JP2015092548A - 半導体構造のプレクリーニング - Google Patents

Abstract

【課題】半導体構造をプレクリーニングする方法及び関連するモジュラー半導体プロセスツールを提供する。
【解決手段】有機誘電材料の露出した誘電体層３６（パターン化ＰＩ層）を有する半導体構造３０を提供する、誘電体層３６が、その中に形成された１以上の機構を有し、この機構はプレクリーニングされる１以上の導電性構造を露出させ、導電性構造がそれぞれ、場合によってその上に形成されたバリヤ層４２（酸化アルミニウム層）を有する金属層（アルミニウム層）３４を含み、そして露出した誘電体層の表面積が誘電体層によって露出される導電性構造の表面積よりも大きいものである工程、及びＡｒ／Ｈ₂スパッタエッチングを実施することによって半導体構造をプレクリーニングして、露出した導電性構造から材料を除去し、そして露出した誘電体層から有機誘電材料を除去する工程、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体構造をプレクリーニングする方法、および関連するモジュラー半導体プロセスツールに関する。

半導体産業では、金属層または他の導電層、たとえばチタン、窒化チタン、アルミニウムおよび銅を統合メタライゼーションツールで堆積させる前に金属間誘電体（ＩＭＤ）の下に形成される金属接触をスパッタエッチングすることが通常の方法である。金属接触はアルミニウムまたは別の金属から形成することができる。スパッタエッチングの目的は、自然酸化物をアルミニウムまたは他の金属面から除去して、その後の堆積のための原子的に清浄な面を残すことである。必要量の材料が金属面から除去された後、スパッタエッチングプロセスの一部であるプラズマのスイッチを切り、そしてプロセスチャンバーを、前もって決められた圧力まで排気して、統合プロセスツール中の他のモジュールの汚染を回避する。プレクリーニングモジュールの生産性は、ウェハをモジュールから取り出し、輸送モジュールから堆積モジュールへ移動させる前に、モジュール中で充分に低い圧力を回復するためにかかる時間によって強く影響を受ける。典型的には、スパッタエッチングは、ウェハ面にＡｒ⁺イオンを衝突させる、高真空で実施されるアルゴンスパッタエッチングプロセスである。

たとえば比較的厚いＩＭＤ（典型的には数ミクロン超）を用いたいくつかのアプリケーション分野では、ポリイミド（ＰＩ）などの有機誘電材料が性能およびコストの見地に基づいて選択される。そのようなアプリケーション分野の非限定的例は、アンダーバンプメタライゼーション（ＵＢＭ）においてである。

米国特許第６１０７１９２号明細書は、様々なプラズマを使用するメタライゼーションの前のプレクリーニングプロセスを開示する。プラズマプレクリーニングは、Ｃｕ副層のスパッタリングをしない天然のＣｕＯの化学的還元を含み得る。米国特許第６１０７１９２号明細書で開示されているＩＭＤは、ＳｉＯ₂、ＳｉＯＦなどの低ｋ無機材料、または低ｋＣＤＯ（炭素ドープ酸化物）である。本発明は、有機ＩＭＤを使用した異なるプロセスであって、材料の物理的除去が実施されるプロセスに関する。米国特許第４３５７２０３号明細書は、ビアホールがアルミニウム層を覆うポリイミド誘電層間絶縁層中に形成される多層メタライゼーションシステムの形成を開示している。ビアホールは、ポリイミドの酸素プラズマエッチングによって形成され、その結果、残存するフィルム（自然酸化物でない）がアルミニウムの露出した下層上に形成される。残存するフィルムを続いて第２プラズマエッチング工程によって除去する。米国特許第４３５７２０３号明細書で開示されているプロセスは、アルミニウムの第２のパターン化層を使用して、ビアホールのエッチングの前にマスクを形成し、アルミニウムマスクは第２のプラズマエッチングが実施される時に所定の位置にある。このプロセスは、本発明が取り扱うプロセスに適さない。その一方、本発明は、メタライゼーション工程の前に、パターン化されたＩＭＤ層の下に金属層を有するが、ＩＭＤ層の上にはさらなる層を有しない半導体構造が提供される最新の商業的半導体製造技術に適用される。露出した金属層をプレクリーニングするためにプレクリーニング工程を提供することが望ましい。上述のように、Ａｒスパッタエッチングを実施して、このプレクリーニングを達成することは周知である。しかしながら、本発明者らは、Ａｒスパッタプロセスが半導体ウェハ面上の材料に対して比較的低い選択性を有することに気付いた。また、本発明者らは、プレクリーニングに暴露される金属の表面積が実際にはプレクリーニングに暴露されるＩＭＤの表面積よりもかなり小さく、その結果、半導体構造面から除去される材料のほとんどが実際にＩＭＤ面から除去されることに気付いた。さらに、本発明者らは、スパッタリングされたＩＭＤ材料がプレクリーニングプロセスチャンバーの汚染の潜在的に重要な原因であり、そしてもし揮発性ガスがプレクリーニングモジュールから流出するならば、プロセスツールの残りの部分の汚染の原因にもなることに気付いた。したがって、Ａｒスパッタエッチングプロセス後のプレクリーニングモジュール中の望まれない汚染物質の量を最少にすることが望ましい。本発明者らは、汚染物質の産生が、Ａｒスパッタエッチング後に生じる汚染物質の性質のために、ポリイミドなどの有機誘電材料が使用される場合に特に問題であり得ることにさらに気付いた。問題のある汚染物質の例はＣＯおよびＣＯ₂である。

米国特許第６１０７１９２号明細書 米国特許第４３５７２０３号明細書

要約すれば、本発明者らは、特異的であるが商業的に重要なプロセス条件の組み合わせが上述の特定の問題を引き起こすことを理解している。したがって、本発明者らは少なくともその実施形態のいくつかで前述の問題に対処する本発明を考案した。

本発明の第１の態様によると、
ｉ）有機誘電材料の露出した誘電体層を有する半導体構造を用意する工程であって、誘電体層が、プレクリーニングされる１以上の導電性構造を露出させる、その中に形成された１以上の機構を有し、導電性構造はそれぞれ、場合によってその上にバリヤ層が形成された金属層を含み、そして露出した誘電体層の表面積が、誘電体層によって露出した導電性構造の表面積よりも大きいものである、工程、および
ｉｉ）露出した導電性構造から材料を除去するため、そして有機誘電材料を露出した誘電体層から除去するためにＡｒ／Ｈ₂スパッタエッチングを実施することによって半導体構造をプレクリーニングする工程
を含む半導体構造をプレクリーニングする方法であって、工程ｉｉ）は、１．０：１以下、さらに好ましくは０．５：１未満、そして最も好ましくは０．４：１以下の分圧比Ａｒ：Ｈ₂で存在するＡｒおよびＨ₂を用いて実施される、方法が提供される。

このように、スパッタエッチングの間に生じる望まれない汚染物質の量を減少させ、典型的には高真空に相当する所望の圧力を達成するために必要なポンピング時間を減少させることが可能である。さらなる利点は、半導体構造、特に金属層の汚染が減少することである。

熟練した読者は、バルク酸化物がそれ自体有機材料でない場合、ＣＤＯは「有機誘電材料」でないこと、すなわち炭素でのドーピングによって無機材料が有機にならないことを理解するであろう。

ＣＯおよびＣＯ₂などの汚染物質は、本発明を実施する結果として減少させることができる。

「金属」という用語は、その範囲内に合金を包含すると理解される。誤解を避けるために、「合金」という用語は、金属の組み合わせ、ならびにある量の非金属添加物を有する金属を包含する可能性がある。たとえば、アルミニウム・ケイ素合金は本発明の範囲内に含まれる。ケイ素は、典型的には微量成分として、たとえば０．５〜２．５Ａｔ％の範囲内で存在する。

工程ｉｉ）は、０．１：１以上の分圧比Ａｒ：Ｈ₂で存在するＡｒおよびＨ₂を使用して実施することができる。
上記数値のいずれか２つの間のすべての可能な分圧比は本発明の範囲内に含まれると理解される。たとえば、本発明はその範囲内に１．０：１〜０．１：１の範囲内、０．５：１未満〜０．１：１、および０．４：１〜０．１：１のＡｒ：Ｈ₂分圧比を含む。

有機誘電材料は炭素および酸素を含み得る。

有機誘電材料は有機ポリマーであり得る。好ましくは、有機誘電材料はポリイミドである。

導電性構造はそれぞれその上に自然酸化物層を有してもよく、そして工程ｉｉ）は自然酸化物を露出した導電性構造から除去することによって半導体構造をプレクリーニングすることを含んでもよい。

露出した誘電体層の表面積の、誘電体層によって露出した導電性構造の表面積に対する比は２５：１超であり得、好ましくは５０：１超である。いくつかの実施形態において、露出した誘電体層の表面積の、誘電体層によって露出した導電性構造の表面積に対する比はさらに大きく、７５：１超、または１００：１超であり得る。

工程ｉｉ）を実施して、露出した誘電体層から少なくとも１０ｎｍの深さまで有機誘電材料を除去することができる。

有機誘電材料の誘電体層は少なくとも１ミクロンの厚さを有し得る。

金属層はアルミニウムまたは銅であり得る。

導電性構造は、それぞれ金属層からなっていてもよい。あるいは、導電性構造は、その上に形成されたバリヤ層を有する金属層を含んでもよい。バリヤ層は、チタンなどの金属層、またはＴｉＮなどの導電性化合物の層であってよい。熟練した読者によって充分に理解されるように、バリヤ層はＡＲＣ（反射防止コーティング）層として存在してもよい。

本発明の方法はプレクリーニングプロセスチャンバー中で実施することができる。該方法は、
ｉｉｉ）プレクリーニングプロセスチャンバーを所定の圧力以下まで排気するさらなる工程を含み得る。好ましくは、所定の圧力は１×１０^-6Ｔｏｒｒである。該方法は、
ｉｖ）さらなるプロセス工程を実施することができるように半導体構造をさらなるプロセスチャンバーまで移すさらなる工程を含んでもよく、この場合、プレクリーニングプロセスチャンバー中で所定の圧力が達成された後に半導体構造を移す。

工程ｉｉ）で実施されるプレクリーニングはＣＯを生じる可能性があり、工程ｉｉｉ）で実施されるプロセスチャンバーの所定の圧力までの排気は、１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下の分圧を得ることを含み得る。

工程ｉｉ）で実施されるプレクリーニングはＣＯ₂を生じる可能性があり、工程ｉｉｉ）で実施されるプロセスチャンバーの所定の圧力への排気は、１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下のＣＯ₂の分圧を得ることを含み得る。

典型的には、半導体構造は、導電性構造を有する半導体ウェハと、その上に形成された露出した誘電体層とを含む。

本発明における第２の態様によると、
有機誘電材料の露出した誘電体層を有する半導体構造を提供するための１以上の加工モジュールであって、誘電体層が、プレクリーニングされる１以上の導電性構造を露出させる、その中に形成された１以上の機構を有し、導電性構造はそれぞれ、場合によってバリヤ層がその上に形成された金属層を含み、露出した誘電体層の表面積が誘電体層によって露出される導電性構造の表面積よりも大きい、加工モジュール、
プレクリーニングプロセスチャンバー、
半導体構造に関してさらなるプロセス工程を実施するためのさらなるプロセスチャンバー、
半導体構造を加工モジュールからプレクリーニングプロセスチャンバーへ移すための手段、および
プレクリーニング後に半導体構造をプレクリーニングプロセスチャンバーからさらなるプロセスチャンバーへ移すための手段
を含むモジュラー半導体プロセスツールであって、
プレクリーニングプロセスチャンバーは、材料を導電性構造から除去し、そして有機誘電材料を露出した誘電体層から除去するために、１．０：１以下、さらに好ましくは０．５：１未満、そして最も好ましくは０．４：１以下の分圧比Ａｒ：Ｈ₂で存在するＡｒおよびＨ₂を使用してＡｒ／Ｈ₂スパッタエッチングを実施するためのスパッタエッチング装置を含む、モジュラー半導体プロセスツールが提供される。

いくつかの実施形態において、さらなるプロセスチャンバーは、半導体構造上に金属の１以上の層を堆積させるためのメタライゼーションツールである。金属層または他の導電層、たとえばチタン、窒化チタン、アルミニウムまたは銅は、メタライゼーションツールを用いて堆積させることができる。

半導体構造をプレクリーニングプロセスチャンバーからさらなるプロセスチャンバーへ移すための手段は、プレクリーニングプロセスチャンバーに関連するプロセス条件の検出に関して操作可能であり得る。プロセス条件は、プレクリーニング後のプレクリーニングプロセスチャンバー中で所定の圧力で達成される。典型的には、プロセスツールは、プロセス条件を検出し、半導体構造をプレクリーニングプロセスチャンバーからさらなるプロセスチャンバーへ移すための手段の操作を制御するための制御システムを含む。典型的には、制御システムは、プロセスツールおよび／またはプロセスパラメータの他の条件をモニターし、そしてプロセスツールの他の操作を制御する。半導体構造をプロセスツールのモジュール間で輸送するための輸送モジュールおよび輸送設備は、熟練した読者にはよく知られている。

本発明を記載してきたが、本発明は前記、または以下の説明、図面若しくは特許請求の範囲で記載される特徴の任意の発明の組み合わせに及ぶ。

本発明による方法および装置の実施形態を添付の図面を参照して記載する。

図１は、本発明のプレクリーニングモジュールの断面図である。 図２は、プレクリーニングされる半導体構造の簡略化された半概略的断面図である。 図３は、Ａｒスパッタエッチングプレクリーニングを用いてエッチングされたＰＩ／アルミニウムウェハの残留ガス分析器（ＲＧＡ）のグラフである。 図４は、本発明のＡｒ／Ｈ₂スパッタエッチングプレクリーニングを用いてエッチングされたＰＩ／アルミニウムウェハのＲＧＡのグラフである。 図５は、その上に形成されたアルミニウムおよびＰＩ層を有するウェハのＡｒスパッタエッチングプレクリーニングおよびＡｒ／Ｈ₂スパッタエッチングプレクリーニングについて１×１０^-7ＴｏｒｒのＣＯ分圧に達する時間を示す。

図１は、メタライゼーションツールなどの統合半導体加工ツール（図示せず）の一部を形成するプレクリーニングモジュールを備え得るプレクリーニングプロセスツール１０を示す。プロセスツール１０が統合メタライゼーションツールにおいてプレクリーニングモジュールとして提供される場合、圧力ツール１０を使用して、ＰＶＤによる金属堆積工程の前に半導体ウェハ１２をクリーニングする。プロセスツール１０は、ガス注入口１６、ウェハローディングスロット１８、およびターボポンプ（図示せず）などの好適なポンプとの接続のためのポンピングポート２０を有するチャンバー１４を備える。プロセスツール１０は、プロセスツール１０内でプラズマを発生させ、維持するためのプラズマ生成手段をさらに備える。図１で示される実施形態では、２つのＲＦ源を使用して、チャンバー１４中でプラズマを発生させる。チャンバー１４の上部は、Ａｌ₂Ｏ₃などの任意の好適なセラミック材料から形成することができるセラミック壁１４ａを有する。セラミック壁１４ａの周りに配置されるのは、ＩＣＰ源の一部を形成するバンドまたはストラップ２２である。ＩＣＰ源そして実際にはプラズマ発生装置は概して熟練した読者に周知の種類のものであり、したがってＩＣＰ源のさらなる要素は図１中で示されていない。ＲＦバイアス源２４をプラテンアセンブリ２６に適用する。プラテンアセンブリ２６は、ウェハ１２が取り付けられた上面２６ａを備える。使用時、ＲＦバイアス源２４はＲＦバイアスをウェハ１２に適用して、プラズマからのイオンをウェハ面上へ加速させる。ＲＦバイアスは、任意の都合のよい周波数のものであり得、典型的には１３．５６ＭＨｚが使用される。プラテンを熟練した読者には周知の方法で加熱することができる。チャンバー１４を接地する。プラテンアセンブリ２６は図１で実線と点線との両方で示される。実線はウェハローディングスロット１８のすぐ近くに引き下げられた位置でのプラテンアセンブリを示す。使用時、ウェハを、ウェハローディングスロット１８からプラテンアセンブリ面２６ａ上へ導入する。プラテンアセンブリ２６を次いで図１中で点線によって示される位置まで上昇させる。これは、プラズマ発生装置を用いてプラズマ２８を形成することによって達成されるスパッタエッチングによるプレクリーニングに採用される構成である。

図２は、３０で概して図示される、本発明にしたがってプレクリーニングすることができる一般的な種類の半導体構造を半概略的形態で示す。簡単にするために、この概略図は、誘電体３８の下の相互接続層および基体面上に存在するトランジスタを示さない。半導体構造３０は、その上に形成されたアルミニウム層３４を有する半導体基体３２を備える。パターン化ＰＩ層３６が誘電材料の層３８上に形成される。ＰＩ層３６はあらかじめパターン化されて、トレンチまたはビアホールなどの多数の機構（feature）４０が残っている。機構４０は下にあるアルミニウム層３４を露出させる。しかしながら、加工条件の結果、半導体構造３０は、アルミニウム層３４の機構３８によって露出されている部分上に酸化アルミニウム層４２が存在する状態でプレクリーニングモジュールに供給される。プレクリーニングによって酸化アルミニウム層４２を除去する必要があり、本発明によってこの目的を達成することができる。半導体構造３０は、露出したＰＩ層３６でのプレクリーニングのために提供される。すなわち、ＰＩ層３６の上にさらなる層はない。実際には、半導体構造３０の形状は、プレクリーニングの間にスパッタエッチングにさらされる半導体デバイスの表面積の大部分をＰＩ層３６が形成するようなものである。誘電材料の層３８もＰＩから形成することができるが、これは必ずしも当てはまるわけではなく、層３８は異なる誘電材料からなる可能性があることに注意する。

本発明に従って、アルゴンおよび水素の混合物をプロセスガスとして用いるスパッタエッチングプロセスを用いてプレクリーニングを実施した。比較のために、そして本発明の利点を示すために純粋なアルゴンスパッタエッチングプレクリーニングを用いて、実験をさらに実施した。

残留ガス分析器（ＲＧＡ）をプロセスチャンバー１４に取り付けて、様々なプレクリーニングスパッタエッチングの最中および後に存在するガスをモニターした。図２で概して示されるＰＩ／アルミニウム半導体ウェハを、様々なプレクリーニング工程に供し、結果を図３〜５に示す。図３および図５の両方で、ＣＯ、ＣＯ₂、ＣＨ₃、ＯＨおよびＨ₂Ｏに相当するグラフをそれぞれ参照番号５０、５２、５４、５６、および５８によって示す。図３は、従来型のＡｒイオンプレクリーニング工程後のＲＧＡから得られる典型的なグラフ表示を示す。ＲＧＡ分析を用いて、ＰＩ ＩＭＤフィルムのイオン衝撃の間に、異なる質量のフラグメントがＰＩ面から放出されることが見いだされた。このことは、プレクリーニング工程中およびプレクリーニング工程後の時間の関数としての様々な質量フラグメントの分圧を示す図３からわかる。観察される主要なフラグメントはＣＯおよびＣＯ₂であり、他の気相炭化水素分子を伴う。これらの種のレベルはＲＧＡを用いてモニターすることができる。ＣＯは、チャンバーからポンプで除去するために長時間かかる可能性があり、クリーニングされたアルミニウムまたは他の金属面の容易な酸化を促進して金属酸化物層を提供し得る非常に反応性の高い種であるために、特に問題である。プレクリーニング工程の目的は、金属酸化物を金属層の上面から除去することであるので、このことは非常に望ましくない。金属酸化物層の存在は、金属層に対する金属対金属接触を生じさせることが目的である場合に非常に望ましくない。なぜなら、界面の酸化は高い接触抵抗および低い金属間接着に至るからである。先行技術のプロセスによってしばしば観察される低いて接触抵抗は、アルミニウム接触上に付着する残留汚染物質、特にＰＩのスパッタリングによって生じるＣＯの結果であると考えられる。概して、ＰＩフィルムのスパッタエッチングによって生じる気相種は、ウェハ面と反応し得る、ポンプで除去され得る、チャンバー壁上に吸収され得る、またはチャンバー中に汚染物として存在し得る。スパッタエッチング後、面上の保護「膜」が破壊され、チャンバーのさらなる進行中の汚染を許容するので、ＰＩ面はさらに不安定であることも知られている。ＣＯおよびＣＯ₂などの望ましくない汚染物質は、従来型Ａｒスパッタエッチングを用いたプレクリーニング後に容易に生じ、これらの種はチャンバーからポンプで除去するのに長時間を有する可能性があることが、図３からわかる。図３で示されるグラフになるプレクリーニングでは、材料をウェハから２００Å（オングストローム）の深さまで除去した。

本発明は、ＰＩなどの有機誘電材料をＩＭＤとして使用して半導体ウェハ上の金属接触から自然酸化物を物理的に除去する。本発明は、Ａｒ／Ｈ₂スパッタエッチングを用いて半導体ウェハ面から材料を除去する。これによって、プロセスモジュール中の滞留時間を短縮することができるので、チャンバー内の有機汚染レベルを低減することができ、生産性の利益が得られることが判明した。図４は、ＰＩおよびアルミニウムでコーティングされたウェハのＡｒ／Ｈ₂プラズマスパッタエッチングについてのＲＧＡのグラフを示す。このプレクリーニング工程の典型的であるが非限定的なプロセス条件は、Ａｒ流速１８ｓｃｃｍ、水素流速１〜１００ｓｃｃｍ、ＩＣＰコイル電力５００Ｗ、ＩＣＰコイル周波数１３．５６ＭＨｚ、プラテンバイアス電力１２００Ｗ、プラテンバイアス周波数１３．５６ＭＨｚである。材料を約２００Åの深さまで除去した。アルゴン／水素プラズマの使用によって、アルゴンのみを使用するスパッタエッチングと比べて汚染レベルは相当減少することがわかる。１２秒以内にＣＯ分圧は１×１０^-7Ｔｏｒｒまで降下することがわかり、これは図３で示される結果よりも実質的な改善である。

図５は、アルゴンのみ、およびアルゴンと水素との様々な混合物を用いるスパッタエッチング後に１×１０^-7ＴｏｒｒのＣＯ分圧を達成するためにかかる時間を示す。図５中のデータ点のすぐ隣に記載した数値は、このＣＯ分圧を達成するための時間（秒）である。アルゴンおよび水素の混合物に相当するデータ点に対して括弧中に記載した数値は、アルゴンの水素に対する分圧比である。図５から、アルゴン／水素プラズマを使用してスパッタエッチングプレクリーニングを実施することによって、ＣＯ分圧は、水素が存在しない場合よりもはるかに迅速に１×１０^-7Ｔｏｒｒの低レベルに達することがわかる。したがって、スパッタクリーニングされたアルミニウム面で汚染が起こる機会が減少する。さらに、アルゴン／水素スパッタエッチングを利用するプレクリーニングモジュールを備える加工ツールの生産性が改善される。なぜなら、プレクリーニングモジュールからの半導体ウェハの除去を実施することができる前に必要な高真空状態がより迅速に達成されるからである。所望の高真空状態、たとえば１×１０^-7ＴｏｒｒのＣＯの分圧などの条件を達成するためのこの回収プロセスは、プレクリーニングプロセスでの水素の相対的な寄与を増大させることによって実質的に改善される。図５中の０、５０および１００ｓｃｃｍの水素でのデータ点はすべて１８ｓｃｃｍのアルゴンが使用されるプロセスに関連し、一方、８：５のアルゴン／水素分圧比データ点は５０ｓｃｃｍのアルゴン流に相当することに留意する。

いかなる特定の理論または推測によっても制限されることを望まないが、ＣＯ分圧のグラフについての可能な説明は、プラズマからの熱の存在下で気相において起こり得る、ＣＯおよびＨ₂が関与する化学反応である。
ＣＯ＋２Ｈ₂→ＣＨ₃ＯＨ

その後、この分子はプラズマによって急速に分裂して、ＣＨ₃（質量１５）およびＯＨ（質量１７）フラグメントになると思われる。この理論は図４で示されるＲＧＡのグラフとよく合致する。ＣＯの回収率（すなわち、ＣＯ除去率）は、アルゴン／水素プレクリーニングが使用される場合、ＣＨ₃およびＯＨについてよりもはるかに高い。その一方、図３から分かるように、アルゴンのみでのプレクリーニングでは、その逆も正しく、ＣＯレベルはＣＨ₃およびＯＨよりも減少するのにはるかに長時間を要する。このことは、アルゴン／水素プラズマがより多くのＣＯを使い尽くすことによってＣＨ₃およびＯＨの形成を促進し、それによって残留汚染物としてそれ以外の方法で存在するＣＯを除去することを示唆する。ＣＯと反応させることによって、水素は、反応性が低く迅速にポンプ操作することができる種を産生することにより金属面の汚染を低減するのに役立つ。この点で、図４は、ＣＨ₃の分圧が非常に低く、１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下のレベルを迅速に達成することを示すことに留意する。ＯＨはＨ₂Ｏ（質量１８）の曲線を追従し、ポンプで除去するためにさらに時間を要する。このことは、さらなる反応、すなわちＣＯ₂の水素化の存在によって説明することができる。これはまた、図３および４で示されるＲＧＡデータとも合致する。なぜなら、ＣＯ₂ピークはアルゴン／水素プラズマが使用される場合に減少するからである。反応は以下のようである可能性がある。
ＣＯ₂＋４Ｈ₂→ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ

この反応は、アルゴンのみのプラズマと比較してアルゴン／水素プラズマが使用される場合、なぜ質量１６（ＣＨ₄）および質量１８（Ｈ₂Ｏ）のレベルが高いかを説明することができる。Ｈ₂ＯはＣＯよりもはるかに反応性が低く、ポンプ輸送（たとえば低温トラップ（cryo trap））が容易であるので、より高レベルのＨ₂Ｏは関係ないと考えられる。したがって、Ｈ₂ＯはＣＯよりもはるかに関連性の低い汚染物質であるとみなされる。これらの機序は単なる推測として提供される。本明細書中で提示される実験結果は他の機序によって説明することができるか、または結果についての説明は、検討される機序と他の機序との組み合わせである可能性がある。たとえば、イオン化水素の存在は、ＣＯとの反応および／またはＰＩ面自体との反応をもたらし、産生されるＣＯの量を低減する可能性がある。

本発明は上述の具体例に限定されず、熟練した読者は多くの変化が可能であることを理解するであろう。たとえば、ＰＩを使用する代わりに、他の有機誘電材料を使用することが可能である。本発明は、アルゴン／水素スパッタエッチングプレクリーニングを使用して有利な結果を達成することができるということを教示する。概して、分圧比がアルゴンの分圧の水素の分圧に対する比として表される場合、より低い分圧比が好ましい。しかしながら、本発明はこの点で限定されない。本発明を使用することによって、ガス状汚染物質種、特にＣＯおよびＣＯ₂などの炭素質汚染物質のレベルを低下させつつ、自然酸化物の金属面を効果的にプレクリーニングすることが可能である。これによって、業界標準のアルゴンのみのスパッタエッチングプレクリーニング法と比較した場合、半導体ウェハの真空環境が改善される。さらに、統合プロセスツールで半導体ウェハを加工する場合に生産性上昇に至る。なぜなら、基準圧力をより迅速に達成できるからである。

図１は、メタライゼーションツールなどの統合半導体加工ツール（図示せず）の一部を形成するプレクリーニングモジュールを備え得るプレクリーニングプロセスツール１０を示す。プロセスツール１０が統合メタライゼーションツールにおいてプレクリーニングモジュールとして提供される場合、プロセスツール１０を使用して、ＰＶＤによる金属堆積工程の前に半導体ウェハ１２をクリーニングする。プロセスツール１０は、ガス注入口１６、ウェハローディングスロット１８、およびターボポンプ（図示せず）などの好適なポンプとの接続のためのポンピングポート２０を有するチャンバー１４を備える。プロセスツール１０は、プロセスツール１０内でプラズマを発生させ、維持するためのプラズマ生成手段をさらに備える。図１で示される実施形態では、２つのＲＦ源を使用して、チャンバー１４中でプラズマを発生させる。チャンバー１４の上部は、Ａｌ₂Ｏ₃などの任意の好適なセラミック材料から形成することができるセラミック壁１４ａを有する。セラミック壁１４ａの周りに配置されるのは、ＩＣＰ源の一部を形成するバンドまたはストラップ２２である。ＩＣＰ源そして実際にはプラズマ発生装置は概して熟練した読者に周知の種類のものであり、したがってＩＣＰ源のさらなる要素は図１中で示されていない。ＲＦバイアス源２４をプラテンアセンブリ２６に適用する。プラテンアセンブリ２６は、ウェハ１２が取り付けられた上面２６ａを備える。使用時、ＲＦバイアス源２４はＲＦバイアスをウェハ１２に適用して、プラズマからのイオンをウェハ面上へ加速させる。ＲＦバイアスは、任意の都合のよい周波数のものであり得、典型的には１３．５６ＭＨｚが使用される。プラテンを熟練した読者には周知の方法で加熱することができる。チャンバー１４を接地する。プラテンアセンブリ２６は図１で実線と点線との両方で示される。実線はウェハローディングスロット１８のすぐ近くに引き下げられた位置でのプラテンアセンブリを示す。使用時、ウェハを、ウェハローディングスロット１８からプラテンアセンブリ面２６ａ上へ導入する。プラテンアセンブリ２６を次いで図１中で点線によって示される位置まで上昇させる。これは、プラズマ発生装置を用いてプラズマ２８を形成することによって達成されるスパッタエッチングによるプレクリーニングに採用される構成である。

図２は、３０で概して図示される、本発明にしたがってプレクリーニングすることができる一般的な種類の半導体構造を半概略的形態で示す。簡単にするために、この概略図は、誘電体３８の下の相互接続層および基体面上に存在するトランジスタを示さない。半導体構造３０は、その上に形成されたアルミニウム層３４を有する半導体基体３２を備える。パターン化ＰＩ層３６が誘電材料の層３８上に形成される。ＰＩ層３６はあらかじめパターン化されて、トレンチまたはビアホールなどの多数の機構（feature）４０が残っている。機構４０は下にあるアルミニウム層３４を露出させる。しかしながら、加工条件の結果、半導体構造３０は、アルミニウム層３４の機構４０によって露出されている部分上に酸化アルミニウム層４２が存在する状態でプレクリーニングモジュールに供給される。プレクリーニングによって酸化アルミニウム層４２を除去する必要があり、本発明によってこの目的を達成することができる。半導体構造３０は、露出したＰＩ層３６でのプレクリーニングのために提供される。すなわち、ＰＩ層３６の上にさらなる層はない。実際には、半導体構造３０の形状は、プレクリーニングの間にスパッタエッチングにさらされる半導体デバイスの表面積の大部分をＰＩ層３６が形成するようなものである。誘電材料の層３８もＰＩから形成することができるが、これは必ずしも当てはまるわけではなく、層３８は異なる誘電材料からなる可能性があることに注意する。

Claims (17)

1. 半導体構造をプレクリーニングする方法であって、該方法は、
   ｉ）有機誘電材料の露出した誘電体層を有する半導体構造を用意する工程であって、前記誘電体層が、その中に形成された１以上の機構を有し、この機構はプレクリーニングされる１以上の導電性構造を露出させ、前記導電性構造がそれぞれ場合によってバリヤ層がその上に形成された金属層を含み、そして前記露出した誘電体層の表面積が前記誘電体層によって露出される前記導電性構造の表面積よりも大きいものである、工程、および
   ｉｉ）Ａｒ／Ｈ₂スパッタエッチングを実施することによって前記半導体構造をプレクリーニングして、材料を前記露出した導電性構造から除去し、そして有機誘電材料を前記露出した誘電体層から除去する工程を含み、
   工程ｉｉ）が、１．０：１以下、さらに好ましくは０．５：１未満、そして最も好ましくは０．４：１以下の分圧比Ａｒ：Ｈ₂で存在するＡｒおよびＨ₂を使用して実施される、方法。
2. ０．１：１以上の分圧比Ａｒ：Ｈ₂で存在するＡｒおよびＨ₂を使用して工程ｉｉ）を実施する、請求項１に記載の方法。
3. 前記有機誘電材料が炭素および酸素を含有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記有機誘電材料が有機ポリマーである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記有機誘電材料がポリイミドである、請求項４記載の方法。
6. 前記導電性構造がそれぞれその上に自然酸化物層を有し、工程ｉｉ）が、自然酸化物を前記露出した導電性構造から除去することによって前記半導体構造をプレクリーニングすることを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記露出した誘電体層の表面積の前記誘電体層によって露出される前記導電性構造の表面積に対する比が２５：１よりも大きく、好ましくは５０：１よりも大きい、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 工程ｉｉ）を実施して、有機誘電材料を前記露出した誘電体層から少なくとも１０ｎｍの深さまで除去する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記有機誘電材料の前記誘電体層が少なくとも１ミクロンの厚さを有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記金属層がアルミニウムまたは銅である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記導電性構造がそれぞれ金属層からなる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. プレクリーニングプロセスチャンバーで実施される請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法であって、該方法が、さらに、
    ｉｉｉ）前記プレクリーニングプロセスチャンバーを所定の圧力以下まで排気させる工程であって、好ましくは前記所定の圧力が１×１０^-6Ｔｏｒｒである工程を含む、方法。
13. ｉｖ）さらなるプロセス工程を実施することができるように前記半導体構造をさらなるプロセスチャンバーに移す工程であって、前記半導体構造をプレクリーニングプロセスチャンバー内の前記所定の圧力が達成された後に移す工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 工程ｉｉ）で実施される前記プレクリーニングによりＣＯが生じ、工程ｉｉｉ）で実施される前記プロセスチャンバーの所定の圧力までの排気が、１×１０^-7Ｔｏｒｒ以下のＣＯ分圧を達成することを含む、請求項１２または１３記載の方法。
15. モジュラー半導体プロセスツールであって、
    該プロセスツールは、
    有機誘電材料の露出した誘電体層を有する半導体構造を提供するための１以上の加工モジュールであって、前記誘電体層が、プレクリーニングされる１以上の導電性構造を露出させる、その中に形成された１以上の機構を有し、ここで、前記導電性構造はそれぞれ、場合によってその上に形成されたバリヤ層を有する金属層を含み、前記露出した誘電体層の表面積が前記誘電体層によって露出された前記導電性構造の前記表面積よりも大きいものである、加工モジュール、
    プレクリーニングプロセスチャンバー、
    前記半導体構造に関してさらなるプロセス工程を実施するためのさらなるプロセスチャンバー、
    前記半導体構造を加工モジュールから前記プレクリーニングプロセスチャンバーへ移すための手段、および
    プレクリーニング後に前記半導体構造を前記プレクリーニングプロセスチャンバーから前記さらなるプロセスチャンバーへ移すための手段
    を含み、
    前記プレクリーニングプロセスチャンバーが、１．０：１以下、さらに好ましくは０．５：１未満、そして最も好ましくは０．４：１以下の分圧比Ａｒ：Ｈ₂で存在するＡｒおよびＨ₂を使用してＡｒ／Ｈ₂スパッタエッチングを実施して、前記露出した導電性構造から材料を除去し、そして有機誘電材料を前記露出した誘電体層から除去するためのスパッタエッチング装置を含む、モジュラー半導体プロセスツール。
16. 前記さらなるプロセスチャンバーが前記半導体構造上に金属の１以上の層を堆積させるためのメタライゼーションツールである、請求項１５に記載のプロセスツール。
17. 前記半導体構造を前記プレクリーニングプロセスチャンバーから前記さらなるプロセスチャンバーへ移すための前記手段が前記プレクリーニングプロセスチャンバーに関連するプロセス条件の検出に関して操作可能であり、前記プロセス条件がプレクリーニング後に前記プレクリーニングプロセスチャンバー内の所定の圧力の達成である、請求項１５または請求項１６記載のプロセスツール。

Images