JP2007250942A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属（特に配線箇所）の異方性プラズマエッチング工程において、何らかの事情により工程が中断された後に工程を再開しても、その加工形状を維持することができ、半導体装置の歩留まりを向上させることを目的とする。
【解決手段】腐食性ガスによる金属の異方性プラズマエッチング工程が中断された後に、前記プラズマエッチング工程を再開する場合において、前記金属を腐食させないガス雰囲気下において、プラズマを発生させた後に、前記プラズマエッチング工程を再開する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体の微細加工に用いられるドライエッチング方法に係わり、特に金属配線の異方性加工における、形状維持のための製造方法に関する。

ＴｉＮ／Ａｌ積層構造に代表される金属配線の加工では、異方性加工のために、塩素を含むエッチングガス中でプラズマを利用したドライエッチングが、最も一般的になされている。例えば、特許文献１、２や非特許文献１に、これらの技術が開示されている。
特開２００１−０５３０５９号公報 特開平０９−０６９５２５号公報 徳山巍著、「半導体ドライエッチング技術」産業図書、１９９２年

上記プラズマエッチング工程中に、装置の真空系やガス導入系などのトラブルまたは停電などで工程が中断された場合、通常、当該トラブルが回復した後にプラズマエッチング工程を再開する。このプラズマエッチング工程を再開する際には、最初に、エッチングチャンバー内のガス流量と圧力が安定するまでの一定時間、プラズマを発生させずにエッチングガスをエッチングチャンバー内に導入する。このとき、アルミニウム用のエッチングガスである塩素含有ガスは、プラズマ状態にならなくてもアルミニウムに対し腐食性を有するため、露出面に対し等方的にエッチングが進行してしまい、所望の形状が得られなくなる。したがってエッチング終了後の配線形状が不良となり、ウエハを廃棄する場合もある。

本発明は上記課題を解決し、金属（特に配線箇所）の異方性プラズマエッチング工程において、何らかの事情により工程が中断された後に工程を再開しても、その加工形状を維持することができ、半導体装置の歩留まりを向上させることを目的とする。

半導体装置に使用される金属は、通常、その最表面に化学的に非常に強固な自然酸化膜が生成しており、プラズマ状態にない腐食性ガスにさらされても、この自然酸化膜が保護膜となり、前述の等方的なエッチングを防ぐ。しかし、エッチング工程直後の配線金属の露出面は、この自然酸化膜が剥離された状態であるため活性が高く、プラズマ状態で無くとも腐食性ガスと反応し、エッチングが進行してしまう。

よって、前述したアルミニウムと塩素含有ガスとの組み合わせに代表されるように、エッチングガスとして、当該金属をプラズマ状態でなくても腐食する能力のあるガスを用いる場合、プラズマエッチング工程が中断された後に、更にプラズマエッチング工程を再開する際に、当該腐食性ガスを導入しさらにそのガス流量が安定するまで待たないことに発明者は想到した。即ち、プラズマエッチング工程が中断された後において、さらにこれを再開する際には、先ず非腐食性ガスでプラズマを安定させ、しかる後に、腐食性のエッチングガスをチャンバー内に導入すれば良い。

本発明は、以上の知見に基づいてなされたもので、その特徴は以下の通りである。
（１）本発明に係る半導体装置の製造方法は、腐食性ガスによる金属の異方性プラズマエッチング工程が中断された後に、前記プラズマエッチング工程を再開する場合において、前記金属を腐食させないガス雰囲気下において、プラズマを発生させた後、前記プラズマエッチング工程を再開することを特徴とする。
（２）本発明に係る半導体装置の製造方法は、Ｃｌを含有するガスによるアルミニウムの異方性プラズマエッチング工程が中断された後に、前記プラズマエッチング工程を再開する場合において、前記アルミニウムを腐食させないガス雰囲気下において、プラズマを発生させた後、前記プラズマエッチング工程を再開することを特徴とする。
（３）上記（２）において、アルミニウムを腐食させないガスが、Ａｒを含有することを特徴とする。

プラズマエッチング工程中に工程が中断された場合に、当該プラズマエッチング工程を再開しても、先ず金属を腐食させないガス雰囲気下でプラズマを安定させ、しかる後に、腐食性のエッチングガスをチャンバー内に導入することで、工程再開後における配線形状の不良を抑制でき、歩留りの向上が可能となる。特に上記（２）および上記（３）の製造方法を採用することで、半導体装置の製造に最も利用されるアルミニウムの形状不良を、より効率的に抑制でき、更なる歩留り向上が期待できる。

以下、本発明に係る半導体装置の製造方法について、アルミニウムを、Ｃｌを含有したエッチングガスにより異方性エッチングする場合を例に、本発明の詳細と好ましい実施形態を説明する。具体的には、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスによるプラズマを用いて、マイクロ波プラズマエッチング装置で、ＡｌＣｕの膜の上にＴｉＮ膜を被覆したものを配線形状に異方性エッチングし、当該アルミニウム配線のサイドエッチの状態を調べた。

第１の実施の形態として、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガスをさらにＡｒガスで希釈した希釈混合ガスにてプラズマを安定させ、しかる後に、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３の混合ガスをチャンバー内に導入する場合について説明する。具体的な工程は、以下の（１−１）から（１−７）の順とした。
（１−１）試料をマイクロ波プラズマエッチング装置のチャンバー内に搬送した後、先ず通常条件で、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスによるプラズマを発生させる。
（１−２）上記（１−１）のプラズマが安定した後、30秒間プラズマエッチングを行う。
（１−３）次に、一旦プラズマを停止させ、プラズマエッチング工程を中断させる。
（１−４）中断後、直ちに、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスを停止すると共に、ＡｒガスとＣＨ_４ガスの混合ガス、およびＡｒガスをチャンバー内に導入し、その流量が安定するまで待つ。
（１−５）ＡｒガスとＣＨ_４ガスの混合ガスおよびＡｒガスの流量が安定したら、プラズマを発生させる。
（１−６）プラズマが発生したら、Ｃｌ_２およびＢＣｌ_３の混合ガスを再びチャンバー内に流して、プラズマエッチング工程を再開すると共に、プラズマ着火に用いたＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、およびＡｒガスのうち、配線のエッチングに不要なＡｒガスを停止する。
（１−７）上記（１−２）と（１−６）におけるエッチング時間の合計が所定時間に達したら、当該プラズマエッチング工程を終了させる。

上記プラズマエッチング工程においては、１２０sccmのＣｌ_２、３０sccmのＢＣｌ_３、および、１５０sccmのＡｒとＣＨ_４との混合ガスを流し、処理室ガス圧力は１．０Paで試料をエッチングした。さらに、工程再開の際のプラズマ発生においては、１５０sccmのＡｒ、および、１５０sccmのＡｒとＣＨ_４との混合ガスを流し、処理室ガス圧力は１．０Paでプラズマを着火した。また、試料としては、層間絶縁膜上に、厚み５００nmのＡｌＣｕの膜を形成し、さらに厚み２５nmのＴｉＮ膜を成膜した積層構造上に、レジストマスクを形成させたものを用いた。

以上の条件で得られたアルミニウム膜の配線形状を、ＳＥＭ（倍率６００００倍）にて観察し、そのサイドエッチの状態を調べた結果を、図１に示す。

比較例として、Ｃｌ_２およびＢＣｌ_３の混合ガスにてプラズマを安定させ、そのままプラズマエッチング工程を再開した場合の結果を、図２に示す。具体的な工程は、以下の（比−１）から（比−７）の順とした。エッチング条件および試料条件は、第１の実施の形態と同様とした。
（比−１）試料をマイクロ波プラズマエッチング装置のチャンバー内に搬送した後、先ず通常条件で、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスによるプラズマを発生させる。
（比−２）上記（比−１）のプラズマが安定した後、30秒間プラズマエッチングを行う。
（比−３）次に、一旦プラズマを停止させ、プラズマエッチング工程を中断させる。中断後、一度ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスを停止する。
（比−４）さらにその後、再びＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスをチャンバー内に導入し、その流量が安定するまで待つ。
（比−５）ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスの流量が安定したら、プラズマを発生させて、プラズマエッチング工程を再開する。
（比−６）工程（比−２）と工程（比−５）におけるエッチング時間の合計が所定時間に達したら、当該プラズマエッチング工程を終了させる。

図１と図２のサイドエッチ形状を比較すると、図１は、ほぼ垂直な側壁が得られているのに対し、図２は、配線断面の中央部にて大きく凹んでいるのが分かる。この凹みは、上記（比−４）の工程再開時における、Ｃｌ_２およびＢＣｌ_３の混合ガスによるものであるが、図１の方は、この様な凹みが見られず、形状不良が抑制されることが明らかになった。

なお、本実施の形態においては、プラズマ発生用に、１５０sccmのＣＨ_４とＡｒとの混合ガスのみを流し、処理室ガス圧力１．０Paでプラズマ着火した場合も試してみたが、特に問題は無く、図１とほぼ同様の結果が得られた。

第２の実施の形態として、Ａｒガスにてプラズマを安定させ、しかる後に、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスをチャンバー内に導入する場合について説明する。具体的な工程は、以下の（２−１）から（２−７）の順とした。
（２−１）試料をマイクロ波プラズマエッチング装置のチャンバー内に入れた後、先ず通常条件で、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスによるプラズマを発生させる。
（２−２）上記（２−１）のプラズマが安定した後、30秒間プラズマエッチングを行う。
（２−３）次に、一旦プラズマを停止させ、プラズマエッチング工程を中断させる。
（２−４）中断後、直ちに、Ｃｌ_２およびＢＣｌ_３の混合ガスを停止すると共に、Ａｒガスをチャンバー内に導入し、その流量が安定するまで待つ。
（２−５）Ａｒガスの流量が安定したら、プラズマを発生させる。
（２−６）プラズマが発生したら、ＡｒガスとＣＨ_４ガスとの混合ガス、および、Ｃｌ_２とＢＣｌ_３との混合ガスを再びチャンバー内に流して、プラズマエッチング工程を再開すると共に、プラズマ着火に用いたＡｒガスを停止する。
（２−７）上記（２−２）と（２−６）におけるエッチング時間の合計が所定時間に達したら、当該プラズマエッチング工程を終了させる。

上記プラズマエッチング工程においては、１２０sccmのＣｌ_２、３０sccmのＢＣｌ_３、および、１５０sccmのＡｒとＣＨ_４との混合ガスを流し、処理室ガス圧力は１．０Paで試料をエッチングした。さらに、工程再開の際のプラズマ発生においては、１５０sccmのＡｒを流し、処理室ガス圧力は１．０Paでプラズマを着火した。また、試料としては、層間絶縁膜上に形成したＴｉＮ（２５nm）／Ａｌ−Ｃｕ（５００nm）の積層構造上にレジストマスクを形成させたものを用いた。

以上の条件で得られたアルミニウム膜の配線形状を、ＳＥＭにて観察し、そのサイドエッチの状態を調べた結果、図示はしないが、図１とほぼ同様の結果が得られた。

なお、第１と第２の実施の形態では、Ａｌ−Ｃｕをアルミニウムとして説明したが、本発明はこの形態に限定されない。半導体装置に通常使用される、Ａｌを含有する材料なら何でも良く、例えば、他の不純物を含んでいても良いし、不純物を含まない場合でも問題は無い。製造される半導体装置の仕様と製造工程に合わせて、適宜選択すれば良い。

なお、第１と第２の実施の形態では、異方性エッチングする金属をアルミニウムにて説明したが、本発明はこの形態に限定されない。半導体装置に通常使用される金属なら何でも良く、例えば、タングステンを含有した金属、銅を含有した金属またはチタンを含有した金属でも問題は無い。製造したい半導体装置の仕様と製造工程に合わせて、適宜選択すれば良い。

なお、第１と第２の実施の形態では、金属を腐食させないガスとして、ＡｒとＣＨ_４の混合ガス、ならびにＡｒを用いたが、本発明はこの形態に限定されない。半導体装置に通常使用される金属材料に対し、腐食性を有しないガスなら何でも良い。特に、半導体装置の製造工程に良く用いられる、ＨｅやＡｒ等の希ガス、ＣＨ_４（メタン）、Ｃ_２Ｈ_６（エタン）、Ｃ_２Ｈ_４（エチレン）、Ｃ_２Ｈ_２（アセチレン）、ＣＨ_２Ｆ_２、ＣＨＦ_３、ＣＦ₄、ＳＦ₆もしくはＮ_２が、製造工程への負担（製造品への影響、経済性等）を考慮すれば特に望ましい。異方性エッチングの対象である金属材料、製造される半導体装置の仕様、もしくは製造工程に合わせて適宜選択すれば良い。

なお、第１と第２の実施の形態では、アルミニウムと塩素を含有したエッチングガスの組合せで説明したが、本発明はこの形態に限定されない。半導体装置に通常使用される金属材料と、その金属に対し腐食性を有するガスの組合わせは、全て本発明に含まれる。他には、チタンと塩素の組合せが考えられる。

なお、第１と第２の実施の形態では、プラズマ停止をプラズマエッチング工程の中断として説明したが、本発明はこの形態に限定されない。理由の如何に関わらず、プラズマエッチング工程を再開する必要が有る場合は、全て本発明における「中断」に含まれる。例えば、エッチング条件異常による自動停止、プラズマ停止、基板バイアスの停止、真空系のシャットダウン、導入ガス系統の停止、電源系統の停止、または地震や落雷によるエッチング装置そのものの停止等があげられる。

本発明に係る第１の実施の形態によって得られた、アルミニウム配線の形状を示した図である（発明例）。 非腐食性ガスを用いない製造方法によって得られた、アルミニウム配線の形状を示した図である（比較例）。

Claims (3)

1. 腐食性ガスによる金属の異方性プラズマエッチング工程が中断された後に、前記プラズマエッチング工程を再開する場合において、
   前記金属を腐食させないガス雰囲気下において、プラズマを発生させた後、
   前記プラズマエッチング工程を再開することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. Ｃｌを含有するガスによるアルミニウムの異方性プラズマエッチング工程が中断された後に、前記プラズマエッチング工程を再開する場合において、
   前記アルミニウムを腐食させないガス雰囲気下において、プラズマを発生させた後、
   前記プラズマエッチング工程を再開することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 前記アルミニウムを腐食させないガスが、Ａｒを含有することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。