半导体器件的制造方法

专利名称：半导体器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的制造工序中铜布线的形成工序的制造方法。
背景技术：
近年来，随着硅半导体制品的微细化与高性能，铜布线受到广泛利用。有关铜布线的形成方法，由于对铜实施干蚀刻极为困难，因此一般使用包括通过对绝缘膜的干蚀刻形成布线沟的工序、通过对已形成的布线沟以溅射法形成阻挡膜再利用电解电镀法(electrolysis plating)埋入铜的工序、以及用化学机械研磨除去存在于布线沟外侧的多余阻挡膜及铜膜而将表面平坦化的工序等一连串工序(双金属镶嵌法Dual Damascene)。
在所述双金属镶嵌法中的进行化学机械研磨的工序中，对阻挡膜及铜膜进行化学机械研磨后，进行为了除去残留在衬底表面的研磨剂等微粒及金属污染的清洗处理，其后进行干燥衬底的处理。现在，化学机械研磨、清洗及干燥这一系列处理在同一装置内进行的方式、也就是所谓的全干燥工艺(dry-in/dry-out)方式的装置成为主流。作为这类进行一贯处理的化学机械研磨装置，例如专利文献1中，公开了一种研磨、清洗及干燥的一贯处理装置，该装置的特征在于在保持清洗干燥部的洁净度的目的下，利用水流遮断研磨部的气氛(atmosphere)与清洗干燥部的气氛。而且，例如专利文献2中，则公开了一种装置，该装置特征在于在提高化学机械研磨装置的生产量的目的下，在清洗处理室后边设置两个以上的干燥室同时进行干燥处理。在这些现有的一贯处理装置中，作为干燥装置，采用例如旋转干燥式(spin drying)、干燥气体喷吹式(dry gas blowing)、灯热式(lamp heating)或是IPA干燥方式。
近年来，所述研磨及清洗处理后残留在衬底上的水分对铜布线的可靠性产生影响已成为问题。换句话说，化学机械研磨后在铜布线之间的绝缘膜表面上存在有水分时，到进行下一工序为止，若经过一定时间以上的放置时间时，构成布线的铜通过水分产生迁移(migration)，在绝缘膜上形成薄的铜层。这样形成的薄铜膜就会在半导体元件的使用过程中，因为电流流过布线而成长。成长的铜抵达邻近布线时，就可能引起布线之间的短路。
图7(a)到图7(d)为说明引起所述布线之间短路的不良发生的原理的平面图。而且，图7(a)到图7(d)中，示出了在层间绝缘膜100中形成且具有阻挡膜的铜布线101，也示出了存在于层间绝缘膜100中的铜布线101之间的水分残留的状态。
如图7(a)到图7(d)所示，由于在层间绝缘膜100上的铜布线101之间的部分残留了水分102，发生构成铜布线101的铜迁移103(参照图7(b))。这迁移一旦更加发展(参照图7(c))，其后将发生布线之间短路不良104(参照图7(d))。由于这类布线之间短路不良的发生，可能使半导体制品发生不良，所以对于半导体制品的可靠性而言就成为大问题。因此，化学机械研磨后充分除去残留在衬底上的水分非常重要。
但是，进行所述双金属镶嵌法中的化学机械研磨后，如图8(a)平面图及图8(b)剖面图所示，在衬底上的层间绝缘膜200中形成具有阻挡膜的铜布线201的表面容易产生铜腐蚀缺陷202。这样，在层间绝缘膜200中形成的铜布线201表面容易产生铜腐蚀缺陷202，到进行下一工序的成膜处理为止的那一段时间，有必要进行处理以使铜布线201的表面不被腐蚀。一般来说，有关防止这一腐蚀的处理，通过在对阻挡膜进行的化学机械研磨中所使用的研磨剂中添加防蚀剂，而在阻挡膜的化学机械研磨处理中进行铜布线表面的防蚀处理。作为防蚀剂，使用三唑系列化合物、其衍生物、或是含有这些混合物的水溶性剂。其中，以苯并三唑(BTA)最常用。BTA与铜之间形成稳定化合物Cu-BTA，形成的Cu-BTA成为覆盖膜，防止铜布线的腐蚀。而且，专利文献3中，公开了化学机械研磨后或研磨中，包括将不含研磨剂而含防蚀剂的溶液加到衬底上，形成防蚀层的步骤的方法。
专利文献1特开2000-36477号公报专利文献2特开2003-51481号公报专利文献3特开2001-196379号公报

发明内容
首先，对于由于残留在所述绝缘膜中铜布线之间的部分的表面上的水分引起的问题，使用现有的采用旋转干燥式、干燥气体喷吹式、灯热式、或是IPA干燥方式等干燥方法情况下，任一方式下均无法解决问题。换句话说，首先，使用旋转干燥式或是干燥气体喷吹式的情况下，由于在衬底表面露出的层间绝缘膜具有吸湿性，所以不可能在短时间内将所吸收的水分充分除去。而且，使用灯热式的情况下，由于加热将促进构成布线的铜迁移，所以无法采用本方式。而且，使用IPA干燥方式的情况下，干燥后有机成份会有一小部分残留在衬底上，可能对布线通孔特性产生恶劣影响，因此，本方式还是无法使用。进一步地讲，随着今后元件的微细化，会使用吸湿性较高的低导电率的绝缘膜作为层间绝缘膜。因此，使用所述任一干燥方式的情况下，将化学机械研磨后的水分充分除去将变得更加困难。
以下，说明对例如使用作为清洗后的干燥方式的现在是主流的旋转干燥式，进行干燥处理时的布线可靠性评价结果的一例。而且，可靠性评价使用布线可靠性评价专用TEG，同时在125℃/2V的条件下进行36小时高温动作下的可靠性实验时，以发生不良的芯片数目为评价。而且，评价芯片数为每薄片(slice)576个。
对于利用旋转干燥式进行干燥处理后，到进行下一工序处理为止的放置时间为1小时及24小时的情况下的衬底，实施所述评价方法。其结果，放置时间为1小时的情况下，发生不良的芯片数为1个。相对的，放置时间为24小时的情况下，发生不良的芯片数为8个。通常，本评价的判断标准设定在不良芯片小于等于3个，利用旋转干燥式进行干燥处理时，到下一工序进行为止的24小时之间予以放置的话，产生了布线的可靠性将会大为降低的结果。这样一来，使用现有的干燥方法的装置，无法充分除去化学机械研磨后残留在衬底上的水分，残留水分造成的铜迁移的发生，对于铜布线的可靠性成为极大问题。
而且，在现有的通过研磨阻挡膜时添加防蚀剂或是研磨后加上含有防蚀剂的溶液，在铜布线的表面形成防蚀覆盖膜的方法中，有着在衬底上无法均匀形成防蚀覆盖膜的问题。像这样防蚀覆盖膜无法均匀形成的理由可以认为在于研磨阻挡膜时，衬底上的研磨液所含的防蚀剂的浓度，在衬底面内部并非相等。而且，即使是阻挡膜研磨后进行不含研磨剂而加上含有防蚀剂的溶液的步骤时，亦由于无法充分除去研磨阻挡膜后的研磨液及研磨屑，因此而难以在铜布线表面形成均匀且干净的防蚀覆盖膜。进一步地讲，在研磨后的衬底清洗工序中以碱及酸进行清洗及以纯水清洗，部分地除去研磨阻挡膜时形成的防蚀覆盖膜，这也成为无法在铜布线表面形成均匀的防蚀覆盖膜的进一步要因。
在确认铜布线表面是否形成均匀的防蚀覆盖膜的目的下，通过用在阻挡膜研磨剂中添加添加剂的现有方法中进行研磨处理后，将该衬底放置于大气中三天。这里，使用光学式缺陷检查装置，检查衬底表面，结果在例如如所述图8(a)及图8(b)所示的铜布线上，检查出大于等于1000个的腐蚀缺陷。这样，发生腐蚀缺陷的理由，如上所述，能够认为是由于在铜布线上是部分形成防蚀覆盖膜，而并未充分形成所致。这样的腐蚀缺陷，成为使铜布线产生断线的原因，对于半导体制品可靠性来说成为极大问题，但是如上所述，在现有方法中，难以在铜布线表面形成均匀且干净的防蚀覆盖膜。
有鉴于前，本发明是为了解决所述问题，其目的在于除去对铜膜进行化学机械研磨后残留在衬底上的水分，并且在铜布线上形成均匀且洁净的防蚀覆盖膜。
为了达成所述目的，本发明的半导体器件的制造方法包括在衬底上的绝缘膜形成布线沟的工序，以在绝缘膜上埋入布线沟的方式形成铜膜的工序，研磨布线沟外部的部分的铜膜形成布线的工序，对于形成布线后的衬底进行清洗处理的工序，以及清洗处理后除去残留在露出于布线之间的绝缘膜部分附近的水分的工序。
根据本发明的半导体器件的制造方法，研磨铜膜，形成布线，进行清洗处理后，除去残留在露出于布线之间的绝缘膜部分附近的水分。因此，能够防止由于研磨后残留在绝缘膜上的水分造成铜迁移到绝缘膜上。因此，能够抑制布线之间发生短路，提高布线的可靠性。
最好是，本发明的半导体器件的制造方法中，除去水分的工序包括在真空中使绝缘膜吸附的水分子脱离的工序。
这样一来，通过使处理室(chamber)内为真空状态，能够使得绝缘膜吸附的水分子脱离。
最好是，本发明的半导体器件的制造方法中，除去水分的工序后，进一步包括在布线表面涂敷防蚀剂的工序。
这样一来，由于除去残留在露出于布线之间的绝缘膜部分附近的水分后，再在布线表面涂敷防蚀剂，因此能够在布线表面形成均匀且干净的防蚀覆盖膜。因此，除防止铜布线腐蚀之外，同时防止铜布线发生断线，因此能够提高布线的可靠性。
最好是，本发明的半导体器件的制造方法中，在防蚀剂的涂敷工序后，进一步包括在真空中，除去残留在露出于布线之间的绝缘膜部分附近的水分的工序。
这样一来，因为能够完全除去防蚀剂涂敷后残留在绝缘膜上的少许水分，所以能够完全抑制铜迁移到绝缘膜上，完全防止布线短路。
根据本发明的半导体器件的制造方法，通过除去残留在露出于布线之间的绝缘膜部分附近的水分，能够防止由于研磨后残留在绝缘膜上的水分造成铜迁移到绝缘膜上，抑制布线之间短路的发生。因此，能够提高布线的可靠性。而且，通过除去残留在露出于布线之间的绝缘膜部分附近的水分后，再涂敷防蚀剂，能够在布线表面形成均匀且干净的防蚀覆盖膜。因此，防止铜布线的腐蚀，同时防止铜布线断线的发生，能够提高布线的可靠性。


图1为示出本发明第一实施例的半导体器件的制造方法的流程图。
图2为示出使用本发明第一实施例的半导体器件的制造方法的半导体器件的构成图。
图3为示出使用本发明第一实施例的半导体器件的制造方法的铜布线的可靠性评价结果的曲线图。
图4为示出本发明第二实施例的半导体器件的制造方法的流程图。
图5为示出使用本发明第二实施例的半导体器件的制造方法的半导体器件的构成图。
图6为示出使用本发明第二实施例的半导体器件的制造方法时铜布线的腐蚀缺陷评价结果的曲线图。
图7(a)～图7(d)为说明铜布线发生不良机制的平面图。
图8(a)为说明铜布线腐蚀缺陷的平面图，图8(b)为说明铜布线的腐蚀缺陷的剖面图。
具体实施例方式
以下参照

本发明的各实施例。
(第一个实施例)以下参照附图，说明本发明第一实施例的半导体器件的制造方法。具体的，以下按照图1所示本发明第一实施例的半导体器件的制造方法的流程图，并参照图2中本发明第一实施例的半导体器件的制造方法中使用的半导体制造装置的概略构成图，说明本发明第一实施例涉及的半导体器件的制造方法。
首先，说明如图1所示的工序S1。利用干蚀刻在图中未示的半导体衬底上的层间绝缘膜中形成布线沟后，利用溅射法在含有布线沟的层间绝缘膜上依序形成阻挡膜及铜种膜。接着，如图1所示，根据电解电镀法，在半导体衬底上以埋入布线沟的方式形成铜膜后，对形成的铜膜进行退火处理。
接着，说明在工序S1后进行的如图1所示的工序S2。利用图2所示的构成载入载出部(loading/unloading unit)1的干式机器手(dry robot)12，将在工序S1中沉积了铜膜的半导体衬底，从载入台(load port)11搬送到化学机械研磨部2安装到研磨头13上。在铜膜研磨部21，对形成在安装到研磨头13的半导体衬底上的铜膜进行研磨，直到铜膜底下的阻挡膜露出为止。
接着，说明工序S2后进行的如图1所示的工序S3。研磨铜膜后，将安装有半导体衬底的研磨头13移动到阻挡膜研磨部22。其次，在阻挡膜研磨部22，对半导体衬底上的阻挡膜进行研磨直到阻挡膜底下的层间绝缘膜露出为止。其后，利用构成清洗部3的湿式机器手(wet robot)14，将半导体衬底从研磨头13搬送到构成清洗部3的清洗槽15内。
接下来，说明工序S3后进行的如图1所示的工序S4。在构成清洗部3的清洗槽15中，通过药液及刷子清洗，除去存在于半导体衬底上的研磨剂等微粒及金属等污染物质。
接下来，说明工序S4后进行的如图1中所示的工序S5。工序S4的清洗后，进行旋转干燥。而且，现有的方法中，这一旋转干燥后，用干式机器手12将半导体衬底搬送到载入台11。
在本发明的半导体器件的制造方法中，在工序S5后实施如图1所示的工序S6。换句话说，清洗部3的旋转干燥后，在水分除去部4除去存在于形成在半导体衬底1上的层间绝缘膜的水分。具体来说，利用水分除去部机器手16，将工序S5中旋转干燥的半导体衬底搬送到设置多个的真空处理室内17中任一真空处理室内17，并使其在半导体衬底支持台上受到保持。此真空处理室17，能够通过真空泵将其抽空为109Pa以下的真空。接着，通过使用真空泵使真空处理室17内的气氛成为真空状态，使层间绝缘膜上吸附的水分(水分子)从层间绝缘膜脱离而排气，因此存在于层间绝缘膜表面附近的水分被除去。真空处理室17安装有为了测量真空处理室内17的水分浓度的水分浓度测定器18、例如四极型质谱分析器，使用此水分浓度测定器18，测量真空处理室内的水分浓度，当测得的水分浓度成为一定浓度以下、例如小于等于1ppm时，结束除去水分的处理。其后，使用干式机器手12，将半导体衬底载出到载入台11。如上所述，图2中所示的半导体制造装置内的一连串处理告结束。
其次，说明工序6后实施的如图1所示的工序S7。工序S6的水分除去工序后，在布线上形成层间绝缘膜，进一步地形成上层布线。
以下，参照图3，说明通过使用本发明第一实施例半导体器件的制造方法，是否提高了布线的可靠性。
首先，作为评价布线可靠性是否提高的方法，使用布线可靠性评价专用TEG，在125℃/2V条件下进行36小时高温动作的可靠性实验，评价产生不良的芯片个数。而且，评价芯片个数为每薄片576个。使用所述评价专用TEG，对实施化学机械研磨后，使用现有方式即旋转干燥式进行干燥处理的情况与使用本发明实施水分除去处理的情况进行比较评价。此外，在现有方式的干燥处理后或本发明的水分除去处理后，到下一工序的处理实施为止的放置时间设定为24小时。
在实施本发明的水分除去处理后，到进行下一工序的处理为止放置24小时的情况下，使用布线可靠性评价专用TEG，做高温动作的实验结果，如图3所示。此外，图3中也同样示出实施现有的旋转干燥式的干燥处理的情况下的实验结果。进一步地说，还同样示出从进行现有的旋转干燥式的干燥处理后，到进行下一工序的处理为止放置1小时的结果。
如图3所示，实施旋转干燥式干燥处理，到下一工序为止放置24小时的情况下，发生不良芯片数为8个；相对的，实施本发明的水分除去处理，到下一工序为止放置24小时的情况下，发生不良芯片数为0个。通常，本可靠性评价的可靠性合格标准，设定为产生的不良芯片数为小于等于3个；如图3清楚示出，使用旋转干燥式的干燥处理时未能满足可靠性合格标准，但是使用本发明的水分除去处理的情况下，结果满足可靠性合格标准；可以得知，使用本发明的水分除去处理时，大幅地提高了布线的可靠性。能够获得此一结果的理由在于通过本发明的水分除去处理，在所述工序S2及工序S3的化学机械研磨后，能够除去形成在半导体衬底上的层间绝缘膜上残留的水分，防止化学机械研磨后残留的水分导致铜迁移到层间绝缘膜上，抑制布线之间短路的发生。
如上说明，根据本发明第一实施例半导体器件的制造方法，能够除去化学机械研磨后，残留在半导体衬底上的层间绝缘膜上的水分，提高铜布线的可靠性。
(第二实施例)参照

本发明第二实施例的半导体器件的制造方法。以下，按照图4所示本发明第二实施例的半导体器件的制造方法的流程图，并参照图5本发明第二实施例的半导体器件的制造方法所使用的半导体制造装置概略构成图，具体说明本发明第二实施例的半导体器件的制造方法。
但是，如图4所示，本发明第二实施例的半导体器件的制造方法与本发明第一实施例的半导体器件的制造方法，其不同在于比图1所示流程追加了工序S11，其他则相同；因此以下以其相异点为中心进行说明。而且，伴随其相异点，本发明第二实施例涉及的半导体器件的制造方法中使用的半导体制造装置，如图5所示，具有防蚀剂涂敷部4a，以取代构成图2所示本发明涉及第一实施例的半导体器件的制造方法中使用的半导体制造器件水分除去部4；防蚀剂涂敷部4a，包括了防蚀剂涂敷机器手16a、真空处理室17a、以及防蚀剂涂敷槽19。
首先，在图4所示的工序S1到S5中，进行如所述第一实施例中利用图1及图2所作说明一样的处理。而且，现有方法中，如第一实施例中已经说明的，工序S5后使用干式机器手12将半导体衬底搬送到载入台11。
本发明第二实施例的半导体器件的制造方法中，进行与第一实施例相同的工序，即实施除去半导体衬底上形成的层间绝缘膜上残留水分的工序S6后，实施对半导体衬底上涂敷防蚀剂的工序S11。
这里说明图4所示的工序S6。换句话说，在清洗部3的旋转干燥(工序S5)后，在防蚀涂敷部4a，除去残留在半导体衬底1上形成的层间绝缘膜上的水分。具体来说，使用防蚀剂涂敷机器手16a，将在工序S5中旋转干燥的半导体衬底搬送到设置的多个真空处理室17a的任一真空处理室17a内，保持在半导体衬底支持台上。此真空处理室17a能够利用真空泵使其抽空到109Pa真空状态。接着，使用真空泵使真空处理室17a室内气氛为真空状态，使层间绝缘膜上吸附的水分子从层间绝缘膜脱离排气，因此存在于层间绝缘膜表面附近的水分将被除去。在真空处理室17安装了测量真空处理室内17的水分浓度的水分浓度测定器18、例如四极型质谱分析器，使用这一水分浓度测定器18，测量真空处理室内的水分浓度，当测得的水分浓度成为一定浓度以下、例如小于等于1ppm时，结束除去水分的处理。其后，使用防蚀剂涂敷机器手16a，将半导体衬底搬送到防蚀剂涂敷槽19内。
接着，说明图4所示的工序S11。
防蚀剂涂敷槽19在其内部具有能够旋转的衬底保持机构，将防蚀剂供应到半导体衬底上的喷嘴，以及将纯水供应到半导体衬底上的喷嘴。这里，供应防蚀剂的喷嘴能够相对半导体衬底沿半径方向移动(振动)。在被搬送到防蚀剂涂敷槽19的半导体衬底，借助衬底保持机构被保持且以500rpm进行旋转的状态下，从供应防蚀剂的喷嘴，将防蚀剂供应30秒，即在半导体衬底表面的铜膜上形成防蚀覆盖膜。这里，使用含有1％的BAT溶液作为防蚀剂，以1升/分供应到半导体衬底上。而且，供应防蚀剂的喷嘴，以2.5cm/sec的速度，相对半导体衬底沿半径方向进行往返动作，能够在半导体衬底上形成在衬底面内均匀性良好的防蚀覆盖膜。接着，通过从供应纯水的喷嘴将纯水供应到半导体衬底上，将多余防蚀剂除去后，再通过使半导体衬底以1500rpm旋转，进行旋转干燥。其后，使用干式机器手12，将半导体衬底载出载入台11。如上所述，完成图5中所示半导体制造装置内的一连串处理。
接着，说明工序S11后进行的图4中所示的工序S7。工序S11防蚀剂涂敷工序后，在布线上形成层间绝缘膜，进一步地在上层形成布线。
以下，参照图6，说明适用本发明第二实施例的半导体器件的制造方法时的布线表面状态的评价。
首先，本评价中使用具有0.2um宽的铜布线及1.0um宽的铜布线的铜布线图案的TEG晶片进行评价。对于所述TEG晶片，进行现有例子说明的防蚀处理的情况，以及以本实施例进行防蚀处理的情况，各自处理后，在大气中放置3天后，使用光学式缺陷检查器件，进行TEG晶片表面状态的比较评价。
从图6清楚得知，使用现有方式处理的情况下，铜布线发生的腐蚀缺陷为大于等于1000个，相对的，以本实施例处理的情况下，铜布线的腐蚀缺陷为小于等于10个。获得这样结果的理由在于根据本实施例的处理，除去所述工序S2及工序S3中化学机械研磨后残留在半导体衬底上的水分后，形成防蚀覆盖膜，能够在铜布线表面形成均匀的防蚀覆盖膜，其结果，即使将半导体衬底长时间放置于大气中，铜布线表面腐蚀的进行受到抑制。
如上说明，根据本发明第二实施例的半导体器件的制造方法，除去化学机械研磨后半导体衬底上形成的层间绝缘膜上的残留水分后，形成防蚀覆盖膜，因此与第一实施例一样，能够除去水分抑制布线之间短路的发生，并且，能够在铜布线上形成均匀的防蚀覆盖膜，而防止铜布线腐蚀缺陷的产生，同时防止铜布线断线，进一步提高铜布线的可靠性。
此外，进行图4所示的防蚀剂涂敷工序S11后，将半导体衬底搬送到如图5所示的真空处理室17a内，也能够再一次进行对半导体衬底上形成的层间绝缘膜上的残留水分的除去处理。这样一来，涂敷防蚀剂工序S11后，能够将半导体衬底上形成的层间绝缘膜上残留的少许水分完全除去。因此在半导体衬底上能够均匀形成防蚀覆盖膜，并且，也能够防止铜迁移到层间绝缘膜。其结果，能够防止布线的断线及布线间的短路不良，因此能够大幅度地提高布线的可靠性。
实用性本发明的半导体器件制造方法，能够提高铜布线的可靠性，对于具有多层布线的高性能半导体器件的制造非常有用。
权利要求
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括在衬底上的绝缘膜形成布线沟的工序；在所述绝缘膜上以埋入所述布线沟的方式形成铜膜的工序；研磨存在于所述铜膜的所述布线沟外部的部分，形成布线的工序；对形成所述布线后的所述衬底进行清洗处理的工序；以及所述清洗处理后，除去残留在所述绝缘膜露出在所述布线之间的部分附近的水分的工序。
2.根据权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其中所述除去水分的工序包括在真空状态下，使所述绝缘膜吸附的水分子脱离。
3.根据权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其中在所述除去水分的工序后，进一步包括在所述布线的表面涂敷防蚀剂的工序。
4.根据权利要求1或2所述的半导体器件的制造方法，其中所述涂敷防蚀剂的工序后，进一步包括在真空中除去残留在所述绝缘膜露出在所述布线之间的部分附近的水分的工序。
全文摘要
本发明公开了一种半导体器件的制造方法，在衬底上的绝缘膜形成布线沟后，以在绝缘膜上将布线沟埋起的方式形成铜膜。接着，研磨存在于布线沟外部的铜膜部分形成布线后，对衬底进行清洗处理。其后，在真空状态下除去露出在布线之间的绝缘膜部分附近的残留水分。这样，通过除去对铜膜进行化学机械研磨后残留在绝缘膜上的水分，便防止铜迁移到绝缘膜上，并防止布线之间的短路。
文档编号H01L21/768GK1661792SQ20051000656
公开日2005年8月31日 申请日期2005年2月23日 优先权日2004年2月24日
发明者大塚英树, 青木则茂, 今井伸一 申请人:松下电器产业株式会社