JPH09298184A - 銅又は銅合金のエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】銅のサイドエッチング及び銅膜中への塩素の侵
入を防止する。 【解決手段】加熱により基板の温度を２３０℃から２７
０℃の範囲に保ちながら、０．５ｍＴｏｒｒから２０ｍ
Ｔｏｒｒの範囲の圧力で塩素を含むガスを銅表面に供給
し、塩素ガスから生じる反応性プラズマに銅膜を晒し
て、銅膜をエッチング加工する。 【効果】サイドエッチングが防止でき、選択性の良好な
エッチングが可能となるので、高加工精度の微細銅配線
を供給することができる。また銅中への塩素の侵入を防
止できるので、腐食を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に係り、
銅もしくは銅合金からなる導体膜を反応性プラズマを用
いて加工する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】反応性イオンエッチングによって銅膜の
微細加工を行なった例として、「第２２回固体素子およ
び材料会議講演予稿行集，（１９９０）２１５頁から２
１８頁（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｏｆ
ｔｈｅ ２２ｎｄ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓ
ｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍａ
ｔｅｒｉａｌｓ， １９９０，ｐｐ．２１５−２１
８）」が知られている。この技術では、四塩化ケイ素
（ＳｉＣｌ₄）、塩素（Ｃｌ₂）、窒素（Ｎ₂）、アンモ
ニア（ＮＨ₃）を混合した反応ガスを用いている。反応
によって生じる銅塩化物を基板表面から脱離させるため
に少なくとも２２０℃以上の基板加熱が必要である。実
際の銅配線加工では、エッチングの再現性を考慮して、
２５０℃から３００℃までの範囲で基板温度を制御して
いる。高精度加工の障害となるサイドエッチングを防止
するするために、副反応で生成するシリコン窒化物をパ
ターン側壁に付着させ保護膜として用いている。

【０００３】特開平４−２４３１３４には、基板温度を
１５０℃から２００℃の範囲内で制御しながら、酸素化
合物、窒素化合物、及び塩素化合物を含むガス系を用い
て銅をドライエッチングする技術が記載されている。基
板表面から脱離する銅化合物は、この方法では硝酸銅で
ある。添加した塩素系のガスにより副反応で生じる銅塩
化物を側壁保護膜としてサイドエッチングを防止してい
る。

【０００４】特開平７−１８３２５７には、銅表面に圧
力が３Ｐａ程度のＣｌ₂を供給し、７００ｎｍ以上の波
長を有する光を間欠的に基板表面に照射して基板温度を
１５０℃程度に調整し、塩化銅の脱離を促進させる技術
が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の銅ドライエッチ
ング法は添加ガスによって意図的に銅パターン側壁に保
護膜を形成しサイドエッチングを防止しているが、前述
したように２００℃を越える高温でエッチングするため
に、活発に熱運動している塩素の拡散を防止することが
難しい。シリコン窒化物のように緻密な材料で構成され
る側壁保護膜であっても、マイクロ・ローディング効果
によりパターン密度に依存して保護膜の形成不良個所が
発生する場合が少なくない。塩素は側壁保護膜の弱い個
所から侵入して内部の銅をエッチングしたり、残留して
後日銅配線に腐食を発生させる。

【０００６】塩化銅を側壁保護膜とするエッチング方法
についても、基板温度１５０℃以上２００℃以下では側
壁保護膜が熱的に十分安定とは言えず、塩素の拡散によ
って表面から０．１μｍまでは変質した層になってお
り、やはり腐食の原因となる。

【０００７】光励起を用いて塩化銅の脱離を促進させる
技術では、低温でエッチングできるために、ラジカル反
応が抑制されてサイドエッチングが起こりにくい。ただ
し、有効な光の波長が７００ｎｍ以上であるために、パ
タ−ン間隔０．５μｍ以下の微細な間隙の底に位置する
銅エッチング面には光が届き難くくなるので、エッチン
グ形状にパタ−ン依存性が発生する。

【０００８】本発明の目的は、銅膜中への塩素の拡散及
びサイドエッチングを抑制し、エッチング形状のパタ−
ン依存性を排除し、選択性の良い銅ドライエッチング方
法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、エッチング
電極からの熱伝導による加熱もしくはプラズマから飛来
するイオン衝突による加熱等によって、基板の温度を２
３０℃から２７０℃の範囲に保ち、０．５ｍＴｏｒｒか
ら２０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で塩素（Ｃｌ₂）単体、
もしくは塩素（Ｃｌ₂）とＶＩＩＩ族元素（Ｈｅ，Ｎ
ｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ）の少なくとも一種を加えた混合
ガスを銅表面に供給し、この塩素単体や混合ガスから生
じる反応性プラズマに銅膜を晒すことにより達成でき
る。なお、塩素単体とは９９．９％以上の純度の塩素の
ことをいう。基板の温度が２３０℃から２７０℃の範囲
では、拡散による銅膜中への塩素の侵入及びサイドエッ
チングが抑制できる。

【００１０】これを図２を用いて説明する。２２０℃以
下の低温で銅を塩素プラズマに晒すと、塩素化反応が起
こり表面に厚い塩化銅の層が形成される。温度が低いた
めに、生成した塩化銅は昇華することができず基板表面
に留まる。銅表面での塩素濃度が高まると、余剰の塩素
が銅膜中へ拡散する。この現象を図２中の黒丸が表わし
ている。２２０℃を越えるとイオン照射面では常に銅の
エッチングが起こる。ただし、２３０℃から２７０℃ま
では、パターン側壁で銅のエッチングや塩素の侵入は起
こらない。この現象を図２中の白丸が表わしている。２
３０℃を越えるとパターン側壁でも銅がエッチングされ
る。この現象を図２中の白三角が表わしている。即ち、
塩素（Ｃｌ₂）単体を用いると、意図的に側壁保護膜を
形成しなくても、２３０℃から２７０℃までの範囲内に
基板温度を制御することによって銅膜が垂直加工ができ
る。この現象は塩素（Ｃｌ₂）に固有の銅表面への吸着
特性と反応性に基づいている。何故ならば、塩素（Ｃｌ
₂）にＶＩＩＩ族元素（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘ
ｅ）の少なくとも一種を加えた混合ガスは、塩素（Ｃｌ
₂）単体と同じ温度領域で異方性エッチングできるが、
四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ₄）や三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）
を単体使用、もしくは塩素（Ｃｌ₂）と混合使用した場
合には異方性エッチング可能な温度領域が存在しないか
らである。

【００１１】図５に基板温度とガス圧力に対する対Ｓｉ
Ｏ₂選択比の等高線を示す。図中の斜線を施した領域は
アンダ−カット量が０．１μｍ以下に抑制できる条件を
示している。即ち、基板温度２３０℃から２９０℃、ガ
ス圧力０．５ｍＴｏｒｒから２０ｍＴｏｒｒの範囲でエ
ッチングすることにより線幅０．１５μｍの微細加工が
できた。ただし、選択比を考慮するとガス圧力が１０ｍ
Ｔｏｒｒから２０ｍＴｏｒｒであることが望ましいこと
がわかる。

【００１２】なお、本発明には、長波長（７００ｎｍ）
の光を使用する必要がないので、０．５μｍ以下の微細
加工を行なう場合も加工形状のパタ−ン依存性は問題と
ならないという優れた長所がある。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（実施例１）被エッチング基板１００（図１）には膜厚
３００ｎｍのプラズマＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜（テトラエ
トキシシランと酸素の混合ガスをプラズマ化学気相成長
法で反応させて作る酸化シリコン膜）、および膜厚５０
０ｎｍの銅膜を堆積されている。この基板１００を図１
に示す銅ドライエッチング装置（マグネトロンＲＩＥ装
置）を用いてエッチングした。図１の装置では、ガス加
熱ヒ−タ−１０２で加熱した高温ガスをエッチング電極
１０１内のガス管１０３に循環させることにより、室温
から３００℃までの範囲内で電極温度を設定することが
できる。電極１０１からの熱伝導によって基板１００が
加熱され所定の温度となる。基板１００の温度は熱電対
１０４により直接測定することができる。基板１００の
裏面の空隙１０５に圧力１Ｔｏｒｒのヘリウム（Ｈｅ）
ガスを満たすことにより、基板１００と電極１０１の伝
熱速度を高めることができる。この装置を用いて、放電
開始後プラズマからの加熱による温度上昇は３０秒で飽
和すること、アルゴン（Ａｒ）を用いた放電ではこの３
０秒間のエッチングは１０ｎｍ以下であることをまず確
認した。即ち、銅エッチングの前にアルゴンの予備放電
を少なくとも３０秒間行なえば、予備放電中に銅膜を殆
ど損傷することなく銅エッチング中の基板１００の温度
を一定値に保つことができる。

【００１４】基本的に本発明のガス系では塩化銅のみが
生成し、異物を発生させる有害な副反応はない。この塩
化銅の付着も、装置にヒ−タ１０６を巻きつけ壁面を少
なくとも１００℃に加熱することにより大幅に低減する
ことができる。例えば、５００枚以上の基板を連続処理
しても異物付着などの問題は生じなかった。

【００１５】また、電磁石１０７により、２０から３０
０Ｇの磁場を印加するとプラズマ密度が上がり、０．５
から２０ｍＴｏｒｒと比較的ガス圧力の低い領域でも高
いエッチング速度が得られる。本実施例では１００Ｇの
磁場を印加した。

【００１６】エッチングの終点判定を行なうために、図
１の装置に分光器１０８を取り付けた。塩化銅の発光が
他の発光とは重ならないので、波長４７０ｎｍから４８
０ｎｍまでのプラズマ発光の強度減衰から銅膜のエッチ
ングの終点が容易に判定できた。

【００１７】図３にエッチングされる基板１００の構造
を示した。シリコン基板３００には、所定のパタ−ンを
有するプラズマＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜３０５を最上層と
する窒化チタン３０２（５０ｎｍ）／銅３０３（５００
ｎｍ）／窒化チタン３０４（５０ｎｍ）の積層膜（Ｔｉ
Ｎ／Ｃｕ／ＴｉＮ積層膜）が、プラズマＴＥＯＳ−Ｓｉ
Ｏ₂３０１上に形成されている。これを図１の装置を用
いてエッチングした。エッチング条件として、基板温度
を１５０℃から３００℃まで、塩素（Ｃｌ₂）ガスを流
量５ｓｃｃｍから１０ｓｃｃｍで供給しその圧力を０．
５ｍＴｏｒｒから３０ｍＴｏｒｒまで変化させた。放電
電力は１Ｗ／ｃｍ²とした。基板温度とガス圧力に対す
る銅のエッチング速度の関係を図４の等高線図に示す。
２２０℃以下では如何なるガス圧力でも銅塩化物の残渣
が基板上に残った。逆に２３０℃以上では銅が残渣なく
エッチングできた。銅エッチング速度の基板温度依存性
は図４に示したように小さいが、ガス圧力に対しては大
きな依存性を示す。即ち、ガス圧力が増すほど銅エッチ
ング速度は大きくなった。基板温度が２３０℃から２７
０℃の範囲内にあっても、ガス圧力が２５ｍＴｏｒｒを
越えるとエッチング残渣が生じる。これは、塩化銅の生
成速度が脱離速度を上回ったためと考えられ、一旦残渣
が発生するとオ−バ−エッチングを行なっても完全に除
去できなかった。従って、Ｃｕ中へのＣｌ拡散を防止
し、かつ残渣をなくすためには基板温度を２３０℃から
２７０℃、かつ塩素（Ｃｌ₂）ガス圧力０．５ｍＴｏｒ
ｒから２０ｍＴｏｒｒとすればよい。

【００１８】（実施例２）図１の装置は基板裏面にヘリ
ウムガスを流して伝熱速度を高めているが、このような
機構を備えていない電極では熱伝導が極めて悪い。この
状態で放電すると電極加熱を行なわなくても（電極温度
は冷却機構により常に室温に保たれている）、放電電力
によっては実際のイオン照射面の表面温度を２３０℃以
上にすることができる。例えば、最初にアルゴンを用い
て１．３Ｗ／ｃｍ²で予備放電を行なうと３分間で基板
温度は２６０℃となり、続く塩素（Ｃｌ₂）の放電によ
り銅は残渣なくエッチングできた。

【００１９】（実施例３）これまで述べてきた装置は、
いわゆるマグネトロンＲＩＥ装置であるが、本発明によ
る銅エッチングに関する知見は他の放電方式のエッチン
グ装置にも拡張できる。例えば、図６に示す誘導結合型
プラズマ装置を用いて塩素でエッチングを行った。石英
放電管６０１に取り付けられた誘導コイル６０２に１
３．５４ＭＨｚの高周波を印加し、均一な高密度プラズ
マを得た。バイアス電圧はエッチング電極１０１に印加
する高周波電力の強さを変化させることにより、プラズ
マ密度とは独立に制御可能である。また、マイクロ波エ
ッチング装置でも塩素（Ｃｌ₂）を用いてエッチングを
行なった。誘導結合型プラズマ装置、マイクロ波エッチ
ング装置何れも基板温度２３０℃から２７０℃で銅エッ
チングが最適となることには変わりはなかった。これ
は、塩化銅の脱離温度でエッチングの下限温度２３０℃
が決まり、ラジカル反応が活発になる温度で上限温度２
７０℃が決まるからと解釈できる。

【００２０】なお、マグネトロンＲＩＥ装置ではプラズ
マ密度とバイアス電圧を独立制御できないが、誘導結合
型プラズマ装置やマイクロ波エッチング装置は独立制御
が可能なので、エッチング形状や選択比の調整範囲が広
がるという利点が有る。また、誘導結合型プラズマ装置
の方がマイクロ波エッチング装置よりも装置構成が単純
であるという利点がある。

【００２１】（実施例４）本発明を用いて作製した半導
体装置の断面構造の一例を図７に示す。シリコン基板７
００上にＭＯＳデバイスを形成した。熱酸化膜７１０で
はプロセス中の熱処理による銅拡散を防止することがで
きないので、ＭＯＳデバイスと積層銅配線７０１の間に
ホウ素−リンガラス膜７１１を設けて銅拡散を防止し
た。シリコン基板８００と積層銅配線７０１をつなぐ接
続部は、微細孔の埋込性の良いタングステンプラグ７０
９を用いた。このホウ素−リンガラス膜７１１上に銅配
線（ＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮ配線）７０１及び７０２を形
成し、本発明のドライエッチング法により加工した。第
２層目の銅配線（ＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮ配線）７０２の
下地段差は０．２μｍであるが短絡不良はなかった。銅
配線は三層層間絶縁膜、即ちプラズマＴＥＯＳ−ＳｉＯ
₂膜７０５、７０８／有機ＳＯＧ膜７０４、７０７／プ
ラズマＴＥＯＳ−ＳｉＯ₂膜７０３、７０６で被覆し
た。有機ＳＯＧ膜７０４の誘電率は３．０と低く配線間
容量を２０％低減できた。銅配線間の絶縁耐圧はＴＥＯ
Ｓ−ＳｉＯ₂膜７０３により確保でき、図８に示すよう
に１００℃、０．１ＭＶ／ｃｍの使用環境では耐圧寿命
５００年を確保できることが温度−電界ストレス印加試
験よりわかった。

【００２２】なお、上記実施例は、純銅膜について調べ
た結果であるが、銅膜に５％以下のベリリウム（Ｂ
ｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、
シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タンタル（Ｔａ）、タング
ステン（Ｗ）が含まれていてもエッチングが基板温度２
３０℃から２７０℃で最適である点には変わりはなかっ
た。エッチング開始最低温度は凡そ２２０℃であり、塩
素（Ｃｌ₂）自体にこの現象が依存していることは明ら
かである。ただし、銅合金膜のエッチングでは、銅以外
の元素が塩素（Ｃｌ₂）でエッチングされずに残渣とな
る場合がある。この場合は、塩素（Ｃｌ₂）にＶＩＩＩ
族元素（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ）の少なくとも
一種を加えた混合ガスが有効であり、残渣を全く生じさ
せることなくエッチングすることができた。また、例え
ば銅／タングステン積層膜の下層タングステン膜は塩素
（Ｃｌ₂）ではエッチングしにくいが、上記混合ガスを
用いるとエッチング残りが生じることなく、銅膜と一括
エッチングできた。また、本発明によって、最小線幅
０．１５μｍの銅配線が０．１５μｍ間隔で形成でき
た。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、選択性が良好なエッチ
ングが可能となり、サイドエッチング及び銅への塩素の
侵入を抑制できる。また、光励起を用いる必要がないた
め、パタ−ン依存性は見られない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の銅のドライエッチング装置の構造を示
す摸式図である。

【図２】本発明における基板温度と塩素侵入深さ及びサ
イドエッチング量との関係を示す図である。

【図３】本発明で用いた被エッチング基板の構造を示す
摸式図である。

【図４】本発明における基板温度とガス圧力に対する銅
のエッチング速度を示す等高線図である。

【図５】本発明における基板温度とガス圧力に対する対
ＳｉＯ₂選択比を示す等高線図である。

【図６】本発明の誘導結合型の銅のドライエッチング装
置の構造を示す摸式図である。

【図７】本発明の技術を用いた半導体装置（ＭＯＳデバ
イス）の構造を示す摸式図である。

【図８】本発明の技術を用いた半導体装置の絶縁膜耐圧
試験結果を示す図である。

【符号の説明】

１００…被エッチング基板、１０１…エッチング電極、
１０２…ガス加熱ヒ−タ−、１０３…ガス管、１０４…
熱電対、１０５…ヘリウムガスを溜める間隙、１０６…
ヒ−タ−、１０７…電磁石、１０８…分光器、３００…
シリコン基板、３０１…プラズマＴＥＯＳ−ＳｉＯ
₂膜、３０２，３０４…窒化チタン膜、３０３…銅膜、
３０５…パタ−ンニングされたプラズマＴＥＯＳ−Ｓｉ
Ｏ₂膜、６０１…石英製の放電管、６０２…誘導コイ
ル、７００…シリコン基板、７０１，７０２…積層銅配
線、７０３，７０５，７０６，７０８…プラズマＴＥＯ
Ｓ−ＳｉＯ₂膜、７０４，７０７…有機ＳＯＧ膜、７０
９…タングステンプラグ、７１０…ＬＯＣＯＳ酸化膜、
７１１…ホウ素−リンガラス膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 康 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 組橋 孝生 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に銅又は銅合金膜を形成する工程
   と、前記基板温度を、実質的に前記銅又は銅合金膜中へ
   の拡散による塩素の侵入を防止でき、かつ前記銅又は銅
   合金のサイドエッチングを実質的に防止できる温度範囲
   内に保ち、塩素ガス単体もしくは塩素とＶＩＩＩ族元素
   から構成される混合ガスを０．５ｍＴｏｒｒから２０ｍ
   Ｔｏｒｒの範囲の圧力で、銅又は銅合金膜に供給する工
   程と、前記塩素ガス単体もしくは塩素とＶＩＩＩ族元素
   から構成される混合ガスにより生じる反応性プラズマ
   に、前記銅又は銅合金膜を晒すことにより、前記銅又は
   銅合金膜をエッチング加工することを特徴とする銅又は
   銅合金膜の加工方法。
2. 【請求項２】基板上に銅又は銅合金膜を形成する工程
   と、前記基板温度を２３０℃から２７０℃の範囲内に保
   ち、塩素ガス単体もしくは塩素とＶＩＩＩ族元素から構
   成される混合ガスを０．５ｍＴｏｒｒから２０ｍＴｏｒ
   ｒの範囲の圧力で、銅又は銅合金膜に供給する工程と、
   前記塩素ガス単体もしくは塩素とＶＩＩＩ族元素から構
   成される混合ガスにより生じる反応性プラズマに、前記
   銅又は銅合金膜を晒すことにより、前記銅又は銅合金膜
   をエッチング加工することを特徴とする銅又は銅合金膜
   の加工方法。
3. 【請求項３】前記銅合金は、５％以下のベリリウム、ア
   ルミニウム、マグネシウム、シリコン、チタン、ジルコ
   ニウム、モリブデン、タンタル、タングステンの何れか
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の銅又は銅合金
   膜の加工方法。
4. 【請求項４】基板上に銅又は銅合金膜を形成する工程
   と、塩素ガス単体もしくは塩素とＶＩＩＩ族元素から構
   成される混合ガスにより生じる反応性プラズマから飛来
   するイオン衝突による加熱もしくはエッチング電極から
   の熱伝導による加熱により、前記基板温度を２３０℃か
   ら２７０℃の範囲内に保ち、塩素ガス単体もしくは塩素
   とＶＩＩＩ族元素から構成される混合ガスを０．５ｍＴ
   ｏｒｒから２０ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、銅又は銅合
   金膜に供給する工程と、前記塩素ガス単体もしくは塩素
   とＶＩＩＩ族元素から構成される混合ガスにより生じる
   反応性プラズマに、前記銅又は銅合金膜を晒すことによ
   り、前記銅又は銅合金膜をエッチング加工することを特
   徴とする銅又は銅合金膜の加工方法。
5. 【請求項５】基板上に開口部を有する絶縁膜を形成する
   工程と、前記開口部にプラグを埋め込む工程と、前記プ
   ラグを埋め込んだ前記絶縁膜上に銅又は銅合金膜を形成
   する工程と、前記基板温度を２３０℃から２７０℃の範
   囲内に保ち、塩素ガス単体もしくは塩素とＶＩＩＩ族元
   素から構成される混合ガスを０．５ｍＴｏｒｒから２０
   ｍＴｏｒｒの範囲の圧力で、前記銅又は銅合金膜に供給
   する工程と、前記塩素ガス単体もしくは塩素とＶＩＩＩ
   族元素から構成される混合ガスにより生じる反応性プラ
   ズマに、前記銅又は銅合金膜を晒すことにより、前記銅
   又は銅合金膜をエッチング加工する工程とを有すること
   を特徴とする半導体装置の製造方法。