JP2005311083A

JP2005311083A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005311083A
Application number: JP2004126084A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Obara; 泰浩小原; Yoshihisa Okayama; 芳央岡山; Shinichi Tanimoto; 伸一谷本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】絶縁膜の凹部内に金属膜を形成した後の洗浄工程において発生する光電効果による電解腐食を抑制し、絶縁膜の凹部内に信頼性の高い金属膜を形成することができる半導体装置の製造方法を、低コストで提供する。
【解決手段】絶縁膜（ＳｉＯＣ膜）６に凹部７を形成し、凹部７内に配線となるバリアメタル膜８および銅膜９を埋め込む。次いで、ＣＭＰ法を用いて余分な銅膜９およびバリアメタル膜８を除去した後、希アンモニア水溶液を用いて洗浄し、乾燥する。そして、銅膜９を酸素雰囲気に晒して酸化し、銅膜９の表面に酸化銅１０を形成する。その後、希釈したシュウ酸水溶液を用いて洗浄する。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。

近年、半導体デバイスの配線材料として、比抵抗の小さい銅が用いられることが多くなってきている。銅は、反応性イオンエッチングによる加工が困難であるため、銅を配線材料として用いる場合、ダマシン（Damascene）法を用いた配線形成がなされる。ダマシン法では、半導体基板上の絶縁膜に配線溝を形成し、配線となる金属膜を埋め込む。次いで、余分な金属膜を化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）法によって研磨除去する。その結果、絶縁膜内に埋め込まれた金属膜からなる配線が形成される。

しかしながら、ＣＭＰ法による研磨除去後に行われる洗浄処理において、半導体素子が光に曝されることによって誘起される金属膜の電解腐食が問題となる。

金属膜としてＣｕ膜を例に、光電効果による電解腐食のメカニズムを図８に示す。図８に示すように、シリコン基板上に形成されたｐｎ接合部に光が照射されると、光電効果によりキャリア（電子および正孔）が発生する。したがって、Ｃｕ膜ＣＭＰ後の洗浄工程中に半導体基板へ光が照射されると、起電力の発生したｐｎ接合に接続されるＣｕ配線が電解質溶液に接する状態となり、Ｃｕ膜表面で電気分解反応（アノード反応とカソード反応）が生じてしまう。ここで、アノード側ではＣｕがＣｕ^２＋として溶液中へと溶解してしまうため、Ｃｕ配線の溶解（電解腐食）が進行する。また一方でカソード側ではＣｕイオンなどが付着し電子を受け取ることでＣｕ析出などが生じることになる。

この結果、埋め込みＣｕ配線の断線や短絡が生じ、信頼性の高い金属配線が形成できなくなる。

特許文献１では、この光電効果による電解腐食の対策として、遮光状況下においてＣＭＰ後の洗浄処理を行う方法、あるいは洗浄液中に高分子界面活性剤などのブロック剤や反応阻止剤を添加して洗浄処理を行う方法が開示されている。
特許第３０８３８０９号

光電効果による電解腐食を誘起する光源としては、クリーンルーム室内灯、装置表示パネルや装置内センサーのＬＥＤなど様々なものが存在する。これらすべてを遮光するためには、ＣＭＰ装置本体に遮光のための密閉機構を設ける必要があるが、装置が複雑化し装置コストの増大、ひいては半導体装置の製造コストの増大につながってしまう。

また、高分子界面活性剤などのブロック剤や反応阻止剤を添加した洗浄液を用いる場合についても、従来とは異なる高コストな洗浄液を用いることとなるため、最終的には半導体装置の製造コストの増大につながってしまう。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、絶縁膜の凹部内に金属膜を形成した後の洗浄工程において発生する光電効果による電解腐食を抑制し、絶縁膜の凹部内に信頼性の高い金属膜を形成することができる半導体装置の製造方法を、低コストで提供することができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜に、凹部を形成する第１の工程と、凹部内に金属膜を形成する第２の工程と、金属膜の表面を酸化する第３の工程と、半導体基板を第１の洗浄液を用いて洗浄する第４の工程と、を備えることをその要旨とする。

このような構成とすることにより、金属膜が絶縁された状態になるため、光電効果による電流が流れず、洗浄処理において発生する電解腐食が抑制され、良好な金属配線を形成することができる。その結果、信頼性の高い金属配線を形成する半導体装置の製造方法を低コストで提供することができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法においては、第３の工程を、半導体基板を第２の洗浄液を用いて洗浄し、乾燥させることによって行うことが望ましい。

このような構成とすることにより、第３の工程で金属膜を大気（大気に含まれる酸素）に晒した後、連続して第４の工程を行うことができるため、半導体装置の製造を短時間化することができ、より低コスト化できる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、第２の洗浄液が、純水もしくは希アンモニア水溶液であることがより好ましい。

このような構成とすることにより、より効果的に光電効果による電解腐食を発生させずに半導体基板を乾燥させることができる。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、第３の工程を、金属膜を酸素雰囲気あるいは酸素プラズマに晒すことによって行うことが好ましい。

このような構成とすることにより、制御性よく、且つ安定的に金属膜を酸化することができるため、洗浄処理において発生する光電効果による電解腐食を安定的に抑制することができ、より信頼性の高い金属配線を形成することができる。

絶縁膜の凹部内に金属膜を形成した後の洗浄工程において発生する光電効果による電解腐食を抑制し、絶縁膜の凹部内に信頼性の高い金属膜を形成することができる半導体装置の製造方法を、低コストで提供することができる。

以下に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について図１〜図５の順に説明する。尚、すべての図面において、同様の構成要素には同一の符号を付し、以下の説明において詳細な説明を適宜省略する。

（工程１）図１において、ｎ型領域２およびｐ型領域３が形成されたシリコン基板１上に、ＣＭＰ法で平坦化された絶縁膜４を形成する。絶縁膜４には、ｎ型領域およびｐ型領域に通じるコンタクトホールが形成され、さらにコンタクトホール内にはタングステン（Ｗ）５が埋め込まれている（トランジスタ素子などは図示せず）。次に、絶縁膜として、ＳｉＯ_２膜よりも比誘電率の低い低誘電率材料であるＳｉＯＣ膜６を、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、シリコン基板１上の全面に堆積する。続いて、リソグラフィ法によりレジストパターンを設け、ドライエッチング法により凹部状の配線溝７を形成する。

（工程２）図２に示すように、配線溝７を含むＳｉＯＣ膜６上全体に、窒化タンタル（ＴａＮ）からなるバリアメタル膜８および電解めっきのシード層となる銅膜（図示せず）をスパッタによりこの順に形成する。そして、電解めっきにより配線溝７に銅膜９を埋め込む。

（工程３）図３および図４に示すように、不要部分の銅膜９およびバリアメタル膜８をＣＭＰ法により順に研磨除去する。続いて、研磨後の半導体基板１００を、希アンモニア水溶液（例えば、濃度０．００１％〜０．０１０％のアンモニア水溶液、より好ましくは濃度０．００１５％のアンモニア水溶液）を用いて洗浄し、純水リンスを行った後、スピンドライ法により乾燥させる。

（工程４）図５に示すように、半導体基板１００全体を酸素（Ｏ_２）雰囲気中に晒すことによって銅膜９の表面を酸化し、酸化銅１０を形成する。酸化銅の形成方法としては、例えば、銅膜９が露出した半導体基板１００を、室温で１０分以上大気中に晒して、大気中の酸素と反応させて行う。また、銅膜９が露出した半導体基板１００を、ベーク炉もしくはホットプレートにおいて、酸素雰囲気中１００℃で２分間加熱処理して形成してもよい。さらに、ＣＶＤ装置やエッチング装置を用いて、銅膜９が露出した半導体基板１００に対して、酸素プラズマ処理を行って形成してもよい。この場合、制御性よく、且つ安定的に銅膜９を酸化することができるため、光電効果による電解腐食を安定的に抑制することができる。

また、図３におけるバリアメタル膜８が選択的に除去され、銅膜９が凸状に形成された場合においても、図６に示すように、銅膜９の表面を酸化し、酸化銅１０を形成することができる。

酸化銅１０の形成後、半導体基板１０１を濃度が０．０１％〜０．１０％に希釈されたシュウ酸水溶液、より好ましくは０．０３％に希釈されたシュウ酸水溶液を用いて洗浄し、純水リンスを行う。このとき、銅膜９の表面には酸化銅１０が形成されているため、ｐｎ接合に接続されるＣｕ配線（銅膜９）は電解質溶液（シュウ酸水溶液）とは絶縁された状態となる。このため、シュウ酸水溶液による洗浄処理中に半導体基板１０１へ光が照射されても、光電効果による電流は流れず、Ｃｕ膜表面でアノード反応とカソード反応が生じることはない。したがって、Ｃｕ配線の光電効果による電解腐食は完全に制御される。

（工程５）濃度０．１％〜１．０％のフッ酸水溶液（ＨＦ水溶液）、より好ましくは０．５％のフッ酸水溶液を用いて洗浄し、純水リンスを行った後、スピンドライ法により半導体基板１０１を乾燥する（図示せず）。このようなフッ酸水溶液による洗浄を行うことで、絶縁膜上のＣｕなどの金属イオンを効果的に除去することができるため、より信頼性の高いＣｕ配線を形成することができる。

図７は、（ａ）本実施形態、及び（ｂ）従来技術により形成したアノード部の銅膜９の表面状態を示すＳＥＭ像である。

従来方法では、光電効果による電解腐食により銅膜９が溶解しているのに対して、本実施形態では、溶解することなく、良好に銅膜９が形成されていることがわかる。このように、本実施形態では、銅膜９の光電効果による電解腐食を抑制することができる。

表１に、本実施形態における各洗浄処理後のパーティクル評価の結果を示す。尚、パーティクル評価では、異物検査装置サーフスキャン６４２０を用いて、６インチウエハ上のパーティクル（サイズ０．１９μｍ以上）を測定した。

希アンモニア水溶液処理後（条件Ａ）においては、２万個以上のパーティクルが検出されているのに対して、シュウ酸水溶液処理後（条件Ｂ）あるいはフッ酸水溶液処理後（条件Ｃ）においては、５０個以下まで除去されていることがわかる。このように、本実施形態では、半導体基板１００を乾燥させた後に酸化処理を行っても、良好に金属ＣＭＰ後のパーティクルを除去することができる。

以上のように、本実施形態では、銅膜の光電効果による電解腐食対策として、遮光状況下でのＣＭＰ後の洗浄処理や高分子界面活性剤などのブロック剤や反応阻止剤を添加した洗浄液による洗浄処理を適用しなくても、すなわち、従来のＣＭＰ装置および洗浄液を用いた場合でも、銅膜ＣＭＰ後の洗浄処理において発生する光電効果による電解腐食を抑制し、絶縁膜の凹部に埋め込まれたＣｕ配線を良好に形成することができる。この結果、絶縁膜の凹部内に信頼性の高いＣｕ配線を形成する半導体装置の製造方法を、低コストで提供することができる。

以上、実施の形態により本発明を詳細に説明したが、本発明はこれに限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、金属膜ＣＭＰ処理に適用することができる。また、上記実施形態においては、配線溝と接続孔とを段階的に形成していくシングルダマシンによる半導体装置の製造例を示したが、配線溝および接続孔を同時に形成するデュアルダマシンによる半導体装置の製造にも好ましく適用することができる。

本実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。本実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。本実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。本実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。本実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための断面図である。本発明の別形態に係る半導体装置を説明するための断面図である。本実施形態および従来法に係る半導体装置の表面状態のＳＥＭ像である。従来法におけるｐｎ接合による光電効果による電解腐食を説明するための断面図である。

符号の説明

１シリコン基板
２ｎ型領域
３ｐ型領域
４絶縁膜
５タングステン（Ｗ）
６ＳｉＯＣ膜
７配線溝
８バリアメタル膜（ＴａＮ）
９銅膜（Ｃｕ）
１０酸化銅
１００、１０１半導体基板

Claims

半導体基板上に形成された絶縁膜に、凹部を形成する第１の工程と、
前記凹部内に金属膜を形成する第２の工程と、
前記金属膜の表面を酸化する第３の工程と、
前記半導体基板を第１の洗浄液を用いて洗浄する第４の工程と、
を備えることを特徴とした半導体装置の製造方法。
前記第３の工程を、前記半導体基板を第２の洗浄液を用いて洗浄し、乾燥させることによって行うことを特徴とした請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記第２の洗浄液が、純水もしくは希アンモニア水溶液であることを特徴とした請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第３の工程を、前記金属膜を酸素雰囲気あるいは酸素プラズマに晒すことによって行うことを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。