バリア層除去方法及び装置
本発明は、無応力電気化学銅研磨（ＳＦＰ）の処理、ＳＦＰ処理の間に形成された酸化タンタル又は酸化チタンの除去、及び、ＸｅＦ２ガス相エッチングバリア層Ｔａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮ処理、からなる半導体処理の方法及び装置に関する。第１に、板状の銅フィルムの少なくとも一部がＳＦＰにて研磨される。第２に、ＳＦＰ処理の間に形成されたバリア金属酸化物がエッチング液によりエッチングされる。最後に、バリア層Ｔａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮがＸｅＦ２ガス相エッチングにより除去される。そのため装置は３つのサブ系からなり、それらは無応力銅電解研磨系、バリア層酸化物フィルム除去系、及び、バリア層Ｔａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮガス相エッチング系である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体処理方法及び装置に関し、詳しくは無応力の銅研磨及び選択的バリア除去処理を有する処理に関する。より詳しくは、本発明は、集積デバイスの製造の間、銅及びＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮ層を無応力にて選択的に除去するのに有益に用いられると共に低ｋ誘電材料と適合する処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、複数の異なる処理工程を経てトランジスタ及び相互接続部材を製造し、半導体ウエハの上に製造又は組み立てられる。半導体ウエハにトランジスタ端末を電気的に接続するために、導電性（例えば金属）トレンチ、ヴィア、及びその他のものが半導体装置の部品として誘電材料中に形成される。トレンチ及びヴィアは、トランジスタ、半導体装置の内部回路、及び半導体装置の外部の回路の間において、電気信号及び電力を結合する。
【０００３】
相互接続部材の形成において、半導体トランジスタ及びトランジスタ端末を接続する所定の電気回路を形成するため、半導体ウエハは、例えば、マスキング、エッチング、及び堆積処理がなされる。特に、浅いトレンチ、トランジスタウェル、ゲート、ポリシリコンライン、及び相互接続ライン構造を形成するために、復層マスキング、イオン注入、アニーリング、プラズマエッチング、並びに、化学及び物理蒸着工程が実行されうる。
【０００４】
半導体ウエハ上の誘電層の非凹部領域の上に堆積された金属フィルムを除去する従来の方法は、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）を有する。相互接続ラインを形成するために誘電層の非凹部領域のトレンチ及びヴィア内の金属層を研磨し平坦化するため、ＣＭＰ法は半導体工業において広く用いられている。ＣＭＰ処理において、ウエハ体は、プラテン又はウェブの上に位置するＣＭＰパッドの上に設置される。ウエハ体は、一つ又は複数の層及び／又は機構（誘電層に形成された相互接続部材のような）を有する基板を備える。次にＣＭＰパッドに対してウエハ体を押圧するように応力が適用される。ウエハ表面を研磨し平坦化するために応力を適用する間、ＣＭＰパッド及び基板体は互いに相対的に移動する。しばしば研磨スラリーと呼ばれる研磨溶液が、研磨を促進するためにＣＭＰパッドの上に注がれる。スラリーは典型的には研磨剤を含有し、例えば誘電材料のような他の材料よりも迅速に例えば金属層のような望ましくない物質をウエハから選択的に除去するために化学反応性を有する。
【０００５】
しかしながら、ＣＭＰ法は、相対的に強い応力が伴うことにより、下部の半導体構造体に有害な効果を幾つか有する。例えば相互接続配列が０．１３ミクロン下部に移動すると、例えば典型的なダマシンプロセスに用いられる銅及び低ｋフィルムのような導電性材料の機械的性質間に大きな差が生じる。例えば、低ｋ誘電フィルムのヤング係数は、銅及び／又はバリア材料のそれよりも１０桁大きい。従って、ＣＭＰ処理における誘電フィルム及び銅／バリア層に適用される相対的に強い機械的応力は、低ｋ誘電材料に恒常的ダメージを与える原因となる。
【０００６】
誘電層の非凹部領域に堆積された金属フィルムを除去する他の別の方法は電解研磨である。電気化学銅研磨系は、高い均一性を有して銅を除去でき、Ｔａ／ＴａＮバリア層に対して高い選択性を有する。それは機械応力が適用されない処理である。しかしながら、バリアは酸化タンタル又は酸化チタンの形成のために電解研磨されない。
【０００７】
Ｔａ／ＴａＮを除去する一例は、Ｔａ／ＴａＮをエッチングするＨＦウエットエッチングを使用することである。しかしながら、Ｔａ／ＴａＮが除去された後にＨＦによりほとんどの誘電層がダメージを受ける。
【０００８】
Soodらの“NaOH及びKOH塩基溶液中のスパッタされた薄膜タンタルフィルムのウエットエッチング”2007, J Mater Sci: Mater Electron, 18, 535-539によれば、タンタル薄膜フィルムをエッチングするため、ＫＯＨ／Ｈ２Ｏ２又はＮａＯＨ／Ｈ２Ｏ２塩基溶液を使用することが記載されている。ＫＯＨ又はＮａＯＨのような強塩基によりタンタルの溶解が促進される。しかしながら、ＮａＯＨ及びＫＯＨは共にトレンチ中の銅をエッチングしダメージを与える。
【０００９】
ＩＢＭ特許には、模範的で新規な好ましい処理技術が、ＣＭＰ銅処理の後に、タンタル、窒化タンタル、チタン、及び窒化チタンのようなバリア材料を除去するＸｅＦ２ガス相エッチングを用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】“NaOH及びKOH塩基溶液中のスパッタされた薄膜タンタルフィルムのウエットエッチング”2007, J Mater Sci: Mater Electron, 18, 535-539
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、基板、誘電層、前記誘電層上のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮバリア層、及び前記バリア層上の薄膜銅フィルムを有するタイプの半導体構造体を処理する方法及び装置に関する。好ましい実施形態として、本発明は、無応力電解銅研磨（ＳＦＰ）処理、ＳＦＰ処理の間に形成された酸化タンタル又は酸化チタンフィルムの除去、及び、ＸｅＦ２ガスを用いてのバリア層のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮの除去、を有する処理である。
【００１２】
第１に、板状の銅フィルムがＳＦＰ技術にて研磨される。本発明は、ＢＥＯＬで基礎の“金属研磨処理”として銅化学機械研磨（ＣＭＰ）の代わりにＳＦＰ銅研磨を用いる。これは化学−電気処理である：ウエハ基板の上の銅はアノードであり、電解液ノズルはカソードである。アノードとカソードとの間に正電圧が印加されると、銅は接触した電解質により研磨される。バリア層の上の銅フィルムが電解研磨されて露出すると、基板上に安定した酸化タンタル又は酸化チタンフィルム形成することにより、Ｔａ又はＴｉバリア層は不動態化される。
【００１３】
酸化タンタル又は酸化チタンは高い化学安定性を有する。銅研磨の間バリア層の保護として機能するが、次の工程にてバリア層を除去することが難しくなる。ＸｅＦ２ガスは効率的にＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮをエッチングできるが、酸化タンタル又は酸化チタンをエッチングすることは遅く、所定条件下では全くエッチングできない。バリアを効率的に除去し、酸化タンタル又は酸化チタンのマスク効果を取り除くために、ＸｅＦ２を使用してＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮを除去する前に、本発明は、バリア層の上の酸化タンタル又は酸化チタンを取り除くエッチング液を使用する。バリア層表面の上の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムをエッチングするエッチング液の種類としては、例えば、ＨＦ及び緩衝フッ酸（ＢＨＦ）、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、クエン酸、及びシュウ酸である。上述のエッチング液の具体例の他に、ＣＦ４／Ｏ２プラズマ及びアルゴンスパッタ法も、バリア層表面の上の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するために使用されうる。
【００１４】
最終的に、バリア層のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮがＸｅＦ２ガス相エッチングにより除去される。本発明は、従来のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮ化学機械研磨の代わりに、基本バリア除去工程としてＸｅＦ２ガス相エッチングを使用する。全体の工程は無応力であり、低ｋ材料に対しても装置構造に対しても機械損傷を与えない。
【００１５】
本発明の利点及び効果は下記の詳細な説明及び付随する図面により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、電気化学銅無応力研磨（ＳＦＰ）の前における内部接続構造の断面図である。
【図２】図２は、ＳＦＰ工程が銅を除去した後における内部接続構造の断面図である。酸化タンタルフィルムがＳＦＰ工程の間バリア層の上に形成される。
【図３】図３は、酸化タンタルフィルムがエッチング液にて除去された後における断面図である。
【図４】図４は、ＸｅＦ２エッチングにより酸化タンタルが除去されたバリア層の断面図である。
【図５】図５は、本発明の典型的工程のフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の典型的な装置のブロック図である。
【図７】図７は、ＳＦＰ後の試料のＳＥＭ平面図である。試料は、酸化タンタル除去の前処理無しでＸｅＦ２によってエッチングされている。
【図８】図８は、ＳＦＰ後の試料のＳＥＭ平面図である。試料は、強いエッチング液を使用してエッチングされている。
【図９】図９は、ＳＦＰ後の試料のＳＥＭ平面図である。試料は、酸化タンタル除去の前処理をしてＸｅＦ２によってエッチングされている。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、一般的に、半導体装置の処理方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、Ｔａ／ＴａＮのようなバリア層を除去又はエッチングする処理に関する。バリア層は低ｋ誘電材料と適合する。これにより半導体装置の種々の利用において低ｋ誘電材料の使用が促進される。
【００１８】
図１〜図４には、銅を除去するための無応力電気化学手法の使用、銅除去処理の間に形成された酸化タンタルを除去するためのエッチング液の使用、及び、バリア層のＴａ／ＴａＮを除去するための選択的ＸｅＦ２ガス相エッチングの使用、を有する新規処理が記載されている。銅の電気化学研磨も酸化タンタル除去処理もＸｅＦ２バリア層除去処理も機械応力を有しない。これらの処理により構造が機械的に劣化することを最小限にし、酸化タンタルに起因するマスク効果を最小限にし、構造の化学的変位を最小限にし、更に低ｋ誘電材料の損失を最小限にする。
【００１９】
図１は、銅ダマシン構造の典型的な断面である。半導体構造は誘電層、通常はウエハ基板又は半導体装置構造体１０１の上に形成された低ｋ誘電層１０２を有する。実施形態では、低ｋ誘電層は１．２よりも大きく４．２未満である誘電定数を有する。構造体は、更に低ｋ誘電層１０２の上に、通常の従来ではＴａ／ＴａＮ及び他の材料である、バリア層１０３を有することも可能である。構造体は、誘電層１０２により離隔されたトレンチ及び／又はヴィアのパターンを有する。バリア層１０３の上の金属又は銅層１０４は、凹部領域を充填した構造体及び非凹部領域の上に形成される。バリア層１０３及び誘電層１０２の上に位置する銅又は金属層１０４の平面トポロジーは、特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／１１４１７に開示されるようなダミー構造体によるフラットプレート法を使用することによりメッキされうるし、また、ＵＳ仮出願６０／７３８２５０に開示される接触パッドノズルにより電解研磨されうる。これらは共に本願に使用され、組み込まれる。
【００２０】
無応力電解研磨（ＳＦＰ）が金属層２０４に実行される（図５における工程５０２）。図２は電解研磨工程の後の構造を示す。典型的には非凹部領域の表面を背中にして金属又は銅層２０４は研磨されるので、凹部領域即ちトレンチ及び／又はヴィア内の金属層は隣接する凹部領域から単離される。これは化学−電気処理である。即ち、ウエハ基板の上の銅はアノードであり、電解液ノズルはカソードである。正電圧がアノードとカソードとの間に印可されると、銅は溶解し接触する電解液により研磨される。これは無応力であり、選択的な銅除去工程である。Ｔａ／ＴａＮ層であるバリア層２０３は、基板の上に安定状態の酸化タンタルフィルム２０５を形成することにより不動態化される。バリアＴａ／ＴａＮ層２０３の表面上の酸化タンタルフィルム２０５により、次の工程においてバリア層２０３を除去することが難しくなる。
【００２１】
タンタル表面の上の酸化タンタルフィルム２０５は二つの部分からなる。一つの部分は空気中に曝されることにより形成された自然酸化物である。例外的に安定性を有する酸化タンタルは、タンタルが空気に曝されるとタンタルの上に形成される。ＴａＯ、Ｔａ２Ｏ、ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ５及びＴａ２Ｏ７を含む様々な酸化タンタルは価電子に依存して形成されるが、Ｔａ２Ｏ５のみ水の存在下において熱力学的に安定である。
【００２２】
他のより重要な部分は、ＳＦＰ工程における陽極酸化に起因する。銅陽極溶解工程の間、電極におけるタンタルの電気化学反応は以下のように記述される。
２Ｔａ＋５Ｈ２Ｏ＝Ｔａ２Ｏ５＋１０Ｈ＋＋１０ｅ−
銅電解研磨工程の電極における水のため、銅研磨の後では、酸化タンタルはほとんど五酸化タンタルである。五酸化タンタルはかなり高い化学安定性を有する。それは銅研磨の間にバリア層の保護として機能するが、次の段階ではバリア層を除去することがより難しくなる。ＸｅＦ２ガスは適切な速度でＴａ及びＴａＮ２０３をエッチングするが、酸化タンタル２０５をエッチングすることは困難であり、所定条件では全くエッチングできない。酸化タンタル２０５はマスク層として機能し、Ｔａ及びＴａＮ２０３がＸｅＦ２ガスによってエッチングされることを防ぐ。非常に長い間ＸｅＦ２はＴａ及びＴａＮ層の部分を除去するが、図７に示すようにピンホールの原因となる。図７は、銅２０４がＳＦＰにて研磨された後に、酸化タンタルフィルム２０５除去工程無しで、バリア層Ｔａ及びＴａＮ２０３がＸｅＦ２によってエッチングされることを示す。所定時間ＸｅＦ２によってエッチングされた後、ピンホール領域の周りを除いてバリア層２０３は除去されていないように見える。バリアを効率的且つ一様に除去するために、バリア層２０３の上の酸化タンタルフィルム２０５は最初に除去されるべきである。
【００２３】
このように図５に示される第２工程は、バリア層の酸化タンタルフィルムを除去することである（工程５０４）。以下の例は、本発明における酸化タンタルフィルム除去工程の様々な具体例を説明するものであるが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。
【００２４】
バリア層の表面の酸化タンタルを除去する第１実施形態は、フッ酸（ＨＦ）又は緩衝フッ酸（ＢＨＦ）溶液のＦ−にて表面処理を行う。ＨＦ／ＢＨＦ溶液は酸化タンタルと反応する。具体例として五酸化タンタルを使用する反応式は以下に示される。
Ｔａ２Ｏ５＋１４Ｆ−＋１０Ｈ＋＝２ＴａＦ７２−＋５Ｈ２Ｏ
ＨＦ／ＢＨＦの濃度は０．１ｗ％〜３０ｗ％であり、０．５％〜４％が好ましい。処理温度は０℃〜５０℃であり、室温が好ましい。処理時間はＨＦ／ＢＨＦの濃度及び温度に依存する。ここで溶液は酸化タンタルフィルム２０５及びバリア層タンタル２０３の部分をエッチングし、銅層２０４に損傷を与える原因とならない。しかし処理が非常に強い、エッチング時間が非常に長い、又はエッチング濃度が非常に高い場合は、バリア層Ｔａ／ＴａＮ２０３は除去される。図８は、エッチング液が非常に強い場合に、パッド側壁のバリアＴａ／ＴａＮ２０３が損傷することを示す。側壁のバリア層の少なくとも一部が損傷していることが明らかに見られる。そのため溶液により低ｋ誘電層２０２が損傷を受ける。適切な処理は酸化タンタルフィルム２０５をエッチングすることである。図９に示されるように、酸化タンタルフィルム２０５がエッチングされた後、残存するバリア層Ｔａ／ＴａＮ２０３は、ＸｅＦ２によって図７に示されるものと比較して効率的に除去される。
【００２５】
Ｆ−含有溶液はＨＦ／ＢＨＦに限定されない。Ｆ−を含有しｐＨ値が７未満であり銅に対して損傷を与えない溶液が、酸化フィルムエッチング液として使用される。例えば硫酸又は塩酸を添加したＮＨ４Ｆ溶液も、酸化タンタル２０５をエッチングしうる。他の酸を添加することによりｐＨが減少して、酸化タンタルの除去がより効果的になる。酸化タンタルの除去速度はＦ−の濃度及びｐＨ値により制御されうる。
【００２６】
酸化タンタルフィルムを除去する第２実施形態は、強塩基溶液を使用する手法である。酸化タンタル２０５は、本具体例ではタンタル酸（Ｈ２Ｔａ２Ｏ６）である鉱酸を形成することにより、強塩基溶液中に溶解する。Ｔａ２Ｏ５の溶解は、高いｐＨ及び温度上昇により加速される。ＫＯＨを例にとれば、溶液は、ｐＨが１０よりも大きい室温における水中の飽和ＫＯＨである。濃度は０．１％〜５０％であり、好ましくは１０％〜４０％である。温度は０℃〜９０℃であり、好ましくは４０℃〜８０℃である。塩基溶液は、酸化タンタルフィルム２０５エッチング速度につき、銅層２０４に対して良好な選択性を有する。
【００２７】
酸化タンタルフィルム２０５の少なくとも一部を除去する第３実施形態は、約１００℃〜約１５０℃の温度で、約１Torr〜約１．５Torrの圧力下にて、約３００sccm〜約４００sccmのＣＦ４及び約２００sccm〜約６００sccmの酸素を含有するエッチングガス混合物を使用する。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマリアクタにより、エッチングガス混合物はプラズマの形態で酸化タンタルフィルムと接触する。ＲＩＥ装置及びＥＣＲプラズマリアクタは市販されているものを利用できる。平行平板型ＲＩＥが好ましく用いられる。酸化タンタルエッチングガス混合物にて酸化タンタルフィルム２０５をエッチングすることにより、等方性エッチングがなされる。これにより酸化タンタルフィルム２０５が均一的に除去される。
【００２８】
酸化タンタル２０５及びＴａ２０３の少なくとも一部を除去する第４実施形態は、膜蒸着の反対のようなアルゴンガススパッタのようなガススパッタを使用する。スパッタは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ及びＫｒからなる群から選択される不活性ガスを用いて導入され、Ａｒが好ましい。スパッタ装置は市販されているものを利用できる。
【００２９】
酸化タンタル２０５を除去する第５実施形態は、クエン酸及び／又はシュウ酸溶液をエッチング液として使用する。クエン酸及び／又はシュウ酸は、酸化タンタル２０５の少なくとも一部を除去し、これによりバリア層２０３がより効率的に除去される。酸の濃度は０．１％〜１０％であり、５％〜８％が好ましい。エッチング温度は０℃〜８０℃であり、好ましくは２０℃〜６０℃である。
【００３０】
上述の全ての実施形態は酸化タンタルフィルム２０５のエッチングに使用でき、ＨＦ／ＢＨＦが好ましく用いられる。前述したように、実施形態は、酸化タンタル２０５の少なくとも一部及びバリア層Ｔａ２０３の部分を除去する、本発明における工程５０４の種々の具体例を説明するためのものである。この工程の後に、バリア層２０５の酸化タンタルは除去され、図３に示すように、Ｔａ／ＴａＮ層３０３及び銅層３０４が曝される。
【００３１】
表面の酸化タンタル２０５の除去の後、ウエハ上面の残余バリア層Ｔａ／ＴａＮ３０３がＸｅＦ２ガス相エッチングにより除去される（図５における工程５０６）。
【００３２】
ＸｅＦ２ガスは、バリア層Ｔａ／ＴａＮ層３０３と所定温度及び圧力にて自発的に反応する。ＸｅＦ２は、Ｔａ／ＴａＮ層３０３についての等方性の選択的エッチング手法である。ＸｅＦ２ガスは、銅４０４並びにＳｉＯ２、ＳｉＬＫ及び低ｋＳｉ-Ｃ-Ｏ-Ｈベース材料のような誘電材料４０２の両方に対して選択性が良く、ここでｋは１．２〜４．２であり１．３〜２．４が好ましい。工程全体において、バリア層４０３又は誘電層４０２に直接的にかかる機械的応力は無く、それゆえ銅４０４又は低ｋ誘電材料４０２に損傷を与えることは無い。基板の温度は０℃〜３００℃であり、好ましくは２５℃〜２００℃である。工程の間におけるＸｅＦ２ガスの圧力は０．１Torr〜１００Torrであり、好ましくは０．５Torr〜２０Torrである。
【００３３】
ＸｅＦ２とバリア層Ｔａ／ＴａＮ３０３との化学反応生成物は、ガス相例えばＸｅや揮発性物質中では、例えばフッ化タンタルである。ウエハ表面では余剰物は無い。
【００３４】
図４に示されるように、表面に曝されたバリア層がＸｅＦ２ガス相エッチング５０６によって完全に除去されると、半導体装置におけるトレンチ及び／又はヴィアが電気的に完全に絶縁されている。金属又は銅層４０４と、バリア層４０３とは、低ｋ誘電層４０２によって完全に離隔される。
【００３５】
図６は、無応力電解研磨（ＳＦＰ）系６０２と、酸化タンタル除去系６０４と、ＸｅＦ２エッチング系６０６と、を有する本発明に係る装置の一具体例を示すブロック図を示す。ブロック６０２〜６０６の機能は、各々、図５におけるブロック５０２〜５０６に対応する。
【００３６】
一具体例では、電解研磨系は、ウエハ上の異なる半径位置で、金属層へ電解液流を放出するノズルを有する。電解液流へ陰性の電解研磨電荷を与えるために、電力供給部がノズルに接続される。陽性の電解研磨電荷をウエハに与えるために、電力供給部はウエハにも接続される。このように電解研磨処理の間にノズルはカソードとして機能し、ウエハはアノードとして機能する。電解液流が金属層に注がれると、電解液と金属層との間の電位差が、ウエハから金属層の電解研磨をもたらす。電源供給部が直接的にウエハに接続されているが、電源供給部とウエハとの間に幾つかの中間的な接続部が設けられても良い。例えば、電源供給部がチャックに接続され、次にそれがウエハに接続されることも可能であり、更には金属層に接続されることも可能である。電解研磨の他の記述として、ＵＳ特許出願Ｎｏ．０９／４９７，８９４“半導体装置における金属相互接続の電解研磨の方法及び装置”２０００年２月４日出願があり、これはその全体が参考文献として本明細書に組み込まれる。
【００３７】
また一具体例では、酸化物バリアフィルム除去系は、半導体ウエハを固定する回転チャックと、軸回りに回転するチャックを駆動する回転手段と、ウエハの表面の上に液体エッチング液を注入するノズルと、チャンバー本体と、エッチング液導入系と、を有する。銅ＳＦＰ処理の後、ウエハがチャックに保持される。チャックが回転を始めた後、エッチング液が導入されてウエハ表面に注入される。エッチング液はウエハ表面の上に均一に分散する。一定期間のエッチングの後、ウエハ基板の上の酸化物バリアフィルムが除去される。
【００３８】
本発明のＸｅＦ２エッチング系は、シリコンＭＥＭＳのための市販されているＸｅＦ２エッチング系とほとんど同じであり、それは少なくとも一つのポンプと、一つのエッチングチャンバと、一つの拡張チャンバと、一つの固体ＸｅＦ２ソースチャンバと、を有する。各々のチャンバの間には空気式スロットルバルブがあり、拡張チャンバ及び処理エッチングチャンバには圧力ゲージもある。この系は、パルスモード及び連続流モードの両方においても機能する。連続流モードにおいては、エッチングチャンバ内において圧力は一定に保たれ、それゆえエッチング速度が制御されうる。パルスモードにおいては、両方のチャンバは第一にＮ２によってパージされ、次に共に排出される。そして固体ＸｅＦ２と拡張チャンバとの間のバルブを開き、拡張チャンバはＸｅＦ２ガスにて充満される。固体ソースと拡張チャンバとの間のバルブを閉じ、拡張チャンバとエッチングチャンバとの間のバルブを開く。適切な圧力に到達すると、バルブが閉じる。試料がＸｅＦ２ガスに３〜３０秒間のように一定期間曝された後、次にＸｅＦ２がエッチングチャンバから排出される。これは“サイクル”と呼ばれ、Ｔａ／ＴａＮバリア層の少なくとも一部を除去して完全に誘電材料になるまで２回又はそれ以上繰り返されうる。本発明のＸｅＦ２エッチング系は無応力でもある。
【００３９】
本発明は所定の実施形態、具体例、応用例にて説明されたが、本発明から離れることなく種々の改変及び変形が当業者に可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体処理方法及び装置に関し、詳しくは無応力の銅研磨及び選択的バリア除去処理を有する処理に関する。より詳しくは、本発明は、集積デバイスの製造の間、銅及びＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮ層を無応力にて選択的に除去するのに有益に用いられると共に低ｋ誘電材料と適合する処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置は、複数の異なる処理工程を経てトランジスタ及び相互接続部材を製造し、半導体ウエハの上に製造又は組み立てられる。半導体ウエハにトランジスタ端末を電気的に接続するために、導電性（例えば金属）トレンチ、ヴィア、及びその他のものが半導体装置の部品として誘電材料中に形成される。トレンチ及びヴィアは、トランジスタ、半導体装置の内部回路、及び半導体装置の外部の回路の間において、電気信号及び電力を結合する。
【０００３】
相互接続部材の形成において、半導体トランジスタ及びトランジスタ端末を接続する所定の電気回路を形成するため、半導体ウエハは、例えば、マスキング、エッチング、及び堆積処理がなされる。特に、浅いトレンチ、トランジスタウェル、ゲート、ポリシリコンライン、及び相互接続ライン構造を形成するために、復層マスキング、イオン注入、アニーリング、プラズマエッチング、並びに、化学及び物理蒸着工程が実行されうる。
【０００４】
半導体ウエハ上の誘電層の非凹部領域の上に堆積された金属フィルムを除去する従来の方法は、例えば、化学機械研磨（ＣＭＰ）を有する。相互接続ラインを形成するために誘電層の非凹部領域のトレンチ及びヴィア内の金属層を研磨し平坦化するため、ＣＭＰ法は半導体工業において広く用いられている。ＣＭＰ処理において、ウエハ体は、プラテン又はウェブの上に位置するＣＭＰパッドの上に設置される。ウエハ体は、一つ又は複数の層及び／又は機構（誘電層に形成された相互接続部材のような）を有する基板を備える。次にＣＭＰパッドに対してウエハ体を押圧するように応力が適用される。ウエハ表面を研磨し平坦化するために応力を適用する間、ＣＭＰパッド及び基板体は互いに相対的に移動する。しばしば研磨スラリーと呼ばれる研磨溶液が、研磨を促進するためにＣＭＰパッドの上に注がれる。スラリーは典型的には研磨剤を含有し、例えば誘電材料のような他の材料よりも迅速に例えば金属層のような望ましくない物質をウエハから選択的に除去するために化学反応性を有する。
【０００５】
しかしながら、ＣＭＰ法は、相対的に強い応力が伴うことにより、下部の半導体構造体に有害な効果を幾つか有する。例えば相互接続配列が０．１３ミクロン下部に移動すると、例えば典型的なダマシンプロセスに用いられる銅及び低ｋフィルムのような導電性材料の機械的性質間に大きな差が生じる。例えば、低ｋ誘電フィルムのヤング係数は、銅及び／又はバリア材料のそれよりも１０桁大きい。従って、ＣＭＰ処理における誘電フィルム及び銅／バリア層に適用される相対的に強い機械的応力は、低ｋ誘電材料に恒常的ダメージを与える原因となる。
【０００６】
誘電層の非凹部領域に堆積された金属フィルムを除去する他の別の方法は電解研磨である。電気化学銅研磨系は、高い均一性を有して銅を除去でき、Ｔａ／ＴａＮバリア層に対して高い選択性を有する。それは機械応力が適用されない処理である。しかしながら、バリアは酸化タンタル又は酸化チタンの形成のために電解研磨されない。
【０００７】
Ｔａ／ＴａＮを除去する一例は、Ｔａ／ＴａＮをエッチングするＨＦウエットエッチングを使用することである。しかしながら、Ｔａ／ＴａＮが除去された後にＨＦによりほとんどの誘電層がダメージを受ける。
【０００８】
Soodらの“NaOH及びKOH塩基溶液中のスパッタされた薄膜タンタルフィルムのウエットエッチング”2007, J Mater Sci: Mater Electron, 18, 535-539によれば、タンタル薄膜フィルムをエッチングするため、ＫＯＨ／Ｈ２Ｏ２又はＮａＯＨ／Ｈ２Ｏ２塩基溶液を使用することが記載されている。ＫＯＨ又はＮａＯＨのような強塩基によりタンタルの溶解が促進される。しかしながら、ＮａＯＨ及びＫＯＨは共にトレンチ中の銅をエッチングしダメージを与える。
【０００９】
ＩＢＭ特許には、模範的で新規な好ましい処理技術が、ＣＭＰ銅処理の後に、タンタル、窒化タンタル、チタン、及び窒化チタンのようなバリア材料を除去するＸｅＦ２ガス相エッチングを用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】“NaOH及びKOH塩基溶液中のスパッタされた薄膜タンタルフィルムのウエットエッチング”2007, J Mater Sci: Mater Electron, 18, 535-539
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、基板、誘電層、前記誘電層上のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮバリア層、及び前記バリア層上の薄膜銅フィルムを有するタイプの半導体構造体を処理する方法及び装置に関する。好ましい実施形態として、本発明は、無応力電解銅研磨（ＳＦＰ）処理、ＳＦＰ処理の間に形成された酸化タンタル又は酸化チタンフィルムの除去、及び、ＸｅＦ２ガスを用いてのバリア層のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮの除去、を有する処理である。
【００１２】
第１に、板状の銅フィルムがＳＦＰ技術にて研磨される。本発明は、ＢＥＯＬで基礎の“金属研磨処理”として銅化学機械研磨（ＣＭＰ）の代わりにＳＦＰ銅研磨を用いる。これは化学−電気処理である：ウエハ基板の上の銅はアノードであり、電解液ノズルはカソードである。アノードとカソードとの間に正電圧が印加されると、銅は接触した電解質により研磨される。バリア層の上の銅フィルムが電解研磨されて露出すると、基板上に安定した酸化タンタル又は酸化チタンフィルム形成することにより、Ｔａ又はＴｉバリア層は不動態化される。
【００１３】
酸化タンタル又は酸化チタンは高い化学安定性を有する。銅研磨の間バリア層の保護として機能するが、次の工程にてバリア層を除去することが難しくなる。ＸｅＦ２ガスは効率的にＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮをエッチングできるが、酸化タンタル又は酸化チタンをエッチングすることは遅く、所定条件下では全くエッチングできない。バリアを効率的に除去し、酸化タンタル又は酸化チタンのマスク効果を取り除くために、ＸｅＦ２を使用してＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮを除去する前に、本発明は、バリア層の上の酸化タンタル又は酸化チタンを取り除くエッチング液を使用する。バリア層表面の上の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムをエッチングするエッチング液の種類としては、例えば、ＨＦ及び緩衝フッ酸（ＢＨＦ）、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、クエン酸、及びシュウ酸である。上述のエッチング液の具体例の他に、ＣＦ４／Ｏ２プラズマ及びアルゴンスパッタ法も、バリア層表面の上の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するために使用されうる。
【００１４】
最終的に、バリア層のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮがＸｅＦ２ガス相エッチングにより除去される。本発明は、従来のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮ化学機械研磨の代わりに、基本バリア除去工程としてＸｅＦ２ガス相エッチングを使用する。全体の工程は無応力であり、低ｋ材料に対しても装置構造に対しても機械損傷を与えない。
【００１５】
本発明の利点及び効果は下記の詳細な説明及び付随する図面により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、電気化学銅無応力研磨（ＳＦＰ）の前における内部接続構造の断面図である。
【図２】図２は、ＳＦＰ工程が銅を除去した後における内部接続構造の断面図である。酸化タンタルフィルムがＳＦＰ工程の間バリア層の上に形成される。
【図３】図３は、酸化タンタルフィルムがエッチング液にて除去された後における断面図である。
【図４】図４は、ＸｅＦ２エッチングにより酸化タンタルが除去されたバリア層の断面図である。
【図５】図５は、本発明の典型的工程のフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の典型的な装置のブロック図である。
【図７】図７は、ＳＦＰ後の試料のＳＥＭ平面図である。試料は、酸化タンタル除去の前処理無しでＸｅＦ２によってエッチングされている。
【図８】図８は、ＳＦＰ後の試料のＳＥＭ平面図である。試料は、強いエッチング液を使用してエッチングされている。
【図９】図９は、ＳＦＰ後の試料のＳＥＭ平面図である。試料は、酸化タンタル除去の前処理をしてＸｅＦ２によってエッチングされている。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、一般的に、半導体装置の処理方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、Ｔａ／ＴａＮのようなバリア層を除去又はエッチングする処理に関する。バリア層は低ｋ誘電材料と適合する。これにより半導体装置の種々の利用において低ｋ誘電材料の使用が促進される。
【００１８】
図１〜図４には、銅を除去するための無応力電気化学手法の使用、銅除去処理の間に形成された酸化タンタルを除去するためのエッチング液の使用、及び、バリア層のＴａ／ＴａＮを除去するための選択的ＸｅＦ２ガス相エッチングの使用、を有する新規処理が記載されている。銅の電気化学研磨も酸化タンタル除去処理もＸｅＦ２バリア層除去処理も機械応力を有しない。これらの処理により構造が機械的に劣化することを最小限にし、酸化タンタルに起因するマスク効果を最小限にし、構造の化学的変位を最小限にし、更に低ｋ誘電材料の損失を最小限にする。
【００１９】
図１は、銅ダマシン構造の典型的な断面である。半導体構造は誘電層、通常はウエハ基板又は半導体装置構造体１０１の上に形成された低ｋ誘電層１０２を有する。実施形態では、低ｋ誘電層は１．２よりも大きく４．２未満である誘電定数を有する。構造体は、更に低ｋ誘電層１０２の上に、通常の従来ではＴａ／ＴａＮ及び他の材料である、バリア層１０３を有することも可能である。構造体は、誘電層１０２により離隔されたトレンチ及び／又はヴィアのパターンを有する。バリア層１０３の上の金属又は銅層１０４は、凹部領域を充填した構造体及び非凹部領域の上に形成される。バリア層１０３及び誘電層１０２の上に位置する銅又は金属層１０４の平面トポロジーは、特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０３／１１４１７に開示されるようなダミー構造体によるフラットプレート法を使用することによりメッキされうるし、また、ＵＳ仮出願６０／７３８２５０に開示される接触パッドノズルにより電解研磨されうる。これらは共に本願に使用され、組み込まれる。
【００２０】
無応力電解研磨（ＳＦＰ）が金属層２０４に実行される（図５における工程５０２）。図２は電解研磨工程の後の構造を示す。典型的には非凹部領域の表面を背中にして金属又は銅層２０４は研磨されるので、凹部領域即ちトレンチ及び／又はヴィア内の金属層は隣接する凹部領域から単離される。これは化学−電気処理である。即ち、ウエハ基板の上の銅はアノードであり、電解液ノズルはカソードである。正電圧がアノードとカソードとの間に印可されると、銅は溶解し接触する電解液により研磨される。これは無応力であり、選択的な銅除去工程である。Ｔａ／ＴａＮ層であるバリア層２０３は、基板の上に安定状態の酸化タンタルフィルム２０５を形成することにより不動態化される。バリアＴａ／ＴａＮ層２０３の表面上の酸化タンタルフィルム２０５により、次の工程においてバリア層２０３を除去することが難しくなる。
【００２１】
タンタル表面の上の酸化タンタルフィルム２０５は二つの部分からなる。一つの部分は空気中に曝されることにより形成された自然酸化物である。例外的に安定性を有する酸化タンタルは、タンタルが空気に曝されるとタンタルの上に形成される。ＴａＯ、Ｔａ２Ｏ、ＴａＯ２、Ｔａ２Ｏ５及びＴａ２Ｏ７を含む様々な酸化タンタルは価電子に依存して形成されるが、Ｔａ２Ｏ５のみ水の存在下において熱力学的に安定である。
【００２２】
他のより重要な部分は、ＳＦＰ工程における陽極酸化に起因する。銅陽極溶解工程の間、電極におけるタンタルの電気化学反応は以下のように記述される。
２Ｔａ＋５Ｈ２Ｏ＝Ｔａ２Ｏ５＋１０Ｈ＋＋１０ｅ−
銅電解研磨工程の電極における水のため、銅研磨の後では、酸化タンタルはほとんど五酸化タンタルである。五酸化タンタルはかなり高い化学安定性を有する。それは銅研磨の間にバリア層の保護として機能するが、次の段階ではバリア層を除去することがより難しくなる。ＸｅＦ２ガスは適切な速度でＴａ及びＴａＮ２０３をエッチングするが、酸化タンタル２０５をエッチングすることは困難であり、所定条件では全くエッチングできない。酸化タンタル２０５はマスク層として機能し、Ｔａ及びＴａＮ２０３がＸｅＦ２ガスによってエッチングされることを防ぐ。非常に長い間ＸｅＦ２はＴａ及びＴａＮ層の部分を除去するが、図７に示すようにピンホールの原因となる。図７は、銅２０４がＳＦＰにて研磨された後に、酸化タンタルフィルム２０５除去工程無しで、バリア層Ｔａ及びＴａＮ２０３がＸｅＦ２によってエッチングされることを示す。所定時間ＸｅＦ２によってエッチングされた後、ピンホール領域の周りを除いてバリア層２０３は除去されていないように見える。バリアを効率的且つ一様に除去するために、バリア層２０３の上の酸化タンタルフィルム２０５は最初に除去されるべきである。
【００２３】
このように図５に示される第２工程は、バリア層の酸化タンタルフィルムを除去することである（工程５０４）。以下の例は、本発明における酸化タンタルフィルム除去工程の様々な具体例を説明するものであるが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。
【００２４】
バリア層の表面の酸化タンタルを除去する第１実施形態は、フッ酸（ＨＦ）又は緩衝フッ酸（ＢＨＦ）溶液のＦ−にて表面処理を行う。ＨＦ／ＢＨＦ溶液は酸化タンタルと反応する。具体例として五酸化タンタルを使用する反応式は以下に示される。
Ｔａ２Ｏ５＋１４Ｆ−＋１０Ｈ＋＝２ＴａＦ７２−＋５Ｈ２Ｏ
ＨＦ／ＢＨＦの濃度は０．１ｗ％〜３０ｗ％であり、０．５％〜４％が好ましい。処理温度は０℃〜５０℃であり、室温が好ましい。処理時間はＨＦ／ＢＨＦの濃度及び温度に依存する。ここで溶液は酸化タンタルフィルム２０５及びバリア層タンタル２０３の部分をエッチングし、銅層２０４に損傷を与える原因とならない。しかし処理が非常に強い、エッチング時間が非常に長い、又はエッチング濃度が非常に高い場合は、バリア層Ｔａ／ＴａＮ２０３は除去される。図８は、エッチング液が非常に強い場合に、パッド側壁のバリアＴａ／ＴａＮ２０３が損傷することを示す。側壁のバリア層の少なくとも一部が損傷していることが明らかに見られる。そのため溶液により低ｋ誘電層２０２が損傷を受ける。適切な処理は酸化タンタルフィルム２０５をエッチングすることである。図９に示されるように、酸化タンタルフィルム２０５がエッチングされた後、残存するバリア層Ｔａ／ＴａＮ２０３は、ＸｅＦ２によって図７に示されるものと比較して効率的に除去される。
【００２５】
Ｆ−含有溶液はＨＦ／ＢＨＦに限定されない。Ｆ−を含有しｐＨ値が７未満であり銅に対して損傷を与えない溶液が、酸化フィルムエッチング液として使用される。例えば硫酸又は塩酸を添加したＮＨ４Ｆ溶液も、酸化タンタル２０５をエッチングしうる。他の酸を添加することによりｐＨが減少して、酸化タンタルの除去がより効果的になる。酸化タンタルの除去速度はＦ−の濃度及びｐＨ値により制御されうる。
【００２６】
酸化タンタルフィルムを除去する第２実施形態は、強塩基溶液を使用する手法である。酸化タンタル２０５は、本具体例ではタンタル酸（Ｈ２Ｔａ２Ｏ６）である鉱酸を形成することにより、強塩基溶液中に溶解する。Ｔａ２Ｏ５の溶解は、高いｐＨ及び温度上昇により加速される。ＫＯＨを例にとれば、溶液は、ｐＨが１０よりも大きい室温における水中の飽和ＫＯＨである。濃度は０．１％〜５０％であり、好ましくは１０％〜４０％である。温度は０℃〜９０℃であり、好ましくは４０℃〜８０℃である。塩基溶液は、酸化タンタルフィルム２０５エッチング速度につき、銅層２０４に対して良好な選択性を有する。
【００２７】
酸化タンタルフィルム２０５の少なくとも一部を除去する第３実施形態は、約１００℃〜約１５０℃の温度で、約１Torr〜約１．５Torrの圧力下にて、約３００sccm〜約４００sccmのＣＦ４及び約２００sccm〜約６００sccmの酸素を含有するエッチングガス混合物を使用する。反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマリアクタにより、エッチングガス混合物はプラズマの形態で酸化タンタルフィルムと接触する。ＲＩＥ装置及びＥＣＲプラズマリアクタは市販されているものを利用できる。平行平板型ＲＩＥが好ましく用いられる。酸化タンタルエッチングガス混合物にて酸化タンタルフィルム２０５をエッチングすることにより、等方性エッチングがなされる。これにより酸化タンタルフィルム２０５が均一的に除去される。
【００２８】
酸化タンタル２０５及びＴａ２０３の少なくとも一部を除去する第４実施形態は、膜蒸着の反対のようなアルゴンガススパッタのようなガススパッタを使用する。スパッタは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ及びＫｒからなる群から選択される不活性ガスを用いて導入され、Ａｒが好ましい。スパッタ装置は市販されているものを利用できる。
【００２９】
酸化タンタル２０５を除去する第５実施形態は、クエン酸及び／又はシュウ酸溶液をエッチング液として使用する。クエン酸及び／又はシュウ酸は、酸化タンタル２０５の少なくとも一部を除去し、これによりバリア層２０３がより効率的に除去される。酸の濃度は０．１％〜１０％であり、５％〜８％が好ましい。エッチング温度は０℃〜８０℃であり、好ましくは２０℃〜６０℃である。
【００３０】
上述の全ての実施形態は酸化タンタルフィルム２０５のエッチングに使用でき、ＨＦ／ＢＨＦが好ましく用いられる。前述したように、実施形態は、酸化タンタル２０５の少なくとも一部及びバリア層Ｔａ２０３の部分を除去する、本発明における工程５０４の種々の具体例を説明するためのものである。この工程の後に、バリア層２０５の酸化タンタルは除去され、図３に示すように、Ｔａ／ＴａＮ層３０３及び銅層３０４が曝される。
【００３１】
表面の酸化タンタル２０５の除去の後、ウエハ上面の残余バリア層Ｔａ／ＴａＮ３０３がＸｅＦ２ガス相エッチングにより除去される（図５における工程５０６）。
【００３２】
ＸｅＦ２ガスは、バリア層Ｔａ／ＴａＮ層３０３と所定温度及び圧力にて自発的に反応する。ＸｅＦ２は、Ｔａ／ＴａＮ層３０３についての等方性の選択的エッチング手法である。ＸｅＦ２ガスは、銅４０４並びにＳｉＯ２、ＳｉＬＫ及び低ｋＳｉ-Ｃ-Ｏ-Ｈベース材料のような誘電材料４０２の両方に対して選択性が良く、ここでｋは１．２〜４．２であり１．３〜２．４が好ましい。工程全体において、バリア層４０３又は誘電層４０２に直接的にかかる機械的応力は無く、それゆえ銅４０４又は低ｋ誘電材料４０２に損傷を与えることは無い。基板の温度は０℃〜３００℃であり、好ましくは２５℃〜２００℃である。工程の間におけるＸｅＦ２ガスの圧力は０．１Torr〜１００Torrであり、好ましくは０．５Torr〜２０Torrである。
【００３３】
ＸｅＦ２とバリア層Ｔａ／ＴａＮ３０３との化学反応生成物は、ガス相例えばＸｅや揮発性物質中では、例えばフッ化タンタルである。ウエハ表面では余剰物は無い。
【００３４】
図４に示されるように、表面に曝されたバリア層がＸｅＦ２ガス相エッチング５０６によって完全に除去されると、半導体装置におけるトレンチ及び／又はヴィアが電気的に完全に絶縁されている。金属又は銅層４０４と、バリア層４０３とは、低ｋ誘電層４０２によって完全に離隔される。
【００３５】
図６は、無応力電解研磨（ＳＦＰ）系６０２と、酸化タンタル除去系６０４と、ＸｅＦ２エッチング系６０６と、を有する本発明に係る装置の一具体例を示すブロック図を示す。ブロック６０２〜６０６の機能は、各々、図５におけるブロック５０２〜５０６に対応する。
【００３６】
一具体例では、電解研磨系は、ウエハ上の異なる半径位置で、金属層へ電解液流を放出するノズルを有する。電解液流へ陰性の電解研磨電荷を与えるために、電力供給部がノズルに接続される。陽性の電解研磨電荷をウエハに与えるために、電力供給部はウエハにも接続される。このように電解研磨処理の間にノズルはカソードとして機能し、ウエハはアノードとして機能する。電解液流が金属層に注がれると、電解液と金属層との間の電位差が、ウエハから金属層の電解研磨をもたらす。電源供給部が直接的にウエハに接続されているが、電源供給部とウエハとの間に幾つかの中間的な接続部が設けられても良い。例えば、電源供給部がチャックに接続され、次にそれがウエハに接続されることも可能であり、更には金属層に接続されることも可能である。電解研磨の他の記述として、ＵＳ特許出願Ｎｏ．０９／４９７，８９４“半導体装置における金属相互接続の電解研磨の方法及び装置”２０００年２月４日出願があり、これはその全体が参考文献として本明細書に組み込まれる。
【００３７】
また一具体例では、酸化物バリアフィルム除去系は、半導体ウエハを固定する回転チャックと、軸回りに回転するチャックを駆動する回転手段と、ウエハの表面の上に液体エッチング液を注入するノズルと、チャンバー本体と、エッチング液導入系と、を有する。銅ＳＦＰ処理の後、ウエハがチャックに保持される。チャックが回転を始めた後、エッチング液が導入されてウエハ表面に注入される。エッチング液はウエハ表面の上に均一に分散する。一定期間のエッチングの後、ウエハ基板の上の酸化物バリアフィルムが除去される。
【００３８】
本発明のＸｅＦ２エッチング系は、シリコンＭＥＭＳのための市販されているＸｅＦ２エッチング系とほとんど同じであり、それは少なくとも一つのポンプと、一つのエッチングチャンバと、一つの拡張チャンバと、一つの固体ＸｅＦ２ソースチャンバと、を有する。各々のチャンバの間には空気式スロットルバルブがあり、拡張チャンバ及び処理エッチングチャンバには圧力ゲージもある。この系は、パルスモード及び連続流モードの両方においても機能する。連続流モードにおいては、エッチングチャンバ内において圧力は一定に保たれ、それゆえエッチング速度が制御されうる。パルスモードにおいては、両方のチャンバは第一にＮ２によってパージされ、次に共に排出される。そして固体ＸｅＦ２と拡張チャンバとの間のバルブを開き、拡張チャンバはＸｅＦ２ガスにて充満される。固体ソースと拡張チャンバとの間のバルブを閉じ、拡張チャンバとエッチングチャンバとの間のバルブを開く。適切な圧力に到達すると、バルブが閉じる。試料がＸｅＦ２ガスに３〜３０秒間のように一定期間曝された後、次にＸｅＦ２がエッチングチャンバから排出される。これは“サイクル”と呼ばれ、Ｔａ／ＴａＮバリア層の少なくとも一部を除去して完全に誘電材料になるまで２回又はそれ以上繰り返されうる。本発明のＸｅＦ２エッチング系は無応力でもある。
【００３９】
本発明は所定の実施形態、具体例、応用例にて説明されたが、本発明から離れることなく種々の改変及び変形が当業者に可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、誘電層、前記誘電層上のバリア層、及び前記バリア層上の金属層を有し、前記金属層が充填されているパターンを有する半導体構造体の処理方法であって、
無応力電解研磨（ＳＦＰ）により前記バリア層の上の前記金属層を除去し、
無応力電解研磨の間に形成された前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去し、
ＸｅＦ２ガスを用いて前記バリア層を除去し、構造体のパターンを完全に離隔することを特徴とする半導体構造体の処理方法。
【請求項２】
前記バリア層は、タンタル若しくはチタンの純組成、化合物、又は、窒素若しくはケイ素添加物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムの少なくとも一部が、前記金属層の無応力電解研磨の間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属層が銅層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記誘電層が、１．２よりも大きく４．２未満である誘電定数を有する誘電材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンが、ＨＦ／ＢＨＦを含む溶液であるエッチング試薬により除去されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エッチング試薬の濃度が０．１％〜３０％であり、
温度が０℃〜５０℃であり、
前記エッチング試薬がＨＣｌ又はＨ２ＳＯ４が添加されたＦ−をも含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、又はその両方を含む強塩基の溶液であるエッチング試薬により除去され、
前記溶液の濃度は０．１％〜５０％であり、
温度は０℃〜９０℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、ＣＦ４／Ｏ２プラズマにより除去されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、及びＫｒからなる群から選択される不活性ガスを使用してなされるガススパッタリングにより除去されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、クエン酸、シュウ酸、又はこれらの混合物により除去され、
試薬の濃度は０．１％〜１０％であり、
温度は０℃〜８０℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＸｅＦ２ガスの圧力が、０．１Torr〜１００Torrであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板の温度が０℃〜３００℃であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
基板、誘電層、前記誘電層上のバリア層、及び前記バリア層上の金属層を有し、前記金属層が充填されているパターンを有する半導体構造体を製造する装置であって、前記装置は、
前記バリア層の上の前記金属層を除去する無応力電解研磨系と、
無応力電解研磨の間に形成された前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去する、酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系と、
構造体のパターンを完全に離隔するために前記バリア層を除去するエッチング系と、を備えることを特徴とする。
【請求項１５】
前記バリア層は、タンタル若しくはチタンの純組成、化合物、又は、窒素若しくはケイ素添加物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系は、
酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するためにＨＦ／ＢＨＦを含む溶液であるエッチング試薬を使用することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記エッチング試薬の濃度が０．１％〜３０％であり、
温度が０℃〜５０℃であり、
前記エッチング試薬がＨＣｌ又はＨ２ＳＯ４が添加されたＦ−をも含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系は、酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するためにＫＯＨ、ＮａＯＨ、又はその両方の混合溶液を含む溶液であるエッチング試薬を使用し、
前記溶液の濃度は０．１％〜５０％であり、
温度は０℃〜９０℃であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系が、酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するためにＣＦ４／Ｏ２プラズマを使用することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系が、酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するために、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、及びＫｒからなる群から選択される不活性ガスを使用してなされるイオンスパッタリングを使用することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系が、前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するために、クエン酸、シュウ酸、又はこれらの混合物を使用し、
試薬の濃度は０．１％〜１０％であり、
温度は０℃〜８０℃であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
バリア層エッチング系が、バリア層のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮを除去するためにＸｅＦ２ガスを使用し、
前記ＸｅＦ２ガスの圧力が０．１Torr〜１００Torrであることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２３】
前記基板の温度が０℃〜３００℃であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項１】
基板、誘電層、前記誘電層上のバリア層、及び前記バリア層上の金属層を有し、前記金属層が充填されているパターンを有する半導体構造体の処理方法であって、
無応力電解研磨（ＳＦＰ）により前記バリア層の上の前記金属層を除去し、
無応力電解研磨の間に形成された前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去し、
ＸｅＦ２ガスを用いて前記バリア層を除去し、構造体のパターンを完全に離隔することを特徴とする半導体構造体の処理方法。
【請求項２】
前記バリア層は、タンタル若しくはチタンの純組成、化合物、又は、窒素若しくはケイ素添加物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムの少なくとも一部が、前記金属層の無応力電解研磨の間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記金属層が銅層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記誘電層が、１．２よりも大きく４．２未満である誘電定数を有する誘電材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンが、ＨＦ／ＢＨＦを含む溶液であるエッチング試薬により除去されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エッチング試薬の濃度が０．１％〜３０％であり、
温度が０℃〜５０℃であり、
前記エッチング試薬がＨＣｌ又はＨ２ＳＯ４が添加されたＦ−をも含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、又はその両方を含む強塩基の溶液であるエッチング試薬により除去され、
前記溶液の濃度は０．１％〜５０％であり、
温度は０℃〜９０℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、ＣＦ４／Ｏ２プラズマにより除去されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、及びＫｒからなる群から選択される不活性ガスを使用してなされるガススパッタリングにより除去されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムが、クエン酸、シュウ酸、又はこれらの混合物により除去され、
試薬の濃度は０．１％〜１０％であり、
温度は０℃〜８０℃であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＸｅＦ２ガスの圧力が、０．１Torr〜１００Torrであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記基板の温度が０℃〜３００℃であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
基板、誘電層、前記誘電層上のバリア層、及び前記バリア層上の金属層を有し、前記金属層が充填されているパターンを有する半導体構造体を製造する装置であって、前記装置は、
前記バリア層の上の前記金属層を除去する無応力電解研磨系と、
無応力電解研磨の間に形成された前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去する、酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系と、
構造体のパターンを完全に離隔するために前記バリア層を除去するエッチング系と、を備えることを特徴とする。
【請求項１５】
前記バリア層は、タンタル若しくはチタンの純組成、化合物、又は、窒素若しくはケイ素添加物からなる群から選択されることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系は、
酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するためにＨＦ／ＢＨＦを含む溶液であるエッチング試薬を使用することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記エッチング試薬の濃度が０．１％〜３０％であり、
温度が０℃〜５０℃であり、
前記エッチング試薬がＨＣｌ又はＨ２ＳＯ４が添加されたＦ−をも含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系は、酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するためにＫＯＨ、ＮａＯＨ、又はその両方の混合溶液を含む溶液であるエッチング試薬を使用し、
前記溶液の濃度は０．１％〜５０％であり、
温度は０℃〜９０℃であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系が、酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するためにＣＦ４／Ｏ２プラズマを使用することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系が、酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するために、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｘｅ、及びＫｒからなる群から選択される不活性ガスを使用してなされるイオンスパッタリングを使用することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記酸化タンタル又は酸化チタンフィルム除去系が、前記バリア層の酸化タンタル又は酸化チタンフィルムを除去するために、クエン酸、シュウ酸、又はこれらの混合物を使用し、
試薬の濃度は０．１％〜１０％であり、
温度は０℃〜８０℃であることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
バリア層エッチング系が、バリア層のＴａ／ＴａＮ又はＴｉ／ＴｉＮを除去するためにＸｅＦ２ガスを使用し、
前記ＸｅＦ２ガスの圧力が０．１Torr〜１００Torrであることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２３】
前記基板の温度が０℃〜３００℃であることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【図５】
【図６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図８】
【図９】
【公表番号】特表２０１２−５００４８０（Ｐ２０１２−５００４８０Ａ）
【公表日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２３２８９（Ｐ２０１１−５２３２８９）
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００８／０７２０５９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２００９２
【国際公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（５１０００５６５０）エーシーエム リサーチ （シャンハイ） インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月２０日（２００８．８．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００８／０７２０５９
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０２００９２
【国際公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（５１０００５６５０）エーシーエム リサーチ （シャンハイ） インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
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