JP2000311868A

JP2000311868A - 負イオンを用いた表面処理装置及び表面処理方法及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2000311868A
Application number: JP11120207A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Furukawa; 雅一古川; Hideo Kitagawa; 英夫北川; Haruo Shindo; 春雄進藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】プラズマ中に存在する高エネルギーイオンや
高エネルギーフォトンが基板に入射することをなくし、
低ダメージな表面処理装置及び方法を実現するととも
に、チャージアップダメージの少ない気相処理装置と、
それを用いて微細なコンタクト孔内に金属を良好に埋め
込む方法を提供する。【解決手段】被処理基体処理空間１０８とそれに連通
する負イオン生成空間１０５を提供する真空容器と、該
負イオン生成空間に連通するラジカル生成供給手段１０
１、１０３、１１４と、該負イオン生成空間に接続され
た電子供給手段１０４と、該被処理基体処理空間内に被
処理基体を設置するための被処理基体支持手段１１１
と、前記負イオンを前記被処理基体に入射させる手段１
０９と、を有することを特徴とする、負イオンを用いた
表面処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面処理装置及び
表面処理方法及び半導体装置の製造方法に関し、特に半
導体製造プロセスにおける配線形成工程の中で、配線層
間や配線層と拡散層とを接続するための微細なコンタク
ト孔の内部に金属を埋め込む半導体装置の製造方法にお
いて、化学気相成長法によってコンタクト孔内のバリア
メタル上に金属膜を形成する前に行う、バリアメタル表
面のクリーニング工程において主に利用される装置及び
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の微細化に伴い、半導体基板
表面に形成された不純物拡散層と金属配線層との間や、
異なる金属配線層間を接続するためのコンタクト孔も微
細になり、そのアスペクト比（深さ／開口寸法）も１を
はるかに越えるようになっている。このようなコンタク
ト孔内に配線用金属膜を形成する方法として、従来はス
パッタ法が用いられてきた。しかし、微小なコンタクト
孔内に、スパッタ法によって金属膜を良好に埋め込むの
は困難であり、バイアススパッタ法、コリメーションス
パッタ法、ロングスロースパッタ法等様々な改良がなさ
れているにも関わらず、その限界はアスペクト比２程度
であると言われている。そこで、アスペクト比が２以上
の微細なコンタクト孔を埋め込む方法として、化学気相
成長法（ＣＶＤ法）が使用されている。ＣＶＤ法による
微細コンタクト孔への金属の埋め込みは、６弗化タング
ステンガスを用いたタングステンの埋め込みが現在量産
ラインにおいて広く用いられているが、タングステンは
抵抗が高いため、より低抵抗な金属のＣＶＤ法による微
細コンタクト孔への埋め込みが検討されている。

【０００３】低抵抗な配線金属のＣＶＤ法による成膜と
しては、アルミニウム及び銅について様々な検討が為さ
れている。これらのうち、特にアルミニウムについて
は、ＤＭＡＨ（ジメチルアルミニウムハイドライド）と
水素を用いた熱ＣＶＤ法により、高品質な膜質と高い成
膜速度が達成されており、タングステンに次ぐコンタク
ト孔の埋め込み材料として、注目を集めている。

【０００４】ＣＶＤ法によるアルミニウム配線形成プロ
セスは、例えば以下の様な工程で行われる。まず、ドラ
イエッチングにより絶縁膜にコンタクト孔を形成し、ク
リーニングを行った後、コンタクト孔内部及び絶縁膜表
面を含めた基板表面全体に、バリアメタルと呼ばれる窒
化チタン等の下地金属膜を形成する。次に、下地金属で
ある窒化チタン等の表面の汚染物質を除去する目的で、
プラズマを用いたクリーニングを行い、更に、基板を真
空中に保持したままでＣＶＤ室に搬送し、ＤＭＡＨと水
素を用いてアルミニウム膜を堆積する。

【０００５】ここで、アルミニウムを堆積する前のプラ
ズマクリーニングとしては、アルゴン等の不活性ガスプ
ラズマを用いて基板表面を物理的にスパッタリングする
方法や、塩素等のハロゲンガスプラズマを用いて基板表
面をエッチングする方法（特開平７−２２６３８７号公
報）、及び水素プラズマを用いて基板表面酸化層を還元
する方法（特開平８−２９８２８８号公報）が開示され
ているが、不活性ガスの場合はスパッタされた酸素が基
板表面に再付着するため表面から酸素を完全に除去する
のが困難であること、またハロゲンガスの場合は、吸着
したハロゲン元素を完全に除去するのが困難であり、引
き続き成膜されるアルミニウムが腐食する可能性がある
ことから、水素プラズマによる処理が最適であると考え
る。

【０００６】水素プラズマによる表面酸化膜や有機物の
除去は、シリコン基板上については文献（Ｒｅａｌ−Ｔ
ｉｍｅ，ＩｎＳｉｔｕＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆ
Ｒｏｏｍ−ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｉｌｉｃｏｎ
ＳｕｒｆａｃｅＣｌｅａｎｉｎｇＵｓｉｎｇＨ
ｙｄｒｏｇｅｎａｎｄＡｍｍｏｎｉａＰｌａｓｍ
ａｓ．Ｚｈｅｎ−ＨｏｎｇＺｈｏｕｅｔ．ａｌ．
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｖｏｌ．１４０
Ｎｏ．１１（１９９３）ｐ３３１６）に、またＧａＡ
ｓ基板上については、文献（ＧａＡｓｃｌｅａｎｉｎ
ｇｗｉｔｈａｈｙｄｒｏｇｅｎｒａｄｉｃａｌ
ｂｅａｍｇｕｎｉｎａｎｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｖ
ａｃｕｕｍｓｙｓｔｅｍ．Ｓ．Ｓｕｇａｔｅｅｔ．
ａｌ．Ｊ．Ｖａｃ．ＳｃｉＴｅｃｈｎｏｌ．Ｂ６
（４）ｐ１０８７（１９８８）に記述されている。文献
では、シリコン表面のＳｉ−Ｏ結合は、エネルギーを持
った水素イオンの入射により還元され、酸素がＨ₂Ｏの
形で除去されると共に、シリコン表面はＳｉ−Ｈの形で
水素終端され、また有機物については、水素ラジカルの
みで反応し、ＣＨｘの形で除去されると記述されてい
る。この水素プラズマによるクリーニング処理は、還元
作用による表面酸化膜及び有機物の除去というメカニズ
ムを考えると、シリコンやＧａＡｓ表面のみならず、Ｔ
ｉＮ、ＴａＮ等のバリアメタルやＡｌ、Ｃｕ等の金属の
表面のクリーニングにおいても、入射イオンのエネルギ
ーを変えることで、有効に働くと考えられる。

【０００７】ところで、従来のプラズマクリーニングプ
ロセスにおいては、たとえば集積回路プロセス技術シリ
ーズ、半導体ドライエッチング技術（徳山魏編著、産業
図書（株）発行）、４１ページに示されているように、
主に正イオンを利用してきた。

【０００８】図７は、従来使われてきた平行平板型プラ
ズマ処理装置の断面を示している。図７において、７０
１は高周波電源、７５１は高周波印加電極、７１０は半
導体基板、７５２はイオンシース、７５３はプラズマ、
７５４は真空容器、７５５は接地電極、７０２はプロセ
スガス導入口を表わしている。この装置では、プラズマ
を生成するために高周波を印加する電極７５１が真空容
器７５４内に設置されている。また、処理される被処理
基体７１０は、高周波を印加した電極７５１上に設置さ
れている。電極に高周波を印加すると、平行に設置され
た高周波印加電極７５１と設置電極７５５の間にプラズ
マ７５３が生成される。この時、プラズマ７５３と高周
波印加電極７５１および真空容器７５４の間には、プラ
ズマ７５３中のイオンと電子の易動度の差によりイオン
シース７５２と呼ばれる、電子の欠乏した領域が発生
し、電極に対してプラズマは平均して正の電位となる。
高周波を印加している電極７５１では、接地している電
極７５５に比べてプラズマに対する電位差が大きく、最
大で数百Ｖとなることもある。このようなシースの電位
にプラズマ７５３内の正イオンが加速されて、被処理基
体７１０にある一定のエネルギーを持って入射する。こ
のエネルギー粒子を利用して、基体表面にエッチングお
よびクリーニングを行う。これまで半導体製造プロセス
では、上記の通り正イオンのみが利用され、負イオンは
ほとんど利用されていなかった。しかし最近になって、
ハロゲン原子を含むプロセスプラズマ中での負イオンが
注目され、負イオンを利用したプラズマ処理方法がこれ
までにいくつか提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来用
いられてきた正イオンによる処理では、処理中に被処理
基体表面に正電荷が蓄積する。これは、イオンと電子の
熱運動による横方向の速度差に起因するものであり、軽
い電子は横方向速度が大きいため深い穴の底までは到達
しないが、イオンは質量が大きいため横方向速度が小さ
く、深い穴の底まで到達するために、深い穴の底での正
の電荷が蓄積するという現象である。またこの帯電現象
は、イオンのエネルギー衝撃による二次電子の放出によ
り、さらに増幅される。この帯電により、電界効果トラ
ンジスタのゲート酸化膜に絶縁耐圧以上の大きな電界が
かかり絶縁破壊を起こす異常や、レジストマスクの帯電
によりクーロン力で被処理基体に入射する正イオンの軌
道が曲げられ、エッチング形状が崩れるなどの問題点が
発生していた。

【００１０】このような異常を改善するため、例えば特
開平８−１８１１２５号公報に示されているような、正
イオンと負イオンの交互照射による帯電のないプラズマ
処理が提案されている。しかしこの方法では、入射する
イオンの電荷は正負が同数であるためチャージニュート
ラリティーが維持されている様に見えるが、実は前節で
も述べた通り、イオンのエネルギー衝撃による二次電子
の放出が発生している。基体表面からの二次電子放出
は、入射イオンのエネルギーが１０ｅＶ程度以上で発生
するため、エネルギー粒子を用いたプロセスでは、二次
電子放出による被処理基体表面の帯電は避けることがで
きない。以上の事実を考慮すると、上記技術において
も、正イオンのみによる処理に比べれば程度は軽いもの
の、被処理基体表面はやはり正に帯電してしまう。

【００１１】また、文献Ｍｉｚｕｔａｎｉ，Ｔ．ａｎ
ｄＮｉｓｈｉｍａｔｓｕ，Ｓ，“Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎ
ｇＹｉｅｌｄａｎｄＲａｄｉａｔｉｏｎＤａｍ
ａｇｅｂｙＮｅｕｔｒａｌＢｅａｍＢｏｍｂａ
ｒｄｍｅｎｔ，”Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈｎ
ｏｌ．，Ｖｏｌ．Ａ６，ｐ１４１７，（１９８８）に示
されているような、中性粒子による帯電のないプラズマ
処理も提案されている。しかしこの方法においても、入
射する粒子は電荷を持っていないが、粒子のエネルギー
衝撃による二次電子の放出は同様に起こるため、被処理
基体表面はやはり正に帯電してしまう。

【００１２】以上の問題点を解決するために、負イオン
を優先的に用いた処理が提案されている。従来の負イオ
ンを用いた処理装置は、基体を設置した処理空間と同一
の室内でプラズマを生成し、そのプラズマより負イオン
を取り出して基体に入射させるものであった。しかし、
このような装置構造では、プラズマ中の高エネルギーイ
オン及び高エネルギーフォトンが基板に入射し、ダメー
ジを与えるという問題点があった。

【００１３】また、従来の負イオン発生装置は、主に核
融合装置の中性ビーム注入加熱に使われてきた。特開平
７−１４２０２０号公報に開示されている電子ビーム励
起水素負イオン源では、電子ビームによる水素負イオン
の生成を、高エネルギー電子によるＨ₂→Ｈ₂ ^*と、低エ
ネルギー電子によるＨ₂ ^*→Ｈ⁺＋Ｈ^-という２つの反応
を用いて行っている。しかし、２つの反応を電子ビーム
で行うため、電子ビームのエネルギー制御が難しい、装
置構造が複雑になるなどの問題点があった。

【００１４】［発明の目的］本発明の目的は、簡単な装
置構成で、負イオンを用いた表面処理装置及び表面処理
方法を実現することにある。

【００１５】また、本発明の目的は、チャージアップダ
メージの少ない気相処理装置と、それを用いて微細なコ
ンタクト孔内に金属を良好に埋め込む方法を提供するこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めの、本発明のアルミニウム膜の成膜前の半導体装置の
製造方法は、水素又は水素元素を含むガスを用いて水素
ラジカルを生成し、水素ラジカルに電子を付着させる方
法で水素負イオンを生成させ、該水素負イオンを被処理
基体に入射させて処理を行う方法である。

【００１７】また、負イオンを生成するための装置は、
被処理基体処理室（処理空間)と負イオン生成室（生成
空間)からなる真空容器において、負イオン生成室（生
成空間)に輸送管を介して接続されたプラズマ生成室内
にガスを導入してプラズマを発生し、輸送管内で寿命の
短いイオンを再結合させ寿命の長いラジカルだけを取り
出して負イオン生成室（生成空間)に供給するラジカル
供給装置と、負イオン生成室（生成空間)に接続され、
負イオン生成室に電子を供給する電子供給装置と、前記
ラジカル供給装置より供給されたラジカルに前記電子供
給装置より供給された電子を付着させて負イオンを生成
する負イオン生成室と、負イオン生成室より負イオンを
取り出し所定のエネルギーに加速するための、少なくと
も１つ以上の直流電圧を印加したグリッドと、被処理基
体を真空容器内に設置するための直流電圧を印加された
導電性支持台と、被処理基体より放出された二次電子を
捕捉するための、被処理基体支持台上に設置され直流電
圧を印加されたグリッド電極、を併せ持つものである。

【００１８】また、前記表面処理装置によって処理され
る基体は、半導体基板上に堆積された絶縁膜に凹部が形
成され、該凹部の内面又は底面にバリアメタルが形成さ
れ、該凹部がコンタクトホール、ビアホール、シングル
ダマシン構造の配線溝、デュアルダマシン構造の配線溝
の内の何れかの構造を持つものである。

【００１９】また、前記ラジカル生成供給手段に導入す
るガスは、水素又は水素元素を含むガスである。

【００２０】また、前記プラズマ発生手段は、マイクロ
波放電型、容量結合型、誘導結合型、マグネトロン型、
ヘリコン波型、ＥＣＲ型、表面波型、平板マルチスロッ
トアンテナによる表面波干渉型の何れかであると良い。

【００２１】また、前記プラズマ発生手段及び輸送する
手段の少なくとも内面が、酸素を含まない材料で構成さ
れていることを特徴とし、このような材料としては、Ａ
ｌＮ，ＳｉＣなどから選ばれる。

【００２２】また、前記電子供給手段が、三極管型、熱
フィラメント型または電界放出型の電子銃などであるこ
とを特徴とする。

【００２３】また、前記被処理基体支持手段に、正の直
流電圧またはパルス状の電圧を印加する手段を有するこ
とを特徴とする。

【００２４】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
被処理基体上に、配線を形成するための凹部を有する絶
縁膜が形成され、該絶縁膜の表面及び凹部の内周面上、
或いは該凹部の底面上にバリアメタルを形成し、該バリ
アメタル表面をクリーニングし、引き続き化学気相成長
法を用いて配線用金属を堆積する半導体装置の製造方法
において、該バリアメタル表面の半導体装置の製造方法
が、負イオンを前記被処理基体に供給して処理を行う方
法であることを特徴とする。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明のプラズマ処理装置及び処
理方法を図１を用いて説明する。図１において、１０１
はマイクロ波電源、１０２はプロセスガス導入口、１０
３は輸送管、１０４は電子供給装置、１０５は負イオン
生成室（生成空間)、１０６は負イオン閉じ込め用磁
石、１０７は磁気フィルタ、１０８は被処理基体処理室
（処理空間)、１０９は第一のグリッド、１１０は被処
理基体、１１１は被処理基体支持台、１１２は直流電源
を表わしている。

【００２６】まず、プロセスガス導入口１０２より水素
又は水素元素を含むガスを導入して圧力を所定の値に設
定し、マイクロ波電源１０１より電力を供給することに
よりマイクロ波放電プラズマ１１３を生成する。

【００２７】プラズマ中で生成した正イオン、電子、ラ
ジカルの内、正イオンと電子は、輸送管１０３中を輸送
されていく内に再結合して中性化し、一方ラジカルの寿
命は比較的長いため輸送管中でも再結合しにくく、負イ
オン生成室（生成空間)１０５に到達した時には、大半
が水素（原子、分子）ラジカルと水素分子となってい
る。

【００２８】以上のように、高周波放電によりラジカル
を生成する方が、電子ビームを用いるよりも装置構造が
簡単で、大量に生成でき、且つ制御性もはるかに向上す
る。

【００２９】また、負イオン生成室１０５に接続された
電子供給装置１０４を用いて、前記負イオン生成室に導
入された水素ラジカルに電子を供給する。電子供給装置
としては、例えば三極管型、熱フィラメント型または電
界放出型などの電子銃が考えられるが、電子を放出する
物であれば、上記以外の物であってもかまわない。

【００３０】以上のような方法により、負イオン生成室
に水素ラジカルと電子を同時に供給し、水素ラジカルに
電子を付着させることにより、水素負イオンを生成す
る。また、負イオン生成室中に電子を解離しやすい元素
を添加することにより、電子密度が増加し、前記反応が
より一層促進されると考えられる。電子を解離しやすい
元素としては、例えばセシウム、ルビジウムなどのアル
カリ金属又は、バリウム、ストロンチウム、カルシウム
などのアルカリ土類金属が考えられる。

【００３１】負イオン生成室にて生成された負イオン及
び電子は、チャンバー壁に拡散して再結合することによ
り、その密度が低下してしまう。これを防止するため
に、負イオン生成室のチャンバー外壁に、多極型磁場を
形成するための磁石を設置しても良い。

【００３２】図２は、多極型磁場を形成するために必要
な磁石の配置を明らかにするため、図１の負イオン生成
室１０５の断面を上方から見た図であり、１０６は負イ
オン閉じ込め用永久磁石である。図のような磁石配置に
することにより、荷電粒子の壁への拡散が抑制され、負
イオンを高密度のまま負イオン生成室内に閉じ込めるこ
とができる。

【００３３】以上のようにして生成された、負イオンを
多量に含む気体より負イオンを取り出すために、真空容
器中に第一のグリッド電極１０９を設置する。更に、第
一のグリッド電極にＶ１の直流電圧を印加し、その電圧
はＶ１＞０となるようにする。このようにグリッド電極
に電圧を印加することにより、負イオンは約Ｖ１（ｅ
Ｖ）に加速され、グリッド方向に引き出される。Ｖ１の
値を調整することにより、負イオンのエネルギーを任意
に調整することが可能である。また図１では負イオン引
き出し用として１枚のグリッド電極を設置する例を示し
たが、２枚以上のグリッド電極があってもかまわない。

【００３４】本負イオン生成方法では、多量の電子が電
子銃より放出されるため、負イオン生成室内には、負イ
オン以外に多量の電子も存在する。負イオンと電子の両
方が含まれる気体中より電子を取り除くため、負イオン
生成室と被処理基体処理室（処理空間)の間に、磁気フ
ィルタ１０７を設置する必要がある。

【００３５】図３は、磁気フィルターの具体的構造と原
理を示したものであり、３２０は永久磁石である。磁気
フィルターは、図３中に示された磁極の配置を持つ永久
磁石を二本平行に並べたもので、装置中の電界に対し
て、垂直な方向に磁場が形成される。電解中を運動する
粒子は、前記磁場が印加された領域に来ると、ローレン
ツ力が働き、電界及び磁界方向に対して垂直な力を受け
る。電荷が等しい電子３２１及び負イオン３２２は同じ
大きさの力を受けるが、質量が小さい電子３２１が大き
く曲げられるのに対し、重いイオン３２２はその軌道が
ほとんど変わらない。このため、ほとんどの電子が真空
容器壁に衝突し、負イオンのみが基体に入射する。

【００３６】以上のようにして引き出された負イオンの
下流方向に被処理基体支持台１１１を設置する。また、
支持台の直前に、二次電子捕獲用のグリッド電極を設置
する。図１においては、第一のグリッド電極１０９が、
二次電子捕獲用グリッドも兼ねている。支持台、第一グ
リッドそれぞれに直流電圧Ｖｓ、Ｖ１を印加し、Ｖ１＞
Ｖｓ＞０となるように電圧値を設定する。以上のように
して、プラズマ中より引き出された負イオンは、約Ｖｓ
（ｅＶ）のエネルギーを持って、被処理基体１１０に入
射する。また、被処理基体１１０の表面より放出された
二次電子は、Ｖ１−Ｖｓの電界に加速されて第一のグリ
ッドに捕獲され、被処理基体１１０の表面に過剰の負の
電荷がたまるのを防止する。Ｖ１、Ｖｓの電位を調整す
ることにより、被処理基体１１０への負イオンの入射エ
ネルギーおよび基体表面からの二次電子放出量を任意に
調整することが可能である。また、支持台１１１上に直
接被処理基体１１０を設置すると、被処理基体１１０の
表面に蓄積した負電荷がゲート酸化膜を通して支持台１
１１に流れ込み、結果としてゲート酸化膜破壊をもたら
すことがある。これを防止するためには、支持台１１１
と被処理基体１１０の間に絶縁性の板を設置しても良
い。絶縁性板の材質としては、例えばアルミナ、窒化ア
ルミナなどが考えられるが、絶縁性であり且つプラズマ
耐性が高い性質を有している材料は全て適用することが
可能である。

【００３７】以上の構造の装置を用いて処理を行った場
合には、中性ラジカルの排除を意図的に行っていないの
で、被処理基体には負イオン以外に中性ラジカルも入射
する。しかし、入射するラジカルの運動エネルギーは非
常に低いため、被処理基体表面に付着するのみで、自発
的な反応によるクリーニング効果はほとんど期待できな
い。しかし、水素が吸着した表面にエネルギーを持った
負イオンが入射すると、所謂イオンアシスト反応が起こ
り、負イオンだけが入射する時よりも、反応速度が増速
されると考えられる。即ち、中性ラジカルの存在は、ク
リーニング速度の増速と言うメリットはあるものの、デ
メリットは全くないと言って良いため、意図的な排除を
行う必要はない。

【００３８】負イオンを用いて処理を行った場合、被処
理基体に対して以下のように作用する。まず、負イオン
が被処理基体に入射しても、入射エネルギーが１０ｅＶ
程度以上あれば二次電子が放出されるため、負への帯電
は防げる。また、入射エネルギーが数十ｅＶ以上とな
り、二次電子の放出数が２個以上となった場合でも、正
に帯電した被処理基体に電子が引き戻される効果が働く
ため、電圧は数Ｖで安定する。特開平７−１２２５３９
号公報では、２０ｅＶ以下の低エネルギーイオンによる
処理が提案されているが、２０ｅＶ以上のエネルギーで
も上記帯電抑制効果は失われることはない。また負イオ
ンの上記以外の利点として、負イオンが入射した被処理
基体表面の温度が正イオンに比べて低いという点があ
る。これは、正イオンが中性原子に戻る反応は発熱反応
であるのに対し、負イオンが中性原子に戻る反応は吸熱
反応であることに起因している。この結果、負イオンが
被処理基体に入射しても、イオン入射点近傍での局所的
な基体表面温度が正イオン入射の時と比べて低くなり、
基体に対する熱的なダメージ（例えば結晶の乱れやフォ
トレジストマスクの変質など）が小さくなる。以上のよ
うに、負イオンを用いることにより、被処理基体表面の
帯電がなく、ゲート酸化膜の静電破壊のない、また、被
処理基体に対する熱的なダメージが少ない、良好なクリ
ーニング処理が実現される。

【００３９】本発明の第１の実施例として、半導体製造
プロセスにおける多層配線の、異なる配線層間を接続す
るビアホール形成プロセスにおいて、上層金属配線を成
膜する前のクリーニングプロセスに適用する例を示す。

【００４０】本実施例において処理された半導体基板の
断面構造を図４を用いて説明する。図４において、４３
１はシリコン基板、４３２は素子分離酸化膜、４３３は
ゲート酸化膜、４３４はゲート電極、４３５は第一層間
酸化膜、４３６は第一層金属配線、４３７は第一層金属
配線のバリアメタル、４３８は第一層金属配線の反射防
止膜、４３９は第二層間酸化膜、４４０はドライエッチ
ングにより形成したビアホール、４４１は反射防止膜表
面の薄い酸化層、４４２はビアホール形成のためのドラ
イエッチング中に付着したポリマーの残留物である。

【００４１】シリコン基板表面のビアホール内には、自
然酸化膜またはエッチングの際のイオン衝撃により導入
される結晶欠陥、またはドライエッチング中に付着した
ポリマーの残留物４４２が残留しているため、このまま
第二層金属配線を形成すると、自然酸化膜、結晶欠陥や
不純物によりビアホールの抵抗値が上昇し、回路遅延や
配線の導通不良をもたらす。そこで、これらの残留物は
クリーニングにより除去する必要がある。但し、クリー
ニング処理後に大気中に取り出すと、清浄となった表面
に再び自然酸化膜が成長するため、クリーニングから第
二層金属配線形成の間は真空中に維持したままにするの
が望ましい。この要求を満たす半導体装置の製造方法と
して、プラズマを用いる方法が広く一般的に使われてい
るが、ここで問題となるのがプラズマによるチャージア
ップ現象である。このクリーニングを従来の正イオン処
理で行った場合、プラズマより導入された正電荷は第一
層金属配線４３６を通ってゲート電極４３４に流れ、最
終的には、シリコン基板４３１とゲート電極４３４の間
に存在するゲート酸化膜４３３に電圧がかかる。この電
圧が破壊電圧に達するとゲート酸化膜４３３は静電破壊
に至り、また破壊電圧以下でもゲート酸化膜４３３に微
少なトンネル電流が流れることにより、その寿命を著し
く劣化させる。

【００４２】以上の構造を持った半導体基板を、図１に
示した装置の基体支持台１１１上に設置する。その後、
排気系を介して負イオン生成室１０５及び半導体基体処
理室（処理空間)１０８を排気し、その真空度が５×１
０^-6Ｔｏｒｒとなるまで減圧する。その後、プロセスガ
ス導入口１０２より水素ガス１５０ｓｃｃｍを供給し、
排気系に設置されたスロットバルブ（不図示）を調整し
て半導体基体処理室１０８の圧力を１０ｍＴｏｒｒに設
定した。ここで、マイクロ波電源１０１より２５０Ｗの
電力を導波管１１４に供給し、マイクロ波放電プラズマ
１１３を発生させる。発生したプラズマは、輸送管中で
再結合し、約５０ｃｍ下流に輸送された所でその大半が
水素ラジカルとなって負イオン生成室１０５に供給され
る。

【００４３】次に、熱フィラメント型電子供給装置１０
４のフィラメントに５０Ａの電流を流し、更に電子供給
装置中の引き出し電極（不図示）に５Ｖの電圧を印加す
る。これにより、フィラメントより放出された熱電子
は、約５ｅＶのエネルギーを持って負イオン生成室内に
供給される。負イオン生成室内では、前記水素ラジカル
と電子が付着し、水素負イオンが生成される。

【００４４】この水素負イオンを取り出すため、第１の
グリッド１０９に５５Ｖの直流電圧を印加する。更に、
半導体基板支持台１１１には５０Ｖの直流電圧を印加す
る。上記電圧を各グリッドに印加した場合、半導体基板
１１０には約５０ｅＶのエネルギーで負イオンを入射さ
せていることになる。また、基板より放出された過剰な
二次電子は、５Ｖの電界に引かれて第１のグリッド１０
９に捕捉される。

【００４５】以上に示した水素負イオンによる処理を３
０秒間実施した後、基板を真空に保持したまま金属配線
成膜室へと移動し、第２層金属配線の堆積を行う。堆積
された膜の表面モフォロジーは良好なものとなり、その
反射率は、シリコン基板に対して２００％という値を示
すようになる。引き続き、フォトレジストによるパター
ニング及びドライエッチング等の工程を経て、第２層金
属配線を形成し、半導体素子の特性を評価した。

【００４６】図５に、従来の方法と水素負イオンを用い
た方法でビアホールのクリーニング処理を行った半導体
素子の、ゲート酸化膜が破壊に至る電荷（Ｑｂｄ）を調
査した結果を示す。本実施例では、ゲート酸化膜圧１０
ｎｍのＮＭＯＳ型容量素子１００個を用いて測定を行な
った。図５において、横軸はＱｂｄ値、縦軸は、あるＱ
ｂｄ値で破壊した素子の個数を表わしている。図に示す
通り、本発明を用いた場合は、ゲート酸化膜の性能劣化
を起こした素子は全くなかった。

【００４７】このように、本発明である負イオンのみに
よる処理を行った場合、第一層金属配線の電位は半導体
素子の動作電圧である数Ｖ以下に抑えられるため、静電
破壊はもちろん起こらず、またその寿命もほとんど劣化
することはない。

【００４８】本発明の第２の実施例として、半導体製造
プロセスにおける多層配線の、異なる配線層間を接続す
るビアホール形成プロセスにおいて、上層金属配線を成
膜する前のクリーニングプロセスに図６に示した構造の
装置を適用する例を示す。図６の装置と図１の装置との
相違点は、プラズマの生成方法が図１ではマイクロ波放
電型であるのに対し、図６ではＩＣＰ放電型である点の
みである。６１３はＩＣＰ放電プラズマ、６１４はＩＣ
Ｐ放電アンテナを示している。

【００４９】図４に示した構造を持った半導体基板を、
図６に示した装置の基体支持台６１１上に設置する。そ
の後、排気系を介して負イオン生成室６０５及び半導体
基体処理室６０８を排気し、その真空度が５×１０^-6Ｔ
ｏｒｒとなるまで減圧する。その後、プロセスガス導入
口６０２より水素ガス１５０ｓｃｃｍを供給し、排気系
に設置されたスロットバルブ（不図示）を調整して半導
体基体処理室６０８の圧力を１０ｍＴｏｒｒに設定す
る。ここで、高周波電源６０１より２００Ｗの電力をア
ンテナ６１４に供給し、ＩＣＰ放電プラズマ６１３を発
生させる。発生したプラズマは、輸送管６０３中で再結
合し、約５０ｃｍ下流に輸送された所でその大半が水素
ラジカルとなって負イオン生成室に供給される。

【００５０】次に、熱フィラメント型電子供給装置６０
４のフィラメントに５０Ａの電流を流し、更に電子供給
装置中の引き出し電極（不図示）に５Ｖの電圧を印加す
る。これにより、フィラメントより放出された熱電子
は、約５ｅＶのエネルギーを持って負イオン生成室内に
供給される。負イオン生成室内では、前記水素ラジカル
と電子が付着し、水素負イオンが生成される。

【００５１】この水素負イオンを取り出すため、第１の
グリッド６０９に５５Ｖの直流電圧を印加する。更に、
半導体基板支持台６１１には５０Ｖの直流電圧を印加す
る。上記電圧を各グリッドに印加した場合、半導体基板
６１０には約５０ｅＶのエネルギーで負イオンを入射さ
せていることになる。また、基板より放出された過剰な
二次電子は、５Ｖの電界に引かれて第１のグリッド６０
９に捕捉される。

【００５２】以上に示した水素負イオンによる処理を３
０秒間実施した後、基板を真空に保持したまま金属配線
成膜室へと移動し、第２層金属配線の堆積を行う。堆積
された膜の表面モフォロジーは良好なものとなり、その
反射率は、シリコン基板に対して２１０％という値を示
す。引き続き、フォトレジストによるパターニング及び
ドライエッチング等の工程を経て、第２層金属配線を形
成する。

【００５３】このように、本発明である負イオンのみに
よる処理を行った場合、第一層金属配線の電位は半導体
素子の動作電圧である数Ｖ以下に抑えられるため、静電
破壊はもちろん起こらず、またその寿命もほとんど劣化
することはない。

【００５４】

【発明の効果】以上のように、水素負イオンを用いるこ
とにより、被処理基体表面の帯電によるゲート酸化膜の
静電破壊がなく、かつ、引き続き行われる金属膜の成膜
において良好な膜質が得られるようなクリーニングが実
現される。

【００５５】また、本発明によれば、金属をコンタクト
孔に埋め込む前のクリーニングを行う際に、水素負イオ
ンを用いることにより、チャージアップダメージを大幅
に低減することができる。

【００５６】また、本発明によれば、水素負イオンは、
高周波放電により生成された水素ラジカルを下流の負イ
オン生成室に導き、前記水素ラジカルに電子ビームを照
射することにより、電子付着反応によって水素負イオン
を生成することにより、負イオン生成室にプラズマが存
在しないため、プラズマ中に存在する高エネルギーイオ
ンや高エネルギーフォトンが基板に入射する可能性がな
く、低ダメージなクリーニング処理を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である、水素ラジカルに電子
を供給することにより水素負イオンを生成させる方法を
用いた負イオン処理装置の形態を模式的に示した図であ
る。

【図２】図１において、負イオン閉じ込め用磁石の配置
を明らかにするため、図１の負イオン生成室の断面を上
方より見た図面である。

【図３】図１中に記述されている、磁気フィルターの構
造及び原理を説明するための図である。

【図４】本発明の実施例１の、ビアホール底の反射防止
膜表面の薄い酸化膜の除去を説明するための半導体素子
の断面図である。

【図５】本発明の実施例１において、従来技術と本発明
を用いて処理を行った半導体素子の、劣化の違いを示し
た図である。

【図６】本発明の実施例２の、水素ラジカルに電子を供
給することにより水素負イオンを生成させる方法を用い
た負イオン処理装置において、プラズマの生成方法をＩ
ＣＰ型放電にて行った場合の装置の形態を模式的に示し
た図である。

【図７】従来よりプラズマエッチングプロセスに用いら
れている装置の構成の概念図である。

【符号の説明】

１０１マイクロ波電源１０２プロセスガス導入口１０３輸送管１０４電子供給装置１０５負イオン生成室（生成空間）１０６負イオン閉じ込め用磁石１０７磁気フィルタ１０８被処理基体処理室（処理空間）１０９第一グリッド１１０被処理基体１１１基体支持台１１２直流電源１１３マイクロ波放電プラズマ１１４導波管３２０永久磁石４３１シリコン基板４３２素子分離絶縁膜４３３ゲート酸化膜４３４ゲート電極４３５第一層間酸化膜４３６第一層金属配線４３７第一層金属配線のバリアメタル４３８第一層金属配線の反射防止膜４３９第二層間酸化膜４４０ドライエッチングにより形成したビアホール４４１反射防止膜表面の薄い酸化層４４２ポリマーの残留物６０１高周波電源６０２プロセスガス導入口６０３輸送管６０４電子供給装置６０５負イオン生成室（生成空間）６０６プラズマ閉じ込め用磁石６０７磁気フィルタ６０８被処理基体処理室（処理空間）６０９第一グリッド６１０被処理基体６１１基体支持台６１２直流電源６１３ＩＣＰ放電プラズマ６１４ＩＣＰ放電アンテナ７０１高周波電源７５１高周波印加電極７１０半導体基板７５２イオンシース７５３プラズマ７５４真空容器７５５接地電極７０２プロセスガス導入口

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基体処理空間とそれに連通する負
イオン生成空間を提供する真空容器と、該負イオン生成
空間に連通するラジカル生成供給手段と、該負イオン生
成空間に接続された電子供給手段と、該被処理基体処理
空間内に被処理基体を設置するための被処理基体支持手
段と、前記負イオンを前記被処理基体に入射させる手段
と、を有することを特徴とする、負イオンを用いた表面
処理装置。
【請求項２】前記ラジカル生成供給手段に導入するガ
スが、水素又は水素元素を含むガスであることを特徴と
する、請求項１に記載の負イオンを用いた表面処理装
置。
【請求項３】前記ラジカル生成供給手段が、プラズマ
発生手段と、該プラズマ発生手段により生成されたプラ
ズマを下流に輸送する手段により構成されることを特徴
とする、請求項１に記載の負イオンを用いた表面処理装
置。
【請求項４】前記プラズマ発生手段が、マイクロ波放
電型、容量結合型、誘導結合型、マグネトロン型、ヘリ
コン波型、ＥＣＲ型、表面波型、平板マルチスロットア
ンテナによる表面波干渉型の何れかであることを特徴と
する、請求項３に記載の負イオンを用いた表面処理装
置。
【請求項５】前記プラズマ発生手段及び輸送する手段
の少なくとも内面が、酸素を含まない材料で構成されて
いることを特徴とする、請求項３に記載の負イオンを用
いた表面処理装置。
【請求項６】前記電子供給手段が、三極管型、熱フィ
ラメント型または電界放出型の電子銃であることを特徴
とする、請求項１に記載の負イオンを用いた表面処理装
置。
【請求項７】前記負イオン生成空間と被処理基体処理
空間の間に、電子を捕獲する手段を設置することを特徴
とする、請求項１に記載の負イオンを用いた表面処理装
置。
【請求項８】前記電子を捕獲する手段が、磁気フィル
ターであることを特徴とする、請求項７に記載の負イオ
ンを用いた表面処理装置。
【請求項９】前記負イオン生成空間に、磁場形成手段
を設置することを特徴とする請求項１に記載の負イオン
を用いた表面処理装置。
【請求項１０】前記負イオン生成空間に形成する磁場
が、多極型磁場であることを特徴とする請求項９に記載
の負イオンを用いた表面処理装置。
【請求項１１】前記負イオンを前記被処理基体に入射
させる手段は、直流電圧を印加した少なくとも１つ以上
のグリッド電極であることを特徴とする請求項１に記載
の負イオンを用いた表面処理装置。
【請求項１２】前記被処理基体支持手段に、正の直流
電圧またはパルス状の電圧を印加する手段を有すること
を特徴とする請求項１に記載の負イオンを用いた表面処
理装置。
【請求項１３】前記被処理基体支持手段上に、正の電
圧を印加した該被処理基体より放出される二次電子を捕
捉する手段を設置することを特徴とする請求項１に記載
の負イオンを用いた表面処理装置。
【請求項１４】被処理基体上に、配線を形成するため
の凹部を有する絶縁膜が形成され、該絶縁膜の表面及び
凹部の内周面上、或いは該凹部の底面上にバリアメタル
を形成し、該バリアメタル表面をクリーニングし、引き
続き化学気相成長法を用いて配線用金属を堆積する半導
体装置の製造方法において、該バリアメタル表面の半導
体装置の製造方法が、負イオンを前記被処理基体に供給
して処理を行う方法であることを特徴とする半導体装置
の製造方法。
【請求項１５】前記絶縁膜に形成された凹部が、コン
タクトホールまたはビアホールであることを特徴とす
る、請求項１４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】前記絶縁膜に形成された凹部が、シン
グルダマシン又はデュアルダマシン型の配線溝であるこ
とを特徴とする、請求項１４に記載の半導体装置の製造
方法。
【請求項１７】前記負イオンが、水素の負イオンであ
ることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項１８】前記負イオンの生成方法が、ラジカル
と電子を負イオン生成空間内に同時に供給する方法であ
ることを特徴とする請求項１４に記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項１９】前記ラジカルの生成方法が、高周波放
電により生成したプラズマを下流に輸送することにより
生成する方法であることを特徴とする請求項１８に記載
の半導体装置の製造方法。
【請求項２０】前記電子の供給方法が、三極管型、熱
フィラメント型または電界放出型の電子銃であることを
特徴とする、請求項１８に記載の半導体装置の製造方
法。
【請求項２１】前記負イオン生成空間と被処理基体処
理空間との間に磁気フィルターを設置し、不要な電子を
捕獲することを特徴とする、請求項１８に記載の半導体
装置の製造方法。
【請求項２２】前記負イオン生成空間に多極磁場を設
置し、荷電粒子の壁への拡散を防止することを特徴とす
る、請求項１８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２３】少なくとも１つ以上のグリッド電極に
直流電圧を印加することにより、前記負イオンを所定の
エネルギーに加速することを特徴とする請求項１４に記
載の半導体装置の製造方法。
【請求項２４】前記被処理基体を真空容器内に設置す
るための支持台に、正の直流電圧またはパルス状の電圧
を印加することにより、所定のエネルギーを持って前記
負イオンを基板に入射させることを特徴とする請求項１
４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２５】直流電圧を印加したグリッド電極を前
記被処理基体の支持台上に設置し、該被処理基体より放
出された二次電子を捕捉することを特徴とする請求項１
４に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項２６】前記プラズマ発生手段及び輸送する手
段の少なくとも内面を構成する、酸素を含まない材料
は、ＡｌＮ，ＳｉＣから選ばれる材料であることを特徴
とする、請求項５に記載の負イオンを用いた表面処理装
置。
【請求項２７】請求項１〜１３のいずれか又は請求項
２６に記載の負イオンを用いた表面処理装置により生成
した負イオンを、被処理基体に当てることにより、該被
処理基体の表面処理を行なうことを特徴とする負イオン
を用いた表面処理方法。