JP2010530129A

JP2010530129A - Ｃｍｐ後のウェーハを洗浄するための熱的方法

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Publication number: JP2010530129A
Application number: JP2010507421A
Authority: JP
Inventors: ワン・チョンヒュイ; アルナジリ・ティルチラーパリ; レデカー・フリッツ; ドルディ・イエッディ; ボイド・ジョン; コロリク・ミカイル; ホーバルト・アーサー・エム．; ティエ・ウィリアム; ナラ・プラビーン
Original assignee: Lam Research Corp
Current assignee: Lam Research Corp
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2010-09-02
Also published as: CN101730929B; KR101333442B1; US20080280456A1; TW200910438A; KR20100017664A; CN101730929A; US7709400B2; WO2008140697A1; US7884017B2; US20100136788A1

Abstract

【解決手段】化学機械研磨後に半導体ウェーハを洗浄するための方法を提供する。方法の一例では、ウェーハに酸化環境における熱処理を施し、その後、還元環境における熱処理を施す。酸化環境における熱処理では、残留物を除去すると共に、露出した銅を酸化して酸化銅層を形成する。還元環境における熱処理では、その後、酸化銅を元素銅へ還元する。これにより、露出した銅は清浄となり、無電解メッキ等、更なる処理のための状態となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体デバイス製造の分野に関し、特に、ウェーハ洗浄に関する。

半導体デバイスは、そのバックエンドオブライン（ＢＥｏＬ）相互接続構造を含め、銅により形成された導電線及び他の特徴部（Feature）を含む。ウェーハ上での半導体デバイス製造中、銅は、通常、誘電層に画成されたトレンチ又はビア内に堆積される。その後、銅及び誘電層を平坦化して、追加層を堆積させるための平滑面を提供する。平坦化のための一般的な方法は、化学機械平坦化（ＣＭＰ）である。ＣＭＰ処理は、通常、次の層の形成前に除去を要する残留物をウェーハの露出面に残す。

ＣＭＰ残留物を除去するための通常の方法には、ウェーハの洗浄が含まれる。例えば、ウェーハを、最初に酸性溶液、次に塩基性溶液において洗浄するか、あるいは、最初に塩基性溶液、その後に酸性溶液により洗浄することができる。しかしながら、こうした方法には、銅を除去することで、周囲の誘電層に対して窪んだ銅特徴部が生じる傾向を有するという欠点がある。ＣＭＰ残留物を除去するための他の方法では、ウェーハを活発なプラズマに露出し、残留物をエッチングにより取り去る。

本発明は、露出した銅にも、誘電層にも害を与えない、ＣＭＰ残留物を除去するための新規な方法を提供する。

ＣＭＰ後洗浄方法の一例は、約１００℃より高い温度の気相酸化環境においてウェーハを処理し、その後、約１００℃より高い温度の気相還元環境においてウェーハを処理することを備える。酸化環境におけるウェーハの処理は、Ｏ₂又はＯ₃を含有する雰囲気中におけるウェーハの処理を含み得ると共に、還元環境におけるウェーハの処理は、Ｈ₂を含有する雰囲気中におけるウェーハの処理を含み得る。本方法は、更に、酸化環境におけるウェーハの処理の前に、塩基性溶液によりウェーハを処理することを備え得る。塩基性溶液は、例えば、約８から約１１の範囲のｐＨを有し得ると共に、一部の実施形態において、水酸化テトラメチルアンモニウムを含む。

本発明は、更に、Ｃｕ₂Ｏ表面層を有する導電性特徴部を含むＣＭＰ後ウェーハを洗浄するための方法を提供する。この方法の一例は、ＣｕＯ表面層を形成するために第一の気相環境においてＣｕ₂Ｏ表面層を酸化させ、第二の気相環境においてＣｕＯ表面層を元素銅に還元することを備える。Ｃｕ₂Ｏ表面層の酸化処理は、約１００℃より高い温度のＯ₂又はＯ₃を含有する雰囲気中におけるウェーハの処理を含み得ると共に、ＣｕＯ表面層の還元処理は、約１００℃より高い温度のＨ₂を含有する雰囲気中におけるウェーハの処理を含み得る。方法は、更に、Ｃｕ₂Ｏ表面層の酸化処理の前に、塩基性溶液により残留層を実質的に除去することを含み得る。

本発明の他の方法は、ウェーハの導電性特徴部上にキャッピング層を選択的に形成することを対象とする。この方法の一例は、ウェーハを洗浄し、無電解メッキにより導電性特徴部上に選択的にキャッピング層を形成することを備える。この方法において、ウェーハの洗浄は、ＣｕＯ表面層を形成するために第一の気相環境において導電性特徴部のＣｕ₂Ｏ表面層を酸化させ、その後、第二の気相環境においてＣｕＯ表面層を元素Ｃｕに還元することを含み得る。一部の実施形態において、キャッピング層は、コバルト又はコバルト合金を含む。

誘電層内に配置された導電性特徴部を含むＣＭＰ後ウェーハの断面図である。図１の導電性特徴部の上部の断面図である。本発明の一実施形態による図１のＣＭＰ後ウェーハを洗浄するための方法のフローチャートである。本発明の一実施形態による酸化環境における処理後の図２に示した導電性特徴部の上部の断面図である。本発明の一実施形態による還元環境における処理後の図３に示した導電性特徴部の上部の断面図である。本発明の一実施形態による導電性特徴部上に選択的に配置されたキャッピング層を含むウェーハの断面図である。

本発明は、化学機械研磨後に半導体ウェーハを洗浄するための方法を提供する。方法の一例では、ウェーハに酸化環境における熱処理を施し、その後、還元環境における熱処理を施す。酸化環境における熱処理では、残留物を除去すると共に、露出した銅を酸化して酸化銅層を形成する。還元環境における熱処理では、その後、酸化銅を元素銅へ還元する。これにより、露出した銅は清浄となり、無電解メッキ等、更なる処理のための状態となる。

図１は、化学機械研磨（ＣＭＰ）処理後のウェーハ１００の断面図である。ウェーハ１００は、誘電層１１０と、誘電層１１０内に配置され、露出した導電性特徴部１２０とを備える。図１は、更に、ＣＭＰ処理により誘電層１１０と導電性特徴部１２０との表面に残された残留層１３０を示している。残留層１３０は、例えば、洗浄残留物及び防蝕剤を含む可能性があり、通常は銅−有機物複合体である。残留層１３０は、導電性特徴部１２０の無電解メッキ等、更なる処理の前に、可能な限り完全に除去するべきである。

誘電層１１０は、ＳｉＯ₂、又はＳｉＯ₂より低い誘電率を有する低誘電率（「ｌｏｗ−ｋ」）材料を含み得る。こうしたｌｏｗ−ｋ材料、特に、誘電率が３より低いものは、完成したデバイスに優れた電気特性を与えるため、半導体デバイス製造において好まれる度合いが高まっている。適切なｌｏｗ−ｋ材料には、例えば、フルオロケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ）、有機ケイ酸塩ガラス（ＯＳＧ）、及び高多孔性ＳｉＯ₂が含まれる。

導電性特徴部１２０は、例えば、銅製の導電線又はビアである。図１には単一の導電性特徴部１２０のみを図示しているが、導電性特徴部１２０は、一般にウェーハ１００上に存在する多数の導電性特徴部を表すために使用される。

図２は、図１の導電性特徴部１２０の上部の拡大図である。残留層１３０は、明確化のため図２において省略されている。図２に示したように、導電性特徴部１２０が銅を含む時、ＣＭＰ処理により、導電性特徴部１２０は、酸化銅（Ｃｕ₂Ｏ）の薄い表面層２００を備えた状態となる。

図３は、残留層１３０を除去するためにウェーハ１００を洗浄するための方法３００の一例を表すフローチャートである。方法は、随意的に塩基性溶液によりウェーハ１００を処理すること３１０と、気相酸化環境においてウェーハを処理すること３２０と、気送管現環境においてウェーハを処理すること３３０と、を含む。ここで、「気相」とは、環境内の物質の相がプラズマではなく気体であることを示す。

方法３００は、随意的に、塩基性溶液によりウェーハ１００を処理することにより開始される。一部の実施形態において、塩基性溶液は、ｐＨが１０であり、塩基性溶液の適切なｐＨ範囲は、約８から約１１である。塩基性溶液は、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドである。こうした条件下における塩基性溶液中での適切な滞留時間は、約３０秒から約２分間である。塩基性溶液によるウェーハ１００の処理３１０は、誘電層１１０の表面と、導電性特徴部１２０の表面とから、残留層１３０の実質的部分を除去する役割を果たす。一部の実施形態では、処理３１０により、ほぼ単分子層の残留層１３０が、誘電層１１０の表面と導電性特徴部１２０の表面との両方に残る。塩基性溶液による処理３１０は、Ｃｕ₂Ｏ表面層２００（図２）を有意に変化させない。

次に、ウェーハ１００を酸化環境において処理する３２０。塩基性溶液によりウェーハ１００を処理すること３１０は随意的であるため、一部の実施形態において、方法３００は、酸化環境における処理３２０により開始される。酸化環境の一例は、約１％から約１０％の分子酸素（Ｏ₂）又は約１％から約２％のオゾン（Ｏ₃）を含有した雰囲気を含み、窒素、ヘリウム、又はアルゴンといった不活性ガスを雰囲気の残部とする。本明細書において使用した百分率は、特に記載が無い限り全て体積百分率である。

酸化環境の適切な温度範囲は、約１００℃から約４００℃である。更に好ましい温度は、約１５０℃から約２５０℃の範囲である。酸化環境内の圧力は、標準気圧以下にし得る。圧力の一例は、約１Ｔｏｒｒである。こうした条件下における酸化環境内での適切な滞留時間は、約２分間であるが、約１分間から約５分間の範囲にし得る。塩基性溶液によるウェーハ１００の随意的な処理３１０を省略すると、一般に滞留時間は長くなる。

酸化環境における処理３２０は、残留層１３０内の有機物質を分解及び揮発させる役割を果たす。酸化環境の高温は、更に残留層１３０において水を脱着させる役割を果たす。加えて、酸化環境は、導電性特徴部１２０のＣｕ₂Ｏ表面層２００を酸化させる役割を果たす。図４に示したように、Ｃｕ₂Ｏ表面層２００（図２）は、酸化され、酸化銅（ＣｕＯ）表面層４００が形成される。

次に、ウェーハ１００を還元環境において処理３３０する。還元環境は、例えば、分子水素（Ｈ₂）を含有した雰囲気を含む。雰囲気は、本質的に完全に水素にすること、あるいは、窒素、ヘリウム、又はアルゴン等の不活性ガスと水素との混合物を含むことが可能である。還元環境内の圧力は、標準気圧以下にし得る。標準気圧において、水素の適切な濃度は、約４％である。約１Ｔｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒ等の低圧において、雰囲気は、完全に水素となり得る。還元環境の適切な温度範囲は、約１００℃から約４００℃である。更に好ましい温度は、約１５０℃から約２５０℃の範囲である。一部の実施形態では、処理３２０及び３３０の両方を通して、同じ温度が維持される。こうした条件下における還元環境内での適切な滞留時間は、約１分間から約２分間である。

図５に示したように、還元環境における処理３３０は、ＣｕＯ表面層４００（図４）を元素銅（Ｃｕ）の表面層５００へ還元する役割を果たす。還元環境における処理３３０に続いて、ウェーハ１００は、例えば、導電性特徴部１２０上のキャッピング層の選択的無電解メッキ等により、更に処理可能である。コバルト及びコバルト合金の無電解メッキを行う方法は、例えば、それぞれ参照により本明細書に組み込むものとする２００６年１２月２２日提出の米国特許出願第１１／６４４，６９７号「コバルト合金の無電解メッキ」及び２００６年８月３０日提出の米国特許出願第１１／５１３，６３４号「選択的金属堆積用の銅表面を設計するプロセス及びシステム」において教示される。図６は、無電解メッキにより導電性特徴部１２０上にキャッピング層６００を選択的に形成した後のウェーハ１００を示す。元素銅表面層５００は、コバルト及びコバルト合金キャッピング層の核生成及び成長にとって、Ｃｕ₂Ｏ表面層２００より優れた表面をもたらすという利点を有する。

上述した明細書において、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には、本発明が特定の実施形態に限定されないことが理解されよう。上述した本発明の様々な特徴及び態様は、個別に又は一緒に使用し得る。更に、本発明は、本明細書の広義の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書において説明したものを超える任意の数の環境及び用途において利用可能である。したがって、本明細書及び図面は、限定ではなく例示と見做されるべきである。

Claims

ＣＭＰ後洗浄方法であって、
約１００℃より高い温度の気相酸化環境においてウェーハを処理し、その後、
約１００℃より高い温度の気相還元環境において前記ウェーハを処理することを備える方法。
前記酸化環境における前記ウェーハの処理は、Ｏ₂を含有する雰囲気中において前記ウェーハを処理することを含む、請求項１記載の方法。
前記雰囲気は、約１％から約１０％のＯ₂を含む、請求項２記載の方法。
前記酸化環境における前記ウェーハの処理は、Ｏ₃を含有する雰囲気中において前記ウェーハを処理することを含む、請求項１記載の方法。
前記雰囲気は、約１％から約２％のＯ₃を含む、請求項４記載の方法。
前記酸化環境の前記温度は、約１５０℃から約２５０℃である、請求項１記載の方法。
前記酸化環境内の圧力は、約１Ｔｏｒｒである、請求項１記載の方法。
前記酸化環境における前記ウェーハの処理は、前記ウェーハを前記酸化環境内において、約１分間から約５分間の滞留時間に渡って保持することを含む、請求項１記載の方法。
前記還元環境における前記ウェーハの処理は、Ｈ₂を含有する雰囲気中において前記ウェーハを処理することを含む、請求項１記載の方法。
前記雰囲気は、Ｈ₂と不活性ガスとの混合物を含む、請求項９記載の方法。
前記還元環境内の圧力は、約１Ｔｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒである、請求項１記載の方法。
前記還元環境の前記温度は、約１５０℃から約２５０℃である、請求項１記載の方法。
前記酸化環境の温度と、前記還元環境の温度とは、同一である、請求項１記載の方法。
前記還元環境における前記ウェーハの処理は、前記ウェーハを前記還元環境内において、約１分間から約２分間の滞留時間に渡って保持することを含む、請求項１記載の方法。
前記酸化環境における前記ウェーハの処理の前に、塩基性溶液により前記ウェーハを処理することを更に備える、請求項１記載の方法。
前記塩基性溶液は、約８から約１１の範囲のｐＨを有する、請求項１５記載の方法。
前記塩基性溶液は、水酸化テトラメチルアンモニウムを含む、請求項１５記載の方法。
前記塩基性溶液における前記ウェーハの処理は、前記ウェーハを前記塩基性溶液中に、約３０秒間から約２分間の滞留時間に渡って保持することを含む、請求項１５記載の方法。
Ｃｕ₂Ｏ表面層を有する導電性特徴部を含むＣＭＰ後のウェーハを洗浄するための方法であって、
ＣｕＯ表面層を形成するために第一の気相環境において前記Ｃｕ₂Ｏ表面層を酸化させ、
第二の気相環境においてＣｕＯ表面層を元素銅に還元させること、を備える方法。
前記第一の気相環境は、約１００℃より高い温度のＯ₂を含有する雰囲気を含む、請求項１９記載の方法。
前記第一の気相環境は、約１００℃より高い温度のＯ₃を含有する雰囲気を含む、請求項１９記載の方法。
前記第二の気相環境は、約１００℃より高い温度のＨ₂を含有する雰囲気を含む、請求項１９記載の方法。
Ｃｕ₂Ｏ表面層を酸化させる前に、塩基性溶液により残留層を実質的に除去することを更に備える、請求項１９記載の方法。
前記塩基性溶液は、約８から約１１の範囲のｐＨを有する、請求項２３記載の方法。
前記塩基性溶液は、水酸化テトラメチルアンモニウムを含む、請求項２３記載の方法。
ウェーハの導電性特徴部上にキャッピング層を選択的に形成する方法であって、
ＣｕＯ表面層を形成するために第一の気相環境において前記導電性特徴部のＣｕ₂Ｏ表面層を酸化させ、その後、
第二の気相環境において前記ＣｕＯ表面層をＣｕに還元させることを含む
前記ウェーハの洗浄と、
無電解メッキにより導電性特徴部上に選択的に前記キャッピング層を形成すること、を備える方法
前記ウェーハの洗浄は、前記Ｃｕ₂Ｏ表面層を酸化させる前に、塩基性溶液により前記ウェーハを処理することを備える、請求項２６記載の方法。
前記キャッピング層は、コバルト又はコバルト合金を含む、請求項２６記載の方法。