JPH113880A

JPH113880A - 半導体基板の処理方法

Info

Publication number: JPH113880A
Application number: JP15328197A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Fukuyama; 良次福山; Nushito Takahashi; 主人高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1997-06-11
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】積層配線膜のエッチングにおいて、エッチング
処理と後処理を一貫して処理する場合エッチング後の配
線の腐食を防止するとともに、エッチング処理し後処理
時間の同期化を図るための後処理時間を短縮できる半導
体基板の処理方法を提供する。【解決手段】塩素系ガスによるエッチング処理に引き続
き、Ｈ₂Ｏガスによるエッチング処理を行い、さらに別
室でレジスト除去および腐食防止のための後処理を真空
下で連続して行う。【効果】積層配線膜の腐食やレジスト残りの発生が無
く、しかも後処理時間を短縮することでエッチング処理
と後処理との同期化を達成できるため、半導体基板の生
産性の向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
工程において、基板上に微細加工を施すプラズマエッチ
ング処理に関し、特にアルミニウムあるいはアルミニウ
ム合金を含むメタル積層配線をプラズマ処理した際に残
留する塩素成分による配線の腐食やレジスト等の配線パ
ターン除去不良を防止するために実施される半導体基板
の処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金（Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉや
Ａｌ−Ｓｉ）からなる半導体装置のメタル配線は、基板
側にＴｉＮなどのバリア層、表面側に同じくＴｉＮなど
のキャップ層が形成された積層膜構造となっている。こ
のメタル配線は通常塩素Ｃｌ₂とＢｃｌ₃の混合ガスプラ
ズマあるいはさらに添加ガスを含む混合ガスプラズマで
エッチングされる。ＡｌはＣｌ₂ガスのみによってもエ
ッチングされるため、メタル配線を垂直形状にエッチン
グするためには、水平方向にエッチングを抑制する保護
膜、いわゆる側壁保護膜を形成する必要がある。側壁保
護膜は、エッチング反応性生物やレジスト成分から構成
され、エッチングと同時進行しながらメタル配線の側壁
に形成されてゆく。通常は、レジストの除去作業である
アッシング処理を、エッチング後直ちに基板を大気に曝
すことなく実施する。ところで、側壁保護膜の中にはエ
ッチング中のＣｌ₂，Ｃｌが含有されており、アッシン
グ処理において完全に除去されなければ、その後大気に
取り出した際に、大気中の水分と反応して塩酸ＨＣｌが
形成され、配線が腐食してしまう現象が知られている。
そのため、処理した基板の腐食防止処理が必要となる。

【０００３】配線の腐食防止を目的とした従来技術の例
としては特開昭５５−９１８４２号公報がある。本従来
技術例には、アルミニウム・銅合金膜を塩素系あるいは
臭素系ガスを用いてエッチング処理し、次に水素プラズ
マ処理を行うことにより配線に腐食が発生しないことが
示されているが、水素プラズマによる完全なレジスト除
去及び積層構造膜に対する腐食防止に関しては述べられ
ていない。

【０００４】また、アルミニウムを含む積層構造膜に対
する配線の腐食防止を目的とした従来技術の例としては
特開昭６３−２４１９３３号公報がある。本従来技術例
にはアルミニウムを含む積層膜をアルミニウムを主体と
する膜のエッチングに塩素系のガスを用い、チタン層及
び窒化チタン層のエッチングにフッ素系のガスを利用し
て、エッチング処理を行うことが記載されている。アル
ミニウムを主体とする膜のエッチング時に残留した塩素
あるいは塩素化合物をフッ素系ガスで置換・除去しなが
ら処理するので塩素あるいは塩素化合物の残留量は少な
く配線の腐食を遅延させることができると記載されてい
るが、エッチング処理後のレジスト除去法に関しては述
べられていない。

【０００５】さらに、他の従来技術例としては特開平５
−２２６２９９号公報に積層構造配線膜のエッチング処
理後に残留する塩素を確実に除去する目的でエッチング
処理後に水素原子を含むプラズマ処理を行い、さらに酸
素を含むプラズマ処理を行ってレジスト除去処理を行う
ことが記載されている。本従来技術の実施例ではエッチ
ング処理後に別室で水素原子を含むプラズマ処理に続き
酸素を含むガスでアッシング処理を行うことが示されて
いる。水素原子を含むプラズマ処理は、残留する塩素を
除去することが主目的であり、高周波電源を用いて基板
表面にイオン作用を付加する記述は見られない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】先に述べた従来技術の
実施例では配線の腐食を防止するために主としてエッチ
ング処理時に付着あるいは残留した塩素成分を水素成分
やフッ素成分によるプラズマ処理により脱離させること
や置換させることが示されている。

【０００７】近年、配線膜を形成するための処理装置は
エッチング処理後の配線の腐食を防止するため、エッチ
ング処理室に加えて、腐食防止処理やレジスト除去のた
めに別に後処理室を持つ装置が多くなっている。これら
の装置では従来、エッチング処理に６０〜１００秒程
度、後処理に１２０〜１８０秒程度を必要とし、エッチ
ングおよび後処理を一貫して行う処理は、かならずしも
効率良く処理がなされていなかった。

【０００８】本発明の目的は、エッチング処理時間並に
後処理時間を短縮し、両処理時間の同期化を図り、生産
効率を向上できる半導体基板の処理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】上記目的を達成するた
め、エッチング処理室にて塩素系ガスによりエッチング
処理し、引き続き同一処理室内でＨ₂Ｏガスによる追加
エッチング処理を行った後、真空下で連続して別の処理
室にて腐食防止及びレジスト除去処理を行うことからな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】アルミニウム配線をプラズマエッ
チングした後の大気中放置において、アルミニウム配線
が腐食する現象は、アルミニウム配線の材料的な構造に
依存した特質がある。特に窒化チタンなどの積層膜（基
板側から、基板Ｓｉ／酸化膜ＳｉＯ₂／窒化チタンＴｉ
Ｎ／アルミニウム合金Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ／窒化チタンＴ
ｉＮ／レジストＰＲ）において発生しやすい。これは、
腐食が電気化学的に発生しやすい状態になっていること
による。すなわち異種金属からなる積層膜間に電池効果
が働くためである。アルミニウム配線の単層膜（基板Ｓ
ｉ／酸化膜ＳｉＯ₂／アルミニウム合金Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ／レジストＰＲ）は電池効果がなく腐食しにくい。以
下、上記基板をアルミ積層基板、アルミ単層基板と称
す。

【００１１】図１は、本発明を実施するプラズマエッチ
ング装置の一実施例である。アルミ積層基板１０は大気
側に設置されたロボットアーム３によりカセット２から
取り出されてロードロック室５に導入される。次にロー
ドロック室５の扉４が閉じられ、真空排気が開始され
る。真空排気はロードロック室５の異物を巻き上げない
ようにスロー排気される。所定の圧力以下に排気された
時点でロードロック室５と搬送室９間のバルブ６が開け
られる。搬送室９は常時真空排気され高真空に維持され
ている。搬送室９に設けられたロボットアーム１１によ
って基板１０がロードロック室５から搬送室９に搬送さ
れる。搬送後直ちにバルブ６は閉じられる。次にエッチ
ング室１３の圧力が十分高真空に排気されていること、
好ましくは１０-5Ｔｏｒｒ台以下となっていることを確
認し、エッチング室１３と搬送室９の間のバルブ１４を
開け、基板１０をエッチング室１３に搬入する。エッチ
ング室１３では、基板１０は基板載置用の電極に載置さ
れる。電極は基板１０を静電吸着できるもので、基板１
０の裏面に数Ｔｏｒｒ〜１０Ｔｏｒｒ程度のヘリウムガ
スを導入して電極と基板間の熱伝導効率を高め、基板温
度の制御が行われる。バルブ１４が閉じられた後、ガス
導入口からエッチング用のガス、塩素Ｃｌ₂や３塩化ほ
う素Ｂｃｌ₃、場合によっては添加ガスが導入される。

【００１２】本一実施例の電極は、プラズマを介して静
電吸着膜に高電圧を印加するモノポールタイプであるた
め、エッチングガス導入後にマイクロ波でプラズマが点
火される。プラズマが点火した状態で電極に静電吸着用
の高電圧が印加され、基板が電極に吸着される。基板は
予め２０〜５０℃程度の温度に制御されている。この状
態で基板裏面にヘリウムガスが導入される。ヘリウムガ
スの圧力が数Ｔｏｒｒに達すると、基板温度は電極表面
の温度で制御できるようになる。この状態で電極に数１
００ｋＨｚ〜１０数ＭＨｚ、好ましくは８００ｋＨｚ〜
２ＭＨｚの高周波電圧が印加され、基板にバイアス電圧
が付加される。マイクロ波でプラズマ状態となったエッ
チングガスイオンが高周波電圧印加と同時に基板に垂直
に引き込まれる。エッチングガス中の電気的に中性な塩
素Ｃｌなどのラジカルはランダムな方向から基板に入射
し、図２に示したアルミ積層基板の被エッチング部１０
２ａ（レジストの除去された部分）に吸着する。

【００１３】Ａｌの場合は塩素ラジカルでもエッチング
されるが、図２に示したアルミ積層基板はキャップ層１
０２にＴｉＮが形成されているため、吸着塩素ラジカル
のみではエッチングされない。しかし、高周波電圧の印
加で基板に引き込まれた高エネルギーイオンの助けをか
りて、いわゆるイオンアシストエッチングにより、Ｔｉ
Ｎ層１０２がエッチングされる。ＴｉＮ層１０２のエッ
チングが終了すると、基板表面はＡｌ合金１０３とな
る。Ａｌはエッチングされて塩化物ＡｌＣｌ₃（あるい
はＡｌ₂Ｃｌ₆）となり、気化して除去される。気化した
アルミニウム塩化物の一部は、アルミニウム配線の側壁
（以下、単に側壁と称す。）に衝突して側壁に吸着す
る。

【００１４】また、プラズマ中に放出されたアルミニウ
ム塩化物の一部は、そのままの状態あるいはプラズマに
より分解された状態で、再び基板に入射し側壁に付着す
る。また、レジスト１０１の一部もエッチングされる。
その一部は直接側壁に衝突して吸着する。

【００１５】また、一旦プラズマ中に放出された後、再
入射して側壁に付着する。この様にして、側壁にはＡ
ｌ，Ｃｌ，Ｃからなる皮膜、側壁保護膜１０６が形成さ
れる。この膜はエッチングが進行するあいだ成長し続け
るが、と同時にエッチングもされるため、実際には数ｎ
ｍと非常に薄い、側壁保護膜が形成されるため、アルミ
ニウム配線の側壁に塩素ラジカルが吸着してもアルミニ
ウム配線がエッチングされることがなく、結果として垂
直な形状の異方性エッチングが行われる。

【００１６】アルミニウム配線がエッチングされた後
は、アルミニウム配線層の下はバリア層１０４であるＴ
ｉＮ，下地層１０５であるＳｉＯ₂と被エッチング材料
が変化する。Ｔｉの塩化物は蒸気圧が高いため、側壁保
護膜に取り込まれる確率は小さい。しかし、酸化膜に達
した後のオーバーエッチングではＳｉがわずかにエッチ
ングされ、側壁保護膜の最表面にはＳｉも付着する。そ
の後、エッチングガスを塩素ガスからＨ₂Ｏガスに切換
え、さらにエッチング処理を継続する。

【００１７】本一実施側では６インチの試料にレジスト
膜厚１４００ｎｍ、キャップＴｉＮ６０ｎｍ，Ａｌ−Ｓ
ｉ−Ｃｕ８００ｎｍ、バリアＴｉＮ１１０ｎｍのも
のを用い、塩素系エッチング処理はＢｃｌ₃６０ｃｃ／
ｍｉｎ，Ｃｌ₂９０ｃｃ／ｍｉｎ，マイクロ波出力８０
０Ｗ、圧力２Ｐａ、高周波電力５０Ｗを印加し、８０秒
間エッチング処理し、Ｈ₂Ｏガス１００ｃｃ／ｍｉｎ，
マイクロ波出力８００Ｗ、圧力２Ｐａ、高周波電力５０
Ｗで５秒間エッチング処理を行った。この様にしてアル
ミ積層膜のエッチングが終了する。

【００１８】図３にエッチング終了後のアルミ積層基板
の形状を示す。エッチングが終了した時点で、マイクロ
波放電は維持したまま、電極に印加していた高周波電圧
を停止する。

【００１９】次に、基板裏面のヘリウムガスの供給を停
止して裏面圧力を十分低くする。この状態でマイクロ波
の出力を停止し、ガス供給も停止する。エッチング室１
３をしばらく真空排気し、高真空が得られた時点で搬送
室９とのバルブ１４を開け、ロボットアーム１１によ
り、基板１０をエッチング室１３から搬出する。

【００２０】次に、アッシング室１８の圧力が所定の圧
力以下になっていることを確認し、アッシング室１８と
搬送室９間のバルブ１９を開いて基板１０をアッシング
室に搬送し、基板ホルダに載置する。基板ホルダは、本
一実施例では、１５０℃〜３００℃、好ましくは２００
℃〜２５０℃に加熱保持されている。基板温度はエッチ
ング室１３での加熱により数１０℃になっているが、基
板ホルダに載置された時点では、ほとんど温度は上昇し
ない。アッシング用のガスが導入され圧力が上昇すると
ともに、基板ホルダと基板間の熱伝導が向上し、基板温
度が一定温度に漸近してゆく。

【００２１】本一実施例ではレジスト残膜１０００ｎｍ
の基板に対してアッシングガスは、Ｈ₂ＯとＣＦ₄の混合
ガスである。ガス流量はＨ₂Ｏ４９５ｃｍ3／ｍｉｎ
，ＣＦ₄５ｃｍ3／ｍｉｎとした、圧力は１６０Ｐ
ａ、基板ホルダの温度は２５０℃とした。プラズマはマ
イクロ波１０００Ｗを導入して発生させた。プラズマ点
火により、アッシングガスが解離し、Ｈ，ＯＨ，Ｏ，
Ｆ，ＣＦ，ＣＦ₂，ＣＦ₃などのラジカルが発生する。酸
素ラジカルＯはレジストの炭素Ｃと結合してＣＯを形成
して気化し排気される。この様にして約４０秒〜５０秒
弱でアッシングは終了する。

【００２２】本一実施例では、さらにオーバーアッシン
グを続け９０秒間処理した。その後、アッシングガスの
供給を停止し高真空排気を行う。所定の圧力まで下がっ
た時点でバルブ１９を開け、基板１０を搬送室９に取り
出し、さらにロードロック室２４（搬出室）に送る。ロ
ードロック室２４では、バルブ２３を閉じた後、窒素ガ
ス２６によるスローリークを実施し、大気圧より若干高
い圧力まで達した時点で大気との扉２５を開け、カセッ
ト２にロボットアーム３で搬出する。この後、直ちに側
壁保護膜の除去工程に移る場合もあるが、しばらく次の
工程に移るまで大気中あるいは窒素ガス雰囲気中などで
待機する場合とがある。この時に、アルミニウム配線が
腐食してはならない。

【００２３】本発明では、１００時間経過しても何等腐
食は認められなかった。また、側壁保護膜の除去特性も
良好で、側壁保護膜残りが発生することはなかった。

【００２４】以下、本発明の結果が得られた理由につい
て説明する。

【００２５】従来技術ではレジスト除去にＯ₂を含むガ
スを用いている。しかし、アルミ配線のエッチング後の
レジスト表面には、エッチング時の反応生成物がレジス
トに再入射するため、Ａｌが付着している。このＡｌは
Ｏ₂を含むアッシングガスでは除去されない。むしろＡ
ｌ付着部の占める面積が大きいとレジスト除去が阻害さ
れる。

【００２６】発明者は、Ｏ₂を含むアッシングガスを用
いた場合は、酸素ラジカルＯによりＡｌ付着部を除いた
レジスト部が除去されるため、次第にＡｌ付着部分の占
める面積比が大きくなり、その結果レジスト除去速度が
遅くなることを見いだした。また、場合によっては、
Ｏ₂を含むアッシングガスを用いるとレジスト除去され
ずに残ってしまう場合もあった。ところが、塩素系エッ
チング処理に続いてＨ₂Ｏガスによるエッチング処理を
継続して行うことにより、ＨやＯＨ成分によるイオン
やラジカル作用によりレジスト表面層付近のＡｌ成分や
レジスト成分をバランス良く除去できる。Ａｌ成分はレ
ジスト表面層より１０ｎｍ程度までの間に存在してお
り、Ｈ₂Ｏガスによるエッチング処理はＡｌ残存層の除
去と表面に残留する塩素成分を合わせて除去すること効
果を有する。その後、別室で行われるプラズマ処理にて
Ａｌ成分をほとんど含まないレジスト成分が高速で除去
されるとともに塩素成分もさらに除去される。

【００２７】以上述べたように、本発明により、積層配
線膜のエッチング処理後の後処理において腐食防止効果
とともにレジスト残りの発生が無く、かつ高速に後処理
することでエッチング処理および後処理の同機化を図り
連続一貫して処理する場合の生産性を向上する処理が可
能となった。

【００２８】尚、本発明では後処理室での処理にＨ₂Ｏ
とＣＦ₄の混合ガス系について述べたが、さらにレジス
ト除去速度を向上する為Ｏ₂ガスを含むＨ₂ＯとＯ₂の混
合ガス等、適当な後処理ガス種を用いて実施しても良
い。

【００２９】

【発明の効果】本発明により、レジスト表面に付着した
アルミニウムの影響でレジスト除去速度が低下してしま
うようなアルミニウム積層膜の処理においても、レジス
ト残りの発生がなく、かつ配線の腐食が発生しない高速
な後処理が可能となり、半導体基板の生産性を向上する
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施であるエッチング装置の説明図
である。

【図２】アルミ積層基板の構造説明図である。

【図３】エッチング後のアルミ積層基板の形状説明図で
ある。

【符号の説明】

１…カセット台、２…カセット、３…ロボットアーム、
４…扉、５…ロードロック室、６…バルブ、７…真空ポ
ンプ、８…窒素ガス、９…搬送室、１０…基板、１１…
ロボットアーム、１２…真空ポンプ、１３…エッチング
室、１４…バルブ、１５…真空ポンプ、１６…エッチン
グガス、１７…マグネトロン、１８…アッシング室、１
９…バルブ、２０…マグネトロン、２１…アッシングガ
ス、２２…真空ポンプ、２３…バルブ、２４…ロードロ
ック室、２５…扉、２６…窒素ガス、２７…真空ポン
プ、１０１…レジスト、１０２…キャップ層、１０２ａ
…被エッチング面、１０３…アルミ配線、１０４…バリ
ア層、１０５…酸化膜、１０６…側壁保護膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウムを含む膜とＴｉＷ，ＴｉＮ等
とで構成される積層構造膜上に形成した有機膜等の配線
パターンにより試料を処理する際に、塩素を含むガスプ
ラズマによりエッチング処理を行い、同一処理室内でＨ
₂Ｏガスによる追加エッチング処理を行った後、真空下
で連結される他の処理室において酸素ガス等のガスプラ
ズマ処理にて有機膜等の配線パターンを除去することを
特徴とする半導体基板の処理方法。