專利名稱：半導體基板導電層表面的凈化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體基板導電層表面的凈化方法，例如涉及對在同時形成通孔和配線部的雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的通孔底部露出的導電層表面進行凈化的方法。
背景技術(shù)：
以往，在半導體裝置中，一直使用在加工配線之后、堆積層間絕緣膜并將其平坦化的方法。作為相對于此不同的概念，有同時形成通孔和配線用槽的雙層金屬鑲嵌(Dual Damascene)結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，由于可以將通孔和配線用槽統(tǒng)一為相同的材料，所以具有可以實現(xiàn)降低連接孔界面電阻和提高耐電遷移性的特征。特別地，在雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)中，由于總是在平坦面上堆積層間絕緣膜，所以具有不需要以往的改善膜覆蓋性使得在配線間不形成內(nèi)腔(void)的要求等的特征。
專利文獻1特開2002-26121號公報(段落序號0031、圖6)發(fā)明內(nèi)容在這樣的雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的制造工序中，包括在通孔底部露出的導電層表面的凈化工序。在通孔底部的導電層表面上，大多存在有光致抗蝕劑等有機物的蝕刻殘渣。另外，在導電層表面上不可避免地形成自然氧化膜。例如，在導電層是銅的情況下，會出現(xiàn)氧化銅(CuO)。存在這樣的殘渣有機物和氧化物，有導致通孔部的電阻增大的問題。
在專利文獻1中記載有，對低密度介電常數(shù)膜的表面進行等離子體處理、形成致密的表面改質(zhì)層，由此阻止通孔部的電阻增大。
另外，作為專利文獻1中記載的方法以外的現(xiàn)有的方法，還有對在通孔底部露出的導電層表面進行凈化的方法。在該方法中，通過打入氬離子將殘渣有機物分解并除去，但是，凈化不充分。僅打入氬離子，由于未進行灰化，所以不能將殘渣有機物完全除去。另外，也不能除去自然氧化膜。再者，打入氬離子時，存在對通孔的側(cè)壁絕緣膜造成損傷、對介電常數(shù)(k值)造成不良影響的問題。
本發(fā)明的主要的課題，是提供一種可以充分地除去殘渣有機物和自然氧化物，不對通孔的側(cè)壁絕緣膜造成損傷，不對介電常數(shù)(k值)造成不良影響的半導體基板導電層表面的凈化方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的凈化方法，對放置在反應室內(nèi)的半導體基板上的導電層表面進行凈化，其特征在于在反應室內(nèi)產(chǎn)生含氫的等離子體，邊利用該等離子體還原導電層表面、邊進行凈化。
通過這樣在反應室內(nèi)產(chǎn)生含氫的等離子體，邊利用該等離子體還原導電層表面、邊進行凈化，可以除去氧化膜，所以可以進行凈化，而不會使電阻變高、也不會使介電常數(shù)(k值)增大。
也可以利用等離子體對導電層表面上存在的殘渣有機物進行灰化，來除去殘渣有機物。
可以在導電層表面上形成絕緣膜，在絕緣膜上形成將導電層的一部分露出的通孔，利用等離子體對在通孔底部露出的導電層表面進行凈化。
也可以在絕緣膜上進一步疊層上層絕緣膜，在該上層絕緣膜上形成露出通孔的配線用槽，在形成上層絕緣膜后，利用等離子體對露出的導電層表面進行凈化。
凈化工序，也可以利用低電子溫度的高密度等離子體處理來進行。
高密度等離子體處理，基于微波、使反應容器內(nèi)分布均勻的電場，產(chǎn)生高密度等離子體。
等離子體處理在含有氫和氦的混合氣體的氣氛下進行，氦相對于氫的比例可以選擇為0.005～20。


圖1是可以在根據(jù)本發(fā)明的凈化方法的實施中使用的等離子體基板處理裝置的截面圖。
圖2是在圖1所示的等離子體基板處理裝置內(nèi)設(shè)置的槽板的局部剖視立體圖。
圖3是表示半導體基板上的雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4是表示各種處理氣體的灰化速率的圖。
圖5A是表示利用各種處理氣體進行處理的情況下的絕緣膜的k值的圖。
圖5B是表示利用各種處理氣體進行處理的情況下的絕緣膜的Δk的圖。
圖6是表示各種處理氣體對SiOCH的蝕刻速率的圖。
圖7是表示He/H2氣體的流量比的圖。
圖8是表示N2/H2氣體的流量比的圖。
圖9是表示向CuO照射使用He/H2氣體的等離子體時的氧還原特性與照射時間的關(guān)系的圖。
圖10是表示根據(jù)本發(fā)明的凈化方法的實施工序的流程圖。
具體實施例方式
以下，根據(jù)附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的、用于凈化雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的高密度等離子體處理裝置10的截面圖。圖2是在圖1所示的高密度等離子體處理裝置內(nèi)設(shè)置的槽板的局部剖視立體圖。
高密度等離子體處理裝置10包括設(shè)置有保持雙層(dual)金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的半導體晶片W的基板保持臺12的處理容器11。處理容器11內(nèi)的氣體，利用排氣系統(tǒng)124，經(jīng)由排氣口136、排氣室137、排氣管口134，從排氣管135排出。此外，基板保持臺12具有加熱半導體晶片W的加熱器121。加熱器121由位于外部的加熱器電源122進行驅(qū)動。
在處理容器11的裝置上方(上側(cè))，與基板保持臺12上的半導體晶片W相對，設(shè)置有開口部。該開口部利用由石英、氧化鋁、氮化鋁等構(gòu)成的電介質(zhì)板13密封。在電介質(zhì)板13的上部(外側(cè))配置有圖2所示的作為天線(平面天線)起作用的槽板14。
槽板14包括在例如圓板狀的薄板銅板上鍍有金屬或銀的圓形導體板141，在圓形導體板141上，同心圓狀地形成有多個T形的狹縫142。而且，狹縫在半徑方向上形成為放射狀，狹縫142間的間隔優(yōu)選為λg/2或λg。利用這些狹縫142，在處理容器11內(nèi)的空間中形成均勻的電場分布。
在槽板14的更上部(外側(cè))，配置有由石英、氧化鋁、氮化鋁等構(gòu)成的電介質(zhì)板15。該電介質(zhì)板15有時被稱為滯波板或波長縮短板，通過降低微波的傳播速度，將波長縮短，從而使從槽板14放射出的微波的傳播效率提高。在電介質(zhì)板15的上部(外側(cè))，以覆蓋槽板14和電介質(zhì)板15的方式配置有導體(鋁、不銹鋼等)的外殼部件16。
在外殼部件16的內(nèi)部，設(shè)置有制冷劑流動的制冷劑流路16a，通過將電介質(zhì)板13和槽板14冷卻，部件的破損等被抑制。另外，在處理容器11的上端中央，設(shè)置有用于導入來自微波發(fā)生源128的微波的矩形波導管132和同軸波導管132。在處理容器11的壁中，設(shè)置有用于導入氣體的氣體噴嘴22，可以供給圖示的各種氣體。
通過打開閘閥125，可以將半導體晶片W從搬入口133搬入搬出。
在處理容器11的壁外側(cè)上，以包圍容器整體的方式形成有制冷劑流路24。氣體供給源130、排氣系統(tǒng)124和加熱器電源122等，由控制裝置120控制?？刂蒲b置124的內(nèi)部設(shè)置有CPU、ROM·RAM等存儲器存儲介質(zhì)、硬盤、CDROM驅(qū)動器、輸入輸出裝置等(未圖示)。將在硬盤或ROM中預先存儲或通過CDROM等從外部供給用于運行根據(jù)本發(fā)明的半導體基板導電層表面的凈化方法的軟件、并向RAM傳送，由此控制裝置124內(nèi)的CPU可以運行根據(jù)本發(fā)明的凈化方法。
圖3是表示雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖3中，在作為Cu配線層的導電層1上形成有由SiCOH等低介電常數(shù)(low k)膜構(gòu)成的層間絕緣膜2、3。在層間絕緣膜2中形成作為連接部的通孔4，在通孔4的底部，導電層1的一部分露出。在層間絕緣膜3中形成有將通孔4露出的配線用槽5。通孔4和配線用槽5通過蝕刻形成，但是，蝕刻時在導電層1表面上存在光致抗蝕劑等殘渣有機物6，同時，形成銅氧化膜(CuO)7。
在本發(fā)明中，將具有雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的基板搬入到圖1和圖2所示的高密度等離子體處理裝置10的處理容器11內(nèi)，向處理容器11內(nèi)導入含氫的氣體，在已導入氣體的處理容器11內(nèi)產(chǎn)生含氫的等離子體，控制反應容器內(nèi)的壓力和含氫的等離子體的產(chǎn)生時間，由此利用灰化將層間絕緣膜2、3的側(cè)壁的殘渣有機物6分解、除去，同時，將通孔4的底部露出的導電層1表面的銅氧化膜7還原為銅(Cu)。
為了利用高密度等離子體處理裝置10產(chǎn)生等離子體以除去殘渣有機物6，可考慮使用Ar/O2/He氣體、Ar/N2/H2氣體、Ar/He/H2氣體等處理氣體，但更優(yōu)選在Ar/He/H2氣體氣氛下，利用高密度等離子體處理裝置10在低電子溫度(0.7eV～2eV)下進行1011～1013/cm2的高密度等離子體處理，通過對殘渣有機物6進行灰化，可以將殘渣有機物6分解并除去、并且可以將銅氧化膜7還原成銅，而不會對層間絕緣膜2、3造成損傷或使k值增大。
圖4是對在將被導入到處理容器11內(nèi)的Ar/O2/He氣體、Ar/N2/H2氣體、和Ar/He/H2氣體的各自的流量比選擇為1000/200/200sccm、處理容器11內(nèi)的壓力為500mTorr、微波的輸出功率為1.5kW、電介質(zhì)板13與基板W之間的間隙為105mm、處理容器11內(nèi)的溫度為250℃的條件下，對光致抗蝕劑進行灰化時的灰化速率進行比較。由該圖4可知，含氧的Ar/O2/He氣體的灰化速率最高，接著依次是Ar/N2/H2氣體、Ar/He/H2氣體。
另外，圖5A和圖5B表示基于不同處理氣體的k值和Δk值。具體地說，圖5A表示用Ar單一氣體、Ar/N2/H2氣體、和Ar/He/H2氣體等各處理氣體，在室溫下進行處理時的k值、和在200℃的溫度下進行處理時的k值。圖5B是表示這兩個k值的差Δk的圖。左縱軸分別表示k值和Δk。
在圖5A中，在Ar單一氣體的情況下，室溫處理時的k值和200℃處理時的k值的差Δk小至0.15左右。在Ar/N2/H2氣體的情況下，室溫處理時的k值和200℃處理時的k值的差Δk大至約0.35左右；在Ar/He/H2氣體的情況下，室溫處理時的k值和200℃處理時的k值的差Δk為0.12左右，變化最小。Ar氣體時，差Δk為0.15左右，成為最小的值，但是，如現(xiàn)有例中所說明的那樣，不能將有機物殘渣6完全除盡。因此，即使是含有相同H2的氣體，與Ar/N2/H2氣體相比，像Ar/He/H2氣體那樣Δk少的一方，在暴露于等離子體時不會使k值增大，所以可以說適合于殘渣有機物6的灰化。另外，優(yōu)選不使k值增加、不對Lowk膜(低介電常數(shù)膜)產(chǎn)生等離子體損傷的條件。
再有，圖6是表示各處理氣體對SiOCH(層間絕緣膜)的蝕刻速率的圖。在圖6中，Ar氣體、Ar/N2/H2氣體、Ar/He/H2氣體的蝕刻速率都小至約200A/min以下，而像Ar/O2/He氣體、Ar/O2/N2氣體、Ar/O2氣體那樣含氧的氣體的蝕刻速率約為1900(埃(angstrom)A)A/min，是較大的值。由該對比可知，與Ar/O2/He氣體、Ar/O2/N2氣體、Ar/O2氣體相比，Ar氣體、Ar/N2/H2氣體、Ar/He/H2氣體的蝕刻速率較小，其中Ar/He/H2氣體的蝕刻速率最小，對層間絕緣膜2、3的損傷小。
根據(jù)這些比較可知，Ar/O2/He氣體，如在圖4中所說明的那樣，灰化速率高，適合于殘渣有機物6的除去，但是，由于蝕刻速率也高，所以層間絕緣膜2、3的側(cè)壁會被蝕刻，對側(cè)壁的損傷變大，所以不適合作為處理氣體使用。
與此相對，Ar/He/H2氣體、Ar/N2/H2氣體，如圖4所示，灰化速率小，但是，如圖6所示，蝕刻速率也小，所以對層間絕緣膜2、3的損傷小，可以說適合作為處理氣體。其中，對Ar/He/H2氣體和Ar/N2/H2氣體進行比較時，如圖5所示，由于與Ar/N2/H2氣體相比、Ar/He/H2氣體的Δk較小，所以可以說使用Ar/He/H2氣體作為處理氣體，對于灰化最適合。
圖7是表示Ar/He/H2氣體的He氣體相對于H2氣體的流量比的圖。如圖7所示，He氣體相對于H2氣體的流量比在0.0～0.5附近時，k值大致為2.36，從流量比為0.5附近開始，k值下降，在0.7～1.75附近，k值大致為2.35以下的低值，在該比例范圍內(nèi)選擇He比H2，在減小k值方面優(yōu)選。這可認為是因為只有H自由基參與殘渣物的分解的緣故。
圖8表示Ar/N2/H2氣體的N2對H2的流量比。如圖8所示，N2氣體相對于H2氣體的流量比在0.0～0.5附近時，k值為2.37～2.55，而流量比從0.5增大至1.0時，k值從2.55變大為2.6。這可認為是因為N自由基被導入到絕緣膜中的緣故。
由這些比較可知，與Ar/N2/H2氣體相比，Ar/He/H2氣體的k值隨流量比的變化而變化較小。由這些對比可知，在Ar/He/H2氣體氣氛下，利用高密度等離子體處理裝置10，在低電子溫度下、對具有圖3所示的雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的基板進行高密度等離子體處理，對殘渣有機物6進行灰化，可以最有效地分解并除去殘渣有機物6，而不會對層間絕緣膜2、3造成損傷、不會增大k值。
圖9是表示向銅氧化膜7照射使用上述He/H2氣體的等離子體時的氧還原特性的圖，縱軸表示氧含量(原子％)。
如圖9所示，可知銅氧化膜7中氧含量為35原子％，向CuO照射He/H2等離子體5sec后，氧含量降低至5原子％，照射10sec、20sec時，氧含量維持在5原子％，但是若照射30sec～60sec～180see，則氧減少到大致0原子％，銅氧化膜7被還原成銅，可以形成清潔的Cu的表面。
因此，可知作為最優(yōu)選的實施方式，產(chǎn)生Ar/He/H2氣體那樣含氫的等離子體，在低電子溫度下用高密度等離子體進行灰化，除去氧化絕緣膜2、3的壁面的殘渣有機物6，將導電層1表面的銅氧化膜7還原成銅，是最合適的。優(yōu)選的條件為Ar500～3000sccm、He50～1000sccm、H250～1000sccm、壓力100mmTorr～5Torr、輸出功率0.5～3kW、溫度室溫以上500℃以下、處理時間20秒以上600秒以下。
邊參照圖10的流程圖、邊對基于本發(fā)明的凈化方法的實施工序進行簡單地說明。
在抽真空(S10)之后，通過搬入口133，將具有雙層金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的基板W從接著處理容器11的相鄰的腔室(未圖示)設(shè)置在處理容器11內(nèi)(S12)。從氣體源130代表性地向處理容器11內(nèi)供給Ar/He/H2氣體(S14)。使微波從微波發(fā)生源128傳送至處理容器11內(nèi)，產(chǎn)生等離子體(S16)(條件在低電子溫度(0.7eV～2eV)下1011～1013/cm2的高密度等離子體處理)。通過控制含氫的等離子體的產(chǎn)生時間，利用灰化將層間絕緣膜2、3的側(cè)壁的殘渣有機物6分解、除去(S18)，并且將在通孔4的底部露出的導電層1表面的銅氧化膜7還原成銅(Cu)。然后，停止等離子體(S20)、抽真空(S22)后，將基板W排出到處理容器11之外(S24)。
此外，本發(fā)明不僅可以應用于將光致抗蝕劑等的殘渣有機物6凈化、除去的情況，而且也可以應用于將在鎢、銅，WSi、NiSi、CoSi等金屬硅化物等的配線部露出的導電層表面凈化的情況。
參照附圖對本發(fā)明的一個實施方式進行了說明，但本發(fā)明并不限于圖示的實施方式。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明可以在將半導體裝置搬入處理容器11內(nèi)并在處理容器11內(nèi)產(chǎn)生含氫的等離子體以對通孔4底部的導電層1上進行凈化、利用灰化將殘渣有機物6分解除去并將導電層1表面上的銅氧化膜7還原成Cu的等離子體基板處理裝置中利用。
權(quán)利要求
1.一種半導體基板導電層表面的凈化方法，對放置在反應室內(nèi)的半導體基板上的導電層表面進行凈化，其特征在于在所述反應室內(nèi)產(chǎn)生含氫的等離子體，邊利用該等離子體還原所述導電層表面、邊進行凈化。
2.如權(quán)利要求1所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于利用所述等離子體對所述導電層表面上存在的殘渣有機物進行灰化。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于在所述導電層表面上形成絕緣膜，在所述絕緣膜上形成使所述導電層的一部分露出的通孔，利用所述等離子體對在所述通孔底部露出的導電層表面進行凈化。
4.如權(quán)利要求3所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于在所述絕緣膜上進一步疊層上層絕緣膜，在該上層絕緣膜上形成露出所述通孔的配線用槽，在形成所述上層絕緣膜后，利用所述等離子體對露出的導電層表面進行凈化。
5.如權(quán)利要求1所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述凈化工序，利用低電子溫度的高密度等離子體處理進行。
6.如權(quán)利要求5所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述高密度等離子體處理，基于微波、使所述反應容器內(nèi)分布均勻的電場，產(chǎn)生高密度等離子體進行。
7.如權(quán)利要求6所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述高密度等離子體處理在含有氫和氦的混合氣體的氣氛下進行，氦相對于氫的比例選擇為0.005～20。
8.如權(quán)利要求1所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述含氫的等離子體，是含有Ar氣體的等離子體。
9.如權(quán)利要求1所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述含氫的等離子體，是含有Ar氣體和He氣體的等離子體。
10.如權(quán)利要求1所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述含氫的等離子體，是含有He氣體的等離子體。
11.如權(quán)利要求1所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述等離子體的密度是1010～1013/cm3。
12.如權(quán)利要求1所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述等離子體的電子溫度為0.7～3eV。
13.如權(quán)利要求6所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述等離子體是用平面天線產(chǎn)生的等離子體。
14.如權(quán)利要求5所述的半導體基板導電層表面的凈化方法，其特征在于所述等離子體是感應耦合等離子體或磁控管等離子體。
15.一種存儲介質(zhì)，存儲有運行對放置在反應室內(nèi)的半導體基板上的導電層表面進行凈化的方法的軟件，該凈化方法具有在所述反應室內(nèi)產(chǎn)生含氫的等離子體的步驟；和邊利用該等離子體還原所述導電層表面、邊進行凈化的步驟。
16.如權(quán)利要求15所述的存儲介質(zhì)，其特征在于利用所述等離子體對所述導電層表面上存在的殘渣有機物進行灰化。
17.如權(quán)利要求15或16所述的存儲介質(zhì)，其特征在于在所述導電層表面上形成絕緣膜，在所述絕緣膜上形成使所述導電層的一部分露出的通孔，利用所述等離子體對在所述通孔底部露出的導電層表面進行凈化。
18.如權(quán)利要求17所述的存儲介質(zhì)，其特征在于在所述絕緣膜上進一步疊層上層絕緣膜，在該上層絕緣膜上形成露出所述通孔的配線用槽，在形成所述上層絕緣膜后，利用所述等離子體對露出的導電層表面進行凈化。
19.如權(quán)利要求15所述的存儲介質(zhì)，其特征在于所述凈化工序，利用低電子溫度的高密度等離子體處理進行。
20.如權(quán)利要求19所述的存儲介質(zhì)，其特征在于所述高密度等離子體處理，基于微波、使所述反應容器內(nèi)分布均勻的電場，產(chǎn)生高密度等離子體進行。
21.如權(quán)利要求20所述的存儲介質(zhì)，其特征在于所述高密度等離子體處理在含有氫和氦的混合氣體的氣氛下進行，氦相對于氫的比例選擇為0.005～20。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可以充分地除去殘渣有機物和自然氧化物，并且不對通孔的側(cè)壁絕緣膜造成損傷，不對k值造成不良影響的半導體基板導電層表面的凈化方法。將在半導體基板的導電層(1)的表面上形成絕緣膜(2、3)、并在絕緣膜(3)中形成將導電層(1)的一部分露出的通孔(4)的半導體裝置搬入到反應容器內(nèi)，在反應容器內(nèi)產(chǎn)生含氫的等離子體、以將通孔(4)底部的導電層(1)上凈化，利用灰化將殘渣有機物(6)分解除去并將導電層(1)表面上的銅氧化膜(7)還原成銅。
文檔編號H01L21/306GK1890785SQ20048003583
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者佐佐木勝, 井出真司, 尾崎成則 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社