JPH04225525A - ドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において銅系材料層のエッチングに適用されるドライエ
ッチング方法に関し、特にエッチング温度域の低温化と
終点判定方法の提供に関する。

【０００２】

【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、抵抗値を低く維持する必要からア
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。

【０００３】しかし、銅系の金属材料のエッチングにつ
いては、まだその可能性が模索されている段階であり、
技術的に解決すべき課題が多い。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。

【０００４】また、銅は他の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。たとえば、ＣｕＣｌおよび
ＣｕＣｌ２　は融点でみてもそれぞれ４３０℃および６
２０℃であり、被エッチング基体（ウェハ）を高温に加
熱して蒸気圧を高めない限り反応生成物の速やかな揮発
除去は望めない。

【０００５】かかる事情から従来、塩化物の形で銅を除
去するエッチング・プロセスでは、被エッチング基体の
温度がおおよそ２００〜４００℃に設定されている。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２
８巻６号Ｌ１０７０〜Ｌ１０７２ページ（１９８９年）
に報告されている技術では、ウェハを２５０℃付近に加
熱しながらＳｉＣｌ４　とＮ２との混合ガスにより銅薄
膜の反応性イオンエッチングが行われている。

【０００６】また、特開平２−８３９３０公報には、ド
ライエッチングとウェットエッチングを組み合わせて銅
系材料層をパターニングする技術が開示されている。具
体的には、ＣＣｌ４　とＡｒとの混合ガスを用いてイオ
ン・ミリング法により銅系材料層をエッチングした後、
ウェハをエタノールに浸漬してパターン側壁部に再付着
した塩化銅を溶解除去する例が記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術にはいずれも実用化を前に解決すべき課題が残され
ている。まず、反応生成物である塩化銅の蒸気圧を高め
るためにウェハの加熱を行う方法では、耐熱性の高い材
料を用いてエッチング・マスクを構成する必要がある他
、エッチング・チャンバー内の残留酸素による酸化銅の
形成が促進されてしまうという問題がある。また、ドラ
イエッチングとウェットエッチングを組み合わせる方法
では、上述のような加熱による弊害は回避されるものの
、工数が増加すること、ウェットエッチング用の処理槽
が別に必要となること、エタノールによって溶解除去さ
れるのはＣｕＣｌ２　のみでありエタノールに不溶なＣ
ｕＣｌは除去できないこと等の問題点がある。さらに、
銅をハロゲン化物としてエッチング除去する際の終点判
定法が知られていないことも実用上の大きな問題である
。

【０００８】そこで本発明は、銅系薄膜のドライエッチ
ングにおける従来の問題点を解決し、かつ実用的な終点
判定法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、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の発明にかかるドライ
エッチング方法は、ＣｌとＯとを構成元素として含むガ
スを主体とするエッチング・ガス、もしくはＣｌを構成
元素として含むガスとＯを構成元素として含むガスとを
主体とするエッチング・ガスを用いて銅系材料層のエッ
チングを行うことを特徴とするものである。

【００１０】本発明の第２の発明にかかるドライエッチ
ング方法は、Ｃｌを構成元素として含むガスを主体とす
るエッチング・ガスを用いて銅系材料層のエッチングを
行うにあたり、エッチング反応生成物の発光スペクトル
をモニタすることによりエッチング終点を検出すること
を特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明者は、上述の目的を達成するために検討
を行う過程で、金属材料のドライエッチングにおいて、
エッチング・ガス系にＯ２　を添加するとエッチング速
度が急増することがしばしば経験されることに着目した
。 たとえば、チタン系材料層をエッチングする場合、ＳＦ
６　やＮＦ３　等のフッ素系ガスを単独で用いても、Ｔ
ｉＦｘ　が常温で固体であるためにほとんどエッチング
は進行しないが、Ｏ２　を適当な範囲で加えると速やか
に進行するようになる。これは、ＴｉＦｘ　よりも遙か
に蒸気圧の高いチタンのオキシフッ化物（ＴｉＦｘ　Ｏ
ｙ　）が形成されているためであると考えられている。 タングステンを塩素系ガスを用いてエッチングする場合
にも、同様にタングステンのオキシ塩化物が形成されて
エッチング速度が向上することが知られている。

【００１２】本発明の第１の発明はこれらの事実に着想
を得たものであり、エッチング・ガスに何らかの形でＣ
ｌとＯとを含有させることにより、銅を従来のような塩
化物として除去するのではなく、オキシ塩化物として除
去することを意図している。銅のオキシ塩化物ＣｕＣｌ
ｘ　Ｏｙ　（ｘ＝１〜２，ｙ＝１〜８）のうち構造が比
較的簡単な化合物としては、塩素酸銅Ｃｕ（ＣｌＯ３　
）２　と過塩素酸銅Ｃｕ（ＣｌＯ４　）２が挙げられる
。これらの融点は順に６５℃および８２℃であり、前述
のＣｕＣｌやＣｕＣｌ２　と比べて遙かに低い。したが
って、銅系材料層のエッチングを従来よりも室温に近い
領域で行うことが可能となり、酸化銅被膜の形成が促進
される虞れも少ない。

【００１３】本発明の第２の発明では、エッチング反応
生成物もしくはそのフラグメントの発光スペクトルをモ
ニタすることによりエッチング終点を検出する。エッチ
ング反応系には反応生成物であるＣｕＣｌ、あるいはそ
のフラグメントであるＣｕ２　，Ｃｕ等の化学種が存在
しているが、これらはいずれも銅系材料層のエッチング
が進行している間に多量に生成し、バリアメタル，層間
絶縁膜，半導体基板等の下地が露出した段階では急激に
減少するはずである。したがって、ＣｕＣｌ，Ｃｕ２　
の分子スペクトル、もしくはＣｕの原子スペクトルにお
いて、比較的観測の容易なスペクトル線強度の高いピー
クを適宜選択し、その強度が急激に減少した時点をもっ
てエッチング終点を鋭敏に判定することが可能となる。

【００１４】

【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。

【００１５】実施例１本実施例は、本発明の第１の発明
を適用し、二酸化塩素ＣｌＯ２　を用いて層間絶縁膜上
のＣｕ層をエッチングした例である。これを、図１（ａ
）および（ｂ）を参照しながら説明する。

【００１６】まず、図１（ａ）に示されるように、酸化
シリコンからなる層間絶縁膜１上にスパッタリング等の
手法により全面にＣｕ層２を被着形成した後、耐熱性の
エッチング・マスク３を選択的に形成した。ここでは、
ＣＶＤにより堆積された酸化シリコン層をレジスト・マ
スクを使用してパターニングすることにより上記エッチ
ング・マスク３を形成したが、ＳＯＧ（スピン・オン・
グラス）やＳｉＮをその構成材料としても良い。

【００１７】次に、上述の基体を平行平板型ＲＩＥ（反
応性イオン・エッチング）装置にセットし、ウェハ載置
電極を介して基体を約１００℃に加熱し、ＣｌＯ２　流
量５０ＳＣＣＭ，ガス圧６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
、ＲＦパワー密度０．５Ｗ／ｃｍ２　の条件でエッチン
グを行った。ここでは、従来のように高温域におけるウ
ェハ加熱が行われていないため、被エッチング領域に酸
化銅被膜が形成されることはなく、エッチングは残渣を
生ずることなく速やかに進行した。その結果、図１（ｂ
）に示されるように、Ｃｕ電極２ａが良好な異方性形状
をもって形成された。

【００１８】このエッチング過程では、Ｃｕ層２の表面
においてＣｕ（ＣｌＯ３　）２　もしくはＣｕ（ＣｌＯ
４　）２　が生成し、これがＣｌ＋　，Ｃｌ２　＋　，
Ｏ＋，Ｏ２　＋　等のイオンによりスパッタリングされ
て異方性形状が達成されるものと考えられる。エッチン
グ機構の詳細については必ずしも明らかではないが、シ
リコン材料層をフッ素系ガスでエッチングする際、揮発
除去される反応生成物の中にＳｉＦ４　以外にもＳｉＦ
ｘ　（ｘ＝１〜３）で表されるフラグメントが含まれて
いることから類推すると、本発明においてもＣｕＣｌｘ
　Ｏｙ　のフラグメントの形で反応生成物が揮発除去さ
れていることは十分に考えられる。

【００１９】なお、本発明で使用されるエッチング・ガ
スは、放電分解によりＣｌとＯを生じ得るようなもので
あれば、特に上述のガスに限られるものではない。まず
、同一分子内にＣｌとＯとを構成元素として含むガスと
しては、Ｃｌ２　Ｏ，Ｃｌ２　Ｏ７　，ＨＣｌＯ４　等
を使用することができる。また、Ｃｌを構成元素として
含むガスとＯを構成元素として含むガスを混合しても良
く、たとえば上述のごとくＣｌＯ２　を５０ＳＣＣＭの
流量で供給する代わりに、Ｃｌ２　を２０ＳＣＣＭ、Ｏ
２を３０ＳＣＣＭの流量で供給しても、同様に良好な異
方性加工を比較的低温域で行うことができる。さらに、
スパッタリング効果、希釈効果、冷却効果等を期待する
意味で、エッチング・ガス系にＡｒ，Ｈｅ等の希ガス、
およびＮ２等の不活性ガスが適宜添加されていても構わ
ない。

【００２０】実施例２本実施例は、本発明の第２の発明
を適用し、シリコン基板へバリアメタル層を介してコン
タクトするＣｕ電極を塩素系混合ガスを用いたエッチン
グにより形成する際に、ＣｕＣｌの分子スペクトルにも
とづいて終点判定を行った例である。これを、図２（ａ
）〜（ｃ）を参照しながら説明する。

【００２１】まず、図２（ａ）に示されるように、予め
不純物拡散領域１２が形成されたシリコン基板１１上に
酸化シリコンからなる層間絶縁膜１３を被着形成し、該
層間絶縁膜１３に上記不純物拡散領域１２に臨む開口部
１４を形成した。続いて、後に形成されるＣｕ層１８と
上記シリコン基板１１との間のシリサイド化反応を防止
するために、基体の全面に薄いＴｉ層１５およびＴｉＯ
Ｎ層１６を順次積層してバリアメタル層１７を形成した
。さらに、スパッタリング等の手法により全面にＣｕ層
１８を被着形成した後、酸化シリコンからなるエッチン
グ・マスク１９を選択的に形成した。

【００２２】次に、上述の基体を有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置にセットし、ウェハ載置電極を介
して基体を約３５０℃に加熱し、Ｃｌ２　流量５０ＳＣ
ＣＭ，ＢＣｌ３　流量１０ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ
（１０ｍＴｏｒｒ）、マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦ
バイアス・パワー６０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）の条件で
エッチングを行った。

【００２３】このエッチングは、発光スペクトルをモニ
タしながら行った。ここで注目した波長は、ＣｕＣｌの
分子スペクトルの中で比較的容易に観測できる６本のピ
ーク位置に相当する波長、すなわち５２６ｎｍ，４８８
ｎｍ，４８５ｎｍ，４３５ｎｍ，４３３ｎｍ，および４
０２ｎｍである。これらの波長に現れるピークは、Ａ１
Π−Ｘ　１Σ、Ｂ　１Π−Ｘ　１Σ、Ｃ　１Π−Ｘ　１
Σ、Ｄ　１Π−Ｘ　１Σ、Ｅ　１Π−Ｘ１Σ、Ｆ　１Π
−Ｘ　１Σの６種類の遷移状態に対応して現れる各帯系
において、それぞれ最大強度を有するものである。これ
らのピーク強度が急激に減少した時点でＣｕ層１８のエ
ッチングを停止したところ、図２（ｂ）に示されるよう
に、良好な異方性形状をもってＣｕ電極１８ａが形成さ
れ、被エッチング領域には下地であるＴｉＯＮ層１６が
露出した。

【００２４】次に、基体の加熱温度を約１００℃まで下
げた他は、上述の条件にしたがって引き続きバリアメタ
ル層１７のエッチングを行った。このエッチングは、本
発明者が既に特願平２−２２２３９６号明細書において
提案しているように、ＴｉＣｌｘ　の分子スペクトルが
観測される４１０〜４２０ｎｍの波長域でピークの強度
変化をモニタしながら行った。上記ピークが消失すると
共に観測波長域の全体にわたって発光強度が減少した時
点でエッチングを停止したところ、図２（ｃ）に示され
るように、ＴｉＯＮパターン１６ａおよびＴｉパターン
１５ａからなるバリアメタル・パターン１７ａが良好な
異方性形状をもって形成され、配線部の形成が終了した
。

【００２５】ところで、本実施例で述べたＣｕ層１８の
エッチング終点判定は、当然のことながら前述の実施例
１においても同様に実施できる。実施例２では、バリア
メタル層１７の終点判定も併せて行われているので、層
間絶縁膜１３に対する選択性のみを考慮するならば、Ｃ
ｕ層１８の終点判定は不要と思われがちである。しかし
、チタン系材料層を塩素系ガスでエッチングする際に生
成するＴｉＣｌ３　やＴｉＣｌ４　は、ＣｕＣｌよりも
高い蒸気圧を有しているため、Ｃｕ層１８とバリアメタ
ル層１７とを同じウェハ加熱温度でエッチングすると、
バリアメタル層１７にアンダカットが生ずる虞れがある
。 したがって、各層に対して最適化された条件でエッチン
グを行うためにも、Ｃｕ層１８の終点判定は必要である
。

【００２６】なお、Ｃｕ層１８の終点判定に利用する発
光ピークとしては、上述の６本のピーク以外にも、Ｃｕ
Ｃｌの分子スペクトルに由来する強度の高い他のピーク
を適宜選択して構わない。あるいは、４８５〜５００ｎ
ｍの波長域に現れるＣｕ２　のＡ　１Πｕ　−Ｘ　１Σ
＋　ｇ　遷移に由来する分子スペクトルをモニタしても
良い。さらにあるいは、Ｃｕの原子スペクトルの中から
たとえば３２７ｎｍ，３２５ｎｍに現れるような相対的
に強度の高いピークを選択し、これをモニタに利用して
も良い。

【００２７】

【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の発明を適用すれば、従来よりも遙かに低温域
にて銅系材料層のエッチングを行うことが可能となり、
ウェハの高温加熱による弊害が防止される。また、本発
明の第２の発明を適用すれば、銅系材料層のエッチング
の終点判定が可能となる。第１の発明と第２の発明を組
み合わせれば、これらの効果が同時に達成されることは
言うまでもない。本発明により、高性能，高集積度を有
する半導体装置の生産性および信頼性を大幅に向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明を層間絶縁膜上におけるＣ
ｕ層のエッチングに適用した一例をその工程順にしたが
って示す概略断面図であり、（ａ）はエッチング前の基
体の状態、（ｂ）はＣｕ層のエッチングが終了した状態
をそれぞれ示す。

【図２】本発明の第２の発明をバリアメタルを介して基
板コンタクトをとるためのＣｕ層のエッチングに適用し
た一例をその工程順にしたがって示す概略断面図であり
、（ａ）はエッチング前の基体の状態、（ｂ）はＣｕ層
のエッチングが終了した状態、（ｃ）はバリアメタル層
のエッチングが終了した状態をそれぞれ示す。

【符号の説明】

１，１３　　　　　　・・・層間絶縁膜２，１８　　　
　　　・・・Ｃｕ層 ２ａ，１８ａ　　・・・Ｃｕ電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＣｌとＯとを構成元素として含むガス
   を主体とするエッチング・ガス、もしくはＣｌを構成元
   素として含むガスとＯを構成元素として含むガスとを主
   体とするエッチング・ガスを用いて銅系材料層のエッチ
   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】　　Ｃｌを構成元素として含むガスを主体
   とするエッチング・ガスを用いて銅系材料層のエッチン
   グを行うドライエッチング方法において、エッチング反
   応生成物の発光スペクトルをモニタすることによりエッ
   チング終点を検出することを特徴とするドライエッチン
   グ方法。