JP4774006B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は金属薄膜を有する処理対象物のエッチング方法に関する。

従来より、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電子回路の製造では、シリコン層等をエッチングする際に、処理対象物が置かれた真空雰囲気中でプラズマを発生させてエッチングを行うドライエッチング法が広く用いられている。

ドライエッチング法の中でも、エッチング対象物と反応する反応ガスを真空槽に導入し、該反応ガスのプラズマとエッチング対象物とを反応させてエッチングを行う反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）は、Ａｒガスプラズマ等のイオン衝撃のみでエッチングを行うスパッタエッチングに比べて、エッチング速度が速く、選択性も高い。

Ｃｌ₂、Ｂｒ₂等のハロゲンガスはシリコン（ポリシリコン、アモルファスシリコンを含む）に対する反応性が高いので、シリコン層エッチング用の反応ガスとして広く用いられている。
しかし、処理対象物表面に電極膜が露出していると、電極膜がハロゲンガスのプラズマと反応して腐食がおこる。
特に、銅電極膜は、Ａｌ電極膜に比べて低抵抗な上、酸化され難く、ＩＴＯ等の透明電極膜と密着させた時のコンタクト抵抗の低下が起こり難いという利点があるが、銅電極膜はハロゲンガスと反応性が高く、腐食の進行が深刻であった。
特開２００１−１７６８４２号公報 特開２００１−３４５３２６号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、配線膜の腐食を防止可能なエッチング方法を提供するものである。

上記課題を解決するために本発明は、表面に露出し、銅もしくは銅合金を含む銅薄膜と、シリコンとシリコン化合物のいずれか一方又は両方を含有するシリコン層とを有する処理対象物の、前記シリコン層をエッチングするエッチング方法であって、前記処理対象物上で、ＳＦ₆ガスと、Ｆ₂ガスと、ＮＦ₃ガスと、ＣＦ₄ガスと、Ｃ₂Ｆ₆ガスと、Ｃ₃Ｆ₈ガスと、Ｃ₄Ｆ₈ガスと、ＨＦガスと、ＳｉＦ₄ガスと、ＢＦ₃ガスと、ＸｅＦ₂ガスと、ＣＨＦ₃ガスとからなるフッ素系ガス群より選択される少なくとも１種類フッ素系ガスのプラズマを発生させ、前記フッ素系ガスのプラズマを、露出する前記銅薄膜と接触させた後、前記処理対象物上でハロゲンガスを含有するエッチングガスのプラズマを発生し、前記エッチングガスのプラズマを前記シリコン層表面と接触させ、前記シリコン層をエッチングするエッチング方法である。
本発明は、前記銅薄膜と前記銅薄膜との間の電極溝底面に露出する前記シリコン層をエッチングするエッチング方法であって、前記銅薄膜表面を予めレジスト膜で覆っておき、前記フッ素系ガスのプラズマを前記電極溝側面に露出する前記銅薄膜の側面に接触させるエッチング方法である。
本発明はエッチング方法であって、前記シリコン層をエッチングした後、前記処理対象物上でＯ₂ガスのプラズマを発生させ、前記Ｏ₂ガスのプラズマを露出する前記銅薄膜と接触させるエッチング方法である。
本発明はエッチング方法であって、前記シリコン層をエッチングした後、前記処理対象物を水で洗浄するエッチング方法である。
本発明はエッチング方法であって、前記フッ素系ガスのプラズマと、前記ハロゲンガスのプラズマの発生は、電極上に前記処理対象物を配置した状態で、前記電極に電圧を印加して行うエッチング方法である。
本発明はエッチング方法であって、前記銅薄膜は、Ｍｇと、Ｚｒと、Ｔｉと、Ｎｉとからなる金属群より選択される少なくとも１種類の金属を含有する銅合金、又は純銅で構成されたエッチング方法である。

尚、本発明で銅薄膜とは、銅を主成分とする薄膜のことであって、純銅薄膜の他に、銅を主成分とし、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｔｉ等他の金属が添加された薄膜も銅薄膜とする。
また、本発明でシリコン層とは、ポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコンを主成分とする層、ケイ素窒化物、ケイ素酸化物等のシリコン化合物を主成分とする層、又は、シリコンとシリコン化合物の両方を含有する層のことである。

処理対象物表面に銅薄膜が露出していても、その露出部分にはエッチング前にフッ素化合物薄膜が形成されるので、シリコン層のエッチング中に銅薄膜が腐食されない。シリコン層のエッチング後に残留したエッチングガスは、Ｏ₂プラズマ又は水によって、銅薄膜表面から除去されるので、エッチング後に銅薄膜の腐食が進行しない。

図１(ａ)の符号１０は、本発明の処理対象物を示している。
この処理対象物１０は、基板１１を有しており、基板１１上には、ゲート電極１５と蓄積電極１２が配置されている。
基板１１上には、ゲート電極１５と蓄積電極１２を覆ってゲート絶縁膜１４が配置されている。
ゲート絶縁膜１４のゲート電極１５の上方に位置する部分には、チャネル層１６とシリコン層１７が配置されている。

ゲート電極１５は細長に形成されており、チャネル層１６とシリコン層１７は、ゲート電極１５の真上位置から、ゲート電極１５の幅よりも外側まで伸ばされている。シリコン層１７のゲート電極１５の両側位置には、互いに離間した銅薄膜が密着して配置されており、離間して分離された銅薄膜のうちの一方によってソース電極２１が構成され、他方によってドレイン電極２２が構成されている。

ソース電極２１とドレイン電極２２を構成する銅薄膜の表面は、レジスト膜２５で覆われている。
ゲート電極１５の幅方向中央部分の真上位置は、銅薄膜をソース電極２１とドレイン電極２２に分離する電極溝１８であり、この電極溝１８の底面には、シリコン層１７の表面が露出されている。

上記のような処理対象物１０を図３のエッチング装置１の真空槽２内に搬入する。
真空槽２の内部の天井側にはシャワープレート４が配置されており、底壁側には基板ホルダ５が配置されている。また、真空槽２には真空排気系９が接続されており、真空排気系９によって真空槽２の内部を真空排気し、処理対象物１０を基板ホルダ５上に配置する。

シャワープレート４と真空槽２は接地電位に接続されており、基板ホルダ５は交流電源６に接続されている。
シャワープレート４にはガス導入系８が接続されており、ガス導入系８からシャワープレート４に被膜形成ガスを導入し、該被膜形成ガスをシャワープレート４から真空槽２内部に噴出しながら、シャワープレート４及び真空槽２と、基板ホルダ５の間に交流電圧を印加し、被膜形成ガスのプラズマを生成する。

この被膜形成ガスは、フッ素系ガス（ここではＳＦ₆ガス）を含有し、塩素ガスや塩化水素ガス、ホウ素やヨウ素等のハロゲンガスを含有しないガスであり、被膜形成ガスのプラズマが形成されると、電極溝１８の側面に露出するソース電極２１とドレイン電極２２を構成する銅薄膜の側面部分にフッ素化合物薄膜が形成される。

所定時間被膜形成ガスの導入とプラズマ生成を行なった後、交流電圧の印加と被膜形成ガスの導入を停止し、真空槽２内が所定圧力まで低下した後、エッチングガスを導入し、シャワープレート４及び真空槽２と、基板ホルダ５の間に交流電圧を印加し、エッチングガスのプラズマを生成すると、銅薄膜は、表面がレジスト膜で覆われているのでエッチングされず、電極溝１８底面に露出するシリコン層１７がエッチングされる。このエッチングにより、銅薄膜のドレイン電極２２を構成する部分と、ソース電極２１を構成する部分とが接触されたシリコン層１７が分離される。

シリコン層１７のエッチングガスには、塩素ガス(Ｃｌ₂)と、ＳＦ₆ガスと、エッチングアシストガス（例えばＨｅガス）が添加されている。
銅薄膜がエッチングガスプラズマに曝されると、表面が腐蝕し、信頼性が低下するが、本発明では、電極溝１８内に露出する銅薄膜（ソース電極２１、ドレイン電極２２）側面はフッ素化合物で覆われた状態でエッチングガスプラズマに曝されるので、銅薄膜は腐蝕せず、信頼性は低下しない。

エッチングガスの導入と交流電圧の印加は、電極溝１８底面にチャネル層１６が露出した時点で停止し、エッチングガスの導入と交流電圧の印加を停止し、エッチングを終了させる。図１(ｂ)はその状態を示している。

次いで、真空槽２内が所定圧力まで低下した後、真空槽２内部に酸素ガスを導入し、シャワープレート４及び真空槽２と、基板ホルダ５の間に交流電圧を印加し、酸素ガスのプラズマを生成し、処理対象物１０を酸素ガスプラズマに曝す。このとき、処理対象物１０表面に吸着している塩素ガスが除去される。

もしくは、塩素ガス除去のために、処理対象物１０を水洗してもよい。尚、処理対象物１０の洗浄には純水を用いてもよいし、水を主成分とし、界面活性剤等の添加物が添加された洗浄液を用いてもよい。
尚、酸素ガスプラズマに処理対象物１０を曝す際に、レジスト膜２５を除去してもよいし、処理対象物１０を水洗前にレジスト膜２５を酸で溶解、除去してもよい。

エッチング後、処理対象物１０表面に、シリコン窒化膜等の絶縁膜２４を形成し(図１(ｃ))、次いで、銅薄膜や蓄積電極１２上に開口を有するレジスト膜２７を配置し(図１(ｄ))、底面に露出する絶縁膜２４をエッチングし、更に、蓄積電極１２上のゲート絶縁膜１４もエッチングして開口２９を形成し(図１(ｅ))、透明導電膜を形成した後、パターニングし、図２の様に配線膜２８を形成すると、液晶表示用基板２０が得られる。

以上は、基板ホルダ５に電圧を印加してエッチングを行う場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、基板ホルダ５を真空槽２と同じ接地電位に置き、シャワープレート４に高周波電圧を印加して、エッチングガスをプラズマ化させてエッチングを行ってもよい。

しかし、基板ホルダ５側に電圧を印加すると、処理対象物１０がエッチングガスのプラズマに曝されるだけではなく、プラズマ中のイオンが基板ホルダ５に引き寄せられて、処理対象物１０表面に垂直に入射するので、エッチング速度が速いだけでなく、処理対象物１０表面に対して垂直にエッチングされ、異方性が高い。

以上は、エッチングガスとしてＣｌ₂を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、シリコン層（ポリシリコン層、アモルファスシリコン層を含む）のエッチングに使用可能なハロゲンガスとしては、Ｃｌ₂、ＨＢｒ、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、ＣＢｒＦ₃、ＳｉＣｌ₄、ＢＣｌ₃、ＣＨＦ₃、ＰＣｌ₃、ＨＩ、Ｉ₂等があり、これらのハロゲンガスは１種類を単独でエッチングガスに用いてもよいし、２種類以上を混合してエッチングガスに用いてもよい。更に、エッチングガスに、Ｏ₂、Ｎ₂、ＳＦ₆、Ｎ₂、Ａｒ、ＮＨ₃等ハロゲンガス以外の添加ガスを添加してもよい。
シリコン層以外にも、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）ＧａＡｓ、ＳｎＯ₂、Ｃｒ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ、Ａｌ等の他のエッチング対象物をエッチングする際にも、上記ハロゲンガスを用いることが可能である。

これら他のエッチング対象物をエッチングする際にも、銅薄膜が露出していると、銅薄膜の腐食の原因となるので、エッチング前にＳＦ₆ガスプラズマで露出部分に被膜を形成することが望ましく、更に、エッチング後に、Ｏ₂ガスプラズマに曝すか水洗することがより望ましい。

要するに、本発明は、エッチング対象物がシリコン層に限定されるものではなく、ハロゲンガスのプラズマでエッチングされるエッチング対象物をエッチング処理する前に、該エッチング対象物と同じ処理対象物１０に形成された銅薄膜の露出部分を、ＳＦ₆ガスプラズマに曝して、その露出部分に被膜を形成するエッチング方法である。

エッチング対象物のうち、ポリシリコンのエッチングガスとしては、例えばＣｌ₂、Ｃｌ₂＋ＨＢｒ、Ｃｌ₂＋Ｏ₂、ＣＦ₄＋Ｏ₂、ＳＦ₆、Ｃｌ₂＋Ｎ₂、Ｃｌ₂＋ＨＣｌ、ＨＢｒ＋Ｃｌ₂＋ＳＦ₆等がある。
Ｓｉのエッチングガスとしては、例えばＳＦ₆、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＢｒＦ₃、ＣＦ₄＋Ｏ₂、Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄＋Ｃｌ₂、ＳＦ₆＋Ｎ₂＋Ａｒ、ＢＣｌ₂＋Ｃｌ₂＋Ａｒ、ＣＦ₄、ＮＦ₃、ＳｉＦ₄、ＢＦ₃、ＸｅＦ₂、ＣｌＦ₃、ＳｉＣｌ₄、ＰＣｌ₃、ＢＣｌ₃、ＨＣｌ、ＨＢｒ、Ｂｒ₂、ＨＩ、Ｉ₂等がある。
Ａｌのエッチングガスとしては、例えばＢＣｌ₃＋Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃＋ＣＨＦ₃＋Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃＋ＣＨ₂＋Ｃｌ₂、Ｂ＋Ｂｒ₃＋Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃＋Ｃｌ₂＋Ｎ₂、ＳｉＯ₄＋Ｃｌ₂、ＳｉＣｌ₄、Ｂｒ₂、ＨＢｒがある。
ＴｉＮのエッチングガスとしては、例えばＣＦ₄＋Ｏ₂＋Ｈ₂＋ＮＨ₃、Ｃ₂Ｆ₆＋ＣＯ、ＣＨ₃Ｆ＋ＣＯ₂、ＢＣｌ ₃＋Ｃｌ₂＋Ｎ₂、ＣＦ₄等がある。
Ｗのエッチングガスとしては、例えばＣＦ₄、ＳＦ₆＋Ｏ₂、ＳＦ₆＋Ｃｌ₂＋Ｏ₂等がある。
Ｔｉのエッチングガスとしては、例えばＣＦ₄、Ｏ₂、ＳＦ₆＋Ｏ₂、Ｃｌ₂＋Ｈｅ等がある。
Ｃｒのエッチングガスとしては、例えばＣｌ₂等がある。
アモルファスシリコンのエッチングガスとしては、例えばＣＦ₄＋Ｏ₂、Ｃｌ₂＋ＳＦ₆等がある。
ＳｎＯ₂のエッチングガスとしては、例えばＣＨ₃ＯＨ、Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ、Ｃｌ₂＋Ｏ₂等がある。
ＧａＡｓのエッチングガスとしては、例えばＣＦ₄、ＢＣｌ₃＋Ｃｌ₂等がある。

純銅の銅薄膜と、４種類の合金銅薄膜について、銅薄膜をエッチングガスプラズマに曝す前に、ＳＦ₆プラズマに曝してＳＦ₆プラズマ処理を行った場合と、行わなかった場合、更に、エッチングガスプラズマに曝した後に、Ｏ₂プラズマ処理又は水洗処理を行った場合と、行わなかった場合について、銅薄膜の腐食を目視で観察し、変色等の腐食で確認された場合を「×」、腐食が確認されない場合を「○」として評価した。その評価結果を下記表１に示す。

尚、ＳＦ₆プラズマ処理とＯ₂プラズマ処理は、基板ホルダ５への投入電力が０．５ｋＷ、真空槽２の内部圧力が１５Ｐａの条件で、それぞれ１５秒間行った。水洗処理は、銅薄膜を６０秒間流水で洗浄した。

エッチングガスプラズマは、ＳＦ₆、Ｃｌ₂、Ｈｅを、それぞれ５０ｓｃｃｍ、３００ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍの流量で真空槽２に導入し、基板ホルダ５に０．８ｋＷの電力を投入し、９０秒間発生させた。

上記表１から明らかなように、エッチングガスプラズマに曝す前に、ＳＦ₆プラズマ処理を行った場合には、いずれの銅薄膜も腐食が見られなかった。
また、ＳＦ₆プラズマ処理を行い、かつ、エッチングガスプラズマに曝した後に、Ｏ₂プラズマ処理又は水洗処理を行った場合には、銅薄膜を４８時間放置しても、腐食が現れず、保存性がより高くなることが分かる。
以上はフッ素系ガスとしてＳＦ₆ガスを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

上記表１の評価試験で用いたものと同じ、純銅の銅薄膜と、４種類の合金銅薄膜について、下記表２に記載された各フッ素系ガスのプラズマに曝してプラズマ処理を行った後、エッチングガスのプラズマに曝してエッチングした。エッチング後の各銅薄膜について、上記表１と同じ評価方法で評価した。その評価結果を、フッ素系ガスの種類と、銅薄膜の種類と共に下記表２に記載する。

尚、フッ素系ガスのプラズマ処理の条件は、上記表１のＳＦ₆ガスを用いた場合と同様に、基板ホルダ５への投入電力が０．５ｋＷ、真空槽２の内部圧力が１５Ｐａ、所持時間が１５秒間であった。
上記表２から明らかなように、フッ素系ガスの種類を、ＳＦ₆ガスから他のガスに変えても銅薄膜の腐食が防止されることが分かった。

（ａ）〜（ｅ）：液晶表示用基板の製造工程を説明するための断面図 液晶表示装置の断面図 本発明に用いるエッチング装置の一例を説明する断面図

符号の説明

１０……処理対象物 １７……シリコン層 １８……電極溝 ２０……液晶表示用基板 ２１、２２……銅薄膜（ソース電極、ドレイン電極） ２５……レジスト膜

Claims (6)

1. 表面に露出し、銅もしくは銅合金を含む銅薄膜と、シリコンとシリコン化合物のいずれか一方又は両方を含有するシリコン層とを有する処理対象物の、前記シリコン層をエッチングするエッチング方法であって、
   前記処理対象物上で、ＳＦ₆ガスと、Ｆ₂ガスと、ＮＦ₃ガスと、ＣＦ₄ガスと、Ｃ₂Ｆ₆ガスと、Ｃ₃Ｆ₈ガスと、Ｃ₄Ｆ₈ガスと、ＨＦガスと、ＳｉＦ₄ガスと、ＢＦ₃ガスと、ＸｅＦ₂ガスと、ＣＨＦ₃ガスとからなるフッ素系ガス群より選択される少なくとも１種類フッ素系ガスのプラズマを発生させ、前記フッ素系ガスのプラズマを、露出する前記銅薄膜と接触させた後、
   前記処理対象物上でハロゲンガスを含有するエッチングガスのプラズマを発生し、前記エッチングガスのプラズマを前記シリコン層表面と接触させ、前記シリコン層をエッチングするエッチング方法。
2. 前記銅薄膜と前記銅薄膜との間の電極溝底面に露出する前記シリコン層をエッチングする請求項１記載のエッチング方法であって、
   前記銅薄膜表面を予めレジスト膜で覆っておき、
   前記フッ素系ガスのプラズマを前記電極溝側面に露出する前記銅薄膜の側面に接触させるエッチング方法。
3. 前記シリコン層をエッチングした後、
   前記処理対象物上でＯ₂ガスのプラズマを発生させ、前記Ｏ₂ガスのプラズマを露出する前記銅薄膜と接触させる請求項１又は請求項２のいずれか１項記載のエッチング方法。
4. 前記シリコン層をエッチングした後、
   前記処理対象物を水で洗浄する請求項１記載のエッチング方法。
5. 前記フッ素系ガスのプラズマと、前記ハロゲンガスのプラズマの発生は、電極上に前記処理対象物を配置した状態で、前記電極に電圧を印加して行う請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のエッチング方法。
6. 前記銅薄膜は、Ｍｇと、Ｚｒと、Ｔｉと、Ｎｉとからなる金属群より選択される少なくとも１種類の金属を含有する銅合金、又は純銅で構成された請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のエッチング方法。

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