JP2006303286A

JP2006303286A - レーザー照射微細加工方法及び該方法を用いて構成された半導体ウェーハ

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Publication number: JP2006303286A
Application number: JP2005124734A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Kimura; 景一木村; Yasuhiro Takatani; 裕浩高谷; Takashi Miyoshi; 隆志三好; Yoshitomo Suzuki; 恵友鈴木
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Osaka University NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Osaka University NUC
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2025-04-22
Also published as: JP4608613B2

Abstract

【課題】Ｃｕ残膜に対し化学溶液（加工液）中でレーザー照射することにより、銅を除去加工し、非接触で平坦化加工を行うことを目的としている。
【解決手段】本発明は、金属材料を化学溶液中に置き、この金属表面に化学溶液中で不動態膜を形成し、そこにレーザー光を選択的に照射することにより、不動態膜をレーザーアブレーションにより除去し、不動態膜が除去された部分のみ化学溶液によるエッチング作用で材料除去を行う。これによって、半導体ウェーハ上に形成された銅膜を選択的に除去加工することができる。半導体ウェーハを加工液中に浸け、銅を除去すべき箇所に、集束レーザー光を選択的に照射し、銅膜を選択的に除去加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ上に形成された銅膜を選択的に除去加工するレーザー照射微細加工方法及び該方法を用いて構成された半導体ウェーハに関する。

超ＬＳＩのデザインルールの縮小と共に、配線材料は従来のＡｌから、より電気抵抗の低いＣｕへと移行してきている。Ｃｕ配線パターンの加工・形成は、絶縁体内にあらかじめ所定の溝構造を形成したうえで、溝内にＣｕを埋め込むダマシン（Damascene）プロセスが用いられる。この際に生まれる余剰Ｃｕ表面層は、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ）により除去されるが、配線パターンに依存してディッシングやエロージョンと呼ばれる配線の目減りが起こり、デバイスの性能を低下させる原因となる。

このように、Ｓｉウェーハ上に形成された銅膜を平坦化加工する化学的機械的研磨法(ＣＭＰ)においては、研磨圧力、およびそれによる摩擦力のためしばしば銅膜が剥離し、さらに絶縁材料であるLow-k材料の破壊が発生し、プロセス不良の原因となっている。

図９は、Ｃｕ残膜の発生を説明する図であり、（ａ）は研磨前のシリコンウェーハを、また（ｂ）は、研磨後のシリコンウェーハをそれぞれ示している。配線の目減りが生じる前に研磨を終了しなければならないが、その際、研磨の進行が遅い領域にＣｕ残膜が生じるため（図９（ｂ））、これを選択的に除去する技術が求められる。
Simeon M. Metev, Vadim P. Veiko: Laser-Assisted Microtechnology, Springer, 1998

本発明は、Ｃｕ残膜に対し化学溶液（加工液）中でレーザー照射することにより、銅を除去加工し、非接触で平坦化加工を行うことを目的としている。これによって、Ｃｕ−ＣＭＰスラリー中でＣｕウェーハに対しレーザー照射する新規なナノ平坦加工法を提供する。

本発明のレーザー照射微細加工方法は、金属材料を化学溶液中に置き、この金属表面に化学溶液中で不動態膜を形成し、そこにレーザー光を選択的に照射することにより、不動態膜をレーザーアブレーションにより除去し、不動態膜が除去された部分のみ化学溶液によるエッチング作用で材料除去を行う。

また、本発明のレーザー照射微細加工方法は、半導体ウェーハ上に形成された銅膜を選択的に除去加工する微細加工方法であって、半導体ウェーハを加工液中に浸け、銅を除去すべき箇所に、集束レーザー光を選択的に照射し、銅膜を選択的に除去加工する。

また、本発明の半導体ウェーハは、表面に形成された銅膜を選択的に除去加工することにより構成される。この半導体ウェーハを加工液中に浸け、銅を除去すべき箇所に、集束レーザー光を選択的に照射することにより、銅膜が選択的に除去加工される。

本発明によれば、Ｃｕ−ＣＭＰスラリー中でのＣｕウェーハへの集束レーザー照射により照射部のみの局所除去加工が可能となる。深さ方向の加工レートは、レーザー強度に対し指数関数的に増大する傾向があり、ナノメーター・オーダーの加工レートが、レーザー強度或いはレーザー走査回数を制御することにより、調整可能となる。このように、本発明は、ＣＭＰ後のＣｕ残膜除去加工に適用可能であり、超ＬＳＩ製造プロセスにおける、配線工程の平坦化プロセスに適用することができる。

加工液中でレーザー加工することにより、加工物への熱負荷の軽減、加工液の化学作用による加工能率の向上、およびデブリによる汚染の低減などの効果があることが知られている（非特許文献１参照）。このような加工液として用いることのできる、例えばＣｕ−ＣＭＰスラリーPLANERLITE7101（Fujimi製）には、Ｃｕに対し溶去作用をもつ有機酸等の化学種が含まれており、集束レーザー照射によりその作用を促進し、照射部のみの局所加工を行うことができる。通常、加工液は、これら成分以外に、キレート剤（グリシン、キナルジン酸などの有機酸/Cu表面に不動体膜を形成する）、酸化剤（過酸化水素水［H₂O₂］/Cu表面の酸化作用）、防食剤（BTA［ベンゾトリアゾール］/ポリシング後のCu表面の酸化防止）、微小粒子（SiO₂, CeO₂ などの砥粒［粒径150 nm程度］/機械的ポリシング作用）、等を含んでいる。

除去加工の対象となるＣｕ残膜のサイズは高さ数百ｎｍ、幅数〜数十μｍであり、加工量のオーダは幅数μｍ、深さ十数ｎｍが要求される。本発明によれば、レーザースポットをスキャンすることにより任意形状の残膜を除去することが可能になる。

図１は、本発明によるレーザー平坦化プロセスの基本的な概念を示す図である。銅は容易にはプラズマエッチングすることができないので、銅配線には、ダマシンプロセスが必要になる。レーザー平坦化プロセスでは、銅表面は、ＣＭＰのために使用されたスラリーのような加工液中において、集束レーザー光によって照射される。平坦化プロセスは、図１（ａ）に示すように、回転するＳｉウェーハの銅表面にレーザー光を径方向に走査することにより行なわれる。材料除去は、レーザー誘起蒸発、レーザー誘起ウエットケミカルエッチング、レーザーアブレーション、或いはそれらの組み合わせのような、材料とレーザーの相互作用によって生じると考えられる。したがって、レーザー照射条件の変更により、加工レートをコントロールすることが可能になり、また、このコントロールはレーザー・スポット・サイズで可能になる。

レーザー平坦化プロセスの最初の段階として、過度の銅をより速く減少させるために、所定の深さレートでの荒い除去プロセスを行う。このプロセスでは、図１（ｂ）に示すように高レートで銅を除去するために、大きな一定フルエンスモードのレーザービームが使用される。

ほとんどの過度の銅はこのプロセスによって除去されるが、溝パターンを反映する堆積銅層上のこぶ状の凹凸が残る。本発明は、このようなこぶに対して、図１（ｃ）に示されるような変調フルエンスモードのレーザービームを使用することにより、除去レートを制御して、銅の選択除去を行う。或いは、従来技術による半導体のダマシンプロセスにおけるＣｕ−ＣＭＰ後のＣｕ残膜（図９参照）に対して、本発明を適用して、レーザー微細加工により銅の選択除去を行うことができる。

光学システムの概略図を図２に示す。光学システムは、顕微鏡観察システム及びレーザー照射制御システムから構成されて、ビームスポット位置、走査周波数及びレーザー強度のようなレーザー光照射条件を制御する。レーザー光はAr+レーザーから放射され、ビームの走査のために互いに垂直な軸を持つ一対のコンピュータ制御のガルバノミラーによって偏向される。光源には、望ましくはλ ＝１５０〜７００ｎｍのレーザー波長範囲の、例えばAr+レーザ(λ=488ｎｍ)を用い、水浸対物レンズ（60×、NA=0.90）により試料表面に集光する。

レーザービームは、対物レンズの開口サイズ（NA=0.90）内の最大走査長を調整する一対のリレーレンズユニットを通過した後、ビームスプリッタによって偏向され、そして、水浸対物レンズによって集束される。レーザースポットは、例えば、直径が理論値で約0.35μｍであり、ガルバノミラーにより試料表面上をスキャンできる。スキャン条件は、例えば、1 秒間に28μｍの直線を往復し、ある点を２回スキャンする。レーザー照射した試料の観察はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により行った。

この試料は、図２（ｂ）に示されるように、1000ｎｍの厚さのＣｕ層、100ｎｍのＣｕシード層、50ｎｍを備えたTaNバリア層及びシリコン基板から構成される。試料は１辺１０ｍｍの正方形に切断したＣｕ膜付きシリコンウェーハ（表面粗さ:約3ｎｍ Rrms）であり、スライドガラス上に載せ、銅エッチング剤を含んでいるＣｕ−ＣＭＰスラリーに漬けられる。試料の位置決めは、ピエゾアクチュエーターを使用して駆動される5ｎｍの位置決め精度を持つＸＹＺ-ステージを使用して行なわれる。レーザー照射条件の一例を、図３に示すテーブルに記載した。

加工の基礎特性を調査するため、パラメータとしてレーザー強度、およびスキャン回数を変化させて実験を行った。レーザー強度は36、72、108、144、198ｍＷの５種類で、走査回数は120 回から2400 回の範囲で行った。

加工の代表例として、レーザー強度144ｍＷおよび198ｍＷ、スキャン回数ともに600 回の試料のＡＦＭ像を図４に示す。加工形状は三角溝であり、144ｍＷでは幅2.3μｍで深さ58ｎｍ、198ｍＷでは幅2.1μｍで深さ550ｎｍである。深さが約10 倍変化しているのに対し、幅はほとんど変化していない。また、溝の外周にはアブレーション加工に見られるバリの様な変形を伴わない。平面図でも、加工痕周辺にはデブリなどの汚染やエッチングによる食孔は見られず、深さの大小に関わらずレーザー照射部のみの選択的除去加工が行われている。

５種類のレーザー強度について、スキャン回数に対する加工深さを図５に示す。レーザー強度36ｍＷおよび198ｍＷでは、図５中に直線で示したような線形関係が示唆される。図５（ｂ）は、（ａ）中の点線矩形部の拡大図を示している。レーザー強度72ｍＷおよび144ｍＷでは、スキャン回数がそれぞれ1200 から2400 回、および600から1200 回の間で加工深さが飛躍的に増大している。しかし、それ以前の、加工量が小さい領域での72ｍＷ、108ｍＷ、および144ｍＷの加工深さ（図５（ｂ））には、ほぼ線形関係が見出される。

図５中に示した直線の傾きから各レーザー強度に対する加工レート（スキャン1 回あたりの加工深さ）を求めると、図６に示すように、低強度から順に0.02ｎｍ、0.01ｎｍ、0.05ｎｍ、0.1ｎｍ、および0.7ｎｍとなる。図６は、レーザー強度と加工レートの関係を示すグラフ（ａ）及び表（ｂ）である。図６（ａ）に示すように、加工（材料除去）レートは、レーザー強度とともに指数関数的に増大する傾向があり、レーザー強度によって制御可能であることが示唆される。加工能率の観点からはより高い強度が望ましく、一方、低い強度では加工量のオーダを小さく制限でき、数ｎｍの除去加工が可能となる。

図７は、スキャン回数と加工幅の関係を示すグラフである。図７に示されるように、加工幅はおよそ1.2μｍから2.7μｍの範囲に収まっており、加工のオーダは充分小さい。これらの値はレーザースポット直径の理論値0.35μｍより大きいが、実際のスポット直径はスラリー中の微粒子による散乱のために多少大きくなっている可能性がある。また、レーザー照射による熱が伝導する周辺部でもＣｕ材料の除去が生じるためと考えられる。

上述の図６に示されるように、加工レートは、36〜144ｍＷの範囲のレーザー強度にほとんど正比例するが、198ｍＷのレーザー強度で、0.7ｎｍ/走査まで急にジャンプする。Ｃｕ−ＣＭＰスラリー中の銅層が、一様な材料で構成されていれば、その加工レートは、レーザー強度によって直線的に変化するので、加工レートの急上昇から判断して、銅層は、異なる材料の薄膜でカバーされていると考えられる。この薄膜の厚さは、加工レートが144ｍＷのレーザー強度まで正比例していることから、図５（ｂ）よりほぼ60ｎｍであると推測できる。Ｃｕ−ＣＭＰスラリーの反応性液体環境を考慮すると、実験の結果は、図８に示すような加工プロセス・モデルになる。銅の表面は、Ｃｕ−ＣＭＰスラリーに含まれた酸化剤によって酸化されて、酸化物薄膜（不動態膜）で覆われる。レーザー照射に対して、このＣｕ不動態膜の加工レートは、Ｃｕよりも低い。低いレーザー強度に対して、Ｃｕ不動態膜が、最初に除去されるので、図８（ａ）に示されるように、加工レートは低くなる。加工が、Ｃｕ層に達すると、図８（ｂ）に示されるように、加工レートは急に増加する。

Ｃｕ不動態膜が高いパワーのレーザーによって照射される場合、加工の深さは直ちにＣｕ層に達する。図８（ｂ）に示されるように、高いパワーのレーザーによって照射されたＣｕ層はより深く掘られることになる。

上述したように、Ｃｕ−ＣＭＰスラリー中でのＣｕウェーハへの集束レーザー照射により照射部のみの局所除去加工が観察され、加工痕は横1.2μｍから2.7μｍ、深さ800ｎｍ以下の三角溝形状であった。深さ方向の加工レートは、レーザー強度に対し指数関数的に増大する傾向があり、その制御可能性が示唆された。実験結果は、レーザー照射に対して、Ｃｕ不動態膜の加工レートが、Ｃｕより低いということを説明している。深さ方向のナノメーター・オーダーの加工レートが、レーザー強度および走査回数によって制御可能となる。

このように、本発明によれば、金属材料を化学溶液中に置き、そこにレーザー光を照射することにより、材料除去ができる。化学溶液中で金属表面に不動態膜を形成し、この不動態膜をレーザーアブレーションにより除去し、不動態膜が除去された部分のみ化学溶液によるエッチング作用で材料除去を行う、という材料除去プロセスになる。

本発明によるレーザー平坦化プロセスの基本的な概念を示す図である。光学システムの概略図を示す図である。レーザー照射条件の一例を示すテーブルである。加工の代表例として、レーザー強度144ｍＷおよび198ｍＷ、スキャン回数ともに600 回の試料のＡＦＭ像を示す図である。５種類のレーザー強度について、スキャン回数に対する加工深さを示す図である。レーザー強度と加工レートの関係を示すグラフ（ａ）及び表（ｂ）である。スキャン回数と加工幅の関係を示すグラフである。加工プロセス・モデルを示す図である。Ｃｕ残膜の発生を説明する図であり、（ａ）は研磨前のシリコンウェーハを、（ｂ）は、研磨後のシリコンウェーハをそれぞれ示す。

Claims

金属材料を化学溶液中に置き、この金属表面に化学溶液中で不動態膜を形成し、
そこにレーザー光を選択的に照射することにより、不動態膜をレーザーアブレーションにより除去し、
不動態膜が除去された部分のみ化学溶液によるエッチング作用で材料除去を行う、
ことから成るレーザー照射微細加工方法。
半導体ウェーハ上に形成された銅膜を選択的に除去加工する微細加工方法において、
前記半導体ウェーハを加工液中に浸け、
銅を除去すべき箇所に、集束レーザー光を選択的に照射して、
銅膜を選択的に除去加工することから成るレーザー照射微細加工方法。
前記加工液は、化学的機械的研磨プロセス（ＣＭＰ）のために使用されるスラリーである請求項１又は２に記載のレーザー照射微細加工方法。
除去加工レートが、レーザー照射条件の変更により制御される請求項１又は２に記載のレーザー照射微細加工方法。
前記集束レーザー光を選択的に照射して選択的に除去加工する前に、一定フルエンスモードのレーザービームを使用して高レートでの除去加工を行う請求項１又は２に記載のレーザー照射微細加工方法。
前記集束レーザー光の照射は、レーザー波長が１５０〜７００ｎｍの波長範囲にあるレーザーから放射され、一対のコンピュータ制御のガルバノミラーによって偏向された後、対物レンズにより除去箇所表面に集光してスキャンされる請求項１又は２に記載のレーザー照射微細加工方法。
表面に形成された銅膜を選択的に除去加工することにより構成される半導体ウェーハにおいて、
前記半導体ウェーハを加工液中に浸け、銅を除去すべき箇所に、集束レーザー光を選択的に照射することにより、銅膜が選択的に除去加工されることから成る半導体ウェーハ。