JPH04316327A - ドライエッチング装置及びチャンバの洗浄方法 - 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、銅薄膜のエッチング等
に供されるドライエッチング装置と、この装置に用いる
チャンバの洗浄方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い、配
線の微細化及び多層化が進んできている。配線材料とし
ては、１．７５μΩ・ｃｍという低い比抵抗を有するア
ルミニウムを主成分とするアルミニウム合金がよく用い
られてきた。しかし、アルミニウムを主成分とするアル
ミニウム合金などの配線材料にあっては、配線の微細化
により、電流密度が増加することに起因するエレクトロ
マイグレーションによる断線が益々問題となってきた。 また、配線に加わる熱ストレスによるストレスマイグレ
ーションも問題となってきた。

【０００３】そこで、アルミニウムより低い比抵抗を有
し且つアルミニウムより高融点であり、耐エレクトロマ
イグレーション及び耐ストレスマイグレーションに優れ
た、銅或いは銅を主成分とする配線が検討され初めてい
る。銅はアルミニウムと違って銅の化合物に蒸気圧の高
い物質はないが、基板を３００℃程度に加熱することに
より、塩素系のガスを用いた反応性イオンエッチング（
ＲＩＥ）等でエッチングできる。

【０００４】しかしながら、銅薄膜をドライエッチング
法で加工する場合、次のような問題があった。即ち、Ｒ
ＩＥでは一般的な現象であるが、エッチング生成物が、
基板表面から離脱して対向電極やチャンバ壁面に付着す
る。付着したエッチング生成物は、その膜厚が厚くなる
と剥がれて塵となり、素子の歩留り低下を招く。

【０００５】そのため、通常は一定枚数のウェハをエッ
チングすると、チャンバのクリーニングを行って付着物
を取り除く。ところが、銅薄膜の場合のエッチング生成
物であるＣｕＣｌは、蒸気圧が極めて低い。その結果、
対向電極やチャンバ壁面に付着したエッチング生成物は
、エッチングする際の基板温度である３００℃に加熱し
ても容易に除去することはできず、機械的に取り除くし
か手段がないという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、銅薄
膜をドライエッチングした場合、対向電極やチャンバ壁
面にエッチング生成物が付着し、これが素子の製造歩留
りを低下させる要因となっていた。また、チャンバ壁面
に付着したエッチング生成物は容易に除去することはで
きず、その除去作業に多大な時間を要し装置稼働率の低
下を招く問題があった。

【０００７】本発明は、上記の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、銅薄膜をエッチング
しても反応生成物がチャンバ壁面等に付着するのを防止
、若しくは極めて少なくすることのできるドライエッチ
ング装置を提供することにある。

【０００８】また、本発明の他の目的は、銅薄膜をエッ
チングした際にチャンバに付着するエッチング生成物を
容易に除去することのできるチャンバの洗浄方法を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、銅若し
くは銅を主成分とする物質のエッチングに際して、チャ
ンバにエッチング生成物が付着しないような条件を設定
すること、さらにチャンバ壁面などに付着したエッチン
グ生成物をエッチングにより除去することにある。

【００１０】即ち本発明（請求項１）は、チャンバ内に
銅薄膜若しくは銅を主成分とする薄膜が形成された被処
理基板を配置し、チャンバ内にエッチングガスを導入し
て薄膜をエッチングするドライエッチング装置において
、チャンバの壁面の温度を３００〜４００℃の範囲に設
定するようにしたものである。

【００１１】また本発明（請求項２）は、銅のエッチン
グに供されて壁面にエッチング生成物が被着されたチャ
ンバを洗浄するチャンバの洗浄方法において、チャンバ
内に水素ガスを導入して放電により水素プラズマを発生
させ、このプラズマによりエッチング生成物を還元し、
次いでチャンバを２５０℃以上に加熱しながら該チャン
バ内に少なくとも塩素を含有するガスを導入し、還元さ
れたエッチング生成物をエッチング除去するようにした
方法である。

【００１２】

【作用】銅を主成分とする薄膜をドライエッチング法を
用いて加工するに際し、従来から用いられているハロゲ
ンガスを主成分としたエッチングガスと銅との反応生成
物の蒸気圧が低いため、基板温度よりも温度が低いチャ
ンバの壁面に反応生成物が付着する。そこで、本発明（
請求項１）では、チャンバの温度を前述した範囲に設定
することにより、反応生成物の付着を防止することがで
きる。なお、チャンバの温度が低いと反応生成物の付着
は多いが、２５０℃程度まで高くすると後述するように
反応生成物の付着は極めて少なく、３００℃では反応生
成物の付着は殆どなく、また４００℃以上では反応生成
物がさらに分解して再び付着が多くなる。従って、チャ
ンバ温度は２５０℃以上にする必要があり、３００〜４
００℃の範囲に設定するのが望ましい。

【００１３】一方、本発明者らが、塩素ガスと銅薄膜と
の反応を鋭意研究した結果、以下の事実が判明した。即
ち、塩素生ガスだけを用いるエッチングでは、基板を３
００℃に加熱すると銅薄膜はエッチングされるが、２５
０℃では表面が変色するだけで、エッチングは起こらな
い。一方、予め２５０℃に加熱し表面を変色させ、次い
で３００℃に加熱しても、もはやエッチングは進まない
。１ｋｅＶの塩素イオンを照射するイオンビームを用い
たエッチングの実験においても、基板温度３００℃では
エッチングが進む。しかし、２５０℃では、エッチング
は多少進むものの生成物が表面上に膜状に付着しており
、完全には蒸発しきらない。

【００１４】このような事実と、１気圧中の性質ではあ
るが、ＣｕＣｌの融点は９００℃近傍であることを考え
合わせると、基板温度３００℃の場合、銅薄膜と塩素と
が非常に強く反応し、発生する反応熱で表面が加熱され
生成物が揮発する。一方、２５０℃の場合、塩素と銅薄
膜は反応するが、その速度は余り速くなく発生する反応
熱も大きくないために表面温度が十分に上昇せず、反応
生成物があまり揮発しないと考えられる。

【００１５】以上の研究結果より、チャンバ壁面に付着
した膜が３００℃に加熱しても容易に除去できないのは
、次の理由によるものと考えられる。即ち、この付着し
た膜は、壁面に付着している状態で既にＣｕＣｌであり
、加熱するだけでは何等反応が起こるわけではなく、反
応熱による表面温度の上昇がないため揮発が進まないと
考えられる。

【００１６】本発明は、以上の知見に基づいてなされた
もので、まず、水素をエッチングチャンバ内に導入して
、水素原子を発生させる。この水素原子を利用してＣｕ
ＣｌからＣｌを引き抜いて、Ｃｕに還元する。次いで、
塩素ガスを導入しチャンバ壁面を加熱すると、Ｃｕと塩
素ガスの反応が起こり、ＣｕＣｌが再び生成する。 そしてこの場合は、反応熱による表面温度の上昇がある
ため、ＣｕＣｌが極めて速やかに揮発する。このように
して、エッチングにより壁面に付着したエッチング生成
物を、チャンバを解放することなく容易に除去すること
ができる。

【００１７】なお、塩素ガスを導入するエッチング工程
において、水素ガスを導入する還元工程と同様に高周波
電力を印加して放電させてもよい。この場合、塩素ラジ
カルが作用し、しかもイオン衝撃が加わるため、還元工
程により生成したＣｕを放電しない場合よりも、幾分速
い速度でＣｕＣｌとして揮発させることができる。また
、この場合には、放電によって塩素ラジカルを生じるガ
スであれば用いることができ、例えば、ＳｉＣｌ４　，
ＮＣｌ３　，ＰＣｌ３　，ＰＣｌ５　，ＣＣｌ４　等の
化合物ガス、ＦＣｌ，ＦＣｌ３　のようなインターハロ
ゲンガス、及びこれらの混合ガスでも同様の効果を得る
ことができる。

【００１８】

【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。

【００１９】図１は、本発明の第１の実施例に係わるド
ライエッチング装置を示す概略構成図である。図中１１
はエッチング室を構成するチャンバであり、このチャン
バ１１には試料基板（被処理基板）１３の出し入れをす
るためのロードロック室１２が連設されている。チャン
バ１１内には、ガス導入口１４からエッチングガスが導
入され、チャンバ１１内のガスは排気口１５から排気さ
れる。また、ロードロック室１２は排気口１６から真空
に排気されるものとなっている。

【００２０】チャンバ１１内には平行平板電極２１，２
２が設置されており、これらの電極２１，２２は、共に
加熱用のヒータ２３，２４で加熱できるようになってい
る。そして、基板１３が載置される下部電極（陰極）２
２には、整合器２５を介して１３．５６ＭＨｚの高周波
電源２６が接続されている。また、上部電極（陽極）２
１は、チャンバ１１に接続されて接地されており、チャ
ンバ１１の一部と見なすことが可能となっている。

【００２１】そして、チャンバ１１の周囲には、チャン
バ１１の壁面を加熱するためのヒータ２７が設けられて
いる。なお、図中２８は，２９はそれぞれゲートバルブ
を示している。

【００２２】次に、上記装置を用い、高周波電力の印加
された下部電極２２上に銅薄膜の形成された試料基板を
置き、上部電極２１に堆積速度を測定するための測定用
基板を張り付け、塩素ガスを導入し圧力３×１０−３Ｔ
ｏｒｒで試料基板のエッチングを行った。そして、上部
電極２１に張り付けた測定用基板上に堆積したＣｕＣｌ
（エッチング生成物）の膜厚を測定して、その堆積速度
を求めた。

【００２３】このようにして得られた堆積速度を、上部
電極２１の温度に対してプロットした結果を、図２に示
す。この図から、基板温度が高くなるに伴い堆積速度は
低下し、３００℃でほぼゼロになる。また、基板温度４
００℃を越えるとＣｕＣｌが分解して、Ｃｕ膜が堆積し
始める。従って、上部電極２１へのエッチング生成物の
堆積を防止し塵の発生を防ぐという目的から、上部電極
２１の温度は３００〜４００℃が望ましい。

【００２４】次に、上記装置を用いたエッチング例につ
いて述べる。

【００２５】試料基板（被処理基板）としては、図３に
示すように、６インチ径のＳｉ基板３１の表面に形成し
た熱酸化膜３２上に、通常のスパッタリング法で膜厚５
００ｎｍのＣｕ薄膜３３を堆積したものを用いた。なお
、Ｃｕ薄膜３３上には、厚さ３００ｎｍの炭素のマスク
３４を形成した。

【００２６】チャンバ１１内を１０−６Ｔｏｒｒ台に排
気した後、チャンバ１１の壁面及び電極２１，２２を、
予め３００℃に加熱しておく。図３に示す試料基板をロ
ードロック室１２に入れ排気した後、チャンバ１１の下
部電極２２の上に移動させる。その後、エッチングガス
として、例えば塩素ガスを導入口１４から導入し、圧力
を１×１０−３Ｔｏｒｒに調節した後、高周波電源２６
を投入し、例えば２００Ｗの入力電力で整合器２５によ
りマッチングを取りながら放電を起こしてＣｕ薄膜３３
の選択エッチングを行った。このときのエッチング速度
は、１５０ｎｍ／ｍｉｎであった。

【００２７】上記エッチング条件でＣｕ薄膜３３のエッ
チングを行った場合の、ダストの発生状況をダストカウ
ンタで測定した。その結果の一例を、図４に示す。この
図では、チャンバ１１の壁面（上部電極２１を含む）を
クリーニングした後のエッチング回数に対するダストの
数を示している。ダストの数はウェハ１枚当りで、径が
０．３μｍ以上のものである。なお、従来法による場合
の結果例を参考のために併記した。従来法による場合は
エッチング回数が５回を越えると、ダストの数は急激に
増加してくるが、本実施例の場合は１０回を越えても、
ダストの数は変化しなかった。即ち、チャンバ１１の壁
面などに反応生成物の付着が起こらない（若しくは付着
が極めて少ない）ために、ダストの発生が殆どないこと
が確認された。

【００２８】このように本実施例では、Ｃｕ薄膜３３を
ドライエッチングする際に、チャンバ１１の壁面を３０
０℃に加熱しているので、チャンバ１１の壁面にエッチ
ング生成物が付着するのを未然に防止することができる
。このため、チャンバ１１の壁面に付着したエッチング
生成物によるダストの発生を防止することができ、素子
の製造歩留りの向上をはかることが可能となる。また、
チャンバ１１の加熱温度は試料基板の加熱温度と同程度
でよいことから、チャンバ１１の加熱により試料基板の
温度が変化する等の不都合もない。

【００２９】なお、本実施例においては、チャンバ１１
の壁面の温度を３００℃としたが、３００℃〜４００℃
の範囲で本発明は有効である。また、先にも説明したよ
うに上部電極２１はチャンバ１１の一部と見なすことが
でき、従って上部電極２１をチャンバ１１の上壁で代替
使用することができる。また、実施例では銅薄膜を例に
とり説明したが、銅を主成分とする薄膜であれば同様の
効果が得られるのは勿論のことである。また、エッチン
グガスとしては放電によって塩素ラジカルを生じるガス
であればよく、ＳｉＣｌ４　，ＮＣｌ３　，ＰＣｌ３　
，ＰＣｌ５　，ＣＣｌ４　等の化合物ガス、ＦＣｌ，Ｆ
Ｃｌ３　のようなインターハロゲンガス、及びこれらの
混合ガスを用いることができる。

【００３０】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。第１の実施例はチャンバの壁面にエッチング生成
物が付着するのを防止するものであるが、本実施例はチ
ャンバの壁面に付着したエッチング生成物を簡易に除去
する方法である。 ［実験例１］まず、チャンバの壁面に付着したエッチン
グ生成物が除去できるか否かを調べる模擬的実験を行っ
た。装置としては図１に示すものを用い、試料として図
３に示すものを用いた。エッチング生成物を捕集するた
め、シリコンウェハ小片を３枚、図１に示した装置の上
部電極２１上に張り付け、図２に示す試料基板を図１の
装置の下部電極２２上に載置した。さらに、ヒータ２２
により下部電極２２を３００℃に加熱する。このとき、
エッチング生成物をウェハ小片に付着させるため、チャ
ンバ１１及び上部電極２１は加熱しなかった。次いで、
チャンバ１１内に塩素ガスを導入し、圧力を１×１０−
３Ｔｏｒｒに保って高周波電力を１Ｗ／ｃｍ２　の電力
密度で印加し、Ｃｕ薄膜３３のエッチングを行った。

【００３１】図１に示した装置は枚葉式のため、上記プ
ロセスを２５回繰り返すことにより５枚のウェハをエッ
チングした。その後、陽極２１上に張り付けた小片のう
ちの一つを取り出し、表面上に付着したエッチング生成
物の膜厚を測定したところ、約２００ｎｍの膜が付着し
ていることが判明した。

【００３２】次いで、チャンバ１１内に水素ガスを導入
し、例えば常温、圧力１Ｔｏｒｒのもとで３０分間放電
させた後、水素ガスを排気した。このときの電力密度は
１．２Ｗ／ｃｍ２　程度とした。次いで、チャンバ１１
内に塩素ガスを導入し、圧力を０．０１Ｔｏｒｒに保ち
、ヒータ２３，２７により上部電極２１及びチャンバ１
１の壁面を３００℃に２０分間加熱した。その後、塩素
ガスを排気し、ヒータ２３，２７の電流を切って冷却し
た。十分にチャンバを冷却した後、上部電極２１に張り
付けたウェハ小片を取り出したところ、前記付着物が除
去されているのが確認された。

【００３３】そこで、水素放電時間は３０分間一定とし
、塩素ガスを作用させる時間に対して付着物の減少する
度合いを調べたところ、図５に示すように、塩素ガスを
作用させる時間の増大と共に付着物の膜厚が減少するこ
とが明らかとなった。これは塩素ガスの導入により、ウ
ェハ小片に付着したエッチング生成物がエッチングされ
ていることを意味している。また、塩素ガス圧力に対し
て調べたところ、図６に示すように、付着物の除去速度
は圧力が減少すると共に指数関数的に減少し、実用的に
は１０−３Ｔｏｒｒが限度であることが分かった。 ［実験例２］前記エッチング生成物の付着したウェハ小
片を用い、実験例１と同様に、水素ガスを放電させる第
１のプロセスを行った。次いで、ＳｉＣｌ４を導入し、
圧力を０．１Ｔｏｒｒに保ち、チャンバ１１の温度を３
００℃に昇温して放電を行った。この際、電極２１，２
２間の放電を１０分間行った。また、電力密度は１．２
Ｗ／ｃｍ２　程度とした。この場合には、１０分間でも
全ての付着物が除去されていた。また、塩素系ガス（こ
の場合はＳｉＣｌ４　）を放電させる場合は、チャンバ
１１及び上部電極２１の加熱温度は２５０℃程度まで下
げても、エッチング生成物の除去が可能であった。 ［実験例３］実際のエッチング装置では、僅か２５枚の
ウェハをエッチングする度にチャンバの洗浄を必要とす
るようでは、実用にならない。そこで、本発明の有効性
をさらに検証すべく、２００枚のウェハをエッチングし
、厚い付着物をウェハ小片に付着させた。このウェハ小
片を用いて、実験例１と同様のプロセスを行ったところ
、付着物は薄くなったものの完全に除去するには至らな
かった。しかし、実験例１のプロセスを３回繰り返した
ところ、付着物が完全に除去されるのが明らかとなった
。

【００３４】このように本実施例方法では、水素ガスの
導入による還元作用と、塩素ガスの導入によるエッチン
グ作用を利用することにより、Ｃｕ薄膜３３のドライエ
ッチングによりチャンバ１１の壁面（上部電極２１も含
む）に付着したエッチング生成物を容易に除去すること
ができる。従って、チャンバを分解して機械的にエッチ
ング生成物を取り除く必要はなく、装置稼働率の向上を
はかることができる。さらに、所定の枚数のウェハを処
理する毎に、本実施例方法による洗浄処理を行うことに
より、ダストの発生を極めて少なくすることができ、素
子の製造歩留りの向上をはかることが可能となる。

【００３５】また、第１の実施例と第２の実施例を組み
合わせて用いることにより、洗浄が必要となるまでに処
理可能なウェハ枚数を格段に増大させることができ、且
つ洗浄処理も容易に行うことができることから、装置稼
働率の大幅な向上をはかることができ、その有用性は絶
大である。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１）
によれば、銅若しくは銅を主成分とする薄膜のエッチン
グに際して、チャンバの壁面の温度を３００〜４００℃
に設定することにより、銅薄膜をエッチングしても反応
生成物がチャンバ壁面に付着するのを防止若しくは極め
て少なくすることができ、素子製造歩留りの向上をはか
ることが可能となる。

【００３７】また、本発明（請求項２）によれば、水素
ガスの導入による還元作用と、塩素ガスの導入によるエ
ッチング作用とを組み合わせることにより、銅薄膜をエ
ッチングした際にチャンバ壁面に付着したエッチング生
成物を容易に除去することができ、装置の稼働率向上に
寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係わるドライエッチン
グ装置を示す概略構成図、

【図２】第１の実施例における基板温度と堆積速度との
関係を示す特性図、

【図３】第１の実施例に用いた試料構造を示す断面図、

【図４】第１の実施例におけるエッチング回数とダスト
の個数との関係を示す特性図、

【図５】第２の実施例における塩素放電時間と付着物膜
厚との関係を示す特性図、

【図６】第２の実施例における塩素ガス圧力と付着物エ
ッチング速度との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１１…エッチング室（チャンバ）、 １３…試料、 １４…ガス導入口、 ２１，２２…平行平板電極、 ２３，２４…ヒータ、 ２６…高周波電源、 ２７…ヒータ、 ３３…Ｃｕ薄膜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チャンバ内に銅薄膜若しくは銅を主成分と
   する薄膜が形成された被処理基板を配置し、チャンバ内
   にエッチングガスを導入して薄膜をエッチングするドラ
   イエッチング装置において、前記チャンバの壁面の温度
   を３００〜４００℃の範囲に設定してなることを特徴と
   するドライエッチング装置。
2. 【請求項２】銅のエッチングに供されて壁面にエッチン
   グ生成物が被着されたチャンバに対し、該チャンバ内に
   水素ガスを導入し放電により水素プラズマを発生させて
   前記エッチング生成物を還元する工程と、前記チャンバ
   を２５０℃以上に加熱しながら該チャンバ内に少なくと
   も塩素を含有するガスを導入して前記エッチング生成物
   を除去する工程とを含むことを特徴とするチャンバの洗
   浄方法。
3. 【請求項３】銅のエッチングに供されて壁面にエッチン
   グ生成物が被着されたチャンバに対し、該チャンバ内に
   水素ガスを導入し放電により水素プラズマを発生させて
   前記エッチング生成物を還元する第１の工程と、前記チ
   ャンバを２５０℃以上に加熱しながら該チャンバ内に少
   なくとも塩素を含有するガスを導入して前記エッチング
   生成物を除去する第２の工程とからなり、第１及び第２
   の工程を交互に複数回繰り返すことを特徴とするチャン
   バの洗浄方法。