JPH11191556A

JPH11191556A - 半導体装置の製造方法および銅または銅合金パターンの形成方法

Info

Publication number: JPH11191556A
Application number: JP36028397A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Maeda; 圭一前田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 1999-07-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】配線に対する上層配線の接続信頼性の低下を
防止することができる半導体装置の製造方法および銅ま
たは銅合金パターンの形成方法の提供。【解決手段】Ｓｉ基板１上に層間絶縁膜２を形成し、
所定パターンの配線溝３を形成した後、全面にＴｉＮ／
Ｔｉ膜４及びＣｕ膜を順次形成し、Ｃｕ膜をリフローさ
せる。次に、ＣＭＰ法により接続孔（図示せず）及び配
線溝３の内部以外の部分のＣｕ膜及びＴｉＮ／Ｔｉ膜４
を順次除去し、溝配線６を形成する。次に、溝配線６上
に層間絶縁膜７を形成し、この層間絶縁膜７に溝配線６
の表面の少なくとも一部が露出するように、ＲＩＥ法に
より接続孔８、９を形成する。この接続孔８、９の形成
の際に、接続孔８、９に露出した溝配線６の表面に酸化
層１０が形成される。還元雰囲気中において、Ｓｉ基板
１を加熱することにより接続孔８、９に露出した溝配線
６の表面を還元し、酸化層１０を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法および銅または銅合金パターンの形成方法に関
し、特に、銅または銅合金からなる溝配線および接続孔
プラグの形成に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩの高集積化や高速化により、その
内部配線の微細化、多層化が進んでおり、これに伴って
配線形成時の平坦化技術や微細配線の加工、および配線
の信頼性確保が重要な課題となっている。これらの問題
点の解決手段のひとつとして、銅（Ｃｕ）を用いた埋め
込み配線技術が検討されている。

【０００３】ここで、このＣｕを用いた埋め込み配線技
術の一例を図１８〜図２１に示す。すなわち、まず、図
１８に示すように、あらかじめトランジスタなどの素子
や素子分離領域（図示せず）が形成された半導体基板１
０１上にＳｉＯ₂膜などの層間絶縁膜１０２を形成し、
この層間絶縁膜１０２に配線パターンの配線溝１０３を
形成する。ここで、接続孔も形成されるが、図示は省略
する。次に、図１９に示すように、高真空中においてス
パッタリング法により全面にＴｉ膜とＴｉＮ膜とを順次
形成することにより、下地バリアメタルとしてのＴｉＮ
／Ｔｉ膜１０４を形成し、引き続いて、高真空中におい
てスパッタリング法により、全面にＣｕ膜１０５を形成
する。次に、図２０に示すように、半導体基板１０１を
加熱することによって、Ｃｕ膜１０５をリフローさせ、
配線溝１０３の内部にＣｕを埋め込んだ後、図２１に示
すように、配線溝１０３の内部以外の部分のＣｕ膜１０
５およびＴｉＮ／Ｔｉ膜１０４をエッチバック法や化学
的機械研磨（ＣＭＰ）法などによって除去することによ
り、配線溝１０３の部分にＴｉＮ／Ｔｉ膜１０４を下地
バリアメタルとした溝配線１０６を形成する。

【０００４】以上のような埋め込み配線技術において
は、配線の部分が層間絶縁膜に埋め込まれた形状になる
ため、その後の工程における層間絶縁膜の平坦化が容易
になるという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
Ｃｕからなる溝配線１０６上に層間絶縁膜を形成し、こ
の層間絶縁膜に接続孔を形成する場合には、溝配線１０
６の表面が酸化されてしまうという問題があった。この
問題について以下に詳細に説明する。

【０００６】すなわち、まず、図２２に示すように、溝
配線１０６を形成した後、全面に層間絶縁膜１０７を形
成する。次に、図２３に示すように、層間絶縁膜１０７
上に所定形状のレジストパターン１０８を形成する。次
に、図２４に示すように、レジストパターン１０８をマ
スクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法など
のドライエッチング法により層間絶縁膜１０７を溝配線
１０６の表面が露出するまでエッチングすることによ
り、接続孔１０９を形成した後、酸素プラズマによりレ
ジストパターン１０８を除去する。このとき、図２４に
示すように、接続孔１０９の底部に露出した溝配線１０
６の表面が、層間絶縁膜１０７のエッチング時や、レジ
ストパターン１０８を除去する際に酸化され、その表面
に酸化層１０６ａが形成されてしまうといった問題があ
った。

【０００７】また、ＣｕまたはＣｕ合金からなる溝配線
や接続孔プラグの形成の際にも、それらの露出した表面
が酸化されてしまうという、上述と同様の問題があっ
た。

【０００８】例えば、図２０に示す配線溝１０３の内部
以外の余剰部分のＣｕ膜１０５およびＴｉＮ／Ｔｉ膜１
０４の除去は、プラズマを用いたエッチバック法やＣＭ
Ｐ法などにより行われる。ところが、図２５に示すよう
に、エッチバックで使用されるプラズマによって、ある
いはＣＭＰ法による研磨の際に使用される薬液などによ
って、溝配線１０６の表面は酸化され、そこに酸化層１
０６ｂが形成されてしまう。

【０００９】さて、配線材料としては、従来からアルミ
ニウム（Ａｌ）やＡｌ合金が用いられている。そして、
ＡｌやＡｌ合金からなる配線などの膜の表面にもやはり
酸化膜は形成される。しかしながら、一般に、Ａｌ膜や
Ａｌ合金膜の表面に形成される酸化膜は、厚さが数ｎｍ
以下と薄く、しかもアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などからな
る強固な酸化膜であるため、Ａｌ膜やＡｌ合金膜の表面
の酸化が配線の内部にまで進行することはなかった。

【００１０】一方、Ｃｕ膜やＣｕ合金膜の表面には、Ａ
ｌ膜やＡｌ合金膜の表面に形成されるＡｌ₂Ｏ₃膜のよ
うな強固な酸化膜は形成されないので、Ｃｕ膜やＣｕ合
金膜の表面が酸化されると、その酸化はＣｕ膜やＣｕ合
金膜の内部にまで進行してしまう。

【００１１】そのため、層間絶縁膜１０７のエッチング
時や、レジストパターン１０８の除去の際の溝配線１０
６の表面の酸化は、溝配線１０６の内部にまで進行して
しまう。そして、図２４に示す酸化層１０６ａが溝配線
１０６中に残ってしまうと、溝配線１０６の実効的な配
線断面積が減少してしまい、溝配線１０６の抵抗が上昇
してしまうなどといった不具合が生じ、溝配線１０６の
配線信頼性の低下につながってしまう。

【００１２】また、図２４に示す接続孔１０９の内部に
接続孔プラグ（図示せず）を埋め込み、層間絶縁膜１０
７上に上層配線（図示せず）を形成する場合において
も、酸化層１０６ａが溝配線１０６中に残ることによる
次のような問題があった。すなわち、溝配線１０６中に
酸化層１０６ａが残された状態で接続孔１０９に接続孔
プラグを埋め込むと、接続孔プラグと溝配線１０６のう
ちの実効的な配線部分との間に高抵抗の酸化層１０６ａ
が介在することになる。そのため、溝配線１０６と接続
孔プラグとの接触部分における抵抗が上昇してしまい、
上層配線と溝配線１０６との間の抵抗が上昇してしまう
といった不具合が生じてしまう。この不具合は配線、特
に多層配線の接続信頼性の低下につながってしまう。

【００１３】また、図２６に示すように、上述の問題
は、溝配線１０６の形成におけるエッチバック時や、Ｃ
ＭＰ法による研磨の際に形成された酸化層１０６ｂが溝
配線１０６中に残された状態で、溝配線１０６上に層間
絶縁膜１０７および接続孔１１０を形成し、この接続孔
１１０に接続孔プラグ（図示せず）を埋め込み、層間絶
縁膜１０７上に上層配線を形成して接続孔プラグを通じ
て上層配線と溝配線１０６とを接続する場合においても
同様に生じる問題である。さらに、接続孔プラグとし
て、接続孔１１０にＣｕやＣｕ合金を埋め込んだ場合、
接続孔１１０からはみ出した部分をＣＭＰ法やエッチバ
ック法で除去すると、接続孔プラグの上面には酸化層が
形成され、やはり接続孔１１０の部分におけるさらなる
抵抗上昇につながり、接続信頼性はより一層低下してし
まう。

【００１４】したがって、この発明の目的は、銅または
銅合金膜の表面に形成された酸化層を効率よく除去する
ことにより、銅または銅合金膜から構成される配線の実
効的な断面積の減少を防ぎ、配線の抵抗上昇を防止する
ことができ、その配線信頼性の低下を防止することがで
きるとともに、その配線に対する上層配線の接続信頼性
の低下を防止することができる半導体装置の製造方法を
提供することにある。

【００１５】この発明の他の目的は、溝および／または
孔に埋め込まれた銅または銅合金パターンの表面に形成
された酸化層を効率よく除去することにより、この銅ま
たは銅合金パターンからなる溝配線や接続孔プラグにお
いて、その実効的な断面積の減少を防ぎ、抵抗の上昇を
防止することができ、溝配線や接続孔プラグにおける配
線信頼性および接続信頼性の低下を防止することができ
る銅または銅合金パターンの形成方法を提供することに
ある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の第１の発明は、銅または銅合金膜を形成
し、銅または銅合金膜上に絶縁膜を形成した後、絶縁膜
に銅または銅合金膜の表面の少なくとも一部が露出する
ように開口部を形成するようにした半導体装置の製造方
法において、開口部に露出した銅または銅合金膜の表面
を還元するようにしたことを特徴とするものである。

【００１７】この第１の発明において、典型的には、水
素ガス雰囲気中において加熱処理を行うことにより銅ま
たは銅合金膜の表面を還元する。

【００１８】この第１の発明において、好適には、例え
ば電子サイクロトロン共鳴により生成された還元作用を
有する水素プラズマを銅または銅合金膜の表面に照射す
ることにより、銅または銅合金膜の表面を還元する。

【００１９】この第１の発明において、典型的には、銅
または銅合金膜の表面を還元した後、開口部に埋め込む
ようにして導電膜を形成する。また、この第１の発明に
おいて、好適には、銅または銅合金膜の表面を還元する
工程と導電膜を形成する工程とを真空中で連続的に行
う。

【００２０】この第１の発明において、絶縁膜における
開口部の形成を、典型的には、ドライエッチング法によ
り行い、具体的には、反応性イオンエッチング法により
行う。

【００２１】この第１の発明において、典型的には、銅
または銅合金膜は溝配線を構成し、開口部はこの溝配線
と接続する接続孔プラグを埋め込むための接続孔であ
る。

【００２２】この発明の第２の発明は、溝および／また
は孔に埋め込むようにして銅または銅合金膜を形成した
後、銅または銅合金膜の溝および／または孔の内部以外
の部分を除去するようにした銅または銅合金パターンの
形成方法において、露出した銅または銅合金パターンの
表面を還元するようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００２３】この第２の発明において、典型的には、水
素ガス雰囲気中において加熱処理を行うことにより、銅
または銅合金パターンの表面を還元する。

【００２４】この第２の発明において、好適には、電子
サイクロトロン共鳴により生成された還元作用を有する
水素プラズマを銅または銅合金パターンの表面に照射す
ることにより、銅または銅合金パターンの表面を還元す
る。

【００２５】この第２の発明において、典型的には、溝
および／または孔の内部以外の部分の銅または銅合金膜
を、化学的機械研磨法またはエッチバック法により除去
する。

【００２６】この第２の発明において、好適には、還元
雰囲気中において、銅または銅合金パターンの表面にレ
ーザー光を照射することにより銅または銅合金パターン
の表面を還元する。

【００２７】この第２の発明において、銅または銅合金
膜の形成は、典型的には、化学気相成長法、めっき法ま
たはスパッタリング法により行い、スパッタリング法と
しては、好適には、カバレッジに優れた遠距離スパッタ
リング法を用いる。また、典型的には、スパッタリング
法により形成された銅または銅合金膜は、リフロー法に
よりリフローされ、溝および／または孔の内部に埋め込
まれる。

【００２８】この第２の発明において、典型的には、銅
または銅合金パターンは溝配線を構成し、必要に応じ
て、銅または銅合金パターンは接続孔プラグを構成す
る。

【００２９】上述のように構成されたこの発明の第１の
発明によれば、絶縁膜に形成された開口部に露出した銅
または銅合金膜の表面を還元するようにしていることに
より、開口部の形成の際に銅または銅合金膜の表面に形
成される酸化層を、効率よく除去することができる。

【００３０】また、この発明の第２の発明によれば、溝
および／または孔の内部以外の部分の銅または銅合金膜
を除去した後、露出した銅または銅合金パターンの表面
を還元するようにしていることにより、この銅または銅
合金パターンの形成の際にその表面に形成される酸化層
を、効率よく除去することができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態
の全図においては、同一または対応する部分には同一の
符号を付す。

【００３２】まず、この発明の第１の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。図１から図６
は、この第１の実施形態による半導体装置の製造方法を
示す。

【００３３】まず、図１に示すように、通常のＬＳＩプ
ロセスにより例えばトランジスタなどの素子や素子分離
領域（図示せず）などを形成したＳｉ基板１上に、例え
ばＳｉＯ₂膜からなる層間絶縁膜２を形成する。次に、
層間絶縁膜２上にリソグラフィ工程により所定形状のレ
ジストパターン（図示せず）を形成した後、このレジス
トパターンをマスクとして例えばＲＩＥ法によりエッチ
ングを行うことにより配線溝３を形成する。ここで、こ
の配線溝３の幅は例えば０．４μｍであり、深さは例え
ば０．５μｍである。

【００３４】次に、図２に示すように、高真空中におい
て、例えばマグネトロンスパッタリング法により全面に
例えばＴｉ膜とＴｉＮ膜とを順次形成することにより、
下地バリアメタルとしてのＴｉＮ／Ｔｉ膜４を形成す
る。これらのＴｉ膜およびＴｉＮ膜の膜厚は、それぞれ
例えば２０ｎｍおよび５０ｎｍである。ここで、ＴｉＮ
／Ｔｉ膜４の形成におけるスパッタ条件の一例を挙げる
と、Ｔｉ膜の形成においては、プロセスガスとしてＡｒ
ガスを用い、その流量を１００ｓｃｃｍとし、ＤＣパワ
ーを５ｋＷ、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を１５０
℃とし、ＴｉＮ膜の形成においては、プロセスガスとし
てＡｒとＮ₂との混合ガスを用い、それらの流量をそれ
ぞれ３０ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍとし、ＤＣパワーを１
０ｋＷ、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を１５０℃と
する。

【００３５】次に、高真空中で連続的に、例えばマグネ
トロンスパッタリング法により、ＴｉＮ／Ｔｉ膜４上に
Ｃｕ膜５を形成する。このＣｕ膜５の膜厚は例えば１０
００ｎｍである。ここで、このＣｕ膜５の形成における
スパッタ条件の一例を挙げると、プロセスガスとしてＡ
ｒガスを用い、その流量を１００ｓｃｃｍとし、ＤＣパ
ワーを１５ｋＷ、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を１
５０℃とする。

【００３６】ここで、次の工程でＣｕ膜５をリフローさ
せるが、このときに、Ｃｕ膜５が配線溝３の部分でつな
がり、内部にボイドが残された、いわゆるブリッジ形状
になるのを避けるために、このＣｕ膜５の形成のための
マグネトロンスパッタリング法としては、Ｓｉ基板１と
ターゲットとの間の距離を例えば２５０ｍｍと通常の距
離より長くして、カバレッジの向上を図った遠距離スパ
ッタリング法を用いる。また、このＣｕ膜５の形成にお
ける基板加熱温度を、１５０℃と低くしていることによ
り、Ｃｕのマイグレーションを防止し、Ｃｕ膜５がブリ
ッジ形状になるのを防止することができる。

【００３７】次に、Ｓｉ基板１を、真空搬送機構を介し
てリフロー装置の真空チャンバー（図示せず）内に搬入
する。Ｓｉ基板１を真空チャンバー内に搬入した後、Ｓ
ｉ基板１をＣｕの再結晶温度に近い例えば４００℃程度
の温度で加熱し、Ｃｕ膜５を例えば１０^-5Ｐａ以下の圧
力で、例えば５分間リフローさせる。このように、Ｓｉ
基板１をＣｕの再結晶温度に近い例えば４００℃程度の
温度で加熱するようにしていることにより、Ｃｕ膜５の
リフロー特性を向上させることができる。

【００３８】次に、例えばＣＭＰ法により接続孔（図示
せず）および配線溝３の内部以外の部分のＣｕ膜５およ
びＴｉＮ／Ｔｉ膜４を順次研磨することにより除去す
る。ここで、このＣＭＰ法における研磨の条件の一例を
挙げると、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）ベースでアルミナ含
有のスラリーを用いて、研磨圧力を１００ｇ／ｃｍ²、
流量を１００ｃｃ／ｍｉｎ、温度を２５〜３０℃とし、
回転数については定盤を３０ｒｐｍ、研磨ヘッドを３０
ｒｐｍとする。

【００３９】以上のようにして、図４に示すように、層
間絶縁膜２にＴｉＮ／Ｔｉ膜４を下地バリアメタルとし
た溝配線６が形成される。

【００４０】次に、図５に示すように、溝配線６が形成
された層間絶縁膜２上に例えばＳｉＯ₂膜などの層間絶
縁膜７を形成する。次に、リソグラフィ工程により層間
絶縁膜７上に所定形状のレジストパターン（図示せず）
を形成した後、このレジストパターンをマスクとして例
えばＲＩＥ法によりエッチングを行うことにより、接続
孔８、９を形成する。その後、レジストパターンを除去
する。

【００４１】ここで、接続孔８、９の形成の際のＲＩＥ
法によるエッチングで用いられるプラズマや、接続孔
８、９の形成後におけるレジストパターンの除去に用い
られる酸素プラズマなどによって、溝配線６の表面は酸
化され、さらにこの酸化が溝配線６の内部に進行して、
酸化層１０が形成される。

【００４２】次に、図６に示すように、例えばＨ₂ガス
などの還元作用を有するガス中においてＳｉ基板１を加
熱することにより、このＨ₂ガスが接続孔８、９を通じ
て溝配線６の表面から還元し、溝配線６の表面に形成さ
れた酸化層１０を除去する。ここで、この酸化層１０の
還元除去のための熱処理条件の一例を挙げると、Ｈ₂ガ
スの流量を５００ｓｃｃｍとし、圧力を６７Ｐａ、基板
加熱温度を４００℃、加熱時間を５分間とする。

【００４３】その後、従来公知の方法により、接続孔
８、９への接続孔プラグ（図示せず）の埋め込みや上層
配線（図示せず）の形成を順次行うことにより、所望の
半導体装置を完成させる。

【００４４】以上説明したように、この第１の実施形態
によれば、Ｃｕからなる溝配線６を形成し、その上に層
間絶縁膜７を形成し、この層間絶縁膜７に接続孔８、９
を形成した後、これらの接続孔８、９の底部の溝配線６
の表面を還元することによってこの表面に形成された酸
化層１０を除去するようにしていることにより、溝配線
６の実効的な断面積の減少を防ぐことができるので、溝
配線６の抵抗の上昇を防ぐことができる。また、接続孔
８、９に接続孔プラグ（図示せず）を埋め込み、この接
続孔プラグを用いて上層配線（図示せず）と溝配線６と
を接続する場合においても、接続孔プラグと溝配線６と
の間に高抵抗の酸化層が介在するのを防ぐことができる
ので、この酸化層の存在による接続孔における抵抗の上
昇を防ぐことができ、接続孔８、９における接続信頼性
を向上させることができる。

【００４５】次に、この発明の第２の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。

【００４６】この第２の実施形態においては、第１の実
施形態と同様にして、図７に示すように、接続孔８、９
まで形成する。ここで、溝配線６の表面には酸化層１０
が形成されている。

【００４７】次に、図８に示すように、溝配線６の表面
に接続孔８、９を通じて、例えば電子サイクロトロン共
鳴（ＥＣＲ）により生成された還元作用を有する例えば
水素プラズマを照射することによって、溝配線６の表面
を還元し、酸化層１０を除去する。この酸化層１０の除
去された状態を図９に示す。ここで、この酸化層１０の
還元除去における熱処理条件の一例を挙げると、プロセ
スガスとして、Ｈ₂とＡｒとの混合ガスを用い、それら
の流量をそれぞれ１００ｓｃｃｍ、１７０ｓｃｃｍと
し、圧力を０．４Ｐａ、基板加熱温度を４００℃、加熱
時間を１分間、マイクロ波パワーを２．８ｋＷ（２．４
５ＧＨｚ）とする。

【００４８】その後、従来公知の方法により、接続孔
８、９への接続孔プラグ（図示せず）の埋め込みや上層
配線（図示せず）の形成を順次行うことにより、所望の
半導体装置を完成させる。

【００４９】この第２の実施形態によれば、第１の実施
形態と同様の効果を得ることができる。

【００５０】次に、この発明の第３の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。まず、この第３
の実施形態において用いられる成膜装置について説明す
る。図１０は、クラスターツール化された成膜装置の構
成を示す。

【００５１】図１０に示すように、この成膜装置におい
ては、ウェーハ移動室１１およびウェーハ交換室１２が
一対のウェーハ受け渡し室１３、１４をはさんで設けら
れている。また、ウェーハ移動室１１の周辺部には、カ
セット室１５、１６および脱ガス装置１７がウェーハ移
動室１１に取り付けられている。また、ウェーハ交換室
１２の周辺部には、還元前処理チャンバー１８、バリア
メタル成膜チャンバー１９、２０およびＣｕ成膜チャン
バー２１がウェーハ交換室１２に取り付けられている。
ウェーハ移動室１１およびウェーハ交換室１２の内部に
はそれぞれロボット搬送アーム２２、２３が設けられて
いる。

【００５２】次に、上述の成膜装置を用いた半導体装置
の製造方法について説明する。

【００５３】この第３の実施形態による半導体装置の製
造方法においては、まず、図１１に示すように、第１の
実施形態と同様にして、接続孔８、９まで形成した後、
層間絶縁膜７に所定パターンの配線溝３１を形成する。
ここで、接続孔８、９の底部の溝配線６の表面には、接
続孔８、９や配線溝３１の形成におけるエッチング時
や、レジストパターンの除去の際に酸化層１０が形成さ
れている。

【００５４】次に、Ｓｉ基板１を図１０に示す成膜装置
のカセット室１５に搬入する。次に、Ｓｉ基板１をロボ
ット搬送アーム２２によってカセット室１５から取り出
した後、真空ポンプ（図示せず）によってウェーハ移動
室１１の内部を真空にしつつ、Ｓｉ基板１を脱ガス装置
１７に搬入する。この脱ガス装置１７において、Ｓｉ基
板１の脱ガスを行う。次に、Ｓｉ基板１を、ロボット搬
送アーム２２によって脱ガス装置１７からウェーハ受け
渡し室１３に搬送し、真空を破ることなく、このウェー
ハ受け渡し室１３においてロボット搬送アーム２３に受
け渡す。

【００５５】その後、ロボット搬送アーム２３により、
Ｓｉ基板１を還元前処理チャンバー１８に搬入する。こ
こで、第１の実施形態と同様にして、接続孔８、９の底
部の溝配線６の表面の酸化層１０を還元除去する。

【００５６】その後、ロボット搬送アーム２３によって
Ｓｉ基板１を還元前処理チャンバー１８から搬出し、続
いてバリアメタル成膜チャンバー１９に搬送する。この
バリアメタル成膜チャンバー１９において、例えばマグ
ネトロンスパッタリング法により、Ｓｉ基板１上の層間
絶縁膜７上の全面にＴｉ膜を形成する。次に、ロボット
搬送アーム２３によりＳｉ基板１をバリアメタル成膜チ
ャンバー１９から取り出し、続いてバリアメタル成膜チ
ャンバー２０に搬送する。このバリアメタル成膜チャン
バー２０において、Ｔｉ膜上の全面に例えばＴｉＮ膜を
形成し、図１２に示すように、層間絶縁膜７上に下地バ
リアメタルとしてのＴｉＮ／Ｔｉ膜３２が形成される。

【００５７】次に、ロボット搬送アーム２３によって、
Ｓｉ基板１をバリアメタル成膜チャンバー２０からＣｕ
成膜チャンバー２１に搬送した後、図１３に示すよう
に、このＣｕ成膜チャンバー２１において、ＴｉＮ／Ｔ
ｉ膜３２上に例えば遠距離スパッタリング法によりＣｕ
膜３３を形成する。

【００５８】以上の還元前処理チャンバー１８における
酸化層１０の還元除去の工程から、Ｃｕ成膜チャンバー
２１におけるＣｕ膜３３の形成までは、真空中で連続的
に行われる。

【００５９】その後、Ｓｉ基板１をロボット搬送アーム
２３によってＣｕ成膜チャンバー２１から搬出し、ウェ
ーハ受け渡し室１４において、ロボット搬送アーム２２
に受け渡す。次に、Ｓｉ基板１をロボット搬送アーム２
２によってカセット室１６まで搬送する。

【００６０】その後、Ｓｉ基板１をカセット室１６から
取り出し、リフロー装置の真空チャンバー（図示せず）
に搬送した後、第１の実施形態と同様にして、Ｃｕ膜３
３のリフローを行う。ここで、Ｃｕ膜３３のリフローの
際に、必要に応じてＣｕ膜３３の表面に還元作用を有す
る例えば水素プラズマを照射するようにしてもよい。

【００６１】続いて、従来公知の方法により、ＣＭＰ法
による研磨や層間絶縁膜の形成などを順次行うことによ
り、所望の半導体装置を完成させる。

【００６２】以上説明したように、この第３の実施形態
によれば、成膜装置の還元前処理チェンバー１８におい
て、還元雰囲気中において、溝配線６の表面に形成され
た酸化層１０を還元除去するようにしていることによ
り、第１の実施形態と同様の効果を得ることができると
ともに、酸化層１０の還元除去の工程からＣｕ膜３３の
形成の工程までを、クラスターツール化された成膜装置
において真空中で連続的に行うようにしていることによ
り、清浄な溝配線６の表面を大気と接触させることな
く、溝配線６の表面を清浄な状態に保ったままで、Ｃｕ
を配線溝３１および接続孔８、９に埋め込むことがで
き、良質なＣｕの溝配線からなり、かつ低抵抗で信頼性
の高い多層配線を有する半導体装置を得ることができ
る。

【００６３】次に、この発明の第４の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。

【００６４】この第４の実施形態においては、まず、第
１の実施形態と同様にして、図３に示すＣｕ膜５の配線
溝３および接続孔（図示せず）の内部への埋め込みまで
行う。次に、例えばＣＭＰ法により配線溝３および接続
孔（図示せず）の内部以外の部分のＣｕ膜５およびＴｉ
Ｎ／Ｔｉ膜４を順次研磨することにより除去する。ここ
で、このＣＭＰ法における研磨の条件の一例を挙げる
と、Ｈ₂Ｏ₂ベースでアルミナ含有のスラリーを用い
て、研磨圧力を１００ｇ／ｃｍ²、流量を１００ｃｃ／
ｍｉｎ、温度を２５〜３０℃とし、回転数については定
盤を３０ｒｐｍ、研磨ヘッドを３０ｒｐｍとする。

【００６５】以上の工程を経て、図１４に示すように、
層間絶縁膜２にＴｉＮ／Ｔｉ膜４を下地バリアメタルと
した溝配線６が形成される。

【００６６】ここで、ＣＭＰ法は、Ｃｕ膜５の表面を薬
液によって酸化させながら研磨する方法である。そのた
め、ＣＭＰ法による研磨が終了した後の溝配線６の表面
は酸化されており、その表面には酸化層４１が形成され
ている。そこで、例えばＨ₂ガス雰囲気などの還元雰囲
気中でＳｉ基板１を例えば４００℃の温度で、例えば５
分間加熱する。これによって、溝配線６の表面は還元さ
れ、酸化層４１が除去される。この酸化層４１の還元除
去においては、例えば、Ｈ₂ガスの流量を５００ｓｃｃ
ｍとし、圧力を６７Ｐａとする。

【００６７】その後、従来公知の方法によって、層間絶
縁膜、接続孔、配線溝および上層配線（いずれも図示せ
ず）などを順次形成することにより、所望の半導体装置
を完成させる。

【００６８】以上説明したように、この第４の実施形態
によれば、配線溝３および接続孔の内部以外の部分のＣ
ｕ膜５およびＴｉＮ／Ｔｉ膜４をＣＭＰ法により除去し
た後、還元雰囲気中において加熱処理を行うことで溝配
線６の表面を還元するようにしていることにより、ＣＭ
Ｐ法による研磨の際に溝配線６の表面に形成された酸化
層４１を除去することができ、酸化層４１の存在による
溝配線６の実効的な断面積の減少を防ぐことができるの
で、溝配線６の高抵抗化を防止することができ、配線信
頼性の低下を防ぐことができる。

【００６９】次に、この発明の第５の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。

【００７０】この第５の実施形態においては、まず、第
１の実施形態と同様にして、図２に示すＣｕ膜５の形成
まで行う。

【００７１】次に、Ｓｉ基板１を、一度大気中に取り出
し、続いてプラズマリフロー装置の真空チャンバー（図
示せず）内に搬入する。このとき、Ｓｉ基板１が大気中
に取り出されることにより、図１５に示すように、Ｃｕ
膜５の表面が酸化されて自然酸化層４２が形成されてい
る。Ｓｉ基板１を真空チャンバー内に搬入した後、水素
プラズマをＣｕ膜５の表面に照射しつつ、Ｓｉ基板１を
Ｃｕの再結晶温度に近い、例えば４００℃程度の温度で
加熱し、Ｃｕ膜５を例えば１分間リフローさせる。ここ
で、この水素プラズマは、電子サイクロトロン共鳴によ
り生成されたものである。このように、Ｓｉ基板１をＣ
ｕの再結晶温度に近い例えば４００℃程度の温度で加熱
するようにしていることにより、Ｃｕ膜５のリフロー特
性を向上させることができる。また、Ｃｕ膜５の表面に
水素プラズマを照射していることにより、Ｃｕ膜５の表
面の自然酸化層４２が効率よく還元除去されるので、Ｃ
ｕ膜５の表面マイグレーションを助長することができ、
その配線溝３への埋め込み特性を向上させることができ
る。ここで、このＣｕ膜５のリフローにおいては、例え
ば、雰囲気ガスとしてＨ₂とＡｒとの混合ガスを用い、
それらの流量をそれぞれ１００ｓｃｃｍおよび１７０ｓ
ｃｃｍとし、圧力を０．４Ｐａ、マイクロ波パワーを
２．８ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）とする。

【００７２】次に、第４の実施形態と同様にして、例え
ばＣＭＰ法により接続孔および配線溝３の内部以外の部
分のＣｕ膜５およびＴｉＮ／Ｔｉ膜４を順次研磨するこ
とにより除去する。ここで、第４の実施形態において詳
細に述べたように、配線溝３の内部以外の部分のＣｕ膜
５およびＴｉＮ／Ｔｉ膜４の除去をＣＭＰ法により行っ
ていることにより、溝配線６の表面には図１４に示す酸
化層４１が形成されている。

【００７３】そこで、Ｓｉ基板１を再度、プラズマリフ
ロー装置の真空チャンバー（図示せず）内に搬入する。
ここで、この真空チャンバーの内部は先に行われたＣｕ
膜５のリフローの場合と同様に、還元雰囲気となってい
る。次に、Ｈ₂ガス雰囲気などの還元雰囲気中でＳｉ基
板１を例えば１分間例えば４００℃の温度で加熱しつ
つ、溝配線６および層間絶縁膜２の表面に例えば電子サ
イクロトロン共鳴により生成された水素プラズマを照射
する。これによって、酸化層４１が還元除去される。こ
の酸化層４１の還元除去においては、例えば、雰囲気ガ
スとしてＨ₂とＡｒの混合ガスを用い、流量をそれぞれ
１００ｓｃｃｍ、１７０ｓｃｃｍとし、圧力を０．４Ｐ
ａ、マイクロ波出力を２．８ｋＷ（２．４５ＧＨｚ）と
する。その後、Ｓｉ基板１をプラズマリフロー装置の真
空チャンバーから搬出する。

【００７４】その後、従来公知の方法により層間絶縁
膜、接続孔、配線溝および上層配線（いずれも図示せ
ず）などを順次形成することにより、所望の半導体装置
を完成させる。

【００７５】この第５の実施形態によれば、第４の実施
形態と同様の効果を得ることができる。

【００７６】次に、この発明の第６の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。

【００７７】この第６の実施形態においては、まず、第
１の実施形態と同様にして、図１に示す配線溝３の形成
まで行った後、例えばマグネトロンスパッタリング法に
よりＴｉＮ／Ｔｉ膜４を形成する。

【００７８】次に、図１６に示すように、ＴｉＮ／Ｔｉ
膜４の全面に、例えば、原料ガスとして、１価の銅錯体
であるＣｕ(hfac)(tmvs)(hexafluoro-acetyl-acetonate
copper-I trimethyl-vinyl-silane) をガス化させたも
のを用いたＣＶＤ法によりＣｕ膜５１を形成する。この
Ｃｕ膜５１の膜厚は例えば１０００ｎｍである。ここ
で、このＣｕ膜５１の形成におけるＣＶＤ条件の一例を
挙げると、Ｃｕ(hfac)(tmvs)の流量を０．６８ｇ／ｍｉ
ｎとし、原料ガスとともに導入されるガスとして水素を
用い、その流量を１０００ｓｃｃｍとし、圧力を０．３
Ｐａ、基板加熱温度を１７０℃とする。

【００７９】次に、図１７に示すように、第１の実施形
態と同様にして、ＣＭＰ法により配線溝３および接続孔
（図示せず）の内部以外の部分のＣｕ膜５１およびＴｉ
Ｎ／Ｔｉ膜４を研磨することにより除去する。

【００８０】以上の工程を経て、ＴｉＮ／Ｔｉ膜４を下
地バリアメタルとした溝配線６が形成される。ここで、
第４の実施形態において詳細に述べたように、配線溝３
の内部以外の部分のＣｕ膜５１およびＴｉＮ／Ｔｉ膜４
の除去をＣＭＰ法により行っていることにより、溝配線
６の表面には酸化層５２が形成されている。

【００８１】次に、Ｓｉ基板１をプラズマリフロー装置
の真空チャンバー（図示せず）に搬入し、Ｈ₂ガス雰囲
気などの還元雰囲気中で減圧下において、レーザー光５
３を、走査しながら溝配線６の表面に照射する。この溝
配線６へのレーザー光５３の照射およびその走査にした
がって、溝配線６の表面は図１７中左側から順次還元さ
れ、酸化層５２が順次除去される。ここで、このレーザ
ー光５３の照射条件の一例を挙げると、プロセスガスと
して、Ｈ₂ガスを用い、その流量を５００ｓｃｃｍと
し、圧力を６７Ｐａ、基板加熱温度を４００℃、レーザ
ー光５３としてはＸｅＣｌエキシマレーザーによる波長
３０８ｎｍのレーザー光を用い、レーザー出力を６６７
ｍＪとする。

【００８２】その後、従来公知の方法により、溝配線６
上に層間絶縁膜、接続孔、配線溝および上層配線（いず
れも図示せず）などを順次形成することにより、所望の
半導体装置を完成させる。

【００８３】以上説明したように、この第６の実施形態
によれば、ＣＭＰ法によるＣｕ膜５１およびＴｉＮ／Ｔ
ｉ膜４の研磨後に、Ｈ₂ガス雰囲気中で溝配線６の表面
にレーザー孔５３を照射するようにしていることによ
り、溝配線６の表面のみを効率よく加熱し、還元するこ
とができ、酸化層５１の除去を効率よく行うことができ
るので、第４の実施形態と同様の効果を得ることができ
る。

【００８４】次に、この発明の第７の実施形態による半
導体装置の製造方法について説明する。

【００８５】この第７の実施形態においては、Ｃｕ膜５
１の形成を電解めっき法により行うこと以外のことは第
６の実施形態と同様である。このＣｕ膜５１の膜厚は例
えば１０００ｎｍである。ここで、この電解めっき法に
よるＣｕ膜５１の形成条件の一例を挙げると、硫酸銅
（ＣｕＳＯ₄）、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）および塩酸（ＨＣ
ｌ）からなる薬液（電解液）を用い、それらの濃度をそ
れぞれ６７ｇ／ｌ、１７０ｇ／ｌおよび７０ｐｐｍと
し、形成温度を２５℃、印加電流を９Ａとする。

【００８６】この第７の実施形態によれば、第６の実施
形態と同様の効果を得ることができる。

【００８７】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。

【００８８】例えば、上述の実施形態において挙げた数
値および成膜方法はあくまでも例に過ぎず、必要に応じ
てこれと異なる数値および成膜方法を用いてもよい。

【００８９】また、例えば上述の第１の実施形態におい
ては、Ｈ₂ガス雰囲気中においてＳｉ基板１を加熱する
ことにより溝配線６の表面を還元し、酸化層１０を除去
するようにしているが、第６の実施形態におけると同様
に、表面にレーザー光５３を照射することにより、酸化
層１０を除去するようにしてもよい。

【００９０】また、例えば上述の第４から第７の実施形
態においては、この発明を溝配線の形成に適用している
が、この発明を、溝配線の代わりに、接続孔プラグの形
成に適用するようにしてもよい。

【００９１】また、例えば上述の第１の実施形態におい
ては、Ｃｕ膜５を形成するためのスパッタリング法とし
て、遠距離スパッタリング法を用いたが、例えばコリメ
ートスパッタリング法やイオン化スパッタリング法など
のカバレッジの良い他のスパッタリング法を用いること
も可能である。

【００９２】また、例えば、上述の第２および第５の実
施形態においては、水素プラズマを電子サイクロトロン
共鳴により生成しているが、必要に応じて、水素プラズ
マを、例えば、平行平板方式、誘導結合方式などによっ
て生成するようにしてもよい。

【００９３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の第１の
発明によれば、銅または銅合金膜上の絶縁膜に開口部を
形成し、この開口部に露出した銅または銅合金膜の表面
を還元するようにしていることにより、銅または銅合金
膜の表面に形成される酸化層を効率よく除去することが
できるので、銅または銅合金からなる配線の抵抗上昇を
防止することができ、その配線信頼性の低下を防止する
ことができる。

【００９４】また、この発明の第２の発明によれば、溝
および／または孔に埋め込むようにして銅または銅合金
膜を形成し、銅または銅合金膜の溝および／または孔の
内部以外の部分を除去した後、露出した銅または銅合金
パターンの表面を還元するようにしていることにより、
溝や孔に埋め込まれた銅または銅合金パターンの表面に
形成される酸化層を効率よく除去することができるの
で、この銅または銅合金パターンからなる溝配線におい
て、その実効的な断面積の減少を防ぎ、抵抗の上昇を防
止することができ、溝配線や接続孔プラグにおける配線
信頼性および接続信頼性の低下を防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図２】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図３】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図４】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図５】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図６】この発明の第１の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図７】この発明の第２の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図８】この発明の第２の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図９】この発明の第２の実施形態による半導体装置の
製造方法を説明するための断面図である。

【図１０】この発明の第３の実施形態において用いる成
膜装置を示す断面図である。

【図１１】この発明の第３の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１２】この発明の第３の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１３】この発明の第３の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１４】この発明の第４の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１５】この発明の第５の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１６】この発明の第６の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１７】この発明の第６の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１８】従来の技術における溝配線の形成方法を示す
断面図である。

【図１９】従来の技術における溝配線の形成方法を示す
断面図である。

【図２０】従来の技術における溝配線の形成方法を示す
断面図である。

【図２１】従来の技術における溝配線の形成方法を示す
断面図である。

【図２２】従来の技術におけるＣｕの溝配線の問題点を
説明するための断面図である。

【図２３】従来の技術におけるＣｕの溝配線の問題点を
説明するための断面図である。

【図２４】従来の技術におけるＣｕの溝配線の問題点を
説明するための断面図である。

【図２５】従来の技術におけるＣｕの溝配線の問題点を
説明するための断面図である。

【図２６】従来の技術におけるＣｕの溝配線の問題点を
説明するための断面図である。

【符号の説明】

１・・・Ｓｉ基板、３・・・配線溝、５、３３、５１・
・・Ｃｕ膜、６・・・溝配線、８、９・・・接続孔、１
０、４１、５２・・・酸化層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅または銅合金膜を形成し、上記銅また
は銅合金膜上に絶縁膜を形成した後、上記絶縁膜に上記
銅または銅合金膜の表面の少なくとも一部が露出するよ
うに開口部を形成するようにした半導体装置の製造方法
において、上記開口部に露出した上記銅または銅合金膜の表面を還
元するようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方
法。
【請求項２】水素ガス雰囲気中において加熱処理を行
うことにより上記銅または銅合金膜の表面を還元するよ
うにした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。
【請求項３】水素プラズマ中において上記銅または銅
合金膜の表面を還元するようにした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。
【請求項４】上記水素プラズマを電子サイクロトロン
共鳴により生成することを特徴とする請求項３記載の半
導体装置の製造方法。
【請求項５】上記銅または銅合金膜の表面を還元した
後、上記開口部に埋め込むようにして導電膜を形成する
ようにした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。
【請求項６】上記銅または銅合金膜の表面を還元する
工程と上記導電膜を形成する工程とを真空中で連続的に
行うようにした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。
【請求項７】上記開口部を、ドライエッチング法によ
り形成するようにした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。
【請求項８】上記銅または銅合金膜が溝配線を構成
し、上記開口部が接続孔であ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。
【請求項９】溝および／または孔に埋め込むようにし
て銅または銅合金膜を形成した後、上記銅または銅合金
膜の上記溝および／または孔の内部以外の部分を除去す
るようにした銅または銅合金パターンの形成方法におい
て、露出した上記銅または銅合金パターンの表面を還元する
ようにしたことを特徴とする銅または銅合金パターンの
形成方法。
【請求項１０】水素ガス雰囲気中において加熱処理を
行うことにより上記銅または銅合金パターンの表面を還
元するようにしたことを特徴とする請求項９記載の銅ま
たは銅合金パターンの形成方法。
【請求項１１】水素プラズマ中において上記銅または
銅合金パターンの表面を還元するようにしたことを特徴
とする請求項９記載の銅または銅合金パターンの形成方
法。
【請求項１２】上記水素プラズマを電子サイクロトロ
ン共鳴により生成することを特徴とする請求項１１記載
の銅または銅合金パターンの形成方法。
【請求項１３】上記溝および／または孔の内部以外の
部分の上記銅または銅合金膜を化学的機械研磨法または
エッチバック法により除去するようにしたことを特徴と
する請求項９記載の銅または銅合金パターンの形成方
法。
【請求項１４】還元雰囲気中において、上記銅または
銅合金パターンの表面にレーザー光を照射することによ
り上記銅または銅合金パターンの表面を還元するように
したことを特徴とする請求項９記載の銅または銅合金パ
ターンの形成方法。
【請求項１５】上記銅または銅合金膜を、化学気相成
長法、めっき法またはスパッタリング法により形成する
ようにしたことを特徴とする請求項９記載の銅または銅
合金パターンの形成方法。
【請求項１６】上記銅または銅合金パターンが溝配線
を構成することを特徴とする請求項９記載の銅または銅
合金パターンの形成方法。