JP2000077408A - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダマシンプロセスによって埋め込みメタル配
線を形成する際、絶縁膜上に成膜したメタル層を低熱負
荷で安定にリフローさせる。 【解決手段】 ウエハ１の主面上の酸化シリコン膜２３
に溝２４〜２７を形成した後、溝２４〜２７の内部を含
む酸化シリコン膜２３上にＣｕ膜を堆積する。次に、水
素ガスおよび酸素ガスから触媒により合成された水蒸気
と水素とを含んだ混合ガス雰囲気下でＣｕ膜をリフロー
することによって、溝２４〜２７の内部にＣｕ膜を流し
込んだ後、溝２４〜２７の外部の不要なＣｕ膜をＣＭＰ
法によって除去することにより、溝２４〜２７の内部に
Ｃｕ配線３０〜３３を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路装
置の製造技術に関し、特に、絶縁膜上に成膜したメタル
層をリフローして絶縁膜の溝やスルーホールに埋め込ん
だ後、メタル層に機械的平坦化処理を施して埋め込みメ
タル配線を形成するプロセスに適用して有効な技術に関
する。

【０００２】

【従来の技術】特開平８−３１６２３３号公報は、あら
かじめ配線形成領域に溝やコンタクトホールを形成した
半導体基板上にＣｕ（銅）やＡｇ（銀）などを主体とす
る導電膜を成膜し、酸化性ガスおよび還元性ガスを供給
しながら導電膜をリフローして溝やコンタクトホールに
充填した後、配線形成領域以外の導電膜を研磨により除
去して埋め込み配線を形成する技術を開示している。

【０００３】特開平８−２６４５３５号公報は、シリコ
ンウエハ上の酸化シリコン膜に配線溝を形成し、次いで
スパッタリング法によって配線溝を含む酸化シリコン膜
上にＣｕ膜を堆積した後、Ｃｕ膜をスパッタリング装置
から大気中に晒すことによってその表面を酸化し、次に
水素雰囲気中で熱処理することによって配線溝に充填し
た後、ＣＭＰ法で酸化シリコン膜上のＣｕ膜を除去し、
配線溝にＣｕ配線を形成する技術を開示している。

【０００４】特開平５−１５２２８２号公報は、水素ガ
ス導入管の内面をＮｉ（ニッケル）またはＮｉ含有材料
で形成すると共に、水素ガス導入管を加熱する手段を備
えた熱酸化装置を開示している。この熱酸化装置は、３
００℃以上に加熱した水素ガス導入管内のＮｉ（または
Ｎｉ含有材料）に水素を接触させて水素活性種を生じさ
せ、この水素活性種と酸素（または酸素含有ガス）とを
反応させることによって水を生成する構造になってい
る。

【０００５】１９９２年１２月１日および２日に行われ
た半導体集積回路技術第４５回シンポジウム公演論文集
ｐ１２８〜ｐ１３３は、ステンレス触媒により合成さ
れた水蒸気を含む強還元性雰囲気下における酸化膜形成
技術を開示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Ｓｉ（シリコン）ウエ
ハ上に形成される回路の高集積化に伴い、ディープサブ
ミクロン・オーダの微細なデザインルールで形成される
配線の材料として、従来使用されてきたＡｌ（アルミニ
ウム）よりも電気抵抗が低く、かつエレクトロマイグレ
ーション耐性の高いＣｕ（銅）の導入が進められてい
る。

【０００７】Ａｌを主体とするメタル材料をパターニン
グして配線を形成する場合には、従来よりフォトレジス
ト膜をマスクに用いたドライエッチング技術が使用され
ている。しかし、Ｃｕの場合は、選択比に優れたフォト
レジストが開発されていないなどの理由から、あらかじ
め溝やスルーホールを形成した絶縁膜上にスパッタリン
グ法などによってＣｕ膜を堆積した後、ＣＭＰ（化学的
機械的研磨）法などの機械的平坦化処理によって絶縁膜
上の不要なＣｕ膜を除去し、溝やスルーホールの内部に
埋め込みＣｕ配線を形成する、いわゆるダマシン(Damas
cene) プロセスが採用される。

【０００８】上記したダマシンプロセスでは、ボイド
（空隙）などの欠陥が生じないＣｕ配線を形成するため
の重要な課題として、絶縁膜上に堆積したＣｕ膜を溝や
スルーホール内に十分に埋め込むことが要求される。溝
やスルーホール内にボイドを生じることなくＣｕ膜を埋
め込むためには、成膜後にリフロー処理を行なってＣｕ
膜の表面を流動させることが考えられるが、Ｃｕ膜の表
面流動を促進するためにリフロー温度を高くしたり、リ
フロー時間を長くしたりすることは、素子の劣化を引き
起こしたり、絶縁膜中へのＣｕの拡散を増速させるたり
することとなるため望ましくない。

【０００９】本発明の目的は、絶縁膜上に成膜したメタ
ル層をリフローして絶縁膜の溝やスルーホールに埋め込
んだ後、メタル層に機械的平坦化処理を施して埋め込み
メタル配線を形成する際、絶縁膜上に成膜したメタル層
を低熱負荷で安定にリフローさせることのできる技術を
提供することにある。

【００１０】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかに
なるであろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
次のとおりである。

【００１２】本発明の半導体集積回路装置の製造方法
は、ウエハの主面上の絶縁膜に孔または溝を形成した
後、前記孔または溝の内部を含む前記絶縁膜上にＣｕを
主要な成分として含むメタル層を形成し、次に、水蒸気
および還元性ガスを含む混合ガス雰囲気下で前記メタル
層にリフロー処理を施した後、前記孔または溝の外部の
前記メタル層を機械的平坦化処理で除去することによっ
て、前記孔または溝の内部に埋め込みメタル配線を形成
するものである。

【００１３】上記した発明以外の本願発明の概要を簡単
に項分けして記載すれば、以下の通りである。すなわ
ち、 １．以下の工程を含む半導体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）水蒸気および
還元性ガスを含む混合ガス雰囲気下で、前記メタル層に
リフロー処理を施す工程、（ｄ）リフロー処理された前
記第１の主面側に機械的平坦化処理を施すことによっ
て、前記孔または溝の外部の前記メタル層を除去する工
程。

【００１４】２．前記請求項１において、前記還元性ガ
スは、水素ガスを主要な成分として含む半導体集積回路
装置の製造方法。

【００１５】３．前記請求項２において、前記リフロー
処理は、摂氏３００℃から５００℃の温度範囲で行われ
る半導体集積回路装置の製造方法。

【００１６】４．前記請求項３において、前記混合ガス
に占める前記水蒸気の分圧は、１％から３０％である半
導体集積回路装置の製造方法。

【００１７】５．前記請求項４において、前記混合ガス
雰囲気は、前記メタル層に対して酸化性でも還元性でも
ないガスを含む半導体集積回路装置の製造方法。

【００１８】６．以下の工程を含む半導体集積回路装置
の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）酸化性ガスお
よび還元性ガスを含む雰囲気下で、かつ準大気圧減圧領
域またはそれ以上の気圧下において、前記メタル層にリ
フロー処理を施す工程、（ｄ）リフロー処理された前記
第１の主面側に機械的平坦化処理を施すことによって、
前記孔または溝外部の前記メタル層を除去する工程。

【００１９】７．前記請求項６において、前記準大気圧
減圧領域の気圧は、１０Torr以上である半導体集積回路
装置の製造方法。

【００２０】８．以下の工程を含む半導体集積回路装置
の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）水素ガスと酸
素ガスから触媒により合成された水蒸気を含むガス雰囲
気下で、前記メタル層にリフロー処理を施す工程、
（ｄ）リフロー処理された前記第１の主面側に機械的平
坦化処理を施すことによって、前記孔または溝外部の前
記メタル層を除去する工程。

【００２１】９．前記請求項８において、前記水蒸気の
合成は、前記リフロー処理と実質的に並行して行われる
半導体集積回路装置の製造方法。

【００２２】１０．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅または高融
点金属を主要な成分とするメタル層を形成する工程、
（ｃ）水素ガスと酸素ガスから触媒により合成された水
蒸気を含むガス雰囲気下で、前記メタル層にリフローの
ための第１の加熱処理を施す工程、（ｄ）前記工程の
後、還元性ガスを含むガス雰囲気下で、前記メタル層に
第２の加熱処理を施す工程、（ｅ）前記工程の後、リフ
ロー処理された前記第１の主面側に機械的平坦化処理を
施すことによって、前記孔または溝外部の前記メタル層
を除去する工程。

【００２３】１１．前記請求項１０において、前記工程
（ｃ）および（ｄ）が交互に複数回繰り返される半導体
集積回路装置の製造方法。

【００２４】１２．前記請求項１０において、前記水蒸
気の合成は、前記リフロー処理と実質的に並行して行わ
れる半導体集積回路装置の製造方法。

【００２５】１３．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）混合ガスから
触媒により合成された水蒸気を含む第１のガスを還元性
ガスを含む第２のガスで希釈したガス雰囲気下で、前記
メタル層にリフロー処理を施す工程、（ｄ）リフロー処
理された前記第１の主面側に機械的平坦化処理を施すこ
とによって、前記孔または溝外部の前記メタル層を除去
する工程。

【００２６】１４．前記請求項１３において、前記水蒸
気の合成は、前記リフロー処理と実質的に並行して行わ
れる半導体集積回路装置の製造方法。

【００２７】１５．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅または高融
点金属を主要な成分とするメタル層を形成する工程、
（ｃ）前記メタル層が形成された前記ウエハを外気に晒
すことなく、酸化性ガスおよび還元性ガスを含むガス雰
囲気下で、前記メタル層にリフロー処理を施す工程、
（ｄ）リフロー処理された前記第１の主面側に機械的平
坦化処理を施すことによって、前記孔または溝外部の前
記メタル層を除去する工程。

【００２８】１６．前記請求項１５において、前記メタ
ル層の形成は、スパッタリング法により行われる半導体
集積回路装置の製造方法。

【００２９】１７．前記請求項１５において、前記メタ
ル層の形成は、化学的気相成長法により行われる半導体
集積回路装置の製造方法。

【００３０】１８．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅または高融
点金属を主要な成分とするメタル層を液相中において形
成する工程、（ｃ）還元性ガスを含む第１のガス雰囲気
下で、前記メタル層に表面処理を施す工程、（ｄ）前記
工程の後、酸化性ガスおよび還元性ガスを含むガス雰囲
気下で、前記メタル層にリフロー処理を施す工程、
（ｅ）リフロー処理された前記第１の主面側に機械的平
坦化処理を施すことによって、前記孔または溝外部の前
記メタル層を除去する工程。

【００３１】１９．前記請求項１８において、前記メタ
ル層の形成は、液相メッキによって行われる半導体集積
回路装置の製造方法。

【００３２】２０．前記請求項１８において、前記表面
処理は、プラズマ処理によって行われる半導体集積回路
装置の製造方法。

【００３３】２１．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上にメタル層を形成する工
程、（ｃ）水蒸気および水素ガスを含む混合ガス雰囲気
下で前記メタル層にリフロー処理を施す工程、（ｄ）前
記絶縁膜の上部の前記メタル層をＣＭＰ法で研磨して除
去することによって、前記半導体素子または前記下層配
線と電気的に接続されるメタル配線を前記溝の内部に形
成する工程。

【００３４】２２．前記項２１において、前記メタル層
は、銅または銅を主要な成分として含む銅合金からなる
半導体集積回路装置の製造方法。

【００３５】２３．前記項２１において、前記リフロー
処理の温度は、３００℃〜５００℃である半導体集積回
路装置の製造方法。

【００３６】２４．前記項２１において、前記混合ガス
に占める前記水蒸気の分圧は、０．１％〜３０％である
半導体集積回路装置の製造方法。

【００３７】２５．前記項２１において、前記混合ガス
に占める前記水蒸気の分圧は、１％〜３０％である半導
体集積回路装置の製造方法。

【００３８】２６．前記項２１において、前記混合ガス
に占める前記水蒸気の分圧は、１％〜３０％である半導
体集積回路装置の製造方法。

【００３９】２７．前記請項２１において、１０Torr以
上の気圧下で前記メタル層に前記リフロー処理を施す半
導体集積回路装置の製造方法。

【００４０】２８．前記項２１において、前記溝の内部
を含む前記絶縁膜上にバリア層を介して前記メタル層を
形成する半導体集積回路装置の製造方法。

【００４１】２９．前記項２１において、前記混合ガス
雰囲気は、不活性ガスを含む半導体集積回路装置の製造
方法。

【００４２】３０．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上にメタル層を形成する工
程、（ｃ）水素ガスと酸素ガスとから触媒により合成さ
れた水蒸気および水素ガスを含む混合ガス雰囲気下で前
記メタル層にリフロー処理を施す工程、（ｄ）前記絶縁
膜の上部の前記メタル層をＣＭＰ法で研磨して除去する
ことによって、前記半導体素子または前記下層配線と電
気的に接続されるメタル配線を前記溝の内部に形成する
工程。

【００４３】３１．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上にメタル層を形成する工
程、（ｃ）水素ガスと酸素ガスとから触媒により合成さ
れた水蒸気を含むガス雰囲気下で前記メタル層に第１の
リフロー処理を施す工程、（ｄ）還元性ガスを含むガス
雰囲気下で前記メタル層に第２のリフロー処理を施す工
程、（ｅ）前記絶縁膜の上部の前記メタル層をＣＭＰ法
で研磨して除去することによって、前記半導体素子また
は前記下層配線と電気的に接続されるメタル配線を前記
溝の内部に形成する工程。

【００４４】３２．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜にコンタクトホールまたはスル
ーホールを形成する工程、（ｂ）前記コンタクトホール
または前記スルーホールの上部の前記絶縁膜に溝を形成
する工程、（ｃ）前記コンタクトホールまたは前記スル
ーホールおよび前記溝の内部を含む前記絶縁膜上にメタ
ル層を形成する工程、（ｄ）水蒸気および水素ガスを含
む混合ガス雰囲気下で前記メタル層にリフロー処理を施
す工程、（ｅ）前記絶縁膜の上部の前記メタル層をＣＭ
Ｐ法で研磨して除去することによって、前記半導体素子
または前記下層配線と電気的に接続されるメタル配線を
前記コンタクトホールまたは前記スルーホールおよび前
記溝の内部に形成する工程。

【００４５】３３．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜にコンタクトホールまたはスル
ーホールを形成する工程、（ｂ）前記コンタクトホール
または前記スルーホールの上部の前記絶縁膜に溝を形成
する工程、（ｃ）前記コンタクトホールまたは前記スル
ーホールおよび前記溝の内部を含む前記絶縁膜上にメタ
ル層を形成する工程、（ｄ）水素ガスと酸素ガスとから
触媒により合成された水蒸気および水素ガスを含む混合
ガス雰囲気下で前記メタル層にリフロー処理を施す工
程、（ｅ）前記絶縁膜の上部の前記メタル層をＣＭＰ法
で研磨して除去することによって、前記半導体素子また
は前記下層配線と電気的に接続されるメタル配線を前記
コンタクトホールまたは前記スルーホールおよび前記溝
の内部に形成する工程。

【００４６】３４．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に第１絶縁膜を形成した後、前記半導
体素子または前記下層配線と電気的に接続される配線を
形成すべき領域の前記第１絶縁膜にコンタクトホールま
たはスルーホールを形成する工程、（ｂ）前記コンタク
トホールまたは前記スルーホールの内部にプラグを形成
する工程、（ｃ）前記第１絶縁膜の上部に第２絶縁膜を
形成した後、前記プラグが形成された前記コンタクトホ
ールまたは前記スルーホールの上部の前記第２絶縁膜に
溝を形成する工程、（ｄ）前記溝の内部を含む前記第２
絶縁膜上にメタル層を形成する工程、（ｅ）水蒸気およ
び水素ガスを含む混合ガス雰囲気下で前記メタル層にリ
フロー処理を施す工程、（ｆ）前記第２絶縁膜の上部の
前記メタル層をＣＭＰ法で研磨して除去することによっ
て、前記プラグと電気的に接続されるメタル配線を前記
溝の内部に形成する工程。

【００４７】３５．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上にスパッタリング法また
はＣＶＤ法によってメタル層を形成する工程、（ｃ）前
記工程（ｂ）の後、前記メタル層を大気に晒すことな
く、水素ガスと酸素ガスとから触媒により合成された水
蒸気および水素ガスを含む混合ガス雰囲気下で前記メタ
ル層にリフロー処理を施す工程、（ｄ）前記絶縁膜の上
部の前記メタル層をＣＭＰ法で研磨して除去することに
よって、前記半導体素子または前記下層配線と電気的に
接続されるメタル配線を前記溝の内部に形成する工程。

【００４８】３６．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上に液相メッキによってメ
タル層を形成する工程、（ｃ）前記メタル層の表面を水
素アニール処理またはプラズマ処理する工程、（ｄ）前
記工程（ｃ）の後、前記メタル層を大気に晒すことな
く、水蒸気および水素ガスを含む混合ガス雰囲気下で前
記メタル層にリフロー処理を施す工程、（ｅ）前記絶縁
膜の上部の前記メタル層をＣＭＰ法で研磨して除去する
ことによって、前記半導体素子または前記下層配線と電
気的に接続されるメタル配線を前記溝の内部に形成する
工程。

【００４９】３７．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上に液相メッキによってメ
タル層を形成する工程、（ｃ）前記メタル層の表面を水
素アニール処理またはプラズマ処理する工程、（ｄ）前
記工程（ｃ）の後、前記メタル層を大気に晒すことな
く、水素ガスと酸素ガスとから触媒により合成された水
蒸気および水素ガスを含む混合ガス雰囲気下で前記メタ
ル層にリフロー処理を施す工程、（ｅ）前記絶縁膜の上
部の前記メタル層をＣＭＰ法で研磨して除去することに
よって、前記半導体素子または前記下層配線と電気的に
接続されるメタル配線を前記溝の内部に形成する工程。

【００５０】３８．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上に化学的気相成長法によ
ってメタル層を形成する工程、（ｃ）前記メタル層の表
面を水素アニール処理またはプラズマ処理する工程、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記メタル層を大気に晒す
ことなく、水蒸気および水素ガスを含む混合ガス雰囲気
下で前記メタル層にリフロー処理を施す工程、（ｅ）前
記絶縁膜の上部の前記メタル層をＣＭＰ法で研磨して除
去することによって、前記半導体素子または前記下層配
線と電気的に接続されるメタル配線を前記溝の内部に形
成する工程。

【００５１】３９．以下の工程を含む半導体集積回路装
置の製造方法； （ａ）半導体ウエハの主面に形成された半導体素子また
は下層配線の上部に絶縁膜を形成した後、前記半導体素
子または前記下層配線と電気的に接続される配線を形成
すべき領域の前記絶縁膜に溝を形成する工程、（ｂ）前
記溝の内部を含む前記絶縁膜上に化学的気相成長法によ
って液相メッキによってメタル層を形成する工程、
（ｃ）前記メタル層の表面を水素アニール処理またはプ
ラズマ処理する工程、（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記
メタル層を大気に晒すことなく、水素ガスと酸素ガスと
から触媒により合成された水蒸気および水素ガスを含む
混合ガス雰囲気下で前記メタル層にリフロー処理を施す
工程、（ｅ）前記絶縁膜の上部の前記メタル層をＣＭＰ
法で研磨して除去することによって、前記半導体素子ま
たは前記下層配線と電気的に接続されるメタル配線を前
記溝の内部に形成する工程。

【００５２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明す
るための全図において、同一の機能を有する部材には同
一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。ま
た、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一
または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

【００５３】また、以下の実施の形態では、便宜上その
必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態
に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それ
らは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部ま
たは全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。

【００５４】さらに、以下の実施の形態において、要素
の数等（個数、数値、量、範囲などを含む）に言及する
場合、特に明示したときおよび原理的に明らかに特定の
数に限定されるときを除き、その特定の数に限定される
ものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さら
に、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ス
テップ等を含む）は、特に明示した場合および原理的に
明らかに必須であると考えられる場合を除き、必ずしも
必須のものではないことは言うまでもない。

【００５５】同様に、以下の実施の形態において、構成
要素などの形状、位置関係などに言及するときは、特に
明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考え
られる場合を除き、実質的にその形状などに近似または
類似するものなどを含むものとする。このことは、上記
数値および範囲についても同様である。

【００５６】さらに、本願において、以下の用語は次の
ような定義を有している。

【００５７】半導体集積回路装置製造用ウエハ：単結晶
シリコン基板だけでなく、ＳＯＩ(Silicon On Insulato
r)基板、ＴＦＴ(Thin Film Transistor)液晶製造用基板
などの他の基板を含むものとする。

【００５８】機械的平坦化：ＣＭＰ（化学的機械的研
磨）法などの浮遊砥粒を使うものに限らず、ＣＭＬ法な
どの固定砥粒を使うものを含むものとする。

【００５９】プラグ：絶縁膜に形成されたスルーホール
またはコンタクトホール内に埋め込まれ、上下の配線間
または配線と基板とを電気的に接続する導電層をいう。

【００６０】ダマシン：絶縁膜に、少なくとも一部が下
層の導電領域（基板または下層配線）に連結される孔ま
たは溝を形成した後、この孔または溝の内部を含む絶縁
膜上にメタル層を形成し、次いでこのメタル層に機械的
平坦化処理を施して絶縁膜上の不要なメタル層を除去す
ることによって、孔または溝の内部にメタル配線を形成
する方法をいう。

【００６１】デュアルダマシン：絶縁膜に、少なくとも
一部が下層の導電領域（基板または下層配線）に連結さ
れる孔（または溝）およびスルーホールを形成した後、
この孔（または溝）およびスルーホール孔の内部を含む
絶縁膜上にメタル層を形成し、次いでこのメタル層に機
械的平坦化処理を施して絶縁膜上の不要なメタル層を除
去することによって、孔（または溝）の内部にメタル配
線を形成し、スルーホールの内部にプラグを形成する方
法をいう。

【００６２】準大気圧減圧領域：１０Torr以上、７６０
Torr以下の気圧領域をいう。

【００６３】（実施の形態１）本発明の一実施の形態で
あるＣＭＯＳ−ＬＳＩの製造方法を図１〜図１４を用い
て工程順に説明する。

【００６４】まず、図1 に示すように、例えばｐ型の単
結晶シリコンからなるウエハ（半導体集積回路装置製造
用ウエハ）１を用意し、周知のイオン打ち込みと選択酸
化（ＬＯＣＯＳ）法とによってその主面にｎ型ウエル２
ｎ、ｐ型ウエル２ｐおよびフィールド酸化膜３を形成し
た後、ｎ型ウエル２ｎおよびｐ型ウエル２ｐの表面を熱
酸化することによってゲート酸化膜４を形成する。

【００６５】次に、図２に示すように、ｎ型ウエル２ｎ
およびｐ型ウエル２ｐのゲート酸化膜４上にゲート電極
５を形成した後、ｐ型ウエル２ｐにｎ型不純物（例えば
リン）をイオン打ち込みしてソース、ドレイン（ｎ型半
導体領域６）を形成し、ｎ型ウエル２ｎにｐ型不純物
（例えばホウ素）をイオン打ち込みしてソース、ドレイ
ン（ｐ型半導体領域７）を形成することによって、ｎチ
ャネル型ＭＩＳＦＥＴ（Ｑｎ）およびｐチャネル型ＭＩ
ＳＦＥＴ（Ｑｐ）を形成する。

【００６６】次に、図３に示すように、半導体基板１上
にＣＶＤ（化学的気相成長）法によって酸化シリコン膜
８を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにして酸化
シリコン膜８をドライエッチングすることによって、ｎ
チャネル型ＭＩＳＦＥＴ（Ｑｎ）のソース、ドレイン
（ｎ型半導体領域６）の上部にコンタクトホール９を形
成し、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴ（Ｑｐ）のソース、ド
レイン（ｐ型半導体領域７）の上部にコンタクトホール
１０を形成する。

【００６７】次に、図４に示すように、酸化シリコン膜
８の上部に第１層目のＷ（タングステン）配線１１〜１
６を形成し、次いでこれらのＷ配線１１〜１６の上部に
ＣＶＤ法によって酸化シリコン膜１７を堆積した後、フ
ォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングによっ
て、第１層目のＷ配線１１、１３、１４、１６の上部の
酸化シリコン膜１７にスルーホール１８〜２１を形成す
る。第１層目のＷ配線１１〜１６は、例えばコンタクト
ホール９、１０の内部を含む酸化シリコン膜８の上部に
ＣＶＤ法（またはスパッタリング法）によってＷ膜を堆
積した後、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッ
チングでＷ膜をパターニングすることによって形成す
る。

【００６８】次に、図５に示すように、スルーホール１
８〜２１の内部にプラグ２２を形成し、次いで酸化シリ
コン膜１７の上部にＣＶＤ法によって酸化シリコン膜２
３を堆積した後、フォトレジスト膜をマスクにしたドラ
イエッチングによって、プラグ２２が形成されたスルー
ホール１８〜２１（導電領域）の上部の酸化シリコン膜
２３に溝（または孔）２４〜２７を形成する。プラグ２
２は、スルーホール１８〜２１の内部を含む酸化シリコ
ン膜１７の上部にＣＶＤ法によってＷ膜を堆積した後、
酸化シリコン膜１７の上部の不要なＷ膜をドライエッチ
ング（または後述するＣＭＰ法による機械的平坦化処
理）で除去することにより形成する。なお、第１層目の
Ｗ配線１１〜１６の上部に形成する絶縁膜として、ＳＯ
Ｇ(Spin OnGlass) 膜など、ＣＶＤ−酸化シリコン膜以
外の絶縁膜や、ＣＶＤ−酸化シリコン膜と他の絶縁膜と
の積層膜を使用することもできる。

【００６９】次に、必要に応じてスパッタエッチングあ
るいは水素アニールなどによって、酸化シリコン膜２３
の表面および溝２４〜２７の内部をクリーニングした
後、図６に示すように、溝２４〜２７の内部を含む酸化
シリコン膜２３の上部にバリア層２８を薄く（膜厚５０
nm程度）形成し、続いて、スパッタリング法によってバ
リア層２８の上部にＣｕ膜２９を堆積する。

【００７０】スパッタリング法によってＣｕ膜２９を堆
積する場合は、溝２４〜２７の内部の段差被覆性（ステ
ップカバレージ）を向上させるため、例えばターゲット
とウエハ１との間にコリメータを挿入することによっ
て、垂直成分の高いＣｕ原子をウエハ１に到達させるコ
リメータスパッタリング法、ターゲットとウエハ１との
距離を通常よりも長く設定することによって、水平方向
の速度成分が大きいＣｕ原子をウエハ１に到達させない
ようにする低圧長距離スパッタリング法、あるいはター
ゲットとウエハ１との間にコイルを設けると共にウエハ
１にバイアスを印加することによってＣｕ原子をイオン
化させ、垂直成分の高いＣｕ原子をウエハ１に到達させ
るイオン化スパッタリング法などを用いるとよい。ま
た、スパッタリング法よりも段差被覆性に優れるＣＶＤ
法を併用してもよい。

【００７１】バリア層２８は、例えばＣＶＤ法によって
堆積した膜厚５０nm程度のＴｉＮ（窒化チタン）膜やＷ
Ｎ（窒化タングステン）膜によって構成される。また、
Ｃｕ膜２９は、バリア層２８を介さずに酸化シリコン膜
２３の上部に直接堆積してもよいが、Ｃｕが酸化シリコ
ン膜２３に拡散するのを防ぐためには、Ｃｕ膜２９の下
層にバリア層２８を形成するのが有効である。なお、Ｃ
ｕ膜２９は、スパッタリング法以外の成膜方法、例えば
ＣＶＤ法や電気メッキ法やその他の成膜法によって形成
してもよく、さらに、高純度のＣｕによって構成される
ものの他、Ｃｕを主要な成分とするＣｕ合金やＣｕ化合
物によって構成されるものであってもよい。

【００７２】酸化シリコン膜２３の上部にＣｕ膜２９を
堆積する場合、酸化シリコン膜２３に形成された溝２４
〜２７の径が０．５μm 程度以下と微細な場合は、前記
図６に示すように、Ｃｕ膜２９を厚い膜厚（例えば８０
０μm 程度）で堆積しても、溝２４〜２７の内部にはＣ
ｕ膜２９が十分に埋め込まれない。そのため、この状態
でＣｕ膜２９に機械的平坦化処理を施しても安定した研
磨特性が得られず、後の工程で溝２４〜２７の内部に形
成されるＣｕ配線３０〜３３にボイド（空隙）などの欠
陥が発生する。

【００７３】そこで、以下のような方法でＣｕ膜２９の
表面をリフローさせることによって、溝２４〜２７の内
部にＣｕ膜２９を流し込む。

【００７４】図７（ａ）は、Ｃｕ膜２９のリフローに用
いる枚葉式アニール装置の具体的な構成の一例を示す概
略平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＢ−Ｂ' 線に沿
った断面図である。

【００７５】このアニール装置１００は、多重壁石英管
で構成されたチャンバ１０１を備えており、その上部お
よび下部にはウエハ１を加熱するヒータ１０２ａ、１０
２ｂが設置されている。チャンバ１０１の内部には、こ
のヒータ１０２ａ、１０２ｂから供給される熱をウエハ
１の全面に均等に分散させる円盤状の均熱リング１０３
が収容され、その上部にウエハ１を水平に保持するサセ
プタ１０４が載置されている。均熱リング１０３は、石
英あるいはＳｉＣ（シリコンカーバイド）などの耐熱材
料で構成され、チャンバ１０１の壁面から延びる支持ア
ーム１０５によって支持されている。均熱リング１０３
の近傍には、サセプタ１０４に保持されたウエハ１の温
度を測定する熱電対１０６が設置されている。Ｃｕ膜２
９のリフローは、上記のようなヒータ１０２ａ、１０２
ｂによる抵抗加熱方式の他、例えば図８に示すようなハ
ロゲンランプ１０７を用いたＲＴＡ(Rapid Thermal Ann
ealing) 方式のアニール装置を使用して行なってもよ
い。

【００７６】チャンバ１０１の壁面の一部には、チャン
バ１０１内に、Ｃｕに対して酸化性を示す水蒸気と還元
性を示す水素とを含む混合ガス（水蒸気／水素混合ガ
ス）およびパージガスを導入するためのガス導入管１０
８の一端が接続されている。このガス導入管１０８の他
端には、後述する触媒方式のガス生成装置が接続されて
いる。ガス導入管１０８の近傍には、多数の貫通孔１０
９を備えた隔壁１１０が設けられており、チャンバ１０
１内に導入された水蒸気／水素混合ガスは、この隔壁１
１０の貫通孔１０９を通過してチャンバ１０１内に均等
に行き渡る。チャンバ１０１の壁面の他の一部には、チ
ャンバ１０１内に導入された水蒸気／水素混合ガスおよ
びパージガスを排出するための排気管１１１の一端が接
続されている。

【００７７】図９は、上記アニール装置１００のチャン
バ１０１に接続された触媒方式の水蒸気／水素混合ガス
生成装置を示す概略図、図１０は、このガス生成装置の
配管系統を示す図である。このガス生成装置１４０は、
耐熱耐食性合金（例えば商品名「ハステロイ(Hastello
y) 」として知られるＮｉ合金など）で構成された反応
器１４１を備えており、その内部にはＰｔ（プラチ
ナ）、Ｎｉ（ニッケル）あるいはＰｄ（パラジウム）な
どの触媒金属からなるコイル１４２とこのコイル１４２
を加熱するヒータ１４３とが収容されている。

【００７８】上記反応器１４１には、水素および酸素か
らなるプロセスガスと、窒素あるいはＡｒ（アルゴン）
などの不活性ガスからなるパージガスとがガス貯留槽１
４４ａ、１４４ｂ、１４４ｃから配管１４５を通じて導
入されるようになっている。また、ガス貯留槽１４４
ａ、１４４ｂ、１４４ｃと配管１４５との間には、ガス
の量を調節するマスフローコントローラ１４６ａ、１４
６ｂ、１４６ｃと、ガスの流路を開閉する開閉バルブ１
４７ａ、１４７ｂ、１４７ｃとが設置され、反応器１４
１内に導入されるガスの流量および分圧がこれらによっ
て精密に制御されるようになっている。

【００７９】上記反応器１４１内に導入されたプロセス
ガス（水素および酸素）は、３５０〜４５０℃程度に加
熱されたコイル１４２に接触して励起され、水素分子か
らは水素ラジカルが生成し（Ｈ₂ →２Ｈ* ）、酸素分子
からは酸素ラジカルが生成する（Ｏ₂ →２Ｏ* ）。これ
ら２種のラジカルは化学的に極めて活性であるため、速
やかに反応して水を生成する（２Ｈ* ＋Ｏ* →Ｈ
₂ Ｏ）。そこで、水（水蒸気）が生成するモル比（水
素：酸素＝２：１）に調整したプロセスガス、またはこ
のモル比よりも僅かに過剰の水素を含むプロセスガスを
反応器１４１内に導入することにより、水蒸気または水
蒸気／水素混合ガスが生成する。この水蒸気または水蒸
気／水素混合ガスは、前記図１０に示す希釈ライン１４
８を通じて供給される水素と混合されて所望の水分濃度
の水蒸気／水素混合ガスに調整された後、前記ガス導入
管１０８を通じてアニール装置１００のチャンバ１０１
に導入される。

【００８０】なお、水（水蒸気）が生成するモル比より
も大過剰の水素を含むプロセスガスを反応器１４１内に
導入すると、水蒸気の生成効率が低下する。従って、上
記のように、水（水蒸気）が生成するモル比（水素：酸
素＝２：１）、またはこのモル比よりも僅かに過剰の水
素を含むプロセスガスを反応器１４１内に導入して水蒸
気または水蒸気／水素混合ガスを生成した後、希釈ライ
ン１４８を通じて水素を供給し、所望の水分濃度の水蒸
気／水素混合ガスに調整することが好ましい。また、水
蒸気／水素混合ガスは、Ｃｕに対して酸化性も還元性も
示さないガス、例えば窒素やアルゴンなどの不活性ガス
によって適度の濃度に希釈してからチャンバ１０１に導
入してもよい。

【００８１】上記のような触媒方式のガス生成装置１４
０は、水の生成に関与する水素と酸素の量およびそれら
の比率を高精度に制御できるので、チャンバ１０１に導
入される水蒸気／水素混合ガス中の水蒸気濃度をppm オ
ーダの極低濃度から数１０％程度の高濃度まで広範囲
に、かつ高精度に制御することができる。すなわち、触
媒方式で生成した水蒸気／水素混合ガスを使用すること
により、Ｃｕ膜２９のリフローを高精度に制御すること
が可能となる。

【００８２】また、上記のような触媒方式のガス生成装
置１４０は、反応器１４１にプロセスガスを導入すると
瞬時に水が生成されるので、所望する水蒸気濃度の水蒸
気／水素混合ガスがリアルタイムで得られる。これによ
り、水蒸気／水素混合ガスの合成とＣｕ膜２９のリフロ
ーとを実質的に並行して行なうことができ、リフローの
スループットを向上させることができる。またこれと同
時に、ガス生成装置１４０内で混入する異物の量も最小
限に抑えられるので、クリーンな水蒸気／水素混合ガス
をチャンバ１０１に導入することができる。なお、反応
器１４１内の触媒金属は、水素および酸素をラジカル化
できるものであれば前述した金属に限定されない。ま
た、触媒金属はコイル状に加工して使用する他、例えば
中空の管あるいは細かい繊維フィルタなどに加工し、そ
の内部にプロセスガスを通してもよい。

【００８３】上記アニール装置１００を使ったＣｕ膜２
９のリフローは、Ｃｕ膜２９を成膜した後、ウエハ１を
外気に晒すことなく行なうことが望ましい。すなわち、
Ｃｕ膜２９の成膜とその後のリフローは、マルチチャン
バ方式の成膜／アニール装置を使って連続して行なうこ
とが望ましい。なお、電気メッキ法のようにＣｕ膜２９
を液相中において形成する場合には、Ｃｕ膜２９の成膜
からリフローまでの間にウエハ１が外気に晒されるの
で、Ｃｕ膜２９の表面に酸化膜などの不所望の改質層が
形成される。このような場合は、水素などの還元性ガス
を含むガス雰囲気下でＣｕ膜２９の表面にアニール処理
またはプラズマ処理を施すことによって改質層を除去し
た後、Ｃｕ膜２９のリフローを行なうことが望ましい。

【００８４】上記アニール装置１００を使ったＣｕ膜２
９のリフロープロセスの一例を図１１を参照しながら説
明する。

【００８５】まずアニール装置１００のチャンバ１０１
を開放し、その内部にパージガス（窒素）を導入しなが
ら、Ｃｕ膜２９が形成されたウエハ１をサセプタ１０４
の上にロードする。このとき、ウエハ１の配置は、酸化
シリコン膜２３に形成された溝２４〜２７の底部が開孔
端に比べて重力による位置エネルギーが低くなるよう、
主面側を上向きにすることが望ましい。

【００８６】次いで、チャンバ１０１を閉鎖し、引き続
きパージガスを導入してチャンバ１０１内のガス交換を
十分に行った後、サセプタ１０４を加熱してウエハ１の
表面温度を摂氏３００℃〜５００℃の範囲に設定する。

【００８７】次に、ガス生成装置１４０の反応器１４１
に酸素と過剰の水素とを導入し、触媒作用によって酸素
と水素とから生成した水を含む水蒸気／水素混合ガスを
希釈ライン１４８から供給される水素と混合して所望の
水分濃度に調整した後、ガス導入管１０８を通じてアニ
ール装置１００のチャンバ１０１に導入し、この水蒸気
／水素混合ガスをウエハ１の表面に流しながらＣｕ膜２
９にリフロー処理を施すことにより、図１２に示すよう
に、Ｃｕ膜２９を溝２４〜２７の内部に流動させる。チ
ャンバ１０１の圧力は、１０Torr以上、７６０Torr以下
の準大気圧減圧領域乃至常圧程度に設定するが、大気圧
（７６０Torr）を越える加圧雰囲気であっても支障はな
い。また、水蒸気／水素混合ガスに占める水蒸気の分圧
は０．１％〜３０％程度、好ましくは１％〜３０％に設
定する。リフロー時間は、ウエハ１の表面温度を４５０
℃に設定した場合、５分程度である。

【００８８】上記のような水蒸気／水素混合ガス雰囲気
下でのリフロー処理では、（式１）に従い、酸化性ガス
である水蒸気によってＣｕ膜２９の表面の酸化反応が進
行する。そして、このとき酸化されたＣｕ（ＣｕＯ）
は、（式２）に従い、水素によって直ちに還元される。

【００８９】 Ｃｕ＋Ｈ₂ Ｏ → ＣｕＯ＋Ｈ₂ ・・・（１） ＣｕＯ＋Ｈ₂ → Ｃｕ＋Ｈ₂ Ｏ ・・・（２） 上記還元反応は発熱反応であることから、水蒸気／水素
混合ガスに占める水蒸気および水素の分圧を、還元反応
がより多く進行するように調整することにより、還元反
応に伴う発熱でＣｕ膜２９の表面拡散を促進させること
ができる。

【００９０】このように、水蒸気／水素混合ガス雰囲気
下でのリフロー処理によれば、酸化・還元反応によって
生じた熱がＣｕ膜２９の表面の局所的な温度上昇に寄与
し、Ｃｕ膜２９の表面拡散を促進させるため、リフロー
処理温度を５００℃以上にしたり、リフロー処理時間を
長くしなくともＣｕ膜２９の安定したリフローが可能と
なる。また、酸化反応および還元反応が同時に進行する
ために、酸化と還元を別工程で行なう場合に比べてリフ
ロー処理のスループットが向上する。

【００９１】上記リフロー処理の終了後は、チャンバ１
０１内にパージガス（窒素）を導入して水蒸気／水素混
合ガスを排出してからチャンバ１０１を開放し、その内
部にパージガスを導入しながらウエハ１をサセプタ１０
４からアンロードする。

【００９２】次に、図１３に示すように、上記ウエハ１
の表面側にＣＭＰ法による機械的平坦化処理を施し、酸
化シリコン膜２３の上部のＣｕ膜２９を除去することに
よって、溝２４〜２７の内部に埋め込まれた第２層目の
Ｃｕ配線３０〜３３を形成する。

【００９３】図１４は、上記Ｃｕ膜２９の機械的平坦化
処理に用いる枚葉式のＣＭＰ装置２００を示す概略図で
ある。図示のように、このＣＭＰ装置２００は、上部が
開口された筐体２０１を有しており、この筐体２０１に
取り付けられた回転軸２０２の上端部には、モータ２０
３によって回転駆動される研磨盤（プラテン）２０４が
取り付けられている。この研磨盤２０４の表面には、多
数の気孔を有する合成樹脂を均一に貼り付けて形成した
研磨パッド２０５が取り付けられている。

【００９４】また、このＣＭＰ装置２００は、ウエハ１
を保持するためのウエハキャリア２０６を備えている。
ウエハキャリア２０６を取り付けた駆動軸２０７は、ウ
エハキャリア２０６と一体となってモータ（図示せず）
により回転駆動され、かつ研磨盤２０４の上方で上下動
されるようになっている。

【００９５】ウエハ１は、ウエハキャリア２０６に設け
られた真空吸着機構（図示せず）により、その主面すな
わち被研磨面を下向きとしてウエハキャリア２０６に保
持される。ウエハキャリア２０６の下端部には、ウエハ
１が収容される凹部２０６ａが形成されており、この凹
部１０６ａ内にウエハ１を収容すると、その被研磨面が
ウエハキャリア２０６の下端面とほぼ同一か僅かに突出
した状態となる。

【００９６】研磨盤２０４の上方には、研磨パッド２０
５の表面とウエハ１の被研磨面との間に研磨スラリ
（Ｓ）を供給するためのスラリ供給管２０８が設けられ
ており、その下端から供給される研磨スラリ（Ｓ）によ
ってウエハ１の被研磨面が化学的および機械的に研磨さ
れる。研磨スラリ（Ｓ）としては、例えばアルミナなど
の砥粒と過酸化水素水または硝酸第二鉄水溶液などの酸
化剤とを主成分とし、これらを水に分散または溶解させ
たものが使用される。

【００９７】また、このＣＭＰ装置２００は、研磨パッ
ド２０５の表面を整形（ドレッシング）するための工具
であるドレッサ２０９を備えている。このドレッサ２０
９は、研磨盤２０４の上方で上下動する駆動軸２１０の
下端部に取り付けられ、モータ（図示せず）により回転
駆動されるようになっている。

【００９８】ドレッシングは、何枚かのウエハ１の研磨
作業が終了した後（バッチ処理）、または１枚のウエハ
１の研磨作業が終了する毎に行われる（枚葉処理）。あ
るいは研磨と同時にドレッシングを行うようにしてもよ
い。例えばウエハ１がウエハキャリア２０６によって研
磨パッド２０５に押し付けられ、所定の時間研磨が行わ
れると、ウエハキャリア２０６が上方に退避移動され
る。次いで、ドレッサ２０９が下降移動して研磨パッド
２０５に押し付けられ、その表面が所定の時間ドレッシ
ングされた後、ドレッサ２０９が上方に退避移動され
る。引き続いて他のウエハ１がウエハキャリア２０６に
取り付けられ、上記の研磨工程が繰り返される。このよ
うにしてウエハ１が研磨された後、研磨盤２０４の回転
が停止されることによって研磨作業が終了する。

【００９９】以下、上記したダマシンプロセスを繰り返
すことによって第２層目のＣｕ配線３０〜３３の上層に
１層または複数層のＣｕ配線を形成した後、最上層のＣ
ｕ配の上部に表面保護膜を形成することによってＣＭＯ
Ｓ−ＬＳＩが完成する。

【０１００】（実施の形態２）本発明は、デュアルダマ
シンプロセスによってＣｕ配線を形成する場合にも適用
することができる。

【０１０１】この場合は、まず図１５に示すように、第
１層目のＷ配線１１〜１６の上部にＣＶＤ法によって酸
化シリコン膜３４を堆積した後、フォトレジスト膜をマ
スクにしたドライエッチングによって、第１層目のＷ配
線１１、１３、１４、１６の上部の酸化シリコン膜３４
にスルーホール１８〜２１および溝（または孔）２４〜
２７を形成する。

【０１０２】次に、図１６に示すように、スルーホール
１８〜２１および溝２４〜２７の内部を含む酸化シリコ
ン膜３４の上部にバリア層２８を薄く形成した後、バリ
ア層２８の上部にＣｕ膜２９を堆積する。

【０１０３】次に、上記Ｃｕ膜２９に対して前述した水
蒸気／水素混合ガス雰囲気下でのリフロー処理および機
械的平坦化処理を施すことによって、図１７に示すよう
に、スルーホール１８〜２１および溝２４〜２７の内部
にＣｕ配線３５〜３８を形成する。

【０１０４】Ｃｕ膜２９のリフロー処理は、酸化性ガス
雰囲気下でのリフロー処理および還元性ガス雰囲気下で
のリフロー処理の２段階に分けて行なってもよい。すな
わち、水素ガスと酸素ガスから触媒により合成された水
蒸気を含むガス雰囲気下で第１のリフロー処理を行なっ
た後、水素などの還元性ガスを含むガス雰囲気下で第２
のリフロー処理を行なってもよい。また、酸化性ガス雰
囲気下でのリフロー処理と還元性ガス雰囲気下でのリフ
ロー処理とを交互に複数回繰り返す多段階リフロー処理
も可能である。

【０１０５】これらの場合は、水蒸気／水素混合ガス雰
囲気下でＣｕ膜２９の酸化・還元を同時に行なう前記実
施の形態１のリフロー処理に比べてスループットが低下
するが、酸化反応によって生じた熱および還元反応によ
って生じた熱がＣｕ膜２９の表面の局所的な温度上昇に
寄与し、Ｃｕ膜２９の表面拡散を促進させるので、リフ
ロー処理温度を５００℃以上にしたり、リフロー処理時
間を長くしなくともＣｕ膜２９の安定したリフローが可
能となる。

【０１０６】以上、本発明者によってなされた発明を発
明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでも
ない。

【０１０７】Ｃｕ膜のリフロー処理は、例えば図１８に
示すようなバッチ式縦型アニール装置１５０に前記のよ
うな触媒方式の水蒸気／水素混合ガス生成装置１４０を
取り付けて行うこともできる。この種のバッチ式縦型リ
フロー炉１５０を使用する場合には、昇降温機構を設け
たリフロー炉を使用するとよい。

【０１０８】また、前記のような触媒方式に比べて水分
濃度の設定範囲は狭くなるが、例えば容器に入れた純水
中に水素ガスを供給するバブリング方式によって水蒸気
／水素混合ガスを生成してもよい。この場合、水蒸気の
分圧は、純水の温度を変えることによって制御すればよ
い。

【０１０９】また、Ｃｕ膜を酸化するガスとして、水蒸
気の他、例えばＯ₂ 、Ｎ₂ Ｏ、ＮＯなどの酸化性ガスを
使用することもできる。同様に、Ｃｕ膜を還元するガス
として、水素を単独で使用する他、例えば水素ガスを主
要な成分として含むガスを使用することもできる。

【０１１０】本発明は、Ｃｕ以外のメタル材料（例えば
Ａｌ、Ａｌ合金、Ｗなど）を使ったダマシンプロセスや
デュアルダマシンプロセスによって配線を形成する場合
にも適用することができる。本発明は、一般に、絶縁膜
上に成膜したメタル層をリフローして絶縁膜の溝やスル
ーホールに埋め込んだ後、メタル層に機械的平坦化処理
を施して埋め込み配線を形成するプロセスに広く適用す
ることができる。

【０１１１】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以
下のとおりである。

【０１１２】本発明によれば、水蒸気および還元性ガス
を含む混合ガス雰囲気下でメタル層にリフロー処理を施
すことにより、リフロー処理の熱負荷を低減することが
できるので、ダマシンプロセスのスループット向上なら
びに低温化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳＩ
の製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図２】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳＩ
の製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図３】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳＩ
の製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図４】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳＩ
の製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図５】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳＩ
の製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図６】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳＩ
の製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図７】（ａ）は、Ｃｕ膜のリフローに用いる枚葉式ア
ニール装置の一例を示す概略平面図、（ｂ）は、（ａ）
のＢ−Ｂ' 線に沿った断面図である。

【図８】（ａ）は、Ｃｕ膜のリフローに用いる枚葉式ア
ニール装置の一例を示す概略平面図、（ｂ）は、（ａ）
のＢ−Ｂ' 線に沿った断面図である。

【図９】図８に示すアニール装置に接続された触媒方式
の水蒸気／水素混合ガス生成装置を示す概略図である。

【図１０】図９に示す水蒸気／水素混合ガス生成装置の
配管系統を示す図である。

【図１１】アニール装置を使ったリフロープロセスのシ
ーケンスを示す図である。

【図１２】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳ
Ｉの製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図１３】本発明の実施の形態１であるＣＭＯＳ−ＬＳ
Ｉの製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図１４】Ｃｕ膜の機械的平坦化処理に用いるＣＭＰ装
置の全体構成図である。

【図１５】本発明の実施の形態２であるＣＭＯＳ−ＬＳ
Ｉの製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図１６】本発明の実施の形態２であるＣＭＯＳ−ＬＳ
Ｉの製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図１７】本発明の実施の形態２であるＣＭＯＳ−ＬＳ
Ｉの製造方法を示すウエハの要部断面図である。

【図１８】Ｃｕ膜のリフローに用いるバッチ式縦型アニ
ール装置の一例を示す断面図である。

【符号の説明】 １ ウエハ（半導体集積回路装置製造用ウエハ） ２ｎ ｎ型ウエル ２ｐ ｐ型ウエル ３ フィールド酸化膜 ４ ゲート酸化膜 ５ ゲート電極 ６ ｎ型半導体領域（ソース、ドレイン） ７ ｐ型半導体領域（ソース、ドレイン） ８ 酸化シリコン膜 ９、１０ コンタクトホール １１〜１６ Ｗ配線 １７ 酸化シリコン膜 １８〜２１ スルーホール ２２ プラグ ２３ 酸化シリコン膜 ２４〜２７ 溝（または孔） ２８ バリア層 ２９ Ｃｕ膜 ３０〜３３ Ｃｕ配線 ３４ 酸化シリコン膜 ３５〜３８ Ｃｕ配線 １００ アニール装置 １０１ チャンバ １０２ａ、１０２ｂ ヒータ １０３ 均熱リング １０４ サセプタ １０５ 支持アーム １０６ 熱電対 １０７ ハロゲンランプ １０８ ガス導入管 １０９ 貫通孔 １１０ 隔壁 １１１ 排気管 １４０ ガス生成装置 １４１ 反応器 １４２ コイル １４３ ヒータ １４４ａ〜１４４ｃ ガス貯留槽 １４５ 配管 １４６ａ〜１４６ｃ マスフローコントローラ １４７ａ〜１４７ｃ 開閉バルブ １４８ 希釈ライン １５０ バッチ式縦型アニール装置 ２００ ＣＭＰ装置 ２０１ 筐体 ２０２ 回転軸 ２０３ モータ ２０４ 研磨盤（プラテン） ２０５ 研磨パッド ２０６ ウエハキャリア ２０６ａ 凹部 ２０７ 駆動軸 ２０８ スラリ供給管 ２０９ ドレッサ ２１０ 駆動軸 Ｑｎ ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｑｐ ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ Ｓ 研磨スラリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 直樹 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F033 AA02 AA04 AA05 AA12 AA29 AA64 AA67 AA73 BA15 BA17 BA25 BA36 BA45 DA06 DA07 DA13 DA15 DA34 DA35 DA36 DA38 EA02 EA25

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 以下の工程を含むことを特徴とする半導
   体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
   第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
   下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
   を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
   の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
   分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）水蒸気および
   還元性ガスを含む混合ガス雰囲気下で、前記メタル層に
   リフロー処理を施す工程、（ｄ）リフロー処理された前
   記第１の主面側に機械的平坦化処理を施すことによっ
   て、前記孔または溝の外部の前記メタル層を除去する工
   程。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体集積回路装置の製
   造方法であって、前記還元性ガスは水素ガスを主要な成
   分として含むことを特徴とする半導体集積回路装置の製
   造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体集積回路装置の製
   造方法であって、前記リフロー処理は摂氏３００℃から
   ５００℃の温度範囲で行われることを特徴とする半導体
   集積回路装置の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載の半導体集積回路装置の製
   造方法であって、前記混合ガスに占める前記水蒸気の分
   圧は１％から３０％であることを特徴とする半導体集積
   回路装置の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体集積回路装置の製
   造方法であって、前記混合ガス雰囲気は前記メタル層に
   対して酸化性でも還元性でもないガスを含むことを特徴
   とする半導体集積回路装置の製造方法。
6. 【請求項６】 以下の工程を含むことを特徴とする半導
   体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
   第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
   下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
   を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
   の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
   分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）酸化性ガスお
   よび還元性ガスを含む雰囲気下で、かつ準大気圧減圧領
   域またはそれ以上の気圧下において、前記メタル層にリ
   フロー処理を施す工程、（ｄ）リフロー処理された前記
   第１の主面側に機械的平坦化処理を施すことによって、
   前記孔または溝外部の前記メタル層を除去する工程。
7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体集積回路装置の製
   造方法であって、前記準大気圧減圧領域の気圧は１０To
   rr以上であることを特徴とする半導体集積回路装置の製
   造方法。
8. 【請求項８】 以下の工程を含むことを特徴とする半導
   体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
   第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
   下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
   を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
   の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
   分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）水素ガスと酸
   素ガスから触媒により合成された水蒸気を含むガス雰囲
   気下で、前記メタル層にリフロー処理を施す工程、
   （ｄ）リフロー処理された前記第１の主面側に機械的平
   坦化処理を施すことによって、前記孔または溝外部の前
   記メタル層を除去する工程。
9. 【請求項９】 請求項８記載の半導体集積回路装置の製
   造方法であって、前記水蒸気の合成は前記リフロー処理
   と実質的に並行して行われることを特徴とする半導体集
   積回路装置の製造方法。
10. 【請求項１０】 以下の工程を含むことを特徴とする半
    導体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
    第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
    下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
    を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
    の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅または高融
    点金属を主要な成分とするメタル層を形成する工程、
    （ｃ）水素ガスと酸素ガスから触媒により合成された水
    蒸気を含むガス雰囲気下で、前記メタル層にリフローの
    ための第１の加熱処理を施す工程、（ｄ）前記工程の
    後、還元性ガスを含むガス雰囲気下で、前記メタル層に
    第２の加熱処理を施す工程、（ｅ）前記工程の後、リフ
    ロー処理された前記第１の主面側に機械的平坦化処理を
    施すことによって、前記孔または溝外部の前記メタル層
    を除去する工程。
11. 【請求項１１】 請求項１０記載の半導体集積回路装置
    の製造方法であって、前記工程（ｃ）および（ｄ）が交
    互に複数回繰り返されることを特徴とする半導体集積回
    路装置の製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項１０記載の半導体集積回路装置
    の製造方法であって、前記水蒸気の合成は前記リフロー
    処理と実質的に並行して行われることを特徴とする半導
    体集積回路装置の製造方法。
13. 【請求項１３】 以下の工程を含むことを特徴とする半
    導体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
    第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
    下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
    を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
    の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅を主要な成
    分とするメタル層を形成する工程、（ｃ）混合ガスから
    触媒により合成された水蒸気を含む第１のガスを還元性
    ガスを含む第２のガスで希釈したガス雰囲気下で、前記
    メタル層にリフロー処理を施す工程、（ｄ）リフロー処
    理された前記第１の主面側に機械的平坦化処理を施すこ
    とによって、前記孔または溝外部の前記メタル層を除去
    する工程。
14. 【請求項１４】 請求項１３記載の半導体集積回路装置
    の製造方法であって、前記水蒸気の合成は前記リフロー
    処理と実質的に並行して行われることを特徴とする半導
    体集積回路装置の製造方法。
15. 【請求項１５】 以下の工程を含むことを特徴とする半
    導体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
    第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
    下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
    を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
    の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅または高融
    点金属を主要な成分とするメタル層を形成する工程、
    （ｃ）前記メタル層が形成された前記ウエハを外気に晒
    すことなく、酸化性ガスおよび還元性ガスを含むガス雰
    囲気下で、前記メタル層にリフロー処理を施す工程、
    （ｄ）リフロー処理された前記第１の主面側に機械的平
    坦化処理を施すことによって、前記孔または溝外部の前
    記メタル層を除去する工程。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の半導体集積回路装置
    の製造方法であって、前記メタル層の形成はスパッタリ
    ング法により行われることを特徴とする半導体集積回路
    装置の製造方法。
17. 【請求項１７】 請求項１５記載の半導体集積回路装置
    の製造方法であって、前記メタル層の形成は化学的気相
    成長法により行われることを特徴とする半導体集積回路
    装置の製造方法。
18. 【請求項１８】 以下の工程を含むことを特徴とする半
    導体集積回路装置の製造方法； （ａ）半導体集積回路装置製造用ウエハの第１の主面の
    第１の絶縁膜に、少なくとも一部が前記第１の絶縁膜の
    下層に設けられた第１の導電領域に連結した孔または溝
    を形成する工程、（ｂ）前記孔または溝および前記第１
    の絶縁膜上に直接またはバリア層を介して銅または高融
    点金属を主要な成分とするメタル層を液相中において形
    成する工程、（ｃ）還元性ガスを含む第１のガス雰囲気
    下で、前記メタル層に表面処理を施す工程、（ｄ）前記
    工程の後、酸化性ガスおよび還元性ガスを含むガス雰囲
    気下で、前記メタル層にリフロー処理を施す工程、
    （ｅ）リフロー処理された前記第１の主面側に機械的平
    坦化処理を施すことによって、前記孔または溝外部の前
    記メタル層を除去する工程。
19. 【請求項１９】 請求項１８記載の半導体集積回路装置
    の製造方法であって、前記メタル層の形成は液相メッキ
    によって行われることを特徴とする半導体集積回路装置
    の製造方法。
20. 【請求項２０】 請求項１８記載の半導体集積回路装置
    の製造方法であって、前記表面処理はプラズマ処理によ
    って行われることを特徴とする半導体集積回路装置の製
    造方法。