(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅酸化物を還元する方法であって、次の工程：
ａ）銅酸化物を含む基板をプラズマ加工チャンバ内に置く工程；
ｂ）水素及びヘリウムからなるプロセスガスをチャンバへ流す工程であって、前記プロセスガスが、５％あるいはそれよりも少ない水素を含み、前記銅酸化物のスパッタエッチングをもたらすものではない、前記工程；及び、
ｃ）前記銅酸化物のスパッタエッチングを排除するように、チャンバの圧力を、２０ミリトール〜１００ミリトールの間として、誘導結合を介して、プロセスガスのプラズマをチャンバ内に維持する工程、
を含む、前記方法。
【請求項２】
前記チャンバの圧力が、チャンバのガス排気のサーボ制御スロットルバルブによって維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プラズマが、１Ｗ〜１０００Ｗの間で動作する誘導コイルによって維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記誘導コイルが、１００ｋＨｚ〜６０ＭＨｚの間で動作する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記基板が、チャンバ内の基板支持体の上に置かれる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記基板支持体が、０Ｗ〜１００Ｗの間でバイアスされる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基板支持体が、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの間でバイアスされる、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記基板支持体が、基板の温度を制御する、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記プロセスガスが、１０ｓｃｃｍ〜１０００ｓｃｃｍの間で流される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
基板上の銅酸化物を還元するプラズマ加工チャンバであって：
ａ）エンクロージャ；
ｂ）チャンバ内に配置されている、基板支持体；
ｃ）プラズマをエンクロージャ内に供給する、誘導プラズマ発生器；
ｄ）エンクロージャに接続されているガス入口であって、前記銅酸化物のスパッタエッチングをもたらすものではなく、且つ、５％あるいはそれよりも少ない水素を含む、水素及びヘリウムからなるプロセスガスを供給する、前記ガス入口；
ｅ）前記銅酸化物のスパッタエッチングを排除するように、チャンバの圧力を、２０ミリトール〜１００ミリトールの間に維持するために、エンクロージャに接続されている、ガス排気；
ｆ）基板支持体に接続されている、電源；及び、
ｇ）前記銅酸化物のスパッタエッチングを排除し、前記還元を最大にするように、所定の操作パラメータを調節する手段、
を含む、前記プラズマ加工チャンバ。
【請求項１１】
さらに：
ｇ）ガス入口に接続されているガスボックスであって、プロセスガス供給に接続されている、前記ガスボックス、
を含む、請求項１０に記載のプラズマ加工チャンバ。
【請求項１２】
前記電源が、１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの間で０Ｗ〜１００Ｗの間のバイアスを基板支持体に供給する、請求項１０に記載のプラズマ加工チャンバ。
【請求項１３】
前記誘導プラズマ発生器が、１００ｋＨｚ〜１６ＭＨｚの間及び１Ｗ〜１０００Ｗの間で動作する誘導コイルに接続されたＲＦ電源を備えている、請求項１０に記載のプラズマ加工チャンバ。
【請求項１４】
前記ガス排気が、サーボ制御スロットルバルブ及び真空ポンプを備えている、請求項１０に記載のプラズマ加工チャンバ。
【請求項１５】
前記基板支持体が温度コントローラを備えている、請求項１０に記載のプラズマ加工チャンバ。
【請求項１６】
さらに、基板をコンディショニングして静電気を減少させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
所望の加工時間及び酸化銅の銅への還元の後、基板のコンディショニングの前に、基板支持部材に供給される電力が減少する、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
半導体製造において銅酸化物を還元する方法であって、次の工程：
銅酸化物を含む基板をプラズマ加工チャンバ内に置く工程；
水素及びヘリウムからなるプロセスガスをチャンバへ流す工程であって、前記プロセスガスが、５％あるいはそれよりも少ない水素を含み、前記銅酸化物のスパッタエッチングをもたらすものではない、前記工程；及び、
ｃ）前記銅酸化物のスパッタエッチングを排除するように、チャンバの圧力を、２０ミリトール〜１００ミリトールの間として、誘導結合を介して、プロセスガスのプラズマをチャンバ内に維持する工程、
を含み、室温において行われる前記方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、エッチングチャンバに関する。さらに具体的には、本発明は、エッチングチャンバを使用して、基板から銅酸化物をクリーニングする方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
集積回路（ＩＣ）の寸法がますます小さくなっているため、接続層の間の界面接触抵抗が、著しく重要となっている。特に重要な接触抵抗の問題には、基板が製造プロセスの間に空気に曝された場合に形成される、金属酸化物が含まれる。従来、多くの金属酸化物を除去するのに、スパッタエッチングがうまく利用されてきた。しかしながら、デバイスの寸法及び接続形態が縮小したことに伴い、小さな接続形態中に存在する金属酸化物、中でも銅酸化物を除去するのに、スパッタエッチングは適当ではなくなってきている。
【０００３】
完全なＩＣを製造するため、通常はいくつかの基板加工システムが使用され、各システムは、全製造プロセスのうちの特定の工程あるいは一連の工程を実施する。基板は、システム間を、周囲条件において移動する。周囲環境は、基板がシステム間を移動する間の基板の汚染を防ぐため、極めてクリーンに維持される。基板を、完全に封止されたカセット内で移動させて、基板の汚染をさらに防止する場合さえある。しかしながら、問題は、大気中の酸素が、基板の表面上に酸化物を形成し、銅の堆積物の場合には、基板の表面上に銅酸化物を形成することにある。表面の酸化物は、次いで堆積される金属膜との高い接触抵抗を有する界面を形成し、過剰な界面抵抗に起因してデバイスの性能を悪化させる。したがって、次いで堆積される層との極めて低い界面抵抗を確実なものとするため、予備加工クリーニング工程あるいは予備クリーニング工程において、基板を次の工程にかけるに先立って、表面酸化物を基板表面から除去する必要がある。
【０００４】
予備クリーニングチャンバは、望ましくない酸化物の層を除去することによって、基板の表面をクリーニングする。図１は、予備クリーニングチャンバの単純化した断面図である。一般に、予備クリーニングチャンバ１０は、チャンバエンクロージャ１４内において水晶ドームの１６の下に配置された、基板支持部材１２を有している。基板支持部材１２は、通常、水晶絶縁体プレート２２上の凹部２０内に配置された、中央台座プレート１８を備えている。中央台座プレート１８の上側表面は、通常、水晶絶縁体プレート２２の上側表面の上に延びている。通常約５ミル〜１５ミルの間であるギャップ２４が、基板２６の下側表面と水晶絶縁体プレート２２の上側表面との間に形成されている。加工の間、基板２６は、中央台座プレート１８の上に置かれ、位置決めピン３２によってその上に配置されている。基板２６の周囲部分は、水晶絶縁体プレート２２の上に延び、水晶絶縁体プレート２２の上端に張り出している。水晶絶縁体プレート２２の傾斜部２８は、この基板２６の張り出し部分の下に配置されており、下がった環状平坦面が、傾斜部２８の下がった外側の端部から延びている。絶縁体プレート２２及びドーム１６は、酸化アルミニウム及び窒化ケイ素等の他の誘電体材料を含んでいてもよく、また絶縁体プレート２２及びドーム１６は、通常、システムの運転者が日常の保守で定期的に交換する加工キットのパーツである。加工キットの使用寿命が長いことにより、システムの休止時間が、全加工時間のうちのわずかな割合となるのが望ましい。
【０００５】
予備クリーニングチャンバ１０内での基板２６のクリーニングプロセスは、一般に、基板２６をスパッタリングのターゲットとして使用する、スパッタエッチングプロセスを含む。一般に、アルゴン等のクリーニングガスをチャンバ１０を通して流し、チャンバ内で、約１５０Ｗ〜約４５０Ｗの範囲内で基板２６に印加されるバイアス電力により、プラズマを衝突させる。さらに、チャンバの外側に配置されたコイルを介して、ＲＦ電力をチャンバに印加する。約−１００Ｖ〜約−６００ＶのＤＣバイアス並びに約１００Ｗ〜約３００Ｗのバイアス電力により、基板２６に向かうイオンを加速する。スパッタリングの間の予備クリーニングチャンバ１０内の圧力は、通常、約０．４ミリトール〜約０．５ミリトールの間である。これらの条件下で、予備クリーニングチャンバ１０は、通常、約１５０オングストローム〜約４５０オングストロームの酸化された材料を、毎分約３００オングストローム〜毎分約６００オングストロームのエッチング速度で除去する。通常、約４００オングストロームまたはそれよりも薄い酸化された材料を、基板の表面から除去する。
【０００６】
エッチングによるクリーニングの主たる目的は、加工システムの加工チャンバの間を移動する間、あるいはある加工システムから他の加工システムへ移動する間に、基板が大気に曝された際に通常基板表面の上に形成される、酸化された材料を除去することにある。シリコン基板上に堆積された銅の膜の表面上に形成される銅酸化物のクリーニングの場合、上記のような予備クリーニングチャンバ１０内で基板を加工する。エッチングされた材料（例えば、銅酸化物）は、基板表面からスパッタリングにより除去され、加工キットの上に膜を形成する。膜が加工キット上に形成されると、その密度は変化することがあり、結果として膜上に応力を生ずる。この応力は、膜中の材料と加工キット表面の材料との膨張係数における相違とともに、加工キット表面からの膜の剥離あるいはフレーキング、並びに、加工されるべき基板の汚染をもたらし得る。このような粒子は、基板に著しい損傷を与え、かつ／あるいは、基板上に形成される欠陥の原因となる可能性があるため、特定数の基板のシステム中でのクリーニングが完了した後に、加工キットを交換するのが通常である。しかしながら、加工キットの交換は、時間がかかるものであり、システムの歩留りを低下させる。さらに、加工キットの表面上に膜が形成される以上、材料のフレークが基板の上に落下して、基板上に形成されたデバイスに損傷を与える危険性はある。
【０００７】
さらに、接点またはビアなど、接続形態の底面に酸化銅が形成されている箇所では、接続形態の底面からスパッタリングされた酸化銅の一部が、接続形態の側壁の上に堆積する。酸化銅由来の銅は、接続形態の側壁を形成する誘電体材料を通って拡散して、デバイスの性能を悪化させる可能性がある。また、次の層あるいはバリヤ層（例えばタンタル（Ｔａ）または窒化タンタル（ＴａＮ））を、酸化銅が堆積している接続形態内の表面の上に堆積した場合、次の層の膜品質は、接続形態の側壁上にスパッタリングされた酸化銅によって危険に曝され、あるいは悪化する。
したがって、金属酸化物、特に銅酸化物を基板表面から除去する装置及び方法であって、接続形態の底部から接続形態の側壁への銅酸化物のスパッタリングを防止するものに対する要求が存在する。
さらに、最終的に剥離して基板の欠陥をもたらす可能性のある、銅酸化物の加工キットへのスパッタリングを排除する必要がある。
【０００８】
（発明の開示）
本発明は、一般に、金属酸化物、特に銅酸化物及びアルミニウム酸化物を、基板表面から除去する装置及び方法を提供する。主として、本発明は、接続形態の底部から接続形態の側壁への銅酸化物のスパッタリングを排除し、それによって、銅原子が誘電体材料を通って拡散して、デバイスの性能を悪化させるのを防止する。本発明はまた、最終的に剥離して基板の欠陥をもたらす可能性のある、銅酸化物のチャンバ側壁へのスパッタリングを排除する。
基板表面から金属酸化物を還元する方法は、基板をプラズマ加工チャンバ内に置く工程、水素を含むプロセスガスをチャンバへ流す工程、及び誘導結合を介して、プロセスガスのプラズマをチャンバ内に維持する工程を含む。好ましくは、プロセスガスは、約５％あるいはそれよりも少ない、不活性ガス（例えば、ヘリウムまたは窒素）と予め混合された水素を含む。この方法は、好ましくは、デュアル周波数エッチングチャンバであって、プロセスガス流量、ＲＦ電力及び排気ポンプ速度について調整がなされ、酸化銅のスパッタリングを排除して、還元反応を最大化するものを用いて実施される。
【０００９】
（発明を実施するための最良の形態）
上記本発明の特徴、利益及び目的が達成される方法について詳細に理解することが可能なように、上に簡潔に要約した本発明について、添付した図面に説明されている形態を参照して、さらに詳細に説明する。
ただし、添付した図面は、本発明の典型的な形態を説明したものに過ぎず、したがって、本発明の範囲を制限するものと考えられるべきものではなく、本発明は、等価で有効な形態をも含むものであることに留意すべきである。
【００１０】
図２は、本発明によるエッチング／予備クリーニングチャンバ４０の断面図である。エッチング／予備クリーニングチャンバ４０は、好ましくは、カリフォ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Pre-Clean IIチャンバなどの、デュアル周波数エッチングチャンバである。一般に、エッチング／予備クリーニングチャンバ４０は、エンクロージャ７２、チャンバ内に配置されている基板支持体４２、エンクロージャに接続されているガス入口７６、エンクロージャに接続されているガス排気７８、誘導コイル９８に接続されている、エンクロージャ内にプラズマを発生させるためのＲＦ電源７４、及び基板支持部材４２に接続されている電源８０を備えている。
【００１１】
エンクロージャ７２は、側壁８２、底部８４及び頂部８６を含む。水晶ドーム８８が、頂部８６の下であって、加工領域９０の上に配置されている。水晶ドーム８８は、通常、特定数の基板がチャンバ内で加工された後に交換される、交換可能な加工キットのパーツである。誘導コイル９８は、水晶ドーム８８の周囲に配置され、ＲＦ電源７４に接続されており、加工領域９０内でプラズマを誘導結合する。
ガス入口７６は、プロセスガス供給９２に接続されており、加工の間プロセスガスをチャンバ４０へ導入する。ガス排気７８は、好ましくは、サーボ制御スロットルバルブ９４及び真空ポンプ９６を備えている。真空ポンプ９６は、加工に先立ってチャンバ４０を排気する。加工の間、真空ポンプ９６及びサーボ制御スロットルバルブ９４は、チャンバ４０内を所望の圧力に維持する。
【００１２】
基板支持体４２は、一般に、水晶絶縁体プレート４８の上側表面の上の凹部４６内に配置された、台座プレート４４を備えている。台座プレート４４の上側表面５０は、水晶絶縁体プレート４８の上方環状表面５２よりもわずかに高く延び、基板５４の底面または背面５８の中央部分に接している。好ましくは、台座プレート４４は、チタンを含み、加工に必要なバイアスを供給するために電源８０に接続されている。基板５４の周囲部分は、水晶絶縁体プレート４８の上方環状表面５２の上に延びており、基板５４の底面５８と水晶絶縁体プレート４８の上方環状表面５２との間に、ギャップ５６を形成している。プラズマが基板の背面に到達するのを防止するため、ギャップ５６の高さが約５ミル〜約１５ミルの間であるのが好ましい。水晶絶縁体プレート４８の上方環状表面５２の外側の端部は、少なくとも基板５４の外側の端部の直径と同等の大きさの直径を有し、基板５４の背面５８は実質的に覆われている。
【００１３】
水晶絶縁体プレート４８の傾斜部６０は、上方環状表面５２の外側の端部から下向きの傾斜で延びている。好ましくは、傾斜部の傾斜は、水平面から約１０度〜約６０度の間である。図２に示されているように、傾斜は約４５度である。所望により、基板支持部材４２は、加工の間基板の温度を制御するための、温度コントローラあるいはヒータ（図示せず）を含んでいてもよい。
【００１４】
操作においては、基板５４を基板支持部材４２の上に置き、チャンバ４０を排気して、真空加工環境を用意する。水素（Ｈ2）を含むプロセスガスを、ガス入口７６を通して加工領域９０に導入する。プロセスガスは、０％〜１００％の間の水素を含んでいてよい。好ましくは、プロセスガスは、約５％あるいはそれよりも少ない、酸化銅または銅のスパッタエッチングをもたらさない不活性キャリヤガスと予め混合された水素を含む。この水素濃度は、安全性との関連で選択する。不活性キャリヤガスの例には、ヘリウム及び窒素が含まれる。プロセスガスが５％を超える水素を含む場合、ガスがチャンバへ導入されるまで異なるガスを分離しておく、チャンバに取り付けられたガスボックス（図示せず）を通して、プロセスガスを導入するのが好ましい。あるいは、プロセスガス供給として、瓶詰めのガス（図示せず）を使用することもできる。プロセスガスをチャンバへ、約１０ｓｃｃｍ〜約１０００ｓｃｃｍの間で流すのが好ましく、さらに好ましくは約１００ｓｃｃｍで流す。
【００１５】
反応を活性化するため、誘導結合及び／または容量結合を介して、プロセスガスのプラズマを加工領域内に発生させる。初期プラズマを、好ましくは、約１Ｗ〜約１００Ｗの間及び約１００ｋＨｚ〜約１００ＭＨｚの間で約３分間、基板支持部材４２をバイアスすることによって発生させる。あるいは、誘導コイル９８に電力を印加することによって、初期プラズマを発生させる。還元反応の期間中、約１００ｋＨｚ〜約６０ＭＨｚの間で約１Ｗ〜約１０００Ｗの間で誘導コイル９８をバイアスして、誘導的にプラズマを加工領域に維持する一方、約０Ｗ〜約１００Ｗの間で基板支持部材４２をバイアスして、容量的にプラズマを維持する。あるいは、還元反応の期間中、誘導コイル９８のみによって、加工領域中のプラズマを維持する。誘導結合のみ、容量結合のみ、あるいは誘導結合と容量結合の両方の組合せによって、加工の間、プラズマを加工領域内に発生させ、維持することができると考えられる。
【００１６】
サーボ制御スロットルバルブ９４を、部分的に閉じた状態に設定することによって、チャンバの圧力を、当初所望の加工圧力とする。加工の間、サーボ制御スロットルバルブ９４の開閉状態を制御することによって、チャンバの圧力を好ましくは約２０ミリトール〜約１００ミリトールの間に維持する。多数の操作パラメータを調節して、プラズマ中のイオンによる銅酸化物のスパッタリングを排除し、還元反応を最大化する。このような操作パラメータには、誘導コイル及び基板支持体に供給する電力、プロセスガスの水素濃度及び流速、加工領域内の圧力、及び得られるプラズマの密度が含まれる。所望により、基板支持体４２の内部のヒータによって、基板５４の温度を加工の間制御して、特定の金属酸化物の還元反応を強化し、あるいは活性化する。ただし、酸化銅の還元反応の場合、基板を特定の温度に過熱する必要はない。
【００１７】
還元反応プロセスの間、プラズマ中の水素イオンは酸化銅と反応して、式（１）のように金属銅及び水蒸気を生成する。
Ｃｕ2Ｏ＋Ｈ2  →  ２Ｃｕ＋Ｈ2Ｏ（蒸気）          式（１）
化学反応によって酸化銅が還元され、それまで酸化銅が占有していた場所に金属銅が残る。かくして、加工の間、酸化銅のスパッタリングは発生せず、また望ましくない酸化銅が接続形態内に残ることもない。
好ましくは、所望の加工時間及び酸化銅の銅への還元の後、誘導コイル９８への電力を継続して、基板支持部材４２に印加される電力を、約１Ｗまで低下させる。この工程により、還元反応期間が終了する際の微粒子の発生が減少する。次いで、サーボ制御スロットルバルブ９４を全開にし、誘導コイル９８及び基板支持部材４２に供給される電力を停止する。次に、基板５４の上のプロセスガス流量を増加させ、最終基板表面コンディショニング工程を実施して、加工の間に蓄積した可能性のある全ての静電気を減少させる。最終コンディショニング工程の後、チャンバ内に供給されるプロセスガスを閉め、チャンバに残存するプロセスガスを排気する。次に、基板５４を、エッチング／予備クリーニングチャンバ４０の外へ、他の加工チャンバ内で実施される他の加工のために移動させる。
【００１８】
本発明は、接続形態の側壁への銅酸化物のスパッタリングを伴うことなく、銅酸化物を高アスペクト比の接続形態から除去するという利益を提供する。本発明はまた、準大気圧環境で動作する多数の既存の半導体加工システムに導入可能な、デュアル周波数エッチングチャンバを使用するという利益を提供する。このデュアル周波数エッチングチャンバは、容量結合及び誘導結合の両方を利用して、加工の間プラズマを発生させ、かつ／あるいは維持し、また、容量結合よりもむしろ誘導結合によってプラズマが維持されるため、例えば大気圧グロー放電加工チャンバに較べて、形成される基板及びデバイスに損傷を与えにくい、加工チャンバを提供する。本発明はさらに、室温で、あるいは、基板支持体内に導入された温度コントローラによって提供された特定の温度で、還元反応プロセスを行うという利益を提供する。本発明はさらに、正確な準大気圧環境を維持するための、サーボ制御されたスロットルバルブを提供する。
上記の記載は本発明の好ましい形態に係るものであるが、本発明の他の形態及びさらなる形態を、本発明の基本的な範囲を逸脱することなく案出することは可能である。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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  予備クリーニングチャンバの単純化した断面図である。
【図２】  本発明によるエッチング／予備クリーニングチャンバの断面図である。
【符号の説明】
４０  エッチング／予備クリーニングチャンバ
４２  基板支持体
５４  基板
７２  エンクロージャ
７４  ＲＦ電源
７６  ガス入口
７８  ガス排気
８０  電源
９２  プロセスガス供給
９４  サーボ制御スロットルバルブ
９６  真空ポンプ
９８  誘導コイル
【図１】
0004716566.tif 000002
【図２】
0004716566.tif 000003