(57)【要約】【課題】反応生成物残り及びフォトレジスト残りの発生を抑制する半導体装置の製造方法を提供する。【課題】半導体基板２１上の配線層２５を、フォトレジスト２７をマスクとして塩素系ガスを用いてドライエッチングを行う工程と、フォトレジスト２７、パターン形成された配線層２５、及び反応生成物３１を有する半導体基板２１を、反応生成物３１の昇華温度及びフォトレジスト２７の硬化温度より低い約１００℃に設定して、Ｈラジカル及びＯＨラジカルを有する水蒸気プラズマに曝し、その後、第１のプラズマ雰囲気を維持しながら、半導体基板２１の温度を上昇させて、Ｏラジカルによるフォトレジスト２７のアッシング速度が急激に高くなる約１７０℃を境に、Ｏラジカルを有する酸素プラズマに切り替えて、その後、酸素プラズマ雰囲気を維持しながら、２５０℃を越えない温度まで上昇させて、反応生成物３１及びフォトレジスト２７除去を行う工程とを備える。【選択図】  図２
2008109050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された配線層を、フォトレジストをマスクとして塩素系ガスを用いてドライエッチングを行う工程と、
前記フォトレジスト、パターン形成された前記配線層、及び反応生成物を有する前記半導体基板を、前記反応生成物の昇華温度及び、前記フォトレジストの硬化温度より低い第１の温度に設定して、Ｈラジカル及びＯＨラジカルの少なくとも一方を有する第１のプラズマに曝し、その後、前記第１のプラズマ雰囲気を維持しながら、前記半導体基板の温度を上昇させて、Ｏラジカルによる前記フォトレジストのアッシング速度が急激に高くなる第２の温度を境に、少なくとも前記Ｏラジカルを有する第２のプラズマに切り替えて、その後、前記第２のプラズマ雰囲気を維持しながら、２５０℃を越えない温度まで上昇させて、前記反応生成物除去及び前記フォトレジスト除去を行う工程と、
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のプラズマは、水蒸気から形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２のプラズマは、酸素から形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の温度は、約１００℃であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の温度は、約１７０℃であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチング技術に係る半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の配線層は、ＡｌＣｕまたはＡｌＳｉＣｕ等の金属膜が多く用いられている。これらの配線層は、通常、半導体基板上に形成された絶縁膜等の上に形成された金属膜が、フォトレジストをマスクとして、ドライエッチングにより選択エッチングされて形成される。ドライエッチングは、例えば、塩素（Ｃｌ）系のハロゲンガスを用いて行われる。
【０００３】
ドライエッチングされた配線層は、周囲に、塩素系のガスを含んだ反応生成物、例えば、ＡｌＣｌ３、Ａｌ２Ｃｌ６等を有している。反応生成物は、大気に曝されると、大気中の水分と反応して塩酸（ＨＣｌ）になり、この塩酸が、配線のＡｌと反応して、また、ＡｌＣｌ３等を形成する。このコロージョンは、循環的に、際限なく進行して、配線層は損なわれていく。
【０００４】
そこで、コロージョンの発生しない配線層を形成するために、例えば、フォトレジストを有する配線層を塩素ガスを含むガスによりドライエッチングした後、２５０℃に達する後処理室内に窒素（Ｎ２）を供給し、その後、マイクロ波でラジカル化されたＨ２Ｏベーパ及びＯ２、Ｎ２ガスとともに、フッ素系ガスを加えてアッシングを行う方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
しかしながら、この開示された方法では、反応生成物を概略的に除去することが可能となるが、より長時間のコロージョン抑制には必ずしも十分ではなく、また、フォトレジストは、２５０℃に達する雰囲気に置かれ、最初からフォトレジストの硬化温度を越えた雰囲気に載置されるために、通常、フォトレジストの硬化が進み、フォトレジストはその後のアッシング工程で十分に除去できない、もしくは、除去するためには長い時間のアッシングが必要になるという問題を有している。
【特許文献１】特開２００５−１６６８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、反応生成物残り及びフォトレジスト残りの発生を抑制する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された配線層を、フォトレジストをマスクとして塩素系ガスを用いてドライエッチングを行う工程と、前記フォトレジスト、パターン形成された前記配線層、及び反応生成物を有する前記半導体基板を、前記反応生成物の昇華温度及び前記フォトレジストの硬化温度より低い第１の温度に設定して、Ｈラジカル及びＯＨラジカルの少なくとも一方を有する第１のプラズマに曝し、その後、前記第１のプラズマ雰囲気を維持しながら、前記半導体基板の温度を上昇させて、Ｏラジカルによる前記フォトレジストのアッシング速度が急激に高くなる第２の温度を境に、少なくとも前記Ｏラジカルを有する第２のプラズマに切り替えて、その後、前記第２のプラズマ雰囲気を維持しながら、２５０℃を越えない温度まで上昇させて、前記反応生成物除去及び前記フォトレジスト除去を行う工程とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、反応生成物残り及びフォトレジスト残りの発生を抑制する半導体装置の製造方法を提供すことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。
【実施例】
【００１０】
本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法を、図１乃至図４を参照しながら説明する。図１は半導体装置の製造に使用されるドライエッチング装置の模式的な平面図である。図２は半導体装置の製造方法を工程順に模式的に示す断面図である。図３は半導体装置の製造に使用される温度シークエンスを模式的に示す図である。図４は処理温度に対するアッシングレートの相対値を模式的に示す図である。
【００１１】
図１に示すように、ドライエッチング装置１は、マルチチャンバー方式を採用して、ドライエッチング用のエッチング室１１、アッシング用の後処理室１３、及び半導体基板冷却用の冷却室１５が、真空搬送室１７と半導体基板（図示略）が出し入れ可能なように、ゲートバルブを介して、周囲に配置された構成である。真空搬送室１７には、半導体基板をドライエッチング装置１に出し入れするためのロードロック室１８がゲートバルブを介して接続されている。また、真空搬送室１７の中央部には、半導体基板を上記各室１１、１３、１５、１８に搬入、搬出するための搬送用ロボット１９が配置されている。なお、図１では、エッチング室１１及び後処理室１３等は、ドライエッチング装置１に１つずつ配置されているが、時間のかかる工程を担う処理室は、１つ以上配置されることが可能である。
【００１２】
また、ドライエッチング装置１は、図示は省略されているが、上記各室１１、１３、１５、１７、１８に対して、必要なガスライン及び真空ポンプ等が接続されて、必要なガスを必要量供給すること、及び、ガスを供給しながら所望の真空度を保持すること等が可能である。エッチング室１１及び後処理室１３内の半導体基板を載置する支持台は、所望の温度に加熱することが可能な構成である。
【００１３】
エッチング室１１は、例えば、周知のＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）方式で高密度のプラズマを発生し、バイアスをかけて、発生させたプラズマを半導体基板上に引き込むことが可能な構成である。後処理室１３は、マイクロ波（例えば、２．４５ＧＨｚ）を導入して、流入されたガスをプラズマ化して、半導体基板上に導入することが可能な構成である。冷却室１５は、窒素（Ｎ２）が供給されて、ほとんど室温のダミーの半導体基板が配置されている。なお、後処理室１３の支持台は、冷却素子または冷却水を用いた冷却機構等を有していれば、冷却室１５は必ずしも必要ない。
【００１４】
次に、半導体装置の製造方法について説明する。図２（ａ）に示すように、素子領域（図示略）の形成された半導体基板２１上に、例えば、ＴＥＯＳ（Tetra-Ethoxysilane）膜等の絶縁膜２３、絶縁膜２３の上にバリアメタル層、Ａｌが主成分のＡｌＳｉＣｕ層、及び反射防止膜等で構成される厚さ約０．６μｍの配線層２５が形成され、配線層２５の上に、周知のリソグラフィ工程によりパターン化されたフォトレジスト膜２７が、厚さ約１．５μｍ形成されている。フォトレジスト膜２７を有する半導体基板２１は、例えば、カセット（図示略）に収納されて、ロードロック室１８に搬入され、真空状態にして、真空搬送室１７の搬送用ロボット１９により搬送されて、エッチング室１１の支持台に載置される。
【００１５】
図２（ｂ）に示すように、エッチング室１１に塩素系ガス、例えば、Ｃｌ２／ＢＣｌ２を導入し、高密度のＣｌ２／ＢＣｌ２プラズマによるドライエッチングを行い、露出している配線層２５がエッチング除去され、側壁等には反応生成物３１が付着する。反応生成物３１中には、塩素、配線層２５及びフォトレジスト膜２７由来の塩素系生成物等が残留している。なお、Ｃｌ２／ＢＣｌ２プラズマによるドライエッチングにより、絶縁膜２３の上面が若干エッチングされることがある。
【００１６】
ドライエッチングされた半導体基板２１は、真空搬送室１７の搬送用ロボット１９によりエッチング室１１から搬出されて、後処理室１３の約１００℃の支持台（図示略）に載置される。なお、連続してアッシング処理する場合、後処理室１３の支持台は約２５０℃に加熱される。そのため、冷却室１５のほぼ室温のダミーの半導体基板を接触させることにより、支持台を１００℃以下に冷却して、半導体基板２１を導入する時には、約１００℃に維持することが可能である。
【００１７】
ここで、後処理室１３における温度シークエンスを説明する。図３に示すように、後処理室１３の半導体基板２１は、約１００℃で水蒸気（Ｈ２Ｏ）を導入して、Ｈラジカル、ＯＨラジカル、及びＯラジカル等を有する第１のプラズマである水蒸気プラズマの雰囲気に１０秒間曝される。１０秒後、半導体基板２１は、水蒸気プラズマの雰囲気中で、約２℃／秒の昇温速度で加熱され、４５秒後、約１７０℃の時点で、水蒸気を止めて、代わりに、酸素を導入して、Ｏラジカルを有する第２のプラズマである酸素プラズマの雰囲気中で、８５秒後に約２５０℃まで加熱して、約２５０℃を２０秒間維持する。１０５秒後、酸素を止めて、支持台の加熱を止めて、代わりに窒素等を導入して、半導体基板２１は冷却される。
【００１８】
なお、後処理室１３内、半導体基板２１の温度が約１００〜１７０℃における処理条件は、例えば、水蒸気５００ｃｃ／分、圧力２７０Ｐａ、マイクロ波電力８００Ｗ、半導体基板２１の温度が約１７０〜２５０℃における処理条件は、例えば、酸素４０００ｃｃ／分及び窒素５００ｃｃ／分、圧力２７０Ｐａ、マイクロ波電力１４００Ｗである。
【００１９】
図２（ｃ）に示すように、雰囲気ガスを水蒸気から酸素に切り替える約１７０℃の時点で、反応生成物３１の除去が進んでいるが、フォトレジスト２７の除去は、反応生成物３１の除去に比較して、進みが遅い。その後、酸素プラズマ中で更に昇温することにより、フォトレジスト２７の除去が急速に進み、同時に、フォトレジスト２７由来の反応生成物３１の除去等が進む。
【００２０】
図４に示すように、Ｏラジカルを有する酸素プラズマの雰囲気中で、フォトレジスト２７が除去される速度（アッシングレート）は、１７０℃付近までは、比較的緩やかな増加を示し、１７０℃を越えると急激な増加となり、２１０℃〜２５０℃においては、高い値で緩やかな増加を示している。２５０℃を越えて、２７０℃以上では、フォトレジスト２７の炭化が速やかに進み、アッシングレートは減少することが知られている。約１７０℃という温度は、フォトレジスト２７の除去速度が急に速くなる付近の温度である。
【００２１】
図２（ｄ）に示すように、１０５秒後、酸素プラズマ中、約２５０℃での処理が終了すると、半導体基板２１は、降温される。そして、配線層２５の側壁等に付着した反応生成物３１及びフォトレジスト２７は、実質的に全て除去された状態になる。その結果、フォトレジスト２７のパターンが転写された配線層２５が得られる。
【００２２】
上述したように、後処理室１３の半導体基板２１は、反応生成物３１の一部をなす塩化物の昇華温度１４４℃より低く、フォトレジスト２７の硬化温度より低い約１００℃で処理が開始される。後処理室１３は、水蒸気が導入されて、Ｈラジカル、ＯＨラジカル、及びＯラジカル等を有する水蒸気プラズマの雰囲気が形成される。
【００２３】
水蒸気プラズマは、塩素系のガスを含んだ反応生成物３１との反応性が高く、約１００℃からの昇温に伴い除去効果が大きくなる。反応生成物３１を構成するＡｌＣｌ３、Ａｌ２Ｃｌ６等は、例えば、水蒸気プラズマのＨラジカルと反応して、ＡｌとＨＣｌを生成し、一方、水蒸気プラズマのＯＨラジカルと反応して、Ａｌ（ＯＨ）３とＨＣｌを生成する。生成したＨＣｌは、真空引により、ほとんど配線層２５に戻ることなく、後処理室１３から排除される。また、１４４℃を越えると、反応生成物３１の一部をなす塩化物は昇華を始めるので、除去効果が更に大きくなる。
【００２４】
約１００℃は比較的低温のため、除去速度は遅いものの、フォトレジスト２７の除去が始まる。その後、約１７０℃までの昇温で、水蒸気プラズマは、硬化前のフォトレジスト２７、または、表面等が変質中のフォトレジスト２７と反応して、フォトレジスト２７の除去が加速されて行く。
【００２５】
後処理室１３での処理開始から４５秒後、半導体基板２１が約１７０℃に達した時点で、酸素プラズマに切り替えられる。約１７０℃を越えると、約２５０℃までフォトレジスト２７の除去速度は一層速くなる。フォトレジスト２７の除去速度が速い酸素プラズマは、硬化が進んでフォトレジスト２７との反応が起こりにくくなる前に、反応して除去を進めることになる。一方、この間、反応生成物３１は、昇華及び酸化反応等により気化が進み、真空引により、後処理室１３から排除される。その結果、配線層２５上のフォトレジスト２７、並びに、配線層２５の周囲及び絶縁膜２３の上面のコロージョンの原因となる反応生成物３１等は、実質的に全て除去される。
【００２６】
後処理室１３の処理開始温度を約１００℃とすることは、反応生成物３１が昇華を始める前に、反応生成物３１の表面変質層等を除去して、その後の昇華をより効率的、均一的に実施するために効果があることを発明者等は見出している。特に、大口径の半導体基板２１の面内全体にわたって、反応生成物３１の除去残しを発生させないために、後処理室１３の処理開始温度が約１００℃であることは好ましい。
【００２７】
なお、後処理室１３の処理開始温度を約１００℃より低温とすることは、昇温時間が余分に必要なので、処理時間がより長くかかることになり、効率的ではない。例えば、処理開始温度を室温とすると、室温から約１００℃までは、水蒸気プラズマは、フォトレジスト２７及び反応生成物３１を除去するという効果を有しているものの、反応速度が小さく、その後の、処理時間をほとんど短縮することにはならない。また、半導体基板２１の連続処理を行う場合、例えば、処理後には、約２５０℃から室温に降温する必要が生じ、約１００℃までの降温に比較して余分な時間が必要となる。
【００２８】
また、２５０℃を越えて、約２７０℃以上になると、フォトレジスト２７の炭化が速やかに進み、アッシングが起こりにくくなる。また、２５０℃を越えなければ、Ａｌの変質等も起こりにくい。従って、酸素プラズマ中のアッシングは、２５０℃を限度として、実行することが好ましい。
【００２９】
上記の半導体装置の製造方法により形成された配線層２５を有する半導体基板２１を、顕微鏡観察したところ、配線層２５の上面にフォトレジスト２７の残りを見出すことはできなかった。また、この半導体基板２１を、大気中に４８時間放置して、配線層２５の側面や上面等を観察したが、コロージョンの発生を見出すことはできなかった。その結果、本実施例の配線層２５を有する半導体基板２１は、コロージョンの原因となる反応生成物３１が実質的に全て除去され、同時に、フォトレジスト２７が配線層２５の上面等から実質的に全て除去されている。
【００３０】
その結果、上記の半導体装置の製造方法により形成されたＬＳＩ等の半導体装置は、歩留が高くしかも安定しており、信頼性の高い製品となる。
【００３１】
また、ドライエッチング装置は、マルチチャンバー方式を採用して、ドライエッチング用のエッチング室１１とアッシング用の後処理室１３とは、別々に配置され、互いに独立して、それぞれの処理を行うことが可能である。従って、一方の処理時間に必ずしも限定されずに効率よく処理を行うことが可能である。また、冷却室１５を配置して、ダミーの半導体基板を室温に保持することにより、後処理室１３の支持台の冷却を容易に行うことが可能となり、半導体基板２１の処理速度を向上させることが可能である。
【００３２】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
【００３３】
例えば、実施例では、ガス種として、最初に水蒸気、次に酸素を導入して、プラズマ化してフォトレジスト２７及び反応生成物３１を除去する方法について説明したが、これらのガス種に限定する必要はなく、水蒸気及び酸素をそれぞれ主成分として、他のガス種を追加することによっても、同様な効果を得ることが可能である。例えば、約１００〜１７０℃で、水蒸気を主成分として、酸素を副成分とすることが可能である。また、１７０〜２５０℃で、酸素を主成分として、水蒸気を副成分とすることが可能である。また、１７０〜２５０℃で、酸素を主成分として、窒素及び水蒸気を副成分とすることが可能である。また、１７０〜２５０℃で、前述のそれぞれの場合に、フッ素系ガスを副成分として追加することが可能である。
【００３４】
また、実施例では、水蒸気を導入して、Ｈラジカル、ＯＨラジカル、及びＯラジカルを発生させて、フォトレジスト２７及び反応生成物３１を除去する方法について説明したが、Ｈラジカル、ＯＨラジカル、及びＯラジカル等を発生させることが可能であれば、他の材料等であっても差し支えない。
【００３５】
本発明は、以下の付記に記載されるような構成が考えられる。  
（付記１）  半導体基板上に形成された配線層を、フォトレジストをマスクとして塩素系ガスを用いてドライエッチングを行う工程と、前記フォトレジスト、パターン形成された前記配線層、及び反応生成物を有する前記半導体基板を、前記反応生成物の昇華温度及び前記フォトレジストの硬化温度より低い第１の温度に設定して、Ｈラジカル及びＯＨラジカルの少なくとも一方を有する第１のプラズマに曝し、その後、前記第１のプラズマ雰囲気を維持しながら、前記半導体基板の温度を上昇させて、Ｏラジカルによる前記フォトレジストのアッシング速度が急激に高くなる第２の温度を境に、少なくとも前記Ｏラジカルを有する第２のプラズマに切り替えて、その後、前記第２のプラズマ雰囲気を維持しながら、２５０℃を越えない温度まで上昇させて、前記反応生成物除去及び前記フォトレジスト除去を行う工程とを備えている半導体装置の製造方法。
【００３６】
（付記２）  前記ドライエッチングを行う工程と前記反応生成物除去及び前記フォトレジスト除去を行う工程は、別々の処理室で行われ、前記処理室間の前記半導体基板の受け渡しは、真空を維持した状態で行われる付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【００３７】
（付記３）  前記半導体基板の冷却は、窒素ガスが導入された冷却室で行う付記１に記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例に係る半導体装置の製造に使用されるドライエッチング装置の模式的な平面図。
【図２】本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法を工程順に模式的に示す断面図。
【図３】本発明の実施例に係る半導体装置の製造に使用される温度シークエンスを模式的に示す図。
【図４】本発明の実施例に係る処理温度に対するアッシングレートの相対値を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１  ドライエッチング装置
１１  エッチング室
１３  後処理室
１５  冷却室
１７  真空搬送室
１８  ロードロック室
１９  搬送用ロボット
２１  半導体基板
２３  絶縁膜
２５  配線層
２７  フォトレジスト
３１  反応生成物
【図１】
2008109050.tif 000003
【図２】
2008109050.tif 000004
【図３】
2008109050.tif 000005
【図４】
2008109050.tif 000006