JPH04106930A - 銅配線の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は銅配線の形成方法に関するものである。

鋼は耐酸化性に劣り、単体で用いることは困難である。

この問題を解決する手段として、配線の全体を高融点金
属で覆う方法が求められている。

〔従来の技術〕

従来の方法は、特開昭６４−５９９３８号に記載のよう
に銅合金としてチタン、ジルコニウム、アルミニウム、
はう素の銅合金配線を形成後、加熱又はプラズマ中にさ
らし、表面（上面及び側面）に拡散した上記合金を形成
する物質が窒素雰囲気中で窒化物を作るというものであ
る。この窒化物が銅の耐酸化性を向上させ、銅合金は次
第に純粋になり純銅の抵抗に近づくと論じられている。

本方法では、銅合金を熱処理し合金元素を表面に拡散さ
せるため、その拡散温度で他の半導体素子の特性も変化
してしまう。さらに銅は耐熱性に劣り微量酸素で酸化さ
れてしまうので高温プロセスは避けなければならない。

よって上記プロセスで銅表面に酸化銅が形成されており
、その後の窒化処理で信頼性の高い窒化物例えばＴｉＮ
等を形成することは困難である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、高温熱処理のプロセスを用いるため
、銅の表面（上面及び側面）の酸化、窒化物の均−性等
の問題があり、銅のもつ低抵抗。

高耐エレクトロマイグレーション、ストレスマイグレー
ション性が劣化する可能性がある。

さらに銅合金が熱処理により完全に表面に拡散するわけ
ではなく一部銅配線中に固溶する。したがって銅の表面
（上面及び側面）に安定な窒化物が形成されても内部の
銅合金の特性、抵抗及びマイグレーション性、が問題と
なる。

以上のような技術課題に対処するためには、エツチング
と同時に良好な側壁保護膜を形成することが考えられる
。本発明の目的は、高温の熱履歴を加えずさらに工程増
がない銅の配線方法を提案することにある。

〔課題を解決するための手段〕

銅の反応性イオンエツチングを達成するためには、銅の
塩化物を生成して昇華させることが必要である。このエ
ツチングガスに高融点金属を含む塩素系ガスを用いる。

このとき同時にヘリウム。

窒素等のガスを導入してもかまわない。銅の側壁保護膜
としては、Ｍ　ｏ　＋　Ｗ　ｒ　Ｔ　ａ　ｇ　Ｔ　ｉＨ
Ｚ　ｒ等が挙げられるのでそれらの塩素系ガスを用いる
ことにより、塩素で銅をエツチングすると同時にＭｏ、
Ｗ等の高融点金属を側壁に付着させることができる。こ
れらの塩素系ガスは通常液体であるが、エツチング室内
を減圧にすることによりガスとして導入することができ
る。トライエツチング装置は、反応性イオンエツチング
を達成できるものがよい。異方性エツチングのため側壁
以外に付着したＭｏ、Ｗ等は塩素イオンでエツチングさ
れ、エツチング残渣として残ることはない。

〔作用〕

ドライエツチング装置内に導入された高融点金属の塩素
系ガス、例えばＭ　ｏ　ＣＱ　ｓは、高周波電圧を印加
することによりプラズマ化する。プラズマ化したモリブ
デン、塩素のうち塩素は銅と反応して塩化銅を形成し昇
華する。モリブデンは銅表面に付着するが塩素と反応し
昇華する。このとき鋼の側壁に付着したモリブデンは、
塩素イオンが基板に垂直に当たるため塩素との化合物を
生成しない。最終的に銅のパターンが形成されたときモ
リブデンは、銅の側壁全体を覆うようになる。銅とモリ
ブデンは、銅の側壁全体を覆うようになる。

銅とモリブデンは固溶体を作らず熱的に安定なため、銅
の抵抗変動、高エレクトロマイグレーション、ストレス
マイグレーション耐性を劣化させる、ことはない。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図により説明する。

エツチングガスとしてＭ　ｏ　Ｃａ２を用いた場合につ
いて説明する。シリコン基板４上にシリコン酸化膜３を
成長させ、その上に銅２を例えば５００ｎｍ付着させる
。銅２の付着方法は例えばＤＣマグネトロンスパッタ法
で、１０　ｍ　Ｔｏｒｒ（７）　Ａ　ｒ　ｉ　Ｘ圧力で
、ＤＣ４ＫＷとする。その後通常の露光方法でレジスト
１をパターニングする（第１図（ａ））。

ＤＣマグネトロンでスパッタリングする銅のターゲット
は、純銅でも銅合金でもかまわない。このときの銅合金
とは、銅の耐エレクトロマイグレーション性、耐ストレ
スマイグレーション性、さらには耐腐食性、耐酸化性を
向上させる元素が望ましい。−例として銀、アルミニウ
ム、ニッケル。

鉄、亜鉛、ジルコニウム等が挙げられる。

次に（ｂ）に示すように、高融点金属の塩素系ガス例え
ばＭｏＣＱ５６を導入し銅２を反応性イオンエツチング
する。このとき基板上にＲＦを例えば１００Ｗ印加する
。ＭｏＣｆ１５６の流量は例えば２　Ｑ　ｓｃｃｍとす
る。このときの圧力を例えば５ｐａとする。エツチング
ガスには、プラズマの安定性２熱伝導性、エツチング残
渣等の問題を考慮するとヘリウム、窒素等を同時に導入
することが望ましい。プラズマ化したＭｏ、ＣＱはＲＦ
バイアスにより基板上に直進する。銅２は直進する塩素
イオンの影響で異方性を帯びてくる。モリブデン５は全
面に付着するが、側壁以外に付着したものは塩素イオン
によりエツチングされる。側壁のモリブデン５も等方的
な塩素ラジカルにより数ｎｍエツチングされるが大部分
は残る。

（ｃ）は銅２のエツチングが終了し側壁にモリブデン５
が付着し、レジスト１を除去した形状である。この方法
を用いることで、今まで課題であった銅の耐酸化性、耐
腐食性がモリブデン５で保護されるので向上する。モリ
ブデン５の側壁膜厚はエツチング時間、ＭｏＣＱｒ＋流
量等により決まるが銅の保護効果、線幅等を考慮すると
数＋ｎｍが望ましい。

次に第２図に示すように銅２の全面（上下面及び側面）
をモリブデン５．５ａ、５ｂで覆う場合を説明する。シ
リコン酸化膜３上に銅２との密着性及び銅２とシリコン
基板４との反応を防止するために、モリブデン５ｂを例
えばＤＣマグネトロンスパッタ法により例えば１１００
ｎ被着する。

このときのスパッタリング条件は例えば１．０　ｍＴｏ
ｒｒのＡｒ圧力でＤＣＩＫＷとする。次に第１図（ａ）
と同様な方法で銅２を例えば５００ｎｍ被着する。次に
上記と同様な方法でモリブデン５ａを１１００ｎ被着す
る。この銅２の上面のモリブデン５ａは、レジスト１と
銅２との反応防止、パターニング後のレジスト１除去時
の酸素プラズマによる銅２の酸化防止、あるいは露光時
の反射防止膜等に用いられる。その後レジスト１をバタ
ーニングする。このモリブデン５ａ／銅２／モリブデン
５ｂの３層構造をエツチングする・（ｂ）は第１図（ｂ
）と同様な方法でＭ　ｏ　ＣＱ　５ガスによりモリブデ
ン５ａ、銅２．モリブデン５ｂとエツチングする。

（ｃ）はエツチングが終了し、レジスト１を酸素プラズ
マで除去した形状である。このとき銅２の上面はモリブ
デン５ａで覆っているので酸化の問題はない。このよう
に銅２の全面（上下面及び側面）をモリブデン５ａ、５
，５ｂで覆っているので外部からの腐食、酸化に強くさ
らに銅２の耐エレクトロマイグレーション性、耐ストレ
スマイグレーション性にも強い構造となる。

その後（ｄ）に示すように通常のＣＶＤ法により眉間絶
縁膜、例えばシリコン酸化膜６を被着しても、耐熱性の
高いモリブデンで全面を覆っているので銅２の酸化の問
題はない。

第３図は銅２の側壁の保護膜がない場合と全面をモリブ
デン５で覆う場合幅２μｍ、長さ２■。

厚さ５００ｎｍの配線を形成し両端の抵抗を測定するパ
ターンを示す。（ａ）がＣＱ　２でエツチングした場合
、（ｂ）がＭ　ｏ　ＣＱ　ｓでエツチングした場合を示
す。（ｃ）は上から見た（ａ）（ｂ）の配線パターンで
ある。

第４図は第３図の方法で形成した配線パターンの耐熱性
を評価した結果である。２００℃に基板を加熱し１両端
の抵抗を測定した。保護膜のない配線は加熱時間と共に
抵抗が上昇する。一方保護膜のある配線では抵抗変化が
ほとんどない。例えば加熱時間２分では、保護膜ありの
場合０．３％保護膜なしの場合４．５％抵抗が上昇して
いる。

側壁のモリブデンにより耐熱性が高くなったことを示し
ている。

第５図は第４図と同様のパターンを用い酸素プラズマ中
にさらした後の抵抗変化を調べたものである。酸素プラ
ズマ条件はｌ　ＯＯＷ、　０．５Ｔｏｒｒ。

２Ｑ／ｗｉｎとした。第４図は同様に保護膜のない配線
は徐々に抵抗が上昇するのに比べ保護膜のある配線は、
はとんど変わらない。

以上第４図、第５図より側壁保護膜を設けることにより
、銅の耐熱性、耐酸素プラズマ性が向上し信頼性の高い
銅配線を形成することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば銅のトライエツチングと同時に側壁の保
護膜を形成できるので工程の短縮につながる。さらに形
成方法がスパッタリング法なので他の半導体素子に与え
る熱的影響も少ない。

また純銅を保護するプロセスなので、低抵抗。

高耐マイグレーション性を劣化させることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は銅の単層膜をＭ　ｏ　ＣＱ　５でトライエツチ
ングしたときの断面図、第２図は銅の上下面にＭｏを被
着し、その後Ｍ　ｏ　ＣＱ　５でドライエツチングした
ときの断面図、第３図（ａ）（ｂ）はドライエツチング
ガスに高融点金属の塩素系ガスを用いたときと用いない
ときの断面図、（ｃ）は抵抗測定用のパターンと測定方
法を示す図、第４図は第３図（ａ）（ｂ）構造のパター
ンの耐熱性を示す図、第５図は耐酸素プラズマ性を示す
図である。 １・・・レジスト、２・・銅、３・・シリコン酸化膜、
４・・・シリコン基板、５，５ａ、５ｂ・・・モリブデ
ン、６　シリコン酸化膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも銅を含む配線を形成する方法において、
   シリコン酸化膜上に銅を被着させる工程と、該工程を経
   たのちレジストをパターニングする工程と該工程を経た
   のち高融点金属を含む塩素系ガスで銅をドライエッチン
   グする工程とを具備することを特徴とする銅配線の形成
   方法。 ２、少なくとも銅を含む配線を形成する方法において、
   銅の拡散バリアメタル上に銅を被着させる工程と、該工
   程を経たのち再び銅の拡散バリアメタルを被着させる工
   程と該工程を経たのち、レジストをパターニングする工
   程と、該工程を経たのち高融点金属を含む塩素系ガスで
   該３層膜をドライエッチングする工程とを具備すること
   を特徴とする銅配線の形成方法。 ３、請求項２記載の高融点金属を含む塩素系ガスは、Ｍ
   ｏＣｌ＿５、ＷＣｌ＿５、ＴａＣｌ＿４、ＴｉＣｌ＿４
   、ＺｒＣｌ＿４のうち少なくとも１つと他の塩素系ガス
   を用いることを特徴とする銅配線の形成方法。 ４、エッチングガスには、請求項３記載の高融点金属を
   含む塩素系ガスとヘリウム、窒素のうち少なくとも１つ
   を用いることを特徴とする銅配線の形成方法。 ５、請求項３記載の他の塩素系ガスには、Ｃｌ＿２、Ｃ
   Ｃｌ＿４、ＳｉＣｌ＿４、ＢＣｌ＿３のうち少なくとも
   一つを用いることを特徴とする銅配線の形成方法。