する。無電解めっき法でキャップメタル膜であるＣｏＷＰ膜を成長させるためには、キャップメタル膜３００を成長させる部位に触媒層が必要となるが、Ｃｕは触媒活性度が低いので、キャップメタル膜を形成する触媒層としての機能が十分ではない。そのため、まずパラジウム（Ｐｄ）膜等の触媒層をＣｕ配線１０９の上面に形成する。
【００５６】
Ｃｕ配線１０９上にＰｄ膜を形成する方法としては、例えば以下の置換めっき法が使用される。塩化パラジウムと塩酸との溶液中に、Ｃｕ配線１０９が形成された半導体基板を浸漬すると、当該溶液中にＣｕ配線１０９の表面に存在するＣｕが溶解する。このとき、Ｃｕの溶解にともなって放出された電子は、Ｃｕイオンよりもイオン化傾向が小さいパラジウムイオンに捕獲されるので、パラジウム原子がＣｕ原子と置換される。以上が置換めっき法である。置換は、Ｃｕ配線１０９の表面だけで起こるので、Ｃｕ配線１０９の表面にＰｄ膜が形成される。
【００５７】
このＰｄ膜を触媒層として無電解めっき法を実施し、ＣｏＷＰ膜を形成する。キャップメタル膜は、ＣｏＷＰ膜に限定されることはなく、無電解めっき法で形成するための触媒金属、還元液、プロセス条件を変更することによって、ＣｏＷＰ膜以外の膜を形成することができる。例えば、ニッケル、ニッケルの窒化物、金、銀、クロム、ロジウム、パラジウムなどの物質を含むキャップメタル膜を形成してもよい。なお置換めっき法によりＰｄ膜を形成する際、絶縁膜上の一部にも触媒金属が付着することにより余剰のメタル３１０が析出するので、以下の工程で当該余剰のメタル３１０を除去する。
【００５８】
〈半導体製造装置を使用した余剰の金属膜の除去〉
次に、図８（Ｃ）に示すＣｕ配線１０９上のキャップメタル膜に電界をかけながら、絶縁膜１１２上に析出した余剰のメタル３１０を導電性基体５０５により機械的に研磨除去する。ここで、導電性の基体５０５は研磨パッドとしても機能する。
【００５９】
余剰の金属膜の除去は前述の第１の実施形態に係る半導体製造装置を使用する。説明の便宜上図８（Ｃ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。除去の方法の詳細を図５で示す。複数の貫通孔５０４内には電解液５０６が満たされている。複数の貫通孔５０４の側壁には絶縁性を有する膜５０７が形成され、電解液５０６とカソードとして機能する導電性の基体５０５とを電気的に絶縁する。電解液としては、金属原子を含まない溶液が望ましく、例えば硫酸及びシュウ酸アンモニウム等を含む溶液を用いる。この半導体製造装置を用いてキャップメタル膜３００表面に導電性の基体５０５及び電解液５０６を接触させる。
【００６０】
次に、導電性の基体５０５をカソード（負極）とし、アノード板５０２をアノード（正極）として電流密度が２０〜６０Ａ／ｄｍ2の電流を流す。プロセス温度は５０〜９０℃程度とする。電解液５０６と、カソードとして機能する導電性の基体５０５の両者はキャップメタル膜３００表面と接しており、両者は絶縁性を有する膜５０７によって電気的には絶縁されているので、キャップメタル膜３００表面と電解液５０６が接触している部分に電流が流れる。電解液には金属原子は含まれていないため、キャップメタル膜上に金属原子は析出しない。
【００６１】
導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板を導電性の基体５０５に押し付ける、押し付け圧を０．１ｐｓｉ（約６８９Ｐａ）以上０．５ｐｓｉ（約３４４７Ｐａ）以下とすることが好ましい。キャップメタル膜を形成するときの押し付け圧より増やすことで、確実に、絶縁膜１１２上に析出しているメタル３１０を除去することができるからである。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。絶縁膜１１２上に析出したメタルを確実に研磨除去することができるからである。
【００６２】
上記の半導体装置の製造装置を使用すると配線上のキャップメタル膜に電解をかけることで電流の流れやすいキャップメタル膜３００の密着力は増す。したがって導電性の基体５０５の機械的研磨によっては、キャップメタル膜は除去されにくい。逆に、絶縁膜１１２上に析出したメタル３１０には、電流が流れにくいので機械的研磨によって研磨される。以上により絶縁膜１１２に析出したメタル３１０のみを導電性の基体５０５で機械的に研磨することができる。この結果図８（Ｄ）に示すようにＣｕ配線１０９表面全面にキャップメタル膜３００を形成できる。
【００６３】
〈効果〉
キャップメタル膜３００表面に電界をかけながら、Ｃｕ配線１０９間の絶縁膜１１２上に析出したメタルを研磨することで、無電解めっきによりキャップメタル膜を形成する場合でも、Ｃｕ配線１０９表面上に均一なキャップメタル膜を形成することができる。従ってキャップメタル膜の膜厚が極端に薄くなり、キャップ膜としての特性が劣化するのを防止しつつ、絶縁膜１１２上のメタルをパッドの機械的研磨により除去することができる。さらに従来の無電解めっき法による絶縁膜上の余剰なメタル３１０による配線間ショートなどの弊害のない配線を形成することができる。第４の実施形態によると、キャップメタル膜を短時間で形成することができる。無電解めっき法は、化学反応によってキャップメタル膜を形成するので、電解めっきより比較的短時間でキャップメタル膜を形成できるからである。第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、配線間ショートおよび信頼性劣化のない、高歩留まりの配線を低コストに形成することができる。
【００６４】
（第５の実施形態）
第５の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図９で説明する。第２の実施形態との相違点は、無電解めっき法を用いて１ｎｍ〜２０ｎｍ程度の膜厚の第１のキャップメタル膜４０１をＣｕ配線１０９上に形成する。次に電解めっき法により第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする第２のキャップメタル膜４０２を第１のキャップメタル膜４０１上に形成する。その後、導電性の基体５０５を用いて、絶縁膜１１２表面に余剰に析出したメタル４１０を機械的に研磨することにある。〈絶縁膜と凹部の形成〉工程から〈無電解めっき法によるキャップメタルの形成〉工程を経て図９（Ａ）のキャップメタル膜３００を形成する。
【００６５】
〈第２のキャップメタルの形成〉
まず図９（Ｂ）に示すように第１の実施形態に係る、半導体製造装置を使用して第２のキャップメタル膜４０２を第１のキャップメタル膜４０１上に形成する。第２のキャップメタル膜材料としては、コバルト合金またはニッケル合金、金合金などの第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする材料が挙げられる。特に、コバルトニッケルは好ましい合金の具体例であるので、Ｃｕ配線１０９上に、電解めっき法を用いてコバルトニッケルを形成する。
【００６６】
説明の便宜上図９（Ｂ）では複数の貫通孔５０４を有する導電性の基体５０５のみを記載した。電解液としては、例えば、塩化コバルト、酸化ニッケル、シュウ酸アンモニウムを含む溶液を用いる。この電解液中には、絶縁膜上の余剰なメタル残渣の除去効率を上げるため、砥粒を０．１％〜１％含めてもよい。
【００６７】
上記のように電解液５０６と、カソードとして機能する導電性の基体５０５とは第１のキャップメタル膜４０１表面で接し、両者は絶縁性を有する膜５０７によって電気的に絶縁されているので、第１のキャップメタル膜４０１表面と電解液５０６とが接触している部分に電流が流れる。その結果、たとえば、コバルト７０％ニッケル２９．５％シリカ砥粒０．５％の組成比を有するコバルトニッケル膜である、第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする第２のキャップメタル膜４０２を第１のキャップメタル膜４０１表面に選択的に形成することができる。
【００６８】
〈キャップメタル膜の研磨〉
次に、図９（Ｃ）に示すように、絶縁膜１１２の表面に析出したメタルを、同じく導電性の基体５０５を用いて研磨する。その結果、図９（Ｄ）に示すように、キャップメタル膜４０１及び４０２をＣｕ配線１０９表面全面に形成する。ここで、導電性の基体５０５は研磨パッドとしても機能する。導電性の基体５０５の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板の回転数を３０〜６０ｒｐｍとし、半導体基板を導電性の基体５０５に押し付ける押し付け圧を０．１ｐｓｉ以上０．５ｐｓｉ以下とすることが好ましい。第２及び第３の実施形態と比較して押し付け圧を増やすことで、確実に絶縁膜１１２上に析出している余剰のメタル４１０を除去することができるからである。研磨中は、電解液が貫通孔５０４に含まれていなくてもよい。導電性の基体５０５は、絶縁膜１１２に接していることが好ましい。絶縁膜１１２上に析出したメタルを確実に研磨除去することができるからである。
【００６９】
上記工程では、第２のキャップメタル膜を第１のキャップメタル膜上に形成した後に、Ｃｕ配線間の絶縁膜上に析出する余剰のメタルを除去したが、第２のキャップメタル膜の形成と同時に余剰のメタルを除去してもよい。この場合は貫通孔５０４に電解液を注入したまま除去される。
【００７０】
〈第５の実施形態の方法で製造された半導体装置〉
図９（Ｄ）は前記第４の実施形態の方法で製造された半導体装置である。半導体基板（図示せず）上に形成された絶縁膜１１２表面部に形成された凹部１０９の底部及び側壁には、Ｔａからなる膜厚が２０ｎｍ程度のバリア層１１０が形成される。凹部４０９にはＣｕ膜が埋め込まれて、Ｃｕ配線１０９が形成されている。バリア層１１０としてＴａ膜に限定されることはなく、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの高融点金属や、これらにＮ、Ｃ、Ｓｉがドープされた材質の膜でもよく、これらの積層膜であってもよい。
【００７１】
Ｃｕ配線４０９の表面には、第１のキャップメタル膜４０１が形成されており、第１のキャップメタル膜の上には、第２のキャップメタル膜４０２が形成されている。第１のキャップメタル膜４０１は、ＣｏＷＰなどの無電解めっき法により形成される合金膜であることが好ましい。第２のキャップメタル膜４０２は、ＣｏＮｉなどの電解めっき法により形成される合金膜であることが好ましい。第１のキャップメタル膜４０１は、無電解めっき法により形成されるため、Ｐｄなどの触媒金属を含んでおり、Ｃｕ配線にもＰｄなどの触媒金属は含まれる。一方、第２のキャップメタル膜４０２は、電解めっき法により形成されるため、Ｐｄなどの触媒金属を含んでいない。第１のキャップメタル膜については、第４の実施形態で説明した、無電解めっき法で形成するための触媒金属、還元液、プロセス条件を変更することによって、ＣｏＷＰ膜以外の膜を形成することができる。
【００７２】
〈効果〉
第５の実施形態では、無電解めっき法により形成された第１のキャップメタル膜４０１の上に、第１のキャップメタル膜４０１の主成分を主成分とする第２のキャップメタル膜４０２を電解めっき法により形成する。従って第２のキャップメタル膜４０２は触媒金属を有していないので、不純物である触媒金属が相対的に少ないキャップメタル膜を形成することができる。そのため、層間絶縁膜上の余剰のメタルを研磨する際に、キャップメタル膜の膜厚が極端に薄くなるのをより確実に防止することが出来る。ここで第２のキャップメタル膜がＣｏＮｉであり、第１のキャップメタル膜がＣｏＷＰであれば、両者に共通する主成分とは、Ｃｏである。不純物とは、無電解めっき法を使用する前段階の触媒金属のＰｄなどが挙げられる。また、第１のキャップメタル膜を無電解めっき法で形成するので、電解めっき法により直接形成するよりも、短い時間でキャップメタル膜を形成することが出来る。無電解めっき後に電解めっきを施した場合、電解めっき中に無電解めっきでめっきされたＣｏＷＰ膜が溶解する間に、Ｐｄがさらに少なくなることから、層間絶縁膜の抵抗を低くすることができ直上のビアに対して、ＥＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｉｇｒａｔｉｏｎ）耐性を良化することができる。
【００７３】
第５の実施形態によると、研磨によるキャップメタル膜の膜厚が極端に薄くなりキャップ膜としての特性が劣化するのを防止しつつ、同時に絶縁膜１１２上のメタルをパッドの機械的研磨により除去することができる。従って、均一なキャップメタル膜をＣｕ配線１０９表面上に形成することができ、従来の無電解めっき法による絶縁膜上の余剰なメタル４１０による配線間ショートなどの弊害は生じない。
【００７４】
(その他)
第１〜第５の実施形態において電解めっき法により形成するキャップメタル膜は、コバルトニッケル膜に限定されることはなく、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）などバリアとして特性をもつ膜も好ましい。コバルトニッケル膜以外の膜を形成する際には、電解液の種類及びプロセス条件を変更すればよい。第１の実施形態において、基体５０５全体が導電性であることは必須ではなく、例えば、貫通孔５０４周囲等の、基体表面の一部にカソードとして機能する導電体が露出する構成であってもよい。第２の実施形態の図６（Ｅ）及び第３の実施形態の図７（Ａ）では、貫通孔５０４の開口径がＣｕ配線１０９の幅よりも小さく記載したが、貫通孔５０４の開口径はＣｕ配線１０９の幅と同等程度であってもよい。貫通孔５０４の開口径は例えば直径１００μｍ以上５０００μｍ以下であることが好ましい。第４の実施形態の図８（Ｃ）及び第５の実施形態の図９（Ｂ）及び（Ｃ）では、貫通孔５０４の開口径がＣｕ配線１０９の幅と同等程度に記載したが、貫通孔５０４の開口径はＣｕ配線１０９の幅よりも小さくても構わない。第３の実施形態の図７（Ｃ）では、貫通孔５０４同士の間隔がＣｕ配線１０９の幅と同等程度に記載されているが、貫通孔５０４同士の間隔がＣｕ配線１０９の幅よりも大きくても小さくてもよい。貫通孔５０４同士の間隔は例えば１００μｍ以上５０００μｍ以下であり、貫通孔の面積が５０％以上８０％以下であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の半導体製造装置は、単純な構造であり、且つ、めっき技術と研磨技術の融合である。従って、Ｃｕめっき層などを研磨する通常の研磨装置内部に内蔵することが可能である。そうすることで、半導体装置の製造時間、コストを大幅に短縮することが可能である、従って産業上の利用可能性は大きい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の製造装置を示す摸式図である。
【図２】第１の実施形態の半導体装置の製造装置を示す摸式図である。
【図３】第１の実施形態の半導体装置の製造装置の使用方法を示す模式図である。
【図４】第１の実施形態の半導体装置の製造装置の使用方法を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の半導体装置の製造装置の使用方法を示す模式図である。
【図６】第２の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図７】第３の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図８】第４の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図９】第５の実施形態の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【図１０】従来の半導体装置の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７７】
１１０ バリア膜
１１２ 絶縁膜
１１３ 凹部
１１４ シード層
１１５ Ｃｕ層
１１１、３００，４０１，５１１ キャップ（バリア）メタル
１０９ Ｃｕ配線
４０２ キャップ（バリア）メタル
５０１ 定盤
５０２ アノード
５０３ 絶縁性基体
５０４ 貫通孔
５０５ 導電性基体
５０６ 電解液
５０８ 基板
５３０ 電解供給機構
５４０ 回転機構
５５０ 基板保持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置の製造方法において、
基板上に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、
前記溝に導電膜を埋め込む工程と、
それぞれに電解液が注入された複数の貫通孔を有する基体を前記導電膜の表面に接触させながら、前記電解液と電気的に接続されたアノードと前記基体表面に露出したカソードとの間に電位差を付与することで、前記導電膜が埋め込まれた前記絶縁膜を表面処理する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記基体が導電性を有し、基体表面の全てが前記カソードである請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記基体の複数の貫通孔が絶縁性の側壁を有する請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記電解液が金属元素を含み、前記表面処理が、前記絶縁膜に埋め込まれた導電膜の表面に、前記電解液に含まれる金属元素を析出させる電解めっき処理である請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記電解液が非金属元素のみを含み、前記表面処理が、前記導電膜埋め込み工程後に、導電膜の表面にキャップメタル膜を形成する無電解めっきに起因して前記絶縁膜上に形成された金属膜を除去する研磨処理である、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記表面処理工程後に、前記電解めっきにより前記導体膜上に形成されためっき膜の表面を前記基体により研磨する工程をさらに有する、請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記キャップメタル膜を形成する工程と前記表面処理工程との間に、前記キャップメタル膜の表面に、電解めっき法により第２のキャップメタル膜を形成する工程をさらに有する、請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置において、
半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された溝と、
前記溝に埋め込まれた導電膜と、
前記導電膜上に形成された第１のキャップメタル膜と、
前記第１のキャップメタル膜上に形成された、主成分として前記第１のキャップメタル膜の主成分を含む第２のキャップメタル膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体基板の主面を処理する半導体装置の製造装置において、
定盤と、
前記定盤上に設けられたアノード板と、
前記アノード板上に設けられ前記アノード板に通じる複数の貫通孔を有する絶縁性基体と、
前記絶縁性基体上に設けられた、前記絶縁性基体の貫通孔に連通する貫通孔を有し、電解液が注入されるとともに絶縁性の側壁を有する、カソードとして機能する導電性基体と、
前記半導体基板を保持するとともに、当該半導体基板の主面を前記導電性基体に押圧する手段と、
前記保持された半導体基板の主面に対して前記定盤を相対的に運動させる手段と、
を備えた半導体装置の製造装置。
【請求項１】
絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置の製造方法において、
基板上に形成された絶縁膜に溝を形成する工程と、
前記溝に導電膜を埋め込む工程と、
それぞれに電解液が注入された複数の貫通孔を有する基体を前記導電膜の表面に接触させながら、前記電解液と電気的に接続されたアノードと前記基体表面に露出したカソードとの間に電位差を付与することで、前記導電膜が埋め込まれた前記絶縁膜を表面処理する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記基体が導電性を有し、基体表面の全てが前記カソードである請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記基体の複数の貫通孔が絶縁性の側壁を有する請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記電解液が金属元素を含み、前記表面処理が、前記絶縁膜に埋め込まれた導電膜の表面に、前記電解液に含まれる金属元素を析出させる電解めっき処理である請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記電解液が非金属元素のみを含み、前記表面処理が、前記導電膜埋め込み工程後に、導電膜の表面にキャップメタル膜を形成する無電解めっきに起因して前記絶縁膜上に形成された金属膜を除去する研磨処理である、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記表面処理工程後に、前記電解めっきにより前記導体膜上に形成されためっき膜の表面を前記基体により研磨する工程をさらに有する、請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記キャップメタル膜を形成する工程と前記表面処理工程との間に、前記キャップメタル膜の表面に、電解めっき法により第２のキャップメタル膜を形成する工程をさらに有する、請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
絶縁膜に埋め込まれた配線を有する半導体装置において、
半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜に形成された溝と、
前記溝に埋め込まれた導電膜と、
前記導電膜上に形成された第１のキャップメタル膜と、
前記第１のキャップメタル膜上に形成された、主成分として前記第１のキャップメタル膜の主成分を含む第２のキャップメタル膜と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体基板の主面を処理する半導体装置の製造装置において、
定盤と、
前記定盤上に設けられたアノード板と、
前記アノード板上に設けられ前記アノード板に通じる複数の貫通孔を有する絶縁性基体と、
前記絶縁性基体上に設けられた、前記絶縁性基体の貫通孔に連通する貫通孔を有し、電解液が注入されるとともに絶縁性の側壁を有する、カソードとして機能する導電性基体と、
前記半導体基板を保持するとともに、当該半導体基板の主面を前記導電性基体に押圧する手段と、
前記保持された半導体基板の主面に対して前記定盤を相対的に運動させる手段と、
を備えた半導体装置の製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−３７６１７（Ｐ２０１０−３７６１７Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０３８１３（Ｐ２００８−２０３８１３）
【出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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