JP2002506295A - 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の表面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。
、洗浄装置とが、開示されている。ある実施形態では、銅層の研磨後に、酸性p
H環境を形成するために脱イオン水と、有機化合物と、アンモニウム化合物とを
含有する洗浄液を使用して、半導体基板の表面を洗浄する。
囲により明らかになる。
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、当業者に明らかなよう
に、これらの特定された項目は、本発明の実施に必ずしも使用されるものではな
い。また、本発明の内容が不明瞭になるのを避けるため、周知の材料または方法
の詳細な説明は省略した。
説明する。ある実施形態では、半導体基板の洗浄は、銅による相互配線の形成、
およびその銅による相互配線の化学機械研磨(CMP)/プラナリゼーションの
後に行われる。銅による相互配線を形成する工程は、当業界では周知であるため
、ここでは詳述しない。
るかまたはこれから形成されるシリコン半導体基板の、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、基板という用語は、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。
のスクラビングと関連させて説明するが、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。
有機化合物と、無機化合物とから調製され、これら全てを混合させることにより
、半導体基板の表面を洗浄するための酸性pH環境を形成する。また、このよう
な洗浄は、銅層の研磨後に行われ得る。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。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。1つの実施形態では、酸性pH環境は、pH値が約2〜4
の範囲内にある。
ため、誘電体層の表面およびブラシの表面から、金属汚染物質が除去されやすく
なる。使用され得る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。
脱イオン水(DIW)に溶解させる。別の実施形態では、有機化合物のより好ま
しい重量パーセントは約200ppm〜0.2%であり得る。ある実施形態にお
ける有機化合物がクエン酸である場合、脱イオン水に溶解されるクエン酸の重量
パーセントは約0.2%である。
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
。ある実施形態における洗浄液内の無機化合物は、水酸化アンモニウム(NH4 OH)、無機酸のアンモニウム塩(例えば塩化アンモニウム(NH4Cl)やフ ッ化アンモニウム(NH4F))、または陰イオン表面活性剤であり得る。
)に溶解させることが望ましい。ある実施形態における無機化合物がアンモニウ
ム化合物である場合、アンモニウム化合物は、約200ppm〜0.1%の重量
パーセントでDIWに溶解される。ある実施形態では、DIWに溶解される水酸
化アンモニウムの重量パーセントは(洗浄液に使用される場合は)約0.02%
である。
は、溶液のpH値は約4である。
されるとすると、DIWに溶解されるアンモニウム塩の重量パーセントは約0.
05〜0.1%で良い。また、陰イオン表面活性剤が使用されるとすると、DI
Wに溶解される陰イオン表面活性剤の重量パーセントは約50ppm〜0.2%
で良い。
半導体基板の洗浄に使用される。ある実施形態では、この洗浄液のpH値は約2
〜4の範囲である。アンモニウム塩は、上述したアンモニウム塩のうちの1つで
良い。ある実施形態では、アンモニウム塩を、約200ppm〜0.2%の重量
パーセントで脱イオン水(DIW)に溶解させることが望ましい。ある実施形態
では、アンモニウム塩は約0.1%の重量パーセントでDIWに溶解される。塩
化化合物は、塩酸(HCl)、塩化アンモニウム、またはこれらの混合物で良い
。ある実施形態では、塩化化合物を、約0.1〜1%の重量パーセントでDIW
に溶解させることが望ましい。ある実施形態では、DIWに溶解される塩化化合
物の重量パーセントは約0.1%である。
む薬剤を、酸性pH環境でDIWに溶解させて混合させたもので良い。このよう
な場合、有機酸は、上で挙げた有機酸のうちの1つで良く、DIWに溶解される
ときの重量パーセントは、約0.2%か、あるいは0.1〜1%で良い。陰イオ
ン表面活性剤を使用する場合、約50ppm〜0.2%の重量パーセントでDI
Wに溶解させることが好ましく、ある実施形態では約0.2%の重量パーセント
で溶解される。
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。また、溶液に塩酸(HCl)を加えることにより、p
H値を調整して銅酸化物の溶解を促進させても良い。
様な特性を有した異なる薬剤で置き換えても良い。従来の技術で説明したように
、半導体基板上の銅による相互配線をCMP技術で平坦化した後、半導体基板を
洗浄し、半導体基板の表面およびサブサーフェスからあらゆる汚染物を取り除く
必要がある。半導体基板から汚染物を取り除くこのような技術の1つに、半導体
基板(基板)のスクラビングがある。
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、幾らかのステーションを備えていても良い。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 Scrub
ber(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うちの一つにおいて
、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良い。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
も良く、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
しても良い。
たが、ここで開示される技術は、その他の洗浄システムおよび処理において使用
しても良い。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、使用しても良い。
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のうちのどちら
か一方において、または必要であればその両方において、使用しても良い。
を含む本発明の実施形態により、銅および誘電体層の質に影響することなく、ブ
ラシローディングの問題を緩和することができる。さらに、これらの実施形態を
、銅のCMP後の基板に使用する場合、銅および誘電体層の表面およびサブサー
フェスから汚染物を取り除くことができる。
た。特定の装置、パラメータ、方法、および材料を含む特定の実施形態を説明し
たが、当業者ならば誰でも、本発明で開示した内容をもとに、これらの実施形態
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。
図である。
を示す図である。
Claims (45)
- 【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の量のアンモニウム化合
物とを含み、これら全てを混合させて酸性pH環境を形成したものである、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、 前記第2の量の有機酸は、約100ppm〜2%の重量パーセントで前記第1
の量の脱イオン水に溶解される、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、約200ppm〜0.1%の重量パーセントで前記
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3の量のアンモニウム化合物は、約100ppm〜0.1%の重量パー
セントで前記第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8】 請求項1に記載の洗浄液であって 前記第3の量のアンモニウム化合物は、水酸化アンモニウム(NH4OH)、 塩化アンモニウム(NH4Cl)、フッ化アンモニウム(NH4F)、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9】 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
塩化化合物とを含み、これら全てを混合させて酸性pH環境を形成したものであ
る、洗浄液。 - 【請求項10】 請求項9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11】 請求項9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12】 請求項9に記載の洗浄液であって、 前記第2の量の有機酸のアンモニウム塩は、約200ppm〜0.2%の重量
パーセントで前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗浄液。 - 【請求項13】 請求項9に記載の洗浄液であって、 前記第3の量の塩化化合物は、約0.1〜1%の重量パーセントで前記第1の
量の脱イオン水に溶解される、洗浄液。 - 【請求項14】 請求項9に記載の洗浄液であって 前記第3の量の塩化化合物は、塩化水素、塩化アンモニウム、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15】 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の量の有機
酸とを含み、これら全てを混合させて酸性pH環境を形成したものである、洗浄
液。 - 【請求項16】 請求項15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17】 請求項15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18】 請求項15に記載の洗浄液であって、 前記第2の量の陰イオン表面活性剤は、約50ppm〜0.2%の重量パーセ
ントで前記第1の量の脱イオン水に溶解される、洗浄液。 - 【請求項19】 請求項15に記載の洗浄液であって、 前記第3の量の有機化合物は、約0.1〜1%の重量パーセントで前記第1の
量の脱イオン水に溶解される、洗浄液。 - 【請求項20】 請求項15に記載の洗浄液であって、 前記第3の量の有機化合物は、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21】 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、脱イオン水と、有機酸と、アンモニウム化合物とを含む酸
性の洗浄液でスクラブする工程と、 を備える、方法。 - 【請求項22】 請求項21に記載の方法であって、 前記酸性の洗浄液は、緩衝された酸性の洗浄液である、方法。
- 【請求項23】 請求項21に記載の方法であって、 前記酸性の洗浄液は、約1〜6のpH値を有する、方法。
- 【請求項24】 請求項21に記載の方法であって、 前記酸性の洗浄液は、約2〜4のpH値を有する、方法。
- 【請求項25】 請求項21に記載の方法であって、 前記有機酸は、約100ppm〜2%の重量パーセントで前記脱イオン水に溶
解される、方法。 - 【請求項26】 請求項21に記載の方法であって、 前記有機酸は、約200ppm〜0.2%の重量パーセントで前記脱イオン水
に溶解される、方法。 - 【請求項27】 請求項21に記載の方法であって、 前記アンモニウム化合物は、約50ppm〜0.5%の重量パーセントで前記
脱イオン水に溶解される、方法。 - 【請求項28】 請求項21に記載の方法であって、 前記アンモニウム化合物は、約100ppm〜0.1%の重量パーセントで前
記脱イオン水に溶解される、方法。 - 【請求項29】 請求項22に記載の方法であって、 前記有機酸は、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30】 請求項22に記載の方法であって 前記アンモニウム化合物は、水酸化アンモニウム(NH4OH)、塩化アンモ ニウム(NH4Cl)、フッ化アンモニウム(NH4F)、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31】 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、脱イオン水と、有機酸のアンモニウム塩と、塩化化合物と
を含む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32】 請求項31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33】 請求項31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34】 請求項31に記載の方法であって、 前記有機酸のアンモニウム塩は、約200ppm〜0.2%の重量パーセント
で前記脱イオン水に溶解される、方法。 - 【請求項35】 請求項31に記載の方法であって、 前記塩化化合物は、約0.1〜1%の重量パーセントで前記脱イオン水に溶解
される、方法。 - 【請求項36】 請求項31に記載の方法であって 前記塩化化合物は、塩化水素、塩化アンモニウム、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37】 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、脱イオン水と、陰イオン表面活性剤と、有機化合物とを含
む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38】 請求項37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39】 請求項37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37に記載の方法であって、 前記陰イオン表面活性剤は、約50ppm〜0.2%の重量パーセントで前記
脱イオン水に溶解される、方法。 - 【請求項41】 請求項37に記載の方法であって、 前記有機化合物は、約0.1〜1%の重量パーセントで前記脱イオン水に溶解
される、方法。 - 【請求項42】 請求項37に記載の方法であって 前記有機化合物は、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43】 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、アンモニウム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環境を形成するために予め混合された前
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44】 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、有機酸のアンモニウム塩と、塩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環境を形成するために予め混合された前
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45】 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、有機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環境を形成するために予め混合された前
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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