JP2005072044A - 配線形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化膜が形成されることを防止しつつ、埋込み配線や保護膜で保護した配線を形成することができるようにする。
【解決手段】基板の表面に埋込み配線を形成する配線形成装置であって、基板の表面にバリア層を形成するバリア層形成装置３６と、このバリア層形成装置３６で形成されたバリア層の表面にシード層等の金属層を形成する金属層形成装置（シード層形成装置）３８を、内部の雰囲気を制御可能な装置フレーム１４内に配置した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線形成装置に関し、特に半導体基板等の表面に設けた配線用の微細凹部に銅や銀等の導電体を埋め込んで埋込み配線を構成したり、更にはこの埋込み配線の表面を保護膜で覆って、多層配線構造の配線を形成したりするのに使用される配線形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の配線形成プロセスとして、配線溝及びビアホールに配線材料（金属）を埋込むようにしたプロセス（いわゆる、ダマシンプロセス）が使用されつつある。これは、層間絶縁膜に予め形成した配線溝やビアホールに、アルミニウム、近年では銅や銀等の配線材料（金属）を埋め込んだ後、余分な金属を化学的機械的研磨（ＣＭＰ）によって除去し平坦化するプロセス技術である。
【０００３】
半導体装置の配線の微細化に伴い、この配線材料の埋込みに際して、基板の表面に、例えばＴａＮからなるバリア層を形成し、このバリア層の表面に、銅等の配線材料を無電解めっき等で直接成膜して、電解めっきの際の給電層となる銅シード層を形成することが提案されている。
【０００４】
また、この種の配線、例えば配線材料として銅を使用した銅配線にあっては、平坦化後、銅からなる配線の表面が外部に露出しており、配線（銅）の熱拡散を防止したり、例えばその後の酸化性雰囲気の絶縁膜（酸化膜）を積層して多層配線構造の半導体装置を作る場合等に、配線（銅）の酸化を防止したりするため、Ｃｏ合金やＮｉ合金等からなる保護膜（蓋材）で露出配線の表面を選択的に覆って、配線の熱拡散及び酸化を防止することが検討されている。このＣｏ合金やＮｉ合金等は、例えば無電解めっきによって得られる。そして、このように、保護膜が形成された基板の表面に層間バリア層が形成されて、上層の配線が形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、バリア層の表面にシード層を直接形成したり、配線の露出表面に保護膜を選択的に形成したりする無電解めっき等の湿式めっきは、一般に大気下で行われている。このため、バリア層のシード層との界面や、保護膜の層間バリア層との界面に酸化膜が形成されてしまうという問題が顕在化するようになってきている。
【０００６】
例えば、図１３に示すように、シリコン基板２００の表面にＴａＮからなるバリア層２０２を形成し、このバリア層２０２の表面の酸化膜を湿式処理で除去した後、バリア層２０２の表面に触媒を担持させ、銅層２０４を無電解めっきで形成すると、バリア層２０２の銅層２０４との界面（表面）に、バリア層２０２を構成する金属の酸化膜２０２ａが形成される。このように、湿式処理を用いてバリア層２０２の表面の酸化膜を除去したとしても、無電解めっきは、結局大気中での処理であるため、バリア層２０２の表面に酸化膜２０２ａが再形成される。
【０００７】
また、図１４に示すように、シリコン基板等の表面に堆積させたＳｉＯ_２等からなる層間絶縁膜２０６の内部に配線溝（トレンチ）２０８を形成し、表面にＴａＮ等のバリア層２１０を形成した後、トレンチ２０８の内部に銅を埋込み、ＣＭＰ処理を施して表面を平坦化することで、層間絶縁膜２０６の内部に銅配線２１４を形成する。そして、この銅配線２１４の表面にＣｏＷＰ合金膜からなる保護膜（蓋材）２１６を無電解めっきで形成して配線２１４を保護し、更に、この表面に、ＳｉＮ等から層間バリア層２１８を形成すると、Ｃｏは酸化され易いため、保護膜２１６（Ｃｏ合金膜）の最表面にＣｏの酸化膜２１６ａが形成される。
【０００８】
このように、バリア層のシード層との界面（表面）や、保護膜の層間バリア層との界面（表面）に酸化膜が存在すると、バリア層とシード層（配線）、保護膜と層間バリア層との間に十分な密着力が得られず、配線や保護膜の信頼性が低下してしまう。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、酸化膜が形成されることを防止しつつ、埋込み配線や保護膜で保護した配線を形成することができるようにした配線形成装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板の表面に埋込み配線を形成する配線形成装置であって、基板の表面にバリア層を形成するバリア層形成装置と、このバリア層形成装置で形成されたバリア層の表面に金属層を形成する金属層形成装置を、内部の雰囲気を制御可能な装置フレーム内に配置したことを特徴とする配線形成装置である。
【００１１】
これにより、基板の表面にバリア層を形成し、このバリア層の表面にシード層等の金属層を形成する一連の過程を、装置フレーム内の雰囲気を制御して、大気中等の酸化雰囲気に暴露されることなく行うことで、バリア層の表面に酸化膜が形成されることを防止しつつ、バリア層の表面にシード層等の金属層を形成することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記金属層は、シード層または配線層であることを特徴とする請求項１記載の配線形成装置である。
請求項３に記載の発明は、前記バリア層形成装置及び／または金属層形成装置は、内部の雰囲気を制御可能なプロセスチャンバを有することを特徴とする請求項１または２記載の配線形成装置である。
これにより、例えば、バリア層の形成を真空雰囲気中でのＣＶＤまたはＰＶＤで、シード層等の金属層の形成を不活性ガス雰囲気中での湿式めっきで、それぞれ行うことができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、ＰＶＤ、ＣＶＤまたは湿式塗布法で層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜に、ＲＩＥ、ＣＤＥ、スパッタエッチングまたは湿式エッチングで配線パターンを形成した基板を前記装置フレーム内に搬入することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の配線形成装置である。
請求項５に記載の発明は、前記バリア層形成装置は、ＰＶＤ装置、ＣＶＤ装置または湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の配線形成装置である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記金属層形成装置は、湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の配線形成装置である。
これにより、バリア層の表面に酸化膜が形成されるのを防止しつつ、無電解めっき等の湿式めっきで、バリア層の表面に、シード層や配線層等の金属層を、安価かつ安定して形成することができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、前記湿式めっき装置は、処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体を使用していることを特徴とする請求項６記載の配線形成装置である。
このように、めっき液や洗浄水等の湿式めっき装置の処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体を使用することで、無電解めっき等の湿式めっきでバリア層の表面にシード層等の金属層を形成する際に、処理液中に含まれる酸素によってバリア層表面が酸化されてしまうことを防止することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、前記湿式めっき装置は、基板に付着した溶液を不活性ガスによる飛散で除去するように構成されていることを特徴とする請求項６または７記載の配線形成装置である。
これにより、例えば前処理の際に基板に付着した前処理液等の溶液を、前処理終了後に素早く除去して、基板に付着した溶液によって、バリア層が酸化されてしまうことを防止することができる。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、基板の表面に埋込み配線を形成する配線形成装置であって、基板の表面に形成した余剰な金属膜を除去して基板の表面を平坦化する平坦化装置と、前記平坦化によって露出した埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成する保護膜形成装置を、内部の雰囲気を制御可能な装置フレーム内に配置したことを特徴とする配線形成装置である。
【００１８】
これにより、基板の表面を平坦化し、この平坦化によって露出した埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成する一連の過程を、装置フレーム内の雰囲気を制御して、大気中等の酸化雰囲気に暴露されることなく行うことで、埋込み配線の表面に酸化膜が形成されることを防止しつつ、埋込み配線の表面に保護膜を形成することができる。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、前記平坦化装置及び／または前記保護膜形成装置は、内部の雰囲気を制御可能なプロセスチャンバを有することを特徴とする請求項９記載の配線形成装置である。
請求項１１に記載の発明は、前記平坦化装置は、ＣＭＰ装置または湿式研摩装置からなることを特徴とする請求項９または１０記載の配線形成装置である。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、基板の表面に埋込み配線を形成する配線形成装置であって、埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成する保護膜形成装置と、この保護膜を形成した基板の表面に層間バリア層を形成する層間バリア層形成装置を、内部の雰囲気を制御可能な装置フレーム内に配置したことを特徴とする配線形成装置である。
【００２１】
これにより、埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成し、この保護膜を形成した基板の表面に層間バリア層を形成する一連の過程を、装置フレーム内の雰囲気を制御して、大気中等の酸化雰囲気に暴露されることなく行うことで、保護膜の表面に酸化膜が形成されることを防止しつつ、基板の表面に層間バリア層を形成することができる。
【００２２】
請求項１３に記載の発明は、前記保護膜形成装置及び／または前記層間バリア層形成装置は、内部の雰囲気を制御可能なプロセスチャンバを有することを特徴とする請求項１２記載の配線形成装置である。
請求項１４に記載の発明は、前記保護膜形成装置は、湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の配線形成装置である。
これにより、例えば保護膜として、酸化されやすいＣｏ合金を使用した場合にあっても、無電解めっき等の湿式めっきで形成した保護膜の表面が酸化されてしまうことを防止しつつ、基板の表面に層間バリア層を形成することができる。
【００２３】
請求項１５に記載の発明は、前記湿式めっき装置は、処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体を使用していることを特徴とする請求項１４記載の配線形成装置である。
請求項１６に記載の発明は、前記湿式めっき装置は、基板に付着した溶液を不活性ガスによる飛散で除去するように構成されていることを特徴とする請求項１４または１５記載の配線形成装置である。
【００２４】
請求項１７に記載の発明は、前記装置フレームの内部に、装置間で基板を搬送する搬送装置を配置したことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の配線形成装置である。
これにより、基板の搬送の際に、基板が大気等の酸化雰囲気に暴露されて酸化されてしまうことを防止することができる。
【００２５】
請求項１８に記載の発明は、前記装置フレーム内の雰囲気を真空または不活性雰囲気に制御することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の配線形成装置である。
この不活性ガス雰囲気としては、例えばＮ_２ガス雰囲気が挙げられる。このように、装置フレーム内を不活性ガス雰囲気とした時には、この内部圧力を、大気圧より高く（陽圧）することで、不活性ガス雰囲気とした装置フレームの内部に大気が流入することを防止することができる。
【００２６】
請求項１９に記載の発明は、前記装置フレーム内に、基板の表面に設けた配線用凹部内に配線材料を埋込む埋込み装置を更に有することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の配線形成装置である。
請求項２０に記載の発明は、前記埋込み装置は、ＰＶＤ装置、ＣＶＤ装置または湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項１９記載の配線形成装置である。
【００２７】
請求項２１に記載の発明は、前記装置フレーム内に、前記配線形成装置で形成した配線材料を熱処理する熱処理装置を更に有することを特徴とする請求項１９または２０記載の配線形成装置である。
請求項２２に記載の発明は、前記熱処理装置は、輻射熱炉、反射熱炉、ホットプレート炉、熱対流炉またはランプアニール炉を有することを特徴とする請求項２１記載の配線形成装置である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、以下の例では、半導体ウエハ等の基板に、銅からなる配線（銅配線）を形成し、この配線の表面にＣｏＷＰ合金膜からなる保護膜を選択的に形成して該配線を保護するようにした例を示す。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態における配線形成装置の全体配置図を示す。図１に示すように、この配線形成措置は、基板を収納したカセットを搬入し空のカセットを搬出するロード室１０と、空のカセットを搬入し一連の処理後の基板を収納したカセットを搬出するアンロード室１２と、ロード室１０及びアンロード室１２に連通する矩形状の装置フレーム１４を有している。
【００３０】
ロード室１０の入口及び装置フレーム側出口には、一対のゲートバルブ１６ａ，１６ｂが備えられ、アンロード室１２の入口及び装置フレーム側出口にも、一対のゲートバルブ１８ａ，１８ｂが備えられている。そして、ロード室１０及びアンロード室１２には、不活性ガス供給ライン２０及び排気ライン２２がそれぞれ接続され、ロード室１０及びアンロード室１２は、開閉弁を介して独自に給排気できるように構成されている。
【００３１】
装置フレーム１４は、密閉可能に構成されており、装置フレーム１４には、不活性ガス供給源２６から延び、途中に給気ポンプ２８及び該ポンプ２８を挟んで一対の開閉弁を介装した不活性ガス供給ライン３０と、大気圧より高い所定の圧力で開く排気弁３２を途中に介装した排気ライン３４がそれそれぞれ接続されている。これにより、給気ポンプ２８の作動に伴って、例えばＮ_２ガス等の不活性ガスを装置フレーム１４内に供給し、この装置フレーム１４内の圧力が、大気圧より高い所定の圧力に達した時に、排気ライン３４の排気弁３２が開いて、装置フレーム１４内を、大気圧より高い所定の圧力の不活性ガス雰囲気に維持できるようになっている。
【００３２】
このように、装置フレーム１４の内部圧力を、大気圧より高い圧力（陽圧）に維持することで、不活性ガス雰囲気に置換した装置フレーム１４内に大気が流入してしまうことを防止することができる。
【００３３】
装置フレーム１４の内部には、バリア層形成装置３６、金属層形成装置としてのシード層形成装置３８、埋込み装置４０、熱処理装置４２、平坦化装置４４，保護膜形成装置４６及び層間バリア層形成装置４８が、基板の搬送経路に沿って配置されて収容されており、これらの装置で囲まれた位置に、搬送装置としての搬送ロボット５０が走行自在に配置されている。
【００３４】
バリア層形成装置３６は、基板の表面に、ＴａＮ等からなるバリア層を形成するためのもので、この例では、図２に示すように、真空排気可能なプロセスチャンバ５２と、ロードロック室５４を一対のゲートバルブ５６ａ，５６ｂで仕切った雰囲気調整機構５８とを有するスパッタリング装置からなる。このバリア層形成装置３６は、スパッタリング装置以外のＰＶＤ装置、ＣＶＤ装置や湿式めっき装置で構成するようにしてもよい。
【００３５】
シード層形成装置（金属層形成装置）３８は、バリア層形成装置３６で基板の表面に形成したバリア層の表面に、銅シード層等のシード層を形成するためのもので、この例では、内部をＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気に置換可能なプロセスチャンバ６０と、前述のバリア層形成装置（スパッタリング装置）３６と同様な構成の雰囲気調整機構６２とを有する無電解めっき装置からなる。そして、この無電解めっき装置（シード層形成装置）３８には、プロセスチャンバ６０の内部に位置して、図示しない前処理槽、めっき処理槽及び後処理槽がそれぞれ備えられており、この前処理槽によるバリア層表面の清浄化処理（薬液洗浄）及び／または触媒担持処理等の基板の前処理、めっき処理槽により無電解めっき処理、後処理槽による洗浄等のめっき後の後処理からなる一連の無電解めっき処理がＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気の下で連続して行えるようになっている。
【００３６】
この無電解めっき装置（シード層形成装置）３８では、前処理液（薬液）、めっき液及び洗浄水等、種々の処理液が使用されるが、これらの処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体が使用されている。このように、めっき液や洗浄水等の処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体を使用することで、無電解めっきでバリア層の表面にシード層を形成する際に、処理液中に含まれる酸素によってバリア層表面が酸化されてしまうことを防止することができる。
【００３７】
更に、この無電解めっき装置（シード層形成装置）３６は、基板に付着した溶液を不活性ガスによる飛散で除去（吹き飛ばし除去）するように構成されている。これにより、前処理の際に基板に付着した前処理液等の溶液を素早く除去して、基板に付着した溶液によって、バリア層が酸化されてしまうことを防止することもできる。
【００３８】
埋込み装置４０は、基板の表面にめっきを施すことで、基板に形成されたトレンチやビアホール等の内部に銅等の配線材料を埋込むもので、この例では、内部をＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気に置換可能なプロセスチャンバ６４と、前述のバリア層形成装置（スパッタリング装置）３６と同様な構成の雰囲気調整機構６６とを有する電解めっき装置からなる。この電解めっき装置（埋込み装置）４０も、前述の無電解めっき装置（シード層形成装置）３８と同様に、プロセスチャンバ６４の内部に位置して、めっき処理槽の他に、必要に応じて前処理槽や後処理槽が配置される。
なお、この埋込み装置４０を、無電解めっき装置、ＰＶＤ装置またはＣＶＤ装置で構成してもよい。
【００３９】
この例では、金属層形成装置としてのシード層形成装置３８と埋込み装置４０とを備え、シード層形成装置（無電解めっき装置）３８によるシード層の形成と、埋込み装置（電解めっき装置）４０による配線材料の埋込み（配線層の形成）を個別に行うようにした例を示している。しかし、金属層形成装置として、例えば前述と同様な構成の無電解めっき装置を使用し、この金属層形成装置（無電解めっき装置）でバリア層の表面に直接銅めっき等を施して、配線層を形成するようにしてもよい。
【００４０】
熱処理装置４２は、前述の埋込み装置４０で成膜した配線材料（銅層）に、例えば１００〜６００℃で熱処理（アニール）を施すためのもので、この例では、内部をＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気に置換可能なプロセスチャンバ（ランプアニール炉）６８と、前述のバリア層形成装置（スパッタリング装置）３６と同様な構成の雰囲気調整機構７０とを有するランプアニール装置からなる。なお、この熱処理装置４２として、輻射熱炉、反射熱炉、ホットプレート炉または熱対流炉を有するもので構成するようにしてもよい。
【００４１】
平坦化装置４４は、前述の埋込み装置４０で成膜した余剰な配線材料を除去し、基板の表面を平坦化して、層間絶縁膜の表面とトレンチやビアホール等の内部に埋込んだ銅等の配線材料の表面が同一平面となるようにするためのもので、この例では、内部をＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気に置換可能なプロセスチャンバ７２と、前述のバリア層形成装置（スパッタリング装置）３６と同様な構成の雰囲気調整機構７４とを有するＣＭＰ（化学機械的研磨）装置からなる。なお、この平坦化装置４４を湿式研磨装置で構成してもよい。
【００４２】
保護膜形成装置４６は、前述の平坦化装置４４で平坦化することで、基板の表面に露出した配線（銅配線）の表面に、ＣｏＷＰ合金膜等からなる保護膜を選択的に形成して、配線を保護するためのもので、この例では、前述のシード層形成装置３８と同様に、内部をＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気に置換可能なプロセスチャンバ７６と、前述のバリア層形成装置（スパッタリング装置）３６と同様な構成の雰囲気調整機構７８とを有する無電解めっき装置からなる。そして、この無電解めっき装置（保護膜形成装置）４６には、プロセスチャンバ７６の内部に位置して、図示しない前処理槽、めっき処理槽及び後処理槽がそれぞれ備えられている。
【００４３】
層間バリア層形成装置４８は、前述の保護膜形成装置４６で保護膜を選択的に形成した基板の表面に、ＳｉＮ等からなる層間バリア層を形成するためのもので、この例では、真空排気可能なプロセスチャンバ８０と、前述のバリア層形成装置（スパッタリング装置）３６と同様な構成の雰囲気調整機構８２とを有するＣＶＤ装置からなる。この層間バリア層形成装置４８は、ＰＶＤ装置や湿式めっき装置で構成するようにしてもよい。
【００４４】
次に、この配線形成装置による一連の配線形成処理を、図３乃至図１０を更に参照して説明する。
先ず、図４に示すように、例えばＰＶＤ、ＣＶＤまたは湿式塗布法でＳｉＯ_２等からなる層間絶縁膜１００を形成し、この層間絶縁膜１００の内部に、例えばＲＩＥ、ＣＤＥ、スパッタエッチングまたは湿式エッチングで配線溝（トレンチ）１０２及びビアホール１０４等の配線用凹部を有する配線パターンを形成した基板Ｗを用意し、この基板Ｗをカセット内に収納してロード室１０内に搬入する。同時に、空のカセットをアンロード室１２内に搬入する。これらの搬入後に、ロード室１０及びアンロード室１２の内部をＮ_２ガス等の不活性ガス雰囲気に置換する。
【００４５】
つまり、ロード室１０及びアンロード室１２の入口側のゲートバルブ１６ａ，１８ａを開き、出口側のゲートバルブ１６ｂ，１８ｂを開いた状態で、ロード室１０及びアンロード室１２内にカセットを搬入し、しかる後、入口側のゲートバルブ１６ａ，１８ａを閉じる。そして、ロード室１０及びアンロード室１２の内部を、排気ライン２２を通して排気するとともに、不活性ガス供給ライン２０を通してＮ_２ガス等の不活性ガスを供給して、ロード室１０及びアンロード室１２の内部を、大気圧より高い圧力（陽圧）の不活性ガス雰囲気に置換する。
【００４６】
装置フレーム１４の内部にあっても同様に、排気ライン３４を通して排気するとともに、不活性ガス供給ライン３０を通してＮ_２ガス等の不活性ガスを供給して、装置フレーム１４の内部を、大気圧より高い圧力の不活性ガス雰囲気に置換する。この状態で、ロード室１０及びアンロード室１２の装置フレーム１４側出口のゲートバルブ１６ｂ，１８ｂを開く。
【００４７】
次に、配線パターンを形成した基板Ｗを、搬送ロボット５０で、ロード室１０内のカセットから一枚ずつ取出し、バリア層形成装置（スパッタリング装置）３６の内部に搬入する。このバリア層形成装置３６では、ロードロック室５４及びゲートバルブ５６ａ，５６ｂを有する雰囲気調整機構５８を介して、プロセスチャンバ５２内の真空を破壊することなく、基板Ｗをプロセスチャンバ５２内に搬入し、この真空状態で、図５に示すように、スパッタリングによって、基板Ｗの表面に、例えば３０ｎｍ程度の膜厚のＴａＮ等からなるバリア層１０６を形成する。
【００４８】
このバリア層１０６を形成した基板Ｗを、例えばＮ_２等の不活性ガス雰囲気に維持した、金属層形成装置としてのシード層形成装置（無電解めっき装置）３８のプロセスチャンバ６０内に搬入する。この時、必要に応じて、膜厚測定器（図示せず）でバリア層１０６の膜厚を測定する。
【００４９】
このシード層形成装置３８では、Ｐｄ等の触媒を担持させる触媒担持処理等の前処理を行う。そして、前処理後の基板Ｗをめっき槽内に保持した、例えば６０℃の無電解銅めっき液に１分間浸漬させ、しかる後、めっき後の基板表面を後洗浄槽内で後洗浄液に接触させて基板Ｗの後洗浄等の後処理を行い、基板Ｗを高速で回転させてスピン乾燥させる一連の無電解めっき処理を施す。これにより、図６に示すように、バリア層１０６の表面に、例えば膜厚が３０ｎｍの銅からなるシード層１０８を形成する。
【００５０】
この時、めっき液や洗浄水等の処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体を使用することで、無電解めっきでバリア層１０６の表面にシード層１０８を形成する際に、処理液中に含まれる酸素によってバリア層１０６表面が酸化されてしまうことを防止することができる。更に、基板Ｗに付着した溶液を不活性ガスによる飛散で除去（吹き飛ばし除去）することで、例えば前処理際に基板に付着した前処理液等の溶液を素早く除去して、基板に付着した溶液によって、バリア層１０６が酸化されてしまうことを防止することができる。
【００５１】
次に、このシード層１０８を形成した基板Ｗを、例えばＮ_２等の不活性ガス雰囲気に維持した埋込み装置（電解めっき装置）４０のプロセスチャンバ６４内に搬入する。この時、必要に応じて、膜厚測定器（図示せず）でイニシャル膜厚（シード層１０８の膜厚）を測定する。
【００５２】
この埋込み装置４０では、必要に応じて、基板の表面に形成したシード層１０８を前処理槽内で前処理液に接触させて基板Ｗの表面の親水処理や前洗浄等の前処理を行い、しかる後、この前処理後の基板をめっき槽内の電解銅めっき液に、例えば２０ｍＡ／ｃｍ^２のめっき電圧を印加しつつ、２．５分間浸漬させ、これによって、図７に示すように、基板Ｗの表面に、例えば膜厚が約１０００ｎｍの銅層１１０を堆積させて、配線溝１０２及びビアホール１０４内への銅の埋込みを行う。そして、めっき後の基板Ｗを高速回転させてスピン乾燥させる。
【００５３】
なお、前述のように、金属層形成装置として、例えば前述と同様な構成の無電解めっき装置を使用し、この金属層形成装置（無電解めっき装置）でバリア層１０６の表面に直接銅めっき等を施して、配線層としての銅層１１０を形成するようにしてもよい。
【００５４】
そして、この銅層１１０を形成した基板Ｗを、熱処理装置（ランプアニール装置）４２のプロセスチャンバ６８内に搬入する。この熱処理装置４２では、例えば、Ｎ_２環境化で、基板Ｗに３５０℃で５分間の熱処理（ランプアニール）を施す。
【００５５】
このアニール後の基板Ｗを、例えばＮ_２等の不活性ガス雰囲気に維持した平坦化装置（ＣＭＰ装置）４４のプロセスチャンバ７２内に搬入する。この熱処理後の基板Ｗを膜厚測定器に搬送し、ここで銅の膜厚を測定し、この測定結果と前述のイニシャル膜厚の測定結果との差から、銅層１１０の膜厚を求め、この測定後の膜厚によって、例えば次に基板に対するめっき時間を調整し、また膜厚が不足する場合には、再度めっきによる銅の追加の成膜を行うようにしてもよい。
【００５６】
この平坦化装置４４で、図８に示すように、基板Ｗの表面に堆積した不要な銅層１１０、シード層１０８及びバリア層１０６を研磨除去して、基板Ｗの表面を平坦化し、これによって、層間絶縁膜１００の内部に、銅からなる配線（銅配線）１１２を形成する。この時、例えば、膜厚や基板の仕上がり具合をモニタで検査し、このモニタで終点（エンドポイント）を検知した時に、研磨を終了する。そして、この平坦化後の基板Ｗの表面を薬液で洗浄し、更に純水で洗浄（リンス）した後、高速回転させてスピン乾燥させる。
【００５７】
この平坦化処理後の基板Ｗを、例えばＮ_２等の不活性ガス雰囲気に維持した保護膜形成装置（無電解めっき装置）４６のプロセスチャンバ７６内に搬入する。
この保護膜形成装置４６では、前述のシード層形成装置３８とほぼ同様に、先ず前処理槽内で基板表面を前処理液に接触させ、これによって、銅層１１０の表面の清浄化処理（ＣＭＰ残渣除去処理）及びＰｄ等の触媒を担持させる触媒担持処理等の前処理を行う。そして、前処理後の基板Ｗをめっき槽内に保持した、例えば８０℃の無電解ＣｏＷＰめっき液に３分間浸漬させ、しかる後、めっき後の基板Ｗの表面を後洗浄槽内で後洗浄液に接触させて基板Ｗの後洗浄等の後処理を行い、基板Ｗを高速で回転させてスピン乾燥させる一連の無電解めっき処理を施す。これにより、図９に示すように、層間絶縁膜１００に形成した配線１１２の表面に、例えば膜厚が２０ｎｍのＣｏＷＰからなる保護膜１１４を選択的に形成して配線１１２を保護する。この保護膜１１４の膜厚は、０．１〜５００ｎｍ、好ましくは、１〜２００ｎｍ、更に好ましくは、１０〜１００ｎｍ程度である。この時、例えば、保護膜１１４の膜厚をモニタして、この膜厚が所定の値に達した時、つまり終点（エンドポイント）を検知した時に、無電解めっきを終了する。
【００５８】
この保護膜１１４を形成した基板Ｗを、真空雰囲気に維持した層間バリア層形成装置（ＣＶＤ装置）４８のプロセスチャンバ８０内に搬入する。この層間バリア層形成装置４８では、真空状態で、図１０に示すように、ＣＶＤによって、基板Ｗの表面に、例えば３０ｎｍ程度の膜厚のＳｉＮ等からなる層間バリア層１１６を形成する。
そして、この層間バリア層１１６を形成した基板Ｗを搬送ロボット５０でアンロード室１２内のカセットに搬入する。
【００５９】
なお、上記の例では、配線材料として、銅を使用した例を示しているが、この銅の他に、銅合金、銀または銀合金を使用するようにしてもよい。また、保護膜１１４として、ＣｏＷＰ合金膜を使用した例を示しているが、ＣｏＷＰ合金の他に、Ｃｏ単体やＣｏＷＢ合金、ＣｏＰ合金またはＣｏＢ等のＣｏ合金を使用してもよく、更に、Ｎｉ単体や、ＮｉＷＰ合金、ＮｉＷＢ合金、ＮｉＰ合金またはＮｉＢ合金等のＮｉ合金を使用してもよい。
【００６０】
（実施例１）
図１１に示すように、シリコン基板２００の表面に、２０ｎｍ程度の膜厚のＴａＮからなるバリア層２０２を形成し、このバリア層２０２の表面の酸化膜を湿式処理で除去した後、バリア層２０２の表面にＰｄ触媒を担持させ、５０ｎｍ程度の膜厚の銅層（銅シード層）２０４を無電解めっきで形成した。基板の搬送を含め、このバリア層２０２を形成した後の、銅層２０４を形成するまでの一連の操作をＮ_２ガスの不活性ガス雰囲気下で行った。図１１は、この時に形成したバリア層２０２と銅層２０４の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。この図１１から、バリア層２０２の銅層２０４との界面（表面）に酸化膜が形成されていなことが判る。
【００６１】
（実施例２）
図１２に示すように、シリコン基板等の表面に堆積させたＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜２０６の内部に配線溝（トレンチ）２０８を形成し、表面にＴａＮからなるバリア層２１０と銅シード層２１２とを順次形成した後、電解銅めっきを施して、トレンチ２０８の内部に銅を埋込み、ＣＭＰ処理を施して表面を平坦化することで、層間絶縁膜２０６の内部に銅配線２１４を形成した。そして、この銅配線２１４の表面に、約２０ｎｍ程度の膜厚のＣｏＷＰ合金膜からなる保護膜（蓋材）２１６を無電解めっきで形成して配線２１４を保護し、更に、この表面に、ＳｉＮからなる層間バリア層２１８を形成した。基板の搬送を含め、銅シード層２１２の形成から層間バリア層２１８の形成までの一連の操作をＮ_２ガスの不活性ガス雰囲気下で行った。図１２は、この時に形成した保護膜２１６と層間バリア層２１８の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。この図１２から、保護膜２１６の層間バリア層２１８との界面（表面）に酸化膜が形成されていなことが判る。
【００６２】
（比較例１）
比較例１として、実施例１とほぼ同様に、シリコン基板２００の表面に、２０ｎｍ程度の膜厚のＴａＮからなるバリア層２０２を形成し、このバリア層２０２の表面の酸化膜を湿式処理で除去した後、バリア層２０２の表面にＰｄ触媒を担持させ、５０ｎｍ程度の膜厚の銅層（銅シード層）２０４を無電解めっきで形成した。この比較例１にあっては、これらの操作を全て大気雰囲気下で行った。図１３は、この時に形成したバリア層２０２と銅層２０４の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。図１３に示すように、バリア層２０２の銅層２０４との界面（表面）に、バリア層２０２を構成する金属（Ｔａ）の酸化膜２０２ａが、５ｎｍ程度の膜厚で形成されていた。これは、湿式処理を用いてバリア層２０２の表面の酸化膜を除去したとしても、無電解めっきは、結局大気中での処理であるため、バリア層２０２の表面にＴａの酸化膜２０２ａが再形成されるためであると考えられる。
【００６３】
（比較例２）
実施例２とほぼ同様に、シリコン基板等の表面に堆積させたＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜２０６の内部に配線溝（トレンチ）２０８を形成し、表面にＴａＮ等のバリア層２１０を形成した後、トレンチ２０８の内部に銅を埋込み、ＣＭＰ処理を施して表面を平坦化することで、層間絶縁膜２０６の内部に銅配線２１４を形成した。そして、この銅配線２１４の表面に、２０ｎｍ程度の膜厚のＣｏＷＰ合金膜からなる保護膜（蓋材）２１６を無電解めっきで形成して配線２１４を保護し、更に、この表面に、ＳｉＮからなる層間バリア層２１８を形成した。この比較例２にあっては、これらの操作を全て大気雰囲気下で行った。図１４は、この時に形成した保護膜２１６と層間バリア層２１８の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。この図１４から、保護膜２１６の層間バリア層２１８との界面（表面）に、Ｃｏ酸化膜２１６ａが、３ｎｍ程度の膜厚で形成されていた。これは、Ｃｏは酸化され易いためであると考えられる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、基板の表面にバリア層を形成し、このバリア層の表面にシード層を形成する一連の過程や、基板の表面を平坦化し、この平坦化によって露出した埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成する一連の過程、更には埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成し、この保護膜を形成した基板の表面に層間バリア層を形成する一連の過程を、装置フレーム内の雰囲気を制御して、大気中等の酸化雰囲気に暴露されることなく行うことで、バリア層の表面や保護膜の表面に酸化膜が形成されることを防止しつつ、バリア層の表面にシード層を形成したり、保護膜の表面に層間バリア層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における配線形成装置の全体構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す配線形成装置のバリア層形成装置の概要を拡大して示す図である。
【図３】図１に示す配線形成装置で配線を形成する工程を示すブロック図である。
【図４】層間絶縁膜の内部に配線パターンを形成した基板を示す概要図である。
【図５】図４に示す基板の表面にバリア層を形成した状態を示す概要図である。
【図６】図５に示す基板のバリア層の表面にシード層を形成した状態を示す概要図である。
【図７】図６に示す基板の表面に銅めっきを施して銅を埋め込んだ状態を示す概要図である。
【図８】図７に示す基板の表面に平坦化処理を施した状態を示す概要図である。
【図９】図８に示す基板の配線の表面に保護膜を選択的に形成した状態を示す概要図である。
【図１０】図９に示す基板の表面に層間バリア層を形成した状態を示す概要図である。
【図１１】実施例１による処理を施した後のバリア層と銅層の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。
【図１２】実施例２による処理を施した後のバリア層と銅層の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。
【図１３】比較例１による処理を施した後のバリア層と銅層の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。
【図１４】比較例２による処理を施した後のバリア層と銅層の界面を含めた透過電子顕微鏡写真（ＴＥＭ象）を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０ ロード室
１２ アンロード室
１４ 装置フレーム
２０，３０ 不活性ガス供給ライン
２２，３４ 排気ライン
３６ バリア層形成装置
３８ シード層形成装置（金属層形成装置）
４０ 埋込み装置
４２ 熱処理装置
４４ 平坦化装置
４６ 保護膜形成装置
４８ 層間バリア層形成装置
５０ 搬送ロボット
５２ プロセスチャンバ
５４ ロードロック室
５６ａ，５６ｂ ゲートバルブ
５８ 雰囲気調整機構
６０，６４，６８，７２，７６，８０ プロセスチャンバ
６２，６６，７０，７４，７８，８２ 雰囲気調整機構
１００，２０６ 層間絶縁膜
１０２，２０８ 配線溝（トレンチ）
１０４ ビアホール
１０６，２０２，２１０ バリア層
１０８，２０４，２１２ シード層
１１０ 銅層
１１２，２１４ 配線
１１４，２１６ 保護膜
１１６，２１８ 層間バリア層

Claims (22)

1. 基板の表面に埋込み配線を形成する配線形成装置であって、
   基板の表面にバリア層を形成するバリア層形成装置と、このバリア層形成装置で形成されたバリア層の表面に金属層を形成する金属層形成装置を、内部の雰囲気を制御可能な装置フレーム内に配置したことを特徴とする配線形成装置。
2. 前記金属層は、シード層または配線層であることを特徴とする請求項１記載の配線形成装置。
3. 前記バリア層形成装置及び／または金属層形成装置は、内部の雰囲気を制御可能なプロセスチャンバを有することを特徴とする請求項１または２記載の配線形成装置。
4. ＰＶＤ、ＣＶＤまたは湿式塗布法で層間絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜に、ＲＩＥ、ＣＤＥ、スパッタエッチングまたは湿式エッチングで配線パターンを形成した基板を前記装置フレーム内に搬入することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の配線形成装置。
5. 前記バリア層形成装置は、ＰＶＤ装置、ＣＶＤ装置または湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の配線形成装置。
6. 前記金属層形成装置は、湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の配線形成装置。
7. 前記湿式めっき装置は、処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体を使用していることを特徴とする請求項６記載の配線形成装置。
8. 前記湿式めっき装置は、基板に付着した溶液を不活性ガスによる飛散で除去するように構成されていることを特徴とする請求項６または７記載の配線形成装置。
9. 基板の表面に埋込み配線を形成する配線形成装置であって、
   基板の表面に形成した余剰な金属膜を除去して基板の表面を平坦化する平坦化装置と、前記平坦化によって露出した埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成する保護膜形成装置を、内部の雰囲気を制御可能な装置フレーム内に配置したことを特徴とする配線形成装置。
10. 前記平坦化装置及び／または前記保護膜形成装置は、内部の雰囲気を制御可能なプロセスチャンバを有することを特徴とする請求項９記載の配線形成装置。
11. 前記平坦化装置は、ＣＭＰ装置または湿式研摩装置からなることを特徴とする請求項９または１０記載の配線形成装置。
12. 基板の表面に埋込み配線を形成する配線形成装置であって、
    埋込み配線の露出表面に保護膜を選択的に形成する保護膜形成装置と、この保護膜を形成した基板の表面に層間バリア層を形成する層間バリア層形成装置を、内部の雰囲気を制御可能な装置フレーム内に配置したことを特徴とする配線形成装置。
13. 前記保護膜形成装置及び／または前記層間バリア層形成装置は、内部の雰囲気を制御可能なプロセスチャンバを有することを特徴とする請求項１２記載の配線形成装置。
14. 前記保護膜形成装置は、湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項９乃至１３のいずれかに記載の配線形成装置。
15. 前記湿式めっき装置は、処理液として、溶存酸素濃度が５ｐｐｂ以下の液体を使用していることを特徴とする請求項１４記載の配線形成装置。
16. 前記湿式めっき装置は、基板に付着した溶液を不活性ガスによる飛散で除去するように構成されていることを特徴とする請求項１４または１５記載の配線形成装置。
17. 前記装置フレームの内部に、装置間で基板を搬送する搬送装置を配置したことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の配線形成装置。
18. 前記装置フレーム内の雰囲気を真空または不活性雰囲気に制御することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれかに記載の配線形成装置。
19. 前記装置フレーム内に、基板の表面に設けた配線用凹部内に配線材料を埋込む埋込み装置を更に有することを特徴とする請求項１乃至１８のいずれかに記載の配線形成装置。
20. 前記埋込み装置は、ＰＶＤ装置、ＣＶＤ装置または湿式めっき装置からなることを特徴とする請求項１９記載の配線形成装置。
21. 前記装置フレーム内に、前記配線形成装置で形成した配線材料を熱処理する熱処理装置を更に有することを特徴とする請求項１９または２０記載の配線形成装置。
22. 前記熱処理装置は、輻射熱炉、反射熱炉、ホットプレート炉、熱対流炉またはランプアニール炉を有することを特徴とする請求項２１記載の配線形成装置。

Images