(57)【要約】【課題】銅含有アルミニウムの配線エッチングを行なう場合、ドライエッチング装置を塩素ガスでドライクリーニングしてもＣｕ系堆積物が残留し、これが剥落して被エッチング基板に異物として付着し、配線間ショート不良を引き起こすので、これを防止する。【解決手段】銅含有堆積物１０が生じた反応室１内に三塩化アルミニウムガスを導入し、そのプラズマを発生させて、銅含有堆積物１０を除去する。三塩化アルミニウムのプラズマは銅の気化を促進するので、銅含有堆積物１０をほぼ完全に除去することができ、その後に反応室１内に設置される半導体基板への異物としての付着を防止できる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライエッチングにより銅含有堆積物が生じた反応室内をプラズマクリーニングする際に、
前記反応室内に三塩化アルミニウムガスを導入しそのプラズマを発生させて、前記銅含有堆積物を除去するプラズマクリーニング方法。
【請求項２】
ドライエッチングにより銅含有堆積物が生じた反応室内をプラズマクリーニングする際に、
前記反応室内に、銅を含まないアルミニウム合金あるいは純アルミニウムからなるアルミニウム膜が表面に形成された基板を設置し、この反応室内に塩素ガスを導入しそのプラズマを発生させるとともに、それにより前記アルミニウム膜をエッチングし三塩化アルミニウムのプラズマを発生させて、前記銅含有堆積物を除去するプラズマクリーニング方法。
【請求項３】
塩素ガスのプラズマを発生させる際に基板に高周波バイアスを印加する請求項２記載のプラズマクリーニング方法。
【請求項４】
ドライエッチングを用いる半導体装置の製造方法であって、
銅含有アルミニウム膜が表面に形成された半導体基板を反応室に設置し、前記銅含有アルミニウム膜を選択的にドライエッチングしてパターンを形成し、パターン形成された半導体基板を反応室から取り出すドライエッチング工程と、
前記半導体基板が取り出された反応室内に三塩化アルミニウムガスを導入しそのプラズマを発生させて、前記ドライエッチングによって反応室内に付着堆積した銅含有堆積物を除去するクリーニング工程と
を行なう半導体装置の製造方法。
【請求項５】
ドライエッチングを用いる半導体装置の製造方法であって、
銅含有アルミニウム膜が表面に形成された半導体基板を反応室に設置し、前記銅含有アルミニウム膜を選択的にドライエッチングしてパターンを形成し、パターン形成された半導体基板を反応室から取り出すドライエッチング工程と、
前記パターン形成された半導体基板が取り出された反応室内に、銅を含まないアルミニウム合金あるいは純アルミニウムからなるアルミニウム膜が表面に形成された基板を設置し、この反応室内に塩素ガスを導入しそのプラズマを発生させるとともに、それにより前記アルミニウム膜をエッチングし三塩化アルミニウムのプラズマを発生させて、前記銅含有堆積物を除去するクリーニング工程と
を行なう半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反応室内をクリーニングし半導体装置を製造するプラズマクリーニング方法および半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路を構成する素子に、パターン寸法の微細化に有利なＭＯＳ電界効果トランジスタを採用することが主流となっている。一方、メタル配線構造材は従来のアルミニウムやアルミニウム合金から銅へ移行しつつあるが、従来のアルミニウム多層配線を使用する半導体装置においても、さらなる微細化の要求が高まってきており、それに伴い配線のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）特性、ストレスマイグレーション（ＳＭ）特性、また配線抵抗スペックもさらに厳しくなってきている。
【０００３】
微細アルミニウム配線のパターン形成は、例えば特開平１１−９７４２８号公報等に記載されているように、レジストマスクを用いてアルミニウム膜をドライエッチングすることで行なわれてきた。ドライエッチングに対するマスク耐性を向上させ、さらなる微細化に対応するために、レジストマスクに代えて絶縁膜をマスクとして銅含有アルミニウム膜のドライエッチングを行なう場合もあり、高精度にパターン形成することはますます重要な技術となってきている。こうしたなかで、ドライエッチング中にドライエッチング装置内に付着堆積するエッチング反応物である異物を低減させることが重要になってきた。この異物が微細アルミニウム配線パターン間に付着すると、配線間がショートすることになり、多層配線半導体デバイスの歩留まりが低下してしまうからである。
【０００４】
異物を防止するための従来の方法としては、反応室を大気開放し、エッチング薬液によるクリーニング（ウエットクリーニング）を行なう方法が主流であった。図３にウエットクリーニングの前後の反応室内を示す。反応室１にはドライエッチング用プラズマを発生する下部電極２のみを示している。銅含有アルミニウム膜＋Ｔｉ系バリヤ層のドライエッチング工程を行なうことにより、反応室１の壁面などに堆積物１０が生じるが、ウエットクリーニングによってほぼ完全に除去することができる。
【０００５】
しかしこの方法では、ウエットクリーニングを実施してから次のウエットクリーニングまでの間は、堆積物１０が多い状態でドライエッチングを行なう事になり、堆積物１０が剥落、飛来し、配線間に異物として付着する不良が多く発生するという問題があった。そこで最近は、１枚の半導体基板のエッチングを終了する毎に、次のエッチング対象の半導体基板を搬入することなく、Ｃｌ２ガスにより反応室１をプラズマクリーニングする方法が取り入れられている。
【０００６】
図４は誘導結合型（ＩＣＰ）エッチング装置を示す。図中、１はアルマイト処理が施された反応室、２は反応室１内に設置されたセラミック材などからなる下部電極、３は下部電極２に高周波電圧を印加する高周波電源、４は反応室１の真空排気口、５は上部アルマイト窓、６は誘導結合コイル、７は誘導結合コイル６に高周波電圧を印加する高周波電源である。ガス供給系の図示は省略する。
【０００７】
図５（ａ）（ｂ）は図１のドライエッチング装置を用いてアルミエッチングを実施する前および後の半導体基板の配線部分の構造断面図である。図中、２０は半導体基板であり、２１はレジストマスク、２２はＴｉＮ／Ｔｉ膜、２３は銅含有アルミニウム膜、２４はＴｉＮ／Ｔｉ膜、２５は絶縁膜、２６はシリコン基板である。
【０００８】
図４に示すドライエッチング装置において、反応室１内の下部電極２上に図５（ａ）　に示すような半導体基板２０を設置し、表１に示すような条件で塩素系エッチングガス（ＢＣｌ３，Ｃｌ２，ＣＨＦ３）を用いて、レジストマスク２１をマスクとして、Ｔｉ／ＴｉＮ膜２２、銅含有アルミニウム膜２３、Ｔｉ／ＴｉＮ膜２４をエッチングする。そして、図５（ｂ）　に示すようなメタル配線パターンが形成された半導体基板２０を反応室１から取り出し、レジストマスク２１を除去する。半導体基板１０が取り出された反応室１は、壁面などに堆積物１０（図３参照）が付着しているので、表２に示すような条件でＣｌ２＋Ｏ２ガスを用いて、ドライクリーニングする。このようにして、１枚の半導体基板２０をエッチングする毎に、反応室１をドライクリーニングするのである。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
【表２】
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【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の方法では、上述した図５（ｂ）　のような良好なメタル配線パターンが形成されるものの、反応室１から取り出される半導体基板２０の配線表面にはなお異物の付着数が多く、満足な歩留は得られにくいという問題がある。銅含有アルミニウム膜をエッチングする工程では、とりわけＣｕ系異物が多い。
【００１２】
銅含有アルミニウム膜のエッチングに、アルミニウム膜のドライエッチングに用いられる代表的なガスであるＣｌ２を使用すると、Ａｌ，Ｃｕ，Ｔｉ（バリア層に含まれる）がエッチングされ、ＡｌＣｌ３，ＴｉＣｌ４，ＣｕＣｌというような反応生成物が生じる。これらの反応生成物の内、ＡｌＣｌ３及びＴｉＣｌ４はそれぞれ沸点が１８３℃及び１３６℃と低く、気化しやすいが、ＣｕＣｌは沸点が１４９０℃と高く、反応室１内の温度程度では気化しにくい。
【００１３】
そのため、上述したように１枚の半導体基板２０をエッチングする毎にＣｌ２プラズマによりドライクリーニングを施しても、Ａｌ系及びＴｉ系の堆積物は除去されるものの、Ｃｕ系の堆積物は反応室１内に残留しやすい。図６はウエットクリーニングの前後の反応室１内を示し、１１はＣｕ系堆積物である。この残留したＣｕ系堆積物１１が、次の半導体基板２０をドライエッチングする間に剥落し、半導体基板２０上に異物として付着すると考えられる。
【００１４】
本発明は上記問題を解決するもので、ドライエッチング装置内の銅含有堆積物を効果的に除去できるプラズマクリーニング方法および半導体装置の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、ドライエッチングにより銅含有堆積物が生じた反応室内をプラズマクリーニングする際に、前記反応室内に三塩化アルミニウムガスを導入しそのプラズマを発生させて、前記銅含有堆積物を除去することを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明は、ドライエッチングにより銅含有堆積物が生じた反応室内をプラズマクリーニングする際に、前記反応室内に、銅を含まないアルミニウム合金あるいは純アルミニウムからなるアルミニウム膜が表面に形成された基板を設置し、この反応室内に塩素ガスを導入しそのプラズマを発生させるとともに、それにより前記アルミニウム膜をエッチングし三塩化アルミニウムのプラズマを発生させて、前記銅含有堆積物を除去することを特徴とする。
【００１７】
請求項３記載の発明は、請求項２記載のプラズマクリーニング方法において、塩素ガスのプラズマを発生させる際に基板に高周波バイアスを印加することを特徴とする。
【００１８】
請求項４記載の発明は、ドライエッチングを用いる半導体装置の製造方法であって、銅含有アルミニウム膜が表面に形成された半導体基板を反応室に設置し、前記銅含有アルミニウム膜を選択的にドライエッチングしてパターンを形成し、パターン形成された半導体基板を反応室から取り出すドライエッチング工程と、前記半導体基板が取り出された反応室内に三塩化アルミニウムガスを導入しそのプラズマを発生させて、前記ドライエッチングによって反応室内に付着堆積した銅含有堆積物を除去するクリーニング工程とを行なうことを特徴とする。
【００１９】
請求項５記載の発明は、ドライエッチングを用いる半導体装置の製造方法であって、銅含有アルミニウム膜が表面に形成された半導体基板を反応室に設置し、前記銅含有アルミニウム膜を選択的にドライエッチングしてパターンを形成し、パターン形成された半導体基板を反応室から取り出すドライエッチング工程と、前記パターン形成された半導体基板が取り出された反応室内に、銅を含まないアルミニウム合金あるいは純アルミニウムからなるアルミニウム膜が表面に形成された基板を設置し、この反応室内に塩素ガスを導入しそのプラズマを発生させるとともに、それにより前記アルミニウム膜をエッチングし三塩化アルミニウムのプラズマを発生させて、前記銅含有堆積物を除去するクリーニング工程とを行なうことを特徴とする。
【００２０】
上記した三塩化アルミニウムのプラズマは銅の気化を促進するので、銅を含有するアルミニウム膜などのパターンエッチングで反応室内の壁面などに付着堆積する銅含有堆積物をほぼ完全に除去することができ、その後に反応室内に設置される半導体基板への異物としての付着を防止できる。よって、半導体装置を高い歩留まりにて製造可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
以下の各実施の形態で用いるドライエッチング装置は先に図４を用いて説明した従来のものと同様であり、また半導体基板は先に図５を用いて説明した従来のものと同様なので、図４および図５を援用する。
（実施の形態１）
図４に示すドライエッチング装置において、反応室１内の下部電極２上に図５（ａ）　に示すような半導体基板２０を設置し、表１に示すような条件で塩素系エッチングガス（ＢＣｌ３，Ｃｌ２，ＣＨＦ３）を用いて、レジストマスク２１をマスクとして、Ｔｉ／ＴｉＮ膜２２、銅含有アルミニウム膜２３、Ｔｉ／ＴｉＮ膜２４をエッチングする。そして、図５（ｂ）　に示すような配線パターンが形成された半導体基板２０を反応室１から取り出し、レジストマスク２１を除去する。
【００２２】
半導体基板２０が取り出された反応室１は、図１に示すように、壁面などにＡｌ，Ｃｕ，Ｔｉを含む堆積物１０が付着しているので、処理対象のエッチング基板が無い状態で、表３に示すような条件でＡｌＣｌ３／Ｃｌ２／Ｏ２混合ガスを用いて、ドライクリーニングする。この時、反応室１の壁面の温度は５０℃〜６０℃に制御する。
【００２３】
【表３】
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その後は、上記したように半導体基板２０に対して配線パターンを形成する工程と、反応室１をドライクリーニングする工程とを、交互に行なう。
【００２４】
この実施の形態１の方法によれば、クリーニングガスとしてＣｌ２ガスのみならずＡｌＣｌ３ガスを用いるため、通常のプラズマクリーニング温度で、Ａｌ系、Ｔｉ系及びＣ系の堆積物はもちろんのこと、Ｃｕ系の堆積物も除去可能である。ＡｌＣｌ３ガスは、以下の反応式で示されるようにＣｕのエッチングを促進する性質を有するからである。
【００２５】
ＡｌＣｌ３＋ＣｕＣｌ→ＡｌＣｕＣｌ４
上式におけるＣｕＣｌは、ＣｕがＡｌＣｌ３またはクリーニングガスのＣｌ２と反応して生じるものと考えられる。
【００２６】
このような反応室１のドライクリーニングを、１枚の半導体基板２０をエッチングする毎に行なうので、クリーニング後に設置される処理対象の半導体基板２０上に、堆積物１０の剥離、飛来による異物が付着することは防止される。
【００２７】
よって、配線間でのショート不良を引き起こすことはなく、多層配線デバイスである半導体装置の歩留は著しく増加する。
なお、三塩化アルミニウムガスを単独で用いても同様のクリーニング効果は得られる。
（実施の形態２）
実施の形態１と同様にして、図４に示すドライエッチング装置において、反応室１内の下部電極２上に図５（ａ）　に示すような半導体基板２０を設置し、上述した表１に示すような条件で塩素系エッチングガス（ＢＣｌ３，Ｃｌ２，ＣＨＦ３）を用いて、レジストマスク２１をマスクとして、Ｔｉ／ＴｉＮ膜２２、銅含有アルミニウム膜２３、Ｔｉ／ＴｉＮ膜２４をエッチングする。そして、図５（ｂ）　に示すような配線パターンが形成された半導体基板２０を反応室１から取り出し、レジストマスク２１を除去する。
【００２８】
半導体基板２０が取り出された反応室１には、図２に示すように、壁面などにＡｌ、ＴｉおよびＣｕを含む堆積物１０が付着しているので、少なくともＣｕを含まない、Ａｌを主成分とするアルミニウム合金膜を全面に堆積した半導体基板３０を下部電極２上に設置し、高周波電源３により下部電極２に高周波バイアスを印加するとともに、表４に示すような条件でＣｌ２＋Ｏ２混合ガスを導入して、プラズマを発生させて、ドライクリーニングを施す。この時、反応室１の壁面の温度は５０℃〜６０℃に制御する。
【００２９】
【表４】
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その後は、上記したように半導体基板２０を設置して配線パターンを形成する工程と、半導体基板３０を設置して反応室１をドライクリーニングする工程とを、交互に行なう。
【００３０】
この実施の形態２の方法によれば、従来のクリーニング工程と同様のＣｌ２＋Ｏ２混合ガスをクリーニングガスとして使用するが、Ａｌを主成分とする合金膜が形成された半導体基板３０が反応室１内に存在するため、Ｃｌ２とＡｌとが反応してＡｌＣｌ３ガスが発生する。その際に、下部電極２に高周波バイアス電圧が印加されることで、半導体基板３０へのエッチングガスイオンの入射エネルギーが制御されるため、より効率的にＡｌのエッチング反応が起こり、ＡｌＣｌ３ガスが発生する。このことが、反応室１の壁面や電極２の周辺に付着したＣｕを含む堆積物１０のエッチングを加速するものと思われ、堆積物１０をほぼ完全にクリーニング除去できる。
【００３１】
このような反応室１のドライクリーニングを、１枚の半導体基板２０をエッチングする毎に行なうので、クリーニング後に設置される処理対象の半導体基板２０上に、堆積物１０の剥離、飛来による異物が付着することは防止される。よって、配線間でのショート不良を引き起こすことはなく、多層配線デバイス（半導体装置）の歩留は著しく増加する。
【００３２】
この実施の形態２の方法によれば、Ａｌ合金膜が堆積された半導体基板３０をＣｌ２＋Ｏ２の混合ガスでドライエッチングしながら、つまりＡｌＣｌ３を反応によって発生させながら、Ｃｕを含んだ堆積物１０を除去するので、ＡｌＣｌ３ガスのための新たな供給系をエッチング装置に設ける必要がないという利点がある。
【００３３】
半導体基板３０上のＡｌ膜は銅を含まなければ特に限定はなく、純Ａｌ膜や、９９％Ａｌ／１％Ｓｉ膜などのＡｌ合金膜などが可能であるが、塩素ガスとＡｌ以外の合金材料との余分な反応生成物を発生させないという意味においては、純Ａｌ膜が望ましい。基板材料は、たとえばシリコンが可能である。
【００３４】
以下の表５に、上記した実施の形態１，実施の形態２の方法と従来法とを比較して示す。実施の形態１，実施の形態２の方法では従来法よりもＣｕ系の異物数が著しく減少している。異物測定は、米ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製ＫＬＡ−２１３２を用いた。
【００３５】
【表５】
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なお、上記した各実施の形態では、パターン形成の際のドライエッチングにレジストマスクを用いたが、絶縁膜の無機系反射防止膜を用いた場合も、同様の効果が得られるのは言うまでもない。
また、エッチング装置として、誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ）を用いたが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、マイクロ波磁場印加プラズマ（ＥＣＲ）等を用いても同様の効果が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ドライエッチング装置の反応室に、クリーニングガスとして従来用いられていなかった三塩化アルミニウムを導入することにより、あるいは従来用いられていた塩素ガスを導入して反応室内で三塩化アルミニウムを発生させることにより、反応室内に付着したＣｕ系の堆積物をも効率的に、また反応室を開放することなく除去することが可能になった。このことにより、半導体デバイスにおける多層配線部のショート不良を大幅に低減すること、したがって高性能な多層配線デバイスを高歩留まりにて製造することが可能になり、半導体製造工程において大変重要かつ価値あるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるプラズマクリーニング方法の実施前および実施後の反応室内を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態２におけるプラズマクリーニング方法の実施前および実施後の反応室内を示す断面図
【図３】従来のウエットクリーニング方法の実施前および実施後の反応室内を示す断面図
【図４】本発明および従来の方法でクリーニングされる誘導結合型（ＩＣＰ）ドライエッチング装置の概略構成を示す断面図
【図５】図４のドライエッチング装置でドライエッチングされる前後の半導体基板の配線部分の構造を示す断面図
【図６】従来のプラズマクリーニング方法の実施前および実施後の反応室内を示す断面図
【符号の説明】
１　　反応室
２　　下部電極
３　　高周波電源
１０　堆積物
２０　半導体基板
３０　アルミニウム膜が堆積された基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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