JPH0472724A - ドライエッチング方法 - 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］ 本発明は半導体装置等の製造工程において銅系金属膜の
エツチングを行うためのドライエッチング方法に関し、
特に残渣もしくはパーティクル汚染の影響を排除しなが
ら速やかな異方性加工を可能とする方法に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、銅系金属膜のエッチング・ガスとしてＮＨ，
ガスが添加された混合ガスを使用することにより、銅系
金属膜の表面に存在する酸化膜を還元除去し、残渣の発
生を抑制して異方性加工を達成しようとするものである
。

さらに本発明は、少なくともＳｉＣｌ４ガスとＮ！ガス
とを含むエッチング・ガス、もしくは少なくともＳｉＣ
ｌ４ガスとＮＨ，ガスとを含むエッチング・ガスにより
銅系金属膜のエッチングを行った後、エッチング・チャ
ンバー内の所定の部位を加熱しなからＣＩＦ、ガスを供
給して該エッチング・チャンバー内に堆積したエツチン
グ反応生成物をガス・エツチングの機構で除去すること
により、パーティクル汚染の防止を図るものである。

〔従来の技術〕

近年のＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ等にみられるように半導体装
置の高集積化および高性能化が進むに伴い、金属配線の
デザイン・ルールもサブミクロンさらにはクォーターミ
クロンに微細化されようとしている。従来、半導体装置
における金属配線はアルミニウム系材料によるものが主
流である。しかし、アルミニウム系の金属配線ではデザ
イン・ルールが０．５μｍよりも微細になるとエレクト
ロマイグレーション等により配線の信転性が劣化する上
に、アスペクト比が１〜２と大きくなり、その後の絶縁
膜形成や平坦化等の一連のプロセスが実施困難となる。

かかる背景から、銅系の金属材料による配線形成が注目
されている。銅はエレクトロマイグレーション耐性が高
い上、電気抵抗率が約１．４μΩｃｍと低く、アルミニ
ウムの半分程度に過ぎない。

したがって信転性を損なうことなく金属配線層を薄膜化
することが可能となり、アスペクト比も軽減される。

しかし、銅系の金属材料のエッチングには技術的な困難
が多い。

まず、銅は酸化を受けやすい金属であるため、銅系の金
属材料層の表面は常に酸化銅で被覆され、不動態化して
いるという問題がある。＃ｉ２化銅被膜が存在すると、
エツチングガスと銅との間の化学反応が抑制されてエツ
チング速度が低下するほか、酸化銅被膜がマスクとして
機能した場合にはこの陰の金属材料層が除去されず、ウ
ェハ上に残渣が発生し易いという不都合がある。

また、銅は金属配線層のエツチングに従来から広く使用
されているハロゲン系ガスではエツチングされにくいこ
とも、良く知られた事実である。

これは、反応生成物である銅ハロゲン化物の室温におけ
る蒸気圧が極めて低いからである。そこで、ウェハを加
熱し反応生成物の蒸気圧を高めて除去し易くすることも
行われているが、この加熱によりチャンバー内の残留酸
素による酸化銅の形成がかえって促進されてしまう震れ
がある。

この問題を解決すべく、銅系の配線材料のエツチングに
ついて種々のプロセスが提案されている。

たとえば、ジャパニーズ・ジャーナル・オプ・アプライ
ド・フィジックス（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）第２８巻６号第
Ｌ　１０７０〜Ｌ　１０７２ページ（１９８９年）には
、ウェハを２５０℃付近に加熱しながら５ｉＣｊ！４と
Ｎ３の混合ガスにより銅薄膜の反応性イオンエツチング
を行う技術が報告されている。この技術によれば、ウェ
ハの加熱により上述のような残渣の発生が防止される他
、気相中における反応生成物であるＳｉ、Ｎ、を側壁保
護に利用できるため、異方性加工が行われるとされてい
る。

また、特開平１−２３４５７８号公報には、エツチング
ガス中に数％の水素を添加することにより、高温中で残
留酸素との反応により表面に生成した酸化銅を還元しな
がら銅薄膜のドライエッチングを行う方法が開示されて
いる。

さらに本願書出願人は、先に特願平２−９７２４５号明
細書において、ウェハを２００’Ｃ以下に加熱した状態
で、エツチングガスにＮ系ガスと０系ガス。

またはＮと０とを含むガスを用いるか、あるいはＮ系ガ
スとＯ系ガスとＦ系ガス、またはＮと０とを含むガスと
Ｆを含むガスを用い、銅を硝酸銅Ｃｕ（ＮＯりｆｆｉの
形で昇華除去させるエツチング方法を提案している。こ
の方法によれば、ハロゲン系の活性種が存在しないため
にマスク・パターンや下地である眉間絶縁膜に対する選
択比が太きくとれ、またウェハの加熱が比較的低温で行
われるために酸化銅の生成も少なくなるという利点があ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、酸化銅被膜の効率的な除去や、気相中か
らの反応生成物によるパーティクル汚染の防止を考える
と、従来の技術にも未だ改良の余地が残されている。

そこで本発明は、酸化銅被膜の存在による残渣の発生や
、パーティクル汚染を招くことなく、銅系金属膜の異方
性エツチングを可能とする方法を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者は、上述の目的を達成するために鋭意検討を行
った結果、■従来提案されている銅系金属膜用のエッチ
ング・ガス系にＮＨ，を添加すれば、還元作用による酸
化銅被膜の除去が可能となり、残渣の発生が防止できる
こと、および■従来提案されているエッチング・ガス系
、もしくは上記■のガス系によりエツチングを行った後
、Ｃ２Ｆ、ガスのガス・−エツチング機構によるチャン
バー内のクリーニングを行えば、銅系金属膜のドライエ
ツチングにおけるパーティクル汚染が効果的に防止され
ることを見出し、本発明を完成するに至ったものである
。

すなわち、本発明の第１の発明にかかるドライエツチン
グ方法は、少なくともＮＨ，ガスを含むエッチング・ガ
スにより銅系金属膜のエツチングを行うことを特徴とす
るものである。

本発明の第２の発明にかかるドライエツチング方法は、
少なくともＳ　ｉＣｊ！　ａガスとＮ２ガスとを含むエ
ッチング・ガスにより銅系金属膜のエツチングを行う第
１の工程と、前記第１の工程においてエッチング・チャ
ンバーの内部に堆積したエツチング反応生成物を該エッ
チング・チャンバーの所定の部位を加熱しなからＣｆｆ
１Ｆ、ガスにより選択的に除去する第２の工程を有する
ことを特徴とするものである。

さらに、本発明の第３の発明にかかるドライエツチング
方法は、少なくともＳｉＣｌ４ガスとＮＨ，ガスとを含
むエッチングガスにより銅系金属膜のエツチングを行う
第１の工程と、前記第１の工程においてエッチング・チ
ャンバーの内部に堆積したエツチング反応生成物を該エ
ッチング・チャンバーの所定の部位を加熱しながら（Ｉ
Ｆ、ガスにより選択的に除去する第２の工程を有するこ
とを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の第１の発明において使用されるＮＨ３ガスは、
Ｈの持つ還元作用により酸化銅を純銅に変化させること
ができる。したがって、エツチング装置のチャンバー内
でウェハが高温に保持されていたとしても、銅系金属膜
の表面ではチャンバー内の残留酸素による酸化銅の形成
とＮＨ，ガスによる酸化銅の還元とが常に平行して起こ
る状態が達成されるので、エツチング速度の低下や酸化
銅がマスクとなることによる残渣の発生等が防止される
。

さらに、併用されるガス系によってはＮＨ，中のＮが側
壁保護膜の構成元素となったり、エツチング種となるこ
とが考えられ、異方性の向上やエツチング速度の増大を
図る上で有利である。たとえば、Ｓ　ｉ　Ｃ１４７Ｎｚ
系へＮＨ，が添加されれば、ＮＨ，中のＮの寄与により
Ｓｉ、Ｎｉ、もしくは５ｉｘｃＪ！、Ｎ、等の組成を有
する側壁保護膜の形成が期待できる。したがって本発明
は、前述の特開平１−２３４５７８号公報に記載される
ように還元性ガスとして単に水素を添加する場合よりも
、異方性の向上の観点から有利である。また、ＮＨ，が
Ｎｏ、１０．系へ添加されれば、Ｎの寄与によりＣｕ（
ＮＯｚ）ｚの形成が促進され、それだけ速く銅が昇華除
去できることになる。しかも、Ｈによる還元作用も期待
できるので、特願平２−９７２４５号明細書に記載され
る技術に比べてエツチング速度の増大および酸化銅形成
のより徹底した抑制が可能となる点で有利である。

本発明の第２の発明は、エツチング工程を２段階に分け
、第１の工程で少なくともＳ　ｉ　Ｃｊ！　ａガスとＮ
、ガスとを含む混合ガスによる銅系金属膜のエツチング
を行い、続く第２の工程でチャンバー内の不要な堆積物
をＣＩ！、Ｆ、によるガス・エツチングで除去するもの
である。Ｃ１Ｆ、ガスは不安定な化合物であり、加熱に
より容易に（ＩＦとＦ□に分解する。これらはイオン化
せずに分子状態のまま第１の工程で堆積したＳｉ工Ｎ、
あるいはＳ　１ｘｃ１．、Ｎｔ等の組成を有する堆積物
をエツチング除去することができる。つまり、加熱部位
において選択的にガス・エツチングを進行させることが
できるので、エッチング・チャンバー内の所定の部位を
加熱可能な構造としておけば、その部位に存在する不要
な堆積物が除去できるわけである。

さらに、本発明の第３の発明は、第１の工程で少なくと
もＳ　ｉ　ＣＩｌａガスとＮ　Ｈｓガスとを含むエツチ
ングガスにより銅系金属膜のエツチングを行った後、続
く第２の工程でチャンバー内の不要な堆積物をｃｚＦｓ
によるガス・エツチングで除去するものである。この場
合は、エツチング工程における酸化銅形成の抑制、およ
びチャンバー内のクリーニングという両方の効果を得る
ことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の好適な実施例について説明する。

実施例１ 本実施例は、本発明の第１の発明により銅薄膜のドライ
エツチングを行った例である。

まず、シリコン等からなる半導体基板上に酸化シリコン
等からなる層間絶縁膜、銅薄膜、酸化シリコンからなる
マスク・パターンが形成されたウェハを高周波バイアス
印加型ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマ・エ
ツチング装置のウェハ・ステージ上にセットした。

次に、ウェハ・ステージを約２５０°Ｃに加熱し、５ｉ
Ｃｊ！ａガス流量３０　ＳＣＣＭ、Ｎ８ガス流量１１０
５ＣＣ，Ｎ　Ｈｓガス流量１０３ＣＣＭ、ガス圧１０５
Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワー８５０Ｗ、高周波バイアス
・パワー　３００Ｗ　（１３，５６Ｍ　Ｈｚ　）の条件
でエツチングを行った。

このエツチングの過程では、銅は５ｉＣｊ２．ガスから
住する塩素系エツチング種と反応してＣｕＣｆｆ１．を
生成する。このＣｕＣｆヨは、常温では蒸気圧が低いの
で除去は困難であるが、ここではウェハが高温に加熱さ
れているのでＣｕ　Ｃ１＊の蒸気圧が高められた状態と
なり、速やかな除去が行われる。このような高温条件下
において、従来の技術では残留酸素と＃［膜表面との反
応により酸化銅被膜が形成される懸念があったが、本発
明ではエツチングガスに還元作用を有するＮＨ，が含ま
れているために、生成する酸化鋼はただちにエツチング
されやすい純銅に還元される。したがって、エツチング
反応は円滑に進行し、酸化鋼が不要なマスクとして機能
することによる残渣の発生も防止される。さらに、この
エツチング反応と平行して、気相中で５ｉｘＮアあるい
はＳｉ、Ｃｊ！。

Ｎ、等の組成を有する化合物が生成し、エツチング面に
堆積する。これらの堆積物に含まれるＮの一部は、Ｎ　
Ｈｓからも供給されると考えられる。

かかる堆積反応は上述のエツチング反応と競合して起こ
るので、上記堆積物による側壁保護が行われながら、良
好な異方性エツチングが達成される。

なお、上述のエッチング・ガス系には、希釈ガスとして
不活性ガス等が適宜添加されていても構わない。

実施例２ 本実施例は、本発明の第１の発明を適用し、実施例１と
は異なるエッチング・ガス系により銅薄膜のドライエツ
チングを行った例である。

被エツチング材として使用したウェハは、実施例１で上
述したものと同じである。このウェハを同様に高周波バ
イアス印加型ＥＣＲプラズマ・エツチング装置にセント
し、ウェハ・ステージを約２００℃に加熱し、Ｎｏ、ガ
ス流量３０　ＳＣＣＭ、　ｏｘガス流量１０　ＳＣＣＭ
、ＮＨ，ガス流量１０５ＣＣＭ、ガス圧１０’ａ＋丁ｏ
ｒｒ、マイクロ波パワー＋１１５０　Ｗ　、高周波バイ
アス・パワー３００Ｗ　（１３，５６ＭＨｚ　）の条件
でエツチングを行った。

このエツチングの過程では、プラズマ・ガス中の活性種
と銅との反応により昇華性のＣｕ　（Ｎ　Ｏｓ）　ｚが
生成することで銅薄膜のエツチングが進行する。

上記エッチング・ガス系は、本願出願人が先に特願平２
−９７２４５号明細書において開示したエッチング・ガ
ス系を基本とするものであり、従来アルミニウムのエツ
チングに多用されているような塩素系ガスを含まないた
め、マスク・パターンあるいは下地である眉間絶縁膜に
対する選択比が大きくとれるという利点を有する０本実
施例では、このガス系にさらにＮ　Ｈｓガスが添加され
ているため、該Ｎ　Ｈ３ガス中のＮの寄与によりＣｕ（
Ｎｏユ）ｔの形成がより容易となる。さらに、ＮＨ，ガ
スの還元作用により銅薄膜表面の酸化銅の除去も平行し
て行われるため、極めて良好な異方性加工を速やかに行
うことが可能となる。

なお、上述のＮＯ□ガスに代えてＮｘＯｘ、ＮｚＯ。

Ｎｏ、Ｎ！、　　ＮＨ，等のガスを使用し、これを０゜
ガスおよびＮ　Ｈ３ガスと混合してエッチング・ガスと
しても良い、あるいは、０：ガスを使用せず、Ｎ　Ｏｘ
ガスとＮＨ，ガスの混合ガスを使用しても良い、さらに
、これらすべてのガスには、希釈ガスとして不活性ガス
等が適宜添加されていても良い。

実施例３ 本実施例は、本発明の第２の発明により銅薄膜のエツチ
ングを行った例である。

本実施例では、上部電極、下部電極（ウェハ設置電極）
、チャンバー壁にそれぞれヒーターが内蔵され、加熱が
可能となされたマグネトロンＲＩＥ（反応性イオン・エ
ツチング）装置を使用した。

かかるエツチング装置のチャンバー内の下部電極に実施
例１で使用したものと同様のウェハをセットし、上部電
極、下部電極、チャンバー壁をそれぞれに内蔵されたヒ
ーターにより約３００℃に加熱した。この状態で５ｉＣ
ｆｆｉ４ガス流量３０−３ＣＣＭ。

Ｎ２ガス流量２０５ＣＣＭ、ガス圧１５５Ｔｏｒｒ、高
周波パワー密度２．７Ｗ／ｃｍ”の条件でエッチングを
行った。これを第１の工程とした。

上記第１の工程では、銅がＣｕＣ１，の形で除去される
エツチング反応と、Ｓｉ、Ｎ、あるいはＳｉオＣｆ、Ｎ
、等の組成を有する化合物の堆積反応とが競合し、良好
な異方性エツチングが行われたが、上記化合物はチャン
バーの内部部材にも堆積した。

そこで、続く第２の工程では、エツチングガスとしてＣ
ｊ！Ｆｓガスを流量５００５ＣＣＭにて供給し、ガス圧
をｌ　Ｔｏｒｒ、各部の加熱温度を２５０℃としてエッ
チングを行った。この工程では、加熱が行われているチ
ャンバー壁、上部電極および下部電極の表面にてＣＩ　
Ｆ　３ガスの熱分解生成物によるガス・エツチングが進
行し、堆積物は速やかに分解除去された。したがって、
複数のウェハに対して連続的な枚葉処理を行った場合に
も、パーティクル汚染が発生することはなかった。

なお、チャンバー内の不要な堆積物をフッ素系ガスを用
いたプラズマ・クリーニング等の方法により除去する技
術は、一般にも知られている。しかし、プラズマ・クリ
ーニングが放電の安定化等に長い時間を要するのに対し
、本発明のガス・エツチングは温かに迅速に実施できる
ため、スルーブツトの向上環の観点から有利である。

また、ヒーターによる加熱部位は、上述のようなチャン
バー壁、上部電極、および下部電極に限られるものでは
なく、エツチング装置の機能を損なわない範囲であれば
堆積物の被着し得るあらゆる部位が加熱可能となされて
いることが望ましい。

実施例４ 本実施例は、本発明の第３の発明により４ｍ膜のエツチ
ングを行った例である。

本実施例では、壬ヤンバー壁にヒーターが内蔵されて加
熱可能となされた高周波バイアス印加型ＥＣＲプラズマ
・エツチング装置を使用した。

かかるエツチング装置のウェハ・ステージに実施例１で
使用したものと同様のウェハをセットし、ウェハ・ステ
ージを約２５０℃に加熱し、ＳｉＣ１ａガス流量１０５
ＣＣＭ、Ｎ！ガス流量１０　ＳＣＣＭ、ＮＨ。

ガス流量ＩＱ　ＳＣＣ？ｌ、ガス圧１０　＊Ｔｏｒｒ、
　　フィクロ波パワー８５０Ｗ、高周波バイアス・パワ
ー３００Ｗの条件でエツチングを行った。このエツチン
グ過程では、銅がＣｕ　Ｃｊ！　＊の形で除去されるエ
ツチング反応と、Ｓｉ、Ｎ、あるいはＳｉ、Ｃｆ！、Ｎ
、等の組成を有する堆積物の形成とが競合して良好な異
方性エツチングが行われる一方、ＮＨ，の還元作用によ
り酸化銅被膜が除去された。

しかし、上記堆積物はチャンバー壁等にも堆積するので
、Ｃｊ！Ｆ、ガスを流量５００３ＣＣＭにて供給し、ガ
ス圧をｌ　Ｔｏｒｒ＋　チャンバー壁の加熱温度を２５
０℃としてエツチングを行うことにより、これを除去し
た。

発明を適用すれば、多数のウェハに対する枚葉処理を行
う場合にも常にクリーンな環境下で信幀性の高いエツチ
ングが再現性良く行われる。さらに本発明の第３の発明
によれば、前記２発明を合わせた効果が得られる。

本発明は、高性能、高集積度を有する半導体装置の製造
に特に有効である。

特許出願人　　　ソニー株式会社 代理人　弁理士　　　小　池　　見 回　　　田村榮 同　　　佐藤　勝 〔発明の効果〕

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくともＮＨ＿３ガスを含むエッチング・ガス
   により銅系金属膜のエッチングを行うことを特徴とする
   ドライエッチング方法。
2. （２）少なくともＳｉＣｌ＿４ガスとＮ＿２ガスとを含
   むエッチングガスにより銅系金属膜のエッチングを行う
   第１の工程と、 前記第１の工程においてエッチング・チャンバーの内部
   に堆積したエッチング反応生成物を該エッチング・チャ
   ンバーの所定の部位を加熱しながらＣｌＦ＿３ガスによ
   り選択的に除去する第２の工程を有することを特徴とす
   るドライエッチング方法。
3. （３）少なくともＳｉＣｌ＿４ガスとＮＨ＿３ガスとを
   含むエッチングガスにより銅系金属膜のエッチングを行
   う第１の工程と、 前記第１の工程においてエッチング・チャンバーの内部
   に堆積したエッチング反応生成物を該エッチング・チャ
   ンバーの所定の部位を加熱しながらＣｌＦ＿３ガスによ
   り選択的に除去する第２の工程を有することを特徴とす
   るドライエッチング方法。