JPH04303927A - 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、ドライエッチング方法
に係わり、特に銅を主成分とする薄膜のドライエッチン
グ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、アルミニウム（Ａｌ）合金に代わ
る新配線材料として、銅（Ｃｕ）が注目されている。配
線を形成するためには、基板上に形成された導体薄膜を
所望パターンにエッチングすることが必要である。銅の
エッチング方法として、最近、塩素系ガスプラズマ中で
基板を３００℃程度に加熱することにより、銅薄膜をエ
ッチングし得ることが報告されている。

【０００３】しかしながら、本発明者らが上記の条件で
実際に銅薄膜のドライエッチングを行ったところ、エッ
チングパターンは極めて側壁の荒れたものであり、銅を
配線材料として用いる次世代のデバイスが要求する寸法
精度を到底満たすものではなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、現状の銅
薄膜のエッチング技術は、辛うじてエッチングできると
いう段階であり、パターンサイズの１０％以下の寸法変
換差で、垂直に加工するという要求からは、程遠い状態
である。

【０００５】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、銅薄膜を垂直に高精度
で加工することのできるドライエッチング方法を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、基板温
度及びガス圧力の最適化をはかって、銅薄膜の良好なエ
ッチングを行うことにある。

【０００７】即ち本発明は、基板上に形成された銅を主
成分とする薄膜を、塩素原子を含有する反応性ガス（例
えばＣｌ２　，ＳｉＣｌ４　，ＣＣｌ４　，ＢＣｌ３　
，ＰＣｌ３　，ＰＣｌ５　，ＦＣｌ，ＦＣｌ３　）を用
いて選択エッチングするドライエッチング方法において
、基板温度を２５０℃以上、エッチング圧力を４×１０
−３Ｔｏｒｒ以下に設定するようにした方法である。

【０００８】

【作用】エッチングパターン側壁が荒れる原因は、薄膜
材料とラジカル等の中性活性種との反応が原因である。 通常のドライエッチングの場合、側壁に保護膜を形成し
中性種のアタックから側壁を保護して垂直エッチングを
達成する。この側壁保護膜は、レジスト分解物やエッチ
ングガス自体の重合により形成される。このような膜の
堆積速度は、一般に基板温度が低いほど速くなる傾向が
ある。高温ほど堆積速度が遅いのは、粒子の付着確率が
高温ほど低下するためである。

【０００９】銅のエッチングにおいて、エッチング側壁
が荒れる原因を本発明者らが鋭意検討した結果、銅は３
００℃程度に加熱すると塩素系ガスと自発的に反応する
傾向があること、またエッチングするために必要な温度
であるが、３００℃もの高温に基板を加熱するために、
側壁保護膜が形成され難いことが原因であることが判明
した。

【００１０】アンダーカットを防止するに十分な側壁保
護膜を形成することが困難であるならば、これに代わる
方法としては、中性種によるエッチング反応自体を抑制
する方法が考えられる。そこで、塩素ガスと銅の自発的
反応によるエッチングの速度をガス圧力に対して測定し
た結果、このエッチング速度は塩素ガス圧力に対してほ
ぼ比例することが明らかとなった。イオン衝撃による深
さ方向のエッチングの速度は、約１００〜２００ｎｍ／
ｍｉｎであり、アンダーカットを防止するためには、少
なくともアンダーカットの原因となる中性種によるエッ
チング速度を深さ方向に対して１０分の１以下に抑制す
る必要がある。

【００１１】そこで本発明者らは、基板温度３００℃で
銅薄膜エッチングを行い、深さ方向のエッチング速度と
サイドエッチング速度とを求め、その比率をエッチング
圧力に対してプロットした。その結果、図１に示す特性
が得られた。即ち、ガス圧力が十分に低い場合、深さ方
向のエッチング速度とサイドエッチング速度との比は極
めて小さく、ガス圧力が高くなるに伴い上記比は徐々に
大きくなり、特に４×１０−３Ｔｏｒｒを越えると上記
比は急激に大きくなっている。

【００１２】通常、配線パターン等に許容される寸法変
換差は、設計寸法に対して１０％以下である。従って、
深さ方向のエッチング速度とサイドエッチング速度との
比率を０．１以下にするためには、図１の特性からエッ
チング圧力を４×１０−３Ｔｏｒｒ以下にすればよいこ
とが分る。また、基板温度が２５０℃以上であれば、上
記とほぼ同じような特性が得られることも判明した。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の詳細を図示の実施例によって
説明する。

【００１４】図２は、本発明の一実施例方法に係わる配
線パターンの形成工程を示す断面図である。まず、図２
（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１１上に、１０
００℃の水素燃焼酸化で厚さ８００ｎｍの酸化膜１２を
形成し、その上にスパッタリングによって銅薄膜１３を
６００ｎｍの厚さに堆積した。続いて、銅薄膜１３の上
に窒化シリコン膜１４を厚さ３００ｎｍ、減圧ＣＶＤ法
により堆積した。

【００１５】次いで、図２（ｂ）に示すように、全面に
ポジ型レジストを塗布し、このレジストを形成すべき配
線パターン上のみに残すようにパターニングして、レジ
ストパターン１５を形成した。

【００１６】次いで、ＣＦ４　を用いた反応性イオンエ
ッチングにより、レジストパターン１５をマスクに窒化
シリコン膜１４を選択的にエッチングし、さらに水素プ
ラズマを用いてレジストパターン１５の剥離を行う。そ
して、図２（ｃ）に示すように、窒化シリコンマスクで
銅薄膜１３のエッチングを行う試料１０を作成した。銅
薄膜１３のエッチングには、図３に示すように、陰極内
部にヒータを内蔵した平行平板型の反応性イオンエッチ
ング装置を用いた。なお、図３において３０は真空容器
、３１，３２は平行平板電極、３３は試料１０を加熱す
るためのヒータ、３４はマッチング回路、３５は高周波
電源を示している。 ［実施例１］

【００１７】上記試料１０をエッチング装置内に入れ、
基板温度を３００℃に保持して塩素ガスを導入し、１３
．５６ＭＨｚの高周波電力を１．５Ｗ／ｃｍ２　の電力
密度で印加してプラズマを発生させ、窒化シリコン膜１
４をマスクとして銅薄膜１３の選択エッチングを行った
。このとき、エッチング圧力としては１×１０−２Ｔｏ
ｒｒと１×１０−３Ｔｏｒｒの２種類の圧力とした。

【００１８】そして、それぞれのエッチングによるエッ
チング形状を比較した。ＳＥＭで観察した加工形状を、
図４に示す。１×１０−２Ｔｏｒｒでエッチングした場
合には、図４（ａ）に示すようにアンダーカットを生じ
たのに対し、１×１０−３Ｔｏｒｒでは図４（ｂ）に示
すようにアンダーカットの量は極めて少なく、ほぼ垂直
な形状を達成することができた。基板温度２５０℃でも
ほぼ同様の結果を得ることができたが、２００℃では深
さ方向のエッチングが進まず、エッチングするためには
、２５０℃以上の温度が必要であることが分かった。 ［実施例２］

【００１９】上記試料１０をエッチング装置内に入れ、
基板温度を３００℃に保持し、塩素ガス２０ｓｃｃｍと
ＳｉＣｌ４　５ｓｃｃｍとを導入した。ＳｉＣｌ４　を
導入するのは、パターニングされる銅薄膜の側壁に側壁
保護膜を形成するためである。次いで、エッチング圧力
を０．０３Ｔｏｒｒ，０．００３Ｔｏｒｒとの２種類に
分けてエッチングを行った。このときに印加した高周波
電力は、１．０Ｗ／ｃｍ２　とした。エッチングした試
料の断面を観察したところ、０．０３Ｔｏｒｒでエッチ
ングした試料では、アンダーカットを生じたが、０．０
０３Ｔｏｒｒでエッチングした試料では、全くアンダー
カットは生じなかった。

【００２０】次に、ＳｉＣｌ４　に代えて、ＢＣｌ３　
を添加して０．００３Ｔｏｒｒでエッチングしたところ
、添加量５ｓｃｃｍではアンダーカットが完全にゼロに
ならなかったが、添加量８ｓｃｃｍではＳｉＣｌ４　を
５ｓｃｃｍ添加した場合と同様に、アンダーカットが完
全に防止された。なお、ＢＣｌ３　を添加するのも、銅
薄膜パターンの側壁に側壁保護膜を形成するためである
。 ［実施例３］

【００２１】上記試料１０を用いる同様なエッチングで
あるが、塩素ガスは用いずＢＣｌ３のみでエッチングを
行った。この場合は、エッチング速度は極めて遅いが、
やはり０．０４Ｔｏｒｒでは僅かではあるがアンダーカ
ットを生じ、０．００４Ｔｏｒｒではアンダーカットは
認められなかった。０．０４Ｔｏｒｒでアンダーカット
を生じたのは、プラズマ中でＢＣｌ３　の解離から発生
したＣｌ原子が銅のエッチングに作用するためであり、
１０−３Ｔｏｒｒ台のような低圧では、中性種の量が少
ないためアンダーカットを生じないと考えられる。

【００２２】このように本実施例方法によれば、銅薄膜
１３を選択エッチングするに際し、アンダーカットの原
因となる中性種によるエッチング速度が十分に抑制され
るようにエッチング圧力を低くしているので、銅薄膜１
３を垂直に高精度で加工することができる。従って、ア
ルミニウムに代わる新配線材料からなる配線パターンを
形成することができ、今後の半導体装置製造プロセスに
おける有用性は絶大である。

【００２３】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、反応性イオンエッチン
グ装置を用いたが、本発明の基本的構成要素は、基板温
度３００℃程度の温度で、塩素を含有するガスを用いて
４×１０−３Ｔｏｒｒ以下の低圧でエッチングすること
である。従って本発明の適用範囲は、反応性イオンエッ
チング装置に限るものではなく、例えばＥＣＲプラズマ
エッチング装置、イオンビームエッチング装置に対して
も同様に成立し得ることはいうまでもない。

【００２４】また、エッチングする薄膜は必ずしも銅の
単体に限るものではなく、銅を主成分とするものであれ
ば適用可能である。さらに、マスク材料としては窒化シ
リコンに限るものではなく、ＴａＣ，ＷＣ，ＳｉＣ，Ｂ
Ｃ，ＴａＮ，ＷＮ及びＢＮ等を用いることが可能である
。また、エッチングガスとしては、実施例で用いたＣｌ
２　，ＳｉＣｌ４　，ＢＣｌ３　以外に、例えばＣＣｌ
４　，ＰＣｌ３　，ＰＣｌ５　，ＦＣｌ及びＦＣｌ３　
等を用いることができる。その他、本発明の要旨を逸脱
しない範囲で、種々変形して実施することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、基
板温度を２５０℃以上、ガス圧力を４×１０−３Ｔｏｒ
ｒ以下に設定して、銅薄膜を選択エッチングすることに
より、中性種によるエッチングを抑制することができ、
アンダーカットのない垂直エッチングを達成することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するためのもので、エッチ
ングガス圧力に対する深さ方向のエッチング速度とサイ
ドエッチング速度との比の変化を示す特性図、

【図２】
本発明の一実施例方法に係わる配線パターン形成工程を
示す断面図、

【図３】実施例方法に使用した反応性イオンエッチング
装置を示す概略構成図、

【図４】エッチング後のパターン形状を示す断面図。

【符号の説明】

１０…試料、 １１…シリコン基板、 １２…酸化膜、 １３…銅薄膜、 １４…窒化シリコン膜、 １５…レジストパターン、 ３０…真空容器、 ３１，３２…平行平板電極、 ３３…ヒータ、 ３５…高周波電源。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に形成された銅を主成分とする薄膜
   を、塩素原子を含有する反応性ガスを用いて選択的にエ
   ッチングするドライエッチング方法において、前記基板
   の温度を２５０℃以上、エッチング圧力を４×１０−３
   Ｔｏｒｒ以下に設定したことを特徴とするドライエッチ
   ング方法。
2. 【請求項２】前記反応性ガスとしてＣｌ２　，ＳｉＣｌ
   ４　，ＣＣｌ４　，ＢＣｌ３　，ＰＣｌ３　，ＰＣｌ５
   　，ＦＣｌ，ＦＣｌ３　のうちのいずれか、又はこれら
   の混合ガスを用いたことを特徴とする請求項１記載のド
   ライエッチング方法。