JP3993821B2

JP3993821B2 - Ｃｕのパターン形成方法

Info

Publication number: JP3993821B2
Application number: JP2002370608A
Authority: JP
Inventors: 進崎尾; 智池田; 健二水野; 日出夫竹井; 暁石橋
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: JP2004200604A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃｕのパターン形成方法に関する。この形成方法は、例えば、多層配線実装分野のみならず、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）、半導体を含む電子素子、あるいは磁気へッドを含む磁気素子等の分野において利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体集積回路等の分野では、その微細化、高集積化に伴い、より低抵抗でかつエレクトロマイグレーション耐性に優れた金属であるＣｕにより配線パターンを形成することが検討されている。
例えば、ダマシンプロセスによりＣｕ配線パターンを形成することが提案されている。この場合、Ｃｕ配線パターンは、例えば、基板上に形成した絶縁膜に配線パターンを溝として形成し、この溝に、メッキ法やスパッタリング法等によりＣｕを埋め込み、溝以外のＣｕ薄膜部分をＣＭＰ（化学機械研磨）により除去して形成される。
【０００３】
ところが、上記プロセスでは、ＣＭＰの際、硬度の高いアルミナ等の砥粒を含む研磨液を用いて研磨しているので、例えば、配線が密集した部分で削れ過ぎる場合があり、また、砥粒発塵によりクリーンルームのクリーン度が低下し、製品歩留まりを高く保持できないという問題があった。
他方で、Ｃｕの埋め込みにメッキ法を利用する場合、薬品には有害なものが多く、作業の安全性の維持や廃液の公害防止に注意を払う必要があって煩わしい。
このため、例えばスパッタリングによりＣｕ層を形成し、次いで、マスクを構成するレジストパターンを形成した後、マスクで覆われていない部分を、加工エネルギが小さく、基板やＣｕ配線等に与える損傷の少ない反応性イオンエッチング（以下、「ＲＩＥ」という）によって除去することでＣｕ配線を形成することが行われている。
【０００４】
このＲＩＥ法では、ＨＣｌ、Ｃｌ_２やＨＢｒを反応性ガスとして使用する（例えば、非特許文献１参照）ので、反応物除去レートが最大で２０ｎｍ／ｍｉｎ程度に止まり、Ｃｕ配線形成プロセスとして実用的でない。その上、反応性イオンエッチング処理の際、Ｃｕの揮発性ガスが生成されるという問題が有る。この場合、Ｃｕの揮発性ガスは、蒸気圧が低いので、直ちに固体化しやすく、反応容器内が数枚のエッチング処理で汚染され、製品歩留まりを高く保持するには容器のクリーニングサイクルを早くする必要があった。他方で、排気温度を１４０℃以上に保持して揮発性ガスの蒸気圧を高めることも考えられるが、これではフォトレジストが熱的にダメージを受け、パターンの忠実性が失われたり、レジストの剥離が困難になるのでマスクとして使用できない。
【０００５】
そこで、上記点に鑑み、本発明者らは、ＲＩＥ時にＣｕの揮発性ガスを生成せず、その上、反応物除去速度を向上させた実用的なＣｕのパターン形成方法として、反応生成物であるヨウ化銅（ＣｕＩｘ）を水や希塩酸で除去することを提案している（特願平２００２−１５１３９９）。この場合、反応生成物の除去後、レジスト剥離液でフォトレジストを剥離する。
【０００６】
【非特許文献１】
Y. Kuo et and S. Lee, Appl. Phys. Let., 78, pp. 1002-1004(2001)
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような、反応生成物（ＣｕＩｘ）を水や希塩酸で除去した後、レジスト剥離液でレジストを剥離するＣｕパターン形成方法では、残渣が残りやく、処理の手間も煩雑であるという問題がある。
本発明の課題は、この反応生成物とフォトレジストとを残渣を残すことなく、同時に簡単に除去できるＣｕのパターン形成方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のＣｕのパターン形成方法は、基板表面に形成したＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜上に、フォトリソグラフィにより、形成すべきＣｕのパターンに対応したマスクを構成するフォトレジストパターンを形成し、この基板にＨＩを主体とする反応性ガスのプラズマを照射して、該フォトレジストパターンで覆われていない該薄膜をエッチング処理する際に、該基板の温度を４０℃以上１４０℃以下、好ましくは８０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御してヨウ素とＣｕとを反応させてＣｕＩｘ反応生成物を生成させるようにエッチング処理し、次いで、アルカリ性有機化合物を含むレジスト剥離液でフォトレジストとＣｕＩｘ反応生成物とを一括して除去することを特徴とする。基板温度が４０℃より低くなると、反応速度が著しく低下し、基板温度が１４０℃より高くなると、レジストが熱的にダメージを受ける。
前記エッチング処理を、圧力１．３〜５．３Ｐａで行うことが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、反応性ガスに０〜８０容積％の割合で不活性ガスを混合してもよい。この混合割合は、反応生成物の除去レートが低下しない範囲内で適宜選択されうる。また、反応促進のため、プラズマを大気圧から０．０５Ｐａまでの圧力範囲で発生させることが好ましく、このプラズマを、別個に設けた遠隔プラズマ放電チャンバで発生させ、分解したヨウ素を基板に供給してもよい。これにより、基板へのイオン損傷を少なくすると共に基板温度が高くならないようにすることができる。
【００１０】
本発明で用いるアルカリ性有機化合物を含むレジスト剥離液は、有機アミン化合物または有機アンモニア誘導体を含む水溶液であり、この有機アミン化合物は、モノエタノールアミン、ジプロパノールアミン、エチレンジアミン、及びジエチレントリアミンから選ばれたアミン化合物であり、また、有機アンモニア誘導体は、テトラメチルアンモニウム水酸化物、トリメチルエチルアンモニウム水酸化物、ジメチルエチルアンモニウム水酸化物、テトラエチルアンモニウム水酸化物、及びテトラプロピルアンモニウム水酸化物から選ばれたアンモニア誘導体であることが好ましい。
さらに、基板とＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜との間に、基板及び薄膜相互の密着性を高める下地膜を形成することが好ましく、この下地膜として、Ｃｕ合金、Ｃｒ、ＴｉまたはＭｏのいずれから形成された膜を設けることが好ましい。この下地膜は、プラズマエッチング処理または反応性イオンエッチング処理によりパターン形成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるＣｕのパターン形成方法の実施の形態を説明する。
本発明によれば、先ず、シリコンウェハー、ガラス、ポリイミドフィルム等からなる基板上に、例えばスパッタリング法等で、所望により下地膜を形成し、その上に所定の膜厚のＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜を形成する。そして、既知の方法によりフォトレジストを塗布した後、例えばＵＶ露光し、この露光した部分のフォトレジストを除去して、形成すべきＣｕパターンに対応するレジストマスクを構成する所定のフォトレジストパターンを形成する。
【００１２】
このレジストパターンは、具体的には、既知の方法で次ぎのように形成される。即ち、既知のスピンコーターを使用して基板を高速で回転させながら、ＵＶ光で性質が変化する既知のフォトレジストを塗布した後、基板上に形成しようとするパターンを描いたガラスマスクを基板の上方で位置決めして設置し、既知のステッパーによりＵＶ光を照射する。そして、露光した部分のフォトレジストを所定の溶剤によって溶かすと、未感光部がレジストパターンとして残留する。
【００１３】
次いで、レジストパターンで覆われていないＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜ないしは下地膜をエッチング処理する。この場合、エッチング処理は、所定のレジストパターンを形成した基板上でプラズマを発生させると共にヨウ素を含む反応性ガス（例えば、ＨＩを主体とするガス）を導入し、反応性ガスを分解して、レジストパターンで覆われていない部分でＣｕとヨウ素とを反応させてＣｕＩｘの反応生成物を生成させるように行われる。ここで、キャリアガスとして、反応性ガスに、エッチングレートが低下しないように０〜８０容積％の割合でＡｒ等の不活性ガスを混合してもよい。
【００１４】
このエッチング処理は、真空チャンバを有し、この上部に反応性ガス導入部が設けられ、このガス導入部には、一端がガス源に接続されたガス管が接続され、このガス管には、反応性ガスの流量を制御するマスフローが介設されているＲＩＥ装置を用いて行われる。この装置において、真空チャンバの下部には、ＲＦバイアスを印加する高周波電源に接続された基板電極部が設けられ、この基板電極部上に、上記レジストパターンが形成された基板が載置される。キャリアガスを混合する場合には、上記ガス管に混合器を設けると共に、一端がＡｒ等のガス源に接続されたガス管をマスフローを介して混合器に接続するように構成する。
【００１５】
上記装置内にレジストパターンが形成された基板を載置し、ガス導入部から反応性ガスを所定の真空度の真空チャンバに導入すると共に、高周波電源から高周波磁場を印加して基板電極部上の基板のＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜及び下地膜をエッチングする。この場合、水溶性反応生成物であるＣｕＩｘが生成する。なお、反応性ガスとしてＨＩを使用するＲＩＥ処理は、イオンエネルギの付与によりＣｕとヨウ素との反応が促進されるので、異方性エッチングに優れている。
【００１６】
本実施の形態では、真空チャンバ内でレジストマスクで覆われていないＣｕ薄膜またはＣｕ薄膜のＲＩＥ処理を行うこととしたが、例えば、リモートプラズマ源を設けて、またはプラズマを大気圧から０．０５Ｐａまでの圧力範囲で発生させる既知の大気圧プラズマ表面処理装置を用いて薄膜のＲＩＥ処理を行ってもよい。例えば、リモートプラズマ源を用いてＲＩＥ装置を構成するには、真空チャンバの上部に設けられた複数のガス噴射口を有するガス導入部とガス源とを接続するガス管の一部に高周波電源を有する遠隔プラズマ放電チャンバを配置すればよい。そして、この遠隔プラズマ放電チャンバにプラズマを発生させると共に、反応性ガスを導入してこの反応性ガスを分解し、活性化されたヨウ素をガス管を介してガス導入部から基板に噴射し、基板上のＣｕと反応させる。これにより、反応性ガスであるＨＩの分解が促進され、Ｃｕとの反応速度が飛躍的に上昇する。
【００１７】
また、大気圧プラズマ表面処理装置は、高電圧を発生し得る電源に接続された放電発生用電極と、この電極に対向して設けた基板ステージと、この電極の先端付近に放電用ガスを噴射するガスノズルとが設けられている。放電用ガスとしては、大気圧で気体放電を発生し易くするヘリウム、アルゴン等の希ガスに、Ｃｕをエッチングするためのヨウ素を主体とした反応性ガスを混合したものが使われる。これにより、放電を一定に保ち、再現性がよく、生産性に優れたものとなる。
上記のようにして反応生成物が生成された後、フォトレジストパターン（マスク）とＣｕ含有反応生成物とをアルカリ性有機化合物を含むレジスト剥離液を用いて一括除去して、基板上に所定のＣｕパターンを得る。
【００１８】
また、Ｃｕパターン形成後、Ｃｕの酸化による配線抵抗の増加を防止するため、Ｃｕパターンを、例えばＴｉＮのバリア層で被覆してもよい。
さらに、本実施の形態では、基板とＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜との密着性を高めるために下地膜を設けたが、この下地膜は、上記したようなＣｕ合金、Ｃｒ、ＴｉまたはＭｏからなるものであればよい。この場合、例えば、Ｃｕ薄膜またはＣｕ合金膜がエッチング処理されることで露出した下地膜を、プラズマエッチング処理またはＣｌ_２／Ｏ_２またはＣｌ_２／ＳＦ_６／Ｏ_２の混合ガスを用いてＲＩＥ処理することによって除去することもでき、Ｃｕパターンに対応したパターンに形成できる。
【００１９】
【実施例】
図１〜３を参照して、本発明のＣｕパターン形成方法の実施例について説明する。本実施例では、基板１としてシリコンウェハーを使用してＣｕ薄膜からなるＣｕパターンを形成した。
まず、基板１上に、ＤＣスパッタリング装置を使用して、Ａｒの流量５０ｓｃｃｍ、投入電力１ｋＷ、チャンバ内圧力０．６Ｐａの成膜条件で、３０秒間スパッタを行い、Ｃｕの下地膜（膜厚：４０ｎｍ）２を形成した。
【００２０】
このＣｕ下地膜２の上に、同じＤＣスパッタ装置を使用して、Ａｒの流量５０ｓｃｃｍ、投入電力１．５ｋＷ、チャンバ内圧力０．６Ｐａの成膜条件で、１０分間スパッタを行い、Ｃｕ膜（膜厚：４μｍ）３を形成した。
このＣｕ膜３の上に、スピンコータを使用してフォトレジスト層を形成した。この場合、フォトレジストとしては、東京応化社製のＯＦＰＲ−８００を使用した。
次いで、基板１上に形成しようとするＣｕパターンを描いたガラスマスクを基板の上方で位置決めして設置し、既知のステッパーによりＵＶ光を照射して露光した。露光した部分のフォトレジストを溶剤によって溶かした。この溶剤としては、東京応化社製の現像液ＮＭＤ−３を使用した。これにより、未感光部がレジストパターン４として残った（図１）。
【００２１】
レジストパターン４が形成された後、上記ＲＩＥ装置を用いて、レジストパターン４で覆われていないＣｕ薄膜３と下地膜２とをエッチング処理した。この場合、基板バイアス高周波電源の電力を０，６Ｗ／ｃｍ^２に設定し、ガス導入部からＨＩが８５容積％及びアルゴンガスが１５容積％の反応性混合ガスを導入し、ステージ温度８０〜１００℃、真空チャンバ内圧力１．３〜５．３Ｐａで、６０ｓｅｃの間エッチングした。このエッチングにおけるエッチングレートは、２００〜７００ｎｍ／ｍｉｎであり、ＨＣｌ、Ｃｌ_２やＨＢｒ等の反応性ガスを使用した従来のＲＩＥ処理と比較して１０〜３５倍以上のエッチングレートが得られた。なお、エッチング処理時間を６０ｓｅｃにしたのは、ＣｕＩｘ５が生成してＣｕ薄膜３が覆われるとエッチングレートが低下するためである。
【００２２】
かくして、レジストパターンで覆われていないＣｕ薄膜３がヨウ素と反応し、Ｃｕ薄膜３の上であってレジストパターン４相互の間に反応生成物ＣｕＩｘ５として生成した（図２）。
次いで、反応生成物５とレジストパターン４とをモノエタノールアミンを含むレジスト剥離液で一括除去して、Ｃｕ薄膜３及びＣｕ下地膜２を完全に除去し、目的とするＣｕパターンを得た（図３）。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｃｕのパターン形成方法において、有機アミン化合物または有機アンモニア誘導体からなるアルカリ性有機化合物を含むレジスト剥離液を用いることにより、反応性ガスを用いて生成するＣｕとヨウ素との反応生成物ＣｕＩｘとマスクを構成するレジストパターンとを一括して残渣なく除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣｕパターン形成方法において、フォトレジストパターンを形成した状態を示す基板の断面図。
【図２】本発明のＣｕパターン形成方法において、反応生成物が生成した状態を示す基板の断面図。
【図３】本発明のＣｕパターン形成方法において、レジストパターンと生成物とを除去した状態を示す基板の断面図。
【符号の説明】
１基板２下地膜
３Ｃｕ膜４フォトレジスト
５反応生成物

Claims

基板表面に形成したＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜上に、フォトリソグラフィにより、形成すべきＣｕのパターンに対応したマスクを構成するフォトレジストパターンを形成し、この基板にＨＩを主体とする反応性ガスのプラズマを照射して、該フォトレジストパターンで覆われていない該薄膜をエッチング処理する際に、該基板の温度を８０℃以上１００℃以下の温度範囲に制御してヨウ素とＣｕとを反応させてＣｕＩｘ反応生成物を生成させるようにエッチング処理し、次いで、アルカリ性有機化合物を含むレジスト剥離液でフォトレジストとＣｕＩｘ反応生成物とを一括して除去することを特徴とするＣｕのパターン形成方法。
前記エッチング処理を、圧力１．３〜５．３Ｐａで行うことを特徴とする請求項１記載のＣｕのパターン形成方法。
前記反応性ガスに０〜８０容積％の割合で不活性ガスを混合したことを特徴とする請求項１又は２記載のＣｕのパターン形成方法。
前記プラズマを大気圧から０．０５Ｐａまでの圧力範囲で発生させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＣｕのパターン形成方法。
前記プラズマを、別個に設けた遠隔プラズマ放電チャンバで発生させ、分解したヨウ素を基板に供給することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のＣｕのパターン形成方法。
前記アルカリ性有機化合物を含むレジスト剥離液が、有機アミン化合物または有機アンモニア誘導体を含む水溶液であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＣｕのパターン形成方法。
前記有機アミン化合物が、モノエタノールアミン、ジプロパノールアミン、エチレンジアミン、及びジエチレントリアミンから選ばれたアミン化合物であり、また、有機アンモニア誘導体が、テトラメチルアンモニウム水酸化物、トリメチルエチルアンモニウム水酸化物、ジメチルエチルアンモニウム水酸化物、テトラエチルアンモニウム水酸化物、及びテトラプロピルアンモニウム水酸化物から選ばれたアンモニア誘導体であることを特徴とする請求項６記載のＣｕのパターン形成方法。
前記基板とＣｕ薄膜またはＣｕ合金薄膜との間に、基板及び薄膜相互の密着性を高める下地膜を形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のＣｕのパターン形成方法。
前記下地膜が、Ｃｕ合金、Ｃｒ、ＴｉまたはＭｏのいずれかから形成されたことを特徴とする請求項８記載のＣｕのパターン形成方法。
前記下地膜を、プラズマエッチング処理または反応性イオンエッチング処理によりパターン形成したことを特徴とする請求項７または８記載のＣｕのパターン形成方法。