JP2006148122A - 半導体基板上の金属構造から残留物を除去するための方法 - Google Patents

半導体基板上の金属構造から残留物を除去するための方法 Download PDF

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Abstract

【課題】金属配線を形成した半導体基板において、半導体基板上の金属構造から高分子レジストと金属酸化物とを含む残留物を除去するプロセスの提供。
【解決手段】窒素ガス（Ｎ２）の存在下で金属構造を有する基板を加熱する加熱ステップ（ａ）と、純窒素ガス（Ｎ２）の存在下で安定化させる安定化ステップ（ｂ）と、水、窒素および酸素のグループの少なくとも１つを含むプラズマを用いてパッシベーションさせるパッシベーションステップ（ｃ）と、レジストを含む残留物を除去するための酸素を含む剥離ステップ（ｄ）とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板上の金属構造から残留物を除去するための方法に関するものである。
従来、ＤＲＡＭ（dynamic random access memory）チップなどの半導体チップでは、アルミニウム配線などの金属構造を使用して、デバイスをチップ上に電気的に接続している。
この半導体チップ用の金属構造の製造は、まず、金属を化学的または物理的な蒸着プロセスなどで堆積することにより、基板上に金属層を形成する。次に、高分子レジスト材料を、金属層上に設け、リソグラフィープロセスによってパターン化する。
パターン化の後、レジスト材料の一部を除去する。その結果、残っているレジスト材料によって、金属層を続いてエッチングするためのマスクが形成される。プラズマエッチング用（例えば、アルミニウム層用）の一般的なエッチング材としては、ＢＣｌ３、ＢＣｌ３／Ｃｌ２またはＢｒ、および、Ｆ含有ガスのような、ハロゲン含有エッチング材料を使用している。このように、金属層は、一般的に、ハロゲン含有のプラズマによってエッチングされる。
金属層をエッチングした後、酸化アルミニウムとレジストとを含む残留物を、ドライ剥離ステップによって除去する。このドライ剥離ステップの後に、ウエット洗浄プロセスを続いて行なう。このウエット洗浄プロセスは、市販の、または、独自に開発された溶液を用いて行なう。なお、残留物は、さらに、シリコン（金属層の下側のＳｉＯ２層から取り込まれる）および塩素（充分な濃度であれば両性の金属配線を腐食する可能性がある）を含んでいることもある。この後、半導体基板は、後のプロセスを行なうことができる。
米国特許第５５４５２８９号（平成８年８月１３日 公開） S. A. Campbellの「超小型電子加工技術の理工学（The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication）」Oxford University Press, 2001
この既知の処理の１つの問題は、酸化アルミニウムを有すると高分子レジストとを含む残留物を、金属配線（特にアルミニウム配線）を破損することなく剥離ステップで除去することが困難である、という点である。さらに、寸法の短い技術ノード（例えば、９０ｎｍ以下の技術ノード）では、ＤＵＶレジストを使用することが好ましいが、ＤＵＶレジストを使用すれば、側壁残留物の厚みが増し、剥離効果が低下する可能性がある。
例えば、米国特許第５，５４５，２８９号（‘２８９特許）に、高分子レジストおよび他の残留物を、酸素を含むプラズマと、ＣＦ４またはＮ２などの酸素活性化ガスとによって剥離することが記載されている。しかしながら、従来の技術文献に記載されているように、これらのステップは効果的でないこともある。すなわち、パッシベーション（不活性化・不動態化）ステップは、金属配線におけるエッチング後の腐食を低減するために使用される。‘２９８特許に記載されている解決策では、高分子レジストをより好適に除去するため、剥離ステップとパッシベーションステップとのマルチサイクルプロセスが利用されている。その結果、プロセスがより複雑になっている。‘２９８特許の内容は適宜本願の内容に加える。
さらに、残留物の金属酸化物濃度が高い（例えば、酸化アルミニウム濃度が高い）場合は、このような既知の方法は効果的でない、ということが経験的に示されている。
本発明の上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板に設けられた金属構造に取り付いた残留物を除去することができる方法を提供することである。
本発明の実施形態の方法は、金属構造を有する基板と金属構造に取り付いている高分子残留物とに対して特有の前処理を行なうことにより、高分子レジストと金属酸化物とを含む残留物を除去する。
この前処理は、２つのプロセスステップ、すなわち、特有の加熱ステップ（ａ）と、特有の安定化ステップ（ｂ）とを含んでいる。本発明の好ましい実施形態では、金属構造を有する基板の加熱ステップ（ａ）と、安定化ステップ（ｂ）とは、窒素ガスの存在下で行われ、続いて、基板を通常の大気条件にせずに、金属エッチングが行われる。
これらのステップの後、水、窒素および酸素のグループの少なくとも１つを含むプラズマを用いるパッシベーションステップ（ｃ）と、腐食を防ぎ、レジストを含む残留物を除去するための剥離ステップ（ｄ）とが続く。
窒素ガス下での加熱ステップ（ａ）および安定化ステップ（ｂ）においてinsitu（その場）で前処理することにより、後続のウエット剥離ステップ（ｄ）で、腐食させることなく、完全に、残留物を除去できる。このことは、還元ガスの存在による酸化プロセスの抑制、および／または、表面反応／マイクロ拡散プロセスによるものであろう。これにより、従来のウエット剥離が完全に効果的となるように、残留物の表面を改質させることができる。ここで、「改質」とは、組成・性質を改良することをいう。
前処理ステップ（加熱ステップ（ａ）、安定化ステップ（ｂ））は、純窒素大気下（純窒素の存在下）で行われてもよく、または、窒素ガスおよび酸素ガスを含む混合物と共に（窒素ガスと酸素ガスとを含む混合物の存在下で）行ってもよい。
全てのプロセスステップのための温度範囲は、２０〜４００℃であり、好ましい温度は２８０℃である。
加熱ステップ（ａ）は、２秒よりも長い時間（長く）行われ、好ましくは１５秒間行われる。一方、安定化ステップ（ｂ）は、１〜２０秒間続けて行われ、好ましくは５秒間行われる。
加熱ステップ（ａ）と安定化ステップ（ｂ）とは、１０ｓｃｃｍの窒素ガス（Ｎ２）を上回る体積流量で行われ、好ましくは１０００ｓｃｃｍの窒素ガス（Ｎ２）の体積流量で行われる。
加熱ステップ（ａ）および安定化ステップ（ｂ）での合計ガス圧は、１Ｔｏｒｒであり、好ましくは０．２〜１０Ｔｏｒｒの範囲である。
パッシベーションステップ（ｃ）と剥離ステップ（ｄ）とは、プラズマエッチングプロセス、特に、１３．５６ＭＨｚで行なう下流ＴＣＰ（ＩＣＰ；Inductively Coupled Plasma；誘導結合プラズマ）方式のプロセスを含む。剥離ステップ（ｄ）は、さらに、媒介物としてＣＦ４を用いるプラズマエッチングプロセスを含んでいてもよい。さらに、剥離プロセスは、マイクロ波プラズマ生成プロセスの適用を含んでいてもよい。マイクロ波放射は、通常、ギガヘルツ（例えば、２．４５ＧＨｚ）域の周波数を有している。
また、本発明の残留物を除去する方法は、金属構造を有する半導体基板を窒素ガスの存在下で加熱する加熱ステップ（ａ）と、窒素ガスの存在下で行なう安定化ステップ（ｂ）と、水、窒素、および酸素のグループの少なくとも１つを含むプラズマを用いて行なうパッシベーションステップ（ｃ）と、残留物を除去する酸素を用いた剥離ステップ（ｄ）とを含み、上記半導体基板上の上記金属構造から、高分子レジストと金属酸化物とを有する残留物を除去することを特徴としている。
また、本発明の残留物を除去する方法は、剥離ステップ（ｄ）の後に、真空プラズマによる残留物の改質を行い、残っている残留物を除去するように、exsituで溶液洗浄ステップを行なうことが好ましい。
ここで、「exsituで」とは、剥離ステップ（ｄ）を行った場所とは異なる場所で溶液洗浄ステップを行なう、という意味である。
また、本発明の残留物を除去する方法は、加熱ステップ（ａ）は、純窒素ガスの存在下で行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、加熱ステップ（ａ）は、窒素ガスと酸素ガスとの混合物の存在下で行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、安定化ステップ（ｂ）は、純窒素ガスの存在下で行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、安定化ステップ（ｂ）は、窒素ガスと酸素ガスとの混合物の存在下で行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、上記のステップのうち、少なくとも１つは、２０〜４００℃の温度範囲で行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、加熱ステップ（ａ）は、２秒よりも長く行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、加熱ステップ（ａ）は、１５秒よりも長く行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、安定化ステップ（ｂ）は、１〜２０秒間行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、加熱ステップ（ａ）は、１０ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、加熱ステップ（ａ）は、１０００ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、安定化ステップ（ｂ）は、１０ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、安定化ステップ（ｂ）は、１０００ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、加熱ステップ（ａ）および安定化ステップ（ｂ）の合計ガス圧は、０．２〜１０Ｔｏｒｒであることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、剥離ステップ（ｄ）は、プラズマエッチングのプロセスを含むことが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、上記プラズマエッチングは、１３．５６ＭＨｚで行なう、ＴＣＰ（ＩＣＰ）方式のプロセスであることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、剥離ステップ（ｄ）は、プラズマプロセスを含むことが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、剥離ステップ（ｄ）では、媒介物としてＣＦ４を使用することが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、剥離ステップ（ｄ）は、ギガヘルツ域の周波数を持つマイクロ波の照射プロセスを有していることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、１９３ｎｍと２４８ｎｍとのグループから選択される露光波長を有するリソグラフィー技術を使用する半導体デバイスの製造に使用され、１７０ｎｍ以下の寸法を有する技術ノードである金属構造を与える、ことが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、上記技術ノードの寸法は、１１０ｎｍ未満であることが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、上記金属構造は、アルミニウムまたはアルミニウム銅合金を含むことが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、上記残留物は、酸化アルミニウムを基礎とした化合物を含むことが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、上記残留物は、Ｓｉ，Ｃ，Ｃｌ，ＦおよびＢｒの少なくとも１つを含むことが好ましい。
また、本発明の残留物を除去する方法は、剥離ステップ（ｄ）の後に、ウエット溶液を使用する洗浄ステップを行なうことが好ましい。
本発明のこれらの特徴、およびその他の特徴は、以下の図面、説明および添付の請求項に基づいてさらに説明されるであろう。
以上のように、本発明の半導体基板上の金属構造から残留物を除去するための方法は、窒素ガスの存在下で行われる、加熱ステップ（ａ）と、安定化ステップ（ｂ）とを含んでいる。従って、金属構造に取り付いた残留物を除去することができるという効果を奏する。
本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。
図１は、従来技術の剥離プロセスの後に残っている残留物を有するアルミニウム配線の断面を示すＳＥＭ画像から取った図である。また、図２は、本発明の実施形態の剥離プロセスの後のアルミニウム配線の断面を示すＳＥＭ画像から取った図である。
図１に、集積回路のチップ上のアルミニウム配線（金属構造）１の断面を示す。一実施例では、チップはＤＲＡＭチップである。しかしながら、他のＩＣに対しても、本発明の技術思想を用いることができる。アルミニウム配線１は、チップ上の異なるデバイス（本例には図示せず）を電気的に接続する。
アルミニウム配線１の周囲に多少の残留物２が確認できる。特筆すべき点は、残留物２が、アルミニウム配線１の頂上を形成している一番高いところ（最上部）を超えて延びていることである。
この図に示されている金属配線１および残留物２は、レジストに対するパッシベーションおよび剥離ステップが行われた後の状態である。この剥離プロセスは、最初のプラズマエッチングと、その後のウエットエッチングステップとを含んでいる。高分子レジストを含む残留物は、図１に示すように、従来技術で知られているウエットエッチングステップでは除去できない。残留物２が金属酸化物（本例では主に酸化アルミニウム）を含んでいる、という複雑な要因があるため、アルミニウム配線１を破損することなく残留物２を除去することが困難になっている。
これに対して、図２に本発明の実施形態を用いて得られる結果を示す。本発明では、金属配線（本実施形態ではアルミニウム配線）を有する基板の前処理、すなわち、加熱ステップおよび安定化ステップが行われている。双方のステップでは、プロセスステップが、窒素ガス（すなわち、純窒素ガス、または、窒素ガスと酸素ガスとの混合物の存在下）の存在下で行われることが重要である。他のプロセスステップ（パッシベーションステップ、剥離ステップ）は変更されないままである。
加熱ステップのためのプロセス条件は、以下の通りである。なお、次に示す、「Ｔｏｒｒ」は、圧力を示す単位であり、
１Ｔｏｏｒ＝１ｍｍＨｇ＝１０１３２５／７６０Ｐａ＝１３３．３２２Ｐａ
を満たすものである。また、「ｓｃｃｍ」は、流量（単位時間１分あたりに排出される気体の標準状態での体積）を表す単位である。
圧力：１Ｔｏｒｒ
体積流量窒素ガス：１０００ｓｃｃｍ（純窒素）
時間：１５秒
基板の位置：ウエハーピン下向き
一方、安定化ステップのためのプロセス条件は、以下の通りである。
圧力：１Ｔｏｒｒ
体積流量窒素ガス：１０００ｓｃｃｍ（純窒素）
時間：５秒
基板の位置：ウエハーピン下向き
この後、水蒸気の存在するプラズマ室でのパッシベーションステップは、以下のパラメータにて行われる。
圧力：１Ｔｏｒｒ
電力：１５００Ｗ
体積流量窒素ガス５００ｓｃｃｍ
体積流量水蒸気：２８００ｓｃｃｍ
時間：４５秒
基板の位置：ウエハーピン下向き
このようなパッシベーションステップが行なわれる、プラズマ室は、従来技術（例えば、上記で引用した文献）に記載されている。
レジストは、プラズマエッチングを含む剥離プロセスを以下のパラメータで行なうことにより、最終的に除去される：
圧力：１Ｔｏｒｒ
電力：２４００Ｗ
体積流量酸素ガス：４０００ｓｃｃｍ
体積流量窒素：２８０ｓｃｃｍ
時間：９０秒
基板の位置：ウエハーピン下向き
全てのプロセスステップのウエハー温度：一般的に２８０℃
この後、従来技術でも知られているウエットエッチングステップが続く。ウエットエッチングステップでは、様々な市販のまたは独自に開発された利用可能な溶液（例えば、ＥＫＣまたはＤＳＰ）を使用できる。
上記のことから、２つの前処理ステップ（すなわち、加熱および安定化）の結果、残留物はより好適に除去されている。
なお、上記の非特許文献１に記載された処理についても適宜、本願に含まれる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
従来技術の剥離プロセスの後に残っている残留物を有するアルミニウム配線の断面を示すＳＥＭ画像から取った図である。 本発明の実施形態の剥離プロセスの後のアルミニウム配線の断面を示すＳＥＭ画像から取った図である。
符号の説明
１ アルミニウム配線（金属構造）
２ 残留物

Claims (26)

  1. 金属構造を有する半導体基板を窒素ガスの存在下で加熱する加熱ステップ（ａ）と、
    窒素ガスの存在下で行なう安定化ステップ（ｂ）と、
    水、窒素、および酸素のグループの少なくとも１つを含むプラズマを用いて行なうパッシベーションステップ（ｃ）と、
    残留物を除去する酸素を用いた剥離ステップ（ｄ）とを含み、
    上記半導体基板上の上記金属構造から、高分子レジストと金属酸化物とを有する残留物を除去することを特徴とする方法。
  2. 剥離ステップ（ｄ）の後に、真空プラズマによる残留物の改質を行い、残っている残留物を除去するように、exsituで溶液洗浄ステップを行なうことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 加熱ステップ（ａ）は、純窒素ガスの存在下で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  4. 加熱ステップ（ａ）は、窒素ガスと酸素ガスとの混合物の存在下で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 安定化ステップ（ｂ）は、純窒素ガスの存在下で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 安定化ステップ（ｂ）は、窒素ガスと酸素ガスとの混合物の存在下で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 上記のステップのうち、少なくとも１つは、２０〜４００℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 加熱ステップ（ａ）は、２秒よりも長く行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 加熱ステップ（ａ）は、１５秒よりも長く行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 安定化ステップ（ｂ）は、１〜２０秒間行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 加熱ステップ（ａ）は、１０ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 加熱ステップ（ａ）は、１０００ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
  13. 安定化ステップ（ｂ）は、１０ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 安定化ステップ（ｂ）は、１０００ｓｃｃｍを上回る流量の窒素ガスを用いて行われることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
  15. 加熱ステップ（ａ）および安定化ステップ（ｂ）の合計ガス圧は、０．２〜１０Ｔｏｒｒであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  16. 剥離ステップ（ｄ）は、プラズマエッチングのプロセスを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  17. 上記プラズマエッチングは、１３．５６ＭＨｚで行なう、ＴＣＰ（ＩＣＰ）方式のプロセスであることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 剥離ステップ（ｄ）は、プラズマプロセスを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  19. 剥離ステップ（ｄ）では、媒介物としてＣＦ４を使用することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 剥離ステップ（ｄ）は、ギガヘルツ域の周波数を持つマイクロ波の照射プロセスを有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  21. １９３ｎｍと２４８ｎｍとのグループから選択される露光波長を有するリソグラフィー技術を使用する半導体デバイスの製造に使用され、１７０ｎｍ以下の寸法を有する技術ノードである金属構造を与える、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  22. 上記技術ノードの寸法は、１１０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
  23. 上記金属構造は、アルミニウムまたはアルミニウム銅合金を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  24. 上記残留物は、酸化アルミニウムを基礎とした化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  25. 上記残留物は、Ｓｉ，Ｃ，Ｃｌ，ＦおよびＢｒの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
  26. 剥離ステップ（ｄ）の後に、ウエット溶液を使用する洗浄ステップを行なうことを特徴とする請求項１に記載の方法。
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