JP2013030625A

JP2013030625A - 半導体装置の製造方法及び処理装置

Info

Publication number: JP2013030625A
Application number: JP2011165762A
Authority: JP
Inventors: Tamotsu Suzuki; 保鈴木
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-02-07

Abstract

【課題】薬液の除去性能を高く維持することができる半導体装置の製造方法及び処理装置を提供する。
【解決手段】レジストパターン３をマスクとして絶縁膜２をドライエッチングすることにより開口部４を形成する。絶縁膜２のドライエッチングの際に開口部４の内面に付着した反応生成物５に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射して、反応生成物５に含まれる有機成分を分解する。薬液を用いて、有機成分の分解後に開口部４の内面に残存している付着物６を除去する。付着物６が除去された開口部４内に導電膜７を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び処理装置に関する。

半導体装置を製造過程では、コンタクトホールを形成すると、コンタクトホールの内面等に反応生成物が付着する。このため、コンタクトホール内に導電膜を形成する前に、薬液を用いて反応生成物を除去している。この薬液は、高価であること等の理由により繰り返し用いられている。

しかしながら、薬液の除去性能が低下しやすく、薬液にかかるコストが大きい。コストの上昇を回避すべく除去性能が低下した薬液を繰り返し用いたのでは、反応生成物が十分に除去されないことがあるため、半導体装置の信頼性を高く維持することが困難である。

特開２００３−３３２３１３号公報

本発明の目的は、薬液の除去性能を高く維持することができる半導体装置の製造方法及び処理装置を提供することにある。

半導体装置の製造方法の一態様では、レジストパターンをマスクとして絶縁膜をドライエッチングすることにより開口部を形成する。前記絶縁膜のドライエッチングの際に前記開口部の内面に付着した反応生成物に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射して、前記反応生成物に含まれる有機成分を分解する。薬液を用いて、前記有機成分の分解後に前記開口部の内面に残存している付着物を除去する。前記付着物が除去された開口部内に導電膜を形成する。

処理装置の一態様には、ドライエッチングにより絶縁膜に形成された開口部の内面に付着した反応生成物に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射して、前記反応生成物に含まれる有機成分を分解する紫外線照射手段と、薬液を用いて、前記有機成分の分解後に前記開口部の内面に残存している付着物を除去する湿式処理手段と、が設けられている。

上記の半導体装置の製造方法等によれば、紫外線の照射によって薬液にかかる負担を低減し、薬液の除去性能を高く維持することができる。

実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。処理装置の例を示すブロック図である。紫外線照射部の例を示す図である。実験の結果を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。図１は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、基板上にトランジスタ等の半導体素子を形成し、図１（ａ）に示すように、この半導体素子に接続される導電膜１（下層導電膜）を形成する。導電膜１としては、例えばＣｕ膜、Ａｌ膜、バリアメタル膜等を形成する。次いで、導電膜１上に絶縁膜２を形成する。絶縁膜２としては、例えばシリコン酸化膜を形成する。その後、絶縁膜２上に、コンタクトホールを形成する予定の領域に開口部３ａを有するレジストパターン３を形成する。

続いて、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン３をマスクとして、絶縁膜２のドライエッチングを行うことにより、コンタクトホール４を形成する。コンタクトホール４は開口部の一例である。ドライエッチングに用いられるエッチングガスには、例えばＣＦ₄及びＣＨＦ₃等が含まれている。このとき、コンタクトホール４及び開口部３ａの内面に反応生成物５が付着する。反応生成物５には、レジストパターン３、絶縁膜２及び導電膜１を構成する元素が含まれている。

次いで、図１（ｃ）に示すように、ドライアッシングによりレジストパターン３を除去する。なお、ドライアッシングでは、反応生成物５はほとんど除去できない。

その後、波長が２００ｎｍ以下の紫外線を反応生成物５に照射する。このような紫外線は１６６．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ以上の強いエネルギを有する。また、本願発明者による組成分析の結果、反応生成物５の大部分はＣ及びＦであり、かつ、Ｃ及びＦは単体で存在しているのではなく互いに結合していることが判明した。つまり、反応生成物５は、Ｃ−Ｆ結合を含む有機化合物を主成分としている。更に、本発明者による有機成分の組成分析によると、Ｃ及びＦの割合は、大凡、Ｃ：４０ｗｔ％、Ｆ：６０ｗｔ％（Ｃ：５１ｍｏｌ％、Ｆ：４９ｍｏｌ％）である。また、Ｃ−Ｆ結合の結合エネルギは１１５．２ｋｃａｌ／ｍｏｌである。このように、Ｃ−Ｆ結合は強い結合であるが、上述のように、強いエネルギを有する紫外線が照射されると、Ｃ−Ｆ結合は切断され、Ｃ及びＦが単体となる。更に、紫外線の照射により、雰囲気中には励起酸素原子が多量に発生しているため、単体となったＣ及びＦは励起酸素原子と反応してＣＯ又はＣＯ₂等となって蒸発飛散する。この結果、図１（ｄ）に示すように、反応生成物５の大部分を占める有機成分が除去され、僅かに含有されていた金属成分を主成分とする付着物６が残存する。なお、波長が２００ｎｍ以下の紫外線としては、例えば波長が１７２ｎｍのキセノンエキシマ紫外線を用いることができる。

その後、図１（ｅ）に示すように、薬液を用いて金属成分を主成分とする付着物６を除去する。付着物６には、反応生成物５に含まれていたＣ−Ｆ結合のほとんどが含まれていないため、付着物６の除去に伴う薬液の劣化は、従来の方法における薬液の劣化と比較して極めて僅かなものとなる。なお、薬液としては、例えば有機アミン系の薬液及びフッ化アンモニウム系の薬液を用いることができる。

続いて、図１（ｆ）に示すように、コンタクトホール４を介して導電膜１に接続される配線７（導電膜）を形成する。

その後、更に層間絶縁膜及び配線等を形成して半導体装置を完成させる。

このように、本実施形態では、薬液を用いた付着物６の除去の前に紫外線の照射を行って反応生成物５に含まれる有機成分を分解している。このため、付着物６の除去の際に生じる薬液の劣化が少ない。従って、薬液の除去性能の低下が小さく、従来の方法と比較して、多数の繰り返し使用を行っても、付着物６を確実に除去することができる。つまり、本実施形態によれば、薬液の繰り返し回数を多くして薬液にかかるコストを低減しながら、付着物６を確実に除去して半導体装置の信頼性を高く維持することができる。

また、付着物６の除去に要する時間が、従来の方法における薬液を用いた処理に要する時間と比較して短縮されるため、紫外線の照射に要する時間を考慮しても、総合的な処理時間が短縮される。つまり、スループットを向上することができる。更に、本実施形態で用いる薬液には、Ｃ−Ｆ結合を含む物質の除去はほとんど要求されないため、より安価な薬液を用いることもでき、この点でコストを低減することも可能である。

なお、Ｃ−Ｆ結合を切断するため、及び、細く深いコンタクトホール内にも入り込めるようにするために、紫外線の波長は２００ｎｍ以下の短波長とする。

また、紫外線の照射の際に、加湿した大気をチャンバ内に導入することが好ましい。水蒸気量の増加に伴って、オゾンが発生しやすくなり、処理効率が向上するからである。チャンバ内に導入された水蒸気はコンタクトホール４に供給される。水蒸気の添加量は、５×１０^-6ｍ³／ｍｉｎ〜３０×１０^-6ｍ³／ｍｉｎ（５ｃｃ／ｍｉｎ〜３０ｃｃ／ｍｉｎ）とすることが好ましい。５×１０^-6ｍ³／ｍｉｎ未満では、水蒸気の添加による効果が十分とはいえず、３０×１０^-6ｍ³／ｍｉｎ超では、結露が生じる虞があるためである。

また、紫外線の照射は、敢えて基板を加熱することなく行うことが好ましい。これは、加熱によって反応生成物が変質して、紫外線の照射によっても分解しにくくなることがあるからである。このような観点から、紫外線の照射は、例えば１００℃以下で行うことが好ましい。

また、紫外線の気体分子との衝突を抑制するために、チャンバ内を減圧してもよい。

次に、反応生成物５及び付着物６の除去に好適な処理装置について説明する。図２は、処理装置の例を示すブロック図である。

図２に示すように、この処理装置１１には、紫外線を照射して反応生成物に含まれる有機成分を分解する紫外線照射部１２、及び薬液を用いた湿式処理により、紫外線の照射後に残存する付着物を除去する湿式処理部１３が設けられている。

紫外線照射部１２の構成は特に限定されない。例えば、図３（ａ）に示すように、処理対象である基板２３が載置されるステージ２２の上方に、波長が２００ｎｍ以下の紫外線を発生させる短波長紫外線ランプ２１が設けられた装置を用いることができる。また、図３（ｂ）に示すように、加湿した大気をチャンバ内に導入する導入口２４が設けられていてもよい。加湿した大気の導入により、上記のように、オゾンが発生しやすくなり、処理効率が向上する。

また、湿式処理部１３としては、従来の薬液を用いた処理を行う装置等を用いることができる。

なお、ドライエッチングにより形成する開口部はコンタクトホールに限定されず、ビアホール又はダマシンプロセスにおける配線溝等であってもよい。

ここで、本願発明者が行った実験について説明する。この実験では、レジストパターンの除去後に存在する反応生成物に紫外線を照射する際の条件と、反応生成物の変化の程度との関係について調査した。

先ず、上記の実施形態と同様にしてコンタクトホールの形成後にレジストパターンをドライアッシングにより除去した。そして、残存する反応生成物を観察した。この反応生成物の走査型顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）を図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、絶縁膜の上面からパイプ状に延びる反応生成物が観察された。

常温（約２５℃）、常圧（約７６０ｍｍＨｇ、約１０⁵Ｐａ）で３０秒間の紫外線照射を行った結果のＳＥＭ写真を図４（ｂ）に示し、常温、常圧で６０秒間の紫外線照射を行った結果のＳＥＭ写真を図４（ｃ）に示す。２００℃、常圧で３０秒間の紫外線照射を行った結果のＳＥＭ写真を図４（ｄ）に示す。常温、減圧（約１００ｍｍＨｇ）で６０秒間の紫外線照射を行った結果のＳＥＭ写真を図４（ｅ）に示し、常温、減圧（約１００ｍｍＨｇ）で３００秒間の紫外線照射を行った結果のＳＥＭ写真を図４（ｆ）に示す。また、常温、常圧で、１０×１０^-6ｍ³／ｍｉｎの流量で水蒸気を添加しながら３０秒間の紫外線照射を行った結果のＳＥＭ写真を図４（ｇ）に示し、常温、常圧で、１０×１０^-6ｍ³／ｍｉｎの流量で水蒸気を添加しながら３００秒間の紫外線照射を行った結果のＳＥＭ写真を図４（ｈ）に示す。

図４（ｂ）〜図４（ｈ）に示すように、紫外線の照射により図４（ａ）中の反応生成物が縮小していた。また、図４（ｂ）〜図４（ｈ）から、処理時間が長くなるほど、反応生成物が小さくなることが分かる。更に、水蒸気が添加された場合には、反応生成物がより小さくなることが分かる。なお、反応生成物の残部は金属成分を主成分とした付着物であり、その後に薬液を用いた処理、即ち湿式処理を行えば容易に除去することができる。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記絶縁膜をドライエッチングすることにより、前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜のドライエッチングの際に前記開口部の内面に付着した反応生成物に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射する工程と、
前記紫外線を照射する工程の後、薬液を用いて前記開口部の内面に残存している付着物を除去する工程と、
前記付着物が除去された開口部内に導電膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記２）
前記紫外線を照射する工程において、前記開口部に水蒸気を供給することを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。

（付記３）
前記薬液として、有機アミン系の薬液又はフッ化アンモニウム系の薬液を用いることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置の製造方法。

（付記４）
前記開口部を形成することにより、前記絶縁膜下の下層導電膜の表面を露出させ、
前記導電膜を前記下層導電膜に接触させることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記５）
前記絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記６）
ドライエッチングにより絶縁膜に形成された開口部の内面に付着した反応生成物に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射する紫外線照射手段と、
薬液を用いて、前記開口部の内面に残存している付着物を除去する湿式処理手段と、
を有することを特徴とする処理装置。

（付記７）
前記紫外線照射手段は、前記開口部に水蒸気を供給する供給手段を有することを特徴とする付記６に記載の処理装置。

（付記８）
前記薬液として、有機アミン系の薬液又はフッ化アンモニウム系の薬液を用いることを特徴とする付記６又は７に記載の処理装置。

（付記９）
ドライエッチングにより絶縁膜に形成された開口部の内面に付着した反応生成物に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射する工程と、
前記紫外線を照射する工程の後、薬液を用いて前記開口部の内面に残存している付着物を除去する工程と、
を有することを特徴とする処理方法。

（付記１０）
前記紫外線を照射する工程において、前記開口部に水蒸気を供給することを特徴とする付記９に記載の処理方法。

２：絶縁膜
３：レジストパターン
４：コンタクトホール
５：反応生成物
６：付着物
７：配線
１１：処理装置
１２：紫外線照射部
１３：湿式処理部
２１：短波長紫外線ランプ
２４：導入口

Claims

絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記絶縁膜をドライエッチングすることにより、前記絶縁膜に開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜のドライエッチングの際に前記開口部の内面に付着した反応生成物に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射する工程と、
前記紫外線を照射する工程の後、薬液を用いて前記開口部の内面に残存している付着物を除去する工程と、
前記付着物が除去された開口部内に導電膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記紫外線を照射する工程において、前記開口部に水蒸気を供給することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記薬液として、有機アミン系の薬液又はフッ化アンモニウム系の薬液を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
ドライエッチングにより絶縁膜に形成された開口部の内面に付着した反応生成物に波長が２００ｎｍ以下の紫外線を照射する紫外線照射手段と、
薬液を用いて、前記開口部の内面に残存している付着物を除去する湿式処理手段と、
を有することを特徴とする処理装置。
前記紫外線照射手段は、前記開口部に水蒸気を供給する供給手段を有することを特徴とする請求項４に記載の処理装置。
前記薬液として、有機アミン系の薬液又はフッ化アンモニウム系の薬液を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の処理装置。