JP2006278587A - Manufacturing method and manufacturing apparatus for semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法および製造装置に関し、特にその半導体装置の製造工程のうち、Cu配線形成工程に関わる半導体装置の製造方法および製造装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a manufacturing apparatus, and more particularly, to a semiconductor device manufacturing method and a manufacturing apparatus related to a Cu wiring forming process among the semiconductor device manufacturing processes.
近年、シリコン半導体製品の高性能化に伴い、配線構造は微細化、多層化が加速している。このような高性能な配線を実現するために、近年は配線材料としてCuが使用されている。さらに、配線間の寄生容量を低減して信号の高速化を実現するために、層間絶縁膜として低比誘電率材料が使用され始めている。このような高性能なCu配線構造の形成方法としては、銅のドライエッチングが極めて困難なことから、ダマシン技術が一般的に行われている。ダマシン技術では、下層配線上に層間絶縁膜を堆積した後、まず層間絶縁膜のドライエッチングによりビアホールおよび配線溝を形成する。次に、形成されたビアホールおよび配線溝へスパッタ法によりバリア層およびCuシード層を形成し、この後、電解めっきによるCuの埋め込みを行い、最後に化学機械研磨により余剰なCuの除去および平坦化を行うことにより、一連の配線構造を形成している。 In recent years, with the improvement in performance of silicon semiconductor products, miniaturization and multilayering of wiring structures are accelerating. In order to realize such a high-performance wiring, Cu has recently been used as a wiring material. Furthermore, in order to reduce the parasitic capacitance between the wirings and realize a high-speed signal, a low relative dielectric constant material has begun to be used as an interlayer insulating film. As a method for forming such a high-performance Cu wiring structure, damascene technology is generally performed because dry etching of copper is extremely difficult. In the damascene technique, after an interlayer insulating film is deposited on a lower layer wiring, via holes and wiring grooves are first formed by dry etching of the interlayer insulating film. Next, a barrier layer and a Cu seed layer are formed by sputtering in the formed via hole and wiring groove, and then Cu is embedded by electrolytic plating. Finally, excess Cu is removed and planarized by chemical mechanical polishing. As a result, a series of wiring structures are formed.
このような配線構造の形成プロセスにおいて、高い配線歩留りを実現するためには、下層配線のCu表面とビアホール底部に形成されるバリア層との間に良好なコンタクトが形成されなければならない。ビアホール形成後のビアホール底部に露出したCuの表面は、酸素アッシングによるレジスト除去工程や、その後の大気への放置によって、酸化Cu層が形成されている。したがって、バリア層との良好なコンタクトを得るためには、バリア層を形成することに先立ってこの酸化Cu層を除去しなければならず、その手段として従来は、アルゴン逆スパッタ法が一般的に用いられてきた。 In such a wiring structure formation process, in order to realize a high wiring yield, a good contact must be formed between the Cu surface of the lower layer wiring and the barrier layer formed at the bottom of the via hole. On the surface of Cu exposed at the bottom of the via hole after the via hole is formed, a Cu oxide layer is formed by a resist removal process by oxygen ashing and subsequent exposure to the atmosphere. Therefore, in order to obtain good contact with the barrier layer, the Cu oxide layer must be removed prior to the formation of the barrier layer. Has been used.
しかしながら、アルゴン逆スパッタ法は、プラズマによりイオン化したアルゴン粒子を半導体基板の表面に衝突させることによって半導体基板の表面の酸化Cu層を物理的に除去する方法であるために、以下のような問題がある。まず、ビアホール底部のCuがリスパッタによりビアホール側壁の層間絶縁膜に付着してしまうことにより、Cuが層間絶縁膜中を拡散する。また、低比誘電率材料からなる層間絶縁膜がプラズマにさらされることにより損傷を受け、比誘電率が上昇してしまう。さらに、微細化したホールパターンがイオン衝撃により形状を損傷する。これらは何れも高性能な配線の実現に対して大きな問題となる。したがって、このような問題を発生することなく、ビアホール底部表面の酸化Cu層を除去することが必要である。 However, the argon reverse sputtering method is a method of physically removing the oxidized Cu layer on the surface of the semiconductor substrate by causing argon particles ionized by the plasma to collide with the surface of the semiconductor substrate. is there. First, Cu at the bottom of the via hole adheres to the interlayer insulating film on the side wall of the via hole by resputtering, so that Cu diffuses in the interlayer insulating film. Further, an interlayer insulating film made of a low relative dielectric constant material is damaged by exposure to plasma, and the relative dielectric constant increases. Furthermore, the refined hole pattern is damaged by ion bombardment. All of these are major problems for realizing high-performance wiring. Therefore, it is necessary to remove the oxidized Cu layer on the bottom surface of the via hole without causing such a problem.
このような問題に対応するために、従来のアルゴン逆スパッタ法に替わる方法として、水素プラズマによる方法や、気化した蟻酸を作用させる方法が提案されている。
例えば、特許文献1では、異方性水素プラズマ法を用い、主に化学反応によりビアホール底部の酸化Cuを除去することを提案している。
In order to cope with such a problem, a method using hydrogen plasma or a method using vaporized formic acid has been proposed as a method to replace the conventional argon reverse sputtering method.
For example,
また、特許文献2では、気化させた蟻酸を真空反応室に導入し、ビアホール底部の酸化Cuと蟻酸の化学反応により酸化Cuを除去することを提案している。この方法では酸化Cuの除去は効率的に行うことができる。
しかしながら、特許文献1などに開示されているような、異方性水素プラズマ法を用いて、主に化学反応によりビアホール底部の酸化Cuを除去する方法では、水素プラズマによる酸化Cuとの化学反応の反応時間が遅くて処理に長時間を要すること、またこのために処理時間を長くすると、アルゴン逆スパッタ法と同様にプラズマによる低比誘電率膜の劣化およびパターンダメージの恐れがあることなどの課題を有している。
However, in the method of removing Cu oxide at the bottom of the via hole mainly by chemical reaction using the anisotropic hydrogen plasma method as disclosed in
また、特許文献2などに開示されているような、気化させた蟻酸を真空反応室に導入し、ビアホール底部の酸化Cuと蟻酸の化学反応により酸化Cuを除去する方法では、以下の課題がある。まず、蟻酸は常温で液体のために真空チャンバーに導入する前にバブリングにより気化し、その後、高温を保持してチャンバーに導入させなければならないが、このような方法では大口径化した半導体基板面内に対し均一に蟻酸を供給することは難しく、酸化Cuの除去量にばらつきが発生する可能性がある。また、金属製の真空チャンバーにそのような高温の酸を長時間導入するとチャンバー内に腐食が発生するため、量産に適用するには問題がある。
Moreover, the method of introducing vaporized formic acid into a vacuum reaction chamber as disclosed in
本発明はこれらの課題を解決するもので、バリア層を形成する前にビアホール底部に形成された酸化Cu層を除去する際に、ダメージ等の問題がなく、大口径の基板であっても酸化Cu層を均一に除去できる半導体装置の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。 The present invention solves these problems, and there is no problem such as damage when removing the oxidized Cu layer formed on the bottom of the via hole before forming the barrier layer, and even a large-diameter substrate is oxidized. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device manufacturing method and a manufacturing apparatus capable of uniformly removing a Cu layer.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法においては、配線溝とビアホールとが形成された半導体基板を有機酸洗浄してビアホール底部に形成された酸化Cu層を還元処理する工程と、前記還元処理後に真空加熱によりビアホール内の残留水分を完全に除去する工程と、前記残留水分除去後にスパッタリングによりバリア層およびCuシード層を形成する工程とを備える。 In order to solve the above problems, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of reducing the Cu oxide layer formed at the bottom of the via hole by cleaning the semiconductor substrate on which the wiring trench and the via hole are formed with an organic acid. And a step of completely removing residual moisture in the via hole by vacuum heating after the reduction treatment, and a step of forming a barrier layer and a Cu seed layer by sputtering after the removal of the residual moisture.
本発明を実現する装置は、ビアホール底部の酸化Cu層を有機酸洗浄により除去する還元処理室(還元処理部)と、前記洗浄後のビアホール内にわずかに残留する水分を真空加熱により除去する乾燥室(乾燥部)と、前記乾燥後に配線溝およびビアホール内にスパッタリングによりバリア層を形成するバリア層形成室(バリア層形成部)と、バリア層上にスパッタリングによりCuシード層を形成するCuシード層形成室(Cuシード層形成部)とから構成される。前記還元処理室と前記乾燥室とをつなぐ部屋は、密閉性の高い搬送室となっており、大気圧で半導体基板を搬送する搬送ロボットが設置されている。前記搬送室は窒素が充満しており、酸素濃度が規定濃度以下に保持される。前記乾燥室と前記バリア層形成室およびCuシード層形成室とは、真空搬送室によって連結されており、前記真空搬送室には真空搬送ロボットが設置されている。 An apparatus for realizing the present invention includes a reduction processing chamber (reduction processing unit) that removes the oxidized Cu layer at the bottom of the via hole by organic acid cleaning, and drying that removes moisture slightly remaining in the cleaned via hole by vacuum heating. A chamber (drying unit), a barrier layer forming chamber (barrier layer forming unit) for forming a barrier layer by sputtering in the wiring groove and via hole after the drying, and a Cu seed layer for forming a Cu seed layer by sputtering on the barrier layer And a forming chamber (Cu seed layer forming portion). A room connecting the reduction processing chamber and the drying chamber is a highly sealed transfer chamber, and a transfer robot for transferring a semiconductor substrate at atmospheric pressure is installed. The transfer chamber is filled with nitrogen, and the oxygen concentration is kept below a specified concentration. The drying chamber, the barrier layer forming chamber, and the Cu seed layer forming chamber are connected by a vacuum transfer chamber, and a vacuum transfer robot is installed in the vacuum transfer chamber.
半導体基板は、本製造装置内において、まず還元処理室において有機酸洗浄処理が実施される。シュウ酸やクエン酸などの有機酸は、一般に、CuやFeなどの金属汚染を除去するための洗浄液として用いられるが、中でもシュウ酸が高い除去能力を持つ。これは、シュウ酸は、化学構造が単純であるため、CuやFeと容易にキレート錯体を形成することができるためである。この作用により、シュウ酸は、金属結合しているCuとは錯体を形成しないが、酸化Cu(CuOx)とはキレート錯体を形成してCuを溶解することができ、酸化Cu層を除去することができる。この際、有機酸には界面活性剤を添加することにより、有機酸はビアホール内に容易に侵入し、ビアホール底部に形成された酸化Cuを効果的に除去してCuを露出させる。その後、直ちに純水洗浄およびスピン乾燥が実施される。 The semiconductor substrate is first subjected to an organic acid cleaning process in the reduction processing chamber in the manufacturing apparatus. An organic acid such as oxalic acid or citric acid is generally used as a cleaning solution for removing metal contamination such as Cu and Fe, and oxalic acid has a high removal ability. This is because oxalic acid has a simple chemical structure and can easily form a chelate complex with Cu or Fe. Due to this action, oxalic acid does not form a complex with metal-bonded Cu, but can form a chelate complex with Cu oxide (CuO x ) to dissolve Cu and remove the Cu oxide layer. be able to. At this time, by adding a surfactant to the organic acid, the organic acid easily penetrates into the via hole, effectively removing Cu oxide formed at the bottom of the via hole to expose Cu. Thereafter, pure water cleaning and spin drying are performed immediately.
この後、半導体基板は前記搬送ロボットにより窒素で充満された搬送室を経由して乾燥室内に搬送される。この時、搬送室内の酸素濃度は規定濃度以下に保持されているため、洗浄により露出したCu表面は酸化されることなく清浄度を保つことができる。乾燥室内ではビアホール内にわずかに残留する水分を真空加熱により完全に除去する。この後、半導体基板は、真空ロボットによりバリア層形成部に搬送され、スパッタリングによりバリア層が形成される。 Thereafter, the semiconductor substrate is transferred into the drying chamber by the transfer robot via the transfer chamber filled with nitrogen. At this time, since the oxygen concentration in the transfer chamber is kept below a specified concentration, the Cu surface exposed by cleaning can be kept clean without being oxidized. In the drying chamber, moisture remaining in the via hole is completely removed by vacuum heating. Thereafter, the semiconductor substrate is transferred to the barrier layer forming unit by a vacuum robot, and a barrier layer is formed by sputtering.
本発明では、Cu配線形成工程のうち、ビアホールおよび配線溝の形成後に上記方法を有する処理を施すことにより、低比誘電率材料からなる層間絶縁膜を劣化させることなく、かつ半導体基板面内にわたって均一に、下層配線Cuとバリア層との間に良好なコンタクトを形成することが可能となる。 In the present invention, in the Cu wiring forming process, by performing the process having the above method after the formation of the via hole and the wiring groove, the interlayer insulating film made of the low relative dielectric constant material is not deteriorated and the entire surface of the semiconductor substrate is covered. Uniform contact can be formed between the lower layer wiring Cu and the barrier layer uniformly.
以下に本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法および製造装置について図面を参照しながら説明する。図1に本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法のフローを示し、図2に本発明による半導体装置の断面を示す。また、図3に本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造装置の装置構成を示す。 A semiconductor device manufacturing method and a manufacturing apparatus according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a flow of a manufacturing method of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 3 shows an apparatus configuration of a semiconductor device manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
以下に、本工程(本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に対応する工程)前までの工程の概略を説明する。図1、図2に示すように、まずCuによる下層配線2が形成された半導体基板1上に層間絶縁膜3を堆積させる(ステップS101)。層間絶縁膜3としては、近年の半導体装置の高性能化に伴い、配線容量を低減して信号の高速化を実現できる低比誘電率材料が用いられる。次にレジストパターンを形成した後、層間絶縁膜3のドライエッチングによりビアホール4および配線溝5を形成する(ステップS102)。次いで、酸素アッシングによりレジストを除去し、その後、薬液洗浄によりビアホール4内および配線溝5内に付着した有機物を除去(ステップS103)した後、本工程を行う。本工程が開始されるまでに、ビアホール4の底部に露出したCu表面は、前記酸素アッシングおよび本工程を行う箇所に搬送されるまでに大気中に放置されることによって、3〜5nmの厚さの酸化Cu層6が形成されている。
Below, the outline of the process before this process (process corresponding to the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on embodiment of this invention) is demonstrated. As shown in FIGS. 1 and 2, first, an interlayer
以下に、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法に対応する本工程の処理ならびに本半導体装置の製造装置について、順を追って説明する。図3に示すように、本半導体装置の製造装置は、還元処理室(還元処理部(有機酸洗浄部))14、大気搬送ロボット13が設けられた大気搬送室(大気搬送部)12、赤外線ヒーター16が設けられた真空乾燥室(真空乾燥部)15、真空搬送ロボット18が設けられた真空搬送室(真空搬送部)17、バリア層形成室(バリア層形成部)19、Cuシード層形成室(Cuシード層形成部)20から構成されている。
Hereinafter, the process of this step and the manufacturing apparatus of the semiconductor device corresponding to the manufacturing method of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention will be described in order. As shown in FIG. 3, the semiconductor device manufacturing apparatus includes a reduction processing chamber (reduction processing unit (organic acid cleaning unit)) 14, an atmospheric transfer chamber (atmospheric transfer unit) 12 provided with an
上記したように、半導体基板1は、層間絶縁膜3にビアホール4および配線溝5が形成されているとともにビアホール4の底部に酸化Cu層6が形成されており、まず、この半導体基板1は、大気搬送室12の大気搬送ロボット13によって還元処理室14に搬送される。
As described above, the
ステップS104において、還元処理室14内では、500rpmの速度で半導体基板1を回転させ、濃度が1.0%のシュウ酸を毎分1リットルの流量で30秒間、半導体基板1上に注ぐことにより、ビアホール4の底部のCu表面に形成された酸化Cu層6を除去し、Cuを露出させる。前記シュウ酸には界面活性剤が添加されており、このため微細なビアホール4内に有機酸が容易に侵入し、ビアホール4の底部の酸化Cu層6を効率よく除去することができる。本処理によって、ビアホール4の底部のCu表面に形成された酸化Cu層6は、層間絶縁膜3への物理的なダメージを生じることなく、半導体基板1の全面にわたって均一に除去される。この後、純水により15秒間リンスを行い、さらに半導体基板1を1500rpmの速度で回転させることによりスピン乾燥を実施する。
In step S104, in the
次にステップS105において、半導体基板1は、大気搬送室12の大気搬送ロボット13により、大気搬送室12を通じて真空乾燥室15に搬送される。ここで、大気搬送室12は略大気圧に維持された密閉構造となっており、その室内は高純度窒素が充満されており、酸素濃度が10ppm以下に保持されている。このためビアホール4の底部に露出したCu表面は酸化することなく清浄度を保ったまま真空乾燥室15に搬送される。
Next, in step S <b> 105, the
次に真空乾燥室15内では、半導体基板1の搬入後、1Paまで真空引きされ、さらに赤外線ヒーター16により200℃で30秒間加熱され、これにより、ビアホール4内にわずかに残留している水分が完全に除去される。
Next, in the
次に、ステップS106において、半導体基板1は、真空搬送室17内に設けられた真空搬送ロボット18により、真空搬送室17を通じてバリア層形成室19に搬送され、スパッタリングによりバリア層7を形成することによって、下層配線(Cu)2とバリア層7との間に良好なコンタクトを形成することができる。
Next, in step S106, the
ステップS107において、半導体基板1は、真空搬送ロボット18によってCuシード層形成室20に搬送され、スパッタリングによりCuシード層8を形成し、本製造装置内での処理を終了する。
In step S107, the
本工程の後、電解めっきによるCuの埋め込みを行い(ステップS108)、次いで化学機械研磨により余剰なCuの除去および平坦化ステップS109を行うことにより、一連の配線構造が形成される。 After this step, Cu is embedded by electrolytic plating (step S108), and then a redundant wiring is removed by chemical mechanical polishing and a flattening step S109 is performed to form a series of wiring structures.
次に、本発明による処理方法(製造方法)を実施した場合の効果について以下に説明する。本発明による処理方法の効果を確認するために、以下を実施した。
まず、ビア歩留りを評価するテストウエハを用いて、従来のアルゴン逆スパッタによる処理を実施した場合と、本発明による処理を実施した場合とで、歩留りを比較した結果、図4(a)に示す結果となり、両処理方法ともに98%以上と良好な歩留りが得られた。ここで用いたテストウエハのビアホール径は0.18μm、アスペクト比は3であり、微細なホールに対しても高歩留まりを得ることが可能であるといえる。
Next, the effect when the processing method (manufacturing method) according to the present invention is performed will be described below. In order to confirm the effect of the treatment method according to the present invention, the following was performed.
First, as shown in FIG. 4A, the yield is compared between the case where the conventional argon reverse sputtering process is performed using the test wafer for evaluating the via yield and the process according to the present invention. As a result, both treatment methods had a good yield of 98% or more. The test wafer used here has a via hole diameter of 0.18 μm and an aspect ratio of 3, and it can be said that a high yield can be obtained even for fine holes.
また、低比誘電率膜への影響を評価するために、低比誘電率膜を成膜した半導体基板1を用い、アルゴン逆スパッタ処理を実施した場合と、シュウ酸洗浄処理を実施した場合に、それぞれ比誘電率の変化を計測した。結果は、図4(b)に示すようになり、アルゴン逆スパッタ処理を実施すると比誘電率は40%上昇するが、シュウ酸洗浄処理ではほとんど変化しないことがわかる。
Further, in order to evaluate the influence on the low dielectric constant film, when the
以上のことから、本発明に示す半導体装置の製造方法ならびに製造装置により、低比誘電率の層間絶縁膜3にダメージを与えることなく、大口径の半導体基板1であっても酸化Cu層6を均一に除去でき、良好なコンタクトを形成することが可能となる。
From the above, the
本発明にかかる半導体装置は、Cu配線による多層配線を有する高性能な半導体装置の製造に有用である。 The semiconductor device according to the present invention is useful for the manufacture of a high-performance semiconductor device having a multilayer wiring made of Cu wiring.
1 半導体基板
2 下層配線
3 層間絶縁膜
4 ビアホール
5 配線溝
6 酸化Cu層
7 バリア層
8 Cuシード層
12 大気搬送部
13 大気搬送ロボット
14 有機酸洗浄部
15 真空乾燥部
16 赤外線ヒーター
17 真空搬送部
18 真空搬送ロボット
19 バリア層形成部
20 Cuシード層形成部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
ビアホール底部に形成された酸化Cu層を有機酸洗浄により還元処理する還元処理工程と、
前記還元処理工程後にスパッタリングによりバリア層を形成するバリア層形成工程と、
前記バリア層形成後にスパッタリングによりCuシード層を形成するCuシード層形成工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device for processing a semiconductor substrate in which a wiring groove and a via hole are formed by dry etching on an interlayer insulating film made of a low relative dielectric constant material deposited on a Cu wiring,
A reduction treatment step of reducing the oxidized Cu layer formed at the bottom of the via hole by organic acid cleaning;
A barrier layer forming step of forming a barrier layer by sputtering after the reduction treatment step;
And a Cu seed layer forming step of forming a Cu seed layer by sputtering after forming the barrier layer.
有機酸洗浄によりビアホール底部の酸化Cu層を還元処理する還元処理室と、
前記還元処理後にスパッタリングによりバリア層を形成するバリア層形成室と、
前記バリア層形成後にスパッタリングによりCuシード層を形成するCuシード層形成室とを有し、
前記還元処理室と前記バリア層形成室との間に、基板加熱手段を備えた真空乾燥室が設けられていることを特徴とする半導体装置の製造装置。 A semiconductor device manufacturing apparatus for processing a semiconductor substrate in which a wiring groove and a via hole are formed by dry etching on an interlayer insulating film made of a low relative dielectric constant material deposited on a Cu wiring,
A reduction treatment chamber for reducing the oxidized Cu layer at the bottom of the via hole by organic acid cleaning;
A barrier layer forming chamber for forming a barrier layer by sputtering after the reduction treatment;
A Cu seed layer forming chamber for forming a Cu seed layer by sputtering after forming the barrier layer;
An apparatus for manufacturing a semiconductor device, wherein a vacuum drying chamber having a substrate heating means is provided between the reduction treatment chamber and the barrier layer forming chamber.
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WO2008149751A1 (en) * | 2007-05-30 | 2008-12-11 | Tokyo Electron Limited | Process for producing semiconductor device, semiconductor production apparatus, and recording medium |
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