JP2009176886A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】露出した面に形成された凹部側壁の凹凸を低減して、凹部の側壁の表面荒れが原因の半導体装置の特性劣化を防ぐ。
【解決手段】露出した面に凹部１０４が形成された基板（１００）表面側から、基板の表面に対して斜めの方向からガスクラスタイオンビーム２００を照射することにより凹部１０４の側壁にガスクラスタイオンビーム２００を照射する。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体素子の微細化・高集積化が進み、高速化されている。しかし、半導体装置の微細化により、従来それほど問題でなかった表面の荒れが問題となってきている。

たとえば、近年、配線材料として比抵抗値の小さい銅が用いられるようになっているが、銅配線の形成過程でも配線溝やビアホールの溝パターン側壁の荒れが問題となっている。銅多層配線は、以下に説明するダマシンプロセス（damascene process）で形成される。まず、半導体基板上に絶縁膜（層間絶縁膜）を形成する。つづいて、絶縁膜に配線溝またはビアホールを形成する。次いで、配線溝またはビアホールにバリアメタル膜を形成する。その後、配線溝またはビアホールにシード銅膜を形成する。つづいて、シード銅膜をシードとして電解めっき法等により、配線溝またはビアホールを銅膜で埋め込む。次いで、配線溝またはビアホール外に露出した余剰の銅膜、シード銅膜、およびバリアメタル膜を化学機械研磨（Chemical Mechanical Polishing：ＣＭＰ）により除去する。この工程を繰り返すことにより、銅多層配線が形成される。

しかし、絶縁膜に溝パターンを形成する際に、溝パターンにラインエッジラフネス（Line Edge Roughness：ＬＥＲ）またはストライエーション（striation）と呼ばれる荒れが生じることがある。これにより、配線間隔が設計寸法よりも短くなる箇所ができて、そこでの配線間の漏洩電流の増加や絶縁耐性の低下が生じるという問題がある。

また、絶縁膜側壁が平坦であっても、側壁に堆積されるバリアメタル膜の表面が荒れている場合、薄い箇所でのバリア性の低下や側壁での電子の散乱により配線が高抵抗化するという問題がある。さらに、絶縁膜やバリアメタル膜が平坦であっても、バリアメタル膜上に堆積されるシード銅膜の表面が荒れている場合、マイクロボイドが生じたり、薄い箇所でシードが溶けることによる埋設不良が生じたりする。

また、銅配線の溝パターンに限らず、ゲート形成時等種々の微細パターン形成時に側壁の平坦性の不足により、問題が生じる。

ＬＥＲやストライエーションを改善するために、種々の技術が検討されている。たとえば、特許文献１（特開２００３−１２２００９号公報）には、レジスト残りを生じにくいレジストパターンを形成するために、レジスト組成物を検討する技術が記載されている。また、たとえば特許文献２（特開２００４−８００３３号公報）には、フォトレジストパターン上にシリコン酸化膜を薄く形成した後でドライエッチング工程を実施する技術が記載されている。これにより、フォトレジストパターンの薄型化現象を防止してエッチングプロファイルを維持することができるとされている。また、たとえば特許文献３（特開２００５−１０９４４４号公報）には、ホールのストライエーションを低減するために、エッチングガスとして、炭素およびフッ素を含む化合物からなる活性種生成用のガスとキセノンガスを含む不活性ガスとを含む処理ガスをプラズマ化してエッチングを行う技術が記載されている。

ところで、平面材料の表面をエッチングまたはクリーニングするためにガスクラスタイオンビーム（ＧＣＩＢ）を用いることが知られている。特許文献４（特表２００５−５１２３１２号公報）には、トレンチやビアのようなリセスを処理する方法として、ガスクラスタイオンビームをリセスの内部を通して基部または底部に直接あてる方法が記載されている。ここでは、リセスが延びる方向にほぼ平行にガスクラスタイオンビームをあてている。これにより、ビア等のリセスの側壁を著しくエッチングすることなく、リセス底部のバリア材料膜および汚染物をエッチングすることができるとされている。
特開２００３−１２２００９号公報 特開２００４−８００３３号公報 特開２００５−１０９４４４号公報 特表２００５−５１２３１２号公報

しかし、特許文献１から３に記載の技術では、依然としてＬＥＲやストライエーションの改善が充分ではなかった。たとえば、微細パターンを形成する際に高感度のフォトレジストを用いた場合、フォトレジストの下層に高分子膜を設けて段階的にパターニングを行うことがある。そのような場合、特許文献１に記載されたように、レジスト組成物を改良しても、下地材料に起因するＬＥＲが生じることがあり、その場合は対応できない。また、特許文献２や特許文献３に記載されたように、エッチング手法やエッチングガスを工夫しても、ＬＥＲを完全に防ぐことは難しい。また、特許文献４に記載の技術では、リセス底部のエッチングを行うことを目的としており、たとえば配線溝等の凹部の側壁の凹凸を低減することができなかった。

また、

本発明によれば、
露出した面に凹部が形成された基板の表面側から、前記基板の表面に対して斜めの方向からガスクラスタイオンビームを照射することにより前記凹部の側壁に前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程を含む半導体装置の製造方法が提供される。

このようにすれば、凹部の側壁にガスクラスタイオンビームが照射されるので、凹部側壁の凹凸を低減することができる。これにより、上述したような銅配線形成過程における凹部の側壁の表面荒れが原因の配線間の漏洩電流の増加や絶縁耐性の低下等を防ぐことができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、露出した面に形成された凹部側壁の凹凸を低減して、凹部の側壁の表面荒れが原因の半導体装置の特性劣化を防ぐことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。以下では、基板が半導体ウェハである場合を例として説明する。

図１は、本実施の形態における、処理対象の半導体ウェハ１００（基板）を模式的に示す平面図である。図中、それぞれ一点破線で示したＡ−Ａ’線とＢ−Ｂ’線とは、互いに直交している。また、図示していないが、半導体ウェハ１００表面には、スクライブ線がマトリクス状に設けられている。スクライブ線は、方向Ａおよび方向Ａに直交する方向Ｂに沿って設けられている。Ａ−Ａ’線は、スクライブ線の方向Ａに平行に設けられており、Ｂ−Ｂ’線は、スクライブ線方向Ｂに平行に設けられている。

ここでは、半導体ウェハ１００しか示していないが、半導体ウェハ１００上には絶縁膜が形成されており、当該絶縁膜には凹部が形成された構成とすることができる。本実施の形態において、このような半導体ウェハ１００を水平面に対して角度α傾けた状態で、ガスクラスタイオンビーム２００を鉛直方向に照射する。これにより、半導体ウェハ１００表面に対して斜めの方向からガスクラスタイオンビーム２００が照射される。

ガスクラスタイオンビーム２００の照射は、
半導体ウェハ１００を第１の方向に傾けてガスクラスタイオンビームの照射方向と半導体ウェハ１００の表面の法線とがなす角度が所定の角度となるようにした状態で、ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを半導体ウェハ１００上の全面に照射する工程と、
半導体ウェハ１００を第１の方向とは反対向きの第２の方向に傾けてガスクラスタイオンビームの照射方向と半導体ウェハ１００の表面の法線とがなす角度が所定の角度となるようにした状態で、ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを半導体ウェハ１００上の全面に照射する工程と、
半導体ウェハ１００を第１の方向と直交する第３の方向に傾けてガスクラスタイオンビームの照射方向と半導体ウェハ１００の表面の法線とがなす角度が所定の角度となるようにした状態で、ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを半導体ウェハ１００上の全面に照射する工程と、
半導体ウェハ１００を第３の方向と反対向きの第４の方向に傾けてガスクラスタイオンビームの照射方向と半導体ウェハ１００の表面の法線とがなす角度が所定の角度となるようにした状態で、ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを半導体ウェハ１００上の全面に照射する工程と、
により行うことができる。

具体的には、第１の方向に傾けるとは、半導体ウェハ１００を図１のＡ−Ａ’線のＡ側がＡ’側よりも高くなる方向に傾けること（後述する図２（ｃ）参照）、第２の方向に傾けるとは、半導体ウェハ１００をＡ’側がＡ側よりも高くなる方向に傾けること（後述する図２（ｂ）参照）、第３の方向に傾けるとは、半導体ウェハ１００をＢ−Ｂ’線のＢ側がＢ’側よりも高くなるように傾けること（後述する図３（ｃ）参照）、そして第４の方向に傾けるとは、半導体ウェハ１００をＢ’側がＢ側よりも高くなるように傾けること（後述する図３（ｂ）参照）とすることができる。

以上の処理を、図面を用いて説明する。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図である。
図２（ａ）は、半導体ウェハ１００を水平に保った状態を示す。この状態から、図２（ｂ）に示すように、半導体ウェハ１００を図１のＡ−Ａ’線のＡ’側がＡ側よりも高くなるように傾ける。ここで、半導体ウェハ１００表面と水平面がなす角度をαとする。この状態で、ガスクラスタイオンビーム２００を鉛直方向に照射すると、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向（図中矢印の方向）と半導体ウェハ１００表面の法線３００とがなす角度もαとなる。この状態で、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に照射する。

つづいて、図２（ｃ）に示すように、半導体ウェハ１００を図１のＡ−Ａ’線のＡ側がＡ’側よりも高くなるように傾ける。ここでも、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００表面の法線３００とがなす角度が上記角度αとなるようにする。この状態で、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に照射する。

図３は、図１のＢ−Ｂ’断面図である。図３（ａ）は、半導体ウェハ１００を水平に保った状態を示す。この状態から、図３（ｂ）に示すように、半導体ウェハ１００を図１のＢ−Ｂ’線のＢ’側がＢ側よりも高くなるように傾ける。ここでも、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００表面の法線３００とがなす角度が上記角度αとなるようにする。この状態で、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に照射する。

つづいて、図３（ｃ）に示すように、半導体ウェハ１００を図１のＢ−Ｂ’線のＢ側がＢ’側よりも高くなるように傾ける。ここでも、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００表面の法線３００とがなす角度が上記角度αとなるようにする。この状態で、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に照射する。

以上のようにすれば、凹部内の側壁に四方からガスクラスタイオンビーム２００を照射することができ、凹部内の側壁のほぼ全面の凹凸を低減するようにできる。

ガスクラスタイオンビームを用いる手法は、特許文献４（特表２００５−５１２３１２）にも記載されている。しかし、当該文献に記載の技術では、ガスクラスタイオンビームは、リセスの底部に照射されるだけで、側壁に対してはほぼ平行に照射されるため、側壁の平坦化を行うことができない。

図４は、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００の表面１０１の法線３００とがなす角度αの好ましい範囲を説明するための模式図である。ここで、半導体ウェハ１００上には絶縁膜１０２が形成されており、絶縁膜１０２に形成された凹部１０４の側壁１０４ａを平坦化する場合を例として説明する。凹部１０４の側壁１０４ａは、半導体ウェハ１００の表面１０１に対して略直交するように設けられている。すなわち、側壁１０４ａは、半導体ウェハ１００の表面１０１の法線３００と略平行に設けられる。そのため、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と側壁１０４ａとがなす角度は、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００表面の法線３００とがなす角度と略等しくなる。

ガスクラスタイオンビーム２００で、凹部１０４の側壁１０４ａの凹凸を低減して平坦化を行うためには、照射エネルギーを適切な範囲に設定する必要がある。照射エネルギーが高すぎると、側壁１０４ａの凹凸を低減するだけでなく、絶縁膜表面１０２ａがエッチングされてしまう。一方、照射エネルギーが低すぎると、側壁１０４ａの平坦化を行うことができない。絶縁膜表面１０２ａのエッチングを抑制しつつ側壁１０４ａの平坦化を行うために好ましい照射エネルギーの範囲は、クラスタを構成する分子や分子径で異なる。しかし、本発明者の検討によれば、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と、被照射面である平坦化したい側壁１０４ａとがなす角度を７度以上とすることにより、絶縁膜表面１０２ａのエッチングを抑制しつつ、側壁１０４ａの平坦化を行えることがわかった。このようにすると、絶縁膜表面１０２ａ方向のガスクラスタイオンビーム２００の照射エネルギーと側壁１０４ａ方向のガスクラスタイオンビーム２００の照射エネルギーとの差を所定範囲内とすることができるためである。本実施の形態において、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００表面の法線３００とがなす角度αは７度以上とすることができる。

角度αが大きいほど、側壁１０４ａ方向のガスクラスタイオンビームの照射エネルギーを高めることができる。しかし、角度αが大きくなると、凹部１０４の側壁１０４ａの底部にガスクラスタイオンビームが照射されなくなってしまう。角度αの上限値は、平坦化対象の凹部１０４のアスペクト比に基づき決定することができる。

たとえば、凹部１０４のアスペクト比が（ｂ／ａ）の場合（底面直径がａ、高さがｂの場合）、角度αが取り得る最大角度βは、ｔａｎ^−１（ｂ／ａ）とすることができる。本実施の形態において、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００表面の法線３００とがなす角度αは、上記の条件でｔａｎ^−１（ｂ／ａ）とすることができる。たとえば、半導体装置の配線形成工程での最大アスペクト比は約５程度である。この場合、角度αが取り得る最大角度βは約１１度となる。

図５は、ガスクラスタイオンビーム２００の作用を示す図である。
図５（ａ）は、絶縁膜１０２内に形成された凹部１０４の側壁に凹凸１１８が形成された状態を示す。この状態で、凹部１０４内にガスクラスタイオンビーム２００が照射されると（図５（ｂ））、ガスクラスタイオンビーム２００が被照射面で個々の粒子２０２に分解する（図５（ｃ））。その際、分解したガスクラスタイオンビーム２００の粒子２０２の運動方向は被照射面に沿った方向となる。個々の粒子２０２は、凹凸１１８の凸部１１８ａの材料をスパッタ作用により凹部１１８ｂに移動させる。これにより、ガスクラスタイオンビーム２００の被照射面のＬＥＲ等の凹凸１１８が平坦化される。

（具体例）
次に具体例を説明する。
図６は、本実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。
以下では、半導体ウェハ上に形成された絶縁膜に凹部を形成し、ダマシン法により凹部内に配線またはビアを形成する場合に、凹部側壁の平坦化を行うためにガスクラスタイオンビームを用いる場合を例として説明する。

まず、半導体ウェハ上全面に絶縁膜を形成する（Ｓ１００）。つづいて、絶縁膜に凹部を形成する（Ｓ１０２）。具体的には、絶縁膜上に、マスクとなるレジスト膜を形成し、レジスト膜をマスクとして絶縁膜をエッチングすることにより、凹部を形成する。ここで、凹部は、配線溝やビアホールとすることができる。次いで、半導体ウェハ表面に対して斜めの方向からガスクラスタイオンビームを照射して、凹部側壁の凹凸を低減する（Ｓ１０４）。

その後、半導体ウェハ上全面にバリアメタル膜を形成する（Ｓ１０６）。このとき、バリアメタル膜は、絶縁膜の凹部内にも形成されるが、凹部内は埋め込まれない。つづいて、半導体ウェハ表面に対して斜めの方向からガスクラスタイオンビームを照射して、凹部側壁上のバリアメタル膜の凹凸を低減する（Ｓ１０８）。

次いで、半導体ウェハ上全面にシード金属膜を形成する（Ｓ１１０）。このとき、シード金属膜は、絶縁膜の凹部内にも形成されるが、凹部内は埋め込まれない。その後、半導体ウェハ表面に対して斜めの方向からガスクラスタイオンビームを照射して、凹部側壁上のシード金属膜の凹凸を低減する（Ｓ１１２）。

つづいて、半導体ウェハ上全面にめっき法により、めっき膜を形成する（Ｓ１１４）。これにより、絶縁膜の凹部が埋め込まれる。次いで、ＣＭＰにより、凹部外に露出しためっき膜、シード金属膜、およびバリアメタル膜を除去して配線またはビアを形成する（Ｓ１１６）。

以上のような手順において、絶縁膜に凹部を形成する際、光露光においてレジスト膜のパターンに生ずる凹凸（ＬＥＲ）が絶縁膜に転写され、凹部側壁に凹凸（ＬＥＲ）が生ずる。このような凹部の側壁の凹凸が残ったまま、凹部内に金属を埋め込むと、凹凸が電子を散乱するので抵抗が増大する。とくに、配線パターンの微細化が進むほど、凹凸の悪影響は顕著になる。本実施の形態において、凹部を形成した後に、バリアメタル膜を形成する前に凹部側壁の凹凸をガスクラスタイオンビームを照射することによって平坦化するので、散乱の少ない配線、すなわち抵抗の小さい配線を形成することができる。

また、同様に、バリアメタル膜表面に凹凸が残ったままだと、凹凸の影響で抵抗が増大する。本実施の形態において、バリアメタル膜を形成した後に、シード金属膜を形成する前に凹部側壁上のバリアメタル膜の凹凸をガスクラスタイオンビームを照射することによって平坦化するので、散乱の少ない配線、すなわち抵抗の小さい配線を形成することができる。さらに、バリアメタル膜の平坦化を行うことにより、バリアメタル膜の膜厚を均一化することができるため、拡散バリア性を保つことができる。

さらに、シード金属膜の膜厚が不均一だと、めっき膜を形成する際に、表面の荒れ等に起因するボイド等が発生することがある。本実施の形態において、シード金属膜を形成した後に、めっき膜を形成する前に凹部側壁上のシード金属膜の凹凸をガスクラスタイオンビームを照射することによって平坦化するので、ボイドをなくすことができ、良好なめっき埋設を行うことができるようになる。

図７および図８は、図６のステップＳ１０４の手順に対応する工程断面図である。
上述したように、絶縁膜１０２に凹部１０４を形成すると、凹部１０４の底面はほぼ平坦となっているが、側壁にＬＥＲが生じる。そのため、凹部１０４の側壁を平坦化する必要がある。ここでは、絶縁膜１０２に形成された凹部１０４の側壁にガスクラスタイオンビーム２００を照射して、側壁の凹凸を平坦化する。

まず、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と凹部１０４の図中左側の側壁、すなわち法線３００とがなす角度をαとして、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に走査する（図７（ａ））。これにより、凹部１０４の図中左側の側壁が平坦化される（図７（ｂ））。

次に、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と凹部１０４の図中右側の側壁、すなわち法線３００とがなす角度をαとして、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に走査する（図８（ａ））。これにより、凹部１０４の図中右側の側壁が平坦化される（図８（ｂ））。

ここでは、２方向の処理しか示していないが、図２および図３を参照して説明したように、４方向の処理を行うことにより、凹部１０４内の側壁の全面を平坦化することができる。なお、４方向のみでなく、さらに多数の方向の処理を行うようにしてもよい。

ここで、ガスクラスタイオンビーム２００のクラスタは、原子数百〜数千個のサイズとすることができる。ガスクラスタイオンビーム２００としては、Ａｒ、Ｎ_２等の不活性ガスを用いることができる。また、ガスクラスタイオンビーム２００として、Ｈ_２、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４等の還元性ガスを含むこともできる。これにより、クリーニング作用を高めることができる。ガスクラスタイオンビーム２００として、不活性ガスと還元性ガスの両用を含むものを用いることもできる。

さらに、ガスクラスタイオンビーム２００として、ＣＦ系等のエッチングガスを用いることもできる。これにより、凹部１０４の寸法を広げ、配線寸法を広げる処理を行うことができる。配線寸法をレチクル寸法よりも太くする手法としては、レジストをオーバー露光するなどの手法が知られているが、現像後のレジストが倒壊することが問題であった。また、ＬＥＲがある場合に配線幅を広げると配線間隔が極端に狭い箇所ができて漏洩電流や絶縁破壊が問題となる。しかし、ガスクラスタイオンビーム２００としてＣＦ系等のエッチングガスを用いた場合、このような問題を生じることなく配線幅を広げることができる。

さらに、ガスクラスタイオンビーム２００として、Ｓｉを含むガス等の堆積ガスを用いることもできる。これにより、凹部１０４の側壁に誘電体膜（絶縁膜）を成膜することができる。このような誘電体膜を成膜することにより、ＬＥＲを減少することができる。

なお、ガスクラスタイオンビーム２００としてエッチングガスや堆積ガスを用いる処理は、ガスクラスタイオンビーム２００として不活性ガスを用いて凹部１０４の側壁を平坦化する処理と同時ではなく、平坦化の前または後に別途行うようにすることもできる。また、ガスクラスタイオンビーム２００の照射前または照射後に、ガスクラスタイオンビーム２００とは異なる手法で誘電体膜を堆積するようにしてもよい。

なお、ガスクラスタイオンビーム２００の照射においては、還元性を向上するために基板温度を最適化するなどの処理を行うことができる。

図９および図１０は、ステップＳ１０８の手順に対応する工程断面図である。
ここでは、半導体ウェハ１００上の全面に形成されたバリアメタル膜１０６にガスクラスタイオンビーム２００を照射して、バリアメタル膜１０６表面の凹凸を平坦化する。バリアメタル膜１０６は、たとえばＴａ／ＴａＮ膜とすることができる。ここで、絶縁膜１０２の凹部１０４の側壁に形成されたバリアメタル膜１０６だけでなく、凹部１０４の底面に形成されたバリアメタル膜１０６の表面にも凹凸が生じることがある。本例では、凹部１０４の底部に形成されたバリアメタル膜１０６上にもガスクラスタイオンビーム２００が照射される例を示す。この場合、ガスクラスタイオンビーム２００の照射角度を調整して、凹部１０４の底面にもガスクラスタイオンビーム２００が照射されるようにすることができる。

まず、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と凹部１０４の図中左側の側壁、すなわち法線３００とがなす角度をαとして、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に走査する（図９（ａ））。このとき、角度αは、７度以上とする。また、凹部１０４のアスペクト比が（ｂ／ａ）の場合（底面直径がａ、高さがｂの場合、図４参照）、角度αが取り得る最大角度β’を、ｔａｎ^−１（２ｂ／ａ）とすることができる。これにより、凹部１０４内の図中左側の側壁および底面に形成されたバリアメタル膜１０６が平坦化される（図９（ｂ））。

次に、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と凹部１０４の図中右側の側壁、すなわち法線３００とがなす角度をαとして、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に走査する（図１０（ａ））。このときも、角度αは、７度以上とする。また、凹部１０４のアスペクト比が（ｂ／ａ）の場合（底面直径がａ、高さがｂの場合、図４参照）、角度αが取り得る最大角度β’を、ｔａｎ^−１（２ｂ／ａ）とすることができる。これにより、凹部１０４内の図中右側の側壁および底面に形成されたバリアメタル膜１０６が平坦化される（図１０（ｂ））。

ここでも、スクライブ線の方向に沿って４回傾ける処理を行い、それぞれの処理で半導体ウェハ１００上全面にガスクラスタイオンビーム２００を走査することにより、凹部１０４内の側壁および底面の全面に形成されたバリアメタル膜１０６を平坦化することができる。なお、４方向のみでなく、さらに多数の方向の処理を行うようにしてもよい。

ここで、バリアメタル膜１０６に照射するガスクラスタイオンビーム２００のクラスタも、原子数百〜数千個のサイズとすることができる。ガスクラスタイオンビーム２００としては、Ａｒ、Ｎ_２等の不活性ガスを用いることができる。また、ガスクラスタイオンビーム２００として、Ｈ_２、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４等の還元性ガスを含むこともできる。これにより、クリーニング作用を高めることができる。ガスクラスタイオンビーム２００として、不活性ガスと還元性ガスの両用を含むものを用いることもできる。

ガスクラスタイオンビーム２００を用いてバリアメタル膜１０６の平坦化を行うことにより、ガスクラスタイオンビームは表面原子を表面方向にスパッタし平坦化する作用があるため、膜厚の減少なくバリアメタル膜１０６の表面を平坦化することができる。これにより、バリアメタル膜１０６上に形成する配線膜との界面を平坦にすることができ、界面での電子散乱による抵抗増加を抑制することができる。また、従来は、バリアメタル膜１０６の膜厚が薄い箇所で拡散バリア性の低下が問題となることがあった。しかし、上記の方法によれば、バリアメタル膜１０６の膜厚を均一化することができるため、拡散バリア性を保つことができる。

図１１および図１２は、図６のステップＳ１１２の手順に対応する工程断面図である。
ここでは、バリアメタル膜１０６上に形成されたシード金属膜１０８にガスクラスタイオンビーム２００を照射して、シード金属膜１０８表面の凹凸を平坦化する。シード金属膜１０８は、銅を主成分として含む構成とすることができ、たとえば銅または銅合金膜とすることができる。ここで、絶縁膜１０２の凹部１０４の側壁に形成されたシード金属膜１０８だけでなく、凹部１０４の底面に形成されたシード金属膜１０８の表面にも凹凸が生じることがある。本例では、凹部１０４の底部に形成されたシード金属膜１０８上にもガスクラスタイオンビーム２００が照射される例を示す。この場合、ガスクラスタイオンビーム２００の照射角度を調整して、凹部１０４の底面にもガスクラスタイオンビーム２００が照射されるようにすることができる。

まず、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と凹部１０４の図中左側の側壁、すなわち法線３００とがなす角度をαとして、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に走査する（図１１（ａ））。このとき、角度αは、７度以上とする。また、凹部１０４のアスペクト比が（ｂ／ａ）の場合（底面直径がａ、高さがｂの場合、図４参照）、角度αが取り得る最大角度β’を、ｔａｎ^−１（２ｂ／ａ）とすることができる。これにより、凹部１０４内の図中左側の側壁および底面に形成されたシード金属膜１０８が平坦化される（図１１（ｂ））。

次に、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と凹部１０４の図中右側の側壁、すなわち法線３００とがなす角度をαとして、ガスクラスタイオンビーム２００を半導体ウェハ１００上全面に走査する（図１２（ａ））。このときも、角度αは、７度以上とする。また、凹部１０４のアスペクト比が（ｂ／ａ）の場合（底面直径がａ、高さがｂの場合、図４参照）、角度αが取り得る最大角度β’を、ｔａｎ^−１（２ｂ／ａ）とすることができる。これにより、凹部１０４内の図中右側の側壁および底面に形成されたシード金属膜１０８が平坦化される（図１２（ｂ））。

ここでも、スクライブ線の方向に沿って４回傾ける処理を行い、それぞれの処理で半導体ウェハ１００上全面にガスクラスタイオンビーム２００を走査することにより、凹部１０４内の側壁および底面の全面に形成されたシード金属膜１０８を平坦化することができる。なお、４方向のみでなく、さらに多数の方向の処理を行うようにしてもよい。

ここで、シード金属膜１０８に照射するガスクラスタイオンビーム２００のクラスタも、原子数百〜数千個のサイズとすることができる。ガスクラスタイオンビーム２００としては、Ａｒ、Ｎ_２等の不活性ガスを用いることができる。また、ガスクラスタイオンビーム２００として、Ｈ_２、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４等の還元性ガスを含むこともできる。これにより、クリーニング作用を高めることができる。ガスクラスタイオンビーム２００として、不活性ガスと還元性ガスの両用を含むものを用いることもできる。

ガスクラスタイオンビーム２００を用いてシード金属膜１０８の平坦化を行うことにより、ガスクラスタイオンビーム２００は表面原子を表面方向にスパッタし平坦化する作用があるため、膜厚の減少なくシード金属膜１０８の表面を平坦化することができる。これにより、シード金属膜１０８表面の荒れに起因するボイドをなくすことができ、良好なめっき埋設を行うことができるようになる。

また、従来は、荒れによるシード金属膜１０８の膜厚の不均一性があったため、膜厚が薄い箇所では、めっき液により溶解してしまうということがあった。このような溶解が生じると、シード金属膜１０８の溶解に起因するボイドが形成されることがあった。そのため、膜厚が薄い箇所でも溶解が生じないようにすべく、シード金属膜１０８の平均膜厚を厚く堆積する必要があった。しかし、上記の方法によれば、ガスクラスタイオンビーム２００によりシード金属膜１０８の膜厚を均一化することができるため、平均膜厚を薄くすることもできる。

さらに、シード金属膜１０８として銅を含む膜を用いた場合、シード金属膜１０８の形成からめっき処理までの時間が長引くと、大気中の酸素や有機物によってシード金属膜１０８の表面が酸化したり有機物が吸着したりする。これらはめっき膜の埋設性を劣化させるが、ガスクラスタイオンビーム２００をシード金属膜１０８に照射することで、物理化学的にその除去を行うことでき、めっき埋設性を改善することもできる。

この後、凹部１０４を埋め込むようにめっき処理によりめっき膜１１０を形成する（図１３（ａ））。めっき膜１１０は、銅を主成分として含む構成とすることができ、たとえば銅または銅合金膜とすることができる。つづいて、凹部１０４外部に露出しためっき膜１１０、シード金属膜１０８、およびバリアメタル膜１０６をＣＭＰにより除去する。これにより、配線（またはビア）１１２が形成される（図１３（ｂ））。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

以上の実施の形態において、図１から図３を参照した説明では、半導体ウェハ１００を水平状態から傾けて、ガスクラスタイオンビーム２００が半導体ウェハ１００表面に対して斜めの方向から照射されるようにした例を示したが、半導体ウェハ１００を水平に保った状態で、ガスクラスタイオンビーム２００を斜め方向から照射するようにしてもよい。すなわち、ガスクラスタイオンビーム２００の照射方向と半導体ウェハ１００表面の法線３００とが所定角度αとなるようにできれば、どのような配置としてもよい。

図９から図１２を参照して説明した例では、凹部１０４の底面にもガスクラスタイオンビーム２００が照射されるように半導体ウェハ１００表面の法線３００とガスクラスタイオンビーム２００の照射角度との角度を調整する例を示したが、ここでも、凹部１０４の側壁にのみガスクラスタイオンビーム２００が照射されるようにしてもよい。

なお、以上では、ダマシン法により凹部内に配線またはビアを形成する場合を例として示したが、本発明の方法は、これに限らず、ゲート形成時等種々の微細パターン形成時の側壁の平坦化に適用することができる。

本実施の形態における、処理対象の半導体ウェハを模式的に示す平面図である。 図１のＡ−Ａ’断面図である。 図１のＢ−Ｂ’断面図である。 ガスクラスタイオンビームの照射方向と半導体ウェハの表面の法線とがなす角度αの好ましい範囲を説明するための模式図である。 ガスクラスタイオンビームの作用を示す図である。 本実施の形態における半導体装置の製造手順を示すフローチャートである。 図６のステップＳ１０４の手順に対応する工程断面図である。 図６のステップＳ１０４の手順に対応する工程断面図である。 図６のステップＳ１０８の手順に対応する工程断面図である。 図６のステップＳ１０８の手順に対応する工程断面図である。 図６のステップＳ１１２の手順に対応する工程断面図である。 図６のステップＳ１１２の手順に対応する工程断面図である。 図６のステップＳ１１４およびステップＳ１１６の手順に対応する工程断面図である。

符号の説明

１００ 半導体ウェハ
１０１ 表面
１０２ 絶縁膜
１０２ａ 絶縁膜表面
１０４ 凹部
１０４ａ 側壁
１０６ バリアメタル膜
１０８ シード金属膜
１１０ めっき膜
１１２ 配線
１１８ 凹凸
１１８ａ 凸部
１１８ｂ 凹部
２００ ガスクラスタイオンビーム
２０２ 粒子
３００ 法線

Claims (9)

1. 露出した面に凹部が形成された基板の表面側から、前記基板の表面に対して斜めの方向からガスクラスタイオンビームを照射することにより前記凹部の側壁に前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程を含む半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程の前に、
   前記基板上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に前記凹部を形成する工程と、
   をさらに含み、
   前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程において、前記絶縁膜が露出した状態で、前記ガスクラスタイオンビームを照射する半導体装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記基板上に絶縁膜を形成する工程と、
   前記絶縁膜に前記凹部を形成する工程と、
   前記凹部の側壁および底面を含む前記絶縁膜上の全面にバリアメタル膜を形成する工程と、
   前記凹部の側壁および底面を含む前記バリアメタル膜上の全面に、シード金属膜を形成する工程と、
   前記シード金属膜上の全面に、前記凹部内を埋め込むめっき膜を形成する工程と、
   前記凹部外に露出した前記めっき膜、前記シード金属膜、および前記バリアメタル膜を除去して、当該凹部内に配線を形成する工程と、
   をさらに含み、
   前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程は、前記凹部を形成する工程の後に前記絶縁膜が露出した状態、前記バリアメタル膜を形成する工程の後に前記バリアメタル膜が露出した状態、または前記シード金属膜を形成する工程の後に前記シード金属膜が露出した状態で行われる半導体装置の製造方法。
4. 請求項１から３いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程において、前記ガスクラスタイオンビームが、不活性ガスを含む半導体装置の製造方法。
5. 請求項１から４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程において、前記ガスクラスタイオンビームが、還元性ガスを含む半導体装置の製造方法。
6. 請求項１から５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程において、前記ガスクラスタイオンビームの照射方向と前記基板の表面の法線とがなす角度が７度以上となるようにして前記ガスクラスタイオンビームを照射する半導体装置の製造方法。
7. 請求項１から５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記ガスクラスタイオンビームを照射する工程は、
   前記基板を第１の方向に傾けて前記ガスクラスタイオンビームの照射方向と前記基板の表面の法線とがなす角度が所定の角度となるようにした状態で、前記ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを前記基板上の全面に照射する工程と、
   前記基板を前記第１の方向とは反対向きの第２の方向に傾けて前記ガスクラスタイオンビームの照射方向と前記基板の表面の法線とがなす角度が前記所定の角度となるようにした状態で、前記ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを前記基板上の全面に照射する工程と、
   前記基板を前記第１の方向と直交する第３の方向に傾けて前記ガスクラスタイオンビームの照射方向と前記基板の表面の法線とがなす角度が前記所定の角度となるようにした状態で、前記ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを前記基板上の全面に照射する工程と、
   前記基板を前記第３の方向と反対向きの第４の方向に傾けて前記ガスクラスタイオンビームの照射方向と前記基板の表面の法線とがなす角度が前記所定の角度となるようにした状態で、前記ガスクラスタイオンビームを走査して当該ガスクラスタイオンビームを前記基板上の全面に照射する工程と、
   を含む半導体装置の製造方法。
8. 請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記基板の表面には、スクライブ線がマトリクス状に設けられており、前記第１の方向、前記第２の方向、前記第３の方向、および前記第４の方向は、前記スクライブ線に沿った方向である半導体装置の製造方法。
9. 請求項７または８に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記所定の角度は、７度以上の角度である半導体装置の製造方法。

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