JP4559565B2 - 金属配線の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に低抵抗の配線として用いる、銅を主成分とする金属配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、配線抵抗を小さくするために、配線材料に銅を用いた半導体装置が求められている。特に、銅を主成分とする金属配線を有する半導体装置の配線形成法として埋め込み配線（ダマシン）プロセスが用いられている。
【０００３】
以下、従来の銅配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図９（ａ）〜図９（ｄ）は従来の銅配線の形成方法における工程順の断面構成を示している。まず、図９（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に、銅配線１０３をその周囲が絶縁膜１０２により覆われるように形成する。続いて、絶縁膜１０２上における銅配線１０３の上方に開口部１０４ａを有するレジストパターン１０４を形成する。
【０００５】
次に、図９（ｂ）に示すように、フッ素を含むガスによるプラズマドライエッチング法を用い、レジストパターン１０４をマスクとして絶縁膜１０２に対してエッチングを行なって、絶縁膜１０２に銅配線１０３を露出する開口部１０４ｂを形成する。ここで、レジストパターン１０４はその露出部分がプラズマドライエッチングによりダメージを受けて硬化する。また、プラズマドライエッチングは異方性であるため、レジストパターン１０４の上面及び開口部１０４ｂの壁面上には堆積物１０５が堆積している。
【０００６】
次に、図９（ｃ）に示すように、半導体基板１０１の温度を２００℃程度に設定して、酸素ガスによるアッシングを行ない、続いて有機洗浄等を行なってレジストパターン１０４を除去することにより、絶縁膜１０２における銅配線１０３上に開口部１０２ａを形成する。
【０００７】
次に、図９（ｄ）に示すように、絶縁膜１０２上に、開口部１０２ａの底面及び壁面を含めて配線１０７を形成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の銅配線の形成方法は、レジストパターン１０４に対するアッシングを２００℃前後の温度で行なうため、銅配線１０３の露出部に酸化銅層１０３ａが厚く形成される。この厚く形成された酸化銅層１０３ａが銅配線１０３と配線１０７との間に介在するため、銅配線１０３と配線１０７との間の配線抵抗が上昇するという問題がある。また、酸化銅層１０３ａが形成された銅配線１０３は導電部分が酸化により減少するため、銅配線１０３の配線抵抗自体も上昇する。
【０００９】
さらに、アッシング工程において形成される堆積物残さ１０５ａが絶縁膜１０２の上面及び開口部１０２ａの壁面上に残存するため、製造工程中の配線に対する不良若しくは汚染又は半導体装置の信頼性の低下を引き起こすという問題がある。一般に、絶縁膜１０２に対するプラズマドライエッチングはフッ素を含むガスを用いて行なうことが多く、一方、酸素ラジカル成分のみによるアッシング処理では、ドライエッチングによって表面が硬化したレジストパターン１０４や堆積物１０５は除去し難い。このため、絶縁膜１０２の上面及び開口部１０４ｂの壁面上には、堆積した堆積物残さ１０５ａが形成される。この堆積物残さ１０５ａはその後の洗浄工程においても容易には除去できない。さらに、堆積物残さ１０５ａにはフッ素が含まれることが多く、半導体基板１０１上に堆積物残さ１０５ａを放置すると、この残留フッ素が大気中の水分と結合してフッ酸やフッ化物を形成し、銅配線１０３を腐食したり異常酸化したりする。
【００１０】
従来はレジストパターン１０４及び堆積物１０５を除去する場合にもスループットを高めるために、レジストアッシングを、特に基板温度を考慮することなく２００℃以上の高温で行なっている。このような高温下で銅配線１０３を酸素プラズマにさらすと銅表面に酸化が進行する。このときの銅配線１０３における酸化による膜厚の膜減り量とアッシング時における半導体基板１０１の温度との相関は明らかにされていない。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、レジストのアッシング時に、銅を含む金属配線の酸化を防止できるようにすることを第１の目的とし、レジストアッシングのスループットを向上させることを第２の目的とし、露出した金属配線の酸化や腐食の進行を防止することを第３の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、銅を主成分とする金属配線（以下、銅配線と呼ぶ。）の酸化による膜厚の膜減り量とアッシング時における半導体基板の温度との相関関係を調べる実験を行ない、以下のような知見を得ている。すなわち、図１（ａ）に示すように、酸化による銅配線の膜厚の膜減り量はアッシング時の基板温度が１２０℃付近から急激に上昇するということ。このことから、図１（ｂ）に示すように、配線抵抗もまた１２０℃付近から急激に増大するという知見である。
【００１３】
従って、図１（ａ）及び図１（ｂ）から、銅配線の酸化に起因する配線抵抗の上昇を抑制するためには、基板温度が１２０℃以下の温度条件下でアッシングを行なうことが必須となる。
【００１４】
ここで、配線抵抗の上昇を抑えるために基板温度を下げるとスループットが低下するが、工業的利用を考慮すると望ましくない。一方、レジストアッシングの目的はレジストパターンと、絶縁膜に対してドライエッチングにより開口部を形成した際に生じる堆積物とを除去することとにあり、レジストパターン及び堆積物は共に炭素（Ｃ）を主成分とする有機物であるため、これらの有機物を効率良く除去するにはフッ素系のガスを用いることが考えられる。しかし、後述するように、フッ素を含むガスを単純に導入しただけでは、銅配線を露出させる工程から次工程に移行するまでの間にも、残留フッ素により、露出した銅配線に酸化又は腐食が進行して銅配線に悪影響を与えることとなる。
【００１５】
このような残留フッ素は純水等の親水性の溶液を用いて洗浄することにより容易に除去できる。但し、枚葉式又はカセット方式のアッシング装置の場合には、最初に処理したウエハがカセットに収納されてから、最後に処理したウエハが取り出され、収納されるまでの間に放置されることとなる。このような短時間においても、露出した銅配線は酸化や腐食が進行してしまうため、酸化又は腐食の進行を抑えることも必要となる。
【００１６】
具体的に、本発明に係る第１の金属配線の形成方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に銅を含む金属配線を形成する金属配線形成工程と、基板上に金属配線を覆う絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜上に、金属配線の上方の領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、絶縁膜に対してドライエッチングを行なうことにより、開口部に金属配線を露出させる金属配線露出工程と、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するレジストアッシング工程とを備えている。
【００１７】
第１の金属配線の形成方法によると、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するため、金属配線の露出部分の酸化が抑制されるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００１８】
本発明に係る第２の金属配線の形成方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に銅を含む金属配線を形成する金属配線形成工程と、基板上に、金属配線を覆う第１の絶縁膜及び該第１の絶縁膜を覆う第２の絶縁膜を順次形成する絶縁膜形成工程と、第２の絶縁膜上に、金属配線の上方の領域に第１の開口部を有するレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとし且つ第１の絶縁膜をエッチング停止膜として、第２の絶縁膜に対してドライエッチングを行なうことにより、第２の絶縁膜における金属配線の上方の領域に第１の絶縁膜を露出する第２の開口部を形成する絶縁膜パターニング工程と、レジストパターンをマスクとして、第２の開口部に露出する第１の絶縁膜を除去することにより、第２の開口部に金属配線を露出させる金属配線露出工程と、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するレジストアッシング工程とを備えている。
【００１９】
第２の金属配線の形成方法によると、金属配線を覆う絶縁膜を２層構造とし、第１の絶縁膜を第２の絶縁膜のエッチング停止膜として用いる場合であっても、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するため、金属配線の露出部分の酸化が抑制されるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００２０】
第１又は第２の金属配線の形成方法において、レジストアッシング工程は、プラズマ化された反応性ガスを用いるプラズマアッシング工程であることが好ましい。このようにすると、レジストパターンを効率よく確実に除去できる。
【００２１】
この場合に、プラズマアッシング工程が、酸素とフッ素とを含む反応性ガスを用いてアッシングを行なう第１のアッシング工程と、第１のアッシング工程の後に、酸素を含み且つフッ素を含まない反応性ガスを用いてアッシングを行なう第２のアッシング工程とを含むことが好ましい。このようにすると、前記第２又は第３の目的が達成され、第１のアッシング工程においては、反応性ガスに反応性が高いフッ素を含むため、硬化したレジスト膜や残留した堆積物を効率良く除去できる。さらに、第２のアッシング工程においては、反応性ガスにフッ素が含まれないため、金属配線の露出部分やアッシング室にフッ素が残留しなくなる。その結果、金属配線の酸化や腐食が防止される。
【００２２】
この場合に、フッ素を含む反応性ガスが、ＣＦ4 、ＮＦ3 、ＣＨＦ3 、Ｃ5 Ｆ8 及びＣ3 Ｆ6 のうちの少なくとも１つからなることが好ましい。
【００２３】
この場合に、第１のアッシング工程における酸素に対するＣＦ4 の流量比が、約１．０％以下であることが好ましい。このようにすると、後述するように、絶縁膜のエッチング速度に対するレジストアッシングの速度比の値が大きくなるため、絶縁膜の形状変化を抑えながらスループットを向上させることができる。
【００２４】
第１又は第２の金属配線の形成方法は、金属配線露出工程とレジストアッシング工程との間に、金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらすことにより、金属配線の露出部分の酸化を防止する金属配線酸化防止工程をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、前記第３の目的が達成され、金属配線の露出部分の酸化又は腐食の進行が抑制される。すなわち、銅を含む金属の表面が乾燥した気流にさらされると、表面に残留するフッ素が雰囲気中の水分と結合しなくなるため、フッ酸又はフッ化物の形成が抑制されるので、金属配線の腐食又は異常酸化を防止できる。この金属配線酸化防止工程は、金属配線を露出した状態で放置する時間が長い場合には特に有効である。
【００２５】
第１又は第２の金属配線の形成方法は、レジストアッシング工程よりも後に、金属配線が形成された基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、レジストアッシング工程から洗浄工程に移行するまでの間に、金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらすことにより、金属配線の露出部分の酸化を防止する金属配線酸化防止工程とをさらに備えていることが好ましい。このようにすると、前記第３の目的が達成され、工程の移行中にもフッ酸又はフッ化物の形成が抑制されるため、金属配線の腐食又は異常酸化を防止できる。
【００２６】
第１又は第２の金属配線の形成方法は、レジストアッシング工程の後に、金属配線が形成された基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、洗浄した基板を乾燥する乾燥工程とをさらに備えていることが好ましい。このようにすると、前記第３の目的が達成される。すなわち、従来はレジストアッシング工程の後に有機溶媒等を用いた基板洗浄を行なっているが、本発明のように親水性の液体により洗浄することによって基板表面に残留するフッ素が除去されるため、金属配線の腐食又は異常酸化を防止できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
各実施形態における銅配線は、埋め込み配線プロセス等で用いられ、表面が容易に酸化される材料からなり、従って、銅配線は、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）又はその他の不純物を含む材料からなる。
【００２８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は本実施形態に係る金属配線の形成方法における工程順の断面構成を示している。まず、図２（ａ）に示すレジストパターン形成工程において、例えば、シリコンからなる半導体基板１１上に、銅配線１３をその周囲が酸化シリコンからなる絶縁膜１２により覆われるように形成する。続いて、絶縁膜１２上における銅配線１３の上方に開口部１４ａを有するレジストパターン１４を形成する。
【００３０】
次に、図２（ｂ）に示す金属配線露出工程において、例えば、四フッ化炭素（ＣＦ4 ）のようなフッ素を含むガスによるプラズマドライエッチング法により、絶縁膜１２に対してレジストパターン１４をマスクとするエッチングを行なって、絶縁膜１２に銅配線１３を露出する開口部１４ｂを形成する。ここで、レジストパターン１４はその露出部分がプラズマドライエッチングによりダメージを受けて硬化する。さらに、プラズマドライエッチングは異方性であるため、レジストパターン１４の上面及び開口部１４ｂの壁面上には堆積物１５が堆積する。
【００３１】
次に、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程において、開口部１４ｂが形成された基板１１をアッシング装置のアッシング室（図示せず）に投入する。ここでは、アッシング条件として、基板温度を１００℃とし、チャンバ圧力を約２００Ｐａとし、酸素ガスの流量を約１．０ｓｌｍ（標準リットル／分）とし、放電時間を約９分間とする。プラズマ発生源にはマイクロ波電源を用い、その電力は約１０００Ｗとしている。この条件下で、レジストパターン１４に対してアッシングを行なうと、銅配線１３における開口部１２ａに露出する露出部分には従来のような酸化銅層が形成されることがなく、銅配線１３を確実に露出させることができる。
【００３２】
次に、図２（ｄ）に示す上層配線形成工程において、絶縁膜１２上に、開口部１２ａが充填されるように上層配線１６を形成する。以後、必要に応じて次の配線層又はパッシベーション膜等を形成する。
【００３３】
このように、第１の実施形態によると、レジストアッシング工程において、銅配線１３の露出部分における酸化銅層の形成を防止できるため、銅配線１３の配線抵抗の上昇を抑止できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００３５】
第１の実施形態では、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程において、基板温度を１００℃程度としているため、アッシングの速度が比較的遅くなり、スループットが低下することにもなる。また、反応性ガスに酸素を用いているため、酸化シリコンからなる絶縁膜１２はエッチングされない。このため、図２（ｂ）に示す金属配線露出工程で形成される堆積物１５がリフトオフされず、堆積物残さが発生することも考えられる。
【００３６】
そこで、本実施形態では、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程を、処理時間を短縮すると共に堆積物残さを除去するため、フッ素を添加した反応性ガスを用いて硬化したレジストや堆積物残さを効率良く除去する第１のアッシング工程と、酸素のみからなる反応性ガスを用いる第２のアッシング工程とからなる２段階の工程とする。
【００３７】
以下、第１のアッシング工程及び第２のアッシング工程を順に説明する。
【００３８】
まず、第１のアッシング工程において、反応性ガスの酸素にフッ素を添加すると、被アッシング物であるレジストパターン１４及び堆積物１５はいずれも炭素原子を多く含む有機物からなるため、添加されたフッ素原子が炭素原子と反応してレジスト膜の分解が加速するので、アッシングの速度が上がる。
【００３９】
また、第１のアッシング工程において、レジストパターン１４が除去された後もアッシング処理を続けると、前工程のドライエッチングにより形成された堆積物１５をリフトオフしながら除去できるため、堆積物残さの発生を防止できる。
【００４０】
本実施形態においては、フッ素を含むガスとして、ＣＦ4 を用いたが、ＮＦ3 、ＣＨＦ3 、Ｃ5 Ｆ8 又はＣ3 Ｆ6 等を用いることができる。将来的には、地球温暖化係数ＧＷＰが小さい等、種々の観点からＣ5 Ｆ8 又はＣ3 Ｆ6 等が望ましい。
【００４１】
次に、第１のアッシング工程における酸素に対するＣＦ4 の流量比の最適値を説明する。図３は酸素に対するＣＦ4 の流量比とレジストアッシング速度との関係を示し、図４は酸素に対するＣＦ4 の流量比と絶縁膜（シリコン酸化膜）のエッチング速度との関係を示している。図３に示すように、酸素に対するＣＦ4 の流量比が１．０％程度までは急激にレジストアッシングの速度が大きくなるが、それ以上はほぼ飽和してしまうことが分かる。一方、図４に示すように、酸素に対するＣＦ4 の流量比にほぼ比例してシリコン酸化膜のエッチング速度が増加することが分かる。なお、ここでは、反応性ガスの流量以外のアッシング条件は第１の実施形態と同等としている。
【００４２】
図５は、図３及び図４の関係に基づいて、酸素に対するＣＦ4 の流量比と、シリコン酸化膜のエッチング速度に対するレジストアッシング速度比との関係を計算により求めた結果を示している。図５に示すように、レジストアッシング速度比の値が最も大きくなるのは酸素に対するＣＦ4 の流量比が約１．０％以下のときであることが分かる。
【００４３】
以上のことから、堆積物１５をリフトオフさせる場合に、絶縁膜１２及びその開口部１２ａの形状変化を最も低減できるのは、酸素に対するＣＦ4 の流量比が約１．０％以下のときであることが分かる。また、アッシング室の構成部材には石英（＝シリコン酸化物）が用いられることが多く、絶縁膜１２と同等の組成であるため、該構成部材の消耗を低減する効果も期待できる。
【００４４】
このように、レジストアッシングを行なう際の反応性ガスにフッ素を含むガスを添加してアッシングを行なうと、基板温度が１００℃程度と低い場合であっても、堆積物残さが生じないため、短時間で効率良くアッシングを行なえる。
【００４５】
実験によれば、図３に示すように、酸素の流量を約１ｓｌｍとし、ＣＦ4 の流量を約５×１０-3ｓｌｍ、すなわち、酸素に対するＣＦ4 の流量比を約０．５％とすると、アッシングレートは約２００ｎｍ／分となり、酸素のみの場合よりも約４倍速くなる。
【００４６】
ところが、レジストアッシング工程を第１のアッシング工程のみとし、続いて、上層配線１６を形成する実験を行なったところ、コンタクト抵抗が極めて高いサンプルが数多くみられた。この現象を詳細に検討したところ、ホールサイズが小さい場合には十分にコンタクト抵抗が小さく、逆にホールサイズが大きい場合にはコンタクト抵抗が極めて大きく、ほとんど配線として使用できないようなものも観察されている。通常は、ホールサイズが大きい方がコンタクト抵抗は小さくなり、逆にホールサイズが小さい方がコンタクト抵抗は高くなるはずである。
【００４７】
本願発明者らは、この原因を次のように考えている。
（１） ホールサイズが大きい場合にはマイクロローディング効果によって、エッチングレートが大きくなり、銅配線１３が露出するまでの時間が短くなること。逆に、ホールサイズが小さい場合には銅配線１３が露出するまでの時間が長くなる。
（２） 本実験に用いたアッシングガスはフッ素を含むため、先に銅配線１３が露出した方がより長時間フッ素ガスにさらされること。
（３） フッ素原子が露出した銅配線１３やアッシング室内に吸着して残留すること。その後、アッシング室を大気開放して半導体基板１１をアッシング室外へ搬送し、大気中に放置すると、残留フッ素が大気中の水分と結合してフッ酸やフッ化物を形成し、このフッ酸やフッ化物が銅配線１３を腐食又は異常酸化に至らせること。
【００４８】
そこで、半導体基板１１やアッシング室の内壁等に残留したフッ素を除去するため、第１のアッシング工程に続いて、第２のアッシング工程として第１のアッシング工程からの連続放電で且つ酸素のみからなる反応性ガスを用いたレジストアッシングを行なう。
【００４９】
図６は第２のアッシング工程における残留フッ素の除去効果を確認するための、一連の工程における半導体基板１１上の残留フッ素量をイオンクロマトグラフィ法により測定した実験結果を示している。図６に示すように、金属配線露出工程におけるプラズマドライエッチング直後の残留フッ素量は１ウエハ当たり２００μｇであり、レジストアッシング工程における第１のアッシング工程の直後の残留フッ素量は１ウエハ当たり１００μｇであり、第２のアッシング工程の直後においては残留フッ素量が１ウエハ当たり５０μｇまで低減している。
【００５０】
このように、第１のアッシング工程のみでは、使用するフッ素がアッシング室や露出した銅配線１３等に残留するおそれがあり、第２のアッシング工程は、このような残留フッ素を除去するための極めて有効な手段となる。
【００５１】
以上の実験により得られた種々の知見に基づき、本実施形態におけるレジストのアッシング条件は、半導体基板１１の基板温度を約１００℃とし、チャンバ圧力を約２００Ｐａとし、プラズマ発生源としてマイクロ波電源を用い、その電力は約１０００Ｗとしている。第１のアッシング工程における酸素の流量は約１ｓｌｍとし、ＣＦ4 の流量は約５×１０-3ｓｌｍ（酸素に対するＣＦ4 の流量比が約０．５％）とし、放電時間は約２分間としている。続く、第２のアッシング工程は、第１のアッシング工程と同一のアッシング室において、酸素の流量を約１ｓｌｍとし、約１分間の放電を行なう。
【００５２】
このように、本実施形態によると、第１のアッシング工程において、反応性ガスにＣＦ4 等のフッ素を含むガスを添加することにより、基板温度を１００℃程度に下げてもアッシングのレートが低下することがないため、スループットの低下が抑えられる。さらに、プラズマドライエッチングにより硬化したレジストパターンやプラズマドライエッチングにより生じた堆積物を残さとして残すことなく除去できる。次の第２のアッシング工程においては、第１のアッシング工程で生じる残留フッ素を低減できるため、銅配線の腐食又は異常酸化を抑止できるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００５３】
なお、第２のアッシング工程は、第１のアッシング工程と比べて多少のオーバーアッシングを行なってもよい。それは、第１のアッシング工程におけるアッシングが不十分であったとしても、第２のアッシング工程でそれを補えるためであり、プロセスマージンに余裕ができるからである。
【００５４】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態を前提として、露出した銅配線１３の酸化等を防止するための新たな工程を追加している。
【００５５】
図２（ｂ）に示すように、絶縁膜１２に開口部１４ｂを形成して銅配線１３を露出させた状態のまま、通常のクリーンルーム等の環境下（例えば、気温が２３℃程度で湿度が５０％程度）で長時間放置すると、半導体基板１１の表面の残留フッ素が大気中の水分と結合して、フッ酸やフッ化物を形成し、露出した銅配線１３を腐食又は異常酸化に至らせる。例えば、半導体基板１１を収納するためのカセットケースに図２（ｂ）に示す状態の半導体基板１１を入れて密封すると、クリーンルーム等の環境であっても１時間程度で腐食が生ずる。それは、図７に示したように、この段階における半導体基板１１上の残留フッ素量は１ウエハ当たり２００μｇにもなるからである。
【００５６】
そこで、本実施形態においては、図２（ｂ）に示すプラズマドライエッチングに続いて、この状態の半導体基板１１の上面を連続した気流にさらすことにより、銅配線１３における開口部１４ｂの露出部分に対する腐食や異常酸化を防止する金属配線酸化防止工程を設けることとする。該金属配線酸化防止工程に用いる気流は、例えば温度が２３℃程度で湿度が５０％程度の乾燥空気でよく、その流速は０．２５ｍ／ｓ〜０．４ｍ／ｓ程度であればよい。また、気流の方向は半導体基板１１の上面に対して平行でも垂直でもよい。
【００５７】
このような連続した気流下では半導体基板１１に残留するフッ素は大気中の水分と結合しなくなるため、フッ酸やフッ化物が形成されず、銅配線１３の腐食又は異常酸化が生じなくなる。
【００５８】
なお、この乾燥空気にさらす金属配線酸化防止工程は、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程の後にも行なうと良い。いずれの場合にも枚葉式等の製造装置において、最初のウエハの処理が終了してから最後のウエハの処理が完了するまでの間に待ち時間が発生するような場合等に有効となる。
【００５９】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００６０】
第２の実施形態で示した２段階のレジストアッシングを行なった場合であっても、図２（ｃ）に示す状態で、前述の金属配線酸化防止処理を施すことなく半導体基板１１を収納するカセットケース等に入れて密封し保管すると、クリーンルーム環境下、例えば気温が２３℃程度で湿度が５０％程度であれば、３時間程度で腐食が発生する。これは、図７に示したように、半導体基板１１の残留フッ素量が１ウエハ当たり５０μｇ程度あり、残留フッ素を完全には除去できていないからである。
【００６１】
確かに、レジストアッシング工程に続いて、半導体基板１１に連続した気流を当てながら該半導体基板１１を保管することにより、銅配線１３の腐食又は異常酸化を防止することはできる。しかしながら、装置の関係により、次のプロセスに移行するまでの間に乾燥気流を当てながら保管することが困難な又は不可能な場合もある。
【００６２】
そこで、本実施形態は、２段階のレジストアッシング工程の後に、半導体基板１１の上面を大量の純水等で洗浄する洗浄工程と、その後の乾燥処理を行なう乾燥工程とを設ける構成とする。
【００６３】
図７は本実施形態に係る一連の工程における半導体基板１１上の残留フッ素量をイオンクロマトグラフィ法により測定した結果を示している。図７に示すように、洗浄工程及び乾燥工程を経た後の半導体基板１１上の残留フッ素量は１ウエハ当たり１０μｇとなっている。
【００６４】
このように、本実施形態によると、半導体基板１１上の残留フッ素を大幅に低減できるため、次工程までの待ち時間が長くなっても、銅配線１３に腐食又は異常酸化が生じなくなる。
【００６５】
なお、図２（ｃ）に示す状態で半導体基板１１を長時間放置すると、露出部分には自然酸化膜が形成される。ただし、この自然酸化膜は容易に除去できるため、本質的な問題とならないことは言うまでもない。
【００６６】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００６７】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は本実施形態に係る金属配線の形成方法における工程順の断面構成を示している。本実施形態において、銅配線上に形成される絶縁膜がエッチング停止膜と層間絶縁膜とから構成されている。
【００６８】
まず、図８（ａ）に示す絶縁膜形成工程において、例えば、シリコンからなる半導体基板２１上に、酸化シリコンからなり上部に凹部を有する下部絶縁膜２２を形成した後、該凹部に配線材料を充填して銅配線２３を形成する。続いて、下部絶縁膜２２及び銅配線２３上に全面にわたって、第１の絶縁膜としての窒化シリコンからなるエッチング停止膜２４及び第２の絶縁膜としての酸化シリコンからなる上部絶縁膜２５を形成する。続いて、絶縁膜パターニング工程において、上部絶縁膜２５における銅配線２３の上方に開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。このレジストパターンをマスクとし且つエッチング停止膜をエッチングストッパとし、例えば、ＣＦ4 ガスによるプラズマドライエッチング法を用いて上部絶縁膜２５に対してエッチングを行なうことにより、上部絶縁膜２５に銅配線２３の上側に位置するエッチング停止膜２４を露出する開口部２５ａを形成する。
【００６９】
次に、図８（ｂ）に示す金属配線露出工程において、ライナーエッチングによりエッチング停止膜２４における開口部２５ａの露出部分を除去することによりエッチング停止膜２４に銅配線２３を露出する開口部２５ｂを形成する。このとき、開口部２５ｂの壁面等に堆積物２６が付着する。
【００７０】
次に、図８（ｂ）に示すレジストアッシング工程において、レジストパターン及び堆積物２６を除去するためのアッシングを行なう。ここで、前述の各実施形態に示した発明を適用することが可能である。すなわち、基板温度を１２０℃以下に保持しつつアッシングを行なう。
【００７１】
さらに、必要に応じて第２の実施形態のようにアッシング工程を酸素にフッ素を添加した反応性ガスによる第１のアッシング工程及び該第１のアッシング工程に続けて、酸素のみの反応性ガスによる第２のアッシング工程を行なう２段階とするとよい。これにより、開口部２５ｂの壁面等に付着した堆積物２６が除去された開口部２４ａを得ることができる。
【００７２】
また、銅配線２３が露出する時間が長い場合には、半導体基板２１に乾燥した空気からなる気流を当てることにより、銅配線２３の露出部分の酸化を抑制することができる。
【００７３】
次に、図８（ｄ）に示すように、上部絶縁膜２５上に、開口部２４ａが充填されるように上層配線２７を形成する。以後、必要に応じて次の配線層又はパッシベーション膜等を形成する。
【００７４】
【発明の効果】
本発明に係る金属配線の形成方法によると、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するため、金属配線の露出部分の酸化が抑制されるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００７５】
また、本発明の金属配線の形成方法において、アッシング工程が、プラズマアッシングであって、さらに、酸素とフッ素とを含む反応性ガスを用いてアッシングを行なう第１のアッシング工程と、第１のアッシング工程の後に、酸素を含み且つフッ素を含まない反応性ガスを用いてアッシングを行なう第２のアッシング工程とを含むと、第１のアッシング工程においては、反応性ガスに反応性が高いフッ素を含むため、堆積物を効率良く除去できる。第２のアッシング工程においては、反応性ガスにフッ素が含まれないため、金属配線の露出部分やアッシング室にフッ素が残留しなくなり、金属配線の酸化や腐食が防止される。
【００７６】
また、本発明の金属配線の形成方法が、金属配線露出工程とレジストアッシング工程との間、又はレジストアッシング工程から次工程に移行するまでの間に、金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらす金属配線酸化防止工程をさらに備えていると、残留フッ素が大気中の水分と結合することがなく、金属配線の露出部分の腐食や異常酸化を防止することができる。
【００７７】
また、本発明の金属配線の形成方法が、レジストアッシング工程の後に、金属配線が形成された基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、洗浄した基板を乾燥する乾燥工程とをさらに備えていると、半導体基板に残留するフッ素が除去され、金属配線の露出部分の腐食又は異常酸化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る金属配線の形成方法におけるレジストアッシング時の半導体基板温度と酸化による銅配線の膜減り量との相関関係を示すグラフである。
（ｂ）は本発明に係る金属配線の形成方法におけるレジストアッシング時の半導体基板温度と配線抵抗の上昇率との相関関係を示すグラフである。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る金属配線の形成方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における酸素に対するＣＦ4 の流量比とレジストアッシング速度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における酸素に対するＣＦ4 の流量比とシリコン酸化膜のエッチング速度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における酸素に対するＣＦ4 の流量比と、シリコン酸化膜のエッチング速度に対するレジストアッシング速度比との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における、工程ごとの半導体基板上の残留フッ素量を示したフローチャート図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る金属配線の形成方法における、工程ごとの半導体基板上の残留フッ素量を示したフローチャート図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る金属配線の形成方法を示す工程順の構成断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は従来の金属配線の形成方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
１１ 半導体基板
１２ 絶縁膜
１２ａ 開口部
１３ 銅配線（金属配線）
１４ レジストパターン
１４ａ 開口部
１４ｂ 開口部
１５ 堆積物
１６ 上層配線
２１ 半導体基板
２２ 下部絶縁膜
２３ 銅配線（金属配線）
２４ エッチング停止膜（第１の絶縁膜）
２４ａ
２５ 上部絶縁膜（第２の絶縁膜）
２５ａ 開口部
２５ｂ 開口部
２６ 堆積物
２７ 上層配線
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に低抵抗の配線として用いる、銅を主成分とする金属配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、配線抵抗を小さくするために、配線材料に銅を用いた半導体装置が求められている。特に、銅を主成分とする金属配線を有する半導体装置の配線形成法として埋め込み配線（ダマシン）プロセスが用いられている。
【０００３】
以下、従来の銅配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図９（ａ）〜図９（ｄ）は従来の銅配線の形成方法における工程順の断面構成を示している。まず、図９（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に、銅配線１０３をその周囲が絶縁膜１０２により覆われるように形成する。続いて、絶縁膜１０２上における銅配線１０３の上方に開口部１０４ａを有するレジストパターン１０４を形成する。
【０００５】
次に、図９（ｂ）に示すように、フッ素を含むガスによるプラズマドライエッチング法を用い、レジストパターン１０４をマスクとして絶縁膜１０２に対してエッチングを行なって、絶縁膜１０２に銅配線１０３を露出する開口部１０４ｂを形成する。ここで、レジストパターン１０４はその露出部分がプラズマドライエッチングによりダメージを受けて硬化する。また、プラズマドライエッチングは異方性であるため、レジストパターン１０４の上面及び開口部１０４ｂの壁面上には堆積物１０５が堆積している。
【０００６】
次に、図９（ｃ）に示すように、半導体基板１０１の温度を２００℃程度に設定して、酸素ガスによるアッシングを行ない、続いて有機洗浄等を行なってレジストパターン１０４を除去することにより、絶縁膜１０２における銅配線１０３上に開口部１０２ａを形成する。
【０００７】
次に、図９（ｄ）に示すように、絶縁膜１０２上に、開口部１０２ａの底面及び壁面を含めて配線１０７を形成する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の銅配線の形成方法は、レジストパターン１０４に対するアッシングを２００℃前後の温度で行なうため、銅配線１０３の露出部に酸化銅層１０３ａが厚く形成される。この厚く形成された酸化銅層１０３ａが銅配線１０３と配線１０７との間に介在するため、銅配線１０３と配線１０７との間の配線抵抗が上昇するという問題がある。また、酸化銅層１０３ａが形成された銅配線１０３は導電部分が酸化により減少するため、銅配線１０３の配線抵抗自体も上昇する。
【０００９】
さらに、アッシング工程において形成される堆積物残さ１０５ａが絶縁膜１０２の上面及び開口部１０２ａの壁面上に残存するため、製造工程中の配線に対する不良若しくは汚染又は半導体装置の信頼性の低下を引き起こすという問題がある。一般に、絶縁膜１０２に対するプラズマドライエッチングはフッ素を含むガスを用いて行なうことが多く、一方、酸素ラジカル成分のみによるアッシング処理では、ドライエッチングによって表面が硬化したレジストパターン１０４や堆積物１０５は除去し難い。このため、絶縁膜１０２の上面及び開口部１０４ｂの壁面上には、堆積した堆積物残さ１０５ａが形成される。この堆積物残さ１０５ａはその後の洗浄工程においても容易には除去できない。さらに、堆積物残さ１０５ａにはフッ素が含まれることが多く、半導体基板１０１上に堆積物残さ１０５ａを放置すると、この残留フッ素が大気中の水分と結合してフッ酸やフッ化物を形成し、銅配線１０３を腐食したり異常酸化したりする。
【００１０】
従来はレジストパターン１０４及び堆積物１０５を除去する場合にもスループットを高めるために、レジストアッシングを、特に基板温度を考慮することなく２００℃以上の高温で行なっている。このような高温下で銅配線１０３を酸素プラズマにさらすと銅表面に酸化が進行する。このときの銅配線１０３における酸化による膜厚の膜減り量とアッシング時における半導体基板１０１の温度との相関は明らかにされていない。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、レジストのアッシング時に、銅を含む金属配線の酸化を防止できるようにすることを第１の目的とし、レジストアッシングのスループットを向上させることを第２の目的とし、露出した金属配線の酸化や腐食の進行を防止することを第３の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者らは、銅を主成分とする金属配線（以下、銅配線と呼ぶ。）の酸化による膜厚の膜減り量とアッシング時における半導体基板の温度との相関関係を調べる実験を行ない、以下のような知見を得ている。すなわち、図１（ａ）に示すように、酸化による銅配線の膜厚の膜減り量はアッシング時の基板温度が１２０℃付近から急激に上昇するということ。このことから、図１（ｂ）に示すように、配線抵抗もまた１２０℃付近から急激に増大するという知見である。
【００１３】
従って、図１（ａ）及び図１（ｂ）から、銅配線の酸化に起因する配線抵抗の上昇を抑制するためには、基板温度が１２０℃以下の温度条件下でアッシングを行なうことが必須となる。
【００１４】
ここで、配線抵抗の上昇を抑えるために基板温度を下げるとスループットが低下するが、工業的利用を考慮すると望ましくない。一方、レジストアッシングの目的はレジストパターンと、絶縁膜に対してドライエッチングにより開口部を形成した際に生じる堆積物とを除去することとにあり、レジストパターン及び堆積物は共に炭素（Ｃ）を主成分とする有機物であるため、これらの有機物を効率良く除去するにはフッ素系のガスを用いることが考えられる。しかし、後述するように、フッ素を含むガスを単純に導入しただけでは、銅配線を露出させる工程から次工程に移行するまでの間にも、残留フッ素により、露出した銅配線に酸化又は腐食が進行して銅配線に悪影響を与えることとなる。
【００１５】
このような残留フッ素は純水等の親水性の溶液を用いて洗浄することにより容易に除去できる。但し、枚葉式又はカセット方式のアッシング装置の場合には、最初に処理したウエハがカセットに収納されてから、最後に処理したウエハが取り出され、収納されるまでの間に放置されることとなる。このような短時間においても、露出した銅配線は酸化や腐食が進行してしまうため、酸化又は腐食の進行を抑えることも必要となる。
【００１６】
具体的に、本発明に係る第１の金属配線の形成方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に銅を含む金属配線を形成する金属配線形成工程と、基板上に金属配線を覆う絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、絶縁膜上に、金属配線の上方の領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとして、絶縁膜に対してドライエッチングを行なうことにより、開口部に金属配線を露出させる金属配線露出工程と、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するレジストアッシング工程とを備えている。
【００１７】
第１の金属配線の形成方法によると、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するため、金属配線の露出部分の酸化が抑制されるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００１８】
本発明に係る第２の金属配線の形成方法は、前記第１の目的を達成し、基板上に銅を含む金属配線を形成する金属配線形成工程と、基板上に、金属配線を覆う第１の絶縁膜及び該第１の絶縁膜を覆う第２の絶縁膜を順次形成する絶縁膜形成工程と、第２の絶縁膜上に、金属配線の上方の領域に第１の開口部を有するレジストパターンを形成し、形成したレジストパターンをマスクとし且つ第１の絶縁膜をエッチング停止膜として、第２の絶縁膜に対してドライエッチングを行なうことにより、第２の絶縁膜における金属配線の上方の領域に第１の絶縁膜を露出する第２の開口部を形成する絶縁膜パターニング工程と、レジストパターンをマスクとして、第２の開口部に露出する第１の絶縁膜を除去することにより、第２の開口部に金属配線を露出させる金属配線露出工程と、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するレジストアッシング工程とを備えている。
【００１９】
第２の金属配線の形成方法によると、金属配線を覆う絶縁膜を２層構造とし、第１の絶縁膜を第２の絶縁膜のエッチング停止膜として用いる場合であっても、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するため、金属配線の露出部分の酸化が抑制されるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００２０】
第１又は第２の金属配線の形成方法において、レジストアッシング工程は、プラズマ化された反応性ガスを用いるプラズマアッシング工程であることが好ましい。このようにすると、レジストパターンを効率よく確実に除去できる。
【００２１】
この場合に、プラズマアッシング工程が、酸素とフッ素とを含む反応性ガスを用いてアッシングを行なう第１のアッシング工程と、第１のアッシング工程の後に、酸素を含み且つフッ素を含まない反応性ガスを用いてアッシングを行なう第２のアッシング工程とを含むことが好ましい。このようにすると、前記第２又は第３の目的が達成され、第１のアッシング工程においては、反応性ガスに反応性が高いフッ素を含むため、硬化したレジスト膜や残留した堆積物を効率良く除去できる。さらに、第２のアッシング工程においては、反応性ガスにフッ素が含まれないため、金属配線の露出部分やアッシング室にフッ素が残留しなくなる。その結果、金属配線の酸化や腐食が防止される。
【００２２】
この場合に、フッ素を含む反応性ガスが、ＣＦ4 、ＮＦ3 、ＣＨＦ3 、Ｃ5 Ｆ8 及びＣ3 Ｆ6 のうちの少なくとも１つからなることが好ましい。
【００２３】
この場合に、第１のアッシング工程における酸素に対するＣＦ4 の流量比が、約１．０％以下であることが好ましい。このようにすると、後述するように、絶縁膜のエッチング速度に対するレジストアッシングの速度比の値が大きくなるため、絶縁膜の形状変化を抑えながらスループットを向上させることができる。
【００２４】
第１又は第２の金属配線の形成方法は、金属配線露出工程とレジストアッシング工程との間に、金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらすことにより、金属配線の露出部分の酸化を防止する金属配線酸化防止工程をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、前記第３の目的が達成され、金属配線の露出部分の酸化又は腐食の進行が抑制される。すなわち、銅を含む金属の表面が乾燥した気流にさらされると、表面に残留するフッ素が雰囲気中の水分と結合しなくなるため、フッ酸又はフッ化物の形成が抑制されるので、金属配線の腐食又は異常酸化を防止できる。この金属配線酸化防止工程は、金属配線を露出した状態で放置する時間が長い場合には特に有効である。
【００２５】
第１又は第２の金属配線の形成方法は、レジストアッシング工程よりも後に、金属配線が形成された基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、レジストアッシング工程から洗浄工程に移行するまでの間に、金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらすことにより、金属配線の露出部分の酸化を防止する金属配線酸化防止工程とをさらに備えていることが好ましい。このようにすると、前記第３の目的が達成され、工程の移行中にもフッ酸又はフッ化物の形成が抑制されるため、金属配線の腐食又は異常酸化を防止できる。
【００２６】
第１又は第２の金属配線の形成方法は、レジストアッシング工程の後に、金属配線が形成された基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、洗浄した基板を乾燥する乾燥工程とをさらに備えていることが好ましい。このようにすると、前記第３の目的が達成される。すなわち、従来はレジストアッシング工程の後に有機溶媒等を用いた基板洗浄を行なっているが、本発明のように親水性の液体により洗浄することによって基板表面に残留するフッ素が除去されるため、金属配線の腐食又は異常酸化を防止できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
各実施形態における銅配線は、埋め込み配線プロセス等で用いられ、表面が容易に酸化される材料からなり、従って、銅配線は、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）又はその他の不純物を含む材料からなる。
【００２８】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図２（ａ）〜図２（ｄ）は本実施形態に係る金属配線の形成方法における工程順の断面構成を示している。まず、図２（ａ）に示すレジストパターン形成工程において、例えば、シリコンからなる半導体基板１１上に、銅配線１３をその周囲が酸化シリコンからなる絶縁膜１２により覆われるように形成する。続いて、絶縁膜１２上における銅配線１３の上方に開口部１４ａを有するレジストパターン１４を形成する。
【００３０】
次に、図２（ｂ）に示す金属配線露出工程において、例えば、四フッ化炭素（ＣＦ4 ）のようなフッ素を含むガスによるプラズマドライエッチング法により、絶縁膜１２に対してレジストパターン１４をマスクとするエッチングを行なって、絶縁膜１２に銅配線１３を露出する開口部１４ｂを形成する。ここで、レジストパターン１４はその露出部分がプラズマドライエッチングによりダメージを受けて硬化する。さらに、プラズマドライエッチングは異方性であるため、レジストパターン１４の上面及び開口部１４ｂの壁面上には堆積物１５が堆積する。
【００３１】
次に、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程において、開口部１４ｂが形成された基板１１をアッシング装置のアッシング室（図示せず）に投入する。ここでは、アッシング条件として、基板温度を１００℃とし、チャンバ圧力を約２００Ｐａとし、酸素ガスの流量を約１．０ｓｌｍ（標準リットル／分）とし、放電時間を約９分間とする。プラズマ発生源にはマイクロ波電源を用い、その電力は約１０００Ｗとしている。この条件下で、レジストパターン１４に対してアッシングを行なうと、銅配線１３における開口部１２ａに露出する露出部分には従来のような酸化銅層が形成されることがなく、銅配線１３を確実に露出させることができる。
【００３２】
次に、図２（ｄ）に示す上層配線形成工程において、絶縁膜１２上に、開口部１２ａが充填されるように上層配線１６を形成する。以後、必要に応じて次の配線層又はパッシベーション膜等を形成する。
【００３３】
このように、第１の実施形態によると、レジストアッシング工程において、銅配線１３の露出部分における酸化銅層の形成を防止できるため、銅配線１３の配線抵抗の上昇を抑止できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００３５】
第１の実施形態では、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程において、基板温度を１００℃程度としているため、アッシングの速度が比較的遅くなり、スループットが低下することにもなる。また、反応性ガスに酸素を用いているため、酸化シリコンからなる絶縁膜１２はエッチングされない。このため、図２（ｂ）に示す金属配線露出工程で形成される堆積物１５がリフトオフされず、堆積物残さが発生することも考えられる。
【００３６】
そこで、本実施形態では、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程を、処理時間を短縮すると共に堆積物残さを除去するため、フッ素を添加した反応性ガスを用いて硬化したレジストや堆積物残さを効率良く除去する第１のアッシング工程と、酸素のみからなる反応性ガスを用いる第２のアッシング工程とからなる２段階の工程とする。
【００３７】
以下、第１のアッシング工程及び第２のアッシング工程を順に説明する。
【００３８】
まず、第１のアッシング工程において、反応性ガスの酸素にフッ素を添加すると、被アッシング物であるレジストパターン１４及び堆積物１５はいずれも炭素原子を多く含む有機物からなるため、添加されたフッ素原子が炭素原子と反応してレジスト膜の分解が加速するので、アッシングの速度が上がる。
【００３９】
また、第１のアッシング工程において、レジストパターン１４が除去された後もアッシング処理を続けると、前工程のドライエッチングにより形成された堆積物１５をリフトオフしながら除去できるため、堆積物残さの発生を防止できる。
【００４０】
本実施形態においては、フッ素を含むガスとして、ＣＦ4 を用いたが、ＮＦ3 、ＣＨＦ3 、Ｃ5 Ｆ8 又はＣ3 Ｆ6 等を用いることができる。将来的には、地球温暖化係数ＧＷＰが小さい等、種々の観点からＣ5 Ｆ8 又はＣ3 Ｆ6 等が望ましい。
【００４１】
次に、第１のアッシング工程における酸素に対するＣＦ4 の流量比の最適値を説明する。図３は酸素に対するＣＦ4 の流量比とレジストアッシング速度との関係を示し、図４は酸素に対するＣＦ4 の流量比と絶縁膜（シリコン酸化膜）のエッチング速度との関係を示している。図３に示すように、酸素に対するＣＦ4 の流量比が１．０％程度までは急激にレジストアッシングの速度が大きくなるが、それ以上はほぼ飽和してしまうことが分かる。一方、図４に示すように、酸素に対するＣＦ4 の流量比にほぼ比例してシリコン酸化膜のエッチング速度が増加することが分かる。なお、ここでは、反応性ガスの流量以外のアッシング条件は第１の実施形態と同等としている。
【００４２】
図５は、図３及び図４の関係に基づいて、酸素に対するＣＦ4 の流量比と、シリコン酸化膜のエッチング速度に対するレジストアッシング速度比との関係を計算により求めた結果を示している。図５に示すように、レジストアッシング速度比の値が最も大きくなるのは酸素に対するＣＦ4 の流量比が約１．０％以下のときであることが分かる。
【００４３】
以上のことから、堆積物１５をリフトオフさせる場合に、絶縁膜１２及びその開口部１２ａの形状変化を最も低減できるのは、酸素に対するＣＦ4 の流量比が約１．０％以下のときであることが分かる。また、アッシング室の構成部材には石英（＝シリコン酸化物）が用いられることが多く、絶縁膜１２と同等の組成であるため、該構成部材の消耗を低減する効果も期待できる。
【００４４】
このように、レジストアッシングを行なう際の反応性ガスにフッ素を含むガスを添加してアッシングを行なうと、基板温度が１００℃程度と低い場合であっても、堆積物残さが生じないため、短時間で効率良くアッシングを行なえる。
【００４５】
実験によれば、図３に示すように、酸素の流量を約１ｓｌｍとし、ＣＦ4 の流量を約５×１０-3ｓｌｍ、すなわち、酸素に対するＣＦ4 の流量比を約０．５％とすると、アッシングレートは約２００ｎｍ／分となり、酸素のみの場合よりも約４倍速くなる。
【００４６】
ところが、レジストアッシング工程を第１のアッシング工程のみとし、続いて、上層配線１６を形成する実験を行なったところ、コンタクト抵抗が極めて高いサンプルが数多くみられた。この現象を詳細に検討したところ、ホールサイズが小さい場合には十分にコンタクト抵抗が小さく、逆にホールサイズが大きい場合にはコンタクト抵抗が極めて大きく、ほとんど配線として使用できないようなものも観察されている。通常は、ホールサイズが大きい方がコンタクト抵抗は小さくなり、逆にホールサイズが小さい方がコンタクト抵抗は高くなるはずである。
【００４７】
本願発明者らは、この原因を次のように考えている。
（１） ホールサイズが大きい場合にはマイクロローディング効果によって、エッチングレートが大きくなり、銅配線１３が露出するまでの時間が短くなること。逆に、ホールサイズが小さい場合には銅配線１３が露出するまでの時間が長くなる。
（２） 本実験に用いたアッシングガスはフッ素を含むため、先に銅配線１３が露出した方がより長時間フッ素ガスにさらされること。
（３） フッ素原子が露出した銅配線１３やアッシング室内に吸着して残留すること。その後、アッシング室を大気開放して半導体基板１１をアッシング室外へ搬送し、大気中に放置すると、残留フッ素が大気中の水分と結合してフッ酸やフッ化物を形成し、このフッ酸やフッ化物が銅配線１３を腐食又は異常酸化に至らせること。
【００４８】
そこで、半導体基板１１やアッシング室の内壁等に残留したフッ素を除去するため、第１のアッシング工程に続いて、第２のアッシング工程として第１のアッシング工程からの連続放電で且つ酸素のみからなる反応性ガスを用いたレジストアッシングを行なう。
【００４９】
図６は第２のアッシング工程における残留フッ素の除去効果を確認するための、一連の工程における半導体基板１１上の残留フッ素量をイオンクロマトグラフィ法により測定した実験結果を示している。図６に示すように、金属配線露出工程におけるプラズマドライエッチング直後の残留フッ素量は１ウエハ当たり２００μｇであり、レジストアッシング工程における第１のアッシング工程の直後の残留フッ素量は１ウエハ当たり１００μｇであり、第２のアッシング工程の直後においては残留フッ素量が１ウエハ当たり５０μｇまで低減している。
【００５０】
このように、第１のアッシング工程のみでは、使用するフッ素がアッシング室や露出した銅配線１３等に残留するおそれがあり、第２のアッシング工程は、このような残留フッ素を除去するための極めて有効な手段となる。
【００５１】
以上の実験により得られた種々の知見に基づき、本実施形態におけるレジストのアッシング条件は、半導体基板１１の基板温度を約１００℃とし、チャンバ圧力を約２００Ｐａとし、プラズマ発生源としてマイクロ波電源を用い、その電力は約１０００Ｗとしている。第１のアッシング工程における酸素の流量は約１ｓｌｍとし、ＣＦ4 の流量は約５×１０-3ｓｌｍ（酸素に対するＣＦ4 の流量比が約０．５％）とし、放電時間は約２分間としている。続く、第２のアッシング工程は、第１のアッシング工程と同一のアッシング室において、酸素の流量を約１ｓｌｍとし、約１分間の放電を行なう。
【００５２】
このように、本実施形態によると、第１のアッシング工程において、反応性ガスにＣＦ4 等のフッ素を含むガスを添加することにより、基板温度を１００℃程度に下げてもアッシングのレートが低下することがないため、スループットの低下が抑えられる。さらに、プラズマドライエッチングにより硬化したレジストパターンやプラズマドライエッチングにより生じた堆積物を残さとして残すことなく除去できる。次の第２のアッシング工程においては、第１のアッシング工程で生じる残留フッ素を低減できるため、銅配線の腐食又は異常酸化を抑止できるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００５３】
なお、第２のアッシング工程は、第１のアッシング工程と比べて多少のオーバーアッシングを行なってもよい。それは、第１のアッシング工程におけるアッシングが不十分であったとしても、第２のアッシング工程でそれを補えるためであり、プロセスマージンに余裕ができるからである。
【００５４】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。第３の実施形態は、第２の実施形態を前提として、露出した銅配線１３の酸化等を防止するための新たな工程を追加している。
【００５５】
図２（ｂ）に示すように、絶縁膜１２に開口部１４ｂを形成して銅配線１３を露出させた状態のまま、通常のクリーンルーム等の環境下（例えば、気温が２３℃程度で湿度が５０％程度）で長時間放置すると、半導体基板１１の表面の残留フッ素が大気中の水分と結合して、フッ酸やフッ化物を形成し、露出した銅配線１３を腐食又は異常酸化に至らせる。例えば、半導体基板１１を収納するためのカセットケースに図２（ｂ）に示す状態の半導体基板１１を入れて密封すると、クリーンルーム等の環境であっても１時間程度で腐食が生ずる。それは、図７に示したように、この段階における半導体基板１１上の残留フッ素量は１ウエハ当たり２００μｇにもなるからである。
【００５６】
そこで、本実施形態においては、図２（ｂ）に示すプラズマドライエッチングに続いて、この状態の半導体基板１１の上面を連続した気流にさらすことにより、銅配線１３における開口部１４ｂの露出部分に対する腐食や異常酸化を防止する金属配線酸化防止工程を設けることとする。該金属配線酸化防止工程に用いる気流は、例えば温度が２３℃程度で湿度が５０％程度の乾燥空気でよく、その流速は０．２５ｍ／ｓ〜０．４ｍ／ｓ程度であればよい。また、気流の方向は半導体基板１１の上面に対して平行でも垂直でもよい。
【００５７】
このような連続した気流下では半導体基板１１に残留するフッ素は大気中の水分と結合しなくなるため、フッ酸やフッ化物が形成されず、銅配線１３の腐食又は異常酸化が生じなくなる。
【００５８】
なお、この乾燥空気にさらす金属配線酸化防止工程は、図２（ｃ）に示すレジストアッシング工程の後にも行なうと良い。いずれの場合にも枚葉式等の製造装置において、最初のウエハの処理が終了してから最後のウエハの処理が完了するまでの間に待ち時間が発生するような場合等に有効となる。
【００５９】
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００６０】
第２の実施形態で示した２段階のレジストアッシングを行なった場合であっても、図２（ｃ）に示す状態で、前述の金属配線酸化防止処理を施すことなく半導体基板１１を収納するカセットケース等に入れて密封し保管すると、クリーンルーム環境下、例えば気温が２３℃程度で湿度が５０％程度であれば、３時間程度で腐食が発生する。これは、図７に示したように、半導体基板１１の残留フッ素量が１ウエハ当たり５０μｇ程度あり、残留フッ素を完全には除去できていないからである。
【００６１】
確かに、レジストアッシング工程に続いて、半導体基板１１に連続した気流を当てながら該半導体基板１１を保管することにより、銅配線１３の腐食又は異常酸化を防止することはできる。しかしながら、装置の関係により、次のプロセスに移行するまでの間に乾燥気流を当てながら保管することが困難な又は不可能な場合もある。
【００６２】
そこで、本実施形態は、２段階のレジストアッシング工程の後に、半導体基板１１の上面を大量の純水等で洗浄する洗浄工程と、その後の乾燥処理を行なう乾燥工程とを設ける構成とする。
【００６３】
図７は本実施形態に係る一連の工程における半導体基板１１上の残留フッ素量をイオンクロマトグラフィ法により測定した結果を示している。図７に示すように、洗浄工程及び乾燥工程を経た後の半導体基板１１上の残留フッ素量は１ウエハ当たり１０μｇとなっている。
【００６４】
このように、本実施形態によると、半導体基板１１上の残留フッ素を大幅に低減できるため、次工程までの待ち時間が長くなっても、銅配線１３に腐食又は異常酸化が生じなくなる。
【００６５】
なお、図２（ｃ）に示す状態で半導体基板１１を長時間放置すると、露出部分には自然酸化膜が形成される。ただし、この自然酸化膜は容易に除去できるため、本質的な問題とならないことは言うまでもない。
【００６６】
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態に係る金属配線の形成方法について図面を参照しながら説明する。
【００６７】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は本実施形態に係る金属配線の形成方法における工程順の断面構成を示している。本実施形態において、銅配線上に形成される絶縁膜がエッチング停止膜と層間絶縁膜とから構成されている。
【００６８】
まず、図８（ａ）に示す絶縁膜形成工程において、例えば、シリコンからなる半導体基板２１上に、酸化シリコンからなり上部に凹部を有する下部絶縁膜２２を形成した後、該凹部に配線材料を充填して銅配線２３を形成する。続いて、下部絶縁膜２２及び銅配線２３上に全面にわたって、第１の絶縁膜としての窒化シリコンからなるエッチング停止膜２４及び第２の絶縁膜としての酸化シリコンからなる上部絶縁膜２５を形成する。続いて、絶縁膜パターニング工程において、上部絶縁膜２５における銅配線２３の上方に開口部を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。このレジストパターンをマスクとし且つエッチング停止膜をエッチングストッパとし、例えば、ＣＦ4 ガスによるプラズマドライエッチング法を用いて上部絶縁膜２５に対してエッチングを行なうことにより、上部絶縁膜２５に銅配線２３の上側に位置するエッチング停止膜２４を露出する開口部２５ａを形成する。
【００６９】
次に、図８（ｂ）に示す金属配線露出工程において、ライナーエッチングによりエッチング停止膜２４における開口部２５ａの露出部分を除去することによりエッチング停止膜２４に銅配線２３を露出する開口部２５ｂを形成する。このとき、開口部２５ｂの壁面等に堆積物２６が付着する。
【００７０】
次に、図８（ｂ）に示すレジストアッシング工程において、レジストパターン及び堆積物２６を除去するためのアッシングを行なう。ここで、前述の各実施形態に示した発明を適用することが可能である。すなわち、基板温度を１２０℃以下に保持しつつアッシングを行なう。
【００７１】
さらに、必要に応じて第２の実施形態のようにアッシング工程を酸素にフッ素を添加した反応性ガスによる第１のアッシング工程及び該第１のアッシング工程に続けて、酸素のみの反応性ガスによる第２のアッシング工程を行なう２段階とするとよい。これにより、開口部２５ｂの壁面等に付着した堆積物２６が除去された開口部２４ａを得ることができる。
【００７２】
また、銅配線２３が露出する時間が長い場合には、半導体基板２１に乾燥した空気からなる気流を当てることにより、銅配線２３の露出部分の酸化を抑制することができる。
【００７３】
次に、図８（ｄ）に示すように、上部絶縁膜２５上に、開口部２４ａが充填されるように上層配線２７を形成する。以後、必要に応じて次の配線層又はパッシベーション膜等を形成する。
【００７４】
【発明の効果】
本発明に係る金属配線の形成方法によると、基板温度を約１２０℃以下に保持するアッシングによりレジストパターンを除去するため、金属配線の露出部分の酸化が抑制されるので、コンタクト抵抗や配線抵抗の上昇を抑えることができる。
【００７５】
また、本発明の金属配線の形成方法において、アッシング工程が、プラズマアッシングであって、さらに、酸素とフッ素とを含む反応性ガスを用いてアッシングを行なう第１のアッシング工程と、第１のアッシング工程の後に、酸素を含み且つフッ素を含まない反応性ガスを用いてアッシングを行なう第２のアッシング工程とを含むと、第１のアッシング工程においては、反応性ガスに反応性が高いフッ素を含むため、堆積物を効率良く除去できる。第２のアッシング工程においては、反応性ガスにフッ素が含まれないため、金属配線の露出部分やアッシング室にフッ素が残留しなくなり、金属配線の酸化や腐食が防止される。
【００７６】
また、本発明の金属配線の形成方法が、金属配線露出工程とレジストアッシング工程との間、又はレジストアッシング工程から次工程に移行するまでの間に、金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらす金属配線酸化防止工程をさらに備えていると、残留フッ素が大気中の水分と結合することがなく、金属配線の露出部分の腐食や異常酸化を防止することができる。
【００７７】
また、本発明の金属配線の形成方法が、レジストアッシング工程の後に、金属配線が形成された基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、洗浄した基板を乾燥する乾燥工程とをさらに備えていると、半導体基板に残留するフッ素が除去され、金属配線の露出部分の腐食又は異常酸化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る金属配線の形成方法におけるレジストアッシング時の半導体基板温度と酸化による銅配線の膜減り量との相関関係を示すグラフである。
（ｂ）は本発明に係る金属配線の形成方法におけるレジストアッシング時の半導体基板温度と配線抵抗の上昇率との相関関係を示すグラフである。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る金属配線の形成方法を示す工程順の構成断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における酸素に対するＣＦ4 の流量比とレジストアッシング速度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における酸素に対するＣＦ4 の流量比とシリコン酸化膜のエッチング速度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における酸素に対するＣＦ4 の流量比と、シリコン酸化膜のエッチング速度に対するレジストアッシング速度比との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る金属配線の形成方法における、工程ごとの半導体基板上の残留フッ素量を示したフローチャート図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る金属配線の形成方法における、工程ごとの半導体基板上の残留フッ素量を示したフローチャート図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第５の実施形態に係る金属配線の形成方法を示す工程順の構成断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は従来の金属配線の形成方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
１１ 半導体基板
１２ 絶縁膜
１２ａ 開口部
１３ 銅配線（金属配線）
１４ レジストパターン
１４ａ 開口部
１４ｂ 開口部
１５ 堆積物
１６ 上層配線
２１ 半導体基板
２２ 下部絶縁膜
２３ 銅配線（金属配線）
２４ エッチング停止膜（第１の絶縁膜）
２４ａ
２５ 上部絶縁膜（第２の絶縁膜）
２５ａ 開口部
２５ｂ 開口部
２６ 堆積物
２７ 上層配線
Claims (4)
- 基板上に銅を含む金属配線を形成する金属配線形成工程と、
前記基板上に前記金属配線を覆う絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜上に、前記金属配線の上方の領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、形成した前記レジストパターンをマスクとして、前記絶縁膜に対してフッ素を含むガスを用いてドライエッチングを行なうことにより、前記開口部に前記金属配線を露出させる金属配線露出工程と、
基板温度を１２０℃以下に保持するプラズマアッシングにより前記レジストパターンを除去するプラズマアッシング工程と、
前記プラズマアッシング工程よりも後に、
前記金属配線が形成された前記基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、
前記レジストアッシング工程から前記洗浄工程に移行するまでの間に、前記金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらすことにより、前記露出部分の酸化を防止する金属配線酸化防止工程とを備え、
前記プラズマアッシング工程は、
酸素とフッ素とを含む反応性ガスを用いてアッシングを行なう第１のアッシング工程と、
前記第１のアッシング工程の後に、酸素を含み且つフッ素を含まない反応性ガスを用いてアッシングを行なう第２のアッシング工程とを含むことを特徴とする金属配線の形成方法。 - 基板上に銅を含む金属配線を形成する金属配線形成工程と、
前記基板上に、前記金属配線を覆う第１の絶縁膜及び該第１の絶縁膜を覆う第２の絶縁膜を順次形成する絶縁膜形成工程と、
前記第２の絶縁膜上に、前記金属配線の上方の領域に第１の開口部を有するレジストパターンを形成し、形成した前記レジストパターンをマスクとし且つ前記第１の絶縁膜をエッチング停止膜として、前記第２の絶縁膜に対してフッ素を含むガスを用いてドライエッチングを行なうことにより、前記第２の絶縁膜における前記金属配線の上方の領域に前記第１の絶縁膜を露出する第２の開口部を形成する絶縁膜パターニング工程と、
前記レジストパターンをマスクとして、前記第２の開口部に露出する前記第１の絶縁膜を除去することにより、前記第２の開口部に前記金属配線を露出させる金属配線露出工程と、
基板温度を１２０℃以下に保持するプラズマアッシングにより前記レジストパターンを除去するプラズマアッシング工程と、
前記プラズマアッシング工程よりも後に、
前記金属配線が形成された前記基板を親水性の液体により洗浄する洗浄工程と、
前記レジストアッシング工程から前記洗浄工程に移行するまでの間に、前記金属配線の露出部分を乾燥した気流にさらすことにより、前記露出部分の酸化を防止する金属配線酸化防止工程とを備え、
前記プラズマアッシング工程は、
酸素とフッ素とを含む反応性ガスを用いてアッシングを行なう第１のアッシング工程と、
前記第１のアッシング工程の後に、酸素を含み且つフッ素を含まない反応性ガスを用いてアッシングを行なう第２のアッシング工程とを含むことを特徴とする金属配線の形成方法。 - 前記フッ素を含む反応性ガスは、ＣＦ4、ＮＦ3、ＣＨＦ3、Ｃ5Ｆ8及びＣ3Ｆ6のうちの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属配線の形成方法。
- 前記第１のアッシング工程における酸素に対するＣＦ4の流量比は、１．０％以下であることを特徴とする請求項３に記載の金属配線の形成方法。
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