半導体装置の製造方法および残留物質除去装置
【課題】熱ストレスを小さく抑えて下層材料膜の水分を効果的に除去することができ、これにより下層材料膜とこの上部の上層材料膜との密着性の向上を図ると共に、これらの膜の水分による劣化を防止した信頼性の高い半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に下層材料膜を形成する第１工程と、下層材料膜の残留物質を除去する第２工程と、下層材料膜を覆う状態で上層材料膜を形成する第３工程とこの順に行う半導体装置の製造方法において、第２工程では、下層材料膜に磁場を印加することにより残留物質を蒸発させて除去する。
【解決手段】基板上に下層材料膜を形成する第１工程と、下層材料膜の残留物質を除去する第２工程と、下層材料膜を覆う状態で上層材料膜を形成する第３工程とこの順に行う半導体装置の製造方法において、第２工程では、下層材料膜に磁場を印加することにより残留物質を蒸発させて除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体装置の製造方法および残留物質除去装置に関し、特には材料膜を積層形成する工程を備えた半導体装置の製造方法および、この製造方法中で用いられる残留物質除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化、高集積化に伴い、配線の時定数に起因する電気信号の遅れが深刻な問題となっている。そこで、多層配線構造で用いられる導電層には、アルミニウム（Ａl）系合金の配線に代わり、低電気抵抗の銅（Ｃｕ）配線が導入されるようになっている。また、高集積化された半導体装置では、配線容量の増大が半導体装置の動作速度の低下を招くために、層間絶縁膜を低誘電率化することによる配線容量の増大の抑制が不可欠となっている。
【０００３】
そこで、比誘電率３．５程度のフッ素含有酸化シリコン（ＦＳＧ）、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）に代表される有機シリコン系のポリマー、さらにはハイドロゲンシルセキオサン（ＨＳＱ）やメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）に代表される無機系材料など、酸化シリコン（ＳｉＯ2）よりも誘電率の低い、いわゆる低誘電率膜が、層間絶縁膜として導入されるようになってきている。また近年では、さらにこれらを多孔質化させて比誘電率を２．３前後にまで低下させた低誘電率膜の適用も試みられている。
【０００４】
このように多孔質化された絶縁膜(多孔質絶縁膜）を形成する場合には、先ず、マトリックスと呼ばれる骨格形成用材料に、有機ポリマーで構成されるポロジェン（空孔形成用材料）を混ぜ込む形で成膜を行う。その後、熱処理を行うことによりポロジェンを分解除去する。これにより、ポロジェンが除去された部分に孔が形成された多孔質絶縁膜が得られる（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２３５５４８号公報（特に００２８段落参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、銅配線を用いたプロセスにおいては、低誘電率膜の成膜後や、この低誘電率膜をエッチングによって加工した後に、水分を除去するための熱処理を行っている。これにより、低誘電率膜の吸湿による誘電率の上昇や、次に形成するバリアメタル層および銅配線膜の腐食や剥がれを防止している。
【０００７】
しかしながら、熱処理の温度には限界があり、下層に銅配線が設けられている場合には、銅の熱膨張に起因したデバイスの信頼性劣化が懸念されるため、実質３００℃以上の温度での熱処理を行うことはできない。このため、上述したような多孔質化された絶縁膜においては、熱処理によって水分を十分に除去することが困難になってきている。
【０００８】
そして、多孔質化した絶縁膜に水分が残留した状態で、この絶縁膜の上層にバリアメタル層や銅配線膜を成膜した場合には、絶縁膜の吸湿による誘電率の上昇や、次に形成するバリアメタル層および銅配線膜の腐食や剥がれが発生して断線を引き起こす要因となり、デバイスの信頼性が大きく損なわれることが分かっている。
【０００９】
そこで本発明は、熱ストレスを小さく抑えて下層材料膜の水分を効果的に除去することができ、これにより下層材料膜とこの上部の上層材料膜との密着性の向上を図ると共に、これらの膜の水分による劣化を防止した信頼性の高い半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供すること、さらにはこのような製造方法を行うために用いる残留物質質除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するための本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に下層材料膜を形成する第１工程と、当該下層材料膜の残留物質を除去する第２工程と、下層材料膜を覆う状態で上層材料膜を形成する第３工程とこの順に行う半導体装置の製造方法において、第２工程では、下層材料膜に磁場を印加することにより、残留物質を蒸発させて除去することを特徴としている。
【００１１】
このような本発明では、磁場の印加によって下層材料膜の残留物質を蒸発除去させるため、下層絶縁膜や基板に対して過剰な熱ストレスを加えることなく下層絶縁膜の残留物質が除去される。
【００１２】
また本発明は、このような製造方法に用いられる残留物質除去装置であり、処理基板を載置するステージと、このステージの周囲に設けられ当該ステージ上に載置された処理基板に対して磁場を印加するための磁石とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、下層絶縁膜や基板に対して過剰な熱ストレスを加えることなく下層絶縁膜の残留物質を除去できるため、これにより、下層材料膜とこの上部の上層材料膜との密着性の向上を図ると共に、これらの膜の水分による劣化を防止した信頼性の高い半導体装置を得ることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施形態においては、先ず、実施形態の製造方法に用いる残留物質除去装置の一構成例を説明し、次に、この残留物質除去装置を用いて行われる製造方法の実施形態を説明する。
【００１５】
＜残留物質除去装置＞
図１は、残留物質除去装置の構成図である。この図に示す残留物質除去装置１は、処理基板Ｗを載置するステージ３と、ステージ３上に載置された処理基板Ｗを収納する処理室５と、ステージ３を囲む状態で処理室５の周囲に設けられた磁石７とを備えている。
【００１６】
このうち、ステージ３は、チャック機能を有すると共に、処理基板Ｗの載置面に対して突出自在に設けられた複数のピン３ａを備えており、ピン３ａの突出によってステージ３上に載置した処理基板Ｗが取り外し自在に構成されている。また、このステージ３は、ここでの図示を省略したヒータなどの加熱用の温調機能を備えていることとする。
【００１７】
また、処理室５は、ステージ３を底面とし、ステージ３上に載置された処理基板Ｗを収納する閉塞された処理雰囲気を構成する。この処理室５には、ガス供給口５ａと、ガス排出口５ｂとが設けられることとする。
【００１８】
さらに、磁石７は、ステージ３の側周を取り囲む状態で、処理室５の外壁に配置されている。この磁石７は、水分や有機物などの残留物質の除去に十分な磁場の発生が可能であるものとし、例えば図中二点鎖線の磁力線で示すように０．５〜２．０テスラの強磁場が、処理基板Ｗに印加できるものであることとする。このような磁石７として、例えば永久磁石や、ヘルムホルツコイルあるいは超伝導コイルを用いた電磁石を使用しても良い。
【００１９】
尚、ステージ３は、処理基板Ｗを載置する載置面に対する法線の方向ｘに移動自在であり、これにより磁石７の配置高さに対する処理基板Ｗの配置高さが調整される構成となっている。
【００２０】
ここで図２には、磁石によって囲まれた領域においての上記法線方向ｘの各位置における、磁束密度Β（Ｔ）と、この磁束密度Βの位置微分値ΒdΒ／ｄｘ（Ｔ2／ｍ）とを示す。このグラフに示すように、磁束密度Βは法線方向の位置ｘ０において極大値が１箇所生じる分布となっており、その位置微分値ΒdΒ／ｄｘには、法線方向の位置ｘ１に極大値が、位置ｘ２に極小値が１箇所ずつ現れることになる。
【００２１】
また、図３には、このように形成された磁場内における法線方向の位置ｘ０と、位置ｘ１（ｘ２）とに、処理基板Ｗを配置し、常温にて８テスラの磁場を印加した場合の、水分の減少量−ΔＷの経時変化を示す。また比較として、磁場を印加しない場合も示す。このグラフに示すように、磁場を印加することによって水分が除去される効果があることがわかる。尚、図３は［J.Appl.Phys.,Vol.86,No.5,p2923-2925,(1999)］から引用したグラフである。
【００２２】
そして、このような水分の除去効果は、上記文献［J.Appl.Phys.,Vol.86,No.5,p2923-2925,(1999)］によれば、（ΔΧ/μ0）と（ΒｄΒ／ｄｘ）との積で表される。尚、Χは物質の磁化率であり、ΔΧは水と処理雰囲気中の物質の磁化率の差であり、μ0は真空の透磁率である。これにより、残留物質として除去する水と、磁化率の差が大きい物質によって処理雰囲気を構成することが、水分除去の効果を大きくすることがわかる。したがって、図１の処理室５内は、酸素（Ｏ2）や一酸化窒素（ＮＯ）雰囲気とすることが、有効となる。
【００２３】
以上のような磁場の印加による水分除去は、次のようなメカニズムによってなされる。すなわち、水や有機物質は、元来一つの電子軌道を一つのスピン対が占める閉殻構造を持った非磁性物質であるが、強磁場を作用させ一方の電子をスピン励起した場合、同方向のスピン量子数を持つ二つの電子は、パウリの排他原理に従い、同一の電子軌道には入らず、それぞれ異なる電子軌道に入り分子としては磁性を呈する。そして、磁性化された分子は、非磁性分子とは異なる物性を示し、具体的には、蒸発促進効果、特定気体への溶解促進等の効果が得られるのである。
【００２４】
また、図３のグラフから、水分の除去効果は、磁束密度の変化量が極値となる法線方向の位置ｘ１（ｘ２）において高いことがわかる。このため、図１に示した残留物質除去装置１においては、磁石７によって形成される磁場において、磁束密度の位置微分値Β-dΒ／ｄｘが極大値となる位置ｘ１（または極小値となる位置ｘ２）に、処理基板Ｗが配置された状態で処理が可能なようにステージ３が駆動される構成となっていることが好ましい。
【００２５】
次に、上記構成の残留物質除去装置１を用いた半導体装置の製造方法に関する各実施形態を説明する。
【００２６】
＜製造方法の第１実施形態＞
図４は、第１実施形態を説明する断面工程図である。本第１実施形態においては、エッチングが施された単層の多孔質絶縁膜を下層材料膜として形成し、この上部に導電性の上層材料膜を形成して埋め込みコンタクトを形成する手順を説明する。
【００２７】
先ず、図４（１）に示すように、基板２１上に、非多孔質の絶縁膜２３を下層材料膜として成膜する。この絶縁膜２３は、多孔質絶縁膜の骨格を形成する前駆体材料である骨格形成材料中に、空孔形成材料であるポロジェンを含有させた膜であり、例えば塗布成膜によって行う。
【００２８】
ここで、絶縁膜（下層材料膜）２３を構成する骨格形成材料としては、主骨格として炭素鎖を有するポリアリールエーテル（ＰＡＥ）のような有機材料、または主骨格として−Ｓｉ−Ｏ−結合を有するメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）のような無機材料が用いられる。
【００２９】
また、ポロジェンとしては、（１）ＣｘＨｙで表される炭化水素や、（２）ＣｘＨｙＯｚで表される酸素含有炭化水素が用いられる。（１）、（２）いずれの場合においてもxは１〜１２のものが好ましく、分子構造が鎖状でも分岐していても良い。また、ポロジェンは、例えばベンゼンあるいはシクロヘキサンのような環状分子構造を持つことが好ましい。
【００３０】
そして、塗布成膜によって上述した非多孔質の絶縁膜２３を形成した後には、必要に応じて絶縁膜２３を加熱処理することにより、骨格形成材料を焼成する。この加熱処理は、ポロジェンの分解温度よりも低温で行われることとする。
【００３１】
次に、図４（２）に示すように、絶縁膜２３上にマスクパターン２５を形成する。このマスクパターン２５は、例えば無機材料からなることとする。このようなマスクパターン２５の形成は、無機材料膜上に形成したレジストパターン（図示省略）をマスクにして、当該無機材料膜をパターンエッチングすることによって形成される。
【００３２】
次に、このマスクパターン２５上からのエッチングにより、非多孔質の絶縁膜２３をエッチング加工する。これにより、例えば絶縁膜２３に、接続孔２７を形成する。またこのエッチング加工の後には、必要に応じて絶縁膜２３上のマスクパターン２５を除去する工程を行う。
【００３３】
その後、図４（３）に示すように、熱処理を行うことにより、絶縁膜２３内に含有されているポロジェンを分解除去する。ここでは、用いたポロジェンに応じて、当該ポロジェンが分解し、かつ骨格形成材料が分解することのない温度で熱処理を行うこととする。これにより、絶縁膜２３を、ポロジェンが分解除去された複数の孔Ａを設けてなる多孔質絶縁膜２３Ａとする。
【００３４】
その後、多孔質絶縁膜２３Ａとなった下層材料膜の残留物質として、水分を除去するための処理を行う。この際、図１を用いて説明した残留物質除去装置１を用い、多孔質絶縁膜（下層材料膜）２３Ａに磁場を印加することにより、残留物質として水分を蒸発除去する。
【００３５】
この場合、先ず、残留物質除去装置１のステージ３上に、多孔質絶縁膜（２３Ａ）が形成された基板（２１）を処理基板Ｗとして載置し、ステージ３を処理室５の方向ｘに上昇させて処理室５内を密閉状態とする。ステージ３の上昇位置は、磁石７によって形成される磁場において、磁束密度の位置微分値Β-dΒ／ｄｘが極大値となる位置ｘ１（または極小値となる位置ｘ２）に、処理基板Ｗが配置される位置であることとする。
【００３６】
次に、ステージ３の温調機能を調整することにより、処理基板Ｗを加熱する。この際、処理基板Ｗを構成する材料に熱ストレスによる影響が加わることのない程度、すなわち処理基板Ｗに既に形成されている半導体デバイスに対してダメージを与えない程度の温度（例えば２５０℃〜４００℃）での加熱を行うこととする。また、処理室５内の雰囲気を、除去対象となる水と磁化率の差が大きい酸素や一酸化窒素雰囲気とし、多孔質絶縁膜２３Ａから蒸発した水分が処理雰囲気中から速やかに継続的に排除されるように、排気状態にして気流を形成することが好ましい。このような状態で、磁石７によって処理室５内の磁場を形成し、処理基板Ｗに磁場を印加する。この際、水分子における一つの電子軌道を占めるスピン対のうちの一方の電子をスピン励起できる程度の強磁場、例えば０．５〜２．０テスラの強磁場を形成することとする。
【００３７】
これにより、図４（３）に示した多孔質絶縁膜２３Ａの孔Ａ内に吸蔵された水分や、表面に吸着している水分を除去する。
【００３８】
以上の後、図４（４）に示すように、接続孔２７の内壁を覆う状態で多孔質絶縁膜２３Ａ上に、上層材料膜として例えばＴａからなるバリアメタル層２９を成膜し、さらに接続孔２７内を埋め込む状態でバリアメタル層２９上に銅配線膜３１を成膜する。
【００３９】
次に、図４（５）に示すように、多孔質絶縁膜２３Ａ上の銅配線膜３１おおびバリアメタル層２９をＣＭＰによって研磨除去し、接続孔２７内のみにバリアメタル層２９を介して銅配線膜３１を残してなる埋め込みコンタクト３１Ａを形成する。
【００４０】
以上説明したような第１実施形態の製造方法によれば、図４（３）を用いて説明したように、磁場の印加によって多孔質絶縁膜２３Ａの残留物質である水分を蒸発除去する構成である。このため、多孔質絶縁膜２３Ａや２１基板に対して過剰な熱ストレスを加えることなく、多孔質絶縁膜２３Ａの水分を効率的に除去することができる。これにより、多孔質絶縁膜２３Ａの吸湿による誘電率の上昇を抑えることが可能であり、動作速度が高く電気的特性に優れた半導体装置を得ることができる。さらに、多孔質絶縁膜２３Ａとこの上部のバリアメタル層２９との密着性の向上を図ることが可能であると共に、バリアメタル層２９や銅配線膜３１の水分による腐食劣化を防止でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００４１】
ここで図５には、絶縁膜の成膜後に、熱処理による脱ガス処理を行っていないサンプルのＴＤＳガス分析（昇温脱離ガス分析）による水分スペクトル（ａ）と、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルについての同水分スペクトル（ｂ）とを示す。これらの水分スペクトル（ａ），（ｂ）を比較し、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルの水分スペクトル（ｂ）の方が、脱ガス処理を行っていない水分スペクトル（ａ）よりも、全温度領域に渡ってピーク強度が小さくなっていることがわかる。そして、本発明のように、熱処理に加えて同時に磁場を印加した水分除去を行うことにより、水分スペクトル（ｂ）よりもさらにピーク強度の小さい水分スペクトルが得られ、効果的な水分除去が行われるようになる。
【００４２】
また上述したように、残留物質としての水分の除去に際して、磁場効果と熱処理を併用することにより、水分除去に要する処理時間が短縮され、スループットが向上される。またこれにより、水分除去に際しての
熱処理の温度が低温化され、消費エネルギーが低減され、半導体製造装置に使用される部品の寿命延長によるコストを削減することも可能である。
【００４３】
尚、上述した第１実施形態においては、図４（３）を用いて説明したように、先ず熱処理によって絶縁膜２３内に含有されているポロジェンを分解除去して多孔質絶縁膜２３Ａとした後、加熱状態で磁場を印加することによって多孔質絶縁膜２３Ａの水分を残留物質として除去する方法を説明した。しかしながら、磁場を印加することによって除去する残留物質が有機物質であってもよい。つまり、水分と同様に有機物質も、一つの電子軌道を一つのスピン対が占める閉殻構造を持った非磁性物質であるため、強磁場を作用させることにより、蒸発促進効果、特定気体への溶解促進等の効果が得られるのである。
【００４４】
この場合、図４（３）を用いて説明した、熱処理によって絶縁膜２３内に含有されているポロジェンを分解除去して多孔質絶縁膜２３Ａとする工程において、熱と共にポロジェンを構成する有機物質における一つの電子軌道を占めるスピン対のうちの一方の電子をスピン励起できる程度の強磁場を絶縁膜２３に印加することとする。
【００４５】
ここで図６には、絶縁膜の成膜後に、熱処理による脱ガス処理を行っていないサンプルのＴＤＳガス分析（昇温脱離ガス分析）による有機成分スペクトル（ａ）と、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルについての同有機成分スペクトル（ｂ）とを示す。これらの有機成分スペクトル（ａ），（ｂ）を比較し、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルの有機成分スペクトル（ｂ）の方が、脱ガス処理を行っていない有機成分スペクトル（ａ）よりも、全温度領域に渡ってピーク強度が小さくなっていることがわかる。そして、本発明のように、熱処理に加えて同時に磁場を印加した有機成分除去を行うことにより、有機成分スペクトル（ｂ）よりもさらにピーク強度の小さい有機成分スペクトルが得られ、効果的な有機成分除去を行うことが可能になる。
【００４６】
そして、以上のような磁場を印加した絶縁膜２３の多孔質化の工程の後に、必要に応じて水分除去のための工程を行い、その直後に上層材料膜であるバリアメタル層２９の形成を行うこととする。ただし、磁場を印加した絶縁膜２３の多孔質化の直後に上層材料膜の形成工程が行われ、かつ多孔質化の工程において水分除去が同時に行われるのであれば、磁場を印加しての水分除去の工程を特別に行う必要はない。
【００４７】
＜製造方法の第２実施形態＞
図７〜図８は、本発明の製造方法をデュアルダマシン工程に適用した第２実施形態を説明するための断面工程図である。以下にこれらの図に基づいて、第２実施形態の製造方法を説明する。
【００４８】
先ず、図７（１）に示すように、図示しない下地絶縁膜でおおわれた基板１０１上に、有機膜１０２と酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜１０３とからなる積層膜を層間絶縁膜として成膜し、次いで銅（Ｃｕ）膜の埋め込み配線（Ｃｕ配線）１０４を形成する。続いて、Ｃｕ配線１０４上に、酸化防止および銅の拡散防止、さらにはエッチングストッパとして機能するストッパ層１０５を形成する。このストッパ層１０５は、例えば４０ｎｍの窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で構成されていることとする。
【００４９】
次に、ストッパ層１０５上に、第１絶縁膜１０６として炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ系膜）を９０ｎｍの膜厚で成膜する。
【００５０】
その後、必要に応じて、この第１絶縁膜１０６を下層材料膜とし、磁場を印加した残留物質（水分）の除去を行う。この水分除去は、第１実施形態において図１（３）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００５１】
次いでただちに、図７（２）に示すように、第１絶縁膜１０６上に、第２絶縁膜１０７として比誘電率２．４程度の有機膜を９０ｎｍの膜厚で成膜する。ここでは、この第２絶縁膜１０７が上層材料膜となる
【００５２】
その後、必要に応じて、この第２絶縁膜１０７を下層材料膜とし、磁場を印加した残留物質（水分）の除去を行う。この水分除去は、第１実施形態において図１（３）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００５３】
次いでただちに、図７（３）に示すように、第２絶縁膜１０７上に、第１マスク形成層２０１、第２マスク形成層２０２、および第３マスク形成層２０３を順次形成する。これらのマスク形成層は、例えば第１マスク形成層２０１が酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜からなり、第２マスク形成層２０２が窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）からなり、第３マスク形成層２０３が酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる。ここでは、これらのマスク形成層が、上層材料膜となる。
【００５４】
これらのマスク形成層２０１〜２０３のうち、ＳｉＯ2からなる第１マスク形成層２０１と第３マスク形成層２０３とは、例えばシリコン源としてモノシラン(ＳｉＨ4）を用い、酸化剤として一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜される。また、ＳｉＣＮからなる第２マスク形成層２０２は、プラズマＣＶＤ法により成膜される。
【００５５】
次いで、図８（４）に示すように、第３マスク形成層２０３上に、配線溝パターンを有するレジストマスク３０１を形成する。そして、レジストマスク３０１をエッチングマスクとして用いたドライエッチング法により、第３マスク形成層２０３をエッチングして、配線溝パターンを有する第３マスク２０３Ａを形成する。
【００５６】
ここでは、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いたエッチングを行う。そして、このエッチングによって第３マスク２０３Ａを形成した後、例えば酸素（Ｏ2）プラズマをベースとしたアッシング処理と有機アミン系の薬液処理を施すことにより、レジストマスク３０１及びエッチング処理の際に生じた残留付着物を完全に除去する。
【００５７】
次に、図８（５）に示すように、第３マスク２０３Ａ上を含む第２マスク形成層２０２上に、接続孔パターンを有するレジストマスク３０２を形成する。この際、レジストマスク３０２に設けられた接続孔パターンの少なくとも一部が、第３マスク２０３Ａの配線溝パターンの開口部内に重なるようにレジストマスク３０２をパターン形成する。
【００５８】
次に、図９（６）に示すように、レジストマスク３０２をエッチングマスクとしたドライエッチング法により、第３マスク２０３Ａ、第２マスク形成層２０２、および第１マスク形成層２０１をエッチングし、さらに第２絶縁膜１０７をエッチングする。これにより、第１絶縁膜１０６を露出させた接続孔３０３を形成する。この際、レジストマスク３０２は、第２絶縁膜１０７のエッチングにおいて同時に除去される。そして、このエッチングによって残存する第３マスク２０３Ａは、配線溝パターンのマスクとなる。また、第２マスク形成層２０２のエッチングによってパターン形成された第２マスク２０２Ａは、接続孔パターンのマスクとなる。
【００５９】
以上のようなエッチングにおいて、第３マスク（ＳｉＯ2）２０３Ａから第１マスク形成層（ＳｉＯ2膜）２０１までのエッチングは、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用い、例えばエッチングガスとしてトリフロロメタン（ＣＨＦ3）、酸素（Ｏ2）、およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣＨＦ3：Ｏ2：Ａｒ＝５：１：５０、バイアスパワーを１０００Ｗ、基板温度を４０℃に設定して行われる。
【００６０】
また、これらの下層の第２絶縁膜１０７のエッチングにも、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置が用いられる。
【００６１】
次に、図９（７）に示すように第３マスク（ＳｉＯ2）２０３Ａをエッチングマスクとしたドライエッチング法により、第２マスク（ＳｉＣＮ）２０２Ａをエッチングする。これにより、第２マスク２０２Ａが配線溝パターンのマスクとなる。また、第１マスク形成層２０１は、接続孔パターンが形成された第１マスク２０１Ａになる。このドライエッチングにおいては、接続孔３０３の底部に露出する第１絶縁膜１０６が途中までエッチングされて接続孔３０３が掘り下げられる。
【００６２】
次に、図９（８）に示すように、第１マスク（ＳｉＯ2）２０１Ａをエッチングマスクにして、第１絶縁膜１０６の下部層をエッチングして、接続孔３０３をさらに掘り下げてストッパ層１０５を露出させる。この際、第３マスク（ＳｉＯ2）２０３Ａと第２マスク（ＳｉＣＮ）２０２Ａをエッチングマスクとして、第１マスク（ＳｉＯ2）２０１Ａが同時に除去され、第１マスク２０１Ａに配線溝３０４が形成される。
【００６３】
このエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いて行われる。例えばエッチングガスとしてのオクタフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ2）、およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣ4Ｆ8：ＣＯ：Ｎ2：Ａｒ＝３：１０：２００：５００、バイアスパワーを１０００Ｗ、基板温度を２０℃に設定したエッチングが行われる。
【００６４】
続いて、図１０（９）に示すように、第２マスク（ＳｉＣＮ）２０２Ａをエッチングマスクにして、配線溝３０４の底部に残存するポロジェンを含む第２絶縁膜（有機膜）１０７をエッチングする。これにより、第１マスク２０１Ａに形成された配線溝３０４をさらに掘り下げ、第１マスク２０１Ａと第２絶縁膜１０７とに、配線溝３０４を形成する。
【００６５】
第２絶縁膜（有機膜）１０７のエッチングは、一般的な高密度プラズマエッチング装置を使用して行われる。この際、例えばエッチングガスとして例えばアンモニア(ＮＨ3)ガスを用い、ＲＦパワーを１５０Ｗ、基板温度を１０℃に設定したエッチングが行われる。
【００６６】
続いて、接続孔３０３底部に残存しているストッパ層１０５ＳｉＣ膜をエッチングすることにより、配線溝３０４の底部に開口させた接続孔３０３をＣｕ埋め込み層１０４に連通させ、所定のデュアルダマシン加工を完了させる。このエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、例えばエッチングガスとしてジフルオルメタン（ＣＨ2Ｆ2）、酸素（Ｏ2）、及びアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比（ＣＨ2Ｆ2：Ｏ2：Ａｒ）を２：１：５、バイアスパワーを１００Ｗに設定して行われる。
【００６７】
次に、図１０（１０）に示すように、エッチング処理が施された下地層を構成する下層材料膜に対して、磁場を印加した残留物質（水分）の除去を行う。この水分除去は、第１実施形態において図１（３）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００６８】
その後ただちに、図１０（１１）に示すように、例えばＴａからなるバリアメタル層２０４を上層材料膜としてスパッタリング法により成膜し、さらに上層材料膜として銅配線膜２０５を電解めっき法あるいはスパッタリング法により堆積し、配線溝３０４と接続孔３０３への導電膜の埋め込みを同時に行う。
【００６９】
次いで、図１０（１２）に示すように、銅配線膜２０５およびバリアメタル層２０４のうち、配線パターンとして不要な部分（第１マスク２０１Ａ上に残された部分）を化学機械研磨（ＣＭＰ）法により除去することにより、デュアルダマシン構造の多層配線構造を形成することができる。そして、銅配線膜２０５を覆う状態で、酸化防止及び銅の拡散防止層をかねるストッパ層２０６（例えばＳｉＣ膜）を成膜する。
【００７０】
以上説明した第２実施形態では、例えば図７（２）、図７（３）、さらには図１０（１１）を用いて説明した成膜工程の前に、成膜下地を構成する下層材料膜に対して、磁場の印加によって残留物質である水分を蒸発除去する工程を行っている。このため、成膜の下地となる下層材料膜の全体に対して、過剰な熱ストレスを加えることなく水分を効率的に除去することができる。これにより、次に形成されるバリアメタル層２０４などの上層材料膜と下層との密着性の向上を図ることが可能であると共に、バリアメタル層２０４や銅配線膜２０５の水分による腐食劣化を防止でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００７１】
尚、本第２実施形態において、第１絶縁膜や第２絶縁膜として、ポロジェン除去工程を経て多孔質絶縁膜を形成する場合、磁場の印加によるポロジェン除去を行っても良い。このようなポロジェン除去を行うことにより、熱ストレスを低減して効率的なポロジェン除去を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施形態の残留物除去装置の構成図である。
【図２】磁石で囲まれた処理雰囲気における磁力線方向ｘにおける磁束密度とその微分値を示すグラフである。
【図３】磁力線方向における処理時間と水分減少量との関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態を説明する断面工程図である。
【図５】加熱による脱ガス処理の有無によるＴＤＳ分析による水分スペクトルの差を示すグラフである。
【図６】加熱による脱ガス処理の有無によるＴＤＳ分析による有機成分スペクトルの差を示すグラフである。
【図７】第２実施形態を説明する断面工程図（その１）である。
【図８】第２実施形態を説明する断面工程図（その２）である。
【図９】第２実施形態を説明する断面工程図（その３）である。
【図１０】第２実施形態を説明する断面工程図（その４）である。
【符号の説明】
【００７３】
１…残留物質除去装置、３…ステージ、５…処理室、７…磁石、２１，１０１…基板、２３…絶縁膜（下層材料膜）、２３Ａ…多孔質絶縁膜（下層材料膜）、２９，２０４…バリアメタル層（上層材料膜）、３１，２０５…銅配線膜（上層材料膜）、１０６…第１絶縁膜、１０７…第２絶縁膜、Ｗ…処理基板
【技術分野】
【０００１】
半導体装置の製造方法および残留物質除去装置に関し、特には材料膜を積層形成する工程を備えた半導体装置の製造方法および、この製造方法中で用いられる残留物質除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化、高集積化に伴い、配線の時定数に起因する電気信号の遅れが深刻な問題となっている。そこで、多層配線構造で用いられる導電層には、アルミニウム（Ａl）系合金の配線に代わり、低電気抵抗の銅（Ｃｕ）配線が導入されるようになっている。また、高集積化された半導体装置では、配線容量の増大が半導体装置の動作速度の低下を招くために、層間絶縁膜を低誘電率化することによる配線容量の増大の抑制が不可欠となっている。
【０００３】
そこで、比誘電率３．５程度のフッ素含有酸化シリコン（ＦＳＧ）、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）に代表される有機シリコン系のポリマー、さらにはハイドロゲンシルセキオサン（ＨＳＱ）やメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）に代表される無機系材料など、酸化シリコン（ＳｉＯ2）よりも誘電率の低い、いわゆる低誘電率膜が、層間絶縁膜として導入されるようになってきている。また近年では、さらにこれらを多孔質化させて比誘電率を２．３前後にまで低下させた低誘電率膜の適用も試みられている。
【０００４】
このように多孔質化された絶縁膜(多孔質絶縁膜）を形成する場合には、先ず、マトリックスと呼ばれる骨格形成用材料に、有機ポリマーで構成されるポロジェン（空孔形成用材料）を混ぜ込む形で成膜を行う。その後、熱処理を行うことによりポロジェンを分解除去する。これにより、ポロジェンが除去された部分に孔が形成された多孔質絶縁膜が得られる（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２３５５４８号公報（特に００２８段落参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、銅配線を用いたプロセスにおいては、低誘電率膜の成膜後や、この低誘電率膜をエッチングによって加工した後に、水分を除去するための熱処理を行っている。これにより、低誘電率膜の吸湿による誘電率の上昇や、次に形成するバリアメタル層および銅配線膜の腐食や剥がれを防止している。
【０００７】
しかしながら、熱処理の温度には限界があり、下層に銅配線が設けられている場合には、銅の熱膨張に起因したデバイスの信頼性劣化が懸念されるため、実質３００℃以上の温度での熱処理を行うことはできない。このため、上述したような多孔質化された絶縁膜においては、熱処理によって水分を十分に除去することが困難になってきている。
【０００８】
そして、多孔質化した絶縁膜に水分が残留した状態で、この絶縁膜の上層にバリアメタル層や銅配線膜を成膜した場合には、絶縁膜の吸湿による誘電率の上昇や、次に形成するバリアメタル層および銅配線膜の腐食や剥がれが発生して断線を引き起こす要因となり、デバイスの信頼性が大きく損なわれることが分かっている。
【０００９】
そこで本発明は、熱ストレスを小さく抑えて下層材料膜の水分を効果的に除去することができ、これにより下層材料膜とこの上部の上層材料膜との密着性の向上を図ると共に、これらの膜の水分による劣化を防止した信頼性の高い半導体装置を得ることが可能な半導体装置の製造方法を提供すること、さらにはこのような製造方法を行うために用いる残留物質質除去装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するための本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に下層材料膜を形成する第１工程と、当該下層材料膜の残留物質を除去する第２工程と、下層材料膜を覆う状態で上層材料膜を形成する第３工程とこの順に行う半導体装置の製造方法において、第２工程では、下層材料膜に磁場を印加することにより、残留物質を蒸発させて除去することを特徴としている。
【００１１】
このような本発明では、磁場の印加によって下層材料膜の残留物質を蒸発除去させるため、下層絶縁膜や基板に対して過剰な熱ストレスを加えることなく下層絶縁膜の残留物質が除去される。
【００１２】
また本発明は、このような製造方法に用いられる残留物質除去装置であり、処理基板を載置するステージと、このステージの周囲に設けられ当該ステージ上に載置された処理基板に対して磁場を印加するための磁石とを備えたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、下層絶縁膜や基板に対して過剰な熱ストレスを加えることなく下層絶縁膜の残留物質を除去できるため、これにより、下層材料膜とこの上部の上層材料膜との密着性の向上を図ると共に、これらの膜の水分による劣化を防止した信頼性の高い半導体装置を得ることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施形態においては、先ず、実施形態の製造方法に用いる残留物質除去装置の一構成例を説明し、次に、この残留物質除去装置を用いて行われる製造方法の実施形態を説明する。
【００１５】
＜残留物質除去装置＞
図１は、残留物質除去装置の構成図である。この図に示す残留物質除去装置１は、処理基板Ｗを載置するステージ３と、ステージ３上に載置された処理基板Ｗを収納する処理室５と、ステージ３を囲む状態で処理室５の周囲に設けられた磁石７とを備えている。
【００１６】
このうち、ステージ３は、チャック機能を有すると共に、処理基板Ｗの載置面に対して突出自在に設けられた複数のピン３ａを備えており、ピン３ａの突出によってステージ３上に載置した処理基板Ｗが取り外し自在に構成されている。また、このステージ３は、ここでの図示を省略したヒータなどの加熱用の温調機能を備えていることとする。
【００１７】
また、処理室５は、ステージ３を底面とし、ステージ３上に載置された処理基板Ｗを収納する閉塞された処理雰囲気を構成する。この処理室５には、ガス供給口５ａと、ガス排出口５ｂとが設けられることとする。
【００１８】
さらに、磁石７は、ステージ３の側周を取り囲む状態で、処理室５の外壁に配置されている。この磁石７は、水分や有機物などの残留物質の除去に十分な磁場の発生が可能であるものとし、例えば図中二点鎖線の磁力線で示すように０．５〜２．０テスラの強磁場が、処理基板Ｗに印加できるものであることとする。このような磁石７として、例えば永久磁石や、ヘルムホルツコイルあるいは超伝導コイルを用いた電磁石を使用しても良い。
【００１９】
尚、ステージ３は、処理基板Ｗを載置する載置面に対する法線の方向ｘに移動自在であり、これにより磁石７の配置高さに対する処理基板Ｗの配置高さが調整される構成となっている。
【００２０】
ここで図２には、磁石によって囲まれた領域においての上記法線方向ｘの各位置における、磁束密度Β（Ｔ）と、この磁束密度Βの位置微分値ΒdΒ／ｄｘ（Ｔ2／ｍ）とを示す。このグラフに示すように、磁束密度Βは法線方向の位置ｘ０において極大値が１箇所生じる分布となっており、その位置微分値ΒdΒ／ｄｘには、法線方向の位置ｘ１に極大値が、位置ｘ２に極小値が１箇所ずつ現れることになる。
【００２１】
また、図３には、このように形成された磁場内における法線方向の位置ｘ０と、位置ｘ１（ｘ２）とに、処理基板Ｗを配置し、常温にて８テスラの磁場を印加した場合の、水分の減少量−ΔＷの経時変化を示す。また比較として、磁場を印加しない場合も示す。このグラフに示すように、磁場を印加することによって水分が除去される効果があることがわかる。尚、図３は［J.Appl.Phys.,Vol.86,No.5,p2923-2925,(1999)］から引用したグラフである。
【００２２】
そして、このような水分の除去効果は、上記文献［J.Appl.Phys.,Vol.86,No.5,p2923-2925,(1999)］によれば、（ΔΧ/μ0）と（ΒｄΒ／ｄｘ）との積で表される。尚、Χは物質の磁化率であり、ΔΧは水と処理雰囲気中の物質の磁化率の差であり、μ0は真空の透磁率である。これにより、残留物質として除去する水と、磁化率の差が大きい物質によって処理雰囲気を構成することが、水分除去の効果を大きくすることがわかる。したがって、図１の処理室５内は、酸素（Ｏ2）や一酸化窒素（ＮＯ）雰囲気とすることが、有効となる。
【００２３】
以上のような磁場の印加による水分除去は、次のようなメカニズムによってなされる。すなわち、水や有機物質は、元来一つの電子軌道を一つのスピン対が占める閉殻構造を持った非磁性物質であるが、強磁場を作用させ一方の電子をスピン励起した場合、同方向のスピン量子数を持つ二つの電子は、パウリの排他原理に従い、同一の電子軌道には入らず、それぞれ異なる電子軌道に入り分子としては磁性を呈する。そして、磁性化された分子は、非磁性分子とは異なる物性を示し、具体的には、蒸発促進効果、特定気体への溶解促進等の効果が得られるのである。
【００２４】
また、図３のグラフから、水分の除去効果は、磁束密度の変化量が極値となる法線方向の位置ｘ１（ｘ２）において高いことがわかる。このため、図１に示した残留物質除去装置１においては、磁石７によって形成される磁場において、磁束密度の位置微分値Β-dΒ／ｄｘが極大値となる位置ｘ１（または極小値となる位置ｘ２）に、処理基板Ｗが配置された状態で処理が可能なようにステージ３が駆動される構成となっていることが好ましい。
【００２５】
次に、上記構成の残留物質除去装置１を用いた半導体装置の製造方法に関する各実施形態を説明する。
【００２６】
＜製造方法の第１実施形態＞
図４は、第１実施形態を説明する断面工程図である。本第１実施形態においては、エッチングが施された単層の多孔質絶縁膜を下層材料膜として形成し、この上部に導電性の上層材料膜を形成して埋め込みコンタクトを形成する手順を説明する。
【００２７】
先ず、図４（１）に示すように、基板２１上に、非多孔質の絶縁膜２３を下層材料膜として成膜する。この絶縁膜２３は、多孔質絶縁膜の骨格を形成する前駆体材料である骨格形成材料中に、空孔形成材料であるポロジェンを含有させた膜であり、例えば塗布成膜によって行う。
【００２８】
ここで、絶縁膜（下層材料膜）２３を構成する骨格形成材料としては、主骨格として炭素鎖を有するポリアリールエーテル（ＰＡＥ）のような有機材料、または主骨格として−Ｓｉ−Ｏ−結合を有するメチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）のような無機材料が用いられる。
【００２９】
また、ポロジェンとしては、（１）ＣｘＨｙで表される炭化水素や、（２）ＣｘＨｙＯｚで表される酸素含有炭化水素が用いられる。（１）、（２）いずれの場合においてもxは１〜１２のものが好ましく、分子構造が鎖状でも分岐していても良い。また、ポロジェンは、例えばベンゼンあるいはシクロヘキサンのような環状分子構造を持つことが好ましい。
【００３０】
そして、塗布成膜によって上述した非多孔質の絶縁膜２３を形成した後には、必要に応じて絶縁膜２３を加熱処理することにより、骨格形成材料を焼成する。この加熱処理は、ポロジェンの分解温度よりも低温で行われることとする。
【００３１】
次に、図４（２）に示すように、絶縁膜２３上にマスクパターン２５を形成する。このマスクパターン２５は、例えば無機材料からなることとする。このようなマスクパターン２５の形成は、無機材料膜上に形成したレジストパターン（図示省略）をマスクにして、当該無機材料膜をパターンエッチングすることによって形成される。
【００３２】
次に、このマスクパターン２５上からのエッチングにより、非多孔質の絶縁膜２３をエッチング加工する。これにより、例えば絶縁膜２３に、接続孔２７を形成する。またこのエッチング加工の後には、必要に応じて絶縁膜２３上のマスクパターン２５を除去する工程を行う。
【００３３】
その後、図４（３）に示すように、熱処理を行うことにより、絶縁膜２３内に含有されているポロジェンを分解除去する。ここでは、用いたポロジェンに応じて、当該ポロジェンが分解し、かつ骨格形成材料が分解することのない温度で熱処理を行うこととする。これにより、絶縁膜２３を、ポロジェンが分解除去された複数の孔Ａを設けてなる多孔質絶縁膜２３Ａとする。
【００３４】
その後、多孔質絶縁膜２３Ａとなった下層材料膜の残留物質として、水分を除去するための処理を行う。この際、図１を用いて説明した残留物質除去装置１を用い、多孔質絶縁膜（下層材料膜）２３Ａに磁場を印加することにより、残留物質として水分を蒸発除去する。
【００３５】
この場合、先ず、残留物質除去装置１のステージ３上に、多孔質絶縁膜（２３Ａ）が形成された基板（２１）を処理基板Ｗとして載置し、ステージ３を処理室５の方向ｘに上昇させて処理室５内を密閉状態とする。ステージ３の上昇位置は、磁石７によって形成される磁場において、磁束密度の位置微分値Β-dΒ／ｄｘが極大値となる位置ｘ１（または極小値となる位置ｘ２）に、処理基板Ｗが配置される位置であることとする。
【００３６】
次に、ステージ３の温調機能を調整することにより、処理基板Ｗを加熱する。この際、処理基板Ｗを構成する材料に熱ストレスによる影響が加わることのない程度、すなわち処理基板Ｗに既に形成されている半導体デバイスに対してダメージを与えない程度の温度（例えば２５０℃〜４００℃）での加熱を行うこととする。また、処理室５内の雰囲気を、除去対象となる水と磁化率の差が大きい酸素や一酸化窒素雰囲気とし、多孔質絶縁膜２３Ａから蒸発した水分が処理雰囲気中から速やかに継続的に排除されるように、排気状態にして気流を形成することが好ましい。このような状態で、磁石７によって処理室５内の磁場を形成し、処理基板Ｗに磁場を印加する。この際、水分子における一つの電子軌道を占めるスピン対のうちの一方の電子をスピン励起できる程度の強磁場、例えば０．５〜２．０テスラの強磁場を形成することとする。
【００３７】
これにより、図４（３）に示した多孔質絶縁膜２３Ａの孔Ａ内に吸蔵された水分や、表面に吸着している水分を除去する。
【００３８】
以上の後、図４（４）に示すように、接続孔２７の内壁を覆う状態で多孔質絶縁膜２３Ａ上に、上層材料膜として例えばＴａからなるバリアメタル層２９を成膜し、さらに接続孔２７内を埋め込む状態でバリアメタル層２９上に銅配線膜３１を成膜する。
【００３９】
次に、図４（５）に示すように、多孔質絶縁膜２３Ａ上の銅配線膜３１おおびバリアメタル層２９をＣＭＰによって研磨除去し、接続孔２７内のみにバリアメタル層２９を介して銅配線膜３１を残してなる埋め込みコンタクト３１Ａを形成する。
【００４０】
以上説明したような第１実施形態の製造方法によれば、図４（３）を用いて説明したように、磁場の印加によって多孔質絶縁膜２３Ａの残留物質である水分を蒸発除去する構成である。このため、多孔質絶縁膜２３Ａや２１基板に対して過剰な熱ストレスを加えることなく、多孔質絶縁膜２３Ａの水分を効率的に除去することができる。これにより、多孔質絶縁膜２３Ａの吸湿による誘電率の上昇を抑えることが可能であり、動作速度が高く電気的特性に優れた半導体装置を得ることができる。さらに、多孔質絶縁膜２３Ａとこの上部のバリアメタル層２９との密着性の向上を図ることが可能であると共に、バリアメタル層２９や銅配線膜３１の水分による腐食劣化を防止でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００４１】
ここで図５には、絶縁膜の成膜後に、熱処理による脱ガス処理を行っていないサンプルのＴＤＳガス分析（昇温脱離ガス分析）による水分スペクトル（ａ）と、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルについての同水分スペクトル（ｂ）とを示す。これらの水分スペクトル（ａ），（ｂ）を比較し、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルの水分スペクトル（ｂ）の方が、脱ガス処理を行っていない水分スペクトル（ａ）よりも、全温度領域に渡ってピーク強度が小さくなっていることがわかる。そして、本発明のように、熱処理に加えて同時に磁場を印加した水分除去を行うことにより、水分スペクトル（ｂ）よりもさらにピーク強度の小さい水分スペクトルが得られ、効果的な水分除去が行われるようになる。
【００４２】
また上述したように、残留物質としての水分の除去に際して、磁場効果と熱処理を併用することにより、水分除去に要する処理時間が短縮され、スループットが向上される。またこれにより、水分除去に際しての
熱処理の温度が低温化され、消費エネルギーが低減され、半導体製造装置に使用される部品の寿命延長によるコストを削減することも可能である。
【００４３】
尚、上述した第１実施形態においては、図４（３）を用いて説明したように、先ず熱処理によって絶縁膜２３内に含有されているポロジェンを分解除去して多孔質絶縁膜２３Ａとした後、加熱状態で磁場を印加することによって多孔質絶縁膜２３Ａの水分を残留物質として除去する方法を説明した。しかしながら、磁場を印加することによって除去する残留物質が有機物質であってもよい。つまり、水分と同様に有機物質も、一つの電子軌道を一つのスピン対が占める閉殻構造を持った非磁性物質であるため、強磁場を作用させることにより、蒸発促進効果、特定気体への溶解促進等の効果が得られるのである。
【００４４】
この場合、図４（３）を用いて説明した、熱処理によって絶縁膜２３内に含有されているポロジェンを分解除去して多孔質絶縁膜２３Ａとする工程において、熱と共にポロジェンを構成する有機物質における一つの電子軌道を占めるスピン対のうちの一方の電子をスピン励起できる程度の強磁場を絶縁膜２３に印加することとする。
【００４５】
ここで図６には、絶縁膜の成膜後に、熱処理による脱ガス処理を行っていないサンプルのＴＤＳガス分析（昇温脱離ガス分析）による有機成分スペクトル（ａ）と、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルについての同有機成分スペクトル（ｂ）とを示す。これらの有機成分スペクトル（ａ），（ｂ）を比較し、熱処理による脱ガス処理を行ったサンプルの有機成分スペクトル（ｂ）の方が、脱ガス処理を行っていない有機成分スペクトル（ａ）よりも、全温度領域に渡ってピーク強度が小さくなっていることがわかる。そして、本発明のように、熱処理に加えて同時に磁場を印加した有機成分除去を行うことにより、有機成分スペクトル（ｂ）よりもさらにピーク強度の小さい有機成分スペクトルが得られ、効果的な有機成分除去を行うことが可能になる。
【００４６】
そして、以上のような磁場を印加した絶縁膜２３の多孔質化の工程の後に、必要に応じて水分除去のための工程を行い、その直後に上層材料膜であるバリアメタル層２９の形成を行うこととする。ただし、磁場を印加した絶縁膜２３の多孔質化の直後に上層材料膜の形成工程が行われ、かつ多孔質化の工程において水分除去が同時に行われるのであれば、磁場を印加しての水分除去の工程を特別に行う必要はない。
【００４７】
＜製造方法の第２実施形態＞
図７〜図８は、本発明の製造方法をデュアルダマシン工程に適用した第２実施形態を説明するための断面工程図である。以下にこれらの図に基づいて、第２実施形態の製造方法を説明する。
【００４８】
先ず、図７（１）に示すように、図示しない下地絶縁膜でおおわれた基板１０１上に、有機膜１０２と酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜１０３とからなる積層膜を層間絶縁膜として成膜し、次いで銅（Ｃｕ）膜の埋め込み配線（Ｃｕ配線）１０４を形成する。続いて、Ｃｕ配線１０４上に、酸化防止および銅の拡散防止、さらにはエッチングストッパとして機能するストッパ層１０５を形成する。このストッパ層１０５は、例えば４０ｎｍの窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）膜で構成されていることとする。
【００４９】
次に、ストッパ層１０５上に、第１絶縁膜１０６として炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ系膜）を９０ｎｍの膜厚で成膜する。
【００５０】
その後、必要に応じて、この第１絶縁膜１０６を下層材料膜とし、磁場を印加した残留物質（水分）の除去を行う。この水分除去は、第１実施形態において図１（３）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００５１】
次いでただちに、図７（２）に示すように、第１絶縁膜１０６上に、第２絶縁膜１０７として比誘電率２．４程度の有機膜を９０ｎｍの膜厚で成膜する。ここでは、この第２絶縁膜１０７が上層材料膜となる
【００５２】
その後、必要に応じて、この第２絶縁膜１０７を下層材料膜とし、磁場を印加した残留物質（水分）の除去を行う。この水分除去は、第１実施形態において図１（３）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００５３】
次いでただちに、図７（３）に示すように、第２絶縁膜１０７上に、第１マスク形成層２０１、第２マスク形成層２０２、および第３マスク形成層２０３を順次形成する。これらのマスク形成層は、例えば第１マスク形成層２０１が酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜からなり、第２マスク形成層２０２が窒化炭化シリコン（ＳｉＣＮ）からなり、第３マスク形成層２０３が酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる。ここでは、これらのマスク形成層が、上層材料膜となる。
【００５４】
これらのマスク形成層２０１〜２０３のうち、ＳｉＯ2からなる第１マスク形成層２０１と第３マスク形成層２０３とは、例えばシリコン源としてモノシラン(ＳｉＨ4）を用い、酸化剤として一酸化二窒素（Ｎ2Ｏ）ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜される。また、ＳｉＣＮからなる第２マスク形成層２０２は、プラズマＣＶＤ法により成膜される。
【００５５】
次いで、図８（４）に示すように、第３マスク形成層２０３上に、配線溝パターンを有するレジストマスク３０１を形成する。そして、レジストマスク３０１をエッチングマスクとして用いたドライエッチング法により、第３マスク形成層２０３をエッチングして、配線溝パターンを有する第３マスク２０３Ａを形成する。
【００５６】
ここでは、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いたエッチングを行う。そして、このエッチングによって第３マスク２０３Ａを形成した後、例えば酸素（Ｏ2）プラズマをベースとしたアッシング処理と有機アミン系の薬液処理を施すことにより、レジストマスク３０１及びエッチング処理の際に生じた残留付着物を完全に除去する。
【００５７】
次に、図８（５）に示すように、第３マスク２０３Ａ上を含む第２マスク形成層２０２上に、接続孔パターンを有するレジストマスク３０２を形成する。この際、レジストマスク３０２に設けられた接続孔パターンの少なくとも一部が、第３マスク２０３Ａの配線溝パターンの開口部内に重なるようにレジストマスク３０２をパターン形成する。
【００５８】
次に、図９（６）に示すように、レジストマスク３０２をエッチングマスクとしたドライエッチング法により、第３マスク２０３Ａ、第２マスク形成層２０２、および第１マスク形成層２０１をエッチングし、さらに第２絶縁膜１０７をエッチングする。これにより、第１絶縁膜１０６を露出させた接続孔３０３を形成する。この際、レジストマスク３０２は、第２絶縁膜１０７のエッチングにおいて同時に除去される。そして、このエッチングによって残存する第３マスク２０３Ａは、配線溝パターンのマスクとなる。また、第２マスク形成層２０２のエッチングによってパターン形成された第２マスク２０２Ａは、接続孔パターンのマスクとなる。
【００５９】
以上のようなエッチングにおいて、第３マスク（ＳｉＯ2）２０３Ａから第１マスク形成層（ＳｉＯ2膜）２０１までのエッチングは、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用い、例えばエッチングガスとしてトリフロロメタン（ＣＨＦ3）、酸素（Ｏ2）、およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣＨＦ3：Ｏ2：Ａｒ＝５：１：５０、バイアスパワーを１０００Ｗ、基板温度を４０℃に設定して行われる。
【００６０】
また、これらの下層の第２絶縁膜１０７のエッチングにも、一般的なマグネトロン方式のエッチング装置が用いられる。
【００６１】
次に、図９（７）に示すように第３マスク（ＳｉＯ2）２０３Ａをエッチングマスクとしたドライエッチング法により、第２マスク（ＳｉＣＮ）２０２Ａをエッチングする。これにより、第２マスク２０２Ａが配線溝パターンのマスクとなる。また、第１マスク形成層２０１は、接続孔パターンが形成された第１マスク２０１Ａになる。このドライエッチングにおいては、接続孔３０３の底部に露出する第１絶縁膜１０６が途中までエッチングされて接続孔３０３が掘り下げられる。
【００６２】
次に、図９（８）に示すように、第１マスク（ＳｉＯ2）２０１Ａをエッチングマスクにして、第１絶縁膜１０６の下部層をエッチングして、接続孔３０３をさらに掘り下げてストッパ層１０５を露出させる。この際、第３マスク（ＳｉＯ2）２０３Ａと第２マスク（ＳｉＣＮ）２０２Ａをエッチングマスクとして、第１マスク（ＳｉＯ2）２０１Ａが同時に除去され、第１マスク２０１Ａに配線溝３０４が形成される。
【００６３】
このエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置を用いて行われる。例えばエッチングガスとしてのオクタフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素（Ｎ2）、およびアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比をＣ4Ｆ8：ＣＯ：Ｎ2：Ａｒ＝３：１０：２００：５００、バイアスパワーを１０００Ｗ、基板温度を２０℃に設定したエッチングが行われる。
【００６４】
続いて、図１０（９）に示すように、第２マスク（ＳｉＣＮ）２０２Ａをエッチングマスクにして、配線溝３０４の底部に残存するポロジェンを含む第２絶縁膜（有機膜）１０７をエッチングする。これにより、第１マスク２０１Ａに形成された配線溝３０４をさらに掘り下げ、第１マスク２０１Ａと第２絶縁膜１０７とに、配線溝３０４を形成する。
【００６５】
第２絶縁膜（有機膜）１０７のエッチングは、一般的な高密度プラズマエッチング装置を使用して行われる。この際、例えばエッチングガスとして例えばアンモニア(ＮＨ3)ガスを用い、ＲＦパワーを１５０Ｗ、基板温度を１０℃に設定したエッチングが行われる。
【００６６】
続いて、接続孔３０３底部に残存しているストッパ層１０５ＳｉＣ膜をエッチングすることにより、配線溝３０４の底部に開口させた接続孔３０３をＣｕ埋め込み層１０４に連通させ、所定のデュアルダマシン加工を完了させる。このエッチングは、例えば一般的なマグネトロン方式のエッチング装置にて、例えばエッチングガスとしてジフルオルメタン（ＣＨ2Ｆ2）、酸素（Ｏ2）、及びアルゴン（Ａｒ）を用い、ガス流量比（ＣＨ2Ｆ2：Ｏ2：Ａｒ）を２：１：５、バイアスパワーを１００Ｗに設定して行われる。
【００６７】
次に、図１０（１０）に示すように、エッチング処理が施された下地層を構成する下層材料膜に対して、磁場を印加した残留物質（水分）の除去を行う。この水分除去は、第１実施形態において図１（３）を用いて説明したと同様に行うこととする。
【００６８】
その後ただちに、図１０（１１）に示すように、例えばＴａからなるバリアメタル層２０４を上層材料膜としてスパッタリング法により成膜し、さらに上層材料膜として銅配線膜２０５を電解めっき法あるいはスパッタリング法により堆積し、配線溝３０４と接続孔３０３への導電膜の埋め込みを同時に行う。
【００６９】
次いで、図１０（１２）に示すように、銅配線膜２０５およびバリアメタル層２０４のうち、配線パターンとして不要な部分（第１マスク２０１Ａ上に残された部分）を化学機械研磨（ＣＭＰ）法により除去することにより、デュアルダマシン構造の多層配線構造を形成することができる。そして、銅配線膜２０５を覆う状態で、酸化防止及び銅の拡散防止層をかねるストッパ層２０６（例えばＳｉＣ膜）を成膜する。
【００７０】
以上説明した第２実施形態では、例えば図７（２）、図７（３）、さらには図１０（１１）を用いて説明した成膜工程の前に、成膜下地を構成する下層材料膜に対して、磁場の印加によって残留物質である水分を蒸発除去する工程を行っている。このため、成膜の下地となる下層材料膜の全体に対して、過剰な熱ストレスを加えることなく水分を効率的に除去することができる。これにより、次に形成されるバリアメタル層２０４などの上層材料膜と下層との密着性の向上を図ることが可能であると共に、バリアメタル層２０４や銅配線膜２０５の水分による腐食劣化を防止でき、信頼性の高い半導体装置を得ることができる。
【００７１】
尚、本第２実施形態において、第１絶縁膜や第２絶縁膜として、ポロジェン除去工程を経て多孔質絶縁膜を形成する場合、磁場の印加によるポロジェン除去を行っても良い。このようなポロジェン除去を行うことにより、熱ストレスを低減して効率的なポロジェン除去を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施形態の残留物除去装置の構成図である。
【図２】磁石で囲まれた処理雰囲気における磁力線方向ｘにおける磁束密度とその微分値を示すグラフである。
【図３】磁力線方向における処理時間と水分減少量との関係を示すグラフである。
【図４】第１実施形態を説明する断面工程図である。
【図５】加熱による脱ガス処理の有無によるＴＤＳ分析による水分スペクトルの差を示すグラフである。
【図６】加熱による脱ガス処理の有無によるＴＤＳ分析による有機成分スペクトルの差を示すグラフである。
【図７】第２実施形態を説明する断面工程図（その１）である。
【図８】第２実施形態を説明する断面工程図（その２）である。
【図９】第２実施形態を説明する断面工程図（その３）である。
【図１０】第２実施形態を説明する断面工程図（その４）である。
【符号の説明】
【００７３】
１…残留物質除去装置、３…ステージ、５…処理室、７…磁石、２１，１０１…基板、２３…絶縁膜（下層材料膜）、２３Ａ…多孔質絶縁膜（下層材料膜）、２９，２０４…バリアメタル層（上層材料膜）、３１，２０５…銅配線膜（上層材料膜）、１０６…第１絶縁膜、１０７…第２絶縁膜、Ｗ…処理基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下層材料膜を形成する第１工程と、当該下層材料膜の残留物質を除去する第２工程と、前記下層材料膜を覆う状態で上層材料膜を形成する第３工程とこの順に行う半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記下層材料膜に磁場を印加することにより前記残留物質を蒸発させて除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記下層材料膜を加熱する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、連続排気されている雰囲気中で行われる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、磁束密度の変化量の極値付近に前記下層材料膜を配置して行われる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、超伝導コイルによって形成された磁場を用いて行われる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記残留物質として水分を蒸発除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記下層材料膜は絶縁材料からなり、前記上層材料膜は導電性材料からなる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記残留物質として前記下層材料膜中に含有された有機物質からなる空孔形成材料を蒸発除去し、前記下層材料膜を多孔質化する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
処理基板における残留物質を除去するための残留物質除去装置であって、
前記処理基板を載置するステージと、
前記ステージの周囲に設けられ当該ステージ上に載置された処理基板に対して磁場を印加するための磁石とを備えた
ことを特徴とする残留物質除去装置。
【請求項１】
基板上に下層材料膜を形成する第１工程と、当該下層材料膜の残留物質を除去する第２工程と、前記下層材料膜を覆う状態で上層材料膜を形成する第３工程とこの順に行う半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記下層材料膜に磁場を印加することにより前記残留物質を蒸発させて除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記下層材料膜を加熱する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、連続排気されている雰囲気中で行われる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、磁束密度の変化量の極値付近に前記下層材料膜を配置して行われる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程は、超伝導コイルによって形成された磁場を用いて行われる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記残留物質として水分を蒸発除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１記載の半導体装置の製造方法において、
前記下層材料膜は絶縁材料からなり、前記上層材料膜は導電性材料からなる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の半導体装置の製造方法において、
前記第２工程では、前記残留物質として前記下層材料膜中に含有された有機物質からなる空孔形成材料を蒸発除去し、前記下層材料膜を多孔質化する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
処理基板における残留物質を除去するための残留物質除去装置であって、
前記処理基板を載置するステージと、
前記ステージの周囲に設けられ当該ステージ上に載置された処理基板に対して磁場を印加するための磁石とを備えた
ことを特徴とする残留物質除去装置。
【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２００７−１２９００３（Ｐ２００７−１２９００３Ａ）
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１９０９６（Ｐ２００５−３１９０９６）
【出願日】平成１７年１１月２日（２００５．１１．２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月２４日（２００７．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２日（２００５．１１．２）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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