JP2682498B2

JP2682498B2 - 銅微細配線形成装置

Info

Publication number: JP2682498B2
Application number: JP7046486A
Authority: JP
Inventors: 祥雄大下
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 1997-11-26
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: JPH08222532A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩにおける微細配
線の形成装置に関し、特に従来より低温で、かつＬＳＩ
作製に十分な異方性と配線形成速度を実現する銅微細配
線加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＬＳＩの配線材料として一般にア
ルミニウムＡｌが用いられている。しかし、配線が微細
になるに従い、アルミニウム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低いこと
に起因して、半導体素子の信頼性が劣化する問題が生じ
ている。このため、マイグレーション耐性の大きい配線
材料が要求されている。

【０００３】さらに、半導体素子のスイッチング速度の
高速化に伴い、配線抵抗と静電容量に起因したＲＣ遅延
が無視できなくなってきており、アルミニウムよりも抵
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。

【０００４】上記要求に対し、銀Ａｇに次いで抵抗が低
く、先のマイグレーション耐性が強いことから、銅Ｃｕ
を配線材料として使用することが検討されている。

【０００５】しかし、通常アルミニウムを微細加工し配
線を形成するために用いられるプラズマを利用したドラ
イエッチング法ではエッチングガスとして例えば塩素
（Ｃｌ）系ガス等が用いられ、これにより銅を微細加工
した場合、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ニウムのそれと比較して著しく低
いこと、ならびにイオンによる表面生成物の離脱のアシ
スト効果がほとんど無いことに起因している。

【０００６】すなわち、従来のプラズマのみを用いた方
法では銅の微細加工は困難である。その結果、最も蒸気
圧の高い塩化銅を形成するＣｌ系ガスを用いたドライエ
ッチングにおいても、銅の表面にＣｕＣｌ₂等の塩化物
が堆積するだけである。

【０００７】以上の理由から、銅を微細加工するには、
表面の塩化銅を熱的に離脱させることが行われている。
具体的には、基板を保持している電極部分をヒーターに
より２００〜２５０℃程度に加熱し、銅ハロゲン化物の
離脱を促進し、エッチングが行われている。

【０００８】しかし、基板温度が高いことに起因して、
次の問題が生じる。

【０００９】一の問題として、エッチング時に銅配線中
に塩素が容易に熱拡散し、エッチング終了時に加工した
配線の表面や内部に多くの塩素が残留することである。
これらの残留塩素は、空気中の水分と反応し、コロージ
ョンと呼ばれる配線腐食の原因となり、半導体素子の特
性を劣化あるいは長期信頼性を劣化させる。

【００１０】他の問題としては、温度上昇に起因して、
密着性の悪いバリアメタルと銅の間ではがれが生じ、断
線あるいは加工形状の質の劣化等がある。

【００１１】上記問題に対し、塩素系ガスを用いたドラ
イエッチングにおいて、エッチング中に基板表面に赤外
光を照射すると、銅表面に形成された塩化銅が赤外光を
吸収し、それらの離脱が促進され、低温で銅の微細加工
が可能となり、先に述べたコロージョン等の問題が回避
される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したドラ
イエッチング中に赤外線ランプの光を表面に照射する銅
微細加工法においては、以下に述べる問題がある。

【００１３】すなわち、繰り返しエッチングを行うと、
エッチング生成物である塩化銅が、赤外光を装置内部に
導入するための窓の上に堆積する。その結果、エッチン
グにより加工するシリコン基板の枚数が多くなるに従
い、窓の曇りの程度が増大し、窓を透過して基板表面に
到達する赤外光強度が低下する。

【００１４】このため、エッチング回数に伴う光の透過
量の変化に対応してエッチング条件、例えばエッチング
速度が変化し、プロセスの安定性に欠ける問題が生じ
る。

【００１５】この曇りに起因する問題を回避し、再現性
良く銅の微細加工を行うには、頻繁に窓表面をクリーニ
ングし、窓の上に堆積した塩化銅を除去することが必要
とされる。しかし、頻繁なクリーニングは、装置の稼働
率の低下や装置の安定性に悪影響を与える。

【００１６】このような問題を解決する方法として、赤
外光導入窓の加熱が考えられる。窓に堆積する塩化銅は
２００℃程度以上の温度で蒸発するため、窓を２００℃
以上に加熱すると塩化銅の堆積を抑制でき、上記問題が
回避される。

【００１７】しかし、窓を加熱した場合、窓と装置本体
をシールしているＯリング等が熱により劣化する。その
結果、次第に装置本体と窓の部分から装置内部に外気が
リークし装置の故障を招くに至る。あるいはエッチング
ガスが大気に漏洩する等の新たな問題が生じ、装置の信
頼性が低下する。

【００１８】従って、本発明は上記問題点を解消し、塩
素ガスをエッチングガスとして用いたドライエッチング
中に基板表面に赤外光を照射し、表面に形成されたエッ
チング生成物の離脱を促進し、従来より低温でかつ異方
性を有した銅微細加工が可能となる銅微細加工装置にお
いて、赤外光導入窓の曇りを抑制し、再現性良くエッチ
ングすることを可能とする銅微細加工装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明は、塩素系ガスを用いたプラズマの物理化学的反
応を利用し、かつ赤外光を基板表面に照射し加工する銅
微細加工装置において、赤外光透過窓を二重化し、装置
内部の圧力の維持及び外気の装置内部への漏洩を防止す
るシール部分に関与する窓の加熱は行わず、前記窓と基
板間に設置した窓のみを加熱するように構成したことを
特徴とする銅微細配線形成装置を提供する。

【００２０】本発明においては、装置内部の圧力の維持
及び外気の装置内部への漏洩を防止するシール部分に関
与する前記窓と前記基板間に配設された窓の少なくとも
一側表面が赤外光を吸収する部材で覆われたことを特徴
とする。

【００２１】また、本発明は、前記二重化した窓のう
ち、装置内部の圧力の維持及び外気の装置内部への漏洩
を防止するシール部分に関与する窓において、装置内部
に露出する表面にガスを吹き付ける構成を有することを
特徴とする。

【００２２】さらに、本発明は、加熱しない窓の装置内
部に露出した表面に吹き付けるガスとして、Ｎ₂ガス、
希ガスあるいはそれらの混合ガスを用いることを特徴と
する。

【００２３】そして、本発明は、加熱しない窓の装置内
部に露出した表面に吹き付けるガスとして、エッチング
ガスを用いることを特徴とする。

【００２４】

【作用】前記の如く、窓を加熱することにより生じる装
置の故障、及び信頼性の低下という問題は、窓と装置本
体のシール部分の劣化に起因している。本発明において
は、赤外光導入用に二つの窓を設置し、一方窓（第１
窓）で外気と装置内部とを分離し、他方の窓（第２窓）
で前述の窓の曇り防止を実現するものである。

【００２５】すなわち、本発明によれば、二つの窓のう
ち、一方の窓（第１窓）は装置本体に設置し、第１窓と
装置本体の間のＯリング等のシール部材により、装置内
部に外気が漏洩すること、及びエッチングガスが外気へ
漏洩することを防ぐ。そして、第１窓の加熱は行われな
いため、シール部材等の熱的な劣化は生じない。

【００２６】他方の窓（第２窓）は、装置内部において
第１窓と基板との間に配設される。この第２窓の存在に
より、第１窓表面への塩化銅の付着を抑制される。

【００２７】第２窓は、ヒーター等により好ましくは約
２００℃以上に加熱し、窓表面に塩化銅が堆積すること
を防ぐ。第２窓は装置内部と大気の間のシールには関与
しないため、第２窓を加熱した場合にも、装置のシール
部等の劣化等は生ぜず、装置の故障、信頼性の低下等の
前記問題は回避される。このため、本発明によれば、窓
の曇りに起因する問題が回避され、再現性良く銅の微細
加工が実現される。

【００２８】

【実施例】図面を参照して、本発明の実施例を以下に説
明する。

【００２９】

【実施例１】図１は本発明の第１の実施例を説明するた
めの銅微細加工装置を示す模式図である。

【００３０】図１を参照して、本実施例の銅微細加工装
置は、プラズマを発生させるチャンバ１−１と、チャン
バ１−１内にて基板１−２を保持する基板支持部１−３
と、プラズマを発生させるための下部電極１−４及び上
部電極１−５と、チャンバ１−１の外部に設置され銅表
面に光を照射する赤外線ランプ１−６と、ガス導入口１
−７からエッチングガスの供給・停止を制御するマスフ
ローメーター１−８及びバルブ１−９と、導入されたエ
ッチングガスの圧力を一定に維持する圧力調整用可変バ
ルブ１−１０と、真空ポンプ１−１１と、高周波電源１
−１２と、を備えてなる一種の平衡平板型ＲＩＥ（Reac
tive Ion Beam Etching）装置である。

【００３１】赤外線を導入するための第１の石英製の窓
１−１３とチャンバ１−１との間は、Ｏリング１−１４
によりシールされ、外気と装置内部を遮断している。

【００３２】また、装置内部には第２の石英製の窓１−
１５が設置してある。

【００３３】基板１−２表面に赤外光を照射させるた
め、上部電極１−５の光透過部分は、金属メッシュで作
製してある。

【００３４】本実施例においては、第１の窓１−１３表
面に銅塩化物が堆積することにより抑制するために、第
１の窓１−１３を、第２の窓１−１５ならびに遮蔽板１
−１６により覆っている。

【００３５】そして、装置内部の第２の窓１−１５付近
には、ヒーター１−１７及び熱電対１−１８が配設され
ており、外部の温度コントローラ１−１９により第２の
窓１−１５を所定の温度に加熱する。

【００３６】図２は本実施例において用いた基板構造の
概略を示すものである。

【００３７】図２を参照して、シリコン基板２−１上に
は下地材料として略１００ｎｍの厚さを有するシリコン
酸化膜２−２が熱酸化法により形成されている。

【００３８】ところで、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。そこ
で、銅の拡散を抑制するバリアメタルとして、シリコン
酸化膜２−２の上に厚さ略１００ｎｍのＴｉＮ層（下部
ＴｉＮ膜）２−３がスパッタ法により堆積される。

【００３９】そして、ＴｉＮ層２−３上に配線材料とし
ての銅２−４をスパッタ法により略５００ｎｍの膜厚で
堆積する。その上に、酸化膜と銅の反応を抑制するた
め、及び酸化膜と銅の密着性を向上させるために、スパ
ッタ法によりＴｉＮ層（上部ＴｉＮ膜）２−５を略５０
ｎｍの膜厚で堆積する。

【００４０】さらに、ＴｉＮ層２−５上にいわゆるハー
ドマスクとして略３００ｎｍの厚さのシリコン酸化膜２
−６をＣＶＤ法により堆積する。

【００４１】その上に、フォ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０．５μｍの配線
パターンを形成する。

【００４２】その後、フォ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２−６をドライエッ
チングにより加工した。

【００４３】酸素プラズマによるアッシング（ashing）
により、残ったフォトレジストを除去して、前記配線パ
ターンを有するシリコン酸化膜ハードマスク２−６を形
成する。

【００４４】基板１−２をチャンバ１−１内部の基板支
持部１−３にセットし、一度チャンバ１−１内部を真空
ポンプ１−１１により真空に排気した後、チャンバのガ
ス導入口１−７よりＣｌ₂を導入し、圧力調整用可変バ
ルブ１−１０と真空ポンプ１−１１による排気により、
装置内部の圧力を約３Ｐａに維持した。

【００４５】赤外線ランプ１−６に電力を投入し、基板
表面に赤外光を照射した。高周波電源を投入し、電極の
間にＣｌ₂プラズマを発生させエッチングを開始した。
赤外光を基板に照射すると基板温度が上昇するが、本実
施例の場合における基板温度は約６０℃であった。

【００４６】約２分間エッチングを行った後、高周波電
源、光照射、およびＣｌ₂ガスの供給を停止した。以上
が一基板に対する全エッチング工程となる。

【００４７】さらに、基板を交換し、上記銅の微細加工
を繰り返し行った。

【００４８】第２の窓１−１５を加熱しない場合には、
約１００回エッチングを行った時点で、第２の窓１−１
５に堆積した塩化銅により、赤外光の窓の透過量が銅を
微細加工するに不十分となり、窓のクリーニングが必要
となった。

【００４９】これに対して、熱電対１−１８で第２の窓
１−１５の温度を監視しながら、チャンバ１−１内部に
設置した第２の窓１−１５をヒーター１−１７により約
２００℃に加熱した結果、１０００回エッチングを行っ
た後も、第２の窓１−１５を透過する赤外光強度の低下
はなく、銅の微細加工は再現性良く行うことができた。

【００５０】この時、第１の窓１−１３表面には、第２
の窓１−１５部分の加熱の有無に関わらず、エッチング
条件が変化するに十分な塩化銅の堆積はなかった。そし
て、第１の窓１−１３は加熱されていないため、チャン
バ１−１と第１の窓１−１３の間のＯリング１−１４の
熱に起因する劣化は生じなかった。

【００５１】本実施例においては、第２窓１−１５の温
度を２００℃に設定したが、装置構成および窓のクリー
ニングを行う間隔等により、窓の温度は２００℃以外に
他の最適温度に設定してもよい。すなわち、第２窓１−
１５は、窓の部分にエッチング生成物である塩化銅が堆
積しない程度の温度に加熱される。

【００５２】また、本実施例においては、Ｃｌ₂をエッ
チングガスとして用いたが、ＳｉＣｌ₄等の他の塩素系
ガスを用いた場合にも、窓表面に付着し赤外光の透過を
妨げるものは、Ｃｌ₂をエッチングガスとして用いた場
合と同様塩化銅であり、従って、本実施例と同様に第２
の窓の存在により同様な効果が得られる。

【００５３】

【実施例２】次に、本発明の第２の実施例を図面を参照
して説明する。

【００５４】本実施例において、装置の構成について
は、窓の加熱方法が異なる以外、前記第１の実施例と同
じである。また、本実施例において用いる基板も、前記
第１の実施例にて説明した図２の構成からなるものとす
る。

【００５５】図３は本実施例において装置内部に設置さ
れる赤外光導入窓の概略を示した図である。

【００５６】図３を参照して、チャンバ内部に設置され
る石英製の第２窓３−１の表面に、約２０ｎｍの厚さの
シリコン窒化膜３−２がコーティングされている。シリ
コン窒化膜３−２は、赤外線ランプの光の一部を吸収す
る結果、表面温度が上昇する。

【００５７】本実施例においては、約２００℃まで第２
窓３−１の温度が上昇した。その結果、前記第１の実施
例におけるヒーター１−１７にて第２窓３−１の加熱を
行った場合と同様な効果が得られ、エッチングに起因し
た窓の曇りを抑制でき、再現性良く銅の微細加工が実現
された。

【００５８】本実施例においては、装置内部に設置した
第２窓３−１を加熱するために窓表面にコーティングし
たシリコン窒化膜３−２を用いたが、赤外線ランプの光
を吸収する他の材料でも同様な効果が得られる。すなわ
ち、赤外線ランプの光の一部を第２の窓３−１にコーテ
ィングした薄膜部分で吸収させ、第２窓３−１を加熱す
ることができ、かつ加熱された温度領域でコーティング
材が材料として安定であれば良い。

【００５９】石英製の第２窓３−１の表面にコーティン
グする膜の厚さは、赤外線ランプの強度、窓の加熱温
度、コーティングする材料等により適宜選択される。

【００６０】本実施例によれば、窓の加熱用ヒーターや
温度制御装置が不必要となり、装置の簡略化がはかられ
る。

【００６１】

【実施例３】次に、本発明の第３の実施例を図面を参照
して説明する。図４は、本実施例において使用した装置
の一部を示すものである。

【００６２】本実施例の特徴は、第１の窓４−５の表面
に窒素ガスを吹き付けることである。前記第１の実施例
において用いた第２の窓１−１５および遮蔽板１−１６
の設置位置あるいは構成が不十分であると、第１の窓１
−１３の表面に飛来する塩化銅の量を十分に低減できな
い。

【００６３】そこで、本実施例においては、遮蔽板４−
１と装置内部に設置した第２窓３−２とチャンバ４−３
にＯリング４−４を挾んで設置した第１窓４−５の間
に、ガス供給ノズル４−６より窒素（Ｎ₂）ガスを供給
する。

【００６４】Ｎ₂ガスの供給量の制御や供給・停止は、
外部に設置したバルブ４−７及び流量制御装置４−８を
用いて行う。Ｎ₂ガスを第１窓に吹き付ける構造にする
ことにより、効率的に第１窓４−５への塩化銅の付着が
抑制される。その際、装置内部に設置した第２窓４−２
の加熱は、前記第１の実施例で説明したようにヒーター
１−１６を用いる方法、または前記２の実施例で説明し
たように第２窓４−２表面への赤外光吸収材のコーティ
ングを用いる方法のいずれでも良い。すなわち、前記第
１、又は第２の実施例に加え、第１窓４−４の表面にＮ
₂ガスを吹き付ける構造を有することが重要である。こ
の結果、本実施例によれば、長期に亘りより安定して銅
の微細加工が可能となる。

【００６５】また、本実施例においては、第１窓４−４
に吹き付けるガスとしてＮ₂を用いたが、アルゴンＡｒ
等の希ガス、さらにはエッチングガスでもよく、またＣ
ｌ₂でもよい。すなわち、加熱されていない窓の表面に
エッチング生成物である塩化銅が付着することを防止す
るためのガスが流れるようにすることが重要である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来の塩素ガス系のプラズマを用いて、表面に赤外光を照
射する銅の微細加工装置において、装置内部に赤外光を
導入するための窓を二重化し、装置内部に設置した窓に
より、チャンバに設置した窓表面にエッチング生成物で
ある塩化銅の付着を抑制し、装置内部の窓は加熱するこ
とにより窓の曇りを抑え、再現性良く銅の微細配線が形
成できるという効果がある。

【００６７】また、本発明によれば、第２窓の表面に赤
外光吸収材をコーティングすることにより、窓の加熱用
ヒーターや温度制御装置が不必要となり、装置の簡略化
がはかられる。

【００６８】さらに、本発明によれば、加熱されていな
い窓の表面にエッチング生成物である塩化銅が付着する
ことを防止するためのガスが流れるようにしたことによ
り、長期に亘りより安定して銅の微細加工が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明するための模式図
である。

【図２】本発明の第１の実施例における基板構造を説明
するための模式図である。

【図３】本発明の第２の実施例を説明するための模式図
である。

【図４】本発明の第３の実施例を説明するための模式図
である。

【符号の説明】

１−１チャンバ１−２基板１−３基板支持部１−４下部電極１−５上部電極１−６赤外線ランプ１−７ガス導入口１−８マスフローメーター１−９バルブ１−１０圧力調整用可変バルブ１−１１真空ポンプ１−１２高周波電源１−１３第１窓１−１４Ｏリング１−１５第２窓１−１６遮蔽板１−１７ヒーター１−１８熱電対１−１９温度コントローラ２−１シリコン基板２−２シリコン酸化膜２−３下部ＴｉＮ膜２−４Ｃｕ膜２−５上部ＴｉＮ膜２−６シリコン酸化膜ハードマスク３−１第２窓３−２シリコン窒化膜４−１遮蔽板４−２第２窓４−３チャンバ４−４Ｏリング４−５第１窓４−６ガス供給ノズル４−７バルブ４−８流量制御装置

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】塩素系ガスを用いたプラズマの物理化学的
反応を利用し、かつ赤外光を基板表面に照射し加工する
銅微細加工装置において、赤外光透過窓を二重化し、装置内部の圧力の維持及び外
気の装置内部への漏洩を防止するシール部分に関与する
窓の加熱は行わず、前記窓と基板との間に配設された窓
のみを加熱するように構成したことを特徴とする銅微細
配線形成装置。
【請求項２】装置内部の圧力の維持及び外気の装置内部
への漏洩を防止するシール部分に関与する前記窓と前記
基板との間に配設された窓の少なくとも一側表面が赤外
光を吸収する部材で覆われたことを特徴とする請求項１
記載の銅微細配線形成装置。
【請求項３】前記二重化した窓のうち、装置内部の圧力
の維持及び外気の装置内部への漏洩を防止するシール部
分に関与する前記窓において、装置内部に露出する表面
にガスを吹き付けるようにした構成を備えることを特徴
とする請求項１記載の銅微細配線形成装置。
【請求項４】前記窓に吹き付けるガスとして、Ｎ₂ガ
ス、希ガス、又は前記Ｎ₂ガス及び希ガスの混合ガスを
用いることを特徴とする請求項３記載の銅微細配線形成
装置。
【請求項５】前記窓に吹き付けるガスとして、エッチン
グガスを用いることを特徴とする請求項３記載の銅微細
配線形成装置。
【請求項６】塩素系ガスを用いたプラズマの物理化学的
反応を利用し、かつ赤外光を基板表面に照射して基板上
に推積された銅を微細加工する装置において、前記赤外光を導入する窓として、外気とチャンバ内部と
を分離する第１の窓と、前記チャンバ内部において前記
第１の窓と前記基板との間に配設される第２の窓と、を
備え、前記第１の窓は、前記チャンバにシール部材を介して装
着され、前記第２の窓を所定温度に加熱する手段を備え、前記第１の窓を、前記第２の窓と遮蔽部材とにより覆う
ように構成したことを特徴とする銅微細配線形成装置。