JP3003222B2

JP3003222B2 - 配線形成方法

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Publication number: JP3003222B2
Application number: JP2407172A
Authority: JP
Inventors: 啓二篠原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-12-10
Filing date: 1990-12-10
Publication date: 2000-01-24
Anticipated expiration: 2015-01-24
Also published as: JPH04213822A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は配線形成方法に関し、特
にアルミニウム系材料層のパターニング後におけるアフ
タ・コロージョンを防止する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の分野においては、電極配線
材料としてアルミニウムあるいは１〜２％のシリコンや
銅を添加したアルミニウム系材料が広く使用されてい
る。しかし、近年のデバイスの高集積化と共に接合が一
段と浅くなり、またコンタクトホールが一段と微細化さ
れると、拡散層へのアルミニウムの溶出やコンタクトホ
ール中における電極配線材料からのシリコンの析出等に
より接合の破壊や劣化、あるいはコンタクト抵抗の増大
等の不良が起こり易くなる。そこで、電極配線材料とシ
リコン基板との間の合金化反応やシリコンの析出を防止
するために、両者の間にバリアメタルを設けることが一
般化している。このバリアメタルは、通常、遷移金属ま
たはその窒化物，炭化物およびホウ化物、高融点金属シ
リサイド、合金等で形成される。また、その構成も単層
膜に限られず、たとえばＴｉ層とＴｉＮ層の如く複数の
種類の膜を組み合わせた構成も広く適用されている。

【０００３】ところで、アルミニウム系材料層の加工に
おいては、従来からドライエッチング後に発生する腐
食、すなわちアフタ・コロージョンが問題となってい
る。アフタ・コロージョンの発生メカニズムについて
は、たとえばセミコンダクター・ワールド1989年４月号
第 101〜106 ページ(プレスジャーナル社刊) に詳述さ
れているが、要約すれば以下のとおりである。すなわ
ち、アルミニウム系材料層のドライエッチングは、一般
にＣｌ₂，ＢＣｌ₃，ＳｉＣｌ₄，ＣＣｌ₄等の塩素系
ガスを使用して行われるので、エッチング後のパターン
部やその近傍には反応生成物であるＡｌＣｌ₃やエッチ
ング・ガスの分解生成物等が付着あるいは内部にまで浸
透する形で残留している。これら反応生成物や分解生成
物が空気中の水分を吸収して電解質の液滴を形成する
と、この液滴中にアルミニウムが溶出して腐食が発生す
るわけである。特に、バリアメタル構造が採用された場
合のように異種金属からなる積層構造部の断面が大気中
に露出する場合には、アフタ・コロージョンは一層深刻
な問題となる。それは、かかる断面に上述のような液滴
が付着すると、局部電池効果によりアルミニウムの溶出
が促進されてしまうこと、および異種金属界面に微細な
隙間が存在し、そこに塩素や塩素化合物が残留しやすい
こと等の要因が加わるからである。

【０００４】アフタ・コロージョンを防止するための対
策としては、（ａ）ＣＦ₄やＣＨＦ₃等のフルオロカー
ボン系ガスを用いるプラズマ・クリーニング、（ｂ）酸
素プラズマによるレジスト・パターンのアッシング除去
（以下、レジスト・アッシングと称する。）、（ｃ）Ｎ
Ｈ₃ガスによるプラズマ・クリーニング等を行い、さら
に水洗を行う方法、等が知られている。これらの対策
は、いずれも残留塩素の除去を目的とするものである。
すなわち、塩素化合物をハロゲン交換反応により揮発除
去するか、残留塩素を多く含むレジスト・パターン自体
を除去して塩素供給源を排除するか、塩素化合物を塩化
アンモニウムのような不活性な化合物に変換するか、あ
るいはこれらと同時に耐蝕性の高いＡｌＦ₃やＡｌ₂Ｏ
₃の被膜をアルミニウム系配線層の表面に形成すること
等を通じて、アフタ・コロージョンを抑制するのであ
る。

【０００５】一方、上述のような残留塩素の除去とは発
想を異にし、アルミニウム系材料層のパターニング後に
ＣＨＦ₃等の堆積性ガスを用いて被処理基板の表面を炭
素系ポリマーで被覆することも検討されている。この技
術によれば、撥水性の炭素系ポリマーにより水分の吸着
が阻害され、次工程までの待機可能時間を延長すること
ができる。しかし、大量に塩素が残留する場合にはレジ
スト・アッシングも並行して行われることが必要であ
る。この場合、アッシングには高温が適し、ポリマー形
成には低温が適するという相反する条件が要求される。
このため、本発明者は先に特願平２−２０９４２１号明
細書において、室温より高い温度でレジスト・アッシン
グを行った後に、これより低い温度でポリマー堆積を行
うアルミニウム系材料の処理方法を提案している。ま
た、この処理方法を実施するために、加熱機構を備えた
レジスト・アッシング装置と、温度調節機構を有するポ
リマー形成装置とを有するマルチ・チャンバ式の処理装
置も同時に開示している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、残留塩
素の除去を目的とする上述の対策をもってしても、アフ
タ・コロージョンを効果的に抑制するには至らないのが
実情である。また、レジスト・アッシングと炭素系ポリ
マー形成を組み合わせる方法は、理想的に実施されれば
極めて有効な対策を提供し得るが、本発明者が先に提案
したマルチ・チャンバ式の処理装置ではクリーン・ルー
ム内における占有面積が増大し、クリーン・ゾーンの維
持費やランニング・コスト等が上昇する他、被処理基板
の搬送に伴うパーティクル汚染の機会も増大する虞れが
ある。そこで本発明は、小型の装置により効果的な残留
塩素の除去やポリマー形成を通じてアルミニウム系材料
層のアフタ・コロージョンを防止する方法を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる配線形成
方法は、上述の目的を達成するために提案されるもので
ある。すなわち、本発明の第１の発明にかかる配線形成
方法は、被処理基板上のアルミニウム系材料層をレジス
ト・マスクを用いてパターニングする工程と、前記被処
理基板の温度を室温近傍に制御することが可能な温度制
御手段と被処理基板の昇降手段とを備えたステージを有
するアッシング装置を用い、該昇降手段の操作により該
被処理基板を該ステージから離脱せしめた状態で室温よ
りも高い温度にて前記レジスト・マスクをアッシングす
る工程と、前記アッシング装置にポリマー堆積性ガスを
供給し、前記昇降手段の操作により前記被処理基板を前
記ステージに接触保持せしめた状態で室温近傍にてポリ
マーを堆積させる工程を有することを特徴とするもので
ある。

【０００８】本発明の第２の発明にかかる配線形成方法
は、被処理基板上のアルミニウム系材料層をレジスト・
マスクを用いてパターニングする工程と、放電によりメ
チル・ラジカルを生成するガスを用いてプラズマ処理を
行う工程を有することを特徴とするものである。

【０００９】

【作用】本発明の第１の発明では、温度制御手段と昇降
手段とを備えたステージを有するアッシング装置を使用
することにより、室温よりも高い温度におけるレジスト
・アッシングと、室温近傍におけるポリマー堆積とを、
同一のチャンバ内で連続工程として行うことができる。
すなわち、レジスト・アッシング時には上記昇降手段で
被処理基板を上記ステージから離脱させる。かかる離脱
により、被処理基板はステージを介した温度制御から切
り離され、プラズマの輻射熱とアッシングの反応熱によ
り容易に昇温される。したがって、レジスト・アッシン
グは速やかに進行する。

【００１０】その後、前述の昇降手段により被処理基板
を下降させて前記ステージ上に接触保持し、該被処理基
板を室温近傍まで冷却する。この冷却は、本発明者が先
に被処理基板の温度とポリマー堆積速度との関係につい
て実験的に検討した際の知見にもとづいて行われるもの
である。図６に、ポリマー堆積性ガスとしてＣＨＦ₃を
供給した場合の実験結果を示す。実験にはダウンフロー
型の処理装置を使用し、条件はＣＨＦ₃流量９０ＳＣＣ
Ｍ，ガス圧１０６Ｐａ（０．８Ｔｏｒｒ），マイクロ波
電流４００ｍＡである。ポリマー堆積速度は被処理基板
の温度が低下すると共に急速に上昇し、被処理基板の温
度が４７℃のときのポリマー堆積速度は８００Å／分に
達していた。室温近傍ではより上昇することが容易に予
想される。したがって、被処理基板を室温近傍まで冷却
することにより、短時間で厚くポリマーを堆積させるこ
とができる。このように、レジスト・アッシングおよび
ポリマー堆積が短時間で行われることは、アフタ・コロ
ージョンの抑制に極めて有効である。

【００１１】本発明の第２の発明は、放電によりメチル
・ラジカルを生成するガスを用いてプラズマ処理を行う
ことにより、反応生成物であるＡｌＣｌ₃中のＣｌ原子
の少なくとも一部をメチル基に置換し、有機金属化合物
の形で揮発除去させるものである。ＡｌＣｌ₃は極めて
吸湿性の高い化合物であり、被エッチング基体の表面に
残留して容易に電解質の液滴を生じ、アフタ・コロージ
ョンの主因をなすものと考えられている。したがって、
ＡｌＣｌ₃をより低沸点のメチル化物もしくは部分メチ
ル化物に変換することにより、効率的にこれを除去しよ
うとするのが第２の発明の発想である。ＡｌＣｌ₃は封
管中で測定した融点が１９０．２℃であるが、昇華性を
有し融点より低い１８２．７℃においても７５５ｍｍＨ
ｇの蒸気圧を示す。しかし、ＣＨ₃ＡｌＣｌ₂は融点７
２．７℃，沸点９７〜１００°、（ＣＨ₃）₂ＡｌＣｌ
は融点−５０℃，沸点８３〜８４°、（ＣＨ₃）₃Ａｌ
は融点１５℃，沸点１２６℃°であり、沸点ですらいず
れもＡｌＣｌ₃の融点より低いことから、ＡｌＣｌ₃よ
りも高い揮発性を示すことは明らかである。したがっ
て、ＡｌＣｌ₃のメチル化により効率的に残留塩素を除
去することができるのである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について、図面
を参照しながら説明する。

【００１３】実施例１本実施例は、本発明の第１の発明を適用し、バリアメタ
ル構造を有するアルミニウム系配線層をパターニングし
た後、レジスト・アッシングおよびポリマー堆積を行っ
た例である。

【００１４】まず、本実施例における被エッチング基体
の構成を図１に示す。この基体は、下地基板１上に層厚
３００ÅのＴｉ層２と層厚１０００ÅのＴｉＯＮ層３が
順次積層されてなる２層構造のバリアメタル層４を介し
てＡｌ−１％Ｓｉからなる層厚３０００Åのアルミニウ
ム系配線層５が形成されてなり、さらにフォトリソグラ
フィの解像度を向上させるためにＴｉＯＮ等から形成さ
れる層厚３００Åの反射防止膜６を介してフォトレジス
ト・パターン７が形成されてなるものである。ここで、
上記下地基板１は必要に応じて絶縁膜が形成されたシリ
コン基板等から構成される。

【００１５】次に、上記フォトレジスト・パターン７を
マスクとして上記反射防止膜６，アルミニウム系配線層
５，およびバリアメタル層４のパターニングを行った。
すなわち、上述の被処理基板を一例としてマイクロ波プ
ラズマ・エッチング装置にセットし、ＢＣｌ₃流量６０
ＳＣＣＭ，Ｃｌ₂流量９０ＳＣＣＭ，ガス圧２．１Ｐａ
（１６ｍＴｏｒｒ），マイクロ波電流３００ｍＡ，ＲＦ
バイアス・パワー５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）の条件で
エッチングを行った。この結果、図２に示されるように
アルミニウム系配線パターン５ａの形成と共に各層のパ
ターン（それぞれ前述の図番に添字ａを付けて示す。）
が形成された。このパターン部の側壁には、異種の材料
層が相接して露出しており、極めてアフタ・コロージョ
ンの発生し易い状況となっている。

【００１６】次に、上述の基体をダウンフロー型アッシ
ング装置にセットし、レジスト・アッシングおよびポリ
マー堆積を行った。ここで、本実施例で使用したダウン
フロー型アッシング装置の一構成例について図５（ａ）
および（ｂ）を参照しながら説明する。この装置は、図
示されないマイクロ波発振器から発生するマイクロ波を
矩形導波管１１および円形導波管１２を用いて導き、石
英製のマイクロ波導入窓１３を介してプラズマ生成室１
４へ供給し、該プラズマ生成室１４へ矢印Ａ₁，Ａ₂方
向から供給されるガスを放電分解することによりプラズ
マＰを生成させ、このプラズマＰをアッシングおよびポ
リマー堆積等の処理に利用するものである。上記プラズ
マ生成室１４には、被処理基板２０に対して各種の処理
を行うための処理チャンバ１６がメッシュ電極１５を介
して接続されている。このメッシュ電極１５は、プラズ
マＰ中の荷電粒子をトラップするために設けられてい
る。したがって、処理チャンバ１６側へはラジカル等の
中性活性種のみが下降流（ダウンフロー）となって引き
出され、ダメージの少ない処理を行うことができる。ま
た、上記処理チャンバ１６内には、矢印Ｂ₁，Ｂ₂方向
に冷媒を循環させるための冷却配管１８を内蔵するステ
ージ１７が配設されており、この上に被処理基板２０が
プラズマＰと対向するように載置される。さらに、上記
ステージ１７には被処理基板２０の昇降手段としてピン
１９が内蔵されている。図５（ａ）に示されるようにピ
ン１９がステージ１７上面から突き出された場合には、
被処理基板２０はプラズマＰに近付く方向へ上昇され、
ステージの冷却状態から切り離されてプラズマ輻射熱に
より速やかに昇温される。また図５（ｂ）に示されるよ
うにピン１９がステージ１７内に収納された場合には、
被処理基板２０が下降してステージ１７上に接触保持さ
れ、冷却される。処理チャンバ１６は図示されない排気
系統により矢印Ｃ方向に排気されている。また、この処
理チャンバ１６は図示されないゲートバルブを介して前
述のプラズマ・エッチング装置のエッチング・チャンバ
と高真空下に接続されている。

【００１７】かかる装置を使用して、まずレジスト・ア
ッシングを行った。すなわち、図２に示される状態の被
処理基板をアッシング装置に搬送し、被処理基板２０と
して上記ステージ１７上に載置した。このステージは、
上記冷却配管１８に冷媒として水を循環させることによ
り、予め約３０℃に温度制御した。次に、図５（ａ）図
に示されるようにピン１９を突き出し、被処理基板２０
を上昇させた。この状態で、Ｏ₂流量４００ＳＣＣＭ，
ガス圧１８６Ｐａ（１．４Ｔｏｒｒ），マイクロ波電流
４００ｍＡの条件にて酸素プラズマ処理を行った。この
過程では、プラズマ輻射熱とフォトレジスト材料の分解
に伴う反応熱により被処理基板２０の温度が約１５０℃
まで上昇し、図３に示されるように、フォトレジスト・
パターン７が速やかに除去された。またこれに伴って、
パターン部に吸着したりフォトレジスト・パターン２０
の内部にまで浸透する等の形で残留していた塩素あるい
は塩素化合物も同時に除去された。

【００１８】次にプラズマ生成室１４へのＯ₂の供給を
停止し、図５（ｂ）に示されるようにピン１９をステー
ジ１７内に収納し、被処理基板２０を該ステージ１７上
に接触保持させて約３０℃に冷却した。この状態で、Ｃ
ＨＦ₃流量９０ＳＣＣＭ，ガス圧１０６Ｐａ（０．８Ｔ
ｏｒｒ），マイクロ波電流４００ｍＡの条件にてポリマ
ー堆積を行った。この条件におけるフルオロカーボン系
ポリマーの堆積速度は、約１０００Å／分である。ここ
では、１５秒間の処理により図４に示されるように層厚
約２５０Åのポリマー層８が基体の全面に形成された。
ここで、仮に被処理基板２０の温度をアッシング時と同
様に１５０℃に維持したままでポリマー堆積を行ったと
すると、前述の図６からも明らかなように１５０Å／分
程度の堆積速度しか期待できず、本発明における基板冷
却の効果は大きい。

【００１９】このようにしてレジスト・アッシングおよ
びポリマー堆積を経た基体上では、アフタ・コロージョ
ンの発生が極めて効果的に抑制されていた。これは、本
発明においてレジスト・アッシングおよび十分な層厚を
有するポリマーの堆積がいずれも短時間でしかも連続工
程により行われることにより、被処理基板が水分と接触
する機会が極めて限定されているからである。

【００２０】ところで、本発明は上述の実施例に限定さ
れるものではなく、たとえばバリヤメタル層の構成材料
としては上述のＴｉやＴｉＯＮの他、一般に遷移金属ま
たはその窒化物，炭化物およびホウ化物、高融点金属シ
リサイド、合金等を使用することができる。

【００２１】また、レジスト・アッシングに使用するガ
スも上述のＯ₂に限られるものではない。たとえば、Ｏ
₂にフッ素を構成元素として含むガスを適宜添加すれ
ば、レジスト・アッシングと同時にハロゲン置換による
残留塩素の除去効果も期待することができる。

【００２２】ポリマー堆積は被処理基板の温度をおおよ
そ０〜５０℃に設定して行われることか望ましく、０〜
３０℃とすれば一層好ましい。ただし、この温度は低け
れば良いというものではなく、たとえば０℃を下回る場
合にはポリマー堆積時に水分がポリマー層内に取り込ま
れたり、また大気開放に先立って結露を防止するための
加熱機構が必要となる等の問題を生ずる。

【００２３】さらに、ポリマー堆積性ガスとしては、
Ｃ，Ｈ，Ｆの各元素を分子内にひとつ以上含むガスが好
ましく、たとえば上述のＣＨＦ₃の他、ＣＨ₂Ｆ₂，Ｃ
Ｈ₃Ｆ等を使用することができる。

【００２４】実施例２本実施例は、本発明の第２の発明を適用し、バリアメタ
ル構造を有するアルミニウム系配線層をパターニングし
た後、トリメチルアミン（ＣＨ₃）₃Ｎを用いてプラズ
マ処理を行った例である。

【００２５】本実施例における被エッチング基体の構成
は、前述の図１に示されたものと同様である。この基体
について、まずマイクロ波プラズマ・エッチング装置を
使用してアルミニウム系配線層等のパターニングを実施
例１と同様に行い、基体を図２に示される状態とした。
次に、上記基体を前述のダウンフロー型アッシング装置
に搬送し、上記プラズマ生成室１４に気化させた（ＣＨ
₃）₃Ｎを流量５０ＳＣＣＭにて供給し、ガス圧１３３
Ｐａ（１．０Ｔｏｒｒ），マイクロ波電流４００ｍＡの
条件で放電を行った。このときの基体（被処理基板２
０）は、図５（ａ）に示されるようにピン１９で上昇さ
せておくことが望ましい。この過程では、基体上に残留
するＡｌＣｌ₃がマイクロ波放電により生成したメチル
・ラジカルの攻撃を受け、そのＣｌ原子の少なくとも一
部がメチル基に置換されることにより蒸気圧の高い有機
金属化合物に変換され、効率良く揮発除去された。かか
るプラズマ処理により、アフタ・コロージョンの発生が
効果的に抑制された。

【００２６】なお、放電によりメチル・ラジカルを生成
するガスは、上述の（ＣＨ₃）₃Ｎの他、トリエチルア
ミン（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｎ等であっても良い。さらには、有
機合成化学の分野等においてメチル化試薬として通常使
用されている化合物の中から気体として導入し易いこ
と、爆発性を有しないこと等の条件を考慮しながら適宜
選択することもできる。例示すれば、ヨウ化メチル_,臭
化メチル_,硫酸ジメチル，リン酸メチル等である。

【００２７】なお、上述のプラズマ処理の条件ではフォ
トレジスト・パターンを除去することはできないので、
アフタ・コロージョンの抑制効果をより一層高めるため
には、上述のプラズマ処理の前、もしくは後にレジスト
・アッシングを行うことが有効である。この場合のレジ
スト・アッシングは、上記ダウンフロー型アッシング装
置の処理チャンバ１６内で上記プラズマ処理と連続工程
として行うことができる。さらに、実施例１のようなポ
リマー堆積を適宜組み合わせても良い。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明の第１の発明によれば、アルミニウム系材料層のパタ
ーニング後のレジスト・アッシングおよびポリマー堆積
を同一チャンバ内で短時間に行うことができる。また、
本発明の第２の発明によれば、アルミニウム系材料層の
パターニング後のプラズマ処理により残留塩素を効果的
に除去することができる。また、必要に応じてレジスト
・アッシングおよびポリマー堆積を組み合わせる場合に
は、同一チャンバ内でこれらの処理を行うことができ
る。したがって、本発明を適用すれば小型の装置でアフ
タ・コロージョンを効果的に抑制することができ、半導
体装置の信頼性や歩留りはもちろん、生産性，経済性を
向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線形成方法の一実施例において、ア
ルミニウム系配線層のパターニング前の基体の状態を示
す概略断面図である。

【図２】図１に示される基体の反射防止膜，アルミニウ
ム系配線層，バリアメタル層ををパターニングした状態
を示す概略断面図である。

【図３】図２に示される基体のフォトレジスト・パター
ンをアッシング除去した状態を示す概略断面図である。

【図４】図３に示される基体の全面にポリマー層を堆積
させた状態を示す概略断面図である。

【図５】本発明の配線形成方法を実施する際に使用され
るダウンフロー型アッシング装置の一構成例を示す概略
断面図であり、（ａ）図はピンで被処理基板を上昇させ
た状態、（ｂ）図は被処理基板をステージに接触保持さ
せた状態をそれぞれ示すものである。

【図６】上記ダウンフロー型アッシング装置にＣＨＦ₃
を導入した場合の被処理基板の温度とポリマー堆積速度
との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１・・・下地基板２・・・Ｔｉ層３・・・ＴｉＯＮ層４・・・バリアメタル層５・・・アルミニウム系配線層６・・・反射防止膜７・・・フォトレジスト・パターン８・・・ポリマー層１４・・・プラズマ生成室１６・・・処理チャンバ１７・・・ステージ１８・・・冷却配管１９・・・ピン２０・・・被処理基板Ｐ・・・プラズマ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板上のアルミニウム系材料層を
レジスト・マスクを用いてパターニングする工程と、前
記被処理基板の温度を室温近傍に制御することが可能な
温度制御手段と被処理基板の昇降手段とを備えたステー
ジを有するアッシング装置を用い、該昇降手段の操作に
より該被処理基板を該ステージから離脱せしめた状態で
室温よりも高い温度にて前記レジスト・マスクをアッシ
ングする工程と、前記アッシング装置にポリマー堆積性
ガスを供給し、前記昇降手段の操作により前記被処理基
板を前記ステージに接触保持せしめた状態で室温近傍に
てポリマーを堆積させる工程を有することを特徴とする
配線形成方法。
【請求項２】被処理基板上のアルミニウム系材料層を
レジスト・マスクを用いてパターニングする工程と、放
電によりメチル・ラジカルを生成するガスを用いてプラ
ズマ処理を行う工程を有することを特徴とする配線形成
方法。