JP2503897B2

JP2503897B2 - 銅微細加工方法

Info

Publication number: JP2503897B2
Application number: JP5175931A
Authority: JP
Inventors: 信基細井; 祥雄大下
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-06-24
Filing date: 1993-06-24
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: JPH0786237A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマの物理化学的
反応を利用したＬＳＩにおける微細配線の形成法に関
し、特に従来と比較してＬＳＩ作製に充分な異方性を有
する銅微細加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＳＩの配線材料として一般にＡ
ｌが用いられている。しかし、配線が微細になるに従
い、Ａｌではストレスマイグレーションおよびエレクト
ロマイグレーション耐性が悪く問題となっている。さら
に、半導体素子の高速化に伴い、配線遅延の問題が大き
くなり、より抵抗の低い材料を配線として使用すること
が強く要求されている。上記要求に対し、銅を配線材料
として使用することが検討されている。しかし、通常Ａ
ｌ等を微細加工しているドライエッチング法では、銅の
微細な加工を実現することが困難であり、銅配線の実用
化上問題がある。これは次の理由によると考えられてい
る。通常ドライエッチングにおいては、プラズマにより
分解したハロゲン等が表面に吸着し、表面から離脱しや
すい分子を形成する。これら分子が、イオン衝撃を受け
表面から離脱し、エッチングが進行する。この時、イオ
ンが基板に垂直に入射することから、エッチングにおい
て異方性が得られる。しかし、銅の場合においては、銅
のハロゲン化物が基板表面から離脱しないためエッチン
グが進行しない。これは、銅ハロゲン化物の平衡蒸気圧
がアルミ等のそれと比較して著しく低いことと、イオン
アシストの効果がほとんどないことに起因している。そ
の結果、室温程度でＣｌ₂プラズマに晒すと、銅表面に
ＣｕＣｌ₂等が形成されるだけでエッチングが進行しな
い。このため、基板を２５０℃以上に加熱して銅ハロゲ
ン化物の離脱を促進し、エッチングを行う必要がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の銅微細加工方法においては、エッチング反応において
イオンアシスト効果が少なく、主に熱的に反応が進行す
る。すなわち、エッチング中に表面で形成された離脱分
子は、主に基板から熱エネルギーを得て離脱する。イオ
ンが吸着分子に衝突し、そのエネルギーにより離脱がお
こるイオンアシスト効果が存在する場合、イオンが照射
される部分ではエッチングが進行するが、それ以外では
エッチング反応が起らない。この時、イオンの有する直
進性により、異方性を有した微細加工が可能となる。こ
れに対し、主に基板からの熱エネルギーにより離脱が進
行する銅のエッチングにおいては、側壁部においてもエ
ッチングが進行するので等方的エッチング形状が得ら
れ、微細な配線を形成するのに必要な異方性を得ること
が困難である。

【０００４】さらに、従来の塩素系ガスを用いたドライ
エッチング技術により基板加熱して銅の加工を行った場
合、銅膜中に塩素が容易に拡散し、加工後の銅配線中に
多くの塩素が残る。これら塩素は、微細加工後、空気中
の水分と反応し、銅配線の腐食の原因となる。この現象
は、コロージョンと呼ばれ、銅を配線材料として用いた
半導体素子の歩留まりあるいは信頼性を劣化させるとい
う問題点があった。本発明はこのような従来の問題点を
解決するためになされたもので、微細な配線形成に必要
な異方性を有する銅微細加工方法を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、塩素を含むガ
スを放電し、銅を化学反応及び物理反応により除去する
ドライエッチング法による銅の微細加工方法において、
アルミニウムを構成元素として含むガスと、窒素ガスお
よびアンモニアガスのうちの少なくとも一種のガスとを
エッチングガスに添加してドライエッチングを行うこと
を特徴とする銅微細加工方法である。

【０００６】

【作用】前述したように、従来のプラズマを利用した銅
ドライエッチングにおいて異方性を得ることが困難であ
った理由は、エッチングが主に基板の熱エネルギーによ
り進行することにあった。これに対して、エッチングガ
ス中にアルミニウムを構成原子として含む分子と、窒素
および／またはアンモニアとを添加すると、銅表面にＡ
ｌＮが堆積する。この銅表面上のＡｌＮは、熱的には塩
素系ガスにより除去することが困難である。この時、エ
ッチングすべきマスクのない領域の銅表面に堆積したＡ
ｌＮは、プラズマに晒されているためイオンが衝突し直
ちに除去される。このため、底部では銅のエッチングが
進行する。一方、側壁部分に堆積したＡｌＮはイオン衝
突がないため除去されない。その結果、塩素ラジカル等
が側壁部分に飛来しても、銅と反応することができず、
エッチングが進行しない。その結果、異方性を有した銅
微細加工が実現される。さらに、側壁に堆積したＡｌＮ
は塩素が銅膜中へ拡散するのを抑制することから、エッ
チング終了後の銅配線のコロージョンを防ぐことが可能
となる。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の実施例を説明するための銅
微細加工装置を示す構成図である。この銅微細加工装置
は、内部に基板１３を保持する基板保持部１４と、プラ
ズマを発生させるための電極１５および１６とが設けら
れたチャンバ１２と、高周波電源１１と、前記チャンバ
１２内にエッチングガスを導入するガス導入口１７と、
導入された前記ガスの圧力を一定に維持する圧力調整用
可変バルブ２７と、真空ポンプ２８とを備えた一種の平
行平板型ＲＩＥ装置である。ガス導入口１７には、アン
モニアガス供給配管、塩素ガス供給配管およびアルミニ
ウム含有ガス供給配管が接続している。このうち塩素ガ
ス供給配管には塩素ガスの供給・停止を司るマスフロー
１８およびバルブ１９が設けられ、アルミニウム含有ガ
ス供給配管にはジメチルアルミニウムクロライド（Ａｌ
Ｃｌ（ＣＨ₃）₂）を充填したバブラー２０と、ジメチル
アルミニウムクロライドの温度を制御する恒温槽２１
と、バブリング用の窒素ガスの供給・停止を司るマスフ
ロー２２およびバルブ２３と、窒素ガスにより輸送され
るジメチルアルミニウムクロライドのチャンバ１２への
供給・停止を司るバルブ２４が設けられている。またア
ンモニアガス供給配管にはチャンバ１２へのアンモニア
ガスの供給・停止を司るマスフロー２５とバルブ２６が
設けられている。

【０００８】図２は本実施例において用いた基板の断面
を示す図である。シリコン基板３０上に下地材料として
１００ｎｍの厚さを有するシリコン酸化膜３１を熱酸化
により形成した。銅はシリコンおよび酸化膜中を容易に
拡散し、半導体素子の特性を劣化させることが報告され
ている。そこで、バリアメタルとして、酸化膜の上に厚
さ１００ｎｍのＴｉＮ膜３２をスパッタ法により堆積さ
せた。その後、配線材料としての銅膜３３をスパッタ法
により５００ｎｍの厚さ堆積させた。マスクとの密着性
を向上させるため、および銅表面の酸化を防ぐため、ス
パッタ法によりＴｉＮ膜３４を５０ｎｍ堆積させた。そ
の上に、いわゆるハードマスクとして、３００ｎｍの厚
さのシリコン酸化膜３５をＣＶＤ法により堆積させた。
その上にホトレジストをスピン塗布し、露光、エッチン
グにより最小線幅０．４５ミクロンの配線パターンを形
成した。その後、ホトレジストをマスクにして、ハード
マスクであるシリコン酸化膜３５をドライエッチングに
より除去し、前記配線パターンを有するハードマスクを
形成した。

【０００９】次に、この装置による銅の微細加工の方法
について装置の動作を交えて説明する。前記基板を装置
にセットし、一度チャンバ１２内部を真空ポンプ２８に
より真空に排気した後、チャンバ１２のガス導入口１７
より、塩素（Ｃｌ₂）（１０ｓｃｃｍ）、ジメチルアル
ミニウムクロライド（１ｓｃｃｍ）、アンモニア（２ｓ
ｃｃｍ）をそれぞれのマスフロー１８，２２，２５およ
びバルブ１９，２４，２６で流量制御しつつ導入し、圧
力調整用可変バルブ２７と真空ポンプ２８による排気に
より約３Ｐａの圧力に維持した。ジメチルアルミニウム
クロライドは室温では蒸気圧が低いため、恒温槽２１を
用いた加熱および窒素ガスによるバブリングにより供給
した。高周波電源１１を投入し、電極１５，１６の間に
プラズマを発生させ、エッチングを開始した。基板加熱
機構２９を用いて基板温度を約２５０℃に維持し、上記
条件で約５分間エッチングを行った後、高周波電源の投
入、基板加熱、および各種ガスの供給を停止した。基板
が室温まで低下した後、基板を装置から取り出し形状等
を評価した。

【００１０】本実施例により形成した銅微細配線におい
ては、ハードマスク下の銅はエッチングされていないの
に対し、それ以外の部分は異方性をもって除去された。
その結果、０．４５ミクロンの微細な銅配線が形成され
た。なお、本実施例における最小の配線幅は０．４５ミ
クロンであったが、これはハードマスクの寸法により制
限されるものであり、より狭い配線幅を有するマスクを
使用することにより、より微細な加工が可能となる。加
工した銅微細配線を大気中で約２４時間保持したが、コ
ロージョンと呼ばれる配線腐食は発生しなかった。これ
は、側壁にＡｌＮ保護膜が形成され、エッチング中に銅
膜中に拡散する塩素の量が低下したことに対応する。

【００１１】なお、本実施例においては、添加ガスとし
てジメチルアルミニウムクロライドを使用したが、この
原料に限定されるものではない。要は、分子を構成する
原子としてアルミニウムを含んでいれば良い。例えば、
トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ₃）₃）でも良い。
また、もう一つの添加ガスとしてアンモニアを用いた
が、窒素を用いても同様の効果が得られる。また、エッ
チングガスとして塩素ガスを使用したが、他のＳｉＣｌ
₄等、塩素系のガスであれば同様の効果が得られる。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
れば、従来の塩素系ガスをエッチングガスとして用いた
銅のドライエッチング方法で、Ａｌを構成元素として含
むガスおよび窒素あるいはアンモニアガスをエッチング
ガスに添加することにより、銅側壁部分にＡｌＮ保護膜
を堆積させ、側壁部分でのエッチングを抑制し、異方性
を有した銅の加工が可能となり、これにより微細な銅配
線が形成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を説明するための銅微細加工装
置を示す構成図である。

【図２】本発明の実施例を説明するための基板の断面図
である。

【符号の説明】

１１高周波電源１２チャンバ１３基板１４基板保持部１５上部電極１６下部電極１７ガス導入口１８マスフロー１９バルブ２０バブラー２１恒温槽２２マスフロー２３バルブ２４バルブ２５マスフロー２６バルブ２７圧力調整用可変バルブ２８真空ポンプ２９基板加熱機構３０シリコン基板３１シリコン酸化膜３２ＴｉＮ膜３３銅膜３４ＴｉＮ膜３５シリコン酸化膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】塩素を含むガスを放電し、銅を化学反応
及び物理反応により除去するドライエッチング法による
銅の微細加工方法において、アルミニウムを構成元素と
して含むガスと、窒素ガスおよびアンモニアガスのうち
の少なくとも一種のガスとをエッチングガスに添加して
ドライエッチングを行うことを特徴とする銅微細加工方
法。
【請求項２】アルミニウムを構成元素として含むガス
がジメチルアルミニウムクロライドである請求項１記載
の銅微細加工方法。
【請求項３】アルミニウムを構成元素として含むガス
がトリメチルアルミニウムである請求項１記載の銅微細
加工方法。