(57)【要約】  半導体チップの銅と誘電体とを含有する構造から酸化銅を除去する方法が提供される。銅と誘電体とを含有する構造は、化学機械平坦化（ＣＭＰ）によって平坦化し、酸化銅およびＣＭＰ残留物を除去する方法によって処置することができる。水素（Ｈ２）ガスおよび紫外線（ＵＶ）環境におけるアニーリングが酸化銅を除去し、パルスアンモニアプラズマがＣＭＰ残留物を除去する。
2014514780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅と誘電体とを含有する構造から酸化銅を除去する方法であって、
前記銅と誘電体とを含有する構造を水素（Ｈ２）ガスおよび紫外線（ＵＶ）放射に同時に暴露することと、
前記銅と誘電体とを含有する構造をパルスアンモニアプラズマに暴露することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記銅と誘電体とを含有する構造を前記水素ガスおよび紫外線放射に同時に前記暴露することが、
前記銅と誘電体とを含有する構造を処理チャンバの処理容積部に位置づけることと、
前記水素ガスを前記処理容積部に流し込むことと、
ＵＶ放射の光源を連結して、前記銅と誘電体とを含有する構造を前記ＵＶ放射に暴露することと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記銅と誘電体とを含有する構造を前記水素ガスおよび紫外線放射に同時に前記暴露することが、２Ｔｏｒｒと１０Ｔｏｒｒとの間のチャンバ圧力、２００℃と４００℃との間の基板温度、１０００Ｗ／ｍ２と２０００Ｗ／ｍ２との間のＵＶ照射パワー、２００ｎｍと４００ｎｍとの間のＵＶ波長、１０００ｓｃｃｍと１０，０００ｓｃｃｍとの間の水素ガス流量、および１秒と６０秒との間のアニーリング処置時間を使用して実施される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記銅と誘電体とを含有する構造を前記パルスアンモニアプラズマに前記暴露することが、
前記銅と誘電体とを含有する構造を処理チャンバの処理容積部に位置づけることと、
アンモニアガスを前記処理容積部に流し込むことと、
前記パルスアンモニアプラズマを前記アンモニアガスから形成することと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記パルスアンモニアプラズマが、ＲＦ電力を前記アンモニアガスに結合させることによって形成され、前記銅と誘電体とを含有する構造を前記パルスアンモニアプラズマに前記暴露することが、２Ｔｏｒｒと４Ｔｏｒｒとの間のチャンバ圧力、２００℃と４００℃との間の基板温度、３００Ｗと１０００Ｗとの間のＲＦ電力、３００ｋＨｚと１５ＭＨｚとの間のＲＦ電力周波数、１０００ｓｃｃｍと３０００ｓｃｃｍとの間のアンモニアガス流量、１Ｈｚと５０ｋＨｚとの間のパルス周波数を使用して実施される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
銅と誘電体とを含有する構造から酸化銅を除去する方法であって、
前記銅と誘電体とを含有する構造を水素（Ｈ２）ガスおよび紫外線（ＵＶ）放射に同時に暴露することであり、
前記銅と誘電体とを含有する構造を第１の処理チャンバの第１の処理容積部に位置づけることと、
前記水素ガスを前記第１の処理容積部に流し込むことと、
ＵＶ放射の光源を連結して、前記銅および誘電体含有構造を前記ＵＶ放射に暴露することと
を含む、暴露することと、
前記銅と誘電体とを含有する構造をパルスアンモニアプラズマに暴露することであり、
前記銅と誘電体とを含有する構造を第２の処理チャンバの第２の処理容積部に位置づけることと、
アンモニアガスを前記第２の処理容積部に流し込むことと、
前記パルスアンモニアプラズマを前記アンモニアガスから形成することと
を含む、暴露することと
を含む、方法。
【請求項７】
前記銅と誘電体とを含有する構造を前記水素ガスおよび紫外線放射に前記第１の処理容積部において同時に前記暴露することが、２Ｔｏｒｒと１０Ｔｏｒｒとの間のチャンバ圧力、２００℃と４００℃との間の基板温度、１０００Ｗ／ｍ２と２０００Ｗ／ｍ２との間のＵＶ照射パワー、２００ｎｍと４００ｎｍとの間のＵＶ波長、１０００ｓｃｃｍと１０，０００ｓｃｃｍとの間の水素ガス流量、および１秒と６０秒との間のアニーリング処置時間を使用して実施される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記パルスアンモニアプラズマが、ＲＦ電力を前記アンモニアガスに結合させることによって形成され、前記銅と誘電体とを含有する構造を前記パルスアンモニアプラズマに前記第２の処理容積部において前記暴露することが、２Ｔｏｒｒと４Ｔｏｒｒとの間のチャンバ圧力、２００℃と４００℃との間の基板温度、３００Ｗと１０００Ｗとの間のＲＦ電力、３００ｋＨｚと１５ＭＨｚとの間のＲＦ電力周波数、１０００ｓｃｃｍと３０００ｓｃｃｍとの間のアンモニアガス流量、１Ｈｚと５０ｋＨｚとの間のパルス周波数を使用して実施される、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記銅と誘電体とを含有する構造を前記パルスアンモニアプラズマに暴露することが、処置時間の間行われ、前記銅と誘電体とを含有する構造が、デューティサイクルによって規定される前記処置時間のある割合である全時間の間、前記パルスアンモニアプラズマに暴露される、請求項１または６に記載の方法。
【請求項１０】
銅と誘電体とを含有する構造から酸化銅を除去する方法であって、
前記銅と誘電体とを含有する構造を水素（Ｈ２）ガスおよび紫外線（ＵＶ）放射にアニーリング処置時間の間、同時に暴露することと、
前記銅と誘電体とを含有する構造をパルスアンモニアプラズマにプラズマ処置時間の間暴露することであり、前記銅と誘電体とを含有する構造が、デューティサイクルによって規定される前記処置時間のある割合である全時間の間、前記パルスアンモニアプラズマに暴露され、前記全時間が、前記プラズマ処置時間内に分布された区分に分割される、暴露することと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記処置時間が１０秒と６０秒との間にあり、前記デューティサイクルが５％と５０％との間にある、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記全時間が２個と５００００個との間の複数の区分に均等に分割され、前記区分が前記処置時間内に均等に分布する、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記銅と誘電体とを含有する構造が、前記パルスアンモニアプラズマに暴露される前に前記水素ガスおよび紫外線放射に同時に暴露される、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記銅と誘電体とを含有する構造を前記パルスアンモニアプラズマに前記暴露することが、
窒素（Ｎ２）キャリアガスを前記パルスアンモニアプラズマに流し込むこと
をさらに含む、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
拡散バリア層を前記銅と誘電体とを含有する構造上に形成することをさらに含む、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般には、半導体製造中に酸化銅を除去する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
層間誘電体（ＩＬＤ）膜の誘電率（ｋ）は、デバイススケーリングが続くにつれて継続的に減少している。フィーチャサイズを減少させ続けることができるためには、低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）膜に対する集積化損傷を最小にすることが重要である。しかし、フィーチャサイズが縮小するとともに、ＩＬＤ膜の抵抗性キャパシタンス（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）および信頼性の改善が重大な課題になる。
【０００３】
酸化銅（ＣｕＯ）および化学機械平坦化（ＣＭＰ）残留物を除去するための現在の技法には、アンモニア（ＮＨ３）または水素（Ｈ２）プラズマの使用が含まれる。酸化銅およびＣＭＰ残留物の除去は、メタライゼーション構造のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）およびＩＬＤ膜の経時絶縁破壊（ＴＤＤＢ）を改善するのに必要である。さらに、残存酸化銅およびＣＭＰ残留物は、続いて形成される層への接着を弱めることがある。しかし、低誘電率膜をＮＨ３およびＨ２プラズマに暴露すると、ＩＬＤ膜が変更され、ｋ値が増加する。
【０００４】
したがって、低誘電率膜のｋ値の増加を最小限に抑えるために、酸化銅およびＣＭＰ残留物を除去する新しい方法が必要である。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施形態は、一般には、酸化銅を除去する方法を提供する。
【０００６】
１つの実施形態では、銅と誘電体とを含有する構造を処置する方法が提供される。銅と誘電体とを含有する構造は水素ガスおよび紫外線（ＵＶ）放射に同時に暴露される。銅と誘電体とを含有する構造は、さらに、パルスアンモニアプラズマに暴露される。
【０００７】
別の実施形態では、銅と誘電体とを含有する構造は、銅と誘電体とを含有する構造を第１の処理チャンバの第１の処理容積部に位置づけ、水素ガスを第１の処理容積部に流し込み、ＵＶ放射の光源を連結して、銅と誘電体とを含有する構造をＵＶ放射に暴露することによって水素（Ｈ２）ガスおよび紫外線（ＵＶ）放射に同時に暴露される。銅と誘電体とを含有する構造は、さらに、銅と誘電体とを含有する構造を第２の処理チャンバの第２の処理容積部に位置づけ、アンモニアガスを第２の処理容積部に流し込み、ＲＦ電力をアンモニアガスに結合させてパルスアンモニアプラズマを形成することによってパルスアンモニアプラズマに暴露される。
【０００８】
本発明の上述で列挙した特徴が詳細に理解されるように、上述で簡単に要約した本発明のより詳細な説明を、実施形態を参照することによって行うことができ、実施形態の一部が添付図面に示される。しかし、添付図面は本発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本発明は他の均等に有効な実施形態を許容することができるので本発明の範囲を限定するものと考えるべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】デバイス構造の１つの実施形態の断面図を示す。
【図２】本発明の方法の１つの実施形態を示す流れ図である。
【図３】Ａ〜Ｂは、図２に示した方法の様々な段階の間の図１のデバイス構造の断面図を示す。
【図４】Ａ〜Ｃは、処理スケジュールの実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、一般には、半導体製造中に酸化銅を除去する方法を提供する。本発明の実施形態は、さらに、化学機械平坦化（ＣＭＰ）中に形成された副生成物を除去する方法を提供する。そのような副生成物には、メタライゼーション構造上に形成された酸化銅と、電解質スラリ混合物などのＣＭＰプロセスからの残留物が含まれる。
【００１１】
図１は、ＣＭＰプロセスによって平坦化された後のデバイス構造１００の１つの実施形態の断面図を示す。デバイス構造１００は半導体チップ用の相互接続構造とすることができる。構造１００には、一般に、基板１０１と、層間誘電体（ＩＬＤ）１０２と、層間誘電体１０２のフィーチャ１０７に形成された銅材料１０３とが含まれる。構造１００は、層間誘電体１０２を基板１０１上に連続層で堆積させ、層間誘電体１０２をエッチングしてそこにフィーチャ１０７を形成し、拡散バリア１０４を層間誘電体１０２のフィーチャ１０７に堆積させ、銅材料１０３を層間誘電体１０２のフィーチャ１０７に堆積させることによって生成することができる。層間誘電体１０２は、酸化ケイ素、酸窒化ケイ素、炭酸化ケイ素（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｏｎ  ｏｘｉｄｅ）、炭窒化ケイ素、または他の好適な材料などの低誘電率材料から形成することができる。層間誘電体１０２は、５以下の、例えば３以下などのｋ値を有することができる。銅材料１０３は、高純度銅、または銅−アルミニウム、銅−マンガン、または他の関連合金などの銅合金とすることができる。拡散バリア１０４は、例えば、Ｔａ／ＴａＮ、ＴｉＮ／Ｔｉ、または他の好適な材料から形成することができる。
【００１２】
過剰銅材料を、層間誘電体１０２のフィーチャ１０７の外側に堆積させることができる。過剰銅材料を除去し、構造１００の厚さを均一にするために、ＣＭＰプロセスを使用することができる。ＣＭＰプロセスにより、酸化銅（ＣｕＯ）１０５が銅材料１０３の上部部分に形成されることがある。ＣＭＰプロセスは、さらに、例えば、ＣＭＰスラリからの炭素含有化合物などの残留物１０６を構造１００上に残すことがある。酸化銅１０５およびＣＭＰ残留物１０６は、銅材料１０３の導電性と、構造１００上に形成される後続の層の接着とに悪影響を及ぼすことがある。
【００１３】
図２は、酸化銅およびＣＭＰ残留物除去方法２００の１つの実施形態を示す流れ図である。図３Ａ〜３Ｂは、方法２００の様々な段階の間のデバイス構造１００の断面図を示す。方法２００は、酸化銅およびＣＭＰ残留物を除去するとともに、さらに、誘電体のｋ値の増加を最小限に抑え、Ｃｕヒロック効果を低減するのに使用することができる。
【００１４】
次に、図１、２、および３Ａを参照すると、構造１００は、方法２００のブロック２０１に示されるように水素（Ｈ２）アニーリングプロセスによって処置される。水素アニーリングプロセスは、構造１００を水素ガス（Ｈ２）に暴露するとともに、構造を紫外線（ＵＶ）放射で同時に加熱することによって実施することができる。構造１００は、他の外部源で追加的に加熱することができる。構造１００は、最初は、ＣＭＰ処理区域から水素アニーリングプロセス区域への移送時間に起因して水素アニーリングプロセスのための最適温度より下の温度であることがある。ＵＶ放射を適用して、基板を、水素ガスを酸化銅１０５と反応させるのに適切な温度まで迅速に加熱する。水素アニーリングプロセスは酸化銅１０５を除去するために最適化することができる。図３Ａは、方法２００のブロック２０１のプロセスに従って処理された後の構造１００を示す。
【００１５】
水素アニーリングプロセスは、カリフォルニア州、サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から市販されているＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＧＴ（商標）またはＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＳＥシステムに結合されたＵＶ処理チャンバ、例えば、ＮＡＮＯＣＵＲＥ（商標）チャンバなどの中で行うことができる。１つの実施形態では、構造１００は、処理チャンバの処理容積部に位置づけられる。そうすると、水素ガスが処理容積部に流れ込み、ＵＶ放射の光源が連結されて、構造１００をＵＶ放射および水素ガスに暴露することができる。
【００１６】
３００ｍｍ直径の基板では、水素アニーリングプロセスは、７．５Ｔｏｒｒなどの２Ｔｏｒｒと１０Ｔｏｒｒとの間のチャンバ圧力、３５０℃などの２００℃と４００℃との間の基板温度、１０００Ｗ／ｍ２と２０００Ｗ／ｍ２との間のＵＶ照射パワー、３６０ｎｍなどの２００ｎｍと４００ｎｍとの間のＵＶ波長、４０００ｓｃｃｍなどの１０００ｓｃｃｍと１０，０００ｓｃｃｍとの間の水素ガス流量、および１５秒などの１秒と６０秒との間のアニーリング処置時間で実施することができる。水素アニーリングプロセスのためのアニーリング処置時間は、基板が水素ガスおよびＵＶ放射で能動的に処置されている時間として定義される。水素アニーリングプロセスは、後続の処理のために構造１００を予熱することもできる。上述の水素アニーリングプロセスは酸化銅１０５を除去するが、層間誘電体１０２のｋ値を著しくは増加させない。
【００１７】
次に、図２および３Ｂを参照すると、構造１００は、方法２００のブロック２０２に示されるようにパルスアンモニア（ＮＨ３）プラズマで処置される。アンモニアプラズマは、高周波（ＲＦ）電力をアンモニアガスに結合させることによって生成することができる。ＲＦ電力は、アンモニアガスに誘導的にまたは容量的に結合させることができる。プラズマは、構造１００を処置するために能動的にパルス化する（例えば、繰り返して点火および消火する）ことができる。パルスアンモニアプラズマは、ＣＭＰ残留物１０６を除去するように最適化することができるが、方法２００のブロック２０１のプロセス中に除去されなかった酸化銅を除去することもできる。図３Ｂは、方法２００のブロック２０２に従って処理された後の構造１００を示す。
【００１８】
パルスアンモニアプラズマプロセスは、カリフォルニア州、サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から市販されているＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＧＴ（商標）またはＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＳＥシステムに結合されたプラズマ処理チャンバ、例えば、Ｐｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＢＬＯＫ（商標）ＰＥＣＶＤチャンバなどの中で実施することができる。１つの実施形態では、構造１００は、処理チャンバの処理容積部に位置づけることができる。そうすると、アンモニアガスは処理容積部に流れ込むことができ、ＲＦ電源をアンモニアガスに結合させて、パルスアンモニアプラズマを形成し、構造１００をパルスアンモニアプラズマに暴露することができる。
【００１９】
３００ｍｍ直径の基板では、パルスアンモニアプラズマプロセスは、２．６Ｔｏｒｒなどの２Ｔｏｒｒと４Ｔｏｒｒとの間のチャンバ圧力、３５０℃などの２００℃と４００℃との間の基板温度、５５０Ｗなどの３００Ｗと１０００Ｗとの間のＲＦ電力、１３．５６ＭＨｚなどの３００ｋＨｚと１５ＭＨｚとの間のＲＦ電力周波数、２５００ｓｃｃｍなどの１０００ｓｃｃｍと３０００ｓｃｃｍとの間のアンモニアガス流量、２００Ｈｚなどの１Ｈｚと５０ｋＨｚとの間のパルス周波数、２０秒などの１秒と４００秒との間のプラズマ処置時間、および２０％などの１％と１００％との間のデューティサイクルで実施することができる。１つの実施形態では、アンモニアガスは窒素（Ｎ２）キャリアガスと混合することができる。窒素ガスは、１５００ｓｃｃｍなどの１０００ｓｃｃｍと１０，０００ｓｃｃｍとの間の流量で供給することができる。パルス周波数は、アンモニアプラズマがパルス化される（例えば、点火および消火される）周波数として定義される。パルスアンモニアプロセスのプラズマ処置時間は、構造１００が処理される全時間として定義され、デューティサイクルは、アンモニアプラズマがプラズマ処置時間内で能動的にパルス化される全時間を定義する。４秒などの短い量のパルスアンモニアプラズマ時間は、層間誘電体１０２のｋ値の増加を最小限に抑えながらＣＭＰ残留物を効果的に除去することができることを本発明者等は見いだした。
【００２０】
図４Ａ〜４Ｃを参照すると、構造１００は２０％のデューティサイクルで２０秒の処置時間の間処置することができ、それは、アンモニアプラズマが２０秒の処置時間期間内に合計４秒間能動的にパルス化されることを意味する。１つの実施形態では、アンモニアプラズマは、１秒間パルス化し、４秒間遮断することができ、このパターンは、図４Ａのプロセススケジュール４００に示されるように、２０秒の全処置時間が達せられるまで繰り返すことができる。全能動パルス時間は、処置時間内で均等に分布することができる区分に均等に分割することができる。全能動パルス時間は、不均一な区分に分割する、かつ／または処置時間内で不均一に分布することができる。全時間は、プロセススケジュール４００に示された４つの区分などの２個と５００００個との間の複数の区分に分割することができる。別の実施形態では、アンモニアプラズマは、図４Ｂのプロセススケジュール４１０に示されるように、０．５秒の８回のパルス化を行うことができる。さらなる別の実施形態では、アンモニアプラズマは、図４Ｃのプロセススケジュール４２０に示されるように不均一に分布したパターンでパルス化することができる。本発明は、様々な処理回数、デューティサイクル、およびプロセススケジュールが可能であるので、上述の実施形態に限定されるべきでない。そのため、パルスアンモニアプラズマプロセスは、例えば、構造１００を形成するのに使用される他のプロセス、または他の後続のプロセスのタイミングに適応させるために、処理時間を延ばすかまたは短くするようにさらに調整することができる。
【００２１】
１つの実施形態では、方法２００のブロック２０２のプロセスは、方法２００のブロック２０１のプロセスの前に行われる。
【００２２】
１つの実施形態では、方法２００のブロック２０１および２０２のプロセスは、別個の処理チャンバで実施することができる。代替として、方法２００のブロック２０１および２０２のプロセスは、同じ処理チャンバで実施することができる。方法２００のブロック２０１および２０２のプロセスを行うことができる処理チャンバは、ＵＶ放射光源およびＲＦ電源の両方を含むことができる。例えば、チャンバは、アルミニウムで製作されたチャンバ本体と、チャンバ本体の１つの側面に形成された石英窓とを含むことができる。チャンバ本体および石英窓は処理容積部を画定し、基板支持体ペデスタルは、石英窓と向き合わせて処理容積部の内部に配置することができる。ＵＶランプが処理容積部の外側に配置され、ＵＶランプは石英窓および基板支持体ペデスタルに面することができる。ＲＦアンテナがチャンバ本体の外側周辺に巻きつけられ、ＲＦアンテナはＲＦ電源に結合することができる。巻きつけられるアンテナは、基板支持体ペデスタルと石英窓との間に位置づけることができる。ガスパネルがチャンバに結合され、ガスパネルは上述の方法２００のブロック２０１および２０２のプロセスで必要とされるガスなどの処理ガスを処理容積部に供給するように構成することができる。
【００２３】
図１および３Ａ〜３Ｂに戻って参照すると、酸化銅１０５およびＣＭＰ残留物１０６が構造１００から除去された後、構造１００上に追加の層または構造を形成するためにさらなる処理を行うことができる。例えば、カリフォルニア州、サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  Ｉｎｃ．から市販されているＢＬＯｋ（商標）などの銅拡散バリア層を構造１００上に形成することができる。
【００２４】
方法２００は、誘電体材料のｋ値の増加を最小限に抑えながら酸化銅およびＣＭＰ残留物を効果的に除去する。
【００２５】
前述は本発明の実施形態に関するが、本発明の基本範囲から逸脱することなく本発明の他のおよびさらなる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
2014514780.tif 000003
【図２】
2014514780.tif 000004
【図３】
2014514780.tif 000005
【図４】
2014514780.tif 000006
【国際調査報告】
2014514780.tif 000007
2014514780.tif 000008
2014514780.tif 000009