JPWO2004061926A1 - 半導体装置の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

表面に絶縁領域と金属領域とが露出した基板の該表面を、有機系洗浄液を用いて洗浄する。洗浄された基板の表面に紫外線を照射する。これにより、基板表面に残留物が残ることを抑制することができる。

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び製造装置に関し、特に絶縁膜に形成した凹部に金属を埋め込んで配線を形成する半導体装置の製造方法及びその製造装置に関する。

近年、半導体集積回路装置（ＬＳＩ）の高速化に伴い、チップ内の電子回路同士を接続する配線を伝搬する電気信号の遅延が、ＬＳＩのさらなる高速化の障害になってきている。また、配線の信頼性向上も重要な課題であり、従来のアルミニウム（Ａｌ）に代わる配線材料として銅（Ｃｕ）が注目されている。配線材料として銅を用いる場合、銅膜のエッチングが困難である等の理由から、ダマシン法が採用される。
従来のダマシン法による銅配線の形成方法について簡単に説明する。半導体基板上の層間絶縁膜に、配線溝を形成する。配線溝の内面及び層間絶縁膜の上面をバリアメタル層で覆う。バリアメタル層の表面上に銅のシード層を形成し、銅をめっきすることにより、配線溝内を銅で埋め込む。
層間絶縁膜上の余分な銅膜及びバリアメタル層を化学機械研磨（ＣＭＰ）により除去し、層間絶縁膜の表面を露出させる。これにより、配線溝内に銅配線が残る。ＣＭＰ後、基板表面をアンモニアまたは有機アルカリ等のアルカリ性の薬液や有機酸で洗浄し、乾燥させる（例えば、特開平１１−３３００２３号公報）。
基板表面を乾燥させた直後は、表面上に残留物等は観察されず、清浄な状態になっているように見える。ところが、クリーンエア中に約１日間放置した後に表面を観察すると、残留物が見られた。アルカリ性薬液や有機酸を用いた洗浄及びその後の乾燥のみでは、ＣＭＰで用いたスラリに含まれる有機化合物や、洗浄液に含まれる有機化合物が表面上に残留してしまうものと考えられる。この残留物に起因して銅配線の表面が酸化されたり変質したりすることがある。
本発明の目的は、ＣＭＰ後の基板表面に残留物が残ることを抑制することが可能な半導体装置の製造方法及びその製造装置を提供することである。

本発明の一観点によると、表面に絶縁領域と金属領域とが露出した基板の該表面を、有機系洗浄液を用いて洗浄する工程と、洗浄された前記基板の表面に紫外線を照射する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の他の観点によると、ウエハを回転可能に保持するウエハ保持手段と、前記ウエハ保持手段に保持されたウエハの表面に紫外線を照射する紫外光源とを有する製造装置が提供される。
洗浄された基板の表面に紫外線を照射することにより、表面に残留する残留物を除去することができる。

図１〜図３は、本発明の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための基板の断面図である。
図４は、実施例による方法で使用されるＣＭＰ装置及び洗浄装置の配置図である。
図５は、実施例による方法で使用され乾燥装置の概略断面図である。
図６は、実施例による方法で作製した銅配線が露出した基板の表面の顕微鏡写真である。
図７は、参考例による方法で作製した銅配線が露出した基板の表面の顕微鏡写真である。

図１〜図３を参照して、本発明の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。
図１に示すように、シリコンからなる半導体基板１の表面上に形成された素子分離絶縁膜２により活性領域が画定されている。この活性領域の表面上に、ソース領域３Ｓ、ドレイン領域３Ｄ、及びゲート電極３Ｇを有するＭＯＳトランジスタ３が形成されている。
ＭＯＳトランジスタ３を覆うように、半導体基板１の上に、フォスフォシリケートガラス（ＰＳＧ）からなる層間絶縁膜４が形成されている。層間絶縁膜４は、基板温度６００℃で化学気相成長（ＣＶＤ）により厚さ１．５μｍのＰＳＧ膜を堆積させた後、化学機械研磨（ＣＭＰ）により表面の平坦化を行ったものである。
層間絶縁膜４の上に、窒化シリコンからなる厚さ５０ｎｍの保護膜５が形成されている。保護膜５及び層間絶縁膜４を貫通し、ドレイン領域３Ｄの表面まで達するビアホール６が形成されている。ビアホール６の底面及び側面が、ＴｉＮ等のバリアメタル層７で覆われ、ビアホール６内にタングステン（Ｗ）等の導電性プラグ８が充填されている。
保護膜５の上に、原料ガスとして有機シロキサン等を用いたＣＶＤにより、ＳｉＯＣからなる厚さ１００〜２０００ｎｍ程度の絶縁膜１０を形成する。絶縁膜１０に、保護膜５の表面まで達する配線溝１１を形成する。配線溝１１の底面に導電性プラグ８の上面が現れる。
配線溝１１の内面及び絶縁膜１０の上面上に、ＴａＮまたはＴａからなる厚さ５〜５０ｎｍのバリアメタル層１４をスパッタリングにより形成する。バリアメタル層１４の表面上に、スパッタリングにより銅のシード層を形成し、銅または銅合金を電解めっきすることにより金属膜１５を形成する。配線溝１１の内部が金属膜１５で埋め込まれる。
図２に示すように、図１に示した金属膜１５及びバリアメタル層１４を、絶縁膜１０が露出するまで化学機械研磨する。配線溝１１の内面上にバリアメタル層１４Ａが残り、配線溝１１内に埋め込まれた銅配線１５Ａが残る。
化学機械研磨後、絶縁膜１０及び銅配線１５Ａの表面が露出した基板を、前処理液に５０秒間浸漬させる。前処理液への浸漬を「前処理」と呼ぶこととする。前処理液は、例えばベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）とテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）とを含有する水溶液である。ＢＴＡの濃度は０．０５体積％であり、ＴＭＡＨの濃度は０．２体積％である。ＢＴＡは、銅の腐食を防止するための腐食防止剤である。なお、前処理液のＴＭＡＨ濃度を０．０１〜１．２体積％としてもよい。また、ＢＴＡ濃度を０．００１〜１．０体積％としてもよい。また、基板を前処理液に浸漬させた状態で超音波処理を行ってもよい。
前処理後、洗浄液で、基板表面のブラシ洗浄を行う。洗浄液は、シュウ酸、クエン酸等の有機酸を含む酸性の薬液である。ブラシ洗浄後、スピンリンスドライヤで基板を乾燥させる。
乾燥した基板の表面に、紫外線を照射する。なお、本実施例のようにスピンリンスドライヤで基板を乾燥させた後に紫外線を照射してもよいし、乾燥処理と紫外線照射処理とを同時に行ってもよい。
紫外線を照射した後、アンモニアプラズマまたは水素プラズマを用いて、銅配線１５Ａの表面を還元する。表面に酸化銅が形成されている場合には、このプラズマ処理により酸化銅が除去される。
図３に示すように、絶縁膜１０の上に、窒化シリコンからなる厚さ５０ｎｍのエッチングストッパ膜（拡散防止膜）２０、ＳｉＯＣからなる厚さ１００〜２０００ｎｍ程度の層間絶縁膜２１を、ＣＶＤにより順番に形成する。周知のデュアルダマシン法により、層間絶縁膜２１の厚さ方向の途中まで達する配線溝２２を形成するとともに、配線溝２２の底面の一部分に、下層の銅配線１５Ａの上面まで達するビアホール２３を形成する。
ビアホール２３の底面と側面及び配線溝２２の底面と側面を覆うＴａＮまたはＴａからなるバリアメタル層２４、及びビアホール２３及び配線溝２２の内部に埋め込まれた銅配線２５を形成する。バリアメタル層２４及び銅配線２５は、第１層目の配線層のバリアメタル層１４Ａ及び銅配線１５Ａの形成方法と同様の方法で形成される。銅配線２５を形成した後、第１層目の銅配線１５Ａの形成後の工程と同様に、基板表面の洗浄、乾燥、及び紫外線照射を行う。
同様の方法で、第３層目以上の配線を形成することができる。
図４に、上記実施例で使用されるＣＭＰ、洗浄、及び乾燥装置の配置図を示す。以下、ＣＭＰ、洗浄、及び乾燥工程について、より詳細に説明する。ウエハカセット設置場所５０に複数のウエハカセット６０が設置されている。ウエハカセット６０には、図１に示した金属膜１５が形成されたウエハが保持されている。
ウエハカセット６０に保持されているウエハを、搬送装置によりウエハ受渡場所５３まで移送する。ウエハヘッドが、ウエハ受渡場所５３に移送されたウエハを受け取り、銅研磨用プラテン５１上まで移送する。ここで銅膜の研磨及び水洗を行う。水洗されたウエハを、ウエハヘッドがバリアメタル研磨用プラテン５２上まで移送する。ここで、バリアメタル層の研磨及び水洗を行う。水洗されたウエハをウエハ受渡場所５３に戻す。
搬送装置が、ウエハ受渡場所５３に戻されたウエハを、洗浄装置５４に移送する。洗浄装置５４内に、有機アルカリ洗浄装置５５、有機酸洗浄装置５６、及びスピンリンスドライヤ５７が配置されている。有機アルカリ洗浄装置５５は、例えばベンゾトリアゾール（ＢＴＡ）とテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）とを含有する薬液が満たされた処理槽を含む。ＢＴＡの濃度は０．０５体積％であり、ＴＭＡＨの濃度は０．２体積％である。有機酸洗浄装置５６は、シュウ酸、クエン酸等の有機酸を用いるブラシ洗浄装置である。
洗浄装置５４に移送されたウエハを、有機アルカリ洗浄装置５５の薬液に浸漬させる。その後、有機酸洗浄装置５６で、有機酸を用いたブラシ洗浄を行う。ブラシ洗浄後、基板をスピンリンスドライヤ５７に設置する。
図５に、スピンリンスドライヤ５７の概略断面図を示す。容器７０内にウエハ保持アーム７１が配置されている。ウエハ保持アーム７１は、ウエハ７５を回転可能に保持する。ノズル７２が、ウエハ保持アーム７１に保持されたウエハ７５の表面に水洗用の水を吹き付ける。ウエハ固定用アーム７１に保持されたウエハ７５の表面に対向する位置に、キセノンランプ７３が取り付けられている。キセノンランプ７３は、波長２４８ｎｍの光を含む紫外線を発光する。ウエハ７５とキセノンランプ７３との間隔は約１０ｃｍである。
有機酸によるブラシ洗浄が終了して、スピンリンスドライヤ５７にウエハ７５が設置されると、ノズル７２からウエハ７５に水を吹き付けながらウエハ７５を回転させることにより水洗する。その後、水の吹き付けを停止させ、ウエハ７５をスピン乾燥させる。乾燥後、紫外線ランプ７３を点灯させ、ウエハ７５に紫外線を照射する。
紫外線を照射されたウエハ７５は、搬送装置により、ウエハカセット設置場所５０に設置されているウエハカセットに戻される。
図６に、上記実施例による方法で銅配線を形成して、洗浄、乾燥、及び紫外線照射を行い、約１日放置した後のウエハ表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。紫外線の照射時間は３０秒とした。
写真中の濃い細い線が絶縁領域であり、淡い太い線が銅配線である。残留物は観察されなかった。
図７に、紫外線照射を行うことなく約１日放置したウエハ表面のＳＥＭ写真を示す。ウエハ表面に残留物が残っていることが分かる。この残留物は、洗浄液に含まれる有機化合物の残渣と考えられる。
実施例による方法のように、乾燥後に紫外線を照射すると、残留物が分解されて、ウエハ表面が清浄化されるものと考えられる。
上記実施例では、キセノンランプを用いて紫外線を照射したが、有機残留物を分解することができる波長域の紫外線を放射する他の紫外線光源を用いてもよい。例えば、水銀ランプ、ＫｒＦランプ、蛍光ランプ等を用いてもよい。紫外線の波長が短くなりすぎると、ウエハに形成されている半導体素子がダメージを受ける。このため、照射する紫外線が波長１９０ｎｍよりも短い成分を含まないようにすることが好ましい。また、波長が長くなると、有機残留物が分解しにくくなり、照射時間を長くしなければならなくなる。このため、紫外線の波長を１９０〜４００ｎｍとすることが好ましい。
紫外線の照射時間は、１５秒以上とすることが好ましい。また、照射時間を６０秒より長くしても、残留物除去効果に大きな差は見られない。
また、上記実施例では、ＳｉＯＣからなる層間絶縁膜に銅配線を埋め込んだ基板を例にとって、表面の洗浄、乾燥方法を説明したが、実施例で示した洗浄、乾燥方法は、他の絶縁材料からなる層間絶縁膜に、銅以外の金属配線を埋め込んだ基板の表面の洗浄にも適用することができる。層間絶縁膜の材料として、例えば、ＳｉＬＫ（ダウ・ケミカル社の登録商標）、ＳｉＯ_２、フッ素ドープＳｉＯ_２等が挙げられる。配線材料として、銅を主成分とする合金等が挙げられる。
また、上記実施例では、ＣＭＰ後の基板表面をＴＭＡＨや有機酸で洗浄したが、他の有機系洗浄液を用いて洗浄する場合に、紫外線照射によって残留物を除去する効果が期待できる。
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

Claims (9)

1. （ａ）表面に絶縁領域と金属領域とが露出した基板の該表面を、洗浄液を用いて洗浄する工程と、
   （ｂ）洗浄された前記基板の表面に紫外線を照射する工程と
   を有する半導体装置の製造方法。
2. 前記工程（ａ）が、
   表面に半導体素子が形成された半導体基板の表面上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
   前記第１の絶縁膜に凹部を形成する工程と、
   前記凹部内を埋め込むように、前記第１の絶縁膜の上に金属膜を堆積させる工程と、
   前記金属膜を、前記第１の絶縁膜の表面が露出するまで化学機械研磨する工程と
   を含む請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記工程（ｂ）が
   前記基板の表面を水洗する工程と、
   前記基板の表面に紫外線を照射しながら、該基板を乾燥させる工程と
   を含む請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記工程（ｂ）の後に、さらに、
   基板の表面を還元性雰囲気にさらして還元処理を行う工程と、
   還元された前記基板の表面上に第２の絶縁膜を形成する工程と
   を含む請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記基板の表面に露出した金属領域が銅または銅合金からなる配線である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記工程（ｂ）で照射する紫外線の波長域が１９０ｎｍよりも長い請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
7. ウエハを回転可能に保持するウエハ保持手段と、
   前記ウエハ保持手段に保持されたウエハの表面に紫外線を照射する紫外光源とを有する製造装置。
8. さらに、前記ウエハ保持手段に保持されたウエハの表面にリンス液を吹き付けるノズルを有する請求項７に記載の製造装置。
9. 前記紫外光源が、波長１９０ｎｍよりも長い波長の紫外線を放射する請求項７または８に記載の製造装置。

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