JP2006310634A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】
金属膜のサイドエッチを抑制し、良好な形状の配線を形成することができる半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に金属膜を形成し、金属膜上にハードマスクを形成し、得られた基板を処理チャンバー内に設置し、前記処理チャンバー内を所定圧力に減圧し、前記処理チャンバー内にエッチングガスを供給すると共に、前記処理チャンバー内にプラズマを生成して金属膜をパターニングする工程を備え、前記エッチングガスが、不飽和炭化水素ガスを含むことを特徴とする。
【選択図】図１
金属膜のサイドエッチを抑制し、良好な形状の配線を形成することができる半導体装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に金属膜を形成し、金属膜上にハードマスクを形成し、得られた基板を処理チャンバー内に設置し、前記処理チャンバー内を所定圧力に減圧し、前記処理チャンバー内にエッチングガスを供給すると共に、前記処理チャンバー内にプラズマを生成して金属膜をパターニングする工程を備え、前記エッチングガスが、不飽和炭化水素ガスを含むことを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は半導体装置の製造方法に関する。
従来、半導体装置の金属配線は、基板上に形成したＡｌ膜をプラズマエッチングによりパターニングすることにより形成していた。このパタ−ニングは、通常、金属膜上に形成されたレジストマスクを用いて行っていた。
近年、半導体装置の微細化が進み、それに伴ってパターニングでの加工精度を確保するために、レジストマスクの薄厚化が要求されてきた。しかし、通常使用されるレジストマスクは、Ａｌ膜のプラズマエッチングに通常用いられるＣｌ2やＢＣｌ3といったエッチングガスに対する選択比が小さいため、レジストマスクの薄厚化は困難であった。
そこで、レジストマスクに代わって、ＳｉＯ2膜やＳｉＮ膜で形成されたハードマスクが採用された。
しかし、ハードマスクの採用によってＡｌ膜のサイドエッチ量が大きくなるという新たな問題が浮上した。レジストマスクを使用していたときはプラズマエッチングの際にレジストマスクから炭素原子や水素原子が放出され、これらがエッチング中のＡｌ膜の側壁に付着してポリマーとなることによって保護層が形成されていたが、ハードマスクの採用によって炭素原子や水素原子の供給源が無くなり、Ａｌ膜の側壁に保護層が形成されなくなったことがその理由であると考えられている。
この問題に対処するために、特許文献１では、ＣＨＦ3などのＣＦ系ガスをエッチングガスに含め、このＣＦ系ガスを炭素原子や水素原子の供給源とすることで、Ａｌ膜の側壁に保護膜が形成されるようにして、サイドエッチを抑える技術が開示されている。
特開２０００−１２４２０１号公報
しかし、本発明の発明者による実験では、特許文献１に記載のエッチングガスを用いると、特許文献１の記載に基づいて実験条件の最適化を行っても、Ａｌ膜のサイドエッチを十分に抑えることができなかった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、金属膜のサイドエッチを抑制し、良好な形状の配線を形成することができる半導体装置の製造方法を提供するものである。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に金属膜を形成し、金属膜上にハードマスクを形成し、得られた基板を処理チャンバー内に設置し、前記処理チャンバー内を所定圧力に減圧し、前記処理チャンバー内にエッチングガスを供給すると共に、前記処理チャンバー内にプラズマを生成して金属膜をパターニングする工程を備え、前記エッチングガスが、不飽和炭化水素ガスを含むことを特徴とする。
本発明の発明者は、ハードマスクを用いたプラズマエッチングにより金属膜をパターニングする際に、不飽和炭化水素ガスを含むエッチングガスを用いると、金属膜側壁での保護膜形成が促進され、金属膜のサイドエッチが抑制され、良好な形状の配線を形成することができることを見出し、本発明の完成に到った。
この作用は、必ずしも明らかではないが、不飽和炭化水素ガスに含まれる不飽和結合がプラズマ生成の際に切断され、効率的に炭素原子が供給されるためであると推測される。
図１を用いて、本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。図１は、本実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。以下の記載及び図面は、例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。
１．金属膜形成工程
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１上に、層間絶縁膜３及びバリア膜５を介して金属膜７を形成する。半導体基板１には、ＳｉやＧａＡｓなどの一般的な半導体基板を用いることができる。層間絶縁膜３は、ＢＰＳＧ膜やＳｉＯＦ膜などからなり、ＣＶＤ法などで形成することができ、また、ポリイミド膜等を塗布法によって形成したものであってもよい。層間絶縁膜３は、例えば、厚さ４００〜８００ｎｍで形成する。バリア膜５は、Ｔｉ又はＴｉ／ＴｉＮなどからなり、スパッタ法などで形成することができる。バリア膜５は、例えば、厚さ３０〜５０ｎｍで形成する。金属膜７は、ドライエッチングが可能な種々の金属、例えば、Ａｌ、Ａｌ合金，Ｔｉ，ＴｉＮ，ＴｉＷ，Ｔａ，ＴａＮ，ＷＳｉ，Ｗなどからなり、エッチングの容易性等の観点から、好ましくは、Ａｌ又はＡｌ合金からなる。「Ａｌ合金」とは、Ａｌを主成分とする合金であり、例えば、数％程度のＳｉやＣｕを含有し、残部がＡｌからなる合金をいう。金属膜７は、単層であってもよく、複数の金属膜からなる積層構造であってもよい。金属膜７は、真空蒸着法やスパッタリング法などで形成することができる。金属膜７は、例えば、厚さ１５０〜２００ｎｍで形成する。
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１上に、層間絶縁膜３及びバリア膜５を介して金属膜７を形成する。半導体基板１には、ＳｉやＧａＡｓなどの一般的な半導体基板を用いることができる。層間絶縁膜３は、ＢＰＳＧ膜やＳｉＯＦ膜などからなり、ＣＶＤ法などで形成することができ、また、ポリイミド膜等を塗布法によって形成したものであってもよい。層間絶縁膜３は、例えば、厚さ４００〜８００ｎｍで形成する。バリア膜５は、Ｔｉ又はＴｉ／ＴｉＮなどからなり、スパッタ法などで形成することができる。バリア膜５は、例えば、厚さ３０〜５０ｎｍで形成する。金属膜７は、ドライエッチングが可能な種々の金属、例えば、Ａｌ、Ａｌ合金，Ｔｉ，ＴｉＮ，ＴｉＷ，Ｔａ，ＴａＮ，ＷＳｉ，Ｗなどからなり、エッチングの容易性等の観点から、好ましくは、Ａｌ又はＡｌ合金からなる。「Ａｌ合金」とは、Ａｌを主成分とする合金であり、例えば、数％程度のＳｉやＣｕを含有し、残部がＡｌからなる合金をいう。金属膜７は、単層であってもよく、複数の金属膜からなる積層構造であってもよい。金属膜７は、真空蒸着法やスパッタリング法などで形成することができる。金属膜７は、例えば、厚さ１５０〜２００ｎｍで形成する。
２．ハードマスク形成工程
次に、金属膜７上に反射防止膜９を介してハードマスク用の膜１１ａを形成する。反射防止膜９は、ＴｉＮ／Ｔｉなどからなり、スパッタリング法などで形成することができる。反射防止膜９は、例えば、厚さ４０〜６０ｎｍで形成する。ハードマスク用の膜１１ａは、金属膜７との間で高いエッチング選択比を確保できる種々の材料、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの無機膜からなり、ＣＶＤ法などで形成することができる。
次に、金属膜７上に反射防止膜９を介してハードマスク用の膜１１ａを形成する。反射防止膜９は、ＴｉＮ／Ｔｉなどからなり、スパッタリング法などで形成することができる。反射防止膜９は、例えば、厚さ４０〜６０ｎｍで形成する。ハードマスク用の膜１１ａは、金属膜７との間で高いエッチング選択比を確保できる種々の材料、例えば、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの無機膜からなり、ＣＶＤ法などで形成することができる。
次に、得られた基板上にスピンコート法によりレジスト層を形成し、フォトリソグラフィによってレジストマスク１３を形成し、図１（ａ）に示す構造を得る。レジストマスク１３は、例えば、厚さ２００〜４００ｎｍで形成する。また、図１（ａ）に示すパターン間間隔Ａは、例えば９０〜１３０ｎｍとする。
次に、レジストマスク１３を用いてハードマスク用の膜１１ａをエッチングによりパターニングしてハードマスク１１を形成し、図１（ｂ）に示す構造を得る。エッチングの後、レジストマスク１３を除去し、図１（ｃ）に示す構造を得る。なお、レジストマスク１３は、ハードマスク１１を用いたエッチングの支障にならない程度の厚さであれば、残しておいてもよい。
３．金属膜のパターニング工程
次に、得られた基板をプラズマエッチング装置の処理チャンバー内に設置する。ここで、図２を用いて本発明の実施に使用可能なプラズマエッチング装置の一例について説明する。このプラズマエッチング装置２１は、平行平板型の枚葉式エッチング装置である。プラズマエッチング装置２１は、処理チャンバー２３内に、被処理基板２５を設置する下部電極２７と、下部電極２７に対向する上部電極２９とを備えている。下部電極２７は、静電吸着式で被処理基板２５を保持する機構を備えている。上部電極２９には、プラズマ化するエッチングガスを導入するガス導入路３１が接続され、導入されたガスが被処理基板２５全面に均一に噴出するように、複数のガス噴出口３３が形成されている。また、下部電極２７及び上部電極２９には、互いに周波数の異なる高周波電源３５，３７がそれぞれ接続されている。処理チャンバー２３の底部には排気口３９が形成されており、処理チャンバー２３内の圧力を制御する為に、スロットルバルブ４１を備えており、真空ポンプ４３で排気されている。
次に、得られた基板をプラズマエッチング装置の処理チャンバー内に設置する。ここで、図２を用いて本発明の実施に使用可能なプラズマエッチング装置の一例について説明する。このプラズマエッチング装置２１は、平行平板型の枚葉式エッチング装置である。プラズマエッチング装置２１は、処理チャンバー２３内に、被処理基板２５を設置する下部電極２７と、下部電極２７に対向する上部電極２９とを備えている。下部電極２７は、静電吸着式で被処理基板２５を保持する機構を備えている。上部電極２９には、プラズマ化するエッチングガスを導入するガス導入路３１が接続され、導入されたガスが被処理基板２５全面に均一に噴出するように、複数のガス噴出口３３が形成されている。また、下部電極２７及び上部電極２９には、互いに周波数の異なる高周波電源３５，３７がそれぞれ接続されている。処理チャンバー２３の底部には排気口３９が形成されており、処理チャンバー２３内の圧力を制御する為に、スロットルバルブ４１を備えており、真空ポンプ４３で排気されている。
以下、図２に基づいて説明を進めるが、本発明の方法は、図２以外の装置で実施してもよく、例えば、バレル型やマイクロ波放電型等のプラズマエッチング装置で実施することができる。
基板（被処理基板２５）の設置後、チャンバー２３内を減圧し、チャンバー２３内にエッチングガスを供給して、エッチングガスをプラズマ化させ、プラズマ化したエッチングガスによって反射防止膜９、金属膜７及びバリア膜５を順次エッチングし、図１（ｄ）に示す構造を得る。エッチングの際に、金属膜７等の側壁に炭素系のポリマーからなる保護膜１５が形成される。この保護膜１５によって、金属膜７のサイドエッチングが抑制される。
エッチングガスは、金属膜７と反応して揮発性の化合物を生成するガス、例えば、塩素原子含有ガスを含むことが好ましい。例えば、金属膜７がＡｌ又はＡｌ合金の場合は、塩素原子含有ガスとして、Ｃｌ2ガス及びＢＣｌ3ガスを用いることができる。
また、エッチングガスは、不飽和炭化水素ガスを含む。不飽和炭化水素ガスが含有する不飽和結合の数は、１つであっても複数であってもよい。不飽和結合は、好ましくは、二重結合である。「不飽和炭化水素ガス」には、少なくとも１つの水素原子が、ＣｌやＦなどのハロゲン原子によって置換されているものも含まれる。しかし、ＣｌやＦで置換されているとサイドエッチングが促進されたり、側壁保護膜の生成が抑制されたりする場合があるので、無置換であることが好ましい。
不飽和炭化水素ガスは、好ましくは、炭素数が２〜５であり、具体的には、例えば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、シス−２−ブテン、イソブテン、トランス−２−ブテン、シス−２−ペンテン、トランス−２−ペンテンからなる群より選ばれる。
不飽和炭化水素ガスは、好ましくは、炭素数が２〜５であり、具体的には、例えば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、シス−２−ブテン、イソブテン、トランス−２−ブテン、シス−２−ペンテン、トランス−２−ペンテンからなる群より選ばれる。
不飽和炭化水素ガスは、エッチングガスの全量に対する濃度が好ましくは０．５〜５％、さらに好ましくは１〜３％、さらに好ましくは１．３％〜２％である。これらの範囲内であれば、側壁の保護膜１５が効果的に形成され、また、不飽和炭化水素ガスの爆発の危険性が高くないからである。
また、不飽和炭化水素ガスは、好ましくは、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ又はＸｅなどの希ガスによって希釈された状態で供給される。この場合、不飽和炭化水素ガスが爆発する危険性を低くすることができるという利点がある。不飽和炭化水素ガスは、好ましくは３７〜４０倍に希釈される。
また、不飽和炭化水素ガスは、好ましくは、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ又はＸｅなどの希ガスによって希釈された状態で供給される。この場合、不飽和炭化水素ガスが爆発する危険性を低くすることができるという利点がある。不飽和炭化水素ガスは、好ましくは３７〜４０倍に希釈される。
プラズマエッチングの好ましい条件は、チャンバー２３内の圧力は５ｍ〜１５ｍＴｏｒｒ，ＲＦＰｏｗｅｒはＷｓ／Ｗｂ＝１．５９〜２．２２／０．３２〜０．４５ｗ／ｃｍ2（Ｗｓは上部電極２９に印加する高周波電力、Ｗｂは下部電極２７側に印加する高周波電力。以下，同じ。）、ガス流量比はＣｌ2／ＢＣｌ3／Ｃ2Ｈ4（希ガスで希釈済）／Ｎ2＝０．１〜０．３／０．３〜０．５／１．０／０．０１〜０．１程度であり、温度は、下部電極２７が２０〜６０℃、チャンバー２３側壁が４０〜７０℃、上部電極２９が７０〜９０℃である。この条件は、加工される金属膜の種類や本発明が適用されるウエハのサイズなどによって適宜調節することができる。
以下、図１を用いて、本発明の実施例を説明する。図１は、説明の便宜のためにのみ用いられ、以下に示す膜厚等を必ずしも正確に反映していない。
１．金属膜形成工程
まず、直径２００ｍｍのシリコン基板１上にＢＰＳＧからなる層間絶縁膜３をＣＶＤ法により形成し、その上にＴｉ／ＴｉＮからなるバリア膜５及びＡｌ合金（Ａｌ：９９．５％，Ｃｕ：０．５％）からなる金属膜７をスパッタ法により形成した。層間絶縁膜３、バリア膜５、金属膜７は、それぞれ、厚さ６００ｎｍ，４０ｎｍ，１８０ｎｍとした。
まず、直径２００ｍｍのシリコン基板１上にＢＰＳＧからなる層間絶縁膜３をＣＶＤ法により形成し、その上にＴｉ／ＴｉＮからなるバリア膜５及びＡｌ合金（Ａｌ：９９．５％，Ｃｕ：０．５％）からなる金属膜７をスパッタ法により形成した。層間絶縁膜３、バリア膜５、金属膜７は、それぞれ、厚さ６００ｎｍ，４０ｎｍ，１８０ｎｍとした。
２．ハードマスク形成工程
次に、得られた基板上にＴｉＮ／Ｔｉからなる反射防止膜９及びＴＥＯＳからなるハードマスク用の膜１１ａをＣＶＤ法により形成した。反射防止膜９及び膜１１ａは、それぞれ、厚さ５０ｎｍ，１８０ｎｍとした。
次に、得られた基板上にスピンコート法によりレジスト層を形成し、フォトリソグラフィによってレジストマスク１３を形成し、図１（ａ）に示す構造を得た。レジストマスク１３は、厚さ３００ｎｍとし、パターン間間隔Ａは、例えば１１０ｎｍとした。
次に、得られた基板上にＴｉＮ／Ｔｉからなる反射防止膜９及びＴＥＯＳからなるハードマスク用の膜１１ａをＣＶＤ法により形成した。反射防止膜９及び膜１１ａは、それぞれ、厚さ５０ｎｍ，１８０ｎｍとした。
次に、得られた基板上にスピンコート法によりレジスト層を形成し、フォトリソグラフィによってレジストマスク１３を形成し、図１（ａ）に示す構造を得た。レジストマスク１３は、厚さ３００ｎｍとし、パターン間間隔Ａは、例えば１１０ｎｍとした。
次に、レジストマスク１３を用いてハードマスク用の膜１１ａをエッチングによりパターニングしてハードマスク１１を形成し、図１（ｂ）に示す構造を得た。エッチングの後、フォトリソグラフィで用いたレジストマスクをアッシングにより除去し、図１（ｃ）に示す構造を得た。
３．金属膜のパターニング工程
次に、得られた基板を図２に示すプラズマエッチング装置の真空チャンバー２３内に設置し、チャンバー２３の圧力を６ｍＴｏｒｒに低下させた。
次に、チャンバー２３内にエッチングガスを供給して、エッチングガスをプラズマ化させ、プラズマ化したエッチングガスによって反射防止膜９、金属膜７及びバリア膜５を順次エッチングし、図１（ｄ）に示す構造を得た。エッチングガスの流量比は、Ｃｌ2／ＢＣｌ3／Ｃ2Ｈ4／Ｎ2＝０．２／０．４／１．０／０．０５（実際の各ガス流量はＣｌ2／ＢＣｌ3／Ｃ2Ｈ4／Ｎ2＝２０／４０／１００／５）とし、ＲＦＰｏｗｅｒは、Ｗｓ／Ｗｂ＝１．８／０．３８ｗ／ｃｍ2とし、温度は、下部電極２７が４５℃、チャンバー側壁が６５℃、上部電極２９が８０℃とした。なお、Ｃ2Ｈ4は、予めＨｅで３７倍に希釈されており、上記流量は、この希釈後のガスを基準にしている。上記条件では、エッチングガスの全量に対するＣ2Ｈ4の濃度は、１．６４％となる。
以上の方法で、金属膜７のパターニングを行ったところ、図３の距離Ｂで示すサイドエッチ量は、ほぼ０ｎｍであった。
次に、得られた基板を図２に示すプラズマエッチング装置の真空チャンバー２３内に設置し、チャンバー２３の圧力を６ｍＴｏｒｒに低下させた。
次に、チャンバー２３内にエッチングガスを供給して、エッチングガスをプラズマ化させ、プラズマ化したエッチングガスによって反射防止膜９、金属膜７及びバリア膜５を順次エッチングし、図１（ｄ）に示す構造を得た。エッチングガスの流量比は、Ｃｌ2／ＢＣｌ3／Ｃ2Ｈ4／Ｎ2＝０．２／０．４／１．０／０．０５（実際の各ガス流量はＣｌ2／ＢＣｌ3／Ｃ2Ｈ4／Ｎ2＝２０／４０／１００／５）とし、ＲＦＰｏｗｅｒは、Ｗｓ／Ｗｂ＝１．８／０．３８ｗ／ｃｍ2とし、温度は、下部電極２７が４５℃、チャンバー側壁が６５℃、上部電極２９が８０℃とした。なお、Ｃ2Ｈ4は、予めＨｅで３７倍に希釈されており、上記流量は、この希釈後のガスを基準にしている。上記条件では、エッチングガスの全量に対するＣ2Ｈ4の濃度は、１．６４％となる。
以上の方法で、金属膜７のパターニングを行ったところ、図３の距離Ｂで示すサイドエッチ量は、ほぼ０ｎｍであった。
（比較例）
Ｃ2Ｈ4の代わりにＣＨＦ3を用い、その他は上記実施例と同様の方法で、金属膜７のパターニングを行った。その結果、図３の距離Ｂで示すサイドエッチ量は、約２０ｎｍとなり、本発明の有効性が確認された。
Ｃ2Ｈ4の代わりにＣＨＦ3を用い、その他は上記実施例と同様の方法で、金属膜７のパターニングを行った。その結果、図３の距離Ｂで示すサイドエッチ量は、約２０ｎｍとなり、本発明の有効性が確認された。
１：半導体基板 ３：層間絶縁膜 ５：バリア膜 ７：金属膜 ９：反射防止膜 １１：ハードマスク １１ａ：ハードマスク用の膜 １３：レジストマスク １５：保護膜 ２１：プラズマエッチング装置 ２３：処理チャンバー ２５：被処理基板 ２７：下部電極 ２９：上部電極 ３１：ガス導入路 ３３：ガス噴出口 ３５，３７：高周波電源 ３９：排気口 ４１：スロットルバルブ ４３：真空ポンプ
Claims (9)
- 半導体基板上に金属膜を形成し、
金属膜上にハードマスクを形成し、
得られた基板を処理チャンバー内に設置し、
前記処理チャンバー内を所定圧力に減圧し、
前記処理チャンバー内にエッチングガスを供給すると共に、前記処理チャンバー内にプラズマを生成して金属膜をパターニングする工程を備え、
前記エッチングガスが、不飽和炭化水素ガスを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 不飽和炭化水素ガスは、二重結合を有し、炭素数が２〜５である請求項１に記載の方法。
- 不飽和炭化水素ガスは、エチレン、プロピレン、１−ブテン、シス−２−ブテン、イソブテン、トランス−２−ブテン、シス−２−ペンテン、トランス−２−ペンテンからなる群より選ばれる請求項１に記載の方法。
- 不飽和炭化水素ガスは、希ガスによって希釈された状態で供給される請求項１に記載の方法。
- 不飽和炭化水素ガスは、エッチングガスの全量に対する濃度が１．３〜２％である請求項１に記載の方法。
- 金属膜は、Ａｌ膜又はＡｌ合金膜からなる請求項１に記載の方法。
- ハードマスクは、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなる請求項１に記載の方法。
- エッチングガスは、塩素原子含有ガスをさらに含む請求項１に記載の方法。
- 塩素原子含有ガスは、Ｃｌ2ガス及びＢＣｌ3ガスを含む請求項８に記載の方法。
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