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Title:
PROCESS FOR CLEANING SEMICONDUCTOR ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/147948
Kind Code:
A1
Abstract:
In a wiring formation process for a semiconductor device, a resist residue generated during dry etching by a reactive gas or ashing by a plasma gas is removed without corroding a member of the semiconductor device such as an interlayer insulting material or a wiring material, while suppressing after-corrosion which occurs in a certain time after completion of the process. By sequentially performing (1) a cleaning step by means of an aqueous solution containing hydrofluoric acid, (2) a cleaning step by means of a mixed solution of hydrogen peroxide and ammonia, and (3) a cleaning step by means of a hydrogen peroxide solution, a resist residue on the side wall of metal wiring which is mainly composed of aluminum (Al) can be removed, while suppressing occurrence of after-corrosion.

Inventors:
TANAKA KEIICHI (JP)
SOTOAKA RYUJI (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/059280
Publication Date:
December 10, 2009
Filing Date:
May 20, 2009
Export Citation:
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Assignee:
MITSUBISHI GAS CHEMICAL CO (JP)
TANAKA KEIICHI (JP)
SOTOAKA RYUJI (JP)
International Classes:
H01L21/304; H01L21/306; H01L21/3213
Foreign References:
JP2004519088A2004-06-24
Attorney, Agent or Firm:
OHTANI, Tamotsu (JP)
Tamotsu Otani (JP)
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Claims:
 レジスト形成後ドライエッチングし、アッシング後のアルミニウム(Al)を主成分とする金属を有する半導体素子を製造する際、該金属配線側面および上面に残存する半導体上のレジスト残渣物を洗浄除去する方法であって、下記の(1)~(3)の洗浄処理を順次行う半導体の洗浄方法。
(1)フッ化水素酸を含む水溶液による洗浄処理
(2)アンモニアと過酸化水素の混合溶液による洗浄処理
(3)過酸化水素水を用いる洗浄処理
 (1)フッ化水素酸を含む水溶液中に、有機ホスホン酸を含有する請求項1に記載の半導体素子の洗浄方法。
 有機ホスホン酸が、アミノメチルホスホン酸、ヒドロキシエチリデンジホスホン酸、アミノトリメチレンホスホン酸、エチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸、ジエチレントリアミンペンタメチレンホスホン酸、ヘキサメチレンジアミンテトラメチレンホスホン酸、ビスヘキサメチレントリアミンペンタメチレンホスホン酸、およびプロピレンジアミンテトラメチレンホスホン酸から選択される1種以上である請求項2に記載の半導体素子の洗浄方法。
 フッ化水素酸を含む水溶液中のフッ化水素酸の濃度が、0.001~0.05重量%である請求項1記載の半導体素子の洗浄方法。
 フッ化水素酸を含む水溶液中の有機ホスホン酸の濃度が、0.005~1重量%である請求項2に記載の半導体素子の洗浄方法。
 アンモニアと過酸化水素の混合水溶液が、0.001~1重量%のアンモニアおよび0.1~30重量%の過酸化水素を含む溶液であり、かつpHが8~10の範囲内で
ある請求項1に記載の半導体素子の洗浄方法。
 過酸化水素水中の過酸化水素濃度が、0.1~31重量%である請求項1に記載の半導体素子の洗浄方法。
Description:
半導体素子の洗浄方法

 本発明は、半導体デバイスの配線形成工 において、ドライエッチングにより配線を 工した際に配線側壁に残存するレジスト残 物、またはプラズマガスによりフォトレジ ト層をアッシング除去した際に残存するレ スト残渣物を、層間絶縁材料や配線材料な の半導体デバイスの部材を腐食させずに除 し、かつ、処理発生するアフターコロージ ンを防止することが可能な洗浄方法に関す ものである。

 従来、半導体デバイスのアルミニウム(Al) を主成分とする金属配線形成工程において、 リソグラフィー技術が適用されている。リソ グラフィー技術とは、配線材料や層間絶縁材 料などの表層にフォトレジストを塗布した後 に、露光、現像によりパターンを形成し、次 いでパターン化されたフォトレジスト層をマ スクとして、非マスク領域の半導体デバイス 部材を選択的にエッチングする微細加工技術 である。エッチングには化学薬品や反応性ガ スが使用されるが、反応性ガスを使用したド ライエッチング技術が主流であり、このドラ イエッチング技術による選択エッチングし、 その後プラズマガスによるフォトレジストの アッシング除去の際に、Al配線側壁にレジス 残渣物が残存する。このレジスト残渣物が 存すると、断線や配線異常の原因となるこ から完全に除去することが必要である。

 レジスト残渣物を完全に剥離するために 薬液によるウェット除去法が用いられてい 。ウェット除去法に用いられる残渣物剥離 組成物としては、例えば、「フッ素化合物 水溶性有機溶剤および防食剤とからなるフ 素系水溶液」が知られており(特許文献1お び特許文献2参照)、剥離液組成物を使用した 多段処理方法としては、「フッ素系化合物を 含有する剥離液で剥離後、過酸化物を含有す る水で洗浄する方法」(特許文献3参照)が提案 されている。上記剥離液は、残渣物の剥離性 が良好であり、基板の腐食防止効果も優れて いることから広く使用されているが、アフタ ーコロージョン(洗浄処理直後には発生しな が、処理後数時間放置後にAl配線側壁に発生 する酸化異物)の発生が問題となっている。 こで、レジスト残渣物除去性とアフターコ ージョンの抑制効果の両方を併せ持つ洗浄 法が切望されていた。

特開平7-201794号公報

特開平8-202052号公報

特開平9-213704号公報

フォトレジスト層をマスクとしてドラ エッチングを行い、アルミニウム-銅(Al-Cu) 金配線体4を形成し、フォトレジスト層をア シング除去した後のアルミニウム合金回路 子の断面図である。 洗浄処理直後及び24hr後のアルミニウム -銅配線のSEM写真である。

1.シリコン基板
2.シリコン酸化膜
3.窒化チタン層
4.アルミニウム-銅(Al-Cu)合金
5.レジスト残渣物

 本発明の目的は、ドライエッチングし、 の後プラズマアッシングによりアルミニウ (Al)を主成分とする金属配線を加工した際に 残存するレジスト残渣物を、層間絶縁材料や 配線材料などの半導体デバイスの部材を腐食 せずに完全に剥離し、かつ、アフターコロー ジョンの発生を抑制する洗浄方法を提供する 。

 本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭 研究を重ねた結果、多段処理洗浄方法にお て、1段目にフッ化水素酸を含む水溶液で洗 浄し、2段目にアンモニアと過酸化水素の混 水溶液を用いて処理した後、3段目に過酸化 素水を用いて洗浄処理を行なうことにより レジスト残渣物を完全に除去し、かつアフ ーコロージョンの発生を抑制することが可 であることを見出した。

 すなわち、本発明は、半導体素子の洗浄方 に関するものであり、その要旨は以下のと りである。
 1.レジスト形成後ドライエッチングし、ア シング後のアルミニウム(Al)を主成分とする 属を有する半導体素子を製造する際、該金 配線側面および上面に残存する半導体上の ジスト残渣物を洗浄除去する方法であって 下記の(1)~(3)の洗浄処理を順次行う半導体の 洗浄方法。
(1)フッ化水素酸を含む水溶液による洗浄処理
(2)アンモニアと過酸化水素の混合溶液による 洗浄処理
(3)過酸化水素水を用いる洗浄処理
2.フッ化水素酸を含む水溶液中に、有機ホス ン酸を含有する第1項記載の半導体素子の洗 浄方法。
3.有機ホスホン酸が、アミノメチルホスホン 、ヒドロキシエチリデン‐1,1‐ジホスホン 、アミノトリメチレンホスホン酸、エチレ ジアミンテトラメチレンホスホン酸、ジエ レントリアミンペンタメチレンホスホン酸 ヘキサメチレンジアミンテトラメチレンホ ホン酸、ビスヘキサメチレントリアミンペ タメチレンホスホン酸、および1,2‐プロピ ンジアミンテトラメチレンホスホン酸から 択される1種以上である第2項記載の半導体 子の洗浄方法。
4.フッ化水素酸を含む水溶液中のフッ化水素 の濃度が、0.001~0.05重量%である第1項記載の 導体素子の洗浄方法。
5.フッ化水素酸を含む水溶液中の有機ホスホ 酸の濃度が、0.005~1重量%である第2項記載の 導体素子の洗浄方法。
6.アンモニアと過酸化水素の混合水溶液が、0 .001~1重量%のアンモニアおよび0.1~30重量%の過 化水素を含む溶液であり、かつpHが8~10の範 内である第1項記載の半導体素子の洗浄方法
7.過酸化水素水中の過酸化水素濃度が、0.1~31 量%である第1項記載の半導体素子の洗浄方

 本発明の洗浄方法を用いることにより、 ルミニウム(Al)を主成分とする金属を有する 配線側壁に残存するフォトレジスト由来の残 渣物を、層間絶縁材料や配線材料などの半導 体デバイスの部材を腐食せずに完全に剥離し 、かつ、アフターコロージョンの発生を抑制 することが可能となる。

[(1)フッ化水素酸を含む水溶液による洗浄処 (1段目)]
 本発明の(1)フッ化水素酸を含む水溶液によ 洗浄処理(以下、単に1段目ということがあ 。)において、処理液として使用するフッ化 素酸含有水溶液は、フッ化水素酸を含有す 水溶液であれば特に制限はなく、フッ化水 酸単独の水溶液でも可能であるが、有機ホ ホン酸を含むことが好ましい。フッ化水素 を含む水溶液に有機ホスホン酸を添加する とにより、アルミニウム(Al)を主成分とする 金属配線材質の腐食防止能が向上し、より効 果的な処理が可能となる。

 フッ化水素酸水溶液の含有される有機ホ ホン酸としては、アミノメチルホスホン酸 ヒドロキシエチリデンジホスホン酸、アミ トリメチレンホスホン酸、エチレンジアミ テトラメチレンホスホン酸、ジエチレント アミンペンタメチレンホスホン酸、ヘキサ チレンジアミンテトラメチレンホスホン酸 ビスヘキサメチレントリアミンペンタメチ ンホスホン酸、およびプロピレンジアミン トラメチレンホスホン酸が好ましく挙げら る。より好ましいものとしては、ヒドロキ エチリデンジホスホン酸、アミノトリメチ ンホスホン酸、エチレンジアミンテトラメ レンホスホン酸、ジエチレントリアミンペ タメチレンホスホン酸、ヘキサメチレンジ ミンテトラメチレンホスホン酸、ビスヘキ メチレントリアミンペンタメチレンホスホ 酸、およびプロピレンジアミンテトラメチ ンホスホン酸が挙げられる。また、特に好 しいものとしては、アミノトリメチレンホ ホン酸、エチレンジアミンテトラメチレン スホン酸、ジエチレントリアミンペンタメ レンホスホン酸、プロピレンジアミンテト メチレンホスホン酸が挙げられる。

 フッ化水素酸を含む水溶液中のフッ化水素 濃度は、対象とする金属配線によって適宜 定されるが、通常は0.001~0.05重量%の範囲が ましい。フッ化水素酸濃度が0.001重量%以上 あれば、残渣物の除去能力が低下すること なく、0.05重量%以下であれば、配線材料が腐 食されにくくなるので好ましい。同様の理由 から、より好ましくは、0.003~0.03重量%であり さらに好ましくは、0.007~0.02重量%である。
 また、フッ化水素酸を含む水溶液中の有機 スホン酸の添加量は、0.005~1.0重量%の範囲が 好ましく、0.01~0.5重量%がより好ましく、0.03~0 .2重量%がさらに好ましい。有機ホスホン酸の 添加量が上記範囲内であれば、金属配線材質 の腐食防止能が向上し、より効果的な処理が 可能となり、1段目の処理時間の調整が容易 なるので好ましい。また、経済的な観点か も優位である。

[(2)アンモニアと過酸化水素との混合溶液に る洗浄処理(2段目)]
 本発明の(2)アンモニアと過酸化水素との混 溶液による洗浄処理(以下、単に2段目とい ことがある。)において、処理液として用い アンモニアと過酸化水素との混合溶液は、 ましくは0.001~1重量%のアンモニアと0.1~30重 %の過酸化水素水とを、pH8~10の範囲内で任意 混合して得られる。混合溶液のpHが10以下で あれば、金属配線材料の腐食が発生しにくく なり、pHが8以上であれば、残渣物除去能力が 低下することがないので好ましい。

 混合溶液中のアンモニアのより好ましい 度は、0.01~0.2重量%であり、さらに好ましく 、0.03~0.1重量%である。また、過酸化水素の り好ましい濃度は、1~20重量%であり、さら 好ましくは、3~10重量%である。

[(3)過酸化水素水による洗浄処理(3段目)]
 本発明の(3)過酸化水素水による洗浄処理(以 下、単に3段目ということがある。)において 処理液として用いる過酸化水素水中の過酸 水素の濃度は、0.1~31重量%が好ましい。過酸 化水素の濃度が0.1重量%以上であれば、アフ ーコロージョンが発生しにくくなり、31重量 %以下であれば、アフターコロージョンの抑 効果を有効に得ることができ、さらには過 化水素水の安定性が良好となるので、取り いが容易となるので好ましい。同様の理由 ら、より好ましい過酸化水素の濃度は、1~31 量%であり、より好ましくは3~31重量%である なお、本発明においてアフターコロージョ が発生しにくくなるという効果を得るにあ っては、過酸化水素の濃度の濃淡によらず 過酸化水素水による洗浄処理を行うこと自 が重要となる。このことから、3段目の洗浄 処理においては、過酸化水素濃度が5重量%程 の過酸化水素水を用いることが通常である

[多段処理洗浄]
 本発明の洗浄技術は、多段処理洗浄方法に するものである。1段目の(1)フッ化水素酸を 含む水溶液での洗浄処理は、レジスト残渣物 の除去が主目的であり、レジスト残渣物を除 去する効果は大きいが、アルミニウム(Al)を 成分とする金属配線材料を腐食する性質も する。このことから、1段目処理後の状態と ては、レジスト残渣物を完全に除去するよ も、レジスト残渣物を多少残す程度に洗浄 、該金属配線材料に1段目処理による腐食が 発生しないようにすることが望ましい。

 2段目の(2)アンモニアと過酸化水素の混合 溶液での洗浄処理は、残渣物を除去する能力 は小さいが、金属配線材料などへの腐食性が 低いことから、1段目処理で取り残した残渣 を除去することを目的としている。よって Alを主成分とする金属配線工程の残渣物除去 処理において課題であったアフターコロージ ョンの発生を抑制する効果を同時に有する。

 3段目の(3)過酸化水素水での洗浄処理の目 的は、アフターコロージョンを抑制、防止す ることであり、2段目処理では不充分であっ アフターコロージョンの発生を完全に抑制 きる。

 本発明の多段処理洗浄は、各段で使用す 処理液が上記したような性能を有するため 処理順序が重要となる。上述した1段目処理 液、2段目処理液および3段目処理液の順に処 をおこなうことにより、良好な洗浄除去性 アフターコロージョンの防止効果が得られ が、処理順序を異にした場合、目的とする 果は得られない。例えば、過酸化水素水処 を1段目もしくは2段目に実施した場合、ア ターコロージョンの抑制効果は充分でなく( 較例3参照)、フッ化水素酸水溶液とアンモ ア過酸化水素混合溶液の処理順を逆にした 合、レジスト残渣物の除去性低下が生じる( 較例4参照)。なお、各処理の前後(1段目処理 と2段目処理の間、2段目処理と3段目処理の間 など)には、例えば超純水のような配線材質 影響を与えない液をリンス水として使用す ことも可能である。

 本発明の多段処理洗浄における洗浄温度 、10℃~40℃が好ましく、15℃~35℃がより好ま しく、20℃~30℃が特に好ましい。1~3段目の処 液の洗浄時間は、対象とする金属配線や、 用する処理液の濃度などによって適宜選定 れるが、1秒~10分程度が好ましく、5秒~5分が より好ましく、5秒~2分が特に好ましい。洗浄 時間が1秒以上であれば、処理液間の液置換 十分であり、10分以下であれば、十分な洗浄 効果が効率的に得られる。

 本発明に使用する処理液には有機溶剤な を用いていないことも、本発明の特徴であ 。これにより、本発明の洗浄方法により生 る洗浄廃液は、特殊な廃液処理を必要ない め、このことは本発明の利点の一つである

 以下、本発明を実施例および比較例によ さらに詳しく説明するが、本発明はこれら 実施例によって何ら限定されるものではな 。

実施例1~20、比較例1~6
 図1に、フォトレジスト層をマスクとしてド ライエッチングを行い、アルミニウム合金(Al -Cu)配線4を形成し、さらにプラズマガスによ フォトレジスト層をアッシング除去した後 アルミニウム合金配線の断面図を示した。 下部より、シリコン基板1、シリコン酸化膜 2、バリア層である窒化チタン層3、Al-Cu配線 4が形成され、さらにその上層に窒化チタン が形成されている。Al-Cu配線の側壁および 部にはレジスト残渣物5が残存している。こ アルミニウム配線を評価用サンプルとし、 1記載の組成液および処理順で枚葉洗浄処理 を実施した。

 残渣物除去性、材質腐食、アフターコロ ジョンの抑制効果については、処理後のウ ハをクリーンルーム内で24hr放置した後、SEM 観察(日立製S‐5500)を実施し評価した。SEM観 条件は、配線側壁が観察できるように30度の 傾斜をかけ、視野幅(横方向)が10μmとなるサ ズを1視野とみなした。アフターコロージョ が発生する洗浄処理条件でのSEM写真例を図2 (1視野)に示す。アフターコロージョン(1μm以 のサイズで側壁に目視で確認できる異物)は 処理直後では発生していないのに対し、24hr には発生している。各種条件で処理したAl-Cu 配線のSEM観察評価結果を表2に示す。評価の 定は次のとおりである。

(残渣物除去性)
 各実施例及び比較例の評価サンプルについ 、SEM観察により以下の基準で評価した。C評 価以上であれば合格である。
 A:レジスト残渣物が完全に除去された。
 B:99%以上のレジスト残渣物が除去された。
 C:90%以上99%未満のレジスト残渣物が除去さ た。
 D:70%以上90%未満のレジスト残渣物が除去さ た。
 E:70%未満のレジスト残渣物が除去された。
(材質腐食)
 各実施例及び比較例の評価サンプルについ 、SEM観察により以下の基準で評価した。C評 価以上であれば合格である。
 A:材質腐食は全く認められなかった
 B:材質腐食はほとんど認められなかった。
 C:僅かに材質腐食が認められた。
 D:一部、アルミニウム配線側壁に材質腐食 認められた。
 E:アルミニウム配線全体に荒れが認められ 。
(アフターコロージョンの抑制効果)
 各実施例及び比較例の評価サンプルについ 、SEM観察により以下の基準で評価した。C評 価以上であれば合格である。
 A:10視野中にアフターコロージョンの発生は 全く認められなかった。
 B:10視野中に1~9個のアフターコロージョンの 発生が認められた。
 C:10視野中に10~19個のアフターコロージョン 発生が認められた。
 D:10視野中に20~99個のアフターコロージョン 発生が認められた。
 E:10視野中に100個以上のアフターコロージョ ンの発生が認められた。

 本発明の洗浄方法を用いることにより、 ルミニウム(Al)を主成分とする金属を有する 配線側壁に残存するフォトレジスト由来の残 渣物を、層間絶縁材料や配線材料などの半導 体デバイスの部材を腐食せずに完全に剥離し 、かつ、アフターコロージョンの発生を抑制 することが可能となる。このような特徴をい かして、本発明の洗浄方法は、半導体デバイ スの配線形成工程において、好適に用いられ る。