(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-07-03
(45)【発行日】2023-07-11
(54)【発明の名称】ドライエッチング残渣を除去するための洗浄液及びこれを用いた半導体基板の製造方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/304 20060101AFI20230704BHJP
C11D 17/08 20060101ALI20230704BHJP
C11D 7/32 20060101ALI20230704BHJP
C11D 7/50 20060101ALI20230704BHJP
【FI】
H01L21/304 647A
C11D17/08
C11D7/32
C11D7/50
(21)【出願番号】P 2020506425
(86)(22)【出願日】2019-03-05
(86)【国際出願番号】 JP2019008639
(87)【国際公開番号】W WO2019176652
(87)【国際公開日】2019-09-19
【審査請求日】2022-01-13
(31)【優先権主張番号】P 2018046290
(32)【優先日】2018-03-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004466
【氏名又は名称】三菱瓦斯化学株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100092783
【氏名又は名称】小林 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100110663
【氏名又は名称】杉山 共永
(74)【代理人】
【識別番号】100104282
【氏名又は名称】鈴木 康仁
(72)【発明者】
【氏名】菊永 孝裕
(72)【発明者】
【氏名】堀江 宏彰
(72)【発明者】
【氏名】青山 公洋
(72)【発明者】
【氏名】田島 恒夫
【審査官】安田 雅彦
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2017/208767(WO,A1)
【文献】国際公開第2017/119350(WO,A1)
【文献】特開2016-127291(JP,A)
【文献】特開平05-287300(JP,A)
【文献】特開2013-157516(JP,A)
【文献】特開2011-159658(JP,A)
【文献】国際公開第2016/076033(WO,A1)
【文献】特開2003-262963(JP,A)
【文献】特開2011-243610(JP,A)
【文献】特開2018-021093(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/304 -21/308
H01L 21/28 -21/288
H01L 21/3213
H01L 21/768
H01L 21/02 -21/033
C11D 17/08
C11D 7/22 - 7/52
G03F 7/42
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アミン化合物(A)0.2~20質量%、水溶性有機溶媒(B)40~70質量%、及び水を含有する洗浄液であって、
前記アミン化合物(A)が、n-ブチルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン、1,4-ブタンジアミン、ジブチルアミン
、N,N-ジエチル-1,3-ジアミノプロパン、及びビス(ヘキサメチレン)トリアミンからなる群より選択される1以上を含有し、かつ前記水溶性有機溶媒(B)の20℃における粘度が10mPa・s以下であり、pHが9.0~14の範囲にある、前記洗浄液。
【請求項2】
前記アミン化合物(A)の含有量が0.2~4.0質量%である、請求項1に記載の洗浄液。
【請求項3】
前記水の含有量が28~59質量%である、請求項1または2に記載の洗浄液。
【請求項4】
前記水溶性有機溶媒(B)が、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、及びN,N-ジメチルイソブチルアミドからなる群より選択される1以上を含有する、請求項1から3のいずれかに記載の洗浄液。
【請求項5】
前記アミン化合物(A)が
、N,N-ジエチル-1,3-ジアミノプロパン、及びビス(ヘキサメチレン)トリアミンからなる群より選択される1以上を含有する、請求項1から4のいずれかに記載の洗浄液。
【請求項6】
ドライエッチング残渣を除去するための、請求項1から5のいずれかに記載の洗浄液。
【請求項7】
請求項1から6のいずれかに記載の洗浄液を用いて、コバルトを含む半導体基板を洗浄する工程を含む、半導体基板の製造方法。
【請求項8】
前記半導体基板が、コバルトを含有する金属配線層と、層間絶縁膜と、酸化アルミニウムを含有するドライエッチングストッパー層とを含む、請求項7に記載の半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体基板の製造工程において、コバルトを含有する金属配線層および層間絶縁膜のダメージを抑制し、被処理表面のドライエッチング残渣とドライエッチングストッパー層を除去する洗浄液及びこれを用いた半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体基板の製造工程にはドライエッチング工程があり、特定の材料を他の材料に対して選択的に除去する工程を含んでいる。その際、ドライエッチング残渣と呼ばれるエッチングの解け残りや金属かす等がエッチング処理後の表面に残存し、これを取り除くために洗浄液が用いられる。
【0003】
近年の半導体基板においては、配線材料としては銅が使用され、層間絶縁膜としては低誘電率膜(以下、「Low-k膜」と称す)が使用されている。しかし、配線の微細化が進むにつれて、エレクトロマイグレーションが起こりやすくなり、銅配線の信頼性低下が問題視されている。そのため、エレクトロマイグレーション耐性を向上させる代替材料として、コバルトが提唱されている。一方、この配線材料を含む基板をドライエッチングする際、処理後の基板表面に有機系やシリコン系のドライエッチング残渣が残る。 また、半導体基板には、ドライエッチングによる配線材料へのダメージを防ぐために、酸化アルミニウムなどのドライエッチングストッパー層が含まれていることがある。
よって、基板の配線材料および層間絶縁膜を防食しつつ、ドライエッチング残渣とドライエッチングストッパー層を除去する洗浄技術が求められている。さらに、洗浄後の製膜工程に好ましくない現象である、酸化アルミニウムなどのドライエッチングストッパー層のサイドエッチングを抑制する必要がある。
【0004】
ドライエッチング残渣を脆弱化させるために酸化還元剤が洗浄液に使用されることがある。しかしながら酸化還元剤は、洗浄液中の成分分解による性能劣化、基板表面の材質変化などを誘起する問題がある。
また、配線材料のダメージを防ぐために防食剤が使用されることもあるが、配線材料表面に吸着した防食剤は、洗浄後の製膜工程に不具合が生じないように除去する必要がある。含窒素複素環式化合物は代表的なコバルト防食剤であるが、一般的な洗浄液で配線材料表面から除去することは容易ではない。
【0005】
コバルト配線材料を含む基板向けの洗浄液において、ヒドロキシルアミン化合物と、特定構造の含窒素化合物と、有機溶剤と水からなる薬液を用いて洗浄する方法が知られている(特許文献1)。しかし、残渣を溶解させるために還元剤であるヒドロキシルアミン化合物が使用されている。また、防食剤である含窒素複素環式化合物を添加しなければ、コバルトへのダメージを十分に抑制できない。
【0006】
コバルト配線材料を含む基板向けの洗浄液において、アルカリ金属化合物、過酸化物、アルカリ土類金属および水からなる薬液を用いて洗浄する技術が知れている(特許文献2)。しかし、ドライエッチング残渣を溶解させるために酸化剤として過酸化物が使用されており、防食剤を添加しないとコバルトへのダメージを抑制できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】国際公開第2017-119350号
【文献】国際公開第2016-076033号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の課題は、従来の方法では対応が困難であった、コバルトを含有する金属配線層および層間絶縁膜を防食し、ドライエッチング残渣およびドライエッチングストッパー層の除去を行える洗浄液およびこれを用いたコバルトを含む半導体基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明者らは鋭意検討した結果、特定のアミン化合物(A)、水溶性有機溶剤(B)及び水を含有する洗浄液を用いることで上記課題を解決できる事を見出した。
すなわち、本発明は以下の通りである。
【0010】
<1> アミン化合物(A)0.2~20質量%、水溶性有機溶媒(B)40~70質量%、及び水を含有する洗浄液であって、
前記アミン化合物(A)が、n-ブチルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン、1,4-ブタンジアミン、ジブチルアミン、3-アミノ-1-プロパノール、N,N-ジエチル-1,3-ジアミノプロパン、及びビス(ヘキサメチレン)トリアミンからなる群より選択される1以上を含有し、かつ前記水溶性有機溶媒(B)の20℃における粘度が10mPa・s以下であり、pHが9.0~14の範囲にある、前記洗浄液である。
<2> 前記アミン化合物(A)の含有量が0.2~4.0質量%である、上記<1>に記載の洗浄液である。
<3> 前記水の含有量が28~59質量%である、上記<1>または<2>に記載の洗浄液である。
<4> 前記水溶性有機溶媒(B)が、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、及びN,N-ジメチルイソブチルアミドからなる群より選択される1以上を含有する、上記<1>から<3>のいずれかに記載の洗浄液である。
<5> 前記アミン化合物(A)が、3-アミノ-1-プロパノール、N,N-ジエチル-1,3-ジアミノプロパン、及びビス(ヘキサメチレン)トリアミンからなる群より選択される1以上を含有する、上記<1>から<4>のいずれかに記載の洗浄液である。
<6> ドライエッチング残渣を除去するための、上記<1>から<5>のいずれかに記載の洗浄液である。
<7> 上記<1>から<6>のいずれかに記載の洗浄液を用いて、コバルトを含む半導体基板を洗浄する工程を含む、半導体基板の製造方法である。
<8> 前記半導体基板が、コバルトを含有する金属配線層と、層間絶縁膜と、酸化アルミニウムを含有するドライエッチングストッパー層とを含む、上記<7>に記載の半導体基板の製造方法である。
【発明の効果】
【0011】
本発明により、半導体基板の製造工程において、コバルトを含有する金属配線層および層間絶縁膜のダメージを抑制し、基板表面のドライエッチング残渣とドライエッチングストッパー層を選択的に除去可能な洗浄液及びこれを用いた半導体基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】ドライエッチング残渣除去前のコバルトを含有する半導体基板の一例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本発明の洗浄液は、特定のアミン化合物(A)、水溶性有機溶媒(B)、及び水を含有する。以下、詳細に説明する。
【0014】
[アミン化合物(A)]
本発明で使用するアミン化合物(A)は、コバルト防食性の観点から、特定のアミン化合物から選択される1以上を含有する。
具体的には、n-ブチルアミン、ヘキシルアミン、オクチルアミン、1,4-ブタンジアミン、ジブチルアミン、3-アミノ-1-プロパノール、N,N-ジエチル-1,3-ジアミノプロパン及びビス(ヘキサメチレン)トリアミンが挙げられる。これらのなかでも、高温条件でも揮発が少ない3-アミノ-1-プロパノール、N,N-ジエチル-1,3-ジアミノプロパン、及びビス(ヘキサメチレン)トリアミンが好ましい。これらは、市販品を容易に入手でき、また好適に使用できる。
洗浄液中のアミン化合物(A)の含有量は、0.2~20質量%の範囲であり、0.2~8.0質量%の範囲が好ましく、0.2~4.0質量%の範囲がより好ましく、0.5~4.0質量%の範囲が特に好ましく、これらの範囲にあることで、ドライエッチング残渣の除去性と酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層の除去性が両立できる。
使用量が多すぎる場合、酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層の除去性が高くなり、酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層のサイドエッチングが増大する場合がある。一方、使用量が少なすぎる場合、ドライエッチング残渣と酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層の除去性が不充分となることがある。
【0015】
[水溶性有機溶媒(B)]
本発明で使用する水溶性有機溶媒(B)は、20℃における粘度が10mPa・s以下の水に可溶な溶媒である。
具体的には、ジエチレングリコールモノメチルエーテル(以下、DGME)、ジエチレングリコールモノブチルエーテル(以下、DGMB)、トリエチレングリコールモノメチルエーテル(以下、TGME)、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル(以下、DPGMG)、及びN,N-ジメチルイソブチルアミド(以下、DMIB)が好ましく挙げられる。これらは、市販品を容易に入手でき、また好適に使用でき、2種以上を組み合わせて使用することもできる。
洗浄液中の水溶性有機溶媒(B)の含有量は、40~70質量%の範囲であり、45~65質量%の範囲が好ましい。使用量が少なすぎる場合、酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層の除去性が高くなり、酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層のサイドエッチングが増大する場合がある。また、コバルトの防食性が不充分となることもある。一方、使用量が多すぎる場合、酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層の除去性が低下し、洗浄時間が長くなる場合がある。
【0016】
[水]
本発明で使用される水としては、水道水、工業用水、地下水、蒸留水、イオン交換水、超純水など特に限定はないが、好ましくはイオン交換水、より好ましくは超純水である。
洗浄液中の水の含有量は、28~59質量%の範囲が好ましく、34~54質量%の範囲がより好ましい。
【0017】
[洗浄液]
本発明の洗浄液は、前記アミン化合物(A)、水溶性有機溶媒(B)、及び水を一般的な方法で均一に攪拌して調製することができる。
洗浄液のpHは9.0~14であり、11~13が好ましい。pHが低くなりすぎると、酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層の除去性やコバルトの防食性が低下し、pHが高くなりすぎると酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層の除去性が高くなり、酸化アルミニウムを含むドライエッチングストッパー層のサイドエッチングが増大する場合がある。
pH調整は、アミン化合物(A)の含有量のみで調整してもよいが、本発明の目的を損なわない範囲で酸を添加してもよい。
【0018】
[半導体基板]
本発明の洗浄液が使用される半導体基板は、コバルトを含有する金属配線層、層間絶縁膜、及びドライエッチングストッパー層を有していることが好ましく、基板表面にドライエッチング後の残渣が存在する。特に、半導体基板がドライエッチング残渣としてマスクパターン残渣(有機物系化合物残渣)を有する場合において効果的である。また、上記層間絶縁膜は、低誘電率膜(Low-k膜)を含んでいてもよい。また、上記ドライエッチングストッパー層は、酸化アルミニウムを含むことが好ましい。
【0019】
[半導体基板の製造方法]
本発明の半導体基板の製造方法は、上記本発明の洗浄液を用いて、コバルトを含む半導体基板を洗浄する工程を含む。
例えば、ドライエッチング処理後の半導体基板に対して、本発明の洗浄液を浸漬処理又は枚葉処理の方法で使用することができる。処理温度は、通常10~70℃であり、40~60℃が好ましい。処理時間は、通常0.5~10分であり、1~5分が好ましい。本発明の洗浄液を使用した後のリンス液としては、水でリンスするだけでも十分であるが、アルコールのような有機溶剤やアンモニア水を使用してもよい。
【実施例】
【0020】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【0021】
<評価基板>
ドライエッチング残渣除去性評価用(評価I):有機物(炭素、水素、酸素、窒素)からなる下層反射防止膜(膜厚:400Å)、
ドライエッチングストッパー層除去性評価用(評価II):酸化アルミニウム膜(膜厚:3000Å)、
金属配線防食性評価用(評価III):コバルト膜(膜厚:2000Å)を使用した。
層間絶縁膜防食性評価用(評価IV):ケイ素、炭素、水素、酸素からなるLow-k膜(膜厚:3000Å)
【0022】
<評価基板の作製方法>
下層反射防止膜及びLow-k膜は、それぞれシリコンウェハ上にスピンコーティングして成膜した。
酸化アルミニウム膜は、シリコンウェハ上に物理気相成長法で成膜した。
コバルト膜は、シリコンウェハ上に5000Åの酸化シリコン、250Åのチタンの順で堆積させ、その上に化学気相成長法で成膜した。
【0023】
<評価方法>
[処理条件]
1×1cm、または2×2cmサイズの上記評価基板の試験片を60℃の洗浄液10gに浸漬させ、処理後の試験片を水リンスした。
[膜厚測定]
下層反射防止膜、酸化アルミニウム膜、及びLow-k膜の膜厚は、光学式膜厚計n&k1280(n&kテクノロジー製)で測定した。コバルトの膜厚減少量は、ICP-AES iCAP6300(Thermo Scientific製)を用いて、処理後の洗浄液中の金属濃度から算出した。
(膜厚減少量[Å]=洗浄液中の金属溶解量[g]×108÷密度[g/cm3]÷試験片の表面積[cm2])
エッチングレート[Å/min]は、膜厚減少量を処理時間(酸化アルミニウム膜は1分、コバルト膜は4分、Low-k膜は5分)で除することで算出した。
判定;
(評価I):ドライエッチング残渣の除去性
下層反射防止膜の除去時間(下層反射防止膜が剥離し、下地材が目視できた時点の時間)で判定した。
G:15分未満
A:15分~30分未満
P:30分~60分
(評価II):酸化アルミニウム膜の除去性
酸化アルミニウム膜のエッチングレートで判定した。
G:15~50Å/min未満
A1:10~15Å/min未満
A2:50~60Å/min
P1:10Å/min未満。
P2:60Å/min超。
G、A1及びA2判定を合格とする。
(評価III):コバルトの防食性
コバルト膜のエッチングレートで判定した。
G:1Å/min未満。
P:1Å/min以上。
G判定を合格とする。
(評価IV):Low-k膜の防食性
Low-k膜のエッチングレートで判定した。
G:1Å/min未満。
P:1Å/min以上。
G判定を合格とする。
【0024】
[pH]
洗浄液のpHを、HORIBA製pH METER F-52で測定した。測定温度は、25℃とした。
[粘度]
洗浄液の粘度を、柴田科学製ウベローデ粘度計で測定した。測定温度は、20℃とした。
【0025】
[実施例1~22及び比較例1~9]
表1又は表2に示した組成の洗浄液を使用して、上記評価基板を処理して評価を行った。表1又は表2中の濃度の単位は、質量%を表す。評価IVは実施例1~22について評価し、全てG判定であった。
【0026】
【表1】
DGME:ジエチレングリコールモノメチルエーテル(20℃における粘度が4mPa・s)
DGBE:ジエチレングリコールモノブチルエーテル(20℃における粘度が7mPa・s)
TGME:トリエチレングリコールモノメチルエーテル(20℃における粘度が8mPa・s)
DPGME:ジプロピレングリコールモノメチルエーテル(20℃における粘度が4mPa・s)
DMIB:N,N-ジメチルイソブチルアミド(20℃における粘度が1mPa・s)
【0027】
【表2】
グリセリン:(20℃における粘度が1500mPa・s)
【符号の説明】
【0028】
1:ドライエッチング残渣
2:ドライエッチングストッパー層
3:金属配線層(コバルト)
4:層間絶縁膜