JP4548873B2 - ＴｉＮ層を等方性エッチングなしにアッシングするドライアッシング方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスのバイアをアッシングする方法、特に、バイア又はビア（ｖｉａ）のベース層を過度にエッチングすることなくバイアをアッシングする方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タングステンプラグの相互連結に用いるバイアのベース層としてＴｉＮを使用することがだんだんと一般に認められるようになっている。このバイア又はビアとは、凹部（孔や溝）を含む構造を意味している。しかしながら、ＴｉＮを使用する場合の一つの問題は、バイアをエッチングした後、バイアの周囲からレジストを除去しなければならないということと、バイアのベース部及びバイアの側壁に沿って生じるポリマー残渣を除去しなければならないという点である。とはいえ、通常のアッシングプロセスでは、ＴｉＮ層は等方性にエッチングされ、そのためにバイアの抵抗値は望ましくないほど高い。
【０００３】
バイア内のレジストに由来して形成されるポリマ−を可溶性にするプロセスでは、一般に、プラズマ環境でハロゲン（フッ素或いは塩素のようなハロゲン）を使用して、金属及びポリマ−をハロゲン化することが必要である。しかし、フッ素が存在する状態で、特にエッチングレートが急速に増加する５０℃より高い温度では、ＴｉＮは急速に等方性にエッチングされる。この急速なエッチングは少量のフッ素ガスを使用した時でさえ生じる。エッチングにより生じるポリマー及び他の残渣を可溶性にすることが望まれるプロセスでは、通常、相当量のフッ素含有ガス（例えば、ＣＦ₄或いはＮＦ₃）が使用される。高温下、レジストを可溶性にするのに一般に必要とされる高濃度のフッ素を用いると、ＴｉＮのエッチング程度は受け入れられないほど高い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＴｉＮベース層に入り込んでエッチングすることなく、バイアのベース部と側壁とからポリマーを除去し、また、バイア周囲からレジストを除去するために、ストリッピング／アッシングプロセスを用いる方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アッシングプロセスを含み、このプロセスには、ＲＩＥプラズマアッシングプロセスの間に、水蒸気を使用して、バイア内のベース層を等方性にエッチングすることなく、レジスト及び側壁のポリマーをアッシングすることが含まれている。このプロセスには、好ましくは、酸素、フッ素ガス（好ましくはＮＦ₃）及び水蒸気並びに随意Ｎ₂Ｈ₂のような化成ガス(forming gas)が含まれる。
該プロセスは、窒化チタン（ＴｉＮ）ベース層を有するバイアのために使用することが好ましい。そのようなバイアの場合、上記プロセスにより、残渣は脱イオン（ＤＩ）水の中で可溶性になるので、アッシング後、さらにリンスプロセスを用いてウェハをクリーニングすることができる。水蒸気は、該アッシングプロセスの間に、ＴｉＮ層のエッチングを抑制すること、その際、温度が高ければ高いほど使用する水蒸気量が多いことがわかった。例えば、約２００℃の温度では、バイア内のＴｉＮベース層を約４０％以下エッチングする間に、約１２％の水蒸気を使用して、レジストと残渣とを可溶性にした。
【０００６】
本発明の方法によれば、入手にコストがかかりかつ処分が困難である湿式化学溶媒を使用することなくアッシングでき、また、良好なＴｉＮ選択性、良好な接触抵抗値が与えられ、過度の等方性エッチングによるＴｉＮロスが解消され、そしてポリマー及びレジストを完全に除去できる。その他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明、並びに図面及び特許請求の範囲の記載から明らかになる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１を参照すれば、積層体１０を形成した後、バイアをエッチングする。この積層体１０は、アルミニウムのような導電性層１２、窒化チタン（ＴｉＮ）のような反射防止膜（ＡＲＣ）１４、ＴＥＯＳ、ＰＳＧ或いはポリアミドのような誘電性層１６、及び露光、現像して、開口部２０を形成せしめたフォトレジスト層１８を含む。エッチングプロセス、例えば一般に知られたフッ素ベースのエッチングプロセスを行って、バイア開口部を形成し、図２に示すようなバイアを形成した。エッチング深さは、使用するプロセス、エッチング装置及びその装置の制御に依存して変化し得る。ＴｉＮベース層は数百オングストロームの厚さだけエッチング除去されたか、又は、図示のようにＴｉＮが実質的にひとつもエッチング除去されなかったか、又は、エッチングプロセスにより、ＴｉＮを貫通して導電性層に入り込んで穿孔してしまったことがありうる。
【０００８】
図２に示すように、エッチングプロセスにより、汚染されたレジスト１８ａと側壁のポリマー２２とが残される。この側壁のポリマー２２は、バイアのエッチングプロセスによるエッチング深さに依るが、フッ素及び多分少量のチタン或いはアルミニウムで汚染されたフォトレジストを含んでいる。ＴｉＮ層を貫通するエッチングの場合には、側壁のポリマーは、下層の導電性層に由来するアルミニウム及び合成物ＡｌＦ₄のような追加的でかつより取扱いにくい汚染物質を有している。
【０００９】
上述のように、湿式（ウェット「ｗｅｔ」）エッチングには相当な実用上かつ環境上の欠点がある一方で、フッ素を使用した一般的なドライアッシングでは、ＴｉＮ層のエッチングが受け入れがたいとともに、バイアのべース部におけるＴｉＮ層の全てを除去した後、レジストと残渣とを可溶性にするのが一般的である。
【００１０】
水蒸気を添加してＲＩＥアッシングプロセスを行うと、ＴｉＮ層のエッチングを大いに抑制することができるが、それでもレジストと残渣との良好なアッシングレートが与えられることがわかった。図３には、台（その上にウェハーが載置されている）の温度２００℃において、Ｏ₂ガス流量を８００ｓｃｃｍ、ＮＦ₃ガス流量を１２０ｓｃｃｍ、及びＨ₂Ｏ流量を１５０ｓｃｃｍとしたガス流を用いて行ったプロセスによるＴｉＮのエッチングレートが示されている。グラフ中の縦線は、２８秒において残渣が実質上除去されたことを示している。エッチングに起因するポリマー残渣を実質上完全に可溶性にすることが３０秒以内で容易に達成される場合のフッ素濃度において、エッチングレートはほぼ２００Å／ｍｉｎである。この例では、ポリマー残渣を完全に可溶性にするのに必要な時間で、ＴｉＮのロスは約８０Åだけであることが観測された。水を添加することなく、低濃度のＮＦ₃を使用して、該残渣を完全に可溶性にすることはできるが、ＴｉＮ層は過度にエッチングされてしまう。従って、このプロセスによれば、Ｏ₂、フッ素、化成ガス及び水蒸気を使用するＲＩＥアッシングプロセスにおいて、バルク表面(bulk surface)のレジストをストリップすること、また側壁のポリマーを可溶性にすることの両方が可能になる。
【００１１】
上記プロセスは、ＴｉＮ全体のエッチングを排除するものではなく、かかるＴｉＮエッチングを、容認できるレベル、例えば約５０％以下のロス（また、好ましくはそれより低いロス）まで減じるものである。水蒸気を使用しないとすると、ＴｉＮを完全にエッチング除去した後に、酸素及びフッ素ガスでレジスト及び残渣を可溶性にする。
【００１２】
アッシングチャンバーは専らＲＩＥプロセスに使用するか、或いは米国特許第5,226、056号（Kikuchi)中に記載されているようなマイクロ波−ＲＦの組み合わせた装置であってもよい。この米国特許の記載は、全ての目的のための引用としてこの明細書中に特に援用される。水蒸気はその他のガスとは別個に注入口を介してチャンバ内に供給される。水蒸気は、ウェハーの中央部に一つの流れで導入されるべきではなくて、むしろ、水蒸気は、チャンバの周囲に供給され、また、好ましくは加工されるウェハーの周囲に均等に分配されるような方法で供給され、どんな位置においても水蒸気が過度の濃度になることを避けるようにすることが好ましい。
【００１３】
上述した方法において、Ｈ₂Ｏが存在する状態では、原子フッ素が非常に少量であるか、又は全く検出されないことが分光分析によりわかった。しかしながら、非常に強いＨピークが存在する。これは、放電中に放出されたフッ素が水と反応し、ＨＦを形成するために生じるものと考えられ、水を添加することでＨＦが豊富な環境が存在することを意味している。水を存在させずに同様のプラズマを使用すると、高濃度のフッ素原子が検出される。しかしながら、可溶性にすることはＨＦ或いはＦとの反応によって行われる。何故ならば、プラズマ内にかつポリマー残渣の領域内に一時的に存在するフッ素原子がきわめて急速に反応して、スペクトル中に、非常に低い、また、検出できない濃度のフッ素原子が保持されてしまうからである。どんな特別の理論にも限定されたくないとはいえ、このようにフッ素がＨＦへ転化するので、添加されたＨ₂ＯがＴｉＮのエッチングを抑制することを可能にすると考えられる。
【００１４】
マイクロ波放電は、上述したタイプの装置のデュアルプラズマ可能なプロセスチャンバのマイクロ波アプリケータ内で同時に生じさせることができる。この場合、スペクトル中に多量のフッ素の発生が見られるが、これは、マイクロ波放電で発生する追加のフッ素原子が水濃度より多く、そのため十分な量の遊離フッ素がデュアルプラズマ状態で存在していることを示唆している。ＨＦはＴｉＮ表面に吸着することができ、それによってＴｉＮのエッチングプロセスが抑制される。
【００１５】
バイアのエッチングプロセスにおいて、数百オングストロームのＴｉＮがエッチングされ、そしてＴｉＦ₄とスパッタされたＴｉＮとがウェハー面上に堆積するようになった場合には、バイア内部の側壁のポリマーが完全に水溶性であるにもかかわらず、表面材料はＲＩＥプラズマとは異なって反応し、完全には水溶性でない残渣を生じる。表面に対するこのような問題を処理するため、Ｏ₂を用いる最初のショートＲＩＥプラズマアッシングにより、エッチングプロセスに由来する表面のポリマーを除去すると、次いで少量の可溶性でない残渣が残っている表面上で残留レジストのアッシングが容易になることがわかった。Ｏ₂を使用した（好ましくはハロゲンを含有していない）上記ショートＲＩＥプラズマプロセスに続けて、上記したようなＯ₂、ハロゲン及び水蒸気を用いるバルク(bulk)ＲＩＥアッシングプロセスを行う。次いで、第２番目のバルクストリッププロセスにおけるガスと同じガスを利用するが、多量の遊離フッ素が表面処理のために利用できるマイクロ波モードの第３番目のアッシングプロセスにより、完全な表面清浄度を得ることができる。この例では、バルクＲＩＥアッシングプロセスにより、バイアの側壁における残渣を可溶性にするのに成功した。
【００１６】
任意の応用に最適なプロセスはまたバイアの構成にも依存する。例えば、アスペクト比が高くかつ直径が小さいバイアでは、エネルギーがより低くなる傾向があるとともに、ウェハー表面に対するチャージング効果のためにポリマー表面のイオン衝撃がそれほど激しくないという傾向がある。側壁のポリマーとベース部のポリマーとを適切に処理する場合、プロセス圧力をより低く保持することができ、かつＲＦ電力をより高くすることができ、これにより、イオンエネルギーを増加せしめ、かつ表面に対するチャージング効果を低減することができる。バイアの下方部分には、多量のポリマーがあり、またバイアのベース部に由来する多量のスパッタされたＴｉＮ或いはＡｌが含まれているので、これらの下方部分を処理するために最適なプラズマ状態は、バイア表面近傍の場合とは多少異なっている。
【００１７】
本発明のストリッピングプロセスにおいては、パラメータを調節することにより、バイアの全内表面上にある残渣のみならず、酸化物の表面上にある残渣をも完全に可溶性にすることを請け合うことができる。
【００１８】
一般化された例では、ガス流量は次のような範囲にある。
【００１９】
Ｏ₂ ： ４００−８００ｓｃｃｍ
Ｈ₂Ｎ₂ ： １０−６０ｓｃｃｍ
ＮＦ₃ ： １００−３００ｓｃｃｍ
Ｈ₂Ｏ ： １００−３００ｓｃｃｍ
従って、百分率では以下のようになる。
【００２０】
Ｏ₂ ： ３０−８０％
Ｈ₂Ｎ₂ ： １−１０％
ＮＦ₃ ： ８−３７％
Ｈ₂Ｏ ： ８−３７％
これらを種々組み合わせた工程は、バイアの直径の寸法に影響されやすく、それ故、変化せしめてもよく、また、特別のバイアやエッチングプロセスに対して、必要に応じて、圧力、電力、温度及び時間を全て調節してもよい。ウェハーが載置された台の温度は２４０℃周辺の温度である。温度がさらに高い場合、より多量の水蒸気が使用される一方で、温度がより低い場合、より少ない割合の水蒸気が使用される。通常、圧力は１Ｔｏｒｒ以下であり、電力は少なくとも１００Ｗである。
【００２１】
プラズマアッシング用にＣＦ₄及びＳ₂Ｆ₆のような種々のハロゲンを使用することが知られているが、ＮＦ₃を使用することにより、必要とされる電力量をその他のハロゲンに比して５０％だけ低減できること、またアッシングレートを３０％以上高くし得ることがわかった。
【００２２】
【実施例】
この実施例では、第１番目のプロセスはＯ₂ＲＩＥアッシングプロセスであり、電力を５００Ｗ、圧力を０．２Ｔｏｒｒ、時間を２０秒、そしてＯ₂の流量を８００ｓｃｃｍとして行った。このプロセスは、レジスト表面上にある重合残渣を除去するとともに、表面材料を除去するが、基板までは達しない部分的なストリップとしての役割を果たした。この部分的なストリップによれば、望ましくない酸化物を形成してしまう酸素による最終残渣のイオン衝撃が回避される。
【００２３】
第２番目のＲＩＥアッシングプロセスは、以下のガス流量のガスを組合わせて行った。
【００２４】
（１）Ｏ₂ ：８００ｓｃｃｍ（７３％）
（２）ＮＦ₃ ：１３５ｓｃｃｍ（１２％）
（３）Ｈ₂Ｏ ：１３５ｓｃｃｍ（１２％）
（４）Ｈ₂Ｎ₂ ：３０ｓｃｃｍ（３％）
ウェハー台を５０℃に、電力を５００Ｗに、圧力を０．４５Ｔｏｒｒに設定し、時間を９０秒とした。
【００２５】
特に典型的なこのプロセスは、６インチ（１５０ｍｍ）ウェハー用のものであるが、ガス流量や電力密度を増加することで、２００ｍｍ或いは３００ｍｍのようなその他のウェハーサイズのものに対し、修正して使用できる。
【００２６】
この第２番目の工程は、高酸素流中で行われるので、比較的高いストリップレート（＞１μ／ｍｉｎ）でバルクレジストをストリップする工程としての役割を果たす。このプロセスにより、レジストと残渣とがアッシングされると同時に可溶性にされるので、このプロセスは、先ずアッシングされ、次いでアッシング工程を用いずに残った残渣を可溶性にするプロセスとは異なる。
【００２７】
該プロセスに使用したエッチング装置は、初期厚さが約１２００ÅであるＴｉＮに対し選択性が乏しかった。約５００ÅのＴｉＮがエッチングされた（約４０％）。上記プロセスにより、全残渣を水溶性にすることに成功した。
【００２８】
特別の実施の形態を記載し、かつ実施例により本発明の方法を説明したが、特許請求の範囲の記載によって規定したような発明の範囲内から逸脱することなく変形することができるということは明らかである。例えば、上述のように、ＣＦ₄及びＳ₂Ｆ₆のようなその他のハロゲンを使用することができ、またその他のパラメータを特別のプロセスのために変化せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイアをエッチングする前の積層体の断面図。
【図２】エッチングされたバイアの断面図。
【図３】一実施例のＴｉＮエッチングレートを示すグラフ。
【符号の説明】
１０ 積層体 １２ 導電性層
１４ 反射防止膜 １６ 誘電性層
１８ レジスト層 １８ａ 汚染レジスト層
２０ 開口部 ２２ ポリマー

Claims (14)

1. 導電性ベース層上に、窒化チタン(ＴｉＮ)ベース層、該ＴｉＮ層上に誘電性層、及び該誘電体層上にバイアを形成するための開口部を規定するレジストを備えた積層体をＴｉＮ層に至るまでエッチングし、酸素、ハロゲン含有ガス及び水蒸気を含むプラズマであって、そのハロゲンの量がバイア内のポリマーの実質上全てを水溶性にするのに十分な量であるプラズマを用いて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）アッシングプロセスによってバイア内のレジスト残渣をアッシングし、上記アッシングが、５０％を超えない範囲でＴｉＮ層をエッチングする間に、レジスト残渣をアッシングすることを含むことを特徴とするドライアッシング方法。
2. 上記エッチングが、ＴｉＮ層に至るまでエッチングするが、該ＴｉＮ層に入り込まないようにエッチングすることを含むことを特徴とする請求項１記載のドライアッシング方法。
3. 上記エッチングが、ＴｉＮ層の全てではなく、該ＴｉＮ層のある程度をエッチングすることを含むことを特徴とする請求項１記載のドライアッシング方法。
4. 上記エッチングの後であって、上記アッシングの前に、酸素を使用するが、水蒸気及びハロゲン含有ガスを使用せずにＲＩＥアッシングプロセスを行って半導体デバイスをアッシングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のドライアッシング方法。
5. 上記の少なくとも何れかのアッシングの後に、酸素、水蒸気及びハロゲン含有ガスを使用してダウンストリーム型マイクロ波プロセスを行って半導体デバイスをアッシングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項４記載のドライアッシング方法。
6. 上記アッシングの後に、酸素、水蒸気及びハロゲン含有ガスを使用してダウンストリーム型マイクロ波プロセスを行って半導体デバイスをアッシングする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載のドライアッシング方法。
7. 導電性ベース層上に、窒化チタン(ＴｉＮ)ベース層、該ＴｉＮ層上に誘電性層、及び該誘電体層上にバイアを形成するための開口部を規定するレジストを備えた積層体に、バイアをエッチングした後、該バイアをアッシングして、半導体デバイスのバイアの側壁から残渣を除去することを含む方法であって、該アッシングが、酸素３０〜８０％、フッ素含有ガス１０〜５０％、及び水蒸気１０〜５０％のＲＦプラズマを形成することを含み、該アッシングが、バイア内の導電性ベース層を約５０％以下だけエッチングする間に、該残渣を実質的に完全に可溶性にするように行われることを特徴とするドライアッシング方法。
8. 上記アッシングが、約７３％の酸素、１２％のフッ素含有ガス及び１２％の水蒸気を使用してアッシングすることを含むことを特徴とする請求項７記載のドライアッシング方法。
9. 上記水蒸気を分配してチャンバ内に導入することを特徴とする請求項７記載のドライアッシング方法。
10. 上記アッシングの前に、酸素を使用するが、フッ素含有ガス及び水蒸気を使用せずにＲＩＥアッシングプロセスを行うことをさらに特徴とする請求項７記載のドライアッシング方法。
11. 上記第２番目のアッシングプロセスの後に、ダウンストリーム型マイクロ波アッシングプロセスを行うことをさらに特徴とする請求項１０記載のドライアッシング方法。
12. 上記ダウンストリーム型マイクロ波プロセスに、第２番目のＲＩＥアッシングプロセスと同じガスを使用することを特徴とする請求項１１記載のドライアッシング方法。
13. 上記アッシングプロセスの後に、ダウンストリーム型マイクロ波アッシングプロセスを行うことをさらに特徴とする請求項７記載のドライアッシング方法。
14. 上記ダウンストリーム型マイクロ波アッシングプロセスに、酸素、フッ素ガス及び水蒸気並びに必要に応じて化成ガスを使用することを特徴とする請求項１３記載のドライアッシング方法。

Images