JPH0729878A - 銅薄膜のドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 毒性や腐食性の高いハロゲン系ガスを用いる
ことなく、かつ一般の樹脂性フォトレジストの使用でき
る低い温度で銅薄膜のパターンを形成するドライエッチ
ング技術を提供することである。 【構成】 メタン、エタンあるいはプロパンなどのガス
状炭化水素に少なくとも酸素を共存させた混合ガスを反
応ガスに用い、プラズマのエネルギーによりフォトレジ
ストで覆われていない銅薄膜の表面に揮発性の高いＣＯ
Ｏ−ＣｕやＣｕ−Ｏなどの結合を含む化合物を形成せし
め、これらを銅の表面から気中に移送することにより銅
薄膜のパターンを形成するドライエッチング方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、銅薄膜のドライエッチ
ング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子部品の小型化・高集積化が進む中で
回路パターンの微細化が要求され、従来のパターン形成
技術である湿式エッチングではパターンの仕上がり精度
が充分でなく、またエッチング後の基板に残存するエッ
チング液の残渣が信頼性を損ねるなど問題があった。こ
の問題を解決するため、半導体材料、絶縁材料および主
要な配線材料であるアルミ薄膜などでは、これらの材料
と反応して揮発性の化合物を形成するガスのプラズマ中
で当該材料をエッチングし、所定のパターンを形成する
ドライエッチングが実用化されている。

【０００３】一方、前記した回路配線パターンの微細化
の要求は、従来のアルミ薄膜による配線に過大な密度の
電流を流すことになり、エレクトロ・マイグレーション
による配線の破断などの問題を生じることから、配線材
料に銅薄膜を用いることが検討されている。

【０００４】この銅薄膜のドライエッチングにおいて、
例えばＫ．Ｏｈｎｏ等（引用：Ｅｘｔ．Ａｂｓｔｒ．２
１ｓｔ−Ｃｏｎｆ．，Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｖ
ｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｔｏｋｙｏ，
（１９８９），Ｐ１５７）に代表されるように、一般に
は四塩化珪素や四塩化炭素などのハロゲン系ガスが反応
ガスとして用いられてきた。しかし、これらのガスと銅
との表面反応により形成されるハロゲン化銅の蒸気圧は
低いために揮発性が充分でなく、銅薄膜の形成された基
板を２００℃以上に加熱しないとエッチングは進行しな
い。にもかかわらず、銅薄膜をエッチングして電気回路
を形成するとき、通常は高分子樹脂のフォトレジストの
パターンがエッチングマスクとして使用される。エッチ
ングプロセスは、このエッチングマスクを銅薄膜の表面
に形成した後で銅のエッチングがされるため、エッチン
グ時の温度が２００℃以上にもなるとエッチングマスク
である高分子樹脂が劣化してパターン精度に問題を生じ
るだけでなく、銅薄膜をエッチングした後でエッチング
マスクを除去するにも困難が生じる。そのため、エッチ
ング温度は１５０℃以下、望むべくは１２０℃以下の温
度で銅薄膜をエッチングする技術の開発が期待される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、エッチング温
度を下げるため、特開平３−２９５２３２号および特公
昭６１−４０７５７号が提案されている。前者の方法で
は、窒素と酸素とを含むエッチングガスを用いて銅系薄
膜をエッチングするものであるが、ここにエッチング温
度は１５０℃ないし２００℃と依然として高いものであ
り、エッチングマスクには２００℃程度の耐熱性を有す
るものが要求されることから満足できない。

【０００６】他方、後者の方法はエッチング温度を飛躍
的に下げるものであるが、グロー放電中にメチル基また
はメチレン基を形成し、これが銅とともに直接または中
間段階で揮発性化合物を形成することを利用してエッチ
ングを行うものであるため、反応ガスとして用いられて
いるのは塩化メチルやよう化メチルなどのハロゲン系ガ
スがほとんどである。しかし、ハロゲン系ガスは毒性や
腐食性が高く、その消費については社会的な問題となっ
ている。そのため、これらのガスを用いるときには、漏
洩時の対策や排気ガスの適切な処置など相当な設備的対
応も要求されるという問題点がある。

【０００７】そこで、本発明は、毒性や腐食性に問題の
あるハロゲン系ガスを用いることなく、かつ１２０℃以
下の温度で銅薄膜をドライエッチングすることができる
方法を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意研究
の結果、基板上の所定のマスキングを施した銅薄膜を高
周波放電下においてエッチングを行う場合において、単
にガス状炭化水素を用いても銅表面に沈着する現象が起
き、エッチングは進行しないが、酸素を共存させると炭
化水素の沈着が停止し、銅表面にエッチングが開始され
ることを見い出した。本発明はかかる知見に基づいて行
われたもので、 反応ガスとしてガス状炭化水素に少な
くとも酸素ガスを共存させてなる混合ガスを用いること
を特徴とする。上記反応ガスの主要な成分を構成するガ
ス状炭化水素は常温で気体のメタン、エタン、プロパン
又はこれらの混合ガスからなるのが好ましい。

【０００９】

【作用および発明の効果】酸素共存下における炭化水素
のエッチング作用がどのようにして発現しているかは明
らかではないが、放電領域から離れた反応器内壁に設置
したガラス基板の堆積物の赤外分光分析により次のよう
に推測することができる。図１は、銅薄膜試料を設置し
ない場合とともに、その結果を示したものである。この
図から明らかなように、本発明の条件で銅薄膜をエッチ
ングしたときにはＣＯＯ−ＣｕおよびＣｕ−Ｏの結合を
示唆する吸収が特徴的に認められる。これは、メタンと
酸素とが銅表面でこれらの結合を含む化合物を形成し、
これが銅表面から揮発・移送されて反応器内壁のガラス
基板に堆積したことを示している。したがって、酸素は
炭化水素と結合して容易に揮発する化合物を形成するだ
けでなく、銅との親和性も高いため、炭化水素と酸素と
が共存するプラズマ中では、銅が酸素を介して炭化水素
成分と結合して揮発性の高い化合物を形成し、銅表面か
ら容易に除去されてエッチングを可能にしているものと
思われる。他方、銅の場合、例えば化学辞典（森北出
版、（１９８１）、Ｐ１２６２）に記されるメチル銅は
低温で固体として存在するが、その昇温過程の−２０℃
以上で銅とメタンとエタンとに分解する。このことは、
一般的な温度条件下でアルキル銅の形成はなく、また形
成されたとしても揮発性が乏しいことを意味している。
さらに、銅と炭素との結合は不安定なことから、銅がメ
タンなど直接結合して化合物を形成するのは困難と考え
られ、このような化合物の存在が認められない。

【００１０】したがって、炭化水素と酸素とを反応ガス
として用いる本発明により、毒性や腐食性に問題のある
ハロゲン系ガスを用いることなく、かつ一般の樹脂系フ
ォトレジストをエッチングマスクに使用できる低い温度
での銅薄膜のドライエッチングが可能になる。

【００１１】本発明では、前記したように銅表面からの
揮発物質としてＣＯＯ−ＣｕやＣｕ−Ｏなどの結合を含
む化合物が検出されていることから、銅表面での化学反
応がエッチングを進行させると考える。しかし、下記す
るエッチング速度の温度・電力・圧力依存性を考慮する
と、イオンによる物理的なスパッタリング現象の寄与を
無視することはできない。他方、物理的な現象のみでは
エッチング面の仕上がりが粗くなる。因に、アルゴンの
みの放電によるエッチングを試みると、銅薄膜のエッチ
ングは可能であったが、その被エッチング面の微細形状
を詳細に調べると、図２に示すように、化学反応が伴う
本発明による方法の場合と比べ、スパッタリングのよう
な物理現象のみのエッチング面は非常に粗いことが分か
る。すなわち、本発明のエッチング機構には物理的なエ
ッチング作用を行わせるだけでは不十分であり、銅表面
での化学反応を起こさせるべく、ガス状炭化水素に酸素
を共存させる必要があるが、アルゴン等の物理的なエッ
チング作用を行うガスを共存させてもよい。なお、反応
ガス中の酸素濃度は、特に限定されたものではなく、広
い酸素濃度域で銅薄膜のエッチングが可能であるが、酸
素濃度が低い場合には被エッチング面に重合物が堆積
し、また濃度が高い場合には銅の酸化物が形成されるこ
とから、適度な濃度の選択が必要である。

【００１２】

【実施例】実験に用いた反応器は一般に市販されている
反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥとする）装置で
あり、被エッチング試料は真空蒸着法またはスパッタリ
ング法によりスライドガラス基板に製膜された銅薄膜を
用いた。なお、この銅薄膜には、市販の樹脂系フォトレ
ジストを用い、配線パターンのエッチングマスクを形成
した後、エッチングの実験に供した。また、エッチング
ガスとして用いたメタンは純メタンとしてボンベに充填
された市販品であり、酸素は工業用の市販品である。

【００１３】この反応器のカソード電極上に銅薄膜の試
料を、また放電領域から離れた反応器内壁部には清浄な
ガラス基板を設置し、ロータリーポンプとメカニカル・
ブースターポンプを用いて反応容器内を予備排気した
後、油拡散ポンプにより圧力が１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下
になるまで排気した。その後、メタンガスの流量を２６
ＳＣＣＭに、また酸素の流量を４ＳＣＣＭに設定して反
応容器に導入し、圧力が５０ｍ・Ｔｏｒｒになるよう排
気側の弁を調節した（このときの酸素濃度は１０％にな
る）。なお、ここでは反応器に導入するガスとしてメタ
ンおよび酸素のみを用いたが、キャリアガスとしてアル
ゴンなどの不活性ガスを添加してもよい。

【００１４】しかる後、カソード電極と、それに対向し
て設けられたアノード電極との間に電力密度が１Ｗ／ｃ
ｍ²の高周波電力を印加して放電させ、そのままで３分
間放置した。このとき、基板の加熱は行っていないこと
から放電開始時の基板温度は室温であったが、３分後に
は放電のエネルギーにより１１０℃まで上昇した。な
お、このＲＩＥ装置は基板加熱の機構を持たないことか
ら、印加する高周波電力や時間に依存して試料の温度が
変化する。例えば、ここに示した電力密度の場合には、
放電の開始とともに温度は急激に上昇するが、２０分程
で１７０℃で安定化する。

【００１５】以上の処理を施した試料を反応器から取り
出して観察すると、被エッチング部分の銅表面は鮮やか
な金属光沢を呈しており、赤外分光分析（ＩＲ）やＸ線
光電子分析法（ＸＰＳ）を用いて詳細に調べても重合物
の堆積や銅の酸化は全く認められなかった。

【００１６】次に、試料の銅表面に予め形成されていた
エッチングマスクを溶剤で除去し、被エッチング表面と
の境界にできた段差の寸法を測定した結果、被エッチン
グ部には約３０ｎｍの凹みが生じており、基板温度が１
１０℃以下の条件で、およそ１０ｎｍ／分の速度でエッ
チングの進行することが分かった。

【００１７】このエッチング速度と基板温度との関係を
調べるため、エッチング時間の異なる試料についてエッ
チング深さを調べた。なお、ここで基板温度の影響をみ
るためにエッチング時間を変えた実験をしたのは、前記
した時間とともに温度が上昇する性格を利用したもので
ある。その結果、基板温度が１１０℃のときを基準にす
ると、１５０℃までエッチング速度は殆ど変化せず、１
７０℃で２０％程増大したものの、一般の化学反応に温
度が及ぼすような大きな影響はみられなかった。

【００１８】さらに、この現象を詳細に調べるため、高
周波電力やエッチング時の圧力を変えて実験した。その
結果、電力が小さいときには電力の増加に伴いエッチン
グ速度も増大したが１Ｗ／ｃｍ²以上の電力ではほとん
ど変化しなかった。また、エッチング速度の圧力依存性
では、圧力の増加に伴うエッチング速度の低下がみられ
た。

【００１９】また、本実験では反応器の初期圧力を著し
く低くし、その後に反応ガスとしてメタンと酸素とを導
入した。しかし、簡便な装置、例えばロータリーポンプ
のみで減圧する場合には１０ｍ・Ｔｏｒｒほどの初期圧
力になり、この残留ガス成分のほとんどはＨ−Ｏからな
る水分子である。周知のように、この水成分は放電によ
り解離して酸素が生じる。また、一般にドライエッチン
グの圧力が数１０ｍ・Ｔｏｒｒであることを考慮する
と、このような簡便な装置を用いるときには酸素を導入
することなく、メタンのみを用いても残留ガスとして存
在している高濃度の酸素と相まって本発明が実現でき
る。

【００２０】以上のように、炭化水素としてメタンを用
い、そこに酸素を添加した反応性ガスにより銅薄膜をエ
ッチングした結果、銅表面とメタンおよび酸素との反応
により揮発性の高い銅化合物の形成されることが分かっ
た。そこで、この現象が炭化水素系ガスに共通のものな
のかを調べるため、メタンをエタンあるいはプロパンに
変え、同様に銅薄膜のエッチングを試みた。

【００２１】エタンにはボンベに充填された純エタンの
市販品を用い、メタンの場合と同様の条件で実験した結
果、酸素を添加することにより銅薄膜はエッチングさ
れ、このときのエッチング速度は、例えば酸素濃度が３
１％のときに６．５ｎｍ／分であった。

【００２２】つぎに、市販のプロパンを用いて同様に実
験した結果、この場合にも酸素との混合ガスで銅薄膜は
エッチングされ、例えば酸素濃度が４３％のときのエッ
チング速度は３．５ｎｍ／分であった。

【００２３】以上の結果において、メタン、エタンなら
びにプロパンともに酸素を添加することにより銅薄膜の
エッチングが可能であったことから、これらの炭化水素
からなるガスを限定することなく、その混合ガスであっ
ても酸素を添加すればエッチングが可能なことは明らか
である。

【００２４】以上に示した本発明の結果について、既に
開示されている特開平３−２９５２３２号および特公昭
６１−４０７５７号との違いを明らかにする目的で、こ
れら先行技術を実験により確かめた。しかし、特開平３
−２９５２３２号の方法では銅薄膜の表面の酸化膜が形
成され、また特公昭６１−４０７５７号の方法ではハロ
ゲン化銅が形成されてエッチングはできなかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明により銅の表面から揮発した反応生成
物、および銅薄膜の試料がない状態での反応生成物につ
いて、それらの分析の結果を示す赤外分光分析の吸収ス
ペクトル図である。

【図２】 本発明、およびアルゴンイオンでのスパッタ
リングによりエッチングされた銅表面について、その粗
さの違いを示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/3205 21/3213 8826−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｄ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上の所定のマスキングを施した銅薄
   膜を高周波放電下における反応性イオンエッチングを行
   うにあたり、 反応ガスとしてガス状炭化水素に少なくとも酸素ガスを
   共存させた混合ガスを用いることを特徴とする銅薄膜の
   ドライエッチング方法。
2. 【請求項２】 上記反応ガスの主要な成分を構成するガ
   ス状炭化水素が、常温で気体のメタン、エタン、プロパ
   ン又はこれらの混合ガスからなる請求項１記載のドライ
   エッチング方法。