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JP2008091645A - 半導体製造装置、半導体装置の製造方法及び記憶媒体 - Google Patents

半導体製造装置、半導体装置の製造方法及び記憶媒体 Download PDF

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正樹 成島
Yasuhiko Kojima
康彦 小島
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Abstract

【課題】絶縁膜の凹部に沿って成膜した銅及び添加金属例えばＭｎの合金層を利用してバリア膜と銅膜とを形成し、その後銅配線を埋め込むにあたって、銅膜中のＭｎの量を低減し、配線抵抗の上昇を抑えること。
【解決手段】ウエハキャリアに対してウエハの受け渡しをするローダモジュールに真空搬送モジュールをロードロック室を介して接続し、この真空搬送モジュールに、有機酸である蟻酸の蒸気をウエハに供給する蟻酸処理モジュールとＣｕを例えばＣＶＤにより成膜するモジュールとを接続して半導体製造装置を構成し、前記合金層を形成し例えば続いてアニール処理が行われたウエハＷをこの装置内に搬入して、蟻酸処理を行ってからＣｕの成膜を行うようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁膜に凹部を形成した後に銅を埋め込んで銅配線を形成するための半導体製造装置、半導体装置の製造方法及び記憶媒体に関する。
半導体装置の多層配線構造は、層間絶縁膜中に金属配線を埋め込むことにより形成されるが、この金属配線の材料としてはエレクトロマイレーションが小さくまた低抵抗であることなどから、Ｃｕ（銅）が使用され、その形成プロセスとしてはダマシン工程が一般的になっている。
このダマシン工程では、層間絶縁膜に層内に引き回される配線を埋め込むためのトレンチと上下の配線を接続する接続配線を埋め込むためのビアホールとを形成し、これら凹部にＣＶＤや電解メッキ法などによりＣｕが埋め込まれる。そしてＣＶＤ法を利用する場合にはＣｕの埋め込みを良好に行うために極薄のＣｕシード層を凹部内面に沿って形成し、また電解メッキ法を利用する場合にも、電極となるＣｕシード層を形成することが必要である。またＣｕは、絶縁膜中に拡散しやすいことから、凹部に例えばＴａ／ＴａＮの積層体からなるバリア膜を形成することが必要であり、従って凹部の表面には例えばスパッタ法によりバリア膜とＣｕシード膜とが形成される。
ところで配線パターンの微細化が益々進み、そうした状況下においてバリア膜とシード層とを別々に成膜することから、両者についてより一層の薄膜化が要求されるようになってきている。しかしながら、従来のバリア膜の製法では、バリア膜を高い均一性をもって形成することが困難になっており、バリア性に対する信頼性やシード層との界面の密着性などが問題になっている。
こうした背景から、特許文献１には、Ｃｕと添加金属例えばＭｎ（マンガン）との合金層を絶縁膜の凹部の表面に沿って成膜し、次いでアニールを行うことにより、合金中のＭｎが層間絶縁膜の表面部に拡散し、層間絶縁膜の構成元素であるＯと反応し、その結果極めて安定な化合物である酸化物ＭｎＯｘ（ｘは自然数）あるいはＭｎＳｉｘＯｙ（ｘ、ｙは自然数）などのバリア膜が自己整合的に形成されると共に合金層の表面側(層間絶縁膜と反対側)は、Ｍｎの少ないＣｕ層となる。このような自己形成バリア層は均一で極めて薄いものとなり、上述の課題の解決に貢献する。更に特許文献１によれば、合金層の表面側に移動したＭｎは、その後Ｃｕを埋め込み更に熱処理することによって、Ｃｕ中を拡散して表面から放散することとなる。
しかしながら、実際にはＣｕを埋め込んで配線を形成したときに配線中におけるＭｎ濃度を低く抑えることが難しく、その結果配線抵抗の抵抗値にばらつきが生じ、歩留まりの低下の要因になる。その原因の一つとしては、埋め込んだＣｕ中の不純物によりＭｎが化合物を形成しＣｕ中に残ることなどが推測される。
特開２００５−２７７３９０号公報：段落００１８〜００２０など、図１など）
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、絶縁膜の凹部に沿って成膜した銅及び添加金属の合金層を利用してバリア膜と銅膜とを形成し、その後銅配線を埋め込むにあたって、銅膜中の添加金属の量を低減し、配線抵抗の上昇を抑えることができる半導体製造装置、半導体装置の製造方法及びこの方法を実施するプログラムを格納した記憶媒体を提供することにある。
本発明に係る半導体製造装置は、銅に添加金属を添加した合金層を層間絶縁膜における凹部の壁面に沿って形成する合金層形成処理と、前記添加金属と層間絶縁膜の構成元素との化合物からなるバリア層を形成するためのアニール処理と、が行われた基板に対して処理を行う半導体製造装置であって、
基板を収納したキャリアが載置され、このキャリア内の基板のロード、アンロードが行われるローダモジュールと、
このローダモジュールを介して基板が搬入される真空雰囲気の搬送室と、この搬送室内に設けられた基板搬送手段と、を有する真空搬送室モジュールと、
前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、アニール処理が行われた基板上の前記添加金属または添加金属の酸化物を除去するために有機酸またはケトン類の蒸気を前記処理容器内に供給する手段と、を有する表面処理モジュールと、
前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記表面処理モジュールにて処理された基板上の凹部に銅を埋め込むための手段と、を有する成膜モジュールと、
を備えたことを特徴とする。
本発明において、例えば前記ローダモジュールから搬入される基板は、大気雰囲気に曝されていて表面に自然酸化膜が形成されている。あるいはまた前記ローダモジュールから搬入される基板は、不活性ガス雰囲気に置かれていたものである。
他の発明に係る半導体製造装置は、銅に添加金属を添加した合金層を層間絶縁膜における凹部の壁面に沿って形成する合金層形成処理が行われた基板に対して処理を行う半導体製造装置であって、
基板を収納したキャリアが載置され、このキャリア内の基板のロード、アンロードが行われるローダモジュールと、
このローダモジュールを介して基板が搬入される真空雰囲気の搬送室と、この搬送室内に設けられた基板搬送手段と、を有する真空搬送室モジュールと、
前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記合金層形成処理が行われた基板に対して前記添加金属と層間絶縁膜の構成元素との化合物からなるバリア層を形成するためにアニール処理行うための手段と、を有するアニールモジュールと、
前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、アニール処理が行われた基板上の前記添加金属または添加金属の酸化物を除去するために有機酸またはケトン類の蒸気を前記処理容器内に供給する手段と、を有する表面処理モジュールと、
前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記表面処理モジュールにて処理された基板上の凹部に銅を埋め込むための手段と、を有する成膜モジュールと、
を備えたことを特徴とする。
有機酸は、例えばカルボン酸である。また表面処理モジュールは、例えば基板を１５０℃〜４５０℃に加熱して処理を行う。前記添加金属は、例えばＭｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｔｃ、及びＲｅから選択された金属である。成膜モジュールにおける銅を埋め込むための手段は、例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）法により銅を成膜するかまたはスパッタリングにより銅を成膜するための手段である。また本発明は、前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記アニール処理が行われた基板を前記表面処理モジュールに搬入する前に酸化処理するために、処理ガスを前記処理容器内に供給する手段と、を有する酸化モジュールを備えた構成としてもよい。
更に他の発明に係る半導体装置の製造方法は、銅に添加金属を添加した合金層を層間絶縁膜における凹部の壁面に沿って形成する工程（ａ）と、
次いで、前記添加金属と層間絶縁膜の構成元素との化合物からなるバリア層を形成するためのアニール処理を行う工程（ｂ）と、
その後、前記基板上の前記添加金属または添加金属の酸化物を除去するために真空雰囲気中で基板の表面に対して有機酸またはケトン類の蒸気を供給して表面処理を行う工程（ｃ）と、
しかる後、基板が置かれる雰囲気を真空雰囲気に維持したまま、基板上の前記凹部に銅を埋め込む工程（ｄ）と、を含むことを特徴とする。
本発明方法においては、前記アニール処理を行う工程（ｂ）は真空雰囲気で行われ、その後基板は、真空雰囲気に置かれたまま前記表面処理を行う工程（ｃ）が行われるようにしてもよい。また本発明方法においては、前記アニール処理を行う工程（ｂ）が行われた後、前記表面処理を行う工程（ｃ）が行われる前に、基板に処理ガスを供給して基板を酸化処理する工程を備えるようにしてもよい。
更に他の発明は、基板に対して処理を行う半導体製造装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、前記コンピュータプログラムは、本発明の半導体装置の製造方法を実施するようにステップ群が組まれていることを特徴とする。
絶縁膜の凹部の表面に沿って形成した銅と添加金属との合金層をアニール処理することで添加金属と絶縁膜中の構成元素との化合物からなるバリア層を形成できるが、このとき合金層における表面側にも添加金属が移動する。そこで、本発明によれば、その添加金属をそのままあるいは酸化物に変えて有機酸やケトン類により除去するようにしているので、自己形成バリア膜の表面側の銅中に含まれる添加金属の量を低減でき、また表面に酸化物が形成されている場合にはその酸化物も除去され、結果としてＣｕを埋め込んだ後におけるＣｕ中の添加金属の量を低減でき、配線抵抗の上昇を抑えることができる。
最初に本発明の半導体製造装置を含む、クリーンルーム内の基板処理システムについて図１を参照しながら説明する。この基板処理システムは、詳しくは後述するが、基板であるウエハＷの表面に配線回路を形成するシステムである。図１中１１は、ＣｕＭｎスパッタ装置であり、ウエハＷにＣｕ（銅）とＭｎ（マンガン）とからなる合金を成膜する。図１中１２は、成膜された前記合金を不活性ガス例えばＮ2（窒素）によりアニール処理するためのアニール装置であり、例えばウエハＷを枚葉ごとに処理し、各ウエハＷへの処理時間は１０分〜６０分程度である。この例ではＣｕＭｎスパッタ装置１１及びアニール装置１２は、本発明の半導体製造装置により行われる処理の前処理を行うための装置である。
図１中２は、本発明の実施の形態の一例である半導体製造装置であり、マルチチャンバシステムをなし、真空雰囲気でウエハＷに処理を行う装置である。半導体製造装置２は、有機酸として蟻酸をウエハＷに供給する、有機酸処理モジュールである蟻酸処理モジュール３及びＣｕをウエハＷに成膜する成膜モジュールであるＣｕＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）モジュール５を含んでいる。半導体製造装置２の構成について詳しくは後で説明する。図１中１３は、クリーンルーム内においてウエハＷを複数、例えば２５枚含んだキャリア２２を搬送する搬送ロボットであり、図１中矢印で示すようにＣｕＭｎスパッタ装置１１→アニール装置１２→半導体製造装置２の順にキャリア２２を搬送する。このキャリア２２は例えばフープと呼ばれる密閉型のキャリアが用いられ、内部が大気雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気とされる。即ちこれらの装置間における搬送ロボット１３によるキャリア２２の搬送は、大気雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気で行われる。
続いて前記半導体製造装置２の構成について図２を参照しながら説明する。半導体製造装置２は、基板のロード、アンロードを行うローダモジュールを構成する第１の搬送室２３と、ロードロック室２４、２５と、真空搬送室モジュールである第２の搬送室２６と、を備えている。第１の搬送室２３の正面壁には、前記密閉型のキャリア２２が接続されてキャリア２２の蓋と一緒に開閉されるゲートドアＧＴが設けられている。そして第２の搬送室２６には、表面処理モジュールである蟻酸処理モジュール３及びＣｕＣＶＤモジュール５が気密に接続されている。
また、第１の搬送室２３の側面には、アライメント室２９が設けられている。ロードロック室２４、２５には、図示しない真空ポンプとリーク弁とが設けられており、大気雰囲気と真空雰囲気とを切り替えられるように構成されている。つまり、第１の搬送室２３及び第２の搬送室２６の雰囲気がそれぞれ大気雰囲気及び真空雰囲気に保たれているため、ロードロック室２４、２５は、それぞれの搬送室間において、ウエハＷを搬送する時雰囲気を調整するためのものである。なお図中Ｇは、ロードロック室２４、２５と第１の搬送室２３または第２の搬送室２６との間、あるいは第２の搬送室２６と前記モジュール３または５との間を仕切るゲートバルブ（仕切り弁）である。
第１の搬送室２３及び第２の搬送室２６には、それぞれ第１の搬送手段２７及び第２の搬送手段２８が設けられている。第１の搬送手段２７は、キャリア２２とロードロック室２４、２５との間及び第１の搬送室２３とアライメント室２９との間でウエハＷの受け渡しを行うための搬送アームである。第２の搬送手段２８は、ロードロック室２４、２５と蟻酸処理モジュール３、ＣＶＤモジュール５との間でウエハＷの受け渡しを行うための搬送アームである。
この半導体製造装置２には、図２に示したように、例えばコンピュータからなる制御部２Ａが設けられており、この制御部２Ａはプログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部２Ａから半導体製造装置２の各部に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させるように命令（各ステップ）が組み込まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理温度、処理時間、ガス流量または電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこの半導体製造装置２の各部位に送られることになる。このプログラム（処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む）は、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などの記憶部２００に格納されて制御部２Ａにインストールされる。
続いて半導体製造装置２に含まれる蟻酸処理モジュール３の構成を図３に示して説明する。図３中３１は、例えばアルミニウムからなる真空チャンバをなす処理容器である。この処理容器３１の底部には、ウエハＷを載置する載置台３２が設けられている。この載置台３２の表面部に、誘電体層３３内にチャック電極３４を埋設してなる静電チャック３５が設けられており、図示しない電源部からチャック電圧が印加されるようになっている。また載置台３２の内部には、温調手段であるヒータ３６が設けられると共に、ウエハＷを昇降させて第２の搬送手段２８と受け渡しを行うための昇降ピン３７が載置面から出没自在に設けられている。前記昇降ピン３７は支持部材３８を介して駆動部３９に連結されており、この駆動部３９を駆動させることで前記昇降ピン３７が昇降するように構成されている。
処理容器３１の上部には、載置台３２に対向するようにガス供給部であるガスシャワーヘッド４１が設けられており、このガスシャワーヘッド４１における下面には、多数のガス供給孔４２が形成されている。ガスシャワーヘッド４１には、原料ガスを供給するための第１のガス供給路４３と希釈ガスを供給するための第２のガス供給路４４とが接続されており、これらガス供給路４３、４４から夫々送られてきた原料ガス及び希釈ガスが混合されてガス供給孔４２から処理容器３１内に供給されるようになっている。
第１のガス供給路４３はバルブＶ１、気体流量調整部であるマスフローコントローラＭ１及びバルブＶ２を介して原料ガス供給源４５に接続されている。この原料ガス供給源４５は、ステンレス製の貯留容器４６内に、揮発性の高い金属化合物を生成し、また金属酸化物に対して還元力のある有機化合物であるカルボン酸例えば蟻酸が貯留されている。また第２のガス供給路４４は、バルブＶ３、マスフローコントローラＭ２及びバルブＶ４を介して希釈ガス例えばＡｒ（アルゴン）ガスを供給するための希釈ガス供給源４７に接続されている。
処理容器３１の底面には、排気管３１Ａの一端側が接続され、この排気管３１Ａの他端側には、真空排気手段である真空ポンプ３１Ｂが接続されている。
続いて半導体製造装置２に含まれるＣｕを成膜するためのＣｕＣＶＤモジュールの構成を図４に示して説明する。ＣｕＣＶＤモジュール５において５０は例えばアルミニウムからなる処理容器（真空チャンバ）である。この処理容器５０は、上側の大径円筒部５０ａと、その下側の小径円筒部５０ｂとが連設されたいわばキノコ形状に形成されており、その内壁を加熱するための図示しない加熱機構が設けられている。処理容器５０内には、ウエハＷを水平に載置するためのステージ５１が設けられており、このステージ５１は小径円筒部５０ｂの底部に支持部材５２を介して支持されている。
ステージ５１内にはウエハＷの温調手段をなすヒータ５１ａが設けられている。更にステージ５１には、ウエハＷを昇降させて第２の搬送手段２８と受け渡しを行うための例えば３本の昇降ピン５３（便宜上２本のみ図示）がステージ５１の表面に対して突没自在に設けられている。この昇降ピン５３は、支持部材５４を介して処理容器５０外の昇降機構５５に接続されている。処理容器５０の底部には排気管５６の一端側が接続され、この排気管５６の他端側には真空ポンプ５７が接続されている。また処理容器５０の大径円筒部５０ａの側壁には、ゲートバルブＧにより開閉される搬送口５９が形成されている。
更に処理容器５０の天井部には開口部６１が形成され、この開口部６１を塞ぐように、かつステージ５１に対向するようにガスシャワーヘッド６２が設けられている。ガスシャワーヘッド６２は、ガス室６３と２種類のガス供給孔６４とを備え、ガス室６３に供給されたガスはガス供給孔６４から処理容器５０内に供給される。
そして、ガス室６３には、原料ガス供給路７１が接続され、この原料ガス供給路７１の上流側には原料貯留部７２が接続されている。原料貯留部７２には銅膜の原料（前駆体）となる銅の有機化合物（錯体）であるＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳが液体の状態で貯留されている。原料貯留部７２は、加圧部７３に接続されており、この加圧部７３から供給されたアルゴンガス等によって原料貯留部７２内を加圧することにより、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳをガスシャワーヘッド６２へ向けて押し出すことができるようになっている。また、原料ガス供給路７１には、液体マスフローコントローラやバルブを含む流量調整部７４及び、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを気化するためのベーパライザ７５が上流からこの順に介設されている。ベーパライザ７５はキャリアガス供給源７６から供給されたキャリアガス（水素ガス）と接触混合させてＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳを気化させ、ガス室６３に供給する役割を果たす。なお図４中７７は、キャリアガスの流量を調整する流量調整部である。
続いて上述の基板処理システムにより処理を受けるウエハＷについて説明する。このシステムに搬送される前にウエハＷ表面においては、ＳｉＯ2（酸化シリコン）からなる層間絶縁膜８１中にＣｕが埋め込まれて下層配線８２が形成されており、前記層間絶縁膜８１上にはバリア膜８３を介して層間絶縁膜８４が積層されている。そして、この層間絶縁膜８４中にはトレンチ８５ａと、ビアホール８５ｂとからなる凹部８５が形成されており、凹部８５内には下層配線８２が露出している。以下に説明するプロセスは、この凹部８５内にＣｕを埋め込み、下層配線８２と電気的に接続される上層配線を形成するものである。なお層間絶縁膜としてＳｉＯ2膜を例に挙げたが、ＳｉＯＣＨ膜などであってもよい。
半導体が製造されるプロセスについて図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、ウエハＷ表面部に形成される半導体装置の製造工程における断面図を示している。また図６は、システム内の各装置によりウエハＷが処理を受けたときに前記凹部８５に起こる変化の様子を示しているが、この図６においては、その変化の様子を明確に示すために凹部８５の構造を簡略化している。
先ず、搬送ロボット１３によりキャリア２２がＣｕＭｎスパッタ装置１１に搬送され、キャリア２２から順次、取り出されたウエハＷの表面に図５（ａ）に示すようにＣｕとＭｎとの合金層であるＣｕＭｎ膜９１が成膜されて、凹部８５内が、そのＣｕＭｎ膜９１に覆われる（図６（ａ））。このＣｕＭｎ膜９１は例えば膜厚が３ｎｍ〜１００ｎｍであり、Ｍｎの含有量は例えば１原子％〜１０原子％である。
ウエハＷは、ＣｕＭｎ膜９１の成膜処理後、アニール装置１２に搬入される。アニール装置１２において各ウエハＷは、加熱された状態で図５（ｂ）に示すようにその表面へのＮ2ガスの供給を受けることにより、前記ＣｕＭｎ膜９１がアニール処理される。これによりＭｎが層間絶縁膜の表面部に拡散して図６（ｂ）に示すようにＣｕ９４とＭｎ９２との分離が進行し、ＣｕＭｎ膜９１に含まれるＭｎの一部はＣｕＭｎ膜９１の表面側に移動する。
そしてＳｉＯ2膜８４との界面に拡散したＭｎは、ＳｉＯ2と反応して、ＭｎＳｉｘＯｙ膜９３となる。このＭｎＳｉｘＯｙ膜９３は、後で凹部８５にＣｕが埋め込まれたときにＣｕのＳｉＯ2膜８４への拡散を防ぐバリア層として機能する。
アニール処理後、各ウエハＷは、キャリア２２に戻され、しかる後キャリア２２は、搬送ロボット１３により半導体製造装置２へと搬送される。この時キャリア２２内の雰囲気は既述のように大気雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気とされるが、この例では大気雰囲気であるとして説明する。この搬送中に図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示すように凹部８５の表面側に移動したＭｎ９２は大気中の酸素により酸化され、ＭｎＯｘ（酸化マンガン）膜９５に変化する場合がある。
続いて、半導体製造装置２にキャリア２２が搬送されて第１の搬送室２３に接続され、次いでゲートドアＧＴおよびキャリア２２の蓋が同時に開かれて、キャリア２２内のウエハＷは第１の搬送手段２７によって第１の搬送室２３内に搬入される。次いでアライメント室２９に搬送されて、ウエハＷの向きや偏心の調整が行われた後、ロードロック室２４（または２５）に搬送される。このロードロック室２４内の圧力が調整された後、ウエハＷは第２の搬送手段２８によってロードロック室２４から第２の搬送室２６に搬入され、続いて一方の蟻酸処理モジュール３のゲートバルブＧが開かれ、第２の搬送手段２８はウエハＷを蟻酸処理モジュール３に搬送する。
ウエハＷが蟻酸処理モジュール３の処理容器３１内に搬入された後、真空ポンプ３１Ｂにより処理容器３１内が所定の真空度まで真空排気され、続いてＶ１〜Ｖ４を開く。なお、ここでは便宜上、ガス供給路４３、４４がバルブＶ１〜Ｖ４により夫々開閉されるものとして記載しているが、実際の配管系は複雑であり、その中の遮断バルブなどによりガス供給路４３、４４の開閉が行われる。そして第１のガス供給路４３を開くことにより処理容器３１内と貯留容器４６内とが連通すると、貯留容器４６内の蒸気（原料ガス）が第１のガス供給路４３を介してマスフローコントローラＭ１により流量が調整された状態でガスシャワーヘッド４１内に入る。
一方、希釈ガス供給源４７から希釈ガスであるＡｒガスが第２のガス供給路４４を介してマスフローコントローラＭ２により流量が調整された状態でガスシャワーヘッド４１内に入り、ここで蟻酸の蒸気とＡｒガスとが混合されて、ガスシャワーヘッド４１のガス供給孔４２から処理容器３１内に供給され、ウエハＷ上に接触する。このときウエハＷはヒータ３６により例えば１５０〜４５０℃、好ましくは１５０℃〜３００℃に加熱され、また処理容器３１内のプロセス圧力は例えば１０〜１０５Ｐａに維持される。
この例では既述のように大気搬送により凹部８５表面に酸化金属であるＭｎＯｘ膜９５が形成されており、蟻酸が供給されると、蟻酸の還元作用及び酸化金属であるＭｎＯｘ膜９５へのエッチング作用により、凹部８５表面においてＭｎＯｘが図５（ｄ）に示すように除去される。蟻酸は金属と揮発性の高い化合物を形成することから、この作用が働いてＭｎを膜中から除去していると推測される。既述のようにＭｎは凹部８５の表面側に拡散しており、Ｏ2と未反応のＭｎがあってもこのＭｎもＭｎＯｘと共にエッチングされて除去されることにより、図６（ｄ）に示すように凹部８５表面にＣｕ膜９４が露出する。またＭｎはＣｕに比べて酸素と結合しやすいことから、結果としてＭｎはＯと共に除去されるが、Ｃｕの除去量は少ない。
このように蟻酸処理が行われると、バルブＶ１〜Ｖ４が閉じられ、蟻酸の蒸気とＡｒガスとの供給が停止する。その後ゲートバルブＧが開き、昇降ピン３７により第２の搬送手段２８にウエハＷが受け渡される。続いて一方のＣｕＣＶＤモジュール５のゲートバルブＧが開かれ、第２の搬送手段２８はウエハＷをＣｕＣＶＤモジュール５の処理容器５０内に搬送する。
ＣｕＣＶＤモジュール５の処理容器５０内に搬入されたウエハＷは第２の搬送手段２８から昇降ピン５３に受け渡されて、ステージ５１上に載置される。そして、ステージ５１のヒータ５１ａは、ウエハＷを例えば１００℃〜２５０℃程度まで加熱する。
続いて処理容器内に例えば質量換算で０．５ｇ／ｍｉｎのＣｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳガスを例えば２００ｓｃｃｍのキャリアガス（水素ガス）と共に供給することにより、図５（ｅ）に示すように凹部８５にＣｕ９６が埋め込まれる。
例えば所定の時間が経過した後、ウエハＷの加熱と、Ｃｕ（ｈｆａｃ）ＴＭＶＳガス及びキャリアガスの供給とを停止し、ゲートバルブＧが開かれ、第２の搬送手段２８が処理容器５０内に進入する。昇降ピン５３が上昇して、処理の施されたウエハＷを第２の搬送手段２８に受け渡し、第２の搬送手段２８は、ロードロック室２４（２５）を介して第１の搬送手段２７にウエハＷを受け渡して、第１の搬送手段２７がキャリア２２にウエハＷを戻す。
その後、半導体製造装置２での処理を終えたウエハＷに対して、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）研磨を行うことにより図５（ｆ）に示すように凹部８５からあふれたＣｕ９６と、ウエハＷ表面のＣｕ膜９４及びＭｎＳｉｘＯｙ膜９３が除去され、下層配線８２と電気的に接続される上層配線９７が形成される。
上記の実施形態の半導体製造装置２によれば、ＭｎＣｕ合金をアニールして自己形成バリア膜と呼ばれるバリア層であるＭｎＳｉｘＯｙ膜９３が形成されたウエハＷを例えば大気搬送し、その後蟻酸の蒸気により表面処理を行っている。従って自己形成バリア膜の表面側のＣｕ膜９４中に含まれるＭｎはこの例では酸化物となり、この酸化物および酸化物となっていないＭｎが蟻酸によりエッチングされて除去される。このためＣｕ膜９４中のＭｎを低減でき、また酸化物であるＭｎＯｘも除去され、配線９５の下地膜であるＣｕ膜９４への密着性を向上させることも加わって、結果としてその後Ｃｕを埋め込んで形成した配線抵抗の上昇を抑えることができる。
またＣｕ膜９４中に含まれるＭｎは、例えばキャリア２２内を不活性ガスとする場合など必ずしも酸化されるとは限らず、この場合にはＭｎは蟻酸によりエッチングされて除去され、同様の効果が得られる。
なおＣｕと合金を形成する添加金属としては、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｔｃ、及びＲｅなどであってもよい。また表面処理を行うために上述の実施の形態では蟻酸を用いているが、酢酸などのカルボン酸といった有機酸であってもよいしあるいはケトン類であっても同様の効果が得られる。
続いて本発明に係る半導体製造装置の他の実施形態を図７〜図９に示しておく。これら図７〜９の半導体製造装置１００については、既述の半導体製造装置２と同じ構成を有する部分については同じ番号を付して示している。
先の実施の形態の半導体製造装置１００における半導体製造装置２との差異点を説明すると、図７の実施の形態では、第２の搬送室２６に蟻酸処理モジュール３及びＣｕＣＶＤモジュール５の他に酸化モジュール１０１が設けられている。酸化モジュール１０１は、概ね既述の蟻酸処理モジュール３と同様の構成であるが、処理容器内に供給される処理ガスとして例えば酸素ガスが用いられる。ウエハＷはこの酸化モジュール１０１の処理容器内に搬入されると、加熱されると共に酸素ガスが供給されるので、表面が酸化されてＭｎＯｘ膜９５が形成される。
第２の搬送室２６の第２の搬送手段は、搬入されたウエハＷを酸化モジュール１０１→蟻酸処理モジュール３→ＣｕＣＶＤモジュール５の順に搬送する。このように構成された半導体製造装置１００においては、蟻酸処理モジュール３に搬入されるウエハＷの表面は酸化モジュール１０１により強制的に酸化されているので、Ｃｕ膜９４中のＭｎは酸化物に変わっていると推測され、蟻酸処理モジュール３においては、ＭｎＯｘが蟻酸によりエッチングされて除去され、既述の半導体製造装置２と同様の効果が得られる。
更に図８の実施の形態では、第２の搬送室２６に蟻酸処理モジュール３及びＣｕＣＶＤモジュール５および酸化モジュール１０１の他にアニールモジュール１０２が接続されている。アニールモジュール１０２は、前記基板処理システムのアニール装置１２に対応するモジュールであり、概ね既述の蟻酸処理モジュール３と同様の構成であるが、処理容器内に供給される処理ガスとして例えば不活性ガス例えばＮ2ガスが用いられる。ウエハＷはこのアニールモジュール１０２の処理容器内に搬入されると、加熱されると共にＮ2ガスが供給され、既述のようにＣｕＭｎ膜９１の分離が行われて自己形成バリア膜であるＭｎＳｉｘＯｙ膜９３が得られる。なおこの例においては、ウエハＷに合金層であるＣｕＭｎ膜９１が形成された後、半導体製造装置１００内に搬入されてこのアニールモジュール１０２にてアニール処理が行われることとなる。
第２の搬送室２６の第２の搬送手段は、搬入されたウエハＷをアニールモジュール１０２→酸化モジュール１０１→蟻酸処理モジュール３→ＣｕＣＶＤモジュール５の順に搬送する。このように構成された半導体製造装置１００においても図２あるいは図７に示す半導体製造装置２と同様の効果が得られる。
更にまた図９の実施の形態では、第２の搬送室２６に蟻酸処理モジュール３及びＣｕＣＶＤモジュール５およびアニールモジュール１０２が接続されているが、酸化モジュール１０１は接続されていない。即ち、この場合には、図８の実施の形態において酸化モジュール１０１が設けられていない例であり、蟻酸処理モジュール３ではウエハＷの表面のＭｎがエッチングされて除去される。このように構成された半導体製造装置１００においても図２あるいは図７に示す半導体製造装置２と同様の効果が得られる。
以上において、第２の搬送室２６に接続される各モジュールの数は上述の例に限られるものではなく、各処理時間などを考慮して適宜決められるものである。
本発明の実施の形態に係る半導体製造装置を含む基板処理システムの構成図である。 前記半導体製造装置の平面図である。 前記半導体製造装置に含まれる蟻酸処理モジュールの一例を示す断面図である。 前記半導体製造装置に含まれるＣｕＣＶＤモジュールの一例を示す断面図である。 前記基板処理システムにより処理されるウエハの表面を示す断面図である。 前記ウエハの表面の変化を示す説明図である 半導体製造装置の他の実施の形態を示した平面図である 半導体製造装置の他の実施の形態を示した平面図である 半導体製造装置の他の実施の形態を示した平面図である
符号の説明
２２ キャリア
Ｗ ウエハ
２，１００ 半導体製造装置
２３ 第１の搬送室
２４，２５ ロードロック室
２６ 第２の搬送室
２７ 第１の搬送手段
２８ 第２の搬送手段
３ 蟻酸処理モジュール
５ ＣｕＣＶＤモジュール
８４ ＳｉＯ2膜
８５ 凹部
９１ ＣｕＭｎ膜
９３ ＭｎＳｉｘＯｙ膜
９４ Ｃｕ膜

Claims (16)

  1. 銅に添加金属を添加した合金層を層間絶縁膜における凹部の壁面に沿って形成する合金層形成処理と、前記添加金属と層間絶縁膜の構成元素との化合物からなるバリア層を形成するためのアニール処理と、が行われた基板に対して処理を行う半導体製造装置であって、
    基板を収納したキャリアが載置され、このキャリア内の基板のロード、アンロードが行われるローダモジュールと、
    このローダモジュールを介して基板が搬入される真空雰囲気の搬送室と、この搬送室内に設けられた基板搬送手段と、を有する真空搬送室モジュールと、
    前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、アニール処理が行われた基板上の前記添加金属または添加金属の酸化物を除去するために有機酸またはケトン類の蒸気を前記処理容器内に供給する手段と、を有する表面処理モジュールと、
    前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記表面処理モジュールにて処理された基板上の凹部に銅を埋め込むための手段と、を有する成膜モジュールと、
    を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
  2. 前記ローダモジュールから搬入される基板は、大気雰囲気に曝されていて表面に自然酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
  3. 前記ローダモジュールから搬入される基板は、不活性ガス雰囲気に置かれていたことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
  4. 銅に添加金属を添加した合金層を層間絶縁膜における凹部の壁面に沿って形成する合金層形成処理が行われた基板に対して処理を行う半導体製造装置であって、
    基板を収納したキャリアが載置され、このキャリア内の基板のロード、アンロードが行われるローダモジュールと、
    このローダモジュールを介して基板が搬入される真空雰囲気の搬送室と、この搬送室内に設けられた基板搬送手段と、を有する真空搬送室モジュールと、
    前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記合金層形成処理が行われた基板に対して前記添加金属と層間絶縁膜の構成元素との化合物からなるバリア層を形成するためにアニール処理行うための手段と、を有するアニールモジュールと、
    前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、アニール処理が行われた基板上の前記添加金属または添加金属の酸化物を除去するために有機酸またはケトン類の蒸気を前記処理容器内に供給する手段と、を有する表面処理モジュールと、
    前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記表面処理モジュールにて処理された基板上の凹部に銅を埋め込むための手段と、を有する成膜モジュールと、
    を備えたことを特徴とする半導体製造装置。
  5. 前記有機酸は、カルボン酸であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の半導体製造装置。
  6. 前記表面処理モジュールは、基板を１５０℃〜４５０℃に加熱して処理を行うための加熱手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載の半導体製造装置。
  7. 前記添加金属は、Ｍｎ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｖ、Ｙ、Ｔｃ、及びＲｅから選択された金属であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の半導体製造装置。
  8. 成膜モジュールにおける銅を埋め込むための手段は、ＣＶＤ法により銅を成膜するかまたはスパッタリングにより銅を成膜するための手段であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載の半導体製造装置。
  9. 前記搬送室に気密に接続され、基板を載置する載置部が内部に設けられた処理容器と、前記アニール処理が行われた基板を前記表面処理モジュールに搬入する前に酸化処理するために、処理ガスを前記処理容器内に供給する手段と、を有する酸化モジュールを備えたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載の半導体製造装置。
  10. 銅に添加金属を添加した合金層を層間絶縁膜における凹部の壁面に沿って形成する工程（ａ）と、
    次いで、前記添加金属と層間絶縁膜の構成元素との化合物からなるバリア層を形成するためのアニール処理を行う工程（ｂ）と、
    その後、前記基板上の前記添加金属または添加金属の酸化物を除去するために真空雰囲気中で基板の表面に対して有機酸またはケトン類の蒸気を供給して表面処理を行う工程（ｃ）と、
    しかる後、基板が置かれる雰囲気を真空雰囲気に維持したまま、基板上の前記凹部に銅を埋め込む工程（ｄ）と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 前記アニール処理を行う工程（ｂ）が行われた基板は、前記表面処理を行う工程（ｃ）の前に、大気雰囲気に曝されていて表面に自然酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
  12. 前記アニール処理を行う工程（ｂ）が行われた基板は、前記表面処理を行う工程（ｃ）の前に、不活性ガス雰囲気に置かれていたことを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
  13. 前記アニール処理を行う工程（ｂ）は真空雰囲気で行われ、その後基板は、真空雰囲気に置かれたまま前記表面処理を行う工程（ｃ）が行われることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
  14. 前記表面処理を行う工程（ｃ）は、基板を１５０℃〜４５０℃に加熱して行われることを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  15. 前記アニール処理を行う工程（ｂ）が行われた後、前記表面処理を行う工程（ｃ）が行われる前に、基板に処理ガスを供給して基板を酸化処理する工程を備えたことを特徴とする請求項１０ないし１４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
  16. 基板に対して処理を行う半導体製造装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
    前記コンピュータプログラムは、請求項１０ないし１５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法を実施するようにステップ群が組まれていることを特徴とする記憶媒体。
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