基板の配線方法及び半導体製造装置
【課題】基板上に形成された配線用パターンの底部までＣｕ埋め込みが可能な基板の配線方法を提供する。
【解決手段】真空状態に保持された処理容器１００内にて配線用パターンが形成された基板を配線する方法であって、ウエハ上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前工程後、クラスタ化された金属ガス（金属ガスクラスタＣｇ）を用いて配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含むことを特徴とする基板の配線方法が提供される。
【解決手段】真空状態に保持された処理容器１００内にて配線用パターンが形成された基板を配線する方法であって、ウエハ上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前工程後、クラスタ化された金属ガス（金属ガスクラスタＣｇ）を用いて配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含むことを特徴とする基板の配線方法が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の配線用パターンが形成された基板の配線方法及び該基板の配線方法を利用して半導体を製造する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（ＬＳＩ）の高集積化及び高性能化に伴ってミクロンオーダの多くの微細加工技術が提案されている。特に、最近はＬＳＩの高速化を達成するために、配線材料を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗の銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。
【０００３】
半導体製造の配線工程では、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等を用いて配線用パターンを形成する。配線用パターンが形成された絶縁膜上には、主にＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、バリアメタル層、Ｃｕシード層が成膜される。その後、電解めっき法でｈａｉｓｅｎｙｏｕパターンにＣｕを埋め込み、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜を化学機械研磨により除去して配線層を形成する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記配線形成方法はダマシン法といわれている。多層Ｃｕ配線を形成する場合は、特に、デュアルダマシン構造と呼ばれる配線形成方法も用いられる。かかる方法では、下層配線上に絶縁膜を堆積し、所定のビアホール（孔）及び上層配線用のトレンチを形成した後、ビアホールとトレンチに配線材料となるＣｕを同時に埋め込み、さらに、上層の不要なＣｕを化学機械研磨により除去し平坦化することにより配線層を形成する。
【０００５】
層間絶縁膜には、比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜（低誘電率材料膜）が用いられることがある。これによれば、シリコン酸化膜より低誘電率のｌｏｗ−ｋ膜を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することができる。Ｃｕ配線を形成する際には、Ｃｕがｌｏｗ−ｋ膜中へと拡散することを防止するためにバリアメタル膜がＣｕとｌｏｗ−ｋ膜との間に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３１７７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、ビアホールやトレンチ内に電解めっき法でＣｕを埋め込むには、カソード極となるシード膜が必要となるが、高集積化に伴ってビアホール径やトレンチ幅が狭くなると、それに伴い特に溝の底部近辺においてＣｕシード膜が形成されない領域が生じる。この結果、その領域ではＣｕがめっきされず、埋め込み不良の原因となっていた。
【０００８】
上記課題に対して、本発明の目的とするところは、基板上に形成された配線用パターンの底部までＣｕ埋め込みが可能な、新規かつ改良された基板の配線方法及び半導体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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する方法であって、基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前工程後、クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含むことを特徴とする基板の配線方法が提供される。
【００１０】
かかる構成によれば、基板上の所定の配線用パターンを洗浄後、クラスタ化された金属ガスのビームを前記配線用パターンに向けて放出することにより、前記配線用パターン内に金属ナノ粒子が埋め込まれる。クラスタ化された金属ガスは直進性及び指向性が高い。よって、指向性の高い金属クラスタガスにより、高集積化に伴ってビアホール径やトレンチ幅が狭くなっても、細く深い配線用パターンの底部にまで金属ナノ粒子を埋め込むことができる。この状態で、埋め込まれた金属ナノ粒子からナノチューブやナノワイヤ等のナノ構造体を成長させたり、配線用パターン内部を金属にて充填させたりすることにより、基板の配線を形成することができる。
【００１１】
また、前記Ｃｕ埋め込み方法によれば、めっき法ではないのでＣｕシード層を形成する必要がない。これにより、埋め込み不良のない配線を形成することができる。
【００１２】
また、クラスタ化された金属ガスは、数百万〜数千万個の分子の集合体である。よって、クラスタ化された金属ガス分子は、寄り固まって形成された塊のため、分子がそれぞれ一つずつ持っている運動エネルギーよりも高い運動エネルギーを持っている。一方、クラスタ化された金属ガス分子は、配線パターンの内壁に衝突した瞬間に各分子がバラバラになって広がりながら飛び散るため、衝突と同時に一つ一つの分子の運動エネルギーは分散し、配線パターン層に大きなダメージを与えない。
【００１３】
よって、高い運動エネルギーにより金属ガス中の金属ナノ粒子を配線パターン内にしっかりと埋め込むことができると同時に、衝突により分子がバラバラになることにより配線パターン層への衝突によるダメージを低く抑えることができる。特に、配線パターン層がＬｏｗ−ｋ膜の場合には、ダメージにより比誘電率が高くなったり、配線用パターン幅ＣＤが大きくなったりするが、クラスタ化された金属ガスによれば埋め込み時のダメージを低減し、Ｌｏｗ−ｋ膜の劣化を防ぐことができる。
【００１４】
前記埋め込み工程は、金属ソースを、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルから前記処理容器内に放出することによりクラスタ化してもよい。
【００１５】
前記埋め込み工程は、前記配線用パターンの表面に前記金属ナノ粒子を埋め込むことにより、金属のバリア材を形成する工程と、前記バリア材が形成された前記配線用パターンの内部に配線となる金属を埋め込む工程とを含んでもよい。
【００１６】
前記ガスノズルと前記基板との距離ｄは、式１にて定義される前記ガスノズルの出口から衝撃波が発生する位置までの距離Ｘｍより長く設定され、前記バリア材を形成する工程は、前記発生した衝撃波を用いて前記金属ナノ粒子を基板に衝突させてもよい。
【数１】
ただし、Ｄ０はガスノズルの出口の内径、Ｐｓはガスノズルの内部圧力、Ｐ０は処理容器の内部圧力である。
【００１７】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．４ＭＰａ以上であり、前記処理容器の内部圧力Ｐ０は、１．５Ｐａ以下であってもよい。
【００１８】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．９ＭＰａ以下であってもよい。
【００１９】
前記基板の配線方法は、半導体チップ内の配線工程、又は半導体チップ間の配線工程に用いられてもよい。
【００２０】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する半導体製造装置であって、前記半導体製造装置は、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルを備え、基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前記前工程後、前記ガスノズルから金属ソースを前記処理容器内に放出することによりクラスタ化された金属ガスを生成し、該クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含む工程を実行することを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、基板上に形成された配線用パターンの底部までＣｕを埋め込むことにより、埋め込み不良のない配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るクラスタ装置の概略構成を示した縦断面図である。
【図２】図２（ａ）は一分子が衝突する際の基板へのダメージを説明するための図であり、図２（ｂ）はクラスタ化された分子が衝突する際の基板へのダメージを説明するための図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は同実施形態に係る基板の配線方法を示した図である。
【図４】同実施形態の変形例に係るノズル出口から衝撃波までの距離を示した図である。
【図５】同実施形態に係るナノチューブ製造装置の概略構成を示した縦断面図である。
【図６】本実施形態に係るウエハの配線方法をスルーホールの配線に応用する例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
［クラスタ装置の構成］
まず、本発明の一実施形態に係るクラスタ装置の概略構成について、図１を参照しながら説明する。クラスタ装置１０は、ウエハＷを収容し内部を密閉することができる真空の処理容器１００を有している。処理容器１００は、遮断器１２０により仕切られ、ガス供給室１００ａ、処理室１００ｂの２つに分かれている。ガス供給室１００ａ、処理室１００ｂの底部には、各室内を排気する排気口１０５ａ、１０５ｂがそれぞれ形成され、各室内の雰囲気を真空引きする排気ポンプ（図示せず）が接続されている。
【００２５】
ガス供給室１００ａの側壁には、ガスノズル１１０が設けられている。ガスノズル１１０は、ターゲットに向けて開口するように位置づけられていて、これによりガスノズル１１０から放出されるガスは指向性を有するようになっている。金属ソース１１５は金属ガスを生成する。生成された金属ガスは、ガスノズル１１０の出口１１０ａからガス供給室１００ａに放出される。金属ソース１１５から金属ガスを生成する方法としては、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）用のプリカーサを用いることや、アーク放電により金属ソース１１５を溶解して気化させる方法が挙げられる。
【００２６】
ガスノズル１１０から放出された金属ガスはクラスタ化される。このメカニズムについて説明する。ガスノズル１１０の内部圧力ＰＳは、０．４ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下になるように真空引きされている。一方、処理容器１００の内部圧力Ｐ０は、１．５Ｐａ以下に保持されるように真空引きされている。金属ガスｇは、内部圧力ＰＳが処理容器１００の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズル１１０から処理容器１００内に放出される。
【００２７】
このように、高圧のガスノズル１１０から低圧の処理容器１００内に、反応性の高い金属ガスｇを放出すると、圧力差によって金属ガスｇの温度が急速に冷え、金属ガス分子が寄り固まって形成される。このようにしてガスノズル１１０から処理容器１００内に放出された金属ガスｇは、クラスタ化される。クラスタ化された金属ガス（以下、金属ガスクラスタＣｇとも称する）は、数百万〜数千万個の分子が比較的弱く結びついた集合体である。
【００２８】
前述のように、金属ガスクラスタＣｇは指向性を有しているが、中にはまっすぐに飛ばないものがある。これがウエハＷまで飛来してウエハＷに衝突すると、期待していない方向にもエッチング処理が進んでしまう。そこで、ガスノズル１１０とウエハＷとの間に遮断器１２０を設け、まっすぐに飛ばない金属ガスクラスタＣｇがウエハＷに衝突しないようにしている。遮断器１２０には穴１２０ａが設けられていて、金属ガスクラスタＣｇは、その穴１２０ａから処理室１００ｂに入る。
【００２９】
処理室１００ｂの内部には、ウエハＷを保持する保持部材１５５が設けられている。保持部材１５５は、金属ガスクラスタＣｇがウエハＷに形成されたウエハＷの表面に垂直に衝突するようにウエハＷを保持する。保持部材１５５には、保持部材１５５を移動させる図示しない移動部材が設けられている。移動部材の移動により、金属ガスクラスタＣｇはウエハＷの表面に対して垂直な方向から、ウエハＷの表面全面に均一に供給される。
【００３０】
かかる構成によれば、エッチング形状を良好にすることができる。形状を良好にできるのは、エッチング反応が、金属ガスクラスタＣｇの衝突で熱エネルギーを生じた部分でのみ進行するためである。金属ガスクラスタＣｇは、熱エネルギーのない部分ではエッチング反応を進行させない。図１のウエハＷ上にはマスクＭの下に所定の層Ｆ及び層Ｆに形成されたホールＨが描かれているが、指向性を有する金属ガスクラスタＣｇは、深く掘り進んだホールＨの側壁Ｈａに衝突しないため、ホールＨの側壁Ｈａで熱エネルギーが発生しない。このため、ホールＨの側壁Ｈａは基本的にエッチングされない。一方、掘り進んだホールＨの底部Ｈｂには金属ガスクラスタＣｇが衝突してエッチングが進行する。このようにして、本実施形態によれば、細く深い、良好な形状のホールを形成することができる。
【００３１】
また、かかる構成によれば、ウエハＷへの電気的なダメージを与えないプロセスを実現できる。既存のプロセスでは、反応性ガスをプラズマによってイオン化していた。イオン化したガスは電気的エネルギーを持つため、ウエハＷに電気的なダメージを与えるおそれがあった。しかし、本実施形態にかかるクラスタ装置１０によれば、金属ガスクラスタＣｇをイオン化しない。このため、エッチングの際、ウエハＷに電気的なダメージを与えずにプロセスを進行することができる。
【００３２】
また、かかる構成によれば、このように金属ガスクラスタＣｇをイオン化しないため、装置にプラズマ源を必要としない。これにより、装置がシンプルになるためメンテナンスしやすく、製造コストを低減することができ、量産に向いた構造とすることができる。
【００３３】
［クラスタ化された分子の衝突］
次に、クラスタ化された金属ガスの衝突状態について、図１を参照しながら説明する。前述したように、図１に示した金属ガスは、ガスノズル１１０から処理容器１００の内部に放出され、クラスタ化される。クラスタ化された金属ガス（金属ガスクラスタＣｇ）は、数百万〜数千万個の分子の集合体である。このように、クラスタ化された金属ガス分子は、寄り固まって形成された塊のため、分子がそれぞれ一つずつ持っている運動エネルギーよりも高い運動エネルギーを持っている。
【００３４】
一方、金属ガスクラスタＣｇの分子は、ウエハＷに衝突した瞬間に各分子がバラバラになって広がりながら飛び散るため、衝突と同時に一つ一つの分子の運動エネルギーは分散し、配線パターン層に大きなダメージを与えない。
【００３５】
よって、衝突により金属ガス中の金属ナノ粒子を配線パターン内にしっかりと埋め込むことができると同時に配線パターン層への衝突によるダメージを低く抑えることができる。特に、配線パターン層がＬｏｗ−ｋ膜の場合には、ダメージにより比誘電率が高くなったり、配線用パターン幅ＣＤが大きくなったりするが、金属ガスクラスタＣｇによれば埋め込み時のダメージを低減し、Ｌｏｗ−ｋ膜の劣化を防ぐことができる。
【００３６】
図２（ａ）は一分子が衝突する際のウエハＷへのダメージを示し、図２（ｂ）はクラスタ化された分子が衝突する際のウエハＷへのダメージを示す。図２（ａ）に示したように、プラズマ源１３５では、反応性イオンを含むプラズマが生成される。反応性イオンはクラスタ化されていないため、分子の集合体ではないので一分子の衝突時のエネルギーは低いが、ウエハＷの深部まで衝突のダメージが及んでいることがわかる。一方、図２（ｂ）に示したように、ガスノズル１１０からはプラズマ化されていないガスを放出し、クラスタＣｇを生成する。生成されたクラスタＣｇは、ウエハＷの衝突のエネルギーは高いが、ウエハＷの膜に衝突した瞬間に各分子がバラバラになって飛び散るため、ウエハＷに対するダメージが少ないことがわかる。これにより、特にＬｏｗ−ｋ膜の場合には、衝突によるダメージを低減できることがわかる。
【００３７】
[配線方法]
次に、本実施形態に係る配線方法について、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照しながら説明する。図３（ａ）は、配線用パターンの洗浄工程を示す。
【００３８】
一般に、半導体デバイスの製造工程においては、フォトリソグラフィー技術を利用したダマシン法やデュアルダマシン法を用いて、ウエハＷに多層配線回路を形成する。図３（ａ）では、デュアルダマシン法を用いて上層の層間絶縁膜であるＬｏｗ−ｋ膜２４に配線溝としてのビアホール２４ａ及びトレンチ２４ｂが形成されている。Ｌｏｗ−ｋ膜２４の下には、下層の層間絶縁膜であるＬｏｗ−ｋ膜２０、バリアメタル層２１、Ｃｕ配線層２２、ストッパー膜２３が形成されている。
【００３９】
（前工程）
図３（ａ）では、ＣＵの埋め込みの前工程として、ビアホール２４ａ及びトレンチ２４ｂを所望のクリーニングガスにより洗浄する。クリーニングガスとしては、ＮＨ４ＯＨ，Ｈ２Ｏ２，ＨＣＬ，Ｈ２ＳＯ４、ＨＦ，ＮＨ４Ｆの少なくともいずれか、又はこれらの組み合わせ又はこれらの組合せを使用することができる。このように反応性の高いＮＨ４ＯＨ等の洗浄薬液（ＮＨ４ＯＨ・・・）等を気相状にして配線用パターンを洗浄する。
【００４０】
このクリーニング処理は、プラズマを用いても用いなくてもよい。プラズマを用いない場合の一例としては、図１，２に示したガスノズル１１０からクリーニングガスを放出し、ガスをクラスタ化させて使用することが考えられる。クラスタ化されたガスは直進性及び指向性を有するため、トレンチ２４ｂ及びビア２４ａの内壁だけでなくビア底Ｂまでガスが侵入し、内部をより均一に洗浄することができる。
【００４１】
（埋め込み工程：バリア材形成）
前工程後、クラスタ化された金属ガス（金属ガスクラスタＣｇ）を用いて配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程が実行される。
【００４２】
埋め込み工程では、まず、図３（ｂ）に示したように、配線用パターンの内壁にバリア材３２が形成される。この工程では、金属ナノ粒子の埋め込みによるバリア材３２の形成とともに衝撃波を用いてバリア材３２が緻密化される。
【００４３】
図４は、ガスノズル１１０の出口１１０ａから衝撃波ＭＤまでの距離を示した図である。ＩＳＳＮ０４５２−２９８２航空宇宙技術研究所資料（ＴＭ−７４１）“ＬＩＦ法による自由噴流の可視化と構造解析”（津田尚一 １９９７年７月航空宇宙研究所）によれば、ガスノズル１１０の出口１１０ａから衝撃波ＭＤ（Ｍａｃｈ Ｄｉｓｃ）が現れる位置までの距離Ｘｍ、ガスノズル１１０の喉部である出口の内径Ｄ０、ガスノズルの内部圧力Ｐｓ、ガスが導入される処理容器１００の内部圧力Ｐ０には下記式１の関係がある。
【数１】
【００４４】
このとき、ガスノズル１１０の出口１１０ａからウエハＷまでの距離ｄは、式１にて定義されるガスノズル１１０の出口１１０ａからのガス流により衝撃波ＭＤが発生する位置までの距離Ｘｍより長く設定されることが好ましい。これによれば、ビア底Ｂまで均一に形成されたバリア材３２を、衝撃波を用いて緻密化することができる。
【００４５】
特に、本実施形態では、層間絶縁膜に、比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜２０，２４が用いられている。比誘電率ｋが約４．２のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）に対して、比誘電率ｋが２．６以下のｌｏｗ−ｋ膜を用いれば、配線間の寄生容量を低減できる。一方、ダマシン法によりＣｕ配線を形成する際には、Ｃｕがｌｏｗ−ｋ膜中へと拡散することを防止する必要がある。このため、Ｃｕ配線層とｌｏｗ−ｋ膜との間にバリア材３２を形成する。また、本実施形態のようにバリア材３２を、衝撃波を用いて緻密化すると、ｌｏｗ−ｋ膜中へＣｕの拡散を確実に抑えることができ、好ましい。
【００４６】
（埋め込み工程：Ｃｕ埋め込み）
次に、図３（ｃ）に示したように、バリア材３２が形成された配線用パターンの内部にＣｕを埋め込む工程が実行される。埋め込まれたＣｕは、配線層３５となる。配線用パターン内にＣｕを埋め込む方法としては、例えば、電解めっき法により配線用パターンにＣｕを埋め込み、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜を化学機械研磨により除去して配線層３５を形成してもよい。また、バリア材３２を形成する金属ナノ粒子からナノ構造体を成長させることにより配線層３５を形成してもよい。以下、金属ナノ粒子からナノ構造体を成長させるナノチューブ製造装置について簡単に説明する。
【００４７】
［ナノチューブ製造装置］
金属ナノ粒子のバリア材３２が形成されたウエハＷは、真空状態を維持したまま、図１に示したクラスタ装置１０から、ナノチューブ製造装置内に搬送される。ナノチューブ製造装置は、搬入されたウエハＷ上の金属ナノ粒子を成長させてナノチューブを製造する。
【００４８】
図５は、本実施形態に係るナノチューブ製造装置としてのＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）プラズマＣＶＤ装置である。なお、ナノチューブ製造装置３００は、ＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置に限られず、容量結合型（平行平板型）プラズマ処理装置、誘導結合型（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｐｌａｓｍａ）プラズマ処理装置、電子サイクロトロン方式（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）のプラズマ処理装置など種々のプラズマ処理装置を使用することができる。
【００４９】
前述したように、金属ナノ粒子Ｍａが成膜されたウエハＷは、真空状態を維持したまま、図示しない真空搬送機構を通ってＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置（ナノチューブ製造装置３００）内の載置台３１５まで搬送される。ＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置では、搬入されたウエハＷ上の金属ナノ粒子を成長させてナノチューブを製造する。
【００５０】
ＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置は、天井面が開口された円筒状の反応容器３０２を有している。天井面の開口には、シャワープレート３０５が嵌め込まれている。反応容器３０２とシャワープレート３０５とは、反応容器３０２の内壁の段差部とシャワープレート３０５の下面外周部との間に配設されたＯリング３１０により密閉され、これにより、プラズマ処理を施す処理室Ｕが形成される。たとえば、反応容器３０２はアルミニウム等の金属からなり、シャワープレート３０５はアルミニウム等の金属または誘電体からなり、電気的に接地されている。
【００５１】
反応容器３０２の底部には、ウエハＷを載置するサセプタ（載置台）３１５が絶縁体３２０を介して設置されている。サセプタ３１５には、整合器３２５ａを介して高周波電源３２５ｂが接続されていて、高周波電源３２５ｂから出力された高周波電力により反応容器３０２の内部に所定のバイアス電圧を印加するようになっている。また、サセプタ３１５の内部には冷却ジャケット３３５が設けられ、ウエハＷを冷却するために冷却水を供給する。
【００５２】
シャワープレート３０５は、その上部にてカバープレート３４０により覆われている。カバープレート３４０の上面には、ラジアルラインスロットアンテナ３４５が設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ３４５は、多数の図示しないスロットが形成されたディスク上のスロット板３４５ａと、スロット板３４５を保持するディスク上のアンテナ本体３４５ｂと、スロット板３４５ａとアンテナ本体３４５ｂとの間に設けられ、アルミナなどの誘電体から形成される遅相板３４５ｃと、から構成されている。ラジアルラインスロットアンテナ３４５には、同軸導波管３５０を介してマイクロ波発生器３５５が設置されている。
【００５３】
反応容器３０２には、真空ポンプ（図示せず）が取り付けられていて、ガス排出管３６０を介して反応容器３０２内のガスを排出することにより、反応容器３０２内の圧力を１０-4〜１０-1Ｐａに保持する。また、載置台３１５に配設されている図示しない電気加熱部材及び冷却ジャケット３３５を用いて、ウエハＷの板温度を５００〜８５０℃程度に保持する。
【００５４】
ガス供給源３６５は、バルブＶの開閉およびマスフローコントローラＭＦＣの開度をそれぞれ制御することにより、所望の濃度のガスを反応容器３０２の内部に供給するようになっている。
【００５５】
この状態で、導波管３５０を介してマイクロ波を反応容器３０２内に導入する。また、ガス供給源３６５からナノチューブ生成用のガスを反応容器３０２内に導入する。供給されたガスは、マイクロ波のエネルギーにより分解され、プラズマとなる。生成されたプラズマは、ウエハＷに衝突し、ウエハＷ表面で反応する。これにより、埋め込まれたウエハＷ上の金属ナノ粒子をシードとしてナノチューブを成長させることができる。
【００５６】
なお、金属ナノ粒子の成長物は、チューブ状であってもワイヤ状であってもよい。これにより、ウエハＷ上の金属ナノ粒子を種として、ナノチューブ又はナノワイヤを成長させることができる。
【００５７】
このようにして、本実施形態に係るナノチューブ製造装置３００により、ナノチューブ等のナノ構造体が成長する。ナノ構造体としては、フラーレン、フラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノワイヤ等が主として挙げられる。
【００５８】
以上に説明したように、本実施形態に係る配線方法によれば、指向性の高い金属クラスタを用いて配線用パターンの底部までＣｕを埋め込むことにより、埋め込み不良のない配線を形成することができる。
【００５９】
特に、埋め込んだ金属ナノ粒子をシードとしてナノ構造体を成長させることにより配線層３５を形成する場合には、金属ナノ粒子の粒径とナノ構造体の太さとは同じになるため、金属ナノ粒子の粒径によって配線の太さを制御することができる。
【００６０】
（応用例）
本実施形態に係る基板の配線方法は、以上のように半導体チップ内の配線工程に用いることができるだけでなく、半導体チップ間の配線工程にも用いることができる。近年、半導体チップの内部を貫通するスルーホール（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）の電極を用いて、上下の半導体チップ間を電気的に接続する立体配線技術が提案されている。図６では、上部半導体チップ４００の内部にスルーホール（ＴＳＶ）４０５が形成されている。このスルーホール４０５に配線を通し、スルーホール４０５及びバンプ５０５を介して上部半導体チップ４００のパッド電極４１０と下部半導体チップ５００のパッド電極５１０とを導通する。
【００６１】
ここでは、上記ＴＳＶを用いた配線を、本実施形態に係る基板の配線方法により形成する。この３Ｄ配線によれば、径が３０μｍ〜５０μｍのＴＳＶに対して金属ナノ粒子の粒径の太さのナノ構造体を配線することができる。また、パッケージ内配線の抵抗を低減し、複数の半導体チップを積層して一つのパッケージに収めることができるため、小型化、システムとしての処理の高速化、消費電力の低下を図ることができる。
【００６２】
上記実施形態に係る基板の配線方法において、各部の動作は互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作及び一連の処理として置き換えることができる。これにより、基板の配線方法の実施形態を、基板を配線する半導体製造装置の実施形態とすることができる。
【００６３】
これにより、真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する半導体製造装置であって、前記半導体製造装置は、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルを備え、基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前記前工程後、前記ガスノズルから金属ソースを前記処理容器内に放出することによりクラスタ化された金属ガスを生成し、該クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含む工程を実行することを特徴とする半導体製造装置の実施形態が実現可能となる。
【００６４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６５】
例えば、上記実施形態に係る基板の配線方法は、デュアルダマシン構造の配線工程でのＣＵの埋め込み及びＴＳＶを用いた３次元配線に用いたが、これに限定されず、基板上へのいずれの配線にも適用できる。
【００６６】
また、本発明に係る配線用パターンは、溝やホール（孔）に限られず、いずれの形状であってもよい。
【００６７】
また、上記実施形態に係る基板の配線方法ではＣｕにより配線層を形成したが、これに限られず、別の金属により配線層を形成することもできる。
【００６８】
本発明に係る基板は、半導体ウエハＷであってもよく、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）であってもよい。
【００６９】
本発明に係るクラスタ装置は、イオン化器及び加速器を内蔵していてもよい。この場合、クラスタ化された金属ガスは、ガスノズルから供給され、イオン化器によりイオン化された後、加速器により加速され、保持部材１５５に保持されたウエハＷの表面に対して垂直に供給される。この機構は、ＧＣＩＢ（Ｇａｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）と呼ばれている。
【符号の説明】
【００７０】
１０ クラスタ装置
２０、２４ Ｌｏｗ−ｋ膜
２１ バリアメタル
２２ Ｃｕ配線層
２４ａ ビアホール
２４ｂ トレンチ
３２ バリア材
３５ 配線層
１００ 処理容器
１００ａ ガス供給室
１００ｂ 処理室
１１０ ガスノズル
１１０ａ ガスノズルの出口
１２０ 遮断器
１５５ 保持部材
３００ ナノチューブ製造装置
４００ 上部半導体チップ
４０５ スルーホール
５００ 下部半導体チップ
５０５ バンプ
Ｂ ビア底
Ｃｇ 金属ガスクラスタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の配線用パターンが形成された基板の配線方法及び該基板の配線方法を利用して半導体を製造する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（ＬＳＩ）の高集積化及び高性能化に伴ってミクロンオーダの多くの微細加工技術が提案されている。特に、最近はＬＳＩの高速化を達成するために、配線材料を従来のアルミ（Ａｌ）合金から低抵抗の銅（Ｃｕ）或いはＣｕ合金（以下、まとめてＣｕと称する。）に代える動きが進んでいる。
【０００３】
半導体製造の配線工程では、フォトリソグラフィー技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法等を用いて配線用パターンを形成する。配線用パターンが形成された絶縁膜上には、主にＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、バリアメタル層、Ｃｕシード層が成膜される。その後、電解めっき法でｈａｉｓｅｎｙｏｕパターンにＣｕを埋め込み、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜を化学機械研磨により除去して配線層を形成する（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記配線形成方法はダマシン法といわれている。多層Ｃｕ配線を形成する場合は、特に、デュアルダマシン構造と呼ばれる配線形成方法も用いられる。かかる方法では、下層配線上に絶縁膜を堆積し、所定のビアホール（孔）及び上層配線用のトレンチを形成した後、ビアホールとトレンチに配線材料となるＣｕを同時に埋め込み、さらに、上層の不要なＣｕを化学機械研磨により除去し平坦化することにより配線層を形成する。
【０００５】
層間絶縁膜には、比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜（低誘電率材料膜）が用いられることがある。これによれば、シリコン酸化膜より低誘電率のｌｏｗ−ｋ膜を用いることにより、配線間の寄生容量を低減することができる。Ｃｕ配線を形成する際には、Ｃｕがｌｏｗ−ｋ膜中へと拡散することを防止するためにバリアメタル膜がＣｕとｌｏｗ−ｋ膜との間に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３１７７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、ビアホールやトレンチ内に電解めっき法でＣｕを埋め込むには、カソード極となるシード膜が必要となるが、高集積化に伴ってビアホール径やトレンチ幅が狭くなると、それに伴い特に溝の底部近辺においてＣｕシード膜が形成されない領域が生じる。この結果、その領域ではＣｕがめっきされず、埋め込み不良の原因となっていた。
【０００８】
上記課題に対して、本発明の目的とするところは、基板上に形成された配線用パターンの底部までＣｕ埋め込みが可能な、新規かつ改良された基板の配線方法及び半導体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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する方法であって、基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前工程後、クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含むことを特徴とする基板の配線方法が提供される。
【００１０】
かかる構成によれば、基板上の所定の配線用パターンを洗浄後、クラスタ化された金属ガスのビームを前記配線用パターンに向けて放出することにより、前記配線用パターン内に金属ナノ粒子が埋め込まれる。クラスタ化された金属ガスは直進性及び指向性が高い。よって、指向性の高い金属クラスタガスにより、高集積化に伴ってビアホール径やトレンチ幅が狭くなっても、細く深い配線用パターンの底部にまで金属ナノ粒子を埋め込むことができる。この状態で、埋め込まれた金属ナノ粒子からナノチューブやナノワイヤ等のナノ構造体を成長させたり、配線用パターン内部を金属にて充填させたりすることにより、基板の配線を形成することができる。
【００１１】
また、前記Ｃｕ埋め込み方法によれば、めっき法ではないのでＣｕシード層を形成する必要がない。これにより、埋め込み不良のない配線を形成することができる。
【００１２】
また、クラスタ化された金属ガスは、数百万〜数千万個の分子の集合体である。よって、クラスタ化された金属ガス分子は、寄り固まって形成された塊のため、分子がそれぞれ一つずつ持っている運動エネルギーよりも高い運動エネルギーを持っている。一方、クラスタ化された金属ガス分子は、配線パターンの内壁に衝突した瞬間に各分子がバラバラになって広がりながら飛び散るため、衝突と同時に一つ一つの分子の運動エネルギーは分散し、配線パターン層に大きなダメージを与えない。
【００１３】
よって、高い運動エネルギーにより金属ガス中の金属ナノ粒子を配線パターン内にしっかりと埋め込むことができると同時に、衝突により分子がバラバラになることにより配線パターン層への衝突によるダメージを低く抑えることができる。特に、配線パターン層がＬｏｗ−ｋ膜の場合には、ダメージにより比誘電率が高くなったり、配線用パターン幅ＣＤが大きくなったりするが、クラスタ化された金属ガスによれば埋め込み時のダメージを低減し、Ｌｏｗ−ｋ膜の劣化を防ぐことができる。
【００１４】
前記埋め込み工程は、金属ソースを、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルから前記処理容器内に放出することによりクラスタ化してもよい。
【００１５】
前記埋め込み工程は、前記配線用パターンの表面に前記金属ナノ粒子を埋め込むことにより、金属のバリア材を形成する工程と、前記バリア材が形成された前記配線用パターンの内部に配線となる金属を埋め込む工程とを含んでもよい。
【００１６】
前記ガスノズルと前記基板との距離ｄは、式１にて定義される前記ガスノズルの出口から衝撃波が発生する位置までの距離Ｘｍより長く設定され、前記バリア材を形成する工程は、前記発生した衝撃波を用いて前記金属ナノ粒子を基板に衝突させてもよい。
【数１】
ただし、Ｄ０はガスノズルの出口の内径、Ｐｓはガスノズルの内部圧力、Ｐ０は処理容器の内部圧力である。
【００１７】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．４ＭＰａ以上であり、前記処理容器の内部圧力Ｐ０は、１．５Ｐａ以下であってもよい。
【００１８】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．９ＭＰａ以下であってもよい。
【００１９】
前記基板の配線方法は、半導体チップ内の配線工程、又は半導体チップ間の配線工程に用いられてもよい。
【００２０】
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する半導体製造装置であって、前記半導体製造装置は、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルを備え、基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前記前工程後、前記ガスノズルから金属ソースを前記処理容器内に放出することによりクラスタ化された金属ガスを生成し、該クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含む工程を実行することを特徴とする半導体製造装置が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、基板上に形成された配線用パターンの底部までＣｕを埋め込むことにより、埋め込み不良のない配線を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係るクラスタ装置の概略構成を示した縦断面図である。
【図２】図２（ａ）は一分子が衝突する際の基板へのダメージを説明するための図であり、図２（ｂ）はクラスタ化された分子が衝突する際の基板へのダメージを説明するための図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｃ）は同実施形態に係る基板の配線方法を示した図である。
【図４】同実施形態の変形例に係るノズル出口から衝撃波までの距離を示した図である。
【図５】同実施形態に係るナノチューブ製造装置の概略構成を示した縦断面図である。
【図６】本実施形態に係るウエハの配線方法をスルーホールの配線に応用する例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
［クラスタ装置の構成］
まず、本発明の一実施形態に係るクラスタ装置の概略構成について、図１を参照しながら説明する。クラスタ装置１０は、ウエハＷを収容し内部を密閉することができる真空の処理容器１００を有している。処理容器１００は、遮断器１２０により仕切られ、ガス供給室１００ａ、処理室１００ｂの２つに分かれている。ガス供給室１００ａ、処理室１００ｂの底部には、各室内を排気する排気口１０５ａ、１０５ｂがそれぞれ形成され、各室内の雰囲気を真空引きする排気ポンプ（図示せず）が接続されている。
【００２５】
ガス供給室１００ａの側壁には、ガスノズル１１０が設けられている。ガスノズル１１０は、ターゲットに向けて開口するように位置づけられていて、これによりガスノズル１１０から放出されるガスは指向性を有するようになっている。金属ソース１１５は金属ガスを生成する。生成された金属ガスは、ガスノズル１１０の出口１１０ａからガス供給室１００ａに放出される。金属ソース１１５から金属ガスを生成する方法としては、例えばＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）用のプリカーサを用いることや、アーク放電により金属ソース１１５を溶解して気化させる方法が挙げられる。
【００２６】
ガスノズル１１０から放出された金属ガスはクラスタ化される。このメカニズムについて説明する。ガスノズル１１０の内部圧力ＰＳは、０．４ＭＰａ以上０．９ＭＰａ以下になるように真空引きされている。一方、処理容器１００の内部圧力Ｐ０は、１．５Ｐａ以下に保持されるように真空引きされている。金属ガスｇは、内部圧力ＰＳが処理容器１００の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズル１１０から処理容器１００内に放出される。
【００２７】
このように、高圧のガスノズル１１０から低圧の処理容器１００内に、反応性の高い金属ガスｇを放出すると、圧力差によって金属ガスｇの温度が急速に冷え、金属ガス分子が寄り固まって形成される。このようにしてガスノズル１１０から処理容器１００内に放出された金属ガスｇは、クラスタ化される。クラスタ化された金属ガス（以下、金属ガスクラスタＣｇとも称する）は、数百万〜数千万個の分子が比較的弱く結びついた集合体である。
【００２８】
前述のように、金属ガスクラスタＣｇは指向性を有しているが、中にはまっすぐに飛ばないものがある。これがウエハＷまで飛来してウエハＷに衝突すると、期待していない方向にもエッチング処理が進んでしまう。そこで、ガスノズル１１０とウエハＷとの間に遮断器１２０を設け、まっすぐに飛ばない金属ガスクラスタＣｇがウエハＷに衝突しないようにしている。遮断器１２０には穴１２０ａが設けられていて、金属ガスクラスタＣｇは、その穴１２０ａから処理室１００ｂに入る。
【００２９】
処理室１００ｂの内部には、ウエハＷを保持する保持部材１５５が設けられている。保持部材１５５は、金属ガスクラスタＣｇがウエハＷに形成されたウエハＷの表面に垂直に衝突するようにウエハＷを保持する。保持部材１５５には、保持部材１５５を移動させる図示しない移動部材が設けられている。移動部材の移動により、金属ガスクラスタＣｇはウエハＷの表面に対して垂直な方向から、ウエハＷの表面全面に均一に供給される。
【００３０】
かかる構成によれば、エッチング形状を良好にすることができる。形状を良好にできるのは、エッチング反応が、金属ガスクラスタＣｇの衝突で熱エネルギーを生じた部分でのみ進行するためである。金属ガスクラスタＣｇは、熱エネルギーのない部分ではエッチング反応を進行させない。図１のウエハＷ上にはマスクＭの下に所定の層Ｆ及び層Ｆに形成されたホールＨが描かれているが、指向性を有する金属ガスクラスタＣｇは、深く掘り進んだホールＨの側壁Ｈａに衝突しないため、ホールＨの側壁Ｈａで熱エネルギーが発生しない。このため、ホールＨの側壁Ｈａは基本的にエッチングされない。一方、掘り進んだホールＨの底部Ｈｂには金属ガスクラスタＣｇが衝突してエッチングが進行する。このようにして、本実施形態によれば、細く深い、良好な形状のホールを形成することができる。
【００３１】
また、かかる構成によれば、ウエハＷへの電気的なダメージを与えないプロセスを実現できる。既存のプロセスでは、反応性ガスをプラズマによってイオン化していた。イオン化したガスは電気的エネルギーを持つため、ウエハＷに電気的なダメージを与えるおそれがあった。しかし、本実施形態にかかるクラスタ装置１０によれば、金属ガスクラスタＣｇをイオン化しない。このため、エッチングの際、ウエハＷに電気的なダメージを与えずにプロセスを進行することができる。
【００３２】
また、かかる構成によれば、このように金属ガスクラスタＣｇをイオン化しないため、装置にプラズマ源を必要としない。これにより、装置がシンプルになるためメンテナンスしやすく、製造コストを低減することができ、量産に向いた構造とすることができる。
【００３３】
［クラスタ化された分子の衝突］
次に、クラスタ化された金属ガスの衝突状態について、図１を参照しながら説明する。前述したように、図１に示した金属ガスは、ガスノズル１１０から処理容器１００の内部に放出され、クラスタ化される。クラスタ化された金属ガス（金属ガスクラスタＣｇ）は、数百万〜数千万個の分子の集合体である。このように、クラスタ化された金属ガス分子は、寄り固まって形成された塊のため、分子がそれぞれ一つずつ持っている運動エネルギーよりも高い運動エネルギーを持っている。
【００３４】
一方、金属ガスクラスタＣｇの分子は、ウエハＷに衝突した瞬間に各分子がバラバラになって広がりながら飛び散るため、衝突と同時に一つ一つの分子の運動エネルギーは分散し、配線パターン層に大きなダメージを与えない。
【００３５】
よって、衝突により金属ガス中の金属ナノ粒子を配線パターン内にしっかりと埋め込むことができると同時に配線パターン層への衝突によるダメージを低く抑えることができる。特に、配線パターン層がＬｏｗ−ｋ膜の場合には、ダメージにより比誘電率が高くなったり、配線用パターン幅ＣＤが大きくなったりするが、金属ガスクラスタＣｇによれば埋め込み時のダメージを低減し、Ｌｏｗ−ｋ膜の劣化を防ぐことができる。
【００３６】
図２（ａ）は一分子が衝突する際のウエハＷへのダメージを示し、図２（ｂ）はクラスタ化された分子が衝突する際のウエハＷへのダメージを示す。図２（ａ）に示したように、プラズマ源１３５では、反応性イオンを含むプラズマが生成される。反応性イオンはクラスタ化されていないため、分子の集合体ではないので一分子の衝突時のエネルギーは低いが、ウエハＷの深部まで衝突のダメージが及んでいることがわかる。一方、図２（ｂ）に示したように、ガスノズル１１０からはプラズマ化されていないガスを放出し、クラスタＣｇを生成する。生成されたクラスタＣｇは、ウエハＷの衝突のエネルギーは高いが、ウエハＷの膜に衝突した瞬間に各分子がバラバラになって飛び散るため、ウエハＷに対するダメージが少ないことがわかる。これにより、特にＬｏｗ−ｋ膜の場合には、衝突によるダメージを低減できることがわかる。
【００３７】
[配線方法]
次に、本実施形態に係る配線方法について、図３（ａ）〜図３（ｃ）を参照しながら説明する。図３（ａ）は、配線用パターンの洗浄工程を示す。
【００３８】
一般に、半導体デバイスの製造工程においては、フォトリソグラフィー技術を利用したダマシン法やデュアルダマシン法を用いて、ウエハＷに多層配線回路を形成する。図３（ａ）では、デュアルダマシン法を用いて上層の層間絶縁膜であるＬｏｗ−ｋ膜２４に配線溝としてのビアホール２４ａ及びトレンチ２４ｂが形成されている。Ｌｏｗ−ｋ膜２４の下には、下層の層間絶縁膜であるＬｏｗ−ｋ膜２０、バリアメタル層２１、Ｃｕ配線層２２、ストッパー膜２３が形成されている。
【００３９】
（前工程）
図３（ａ）では、ＣＵの埋め込みの前工程として、ビアホール２４ａ及びトレンチ２４ｂを所望のクリーニングガスにより洗浄する。クリーニングガスとしては、ＮＨ４ＯＨ，Ｈ２Ｏ２，ＨＣＬ，Ｈ２ＳＯ４、ＨＦ，ＮＨ４Ｆの少なくともいずれか、又はこれらの組み合わせ又はこれらの組合せを使用することができる。このように反応性の高いＮＨ４ＯＨ等の洗浄薬液（ＮＨ４ＯＨ・・・）等を気相状にして配線用パターンを洗浄する。
【００４０】
このクリーニング処理は、プラズマを用いても用いなくてもよい。プラズマを用いない場合の一例としては、図１，２に示したガスノズル１１０からクリーニングガスを放出し、ガスをクラスタ化させて使用することが考えられる。クラスタ化されたガスは直進性及び指向性を有するため、トレンチ２４ｂ及びビア２４ａの内壁だけでなくビア底Ｂまでガスが侵入し、内部をより均一に洗浄することができる。
【００４１】
（埋め込み工程：バリア材形成）
前工程後、クラスタ化された金属ガス（金属ガスクラスタＣｇ）を用いて配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程が実行される。
【００４２】
埋め込み工程では、まず、図３（ｂ）に示したように、配線用パターンの内壁にバリア材３２が形成される。この工程では、金属ナノ粒子の埋め込みによるバリア材３２の形成とともに衝撃波を用いてバリア材３２が緻密化される。
【００４３】
図４は、ガスノズル１１０の出口１１０ａから衝撃波ＭＤまでの距離を示した図である。ＩＳＳＮ０４５２−２９８２航空宇宙技術研究所資料（ＴＭ−７４１）“ＬＩＦ法による自由噴流の可視化と構造解析”（津田尚一 １９９７年７月航空宇宙研究所）によれば、ガスノズル１１０の出口１１０ａから衝撃波ＭＤ（Ｍａｃｈ Ｄｉｓｃ）が現れる位置までの距離Ｘｍ、ガスノズル１１０の喉部である出口の内径Ｄ０、ガスノズルの内部圧力Ｐｓ、ガスが導入される処理容器１００の内部圧力Ｐ０には下記式１の関係がある。
【数１】
【００４４】
このとき、ガスノズル１１０の出口１１０ａからウエハＷまでの距離ｄは、式１にて定義されるガスノズル１１０の出口１１０ａからのガス流により衝撃波ＭＤが発生する位置までの距離Ｘｍより長く設定されることが好ましい。これによれば、ビア底Ｂまで均一に形成されたバリア材３２を、衝撃波を用いて緻密化することができる。
【００４５】
特に、本実施形態では、層間絶縁膜に、比誘電率の低いｌｏｗ−ｋ膜２０，２４が用いられている。比誘電率ｋが約４．２のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）に対して、比誘電率ｋが２．６以下のｌｏｗ−ｋ膜を用いれば、配線間の寄生容量を低減できる。一方、ダマシン法によりＣｕ配線を形成する際には、Ｃｕがｌｏｗ−ｋ膜中へと拡散することを防止する必要がある。このため、Ｃｕ配線層とｌｏｗ−ｋ膜との間にバリア材３２を形成する。また、本実施形態のようにバリア材３２を、衝撃波を用いて緻密化すると、ｌｏｗ−ｋ膜中へＣｕの拡散を確実に抑えることができ、好ましい。
【００４６】
（埋め込み工程：Ｃｕ埋め込み）
次に、図３（ｃ）に示したように、バリア材３２が形成された配線用パターンの内部にＣｕを埋め込む工程が実行される。埋め込まれたＣｕは、配線層３５となる。配線用パターン内にＣｕを埋め込む方法としては、例えば、電解めっき法により配線用パターンにＣｕを埋め込み、溝内に埋め込まれた部分以外のＣｕ膜を化学機械研磨により除去して配線層３５を形成してもよい。また、バリア材３２を形成する金属ナノ粒子からナノ構造体を成長させることにより配線層３５を形成してもよい。以下、金属ナノ粒子からナノ構造体を成長させるナノチューブ製造装置について簡単に説明する。
【００４７】
［ナノチューブ製造装置］
金属ナノ粒子のバリア材３２が形成されたウエハＷは、真空状態を維持したまま、図１に示したクラスタ装置１０から、ナノチューブ製造装置内に搬送される。ナノチューブ製造装置は、搬入されたウエハＷ上の金属ナノ粒子を成長させてナノチューブを製造する。
【００４８】
図５は、本実施形態に係るナノチューブ製造装置としてのＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）プラズマＣＶＤ装置である。なお、ナノチューブ製造装置３００は、ＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置に限られず、容量結合型（平行平板型）プラズマ処理装置、誘導結合型（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｐｌａｓｍａ）プラズマ処理装置、電子サイクロトロン方式（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）のプラズマ処理装置など種々のプラズマ処理装置を使用することができる。
【００４９】
前述したように、金属ナノ粒子Ｍａが成膜されたウエハＷは、真空状態を維持したまま、図示しない真空搬送機構を通ってＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置（ナノチューブ製造装置３００）内の載置台３１５まで搬送される。ＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置では、搬入されたウエハＷ上の金属ナノ粒子を成長させてナノチューブを製造する。
【００５０】
ＲＬＳＡプラズマＣＶＤ装置は、天井面が開口された円筒状の反応容器３０２を有している。天井面の開口には、シャワープレート３０５が嵌め込まれている。反応容器３０２とシャワープレート３０５とは、反応容器３０２の内壁の段差部とシャワープレート３０５の下面外周部との間に配設されたＯリング３１０により密閉され、これにより、プラズマ処理を施す処理室Ｕが形成される。たとえば、反応容器３０２はアルミニウム等の金属からなり、シャワープレート３０５はアルミニウム等の金属または誘電体からなり、電気的に接地されている。
【００５１】
反応容器３０２の底部には、ウエハＷを載置するサセプタ（載置台）３１５が絶縁体３２０を介して設置されている。サセプタ３１５には、整合器３２５ａを介して高周波電源３２５ｂが接続されていて、高周波電源３２５ｂから出力された高周波電力により反応容器３０２の内部に所定のバイアス電圧を印加するようになっている。また、サセプタ３１５の内部には冷却ジャケット３３５が設けられ、ウエハＷを冷却するために冷却水を供給する。
【００５２】
シャワープレート３０５は、その上部にてカバープレート３４０により覆われている。カバープレート３４０の上面には、ラジアルラインスロットアンテナ３４５が設けられている。ラジアルラインスロットアンテナ３４５は、多数の図示しないスロットが形成されたディスク上のスロット板３４５ａと、スロット板３４５を保持するディスク上のアンテナ本体３４５ｂと、スロット板３４５ａとアンテナ本体３４５ｂとの間に設けられ、アルミナなどの誘電体から形成される遅相板３４５ｃと、から構成されている。ラジアルラインスロットアンテナ３４５には、同軸導波管３５０を介してマイクロ波発生器３５５が設置されている。
【００５３】
反応容器３０２には、真空ポンプ（図示せず）が取り付けられていて、ガス排出管３６０を介して反応容器３０２内のガスを排出することにより、反応容器３０２内の圧力を１０-4〜１０-1Ｐａに保持する。また、載置台３１５に配設されている図示しない電気加熱部材及び冷却ジャケット３３５を用いて、ウエハＷの板温度を５００〜８５０℃程度に保持する。
【００５４】
ガス供給源３６５は、バルブＶの開閉およびマスフローコントローラＭＦＣの開度をそれぞれ制御することにより、所望の濃度のガスを反応容器３０２の内部に供給するようになっている。
【００５５】
この状態で、導波管３５０を介してマイクロ波を反応容器３０２内に導入する。また、ガス供給源３６５からナノチューブ生成用のガスを反応容器３０２内に導入する。供給されたガスは、マイクロ波のエネルギーにより分解され、プラズマとなる。生成されたプラズマは、ウエハＷに衝突し、ウエハＷ表面で反応する。これにより、埋め込まれたウエハＷ上の金属ナノ粒子をシードとしてナノチューブを成長させることができる。
【００５６】
なお、金属ナノ粒子の成長物は、チューブ状であってもワイヤ状であってもよい。これにより、ウエハＷ上の金属ナノ粒子を種として、ナノチューブ又はナノワイヤを成長させることができる。
【００５７】
このようにして、本実施形態に係るナノチューブ製造装置３００により、ナノチューブ等のナノ構造体が成長する。ナノ構造体としては、フラーレン、フラーレン誘導体、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノワイヤ等が主として挙げられる。
【００５８】
以上に説明したように、本実施形態に係る配線方法によれば、指向性の高い金属クラスタを用いて配線用パターンの底部までＣｕを埋め込むことにより、埋め込み不良のない配線を形成することができる。
【００５９】
特に、埋め込んだ金属ナノ粒子をシードとしてナノ構造体を成長させることにより配線層３５を形成する場合には、金属ナノ粒子の粒径とナノ構造体の太さとは同じになるため、金属ナノ粒子の粒径によって配線の太さを制御することができる。
【００６０】
（応用例）
本実施形態に係る基板の配線方法は、以上のように半導体チップ内の配線工程に用いることができるだけでなく、半導体チップ間の配線工程にも用いることができる。近年、半導体チップの内部を貫通するスルーホール（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）の電極を用いて、上下の半導体チップ間を電気的に接続する立体配線技術が提案されている。図６では、上部半導体チップ４００の内部にスルーホール（ＴＳＶ）４０５が形成されている。このスルーホール４０５に配線を通し、スルーホール４０５及びバンプ５０５を介して上部半導体チップ４００のパッド電極４１０と下部半導体チップ５００のパッド電極５１０とを導通する。
【００６１】
ここでは、上記ＴＳＶを用いた配線を、本実施形態に係る基板の配線方法により形成する。この３Ｄ配線によれば、径が３０μｍ〜５０μｍのＴＳＶに対して金属ナノ粒子の粒径の太さのナノ構造体を配線することができる。また、パッケージ内配線の抵抗を低減し、複数の半導体チップを積層して一つのパッケージに収めることができるため、小型化、システムとしての処理の高速化、消費電力の低下を図ることができる。
【００６２】
上記実施形態に係る基板の配線方法において、各部の動作は互いに関連しており、互いの関連を考慮しながら、一連の動作及び一連の処理として置き換えることができる。これにより、基板の配線方法の実施形態を、基板を配線する半導体製造装置の実施形態とすることができる。
【００６３】
これにより、真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する半導体製造装置であって、前記半導体製造装置は、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルを備え、基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前記前工程後、前記ガスノズルから金属ソースを前記処理容器内に放出することによりクラスタ化された金属ガスを生成し、該クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含む工程を実行することを特徴とする半導体製造装置の実施形態が実現可能となる。
【００６４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６５】
例えば、上記実施形態に係る基板の配線方法は、デュアルダマシン構造の配線工程でのＣＵの埋め込み及びＴＳＶを用いた３次元配線に用いたが、これに限定されず、基板上へのいずれの配線にも適用できる。
【００６６】
また、本発明に係る配線用パターンは、溝やホール（孔）に限られず、いずれの形状であってもよい。
【００６７】
また、上記実施形態に係る基板の配線方法ではＣｕにより配線層を形成したが、これに限られず、別の金属により配線層を形成することもできる。
【００６８】
本発明に係る基板は、半導体ウエハＷであってもよく、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）であってもよい。
【００６９】
本発明に係るクラスタ装置は、イオン化器及び加速器を内蔵していてもよい。この場合、クラスタ化された金属ガスは、ガスノズルから供給され、イオン化器によりイオン化された後、加速器により加速され、保持部材１５５に保持されたウエハＷの表面に対して垂直に供給される。この機構は、ＧＣＩＢ（Ｇａｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）と呼ばれている。
【符号の説明】
【００７０】
１０ クラスタ装置
２０、２４ Ｌｏｗ−ｋ膜
２１ バリアメタル
２２ Ｃｕ配線層
２４ａ ビアホール
２４ｂ トレンチ
３２ バリア材
３５ 配線層
１００ 処理容器
１００ａ ガス供給室
１００ｂ 処理室
１１０ ガスノズル
１１０ａ ガスノズルの出口
１２０ 遮断器
１５５ 保持部材
３００ ナノチューブ製造装置
４００ 上部半導体チップ
４０５ スルーホール
５００ 下部半導体チップ
５０５ バンプ
Ｂ ビア底
Ｃｇ 金属ガスクラスタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する方法であって、
基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、
前工程後、クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含むことを特徴とする基板の配線方法。
【請求項２】
前記埋め込み工程は、金属ソースを、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルから前記処理容器内に放出することによりクラスタ化することを特徴とする請求項１に記載の基板の配線方法。
【請求項３】
前記埋め込み工程は、前記配線用パターンの表面に前記金属ナノ粒子を埋め込むことにより、金属のバリア材を形成する工程と、
前記バリア材が形成された前記配線用パターンの内部に配線となる金属を埋め込む工程とを含む請求項１又は２に記載の基板の配線方法。
【請求項４】
前記ガスノズルと前記基板との距離ｄは、式１にて定義される前記ガスノズルの出口から衝撃波が発生する位置までの距離Ｘｍより長く設定され、
前記バリア材を形成する工程は、前記発生した衝撃波を用いて前記金属ナノ粒子を基板に衝突させることを特徴とする請求項３に記載の基板の配線方法。
【数１】
ただし、Ｄ０はガスノズルの出口の内径、Ｐｓはガスノズルの内部圧力、Ｐ０は処理容器の内部圧力である。
【請求項５】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．４ＭＰａ以上であり、
前記処理容器の内部圧力Ｐ０は、１．５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の基板の配線方法。
【請求項６】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．９ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板の配線方法。
【請求項７】
前記基板の配線方法は、半導体チップ内の配線工程、又は半導体チップ間の配線工程に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の基板の配線方法。
【請求項８】
真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する半導体製造装置であって、
前記半導体製造装置は、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルを備え、
基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前記前工程後、前記ガスノズルから金属ソースを前記処理容器内に放出することによりクラスタ化された金属ガスを生成し、該クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含む工程を実行することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項１】
真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する方法であって、
基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、
前工程後、クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含むことを特徴とする基板の配線方法。
【請求項２】
前記埋め込み工程は、金属ソースを、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルから前記処理容器内に放出することによりクラスタ化することを特徴とする請求項１に記載の基板の配線方法。
【請求項３】
前記埋め込み工程は、前記配線用パターンの表面に前記金属ナノ粒子を埋め込むことにより、金属のバリア材を形成する工程と、
前記バリア材が形成された前記配線用パターンの内部に配線となる金属を埋め込む工程とを含む請求項１又は２に記載の基板の配線方法。
【請求項４】
前記ガスノズルと前記基板との距離ｄは、式１にて定義される前記ガスノズルの出口から衝撃波が発生する位置までの距離Ｘｍより長く設定され、
前記バリア材を形成する工程は、前記発生した衝撃波を用いて前記金属ナノ粒子を基板に衝突させることを特徴とする請求項３に記載の基板の配線方法。
【数１】
ただし、Ｄ０はガスノズルの出口の内径、Ｐｓはガスノズルの内部圧力、Ｐ０は処理容器の内部圧力である。
【請求項５】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．４ＭＰａ以上であり、
前記処理容器の内部圧力Ｐ０は、１．５Ｐａ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の基板の配線方法。
【請求項６】
前記ガスノズルの内部圧力ＰＳは、０．９ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板の配線方法。
【請求項７】
前記基板の配線方法は、半導体チップ内の配線工程、又は半導体チップ間の配線工程に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の基板の配線方法。
【請求項８】
真空状態に保持された処理容器内にて、配線用パターンが形成された基板を配線する半導体製造装置であって、
前記半導体製造装置は、内部圧力ＰＳが前記処理容器の内部圧力Ｐ０より高圧に保持されたガスノズルを備え、
基板上の配線用パターンを所望のクリーニングガスにより洗浄する前工程と、前記前工程後、前記ガスノズルから金属ソースを前記処理容器内に放出することによりクラスタ化された金属ガスを生成し、該クラスタ化された金属ガスを用いて前記配線用パターン内に金属ナノ粒子を埋め込む埋め込み工程と、を含む工程を実行することを特徴とする半導体製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１８７７０４（Ｐ２０１１−１８７７０４Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１７３６（Ｐ２０１０−５１７３６）
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（０００１５８３１２）岩谷産業株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【出願人】（０００１５８３１２）岩谷産業株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
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