JP3925511B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法のうちＣｕ配線形成工程に関するものである。

近年、シリコン半導体製品の微細化と高性能化に伴い、Ｃｕ配線が多用されている。Ｃｕ配線の形成方法として、銅のドライエッチングが極めて困難なことから、配線間絶縁膜へのドライエッチングによる配線溝形成工程と、形成された配線溝への電解めっきによる銅の埋め込み工程と、化学機械研磨（以下、ＣＭＰという）による余剰なＣｕ膜の除去および平坦化という一連の工程（ダマシン法）が一般的に行われている。

上記工程のうち、ＣＭＰ工程において、研磨後の半導体基板表面には、研磨剤、Ｃｕ研磨屑等のパーティクル、および金属汚染が多量に残留しており、これらを除去するために基板の洗浄が実施される。

Ｃｕ研磨後の基板表面はＣｕ配線が剥き出しになっているため、これらの汚染除去が不十分であると、Ｃｕの腐食等を引き起こし、配線性能の劣化、特に配線間ショートを引き起こし半導体デバイス性能にとって大きな問題となる。

従来、半導体基板の洗浄としてはＲＣＡ洗浄を用いた洗浄方法が広く行われている。この方法の代表的な洗浄シーケンスは、アルカリ溶液（アンモニア−過酸化水素水）によりパーティクルを除去する工程と、希フッ酸による酸化膜を除去する工程と、酸性溶液（塩酸−過酸化水素水）により金属汚染を除去する工程からなる。

しかし、この洗浄方法では、Ｃｕ配線に対しては、アンモニアはＣｕとアンミン錯体を形成しエッチングされやすく、また、フッ酸はＣｕ表面が荒れるという問題がある。

このため、Ｃｕ研磨後の洗浄として、ブラシによる機械的洗浄と有機酸（シュウ酸）を用いた洗浄の併用が一般的に行われている。すなわち、ブラシによる機械的摩擦でパーティクルを除去し、シュウ酸が酸化銅と反応してキレート錯体を形成し、溶液中に溶け出すことによってＣｕ表面の汚染除去を行っている。

しかしながら、この洗浄方法では、パーティクルや金属汚染はある程度除去可能であるが、研磨によってＣｕ配線間に生じたＣｕによるブリッジを除去することは困難である。ここで問題となる配線間ブリッジの態様を図８に示すとともに、ブリッジが発生するメカニズムを以下に説明する。

ＣｕのＣＭＰにおいて、Ｃｕ膜５およびバリア膜を研磨し配線間絶縁膜２が露出したところで研磨を終了するが、Ｃｕ膜５が薄くなることによる配線抵抗の上昇を防止するため、研磨後表面の断面形状は配線間絶縁膜２に対しＣｕ膜５が凸となる形状となる。このようにＣｕ膜５が配線間絶縁膜２に対して凸となるような形状となる場合、研磨中に凸となったＣｕ膜５が研磨圧力によって配線間絶縁膜２上に延び、隣のＣｕ配線と接触することにより配線間Ｃｕブリッジ６が発生する（図８（ａ））。

また、研磨中の異物によってＣｕ表面にスクラッチが生じた場合は、えぐりとられたＣｕが配線間絶縁膜上に延び、配線間Ｃｕブリッジ６が生じる（図８（ｂ））。さらに、配線間絶縁膜上にスクラッチが生じた場合は、そのスクラッチ溝に研磨屑のＣｕが埋め込まれることにより配線間Ｃｕブリッジ６が生じる場合もある（図８（ｃ））。

以上のようにして形成された配線間ブリッジにより、配線間ショートを引き起こし半導体製品の歩留まり低下の原因となるが、上記した従来の洗浄法ではこのブリッジを除去することはできない。

一方、従来のＲＣＡ洗浄にかわる洗浄方法として、オゾン水およびフッ酸による洗浄が提案されてきており、この洗浄方法をＣｕ配線工程へ適用する例が、例えば特許文献１等に開示されている。

この洗浄方法では、オゾン水によるＣｕ表面の酸化、およびフッ酸による酸化層の除去により、基板表面のパーティクル、金属汚染の除去が可能であり、かつ前記Ｃｕ膜による配線間ブリッジもある程度除去可能である。発明者は、電子式パターン欠陥検査装置を使用して、オゾン水およびフッ酸洗浄による配線間ブリッジの除去率評価を行った結果、この本洗浄処理によりブリッジは７５％除去可能であることを確認した。
特開平８−１５３６９８号公報

しかしながら、オゾン水およびフッ酸処理後の基板表面を、光学式パターン欠陥検査装置を使用して詳細に調べてみると、基板全面にわたって配線Ｃｕ表面に１００〜３００ｎｍの凹状欠陥が１０００個以上発生していることが判明した。

Ｃｕ配線上に発生した凹状欠陥の形状を図９に示す。この発生原因として以下のことが考えられる。すなわち、オゾン水の酸化還元電位が１．１Ｖと高いため、電池効果によりＣｕ配線の表面がイオン化しオゾン水中に溶出した結果、凹状欠陥となったと考えられる。

このように配線Ｃｕ表面に凹状欠陥が多数発生した場合、配線抵抗の上昇、さらには配線の断線を引き起こす可能性があり、オゾン水をＣｕ配線工程に適用することはできない。

そこで、本発明は、ＣＭＰ後の洗浄工程において、Ｃｕ配線表面に凹状欠陥を発生させることなく、かつ、Ｃｕによる配線間ブリッジを効果的に除去することができる処理方法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、本発明の半導体装置の製造方法は、基板上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に溝を形成する工程と、前記絶縁層上に銅薄膜を形成して前記溝内を前記銅薄膜で埋め込む工程と、前記銅薄膜を化学機械研磨して前記溝以外の領域の前記銅薄膜を除去する工程と、前記研磨後の前記基板の表面側を、前記銅薄膜と前記絶縁層との密着性を減少させるために薬液処理する工程と、前記薬液処理の後に前記基板の表面側を物理洗浄処理する工程を備えている。

前記溝内の前記銅薄膜が銅配線として用いられることが好ましい。

前記薬液は、希フッ酸、シュウ酸のいずれかであることが好ましい。

超音波洗浄、流体洗浄、蒸気洗浄のいずれかを用いて前記物理洗浄を行うことが好ましく、前記超音波洗浄に用いる洗浄水は、純水もしくは純水にガスを溶解させた溶存ガス水であることがさらに好ましい。

前記溶存ガスは、水素、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴンのいずれかであることが好ましい。

Ｃｕ配線形成工程において、Ｃｕ膜のＣＭＰ後に本発明の処理を施すことにより、ＣＭＰ後に存在するＣｕ配線間ブリッジを、Ｃｕ表面に凹状欠陥等の新たな欠陥を発生させることなく除去することが可能となり、配線間ショートの発生を未然に防止することができる。

（実施の形態１）
以下に本発明の実施形態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１における処理フローを、図２にＣＭＰ直後の半導体基板の断面図を示す。以下に各処理工程の概略を説明する。

半導体基板１上に配線間絶縁膜２を形成し、さらにドライエッチングにより絶縁膜２に配線溝を形成した後、スパッタリングによってバリア膜３およびＣｕシード膜４を、続けて電解メッキによってＣｕ膜５を形成し、配線溝内をＣｕ膜５で埋め込む。

Ｃｕ膜５をアニール処理した後、配線溝以外の領域にある余剰なＣｕ膜をＣＭＰによって除去しＣｕ配線が形成される。

図２に示すように、研磨後の基板表面には、研磨剤、研磨屑等のパーティクル、金属汚染、配線間ブリッジ等の汚染、欠陥が存在する。これらのうち配線間のＣｕブリッジ６は、前述したように、配線間ショートを引き起こすため半導体製品の歩留まり低下の原因となる。

次に、配線間に発生したＣｕブリッジ６を除去するために、枚葉式スピン洗浄装置を用いて、洗浄処理を行う。図３に本発明の実施の形態１におけるＣＭＰ工程以降の製造工程説明図を示し、以下に詳細を説明する。

まず、純水によるプレリンスによりＣｕ膜５、配線間絶縁膜２を含む基板表面を親水化し、次いで、０．１％のＤＨＦで数秒間処理することによりＣｕブリッジ６と配線間絶縁膜の密着性を低下させる（図３（ａ））。ＤＨＦ処理は、ＤＨＦ流量１．０リットル／分、処理時のウエハ回転数５００ｒ．ｐ．ｍ．という条件で行った。

ここで、ブリッジ部６におけるＣｕは、ＣＭＰ時の研磨圧力によって配線間絶縁膜上に押し出されたものであり、このＣｕと絶縁膜との界面の密着力は化学的には強くない。したがって、ＤＨＦ処理により前記界面にＤＨＦが容易に浸透し、Ｃｕと絶縁膜の界面に存在する酸化層をエッチングすることにより密着力を著しく低下させることができる。次いで、純水リンスにより基板表面のＤＨＦを洗い流して除去した後、周波数１．６ＭＨｚ、出力１０Ｗの超音波を洗浄用純水に印加した超音波洗浄を１０秒間実施することにより、密着性の低下したＣｕブリッジ６を脱離し除去する（図３（ｂ））。超音波洗浄時の純水流量は１．０リットル／分、処理時のウエハ回転数は５００ｒ．ｐ．ｍ．であった。

最後に、純水によるファイナルリンスの後、ウエハ回転数１５００ｒ．ｐ．ｍ．でスピン乾燥を実施する。また、上記の純水リンス時には純水流量１．０リットル／分、処理時のウエハ回転数５００ｒ．ｐ．ｍ．でそれぞれ行った。

以上のように本実施の形態によれば、上記ＤＨＦ処理によりＣｕと絶縁膜の密着力を著しく低下しているため、通常の異物除去における物理洗浄よりも小さい力でＣｕブリッジを除去することができ、したがって、基板表面へほとんどダメージを与えずに配線間のＣｕブリッジ除去および残留物除去を行うことができる。

本実施の形態に示した洗浄処理によるブリッジ除去率を、オゾン水およびフッ酸処理の時と同様に電子式パターン欠陥検査装置を使用して評価を行ったところ、除去率は９２％であり、オゾン水およびフッ酸処理よりも高い除去率であることが確認された。

また、凹状欠陥についても、オゾン水およびフッ酸処理時と同様に光学式パターン欠陥検査装置を使用して評価した結果、凹状欠陥の発生は０個であった。

また、超音波洗浄処理において用いる洗浄水として、水素ガスが１％溶解した純水を用いると、純水中のマイクロバブルが超音波によって振動しこれがＣｕブリッジ６に物理的に作用することにより、Ｃｕブリッジの除去効果を高めることができる。溶存ガスとして水素以外に、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴンを用いても同様の効果が得られる。

また、ＤＨＦ処理と超音波洗浄処理を同時に実施した場合のブリッジ除去率とＣｕ表面欠陥の評価を実施したところ、ブリッジ除去率は９０％と良好であるものの、Ｃｕ表面欠陥は８０個となり、Ｃｕ表面へのダメージが発生することが判明した。

これは、ＤＨＦによってＣｕ表面がわずかながらエッチングされる効果が、超音波によって増幅され、Ｃｕ表面が過剰にエッチングされたためと考えられる。

さらに、超音波洗浄処理を先に実施し、その後にＤＨＦ処理を実施した場合についても同様の欠陥評価を実施した結果、Ｃｕ表面欠陥は０個となり良好であるものの、ブリッジ除去率は３５％で、本発明の方法を用いた場合と比べて大幅に低下することが判明した。

これは、ＤＨＦ処理によりＣｕブリッジ６と絶縁膜２との間の密着は弱まったものの、その後、物理的衝撃を与えてＣｕブリッジ６を取り切る工程がないためである。

したがって、本実施の形態で示すように、化学的処理を実施した後に物理的処理を実施することが最も効果的にブリッジを除去でき、かつＣｕ表面欠陥も少ないことがわかった。

なお、本実施の形態において、ＤＨＦ処理、超音波洗浄処理、リンスおよび乾燥処理は同一チャンバー内で連続して行えば、各工程間の搬送が不要であり、処理時間を最短化することが可能である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における処理フローを図４に示す。

本実施の形態では、Ｃｕブリッジと絶縁層との密着性を減少させるためにシュウ酸を用いる。シュウ酸は金属Ｃｕに対しては反応しないが、酸化Ｃｕに対してはＣｕとの間でキレート結合を形成し溶解する性質がある。このため、Ｃｕブリッジと配線間絶縁膜の界面にシュウ酸が浸透することにより、前記界面に生じた薄い酸化Ｃｕ層を溶解し、Ｃｕブリッジと絶縁膜の密着力を低下させることができる。本処理におけるシュウ酸処理は、実施の形態１のＤＨＦ処理と同様に枚葉式スピン処理装置で行っており、濃度１０％のシュウ酸を用いて、シュウ酸流量を１．０リットル／分として数十秒間行った。

シュウ酸処理後は、純水リンスによる薬液の洗い流し後に物理洗浄によるＣｕブリッジ除去を実施し、その後、純水リンス、スピン乾燥を行った。

Ｃｕブリッジ除去率の処理方法依存性を図５に、Ｃｕ表面に形成された凹状欠陥数の処理方法依存性を図６にそれぞれ示す。

図５からわかるように、本実施の形態でのＣｕブリッジ除去率は９０％であり、実施の形態１でのＤＨＦ処理を用いた場合の除去率とほぼ同じであり、またオゾン水およびフッ酸処理よりも高い除去率であることが確認された。また、凹状欠陥の発生は０個であり、これも実施の形態１の場合と同じであった。

以上のように本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様に、Ｃｕ表面に凹状欠陥を発生させることなく、Ｃｕブリッジを効率よく除去でき、配線ショートの低減ひいては製品歩留まりの向上、信頼性の向上が図れる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における処理フローを図７に示す。

本実施の形態では、物理洗浄処理として流体洗浄、あるいは蒸気洗浄を用いる。

ここで、流体洗浄とは、純水を高圧のガス、例えばＮ₂とともにノズルより噴射することによって局所的な圧力を加えて洗浄するものである。また、蒸気洗浄とは、１００℃以上の水蒸気と純水とを混合したのち、これをノズルから噴射することによって生成する１００℃付近の温度を持った水蒸気を含んだ水流によって物理的洗浄力を得るものである。

ＤＨＦやシュウ酸等で処理を行った後、物理洗浄処理として、上記の流体洗浄、あるいは前記蒸気洗浄を用いることにより、超音波洗浄の場合と同等のブリッジ除去率を得ることが可能となる。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、Ｃｕ配線を有する半導体装置の製造に対して特に有用である。

本発明の実施の形態１における処理フロー図 ＣＭＰ直後の半導体基板の断面図 本発明の実施の形態１におけるＣＭＰ工程以降の製造工程説明図 本発明の実施の形態２における処理フロー図 Ｃｕブリッジ除去率の洗浄処理方法依存性を示す図 凹状欠陥数の洗浄処理方法依存性を示す図 本発明の実施の形態３における処理フロー図 配線間ブリッジの態様を示す図 Ｃｕ配線上の凹状欠陥の形状を示す図

符号の説明

１ 半導体基板
２ 配線間絶縁膜
３ バリア膜
４ Ｃｕシード膜
５ Ｃｕ膜
６ 配線間Ｃｕブリッジ

Claims (6)

1. 基板上に絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層に溝を形成する工程と、
   前記絶縁層上に銅薄膜を形成して前記溝内を前記銅薄膜で埋め込む工程と、
   前記銅薄膜を化学機械研磨して前記溝以外の領域の前記銅薄膜を除去する工程と、
   前記研磨後の前記基板の表面側を、前記銅薄膜と前記絶縁層との密着性を減少させるために薬液処理する工程と、
   前記薬液処理の後に前記基板の表面側を物理洗浄処理する工程を備えた半導体装置の製造方法。
2. 前記溝内の前記銅薄膜が銅配線として用いられることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記薬液は、希フッ酸、シュウ酸のいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 超音波洗浄、流体洗浄、蒸気洗浄のいずれかを用いて前記物理洗浄を行うことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記超音波洗浄に用いる洗浄水は、純水もしくは純水にガスを溶解させた溶存ガス水であることを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記溶存ガスは、水素、窒素、酸素、二酸化炭素、アルゴンのいずれかであることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。

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