JP2004319917A - 絶縁膜除去方法および配線構造形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することができる配線構造形成方法を提供する。
【解決手段】Ｃｕ膜上に形成された絶縁膜を除去する工程において、Ｃｕ膜表面へのエッチング活性種の入り込みがＣｕ膜表面から１５ｎｍ以下となる条件でエッチングを行う工程と、絶縁膜を除去した後Ｃｕ膜表面を洗浄する工程と、を備えることを特徴とする絶縁膜の除去法方法を提供する。その結果、Ｃｕ配線８表面上に形成された酸化膜を容易に除去うすることができ、コンタクト抵抗の増大及びコンタクトオープン不良の増加を抑制することができる。
【選択図】 図６
【解決手段】Ｃｕ膜上に形成された絶縁膜を除去する工程において、Ｃｕ膜表面へのエッチング活性種の入り込みがＣｕ膜表面から１５ｎｍ以下となる条件でエッチングを行う工程と、絶縁膜を除去した後Ｃｕ膜表面を洗浄する工程と、を備えることを特徴とする絶縁膜の除去法方法を提供する。その結果、Ｃｕ配線８表面上に形成された酸化膜を容易に除去うすることができ、コンタクト抵抗の増大及びコンタクトオープン不良の増加を抑制することができる。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線形成方法に関し、特に、導電膜上に形成された絶縁膜の除去方法に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の配線構造の形成方法として、以下に示す方法があった。以下、従来の配線構造形成方法について、コンタクトホール開孔後における下層のＣｕ配線表面を清浄化する場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
まず、図１８に示すように、酸化シリコン膜１０１の所定の領域に１層目のＣｕ配線層１０２を形成する。次に、当該１層目のＣｕ配線層１０２上に、絶縁層（窒化シリコン膜１０３、酸化シリコン膜１０４）を堆積し、リソグラフィー技術およびフルオロカーボンガスを用いたドライエッチング技術により、配線溝１０５およびコンタクトホール１０６を形成する。このとき、当該コンタクトホール１０６底部の１層目のＣｕ配線層１０２上にＣｕを含んだ高抵抗層１０７が形成される。
【０００４】
次に、図１９に示すように、酸素プラズマを用いた酸化処理を施すことにより、Ｃｕを含んだ高抵抗層１０７を酸化する。これにより、酸化銅１０８を形成する。
【０００５】
次に、図２０に示すように、常温でクエン酸を主成分とする溶液により酸化銅１０８を除去する。その後、図２１に示すように、スパッタ法、めっき法および化学機械研磨法を用いて、２層目のＣｕ配線層１０９を形成する（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００―１６４７０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では、コンタクトホール底部の絶縁膜をドライエッチングにより除去する際に、被エッチング膜である絶縁膜の下にある下層配線、つまりＣｕ配線表面が酸化される。またエッチング活性種が多量に供給されるため、下層のＣｕ配線表面により多くのエッチング活性種が供給されることなり、Ｃｕ膜表面がイオン化される。その結果、より大気中の酸素によるＣｕ配線の再酸化が促進され、配線間の接続部におけるコンタクト抵抗が増加する。また、酸化膜が残存することにより、導電膜の間に絶縁膜、もしくは高抵抗の膜が残留する、コンタクトオープン不良を引き起こす原因となる。
【０００８】
また、上記従来方法によると、Ｃｕ配線表面へ供給されるエッチング活性種の量が多いため、より広い範囲でＣｕ配線がイオン化され、下層配線表面での酸化が進行する。例えば、図２２に示されるような下層配線（Ｃｕ配線層１０２）上に堆積された絶縁膜１０３および１０４内に接続孔（コンタクトホール１０６）を有する配線構造を形成する場合、接続孔（コンタクトホール１０６）を形成する際に、過剰のエッチング活性種が下層配線（Ｃｕ配線層１０２）表面に供給される。よって、下層配線（Ｃｕ配線層１０２）上の広い範囲がエッチング活性種によって暴露されるため、下層配線（Ｃｕ配線層１０２）表面部分が広い範囲で酸化され、その後洗浄を行った際に大きなえぐれが形成される。その結果、上層配線と下層配線（Ｃｕ配線層１０２）との接合部分でＣｕ膜が段切れを起こし、均質な配線接続部を形成できず、コンタクトオープン不良が発生する。
【０００９】
そこで本発明の目的は、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することができる配線構造形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、銅を主成分とする導電膜上に絶縁膜を形成する工程と、エッチング活性種を含むエッチングガスを用い、導電膜表面へのエッチング活性種の入り込みが導電膜表面から１５ｎｍ以下となる条件で絶縁膜のエッチングを行う工程と、絶縁膜を除去した領域に露出した導電膜表面を洗浄する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記第１の発明によれば、銅を主成分とする導電膜へ供給されるエッチング活性種が入り込む深さを、銅膜の表面から１５ｎｍ以内の領域で抑制することができる。このように、表面から１５ｎｍ以内の領域に形成された酸化膜は、その後の洗浄工程により容易に除去することができるため、銅膜表面の酸化を防止することができる。その結果、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、エッチングガスに含まれる反応ガス中に占めるエッチング活性種に対する非エッチング活性種の割合が、０．２８以上であることを特徴とする。
【００１３】
上記第２の発明によれば、Ｃｕ膜表面に供給されるエッチング活性種の量を抑制することにより、Ｃｕ膜表面に形成される酸化膜の量を低減することができる。その結果、後のＣｕ膜表面を洗浄する工程において、形成された酸化膜を除去することができるため、コンタクト抵抗の増大および絶縁膜除去不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明において、エッチング工程でのＲＦ電力の大きさが、２００〜３００Ｗであることを特徴とする。
【００１５】
上記第３の発明によれば、エッチング工程でのＲＦ電力が通常の電力より低いため、Ｃｕ膜表面に衝突するエッチング活性種のエネルギーが低減される。よって、エッチング活性種がＣｕ膜の深い部分にまで入り込むことを抑制することにより、Ｃｕ膜表面に形成される酸化膜の膜厚を１５ｎｍ以下の範囲に抑えることができる。その結果、後のＣｕ膜表面を洗浄する工程において、形成された酸化膜を容易に除去することができ、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１６】
第８の発明は、銅を主成分とする下層配線と上層配線と、それらを接続する接続金属とを有する配線構造の形成方法であって、下層配線上に絶縁膜を形成する工程と、エッチング活性種を含むエッチングガスを用いて絶縁膜をエッチングすることにより、下層配線表面を露出させる接続孔を形成する工程と、を備え、エッチング活性種の入りこみを下層配線表面深さ１５ｎｍ以内に押さえられる条件で絶縁膜をエッチングし、その後下層配線表面を洗浄し、接続金属と電気的に接続された上層配線を形成することを特徴とする。
【００１７】
上記第８の発明によれば、Ｃｕ膜、つまり下層配線層表面へ供給されるエッチング活性種が入り込む深さを、Ｃｕ膜表面から１５ｎｍ以内の領域で抑制することができる。このように、表面から１５ｎｍ以内の領域に形成された酸化膜は、その後の洗浄工程により容易に除去することができるため、Ｃｕ配線表面の酸化を防止することができる。その結果、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る配線構造形成方法について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る配線構造形成方法は、シングルダマシン構造またはデュアルダマシン構造を有するコンタクトホールを形成する際に、下層配線表面に多量のエッチング種、例えばフッ素ラジカルが供給されることを防ぐことができる点に特徴がある。図１〜６および８〜１１は、本実施形態に係る配線構造形成方法の各工程における、半導体装置の断面を示した図である。
【００１９】
まず、図１に示すように、シリコン基板の上に絶縁膜、例えば厚さがそれぞれ１μｍの酸化シリコン膜１および酸化シリコン膜２を順に堆積する。その後、酸化シリコン膜２の所定領域にマスクを用いて酸化シリコン膜２を除去し配線溝３をドライエッチング法により形成する。ここで、当該配線溝３の径は、例えば０．３μｍである。
【００２０】
次に、図２に示すように、配線溝３有する酸化シリコン膜２の上に全面に亘って、窒化タンタル膜４（膜厚３０ｎｍ）およびタンタル膜５（膜厚１０ｎｍ）をスパッタ法により順次堆積する。その後、タンタル膜５上に全面に亘ってＣｕ膜６（膜厚１００ｎｍ）を、スパッタ法により堆積する。この後、Ｃｕ膜６に電極が取り付けられて、めっき法により、Ｃｕ膜７（膜厚５００ｎｍ）が、Ｃｕ膜６上に成膜される。
【００２１】
次に、化学機械研磨法（ＣＭＰ法）により、配線溝３からはみ出した絶縁膜上に堆積されているＣｕ膜７、Ｃｕ膜６、タンタル膜５および窒化タンタル膜４を除去する。これにより、図３に示すような、下層配線（Ｃｕ配線８）が形成できる。
【００２２】
次に、図４に示すように、Ｃｕ配線８上に窒化シリコン膜９（膜厚１５０ｎｍ）、酸化シリコン膜１０（膜厚７００ｎｍ）を、プラズマＣＶＤ法により順次堆積する。その後、リソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いることにより、酸化シリコン膜１０の所定領域にコンタクトホール１２を形成する。
【００２３】
次に、図５に示すように、リソグラフィー技術により配線溝パターンを形成し、これをマスクとしてドライエッチングを行うことにより、コンタクトホール１２上部のシリコン酸化膜１０内に深さ４００ｎｍの配線溝１３が形成される。この際、窒化シリコン膜９の一部が除去されて、コンタクトホール１２の底部がＣｕ配線８の近傍まで達する。
【００２４】
なお、コンタクトホール１２および配線溝１３の形成に用いられるエッチングガスは、Ｃ３Ｆ８とアルゴンと酸素との混合ガスである。また、このときのＲＦ電力は、５００Ｗであり、チャンバー内の圧力は、４Ｐａである。
【００２５】
次に、図６に示すように、ドライエッチングにより、コンタクトホール１２の底部の窒化シリコン膜９が除去される。これにより、Ｃｕ配線８が露出される。なお、このときのＲＦ電力は、５００Ｗであり、チャンバー内の圧力は、１０Ｐａである。
【００２６】
ここで、窒化シリコン膜９の除去工程において用いられるエッチングガスについて説明する。
【００２７】
通常、エッチングレートを向上させるために、窒化シリコン膜９のエッチングには、フッ素を多く含むフルオロカーボンと酸素との混合ガスを使用する。
【００２８】
しかしながら、フルオロカーボン中のフッ素がＣｕに注入されると、電気陰性度の高いフッ素は、Ｃｕから電子を引き抜き、Ｃｕのイオン化を促進する。これにより、Ｃｕは、空気中の酸素と反応して絶縁性を有する酸化膜を形成するため、上層配線と下層配線との接続が阻害される。その結果、Ｃｕ配線構造に断線が発生する場合がある。
【００２９】
そこで、本実施形態では、エッチングガス中に含まれるエッチング活性種の割合が低いガスを用いる。具体的には、窒化シリコン膜９の除去のためのエッチングガスに、ＣＦ４と比較してＦの含有率が少ないＣＨＦ３を含んだガスを用いる。例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３とアルゴンと酸素との混合比が１：１：１０：０．２である混合ガスを、エッチングガスとして用いることにより、Ｃｕ膜表面に注入されるフッ素濃度を低下させ、Ｃｕ膜表面がイオン化して酸化するのを抑制することができる。なお、ＣＨＦ３の代わりにＣＨ２Ｆ２やＣＨ３Ｆを用いてもよい。言い換えると、エッチングガスに含まれるＣ原子の数の、Ｆ原子の数に対する比の値（以下、ＣＦ比値と称す）が、０．２８以上であれば、エッチングガスにおけるエッチング活性種の量を抑制し、酸化膜の形成をＣｕ膜表面から１５ｎｍ以下の範囲に抑制することができる。具体的には、図７を用いて説明する。図７は、横軸にエッチング活性種を発生する原料ガスであるフッ化炭素ガスの、エッチング活性種Ｆに対する非エッチング活性種Ｃの割合を示している。一方、縦軸に、Ｃｕ膜上にある絶縁膜のエッチングをフッ化炭素ガスを用いて行った場合の、フッ化炭素ガスのＣＦ比値とＣｕ膜表面に形成される酸化膜の膜厚の関係を示している。このグラフより、エッチング活性種を発生する原料ガスにＣＦ４を用いた場合（Ｃ／Ｆ＝１／４＝０．２５）、Ｃｕ膜表面の酸化膜厚は２０ｎｍである。しかし、エッチングガスにＣＦ４とＣＨＦ３との１：１の混合ガスを用いると（Ｃ／Ｆ＝２／７≒０．２８）、酸化膜厚は１０ｎｍとなる。それは、エッチングガス中に含まれるエッチング活性種の割合が低下すると、Ｃｕ膜表面に供給されるエッチング活性種の量が減少し、Ｃｕ膜表面の酸化の進行を抑制することができるためである。
【００３０】
次に、酸素プラズマ処理が半導体装置に対して施される。これにより、図８に示すように、エッチング処理時に発生する残渣を除去することができる。また、同時にコンタクトホール１２底部のＣｕ配線８表面が酸化されるが、この工程で形成される酸化銅の量は微小であり、形成された酸化銅１４の膜厚は、先の工程の酸化膜厚と殆ど変化せず１０ｎｍ程度である。
【００３１】
次いで、図９に示すように、酸化銅１４を除去する。ここで、酸化銅１４の除去には、酸化銅を溶融し、銅をほとんど溶融しない薬液を用いる。このような薬液としては、例えば、フッ酸や有機酸やクエン酸等が挙げられる。当該処理により、Ｃｕ配線８の表面に形成された酸化膜を除去することができる。また、エッチング処理時にＣｕ配線８中に注入されたフッ素も酸化銅１４と共に除去することができる。その結果、Ｃｕ配線８表面に絶縁膜となる酸化膜が残留するのを防止することができるため、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００３２】
次に、図１０に示すように、スパッタ法により、窒化タンタル膜１５（膜厚３０ｎｍ）及びタンタル膜１６（膜厚１０ｎｍ）を順次堆積する。その後、当該タンタル膜１６の上に全面に亘ってスパッタ法によりＣｕ膜１７（１００ｎｍ）を堆積する。さらに、当該Ｃｕ膜１７に電極を取り付けて、めっき法により、Ｃｕ膜１８（膜厚５００ｎｍ）を成膜する。
【００３３】
最後に、化学機械研磨法により配線表面の平坦化を行う。これにより、図１１に示すように、コンタクトホール１２以外の領域に堆積されているＣｕ膜１８、Ｃｕ膜１７、タンタル膜１６および窒化タンタル膜１５が除去されて、Ｃｕ配線１９を形成することができる。
【００３４】
以上より、窒化シリコン膜９の除去工程においてＣＦ比値が０．２８以上となるエッチングガスを用いることにより、下層配線、Ｃｕ膜表面上に酸化膜が厚く形成されるのを防ぎ、酸化膜が形成されたとしてもＣｕ膜表面から１５ｎｍ以内の深さに抑制することができる。
【００３５】
また、図８に示す酸化銅１４は、薬液により除去することができる。当該薬液により容易に除去可能な酸化銅１４の膜厚は、１５ｎｍ程度である。よって、本実施形態のように、形成される酸化銅１４の膜厚が１５ｎｍ以下となるようなエッチングガスを用い、その後、Ｃｕ膜表面つまり配線表面を洗浄することにより、下層配線と上層配線とを接続するコンタクト部に、絶縁膜が形成されるのを防ぐことができる。
【００３６】
以上のことより、本実施形態に用いられるエッチングガスとしては、ＣＦ比値が０．２８以上であるガスが望ましい。これにより、Ｃｕ配線８に注入されるフッ素濃度が低減され、酸化銅１４の膜厚を薄くすることができる。なお、エッチングガスは、ＣＦ比値が０．２８以上であればよいく、例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３との代わりにＣＨＦ３やＣＨ２Ｆ２を用いてもよい。
【００３７】
ここで、酸化銅１４は、エッチング時に注入されたフッ素を含有している。このようなフッ素は、酸化銅１４の溶解除去時に、当該酸化銅１４と共に除去されるが、フッ素濃度が高く、酸化銅１４膜厚が厚くなると、図１２に示すように、Ｃｕ配線８が大きくえぐれしまう。その結果、窒化タンタル膜１５、タンタル膜１６およびＣｕ膜１７が段切れを起こし、めっき時に電圧を印加できずＣｕ埋め込みができなくなる。さらに、フッ素がＣｕ配線８中に残存していると、Ｃｕの酸化が促進され、大気中に数時間放置するだけで、酸化銅が形成されてしまう。
このような酸化銅の形成は、コンタクト抵抗の増大、コンタクトオープン不良の原因となる。
【００３８】
これに対して、本実施形態に係る配線構造形成方法によれば、Ｃｕ配線８に注入されるフッ素量が低減されるので、当該フッ素を多量に含んだ酸化銅１４の膜厚を１５ｎｍ以下に抑制することができる。その結果、当該酸化銅１４の除去時に、フッ素も除去することが可能となる。
【００３９】
図１３は、本実施形態に係る配線構造形成方法により同一ウエハ内に作成されたコンタクトホールの抵抗値と、従来の配線構造形成方法により同一ウエハ内に作成されたコンタクトホールの抵抗値とを比較したグラフである。縦軸に計測件数を、横軸にコンタクトホールの抵抗値を示している。また、黒い四角は、本実施形態に係る方法により作成されたコンタクトホールの抵抗値を示し、白い四角は、従来の方法により作成されたコンタクトホールの抵抗値を示している。このグラフより、従来の方法によると、コンタクト抵抗が０．８〜１．５Ωの範囲で、ウエハ間においてコンタクト抵抗値にばらつきがあるのに対し、本発明によると、０．７〜０．８Ωの範囲内で略一定したコンタクト抵抗を示している。
【００４０】
よって、図１３より、本発明に係る方法により作成されたコンタクトホールは、従来の方法により作成されたコンタクトホールと比べて、抵抗値を低く抑えるとともに、ウエハ間でのばらつきを抑制し、比較的均一な形状でコンタクトを形成することができる。
【００４１】
また、図１４は、本実施形態に係る配線構造形成方法により作成されたコンタクトホールの不良率と、従来の技術に係る配線構造形成方法により作成されたコンタクトホールの不良率とを比較したグラフである。当該図１４によれば、従来の配線構造形成方法では、コンタクト不良率が約２３ｐｐｂであるのに対して、本実施形態に係る配線構造形成方法では、コンタクト不良率が約５ｐｐｂと大きく減少しているのがわかる。また、歩留まりの観点からは、約８ｐｐｂ以下のコンタクト不良率が要求されるが、本実施形態に係る配線構造形成方法では、コンタクト不良率は、約５ｐｐｂであるので、本発明により歩留まりを十分確保することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る配線構造形成方法について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る配線構造形成方法は、第１の実施形態と同様に、シングルダマシン構造又はデュアルダマシン構造を有する配線構造を形成する際に、下層配線表面に多量のエッチング活性種、例えばフッ素ラジカルが供給されることを防ぐことができる点に特徴がある。なお、本実施形態に係る配線構造形成方法における各工程での半導体装置の断面は、第１の実施形態と同じであるので、図１〜６および８〜１１を援用する。
【００４３】
まず、本実施形態では、図１の配線溝３が形成されるところから、図５の配線溝１３が形成されるところまでは、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４４】
本実施形態に係る配線構造形成方法と第１の実施形態に係る配線構造形成方法との間で異なる点は、図５から図６において、窒化シリコン膜９をエッチング除去する工程でのエッチング条件である。それでは、以下に、本実施形態に係る窒化シリコン膜９の除去時におけるエッチング条件について説明する。
【００４５】
本実施形態に係る配線構造形成方法では、エッチング条件として、第１の実施形態に係るＲＦ電力よりも小さい２００Ｗ〜３００ＷのＲＦ電力を投入する。ここで、例えば、２００ＷのＲＦ電力を投入すると、プラズマとウエハとの間には、約３００Ｖの電圧が発生する。
【００４６】
また、チャンバー内の圧力は、第１の実施形態と同様に、４Ｐａで行われる。また、エッチングガスには、第１の実施形態と同様に、ＣＦ４とＣＨＦ３とアルゴンと酸素との混合比が１：１：１０：０．２である混合ガスを用いる。
【００４７】
ここで、本実施形態に係る配線構造形成方法において、ＲＦ電力が２００Ｗ〜３００Ｗに設定される理由について図面を参照しながら説明する。ここで、図１５は、ＲＦ電力の大きさと窒化シリコン膜のエッチングレートとの関係を示したグラフおよびＲＦ電力の大きさとウエハばらつきとの関係を示したグラフである。当該グラフの横軸は、投入するＲＦ電力の大きさを示し、当該グラフの左側の縦軸は、窒化シリコン膜のエッチングレートの大きさを示し、当該グラフの右側の縦軸は、ウエハ面内均一性を示している。また、白い丸は、ウエハ面内均一性の値を示した点であり、黒い丸は、窒化シリコン膜エッチングレートの値を示した点である。
【００４８】
ＲＦ電力が大きくなると、Ｃｕ配線８表面へのフッ素の衝突速度が大きくなる。従って、Ｃｕ配線８に注入されるフッ素は、ＲＦ電力が大きくなるにしたがって、当該Ｃｕ配線８の奥深く侵入する。そこで、フッ素のＣｕ配線８への侵入深さの観点からは、当該ＲＦ電力は、できるだけ小さな値に抑制されることが望ましい。
【００４９】
これに対して、図１５によると、窒化シリコン膜のエッチングレートは、ＲＦ電力が大きくなるにつれて向上する。特に、窒化シリコン膜のエッチングレートは、ＲＦ電力が１００Ｗから３００Ｗの間において急激に増加し、３００Ｗ以上では、やや増加率が鈍っている。また、図１５によると、ウエハ面内でのばらつきは、ＲＦ電力が大きくなるにつれて低下するため、ＲＦ電力を上昇させることによりウエハ面内の均一性を向上させることができる。特に、当該ウエハ面内でのばらつきは、ＲＦ電力が１００Ｗから３００Ｗの間においては急激に減少し、３００Ｗ以上では、やや減少率が鈍っている。つまり、ウエハ面内の均一性は、ＲＦ電力値が２００〜３００Ｗの範囲で急激に向上することがわかる。従って、窒化シリコン膜のエッチングレートおよびウエハ面内均一性の観点からは、ＲＦ電力は、できるだけ大きな値であることが望ましい。
【００５０】
そこで、フッ素の侵入深さからの観点と、窒化シリコン膜のエッチングレートからの観点と、ウエハ面内均一性からの観点とを総合すると、ＲＦ電力としては、２００Ｗ〜３００Ｗが好ましいことが導き出される。そのため、本実施形態に係る配線構造形成方法では、ＲＦ電力が２００Ｗ〜３００Ｗに設定し、窒化シリコン膜のエッチングを行う。図５に示す半導体装置に対して、上記条件によるエッチング処理を行うと、図６に示すように窒化シリコン膜９が除去される。
【００５１】
窒化シリコン膜９を除去すると、酸素プラズマ処理がＣｕ配線８に対して施される。当該処理は第１の実施形態と同様であり、図８に示すように、エッチング処理時に発生する残渣を除去することができる。また、同時にコンタクトホール１２底部のＣｕ配線８表面が酸化されるが、この工程で酸化される酸化銅の量は微量であり、先の工程の酸化膜厚と殆ど変化しない。
【００５２】
次に、図９に示すように、酸化銅１４を除去する。ここで、酸化銅１４の除去には、第１の実施形態と同様に、酸化銅を溶融し、銅をほとんど溶融しない薬液を用いる。このような薬液としては、例えば、フッ酸や有機酸やクエン酸等があげられる。この後、半導体装置に対して行われる処理は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
以上、本実施形態に係る配線構造形成方法によれば、ＲＦ電力を小さくすることにより、エッチング活性種であるフッ素のＣｕ配線への侵入深さを浅くすることが可能となる。その結果、Ｃｕ配線がエッチング活性種により暴露され酸化した部分、及びＦが注入されダメージを受けた膜を容易に除去することができるため、コンタクト抵抗の上昇を抑制し、コンタクトオープン不良の発生の問題が解消される。
【００５４】
上記効果について、図面を参照しながら詳しく説明する。図１６は、縦軸に検出されたフッ素強度、横軸にＣｕ膜表面からの深さを示したグラフである。点線は、ＲＦ電力が２００Ｗの場合におけるフッ素強度を示し、実線は、ＲＦ電力が５００Ｗの場合におけるフッ素強度を示している。また、図１７も、縦軸に検出されたフッ素強度、横軸にＣｕ膜表面からの深さを示しており、ＲＦ電力が２００Ｗでエッチング処理されたときにおいて、酸化銅１４が除去される前後におけるＣｕ表面からの深さとフッ素強度との関係を示したグラフである。なお、実線は、酸化銅１４除去前のフッ素強度を示し、点線は、酸化銅除去後のフッ素強度を示している。
【００５５】
図１６によれば、ＲＦ電力が５００Ｗの場合には、Ｃｕ配線８の表面から約１５ｎｍの深さまで多量のフッ素が侵入しているのに対して、ＲＦ電力が２００Ｗの場合には、Ｃｕ配線８の表面から約１０ｎｍの深さまでしか多量のフッ素が侵入していない。すなわち、図１６は、ＲＦ電力が下げられることにより、フッ素の侵入深さを浅くすることができることを示している。
【００５６】
さらに、図１７によれば、酸化銅１４が除去されることにより、Ｃｕ配線８の表面から約１０ｎｍの深さまでの領域において、フッ素濃度が大きく減少している。これは、ＲＦ電力が下げられることにより、フッ素の侵入深さが浅くなり、これにより、酸化銅１４の除去時に効果的にＣｕ配線８に注入されたフッ素を除去できることを示している。
【００５７】
なお、本実施形態に係る配線構造形成方法では、Ｃｕ配線へのフッ素の侵入深さを浅くするために、ＲＦ電力を小さくするとしていたが、Ｃｕ配線へのフッ素の侵入深さを浅くする方法はこれに限らない。例えば、本実施形態では、チャンバー内の圧力は、１０Ｐａに設定されているが、ＲＦ電力が５００Ｗに維持された状態で、２０Ｐａに設定されても同様の効果が得られる。これは、チャンバー内の圧力を上げると、フッ素ラジカルがＣｕ配線に衝突するときの速度を小さくすることができるからである。
【００５８】
なお、第１および第２の実施形態の配線構造形成方法で用いられるエッチング装置は、反応性イオンエッチングに用いられる装置であればよく、このような装置としては、例えば、平行平板型やＥＣＲ型等が挙げられる。
【００５９】
なお、本実施形態に係る配線構造形成方法では、窒化シリコン膜のエッチング時に用いられるエッチングガスは、ＣＦ４とＣＨＦ３とアルゴンと酸素との混合比が１：１：１０：０．２である混合ガスであるとしているが、当該エッチングガスはこれに限らない。例えば、当該エッチング装置に、ＣＦ４とアルゴンと酸素との混合比が１：１０：０．２である混合ガスが用いられてもよい。但し、この場合には、ＲＦ電力が２００Ｗに設定されるのが好ましい。
【００６０】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態に係る配線構造形成方法では、配線構造形成における窒化シリコン膜のエッチング除去を記載しているが、当該エッチング除去が適用されるのは、配線構造形成時に限らない。すなわち、当該エッチング除去の用途は、Ｃｕ膜上に形成されたシリコン系絶縁膜の除去であればよい。
【００６１】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態に係る配線構造形成方法では、銅配線上に形成された窒化シリコン膜を除去するものとしているが、除去される絶縁膜は、これに限らない。除去される絶縁膜は、例えば、シリコン窒化酸化膜であってもよいし、酸化シリコン膜であってもよい。
【００６２】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態に係る配線構造形成方法では、エッチングガスとしてＣとＦとの化合物が含まれるものとして説明を行ったが、エッチングガスは、ＣとＦとの化合物に限らない。例えば、Ｆの代わりにＣｌのようなハロゲン元素が用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において、配線溝が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２】本発明において、Ｃｕ膜等が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図３】本発明において、Ｃｕ配線が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図４】本発明において、コンタクトホールが形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図５】本発明において、配線溝が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図６】本発明において、窒化シリコン膜が除去されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図７】ＣＦ比値と酸化銅の膜厚との関係を示したグラフである。
【図８】本発明において、Ｃｕ配線の表面に酸化処理が施されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図９】本発明において、酸化銅が除去されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明において、Ｃｕ膜が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図１１】本発明において、Ｃｕ配線が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図１２】Ｃｕ配線において、段切れが発生したときの様子を示す図である。
【図１３】従来の配線構造形成方法により形成されたコンタクトの抵抗値と、本発明に係る配線構造形成方法により形成されたコンタクトの抵抗値とを比較したグラフである。
【図１４】従来の配線構造形成方法により形成されたコンタクトの不良率と、本発明に係る配線構造形成方法により形成されたコンタクトの不良率とを比較したグラフである。
【図１５】ＲＦ電力と、窒化シリコン膜エッチングレートおよびウエハ面内均一性との関係を示したグラフである。
【図１６】ＲＦ電力が２００Ｗおよび５００Ｗの場合における、Ｃｕ配線内でのフッ素の濃度を示したグラフである。
【図１７】Ｃｕ配線の表面が薬液により洗浄される前におけるフッ素濃度の分布と、洗浄された後とにおけるフッ素濃度の分布とを示したグラフである。
【図１８】従来技術において、コンタクトホールおよび配線溝が形成されたときの半導体装置の断面図である。
【図１９】従来技術において、Ｃｕ配線の表面が酸化処理されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２０】従来技術において、酸化銅が除去されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２１】従来技術において、Ｃｕ配線が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２２】Ｃｕ配線において、段切れが発生したときの様子を示す図である。
【符号の説明】
１，２ 酸化シリコン膜
３，１３ 配線溝
４，１５ 窒化タンタル膜
５，１６ タンタル膜
６，７，１７，１８ Ｃｕ膜
８，１９ Ｃｕ配線
９ 窒化シリコン膜
１０ 酸化シリコン膜
１２ コンタクトホール
１４ 酸化銅
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線形成方法に関し、特に、導電膜上に形成された絶縁膜の除去方法に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
従来の配線構造の形成方法として、以下に示す方法があった。以下、従来の配線構造形成方法について、コンタクトホール開孔後における下層のＣｕ配線表面を清浄化する場合を例にとって、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
まず、図１８に示すように、酸化シリコン膜１０１の所定の領域に１層目のＣｕ配線層１０２を形成する。次に、当該１層目のＣｕ配線層１０２上に、絶縁層（窒化シリコン膜１０３、酸化シリコン膜１０４）を堆積し、リソグラフィー技術およびフルオロカーボンガスを用いたドライエッチング技術により、配線溝１０５およびコンタクトホール１０６を形成する。このとき、当該コンタクトホール１０６底部の１層目のＣｕ配線層１０２上にＣｕを含んだ高抵抗層１０７が形成される。
【０００４】
次に、図１９に示すように、酸素プラズマを用いた酸化処理を施すことにより、Ｃｕを含んだ高抵抗層１０７を酸化する。これにより、酸化銅１０８を形成する。
【０００５】
次に、図２０に示すように、常温でクエン酸を主成分とする溶液により酸化銅１０８を除去する。その後、図２１に示すように、スパッタ法、めっき法および化学機械研磨法を用いて、２層目のＣｕ配線層１０９を形成する（特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００―１６４７０３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法では、コンタクトホール底部の絶縁膜をドライエッチングにより除去する際に、被エッチング膜である絶縁膜の下にある下層配線、つまりＣｕ配線表面が酸化される。またエッチング活性種が多量に供給されるため、下層のＣｕ配線表面により多くのエッチング活性種が供給されることなり、Ｃｕ膜表面がイオン化される。その結果、より大気中の酸素によるＣｕ配線の再酸化が促進され、配線間の接続部におけるコンタクト抵抗が増加する。また、酸化膜が残存することにより、導電膜の間に絶縁膜、もしくは高抵抗の膜が残留する、コンタクトオープン不良を引き起こす原因となる。
【０００８】
また、上記従来方法によると、Ｃｕ配線表面へ供給されるエッチング活性種の量が多いため、より広い範囲でＣｕ配線がイオン化され、下層配線表面での酸化が進行する。例えば、図２２に示されるような下層配線（Ｃｕ配線層１０２）上に堆積された絶縁膜１０３および１０４内に接続孔（コンタクトホール１０６）を有する配線構造を形成する場合、接続孔（コンタクトホール１０６）を形成する際に、過剰のエッチング活性種が下層配線（Ｃｕ配線層１０２）表面に供給される。よって、下層配線（Ｃｕ配線層１０２）上の広い範囲がエッチング活性種によって暴露されるため、下層配線（Ｃｕ配線層１０２）表面部分が広い範囲で酸化され、その後洗浄を行った際に大きなえぐれが形成される。その結果、上層配線と下層配線（Ｃｕ配線層１０２）との接合部分でＣｕ膜が段切れを起こし、均質な配線接続部を形成できず、コンタクトオープン不良が発生する。
【０００９】
そこで本発明の目的は、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することができる配線構造形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
第１の発明は、銅を主成分とする導電膜上に絶縁膜を形成する工程と、エッチング活性種を含むエッチングガスを用い、導電膜表面へのエッチング活性種の入り込みが導電膜表面から１５ｎｍ以下となる条件で絶縁膜のエッチングを行う工程と、絶縁膜を除去した領域に露出した導電膜表面を洗浄する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記第１の発明によれば、銅を主成分とする導電膜へ供給されるエッチング活性種が入り込む深さを、銅膜の表面から１５ｎｍ以内の領域で抑制することができる。このように、表面から１５ｎｍ以内の領域に形成された酸化膜は、その後の洗浄工程により容易に除去することができるため、銅膜表面の酸化を防止することができる。その結果、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、エッチングガスに含まれる反応ガス中に占めるエッチング活性種に対する非エッチング活性種の割合が、０．２８以上であることを特徴とする。
【００１３】
上記第２の発明によれば、Ｃｕ膜表面に供給されるエッチング活性種の量を抑制することにより、Ｃｕ膜表面に形成される酸化膜の量を低減することができる。その結果、後のＣｕ膜表面を洗浄する工程において、形成された酸化膜を除去することができるため、コンタクト抵抗の増大および絶縁膜除去不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１４】
第３の発明は、第１の発明において、エッチング工程でのＲＦ電力の大きさが、２００〜３００Ｗであることを特徴とする。
【００１５】
上記第３の発明によれば、エッチング工程でのＲＦ電力が通常の電力より低いため、Ｃｕ膜表面に衝突するエッチング活性種のエネルギーが低減される。よって、エッチング活性種がＣｕ膜の深い部分にまで入り込むことを抑制することにより、Ｃｕ膜表面に形成される酸化膜の膜厚を１５ｎｍ以下の範囲に抑えることができる。その結果、後のＣｕ膜表面を洗浄する工程において、形成された酸化膜を容易に除去することができ、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１６】
第８の発明は、銅を主成分とする下層配線と上層配線と、それらを接続する接続金属とを有する配線構造の形成方法であって、下層配線上に絶縁膜を形成する工程と、エッチング活性種を含むエッチングガスを用いて絶縁膜をエッチングすることにより、下層配線表面を露出させる接続孔を形成する工程と、を備え、エッチング活性種の入りこみを下層配線表面深さ１５ｎｍ以内に押さえられる条件で絶縁膜をエッチングし、その後下層配線表面を洗浄し、接続金属と電気的に接続された上層配線を形成することを特徴とする。
【００１７】
上記第８の発明によれば、Ｃｕ膜、つまり下層配線層表面へ供給されるエッチング活性種が入り込む深さを、Ｃｕ膜表面から１５ｎｍ以内の領域で抑制することができる。このように、表面から１５ｎｍ以内の領域に形成された酸化膜は、その後の洗浄工程により容易に除去することができるため、Ｃｕ配線表面の酸化を防止することができる。その結果、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る配線構造形成方法について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る配線構造形成方法は、シングルダマシン構造またはデュアルダマシン構造を有するコンタクトホールを形成する際に、下層配線表面に多量のエッチング種、例えばフッ素ラジカルが供給されることを防ぐことができる点に特徴がある。図１〜６および８〜１１は、本実施形態に係る配線構造形成方法の各工程における、半導体装置の断面を示した図である。
【００１９】
まず、図１に示すように、シリコン基板の上に絶縁膜、例えば厚さがそれぞれ１μｍの酸化シリコン膜１および酸化シリコン膜２を順に堆積する。その後、酸化シリコン膜２の所定領域にマスクを用いて酸化シリコン膜２を除去し配線溝３をドライエッチング法により形成する。ここで、当該配線溝３の径は、例えば０．３μｍである。
【００２０】
次に、図２に示すように、配線溝３有する酸化シリコン膜２の上に全面に亘って、窒化タンタル膜４（膜厚３０ｎｍ）およびタンタル膜５（膜厚１０ｎｍ）をスパッタ法により順次堆積する。その後、タンタル膜５上に全面に亘ってＣｕ膜６（膜厚１００ｎｍ）を、スパッタ法により堆積する。この後、Ｃｕ膜６に電極が取り付けられて、めっき法により、Ｃｕ膜７（膜厚５００ｎｍ）が、Ｃｕ膜６上に成膜される。
【００２１】
次に、化学機械研磨法（ＣＭＰ法）により、配線溝３からはみ出した絶縁膜上に堆積されているＣｕ膜７、Ｃｕ膜６、タンタル膜５および窒化タンタル膜４を除去する。これにより、図３に示すような、下層配線（Ｃｕ配線８）が形成できる。
【００２２】
次に、図４に示すように、Ｃｕ配線８上に窒化シリコン膜９（膜厚１５０ｎｍ）、酸化シリコン膜１０（膜厚７００ｎｍ）を、プラズマＣＶＤ法により順次堆積する。その後、リソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いることにより、酸化シリコン膜１０の所定領域にコンタクトホール１２を形成する。
【００２３】
次に、図５に示すように、リソグラフィー技術により配線溝パターンを形成し、これをマスクとしてドライエッチングを行うことにより、コンタクトホール１２上部のシリコン酸化膜１０内に深さ４００ｎｍの配線溝１３が形成される。この際、窒化シリコン膜９の一部が除去されて、コンタクトホール１２の底部がＣｕ配線８の近傍まで達する。
【００２４】
なお、コンタクトホール１２および配線溝１３の形成に用いられるエッチングガスは、Ｃ３Ｆ８とアルゴンと酸素との混合ガスである。また、このときのＲＦ電力は、５００Ｗであり、チャンバー内の圧力は、４Ｐａである。
【００２５】
次に、図６に示すように、ドライエッチングにより、コンタクトホール１２の底部の窒化シリコン膜９が除去される。これにより、Ｃｕ配線８が露出される。なお、このときのＲＦ電力は、５００Ｗであり、チャンバー内の圧力は、１０Ｐａである。
【００２６】
ここで、窒化シリコン膜９の除去工程において用いられるエッチングガスについて説明する。
【００２７】
通常、エッチングレートを向上させるために、窒化シリコン膜９のエッチングには、フッ素を多く含むフルオロカーボンと酸素との混合ガスを使用する。
【００２８】
しかしながら、フルオロカーボン中のフッ素がＣｕに注入されると、電気陰性度の高いフッ素は、Ｃｕから電子を引き抜き、Ｃｕのイオン化を促進する。これにより、Ｃｕは、空気中の酸素と反応して絶縁性を有する酸化膜を形成するため、上層配線と下層配線との接続が阻害される。その結果、Ｃｕ配線構造に断線が発生する場合がある。
【００２９】
そこで、本実施形態では、エッチングガス中に含まれるエッチング活性種の割合が低いガスを用いる。具体的には、窒化シリコン膜９の除去のためのエッチングガスに、ＣＦ４と比較してＦの含有率が少ないＣＨＦ３を含んだガスを用いる。例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３とアルゴンと酸素との混合比が１：１：１０：０．２である混合ガスを、エッチングガスとして用いることにより、Ｃｕ膜表面に注入されるフッ素濃度を低下させ、Ｃｕ膜表面がイオン化して酸化するのを抑制することができる。なお、ＣＨＦ３の代わりにＣＨ２Ｆ２やＣＨ３Ｆを用いてもよい。言い換えると、エッチングガスに含まれるＣ原子の数の、Ｆ原子の数に対する比の値（以下、ＣＦ比値と称す）が、０．２８以上であれば、エッチングガスにおけるエッチング活性種の量を抑制し、酸化膜の形成をＣｕ膜表面から１５ｎｍ以下の範囲に抑制することができる。具体的には、図７を用いて説明する。図７は、横軸にエッチング活性種を発生する原料ガスであるフッ化炭素ガスの、エッチング活性種Ｆに対する非エッチング活性種Ｃの割合を示している。一方、縦軸に、Ｃｕ膜上にある絶縁膜のエッチングをフッ化炭素ガスを用いて行った場合の、フッ化炭素ガスのＣＦ比値とＣｕ膜表面に形成される酸化膜の膜厚の関係を示している。このグラフより、エッチング活性種を発生する原料ガスにＣＦ４を用いた場合（Ｃ／Ｆ＝１／４＝０．２５）、Ｃｕ膜表面の酸化膜厚は２０ｎｍである。しかし、エッチングガスにＣＦ４とＣＨＦ３との１：１の混合ガスを用いると（Ｃ／Ｆ＝２／７≒０．２８）、酸化膜厚は１０ｎｍとなる。それは、エッチングガス中に含まれるエッチング活性種の割合が低下すると、Ｃｕ膜表面に供給されるエッチング活性種の量が減少し、Ｃｕ膜表面の酸化の進行を抑制することができるためである。
【００３０】
次に、酸素プラズマ処理が半導体装置に対して施される。これにより、図８に示すように、エッチング処理時に発生する残渣を除去することができる。また、同時にコンタクトホール１２底部のＣｕ配線８表面が酸化されるが、この工程で形成される酸化銅の量は微小であり、形成された酸化銅１４の膜厚は、先の工程の酸化膜厚と殆ど変化せず１０ｎｍ程度である。
【００３１】
次いで、図９に示すように、酸化銅１４を除去する。ここで、酸化銅１４の除去には、酸化銅を溶融し、銅をほとんど溶融しない薬液を用いる。このような薬液としては、例えば、フッ酸や有機酸やクエン酸等が挙げられる。当該処理により、Ｃｕ配線８の表面に形成された酸化膜を除去することができる。また、エッチング処理時にＣｕ配線８中に注入されたフッ素も酸化銅１４と共に除去することができる。その結果、Ｃｕ配線８表面に絶縁膜となる酸化膜が残留するのを防止することができるため、コンタクト抵抗の増大およびコンタクトオープン不良の増加を抑制することが可能となる。
【００３２】
次に、図１０に示すように、スパッタ法により、窒化タンタル膜１５（膜厚３０ｎｍ）及びタンタル膜１６（膜厚１０ｎｍ）を順次堆積する。その後、当該タンタル膜１６の上に全面に亘ってスパッタ法によりＣｕ膜１７（１００ｎｍ）を堆積する。さらに、当該Ｃｕ膜１７に電極を取り付けて、めっき法により、Ｃｕ膜１８（膜厚５００ｎｍ）を成膜する。
【００３３】
最後に、化学機械研磨法により配線表面の平坦化を行う。これにより、図１１に示すように、コンタクトホール１２以外の領域に堆積されているＣｕ膜１８、Ｃｕ膜１７、タンタル膜１６および窒化タンタル膜１５が除去されて、Ｃｕ配線１９を形成することができる。
【００３４】
以上より、窒化シリコン膜９の除去工程においてＣＦ比値が０．２８以上となるエッチングガスを用いることにより、下層配線、Ｃｕ膜表面上に酸化膜が厚く形成されるのを防ぎ、酸化膜が形成されたとしてもＣｕ膜表面から１５ｎｍ以内の深さに抑制することができる。
【００３５】
また、図８に示す酸化銅１４は、薬液により除去することができる。当該薬液により容易に除去可能な酸化銅１４の膜厚は、１５ｎｍ程度である。よって、本実施形態のように、形成される酸化銅１４の膜厚が１５ｎｍ以下となるようなエッチングガスを用い、その後、Ｃｕ膜表面つまり配線表面を洗浄することにより、下層配線と上層配線とを接続するコンタクト部に、絶縁膜が形成されるのを防ぐことができる。
【００３６】
以上のことより、本実施形態に用いられるエッチングガスとしては、ＣＦ比値が０．２８以上であるガスが望ましい。これにより、Ｃｕ配線８に注入されるフッ素濃度が低減され、酸化銅１４の膜厚を薄くすることができる。なお、エッチングガスは、ＣＦ比値が０．２８以上であればよいく、例えば、ＣＦ４とＣＨＦ３との代わりにＣＨＦ３やＣＨ２Ｆ２を用いてもよい。
【００３７】
ここで、酸化銅１４は、エッチング時に注入されたフッ素を含有している。このようなフッ素は、酸化銅１４の溶解除去時に、当該酸化銅１４と共に除去されるが、フッ素濃度が高く、酸化銅１４膜厚が厚くなると、図１２に示すように、Ｃｕ配線８が大きくえぐれしまう。その結果、窒化タンタル膜１５、タンタル膜１６およびＣｕ膜１７が段切れを起こし、めっき時に電圧を印加できずＣｕ埋め込みができなくなる。さらに、フッ素がＣｕ配線８中に残存していると、Ｃｕの酸化が促進され、大気中に数時間放置するだけで、酸化銅が形成されてしまう。
このような酸化銅の形成は、コンタクト抵抗の増大、コンタクトオープン不良の原因となる。
【００３８】
これに対して、本実施形態に係る配線構造形成方法によれば、Ｃｕ配線８に注入されるフッ素量が低減されるので、当該フッ素を多量に含んだ酸化銅１４の膜厚を１５ｎｍ以下に抑制することができる。その結果、当該酸化銅１４の除去時に、フッ素も除去することが可能となる。
【００３９】
図１３は、本実施形態に係る配線構造形成方法により同一ウエハ内に作成されたコンタクトホールの抵抗値と、従来の配線構造形成方法により同一ウエハ内に作成されたコンタクトホールの抵抗値とを比較したグラフである。縦軸に計測件数を、横軸にコンタクトホールの抵抗値を示している。また、黒い四角は、本実施形態に係る方法により作成されたコンタクトホールの抵抗値を示し、白い四角は、従来の方法により作成されたコンタクトホールの抵抗値を示している。このグラフより、従来の方法によると、コンタクト抵抗が０．８〜１．５Ωの範囲で、ウエハ間においてコンタクト抵抗値にばらつきがあるのに対し、本発明によると、０．７〜０．８Ωの範囲内で略一定したコンタクト抵抗を示している。
【００４０】
よって、図１３より、本発明に係る方法により作成されたコンタクトホールは、従来の方法により作成されたコンタクトホールと比べて、抵抗値を低く抑えるとともに、ウエハ間でのばらつきを抑制し、比較的均一な形状でコンタクトを形成することができる。
【００４１】
また、図１４は、本実施形態に係る配線構造形成方法により作成されたコンタクトホールの不良率と、従来の技術に係る配線構造形成方法により作成されたコンタクトホールの不良率とを比較したグラフである。当該図１４によれば、従来の配線構造形成方法では、コンタクト不良率が約２３ｐｐｂであるのに対して、本実施形態に係る配線構造形成方法では、コンタクト不良率が約５ｐｐｂと大きく減少しているのがわかる。また、歩留まりの観点からは、約８ｐｐｂ以下のコンタクト不良率が要求されるが、本実施形態に係る配線構造形成方法では、コンタクト不良率は、約５ｐｐｂであるので、本発明により歩留まりを十分確保することができる。
【００４２】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る配線構造形成方法について図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る配線構造形成方法は、第１の実施形態と同様に、シングルダマシン構造又はデュアルダマシン構造を有する配線構造を形成する際に、下層配線表面に多量のエッチング活性種、例えばフッ素ラジカルが供給されることを防ぐことができる点に特徴がある。なお、本実施形態に係る配線構造形成方法における各工程での半導体装置の断面は、第１の実施形態と同じであるので、図１〜６および８〜１１を援用する。
【００４３】
まず、本実施形態では、図１の配線溝３が形成されるところから、図５の配線溝１３が形成されるところまでは、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４４】
本実施形態に係る配線構造形成方法と第１の実施形態に係る配線構造形成方法との間で異なる点は、図５から図６において、窒化シリコン膜９をエッチング除去する工程でのエッチング条件である。それでは、以下に、本実施形態に係る窒化シリコン膜９の除去時におけるエッチング条件について説明する。
【００４５】
本実施形態に係る配線構造形成方法では、エッチング条件として、第１の実施形態に係るＲＦ電力よりも小さい２００Ｗ〜３００ＷのＲＦ電力を投入する。ここで、例えば、２００ＷのＲＦ電力を投入すると、プラズマとウエハとの間には、約３００Ｖの電圧が発生する。
【００４６】
また、チャンバー内の圧力は、第１の実施形態と同様に、４Ｐａで行われる。また、エッチングガスには、第１の実施形態と同様に、ＣＦ４とＣＨＦ３とアルゴンと酸素との混合比が１：１：１０：０．２である混合ガスを用いる。
【００４７】
ここで、本実施形態に係る配線構造形成方法において、ＲＦ電力が２００Ｗ〜３００Ｗに設定される理由について図面を参照しながら説明する。ここで、図１５は、ＲＦ電力の大きさと窒化シリコン膜のエッチングレートとの関係を示したグラフおよびＲＦ電力の大きさとウエハばらつきとの関係を示したグラフである。当該グラフの横軸は、投入するＲＦ電力の大きさを示し、当該グラフの左側の縦軸は、窒化シリコン膜のエッチングレートの大きさを示し、当該グラフの右側の縦軸は、ウエハ面内均一性を示している。また、白い丸は、ウエハ面内均一性の値を示した点であり、黒い丸は、窒化シリコン膜エッチングレートの値を示した点である。
【００４８】
ＲＦ電力が大きくなると、Ｃｕ配線８表面へのフッ素の衝突速度が大きくなる。従って、Ｃｕ配線８に注入されるフッ素は、ＲＦ電力が大きくなるにしたがって、当該Ｃｕ配線８の奥深く侵入する。そこで、フッ素のＣｕ配線８への侵入深さの観点からは、当該ＲＦ電力は、できるだけ小さな値に抑制されることが望ましい。
【００４９】
これに対して、図１５によると、窒化シリコン膜のエッチングレートは、ＲＦ電力が大きくなるにつれて向上する。特に、窒化シリコン膜のエッチングレートは、ＲＦ電力が１００Ｗから３００Ｗの間において急激に増加し、３００Ｗ以上では、やや増加率が鈍っている。また、図１５によると、ウエハ面内でのばらつきは、ＲＦ電力が大きくなるにつれて低下するため、ＲＦ電力を上昇させることによりウエハ面内の均一性を向上させることができる。特に、当該ウエハ面内でのばらつきは、ＲＦ電力が１００Ｗから３００Ｗの間においては急激に減少し、３００Ｗ以上では、やや減少率が鈍っている。つまり、ウエハ面内の均一性は、ＲＦ電力値が２００〜３００Ｗの範囲で急激に向上することがわかる。従って、窒化シリコン膜のエッチングレートおよびウエハ面内均一性の観点からは、ＲＦ電力は、できるだけ大きな値であることが望ましい。
【００５０】
そこで、フッ素の侵入深さからの観点と、窒化シリコン膜のエッチングレートからの観点と、ウエハ面内均一性からの観点とを総合すると、ＲＦ電力としては、２００Ｗ〜３００Ｗが好ましいことが導き出される。そのため、本実施形態に係る配線構造形成方法では、ＲＦ電力が２００Ｗ〜３００Ｗに設定し、窒化シリコン膜のエッチングを行う。図５に示す半導体装置に対して、上記条件によるエッチング処理を行うと、図６に示すように窒化シリコン膜９が除去される。
【００５１】
窒化シリコン膜９を除去すると、酸素プラズマ処理がＣｕ配線８に対して施される。当該処理は第１の実施形態と同様であり、図８に示すように、エッチング処理時に発生する残渣を除去することができる。また、同時にコンタクトホール１２底部のＣｕ配線８表面が酸化されるが、この工程で酸化される酸化銅の量は微量であり、先の工程の酸化膜厚と殆ど変化しない。
【００５２】
次に、図９に示すように、酸化銅１４を除去する。ここで、酸化銅１４の除去には、第１の実施形態と同様に、酸化銅を溶融し、銅をほとんど溶融しない薬液を用いる。このような薬液としては、例えば、フッ酸や有機酸やクエン酸等があげられる。この後、半導体装置に対して行われる処理は、第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
以上、本実施形態に係る配線構造形成方法によれば、ＲＦ電力を小さくすることにより、エッチング活性種であるフッ素のＣｕ配線への侵入深さを浅くすることが可能となる。その結果、Ｃｕ配線がエッチング活性種により暴露され酸化した部分、及びＦが注入されダメージを受けた膜を容易に除去することができるため、コンタクト抵抗の上昇を抑制し、コンタクトオープン不良の発生の問題が解消される。
【００５４】
上記効果について、図面を参照しながら詳しく説明する。図１６は、縦軸に検出されたフッ素強度、横軸にＣｕ膜表面からの深さを示したグラフである。点線は、ＲＦ電力が２００Ｗの場合におけるフッ素強度を示し、実線は、ＲＦ電力が５００Ｗの場合におけるフッ素強度を示している。また、図１７も、縦軸に検出されたフッ素強度、横軸にＣｕ膜表面からの深さを示しており、ＲＦ電力が２００Ｗでエッチング処理されたときにおいて、酸化銅１４が除去される前後におけるＣｕ表面からの深さとフッ素強度との関係を示したグラフである。なお、実線は、酸化銅１４除去前のフッ素強度を示し、点線は、酸化銅除去後のフッ素強度を示している。
【００５５】
図１６によれば、ＲＦ電力が５００Ｗの場合には、Ｃｕ配線８の表面から約１５ｎｍの深さまで多量のフッ素が侵入しているのに対して、ＲＦ電力が２００Ｗの場合には、Ｃｕ配線８の表面から約１０ｎｍの深さまでしか多量のフッ素が侵入していない。すなわち、図１６は、ＲＦ電力が下げられることにより、フッ素の侵入深さを浅くすることができることを示している。
【００５６】
さらに、図１７によれば、酸化銅１４が除去されることにより、Ｃｕ配線８の表面から約１０ｎｍの深さまでの領域において、フッ素濃度が大きく減少している。これは、ＲＦ電力が下げられることにより、フッ素の侵入深さが浅くなり、これにより、酸化銅１４の除去時に効果的にＣｕ配線８に注入されたフッ素を除去できることを示している。
【００５７】
なお、本実施形態に係る配線構造形成方法では、Ｃｕ配線へのフッ素の侵入深さを浅くするために、ＲＦ電力を小さくするとしていたが、Ｃｕ配線へのフッ素の侵入深さを浅くする方法はこれに限らない。例えば、本実施形態では、チャンバー内の圧力は、１０Ｐａに設定されているが、ＲＦ電力が５００Ｗに維持された状態で、２０Ｐａに設定されても同様の効果が得られる。これは、チャンバー内の圧力を上げると、フッ素ラジカルがＣｕ配線に衝突するときの速度を小さくすることができるからである。
【００５８】
なお、第１および第２の実施形態の配線構造形成方法で用いられるエッチング装置は、反応性イオンエッチングに用いられる装置であればよく、このような装置としては、例えば、平行平板型やＥＣＲ型等が挙げられる。
【００５９】
なお、本実施形態に係る配線構造形成方法では、窒化シリコン膜のエッチング時に用いられるエッチングガスは、ＣＦ４とＣＨＦ３とアルゴンと酸素との混合比が１：１：１０：０．２である混合ガスであるとしているが、当該エッチングガスはこれに限らない。例えば、当該エッチング装置に、ＣＦ４とアルゴンと酸素との混合比が１：１０：０．２である混合ガスが用いられてもよい。但し、この場合には、ＲＦ電力が２００Ｗに設定されるのが好ましい。
【００６０】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態に係る配線構造形成方法では、配線構造形成における窒化シリコン膜のエッチング除去を記載しているが、当該エッチング除去が適用されるのは、配線構造形成時に限らない。すなわち、当該エッチング除去の用途は、Ｃｕ膜上に形成されたシリコン系絶縁膜の除去であればよい。
【００６１】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態に係る配線構造形成方法では、銅配線上に形成された窒化シリコン膜を除去するものとしているが、除去される絶縁膜は、これに限らない。除去される絶縁膜は、例えば、シリコン窒化酸化膜であってもよいし、酸化シリコン膜であってもよい。
【００６２】
なお、第１の実施形態および第２の実施形態に係る配線構造形成方法では、エッチングガスとしてＣとＦとの化合物が含まれるものとして説明を行ったが、エッチングガスは、ＣとＦとの化合物に限らない。例えば、Ｆの代わりにＣｌのようなハロゲン元素が用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において、配線溝が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２】本発明において、Ｃｕ膜等が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図３】本発明において、Ｃｕ配線が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図４】本発明において、コンタクトホールが形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図５】本発明において、配線溝が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図６】本発明において、窒化シリコン膜が除去されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図７】ＣＦ比値と酸化銅の膜厚との関係を示したグラフである。
【図８】本発明において、Ｃｕ配線の表面に酸化処理が施されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図９】本発明において、酸化銅が除去されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明において、Ｃｕ膜が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図１１】本発明において、Ｃｕ配線が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図１２】Ｃｕ配線において、段切れが発生したときの様子を示す図である。
【図１３】従来の配線構造形成方法により形成されたコンタクトの抵抗値と、本発明に係る配線構造形成方法により形成されたコンタクトの抵抗値とを比較したグラフである。
【図１４】従来の配線構造形成方法により形成されたコンタクトの不良率と、本発明に係る配線構造形成方法により形成されたコンタクトの不良率とを比較したグラフである。
【図１５】ＲＦ電力と、窒化シリコン膜エッチングレートおよびウエハ面内均一性との関係を示したグラフである。
【図１６】ＲＦ電力が２００Ｗおよび５００Ｗの場合における、Ｃｕ配線内でのフッ素の濃度を示したグラフである。
【図１７】Ｃｕ配線の表面が薬液により洗浄される前におけるフッ素濃度の分布と、洗浄された後とにおけるフッ素濃度の分布とを示したグラフである。
【図１８】従来技術において、コンタクトホールおよび配線溝が形成されたときの半導体装置の断面図である。
【図１９】従来技術において、Ｃｕ配線の表面が酸化処理されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２０】従来技術において、酸化銅が除去されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２１】従来技術において、Ｃｕ配線が形成されたときにおける半導体装置の断面図である。
【図２２】Ｃｕ配線において、段切れが発生したときの様子を示す図である。
【符号の説明】
１，２ 酸化シリコン膜
３，１３ 配線溝
４，１５ 窒化タンタル膜
５，１６ タンタル膜
６，７，１７，１８ Ｃｕ膜
８，１９ Ｃｕ配線
９ 窒化シリコン膜
１０ 酸化シリコン膜
１２ コンタクトホール
１４ 酸化銅
Claims (9)
- 銅を主成分とする導電膜上に絶縁膜を形成する工程と、
エッチング活性種を含むエッチングガスを用い、前記導電膜表面へのエッチング活性種の入り込みが前記導電膜表面から１５ｎｍ以下となる条件で前記絶縁膜のエッチングを行う工程と、
前記絶縁膜を除去した領域に露出した前記導電膜表面を洗浄する工程と、を備えたことを特徴とする絶縁膜除去方法。 - 前記エッチングガスに含まれる反応ガス中に占めるエッチング活性種に対する非エッチング活性種の割合が、０．２８以上であることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜除去方法。
- 前記エッチング工程でのＲＦ電力の大きさが、２００〜３００Ｗであることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜除去方法。
- 前記エッチング活性種は、前記導電膜との相互作用により、前記導電膜をより酸化させやすい状態にする特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜除去方法。
- 前記エッチング活性種は、フッ素であることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜除去方法。
- 前記エッチングガスに含まれる反応ガスは、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、又はＣＦ４とＣＨＦ３との混合物であることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜除去方法。
- 前記絶縁膜は、窒化シリコン膜、シリコン酸化膜、又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁膜除去方法。
- 銅を主成分とする下層配線と上層配線と、それらを接続する接続金属とを有する配線構造の形成方法であって、
前記下層配線上に絶縁膜を形成する工程と、
エッチング活性種を含むエッチングガスを用いて前記絶縁膜をエッチングすることにより、前記下層配線表面を露出させる接続孔を形成する工程と、を備え、前記エッチング活性種の入りこみを前記下層配線表面深さ１５ｎｍ以内に押さえられる条件で前記絶縁膜をエッチングし、その後前記下層配線表面を洗浄し、前記接続金属と電気的に接続された上層配線を形成することを特徴とする、配線構造形成方法。 - 前記エッチングガスに含まれる反応ガス中に占めるエッチング活性種に対する非エッチング活性種の割合が、０．２８以上であることを特徴とする、請求項８に記載の配線構造形成方法。
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| JP2003114906A JP2004319917A (ja) | 2003-04-18 | 2003-04-18 | 絶縁膜除去方法および配線構造形成方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016530729A (ja) * | 2013-09-17 | 2016-09-29 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッドＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ | エッチング後のインターフェースを安定化し、次の処理ステップ前のキュータイム問題を最小化する方法 |
-
2003
- 2003-04-18 JP JP2003114906A patent/JP2004319917A/ja active Pending
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