JP2009043973A - 半導体装置の製造方法、半導体基板の処理装置及び記憶媒体 - Google Patents

半導体装置の製造方法、半導体基板の処理装置及び記憶媒体 Download PDF

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Abstract

【課題】 層間絶縁膜に低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置であっても、膜剥がれを生じ難くすることが可能な半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】 溝７を有し、バリアメタル層８で被覆された層間絶縁膜６上に、銅を用いた導電膜９を形成し、層間絶縁膜６の溝７を、銅を用いた導電膜９で埋め込む工程と、銅を用いた導電膜９を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、前記銅を用いた導電膜９を薄膜化する工程と、薄膜化された銅を用いた導電膜９及びバリアメタル層８を研磨し、層間絶縁膜６の上面と溝７内に残存する銅を用いた導電膜の上面とを平坦化する工程と、を具備する。
【選択図】図３

Description

この発明は、半導体装置の製造方法、半導体基板の処理装置及び記憶媒体に係わり、特に、銅を用いた導電膜を備えた半導体装置の製造方法、半導体基板の処理装置及び記憶媒体に関する。
半導体集積回路は微細化することにより高集積化と高性能化を達成してきた。しかし、パターンサイズがナノメートル領域に突入した現在、微細化しても集積回路の性能の向上が見込めないようになってきた。
この課題を解決し、集積回路の性能の向上を図る技術の一つとして、無機シリコン酸化膜よりも低い誘電率を持つ絶縁膜（以下、本明細書ではＬｏｗ−ｋ膜、又は低誘電率絶縁膜と略す）を層間絶縁膜に利用する技術が注目されている。層間絶縁膜の誘電率が低下すれば、集積回路内の配線の寄生容量が低下する。配線の寄生容量が低下すれば、信号の伝達速度が向上して集積回路の性能が向上する。
しかしながら、Ｌｏｗ−ｋ膜は、層間絶縁膜として一般的な無機シリコン酸化膜よりも強度が低い。このため、ダマシン法を用いて配線を形成しようとすると、研磨中に膜剥がれが生じやすい（特許文献１又は特許文献２）。膜剥がれが生ずると、半導体集積回路、即ち、半導体装置の歩留りが低下する。
特開２００２−０５０６８７号公報 特開２００６−１５０２０４号公報
この発明は、層間絶縁膜に低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置であっても、膜剥がれを生じ難くすることが可能な半導体装置の製造方法、この製造方法に使用される半導体基板の処理装置、及びこの処理装置を制御する記憶媒体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様に係る半導体装置の製造方法は、溝を有し、バリアメタル層で被覆された層間絶縁膜上に、銅を用いた導電膜を形成し、前記層間絶縁膜の溝を、前記銅を用いた導電膜で埋め込む工程と、前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、前記銅を用いた導電膜を薄膜化する工程と、前記薄膜化された銅を用いた導電膜及び前記バリアメタル層を研磨し、前記層間絶縁膜の上面と前記溝内に残存する銅を用いた導電膜の上面とを平坦化する工程と、を具備する。
この発明の第２の態様に係る半導体装置の製造方法は、溝を有し、バリアメタル層で被覆された層間絶縁膜上に、銅を用いた導電膜を形成し、前記層間絶縁膜の溝を、前記銅を用いた導電膜で埋め込む工程と、前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、前記バリアメタル層を露出させる工程と、前記露出したバリアメタル層を研磨し、前記層間絶縁膜の上面と前記溝内に残存する銅を用いた導電膜の上面とを平坦化する工程と、を具備する。
この発明の第３の態様に係る半導体装置の製造方法は、溝を有し、バリアメタル層で被覆された層間絶縁膜上に、銅を用いた導電膜を形成し、前記層間絶縁膜の溝を、前記銅を用いた導電膜で埋め込む工程と、前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、前記層間絶縁膜の上面を被覆する前記バリアメタル層を露出させ、この露出したバリアメタル層を引き続きエッチングし、前記溝を有する層間絶縁膜の上面と前記溝内に残存する銅を用いた導電膜の上面とを平坦化する工程と、を具備する。
この発明の第４の態様に係る半導体基板の処理装置は、溝を有し、バリアメタル層で被覆され、前記溝が銅を用いた導電膜で埋め込まれている層間絶縁膜を備えた半導体基板を処理する半導体基板の処理装置であって、前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングする第１のエッチング手段と、前記バリアメタル層をエッチングする第２のエッチング手段と、を同一のチャンバに備える。
この発明の第５の態様に係る半導体基板の処理装置は、溝を有し、バリアメタル層で被覆され、前記溝が銅を用いた導電膜で埋め込まれている層間絶縁膜を備えた半導体基板を処理する半導体基板の処理装置であって、前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングする第１のエッチング手段を備えた第１のチャンバと、前記バリアメタル層をエッチングする第２のエッチング手段を備えた第２のチャンバと、前記半導体基板を、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で搬送する搬送機構と、を具備する。
この発明の第６の態様に係る半導体基板の処理装置は、溝を有し、バリアメタル層で被覆され、前記溝が銅を用いた導電膜で埋め込まれている層間絶縁膜を備えた半導体基板を処理する半導体基板の処理装置であって、前記銅を用いた導電膜を、酸化性ガスを用いて酸化する酸化手段を備えた第１のチャンバと、前記酸化された銅を用いた導電膜を、有機酸ガスを用いてエッチングするエッチング手段を備えた第２のチャンバと、前記バリアメタル層を、酸化性ガスを用いて酸化する酸化手段を備えた第３のチャンバと、前記酸化されたバリアメタル層を、エッチングガスを用いてエッチングするエッチング手段を備えた第４のチャンバと、前記半導体基板を、前記第１乃至第４のチャンバ相互間で搬送する搬送機構と、を具備する。
この発明の第７の態様に係る記憶媒体は、コンピュータ上で動作し、半導体基板の処理装置を制御するプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、第１乃至第３の態様に係る半導体装置の製造方法が行われるように、コンピュータに前記半導体基板の処理装置を制御させる。
この発明によれば、層間絶縁膜に低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置であっても、膜剥がれを生じ難くすることが可能な半導体装置の製造方法、この製造方法に使用される半導体基板の処理装置、及びこの処理装置を制御する記憶媒体を提供できる。
以下、この発明の実施形態のいくつかを、図面を参照して説明する。図面には、全図にわたり、共通の部分には共通の参照符号を付す。
（第１の実施形態）
図１乃至図４は、この発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を、主要な製造工程毎に示す断面図である。
図１には、半導体装置の製造途中の断面例が示されている。
図１に示すように、層間絶縁膜等が形成されている半導体基体１の上方に、配線用溝、又はヴィア孔等の溝３を有する第１層層間絶縁膜２が形成され、溝３の内部には配線４が形成されている。本例の配線４は銅（Ｃｕ）を用いた導電膜からなり、バリアメタル層５上に形成されている。本例では、一例として配線４を銅配線とした（以下銅配線４と言う）。バリアメタル層５は、溝の底部３ａ及び溝の側面３ｂを被覆するように形成され、銅配線４の周囲を囲む。バリアメタル層５は、銅の拡散を抑制する機能を持つ。
本例の第１層層間絶縁膜２は無機シリコン酸化膜よりも誘電率が低い低誘電率絶縁膜２ａからなる。本例の低誘電率絶縁膜２ａの上面に、この低誘電率絶縁膜２ａとは異なる材料からなるハードマスク層２ｂが形成されている。
第１層層間絶縁膜２上には、配線用溝、又はヴィア孔等の溝７を有する第２層層間絶縁膜６が形成されている。本例の第２層層間絶縁膜６は、第１層層間絶縁膜２と同様に、無機シリコン酸化膜よりも誘電率が低い低誘電率絶縁膜６ａからなり、その上面には、この低誘電率絶縁膜６ａとは異なる材料からなるハードマスク層６ｂが形成され、その下面には、この低誘電率絶縁膜６ａとは異なる材料からなるエッチストップ層６ｃが形成されている。
第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）、及び溝７の底部７ａ及び溝７の側面７ｂ上にはバリアメタル層８が形成されている。
本例は、上記構造を持つ半導体基板の第２層層間絶縁膜６の溝７の内部に、ダマシン法を用いつつ、内部電気的接続部材、例えば、配線、ヴィアなどを形成する例である。
まず、図２に示すように、溝７を有し、上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）、並びに溝７の底部７ａ及び側面７ｂがバリアメタル層８で被覆された第２層層間絶縁膜６上に、銅を用いた導電膜９を形成する。これにより、底部７ａ及び側面７ｂがバリアメタル層８で被覆された第２層層間絶縁膜６の溝７を、銅を用いた導電膜９で埋め込む。本例では、一例として導電膜９を銅膜とした（以下銅膜９と言う）。
次に、図３に示すように、銅膜９を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチング、本例ではドライエッチングし、銅膜９を薄膜化する。エッチングは、銅膜９が酸化性ガスにより酸化されて酸化銅（Ｃｕ２Ｏ、又はＣｕＯ）に変わり、この酸化銅が、有機酸ガスによりエッチングされることにより進む。銅膜９は、ハロゲンで酸化することもでき、この場合には、銅膜９は、ＣｕＸ、ＣｕＸ２となる。Ｘはハロゲン（Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ）である。本明細書では、酸化とは、銅に酸素を反応させて酸化することばかりでなく、銅にハロゲンを反応させてハロゲン化することも含む、と定義する。
有機酸ガスの例としては、例えば、
カルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有するカルボン酸
を挙げることができる。
上記カルボン酸の例としては、
以下の一般式（１）で記述されるカルボン酸
Ｒ１−ＣＯＯＨ …（１）
（Ｒ１は水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基、好ましくはメチル、エテル、プロピル、ブチル、ペンチル又はヘキシル）
例えば、蟻酸（ＨＣＯＯＨ）
酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）
プロピオン酸（ＣＨ３ＣＨ２ＣＯＯＨ）
酪酸（ＣＨ３（ＣＨ２）２ＣＯＯＨ）
吉草酸（ＣＨ３（ＣＨ２）３ＣＯＯＨ）
などを挙げることができる。
なお、本第１の実施形態では有機酸ガスとして蟻酸を用いた。
また、有機酸ガスの他、有機化合物ガスを用いることも可能である。
例えば、有機化合物としては、上述のカルボン酸の他、アルコール、アルデヒド、無水カルボン酸、エステル、及びケトンを挙げることができる。
また、有機化合物がアルコールであるとき、このアルコールが、
第１級アルコール、第２級アルコール、ポリヒドロキシアルコール、複数個の炭素原子を環の一部に有する環状アルコール、及び芳香族アルコールのいずれかから選ぶことができる。
また、有機化合物がアルデヒドであるとき、このアルデヒドが、
（２）式で記述されるアルデヒド、
Ｒ２−ＣＨＯ …（２）
（Ｒ２は水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基）
（３）式で記述されるアルカンジオール化合物、
ＯＨＣ−Ｒ３−ＣＨＯ …（３）
（Ｒ３は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０の飽和又は不飽和炭化水素）
（３）式で記述されるアルカンジオール化合物においてＲ３が存在せず、両アルデヒド基が互いに結合したもの、のいずれかから選ぶことできる。
無水カルボン酸は、以下の一般式（４）
Ｒ４−ＣＯ−Ｏ−ＣＯ−Ｒ５・・・（４）
（Ｒ４、Ｒ５は、水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基）
で表記されるものと定義することができる。
炭化水素基の具体例としては、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリル基などを挙げることができ、ハロゲン原子の具体例としては、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素を挙げることができる。
無水カルボン酸の具体例としては、無水酢酸以外に、無水蟻酸、無水プロピオン酸、無水酢酸蟻酸、無水酪酸、および無水吉草酸などが挙げられる。
エステルは、以下の一般式（５）
Ｒ６−ＣＯＯ−Ｒ７ ・・・（５）
（Ｒ６は、水素原子または炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基、Ｒ７は、炭化水素基または炭化水素基を構成する水素原子の少なくとも一部がハロゲン原子に置換された官能基）と表記されるものと定義することができる。
炭化水素基およびハロゲン原子の具体例は上記したものと同様である。
エステルの具体例としては、蟻酸メチル、蛾酸エチル、蟻酸プロピル、蟻酸ブチル、蟻酸ベンジル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸ペンチル、酢酸ヘキシル、酢酸オクチル、酢酸フェニル、酢酸ベンジル、酢酸アリル、酢酸プロペニル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸ブチル、プロピオン酸ペンチル、プロピオン酸ベンジル、酪酸メチル、酪酸エチル、酪酸ペンチル、酪酸ブチル、吉草酸メチルおよび吉草酸エチルなどが挙げられる。
酸化性ガスの例としては、
酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、空気、フッ化水素（ＨＦ）、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）、ヨウ化水素（ＨＩ）、フッ素（Ｆ２）、塩素（Ｃｌ２）、臭素（Ｂｒ２）、ヨウ素（Ｉ２）
などを挙げることができる。
これら酸化性ガスの中でも、取り扱い易さ、及び品質の点を考慮すると、酸素が好ましく、本第１の実施形態では酸化性ガスとして酸素を用いた。
酸化性ガスに酸素、有機酸ガスに蟻酸を用いた場合、銅膜９がエッチングされる際の反応式（２）、（３）は以下の通りである。
４Ｃｕ ＋ Ｏ２ → ２Ｃｕ２Ｏ …（２）
２Ｃｕ２Ｏ ＋ ２ＨＣＯＯＨ → ２Ｃｕ（ＨＣＯＯ） ＋ Ｈ２Ｏ …（３）
・Ｃｕ（ＨＣＯＯ）は揮発性
有機酸ガスと酸化性ガスとの供給方式としては、以下の方式が挙げられる。
１）酸化性ガスを供給して銅を酸化させてから、有機酸ガスを供給して酸化銅をエッチングする（図５Ａ）。
この方式による処理条件の一例は以下の通りである。
チャンバ内圧力 ： １Ｐａ以上１０１．３ｋＰａ以下
基板温度 ： １００℃以上４００℃以下
チャンバ内雰囲気：（酸化時）Ｏ２１００％
もしくは不活性ガスで希釈されたＯ２
酸化時間 ： １０ｓｅｃ以上１８００ｓｅｃ以下
チャンバ内雰囲気：（エッチング時）蟻酸１００％
もしくは不活性ガスで希釈された蟻酸
エッチング時間 ： １０ｓｅｃ以上１８００ｓｅｃ以下
２）酸化性ガスと有機酸ガスとを同時供給し、銅の酸化と酸化銅のエッチングとを実質的に同時に行う（図５Ｂ）。
この方式による処理条件の一例は以下の通りである。
チャンバ内圧力 ： １Ｐａ以上１０１．３ｋＰａ以下
基板温度 ： １００℃以上４００℃以下
チャンバ内雰囲気：Ｏ２と蟻酸（不活性ガスで希釈されても良い）
処理時間 ： １０ｓｅｃ以上１８００ｓｅｃ以下
３）酸化性ガスと有機酸ガスとを交互に供給し、銅の酸化と酸化銅のエッチングとを交互に繰り返す（図５Ｃ）。
この方式による処理条件の一例は以下の通りである。
チャンバ内圧力 ： １Ｐａ以上１０１．３ｋＰａ以下
基板温度 ： １００℃以上４００℃以下
チャンバ内雰囲気：（酸化時）Ｏ２１００％
もしくは不活性ガスで希釈されたＯ２
酸化時間 ： １ｓｅｃ以上３０ｓｅｃ以下
チャンバ内雰囲気：（エッチング時）蟻酸１００％
もしくは不活性ガスで希釈された蟻酸
エッチング時間 ： １ｓｅｃ以上３００ｓｅｃ以下
繰り返し回数 ： ２回以上１０００回以下
なお、銅膜９を残す厚さ“ｔ”の例としては、銅膜９のうち、溝７の内部に埋め込まれた部分まで酸化が進まない厚さである。
次に、図４に示すように、薄膜化された銅膜９を研磨、本例では、化学的機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）する。さらに、研磨を続行して、第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）上に形成されたバリアメタル層８を研磨し、第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）と溝７内に残存する銅膜９の上面９-ＴＯＰとを平坦化する。これにより、溝７の内部に、銅膜９からなる内部電気的接続部材、本例では、下層の配線と上層の配線とを接続するためのヴィア９ａが形成される。
このように、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、銅膜９を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、銅膜９を薄膜化してから、薄膜化された銅膜９を研磨する。このため、銅膜９を薄膜化しない場合に比較して、研磨の際に、第２層層間絶縁膜６に加わる機械的な力を軽減することができる。
よって、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、層間絶縁膜に低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置であっても、膜剥がれを生じ難くすることが可能となる半導体装置の製造方法を得ることができる。
なお、銅膜９の膜厚を、最初から薄く形成できれば、研磨の際に、第２層層間絶縁膜６に加わる機械的な力を軽減することができる。しかしながら、品質の高い銅膜９を得るためには、通常、電解めっき法を用いなければならない。電解めっき法では、銅膜９を薄く形成することが難しく、結果として銅膜９の膜厚が厚くなってしまう。
この点、本第１の実施形態によれば、銅膜９を、電解めっき法を用いて形成したとしても、銅膜９を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングして薄膜化するので、研磨の際に、第２層層間絶縁膜６に加わる機械的な力を軽減できる。
よって、本第１の実施形態は、電解めっき法を用いて形成された銅膜９を、溝７に埋め込むプロセスに好適に利用することができる。
なお、銅膜９の膜厚を、最初から薄く形成した場合においても、本第１の実施形態のように、研磨の前に、銅膜９を更に薄膜化することで、更に薄膜化しない場合に比較して第２層層間絶縁膜６に加わる機械的な力を軽減できることは言うまでもない。
次に、各部材の材料例を説明する。
（層間絶縁膜２、６）
本第１の実施形態では、研磨の際に層間絶縁膜に加わる機械的な力を軽減できるから、機械的な強度に乏しい層間絶縁膜であっても使うことができる。このため、層間絶縁膜２、６には、無機シリコン酸化膜よりも誘電率が低い低誘電率絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）が用いることが良い。低誘電率絶縁膜は無機シリコン酸化膜よりも誘電率が低い絶縁膜である。例えば、原料ガスをＴＥＯＳとし、ＣＶＤ法を用いて堆積された無機シリコン酸化膜の誘電率ｋは約４．２である。そこで、本明細書においては、低誘電率絶縁膜は、誘電率ｋが４．２未満の絶縁膜と定義する。
低誘電率絶縁膜２、６の例としては、
１）シロキサン系材料
２）有機系材料
３）多孔質材料
などを挙げることができる。
上記シロキサン系材料の例としては、
１）Ｓｉ、Ｏ、Ｈを含む材料
例えば、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ-Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）
２）Ｓｉ、Ｃ、Ｏ、Ｈを含む材料
例えば、ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ-Ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）
などを挙げることができる。
上記有機系材料の例としては、
１）ポリアリレンエーテル系材料
２）ポリアリレンハイドロカーボン系材料
３）パリレン系材料
４）ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）系材料
５）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系材料
６）フッ化ポリイミド系材料
７）フルオロカーボンガスを原料にして形成されるＣＦ系材料
などを挙げることができる。
上記多孔質材料の例としては、
１）ポーラスＭＳＱ
２）ポーラスポリアリレンハイドロカーボン
３）ポーラスシリカ
などを挙げることができる。
（ハードマスク層２ｂ、６ｂ）
ハードマスク層２ｂ、６ｂの材料例としては、
１）ポリベンゾオキサゾール
２）ＳｉＯＣ
３）ＳｉＣ
などを挙げることができる。
（エッチストップ層６ｃ）
エッチストップ層６ｃは、ハードマスク層２ｂ、６ｂと同様の材料を用いることができる。
（バリアメタル層８）
バリアメタル層８には、Ｔｉ、ＴｉＮ等のＴｉ系金属、及びＴｉとＴｉ系金属との積層膜、Ｔａ、ＴａＮ等のＴａ系金属、及びＴａとＴａ系金属との積層膜などを用いることができる。
（第２の実施形態）
図６乃至図９は、この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を、主要な製造工程毎に示す断面図である。
本例は、第１の実施形態の図１に示した構造を持つ半導体基板の第２層層間絶縁膜６の溝７の内部に、研磨法を用いずに、内部配線層を形成する例である。
まず、図６に示すように、図１に示した構造と同じ構造を持つ製造途中の半導体基板を用意する。
次に、図７に示すように、溝７を有し、上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）、並びに溝７の底部７ａ及び側面７ｂがバリアメタル層８で被覆された第２層層間絶縁膜６上に、銅を用いた導電膜、本例では銅膜９を形成する。これにより、底部７ａ及び側面７ｂがバリアメタル層８で被覆された第２層層間絶縁膜６の溝７が、銅膜９で埋め込まれる。
次に、図８に示すように、銅膜９を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチング、本例ではドライエッチングし、銅膜９を除去する。エッチングは、第１の実施形態と同様に、銅膜９が酸化性ガスにより酸化されて酸化銅（Ｃｕ２Ｏ、又はＣｕＯ）に変わり、この酸化銅が、有機酸ガスによりエッチングされることにより進む。第１の実施形態と異なるところは、酸化時間、及びエッチング時間が異なることである。銅膜９の膜厚、酸化性ガスの流量、及び有機酸ガスの流量等の条件が、例えば、第１の実施形態と全く同じとした場合には、本第２の実施形態では、酸化時間、及びエッチング時間を、第１の実施形態よりも長くすれば良い。もしくは図５Ｃに示した方式の場合には、交互供給の繰り返し回数を多くすれば良い。
また、有機酸ガスの例、及び酸化性ガスの例、及び供給方式の例は、いずれも第１の実施形態と同じで良い。
上記エッチングにより、第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）上に形成されたバリアメタル層８が露出する。
次に、図９に示すように、露出したバリアメタル層８を引き続きエッチング、本例ではドライエッチングして、溝７を有する第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）と溝７内に残存する銅膜９の上面９-ＴＯＰとを平坦化する。これにより、溝７の内部に、銅膜９からなる内部配線層、本例では、下層の配線と上層の配線とを接続するためのヴィア９ａが形成される。
バリアメタル層８をエッチングするときのエッチングガスは、銅膜９をエッチングしたときのガスと同じガスを使用しても良いし、エッチングガスを互いに変えても良い。
エッチングガスを互いに変える場合の一例は、銅膜９をエッチングする有機酸ガスに、蟻酸を用いたとき、バリアメタル層８をエッチングするガスを、メチル基を有するカルボン酸のうち、メチル基の水素をハロゲンに置換した有機酸ガスを用いること、又はβ-ジケトンガスを用いることである。
メチル基の水素をハロゲンに置換した有機酸の例としては、例えば、
１）トリフルオロ酢酸（Ｃ２ＨＦ３Ｏ２）
などを挙げることができる。
β-ジケトンの例としては、例えば、
１）アセト酢酸エステル
２）ヘキサフルオロアセチルアセトン（Ｈ（ｈｆａｃ））
なお、括弧内の構造式のｈｆａｃはヘキサフルオロアセチルアセトナートを示す
などを挙げることができる。
例えば、バリアメタル層８がＴｉであった場合には、Ｔｉを、酸化性ガスを用いて酸化して酸化チタン（ＴｉＯ）とし、この酸化チタンを、有機酸ガスとしてトリフルオロ酢酸を用いると、酸化チタンをエッチングすることができる。
さらに、バリアメタル層８をエッチングするときには、材料によっては、酸化性ガスは使用せず、有機酸ガスのみでエッチングできる場合もある。この場合には、酸化性ガスは使用せず、有機酸ガスのみでエッチングすれば良い。
さらに、有機酸ガスではなく、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガスを用いたスパッタリングを用いることでも、バリアメタル層８を、本第２の実施形態と同様にドライ方式にてエッチングすることができる。
このように、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法は、銅膜９を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、引き続きバリアメタル層８をエッチングする。このため、研磨、例えば、ＣＭＰを用いずに、銅膜９を、溝７の内部に埋め込むことができ、研磨を使用する場合に比較して第２層層間絶縁膜６に加わる機械的な力を無くすことができる。
よって、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法においても、層間絶縁膜に低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置であっても、膜剥がれを生じ難くすることが可能な半導体装置の製造方法を得ることができる。
本第２の実施形態における各部材の材料例は、第１実施形態において説明した各部材の材料例と同じで良い。
（半導体基板の処理装置）
次に、本第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法に使用される半導体基板の処理装置の例について説明する。
本第２の実施形態において、銅膜９のエッチングと、バリアメタル層８のエッチングとは同一のチャンバ内で行っても良く、別々のチャンバで行っても良い。別々のチャンバで行う場合の半導体基板の処理装置の一例を図１０に示す。
図１０に示すように、第２の実施形態に利用される処理装置１００は、銅膜９のエッチングを行う第１のチャンバ（１ｓｔ Ｃｈａｍｂ．）１０１ａと、バリアメタル層８のエッチングを行う第２のチャンバ（２ｎｄ
Ｃｈａｍｂ．）１０１ｂとを備え、第１のチャンバ１０１ａと第２のチャンバ１０１ｂとを、１つの搬送室１０２を介して接続したマルチチャンバ型の処理装置である。
搬送室１０２の内部は、第１、第２のチャンバ１０１ａ及び１０１ｂの内部と同様に、所定の圧力、例えば、０．１３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の減圧環境下（本明細書ではこの圧力範囲を真空圧と呼ぶ）に保持できるとともに、所定の雰囲気下に保持できる。さらに、搬送室１０２の内部には、半導体基板（半導体ウエハ）Ｗを搬送する搬送装置１０３が備えられており、半導体基板Ｗを、第１のチャンバ１０１ａと第２のチャンバ１０１ｂとの間で、真空を保持したまま、搬送（真空搬送）することができる。
以下、処理装置１００の詳細を説明する。
図１０に示すように、銅膜９をエッチングする第１の処理ユニット１００ａと、バリアメタル層８をエッチングする第２の処理ユニット１００ｂは、四角形をなす搬送室１０２の２つの辺に対応して設けられる。搬送室１０２の残りの２つの辺にはロードロック室１０４、及び１０５が設けられる。ロードロック室１０４、及び１０５の搬送室１０２と反対側には搬入出室１０６が設けられ、搬入出室１０６のロードロック室１０４、及び１０５と反対側には複数のポート、本例では３つのポート１０７ａ乃至１０７ｃが設けられる。ポート１０７ａ乃至１０７ｃには、複数の半導体基板Ｗを収容可能なキャリア１０８ａ乃至１０８ｃが取り付けられる。
第１の処理ユニット１００ａのチャンバ１０１ａ、第２の処理ユニット１００ｂのチャンバ１０１ｂ、ロードロック室１０４、及び１０５は、搬送室１０２の各辺に設けられたゲートバルブＧを介して、搬送室１０２に接続される。
ロードロック室１０４、及び１０５の搬入出室１０６に接続される部分にもゲートバルブＧが設けられている。
ポート１０７ａ乃至１０７ｃには、半導体基板Ｗを収容した、又は空のキャリア１０８ａ乃至１０８ｃが取り付けられる。また、ポート１０７ａ乃至１０７ｃには、シャッタ（図示せず）が設けられている。
搬入出室１０６の内部には、キャリア１０８ａ乃至１０８ｃに収容された半導体基板Ｗの搬入出、及びロードロック室１０４、及び１０５に対する半導体基板Ｗの搬入出を行う搬送装置１０９が設けられている。
銅膜９のエッチングは、チャンバ１０１ａにおいて行われる。図１１に、第１の処理ユニット１００ａに用いることができる処理装置の一例を示す。
一例に係る処理ユニット（半導体基板の処理装置）１００ａは、有機酸ガスとして蟻酸（ＨＣＯＯＨ）を用い、酸化性ガスとして酸素（Ｏ２）を用いることで、銅膜９をエッチングする。
図１１に示すように、処理ユニット１００ａは、半導体基板Ｗを収容可能なチャンバ１０１ａと、チャンバ１０１ａ内に有機酸ガスとして、本例では蟻酸を供給する有機酸ガス供給機構１５２と、チャンバ１０１ａ内に酸化性ガスとして、本例では酸素を供給する酸化性ガス供給機構１５３と、チャンバ１０１ａ内を所定の圧力、例えば、真空圧に減圧可能な減圧機構１５４とを備えている。なお、図１１には図示しないが、有機酸ガスを希釈する希釈ガス、または不活性ガスをチャンバ１０１ａ内に供給する希釈ガス／不活性ガスガス供給機構が設けられても良い。希釈ガス、または不活性ガスの一例は窒素（Ｎ２）である。
チャンバ１０１ａは、上部が開口した略筒状または箱状に形成されている。チャンバ１０１ａの底部には、収容した半導体基板Ｗを載置するためのサセプタ１５１ａが設けられ、このサセプタ１５１ａには、半導体基板Ｗを加熱する加熱機構としてのヒーター１５１ｂが埋設されている。チャンバ１０１ａの側壁には、半導体基板Ｗを搬入出するための搬入出口１５１ｃが形成されているとともに、この搬入出口１５１ｃを開閉するゲートバルブＧが設けられている。
チャンバ１０１ａの上部には、開口を閉塞し、かつ、サセプタ１５１ａに対向するようにシャワーヘッド１５１ｅが設けられている。シャワーヘッド１５１ｅは、有機酸ガス供給機構１５２による有機酸ガスおよび図示せぬ希釈ガスを拡散させる拡散空間１５１ｆを内部に有するとともに、サセプタ１５１ａとの対向面に、有機酸ガス供給機構１５２による有機酸ガスおよび図示せぬ希釈ガスをチャンバ１０１ａ内に吐出する複数または多数の吐出孔１５１ｇが形成されている。
チャンバ１０１ａの底壁には排気口１５１ｈが形成されており、減圧機構１５４は、排気口１５１ｈに接続された排気管１５４ａと、この排気管１５４ａを介してチャンバ１０１ａ内を強制排気する排気装置１５４ｂとを有している。
有機酸ガス供給機構１５２は、有機酸ガスのガス源となる有機酸、本例では蟻酸が貯留される有機酸ガス源貯留部１５２ａと、気化された有機酸ガスを、有機酸ガス源貯留部１５２ａからシャワーヘッド１５１ｅの拡散空間１５１ｆ内に導く供給ライン１５２ｂと、供給ライン１５２ｂを流通する有機酸ガスの流量を調整する流量調整機構としてのマスフローコントローラ１５２ｃおよびバルブ１５２ｄとを有している。有機酸ガス供給機構１５２には、有機酸ガスを所定の温度に加熱し、例えば、気化させるヒーター１５２ｅが設けられている。
酸化性ガス供給機構１５３は、酸化性ガス供給源１５３ａと、酸化性ガスを、酸化性ガス供給源１５３ａからシャワーヘッド１５１ｅの拡散空間１５１ｆ内に導く供給ライン１５３ｂと、供給ライン１５３ｂを流通する酸化性ガスの流量を調整する流量調整機構としてのマスフローコントローラ１５３ｃおよびバルブ１５３ｄとを有している。
このように構成された処理ユニット１００ａにおいては、減圧機構１５４によってチャンバ１０１ａ内を所定の圧力、例えば、真空圧に減圧するとともに、酸化性ガス供給機構１５３によってチャンバ１０１ａ内に酸化性ガスを供給して、チャンバ１０１ａ内を所定の酸化性ガス雰囲気に保持する。次に、チャンバ１０１ａ内を所定の圧力、及び所定の酸化性ガス雰囲気に保持した後、ヒーター１５１ｂによって半導体基板Ｗを所定の温度に加熱する。これにより、半導体基板Ｗ上に形成されている銅膜９が酸化される。
酸化終了後、チャンバ１０１ａ内の酸化性ガスを排気する。排気後、図示せぬ希釈ガス／不活性ガス供給機構によってチャンバ１０１ａ内に希釈ガスを供給し、かつ、有機酸ガス供給機構１５２によってチャンバ１０１ａ内に有機酸ガスを供給して、チャンバ１５１内を所定の有機酸ガス及び希釈ガス雰囲気に保持する。次に、チャンバ１０１ａ内を所定の有機酸ガス及び希釈ガス雰囲気に保持した後、ヒーター１５１ｂによって半導体基板Ｗを所定の温度に加熱する。これにより、半導体基板Ｗ上に形成されている、酸化された銅膜９がエッチングされる。
このような処理ユニット１００ａを用いることで、銅膜９を、エッチングすることができる。
なお、処理ユニット１００ａは、第１の実施形態に示した銅膜９の薄膜化処理にも使うことができる。
バリアメタル層９のエッチングは、第２のチャンバ１０１ｂにおいて行われる。図１２に、第２の処理ユニット１００ｂに用いることができる処理装置の一例を示す。
一例に係る処理ユニット（半導体基板の処理装置）１００ｂは、バリアメタルエッチングガスとして有機酸ガス、本例では、トリフルオロ酢酸（Ｃ２ＨＦ３Ｏ２）ガスを用い、酸化性ガスとして酸素（Ｏ２）を用いることで、バリアメタル層８をエッチングする処理装置である。図１２において、図１１と同一の部分については同一の参照符号を付し、以下、異なる部分についてのみ説明する。
図１２に示すように、処理ユニット１００ｂが、図１１に示す処理ユニット１００ａと、特に、異なるところは、半導体基板Ｗを収容可能なチャンバ１０１ｂ内にバリアメタルエッチングガスとして、本例では有機酸ガス、特に、トリフルオロ酢酸を供給するバリアメタルエッチングガス供給機構２５２を備えること、である。これ以外は、処理ユニット１００ｂは、処理ユニット１００ａと同様の構成を持つ。
なお、図１２には図示しないが、バリアメタルエッチングガスを希釈する希釈ガス、または不活性ガスをチャンバ１０１ｂ内に供給する希釈ガス／不活性ガスガス供給機構が設けられても良い。希釈ガス、または不活性ガスの一例は、処理ユニット１００ａと同様に、窒素（Ｎ２）である。
バリアメタルエッチングガス供給機構２５２は、エッチングガスのガス源となる物質、本例では、有機酸、特に、トリフルオロ酢酸が貯留されるエッチングガス源貯留部２５２ａと、気化されたエッチングガスを、エッチングガス源貯留部２５２ａからシャワーヘッド１５１ｅの拡散空間１５１ｆ内に導く供給ライン２５２ｂと、供給ライン２５２ｂを流通するエッチングガスの流量を調整する流量調整機構としてのマスフローコントローラ２５２ｃおよびバルブ２５２ｄとを有している。エッチングガス源貯留部２５２ａには、エッチングガス源を所定の温度に加熱し、例えば、気化させるヒーター２５２ｅが設けられている。
このように構成された処理ユニット１００ｂにおいては、減圧機構１５４によってチャンバ１０１ｂ内を所定の圧力、例えば、真空圧に減圧するとともに、酸化性ガス供給機構１５３によってチャンバ１０１ｂ内に酸化性ガスを供給して、チャンバ１０１ｂ内を所定の酸化性ガス雰囲気に保持する。次に、チャンバ１０１ｂ内を所定の圧力、及び所定の酸化性ガス雰囲気に保持した後、ヒーター１５１ｂによって半導体基板Ｗを所定の温度に加熱する。これにより、半導体基板Ｗ上に形成されているバリアメタル層８が酸化される。
酸化終了後、チャンバ１０１ｂ内の酸化性ガスを排気し、排気後、図示せぬ希釈ガス／不活性ガス供給機構によってチャンバ１０１ｂ内に希釈ガスを供給し、かつ、エッチングガス供給機構１５２によってチャンバ１０１ｂ内にエッチングガスを供給して、チャンバ１５１内を所定のエッチングガス及び希釈ガス雰囲気に保持する。次に、チャンバ１０１ｂ内を所定のエッチングガス及び希釈ガス雰囲気に保持した後、ヒーター１５１ｂによって半導体基板Ｗを所定の温度に加熱する。これにより、半導体基板Ｗ上に形成されている、酸化されたバリアメタル層８がエッチングされる。
このような処理ユニット１００ｂを用いることで、バリアメタル層８を、エッチングすることができる。
このような処理装置１００によれば、第１、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を実施できる。これとともに、バリアメタルエッチング後、直ちに大気雰囲気にさらされないので、銅表面の更なる酸化を防止できる、という利点を得ることができる。
次に、銅膜９のエッチングと、バリアメタル層８のエッチングとを、別々のチャンバで行う場合の半導体基板の処理装置の他例を図１３に示す。
図１３に示すように、第２の実施形態に利用される他の処理装置２００は、４つの処理ユニット２００ａ乃至２００ｄを備える。第１の処理ユニット２００ａは第１のチャンバ（１ｓｔ
Ｃｈａｍｂ．）２０１ａを備え、同様に、第２の処理ユニット２００ｂは第２のチャンバ（２ｎｄ Ｃｈａｍｂ．）２０１ｂを、第３の処理ユニット２００ｃは第３のチャンバ（３ｒｄ
Ｃｈａｍｂ．）２０１ｃを、第４の処理ユニット２００ｄは第４のチャンバ（４ｔｈ Ｃｈａｍｂ．）２０１ｄをそれぞれ備える。これら４つのチャンバ２０１ａ乃至２０１ｄは、１つの搬送室１０２を介して相互に接続される。
他の処理装置２００においても、搬送室１０２の内部は、チャンバ２０１ａ乃至２０１ｄの内部と同様に、所定の圧力、例えば、０．１３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の真空圧に保持できるとともに、所定の雰囲気下に保持できる。さらに、搬送室１０２の内部には、半導体基板Ｗを搬送する搬送装置１０３が備えられており、上述の処理装置１００と同様に、半導体基板Ｗを、チャンバ２０１ａ乃至２０１ｄの相互間で、真空を保持したまま、搬送することができる。
第１のチャンバ２０１ａは、銅膜９の酸化に使用される。以下同様に、第２のチャンバ２０１ｂは酸化された銅膜９のエッチングに、第３のチャンバ２０１ｃはバリアメタル層８の酸化に、第４のチャンバ２０１ｄは酸化されたバリアメタル層８のエッチングに、それぞれ使用される。
第１の処理ユニット２００ａは、特に図示はしないが、例えば、図１１に示した処理ユニット１００ａと同様の構成を持ち、少なくとも酸化性ガス供給機構１５３を備えた装置であれば良い。以下同様に、第２の処理ユニット２００ｂは、図１１に示した処理ユニット１００ａと同様の構成を持ち、少なくとも有機酸ガス供給機構１５２を備えた装置を、第３の処理ユニット２００ｃは、図１１、又は図１２に示した処理ユニット１００ａ、又は１００ｂと同様の構成を持ち、少なくとも酸化性ガス供給機構１５３を備えた装置を、第４の処理ユニット２００ｄは、図１２に示した処理ユニット１００ｂと同様の構成を持ち、少なくともエッチングガス供給機構２５２を備えた装置であれば良い。
他の処理装置２００においても、半導体基板Ｗを、チャンバ２０１ａ乃至２０１ｄの相互間で真空を保持したまま搬送できる。
よって、他の処理装置２００においても、上述の処理装置１００と同様に、例えば、銅膜９をエッチングした後、溝７内に埋め込まれた銅膜９の上面（９-ＴＯＰ）が酸化され難い状態でバリアメタル層８のエッチングに移行できる、という利点を得ることができる。
（第３の実施形態）
第１、第２の実施形態では、銅膜９を、酸化性ガスを使用して酸化するので、銅膜９のうち、溝７内に埋め込まれた部分まで酸化が進み、結果として、溝７内に埋め込まれた銅膜９の上面に酸化銅が残ってしまう可能性がある。
このような場合には、本第３の実施形態を利用して、上面に残った酸化銅を還元すれば良い。
図１４乃至図１６は、この発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を、主要な製造工程毎に示す断面図である。
図１４には、第１の実施形態の図４に示した工程後の断面、もしくは第２の実施形態の図９に示した工程後の断面が示されており、ヴィア９ａの上面（９-ＴＯＰ）には酸化銅１０が形成されている。この図１４に示した構造を持つ半導体基板に、図１５に示す処理を施す。
図１５に示すように、ヴィア９ａの上面９-ＴＯＰに形成された酸化銅１０を還元し、銅に戻す。この還元に際し、溝７内に残存する銅膜９、本例ではヴィア９ａがエッチングされないようにするため、本例では、有機酸ガスやβ-ジケトンガス等は使用しない。その代わりに、周知の水素アニール法、もしくは周知の超低酸素分圧アニール法を用いて還元する。周知の水素アニール法、もしくは周知の超低酸素分圧アニール法、もしくは一酸化炭素（ＣＯ）アニール法を用いることで、溝７内に残存するヴィア９ａをエッチングすることなく、ヴィア９ａの上面９-ＴＯＰに形成された酸化銅１０のみを還元し、銅に戻すことができる。
水素アニール法を用いる場合の処理条件の一例は以下の通りである。
チャンバ内圧力 ： １Ｐａ以上１０１．３ｋＰａ以下
基板温度 ： ２００℃以上４００℃以下
チャンバ内雰囲気： 水素１００％
もしくは不活性ガスで希釈された水素
処理時間 ： １０ｓｅｃ以上３００ｓｅｃ以下
超低酸素分圧アニール法を用いる場合の処理条件の一例は以下の通りである。
チャンバ内圧力 ： １Ｐａ以上１０１．３ｋＰａ以下
基板温度 ： １００℃以上４００℃以下
チャンバ内雰囲気： Ｏ２分圧１０−１３ａｔｍ以下
処理時間 ： １ｓｅｃ以上６００ｓｅｃ以下
一酸化炭素アニール法を用いる場合の処理条件の一例は以下の通りである。
チャンバ内圧力 ： １Ｐａ以上１０１．３ｋＰａ以下
基板温度 ： ２００℃以上４００℃以下
チャンバ内雰囲気： 一酸化炭素１００％
もしくは不活性ガスで希釈された一酸化炭素
処理時間 ： １０ｓｅｃ以上３００ｓｅｃ以下
さらに、酸化銅１０を還元した後、図１６に示す処理を行っても良い。
図１６に示すように、酸化銅１０を還元した後、酸化銅が再形成される前に、第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）上、及びヴィア９ａの上面（９-ＴＯＰ）上に、エッチストップ層１１を形成する。エッチストップ層１１の材料例は、第１の実施形態において説明したものと同様で良い。
酸化銅が再形成される前に、エッチストップ層１１を形成するためには、例えば、酸化銅１０の還元と、エッチストップ層１１の形成とを、同一のチャンバで行う、もしくは半導体基板を、酸化銅１０を還元するチャンバとエッチストップ層１１を形成するチャンバとの間で、真空を保持したまま、搬送するようにした処理装置を利用するのが良い。
酸化銅１０を還元するチャンバとエッチストップ層１１を形成するチャンバとの間で、真空を保持したまま、搬送できる処理装置の一例を、図１７に示す。
なお、図１７に示す一例は、第２の実施形態に従った埋め込み処理に引き続いて、本第３の実施形態に従った処理を連続して処理できる処理装置である。
図１７に示すように、第３の実施形態に利用される処理装置３００の一例では、４つの処理ユニット３００ａ乃至３００ｄを備える。第１の処理ユニット３００ａは第１のチャンバ（１ｓｔ
Ｃｈａｍｂ．）３０１ａを備え、同様に、第２の処理ユニット３００ｂは第２のチャンバ（２ｎｄ Ｃｈａｍｂ．）３０１ｂを、第３の処理ユニット３００ｃは第３のチャンバ（３ｒｄ
Ｃｈａｍｂ．）３０１ｃを、第４の処理ユニット３００ｄは第４のチャンバ（４ｔｈ Ｃｈａｍｂ．）３０１ｄをそれぞれ備える。これら４つのチャンバ３０１ａ乃至３０１ｄは、１つの搬送室１０２を介して相互に接続される。
処理装置３００においても、搬送室１０２の内部は、チャンバ３０１ａ乃至３０１ｄの内部と同様に、所定の圧力、例えば、０．１３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の真空圧に保持できるとともに、所定の雰囲気下に保持できる。さらに、搬送室１０２の内部には、半導体基板Ｗを搬送する搬送装置１０３が備えられており、上述の処理装置１００や２００と同様に、半導体基板Ｗを、チャンバ３０１ａ乃至３０１ｄの相互間で、真空を保持したまま、搬送することができる。
第１のチャンバ３０１ａは、銅膜９の酸化と、酸化された銅膜９のエッチングとに使用される。このような第１のチャンバ３０１ａを備えた第１の処理ユニット３００ａには、例えば、図１１に示した処理ユニット１００ａと同様の装置を使用することができる。
第２のチャンバ３０１ｂは、バリアメタル層８のエッチングに使用される。本例では、エッチングの一例として、バリアメタル層８を酸化し、酸化されたバリアメタル層８をエッチングする。このような第２のチャンバ３０１ｂを備えた第２の処理ユニット３００ｂには、例えば、図１２に示した処理ユニット１００ｂと同様の装置を使用することができる。
第３のチャンバ３０１ｃは、酸化銅１０の還元に使用される。本例では、還元の一例として、水素アニール法を用いた。本第３実施形態に使用され、水素アニール法に従った還元処理を行う処理ユニット３００ｃの一例を、図１８に示す。
図１８に示すように、処理ユニット３００ｃは、基本的には熱処理装置であり、例えば、図１１に示した処理ユニット１００ａと同様の構成を持つ。処理ユニット３００ｃが、図１１に示した処理ユニット１００ａと、特に、異なるところは、半導体基板Ｗを収容可能なチャンバ３０１ｃ内に、不活性ガスを供給する不活性ガス供給機構３５２と、同じくチャンバ３０１ｃ内に、水素ガスを供給する水素ガス供給機構３５３とを備えること、である。これ以外は、処理ユニット３００ｃは、上述した処理ユニット１００ａと同様の構成を持つ。
処理ユニット３００ｃによる還元処理の一例は、次の通りである。
まず、バルブ３５２ｄ及び３５３ｄを開き、不活性ガス及び水素ガスを、不活性ガス供給源３５２ａ及び水素ガス供給源３５３ａからマスフローコントローラ３５２ｃ、３５３ｃに導く。マスフローコントローラ３５２ｃは不活性ガスの流量を調節する。流量が調節された不活性ガスは、供給ライン３５２ｂを介してシャワーヘッド１５１ｅの拡散空間１５１ｆに導かれる。不活性ガスの一例はアルゴン（Ａｒ）ガスである。
また、マスフローコントローラ３５３ｃは水素ガスの流量を調節する。流量が調節された水素ガスは、供給ライン３５３ｂを介して、不活性ガスと同じくシャワーヘッド１５１ｅの拡散空間１５１ｆに導かれる。なお、チャンバ３０１ｃ内の圧力は、減圧機構１５４を用いて、例えば、０．１３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の真空圧とする。
この条件で、サセプタ１５１ａ上に載置された半導体基板Ｗを、ヒーター１５１ｂを用いて、例えば、３００℃程度に加熱する。この状態を所定の時間、例えば、数分間保持することで、酸化銅１０を還元することができる。
第４のチャンバ３０１ｄは、エッチストップ層１１の形成に使用される。本第３実施形態に使用され、エッチストップ層１１の形成処理を行う処理ユニット３００ｄの一例を、図１９に示す。
図１９に示すように、処理ユニット３００ｄも基本的に熱処理装置であり、例えば、図１１に示した処理ユニット１００ａと同様の構成を持つ。処理ユニット３００ｄが、図１１に示した処理ユニット１００ａと、特に、異なるところは、エッチストップ層１１を成膜するための成膜ガスをチャンバ３０１ｄ内に供給する成膜ガス供給機構３５４を備えること、である。これ以外は、処理ユニット３００ｄは、上述した処理ユニット１００ａと同様の構成を持つ。
処理ユニット３００ｄによる成膜処理は、成膜ガスをチャンバ３００ｄ内に導き、半導体基板Ｗを、ヒーター１５１ｂを用いて加熱してエッチストップ層１１を堆積していく熱ＣＶＤである。もしくは図２０に示すように、プラズマ発生機構３６０を備えたプラズマＣＶＤ装置を用いても良い。
このように、処理装置３００によれば、第１の実施形態に従って溝７内に銅膜９を埋め込んだ後、もしくは第２の実施形態に従って溝７内に銅膜９を埋め込んだ後、水素アニール法、もしくは超低酸素分圧アニール法を用いてヴィア９ａの上面９-ＴＯＰに形成された酸化銅１０を還元できる。これにより、溝７内に残存するヴィア９ａをエッチングすることなく、酸化銅１０を銅に戻すことができる。
さらに、処理装置３００によれば、必要に応じて、酸化銅１０を還元した後、真空を保持したまま、酸化銅１０が還元されたヴィア９ａの上面９-ＴＯＰ上にエッチストップ層１１を形成することもできる。このようにしてエッチストップ層１１を形成すれば、図１６に示すように、ヴィア９ａの上面９-ＴＯＰ上に酸化銅１０を介在させることなく、かつ、不用意な酸化銅の再形成を抑止したまま、エッチストップ層１１を形成することができる。
なお、上記処理装置３００の一例では、第１のチャンバ３０１ａ内で銅膜９の酸化とエッチングとを行い、同様に第２のチャンバ内でバリアメタル層８の酸化とエッチングとを行った。これは、第２の実施形態において、例えば、図１３を参照して説明した処理装置２００のように、酸化とエッチングとを別々のチャンバ内で行うようにしても良い。別々のチャンバ内で行うようにした半導体基板の処理装置の一例を図２１に示す。
図２１に示すように、第３の実施形態に利用される他の処理装置４００は、６つの処理ユニット４００ａ乃至４００ｆを備える。第１の処理ユニット４００ａは第１のチャンバ（１ｓｔ
Ｃｈａｍｂ．）４０１ａを備え、同様に、第２の処理ユニット４００ｂは第２のチャンバ（２ｎｄ Ｃｈａｍｂ．）４０１ｂを、第３の処理ユニット４００ｃは第３のチャンバ（３ｒｄ
Ｃｈａｍｂ．）４０１ｃを、第４の処理ユニット４００ｄは第４のチャンバ（４ｔｈ Ｃｈａｍｂ．）４０１ｄを、第５の処理ユニット４００ｅは第５のチャンバ（５ｔｈ Ｃｈａｍｂ．）４０１ｅを、第６の処理ユニット４００ｆは第６のチャンバ（６ｔｈ
Ｃｈａｍｂ．）４０１ｆを、それぞれ備える。これら６つのチャンバ４０１ａ乃至４０１ｆは、１つの搬送室１０２を介して相互に接続される。
他の処理装置４００においても、搬送室１０２の内部は、チャンバ４０１ａ乃至４０１ｆの内部と同様に、所定の圧力、例えば、０．１３Ｐａ以上１３３３Ｐａ以下の真空圧に保持できるとともに、所定の雰囲気下に保持できる。さらに、搬送室１０２の内部には、半導体基板Ｗを搬送する搬送装置１０３が備えられており、上述の処理装置１００、２００、３００と同様に、半導体基板Ｗを、チャンバ４０１ａ乃至４０１ｆの相互間で、真空を保持したまま、搬送することができる。
第１のチャンバ４０１ａは、銅膜９の酸化に使用される。以下同様に、第２のチャンバ４０１ｂは酸化された銅膜９のエッチングに、第３のチャンバ４０１ｃはバリアメタル層８の酸化に、第４のチャンバ４０１ｄは酸化されたバリアメタル層８のエッチングに、第５のチャンバ４０１ｅは酸化銅１０の還元に、第６のチャンバ４０１ｄはエッチストップ層１１の形成に、それぞれ使用される。
第１の処理ユニット４００ａは、特に図示はしないが、例えば、図１１に示した処理ユニット１００ａと同様の構成を持ち、少なくとも酸化性ガス供給機構１５３を備えた装置であれば良い。以下同様に、第２の処理ユニット４００ｂには、図１１に示した処理ユニット１００ａと同様の構成を持ち、少なくとも有機酸ガス供給機構１５２を備えた装置を、第３の処理ユニット４００ｃには、図１１、又は図１２に示した処理ユニット１００ａ、又は１００ｂと同様の構成を持ち、少なくとも酸化性ガス供給機構１５３を備えた装置を、第４の処理ユニット４００ｄには、図１２に示した処理ユニット１００ｂと同様の構成を持ち、少なくともエッチングガス供給機構２５２を備えた装置であれば良い。
第５の処理ユニット４００ｅ、及び第６の処理ユニット４００ｆには、それぞれ図１８に示した処理ユニット３００ｃ、及び図１９及び図２０に示した処理ユニット３００ｄを使用することができる。
第３の実施形態に使用可能な他の処理装置４００においても、半導体基板Ｗを、チャンバ４０１ａ乃至４０１ｆの相互間で真空を保持したまま搬送できる。
よって、他の処理装置４００においても、上述の処理装置１００、２００と同様の利点を得ることができる。
さらに、他の処理装置４００においても、上述の処理装置３００と同様に、ヴィア９ａの上面９-ＴＯＰに形成された酸化銅１０を還元できる。よって、溝７内に残存するヴィア９ａをエッチングすることなく、酸化銅１０を銅に戻すことができる。
さらに、処理装置４００においても、上述の処理装置３００と同様に、必要に応じて、酸化銅１０を還元した後、真空を保持したまま、酸化銅１０が還元されたヴィア９ａの上面９-ＴＯＰ上にエッチストップ層１１を形成することができる。よって、図１６に示すように、ヴィア９ａの上面９-ＴＯＰ上に酸化銅１０を介在させることなく、かつ、不用意な酸化銅の再形成を抑止したまま、エッチストップ層１１を形成することができる。
（第４の実施形態）
図２２乃至図２５は、この発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を、主要な製造工程毎に示す断面図である。
本例は、第１の実施形態の図１に示した構造を持つ半導体基板の第２層層間絶縁膜６の溝７の内部に、研磨法を用いて、内部配線層を形成する例である。簡単には、第２の実施形態では、ドライエッチングを用いてバリアメタル層８を除去したが、本第４の実施形態は研磨、例えば、ＣＭＰ法を用いてバリアメタル層８を除去する例である。
まず、図２２に示すように、図１に示した構造と同じ構造を持つ製造途中の半導体基板を用意する。
次に、図２３に示すように、溝７を有し、上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）、並びに溝７の底部７ａ及び側面７ｂがバリアメタル層８で被覆された第２層層間絶縁膜６上に、本例では銅膜９を形成する。これにより、底部７ａ及び側面７ｂがバリアメタル層８で被覆された第２層層間絶縁膜６の溝７を、銅膜９で埋め込む。
次に、図２４に示すように、銅膜９を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチング、本例ではドライエッチングし、第２の実施形態と同様に、銅膜９を除去する。このエッチングにより、第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）上に形成されたバリアメタル層８が露出する。
次に、図２５に示すように、バリアメタル層８を研磨、本例では、化学的機械研磨（ＣＭＰ）し、第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）と溝７内に残存する銅膜９の上面９-ＴＯＰとを平坦化する。これにより、溝７の内部に、銅膜９からなる内部電気的接続部材、本例では、下層の配線と上層の配線とを接続するためのヴィア９ａが形成される。
このような第４実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、ドライエッチングを用いて銅膜９を除去してから、バリアメタル層８を研磨するので、銅膜９を除去しない場合に比較して、研磨の際に、第２層層間絶縁膜６に加わる機械的な力を軽減することができる。
よって、第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法においても、第１、第２の実施形態と同様に、層間絶縁膜に低誘電率絶縁膜を用いた半導体装置であっても、膜剥がれを生じ難くすることが可能となる、という利点を得ることができる。
なお、第４の実施形態は、銅膜９を、バリアメタル層８が露出するまで有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングするから、溝７内に埋め込まれた銅膜９の上面９-ＴＯＰに酸化銅が残る可能性がある。
このため、第４の実施形態に従って第２層層間絶縁膜６の上面（ＩＬＤ-ＴＯＰ）と銅膜９の上面９-ＴＯＰとを平坦化した後には、第３の実施形態において説明した酸化銅１０の還元処理を引き続き実施することが好ましい。
以上、この発明を第１乃至第４の実施形態に従って説明したが、この発明は上記第１乃至第４の実施形態に限られるものではなく様々な変形が可能である。
例えば、上記第１乃至第４の実施形態では、この発明に係る半導体装置の製造方法を、ヴィア９ａの形成に適用した例を示したが、ヴィア９ａの形成に限らず、銅配線の形成や、その他の半導体装置の内部に形成される様々な埋め込みパターン、例えば、半導体メモリ装置のワード線パターン（ゲート電極パターン）の形成等にも適用できることは言うまでもない。
また、本例では、バリアメタル層５、８は、溝の側面及び底部に形成するようにしたが、バリアメタル層５、８は溝の少なくとも層間絶縁膜上に形成されていればよく、例えば、溝の側面のみに形成されたものであっても良い。
また、処理装置に、プロセスコントローラと、記憶媒体を有する記憶部とを備えた制御機構を設け、記憶媒体に、上記第１乃至第４の実施形態により説明した半導体装置の製造方法を実行する読み取り可能なプログラム、すなわちレシピを格納するようにしても良い。プロセスコントローラは、レシピを読み取り、読み取ったレシピに従って処理装置を制御する。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであっても良いし、ＣＤ-ＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のある記憶媒体であっても良い。また、レシピは記憶媒体に格納するだけでなく、他の装置から、例えば、専用回線を介してプロセスコントローラに伝送させることも可能である。
その他、上記第１乃至第４の実施形態は、この発明の主旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。
この発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 図５Ａ乃至図５Ｃは有機酸ガスと酸化性ガスとの供給方式を示す図 この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 第２の実施形態に係る製造方法に使用される半導体基板の処理装置の一例を示す水平断面図 図１０に示す処理装置に使用される処理ユニットの例を示す断面図 図１０に示す処理装置に使用される処理ユニットの例を示す断面図 第２の実施形態に係る製造方法に使用される半導体基板の処理装置の他例を示す水平断面図 この発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 第３の実施形態に係る製造方法に使用される半導体基板の処理装置の一例を示す水平断面図 図１７に示す処理装置に使用される処理ユニットの例を示す断面図 図１７に示す処理装置に使用される処理ユニットの例を示す断面図 図１７に示す処理装置に使用される処理ユニットの例を示す断面図 第３の実施形態に係る製造方法に使用される半導体基板の処理装置の他例を示す水平断面図 この発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図 この発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例の、主要な製造工程を示す断面図
符号の説明
１…半導体基体、２…第１層層間絶縁膜、３…溝、４…銅配線、５…バリアメタル層、６…第２層層間絶縁膜、７…溝、８…バリアメタル層、９…銅を用いた導電膜、１０…酸化銅、１１…エッチストップ層、１０１ａ、１０１ｂ…チャンバ、２０１ａ〜２０１ｄ…チャンバ、３００ａ〜３００ｄ…チャンバ、４００ａ〜４００ｆ…チャンバ、１０２…搬送室

Claims (25)

  1. 溝を有し、バリアメタル層で被覆された層間絶縁膜上に、銅を用いた導電膜を形成し、前記層間絶縁膜の溝を、前記銅を用いた導電膜で埋め込む工程と、
    前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、前記銅を用いた導電膜を薄膜化する工程と、
    前記薄膜化された銅を用いた導電膜及び前記バリアメタル層を研磨し、前記層間絶縁膜の上面と前記溝内に残存する銅を用いた導電膜の上面とを平坦化する工程と、
    を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 溝を有し、バリアメタル層で被覆された層間絶縁膜上に、銅を用いた導電膜を形成し、前記層間絶縁膜の溝を、前記銅を用いた導電膜で埋め込む工程と、
    前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、前記バリアメタル層を露出させる工程と、
    前記露出したバリアメタル層を研磨し、前記層間絶縁膜の上面と前記溝内に残存する銅を用いた導電膜の上面とを平坦化する工程と、
    を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 溝を有し、バリアメタル層で被覆された層間絶縁膜上に、銅を用いた導電膜を形成し、前記層間絶縁膜の溝を、前記銅を用いた導電膜で埋め込む工程と、
    前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングし、前記層間絶縁膜の上面を被覆する前記バリアメタル層を露出させ、この露出したバリアメタル層を引き続きエッチングし、前記溝を有する層間絶縁膜の上面と前記溝内に残存する銅を用いた導電膜の上面とを平坦化する工程と、
    を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記バリアメタル層が、前記銅を用いた導電膜をエッチングした前記有機酸ガスと前記酸化性ガスとを用いてエッチングされることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記バリアメタル層が、ハロゲン置換された有機酸ガス、又はβ-ジケトンガスを用いてエッチングされることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記平坦化する工程の後、前記銅を用いた導電膜の上面を還元する工程を、さらに具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記銅を用いた導電膜が、水素アニール法、超低酸素分圧アニール法、及び一酸化炭素アニール法のいずれか１つを用いて還元されることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記還元する工程の後、前記層間絶縁膜の上面、及び前記還元された銅を用いた導電膜の上面上に、エッチストップ層を形成する工程を、さらに具備することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記溝を有する層間絶縁膜が、無機シリコン酸化膜よりも誘電率が低い低誘電率絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記低誘電率絶縁膜の上面に、この低誘電率絶縁膜とは異なる材料からなるハードマスク層が形成されていることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 前記有機酸ガスがカルボン酸であるとき、このカルボン酸は（１）式で記述されるカルボン酸
    Ｒ１−ＣＯＯＨ …（１）
    （Ｒ１は水素、又は直鎖もしくは分枝鎖状のＣ１〜Ｃ２０のアルキル基もしくはアルケニル基）
    から選ばれることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記酸化性ガスは、
    Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ、ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ、Ｆ２、Ｃｌ２、Ｂｒ２、Ｉ２
    のいずれかから選ばれることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  13. 溝を有し、バリアメタル層で被覆され、前記溝が銅を用いた導電膜で埋め込まれている層間絶縁膜を備えた半導体基板を処理する半導体基板の処理装置であって、
    前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングする第１のエッチング手段と、
    前記バリアメタル層をエッチングする第２のエッチング手段と、
    を同一のチャンバに備えることを特徴とする半導体基板の処理装置。
  14. 前記銅を用いた導電膜を還元する還元手段を、前記同一のチャンバに、さらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の半導体基板の処理装置。
  15. 前記エッチストップ層を形成するエッチストップ層形成手段を、前記同一のチャンバに、さらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の半導体基板の処理装置。
  16. 溝を有し、バリアメタル層で被覆され、前記溝が銅を用いた導電膜で埋め込まれている層間絶縁膜を備えた半導体基板を処理する半導体基板の処理装置であって、
    前記銅を用いた導電膜を、有機酸ガスと酸化性ガスとを用いてエッチングする第１のエッチング手段を備えた第１のチャンバと、
    前記バリアメタル層をエッチングする第２のエッチング手段を備えた第２のチャンバと、
    前記半導体基板を、前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間で搬送する搬送機構と、
    を具備することを特徴とする半導体基板の処理装置。
  17. 前記銅を用いた導電膜を還元する還元手段を備えた第３のチャンバを、さらに具備し、
    前記搬送機構は、前記半導体基板を、前記第１乃至第３のチャンバ相互間で搬送することを特徴とする請求項１６に記載の半導体基板の処理装置。
  18. エッチストップ層を形成するエッチストップ層形成手段を備えた第４のチャンバを、さらに具備し、
    前記搬送機構は、前記半導体基板を、前記第１乃至第４のチャンバ相互間で搬送することを特徴とする請求項１７に記載の半導体基板の処理装置。
  19. 前記搬送機構は、前記半導体基板を、少なくとも前記第３のチャンバと前記第４との間で真空を保持したまま搬送することを特徴とする請求項１８に記載の半導体基板の処理装置。
  20. 前記第１のエッチング手段は、
    前記銅を用いた導電膜を酸化する酸化手段と、
    前記酸化された銅を用いた導電膜をエッチングするエッチング手段と、を備え、
    前記第２のエッチング手段は、
    前記バリアメタル層を酸化する酸化手段と、
    前記酸化されたバリアメタル層をエッチングするエッチング手段と、を備えることを特徴とする請求項１３又は請求項１６に記載の半導体基板の処理装置。
  21. 溝を有し、バリアメタル層で被覆され、前記溝が銅を用いた導電膜で埋め込まれている層間絶縁膜を備えた半導体基板を処理する半導体基板の処理装置であって、
    前記銅を用いた導電膜を、酸化性ガスを用いて酸化する酸化手段を備えた第１のチャンバと、
    前記酸化された銅を用いた導電膜を、有機酸ガスを用いてエッチングするエッチング手段を備えた第２のチャンバと、
    前記バリアメタル層を、酸化性ガスを用いて酸化する酸化手段を備えた第３のチャンバと、
    前記酸化されたバリアメタル層を、エッチングガスを用いてエッチングするエッチング手段を備えた第４のチャンバと、
    前記半導体基板を、前記第１乃至第４のチャンバ相互間で搬送する搬送機構と、
    を具備することを特徴とする半導体基板の処理装置。
  22. 前記銅を用いた導電膜を還元する還元手段を備えた第５のチャンバを、さらに具備し、
    前記搬送機構は、前記半導体基板を、前記第１乃至第５のチャンバ相互間で搬送することを特徴とする請求項２１に記載の半導体基板の処理装置。
  23. エッチストップ層を形成するエッチストップ層形成手段を備えた第６のチャンバを、さらに具備し、
    前記搬送機構は、前記半導体基板を、前記第１乃至第６のチャンバ相互間で搬送することを特徴とする請求項２２に記載の半導体基板の処理装置。
  24. 前記搬送機構は、前記半導体基板を、少なくとも前記第５のチャンバと前記第６との間で真空を保持したまま搬送することを特徴とする請求項２３に記載の半導体基板の処理装置。
  25. コンピュータ上で動作し、半導体基板の処理装置を制御するプログラムが記憶された記憶媒体であって、
    前記プログラムは、実行時に、請求項１乃至請求項３いずれか一つに記載の半導体装置の製造方法が行われるように、コンピュータに前記半導体基板の処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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