説明

半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置

【課題】 本発明は上記問題を解決するためになされたもので、空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前におけるビア底の高抵抗層の除去手段として、プラズマを用いない新規な半導体装置の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明は、低誘電率絶縁膜(102)上にバリアメタルを成膜する前に、ビア底の高抵抗層(104)を除去してなる半導体装置の製造方法において、前記ビア底の高抵抗層(104)を、熱を加えながら、還元性のガスを用いた熱還元法にて除去し、真空保持のまま、バリアメタル(105)、めっきのシード層としての銅を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、金属膜配線に銅(Cu)などのLow−k膜を用いた半導体装置の製造方法及び半導体装置の製造装置に関する。
【背景技術】
【0002】
低抵抗で高いエレクトロマイグレーション(EM)耐性を有するCu配線(金属膜配線)は、高集積化し微細化されたLSI配線用の高信頼性材料として期待されている。
微細加工の難しいCu配線を作製する有効な手法の一つに、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地にCu膜の埋め込みを行うダマシン法がある。ダマシン法を用いてCu膜の埋め込みを行う手法として、現在実用化されている技術が、電解めっきである。
【0003】
図3に電解めっきを用いたダマシンCu配線の形成プロセスの一例を示す。このプロセスでは、まず、あらかじめ溝・ビア加工を施した下地基板301(含む下地配線302)(図3(1))を、不活性雰囲気(ArもしくはN)にて200〜350℃のアニール処理を行い、加工面(溝・ビアの側壁ならびに底面)に吸着している水分等を除去する。
次に、前記下地基板301(含む下地配線102)の下層配線表面にできた高抵抗層303(主として酸化銅)を除去する目的で、イオン化させたArを基板バイアスで引き込んで物理的除去を行う(図3(2))。次にバリアメタル304(TaN, TiN、WN等)の成膜を行ってから、電解めっき用シード層305としてCuの成膜を行なう(図3(3))。
さらに、電解めっきによりCuの埋め込み成膜を行い、めっき層306を形成する(図3(4))。
最後に、CMPにより上部の余分なCu層およびバリアメタルを除去し、平坦化を行う(図3(5))。以上の工程で、Cu配線の形成を行う。
【0004】
今後のデバイスにおいては、絶縁膜が低誘電率膜、特に誘電率を下げるために、空孔を有する低誘電率膜の使用が検討されている(特許文献1参照)。
【0005】
例えば、上述に示した、特許文献の如く、低誘電率絶縁膜特に空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する場合、下層配線表面にできた高抵抗層をArイオンで物理的に除去すると、あらかじめ溝・ビア加工を施した間口部分がArイオンによりたたかれて広がってしまい(図3(2))、隣り合う配線間がショートしてしまうという問題がある。また、ビア底の高抵抗層を除去する際に、ArイオンでたたかれたCu成分が、ビア側壁に付着し、後のプロセス温度において、Cuが、絶縁膜中を拡散し、配線間のリーク電流が増大し、配線の性能を悪化させる原因となる。
【0006】
また、Arイオンにより、低誘電率膜にダメージが入り、配線間容量の増加、膜の収縮率の問題が生じる。
【0007】
これを解決するために、水素もしくはアンモニアガスを含むガスをプラズマ励起させてCu表面の残渣物を還元除去する方法が考えられたが、特に、層間膜にLow−k材料を用いた場合においては、このプラズマ処理により、膜がダメージを受け、配線溝ならびにビア側壁の形状がボウイングするため、後のCu埋設が困難となり、配線ならびに配線同士を繋ぐビア内部にボイドを形成し、導通不良や配線の信頼性を劣化させてしまう。また、膜がダメージを受けることにより、Low−k膜が変質し、誘電率が上昇してしまう問題がある。
【特許文献1】特開平11−16912号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
以上説明したように、従来の方法では、配線ならびに配線同士を繋ぐビア内部にボイドを形成し、導通不良や配線の信頼性が乏しく、膜がダメージを受けることにより、Low−k膜が変質し、誘電率が上昇してしまうという問題があった。
【0009】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前におけるビア底の高抵抗層の除去手段として、プラズマを用いない新規な半導体装置の製造方法及び製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、金属膜配線を低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前に、ビア底の高抵抗層を除去してなる半導体装置の製造方法において、前記ビア底の高抵抗層を、熱を加えながら、還元性のガスを用いた熱還元法にて除去し、真空保持のまま、バリアメタル、めっきのシード層を形成することを特徴とする。
【0011】
本発明における前記金属膜配線は、アルミニウム、銅、タングステン、チタン、タンタル、銀のうちのいずれかを主組成とする単体金属ないし合金であることが望ましい。
【0012】
また、バリアメタルは、チタン、タングステン、タンタル、ジルコニウム、ルテニウムのうち少なくとも一種を含むことが望ましい。
【0013】
さらに、前記還元性のガスは、アンモニア、水素、CO、HS、HCl、SO、ヒドラジンの少なくとも1つのガスを含むことが望ましい。
【0014】
また、本発明における金属膜配線を含む半導体装置の製造装置は、前記金属膜配線と層間膜の間に形成されるバリアメタルと、金属膜とを形成する装置であって、前記バリアメタル形成前に余分な吸着物質を除去するための加熱機構を有するチャンバーと、下層の金属膜配線との導電性を改善するために下層の金属膜配線上の残渣物を除去するためのチャンバーとを、同一のチャンバーで行うための前処理チャンバーを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明において、空孔を有する低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前におけるビア底の高抵抗層の除去方法として、還元作用のあるガスを用いることで、あらかじめ作製した構造を変化させることなく還元除去することができる。
さらに、Cu成分がビア側壁に付着して配線の性能を悪化させることを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
本発明の実施形態につき、図1及び2を用いて詳細に説明する。
まず、PVD(Physical Vapor Deposition)装置を用いて、あらかじめ比誘電率の値が2.2のポーラスMSQ102上に溝・ビア加工を施した基板101を、350℃に加熱したヒーターステージ上に載置し、NHを導入してチャンバー内圧力を666.5Pa(5Torr)に保ち、下層配線103表面の高抵抗層104除去の目的で、120秒間の還元処理を行った。
次に、真空を保持したまま、バリアメタル105として、TaN(たとえば10nm)およびTa(たとえば15nm)をPVD法にて成膜した。
さらに、真空を保持したまま、電解めっき用シード層106として、Cu(たとえば100nm)をPVD法にて成膜を行った。
その後、電解めっきによりCuの埋め込み成膜を行い、めっき層107を形成した。最後に、CMP(Chemical Mechanical Polish)により上部の余分なCu層を除去し、平坦化を行なった。
【0017】
以上から形成されたCuデュアルダマシン配線の形状を確認したところ、あらかじめ溝・ビア加工した間口の形状を変化させることなく、且つ、高抵抗層の除去が確認できた。
【0018】
次に、ヒーターステージ温度200℃、250℃、300℃、400℃、450℃についても同様に実験した。形状は、全水準ともに変化が見られなかったものの、温度200℃の場合、処理時間を300秒に延長しても、完全に高抵抗層を除去することができなかったが、250℃では処理時間200秒で、400℃では60秒で、450℃では45秒で、それぞれ高抵抗層を完全に除去することができた。
従って、デュアルダマシン配線の形状を変えることなく、且つMSQ膜にダメージを与えることなく、ビア底の高抵抗層を除去するためのヒーターステージ温度としては、250℃≦ヒーターステージ温度≦450℃をもちいることが望ましい。
【0019】
なお、本実施例に用いたPVD装置の熱還元処理チャンバーの構造を図2に示す。まず、チャンバー201には、抵抗加熱方式のステージ202で、温度は500℃までコントロールすることができ、ここにウエハーをおいて、処理を行う。チャンバー内へは、ArとNH3のガスライン203がつながっており、圧力はチャンバー301と排気ライン204の間に取り付けられたボールバルブ205の開閉度を制御することにより、13.33Pa(100mTorr)から2666Pa(20Torr)の範囲で制御が可能である。
なお、アイドル時に真空度を保つため、ターボ分子ポンプ206からも排気が可能であるが、処理時には、ゲートバルブ207を閉じて処理を行う。
【0020】
上述した本実施形態によれば、高信頼なCu−lowK配線を作製することが可能となりULSIデバイスの高集積化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の実施形態を説明するための工程図
【図2】本発明の実施形態に用いた熱還元処理チャンバーの構造を示す図
【図3】従来のダマシン法によるCu配線成膜方法を説明するための工程図
【符号の説明】
【0022】
101 基板
102 ポーラスMSQ(低誘電率絶縁膜)
103 下層配線(金属膜配線)
104 高抵抗層
105 バリアメタル
106 電解めっき用シード層
107 めっき層
201 処理チャンバー
202 ステージ
203 ガスライン
204 排気ライン
205 ボールバルブ
206 ターボ分子ポンプ
207 ゲートバルブ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
金属膜配線を低誘電率絶縁膜上にバリアメタルを成膜する前に、ビア底の高抵抗層を除去してなる半導体装置の製造方法において、前記ビア底の高抵抗層を、熱を加えながら、還元性のガスを用いた熱還元法にて除去し、真空保持のまま、バリアメタル、めっきのシード層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記金属膜配線は、アルミニウム、銅、タングステン、チタン、タンタル、銀のうちのいずれかを主組成とする単体金属ないし合金であ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3】
前記バリアメタルは、チタン、タングステン、タンタル、ジルコニウム、ルテニウムのうち少なくとも一種を含む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】
前記還元性のガスは、アンモニア、水素、CO、HS、HCl、SO、ヒドラジンの少なくとも1つのガスを含む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】
金属膜配線を含む半導体装置の製造装置において、前記金属膜配線と層間膜の間に形成されるバリアメタルと、金属膜とを形成する装置であって、前記バリアメタル形成前に余分な吸着物質を除去するための加熱機構を有するチャンバーと、下層の金属膜配線との導電性を改善するために下層の金属膜配線上の残渣物を除去するためのチャンバーとを、同一のチャンバーで行うための前処理チャンバーを有することを特徴とする半導体装置の製造装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2006−19601(P2006−19601A)
【公開日】平成18年1月19日(2006.1.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−197536(P2004−197536)
【出願日】平成16年7月5日(2004.7.5)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】