JP5493165B2

JP5493165B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP5493165B2
Application number: JP2009223961A
Authority: JP
Inventors: 明広長谷川
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: JP2011077085A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、ダマシン法により絶縁膜に埋め込まれた配線を形成する半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体集積回路の微細化・高速化に伴い、一部の配線材料として、導電率の高い銅が使用されている。これまで配線層は、配線材料を堆積した後、リソグラフィー及びドライエッチングを用いてパターニングすることにより形成されてきた。しかしながら、銅は、エッチング生成物であるＣｕハロゲン化物の蒸気圧が低いことから、一般的にウェーハを３００℃以上の高温に加熱する必要があり、マスクの耐熱性等の問題からドライエッチングが困難であった。

そのため、銅を用いた配線層の形成には、絶縁膜に溝や穴を形成し、この溝や穴に銅を埋め込み、その後不要な部分をＣＭＰ（化学的機械的研磨：Chemical Mechanical Polishing）技術を用いて削り取る、いわゆるダマシンプロセスが用いられている。また、例えば６層以上にもなるような多層配線においては、工程数の削減を目的として、上層と下層の配線層を接続するビアホールと配線トレンチとを同時に加工するデュアルダマシンプロセスが一般的に使用されている。

このようなダマシンプロセスにおいて、下層の配線層に接続されるビアホールを形成する際には、ビアホールの底部に下層のＣｕ配線層が露出した後、アルゴンスパッタリングによるクリーニングが行われていた。これは、ビアホールの底部に露出している下層のＣｕ配線層の表面に生成されている酸化膜等の変質層を除去し、これから形成する上層配線層と下層配線層との間の良好な電気的接続を得るために行われるものである。このアルゴンスパッタリングは、上層配線層のバリア層を形成する際の前処理として、バリア層を形成するためのスパッタ装置内で行うことが多い。

特表２００７−５２９８９５号公報

アルゴンスパッタリングを用いたビアホール底部のクリーニングは、従来のアルミニウム合金配線において行われてきた方法であり、配線の微細化が進むにつれて、より微細な接続孔の底部を十分にクリーニングすることは困難となっている。

また、銅配線の場合には、ビアホールの底部に露出している下層配線層の表面から叩きだされた銅がビアホールの側壁に再付着し、この再付着物が層間絶縁膜中に拡散して配線間リークを引き起こすことがあった。

そこで、銅配線プロセスのためのクリーニングとしては、ビアホール底部の変質層を水素プラズマ処理による還元反応で除去する方法が有望視されている。この水素プラズマ処理は、層間絶縁膜のエッチングによって下層配線層の表面が露出した時点で、エッチング装置内において連続して行うことが多い。

しかしながら、ビアホール底部の変質層の除去を水素プラズマ処理により行うと、同じエッチング装置を用いて行う次のウェーハのエッチング処理が不安定になることが、本願発明者によって初めて明らかとなった。

本発明の目的は、銅配線の形成プロセスにおいて、絶縁膜にビアホールや配線トレンチを形成する際のエッチング処理を安定化する半導体装置の製造方法を提供することにある。

実施形態の一観点によれば、半導体基板上に、Ｃｕを含む配線層を形成する工程と、前記配線層上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、有機膜を形成する工程と、前記有機膜上に、第１の開口部を有するレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜を形成した前記半導体基板を、エッチング装置の処理室内に搬入する工程と、前記エッチング装置の前記処理室内において、前記レジスト膜をマスクとして、前記第１の開口部内の前記有機膜をエッチングする工程と、前記エッチング装置の前記処理室内において、前記第１の開口部内の前記絶縁膜をエッチングし、前記絶縁膜に、前記配線層を露出する第２の開口部を形成する工程と、前記エッチング装置の前記処理室内において、前記第２の開口部内に露出した前記配線層の表面を水素プラズマ処理する工程と、水素プラズマ処理を行った前記半導体基板を、前記エッチング装置の前記処理室から搬出する工程と、前記半導体基板を搬出後、前記エッチング装置の前記処理室内に付着したＣｕ堆積物を除去する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。

また、実施形態の他の観点によれば、Ｃｕを含む配線層と、前記配線層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された有機膜と、前記有機膜上に形成され、第１の開口部を有するレジスト膜とを有する複数の半導体基板について、前記レジスト膜をマスクとして、前記第１の開口部内の前記有機膜をエッチングする工程と、前記第１の開口部内の前記絶縁膜をエッチングし、前記絶縁膜に、前記配線層を露出する第２の開口部を形成する工程と、前記第２の開口部内に露出した前記配線層の表面を水素プラズマ処理する工程とを、同じエッチング装置の処理室で連続して処理する半導体装置の製造方法であって、一の半導体基板について前記水素プラズマ処理を行う工程を行った後、前記一の半導体基板の次に処理する他の半導体基板について前記有機膜をエッチングする工程を行う前に、前記処理室内に付着したＣｕ堆積物を除去する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。

開示の半導体装置の製造方法によれば、銅配線の形成プロセスにおいて、絶縁膜にビアホールや配線トレンチなどの開口部を形成する際のエッチング処理を、複数のウェーハに渡って安定して行うことができる。これにより、開口部の出来上がり幅の変動を小さくすることができ、半導体装置の生産性を向上することができる。

図１は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。図２は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。図３は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。図４は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。図５は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その５）である。図６は、一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その６）である。図７は、配線トレンチのトレンチ幅とウェーハの処理枚数との関係を示すグラフ（その１）である。図８は、配線トレンチのトレンチ幅とウェーハの処理枚数との関係を示すグラフ（その２）である。平行平板型のＲＩＥ装置の構造を示す概略図である。図１０は、処理室を洗浄した直後における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１１は、処理室の洗浄及び水素プラズマ処理を行った後における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１２は、１５０枚のウェーハを処理した後（最後の水素プラズマ処理なし）における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１３は、１５０枚のウェーハを処理した後（最後の水素プラズマ処理あり）における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１４は、１５１枚のウェーハを処理した後（最後の水素プラズマ処理なし）における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１５は、配線トレンチのトレンチ幅がばらつくメカニズムを説明する図である。図１６は、処理室のクリーニングとしてプラズマエッチング処理の代わりに酸素プラズマ処理を行った場合における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。

一実施形態による半導体装置の製造方法について図１乃至図１６を用いて説明する。

図１乃至図６は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。図７及び図８は、配線トレンチのトレンチ幅とウェーハの処理枚数との関係を示すグラフである。図９は、平行平板型のＲＩＥ装置の構造を示す概略図である。図１０は、処理室を洗浄した直後における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１１は、処理室の洗浄及び水素プラズマ処理を行った後における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１２は、１５０枚のウェーハを処理した後（最後の水素プラズマ処理なし）における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１３は、１５０枚のウェーハを処理した後（最後の水素プラズマ処理あり）における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１４は、１５１枚のウェーハを処理した後（最後の水素プラズマ処理なし）における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。図１５は、配線トレンチのトレンチ幅がばらつくメカニズムを説明する図である。図１６は、処理室のクリーニングとしてプラズマエッチング処理の代わりに酸素プラズマ処理を行った場合における有機膜のエッチングレートを示すグラフである。

まず、層間絶縁膜１０の表面部に、銅（Ｃｕ）を主体とする配線層１２を埋め込み形成する（図１（ａ））。配線層１２は、シングルダマシン法により形成してよいし、デュアルダマシン法により形成してもよい。なお、層間絶縁膜１０は、図示しない半導体基板上に形成されている。半導体基板には、ＭＩＳトランジスタ等の素子や他の配線層等が形成されていてもよい。

次いで、配線層１２が埋め込まれた層間絶縁膜１０上に、絶縁膜１４，１６，１８，２０を形成する（図１（ｂ））。

絶縁膜１４は、配線層１２からの銅の拡散を防止するカバー膜として機能する膜であり、例えば、膜厚が３０ｎｍ程度のＳｉＣ膜やＳｉＮ膜等を適用することができる。

絶縁膜１６は、配線層１２とその上層に形成する配線層との間を絶縁する層間絶縁膜の主要部分を形成する膜である。絶縁膜１６としては、層間容量低減の観点から、低誘電率材料が望ましく、例えば、膜厚が２２０ｎｍ程度のポーラス絶縁膜等を適用することができる。

絶縁膜１８，２０は、絶縁膜１４，１６をパターニングする際のハードマスク等として機能する膜であり、必要に応じて、ＳｉＣ、ＳｉＯ_２等を組み合わせて適用することができる。例えば、絶縁膜１８として、膜厚が５０ｎｍ程度のＳｉＣ膜等を、絶縁膜２０として、膜厚が１２０ｎｍのＳｉＯ_２膜等を、適用することができる。必ずしも積層構造のハードマスクとする必要はなく、単層構造のハードマスクとしてもよい。

次いで、絶縁膜２０上に、例えばスピンコート法により、有機系反射防止膜であるＢＡＲＣ膜２０と、フォトレジスト膜２２とを形成する。フォトレジスト膜２２は、特に限定されるものではないが、例えば、ＡｒＦレーザ用のフォトレジスト材料を適用することができる。

次いで、例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザを光源に用いたフォトリソグラフィにより、配線層１２に接続されるビアホールを形成する領域のフォトレジスト膜２４に、開口部２６を形成する（図２（ａ））。

次いで、開口部２６を形成したフォトレジスト膜２４をマスクとして、ＢＡＲＣ膜２２、絶縁膜２０，１８，１６をドライエッチングし、ビアホール２６を絶縁膜１４上まで開口する。

次いで、アッシングにより、フォトレジスト膜２２及びＢＡＲＣ膜２０を除去する（図２（ｂ））。

次いで、絶縁膜２０上及びビアホール２８内に、例えばスピンコート法により、例えば膜厚３００ｎｍの有機レジスト材料のレジスト膜３０を形成する。レジスト膜３０は、絶縁膜２０，１８，１６をパターニングして配線トレンチを形成する際に用いるマスクである。

次いで、レジスト膜３０上に、例えばプラズマＣＶＤ法により、例えば膜厚５０ｎｍのシリコン酸化膜を形成し、シリコン酸化膜のレジスト膜３２を形成する。レジスト膜３２は、レジスト膜３０をパターニングする際のハードマスクである。

次いで、レジスト膜３２上に、例えばスピンコート法により、例えば膜厚８０ｎｍの有ＢＡＲＣ膜３４と、フォトレジスト膜３６とを形成する。フォトレジスト膜３６は、特に限定されるものではないが、例えば、ＡｒＦレーザ用のフォトレジスト材料を適用することができる。

次いで、例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦレーザを光源に用いたフォトリソグラフィにより、ビアホール２８を介して配線層１２に接続される配線層用の配線トレンチを形成する領域のフォトレジスト膜３６に、開口部３８を形成する（図３）。

次いで、開口部３８を形成したフォトレジスト膜３６をマスクとして、ＢＡＲＣ膜３４及びレジスト膜３２をドライエッチングする。これにより、フォトレジスト膜３６の開口部３８が、レジスト膜３２に転写される。ＢＡＲＣ膜３４及びレジスト膜３２のエッチング条件は、例えば、圧力を５０ｍＴｏｒｒ、ＣＦ_４流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ_２流量を１０ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを８００Ｗとする。

次いで、開口部３８が転写されたレジスト膜３２をマスクとして、レジスト膜３０をドライエッチングする。これにより、レジスト膜３２に転写された開口部３８が、レジスト膜３０に転写される。なお、レジスト膜３２上に残存しているＢＡＲＣ膜３４及びフォトレジスト膜３６は、レジスト膜３０のエッチングの際に同時に除去される。レジスト膜３０のエッチング条件は、例えば、圧力を１０ｍＴｏｒｒ、Ｎ_２流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ_２流量を５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＯ流量を５０ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを８００Ｗとする。

次いで、開口部３８が転写されたレジスト膜３０をマスクとして、絶縁膜２０，１８，１６をドライエッチングし、配線トレンチ４０を、絶縁膜１６の途中まで開口する（図４（ａ））。なお、レジスト膜３０上に残存しているレジスト膜３２は、絶縁膜２０，１８，１６のエッチングの際に同時に除去される。絶縁膜２０のエッチング条件は、例えば、圧力を１００ｍＴｏｒｒ、Ｃ_４Ｆ_８流量を１５ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ_２流量を１０ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｒ流量を４００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを１８００Ｗとする。絶縁膜１８のエッチング条件は、例えば、圧力を１２０ｍＴｏｒｒ、ＣＦ_４流量を４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＨＦ_３流量を１０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ_２流量を１５ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｒ流量を４００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを５００Ｗとする。絶縁膜１６のエッチング条件は、例えば、圧力を６０ｍＴｏｒｒ、ＣＦ_４流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＨＦ_３流量を５０ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを５００Ｗとする。

次いで、アッシングにより、絶縁膜２０上及びビアホール２８内に残存するレジスト膜３０を除去する（図４（ｂ））。アッシングの条件は、例えば、圧力を１５ｍＴｏｒｒ、Ｏ_２流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＯ流量を５０ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを５００Ｗとする。

次いで、絶縁膜１６，２０をマスクとして絶縁膜１４をドライエッチングし、ビアホール２８を配線層１２上まで開口する。こうして、絶縁膜１４，１６，１８，２０に、配線層１２に接続されるビアホール２８及び配線トレンチ４０を形成する（図５（ａ））。絶縁膜１４のエッチング条件は、例えば、圧力を１２０ｍＴｏｒｒ、ＣＦ_４流量を４０ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＨＦ_３流量を１０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ_２流量を１５ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｒ流量を４００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを５００Ｗとする。

配線層１２は、絶縁膜１４の形成過程やビアホール２８の形成過程において酸素含有雰囲気等に曝され、その表面には酸化膜等の変質層（図示せず）が形成されている。この変質層を残したままで上層の配線層を形成すると、配線層１２と上層の配線層との間の接続信頼性を低下することがある。

そこで、配線層１２と上層配線層との良好な電気的接続を得るために、ビアホール２８の底部に露出する配線層１２の表面に形成されている変質層を除去する。

変質層を除去するための処理としては、Ｈ_２プラズマ処理など、銅の変質層に対して還元作用を有するガスを用いたプラズマ処理を適用することができる。還元性のガスを用いたプラズマ処理を適用することにより、変質層の構成物質がビアホール２８や配線トレンチ４０の内壁に再付着することを防止できる。

水素プラズマ処理の場合は、例えば、圧力を２００ｍＴｏｒｒ、Ｎ_２流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ_２流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを３００Ｗとして、１５秒間処理する。

次いで、全面に、例えばスパッタ法により、例えば窒化タンタル膜を堆積し、窒化タンタル膜のバリアメタル４２を形成する。

次いで、バリアメタル４２上に例えばスパッタ法により、Ｃｕを堆積し、Ｃｕのシード層（図示せず）を形成する。

次いで、シード層をシードとしてＣｕめっきを行い、バリアメタル４２上に、Ｃｕ膜４４を形成する。

これにより、ビアホール２８及び配線トレンチ４０は、バリアメタル４２及びＣｕ膜４４によって埋め込まれる（図５（ｂ））。

次いで、Ｃｕ膜４４及びバリアメタル４２をＣＭＰ法により研磨し、Ｃｕ膜４４及びバリアメタル４２をビアホール２８内及び配線トレンチ４０内に選択的に残存させる。こうして、ビアホール２８内及び配線トレンチ４０内に、バリアメタル４２及びＣｕ膜４４を有し、ビアホール２８を介して配線層１２に接続された配線層４６を形成する。

こうして、いわゆるデュアルダマシンプロセスにより、絶縁膜１４，１６，１８，２０に埋め込まれ、ビアホール２８を介して配線層１２に接続された配線層４６を形成することができる。

図３乃至図５（ａ）に示す一連のエッチング工程は、エッチング装置の同じ処理室内で連続して行うことが多い。この一連の工程を複数枚のウェーハについて連続して処理する場合、一のウェーハについて水素プラズマ処理を行った後には、他のウェーハについてＢＡＲＣ膜３４及びレジスト膜３２のエッチング処理が行われることになる。

しかしながら、複数枚のウェーハを連続して処理すると、エッチング後の配線トレンチ３８の幅が変動することが、本願発明者によって初めて明らかとなった。

図７は、形成した配線トレンチ４０のトレンチ幅と、ウェーハの処理枚数との関係を示すグラフである。トレンチ幅の測定は、トレンチエッチングを行い、薬液による洗浄を行った後、ＣＤ−ＳＥＭを用いて行った。また、ウェーハ１００枚の処理に対し、総てのウェーハの測定を行った。縦軸のトレンチ幅は、ウェーハ面内５点の測定を行い、その平均をプロットしたものである。

図７に示すように、形成した配線トレンチ４０のトレンチ幅は、ウェーハ間で大きくばらつき、変動している。

このようなトレンチ幅のばらつきを防止するために、本実施形態による半導体装置の製造方法では、一のウェーハについて水素プラズマ処理を行い処理室から搬出した後、次に処理するウェーハを処理室内に搬入する前に、処理室の内部に付着しているＣｕ堆積物を除去する処理を行う。処理室の内部に付着しているＣｕ堆積物は、後述するように、ビアホール２８を配線層１２まで開口する際に発生するものである。Ｃｕ堆積物を除去する処理は、１枚のウェーハを処理する毎に行うようにしてもよいし、所定の枚数のウェーハを処理する毎に行うようにしてもよい。

処理室内部に付着しているＣｕ堆積物を除去する処理としては、特に限定されるものではないが、ＣＦ_４、ＳＦ_６、ＮＦ_３等のガスを用いたドライクリーニングを適用すること望ましい。ＣＦ_４を用いる場合、例えば、圧力を１２０ｍＴｏｒｒ、ＣＦ_４流量を２００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを２０００Ｗとして、３０秒間のプラズマ処理を行う。

図８は、一のウェーハの処理と他のウェーハの処理との間にＣｕ堆積物を除去する処理を行った場合における、配線トレンチ４０のトレンチ幅とウェーハの処理枚数との関係を示すグラフである。トレンチ幅の測定は、トレンチエッチングを行い、薬液による洗浄を行った後、ＣＤ−ＳＥＭを用いて行った。また、ウェーハ１００枚の処理に対し、総てのウェーハの測定を行った。縦軸のトレンチ幅は、ウェーハ面内５点の測定を行い、その平均をプロットしたものである。

図８に示すように、形成した配線トレンチ４０のトレンチ幅は、ウェーハの処理枚数増加に伴い僅かに増加しているが、Ｃｕ堆積物を除去する処理を行わない場合と比較して、ウェーハ間のばらつき幅や変動幅を大幅に低減できた。

次に、一のウェーハの処理と他のウェーハの処理との間に処理室内のＣｕ堆積物を除去する処理を行うことによってトレンチ幅のばらつきを低減できる理由について、本願発明者による検証結果を交えて説明する。

図９は、検証に用いた平行平板型のＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置の構造を示す概略図である。

処理室５０には、処理室５０内にガスを導入するためのガス導入配管５２と、処理室５０内のガスを排気するための排気用配管５４とが設けられている。

処理室５０内には、下部電極５６と上部電極５８とが対向するように配置されている。上部電極５８の表面には、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの天板７２が形成されている。下部電極５６には、マッチング回路６０を介して、下部電極５６と上部電極５８との間にプラズマを生成するための高周波を印加する高周波電源６２が接続されている。

下部電極５６上には、静電チャック６４を介して、処理対象の半導体ウェーハ６６が載置される。静電チャック６４には、静電チャック用電源６８が接続されている。静電チャック６４と静電チャック用電源６８との間には、高周波電源６２からの高周波が静電チャック用電源６８に影響するのを防止するためのローパスフィルタ７０が設けられている。

まず、処理室５０内部にＣｕが付着することを検証した結果について示す。

処理室５０の内部に付着しているＣｕ堆積物の付着量を算出する手段として、以下の実験を行った。

図９に示すＲＩＥ装置を用い、膜厚１００ｎｍの熱酸化膜が形成されたシリコンウェーハを、圧力１００ｍＴｏｒｒ、ＣＦ_４のガス流量を２００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを１０００Ｗとして１０秒間処理した。その後、シリコンウェーハ上の熱酸化膜を弗酸水溶液のエッチング液で溶解し、そのエッチング液をＩＣＰ−ＭＳを用いて分析し、シリコンウェーハ上に付着していたＣｕの量を算出した。この実験では、処理室５０の内部に付着しているＣｕ堆積物の量が多いほど、プラズマ処理後にシリコンウェーハ上に付着しているＣｕが多くなるものと考えられる。

処理室５０を洗浄した直後の実験では、処理したシリコンウェーハの表面上のＣｕ付着量は、検出の下限に近い、０．５×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度であった。

これに対し、図３乃至図５（ａ）に示すエッチング工程を１０枚のウェーハに対して行った後に行った実験では、Ｃｕ付着量は１０００×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度であった。

また、図３乃至図５（ａ）に示すエッチング工程を１５０枚、３００枚のウェーハに対して行った後に行った実験では、Ｃｕ付着量は、それぞれ、２０００×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度、２１００×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度であった。

これら実験結果から、図３乃至図５（ａ）に示す工程を行うことにより、処理室５０内部にＣｕが付着することを検証できた。処理室５０内部にＣｕが付着するのは、ビアホール２８を開口する際、下層の配線層１２のＣｕ表面が露出した後のオーバーエッチングにより、配線層１２の表面からＣｕが叩き出されて処理室５０内部に再付着するためと考えられる。

次に、処理室５０内部にＣｕが付着することによる不具合について検証した結果を示す。

図９に示すＲＩＥ装置を用い、処理室５０内部の洗浄直後における有機膜のエッチングレートを測定した。

有機膜は、フォトレジスト膜３６、ＢＡＲＣ膜３４、レジスト膜３０を想定したものである。ここでは、有機膜としてＩ線用のフォトレジストを用いた。Ｉ線用のフォトレジストをウェーハ上に２０００ｎｍの膜厚で塗布し、エッチング前後のフォトレジスト膜の膜厚の差から、フォトレジストのエッチングレートを算出した。

エッチング条件は、圧力を１０ｍＴｏｒｒ、Ｎ_２の流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｏ_２の流量を５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＯの流量を５０ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを８００Ｗとし、６０秒間処理した。

まず、処理室５０を洗浄した直後に、上記手順により、有機膜のエッチングレートを測定した。

図１０は、処理室５０を洗浄した直後における有機膜のエッチングレートの測定結果である。図１０に示すように、処理室５０を洗浄した直後における有機膜のエッチングレートの平均値は、３６６ｎｍ／ｍｉｎであった。

次いで、処理室５０内にダミーウェーハを入れ、ビアホール２６底部の変質層の除去工程に相当する水素プラズマ処理を行った。水素プラズマ処理は、圧力を２００ｍＴｏｒｒ、Ｎ_２流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｈ_２流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを３００Ｗとし、１５秒間処理した。その後に、上記手順により、有機膜のエッチングレートを測定した。

図１１は、水素プラズマ処理後における有機膜のエッチングレートの測定結果である。図１１に示すように、水素プラズマ処理後における有機膜のエッチングレートの平均値は、洗浄処理直後とほぼ同じである３６５ｎｍ／ｍｉｎであった。このことから、水素プラズマ処理自体は、有機膜のエッチングレートに直接的に影響を与えないことが判った。

次いで、図３乃至図５（ａ）に示すエッチング工程を、１５０枚のウェーハに対して行った。ここでは、１５０枚目のウェーハについては、最後の水素プラズマ処理を行わなかった。

図１２は、１５０枚のウェーハ処理後（最後の水素プラズマ処理なし）における有機膜のエッチングレートの測定結果である。図１２に示すように、１５０枚のウェーハを処理し、最後の水素プラズマ処理を行わなかった試料では、有機膜のエッチングレートの平均値は、３５６ｎｍ／ｍｉｎであった。図１０に示す処理室５０の洗浄直後や図１１に示す水素プラズマ処理直後におけるエッチングレートと比較すると、ウェーハ外周でエッチングレートが低くなっているものの、これは、内部にＣｕ堆積物が付着した処理室５０の想定内のレート変動である。

図１３は、１５０枚のウェーハ処理後に水素プラズマ処理を行った場合における有機膜のエッチングレートの測定結果である。図１３に示すように、１５０枚のウェーハを処理し、その後に水素プラズマ処理を行った試料では、有機膜のエッチングレートの平均値は、３３０ｎｍ／ｍｉｎであった。１５０枚のウェーハの処理後に水素プラズマ処理を行った試料では、ウェーハ中心部におけるエッチングレートの低下が目立っていた。図１２及び図１３の結果から、エッチング処理後の水素プラズマ処理が、有機膜のエッチングレートに大きく影響していることが判る。

次いで、図３乃至図５（ａ）に示す工程を、さらに１枚のウェーハに対して行った。ここでは、最後の水素プラズマ処理を行わなかった。その後に、上記手順により、有機膜のエッチングレートを測定した。

図１４は、１５１枚のウェーハ処理後（最後の水素プラズマ処理なし）における有機膜のエッチングレートの測定結果である。図１４に示すように、１５１枚のウェーハを処理し、最後の水素プラズマ処理を行わなかった試料では、有機膜のエッチングレートの平均値は、３５５ｎｍ／ｍｉｎであり、図１３で見られたようなウェーハ中心部におけるエッチングレートの低下は認められなかった。

以上の結果から、Ｃｕが内部に付着した処理室５０にて、ウェーハ処理の最後のステップで水素プラズマ処理を行うと、次のウェーハ処理の初期ステップにおいて、有機膜、例えばＢＡＲＣ膜や有機レジスト膜のエッチングレートの低下が生じることが判る。また、エッチング処理後の最後のステップでは、エッチングレートへの影響が見えなくなることが判る。

図３乃至図５（ａ）に示すエッチング工程におけるウェーハ処理の最初のステップでエッチングレートが低下すると、一般的には出来上がり幅が狭くなる。また、このエッチングレートが不安定ならば、出来上がりの幅は、ばらつきが大きくなる。これらの現象は、図７に示す実験結果と符合するものである。

上記検証結果に基づき、本願発明者は、トレンチ幅がばらつく原因を、以下のように推察している。

層間絶縁膜のエッチングプロセスでは、絶縁膜の膜厚ばらつきやエッチング条件の変動等を考慮して、所定量のオーバーエッチングを含んだ条件でエッチングが行われる。図５（ａ）に示すビアホール２６を配線層１２上まで開口する工程では、このオーバーエッチングによって、配線層１２の表面は少なからずプラズマに曝され、イオンスパッタなどによって構成元素のＣｕが表面から叩き出される。

配線層１２の表面から叩き出されたＣｕは、ビアホール２６の側壁や処理室５０内部に再付着する。処理室５０内部、例えば天板７２などに付着したＣｕ７４は、例えば図１５（ａ）に示すように、表面が酸化されているものと考えられる（酸化層７６）。このため、Ｃｕ付着物は、そのままの状態ではエッチングレートに影響を与えることはない（図１２参照）。

処理室５０内部にＣｕ堆積物が形成された状態で、配線層１２表面の変質層を除去するための水素プラズマ処理を行うと、処理室５０内部に付着しているＣｕ７４表面の酸化層７６も還元され、処理室表面にはＣｕ７４が露出する（図１５（ｂ））。

次に処理するウェーハを処理室内に搬入し、ＢＡＲＣ膜３４、レジスト膜３２，３０等のエッチング処理のためにＯ_２を含む雰囲気中でプラズマ処理を行うと、プラズマ中の酸素ラジカル（Ｏ^＊）が、処理室表面に露出したＣｕの影響により消失する。例えば図１５（ｃ）に示すように、天板７２表面に露出したＣｕ７４の表面を酸化することにより、酸素ラジカルが失活する。或いは、例えば図１５（ｄ）に示すように、Ｃｕ７４表面にて酸素ラジカルが再結合してＯ_２となり、酸素ラジカルが消失する。

この結果、プラズマ中の酸素ラジカルが減少し、エッチングレートの低下やエッチング角度の変動をもたらす（図１３参照）。エッチングレートの低下やエッチング角度の変動は、オーバーエッチングに伴う配線層１２からのＣｕの飛散量等によって変化するため、ウェーハ間でエッチングレートが変動し、ひいては配線トレンチ３８のトレンチ幅がばらつく原因になるものと考えられる。

処理室５０表面に露出しているＣｕ７４は、その後の絶縁膜２０，１８，１６のエッチングの際のエッチングプラズマに曝されて除去され、或いは、ビアホール２６を開口する際のオーバーエッチングにより再び生成されるＣｕ堆積物で覆われ、エッチングレートに影響を与えない元の状態に戻るものと考えられる（図１４参照）。

本実施形態による半導体装置の製造方法のように、一のウェーハの処理後、他のウェーハの処理前に、処理室内のドライクリーニングを行うことにより、ＢＡＲＣ膜３４、レジスト膜３２，３０等のエッチング処理を、Ｃｕ堆積物が影響しない環境で行うことができる。これにより、酸素ラジカルの消失を防止し、エッチングレートを安定化することができる。

なお、よく知られた処理室の洗浄方法として、酸素プラズマを用いたドライクリーニングがある。しかしながら、酸素プラズマを用いたドライクリーニングでは、エッチングレートの低下を防止することはできない。

図３乃至図５（ａ）に示すエッチング工程を行った後にウェーハを処理室から搬出して酸素プラズマ処理を行ったのち、上記手順により有機膜のエッチングレートを測定した。酸素プラズマ処理は、圧力を２００ｍＴｏｒｒ、Ｏ２流量を５００ｃｃ／ｍｉｎ、パワーを５００Ｗとし、４５秒間処理した。

図１６は、エッチング処理及び水素プラズマ処理の後に酸素プラズマ処理を行った場合における有機膜のエッチングレートの測定結果である。

図１６に示すように、水素プラズマ処理後に酸素プラズマ処理を行った場合では、有機膜のエッチングレートの平均値は、３４１ｎｍ／ｍｉｎであった。この結果は、図１３の結果と比較すると若干の改善は見られるものの、ウェーハ中心部におけるエッチングレートの低下は、依然として大きかった。

次のウェーハの処理の初期ステップで、例えばエッチングレートの低下のようなことが起こるが、処理の最後のステップでは、影響は見えなくなっている。このことから、水素プラズマ処理の後、次のウェーハを処理する前に、エッチング処理を行うことにより、水素プラズマによるレート変動を防止することができる。

これは、酸素プラズマ処理では解決せず、実際のエッチングガスのプラズマ処理で解決することから、処理室５０内部を実際にエッチングし、Ｃｕを剥がすことが効果的であると考えられる。

一般に、処理室５０の壁、上部電極５８を覆う天板７２には、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などが使用されていることから、これらをエッチングすることができる、ＣＦ_４、ＮＦ_３、ＳＦ_６等を用いたプラズマ処理が有効であると考えられる。処理室５０内部に付着しているＣｕ堆積物を除去する処理は、特に限定されるものではないが、ドライエッチング装置の既存の設備で容易に実現できる等の観点から、プラズマを用いたドライクリーニングが好適である。

また、ＣｕやＣｕの反応生成物自体は気化しないため、処理室５０の壁等から剥離したＣｕは、ステージ上に落下してしまう。落下したＣｕは次に処理するウェーハの裏面に付着したりする可能性があるので、Ｃｕ除去のためのプラズマ処理に当たっては、ステージ上にダミーウェーハを載置しておくことが望ましい。ステージ上にダミーウェーハを載置しておくことで、より高いパワーをプラズマに投入して、Ｃｕの剥離効果を増加することも可能である。

このように、本実施形態によれば、銅配線の形成プロセスにおいて、絶縁膜にビアホールや配線トレンチなどの開口部を形成するためのエッチング工程を複数のウェーハについて連続して行う際に、一のウェーハについて水素プラズマ処理を行い処理室から搬出した後、次に処理するウェーハを処理室内に搬入する前に、処理室の内部に付着しているＣｕ堆積物を除去する処理を行うので、次に処理するウェーハのエッチングを安定して行うことができる。

［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、下層のＣｕ配線層に接続されるデュアルダマシン構造の配線層を形成する場合を説明したが、下層のＣｕ配線層に接続されるコンタクトプラグや、Ｃｕを含むコンタクトプラグに接続される配線層を、シングルダマシン法により形成する場合にも適用することができる。

開示の半導体装置の製造方法は、同一のエッチング装置を用い、酸素ラジカルを含むプラズマを用いて有機膜をエッチングする工程と、絶縁膜にＣｕの構造物を露出する開口部を形成する工程と、露出したＣｕの構造物の表面を水素プラズマ処理する工程とを含む一連のプロセスを、複数のウェーハについて連続して行う場合に広く適用することができる。

また、上記本実施形態ではプラズマ源として平行平板型ＲＩＥ装置を用いたが、マイクロ波や誘導結合型プラズマ源をソースプラズマに組み合わせたプラズマエッチング装置を用いてもよい。

また、上記実施形態では、Ｃｕ堆積物の除去の際に用いたガスとしてＣＦ_４を例示したが、ＣＦ_４のほか、ＮＦ_３、ＳＦ_６その他のフッ素を含むガスなど、処理室内部の材料に対してエッチレートを有するガスプラズマを使用することにより同様の効果が得られることは自明である。水素プラズマ処理を行った処理室をフッ素を含むプラズマを用いてドライクリーニングすることにより、処理室内に付着したＣｕ堆積物によるエッチングレート低下を容易に回復させることができる。これにより、出来上がり幅の変動が小さくなり、生産性を上げることができる。

また、上記実施形態に記載の処理条件は、本願発明者が用いた装置における好適な条件であり、開示の半導体装置の製造方法は、上記実施形態に記載の処理条件に限定されるものではない。

１０…層間絶縁膜
１２…配線層，４６
１４，１６，１８，２０…絶縁膜
２２，３４…ＢＡＲＣ膜
２４，３６…フォトレジスト膜
２６，３８…開口部
２８…ビアホール
３０，３２…レジスト膜
４０…配線トレンチ
４２…バリアメタル
４４…Ｃｕ膜
５０…処理室
５２…ガス導入配管
５４…排気用配管
５６…下部電極
５８…上部電極
６０…マッチング回路
６２…高周波電源
６４…静電チャック
６６…半導体ウェーハ
６８…静電チャック用電源
７０…ローパスフィルタ
７２…天板
７４…Ｃｕ
７６…酸化層

Claims

同じエッチング装置の処理室で連続して半導体基板に対するエッチング処理を行う半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上に、Ｃｕを含む配線層を形成する工程と、
前記配線層上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、有機膜を形成する工程と、
前記有機膜上に、第１の開口部を有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜を形成した前記半導体基板を、前記エッチング装置の前記処理室内に搬入する工程と、
前記エッチング装置の前記処理室内において、前記レジスト膜をマスクとして、前記第１の開口部内の前記有機膜をエッチングする工程と、
前記エッチング装置の前記処理室内において、前記第１の開口部内の前記絶縁膜をエッチングし、前記絶縁膜に、前記配線層を露出する第２の開口部を形成する工程と、
前記エッチング装置の前記処理室内において、前記第２の開口部内に露出した前記配線層の表面を水素プラズマ処理する工程と、
水素プラズマ処理を行った前記半導体基板を、前記エッチング装置の前記処理室から搬出する工程と、
前記半導体基板を搬出後、前記エッチング装置の前記処理室内に付着したＣｕ堆積物を除去する工程と、
次にエッチング処理を行う半導体基板を、前記エッチング装置の前記処理室内に搬入して前記水素プラズマ処理を行う工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Ｃｕを含む配線層と、前記配線層上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された有機膜と、前記有機膜上に形成され、第１の開口部を有するレジスト膜とを有する複数の半導体基板について、
前記レジスト膜をマスクとして、前記第１の開口部内の前記有機膜をエッチングする工程と、
前記第１の開口部内の前記絶縁膜をエッチングし、前記絶縁膜に、前記配線層を露出する第２の開口部を形成する工程と、
前記第２の開口部内に露出した前記配線層の表面を水素プラズマ処理する工程とを、
同じエッチング装置の処理室で連続して処理する半導体装置の製造方法であって、
一の半導体基板について前記処理室で前記水素プラズマ処理を行う工程を行った後、前記一の半導体基板の次に処理する他の半導体基板について前記有機膜をエッチングする工程を行う前に、前記処理室内に付着したＣｕ堆積物を除去する工程と、
前記他の半導体基板について前記処理室で前記水素プラズマ処理を行う工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法において、
前記Ｃｕ堆積物を除去する工程では、プラズマを用いたドライクリーニングにより前記Ｃｕ堆積物を除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項３記載の半導体装置の製造方法において、
前記プラズマは、ＣＦ_４、ＳＦ_６及びＮＦ_３から選択される少なくとも一のガスを用いて形成したプラズマである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記Ｃｕ堆積物を除去する工程では、前記処理室内にダミーウェーハを配置した状態で、前記Ｃｕ堆積物を除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記有機膜は、有機系反射防止膜又は有機レジスト膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。