(57)【要約】【課題】ＲＩＥ時にＣｕの揮発性ガスを生成せず、その上、反応物除去速度を向上させた実用的なＣｕ配線形成方法を提供する。【解決手段】基板１の表面に形成したＣｕ層３上に、形成すべきＣｕ配線に対応したマスクを構成するフォトレジストパターン４を設ける。プラズマでＨＩを主体とする反応性ガスを分解し、ヨウ素をＣｕと反応させてＣｕｌｘの反応生成物を生成させる。水溶性のＣｕｌｘの反応生成物を洗浄処理によって除去した後、フォトレジストを除去する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に形成したＣｕ層上に、形成すべきＣｕ配線に対応したマスクを構成するフォトレジストパターンを設け、該マスクで覆われていないＣｕ層をエッチング処理により除去し、フォトレジストを除去して所定のＣｕ配線を形成するＣｕ配線形成方法において、
前記エッチング処理は、プラズマでヨウ素を含む反応性ガスを分解してヨウ素とＣｕとを反応させてＣｕｌｘを生成させ、該Ｃｕｌｘを洗浄処理により除去するものであることを特徴とするＣｕ配線形成方法。
【請求項２】
前記反応性ガスはＨＩを主体とするものであることを特徴とする請求項１記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項３】
前記反応性ガスに、０〜８０容積％の割合で不活性ガスを混合したことを特徴とする請求項１または請求項２記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項４】
前記プラズマを大気圧から０．０５Ｐａまでの圧力範囲で発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項５】
前記プラズマを、別個に設けた遠隔プラズマ放電チャンバで発生させ、分解したヨウ素を前記基板に供給することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項６】
前記基板の温度を４０℃以上１４０℃以下の温度範囲に制御してヨウ素とＣｕとを反応させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項７】
前記洗浄処理は水洗処理であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項８】
前記洗浄処理は弱アルカリ水処理であることを特徴とする請求項１乃至請求項６記載のいずれか１項にＣｕ配線形成方法。
【請求項９】
超音波でアシストして前記洗浄処理を行うことを特徴とする請求項７または請求項８記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項１０】
前記洗浄処理の後、乾燥処理を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項１１】
前記エッチング処理と洗浄処理とを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項１２】
前記基板とＣｕ層との間に、基板及びＣｕ層相互の密着性を高める下地層を形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項１３】
前記下地層は、Ｃｕ合金、Ｃｒ、ＴｉまたはＭｏのいずれかであることを特徴とする請求項１２記載のＣｕ配線形成方法。
【請求項１４】
前記下地層を、プラズマエッチング処理または反応性イオンエッチング処理によりパターン形成することを特徴とする請求項１２または請求項１３記載のＣｕ配線形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体集積回路の配線、フラットパネルディスプレイや磁気ヘッド等の磁気素子からの記録信号用に使用される配線等をＣｕを用いて形成するためのＣｕ配線形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路では、その微細化、高集積化に伴い、より低抵抗でかつエレクトロマイグレーション耐性に優れた金属であるＣｕにより配線を形成することが検討されている。
【０００３】
従来、ダマシンプロセスによりＣｕ配線を形成することが提案されている。この場合、Ｃｕ配線は、例えば基板上に形成した絶縁膜に配線パターンを溝として形成し、該溝に、例えばメッキ法やスパッタリング法によりＣｕを埋め込み、溝以外のＣｕ薄膜部分をＣＭＰ（化学機械研磨）により除去して形成される。
【０００４】
ところが、上記プロセスでは、ＣＭＰの際、硬度の高いアルミナ等の砥粒を含む研磨液を用いて研磨していたので、例えば、配線が密集した部分で削れ過ぎる場合があり、また、砥粒発塵によりクリーンルームのクリーン度が低下し、製品歩留まりを高く保持できないという問題があった。
【０００５】
他方で、Ｃｕを埋め込みにメッキ法を利用する場合、薬品には有害なものが多く、作業の安全性の維持や廃液の公害防止に注意を払う必要があって煩わしい。
【０００６】
このため、例えばスパッタリングによりＣｕ層を形成し、次いで、マスクを構成するレジストパターンを形成した後、マスクで覆われていない部分を、加工エネルギが小さく、基板やＣｕ配線等に与える損傷を少ない反応性イオンエッチング（以下、「ＲＩＥ」という）によって除去することでＣｕ配線を形成することが行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の方法では、ＨＣｌ、Ｃｌ２やＨＢｒを反応性ガスとして使用するので、反応物除去レートが最大で２０ｎｍ／ｍｉｎ程度に止まり、Ｃｕ配線形成プロセスとして実用的でない。その上、反応性イオンエッチング処理の際、Ｃｕの揮発性ガスが生成される。
【０００８】
この場合、揮発性ガスの蒸気圧が低いので直ちに固体化しやすく、反応容器内が数枚のエッチング処理で汚染され、製品歩留まりを高く保持するには容器のクリーニングサイクルを早くする必要があった。他方で、排気温度を１４０℃以上に保持して揮発性ガスの蒸気圧を高めることも考えられるが、これではフォトレジストが熱的にダメージを受け、パターンの忠実性が失われたり、レジストの剥離が困難になるのでマスクとして使用できない。
【０００９】
そこで、本発明は、上記点に鑑み、ＲＩＥ時にＣｕの揮発性ガスを生成せず、その上、反応物除去速度を向上させた実用的なＣｕ配線形成方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＣｕ配線形成方法は、基板の表面に形成したＣｕ層上に、形成すべきＣｕ配線に対応したマスクを構成するフォトレジストパターンを設け、該マスクで覆われていないＣｕ層をエッチング処理により除去し、フォトレジストを除去して所定のＣｕ配線を形成するＣｕ配線形成方法において、前記エッチング処理は、プラズマでヨウ素を含む反応性ガスを分解してヨウ素とＣｕとを反応させてＣｕｌｘを生成させ、該Ｃｕｌｘを洗浄処理により除去するものであることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、先ず、シリコンウェハー等の基板上に、例えばスパッタリング法によりＣｕ層を形成する。そして、既知の方法によりフォトレジストを塗布した後、例えばＵＶにより露光して、該露光した部分のレジストを除去して所定のレジストパターンを得る。
【００１２】
次いで、レジストパターンで覆われていないＣｕ層をエッチング処理により除去する。この場合、エッチング処理は、所定のレジストパターンを形成した基板上でプラズマを発生させると共にヨウ素を含む反応性ガスを導入し、該プラズマで反応性ガスを分解して、レジストパターンで覆われていないＣｕとヨウ素とを反応させてＣｕｌｘの反応生成物を生成させ、Ｃｕｌｘを洗浄処理により除去して行う。
【００１３】
ここで、Ｃｕｌｘは水溶性であるので、洗浄処理で簡単に除去でき、その取扱いは容易である。また、洗浄処理により生じた廃液は、メッキ法により生じた廃液に比べてその処理は容易であると共に再生も可能である。
【００１４】
その後、例えば既知のアッシング装置を使用してレジストをアッシングして除去すると、基板上に所定のパターンのＣｕ配線が得られる。
【００１５】
ここで、反応性ガスは、例えば、ＨＩを主体とするものとするのがよい。
【００１６】
また、反応物除去レートが低下しないように、キャリアガスとして、前記反応性ガスに、０〜８０容積％の割合で不活性ガスを混合してもよい。
【００１７】
さらに、反応促進のため、プラズマは、例えば大気圧から０．０５Ｐａまでの圧力範囲で発生させてもよい。
【００１８】
この場合、基板へのイオン損傷が少なくすると共に基板温度が高くならないように、前記プラズマを、別個に設けた遠隔プラズマ放電チャンバで発生させ、前記基板に供給するようにしてもよい。
【００１９】
尚、Ｃｕとヨウ素との反応を促進するため、前記基板の温度を４０℃以上１４０℃以下の温度範囲に制御するのがよい。
【００２０】
Ｃｕとヨウ素との反応生成物であるＣｕｌｘを除去する洗浄処理は、例えば、水洗処理または弱アルカリ水処理である。
【００２１】
この場合、Ｃｕｌｘである反応生成物の除去速度を高めるために、前記洗浄処理は超音波でアシストして行うのがよい。これにより、水洗処理の際に、反応生成物に振動が加えられ基板からの剥離が促進される。
【００２２】
尚、前記水洗や弱アルカリ水処理の後、基板を積極的に乾燥させるために、例えば乾燥処理を行うのがよい。
【００２３】
ところで、エッチング処理により反応生成物が生成するとＣｕ層が覆われてエッチングレートが低下する。この場合、反応性イオンエッチング処理と洗浄処理とを複数回繰り返して、マスクで覆われていないＣｕ層を完全に除去するようにしてもよい。
【００２４】
さらに、基板とＣｕ膜との密着性を高めるため、前記基板とＣｕ薄膜との間に下地層を形成してもよい。
【００２５】
この場合、前記下地層は、例えばＣｕ合金、Ｃｒ、ＴｉまたはＭｏのいずれかとするのがよい。
【００２６】
また、Ｃｕ層がエッチング処理されることで露出した下地層を、プラズマエッチング処理または反応性イオンエッチング処理して、Ｃｕ配線と同様のパターンに形成できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して、本発明のＣｕ配線形成方法の一実施の形態について説明する。基板１としてシリコンウェハーを使用しても、ガラスやポリイミドフィルム等を使用してもよい。該基板１上に、先ずスパッタリングにより、例えばＣｕ合金からなる下地層２を形成する。
【００２８】
次いで、下地層２上に、再度スパッタリングにより所定の膜厚のＣｕ層３を形成する。Ｃｕ層３上に、形成すべきＣｕ配線に対応するマスクを構成するフォトレジストパターン４を形成する。この場合、レジストパターン４は、既知の方法で次ぎのように形成される。
【００２９】
即ち、既知のスピンコーターを使用して基板を高速で回転させながら、ＵＶ光で性質が変化する既知のフォトレジストを回転塗布した後、基板１上に形成しようとする配線パターンを描いたガラスマスクを基板の上方で位置決めして設置し、既知のステッパーによりＵＶ光線を照射する。
【００３０】
そして、露光した部分のレジストを所定の溶剤によって溶かすと、図１（ａ）に示すように、未感光部がレジストパターン４として残留する。
【００３１】
次いで、所定のＣｕ配線を得るにはレジストパターン４で覆われていないＣｕ層３及び下地層２をエッチング処理する必要がある。この場合、従来のＲＩＥ処理のように、ＨＣｌ、Ｃｌ２やＨＢｒを反応性ガスとして使用するのではＣｕの揮発性ガスが生成され、種々の問題が生じる。また、実用的な反応物除去レートを得ることができない。
【００３２】
図１（ｂ）及び図１（ｃ）を参照して、本実施の形態では、ＨＩを主体とするガスを反応性ガスとして使用し、エッチング処理の際、プラズマで反応性ガスを分解してヨウ素とＣｕ層３とを反応させてＲＩＥ処理を行い、レジストバターン４相互間に水溶性反応生成物であるＣｕｌｘ３１を生成させ、水洗処理により該Ｃｕｌｘ３１を除去することとした。
【００３３】
ここで、図３にはエッチング処理を実行する装置５の一例が示されている。該装置５は真空チャンバ５１を有し、真空チャンバ５１の上部には、該真空チャンバ５１に反応性ガスであるＨＩを導入するガス導入部５２が設けられている。ガス導入部５２には、一端がガス源に接続されたガス管５３が接続され、ガス管５３には、反応性ガスの流量を制御するマスフロー（図示せず）が介設されている。
【００３４】
ここで、キャリアガスとして、前記反応性ガスに、エッチングレートが低下しないように０〜８０容積％の割合でＡｒ等の不活性ガスを混合してもよい。この場合、ガス管に混合器を設けると共に、一端がＡｒのガス源に接続されたガス管をマスフローを介して混合器に接続する。
【００３５】
また、真空チャンバ５１の下部には、ＲＦバイアスを印加する高周波電源５４に接続された基板電極部５５が設けられ、該基板電極部５５上に、上記レジストパターンが形成された基板１が載置される。
【００３６】
そして、上記レジストパターン４が形成された基板１を載置して、ガス導入部５２から反応性ガスを所定の真空度の真空チャンバ５１に導入すると共に、高周波電源５４から高周波磁場を印加して基板電極部５５上の基板１のＣｕ層３及び下地層２をエッチングする。この場合、水溶性反応生成物であるＣｕｌｘ３１が生成する。また、反応性ガスとしてＨＩを使用するＲＩＥ処理は、イオンエネルギーの付与でＣｕとヨウ素との反応が促進されるので、異方性エッチングに優れている。
【００３７】
尚、Ｃｕとヨウ素との反応を促進するため、前記基板１の温度を４０℃以上１４０℃以下の温度範囲に制御するのがよい。この場合、基板１温度が４０℃より低くなると、反応速度が著しく低下し、基板１温度が１４０℃より高くなると、レジストが熱的にダメージを受ける。
【００３８】
ここで、本実施の形態では、真空チャンバ５１内でマスクで覆われていないＣｕ層３のＲＩＥ処理を行うこととしたが、例えば、リモートプラズマ源を設けて、またはプラズマを大気圧から０．０５Ｐａまでの圧力範囲で発生させる既知の大気圧プラズマ表面処理装置を用いてＣｕ層３のＲＩＥ処理を行ってもよい。
【００３９】
例えば、リモートプラズマ源を用いてＲＩＥ装置を構成するには、図４に点線で示すように、装置５の真空チャンバ５１の上部に設けられた複数のガス噴射口を有するガス導入部５２とガス源（図示せず）とを接続するガス管５３の一部に高周波電源５６を有する遠隔プラズマ放電チャンバ５７を配置すればよい。
【００４０】
そして、遠隔プラズマ放電チャンバ５７にプラズマを発生させると共に、反応性ガスを導入して該反応性ガスをプラズマで分解し、活性化されたヨウ素をガス管５３を介してガス導入部５２から基板１に噴射し、基板上のＣｕと反応させる。これにより、反応性ガスであるＨＩの分解が促進され、Ｃｕとの反応速度が飛躍的に上昇する。
【００４１】
また、大気圧プラズマ表面処理装置７は、図５に示すように、高電圧を発生し得る電源７１ａに接続された放電発生用電極７１と、該電極７１に対向して設けた基板ステージ７２と、該電極の先端付近に放電用ガスを噴射するガスノズル７３とが設けられている。
【００４２】
ここで、放電用ガスとしては、大気圧で気体放電を発生し易くするヘリウム、アルゴンの希ガスに、Ｃｕをエッチングするためのヨウ素を主体とした反応性ガスを混同したものである。これにより、放電を一定に保ち、再現性がよく、生産性に優れたものとなる。
【００４３】
次いで、Ｃｕｌｘ３１を水洗処理によって除去する。この場合、Ｃｕｌｘ３１の除去速度を高めるために、前記水洗処理は、既知の超音波発生器を備えた容器内で超音波でアシストして行うのがよい。これにより、水洗処理の際、超音波によってＣｕｌｘ３１に振動が加えられ、その剥離が促進される。
【００４４】
尚、本実施の形態では、水洗処理によってＣｕｌｘ３１を除去することとしたが、例えば、東京応化社製のＳＴ−１０５、ＳＴ−１０６等のレジスト剥離剤を用いた弱アルカリ水で処理してもよい。
【００４５】
次いで、Ｃｕｌｘ３１が除去された基板１を乾燥器に入れて乾燥させた後、既知のアッシング装置を使用してレジストパターン４を除去する。これにより、基板１上に所望のＣｕ配線が残留する。
【００４６】
尚、ＲＩＥ処理によってＣｕｌｘが生成してＣｕ層３が覆われると、エッチングレートが低下する。このため、ＲＩＥ処理と水洗処理とを複数回繰り返して、レジストバターン４で覆われていないＣｕ層３及び下地層２のエッチング処理を行うのがよい（図１（ｃ）及び図１（ｄ）参照）。
【００４７】
また、Ｃｕ配線を形成した後、Ｃｕの酸化による配線抵抗の増加を防止するため、Ｃｕ配線を、例えばＴｉＮのバリア層で被覆してもよい。さらに、本実施の形態では、基板１とＣｕ層３との密着性を高めると共に、一回のエッチング処理で除去するためＣｕ合金の下地層２を設けたが、該下地層２は、Ｃｒ、ＴｉまたはＭｏであってもよい。
【００４８】
この場合、例えば、Ｃｌ２／Ｏ２またはＣｌ２／ＳＦ６／Ｏ２の混合ガスを用いてＲＩＥ処理することによって、ＲＩＥ処理でＣｕ層３を除去することで露出したＣｒ等の下地層２をエッチングすることもでき、Ｃｕ配線に対応したパターンに形成できる。
【００４９】
【実施例】
次に、本発明のＣｕ配線形成方法の実施例を説明する。本実施例では、基板１としてシリコンウェハを使用してＣｕ配線を形成した。この場合、Ｌ＆Ｓ４μｍ、アスペクト比１のＣｕ配線３を得ることを目標とした。
【００５０】
先ず、基板１上に、ＤＣスパッタリング装置を使用して、Ａｒの流量５０ｓｃｃｍ、投入電力１ｋＷ、チャンバ内圧力０．６Ｐａの成膜条件で、３０秒間スパッタを行い、Ｃｕ合金の下地膜２を形成した。この場合、下地層１の膜厚は、４０ｎｍであった。
【００５１】
次いで、同じＤＣスパッタ装置を使用して、Ａｒの流量５０ｓｃｃｍ、投入電力１．５ｋＷ、チャンバ内圧力　０．６Ｐａの成膜条件で、１０分間スパッタを行い、Ｃｕ膜３を形成した。この場合、Ｃｕ層の膜厚は４μｍであった。
【００５２】
次いで、スピンコータを使用してＣｕ層３上にレジストを形成した。この場合、レジストとしては、東京応化社製のＯＦＰＲ−８００を使用した。
【００５３】
次いで、基板１上に形成しようとする配線パターンを描いたガラスマスクを基板の上方で位置決めして設置し、既知のステッパーによりＵＶ光線を照射して露光した。そして、露光した部分のレジストを溶剤によって溶かした。この場合、溶剤としては、東京応化社製の現像液ＮＭＤ−３を使用した。これにより、未感光部がレジストパターン４として残った。
【００５４】
次いで、図３に示す装置５を用いて、レジストパターン４で覆われていないＣｕ層３と下地層２とをエッチングした。この場合、基板バイアス高周波電源５４の電力を０，６Ｗ／ｃｍ２に設定し、ガス導入部５２からＨＩ８５容積％及びアルゴンガス１５容積％を導入し、ステージ温度８０〜１００℃、チャンバ内圧力１．３〜５．３Ｐａで、６０ｓｅｃの間エッチングした。尚、エッチング処理時間を６０ｓｅｃにしたのは、Ｃｕｌｘ３１が生成してＣｕ層３が覆われるとエッチングレートが低下するためである。
【００５５】
この場合、レジストでジストパターンで覆われていないＣｕ層３のうち、３０〜５０％が化学反応して固体化すると共に、Ｃｕ層３の上部であってレジストパターン４相互の間にＣｕｌｘ３１の反応生成物が生成した。
【００５６】
この場合のエッチングレートは、２００〜７００ｎｍ／ｍｉｎであり、ＨＣｌ、Ｃｌ２やＨＢｒ等の反応性ガスを使用した従来のＲＩＥ処理と比較して１０〜３５倍以上のエッチングレートが得られた。
【００５７】
図５は、真空チャンバ５１内の圧力を変化させてＣｕ膜３のエッチングレートを測定した結果を示す。これによると、真空チャンバ５１内の圧力を高くするとエッチングレートをさらに高めることができる。
【００５８】
次いで、８００Ｈｚの超音波が出力される水洗浄容器で、Ｃｕｌｘ３１が生成した基板を６０秒間洗浄処理した。そして、基板を水中から上げると、Ｃｕｌｘ３１が除去されていた。この場合、一回のエッチング処理では、Ｃｕ層の３０〜５０％がエッチングされた。
【００５９】
次いで、乾燥器内に、Ｃｕｌｘを除去した基板１を入れて、さらに水洗処理してＮ２ガスで水分を除去し、可能な限り早く乾燥させるためにＮ２雰囲気の下、８０℃で１０分間保持してもよい。特に、水分が除去できるのであれば、室温で５分保持するようにしてもよい。
【００６０】
そして、未だ残留するＣｕ層３及び下地層２を完全に除去するため、ＲＩＥ処理、水洗処理及び乾燥処理の一連の処理を３回繰り返すと、Ｃｕ層３及びＣｕの下地層２が完全に除去された。
【００６１】
最後に、既知のアッシング装置を使用してレジストをアッシング処理して除去すると、Ｌ＆Ｓ４μｍ、アスペクト比１の銅配線が得られた（図２参照）。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＣｕ配線方法では、ＲＩＥ時にＣｕの揮発性ガスを生成しないので、エッチング装置の内部を汚染せず、その上、反応物除去速度を実用的なレベルまで高めることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）乃至（ｄ）は、本発明のＣｕ配線形成方法を説明する図
【図２】本発明のＣｕ配線形成方法により形成されたＣｕ配線を示す図
【図３】ＲＩＥ装置を説明する図
【図４】他の実施形態にかかるＲＩＥ装置を説明する図
【図５】本発明の方法を用いて測定した反応物除去レートを示すグラフ
【符号の説明】
１　基板
２　下地層
３　Ｃｕ層
４　レジストパターン
５　ＲＩＥ装置
【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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