JP2646811B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

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
のドライエッチングを行うためのドライエッチング方法
に関し、特にエッチング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。

〔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頼性が劣化する上に、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。したがって信頼性を損なうこ
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。酸化銅被膜が存在すると、エ
ッチングガスと銅との間の化学反応が抑制されてエッチ
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ッ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ッチングされにくい
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虞れがある。

この問題を解決すべく、銅系の配線材料のエッチング
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・オブ・アプライド・フィジ
ックス（Japanese Journal of Applied Physics）第28
巻６号第L1070〜L1072ページ（1989年）には、ウェハを
250℃付近に加熱しながらSiCl₄とN₂の混合ガスにより銅
薄膜の反応性イオンエッ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_xN_yを側壁保護に利用できるため、異方性
加工が行われる。

また、特開平１−234578号公報には、エッチングガス
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。

さらに本願出願人は、先に特願平２−97245号明細書
において、ウェハを200℃以下に加熱した状態で、エッ
チングガスにＮ系ガスとＯ系ガス，またはＮとＯ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Ｏを含むガスとＦを含むガスとを用
い、銅を硝酸銅Cu（NO₃）_２の形で昇華除去させるエッ
チング方法を提案している。この方法は、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
る層間絶縁膜に対する選択比が大きくとれ、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〕

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
方性エッチングを行う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NH₃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、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ッチングを行った後、ClF₃
ガスのガス・エッチングにもとづくエッチング・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
ッ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、およびこのクリーニングを行うためには、エ
ッチング・チャンバー内でエッチング反応生成物が多く
堆積し易い部位に加熱手段を備えたドライエッチング装
置が有効であること、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、本発明のドライエッチング方法は、少なく
ともSiCl₄ガスとNH₃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ものである。

上記銅系金属膜のエッチングの後は、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エッチ
ングチャンバーの所定の部位を加熱しながらClF₃ガスに
より選択的に除去することが好ましい。

上述のドライエッチング方法を実現するためのドライ
エッチング装置としては、エッチング・チャンバー内で
被処理基板を保持する基板載置電極と該基板載置電極に
対向配置される対向電極との間に高周波電界を印加して
生成させたプラズマを用い、該被処理基板に対するドラ
イエッチングを行うものであって、前記基板載置電極に
前記被処理基板を加熱するための加熱手段が設けられ、
かつ前記対向電極もしくは前記チャンバーの壁面の少な
くともいずれかにも加熱手段が設けられたものが好適で
ある。この構成は、平行平板型RIE（反応性イオン・エ
ッチング）装置やマグネトロンRIE装置に適用されるも
のである。

あるいは、エッチング・チャンバー内にマイクロ波電
界とこれに直交する磁場を印加して生成させたECR（電
子サイクロトロン共鳴）プラズマを用い、該エッチング
・チャンバー内の基板ステージ上に保持される被処理基
板に対するドライエッチングを行うドライエッチング装
置であって、前記基板ステージに前記被処理基板を加熱
するための加熱手段が設けられ、かつ前記エッチング・
チャンバーの壁面にも加熱手段が設けられたものであっ
ても良い。この構成は、有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置に適用されるものである。

〔作用〕 本発明で用いられる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、エッ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NH₃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、エッ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NH₃中のＮが側
壁保護膜の構成元素やエッチング種となり、異方性の向
上やエッチング速度の増大を図る上で有利となる。たと
えば、SiCl₄/N₂系へNH₃を添加すれば、NH₃中のＮの寄与
によりSi_xNi_yもしくはSi_xCl_yN_z等の組成を有する側壁保
護膜が形成される。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、本発明においてエッチング・チャンバー内の不
要な堆積物を除去するために用いられるClF₃ガスは不安
定な化合物であり、熱分解により容易にClFとF₂を生成
する。これらの分解生成物は、既に堆積したSi_xN_y,Si_xC
l_yN_z等のエッチング反応生成物を、イオン化せずに分子
状態のままでエッチングすることができる。したがっ
て、エッチング・チャンバー内の所定の部位を加熱する
ことにより、その部位と接触したClF₃が直ちに分解さ
れ、その部位に存在する不要な堆積物が除去される。

なお、上述のドライエッチング装置は、エッチング中
の被処理基板を加熱するために基板載置電極や基板ステ
ージに加熱手段を備えていることに加え、上述のような
不要堆積物の除去を行うために対向電極やエッチング・
チャンバー壁面の少なくともいずれかにも加熱手段を備
えているため、ClF₃によるガス・エッチングを有効に進
行させることができる。

〔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、SiCl₄/N₂/NH₃混合ガスを用いて銅薄膜の
ドライエッ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
ッチング装置のウェハ・ステージ上にセットした。この
状態で、一例として下記の条件でエッチングを行った。

SiCl₄ガス流量 30SCCM N₂ガス流量 10SCCM NH₃ガス流量 10SCCM ガス圧 1.3Pa（＝10mTorr） マイクロ波パワー 850W（2.45GHz） RFバイアス・パワー 300W（13.56MHz） ウェハ温度 250℃ このエッチングの過程では、銅はSiCl₄ガスから生ず
る塩素系エッチング種と反応してCuCl_xを生成する。こ
のCuCl_x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CuCl
_xの蒸気圧が高められた状態となり、速かな除去が行わ
れる。このような高温条件下において、従来の技術では
残留酸素と銅薄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、本発明ではエッチングガスに還
元作用を有するNH₃が含まれているために、生成する酸
化銅はただちにエッチングされやすい純銅に還元され
る。したがって、エッチング反応は円滑に進行し、酸化
銅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、このエッチング反応と平行し
て、気相中でSi_xN_yあるいはSi_xCl_yN_z等の組成を有する
化合物が生成し、エッ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、NH₃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ッチング反応と競
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、良好な異方性エッ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。

参考例１ 本参考例では、NO₂/O₂/NH₃混合ガスを用いて銅薄膜の
ドライエッチングを行った。

被エッ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・エッチング装置にセット
し、一例として下記の条件でエッチングを行った。

NO₂流量 30SCCM O₂流量 10SCCM NH₃流量 10SCCM ガス圧 １・3Pa（＝10mTorr） マイクロ波パワー 850W（2.45GHz） RFバイアス・パワー 300W（13.56MHz） ウェハ温度 250℃ このエッチングの過程では、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（NO₃）_２が生成する
ことで銅薄膜のエッチングが進行する。上記エッチング
・ガス系は、従来アルミニウムのエッチングに多用され
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層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。また、NH₃ガス中のＮ
の寄与によりCu（NO₃）_２の形成がより容易となる。さ
らに、NH₃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できた。

なお、上述のNO₂ガスに代えてN₂O₂,N₂O,NO,N₂,NH₃等
のガスを使用し、これをO₂ガスおよびNH₃ガスと混合し
てエッチング・ガスとしても良い。あるいは、O₂ガスを
使用せず、NO₃ガスとNH₃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も良い。

以上のように、NH₃をNO₂/O₂系へ添加すれば、Ｎの寄
与によりCu（NO₃）_２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ッ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。

エッチング装置の構成例１ 基板載置電極（下部電極），対向電極（上部電極），
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・エッチ
ング）装置の構成について、図１を参照しながら説明す
る。

この装置は、円筒形のエッチング・チャンバー１の上
蓋を構成する対向電極２と基板載置電極４との間でマグ
ネトロン放電を起こして生成させたプラズマP_Mを用い、
該基板載置電極４上のウェハＷのエッチングを行うもの
である。エッチング・チャンバー１の側壁面は、対向電
極２とは絶縁されたシリンダ３により形成されている。
また、エッチング・チャンバー１内にはガス供給管６を
通じてエッチング・ガスが矢印Ｂ方向から供給される一
方、内部の雰囲気はターボ・モレキュラー・ポンプやド
ライ・ポンプを備えた図示されない高真空排気系統によ
り排気口５を通じて矢印Ａ方向に排気されている。上記
基板載置電極４にはRF電源11がブロッキング・コンデン
サ10およびマッチング・ネットワーク９を介して接続さ
れ、カソード・カップリング型の構成とされている。さ
らに、エッチング・チャンバー１の外部において対向電
極２と対向する位置に矢印Ｃ方向に回転可能となされた
マグネット７が配されており、プラズマ密度の上昇と均
一化が図られている。

このマグネトロンRIE装置の特色は、基板載置電極４
にヒーター８が内蔵されていることはもちろん、対向電
極２やシリンダ３にもヒーター８が内蔵されている点で
ある。これらのヒーター８は、独立に温度制御が可能で
ある。

実施例２ 本実施例では、エッチング装置の構成例１として説明
したマグネトロンRIE装置を用い、SiCl₄/N₂混合ガスを
用いて銅薄膜をエッチングした後、ClF₃を用いたガス・
エッチングを行ってチャンバー内堆積物を除去した。被
エッチング材として使用したウェハは、実施例１で用い
たものと同じである。

まず第１の工程として、一例として以下の条件でエッ
チングを行った。

SiCl₄流量 30SCCM N₂流量 20SCCM ガス圧 2Pa（≒15mTorr） マイクロ波パワー 850W（2.45GHz） RFパワー密度 2.7W/cm2（13.56WHz） ヒーター温度 300℃ 上記第１の工程では、銅がCuCl_xの形で除去されるエ
ッチング反応と、Si_xN_yあるいはSi_xCl_yN_z等の組成を有
する化合物の堆積反応とが競合し、良好な異方性エッチ
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の工程では一例として下記の条件で
エッチングを行った。

ClF₃流量 500SCCM ガス圧 133Pa（＝1Torr） ヒーター温度 250℃ この工程では、加熱が行われているシリンダ3,対向電
極２および基板載置電極４の表面にてClF₃ガスの熱分解
生成物によるガス・エッチングが進行し、堆積物に速や
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・
レベルが悪化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・エッチングは遥かに迅速に実施でき
るため、スループットの向上等の観点から有利である。

また、ヒーターによる加熱部位は、上述のようなシリ
ンダ3,対向電極2,および基板載置電極４に限られず、エ
ッ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て良
い。

エッチング装置の構成例２ 基板ステージ壁と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RFバイアス印加型有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置の構成につい
て、図２を参照しながら説明する。

この装置は、2.45GHzのマイクロ波を発生する図示さ
れないマグネトロンから発生するマイクロ波μを導く導
波管21、アルミニウム・ブロックからなり、排気口26を
通じて矢印Ｄ方向に接続される排気系統による高真空排
気されるエッチング・チャンバー23、このエッチング・
チャンバー23の上蓋を兼ねる石英製のマイクロ波導入窓
22、上記導波管21とエッチング・チャンバー23とを囲撓
し8.75×10^-2T（＝875G）の磁場強度を達成できるソレ
ノイド・コイル24、上記エッチング・チャンバー23内で
ウェハＷを保持するための基板ステージ27、エッチング
・チャンバー23内にエッチング・ガスを矢印Ｅ方向から
供給し、先端のリング状ノズルから放出させるガス供給
管25を備えており、磁場中でサイクロイド運動を行う電
子にマイクロ波エネルギーを共鳴吸収させることにより
生成させたECRプラズマP_Eをエッチングに利用するもの
である。上記基板ステージ27には、RF電源31がブロッキ
ング・コンデンサ30およびマッチング・ネットワーク29
を介して接続され、プラズマ生成とは独立にウェハＷに
対するイオン入射エネルギーを制御可能となされてい
る。

この有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置の特
色は、基板ステージ27にヒーター28が内蔵されているこ
とはもちろん、エッチング・チャンバー23の壁面にもヒ
ーター28が内蔵されている点である。これらのヒーター
28は、独立に温度制御が可能である。

実施例３ 本実施例では、エッチング装置の構成例２として説明
した高周波バイアス印加型有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置を用い、SiCl₄/N₂/NH₃混合ガスを用いて
銅薄膜をエッチングした後、ClF₃を用いたガス・エッチ
ングを行ってチャンバー内堆積物を除去した。被エッチ
ング材として使用したウェハは、実施例１で用いたもの
と同じである。

まず第１の工程として、一例として以下の条件でエッ
チングを行った。

SiCl₄流量 10SCCM N₂流量 10SCCM NH₃流量 10SCCM ガス圧 1.3Pa（≒10mTorr） マイクロ波パワー 850W（2.45GHz） RFバイアス・パワー 300W（13.56MHz） ヒーター温度 250℃ このエッチング過程では、銅がCuCl_xの形で除去され
るエッチング反応と、Si_xN_yあるいはSi_xCl_yN_z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ッチ
ングが行われる一方、NH₃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。
そこで、続く第２の工程では一例として下記の条件でエ
ッチングを行った。

ClF₃流量 500SCCM ガス圧 133Pa（＝1Torr） ヒーター温度 250℃ このエッチングにより、チャンバー内堆積物を容易に
除去することができた。

〔発明の効果〕

以上の説明からも明らかなように、本発明のドライエ
ッチング方法によれば、不要な残渣を残すことなく銅系
金属膜の良好な異方性エッチングを速やかに行うことが
可能となる。また特に、エッチング反応生成物が堆積し
得るエッチング・チャンバーの内部構成部材を加熱可能
としたドライエッチング装置を用い、エッチングの後半
でClF₃を用いたガス・エッチングを行えば、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
下で信頼性の高いエッチングを再現性良く行うことがで
きる。

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。

【図面の簡単な説明】

第１図は、マグネトロンRIE装置の構成を示す概略断面
図である。第２図は、高周波バイアス印加型有磁場マイ
クロ波プラズマ・エッチング装置の構成を示す概略断面
図である。 １……（マグネトロンRIE装置の）エッチング・チャン
バー ２……対向電極 ３……シリンダ ４……基板載置電極 ７……マグネット 8,28……ヒーター 11,31……RF電源 21……導波管 23……（有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置
の）エッチング・チャンバー 24……ソレノイド・コイル 27……基板ステージ Ｗ……ウェハ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−94121（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−162338（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−260422（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−234578（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−181429（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−152274（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−53027（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−17434（ＪＰ，Ａ) Ｊａｐ．Ｊ．Ａｐｐ・Ｐｂｙｓ．Ｌｅ ｔｔ．28巻．６月 1989．Ｐ．1070− 1073

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくともSiCl₄ガスとNH₃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こと を特徴とするドライエッチング方法。
2. 【請求項２】上記銅系金属膜のエッチングの後、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
   をエッチングチャンバーの所定の部位を加熱しながらCl
   F₃ガスにより選択的に除去すること を特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。