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JP2006165023A - 電子デバイスの製造方法 - Google Patents

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JP2006165023A JP2004349678A JP2004349678A JP2006165023A JP 2006165023 A JP2006165023 A JP 2006165023A JP 2004349678 A JP2004349678 A JP 2004349678A JP 2004349678 A JP2004349678 A JP 2004349678A JP 2006165023 A JP2006165023 A JP 2006165023A
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Masayuki Watanabe
雅之 渡辺
Yukihisa Wada
幸久 和田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】 電子デバイスの製造工程において、TiN膜103等のチタンを含む金属膜に対してフッ素系ガスによってエッチング等の加工をした際に発生する、金属フッ化物からなる析出異物106を除去する。
【解決手段】 電子デバイスの製造方法は、半導体基板100上に形成されたTiN膜103等のTiを含む金属膜に対し、フッ素を含むガスを用いてドライエッチングを行なう工程を含む。これと共に、ドライエッチングを行なう工程よりも後に、半導体基板100に対し、フッ素イオンを含む薬液による処理と、フッ素を含むガスを用いたプラズマ処理及び洗浄処理と、不活性ガスによって希釈された気相HFによる処理及び洗浄処理とのうち、いずれか一つを行なう工程を含む。
【選択図】 図4

Description

本発明は、半導体装置等の電子デバイスの製造方法に関し、特に、フッ化チタンを含む析出異物を除去することにより、電子デバイス製造の歩留りを向上する方法に関する。
近年、DRAM(Dynamic Random Access Memory)を混載した半導体集積回路等において、半導体装置の特性を向上するため、キャパシタ絶縁膜としてTa2 5 、上部電極としてTiNが用いられている。以下に、図面を参照しながら、半導体装置における従来のキャパシタの製造方法を説明する。
図10(a)〜(d)及び図11(a)〜(c)は、従来のキャパシタの製造工程を示すフロー図である。
まず、図10(a)に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板10上に、第1の層間絶縁膜11としてシリコン酸化膜を形成する。次に、第1の層間絶縁膜11上に、CVD(Chemical Vapor Deposition )法を用いて、キャパシタ絶縁膜としてTa2 5 膜12を形成する。更に、Ta2 5 膜12上に、CVD法又はPVD(Physical Vapor Deposition)法により、上部電極となるTiN膜13を形成する。
続いて、図10(b)に示すように、TiN膜13上に、公知のリソグラフィ技術を用いて開口部14aを有するレジストパターン14を形成する。
続いて、図10(c)に示すように、公知のドライエッチング技術により、TiN膜13およびTa2 5 膜12に対してレジストパターン14をマスクとするエッチングを行なう。例えば、RIE(Reactive Ion Etching)法により、流量20ml/min(標準状態)のCF4 をエッチングガスとして圧力1.5Pa、高周波電力600Wの条件においてエッチングを行なう。この後、例えばO2 ガスを用いた200℃のアッシングにより、マスクとして使用したレジストパターン14を除去する。
これにより、TiN膜13及びTa2 5 膜12に対し、第1の層間絶縁膜11を露出させる開口部20が形成される。この際、開口部20には、有機物残渣15が残されている。また、詳しくは後に述べるが、析出異物16が開口部20内部等に析出することがある。
続いて、図10(d)に示すように、残存しているレジストパターン14の残渣(図示せず)及び開口部20内部に存在する有機物残渣15を、洗浄によって除去する。これには、例えば、アミンを含むポリマー洗浄液を用いて、温度70℃における5分間の洗浄を行なう。
ここで、アミンを含むポリマー洗浄液とは、金属膜を含む半導体基板の洗浄に用いられ、主にアミン、キレート剤及びpH調整剤等を含むポリマー洗浄液のことである。半導体基板の洗浄に用いる洗浄液としては、APM(Ammonium Hydrogen Peroxide Mixture、組成:NH4 OH/H2 2 )が良く知られているが、ここで言うアミンを含むポリマー洗浄液にAPMは含まれない。また、SPM(Sulfuric Acid-Hydrogen Peroxide Mixture、組成:H2 SO4 /H2 2 )は、薬液に含まれるH2 2 が金属膜を酸化させ溶解させてしまうので、この工程で用いることは出来ない。
尚、この過程においては、析出異物16は除去されない。
続いて、図11(a)に示すように、TiN膜13上に、CVD法により第2の層間絶縁膜17としてシリコン酸化膜を形成する。第2の層間絶縁膜17は、開口部20を充填する。また、析出異物16は、第2の層間絶縁膜17に埋め込まれることになる。
続いて、図11(b)に示すように、開口部20を充填した第2の層間絶縁膜17に対し、ドライエッチング法等により、半導体基板10に達するコンタクト孔17aを形成する。
この際、コンタクト孔17aは、TiN膜13及びTa2 5 膜12に接するのを避けて形成される。しかし、析出異物16が存在すると、析出異物16はコンタクト孔17aに対して露出する場合がある。
続いて、図11(c)に示すように、CVD法によってタングステンを堆積する等により、コンタクト孔17aを充填するコンタクトプラグ18を形成する。析出異物16がコンタクト孔17a内部に露出していた場合、析出異物16はコンタクトプラグ18と接触することになる。
以上のようにして、従来のキャパシタが形成される。
ここで、図10(c)に示すTiN膜13及びTa2 5 膜12等のような高融点金属含有膜のドライエッチングには、ハロゲン系ガスを使用する。この際、特にフッ素系のガスを使用し、処理後に放置した場合、残留するフッ素と金属とが反応し、金属フッ化物からなる析出異物16が発生することが知られている。
ここで、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のフッ化物については、半導体基板表面に対し、酸素プラズマ処理を行なう又は酸化剤溶液による酸化処理を行なうことによって除去する方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。そのため、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のフッ化物からなる析出異物が発生している場合には、図11(c)とは異なり、析出異物16の残存していないキャパシタを形成することができる。
特開平6−151383号公報
しかしながら、DRAMを混載した半導体集積回路等において装置の特性向上のため手段の一つとして、前述のように、キャパシタ絶縁膜としてはTa2 5 膜、上部電極としてはTiN膜が用いられている。この場合、図10(c)に示すようにフッ素系ガスを用いたドライエッチングによってTiN膜13及びTa2 5 膜12に開口部20を形成すると、フッ化チタン系の析出異物16が発生する。析出異物16は、TiN膜13中のチタンと、半導体基板上に残留したフッ素が反応して生成し、TiFX (Xは1以上で且つ3以下であり、本明細書中におけるTiFX との表記について、特に記さなくても同じであるものとする)の組成を有する。
このような、チタン系の析出異物16は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属のフッ化物からなる析出異物とは異なり、従来技術のように半導体基板表面に対する酸素プラズマ処理又は酸化剤溶液による処理によっては除去することが出来ない。更に、図10(d)に示す、通常のポリマー洗浄液を用いた半導体基板の洗浄においても、この析出異物16を除去することはできない。
従って、図11(c)に示すように、形成されたキャパシタ中に析出異物16が残存する。この結果、第2の層間絶縁膜17に形成したコンタクト孔17aにタングステンを埋め込んでコンタクトプラグ18を形成したときに、上部電極であるTiN膜13と、コンタクトプラグ18とがフッ化チタン系の析出異物16を介してショートするという課題が発生する。
以上の課題に鑑み、本発明の目的は、電子デバイス、例えば半導体装置製造のキャパシタ製造工程等において発生する金属フッ化物を成分とする析出異物を除去することにより、電気素子の不良低減が実現可能な電子デバイスの製造方法を提供することである。
前記の目的を達成するため、本発明にかかる第1の電子デバイスの製造方法は、基板上に形成され且つTiを含む金属膜に対し、フッ素を含むガスを用いてドライエッチングを行なう工程と、ドライエッチングを行なう工程よりも後に、基板に対してフッ素イオンを含む薬液による処理を行なう工程とを備える。
Tiを含む金属膜に対し、パターン形成等のためにフッ素を含むガスを用いたドライエッチングを行なうと析出異物が析出するが、第1の電子デバイスの製造方法によると、該析出異物を除去することができる。析出異物はTiFX (Xは1〜3)からなっており、フッ素イオンを含む薬液による基板の処理によって薬液に溶解され、基板上から除去される。析出異物は、その表面等にはTiOである部分も有しているが、これについても同様に溶解し除去することができる。
尚、薬液は、0.1質量%以上のフッ酸を含む水溶液であることが好ましい。
このようにすると、析出異物は薬液によって確実に溶解され、基板上から除去される。
また、薬液による処理を行なう工程は、基板の表面における電子密度を低下させる処理を含むことが好ましい。
このようにすると、基板処理の電子密度が低下されていることから、薬液中のフッ素イオンが析出異物に対して吸着しやすい。つまり、フッ素イオンはF- と表されるように負電荷を有しているから、基板の表面において負電荷である電子の密度が低下していると、基板の表面に対するフッ素イオンの吸着が起こりやすい。この結果、析出異物が薬液に溶解する反応の速度が大きくなり、析出異物は基板上から短時間で除去される。
また、薬液の水素イオン濃度がpH1以下であることによって、薬液による処理を行なう工程において基板の表面における電子密度を低下させることが好ましい。
このようにすると、薬液の水素イオン濃度がpH1以下であることから、該薬液を用いて基板の処理を行なう際には基板の表面の電子密度を確実に低下させることができる。このため、薬液が含んでいるフッ素イオンは析出異物の表面に容易に吸着され、析出異物は薬液中に容易に溶解される。
また、薬液が塩酸を含むことによって、薬液による処理を行なう工程において基板の表面における電子密度を低下させることが好ましい。
このようにすると、薬液に含まれる塩酸が水素イオンを供給するため、基板の表面の電子密度を確実に低下させることができる。この結果、析出異物の薬液に対する溶解速度が高くなる。
また、薬液は、塩酸を含むことによって水素イオン濃度がpH1以下となっていることが好ましい。
このようにすると、薬液を、確実にpH1以下の水素イオン濃度を有し且つフッ素イオンを含む薬液とすることができる。このため、析出異物の溶解速度を高めることが確実にできる。
また、ドライエッチングを行なう工程の後で且つ薬液による処理を行なう工程の前に、基板の表面における電子密度を低下させる処理を行なう工程を更に備えることが好ましい。
このようすると、負電荷を有する電子の密度が基板表面において低下していることから、薬液による処理を行なう際に、負電荷を有するフッ素イオンの基板表面に対する吸着が起こりやすくなる。このため、析出異物は短時間で溶解され、基板上から除去される。
フッ素イオンを含む薬液は、析出異物を溶解するだけではなく基板等に対してもダメージを与える等の影響を及ぼす場合があるため、フッ素イオンを含む薬液による処理は短時間で終了する方が良い。
基板表面における電子密度を低下させる処理を行なうと、薬液による処理に必要な時間を短縮することができる。
また、基板の表面に対して塩酸による処理を行なうことによって、基板の表面における電子密度を低下させることが好ましい。
このようにすると、まず、塩酸による処理によって析出異物の表面に水素イオンが吸着される。この状態において、続いてフッ素イオンを含む薬液による処理を行なうと、水素イオンが吸着していることによってフッ素イオンが速やかに析出異物の表面に吸着される。
また、基板の表面における電子密度を低下させる処理として、基板に電圧を印加することが好ましい。
このようにすると、電圧の印加によって基板の表面における電子密度を低下させることができる。このため、薬液による処理を行なう際にフッ素イオンは速やかに析出異物の表面に吸着され、析出異物が短時間で溶解されて基板上から除去される。
前記の目的を達成するため、本発明に係る第2の電子デバイスの製造方法は、基板上に形成されたTiを含む金属膜に対し、フッ素を含む第1のガスを用いてドライエッチングを行なう工程と、ドライエッチングを行なう工程よりも後に、基板に対してフッ素を含む第2のガスを用いたプラズマ処理を行なう工程と、プラズマ処理を行なう工程よりも後に、基板の表面に対して水又は水溶液による処理を行なう工程とを備える。
第2の電子デバイスの製造方法によると、Tiを含む金属膜に対してフッ素を含む第1のガスを用いたドライエッチングを行なう際に析出するTiFX からなる析出異物は、フッ素を含む第2のガスを用いたプラズマ処理により、TiF5 又はTiF6 となる。TiFX が水等に対して不溶であるのに対し、TiF5 及びTiF6 は水溶性であるから、第2のガスを用いたプラズマ処理の後に、基板表面に対して水又は水溶液による処理を行なうことにより、析出異物を除去することができる。
尚、フッ素を含む第2のガスは、NF3 を含むガスであることが好ましい。
このようにすると、析出異物を構成するTiFX を確実にTiF5 又はTiF6 にすることができるため、その後に水又は水溶液による処理を行なうことによって確実に析出異物を除去することができる。
前記の目的を達成するため、本発明に係る第3の電子デバイスの製造方法は、基板上に形成されたTiを含む金属膜に対し、フッ素を含むガスを用いてドライエッチングを行なう工程と、ドライエッチングを行なう工程よりも後に、基板に対し、不活性ガスによって希釈された気相HFによる処理を行なう工程と、気相HFによる処理を行なう工程よりも後に、基板の表面に対して水又は水溶液による処理を行なう工程とを備える。
第3の電子デバイスの製造方法によると、Tiを含む金属膜に対してフッ素を含む第1のガスを用いたドライエッチングを行なう際に析出するTiFX からなる析出異物は、不活性ガスによって希釈された気相HFによる処理を行なうことにより、TiF5 又はTiF6 となる。TiFX が水等に対して不溶であるのに対し、TiF5 及びTiF6 は水溶性であるから、水又は水溶液による基板表面の処理によって除去することができる。
尚、不活性ガスによって希釈された気相HFは、0.1質量%以上で且つ4.0質量%以下のHF濃度を有することが好ましい。
このようにすると、基板上にTiN膜が形成されている場合の該膜に対するダメージ等を抑制すると共に、析出異物の除去を確実に行なうことができる。
本発明に係る電子デバイスの製造方法によると、フッ素イオンを含む薬液による処理、フッ素を含むガスによるプラズマ処理又は不活性ガスにより希釈された気相HFによる処理等を含む工程により、基板上に析出していたTiFX を含む析出異物を除去することができる。このため、電子デバイスの製造工程において、Tiを含む金属膜を形成し且つフッ素系ガスを用いたドライエッチングによるパターン形成等を行なう場合にも、析出異物によるショート等の欠陥が発生するのを防ぎ、半導体素子等の電子素子の不良を低減することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)〜(d)及び図2(a)〜(d)は、本発明の第1の実施形態に係る電子デバイスの製造方法を説明するための工程図である。ここでは、半導体装置を製造する。
まず、図1(a)に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板100上に、第1の層間絶縁膜101としてシリコン酸化膜を形成する。次に、第1の層間絶縁膜101上に、例えばCVD法等を用いて、キャパシタ絶縁膜としてTa2 5 膜102を形成する。更に、Ta2 5 膜102上に、CVD法又はPVD法等により、上部電極となるTiN膜103を形成する。
続いて、図1(b)に示すように、TiN膜103上に、公知のリソグラフィ技術等を用いて、開口部104aを有するレジストパターン104を形成する。
続いて、図1(c)に示すように、公知のドライエッチング技術等により、TiN膜103およびTa2 5 膜102に対してレジストパターン104をマスクとするエッチングを行なう。具体的には、例えば、RIE法により、流量20ml/min(標準状態)のCF4 をエッチングガスとして圧力1.5Pa、高周波電力600Wの条件においてエッチングを行なう。この後、例えばO2 ガスを用いた200℃のアッシングにより、マスクとして使用したレジストパターン104を除去する。
これにより、TiN膜103及びTa2 5 膜102に対し、第1の層間絶縁膜101を露出させる開口部120が形成される。この際、開口部120には、有機物残渣105が残されている。
また、CF4 のようにフッ素(F)を含むエッチングガスを用いたエッチングを行なった場合、エッチングガスに含まれるFが残留してTiN膜103に含まれるTiと反応し、TiFX (Xは1以上で且つ3以下)を含む析出異物106となって析出する。このような析出異物106は、前記のようなアッシングによっても除去されない。
続いて、図1(d)に示すように、残存しているレジストパターン104の残渣(図示せず)及び開口部120内部に存在する有機物残渣105を、洗浄によって除去する。これには、例えば、バッチ式スプレイ洗浄により、アミンを含むポリマー洗浄液を用いて、温度70℃、洗浄液流量10l/minにおける5分間の洗浄を行なう。又は、これに代えて、枚葉式洗浄装置により、例えばアミンを含むポリマー洗浄液を温度70℃、回転数1000rpm、薬液流量1l/minにおける30秒間の洗浄を行ってもよい。その他、洗浄の方法については特に限定するものではない。
尚、析出異物106は、この過程においても除去されずに残留する。
続いて、図2(a)に示すように、析出異物106を除去する。本実施形態においては、例えばHFを0.1質量%以上含む薬液を用いる処理によって行なう。これについては、後に詳しく説明する。
続いて、図2(b)に示すように、TiN膜103上に、CVD法により第2の層間絶縁膜107としてシリコン酸化膜を形成する。第2の層間絶縁膜107は、開口部120を充填するように形成される。
続いて、図2(c)に示すように、開口部120を充填した第2の層間絶縁膜107に対し、ドライエッチング法等により、半導体基板100に達するコンタクト孔107aを形成する。この際、コンタクト孔107aは、TiN膜103及びTa2 5 膜102に接するのを避けて形成される。
続いて、図2(d)に示すように、CVD法によってタングステンを堆積する等により、コンタクト孔107aを充填するコンタクトプラグ108を形成する。
以上のようにして、半導体装置が製造される。析出異物106は除去されているから、析出異物106によって上部電極としてのTiN膜103とコンタクトプラグ108とがショートするという課題は解消されている。
次に、図2(a)に示した析出異物106を除去する工程について説明する。
図3(a)〜(c)は、析出異物106を除去する工程を説明する図であり、バッチ式ワンバス洗浄装置を用いる場合を示している。
図3(a)〜(c)に示すように、洗浄装置は、洗浄槽201に薬液202が入れられ、また、半導体基板203を洗浄槽201内に設けられた基板支持具204により載置できるようになっている。また、洗浄槽201の下部に、少なくとも1つずつ(図の装置においては2つずつ)の薬液供給ノズル205及び純水供給ノズル206を備えている。
尚、半導体基板203は、例えば図1(d)の工程までを終え、析出異物106が析出している半導体基板である。
以上のような洗浄装置による析出異物106を除去する処理として、まず、図3(a)に示すように、半導体基板203を載置した洗浄槽201に薬液供給ノズル205からHFを0.1質量%以上含む薬液202を供給する。更に具体的には、薬液202として、HF:H2 O=1:500のDHF(希フッ酸)を供給する。この際、DHFは矢印に示したような流れとなる。
続いて、図3(b)に示すように、半導体基板203を例えば30秒間、DHF中に浸漬する。これによって、析出異物106はDHFに溶解し、除去される。
続いて、図3(c)に示すように、洗浄槽201の下部に設けられた純水供給ノズル206により純水202aを供給する。この際、洗浄槽201の容積以上の純水を供給することにより、洗浄槽201中に入っていたDHFを洗浄槽201上方から排出する。
以上によって、半導体基板上に析出していた析出異物106は除去される。以下には、これが可能である理由、つまり、フッ素イオンを含む薬液を用いる処理によって析出異物106が除去できる理由について説明する。
図4(a)〜(c)は、半導体基板100上に析出している析出異物106と、該析出異物106を除去する際の過程を模式的に示す図である。
図4(a)に示すように、析出異物106は、第1の層間絶縁膜101、Ta2 5 膜102の側面及びTiN層103に跨って析出し、TiO表層106aによってTiFX 部分106bが覆われた構成となっている。
このため、まず図4(b)に示すようにTiO表層106aを溶解して除去した後に、図4(c)に示すようにTiFX 部分106bを除去しなければならない。
ここで、チタンとフッ素イオンの溶液中における反応は、次の式に示す通りである。
Figure 2006165023
このため、水には溶けにくい固体であるTiFX (Xは1〜3)は、更にF- を供給してTiF6 2- とすることによって溶解し、除去することができると考えられる。また、この反応における酸化還元電位は−1.191Vであり、フッ酸の酸化還元電位は約0.7〜1.0V程度である。このため、フッ酸で洗浄すると反応は酸化側に進行し、TiF6 2-となって溶解される。
また、TiOについても、同様にF- を供給することによってTiF6 2- として溶解し、除去することができる。
前記の式及び酸化還元電位から、TiFX 及びTiOはHFが存在することにより、TiF6 2- となって溶解し除去できることが分かる。しかし、溶液のHF濃度と析出異物のエッチングレートとの関係は、図5に示すようになっている。つまり、HF濃度が0.1質量%よりも低い場合には析出異物106のエッチングレートは非常に低く、HF濃度が0.1質量%以上となる付近でエッチングレートが急激に上昇する。
このことは、TiO表層106aの溶解が析出異物106のエッチングレートを律速していることを示すと考えられる。つまり、TiFX 部分106bに比べて溶解され難いTiO表層106aが先に溶解して除去されなければならず、TiO表層106aが除去された後には、TiFX 部分106bは速やかに除去されるものと考えられる。また、析出異物106の除去には、HF濃度が0.1質量%以上である薬液を用いて処理を行なうのが良いことが分かる。
尚、析出異物106の除去に用いる薬液について、HF濃度の上限に関しては、次のように考える。
析出異物106を除去するために半導体基板をDHFによって処理すると、析出異物106だけではなく、第1の層間絶縁膜101も溶解される。ここで、製造する半導体素子の構造及び特性等により、第1の層間絶縁膜101が許容できるエッチング量(析出異物106を除去する工程においてエッチングされても半導体装置の性能等に重大な影響を及ぼさない量)は異なる。このため、半導体素子の加工精度に余裕がある場合にはHF濃度を上げることは可能であるし、余裕が無い場合にはHF濃度を下げなければならず、HF濃度0.1質量%又はそれに近い低い濃度の薬液を用いて処理しなければならない。このように、HF濃度の上限は、条件に応じて個々に決定しなければならない。
以上のようにして、本実施形態の電子デバイスの製造方法によると、DHF等のフッ素を含む薬液による処理を行なうため、析出異物106を除去することができる。このため、析出異物によるショート等の欠陥が発生するのを防ぎ、半導体素子の不良を低減することができる。
また、TiN膜103と析出異物106とのエッチングの選択比は、例えばHF濃度が0.1質量%の際には約4000となっている。このため、析出異物106を除去するための処理は、TiN膜103に対するエッチングをほぼ回避しながら行なうことができる。
また、本実施形態においては、析出異物106の除去にはバッチ式ワンバス洗浄装置を用いているが、枚葉式の洗浄装置等、他の種類の洗浄装置を用いることも可能である。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)〜(d)及び図2(a)〜(d)は、本発明の第2の実施形態に係る電子デバイスの製造方法を説明するための工程図でもある。ここで、本実施形態と第1の実施形態の相違は、図2(a)に相当する析出異物106を除去する工程である。このため、該工程について詳しく説明し、第1の実施形態と同様であるその他の工程については説明を省略することにする。
本実施形態においても、析出異物106を除去する工程には、図3(a)〜(c)に示したバッチ式ワンバス洗浄装置及び処理方法を用いることができ、第1の実施形態とは、使用する薬液が異なる。つまり、第1の実施形態の場合の薬液と同様に0.1質量%以上のHFを含むことに加え、水素イオン濃度の高い薬液、特にpHが1以下である薬液を用いる。具体例としては、HFが0.1質量%、塩酸が0.9質量%含まれる薬液が使用できる。以下に、本実施形態における析出異物106の除去工程を説明する。
まず、図3(a)に示すように、洗浄槽201中の基板支持具204に半導体基板203を載置する。更に、前記具体例のHFが0.1質量%、塩酸が0.9質量%含まれる薬液202を薬液供給ノズル205を用いて洗浄槽201中に供給する。
続いて、図3(b)に示すように、半導体基板203を薬液202に30秒間浸漬する。
続いて、図3(c)に示すように、洗浄槽201の下部に設けられた純水供給ノズル206により純水202aを供給する。この際、洗浄槽201の容積以上の純水を供給することにより、洗浄槽201中に入っていたDHFを洗浄槽201上方から排出する。
以上によって、半導体基板上に析出していた析出異物106は除去される。以下には、pHが1以下である薬液を用いることの効果を説明する。
第1の実施形態において説明したように、析出異物106であるTiFX は、薬液中のフッ素イオンF- と反応することによって溶解される。ここで、HFを含む薬液に酸を混合すると、薬液中の水素イオン濃度が増加する。このため、析出異物の表面にH+ が吸着することにより、析出異物の表面における電子密度が低下する。この結果、電子密度の低下によって電気的反発力が低下すること及び析出異物の表面のH+ が吸着されていることにより、F- は、析出異物の表面に引き付けられて吸着しやすくなる。
以上のようにして、水素イオン濃度の高い薬液を用いると反応性が向上し、析出異物を除去する効果が高くなる。特に、pHが1以下である薬液を用いると、顕著な効果が得られる。
図6には、HF濃度0.1質量%の場合におけるpHと析出異物のエッチングレートとの関係を示している。このように、HF濃度が同じであれば、pHが低いほどエッチングレートは大きくなっている。例えば、HF濃度0.1質量%の薬液に塩酸を0.9質量%となるように加えると、pHがHF単独の場合の2.2から0.4まで下がり、析出異物のエッチングレートは150nm/minから400nm/minまで向上する。
以上のように、本実施形態によると、薬液の水素イオン濃度を高めることにより、HF濃度を上げることなく析出異物の除去に必要な処理時間を短縮することができる。更に、処理時間の短縮などから第1の層間絶縁膜101等に対するエッチング量を抑えることができる。このため、微細加工の精度を向上させること等が可能となる。
尚、本実施形態においても、バッチ式ワンバス洗浄装置に限らず他の種類の装置を用いて析出異物106の除去を行なうことは可能である。
また、薬液の水素イオン濃度を高くするために、塩酸以外の酸を使用することは可能である。しかし、例えば硫酸は粘度が高いため、高温で使用する等のことが必要になる。また、硝酸については、フッ酸と混合して使用するとシリコンをエッチングするため不適切である。このようなことから、一般的な酸の中では塩酸を使用することが好ましい。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)〜(d)及び図2(a)〜(d)は、本発明の第3の実施形態に係る電子デバイスの製造方法を説明するための工程図でもある。ここで、本実施形態と第1の実施形態の相違は、図2(a)に相当する析出異物106を除去する工程である。このため、該工程について詳しく説明し、第1の実施形態と同様であるその他の工程については説明を省略することにする。
本実施形態においても、析出異物106を除去する工程には、図3(a)〜(c)に示したバッチ式ワンバス洗浄装置を用いることができる。ただし、第1の実施形態とは使用する薬液及び方法が異なる。以下に、本実施形態における析出異物106の除去工程を説明する。
まず、図3(a)に示すように、洗浄槽201中に基板支持具204を用いて半導体基板203を載置する。半導体基板203は、図1(d)に示す工程までを終えて、第1の層間絶縁膜101、Ta2 5 膜102及びTiN膜103等が形成され、析出異物106が析出している半導体基板であるものとする。
次に、薬液供給ノズル205から塩酸を供給し、洗浄槽201を満たす。この後、薬液供給ノズル205から、HF:H2 O=1:500のDHF(希フッ酸)を洗浄槽201の容積以上に供給する。この結果、洗浄槽201に先に入れられていた塩酸は全てアップフローによって洗浄槽201の上部から排出され、洗浄槽201は供給されたDHFによって満たされることになる。この後、図3(b)に示すように、DHFを供給するために必要となる時間を含めて30秒間、半導体基板203を薬液に浸漬する。
続いて、図3(c)に示すように、純水供給ノズル206から洗浄槽201中に純水202aを供給し、半導体基板203を水洗する。
以上のようにして、半導体基板上に析出していた析出異物106は除去される。以下には、まず塩酸に半導体基板を浸漬した後にDHFを供給することの効果を説明する。
はじめに洗浄槽201中に塩酸を供給すると、洗浄槽201内のpHを均一に低下させることができる。このため、洗浄槽201中に載置されている半導体基板203の表面において、電子密度が均一に低下する。
第2の実施形態において説明したように、基板の表面の電子密度が低下していると、DHFを供給した際にF- イオンが析出異物106の表面に吸着されやすくなり、析出異物106を効率よく除去することができる。これに加えて、本実施形態においては半導体基板203の表面における電子密度は均一に低下している。このため、基板203の表面における析出異物106の除去の均一性が向上する。
尚、本実施形態においては、析出異物106の除去に用いる薬液の一例として、HF:H2 O=1:500のDHFを用いたが。このことは必須ではない。第1の実施形態の場合と同様に、0.1質量%以上であり且つ製造する半導体素子の加工精度を低下させないHF濃度を有している薬液であれば、本実施形態の効果は確実に得られる。
更に、基板203を塩酸に浸漬した後に供給する薬液として、第2の実施形態と同様に、塩酸等が混合されていることによって水素イオン濃度が高くなっている薬液を用いることもできる。例えば、0.7質量%の塩酸と0.1質量%のHFとを含む薬液が使用できる。この場合、pHが1以下であると共に、0.1質量%以上であり且つ製造する半導体素子の加工精度を低下させないHF濃度を有している薬液であれば、本実施形態の効果が確実に得られる。
また、本実施形態においても、バッチ式ワンバス洗浄装置に限らず他の種類の装置を用いて析出異物106の除去を行なうことは可能である。
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)〜(d)及び図2(a)〜(d)は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための工程図でもある。ここで、本実施形態と第1の実施形態の相違は、図2(a)に相当する析出異物106を除去する工程である。このため、該工程について詳しく説明し、その他の工程については説明を省略することにする。
本実施形態において、析出異物106の除去は、NF3 ガスを用いるプラズマ処理と、それに続く洗浄処理によって行なう。
図7は、本実施形態において用いるプラズマ装置の一例を模式的に示す図である。
プラズマ装置は、チャンバー301内に試料台302を備え、試料台302上に半導体基板303が載置されるようになっている。また、チャンバー301に設けられた導入口304aからチャンバー301内にガスを導入し、また、該ガスを排出口304bからチャンバー301外に排出することができる。
また、チャンバー301の上には上部電極305が設けられ、上部電極305に接続された第1の高周波電源306を用いて第1の高周波電力を印加することができる。
また、試料台302には第2の高周波電源307が接続され、これによって、第2の高周波電力を印加することができる。
以上のようなプラズマ装置を用いて、例えば図1(d)の工程までを終えて析出異物106が析出している半導体基板303に対し、プラズマ処理を行なう。
具体的には、まず、半導体基板303を試料台302上に載置する。
次に、例えば、導入口304aからNF3 ガスを流量が100ml/min(標準状態)であり且つ圧力が圧力133Paの条件で導入する。また、第1の高周波電源306により600Wの高周波電圧を印加すると共に、第2の高周波電源307により100Wの高周波電力を印加する。このようにして、例えば30秒間のプラズマ処理を行なう。但し、これらは良好な結果を得ることのできる条件の例であり、特に限定するわけではない。
このような処理により、析出異物106の成分であるTiFX (Xは1〜3)及びNF3 ガスのプラズマから供給されるフッ素により、水溶性であるTiF5 又はTiF6 が形成される。また、析出異物106のTiO表層106a(図4(a)を参照)についても、同様にフッ素と反応してTiF5 又はTiF6 となる。
以上のプラズマ処理の後、半導体基板303に対する洗浄を行なう。例えば、半導体基板303を基板洗浄装置(図示省略)に移動し、純水による十分間の洗浄を行なう。プラズマ処理によって析出異物106は水溶性の物質(TiF5 又はTiF6 )になっているから、このような洗浄を行なうことによって基板上から除去することができる。
以上のようにして、本実施形態の電子デバイスの製造方法によると、プラズマ処理及びそれに続く洗浄処理を行なうことにより、析出異物106を除去することができる。このため、本実施形態の電子デバイスの製造方法によると、析出異物によるショート等の欠陥が発生するのを防ぎ、半導体素子の不良を低減することができる。
尚、本実施形態においてはNF3 ガスを用いたプラズマ処理を行なったが、ガスの種類はこれに限らず、元素としてフッ素を含むガスであればよい。例えば、CF4 、CHF3 等のガスが使用可能である。更に、複数種類のガスからなる混合ガスであっても良い。
また、プラズマ処理の後に行なう半導体基板303の洗浄には、純水を用いた。しかし、純水による洗浄に限るものではなく、TiN膜103を溶解しない薬液であれば洗浄に用いることができる。例えば、HF又はHClの水溶液等を用いることもできる。
(第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)〜(d)及び図2(a)〜(d)は、本発明の第5の実施形態に係る電子デバイスの製造方法を説明するための工程図でもある。ここで、本実施形態と第1の実施形態の相違は、図2(a)に相当する析出異物106を除去する工程である。このため、該工程について詳しく説明し、第1の実施形態と同様であるその他の工程については説明を省略することにする。
本実施形態において、析出異物106の除去は、気相HFを用いる処理と、それに続く洗浄処理によって行なう。気相HFとは、ここでは不活性ガスとしてのN2 と、HFとの混合気体のことを言う。
図8(a)及び(b)は、本実施形態における析出異物106の除去に用いる処理装置を模式的に示す図であり、図8(a)は気相HFによる処理に用いる気相処理装置、図8(b)は洗浄処理に用いる洗浄装置を示している。以下に、これらの装置の構成を説明する。
図8(a)の気相処理装置は、第1のチャンバー401内に第1の試料台402を備え、第1の試料台402上に、半導体基板403が載置されるようになっている。また、第1のチャンバー401に設けられたガス供給ノズル404から第1のチャンバー401内にガスを供給し、また、該ガスを排出口405から第1のチャンバー401外に排出することができる。
図8(b)の洗浄装置は、第2のチャンバー451内に第2の試料台452を備え、第2の試料台452上に、半導体基板453が載置されるようになっている。
ここで、第2の試料台452は、第2のチャンバー451の下部に設けられた駆動部(図示省略)にシャフト452aを介して接続されており、シャフト452aを中心に回転することができる。
また、例えば第2のチャンバー451の上部に純水供給ノズル454が設けられ、半導体基板453上に純水を供給することができる。
次に、以上の装置を用いる本実施形態における析出異物106の除去方法について説明する。
まず、図8(a)に示した気相処理装置を用いて、例えば図1(d)の工程までを終えて析出異物106が析出している半導体基板403に対し、気相HFによる処理を行なう。
具体的には、まず、半導体基板403を第1の試料台402上に載置する。
次に、無水フッ化水素を濃度0.5質量%となるようにN2 ガスに混合した気体である気相HFを、ガス供給ノズル404から第1のチャンバー401に供給する。このようにして、半導体基板403に対して、例えば30秒間の気相HF処理を行なう。
これにより、析出異物106の成分であるTiFX (Xは1〜3)及び気相HFから供給されるフッ素により、水溶性であるTiF5 又はTiF6 が形成される。また、析出異物106のTiO表層106a(図4(a)を参照)についても、同様にフッ素と反応してTiF5 又はTiF6 となる。
続いて、図8(b)に示した洗浄装置を用いて、気相HF処理を終えた半導体基板の洗浄を行なう。
このためには、まず、気相HF処理装置から気相HF処理を施した半導体基板403を取り出し、洗浄装置の第2の試料台452上に半導体基板453として載置する。
次に、第2の試料台452を回転させながら、純水供給ノズル452から半導体基板453上に純水を供給する。このようにして、半導体基板453に対して例えば10分間の純水洗浄を行なう。
以上のようにすると、気相HFによる処理によって析出異物106は水溶性の物質に変化しているため、純水洗浄よって除去することができる。このため、本実施形態の電子デバイスの製造方法によると、析出異物によるショート等の欠陥が発生するのを防ぎ、半導体素子の不良を低減することができる。
尚、本実施形態においては、無水フッ化水素の濃度が0.5質量%である気相HFを用いた。しかし、これに限るものではない。特に、例えば0.1質量%以上で且つ4.0質量%以下の濃度の気相HFを用いると、本実施形態の効果が確実に実現できる。つまり、0.1質量%以上の濃度であれば析出異物106の除去を確実に行なうことができると共に、4.0%以下の濃度であれば、TiN膜103に対するダメージ等を抑制しながら析出異物106の除去を行なうことができる。
また、気相HFによる処理の後、本実施形態においては純水を用いて半導体基板453の洗浄を行なった。しかし、純水による洗浄に限るものではなく、TiN膜103を溶解しない薬液であれば洗浄に用いることができる。例えば、HF又はHClの水溶液等を用いることもできる。
(第6の実施形態)
次に、本発明の第6の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図1(a)〜(d)及び図2(a)〜(d)は、本発明の第6の実施形態に係る電子デバイスの製造方法を説明するための工程図でもある。ここで、本実施形態と第1の実施形態の相違は、図2(a)に相当する析出異物106を除去する工程である。このため、該工程について詳しく説明し、第1の実施形態と同様であるその他の工程については説明を省略することにする。
本実施形態において、析出異物106の除去は、半導体基板に電圧を印加しながらフッ素イオンを含む薬液によって処理することによって行なう。より具体的には、0.1V以上の電圧を半導体基板にかけながら、0.1質量%以上の濃度のHFを含む薬液によって処理する。
図9は、本実施形態において用いる処理装置の一例を模式的に示す図である。
処理装置は、チャンバー501内に、水平に回転することのできる試料台502を備え、試料台502上に半導体基板503が載置されるようになっている。また、例えばチャンバー501の上部に薬液供給ノズル504が設けられ、半導体基板503上に薬液を供給することができる。更に、例えばチャンバー501の側面に純水供給ノズル505が設けられ、半導体基板503上に純水を供給することができる。但しこのような構成に限るものではない。
また、試料台502には直流電源506が電気的に接続されており、試料台502上に載置された半導体基板503に電圧を印加することができる。
以上のような装置を用いて、例えば図1(d)の工程までを終えて析出異物106が析出している半導体基板503に対して、以下に説明する処理を行なう。
まず、半導体基板503を試料台502上に載置する。
次に、直流電源506を用いて半導体基板503に1.0Vの電圧を印加すると共に、薬液供給ノズル504を用いて半導体基板503上に0.1質量%以上の濃度のHFを含む薬液を供給する。この際、試料台502を回転させることにより、半導体基板503を回転させる。このようにして、例えば30秒間の処理を行なう。
次に、純水供給ノズル505から半導体基板503上に純水を供給し、例えば10分間の洗浄を行なう。
以上の方法によると、半導体基板503に電圧を印加することにより、半導体基板503上の析出異物106の表面における電子密度を低下させることができる。このため、F- は析出異物106の表面に吸着しやすくなり、第2の実施形態において説明したのと同様に、析出異物106を溶解して除去する反応が促進される。
このため、HF濃度を上げることなく析出異物の除去に必要な処理時間を短縮することができる。更に、処理時間の短縮などから第1の層間絶縁膜101等に対するエッチング量を抑えることができる。このため、微細加工の精度を向上させること等が可能となる。
尚、本実施形態においては、半導体基板503に印加する電圧は0.1Vとした。しかし、0.1Vには限られず、0.1V以上の電圧であれば効果が得られる。
また、第1〜第6の実施形態において、いずれも基板として半導体基板を用いているが、絶縁性基板等の他の種類の基板であっても良い。
また、第1〜第6の実施形態において、いずれも電子デバイスとして半導体装置を製造する場合の製造方法について説明しているが、半導体装置に限られるものではない。
また、第1〜第6の実施形態において、いずれもTiを含む金属膜としてTiN膜を用いているが、これに限るものではない。例えば、TiAlN又はTiSiN(バリアメタル等として使用される)からなる膜を使用することもできる。更に、BST(Ba0.5 Sr0.5 TiO3 、高誘電率膜として使用される)膜等であってもよいし、Ti膜であってもよい。
また、フッ化チタンを含む異物は、発生理由に関係なく、本発明に説明した方法により除去することができる。つまり、Tiを含む膜に対してフッ素を含むガスによるエッチングを行なうことによって生じた場合には限らない。例えば、フッ素を含むガスによるアッシング等の処理に際して発生するフッ化チタンを含む化合物等についても、本発明の方法によって除去できる。
以上説明したように、本発明に係る電子デバイスの製造方法によると、フッ化チタンを含む析出異物を除去することができる。このため、チタンを含む金属膜等によりパターンを形成する電子デバイスの製造において、析出異物に起因するショート等を抑制できることから歩留りの向上等に有用である。
(a)〜(d)は、本発明の第1〜第6の実施形態係る電子デバイスの製造方法を説明する工程図である。 (a)〜(d)は、本発明の第1〜第6の実施形態係る電子デバイスの製造方法を説明する工程図である。 (a)〜(c)は、本発明の第1〜第3の実施形態において用いるバッチ式ワンバス洗浄装置と、該装置を用いて析出異物を除去する方法について説明するための図である。 (a)〜(c)は、析出異物とその除去工程を説明する図である。 析出異物の除去に用いる薬液のHF濃度と、析出異物のエッチングレートとの関係を示す図である。 析出異物の除去に用いる薬液の水素イオン濃度と、析出異物のエッチングレートとの関係を示す図である。 本発明の第4の実施形態に係る電子デバイスの製造方法において、析出異物の除去に用いるプラズマ装置の構成を示す図である。 (a)及び(b)は、第5実施形態に係る電子デバイスの製造方法において、析出異物の除去に用いる処理装置を模式的に示す図であり、(a)は気相HFによる処理に用いる気相処理装置、(b)は洗浄処理に用いる洗浄装置を示している。 本発明の第6の実施形態に係る電子デバイスの製造方法において、析出異物の除去に用いる処理装置の構成を示す図である。 (a)〜(d)は、従来の半導体装置の製造方法を説明する工程図である。 (a)〜(c)は、従来の半導体装置の製造方法を説明する工程図である。
符号の説明
100 半導体基板
101 第1の層間絶縁膜
102 Ta2 5
103 TiN膜
104 レジストパターン
104a 開口部
105 有機物残渣
106 析出異物
106a TiO表層
106b TiFX 部分
107 第2の層間絶縁膜
107a コンタクト孔
108 コンタクトプラグ
120 開口部
201 洗浄槽
202 薬液
202a 純水
203 半導体基板
204 基板支持具
205 薬液供給ノズル
206 純水供給ノズル
301 チャンバー
302 試料台
303 半導体基板
304a 導入口
304b 排出口
305 上部電極
306 第1の高周波電源
307 第2の高周波電源
401 第1のチャンバー
402 第1の試料台
403 半導体基板
404 ガス供給ノズル
405 排出口
451 第2のチャンバー
452 第2の試料台
452a シャフト
453 半導体基板
454 純水供給ノズル
501 チャンバー
502 試料台
503 半導体基板
504 薬液供給ノズル
505 純水供給ノズル

Claims (12)

  1. 基板上に形成され且つTiを含む金属膜に対し、フッ素を含むガスを用いてドライエッチングを行なう工程と、
    前記ドライエッチングを行なう工程よりも後に、前記基板に対してフッ素イオンを含む薬液による処理を行なう工程とを備えることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  2. 前記薬液は、0.1質量%以上のフッ酸を含む水溶液であることを特徴とする請求項1に記載の電子デバイスの製造方法。
  3. 前記薬液による処理を行なう工程は、前記基板の表面における電子密度を低下させる処理を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の電子デバイスの製造方法。
  4. 前記薬液の水素イオン濃度がpH1以下であることによって、前記薬液による処理を行なう工程において前記基板の表面における電子密度を低下させることを特徴とする請求項3に記載の電子デバイスの製造方法。
  5. 前記薬液が塩酸を含むことによって、前記薬液による処理を行なう工程において前記基板の表面における電子密度を低下させることを特徴とする請求項3又は4に記載の電子デバイスの製造方法。
  6. 前記ドライエッチングを行なう工程の後で且つ前記薬液による処理を行なう工程の前に、前記基板の表面における電子密度を低下させる処理を行なう工程を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子デバイスの製造方法。
  7. 前記基板の表面に対して塩酸による処理を行なうことによって、前記基板の表面における電子密度を低下させることを特徴とする請求項6に記載の電子デバイスの製造方法。
  8. 前記基板の表面における電子密度を低下させる処理として、前記基板に電圧を印加することを特徴とする請求項3〜7のいずれか一つに記載の電子デバイスの製造方法。
  9. 基板上に形成され且つTiを含む金属膜に対し、フッ素を含む第1のガスを用いてドライエッチングを行なう工程と、
    前記ドライエッチングを行なう工程よりも後に、前記基板に対してフッ素を含む第2のガスを用いたプラズマ処理を行なう工程と、
    前記プラズマ処理を行なう工程よりも後に、前記基板の表面に対して水又は水溶液による処理を行なう工程とを備えることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  10. 前記フッ素を含む第2のガスは、NF3 を含むガスであることを特徴とする請求項9に記載の電子デバイスの製造方法。
  11. 基板上に形成され且つTiを含む金属膜に対し、フッ素を含むガスを用いてドライエッチングを行なう工程と、
    前記ドライエッチングを行なう工程よりも後に、前記基板に対し、不活性ガスによって希釈された気相HFによる処理を行なう工程と、
    前記気相HFによる処理を行なう工程よりも後に、前記基板の表面に対して水又は水溶液による処理を行なう工程とを備えることを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  12. 前記不活性ガスによって希釈された気相HFは、0.1質量%以上で且つ4.0質量%以下のHF濃度を有することを特徴とする請求項11に記載の電子デバイスの製造方法。
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