JP2002500276A - サブクオーターミクロン適用のための、メタライゼーションに先立つ予備洗浄方法 - Google Patents
サブクオーターミクロン適用のための、メタライゼーションに先立つ予備洗浄方法Info
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Abstract
Description
に、本発明は、メタライゼーションの前に行われるサブミクロン構造の予備洗浄
に関する。
LSI)のための重要な技術の一つである。この技術の心臓部を占める多層配線技 術は、高アスペクト比の孔で形成された配線構造の平坦化を必要とする。これら
配線構造を信頼性をもって形成することは、VLSIを成功させ、また回路密度なら
びに個々の基板およびダイの品質を向上するための継続的な努力にとって非常に
重要である。 回路密度の増大は、主にビア、コンタクトおよび他の構造における幅の減少、
並びにこれら構造間の誘電体膜厚の減少からもたらされる。装置の集積度を改善
するためには、これら構造を洗浄して汚染物を除去することが要求される。この
構造の幅を減少させると該構造のアスペクト比が更に大きくなり、金属または他
の材料で埋める前に該構造を洗浄する困難性が増大する。これら構造の洗浄に失
敗すると、該構造内における空隙の形成または構造の抵抗増大が生じる可能性が
ある。従って、高アスペクト比(特に、高さ/幅の比が4:1以上の場合)を有
する微小構造の洗浄に多大の努力が向けられている。 微小構造内における自然酸化物および他の汚染物の存在は、蒸着する金属の不
均一な分布を促進することによって、典型的には空隙を生じる。自然酸化物は、
典型的には露出したフィルム層/基板を酸素に曝すことの結果として形成される
。酸素暴露は、大気条件において処理チャンバー間で基板を移動するとき、真空
チャンバー内に残留する少量の酸素がウエハー/フィルム層に接触するとき、ま
たはエッチングにより層が損傷したときに生じる。構造内における他の汚染物は
、酸化物のオーバーエッチングからスパッタされた材料、剥離プロセスからの残
留フォトレジスト、先の酸化物エッチング工程での残留ポリマー、または予備ス
パッタエッチング工程から再蒸着された材料である可能性もある。自然酸化物お
よび他の汚染物は、膜成長を阻害する領域を形成することによって、膜形成を妨
げる領域を基板上に形成する。成長の制限された領域に蒸着金属が充填され得る
前に、成長の増大した領域が微小構造を閉じてしまう。 また、自然酸化物および他の汚染物の存在は、ビア/コンタクトの抵抗を増大
する可能性があり、該微小構造のエレクトロマイグレーション耐性を低下させる
可能性がある。汚染物は誘電体膜、サブ層または蒸着金属の中に拡散して、該微
小構造を含む装置の特性を変化させる可能性がある。汚染物は該構造の薄い境界
領域に限定され得るが、この薄い境界領域は微細構造の実質的部分である。当該
構造の中の許容可能な汚染物レベルは、該構造の幅が小さくなるなるに伴って低
下する。
または約4:1よりも小さいアスペクトを有する微細構造においては、汚染物を
減少させるために効果的である。しかし、スパッタエッチングプロセスは、物理
的衝突によって、シリコン層、当該構造側壁上のスパッタ蒸着Si/SiO2、および 当該構造側壁上のアルミニウムまたは銅のようなスパッタ金属サブ層を損傷する
可能性がある。大きな構造の場合、このスパッタエッチングプロセスは、典型的
に該構造内の汚染物の量を許容可能なレベルにまで減少させる。大きなアスペク
ト比を持った小さい構造の場合、スパッタエッチングプロセスは当該構造内の汚
染物の除去に効果的ではなく、形成される装置の特性を損なう。 スパッタエッチングプロセスによる予備洗浄は、銅基体を伴う構造には特に不
適切である。それは、誘電体側壁を通してスパッタされたCuの拡散が容易だから
である。この拡散は、TEOS、熱酸化物および幾つかの低K誘電体材料の場合に特 に容易である。従って、Cu予備洗浄のために、基板上に如何なるバイアスもない
新規な予備洗浄プロセスが必要とされている。
ョンに先立ってサブミクロン構造を洗浄するための、湿式化学洗浄プロセスが開
発された。この湿式化学プロセスは、典型的には、自然酸化物を除去するために
当該構造のフッ化水素酸(HF)での処理を含んでいる。当該構造の中に残留する
汚染物に応じて、種々の他の湿式プロセスを使用することができる。この湿式化
学洗浄プロセスは、乾式洗浄プロセスと組合せることができる。しかし、当該構
造から痕跡量の汚染物を除去するために湿式化学洗浄工程を追加することは、メ
タライゼーションのための全体のプロセス時間を実質的に増大させる。 サブミクロン構造のためのソフトエッチング洗浄プロセスは、Sumi等によって
、「安定なオーミック特性のためのソフトエッチングを用いた新規コンタクトプ
ロセス、および0.1ミクロン装置に対するその応用」(IEDM 94-113以下参照)に
記載されている。このソフトエッチングプロセスは、誘導結合されたアルゴンの
プラズマを使用して、シリコン下地層から自然酸化物を除去する。このプロセス
は、コンタクトホールの底から側壁への物質の再スパッタリングを回避するもの
ではない。 サブミクロン構造のための乾式洗浄プロセスは、Taguwa等によって、「Ar/H2
ECRプラズマによる完全乾式洗浄を用いたギガビットスケールDRAMのための低コ ンタクト抵抗メタライゼーション」(IED M95-695以下)に記載されている。こ の乾式洗浄プロセスは、好ましくは、チタンの化学的気相成長に先立って、アル
ゴンおよび水素の混合物を含む電子サイクロトロンプラズマで当該構造を洗浄す
る。この洗浄プロセスはArによる衝突を低下させ、自然酸化物をシリコン下地層
から除去し、シリコン下地層と蒸着チタンとの間での均一なTiSix層の形成を促 進する。しかし、洗浄プロセスにおいてArにH2を添加することは、当該構造内の
材料の再スパッタリングを完全に排除するものではない。 高アスペクト比を有するサブクオーターミクロンの構造について、乾式洗浄の
際に当該構造の底から側壁へと材料が再スパッタリングすることは、当該構造の
著しい狭窄およびこれに対応して該構造の抵抗増大をもたらし、装置特性を損な
う。公知の乾式洗浄プロセスは、当該構造の側壁への材料の再蒸着を伴うことな
く、該構造から汚染物を除去する上で効果的ではない。従って、汚染物を残留さ
せることなく、微細構造を効果的に洗浄するための洗浄プロセスが未だ必要とさ
れている。
板上の構造を予備洗浄する方法を提供する。この方法は、下地層を損傷すること
なくコンタクトの底から酸化物を除去することを含み、側壁への材料の再蒸着を
伴わずにビアの底からSiO2、酸化アルミニウムまたは酸化銅を除去すること、コ
ンタクト孔の底から損傷を受けたシリコンの薄層を除去すること、および構造の
側壁から汚染物を除去することを含む。この構造の予備洗浄は、反応性洗浄ガス
の遠隔プラズマからのラジカルを用いて汚染物が除去される第一の工程と、水素
ラジカルへの露出により構造の中に残留する自然酸化物が還元される任意の第二
の工程とを含んでいる。洗浄ガスのプラズマは、当該構造の底にあるサブ層を損
傷または再スパッタしないソフトエッチングを提供するように、好ましくは遠隔
プラズマ源によって発生される。 第一のまたは両方の予備洗浄工程の後に、当該構造は利用可能な技術によって
金属を充填される。この技術は典型的には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)また
はタングステン(W)のような金属を蒸着して構造を完全に充填する前に、物理 的気相成長、化学的気相成長または他の技術を使用して、露出された誘電体表面
上にバリア/ライナー層を蒸着することを含む。予備洗浄およびメタライゼーシ
ョンの工程は、カリホルニア州サンタクララのアプライドマテリアルズ社から入
手可能なEndura(登録商標)のような、入手可能な一貫処理プラットホーム上で
行うことができる。 本発明の一つの側面において、酸素、CF4/O2の混合物またはHe/NF3の混合物の
ような反応ガスを含むプラズマからのラジカルを用いて当該サブミクロン構造を
予備洗浄することにより、半導体基板上の誘電体層に形成されたサブミクロン構
造を処理することができる。反応性ガスでの洗浄に続いて、単独の水素、または
窒素(N)、アルゴン(Ar)もしくはヘリウム(He)との混合物として水素を含 むプラズマからのラジカルを用いて、サブミクロン構造中に残留する自然酸化物
が除去される。また、水素ラジカルは酸化物に加えて、炭素およびフッ素汚染物
をも除去する。予備洗浄に続いて、好ましくはライナー層またはバリア層が露出
表面に蒸着され、次いでAl、Cu、W、または他の導電性材料で構造を充填する。 ライナー層またはバリア層がTiまたはTi/TiNであるときは、本発明に従って予備
洗浄されたシリコン表面上における650〜750℃でのチタンの蒸着は、TiSixの均 一な単一層を形成する。また、遠隔プラズマ源をチャンバーに加えることにより
、予備洗浄は、銅またはアルミニウムのメタライゼーションのバリア層を蒸着す
るCVD TiNチャンバーの中で、インサイチューで行うこともできる。 本発明のもう一つの側面では、バリア層蒸着の前および後の両方で本発明によ
る予備洗浄を行って、バリア層の両側の汚染物の量を減少し、且つ当該構造のエ
レクトロマイグレーション耐性を改善することができる。 上記の構造、本発明の利点および目的を達成する方法を詳細に理解できるよう
に、添付の図面に示される実施例を参照して、上記で簡単に概説した本発明を更
に具体的に説明する。 しかし、添付の図面は本発明の典型的な実施例のみを示しており、従ってその
範囲を限定するものではなく、本発明は他の等しく有効な実施例をも許容するも
のであることに留意すべきである。
る方法を提供する。この方法は、サブミクロン構造を、反応ガスを含むプラズマ
からのラジカルで予備洗浄する工程を具備し、前記プラズマは好ましくは遠隔プ
ラズマ源によって発生され、中性のラジカルが前記基板を配置したチャンバーの
中に供給される。遠隔プラズマで処理した後にサブミクロン構造の中に残留して
いる自然酸化物は、好ましくは、該構造のメタライゼーションに先立って、水素
との反応により還元される。より具体的には、本発明はサブミクロン構造の予備
洗浄、および銅、アルミニウムまたはタングステンでの該構造の充填を手供する
。これらのプロセス工程は、カリホルニア州サンタクララのアプライドマテリア
ルズ社から入手可能なEndura(登録商標)のような、入手可能な一貫処理プラッ
トホームの中で組合せることができるが、本発明に従ってサブミクロン構造の洗
浄および充填を行うために、非一貫的技術を使用することもできる。 明瞭化のために、銅およびアルミニウム蒸着技術の両方を参照して本発明を説
明する。しかし、現在知られていても或いはまだ発見されていなくても、タング
ステンまたは他の金属蒸着プロセスを使用して、本発明の効果を達成してもよい
。
クトおよび他の構造を予備洗浄するのに適した方法を提供する。該構造は典型的
にはサブ層を露出させる結果、該構造に導電材料または半導体材料を充填して、
サブ層とその後に前記誘電体層上に蒸着される金属配線層とを接続することがで
きる。誘電体中に上記構造をエッチングすることにより汚染物が残されるが、こ
の汚染物は、典型的には該構造の充填を改善し、且つ最終的には形成される装置
の完全性および信頼性を改善するために除去されるべきである。 誘電体層のエッチングの後に、当該構造は、誘電体層のオーバーエッチングに
由来する損傷したシリコンまたは金属残渣を該構造内に有する可能性がある。ま
た、この構造はその表面に、フォトレジスト剥離および/またはアッシングプロ
セスに由来する残留フォトレジスト、または誘電体エッチング工程に由来する残
留ポリマーを含む可能性がある。当該構造はまた、スパッタエッチ予備プロセス
の後に該構造の表面に再蒸着した材料を含む可能性がある。これらの汚染物は誘
電体層の中にマイグレートする可能性があり、或いは蒸着している金属の不均一
な分布を促進することによってメタライゼーションの選択性を妨げる可能性があ
る。汚染物の存在はまた、当該構造の幅を実質的に狭窄して、ビア、コンタクト
ラインまたは他の導電性構造を形成する金属に狭隘部分を発生することにより、
蒸着した金属の抵抗を増大させる可能性がある。 本発明に従って洗浄および充填されるサブミクロン構造は、半導体基板の表面
を覆って誘電体材料を堆積する従来の技術により形成される。現在知られていて
も或いは未だ発見されていなくても、有機ポリマーおよびエアロゲルのような低
誘電体材料を含む如何なる誘電体材料でも使用することができ、また本発明の範
囲内にある。この誘電体層は一以上の明確な層を含み、また蒸着性を高める何れ
か適切なサブ層上に蒸着される。蒸着性を高める好ましいサブ層には、Alおよび
Cuのような導電性金属、TiNのようなバリア表面、およびドープされたシリコン が含まれる。 蒸着されたら、この誘電体層を従来の技術によりエッチングして、ビア、コン
タクト、トレンチまたは他のサブミクロン構造を形成する。典型的には、この構
造は急峻な側壁を伴った高アスペクト比を有する。誘電体層のエッチングは、プ
ラズマエッチングを含む何れかの誘電体エッチングプロセスを用いて達成するこ
とができる。二酸化ケイ素をエッチングするための特定の技術は、バッファーさ
れたフッ酸およびアセトンのような化合物を含む。しかし、当該技術で公知の何
れかの方法を使用して、何れかの層上でパターンニングを達成することができる
。
プライドマテリアルズ社から入手可能なEtch RPSのような遠隔プラズマ源(RPS )チャンバー上で行われる。このチャンバーは、二つの主要なアセンブリー:即
ち、1)好ましくは、基板をチャンバー内に支持し且つ固定する静電チャックを
含む(しかし必ずしも必要ではない)チャンバー本体;および2)遠隔プラズマ
源を具備する。これらのアセンブリーの間には、実際にはダイナミックな相互作
用が存在することが理解されるであろうが、系統化のためにこれら主要なアセン
ブリーを別々に説明する。このRPSチャンバーにおいて、反応性のHラジカルは遠
隔源によって形成され、主要な中性種(即ち、電荷を持たず従ってイオンではな
い)として基板の近傍に導入される。従って、イオンによるウエハー表面の自己
バイアスおよび衝撃の発生が防止される。RPSチャンバーを用いた実験は、低周 波RF源よりも2.45 GHzのマイクロ波源の方がより効率的であり、より多くの水素
ラジカルを発生できることを示している。 <チャンバー本体/静電チャックアセンブリー> 図1を参照すると、基板上にエッチングされた構造が、静電チャック14を含
んだ固定されたカソード12を有する遠隔プラズマ源(RPS)チャンバー10内 で予備洗浄される(なお、静電チャック14は固定されたカソード12に基板(
図示せず)を固定する)。チャンバー10は、スリット弁ポート18を有するチ
ャンバー本体16を含んでおり、弁ポート18は、チャンバー10をEndura(登
録商標)プラットホームのような基板処理プラットホームに連結している。 固定されたカソード12は、プロセス特性を向上させるための非粘着性外表面
をもったカソードライナー20によって、処理ガスから遮蔽される。また、チャ
ンバー本体16は、プロセス特性を高める非粘着性内表面をもったチャンバーラ
イナー22によって、処理ガスから遮蔽される。チャンバーライナー22は、ガ
ス分配プレート26を支持する内側環状レッジ(横桟)24を含んでいる。ガス
分配プレート26は複数の離間した孔を有し、この孔は下記で説明する遠隔プラ
ズマ源から受け取った処理ガスを分配する。処理ガスは、静電チャック14上に
配置された基板の表面を覆って流れる。遠隔プラズマ源は、典型的には処理ガス
の如何なるプラズマをも閉じ込め、中性のラジカルをチャンバー22に与える。
ガス分配プレートは、処理ガスの中に残留するイオンを更に減少させるためにア
ースされる。 固定されたカソード12上の処理領域30は、チャンバー本体16上の排気ポ
ート32に流体連通したバキュームポンプ(図示せず)によって、低プロセス圧
に維持される。複数の離間した孔を有するプレナム34は、処理領域30を排気
ポート32から分離して、固定されたカソード12の回りの均一な排気を促進す
る。処理領域30は、チャンバー本体16に取りつけられたサファイア窓36を
通して外側から見ることができる。 チャンバー10は、チャンバーライナー22の上に置かれた取外し可能なチャ
ンバー蓋40を有している。チャンバー蓋40は、以下で述べる遠隔プラズマ源
50から処理ガスを受け取るための中央注入ポート42を有している。
べたRPSチャンバー10に流体連通した遠隔プラズマ源50の中へと励起される 。プラズマアプリケータ52は、処理ガスを受け入れるガス入口54を有してい
る。処理ガスはアプリケータ52を通して流れ、チャンバー蓋40における中央
注入ポート42の中へと出て行く。ジャケット波ガイド56が、プラズマアプリ
ケータ52のサファイア管部分を取囲んでおり、マイクロ波エネルギーを処理ガ
スに供給する。アプリケータ52の中でプラズマが発生し、典型的には該アプリ
ケータ52の中に閉じ込められる。 マイクロ波エネルギーが、2.45 GHzで1500ワットまで与えるマグネトロン60
によって発生される。マイクロ波エネルギーはマイクロ波アイソレータ62を通
過し、これは反射した電力がマグネトロン60を損傷するのを防止する。アイソ
レータ62からのマイクロ波エネルギーは、90°波ガイド64を通して自動チュ
ーナー66へと伝達される。該自動チューナーは、アプリケータ52の中のプラ
ズマのインピーダンスをマグネトロン60のインピーダンスに自動的に調節し、
最小の反射電力およびプラズマアプリケータ52への最大の電力移動をもたらす
。 処理ガスはアプリケータ52の中で充分なエネルギーを受け取って、反応性(
ラジカル)種を含むプラズマを形成する。CF4およびO2を含むプラズマは、Oラジ
カルおよび幾らかのFラジカルを発生させる。処理ガスは、アプリケータ52を 出る前に殆ど中和される。処理ガスは、分配プレート26を通過した後にラジカ
ルの実質的な部分を保持する。ラジカルは、処理ガスがチャンバーから排気され
る前に基板上に供給される。Fラジカルは主にSiおよびSiO2と結合して、揮発性 のSiF4を形成する。Oラジカルはフッ化炭素と結合して、CO、CO2およびCOF2を形
成する。水素ラジカルは自然酸化物と反応して、水蒸気および金属を形成する。
排気ガスは種々の副生成物、並びに幾らかの再結合種を含んでいる。 図1における専用の予備洗浄チャンバーについて予備洗浄を示したが、この予
備洗浄は、遠隔プラズマ源を金属CVD/PVDチャンバーに連結することによっても 行うことができるであろう。例えば、このようなメタライゼーションチャンバー
における基板レベルにガス入口を設け、反応性ガスのプラズマまたは水素プラズ
マを遠隔プラズマ源から供給することもできるであろう。ガス供給システムを有
する金属蒸着チャンバーを変更して、基板上に配置されたガス分配シャワーヘッ
ドのような現存のガス入口を通して、予備洗浄ガスプラズマを供給することもで
きるであろう。
板上の構造を予備洗浄するための方法を提供する。この方法は、シリコンを損傷
することなくコンタクトの底から二酸化ケイ素を除去し、側壁への金属の再蒸着
を伴わずにビアの底から酸化アルミニウムまたは酸化銅を除去し、コンタクトホ
ールの底からシリコン薄層を除去し、また当該構造の側壁から汚染物を除去する
ことを含む。 本発明によれば、半導体基板上の誘電体層に形成された構造が、酸素、CF4/O2 の混合物、またはHe/NF3の混合物のような反応性ガスを含むプラズマからのラジ
カルで予備洗浄される。このプラズマは、好ましくは遠隔プラズマ源によって発
生され、基板が配置されたチャンバーの中に供給される。好ましい反応性ガスは
CF4/O2であり、これは予備洗浄プロセスの際に、酸素イオンおよびフッ素イオン
の両方を与える。このプロセスは典型的には高濃度のO2を使用して、フッ素およ
び炭素含有種を効果的に除去するための非重合性混合物を形成する。このガス混
合物は、広範囲のエッチング速度(50オングストローム/分〜500オングストロ ーム/分)および広範囲のSi:SiO2エッチング選択性を得るために変更すること
ができる。該洗浄プロセスは当該構造内に自然酸化物を残し、該自然酸化物は、
好ましくは第二の工程において、単独または反応性ラジカルを希釈するように機
能するN、ArまたはHeと混合された、水素を含有するプラズマからのラジカルに よって還元される。第一または両方の洗浄工程に続いて、好ましくは、TiNまた はTiのようなライナーまたはバリア層が当該構造の露出表面に蒸着され、該構造
はPVD、CVDまたは電着プロセスによってAl、CuまたはWのような導電性金属で埋 められる。
されたサブミクロン構造は、CF4/O2を含むプラズマからのラジカルで予備洗浄す
ることにより処理され、また該プラズマは遠隔プラズマ源により発生されて、前
記基板を収容しているチャンバーの中に供給される。反応性ガスのラジカルは残
留するフォトレジスト、炭化水素およびフッ化炭素を当該構造の側壁から除去す
る。また、この反応性ガスのラジカルは、当該構造の底にある損傷を受けたSiを
除去することができる。CF4/O2のプラズマは、フッ素ラジカルおよび酸素ラジカ
ルの両方を含む。フッ素ラジカルは、プロセス条件下で揮発性のSiF4を形成する
ことによってシリコンを除去する。フッ素ラジカルは、プロセス条件下において
揮発性のSiF4、COおよび他の酸素化合物の形成により二酸化ケイ素を除去する。
また、フッ素ラジカルは、当該構造内の炭化水素またはフッ化炭素汚染物から水
素を除去し、酸素ラジカルが炭化水素およびフッ化炭素を揮発性成分に分解する
のを補助する。所望により、反応性ラジカルを希釈するために、ヘリウムのよう
な不活性ガスをプラズマの中に与えることができる。シリコンサブ層(典型的に
は第一レベル)を有する構造については、フッ素ラジカルは薄層(例えば50オン
グストローム)のシリコンを除去することにより、好ましくは損傷されたシリコ
ンを除去する。 反応性ガスのプラズマからのラジカルを用いた洗浄に続いて、サブミクロン構
造の中に残留する自然酸化物を、単独またはN、ArまたはHeと混合された水素を
含むプラズマからのラジカルで還元することができる。自然酸化物の還元は、当
該構造とサブ層との間に酸素が存在しない界面を提供し、該構造の抵抗を低下さ
せる。水素または水素を含む混合物を用いた自然酸化物の熱的還元は、350℃のC
VD TiNチャンバーRPSチャンバーの中で達成することができる。自然酸化物の水 素表面処理は、当該構造の底にあるサブ層表面に水素ダングリングボンドを残す
という追加の利益を有する。この水素ダングリングボンドは、炭素ベースの前駆
体から蒸着される後続の膜の還元を補助する。Siサブ層の場合の水素処理はSi表
面を不活性化し、これにより大気に露出されたときの再酸化に対しる抵抗性を与
える。 本発明による予備洗浄に続いて、好ましくは、当該構造の露出表面にライナー
層またはバリア層が蒸着され、またAl、Cu、Wまたは他の導電性材料で当該構造 が充填される。このライナー層またはバリア層がTi/TiNであるときは、本発明に
従って予備洗浄されたシリコン表面上に蒸着されたチタンは、均一な単一相のTi
Six層を形成する。ライナー層またはバリア層がTiまたはTi/TiNであるとき、本 発明に従って予備洗浄されたシリコン表面上における650〜750℃でのチタンの蒸
着は、均一な単一相のTiSix層を形成する。
する蒸着されたAl、Cu、Wまたは他の導電性金属のエレクトロマイグレーション 抵抗を増大するために、バリア層を蒸着する前および後の両方で行うことができ
る。好ましいバリア層/ライニング層には、タンタル(Ta)、窒化タンタル(Ta
N)、チタン(Ti)および窒化チタン(TiN)の層、またはこれら層の組合せが含
まれる。遠隔プラズマまたは熱プロセスにより発生したH2ラジカルでのバリア層
/ライニング層の処理は、CVD蒸着されたAlまたはCVD蒸着されたCuに対するより
良好な結合性を与えるために使用することができる。例えば、Ta、TaNまたはCVD
蒸着されたTiNを、H2ガスまたはH2とHe、ArもしくはN2との混合ガスで処理する と、銅に対する優れた結合性を与える。このH2混合ガスは、好ましくは少なくと
も90容量%の水素を含有する。また、このバリア層のH2処理は、CVD Cuチャンバ
ーに遠隔プラズマ源を搭載することにより、インサイチューでも行うことができ
る。このインサイチュー処理はバリア表面を不活性化し、C、OおよびF化合物の 吸着を防止して、Ta、TaNまたはTiN表面上のCVD Cuの良好な接合および低抵抗を
導く。この技術はまた、バリア層上のCuのテクスチャ、粒子配向および粒子サイ
ズを改善し、より良好な表面トポグラフィーおよびより緻密な粒子配向分布をも
たらす。 従来のICPまたはスパッタエッチに基づく予備洗浄チャンバー内において、銅 は側壁に容易にスパッタされるので、本発明の予備洗浄方法は、サブミクロン構
造の底に銅のサブ層を有する構造を洗浄するために特に有用である。スパッタさ
れた銅は誘電体材料の中に拡散して、装置故障を起こす。本発明はビアの基底の
スパッタリングを伴わずにビアを洗浄する。
た構造の予備洗浄を記載することにより、本発明の好ましい方法を説明する。予
備洗浄は、遠隔プラズマ源で発生したCF4/O2のプラズマからのラジカルに当該構
造を露出させる第一の工程を含んでいる。このラジカルは、当該構造をもった基
板が配置されるチャンバーの中に供給される。次いで、CVDプラズマリアクター の中で当該構造を銅で充填する前に、水素を含むプラズマがHラジカルを発生し てチャンバーの中に供給し、自然酸化物、先の酸化物エッチング工程でのプラズ
マ損傷に由来する酸化物、または該エッチング工程後に使用した湿式化学処理に
由来する酸化物を還元する。 遠隔プラズマ源においてマイクロ波を適用する前に、予備洗浄チャンバーは、
200 sccmの酸素および10 sccmの四フッ化炭素(CF4)を流しながら、400 mTorr の圧力で5秒間安定化される。次いで、1000Wのマイクロ波電力(2.45 GHz)を遠
隔プラズマに印加することにより、当該構造は30秒間洗浄される。次いで、300 〜500 sccmの水素流および1000Wのマイクロ波電力(2.45 GHz)を遠隔プラズマ に加えて、350〜450 mTorrの圧力において水素プラズマからのラジカルで30秒間
処理することにより、当該構造内の自然酸化物が還元される。
ンバーが断面図で概略的に示されている。このプロセスチャンバーは、カリホル
ニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から入手可能なプレクリーンII (
preclean II)チャンバーであり得る。側壁114を有するベース部材112により真空
チャンバー111が形成されており、これは、好ましくはステンレス鋼またはアル ミニウムなどのような金属製である。本体部材112の基底部における開口部115は
、チャンバー111の内部のガス圧を制御するために用いるターボポンプ116に接続
される。石英ドーム117がチャンバー111の頂部を形成しており、その周縁にはフ
ランジ118が設けられていて、ベース部材112の側壁の頂部周辺と合体されている
。石英ドームとベース部材111との接合部分にはガス分配システム119が設けられ
ており、これについては以下で詳細に述べる。石英またはセラミック等でできた
絶縁台座120は、ウエハーをチャンバー111内に保持するために配置される導電性
基台122を保持している。高周波RF電源123は基台122と容量的にカップリングさ れており、これに負のバイアス電圧を供給する。このバイアス電圧は、本発明の
予備洗浄の際には使用されない。 螺旋形状のRF誘導コイル125は石英ドーム117の外部に巻回され、カバー117に よって支持される。コイル125は中空銅管で形成される。チャンバー111には、コ
イル125の巻線の内側で軸方向に交番する電磁界が生じる。一般に、約350 KHz〜
約450 KHzのRF周波数が用いられ、この周波数で動作する従来設計のRF電源(図 示せず)がコイル125に結合されて、チャンバー111内でプラズマを発生させる。
RF電磁界は基台122上のチャンバー111内でグロー放電プラズマを発生させるが、
これは基台およびウエハーからプラズマを分離させるプラズマシースまたは暗黒
空間を有している。 次に、図3および図4を参照すると、システム中で使用される反応性ガスのた めの分配システムが、やはり概略的ではあるが更に詳細に示されている。金属製
の側壁部材114の頂部は、その中に刻まれたガス供給トレンチ133を有しており、
ガス源から伸びる均等に(角度方向に)配置された12のチャンネルが該チャンネ
ルを横切って、複数のガス注入孔132を形成している。石英ドーム117のフランジ
118がベース部材112の側壁を覆って配置されると、溝133で与えられる空間の中 に、ドーム117のフランジ118によって蓋をされた閉じたドーナツ形状の管が形成
される。従って、反応性ガス(通常はフッ素等)はチャンバー111の中心点の周 りに供給され、ウエハーを横切るその流れは均一である。 例 本発明の予備洗浄工程は、銅サブ層を有する誘電体層にエッチングされた構造
を、CuまたはAlのプラグで充填する前に首尾よく洗浄するために、図2〜図4に
示したチャンバーの中で組合された。チャンバーは、90%のH2および10%のHe、
ArもしくはN2を用いて5〜20 mTorrで5秒間安定化された。次いで、300 Wの400
KHzのRF電力をコイルに印加し、10 WのRF電力(13.56 MHz)を基台に印加するこ
とにより、当該構造を60秒間洗浄した。これらのプロセス条件(即ち、非常に低
いバイアス)は、Cuサブ層の側壁へのスパッタリングを伴うことなく、CuOを化 学的に還元することができる。SiまたはTiSixサブ層についても、高温で同様の 処理を使用することができる。
内で行われ、或いはバリア層チャンバー内においてインサイチューで行われる。 予備洗浄チャンバーは、基板の当座の汚染を回避するために、好ましくは処理プ
ラットホーム上の他のメタライゼーションプロセスチャンバーと集積される。好
ましい集積スキームは図5に示されており、これはアプライドマテリアルズInc.
から入手可能否ENDURA(登録商標)プラットホーム上に搭載された種々のプロセ
スチャンバーを表している。 図5を参照すると、概略図は、基板を予備洗浄するためのRPSチャンバー、お よびその中で一貫メタライゼーションプロセスを実施できるPVDおよびCVDチャン
バーの両者を有する一貫処理システム160を示している。典型的には、該基板は 、カセットロードロック162を通して処理システム160に導入され、またそこから
取り出される。該システムの全体を通して基板を移動させるために、ブレード16
7を有するロボット164が処理システム160内に配置される。第一のロボット164は
、典型的にはバッファーチャンバー168内に配置されて、カセットロードロック1
62、脱ガスウエハー配向チャンバー170、RPS予備洗浄チャンバー172、HP-PVD Ti
/TiNチャンバー175およびクールダウンチャンバー176の間で基板を搬送する。第
二のロボット178は搬送チャンバー180内に配置されて、クールダウンチャンバー
176 、PVD IMP Ti/TiNチャンバー182、CVD Alチャンバー184、CVD TiNチャンバ ー186、およびPVD HTHU Alチャンバー188へ、およびこれらチャンバーから基板 を搬送する。一貫システムにおける搬送チャンバー180は、好ましくは10-8 torr
の範囲の低圧または高真空に維持される。図5におけるこの特定の構成は、CVD およびPVDの両方の処理を一つのクラスターツール内で行うことができる一貫処 理システムを具備している。この特別の構成または配置は単に例示的なものに過
ぎず、本発明ではより多くのPVDおよびCVDプロセスが想定される。
ンバー172、PVD HP TiNチャンバー175、そしてクールダウンチャンバー176へと 搬送される。ロボット178は、典型的には基板をクールダウンチャンバー176から
一以上の処理チャンバーへ、およびこれら処理チャンバーの間で移動させ、その
後に基板をクールダウンチャンバー176へと戻す。サブミクロン構造にアルミニ ウムを充填するために、基板は、一以上のチャンバー内で何回でも、如何なる順
序で処理または冷却されてもよい。処理の後、基板は処理システム160からバッ ファーチャンバー168を通してロードロック162へと取り出される。マイクロプロ
セッサコントローラ190は、シーケンスおよび基板上の層の形成を制御する。 本発明によれば、処理システム160はロードロック162を介して脱ガスチャンバ
ー170へと基板を通過させ、そこでは基板がアウトガス汚染物に導入される。次 いで、基板はRPS予備洗浄チャンバー172へと移動され、そこでは如何なる汚染物
も除去し且つ自然酸化物を還元するために、サブミクロン構造が洗浄される。次
に、基板はPVD HP Ti/TiNチャンバー175内で処理されて、洗浄された誘電体表面
上にTi/TiNバリア層が堆積され、次いでクールダウンチャンバー176へと通され る。次いで、アルミニウム蒸着のために、第二のロボットが基板を一以上のCVD およびPVDチャンバーへと搬送する。 集積されたプラットホーム160はまた、シリコンサブ層の予備洗浄に続いて、P
VD IMP TI/TiNチャンバー182の中でTiを蒸着することにより、均一で且つ単一相
のチタンシリサイドの蒸着を可能にする。シリサイド化の後、温Al蒸着、冷Al蒸
着、または選択的Al蒸着によって、サブミクロン構造のメタライゼーションが完
成する。
、PVD γ-Cuチャンバー182、CVD Cuチャンバ184、PVD HTHU Cuチャンバー186、 およびPVD IMP Ta/TaNチャンバー188を準備することによって、銅の蒸着を提供 する。基板はCVD TiNチャンバー175またはPVD IMP Ta/TaNチャンバー188の中で 処理され、CVD TiNまたはTa/TaNバリア層が洗浄された誘電体表面に蒸着され、 次いで、該基板はクールダウンチャンバー176へと通される。銅蒸着に先立つサ ブミクロン構造の予備洗浄は、RPSチャンバー172の中またはクールダウンチャン
バー176を置換する予備洗浄IIチャンバーの中で行うことができる。この予備洗 浄IIチャンバーは、H2、Ar、He、およびN2配管を追加することにより、クールダ
ウンチャンバーを変更する。次いで、第二のロボット178は、銅の蒸着のために 、基板を一以上のCVDおよびPVDチャンバーへと移送する。蒸着されたCu層は、該
層をCuOの形成に対してより耐性にするためにH2でアニールしてもよい。 集積されたプラットホームのもう一つの応用は、IMP Tiチャンバー、二つのCV
D TiNチャンバーおよび二つの予備洗浄チャンバーを準備することによりタング ステンの蒸着を与えることである。基板をIMP TiチャンバーおよびCVD TiNチャ ンバーの中で処理して、洗浄された誘電体層表面にTi/TiNバリア層を蒸着し、次
いで該小判をクールダウンチャンバーへと通過させる。タングステンの蒸着に先
立つサブミクロン構造の予備洗浄は、RPSベースの予備洗浄チャンバーの中で行 うことができる。 本発明と共に使用するのに適したステージされた真空ウエハー処理方法は、19
93年2月16日発行の「ステージされた真空ウエハー処理システムおよび方法」と 題するTepman et al.の米国特許第5,186,718号に開示されており、この特許を本
明細書の一部をなす参照として援用する。この方法は、本発明の予備洗浄方法に
容易に適合する。処理チャンバーの如何なる組合せも、専用の予備洗浄チャンバ
ーと共に使用することができる。 上記の説明は本発明の好ましい実施例に向けられているが、本発明の他の更な
る実施例は、その基本的な範囲を逸脱することなく考案することができる。本発
明の範囲は特許請求の範囲によって決定されるものである。
予備洗浄チャンバーを示している。
合されたプラズマリアクタの全体のレイアウトを示している。
ステムを示している。
構成された一貫処理プラットホームを示している。
Claims (20)
- 【請求項1】 半導体基板上の誘電体層に形成された構造を予備洗浄する方
法であって: a)遠隔プラズマ源の中で反応性ガスのプラズマを発生させる工程と; b)反応性ガスのプラズマからラジカルを、前記基板を収容するプロセスチャ
ンバーへと供給する工程とを具備する方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の方法であって、前記反応性ガスは酸素、CF 4 /O2の混合物、またはHe/NF3の混合物である方法。
- 【請求項3】 請求項1に記載の方法であって、前記反応ガスのプラズマの
ラジカルは、バリア層の蒸着に先立ってバリア層蒸着チャンバーに供給される方
法。 - 【請求項4】 請求項1に記載の方法であって、前記遠隔プラズマ源はマイ
クロ波源である方法。 - 【請求項5】 請求項1に記載の方法であって、更に、水素を含むプラズマ
からのラジカルで自然酸化物を還元する工程を具備した方法。 - 【請求項6】 請求項5に記載の方法であって、前記自然酸化物は、水素か
らなるプラズマ、または水素とN2、ArもしくはHeとの混合物からなるプラズマか
らのラジカルによって還元される方法。 - 【請求項7】 請求項1に記載の方法であって、前記プラズマからのラジカ
ルは、銅の蒸着に先立って、バリア層の不活性化のために銅蒸着チャンバーに供
給される方法。 - 【請求項8】 半導体基板上の構造を形成する方法であって: a)導電体または半導体のサブ層を含む表面を有する半導体基板上に誘電体層
を蒸着する工程と; b)前記誘電体層に構造をエッチングして、前記サブ層を露出させる工程と; c)酸素、CF4/O2の混合物、またはHe/NF3の混合物を含む反応性ガスのプラズ
マからのラジカルで前記構造をエッチングし、その際に前記プラズマは遠隔プラ
ズマ源によって発生され、前記ラジカルは前記基板を収容するチャンバーに供給
される工程と; d)前記構造を導電体金属または半導体金属で充填する工程とを具備した方法
。 - 【請求項9】 請求項8に記載の方法であって、前記誘電体層は二酸化ケイ
素を含む方法。 - 【請求項10】 請求項8に記載の方法であって、前記反応性ガスはCF4/O2 の混合物である方法。
- 【請求項11】 請求項8に記載の方法であって、前記構造内にTiSix層が 形成される方法。
- 【請求項12】 請求項8に記載の方法であって、更に、水素を含有するプ
ラズマからのラジカルを用いて、前記基板に対して僅かしかバイアス電力を印加
せず、または全くバイアス電力を印加せずに、前記構造内に残存する自然酸化物
を還元する工程を具備する方法。 - 【請求項13】 請求項8に記載の方法であって、更に、前記構造上にTiN のバリア層を蒸着する工程と、該バリア層を水素、または水素とN2、Arもしくは
Heとの混合物からなるプラズマからのラジカルを用いて洗浄する工程とを具備す
る方法。 - 【請求項14】 半導体基板上の誘電体層中におけるサブミクロン構造を予
備洗浄および充填する方法であって: a)前記サブミクロン構造を、反応性ガスを含むプラズマからのラジカルで洗
浄する工程と; b)前記サブミクロン構造内に残留する自然酸化物を、水素を含むプラズマか
らのラジカルで還元する工程とを具備した方法。 - 【請求項15】 請求項14に記載の方法であって、前記反応性ガスがCF4/
O2の混合物である方法。 - 【請求項16】 請求項14に記載の方法であって、更に、前記誘電体層の
露出表面にバリア/ライナー層を蒸着する工程を具備し、該バリア/ライナー層
はチタン、窒化チタン、タンタルおよび窒化タンタルからなる群から選択される
材料を含む方法。 - 【請求項17】 請求項16に記載の方法であって、更に、酸素、CF4/O2の
混合物、またはHe/NF3の混合物を含む反応性ガスのプラズマからのラジカルで、
前記バリア/ライナー層を洗浄する工程を具備する方法。 - 【請求項18】 請求項17に記載の方法であって、更に、前記バリア/ラ
イナー層上にアルミニウム、銅またはタングステンを蒸着する工程を具備する方
法。 - 【請求項19】 請求項14に記載の方法であって、前記プラズマは遠隔プ
ラズマ源において発生され、また前記バリア層の蒸着に先立って、前記ラジカル
は前記基板を収容するバリア層蒸着チャンバーに供給される方法。 - 【請求項20】 請求項14に記載の方法であって、前記プラズマは遠隔プ
ラズマ源において発生され、また、前記ラジカルは、銅の蒸着に先立ってバリア
層の不活性化のために銅蒸着チャンバーに供給される方法。
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