JP2001521285A - 銅フィルムの研磨後に半導体基板を洗浄するための方法および装置 - Google Patents
銅フィルムの研磨後に半導体基板を洗浄するための方法および装置Info
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Abstract
Description
の研磨後に半導体基板を洗浄するための方法および装置に関する。
ーション用の材料として、銅(Cu)が使用されはじめている。Cuが望ましい
のは、Alに比べて抵抗率が低く、エレクトロマイグレーションのライフタイム
が相当に改善されているためである。
チ法がある。先ず、図1aに示されるように、誘電体層110を基板100上に
堆積させる。誘電体層120は、例えば二酸化ケイ素のような材料で構成される
。ついで、図1bに示されるように、誘電体層110内にバイアおよび/または
トレンチ120を形成する。バイア/トレンチ120は、例えばドライエッチン
グのような技術を使用して形成される。次に、図1cに示されるように、例えば
タンタル(Ta)、チタン(Ti)、または窒化チタン(TiN)よりなる障壁
材料の薄膜(障壁層)130を堆積させる。障壁層130が堆積すると、図1d
に示されるように、バイアス/トレンチ120が銅(Cu)層140で満たされ
る。Cu層140は、例えば化学蒸着法(CVD)、物理蒸着法(PVD)、ま
たは電気めっき法などの周知の堆積技術により、堆積させることができる。ここ
で、図1eに示されるように銅による相互配線を隔離するためには、余分な銅層
140および障壁層130を取り除く必要がある。
械研磨(CMP)などの技術を使用して、基板の表面を研磨する方法がある。C
MP工程において、半導体基板は、アルミニウム粒子などの研磨材と、過酸化水
素などの酸化剤と、を含有したスラリを使用して研磨される。このとき、パーテ
ィクルおよび/または金属汚染を含む汚染物が、銅層150上と、誘電体層16
0上と、誘電体のサブサーフェス165内とに導入される。
、汚染物を取り除く必要がある。さもないと、これらの汚染物がデバイスの性能
特性に影響し、デバイスが通常より早く故障する恐れが生じる。銅を化学機械研
磨した後に行う半導体基板の洗浄は、銅層および誘電体層からこれらの汚染物を
取り除くために、必要である。
がある。片面のみであれ両面同時処理であれ、ブラシスクラビングは、CMPの
適用時に酸化物やタングステンを洗浄するさいの業界標準である。しかしながら
、銅層のCMP後の洗浄にブラシスクラビングを適用するにあたって、いくつか
の問題点が生じる。
ングする。汚染された(すなわちローディングされた)ブラシは、洗浄の工程中
、続いて処理される基板上に、酸化銅や水酸化銅の汚染物を移着させる恐れがあ
る。
NH4OH)を加えることにより、ブラシローディングを低減することができる 。NH4OHの存在下では、酸化銅の一部は錯体Cu(NH3)2+を形成して溶解
する。しかしながら、pHが大きい環境のため、希釈水酸化アンモニウムでは、
酸化銅によるブラシのローディングを防止するのに不十分である。また、希釈水
酸化アルミニウムでスクラブすると、銅層もエッチングされるため、表面が激し
く粗面化される恐れが生じる。
が発生する。中性酸または無機酸(例えばHCl)で洗浄する環境では、アルミ
ニウム粒子と二酸化シリコンとの間に静電力が働くため、アルミニウム粒子を誘
電材料の表面から取り除くのが困難になる。この静電力が原因でアルミニウム粒
子がブラシに付着し、上述したのと同様な効果の、新たなブラシローディングの
問題が生じる。
ブサーフェスが、スラリからの汚染物に加えて、銅層および障壁層からの金属に
も汚染されることである。汚染物のなかでも特に金属汚染物は、CMP工程中に
、誘電体層をその表面からほぼ100オングストロームの深さまで貫通する。繰
り返すが、これらの汚染物は、デバイスの性能特性に影響し、デバイスを通常よ
り早く故障させる恐れがある。
シローディングの問題点を緩和することができるような、銅のCMPを経た基板
を洗浄するための環境および方法が、望まれている。
り除くことができるような、銅のCMPを経た基板を洗浄するための環境および
方法が、望まれている。
、洗浄装置とが、開示されている。本発明は、脱イオン水と、有機化合物と、フ
ッ化化合物とを、酸性pH環境下で混合して得られる、銅の研磨後に半導体基板
の表面を洗浄するための洗浄液に関する。
る。
装置を開示する。以下では、本発明の詳細な理解のため、材料、プロセス、パラ
メータ、ディメンション等の多くの項目を特定する。しかしながら、当業者なら
ば誰もが明らかなように、これらの特定された項目は、本発明の内容を限定する
ものではない。また、本発明の内容を不必要に不明瞭化するのを避けるため、周
知の材料または方法の詳細な説明は省略した。
研磨(CMP)/プラナリゼーションの後に、半導体基板を洗浄するための、洗
浄液、洗浄方法、および洗浄装置について説明する。半導体デバイスの製造にお
いて、銅による相互配線を形成する工程は周知であるため、ここでは詳述しない
。
るが、半導体基板とは、デバイス層がすでに形成されているかまたはこれから形
成されるシリコン基板の、全部またはその一部(例えばガリウムヒ素)を意味す
る。また、基板とは、上に半導体材料が載っており、完全もしくは部分的に処理
されているか、または未処理の基板を含んだ概念であり、それのみに限定されな
い。
を行うが、類似した形状すなわち一般的に見て平らな基板ならどのようなもので
も、本発明による方法および装置により処理することが可能である。さらにまた
、半導体基板またはウェハは、ドーピングの有無によらずベアすなわち純粋な半
導体基板と、エピタキシャル層を有した半導体基板と、工程のどこかの段階で1
層またはそれ以上のデバイス層が組み込まれた半導体基板と、1層またはそれ以
上の半導体層が組み込まれたその他の基板(絶縁膜上半導体(SIO)デバイス
を有した基板、フラットパネルディスプレイやマルチチップモジュールなどのよ
うなその他の装置やデバイスを加工するための基板など)と、を含む。
、CMP技術を使用して平坦化した後には、半導体基板を洗浄し、基板の表面上
およびサブサーフェス内の汚染物を、全て取り除く必要がある。半導体基板から
汚染物を取り除く技術の1つに、半導体基板(基板)をスクラブする方法がある
。
を同時にスクラブするスクラビングプロセスと関連させて、説明を行う。スクラ
バは、いくらかのステーションを備えていてもよい。各ステーションは、基板の
洗浄工程のうちの1つまたは2つ以上の工程を表す。汚染された基板はスクラビ
ングシステムの一端にロードされ、洗浄・乾燥を経た基板は同システムのもう一
端からアンロードされる。この種のスクラビングシステムの例として、アメリカ
・カリフォルニアのミルピタスにあるOnTrak Systems,Inc.製造の、DSS-200 Scr
ubber(商標)およびSynergy Scrubber(商標)が挙げられる。
された基板は一般に、化学機械プラナリゼーション(CMP)の後にウェットベ
ンチから、または結果として汚染が生じたその他の工程から、洗浄システムに送
られる。洗浄工程のスタート時には、汚染された基板がウェハカセット280(
カセット)にロードされ、ついでカセット280がウェットセンドインデクサス
テーション210に配置される。カセット280がウェットセンドインデクサス
テーション210に配置されると、基板は自動的にカセット280から取り外さ
れ、一枚ずつ外部ブラシステーション220に配置される。
される。第1回目のスクラビングにおいて、洗浄液は複数の異なる方法で基板上
に施される。例えばある実施形態では、洗浄液は基板上に吹き付けられる。別の
実施形態では、洗浄液はブラシ221を通じて基板上に施される。さらに別の実
施形態では、洗浄液を基板上に滴下させる。
取り外され、内部ブラシステーション230に配置される。内部ブラシステーシ
ョン230において、基板は第2回目のスクラビングを施される。内部ブラシス
テーション230において、洗浄液は、外部ブラシステーション220における
場合と同様な方法で、基板上に施される。
から取り外され、リンス・スピン・乾燥ステーション240に配置される。リン
ス・スピン・乾燥ステーション240では、基板をリンスし、スピンさせ、そし
て乾燥させる。この時点において、ウェハの洗浄が完了する。
乾燥ステーション240からアウトプットステーション250に移され、カセッ
ト281に配置される。この移動は通常、ロボットアームによってなされる。ロ
ボットアームは、端部によってリンス・スピン・乾燥ステーション240から基
板を持ち上げて移動させ、カセット281に配置する。するとカセット281は
、保存に移されるか、または別の洗浄システムもしくは加工システムに移される
。
または基板層の種類によって、異なる順序および/または各種の洗浄液でおこな
われ得るものである。例えば、2つのブラシステーションの一つにおいて、水、
クエン酸、水酸化アンモニウム、クエン酸アンモニウム、およびフッ化水素酸溶
液(またはこれら溶液の混合物)などのような、異なる洗浄液を使用してもよい
。また、他のシステムでは、1つのブラシステーションまたは2つより多くのブ
ラシステーションを備えるようにしてもよい。さらにまた、その他のシステムで
は、上記ステーション/工程のうち1つまたは2つ以上を省くようにしてもよく
、また、CMPステーションなど追加の処理ステーションを備えるようにしても
よい。
明の使用に関して説明するが、本発明は、その他の洗浄システムおよび処理にお
いて使用してもよい。例えば、基板の片面のみをスクラブするような洗浄システ
ム、または基板を薬剤散布により洗浄するような洗浄システムなどに、使用して
もよい。
では、化学機械研磨を使用して銅層を平坦化する。銅層の平坦化には、その他の
プラナリゼーション技術を使用することも可能であり、そのようなプラナリゼー
ションの実施後でもなお、基板の表面および/またはサブサーフェスから汚染物
を取り除く目的で、本発明を使用して半導体基板を洗浄することが望まれる。
基板は工程330でスクラブされ、研磨の工程で生じた汚染物が取り除かれる。
スクラビングの途中で、汚染物の除去を促進するおよび/または実現する目的で
、基板に洗浄液が施される(工程340)。洗浄液は、図2のスクラバにおける
外部ブラシステーション220と内部ブラシステーション230のどちらか一方
において、または必要であればその両方において、使用してもよい。
に、脱イオン水と、有機化合物と、フッ化化合物とを含み、これらが酸性pH環
境下で混合された、洗浄液を使用する。酸性pH環境を使用することにより、銅
酸化物の溶解を促進し、従来の技術で論じたブラシローディングの問題を、いく
らか緩和することができる。ただし、酸性pH環境は、pH値が約1〜6の範囲
内に維持することが望ましい。本発明のある実施形態では、酸性pH環境は、p
H値が約2〜4の範囲内にある。
表面との間に働く静電力を変化させ、両者間の反発を促進することができる。こ
のため、汚染パーティクルはブラシおよび基板に反発し、基板およびブラシは汚
染パーティクルに反発して、汚染パーティクルの除去に有利な状態が提供される
。有機化合物としては、有機酸、有機酸のアンモニウム塩、または陰イオン表面
活性剤を使用することができる。使用可能な有機酸の例としては、クエン酸、リ
ンゴ酸、マロン酸、コハク酸、またはこれら有機酸の任意の化合物が挙げられる
。
に、脱イオン水(DIW)に溶解させることが望ましい。本発明のある実施形態
では、有機化合物を、その重量パーセントが約200ppm〜0.2%になるよ
うに、DIWに溶解させる。
らの、汚染物の除去が促進される。本発明では、フッ化水素酸(HF)またはフ
ッ化アンモニウム(NH4F)などのフッ化化合物を、洗浄液に使用する。HF または緩衝HF(HFと混合したフッ化アンモニウム)は、二酸化シリコンをエ
ッチングする作用を有する。このため、スクラビング工程では二酸化シリコンも
エッチングされる。例えばブラシスクラビング工程では、概して10〜100オ
ングストロームの酸化物層が取り除かれ、基板上にはクリーンで汚れていない誘
電体の表面が残される。
、脱イオン水(DIW)に溶解させることが望ましい。本発明のある実施形態で
は、フッ化化合物を、その重量パーセントが約0.2〜1%になるように、DI
Wに溶解させる。
を、酸性pH環境で混合させたものである。ただし、この溶液にさらに塩酸(H
Cl)を加えてpHを調整し、銅酸化物の溶解を促進するようにしてもよい。ま
た、本発明による薬剤は、同一の洗浄液に予め混合することにより、銅のCMP
工程に続くブラシスクラビング工程に関連して生じる幾つかの問題点を、同時に
解決することができる。このような簡単なアプローチにより、基板から基板、お
よび同一基板内におけるクロス汚染をかなり減少させ、ひいては防止することが
できる。
0.1%のクエン酸と、0.4%のNH4OHとを、DIWのなかで混合させる 方法が挙げられる。この例では、溶液のpH値は約3である。しかしながら、本
発明の範囲は、洗浄液の様々な調製方法をカバーする。また、溶液中の各成分は
、同様な特性を有した異なる薬剤で置き換えることが可能である。以上、銅薄膜
の研磨後に半導体基板を洗浄するための方法および装置を説明した。
、当業者ならば誰でも、本発明で開示した実施形態に、様々な改良を加えること
が可能である。したがって、これらの実施形態は単に説明のためのものであって
、本発明を制限するためのものではなく、本発明は上記の実施形態に限られない
。
である。
示す図である。
Claims (48)
- 【請求項1】 半導体基板を洗浄するための洗浄液であって、 第1の量の脱イオン水と、 第2の量の有機酸と、 第3の量のフッ化化合物と、 を含み、前記脱イオン水と、前記有機酸と、前記フッ化化合物とが、酸性pH環
境下で混合されたものである、洗浄液。 - 【請求項2】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記酸性pH環境は、緩衝された酸性pH環境である、洗浄液。
- 【請求項3】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記酸性pH環境は、約1〜6のpH値を有する、洗浄液。
- 【請求項4】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記酸性pH環境は、約2〜4のpH値を有する、洗浄液。
- 【請求項5】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約100
ppm〜2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗浄液。 - 【請求項6】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約200
ppm〜0.2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗浄
液。 - 【請求項7】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第3の量のフッ化化合物の重量パーセン
トが約0.1〜5%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗
浄液。 - 【請求項8】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第1の量の脱イオン水に、前記第3の量
のフッ化化合物が重量パーセントで約0.2〜1%の濃度で溶解される、洗浄液
。 - 【請求項9】 請求項1に記載の洗浄液であって、 前記第2の量の有機酸は、クエン酸、リンゴ酸、マロン酸、コハク酸、および
これらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである、洗浄液。 - 【請求項10】 請求項1に記載の洗浄液であって 前記第3の量のフッ化化合物は、フッ化水素酸(HF)、フッ化アンモニウム
(NH4F)、緩衝フッ化水素酸(フッ化水素酸と混合したフッ化アンモニウム )、およびこれらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである、洗浄液
。 - 【請求項11】 半導体基板を洗浄するための洗浄液であって 第1の量の脱イオン水と、 第2の量の、有機酸のアンモニウム塩と、 第3の量のフッ化化合物と、 を含み、前記脱イオン水と、前記アンモニウム塩と、前記フッ化化合物とが、酸
性pH環境下で混合されたものである、洗浄液。 - 【請求項12】 請求項11に記載の洗浄液であって、 前記酸性pH環境は、緩衝された酸性pH環境である、洗浄液。
- 【請求項13】 請求項11に記載の洗浄液であって、 前記酸性pH環境は、約2〜4のpH値を有する、洗浄液。
- 【請求項14】 請求項11に記載の洗浄液であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約200
ppm〜0.2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗浄
液。 - 【請求項15】 請求項11に記載の洗浄液であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第3の量のフッ化化合物の重量パーセン
トが約0.2〜1%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗
浄液。 - 【請求項16】 請求項11に記載の洗浄液であって 前記第3の量のフッ化化合物は、フッ化水素酸、フッ化アンモニウム、緩衝フ
ッ化水素酸、およびこれらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである
、洗浄液。 - 【請求項17】 半導体基板を洗浄するための洗浄液であって 第1の量の脱イオン水と、 第2の量の陰イオン表面活性剤と、 第3の量のフッ化化合物と、 を含み、前記脱イオン水と、前記陰イオン表面活性剤と、前記フッ化化合物とが
、酸性pH環境下で混合されたものである、洗浄液。 - 【請求項18】 請求項17に記載の洗浄液であって、 前記酸性pH環境は、緩衝された酸性pH環境である、洗浄液。
- 【請求項19】 請求項17に記載の洗浄液であって、 前記酸性pH環境は、約2〜4のpH値を有する、洗浄液。
- 【請求項20】 請求項17に記載の洗浄液であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約200
ppm〜0.2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗浄
液。 - 【請求項21】 請求項17に記載の洗浄液であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第3の量のフッ化化合物の重量パーセン
トが約0.2〜1%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗
浄液。 - 【請求項22】 請求項17に記載の洗浄液であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、フッ化水素酸、フッ化アンモニウム、緩衝フ
ッ化水素酸、およびこれらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである
、洗浄液。 - 【請求項23】 半導体基板から汚染物を取り除く方法であって、 研磨された銅層を有した前記半導体基板を、スクラブ装置内に配置する工程と
、 前記半導体基板を酸性の洗浄液でスクラブする工程と、 を備える、方法。 - 【請求項24】 請求項23に記載の方法であって、 前記酸性の洗浄液は、 第1の量の脱イオン水と、 第2の量の有機酸と、 第3の量のフッ化化合物と、 を含む、方法。
- 【請求項25】 請求項23に記載の方法であって、 前記酸性pH環境は、緩衝された酸性pH環境である、方法。
- 【請求項26】 請求項23に記載の方法であって、 前記酸性pH環境は、約1〜6のpH値を有する、方法。
- 【請求項27】 請求項23に記載の方法であって、 前記酸性pH環境は、約2〜4のpH値を有する、方法。
- 【請求項28】 請求項24に記載の方法であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約100
ppm〜2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方法。 - 【請求項29】 請求項24に記載の方法であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約200
ppm〜0.2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方法
。 - 【請求項30】 請求項24に記載の方法であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第3の量のフッ化化合物の重量パーセン
トが約0.1〜5%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方
法。 - 【請求項31】 請求項24に記載の方法であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第3の量のフッ化化合物の重量パーセン
トが約0.2〜1%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方
法。 - 【請求項32】 請求項24に記載の方法であって、 前記第2の量の有機酸は、クエン酸、リンゴ酸、マロン酸、コハク酸、および
これらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである、方法。 - 【請求項33】 請求項24に記載の方法であって 前記第3の量のフッ化化合物は、フッ化水素酸(HF)、フッ化アンモニウム
(NH4F)、緩衝フッ化水素酸(フッ化水素酸と混合したフッ化アンモニウム )、およびこれらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである、方法。 - 【請求項34】 請求項23に記載の方法であって、 前記酸性の洗浄液は、 第1の量の脱イオン水と、 第2の量のアンモニウム塩と、 第3の量のフッ化化合物と、 を含む、方法。
- 【請求項35】 請求項23に記載の方法であって、 前記酸性の洗浄液は、 第1の量の脱イオン水と、 第2の量の陰イオン表面活性剤と、 第3の量のフッ化化合物と、 を含む、方法。
- 【請求項36】 半導体基板から汚染物を取り除く方法であって、 研磨された銅層を有した前記半導体基板を、スクラブ装置内に配置する工程と
、 前記半導体基板を酸性の洗浄液でスクラブする工程と、 を備え、 前記酸性の洗浄液は、 第1の量の脱イオン水と、 第2の量の有機酸と、 第3の量のフッ化化合物と、 を含む、方法。 - 【請求項37】 請求項36に記載の方法であって、 前記酸性pH環境は、緩衝された酸性pH環境である、方法。
- 【請求項38】 請求項36に記載の方法であって、 前記酸性pH環境は、約1〜6のpH値を有する、方法。
- 【請求項39】 請求項36に記載の方法であって、 前記酸性pH環境は、約2〜4のpH値を有する、方法。
- 【請求項40】 請求項36に記載の方法であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約100
ppm〜2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方法。 - 【請求項41】 請求項36に記載の方法であって、 前記第2の量の有機酸は、前記第2の量の有機酸の重量パーセントが約200
ppm〜0.2%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方法
。 - 【請求項42】 請求項36に記載の方法であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第3の量のフッ化化合物の重量パーセン
トが約0.1〜5%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方
法。 - 【請求項43】 請求項36に記載の方法であって、 前記第3の量のフッ化化合物は、前記第3の量のフッ化化合物の重量パーセン
トが約0.2〜1%になるように、前記第1の量の脱イオン水に溶解される、方
法。 - 【請求項44】 請求項36に記載の方法であって、 前記第2の量の有機酸は、クエン酸、リンゴ酸、マロン酸、コハク酸、および
これらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである、方法。 - 【請求項45】 請求項36に記載の方法であって 前記第3の量のフッ化化合物は、フッ化水素酸(HF)、フッ化アンモニウム
(NH4F)、緩衝フッ化水素酸(フッ化水素酸と混合したフッ化アンモニウム )、およびこれらの任意の混合物よりなる群から選択されたものである、方法。 - 【請求項46】 半導体基板を処理するためのスクラバであって、 研磨された銅層を有した半導体基板を受け取るためのインプットと、 前記インプットにカップリングされたブラシアセンブリと、 脱イオン水と、有機酸と、フッ化化合物とを含む洗浄液を供給するための、洗
浄液供給システムと、 を備え、 前記洗浄液供給システムは、酸性pH環境下で予め混合された前記洗浄液を、
研磨された銅層を有した前記半導体基板に供給する、スクラバ。 - 【請求項47】 半導体基板を処理するためのスクラバであって、 研磨された銅層を有した半導体基板を受け取るためのインプットと、 前記インプットにカップリングされたブラシアセンブリと、 脱イオン水と、アンモニウム塩と、フッ化化合物とを含む洗浄液を供給するた
めの、洗浄液供給システムと、 を備え、 前記洗浄液供給システムは、酸性pH環境下で予め混合された前記洗浄液を、
研磨された銅層を有した前記半導体基板に供給する、スクラバ。 - 【請求項48】 半導体基板を処理するためのスクラバであって、 研磨された銅層を有した半導体基板を受け取るためのインプットと、 前記インプットにカップリングされたブラシアセンブリと、 脱イオン水と、陰イオン表面活性剤と、フッ化化合物とを含む洗浄液を供給す
るための、洗浄液供給システムと、 を備え、 前記洗浄液供給システムは、酸性pH環境下で予め混合された前記洗浄液を、
研磨された銅層を有した前記半導体基板に供給する、スクラバ。
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