(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ系金属層及びＴｉＮ系導電層からなる積層を塩素系ガスを用いてプラズマエッチングする際に活性種の発光をモニターし、その発光強度の変化に基づいてＡｌ系金属層及びＴｉＮ系導電層のエッチング終点を検出するエッチング終点検出方法であって、
前記積層を塩素系ガスを用いてプラズマエッチングする際に生成される反応生成物を透過する７５４．７〜８３７．６ｎｍの波長の光をモニターし、
前記積層をプラズマエッチングする際に前記活性種の発光として単一波長の光をモニターすることを特徴とするエッチング終点検出方法。
【請求項２】
前記積層をプラズマエッチングする際に前記活性種の発光として塩素及び窒素のうち少なくとも一方の発光をモニターすることを特徴とする請求項１記載のエッチング終点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ａｌ合金層、ＴｉＮ層又はこれらの層の積層等のプラズマエッチングに用いるに好適なエッチング終点検出方法に関し、特に波長が３９６．２ｎｍより長い活性種の発光をモニターしてその発光強度の変化からエッチング終点を検出することにより反応生成物による汚れの影響を受けにくい終点検出を可能にしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エッチングを自動で精度良く行なうためには、エッチングの終点（被エッチング膜が基板表面からエッチング除去される時点）を判定又は検出する必要がある。従来、エッチング終点検出方法としては、（１）反応ガス種の濃度変化から検出する方法、（２）エッチング反応生成物の濃度変化から検出する方法、（３）被エッチング膜の厚さの変化から検出する方法、（４）エッチング終了に伴う物理量（例えば、電極の自己バイアス電圧）の変化から検出する方法、（５）発光分析法、（６）質量分析法、（７）レーザ干渉法等が知られている（例えば、月刊Semiconductor  World  １９８５年１０月号、ｐｐ．１５５−１５９参照）。これらの方法のうち、市販のプラズマエッチング装置において最も多用されているのが発光分析法である。発光分析法は、エッチング反応により生成又は消費される活性種の発光をモニターし、その発光強度の変化（増加又は減少）からエッチング終点を検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、Ａｌ合金層のプラズマエッチングにおいては、ＡｌＣｌ（波長２６１．４ｎｍ）の発光又はＡｌ（波長３９４．４ｎｍ又は３９６．２ｎｍ）の発光をモニターしてエッチング終点の検出を行なう発光分析法が一般に用いられている。しかしながら、これらの波長の光は、Ａｌ合金等を塩素系ガス（例えば、Ｃｌ２／ＢＣｌ３等の塩素含有ガス）のプラズマでエッチングする際に生ずる反応生成物に対する透過率が低いので、エッチング反応室の終点検出窓に付着した反応生成物の膜厚が厚くなってくると、発光分析システムに入射する光の強度が低下し、エッチング終点の検出が困難となる。
【０００４】
このようにエッチング終点の検出が困難になったときは、プラズマエッチング装置を一旦稼動停止とし、エッチング反応室の内壁に付着した反応生成物を除去するためのウエットクリーニングを行なう。この後、再びプラズマエッチング装置を稼動させる。従って、従来法によると、ウエットクリーニングの頻度が高く、プラズマエッチング装置のダウンタイムが長くなる不都合があった。
【０００５】
この発明の目的は、反応生成物による汚れの影響を受けにくい新規なエッチング終点検出方法を提供することにある。
【０００６】
この発明に係るエッチング終点検出方法は、Ａｌ系金属層及びＴｉＮ系導電層からなる積層を塩素系ガスを用いてプラズマエッチングする際に活性種の発光をモニターし、その発光強度の変化に基づいてＡｌ系金属層及びＴｉＮ系導電層のエッチング終点を検出するエッチング終点検出方法であって、前記積層を塩素系ガスを用いてプラズマエッチングする際に生成される反応生成物を透過する７５４．７〜８３７．６ｎｍの波長の光をモニターし、前記積層をプラズマエッチングする際に前記活性種の発光として単一波長の光をモニターすることを特徴とするものである。
【０００７】
発明者の研究によれば、Ａｌ合金層とＴｉＮ層との積層を塩素系ガスのプラズマでエッチングする際に生成される反応生成物については、短い波長の光よりも長い波長の光の方が透過率が高いことが判明した。従って、長波長の発光をモニターし、その発光強度の変化からエッチング終点を検出すれば、反応生成物による終点検出窓の汚れにさほど影響を受けずに安定したエッチング終点検出が可能となる。
【０００８】
この発明に係るエッチング終点検出方法においては、Ａｌ系金属層のプラズマエッチング時に活性種の発光として塩素の発光をモニターしたり、ＴｉＮ系導電層のプラズマエッチング時又はＡｌ系金属層とＴｉＮ系導電層との積層のプラズマエッチング時に活性種の発光として塩素及び窒素のうち少なくとも一方の発光をモニターしたりしてもよい。このようにすると、後述する多数の波長の光の中から適切なモニター光を選択することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明の実施に用いられる誘導結合型プラズマエッチング装置１０及び発光分析システム２６を示すものである。
【００１０】
プラズマエッチング装置１０において、エッチング反応室１０Ａの底部には、被処理ウエハ１２を保持する底部電極１４が設けられている。反応室１０Ａの上部開口は、誘電体プレート１６で閉じられており、誘電体プレート１６の近傍には、誘導コイル１８が設けられている。誘導コイル１８には、第1の高周波電源２０から１３．５６ＭＨｚのプラズマ形成用高周波電力が供給され、底部電極１４には、第２の高周波電源２２から１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電力が供給される。図示しないガス循環系により反応室１０Ａ内にエッチングガスを流通させつつ高周波電源２０から誘導コイル１８に所定量の高周波電力を供給することにより被処理ウエハ１２の上方にプラズマ２４を発生させることができる。
【００１１】
反応室１０Ａにおいてプラズマ２４の形成位置の側方には、終点検出窓１０ａが設けられている。終点検出窓１０ａは、プラズマ２４中から活性種の発光を取出すために設けられたものである。
【００１２】
発光分析システム２６において、終点検出窓１０ａからの光は、レンズ２８を介して分光器３０に入射する。分光器３０は、入射光のうちから所定の１又は複数の波長の光を抽出するもので、抽出された光は、光電変換器３２により電気信号に変換される。光電変換器３２から送出される電気信号は、増幅器３４により増幅され、レコーダ３６により図５に例示するように記録される。
【００１３】
図２〜４は、この発明の一応用例として配線形成プロセスを示すものである。
【００１４】
図２の工程では、シリコンからなる半導体基板４０を覆うシリコンオキサイド（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜４２の上に配線材層４４を形成する。配線材層４４としては、下から順にＴｉＮ層（バリア層）４４ａ、ＡｌＣｕ合金層４４ｂ及びＴｉＮ層（反射防止層）４４ｃをスパッタ法等により形成する。
【００１５】
次に、図３の工程では、周知のホトリソグラフィ処理により所定の配線パターンに従って配線材層４４の上にレジスト層４６を形成する。
【００１６】
次に、図４の工程では、図１の装置１０を用い且つレジスト層４６をマスクとして配線材層４４を選択的にプラズマエッチングすることにより配線材層４４の残存部からなる配線層４４Ａを形成する。この後、レジスト層４６をアッシング等により除去する。
【００１７】
図4の工程におけるプラズマエッチングでは、図3の基板４０を被処理ウエハ１２として反応室１０Ａ内に挿入し、底部電極１４上に載置する。一例として、プラズマエッチングは、（ａ）ブレークスルーエッチング、（ｂ）メインエッチング、（ｃ）ＴｉＮ層（バリア層）エッチング、（ｄ）オーバーエッチングの順に行ない、（ａ）〜（ｄ）の各ステップのエッチング条件は、次のように設定した。
【００１８】
ブレークスルーエッチングの条件は、
圧力：１０ｍＴｏｒｒ
電源２０の供給電力：３５０Ｗ
電源２２の供給電力：１５０Ｗ
ガス流量：Ｃｌ２／ＢＣｌ３／Ａｒ＝４０／６０／４０ｓｃｃｍ
エッチング時間：２０秒（固定）
とした。
【００１９】
メインエッチングの条件は、
圧力：１０ｍＴｏｒｒ
電源２０の供給電力：８００Ｗ
電源２２の供給電力：１３０Ｗ
ガス流量：Ｃｌ２／ＢＣｌ３／ＣＨＦ３＝１２０／６０／５ｓｃｃｍ
とした。
【００２０】
ＴｉＮ層（バリア層）エッチングの条件は、
圧力：１０ｍＴｏｒｒ
電源２０の供給電力：３５０Ｗ
電源２２の供給電力：１５０Ｗ
ガス流量：Ｃｌ２／ＢＣｌ３／ＣＨＦ３＝３０／５０／５ｓｃｃｍ
とした。
【００２１】
オーバーエッチングの条件は、
圧力：１０ｍＴｏｒｒ
電源２０の供給電力：３００Ｗ
電源２２の供給電力：１００Ｗ
ガス流量：Ｃｌ２／ＢＣｌ３／ＣＨＦ３＝５０／５０／５ｓｃｃｍ
とした。
【００２２】
上記したメインエッチングでは、発光分析システム２６により図５に示すように波長７０３ｎｍの発光をモニターし、その発光強度の増加からＡｌＣｕ層４４ｂのエッチング終点を検出し、この終点検出に応じて上記したＴｉＮ層（バリア層）エッチングに移行した。また、上記したＴｉＮ層（バリア層）エッチングでは、発光分析システム２６により図５に示すように波長８３７．６ｎｍの発光をモニターし、その発光強度の増加からＴｉＮ層４４ａのエッチング終点を検出し、この終点検出に応じて上記したオーバーエッチングに移行した。
【００２３】
このようなエッチング終点検出を可能にするため、上記のような配線形成プロセスに先立って、図３に示したものと同様の構成の多数のサンプルについて上記したと同様の条件でプラズマエッチングを行なうと共に発光分析システム２６にてモニター波長を変更して図５に例示したような発光強度変化を示す波形を記録した。そして、モニター波長毎に記録波形に基づいてＡｌＣｕ合金層４４ｂのエッチング終点近傍の発光強度変化と、ＴｉＮ層４４ａのエッチング終点近傍の発光強度変化とを求めた。その結果を次の表１に示す。
【００２４】
【表１】
0004193288.tif 000002
表１には、モニター波長のうち活性種が判明しているものについては活性種を示した。また、発光強度の変化に基づいてエッチング終点の判定が可能な被エッチング膜を「Ａｌ合金」、「ＴｉＮ」のように示した。
【００２５】
一方、波長７０３ｎｍの光をＡｌＣｕ合金層のエッチング終点検出に用いると共に波長８３７．６ｎｍの光をＴｉＮ層のエッチング終点検出に用いる本発明の場合と、波長２６１．４ｎｍの光をＡｌＣｕ合金層及びＴｉＮ層のエッチング終点検出に用いる従来技術の場合と、波長３９４ｎｍの光をＡｌＣｕ合金層及びＴｉＮ層のエッチング終点検出に用いる他の従来技術の場合とでウエットエッチングサイクルを比較するため、図3に示したものと同様の構成の多数のサンプルについて上記したと同様の条件でプラズマエッチングを行なうと共に発光分析システム２６により発光強度変化を示す波形を記録した。ここで、ウエットエッチングサイクルとは、エッチング反応室１０Ａにウエットエッチングを施す必要が生じたウエハ処理枚数のことであり、比較結果を次の表２に示す。
【００２６】
【表２】
0004193288.tif 000003
本発明の場合において６５００ウエハでウエットクリーニングを実施したのは、エッチング終点検出以外の問題に対処するためである。本発明によれば、従来技術に比べてウエットクリーニングサイクルが２〜３倍になることがわかる。
【００２７】
Ａｌ合金層等のＡｌ系金属層を塩素系ガスのプラズマでエッチングする際にエッチング終点検出用モニター光として使用可能な光の波長を活性種と共に示すと、次の表3の通りである。
【００２８】
【表３】
0004193288.tif 000004
ＴｉＮ層等のＴｉＮ系導電層を塩素系ガスのプラズマでエッチングする際又はＡｌ系金属層とＴｉＮ系導電層との積層を塩素系ガスのプラズマでエッチングする際にエッチング終点検出用モニター光として使用可能な光の波長を活性種と共に示すと、次の表４の通りである。
【００２９】
【表４】
0004193288.tif 000005
この発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、種々の改変形態で実施可能なものである。例えば、次のような変更が可能である。
【００３０】
（１）Ａｌ合金層としては、ＡｌＣｕ合金層を示したが、ＡｌＳｉＣｕ合金層等も使用可能である。また、Ａｌ系金属層としては、Ａｌ合金層に限らず、Ａｌ層も使用可能である。
【００３１】
（２）ＴｉＮ系導電層としては、ＴｉＮ層に限らず、ＴｉＯＮ層も使用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、Ａｌ系金属層及びＴｉＮ系導電層からなる積層を塩素系ガスのプラズマでエッチングする際に波長が前記積層を塩素系ガスを用いてプラズマエッチングする際に生成される反応生成物を透過する７５４．７〜８３７．６ｎｍの波長の光をモニターし、その発光強度の変化からエッチング終点を検出するようにしたので、反応生成物による汚れの影響を受けにくい終点検出が可能となる。従って、エッチング反応室に施すウエットクリーニングの頻度が低くなり、プラズマエッチング装置のダウンタイム低減が可能となる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施に用いられるプラズマエッチング装置及び発光分析システムを示す図である。
【図２】  この発明の一応例としての配線形成プロセスにおける配線材層形成工程を示す基板断面図である。
【図３】  図２の工程に続くレジスト層形成工程を示す基板断面図である。
【図４】  図３の工程に続くプラズマエッチング工程を示す基板断面図である。
【図５】  発光分析システムで記録された発光強度の変化を示す波形図である。
【符号の説明】
１０：プラズマエッチング装置、２６：発光分析システム、４４ａ，４４ｃ：ＴｉＮ層、４４ｂ：ＡｌＣｕ合金層。
【図１】
0004193288.tif 000006
【図２】
0004193288.tif 000007
【図３】
0004193288.tif 000008
【図４】
0004193288.tif 000009
【図５】
0004193288.tif 000010