JPH10321606A

JPH10321606A - 配線形成方法

Info

Publication number: JPH10321606A
Application number: JP14573497A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ito; 彰浩伊藤; Shinji Sato; 新治佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】高密度プラズマエッチング法をＣｕ配線加工
プロセスに有効に適用できる配線形成方法を提供し、さ
らには、Ｃｕ膜のパターニングを行いながら同時にＣｕ
配線の周囲に保護膜を形成する配線形成方法を提供する
ことにある。【解決手段】エッチングガスとして、塩素ガスと不活
性ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうちの１種又
は複数種）との混合ガスを用いることで、不活性ガスに
よる塩素ガスの希釈作用及びガス滞在時間の短縮作用に
より、高い微細加工制御性が得られるようにした。ま
た、前記混合ガスに窒素系ガス（Ｎ₂ 、ＮＨ₃ のうちい
ずれか又は両方）を添加した窒素系ガス添加混合ガスを
用いることにより、エッチングにより形成されたＣｕ膜
１０の側壁に保護膜として窒化銅膜が形成され、より異
方性良く低い基板温度でＣｕ膜のパターニングが可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
おける配線形成方法に関し、特に高密度プラズマエッチ
ング法によりＣｕ系金属層をエッチングして微細配線を
形成する配線形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体集積回路（以下、ＬＳＩと
いう。）の配線材料として一般にＡｌが用いられてい
る。しかし、近年、ＬＳＩの配線の微細化に伴って、Ａ
１又はＡ１合金の配線では、比抵抗の高さによる信号伝
達速度の遅れや、エレクトロマイグレーション耐性の低
さによる信頼性の低下が問題となってきている。そこ
で、Ｃｕを配線材料として使用することが検討されてい
る。Ｃｕは、比抵抗がＡｌの約１／２であり、エレクト
ロマイグレーション耐性も約２桁の向上を期待できる。
しかし、Ｃｕを配線材料として使用するためにはいくつ
かの課題があった。その一つはＣｕ膜のパターニング方
法の確立である。すなわち、従来のＡｌ系配線パターニ
ングで用いられているドライエッチング法は、Ｃｕのハ
ロゲン化物の蒸気圧が低いため、Ｃｕ膜のパターニング
にすぐには適用できない。もう一つの課題は、Ｃｕが空
気中では１００℃台の温度で容易に酸化する性質を有
し、またＣｕ原子がＳｉＯ₂ 層間絶縁膜や半導体素子が
形成されたＳｉ基板などへ容易に拡散する性質を有する
ため、Ｃｕ配線の周囲に酸化及びＣｕ原子の拡散を防止
するための保護膜を形成する技術の確立である。

【０００３】既に、Ｃｕ系金属層をパターニングして微
細配線を形成する配線形成方法として、ＳｉＣｌ₄ とＮ
₂ との混合ガスのプラズマを用い、基板温度を２５０
℃、プロセス圧力を２Ｐａに設定して反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ：Reactive IonEtchinng)法によりエッ
チングする方法(K.Ohno,M.Sato and Y.Arita,Jpn.J.App
l.Phys.,Vol.28(1989)pp.L1070) ＣＣｌ₄ とＡｒとの混
合ガスのプラズマを用い、基板温度を２２５℃、プロセ
ス圧力を２Ｐａに設定してＲＩＥ法によりエッチングす
る方法(G.C.Sehart and P.M.Sehlble,J.Electrochem.So
c.,Vol.130(1983)pp.1777)などが提案されている。前者
によれば２０ｎｍ／ｍｉｎ、後者によれば５００ｎｍ／
ｍｉｎのエッチング速度がそれぞれ得られる。また、Ｓ
ｉＣｌ₄ とＣｌ₂ とＮ₂ とＮＨ₃ との混合ガスのプラズ
マを用い、基板温度３００℃、プロセス圧力１１〜２７
Ｐａの条件下で、マグネトロンＲＩＥ法によりエッチン
グ処理を行うことにより、１５０ｎｍ／ｍｉｎのエッチ
ング速度を達成する方法も知られている。この方法では
エッチング処理と同時にエッチング加工側壁面にＳｉＯ
Ｎからなる拡散酸化保護膜を形成する(Y.Igarasi,T.Yam
anobe and T.Ito,Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.34(1995)pp.10
12) 。また、Ｃｌ₂ ガスのプラズマを用い、基板温度６
０〜２００℃、プロセス圧力約３Ｐａの条件下で７００
ｎｍ以上の赤外光照射しながらＲＩＥ法によりＣｕ系微
細配線を形成する方法も提案されている（特開平７−２
９９０８号公報）。

【０００４】また、Ｃｌ₂ ガスのプラズマを用い、基板
温度２３０〜２７０℃、プロセス圧力１．３Ｐａ以下で
マグネトロンＲＩＥ法によるエッチング処理を実施する
加工法も提案されている（宮崎博史、ＳＥＭＩテクノロ
ジーシンポジュウム９６講演予稿集、５−４１（１９９
６））。また、ガス状の金属塩化物と窒素系ガスと塩素
系ガスを含むエッチングガスのプラズマで、側壁に拡散
酸化防止保護膜となる金属窒化物を堆積しながら、Ｃｕ
系金属層をエッチングする方法も提案されている（特開
平７−８６２８５号公報）。この場合、基板温度２００
〜３５０℃、プロセス圧力１〜５Ｐａの条件下でＲＩＥ
法による加工を行っている。また、Ｔｉ塩化物、Ｚｒ塩
化物等からなる側壁拡散酸化防止保護の構成元素を含む
塩化物からなる主原料ガスと窒素系ガス及び窒素系ガス
からなるエッチングガスのプラズマで、側壁に保護膜と
なる金属窒化物を堆積しながら、Ｃｕ系金属層をエッチ
ングする方法も提案されている（特開平８−８８２２９
号公報）。この場合、基板温度３００℃、プロセス圧力
４．７Ｐａの条件下で１５０ｎｍ／ｍｉｎのエッチング
速度が得られるＲＩＥ法による加工例が示されている。
以上の従来例は、プロセス圧力０．７〜１３ＰａのＲＩ
Ｅ法又はマグネトロンＲＩＥ法を使用した場合に使用さ
れた技術例である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の方法
は、Ｃｕ配線のドライエッチング方法に注目した場合、
全てＲＩＥ法及びマグネトロンＲＩＥ法を用い、特開平
７−２９９０８号公報に示された例を除き、２００〜３
５０℃という高い基板温度で処理が行われている。その
ため、昇温度時間によるスループットの低下、ウェハ昇
温ステージなどの増設による装置の大型化を招き、製造
効率及びコスト面において好ましくない。また、最近の
半導体製造プロセスには、従来からのＲＩＥ法及びマグ
ネトロンＲＩＥ法と平行して高密度プラズマエッチング
法が導入されつつある。高密度プラズマエッチング法の
代表例をあげると、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resona
nce)エッチング法、ＩＣＰ(Inductivity Coupled Plasm
a)エッチング法、Ｈｅｌｉｃｏｎエッチング法、ＴＣＰ
(Transformer Coupled Plasma)エッチング法、ＵＨＦ(U
ltra-high-frequency)プラズマ法、ＳＷＰ(Surface Wav
e Plasma) エッチング法などがあげられる。

【０００６】高密度プラズマエッチング法によるドライ
エッチング装置は、高密度プラズマ源と独立に、１００
ｋＨｚ以上の周波数の電界を印加することができる被エ
ッチング材料の載置部を備えており、プラズマ密度とウ
ェハに入射するイオン密度とを各々独立に制御できる。
そして、プラズマ密度を１０¹¹〜１０¹²／ｃｍ³ の範
囲、プロセス圧力を１．０×１０^-2〜１．０Ｐａの範囲
で各々独立に制御することにより、被エッチング材料表
面で、ＲＩＥ法の場合より高い入射イオン束と被エッチ
ング材に対して垂直な入射イオンの入射方向性が得ら
れ、高精度の微細加工が可能となる。さらには、入射粒
子は高い運動エネルギーを持つため、従来のＲＩＥ法よ
りも低い基板温度でのエッチングが可能となる。これに
対し、従来のＲＩＥ法及びマグネトロンＲＩＥ法による
ドライエッチング装置の場合は、被エッチング材料の載
置部にだけ高周波電力を印加する構成をもち、プラズマ
密度とプロセス圧力の制御範囲は、それぞれ１０¹⁰〜１
０¹¹／ｃｍ³ １．０〜３０Ｐａ程度であり、プラズマ密
度と入射イオンエネルギーは独立には制御できない。Ｃ
ｕ配線の実現は、配線微細化の要請上必要とされるもの
で、このような高密度プラズマエッチング法をＣｕ配線
加工プロセスへ適用しようとすることは、技術的に自然
な帰結である。しかし、高密度プラズマエッチング法を
Ｃｕ配線加工に適用するためには、従来のＲＩＥ法を念
頭にした技術とは異なる技術が必要となる。本発明の目
的は、高密度プラズマエッチング法をＣｕ配線加工プロ
セスに有効に適用できる配線形成方法を提供し、さらに
は、Ｃｕ膜のパターニングを行いながら同時にＣｕ配線
の周囲に保護膜を形成する配線形成方法を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】高密度プラズマエッチン
グ法では、エッチングガスに塩素単体ガスを用いると、
塩素のイオン化が進みすぎるので、Ｃｕ膜に限らずエッ
チングマスクや下地材料まで、短時間のうちにエッチン
グしてしまい、加工制御性が得られない。また、加工制
御性を得る目的で塩素単体ガスの導入量を減らすと被処
理体表面内でのエッチング形態のバラつきが大きくな
る。一方、微細加工においては、エッチング処理室内に
おけるガスの滞在時間（ｔ）を小さくする必要がある。
つまり、エッチング過程に寄与した後の変性したエッチ
ングガス及びエッチング対象物から発生した蒸発物の速
やかな排出が必要である。ガスの滞在時間は、ｔ＝ＰＶ
／Ｑ（Ｐは処理室内の圧力、Ｖは処理室の容積、Ｑは導
入ガスの流量）と表される。処理室内の圧力が一定の場
合、導入ガスの流量を大きくする必要がある。このよう
な課題を解決するために、請求項１に記載の配線形成方
法では、エッチングガスとして、塩素ガスと不活性ガス
（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうちの１種又は複数
種）との混合ガスを用いる。このような混合ガスを用い
た場合、不活性ガスの希釈作用及びガス滞在時間の短縮
作用により、高い微細加工制御性が得られ、Ｃｕ膜の高
精度微細パターニングが可能となる。また、請求項２に
記載の発明では、請求項１に記載の配線形成方法におい
て、前記混合ガス中における不活性ガス原子の数を塩素
原子の数の１０〜３０００％になるようにした。このよ
うにすると、より高い微細加工制御性が得られ、より高
精度にＣｕ膜の微細パターニングを行うことができる。

【０００８】また、請求項３に記載の発明では、請求項
１又は２に記載の配線形成方法において、前記混合ガス
に窒素系ガス（Ｎ₂ 、ＮＨ₃ のうちいずれか又は両方）
を添加した窒素系ガス添加混合ガスを用いるようにし
た。このような窒素系ガス添加混合ガスを用いてドライ
エッチングを行うと、エッチングにより形成されたＣｕ
配線の側壁に窒化銅膜が形成され、より異方性良く低い
基板温度でＣｕ膜のパターニングが可能となる。また、
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の配線形成
方法において、前記窒素系ガス添加混合ガス中における
窒素系ガスの窒素原子の数を塩素原子の数の０．０１％
〜１００％とした。前記窒素系ガス添加混合ガス中にお
ける窒素原子の数が塩素原子の数よりも多いと、エッチ
ング速度が大きくなり過ぎ、また、Ｃｕの窒化膜の厚さ
が厚くなり過ぎ、Ｃｕ配線断面の広い領域が窒化膜にな
ってしまう。これに対し、窒素原子の数が塩素原子の数
に対して０．０１％〜１００％でであれば、制御性の良
いエッチングが可能となり、且つ適度な膜厚の窒化銅か
らなる側壁保護膜が形成されるのでエッチングの異方性
がより向上する。また、請求項５に記載の発明では、請
求項３又は４に記載の配線形成方法において、前記Ｃｕ
配線を形成した後、Ｃｕ配線の側壁にＳｉＯ₂ 系膜又は
ＳｉＯＮ系膜を形成するようにした。この場合、ＳｉＯ
₂ 系膜及びＳｉＯＮ系膜の膜厚の下限は１．０ｎｍ程度
とするが、上限は限定せず層間絶縁膜の一部又は全部を
構成するよう形成してもよい。これらＳｉＯ₂ 系膜、Ｓ
ｉＯＮ系膜は、フッ素を添加した膜、水素を添加した膜
等も含むものとする。

【０００９】上記のようにすれば、請求項３、４の方法
でエッチング加工しＣｕ配線パターンを作成した場合、
既にＣｕ配線の側壁に窒化銅からなる側壁保護膜が形成
されているので、層間絶縁膜を形成する場合に予め特別
な側壁保護膜の形成を行わなくとも、従来のプラズマＣ
ＶＤ法等を使用して、Ｃｕ配線部を酸化させることなく
良質のＳｉＯ₂ 系、ＳｉＯＮ系の層間絶縁膜膜を形成す
ることが可能となる。さらに、ＳｉＯ₂ 系膜、ＳｉＯＮ
系膜の形成過程及びその後の熱処理過程において、窒化
銅からなる保護膜から発生した窒素がＳｉＯ₂ 系膜を窒
化するので、ＳｉＯＮ系膜がよりＮ含有率の高いＳｉＯ
Ｎ系膜となる。したがって、煩雑な処理を行うことなく
ＳｉＯＮ系の保護膜を形成できる。また、請求項６に記
載の発明では、請求項５に記載の配線形成方法におい
て、前記Ｃｕ配線の側壁にＳｉＯ₂ 系膜又はＳｉＯＮ系
膜からなる保護膜を形成した後、アンモニアプラズマ処
理又は窒素プラズマ処理を行う。上記のようにすれば、
Ｃｕ配線の側壁に形成されたＳｉＯ₂ 系膜は一部窒化し
ＳｉＯＮ膜となり、ＳｉＯＮ系膜はよりＮ含有率の高い
ＳｉＯＮ系膜となる。ＳｉＯＮ系膜は、Ｎ含有率の高い
ほどより高い拡散酸化防止機能を持つので、複雑なガス
系、煩雑な工程、特別な条件を用いず、簡便な方法で良
質の側壁保護膜が得られる。

【００１０】また、請求項７に記載の発明では、請求項
３又は４に記載の配線形成方法において、前記混合ガス
に金属ハロゲン化ガスを添加しドライエッチング処理を
行うようにした。上記のようにすれば、窒素系ガスプラ
ズマ解離種と金属ハロゲン化ガス解離種とが結合しエッ
チング加工部の側壁に金属窒化膜が形成されるため、エ
ッチング異方性を向上させることができると同時に、Ｃ
ｕ配線の側壁に金属窒化膜からなる保護膜が形成され
る。また、請求項８に記載の発明では、請求項７に記載
の配線形成方法において、前記金属ハロゲン化ガスを、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏのハロゲン化物のう
ちの１種又は複数種からなるガスとした。上記のように
すれば、エッチング加工部の側壁にＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、
Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ等の窒化物膜が形成されるため、
エッチング異方性を向上させることができると同時に、
Ｃｕ配線の側壁に金属窒化膜からなる保護膜が形成され
る。なお、上記ハロゲン化物には、例えば、ＴｉＣｌ
₄ 、ＺｒＣｌ₄ 、ＮｂＣｌ₄、ＷＣｌ₆ 、ＷＦ₆ 、Ｔａ
Ｃｌ₅ ＴａＦ₅ 、ＭｏＣｌ₅ 、ＭｏＦ₆ などがある。ま
た、請求項９に記載の発明では請求項３又は４に記載の
配線形成方法において、前記窒素系ガス添加混合ガスに
ＳｉＣｌ₄ とＣＣｌ₄ の一方又は両方を添加することに
より、前記窒素系ガス添加混合ガス中におけるＳｉ原子
とＣ原子の合計数が窒素原子の数より小さくなるように
した。上記のようにすれば、エッチング加工側壁に非晶
質ＳｉＮ膜、非晶質ＳｉＯＮ膜、非晶質Ｃ膜、非晶質Ｓ
ｉＣＮ膜のいずれかが形成される。これらの非晶質膜
が、エッチング異方性を向上させると共に、Ｃｕ配線の
側壁保護膜として機能する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る配線形
成方法に共通する一連の加工工程を示した工程説明図で
ある。まず、図１（ａ）に示すように、半導体素子が形
成されたＳｉウェハ１上に、ＳｉＯ₂ 膜（層間絶縁膜
膜）２を形成してなる下地基板３を用意し、この下地基
板３上にスパッタリング法等により厚さ５０ｎｍ程度の
拡散酸化防止膜４、厚さ５００ｎｍ程度のＣｕ配線主材
膜（Ｃｕ膜）５、及び厚さ５０ｎｍ程度の拡散酸化防止
膜６を順次積層形成し多層膜基板７を作成する。下層の
拡散酸化防止膜４は、Ｃｕ配線主材膜５中のＣｕ原子が
ＳｉＯ₂ 膜及びＳｉウエハ１内へ拡散するのを防止する
ために設けられ、上層の拡散酸化防止膜６はＣｕ配線主
材膜５の酸化を防ぐために設けられる。その材料には、
Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏなどの金属、或いは
それらの窒化物や酸化物が用いられる。次に、図１
（ｂ）に示すように、多層膜基板７上に、ＣＶＤ法及び
スパッタリング法等によりＳｉＯ₂ 膜、ＳｉＯＮ膜、Ｓ
ｉＮ膜、ＴｉＮ膜などの無機マスク膜８又は塗布法によ
り有機レジスト膜を形成する。無機マスク膜８を形成し
た場合は、さらに有機レジスト膜を塗布し、露光、現像
してレジストパターンを形成する。そして、ドライエッ
チング法等によりレジストパターンを介して無機マスク
膜８を配線形状にパターニングすることにより、図１
（ｃ）に示すように、配線パターンマスク９を形成す
る。また、有機レジスト膜を使用した場合は、露光、現
像してレジストパターンを形成し、無機又は有機の配線
パターンマスクを形成する。その後、配線パターンマス
ク９が形成された多層膜基板７を高密度プラズマエッチ
ング装置に搬入し、少なくともエッチング工程の一部で
本発明の方法を使用して、図１（ｄ）に示すように、Ｃ
ｕ配線主材膜５及びその上下の拡散酸化防止膜５、６を
配線形状にエッチング加工することにより、Ｃｕ配線１
０を作製する。上記高密度プラズマエッチング装置に
よるエッチング方式の主なものとして、ＥＣＲエッチン
グ法、ＩＣＰエッチング法、Helicon エッチング法、Ｔ
ＣＰエッチング法、ＵＨＦプラズマ法、ＳＷＰエッチン
グ法などがあげられるが、これらの方式に限定するもの
ではない。

【００１２】次に、各請求項に対応する実施の形態につ
いて説明する。 [ 請求項１及び２に対応する実施の形態]図２（ａ）〜
（ｃ）は請求項１及び２に対応する実施の形態を示す一
連の工程説明図である。まず、半導体素子が形成された
Ｓｉウェハ１上にＳｉＯ₂ 膜２を形成した下地基板３を
用意し、この下地基板３上に、ＤＣスパッタリング法に
より順次厚さ５０ｎｍの拡散酸化防止ＴｉＮ膜１１、厚
さ５００ｎｍのＣｕ配線主材膜５、厚さ５０ｎｍの拡散
酸化防止ＴｉＮ膜１２を形成し、多層膜基板１３を作成
する（図２（ａ））。次に、多層膜基板１３上に４００
ｎｍの厚さのＴＥＯＳ膜（無機マスク膜）を形成し、そ
の上にさらに有機レジスト膜を塗布し、露光、現像して
レジストパターンを形成する。そして、ＣＦ₄ ガスを導
入したＲＩＥドライエッチング法によりレジストパター
ンをマスクにしてＴＥＯＳ膜を配線形状に加工し、ＴＥ
ＯＳマスク（配線パターンマスク）１４を形成する（図
２（ｂ））。その後、ＴＥＯＳマスク１４が形成された
多層膜基板１３を、図３に示すＩＣＰエッチング装置３
０に搬入する。

【００１３】この装置は、エッチング処理室３１とロー
ド／アンロード室３２とを備え、両室３１、３２は、ウ
ェハ搬送搬出時以外はゲートバルブ３３で仕切られてい
る。エッチング処理室３の天井部にはアルミナ窓３４が
設けられており、その窓３４の大気側面に接するように
して最大外径２００mmの渦巻状（５ターン）のプラズマ
発生手段としての銅製平面コイル（以下、ＩＣＰコイル
という）３５が設けられている。このＩＣＰコイル３５
には、１３．５６MHz の高周波電力を印加できる。ま
た、アルミナ窓３４の下方にはアルミナ窓３４面と平行
にウェハステージ３６が設けられている。このウェハス
テージ３６は、１３．５６MHz の高周波電力を印加で
き、ヒータ３７により加熱できるようになっている。ロ
ード／アンロード室３２内にはウエハ搬送アーム３８が
設けられており、多層膜基板（図３中ではウエハと記
す）１３は、ウエハ搬送アーム３８によって把持されて
エッチング処理室３１内に搬送され、ウェハステージ３
６上に載置される。

【００１４】処理の際、ウェハステージ３６の温度は１
５０℃に保持しておく。そして、ウェハ１３をウェハス
テージ３６上に載置してから１５分後に、エッチング処
理室１へ塩素（Ｃｌ₂ ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスと
を混合したエッチングガスＧを全流量３５ｓｃｃｍで導
入し、エッチング処理室１内の圧力を４．０×１０^-1Ｐ
ａにする。同時に、ＩＣＰコイル３５とウェハステージ
３６に、それぞれ６００Ｗと１００Ｗの高周波電力を印
加し、上下からプラズマを励起しエッチングを開始す
る。塩素及びアルゴンの流量比を変化させた場合の、ウ
エハ１３すなわちＴＥＯＳマスク１４付多層膜基板のＣ
ｕ配線主材膜５及びその上下の拡散酸化防止膜５、６か
らなる部分のエッチング速度の変化の様子を図４に示
す。Ｃｌ₂ の割合が大きいとエッチング速度は、１５０
０ｎｍ／ｍｉｎ程度になり、エッチングの制御性が得ら
れないことがわかる。エッチングの制御性を得るため、
エッチングガスＧは、エッチング処理室１内における塩
素原子の数に対する不活性ガス原子の比が、１０〜３０
００％であることが必要である。請求項１に記載の混合
ガスを用いた例として、塩素原子を１０ｓｃｃｍ、アル
ゴン（Ａｒ）を２５ｓｃｃｍの流量でエッチング処理室
１内に導入して処理を行ったところ、Ｃｕ配線主材膜５
及びその上下の拡散酸化防止膜５、６からなる部分のエ
ッチング速度は、約１９０ｎｍ／ｍｉｎであった。そし
て、制御性良く配線形状にエッチング加工することがで
きた（図２（ｃ））。

【００１５】[ 請求項３及び４に対応する実施の形態]
図２（ｂ）と同様に、ＴＥＯＳマスク１４を有する多層
膜基板１３（ＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮ／／ＳｉＯ₂ ／Ｓ
ｉ）を作成し、それを図３のＩＣＰエッチング装置３０
に搬入する。ＩＣＰエッチング装置３０のエッチング処
理室１に導入するエッチングガスＧの成分以外は、上記
請求項１及び２に対応する実施の形態と同様の条件とし
エッチング処理を行う。つまりウェハステージ温度は１
５０℃に保持し、エッチング処理室１内の圧力は４．０
×１０^-1Ｐａにし、ＩＣＰコイル３５とウェハステージ
３６に、それぞれ６００Ｗと１００Ｗの高周波電力を印
加する。そして、塩素（Ｃｌ₂ ）ガスの流量を１０ｓｃ
ｃｍ、アルゴン（Ａｒ）ガス及び窒素（Ｎ₂ ）ガスの全
流量３５ｓｃｃｍとした窒素系ガス添加混合ガスをエッ
チングガスＧとしてエッチング処理室１に導入する。塩
素（Ｃｌ₂ ）ガスを１０ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ₂ ）ガスを
２５ｓｃｃｍで導入し、アルゴン（Ａｒ）ガスを導入し
ない場合は、ＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮ膜のエッチング速度
は、７００ｎｍ／ｍｉｎと大き過ぎる値を示す。塩素
（Ｃｌ₂ ）ガスを１０ｓｃｃｍ、アルゴン（Ａｒ）ガス
を２１ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ₂ ）ガスを４ｓｃｃｍで導入
した場合の、エッチング速度は５００ｎｍ／ｍｉｎと適
度である。請求項１の混合ガスを用いた効果がここでも
見られ、アルゴン（Ａｒ）の存在により、制御性の良い
エッチング速度が得られることがわかる。塩素（Ｃｌ
₂ ）ガスを１０ｓｃｃｍ、アルゴン（Ａｒ）ガスを２１
ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ₂ ）ガスを４ｓｃｃｍで導入し１５
秒間エッチングした後の、ＴｉＮ／Ｃｕ／ＴｉＮ膜部の
Ｘ線回折パターンを図５に示す。このＸ線回折パターン
よりＣｕ3 Ｎの存在を示すピークが確認でき、Ｃｕ膜５
の表面が窒化しながら、エッチングが進行していること
が判る。また、本発明者は、別の実験においても、塩素
（Ｃｌ₂ ）が存在している窒素（Ｎ₂ ）ガスのプラズマ
は、Ｃｕ膜表面に黒緑色の窒化層を形成する作用がある
ことを確認した。請求項３、４、５の発明は、このよう
な知見に基づくものである。塩素（Ｃｌ₂ ）ガスを１０
ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ₂ ）ガスを１０ｓｃｃｍ以下（より
適切には５ｓｃｃｍ以下）にした窒素系ガス添加混合ガ
スを使用すれば、良好な異方性エッチングができる。そ
の理由は、図６に示すように、エッチングされたＣｕ膜
１０の側壁にＣｕの窒化層４１ができて、活性な塩素解
離種がＣｕ膜１０の側壁への到達するのを防ぐためと考
えられる。塩素（Ｃｌ₂ ）ガスを１０ｓｃｃｍで、窒素
（Ｎ₂ ）ガスを１０ｓｃｃｍ以上にした窒素系ガス添加
混合ガスでは、エッチング速度が大きすぎ、また、Ｃｕ
膜１０の側壁に厚いＣｕの窒化層ができ配線断面のＣｕ
部の領域が小さくなり実質的に配線抵抗を大きくしてし
まう。

【００１６】[ 請求項５及び６に対応する実施の形態]
図２（ｂ）と同様に、ＴＥＯＳマスク１４を有する多層
膜基板１３を作成し、それを図３のＩＣＰエッチング装
置３０に搬入する。導入するエッチングガスＧの成分以
外は、請求項１及び２に対応する実施の形態と同様の条
件とし、同様の工程でエッチング処理を行う。エッチン
グガスＧの構成ガス種は請求項３及び４に対応する実施
の形態と同様である。この実施の形態では、塩素（Ｃｌ
₂ ）１０ｓｃｃｍ、アルゴン（Ａｒ）２３ｓｃｃｍ及び
窒素（Ｎ₂ ）２ｓｃｃｍからなる窒素系ガス添加混合ガ
スをエッチングガスＧとして導入しつつ、エッチング処
理を行って、配線パターンを形成した基板を作成する。
この基板を、プラズマ−ＣＶＤ装置にセットし、ケイ酸
エチル（Ｓｉ( ＯＣ₂Ｈ₅ )₄) を５００ｓｃｃｍ、酸素
（Ｏ₂ ）を８００ｓｃｃｍで導入し、圧力６６５Ｐａ、
１３．５６MHz の高周波電力４００Ｗ、基板温度３００
℃でプラズマＴＥＯＳ膜４２を１００ｎｍの膜厚で形成
する（図７）。通常このような、酸化性条件では、銅は
酸化してしまう場合が多いが、図６のＣｕ配線パターン
形成時にＣｕ膜１０のエッチング部側壁に形成された窒
化銅層４１が酸化防止層として働き、Ｃｕ配線主材部は
酸化しない。上記の工程の後、以下の熱処理工程を行う
場合もある。基板をセットしたまま、ＣＶＤ室をターボ
分子ポンプで、１．０×１０^-4Ｐａまで排気した後、ア
ルゴン（Ａｒ）を導入し、圧力１．３×１０³ Ｐａ、基
板温度４５０℃で２０分の熱処理工程を行う。窒化銅
は、４００℃台で窒素を放出し、単体の銅になる性質が
ある。このため、プラズマＴＥＯＳ膜４２形成時及びこ
の熱処理工程により図６のＣｕ配線パターン形成時にＣ
ｕ膜１０のエッチング部側壁に形成された窒化銅層１０
は、窒素原子を放出し、その一部はプラズマＴＥＯＳ膜
４２を窒化しＳｉＯＮ層を形成し拡散酸化防止バリア層
となる。

【００１７】次に、このプラズマＴＥＯＳ膜４２付基板
を常圧ＣＶＤ装置にセットし、ケイ酸エチル（Ｓｉ（Ｏ
Ｃ₂ Ｈ₅ )₄) を１．５Ｌ／ｍｉｎ、オゾン（Ｏ₃ ）を８
０ｇ／Ｎｍ³ 、酸素（Ｏ₂ ）を８．０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ₂
を２０Ｌ／ｍｉｎ導入し、基板温度４００℃で、オゾン
ＴＥＯＳ膜４３を８００ｎｍ成膜し層間絶縁膜を形成す
る（図７）。また場合により、上記プラズマＴＥＯＳ膜
４２を形成した工程の後、アンモニア又は窒素プラズマ
処理を行い、より拡散酸化防止効果が高まるＮ組成分の
大きいＳｉＯＮ層の形成を行う工程を実施してもよい。
アンモニアプラズマ処理条件の例として、プラズマＣＶ
Ｄ装置にプラズマＴＥＯＳ膜４２を形成した基板をセッ
トし、アンモニア（ＮＨ₃ ）を３０ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ
₂ ）を３００ｓｃｃｍ導入し、圧力６６５Ｐａ、１３．
５６MHz の高周波電力４００Ｗ、基板温度４００℃でプ
ラズマＴＥＯＳ膜４２を窒化しＳｉＯＮ層の形成を行
う。

【００１８】〔請求項７及び８に対応する実施の形態〕
図２（ｂ）と同様に、ＴＥＯＳマスク１４を有する多層
膜基板１３を作成し、それを図３のＩＣＰエッチング装
置３０に搬入する。導入するエッチングガスＧの成分以
外は、請求項１及び２に対応する実施の形態と同様の条
件とし、同様の工程でエッチング処理を行う。この実施
の形態では、塩素（Ｃｌ₂ ）１０ｓｃｃｍ、アルゴン
（Ａｒ）１５ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ₂ ）ガスを５ｓｃｃｍ
とした窒素系ガス添加混合ガスに、更に金属ハロゲン化
ガスとしてＷＦ6 ガスを５ｓｃｃｍ加えたエッチングガ
スＧを導入しつつ、エッチング処理を行って、配線パタ
ーンを形成した基板を作成する。その結果、図８に示す
ように、エッチングと同時にＣｕ膜１０のエッチング部
側壁に非晶質ＷＮ膜４４が形成され、エッチング異方性
が良好になる。また、非晶質ＷＮ膜４４はそのまま側壁
拡散酸化防止層として機能する。

【００１９】〔請求項９に対応する実施の形態〕図２
（ｂ）と同様に、ＴＥＯＳマスク１４を有する多層膜基
板１３を作成し、それを図３のＩＣＰエッチング装置３
０に搬入する。導入するエッチングガスＧの成分以外
は、請求項１及び２に対応する実施の形態と同様の条件
とし、同様の工程でエッチング処理を行う。この実施の
形態では、塩素（Ｃｌ₂ ）１０ｓｃｃｍ、アルゴン（Ａ
ｒ）１５ｓｃｃｍ、窒素（Ｎ₂ ）ガスを５ｓｃｃｍとし
た窒素系ガス添加混合ガスに、更にＳｉＣｌ₄ を５ｓｃ
ｃｍ加えたエッチングガスＧを導入しつつ、エッチング
処理を行って、配線パターンを形成した基板を作成す
る。その結果、図９に示すように、エッチングと同時に
Ｃｕ膜１０のエッチング部側壁に非晶質ＳｉＯＮ膜４５
が形成され、エッチング異方性が良好になる。また、非
晶質ＳｉＯＮ膜４５はそのまま側壁拡散酸化防止層とし
て機能する。なお、非晶質ＳｉＯＮ膜４５中の酸素原子
は、ＴＥＯＳマスク１４やエッチング室壁などから供給
されたものと推測できる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば以
下のような優れた効果を発揮できる。請求項１に記載の
配線形成方法では、エッチングガスとして、塩素ガスと
不活性ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうちの１
種又は複数種）との混合ガスを用いるようにしたので、
不活性ガスによる塩素ガスの希釈作用及びガス滞在時間
の短縮作用により、高い微細加工制御性が得られ、Ｃｕ
膜の高精度微細パターニングが可能となる。また、請求
項２に記載の発明では、請求項１に記載の配線形成方法
において、前記混合ガス中における不活性ガス原子の数
を塩素原子の数の１０〜３０００％になるようにしたこ
とにより、より高い微細加工制御性が得られ、より高精
度にＣｕ膜の微細パターニングを行うことができる。ま
た、請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載
の配線形成方法において、前記混合ガスに窒素系ガス
（Ｎ₂ 、ＮＨ₃ のうちいずれか又は両方）を添加した窒
素系ガス添加混合ガスを用いるようにしたことにより、
エッチングにより形成されたＣｕ配線の側壁に窒化銅膜
が形成され、より異方性良く低い基板温度でＣｕ膜のパ
ターニングが可能となる。また、請求項４に記載の発明
では、請求項３に記載の配線形成方法において、前記窒
素系ガス添加混合ガス中における窒素系ガスの窒素原子
の数を塩素原子の数の０．０１％〜１００％としたこと
により、制御性の良いエッチングが可能となり、且つ適
度な膜厚の窒化銅からなる側壁保護膜が形成されるので
エッチングの異方性がより向上する。また、請求項５に
記載の発明では、請求項３又は４に記載の配線形成方法
において、前記Ｃｕ配線を形成した後、Ｃｕ配線の側壁
にＳｉＯ₂ 系膜又はＳｉＯＮ系膜を形成するようにした
ことにより、層間絶縁膜を形成する場合に予め特別な側
壁保護膜の形成を行わなくとも、従来のプラズマＣＶＤ
法等を使用して、Ｃｕ配線部を酸化させることなく良質
のＳｉＯ₂ 系、ＳｉＯＮ系の層間絶縁膜膜を形成するこ
とが可能となる。さらに、ＳｉＯ₂ 系膜、ＳｉＯＮ系膜
の形成過程及びその後の熱処理過程において、窒化銅か
らなる保護膜から発生した窒素がＳｉＯ₂ 系膜を窒化す
るので、ＳｉＯＮ系膜がよりＮ含有率の高いＳｉＯＮ系
膜となる。したがって、煩雑な処理を行うことなくＳｉ
ＯＮ系の保護膜を形成できる。また、請求項６に記載の
発明では、請求項５に記載の配線形成方法において、前
記Ｃｕ配線の側壁にＳｉＯ₂ 系膜又はＳｉＯＮ系膜から
なる保護膜を形成した後、アンモニアプラズマ処理又は
窒素プラズマ処理を行うようにしたことにより、窒素系
ガスプラズマ解離種と金属ハロゲン化ガス解離種とが結
合しエッチング加工部の側壁に金属窒化膜が形成される
ため、エッチング異方性を向上させることができると同
時に、Ｃｕ配線の側壁に金属窒化膜からなる保護膜が形
成される。また、請求項８に記載の発明では、請求項７
に記載の配線形成方法において、前記金属ハロゲン化ガ
スを、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏのハロゲン化
物のうちの１種又は複数種からなるガスとしたことによ
り、エッチング加工部の側壁にＴｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｗ、
Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ等の窒化物膜が形成されるため、エッ
チング異方性を向上させることができると同時に、Ｃｕ
配線の側壁に金属窒化膜からなる保護膜が形成される。
また、請求項９に記載の発明では請求項３又は４に記載
の配線形成方法において、前記窒素系ガス添加混合ガス
にＳｉＣｌ₄ とＣＣｌ₄ の一方又は両方を添加するよう
にしたことにより、前記窒素系ガス添加混合ガス中にお
けるＳｉ原子とＣ原子の合計数が窒素原子の数より小さ
くなるようにして、エッチング加工側壁に非晶質ＳｉＮ
膜、非晶質ＳｉＯＮ膜、非晶質Ｃ膜、非晶質ＳｉＣＮ膜
のいずれを形成させることができる。これらの非晶質膜
は、エッチング異方性を向上させると共に、Ｃｕ配線の
側壁保護膜として機能する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明に係る配線形成方法に
共通する一連の加工工程を示した工程説明図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は請求項１及び２に対応する実
施の形態を示す一連の工程説明図である。

【図３】本発明に係る配線形成方法を実施する際に使用
する高密度プラズマエッチング装置の一例を示す装置構
成図である。

【図４】Ｃｌ₂ 及びＡｌの流量とエッチング速度との関
係を示した図である。

【図５】Ｃｕ配線形成部のエッチング処理後におけるＸ
線回折パターンを示す図である。

【図６】請求項３及び４に対応する実施の形態を示す工
程説明図である。

【図７】請求項５及び６に対応する実施の形態を示す工
程説明図である。

【図８】請求項７及び８に対応する実施の形態を示す工
程説明図である。

【図９】請求項９に対応する実施の形態を示す工程説明
図である。

【符号の説明】

１Ｓｉウェハ、２ＳｉＯ₂ 膜（層間絶縁膜膜）、３
下地基板、４拡散酸化防止膜、５Ｃｕ配線主材膜
（Ｃｕ膜）、６拡散酸化防止膜、７多層膜基板、８
無機マスク膜、９配線パターンマスク、１０Ｃｕ
配線、１１拡散酸化防止ＴｉＮ膜、１２拡散酸化防
止ＴｉＮ膜、１３多層膜基板、１４ＴＥＯＳマスク
（配線パターンマスク）、３０ＴＣＰエッチング装
置、３１エッチング処理室、３２ロード／アンロード
室、４１窒化銅層、４２プラズマＴＥＯＳ膜、４３
オゾンＴＥＯＳ膜、４４非晶質ＷＮ膜、４５非晶
質ＳｉＯＮ膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体集積回路の配線形成方法であっ
て、Ｃｕ膜上に配線パターン形状を有するエッチングマ
スクを形成した後、塩素ガスと不活性ガス（Ｈｅ、Ｎ
ｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅのうちの１種又は複数種）との混
合ガスを用いて高密度プラズマエッチング処理を行うこ
とにより所望のＣｕ配線を形成するようにしたことを特
徴とする配線形成方法。
【請求項２】前記混合ガス中における不活性ガス原子
の数が塩素原子の数の１０〜３０００％であることを特
徴とする請求項１に記載の配線形成方法。
【請求項３】前記混合ガスに窒素系ガス（Ｎ₂ 、ＮＨ
₃ のうちいずれか又は両方）を添加した窒素系ガス添加
混合ガスを用いることを特徴とする請求項１又は２に記
載の配線形成方法。
【請求項４】前記窒素系ガス添加混合ガス中における
窒素系ガスの窒素原子の数が塩素原子の数の０．０１％
〜１００％であることを特徴とする請求項３に記載の配
線形成方法。
【請求項５】前記Ｃｕ配線を形成した後、Ｃｕ配線の
側壁にＳｉＯ₂ 系膜又はＳｉＯＮ系膜を形成することを
特徴とする請求項３又は４に記載の配線形成方法。
【請求項６】前記Ｃｕ配線の側壁にＳｉＯ₂ 系膜又は
ＳｉＯＮ系膜を形成した後、アンモニアプラズマ処理又
は窒素プラズマ処理を行うことを特徴とする請求項５に
記載の配線形成方法。
【請求項７】前記混合ガスに金属ハロゲン化ガスを添
加したことを特徴とする請求項３又は４に記載の配線形
成方法。
【請求項８】前記金属ハロゲン化ガスは、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏのハロゲン化物のうちの１種
又は複数種からなることを特徴とする請求項７に記載の
配線形成方法。
【請求項９】前記窒素系ガス添加混合ガスにＳｉＣｌ
₄ とＣＣｌ₄ の一方又は両方を添加し、前記窒素系ガス
添加混合ガス中におけるＳｉ原子とＣ原子の合計数が、
窒素原子の数より小さくなるようにしたことを特徴とす
る請求項３又は４に記載の配線形成方法。