(57)【要約】【課題】配線である銅含有アルミニウム膜の加工形状を劣化させることなく、かつ銅の残さ発生の抑制可能なドライエッチング方法を提供するものである。【解決手段】銅含有アルミニウム膜を塩素系ガスでエッチングするドライエッチング方法であって、銅含有アルミニウム膜中のアルミニウムと塩素系ガスを反応させて塩化アルミニウムを生成し、塩化アルミニウムの反応室内における滞在時間を制御することにより、塩化アルミニウムと銅含有アルミニウム膜中の銅とを反応させて銅塩化アルミニウムを生成して、銅残さが生じないように銅含有アルミニウム膜をエッチングすることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅含有アルミニウム膜を塩素系ガスでエッチングするドライエッチング方法であって、
前記銅含有アルミニウム膜中のアルミニウムと前記塩素系ガスを反応させて塩化アルミニウムを生成し、
前記塩化アルミニウムの反応室内における滞在時間を制御することにより、前記塩化アルミニウムと前記銅含有アルミニウム膜中の銅とを反応させて銅塩化アルミニウムを生成して、銅残さが生じないように前記銅含有アルミニウム膜をエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に形成された銅含有アルミニウム膜配線の形成方法で、特に配線パターン間の銅残さを抑制しながらドライエッチングを行なう方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置を構成する素子は微細化に伴ってＭＯＳ電界効果トランジスタが主流となっている。中でもＭＯＳ電界効果トランジスタの微細化に伴い、多層配線工程の微細化も益々進んでおり、0.13μm以下のデザインルールのデバイスでは、ダマシン法を用いた銅配線形成も採用されつつある。一方、0.15μmでのデザインルールのデバイスでのアルミニウムを主とする多層配線は最終局面に入っており、配線の最小ピッチは0.40μm以下の設定となっている。
【０００３】
一般的に、アルミニウムを主とする多層配線を形成するための一つの技術として、銅含有アルミニウム膜のパターンを形成するためにプラズマドライエッチング装置を用いて微細配線パターンを形成する方法が知られており、その技術は現在まで幅広く使用されている。そして、その使用されるガス系としては、主に塩素、３塩化ホウ素、窒素等である。そこで、ドライエッチングにより高精度に銅含有アルミニウム膜のパターンを形成するのであるが、少しでも高歩留まりを得るためには、主に銅の残さを抑制することが重要である。そのために、従来は、プラズマドライエッチング装置の下部電極の温度を上げるか、または過度なオーバーエッチを施すことにより対応していた。
【０００４】
以下、従来のドライエッチング方法について説明する。図４、図５は、従来の銅含有アルミニウム配線パターン形成方法を説明する工程断面図である。図４において、シリコン基板１上に、絶縁(酸化)層２、TiN/Ti膜３、銅含有アルミニウム(99.5%Al/0.5%Cu)膜４およびTiN/Ti膜５が形成され、TiN/Ti膜５上にTiN/Ti膜３、銅含有アルミニウム膜４およびTiN/Ti膜５をパターニングするためのレジスト膜６が形成されている。図５は、ドライエッチング工程を表しているが、TiN/Ti膜３、銅含有アルミニウム(99.5%Al/0.5%Cu)膜４およびTiN/Ti膜５の３層を簡易表現するためにまとめて、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７として示している。
【０００５】
まず図５（ａ）に示すように絶縁膜２上に、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７を連続的にスパッタリング法により成膜し、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７を選択的エッチングするためのレジスト膜６を塗布し、所望の配線パターンを露光形成する。次に、図５（ｂ）に示すようにTiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７を主に塩素ガスを用いてドライエッチングする。
【０００６】
本エッチングには、図６に示すような、誘導型結合プラズマ(ICP)エッチング装置を用いる。反応室アルマイト材インナーカバー３１内にウエハー３２を載置する下部電極３３を備え、誘導結合コイル３４に高周波電源３５が接続されており、下部電極３３はバイアス電源３６に接続されている。
【０００７】
最初に、従来のガス滞在時間を考慮しない場合を説明する。その時のエッチング条件を表１に示す。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
用いるガスは、BCl3/Cl2/N2の混合ガスで、それぞれ90/90/100sccmであり、プラズマ反応室内３７の圧力は、３mTorrで、高周波電源３５およびバイアス電源３６の高周波電力は、それぞれICP/RF=300/200(W)であり、下部電極３３の温度は50℃である。なお、オーバーエッチ率は30%である。この条件にて、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７をレジスト膜６をマスクとしてドライエッチングにより、配線パターンを形成するものであるが、一般的に圧力を下げるとイオンの基板への垂直成分の割合が増加するため、良好な垂直形状が得やすい。しかし、図７に示すように、銅残さ（以下、Cu残さと記す）８が発生しやすくなってしまう。
【００１０】
次に、発生したCu残さ８を抑制するために、下部電極３３の温度を上げた場合を説明する。同じくオーバーエッチ率は30%である。その時のエッチング条件を表２に示す。
【００１１】
【表２】
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【００１２】
表１の条件とは、下部電極３３の温度が80℃である点で異なる。この条件にて、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７をレジスト膜６をマスクとしてドライエッチングにより、配線パターンを形成するものであるが、一般的に下部電極温度を上げるとドライエッチング中のウエハー３２の温度が高くなり易い。そのため、被エッチング膜とガスラジカルとの反応性は高くなるため、Cu残さ８は発生しにくくなるが、パターン形状が劣化し易く、垂直形状から逆テーパ形状気味になりやすい。その様子を図８に示す。
【００１３】
次に、オーバーエッチを過度に施した場合を説明する。その時のエッチング条件は表１と同様であるが、ここでは、オーバーエッチ率が70%である。この条件にて、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７をレジスト膜６をマスクとしてドライエッチングにより、配線パターンを形成するものであるが、一般的にエッチング残さを少しでも減らす為にオーバーエッチを施し過ぎると、マスクであるレジスト膜６がなくなってしまい、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７の上部からパターン崩れが生じてしまい良好な加工形状が得られない。その様子を図９に示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の構成では、Cu残さ８は発生しにくいが、必ずしも良好なアルミニウム膜形状が得られない。すなわち、良好な加工形状とCu残さ８がトレードオフとなり、これら両方を満足するものではなかった。そしてこの様な、逆テーパ形状やパターンの上部が崩れた形状では、所望の配線抵抗値よりも、その値が大きくなり、多層配線の性能を大幅に劣化させてしまう。またCu残さ８が多発しているような状態では、配線間のリークが発生してしまう。すなわち、どちらの加工不良も、直接配線工程の不良を引き起こすものであり、大きな問題である。
【００１５】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、配線である銅含有アルミニウム膜の加工形状を劣化させることなく、かつ銅の残さ発生の抑制可能なドライエッチング方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的を達成するために本発明のドライエッチング方法は、銅含有アルミニウム膜を塩素系ガスでエッチングするドライエッチング方法であって、前記銅含有アルミニウム膜中のアルミニウムと前記塩素系ガスを反応させて塩化アルミニウムを生成し、前記塩化アルミニウムの反応室内における滞在時間を制御することにより、前記塩化アルミニウムと前記銅含有アルミニウム膜中の銅とを反応させて銅塩化アルミニウムを生成して、銅残さが生じないように前記銅含有アルミニウム膜をエッチングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明のドライエッチング方法は、銅含有アルミニウム膜のパターン形成において、良好な垂直形状が得られ、かつ銅残さが発生することもないので、銅含有アルミニウム膜で形成される配線間でショートすることなく高い歩留まりが期待できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
エッチングの工程断面図および誘導型結合プラズマ(ICP)エッチング装置は、従来と同様に図４〜図６を用いている。半導体装置は、シリコン基板１上に、絶縁(酸化)層２、TiN/Ti膜３、銅含有アルミニウム(99.5%Al/0.5%Cu)膜４およびTiN/Ti膜５が形成され、TiN/Ti膜５上にTiN/Ti膜３、銅含有アルミニウム膜４およびTiN/Ti膜５をパターニングするためのレジスト膜６が形成されている。そして、主に塩素ガスを用いて、レジスト膜６をマスクとして、TiN/Ti膜３、銅含有アルミニウム(99.5%Al/0.5%Cu)膜４およびTiN/Ti膜５の３層を簡易表現するためにまとめたTiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７をドライエッチングする。
【００２０】
以下に本発明のエッチング方法について説明する。メインエッチング条件におけるガス滞在時間というパラメータに着目したエッチング条件を表３に示す。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
本実施形態では、プラズマ反応室内３７の容積が約32500mlのICPエッチング装置を用いた。なお、ガス滞在時間τ(秒)は次式で求まる。
τ(秒)=圧力(Torr)X反応室容積(l)/ガス総流量(Torr・l/秒)
すなわち、ガス滞在時間を増加させるためには、圧力を上げるか、もしくはガス総流量を減少させることで対応する。表３において、BCl3/Cl2/N2の混合ガスの総流量とプラズマ反応室内３７の圧力を変化させた場合のガス滞在時間τを表している。
【００２３】
また他のプロセスパラメータ設定としては、高周波電源３５の高周波電力ICPは、300(W)で、バイアス電源３６の高周波電力RFは、200(W)であり、下部電極３３の温度は50℃、オーバーエッチ率=30%オーバーである。
【００２４】
ガス滞在時間に対する銅残さ数の依存性を図１に示す。横軸は、メインエッチング条件でのBCl3/Cl2/N2の混合ガスのガス滞在時間（単位：秒）で、縦軸は銅残さ数（個）を表している。ガス滞在時間が０．１秒程度以上では、銅残さ数は、数千個オーダーであるが、ガス滞在時間が０．１５秒以上では、銅残さ数は１００個以下となる。
【００２５】
この現象は図２に示すように説明すると、まずアルミニウム膜の反応生成物である塩化アルミ(AlClx)が、銅と反応して銅塩化アルミ(AlCuCly)として銅を取り込み、銅のドライエッチングを促進する。そして、この作用を効果的に利用するには、この反応生成物である塩化アルミの滞在残留時間を増加させることである。具体的には圧力を上げるもしくはガス総流量を減少させる事により、それを実現するものである。塩化アルミの量が増加すると銅のドライエッチングを促進する効果もそれに対応して増加することになり、銅残さは著しく減少するものである。ただし、ガス滞在時間が０．３秒より大きくなると、銅残さ数は少なくなるが、TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７がオーバーエッチされることになる。ガス滞在時間を増加させるにつれて、銅残さ数は減少していく。
【００２６】
TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７のドライエッチングに用いるプラズマ源の反応室容積は、おおよそ30000mlから35000mlに適用できる。
【００２７】
一方、銅含有アルミニウム膜であるTiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜７の配線パターン形成においては、その加工形状も重要である。すなわち良好な垂直形状を得ることが必須である。アルミニウム膜の形状およびアルミニウム膜の対マスクであるレジストとの選択比についての圧力依存性を図３に示す。図３において、横軸にプラズマ反応室内３７の圧力を取り、縦軸右には、アルミニウム膜エッチングレートのレジストエッチングレートに対する割合を表すレジストの選択比を、縦軸左には、アルミニウム膜の外側面から底面である絶縁膜２への角度を示すアルミニウム膜形状角度（度）とし、逆テーパーを示す銅含有アルミニウム膜の形状を示している。図中の□印が特性である。
【００２８】
プラズマ反応室内３７の圧力が低圧力である5mTorrでは、対レジスト選択比が１と低く、マスクであるレジスト膜６とアルミニウム膜が同じ速度でエッチングされ、アルミニウム膜形状の上部が崩れてしまう。この様子は図９と同様である。アルミニウム膜形状の上部が崩れない対レジスト選択比は、２程度とすると、圧力は7mTorrである。
【００２９】
また、逆に圧力が大きすぎると、アルミニウム膜側面まで、サイドエッチが入ってしまい、アルミニウム膜形状角度は９０度より小さくなる。図中の○印が特性である。実際には、高圧力である15mTorr以上では、イオンのウエハー３２への垂直成分が減少するため、アルミニウム膜にサイドエッチが入ってしまい、アルミニウム膜形状角度は８５度程度となる。この様子は図８と同様である。８７．５度程度までを最適値とすると、圧力は14mTorr以下ということである。この傾向とガス滞在時間のコンセプトを組み合わせると、低圧力領域では、対レジスト選択比の低下と銅残さが発生しやすいという問題があり、高圧力領域では、銅残さは発生しにくいがサイドエッチ形状となってしまう。よって、設定圧力は、おおよそ7mTorrから14mTorrが良好な加工形状が得られ、かつ銅残さが抑制される圧力領域である。勿論、銅残さ発生を問題とせず、良好な形状実現のみを得るのであれば、この圧力領域に限定されるものではない。
【００３０】
一方、最適なガス総流量に関しては、上記最適な圧力範囲と、通常のICPドライエッチング装置の反応室容積で、限定されるものであり、おおよそ60sccmから240sccmが、良好な加工形状が得られ、かつ銅残さが抑制される圧力領域である。勿論、銅残さ発生を問題とせず、良好な形状実現のみを得るのであれば、このガス総流量領域に限定されるものではない。
【００３１】
このように本発明によりドライエッチングを施した銅含有アルミニウム膜は、図５(ｂ)に示すようなほぼ良好な垂直形状で、かつ銅残さのないパターン形成が実現できるものである。また、本発明の効果を表わす概要を図２に示す。
【００３２】
なお、塩素以外のガス系として、３塩化ホウ素と窒素を用いたが、アルゴン、ヘリウム、CHF3、CF4等のガスを用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００３３】
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)、表面波プラズマ(SWP)等を用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように本発明は、アルミニウム高性能多層配線デバイスにおける半導体製造工程において大変重要で価値あるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態における銅残さのメインエッチング条件のガス滞在時間依存性を示す特性図
【図２】本発明の一実施形態におけるドライエッチングの様子を示す工程断面図
【図３】本発明の一実施形態におけるアルミニウム膜形状の角度および対レジスト選択比のメインエッチ条件の圧力依存性を示す特性図
【図４】従来の銅含有アルミニウム膜配線のパターン形成方法を示す工程断面図
【図５】従来の銅含有アルミニウム膜配線のエッチング方法を示す工程断面図
【図６】ICP(誘導型結合プラズマ)エッチング装置の概要図
【図７】従来のアルミニウム膜の形状を示す断面図
【図８】従来のアルミニウム膜の形状を示す断面図
【図９】従来のアルミニウム膜の形状を示す断面図
【符号の説明】
【００３６】
１  シリコン基板
２  絶縁層(酸化膜)
３  TiN/Ti膜
４  AlCu膜
５  TiN/Ti膜
６  レジスト膜
７  TiN/Ti/AlCu/TiN/Ti膜
８  銅残さ
３１  反応室アルマイト材インナーカバー
３２  ウエハー
３３  下部電極
３４  誘導結合コイル
３５  高周波電源
３６  バイアス電源
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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