JPH0344030A - 半導体デバイスの製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 挟塑生竪 本発明は半導体集積回路の製作方法及び装置、より具体
的にはそのような回路中のパターン形成された導電体の
製作方法及び装置に係る。

本発明の背景 集積回路の製作において、各トランジスタはしばしば″
ランナ”とよばれる導電体で、通常相互接続される。相
互接続路は典型的な場合、導電性月料層の全面的な堆積
及びフォトレジストで導電性材料を被覆することを含む
プロセスによって形成される。次にフォトレジストは通
常光に露出され（フォトレジストが″ポジ形″又は″ネ
ガ形″フォ１〜レジスＩ−であるかに依存して）、フォ
トレジストの露出された部分又は露出されない部分が洗
い落される。残ったフォトレジストは全体を被覆した材
料の一部を被覆し、他の部分を露出したままにする。次
に、露出された導電性材料を各種の手段でエッチ除去し
、所望の導電性相互接続を残す。

アルミニウムはしばしば集積回路中の導電性相互接続を
形成するための材料として用いられる。各種のアルミニ
ウムエツチング技術が用いられている。−例はルピンシ
ュタイン（Ｌｅｖｊｎｓｔｅｉｎ）らに承認された米国
特許筒４．２５６，５３４号に見出される。ルピンシュ
タイン（Ｌｅν１ｎｓｔｅｉｎ）らの特許は、たとえば
三塩化ホウ素と塩素といったハロゲン化物とハロゲンの
組合せを用いることによるアルミニウム及びアルミニウ
ムを多く含む合金のエツチングについて明らかにしてい
る。

アルミニウム・エツチング技術のもう工つの例は、アリ
カド（Ａｒｉｋａｄｏ）ら“サブミクロン多層レベル相
互接続プロセスへのＡＱ傾斜エツチングの応用”、ＩＥ
ＤＭ５４−５７頁、１９８６、中に含まれている。アリ
カド（Ａｒｉｋａｄｏ）の論文は、傾斜した側壁を有す
るアルミニウムランナを生成するため、塩素とともにク
ロロフォルムを用いることを述べている。

杢１１辻巧」−ケ 本発明は塩素とともに（″フレオン２３”という商品名
で市販されている）トリフルオルメタンを用いることに
より、アルミニウムを含む各種材料及び層構造中に、傾
斜側壁を生成する。塩素と１〜リフルオルメタンの量を
調整することにより、傾斜角が制御できる。

もし必要ならば、主に（存在する時）酸化アルミニウム
を除去するために、エツチング反応に三塩化ホウ素を導
入してもよい。

詳細な説明 第１図中で、参照番号１１は基板をさし、それはたとえ
ば本質的に二酸化シリコン、シリコン、シリコン窒化物
又は別の適当な材料から成る。

参照番号１３は全面のアルミニウム層又はアルミニウム
を多く含む組成、たとえばアルミニウー銅合金、アルミ
ニウムーシリコン合金又はアルミニウムー銅−シリコン
合金の層をさす。参照番号工３はまた、チタン窒化物又
はチタン−タングステン又はチタンとともに、」二で述
べたアルミニウムを多く含む組成の１ないし複数の層を
有する層構造をさしてもよい。たとえば、参照番号１３
はアルミニウムを多く含む組成の層の下のチタンータン
ゲステン層を示してもよい。あるいは参照番号工３はチ
タン・タングステンの２つの層間のアルミニウムを多く
含む組成を有する三層構造をさしてもよい。更にたとえ
ば、参照番号１３はアルミニウムを多く含む組成の層上
のチタン−タングステン層をさしてもよい。

あるいは、上の列でチタン−タングステンの代りにチタ
ン窒化物を置きかえてもよい。簡単にするため、以下の
議論では、層１３は単に″金属層”とよぶことにする。

上で述べた層構造は固着性が大きく、エレクトロマイグ
レーション抵抗が大きなランナを実現するため、半導体
集積回路の製作に使用される。アルミニウムの下のチタ
ン窒化物又はチタン−タングステン層は、下の酸化物へ
のアルミニウムの固着性を改善し、シリコン中へのアル
ミニウムのスパイク（そのような場所ではアルミニウム
はシリコンに接触する傾向がある）を防止する傾向があ
り、アルミニウムと下の酸化物間の固着性を改善する働
きをする。典型的な場合、５パ一セント以上のチタンが
タングステンに加えられ、おおよそ１０パーセントのチ
タンが典型的である。加えて、チタン−タングステン又
はチタン窒化物の上の層は、反射防止膜として用いても
よい。チタン窒化物又はチタン窒化物層も全面に堆積さ
せるから、アルミニウムを通すとともに、それらを通し
てエッチする必要がある。ある種の用途では、チタン−
タングステン又はチタン窒化物の層の厚さは１０００−
２００ＯＡ　（又はそれ以下）でよく、アルミニウムは
０．５μｍ又は１．０μｍでよい。半導体技術の開発に
関心のある人は、化学的な変更を伴わずに上で述べたよ
うな層構造をエッチするエツチング法を常に探してきた
。以下で更に詳細に述べるように、本発明は傾斜した側
壁を有する構造を生成する一方、上の要件を満足する。

参照番号１５はレジスト材料（又は他のマスク材料）を
さし、それはたとえばＨＰＲ８− ２０６フオトレジスト（フントケミカル社の適正な製品
で、基本的にはキノンジアゾ増感剤を有するノボラフレ
ジンである）でよい。

マスク１５はパターン形成されており、金属層１３の表
面１７は露出されている。あるいは、必要ならば、三層
レジスト方式を用いてもよい。

次に、層１３の露出された部分１７を侵食させるため、
エツチングプロセスが行われる。典型的な場合、第１図
の構造はへキサゴナル・カソードエツチング装置の電力
を加えたカソードに移されるが、他のエツチング装置を
用いてもよい。容器を真空にしく後に述べる）、エッチ
ャントガスが導入される。

第２図に示された構造は、エツチングプロセスで生成す
るものの列を表わす。第２図を調べると、金属層１３の
露出された表面１７はエッチ除去され、傾斜側壁１９が
残っていることがわかる。側壁表面１９と基板表面１１
間の測定された角Ｏは（後に述べる他のパラメータも働
きをするが）、エツチングプロセス中用いられるトリフ
ルオルメタンと塩素の相対的な比率に強く支配されるこ
とがわかる。ポリマ層２３はエツチングプロセス中形酸
されることがわかるであろう。ポリマ層２３は層１３の
側壁１９と接触し、レジスト１５とも接触する。

更に以下で述べるように、ポリマ層２３の形成により、
側壁の形成プロセス中、金属側壁１９用のエッチャント
物質から保護される。従って、第２図に示された傾斜し
た側壁の形状が得られる。

第３図はマスク１５及びポリマ薄膜２３が除去された後
の第２図の構造を示す。構造は更に半導体プロセスを行
う準備ができている。

第４図はヘキサゴナル・カソードエツチング装置中にお
ける塩素及びトリフルオルメタンの相対的な流量と、全
属領斜角０間の（主なエツチング工程における）実験的
に決められた関係を示す。グラフのデータは約１．２５
μｍの間隔で、約２μｍの厚さの最初のマスクフオトレ
ジス１−で分離されたアルミニウムランナについて得ら
れた（アルミニウムランナ間の間隔とフオＩ−レジスｌ
−の厚さの重要さについては、後に説明する。）。第４
図のグラフは、ゼロないし６０ｓｃｃｍ（１分当り標準
立方センチメートル）のトリフルオルメタンを用いて、
９０ないし約７０度の傾斜角が得られることを示してい
ることに気づくであろう。グラフに示された塩素の流速
は、６０ないし１６ｓｃｃｍの間である。ガス流はまた
、約９５ｓｃｃｍの流速における三塩化ホウ素も含んだ
。

各種ガスの機能を説明すれば、第４図中に示されたデー
タがより理解できる。比較的純粋な塩素が、急速かつ幾
分非等方的にアルミニウムを侵食する。従って、もし塩
素のみが層工３中に存在する露出されたアルミニウム又
はアルミニウムを多く含む材料をエッチするために用い
られるならば、アンダーカットの形状が生じるであろう
（すなわち、アルミニウムはマスク端でエッチされるで
あろう。）。

１−リフルオルメタンは金属がエッチされるとき、明ら
かに金属の側壁上に、保護ポリマ薄膜を形成する傾向が
ある。エツチングプロセスが進むにつれ、より多くの保
護ポリマが形成され、塩素は次第に金属を侵食しにくく
なる。金属側壁上にポリマが横方向に成長すると、エツ
チング中マスク端を効果的に変え、それによって傾斜し
た金属形状が生ずる。

このように、第４図のグラフを調べると、一定の塩素流
量に対し、トリフルオルメタンの量が増すと、より小さ
な傾斜角○が生じる傾向にあることが示される。従って
、一定のトリフルオルメタン流量に対し、塩素の量を増
すと、より大きな傾斜角Ｏが生じる傾斜になる。このよ
うに、第４図のグラフは、約１ １．２５μｍ間隔のランナの場合に、所望の傾斜角を得
るために設計されたプロセス条件を選択する際、助けと
なる。

予備的な結果は、第４図中に示されたデータは、外挿で
きることを示している。すなわち、１０１０５ｅの塩素
流量に対する曲線は、グラフ上の１６ｓｃｃｍと６　ｓ
ｃｃｍの塩素流量に対する曲線間にある。

一般に、アルミニウム層は安定な自然酸化物表面を含む
。酸化物はしばしばアルミニウム層自身よりはるかに遅
くエッチされる。酸化物のエツチングが遅いために、エ
ツチングプロセスの開始時に、不規則な潜在期が生じる
。この潜在期は終了時を予測するために用いられる時間
計算の際、考慮に入れるのが難しい。他の点では、得ら
れるエッチ表面が粗くなることがある。その理由は、酸
化物の厚さがわずかに不均一なことである。そのため、
酸素及び水蒸気を除去し、アルミニウム酸化物を確実に
除去するために、エッチプロセスの少くとも開始時に、
三塩化ホウ素を添加する。

上で述べた傾斜エツチングプロセスは、各種の状況下で
有用な傾斜アルミニウム形状を生成するために用いてよ
い。たとえば、本発明と同し譲渡人に譲渡され、この中
に参考文献として含まれるエフ・エイチ・フィッシャー
　（Ｆ　、　Ｈ、Ｆｉｓｃｈｅｒ）　らによる審査中の
特許４−１０−２−１は、後のレーザ切断に対し、各ラ
ンナ中に厚さが減少した領域をもつアルミニウムランナ
を形成するため、本発明を用いると有利となる可能性が
ある。加えて、本発明は近接した金属ランナ上に、傾斜
した側壁を形成するために用いてもよい。傾斜した側壁
は誘電体層のその後の堆積を容易にする。

第５図は測定された傾斜角と金属ランナ間の間隔との間
の、実験的に決められた関係を示す。上の曲線は第４図
中のブセス点１１　Ａ　Ｉ＋に対応し、一方、下の曲線
は第４図中のプロセス点ｚｔＢ″′に対応する。従って
、プロセス“Ａ　”で加工されているウェハ上では、１
．２５μｍの間隔のランナは、約８０度の傾斜角を示す
。しかし、１０μｍ以上離以上前ンナは、約７０度の傾
斜角を示す。同様に、もしプロセスｒｒＢ”を用いるな
ら、約１０μｍ以上前れたランナは約６０度の傾斜角を
示す。このように、第５図のグラフは与えられたランナ
間の間隔に対する所望の傾斜角を得るためのプロセス条
件を選択する上で助けとなる。もし第４図中のプロセス
点”Ａ”又はＩＩＢ”′に対応するのとは著しく異るガ
ス流量を用いた時は、第５図に対応して、新しい曲線の
組を作らなくてはならない。そのような作成は、当業者
には容易に実行できる。

第４図及び第５図中に示された結果は、フォトレジスト
の一定の厚さ（２μｍＨＰＲ２０６）に対して得られた
ものである。予備的な検討により、傾斜角はフォトレジ
ストの厚さとともに、わずかに減少することが示された
。しかし、フォトレジストの厚さが小さい場合に得られ
た曲線の一般的な形は、第４図及び第５図に示されたも
のと同様である。

以下の例は本発明の実施例である。

第１例 約１．２５μｍの間隔のアルミニウムランナ上に約８０
度の傾斜角を得るため。

５０００Ａのアルミニウムー銅−シリコン（１／２％銅
；ｏ、’７！５％シリコン）の全面の層を、化学気相堆
積させたシリコン酸化物上に形成した。金属は１２０人
の反射防止被膜で被覆し、次に２．０　μｍ　ＨＰＲ２
０６フオトレジストでパターン形成した。

試料はアルミナトレイを有する（アプライド・マテリア
ルズ社製の）ＡＭＥ８１３０ヘキサオード反応容器中に
置いた。カソードの温度は６０℃であった。反応容器の
使わない位置は、シリコンダミーウェハで満たした。

容器は真空にし、三塩化ホウ素（９５ｓｃｃｍ　）及び
ヘリウム（１６０ｓｃｃｍ）を導入し、１６１ｂ− ｍ　Ｔｏｒｒの圧力を保った。ヘリウムはキャリヤガス
の働きをした。１３．５６　ＭＨｚのＲＦ周波数と約６
１０ワツトのパワーを用い、２３０ボルトの自己誘発バ
イアスを生じさせることにより、プラズマを形成した。

三塩化ホウ素は反射防止被膜及び金属上の自然酸化物被
膜を破った。

プラズマは１今後消滅した。１６ｍＴｏｒｒの圧力を保
ちながら、他の２つのガスとともに、１６ｓｃｃｍの流
量で塩素を導入した。プラズマが形成され、１分後に消
滅した。塩素を導入することにより、金属エッチプロセ
スが始まった。

次に主要なエッチプロセスが始められた。

トリフルオルメタンを２４ｓｃｃｍで容器中の他のガス
に加え、同じ圧力を保った（プロセスは第４図中の”Ａ
”と印したプロセス点に対応する。）。再びプラズマが
形成され、金属がエッチされ下の酸化物が最初に露出さ
れるまで保たれた。金属が完全にエッチされ、下の酸化
物が露出される終了点は（スペクトル的な測定も許され
るが）、視察により検出した。主要なエッチプロセスに
必要な時間を測定した。

次に２０パーセントのオーバーエッチを行った。視察に
よりエツチングプロセスでアルミニウムが除去されたこ
とがわかった時、トリフルオルメタン及び塩素の流量は
それぞれ１８及び１２ｓｃｃｍに減少し、全圧は１２ｍ
Ｔｏｒｒ　に低下させた。主要なエッチ時間の２０パー
セントに等しい時間の後、プラズマは消滅させた。容器
を真空にした。

最後に（同じ反応容器中で）灰化／不活性化プロセスを
行った。灰化／不活性化プロセスにより、マスク１５及
びほとんどのポリマ層２３が除去される。そのプロセス
により、ある種の残留塩素物質もとり除かれる。それら
はアルミニウムと直接接触する可能性があり、後にアル
ミニウムが侵食されることになる。従って、酸素／テト
ラフルオルメタン混合気体を３００　ｓｃｃｍで容器中
に導入し、２００　ｍ、　Ｔｏｒｒの圧力が保たれる。

６５０ワツトの電力でプラズマが形成され、２５分後に
消滅した。次に、試料は残留フォトレジスト及び残留ポ
リマを除去するため、標準の湿式浄化液で清浄化した。

第２例 １．２５μｍの間隔のアルミニウムランナ上に、７０度
の傾斜角が必要で、第」−例で述べたものと同様のプロ
セスを行った。しかし、主要なエッチプロセスは４０ｓ
ｃｃｍのトリフルオルメタンと６　ｓｃｃｍの塩素を含
む（すなわち、第４図中の′Ｂ”と印されたプロセス点
１こ対応する。）ように修正した。終了点に達した時、
オーバーエッチプロセスには、１８ｓｃｃｍのフレオン
と６　ｓｃｃｍの塩素の使用が含まれた。

第３例 １０μｍというような比較的大きな距離（そのような大
きな距離は第５図の曲線上でみたところ゛無限″に対応
する。）の間隔のアルミニウムランナ上で、約６０度の
傾斜角が望ましい。第５図のグラフを調べると、第２例
で用いたのと同じプロセス（１，２５μｍ間隔のランナ
中に、７０度の傾斜角を生成する。）を用いると成功で
きることが示される。

各ランナ中に厚さの減少した領域を形成するのが望まし
い上で述べた審査中の特許（ニ）・エイチ・フィッシャ
（Ｆ　、　Ｈ、Ｆｉｓｃｈｅｒ）ら、４−１０−２−１
．　）を実施する際、厚さの小さい領域のおおよその半
径（約１０μｍ）に対応するデータを、用いてもよい。

従って、上で述べたフィッシャー（Ｆ　１ｓｃｈｅｒ）
の特許を実施する際、約６０度の傾斜角を生成したいと
思うならば、第２例のプロセスを用いてよい。

ここで述べた本発明のプロセスは、アルミニウムエツチ
ングに塩素を使うことに比べ、いくつかの利点をもつ６
１−リフルオルメタンは気体で、一般に無毒であるが、
クロロフォ９ ルムは液体で有毒である。従って、クロロフォルムの扱
いにはより大きな注意を払わなければならない。上で述
べたプロセスは化学的な変化を伴わず、ある種の積層金
属構造を傾斜エッチするのに用いてもよい。

本発明は塩素に対するトリフルオルメタンの０．７５以
上、好ましくは１．０以上の流量比は、実際に関心のも
たれる構造中に望ましい傾斜角を生成する傾向にあるこ
とを示した。

タングステン層のエツチングを行うには、ある程度化学
的な変化を必要とする可能性があるが、アルミニウム、
タングステン及びチタン−タングステンを含む層構造を
エツチングするのにも有用である。

【図面の簡単な説明】

第工図、第２図及び第３図は本発明を実施するプロセス
の例を示す一部分が断面となった図、 第４図及び第５図は傾斜角とエツチングパラメータの関
係を示すグラブである。 く主要部分の符号の説明〉 １１　　・・・・　基板 　３ 屑 レジスト材料 傾斜側壁 ポリマ屑 ＦＩＧ、　４ トリフルオルメタン流量（ＳＣＣＭ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に第１の層（たとえば１１）を形成する工程
   ： 前記第１の層上にアルミニウムを含んだ第 ２の層（たとえば１３）を形成する工程 ガス混合体で前記第１及び第２の層の両方 をエッチングする工程 を含む半導体デバイスの製作方法において、前記ガス混
   合体は塩素及びトリフルオルメ タンを含み、前記エッチング工程により傾斜した形状（
   たとえば１９）を生成することを特徴とする半導体デバ
   イスの製作方法 ２、請求項１記載の方法において、前記 ガス混合体は更に三塩化ホウ素を含むことを特徴とする
   半導体デバイスの製作方法。 ３、請求項１記載の方法において、前記 エッチングはプラズマ雰囲気中で起ることを特徴とする
   半導体デバイスの製作方法。 ４、請求項１記載の方法において、前記 第１の層はチタン−タングステン及びチタン窒化物から
   成るグループから選択された材料で造られることを特徴
   とする半導体デバイスの製作方法。 ５、請求項１記載の方法において、前記 トリフルオルメタンと塩素の流量比は、少くとも０．７
   ５であることを特徴とする半導体デバイスの製作方法。 ６、請求項１記載の方法において、前記 第１の層（たとえば１１）は重量にして少くとも５パー
   セントのチタン−タングステンを含み； 前記第２の層（たとえば１３）は反射防止 被膜で被覆され、 前記反射防止被膜はパターンマスクで被覆 され、前記マスクは２μｍかそれ以下の厚さをもち、 前記アルミニウムを含む層（たとえば１３）は三塩化ホ
   ウ素に露出され、 塩素とトリフルオルメタンの前記ガス混合 体は、プラズマ中に存在し、前記塩素は１６ないし６ｓ
   ｃｃｍの流速をもち、前記トリフルオルメタンは６０ｓ
   ｃｃｍより小さな流速をもち、前記ガス混合体は前記ア
   ルミニウムを含む層と前記チタン−タングステンを含む
   層に接触して、ポリマ層を生成し、前記アルミニウムを
   含む層及び前記チタン−タングステンを含む層上に、傾
   斜した側壁（たとえば１９）を生成することを特徴とす
   る半導体デバイスの製作方法。