JP3018602B2

JP3018602B2 - ドライエッチング方法

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Publication number: JP3018602B2
Application number: JP3171881A
Authority: JP
Inventors: 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-06-18
Filing date: 1991-06-18
Publication date: 2000-03-13
Anticipated expiration: 2015-03-13
Also published as: JPH04369834A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
いわゆるブランケットＣＶＤ法により形成される高融点
金属層のエッチバックを行うにあたり、表面を高度に平
滑化し、パーティクル汚染を低減し、ローディング効果
を抑制する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、デバイス・チップ上では配線部分の占める割合
が増大する傾向にあるが、これによるチップ面積の大幅
な増大を防止するために多層配線が今や必須の技術とな
っている。従来、配線形成方法としては、アルミニウム
等からなる金属薄膜をスパッタリング法により形成する
ことが広く行われてきた。しかし、上述のように配線の
多層化が進行し、その結果として基体の表面段差や接続
孔のアスペクト比が増大している状況下では、スパッタ
リング法におけるステップ・カバレージの不足により上
層配線と半導体基板との間の接続不良や配線間における
接続不良がすでに重大な問題となっている。

【０００３】そこで近年、タングステン，モリブデン，
タンタル等の高融点金属、あるいはアルミニウム，銅等
の金属を接続孔内に選択的に成長させることによりアス
ペクト比の高い接続孔を埋め込む技術が提案されてい
る。かかる選択成長の手法としては、金属フッ化物や有
機金属化合物等のガスを下層配線材料により還元して金
属を析出させる選択ＣＶＤ法がその代表的なものであ
る。しかし、選択ＣＶＤ法は研究レベルではかなり良い
結果を得ているものの、次第に選択性が劣化すること、
あるいはネイルヘッドと通称される過剰成長部のエッチ
バック除去の際の制御性が乏しいこと等の難点があり、
当初の期待に反して量産への導入の見通しが立っていな
いのが現状である。この選択ＣＶＤに代わって改めて注
目を集めているのが、ブランケットＣＶＤ法である。こ
れは、基体の全面に金属または合金を析出させる技術で
あり、たとえば接続孔が開口された絶縁膜の全面を被覆
して該接続孔を埋め込むごとくタングステン（Ｗ）等の
高融点金属層を形成するプロセスはその代表例である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記高融点
金属層を接続孔内部に埋め込んで、いわゆるプラグ材と
して使用する場合には、該高融点金属層のエッチバック
が当然必要となる。このエッチバック工程では、ウェハ
面内における処理の均一性を考慮して５〜１０％程度の
オーバーエッチングが行われるのが普通である。しか
し、同じウェハ面でもエッチング装置内のプラズマ密度
の比較的高い領域に近接している部分では、それ以外の
部分と比較してエッチング速度が速くなっているため、
層間絶縁膜の露出に伴う被エッチング面積の急激な減少
が早い時期に生ずる。すると、結合の相手（すなわち高
融点金属）を失って相対的に過剰となったエッチング種
が接続孔内に集中し、そこに埋め込まれたバリヤメタル
や高融点金属層を大きく侵食するという問題がある。

【０００５】たとえば図７（ａ）に示されるように、予
め不純物拡散領域１２の形成された半導体基板１１上
に、該不純物拡散領域１２に臨んで接続孔１３ａが開口
された層間絶縁膜１３が形成され、さらにスパッタリン
グ法により基体の全面を被覆するごとくＴｉＮ等からな
るバリヤメタル１４が形成され、さらにブランケットＣ
ＶＤ法によりＷ層１５が形成されている場合を考える。
ここで、フッ素系ガスを用いて上記Ｗ層１５をエッチバ
ックすると、高プラズマ密度領域の近傍ではバリヤメタ
ル１４の表面が露出した段階で早い時期にＦ^*が過剰と
なる。これが接続孔１３ａ内に埋め込まれたＷ層１５の
表面に集中し、オーバーエッチングを行っている間に図
７（ｂ）に示されるような大きな侵食部１６を形成して
しまうのである。さらに、条件を変えてバリヤメタル１
４をエッチバックすると、今度は層間絶縁膜１３の表面
が露出した時点でラジカルが過剰となり、これが接続孔
１３内に埋め込まれたバリヤメタル１４のわずかな断面
に集中する。この結果、図７（ｃ）に示されるように、
大きな浸食部１７が形成されてしまう。

【０００６】このように、被エッチング材料層の面積の
減少に伴ってラジカルが相対的に過剰となり、急激にエ
ッチング速度が上昇してしまう現象はローディング効果
と呼ばれており、ブランケットＣＶＤ法の実用化を事実
上妨げている原因である。今後の半導体装置の製造分野
では、デバイス・チップの大型化に伴ってウェハが大口
径化され、しかもスループットの低下を招かないように
高密度プラズマを用いて高速エッチングを行う枚葉式プ
ラズマ・エッチング装置が主流となると予想されるた
め、ローディング効果は一層顕著になるものと考えられ
る。したがって、その早急な解決策が望まれている。

【０００７】ローディング効果の解消手段として、バリ
ヤメタルまたは層間絶縁膜の表面が露出するまでの高融
点金属層のエッチバック（ジャスト・エッチング）はウ
ェハを高温に保持して高速に行い、続くオーバーエッチ
ングはウェハを低温に保持して反応速度を低下させた状
態で行うといった２段階エッチングが考えられている。
たとえば、本発明者は先に特願平３−６０９０６号明細
書において、冷却機構とウェハの昇降手段とを内蔵する
ウェハ載置電極を具備したエッチング装置を使用し、単
一のチャンバ内で２段階エッチングを可能とする技術を
提案している。つまり、ジャスト・エッチングまでの段
階ではウェハをウェハ載置電極から離間させてプラズマ
輻射熱と反応熱とにより昇温させた状態に保持し、オー
バーエッチング時にはウェハをウェハ載置電極と接触さ
せて冷却した状態に保持する。この技術では、一例とし
てジャスト・エッチング時にはＳ₂Ｆ₂等のフッ化イオ
ウ、オーバーエッチング時にはフッ化イオウにＨ₂，Ｈ
₂Ｓ，シラン系化合物等を添加した混合ガスをエッチン
グ・ガスとして使用している。オーバーエッチング時に
Ｈ₂，Ｈ₂Ｓ，シラン系化合物等を添加するのは、過剰
なＦ^*をＨ^*やＳｉ^*により捕捉し、エッチング反応系
の見掛け上のＳ／Ｆ比を増大させるためである。これに
より、下地との界面付近におけるエッチバックはラジカ
ル性を弱めた条件で行われることになり、ローディング
効果が抑制できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者が提案した上
述の特願平３−６０９０６号明細書に記載される技術で
は、ウェハ温度とエッチング・ガス組成の２段切り替え
により、ローディング効果を解消することに成功した。
しかしながら、今後のデザイン・ルールのより一層の微
細化に対応するためには、表面の平滑性を向上させるこ
とも重要な課題となる。たとえば前述の図７（ａ）にも
模式的に表されているように、ブランケットＣＶＤ法に
より形成されるＷ層１５は表面モホロジーが粗い。この
ため、Ｗ層１５をエッチバックすると、その表面モホロ
ジーは図７（ｂ）に示されるようにバリヤメタル１４に
転写され、さらにこのバリヤメタル１４のエッチバック
により図７（ｃ）に示されるように層間絶縁膜１３にも
転写される。したがって、たとえローディング効果が良
好に抑制され、図８に示されるように接続孔１３ａが平
坦に埋め込まれたとしても、粗い表面モホロジーは最後
までウェハの表面に残る。このような表面荒れは、後工
程で形成する配線の密着性や信頼性に悪影響を与える虞
れが大きいので、解消しておく必要がある。

【０００９】この点に鑑みて、本発明者は先に特願平３
−２５５６８号明細書において、前述のＳ₂Ｆ₂等のフ
ッ化イオウを表面の平滑化に利用する技術も提案してい
る。具体的には、ウェハを−７０℃に冷却しながらＳ₂
Ｆ₂ガスを用いてタングステン・シリサイド（ＷＳ
ｉ_x）層の表面をエッチングしている。これは、Ｓ₂Ｆ
₂の放電解離により生成するイオウ（Ｓ）がＷＳｉ_x層
表面の微細な凹部に堆積する過程と、微細な凸部がＦ^*
の作用により除去される過程とが競合することを利用す
るプロセスであり、かなり良好な平滑化を達成すること
ができた。しかし、より高度な平滑化を目指そうとする
と、Ｓの堆積のみでは必ずしも十分とは言えない場合が
生ずることが明らかとなってきた。そこで本発明は、ブ
ランケットＣＶＤ法により形成された高融点金属膜のエ
ッチバックを行うにあたり、より高度な平滑化を達成
し、またこれと同時にローディング効果も抑制すること
ができるドライエッチング方法を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
である。すなわち、本願の第１の発明にかかるドライエ
ッチング方法は、高融点金属層のエッチバックを行う工
程の一部において被エッチング基板の温度を室温以下に
制御し、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀からなる
化合物群から選ばれる少なくとも１種類のフッ化イオウ
と窒素系化合物とを含む混合ガスを用いて前記高融点金
属層の表面に窒化イオウ系化合物を堆積させることによ
り該表面の平滑化を行うことを特徴とするものである。

【００１１】また、本願の第２の発明にかかるドライエ
ッチング方法は、前記第１の発明と同様に前記高融点金
属層の表面を平滑化すると共に、該高融点金属層と下地
層との少なくとも界面近傍においては、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ
₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀からなる化合物群から選ばれる少
なくとも１種類のフッ化イオウと、Ｈ₂，Ｈ₂Ｓ，シラ
ン系化合物からなる化合物群から選ばれる少なくとも１
種類の化合物とを含む混合ガスを用いて該高融点金属層
をエッチバックすることを特徴とするものである。

【００１２】

【作用】本発明のドライエッチング方法では、高融点金
属層のエッチバックを行う工程の一部において、その表
面を平滑化する。この平滑化は、エッチバック前、もし
くはエッチバック途中のどちらの段階で行っても良い。
いずれにしても、高融点金属層の表面モホロジーがバリ
ヤメタルや層間絶縁膜等の下地に転写される以前に平滑
化されることにより、エッチバックの終点においても下
地に表面荒れを生ずることがない。上記平滑化は、エッ
チング・ガスに含まれるフッ化イオウと窒素系化合物と
が反応して気相中に生成する窒化イオウ系化合物により
行われる。ここで、上記窒化イオウ系化合物としては、
一般式（ＮＳ）_nで表されるチアジル化合物が最も代表
的なものである。すなわち最も単純に考えれば、窒素系
化合物の放電解離によりプラズマ中に生成したＮと、イ
オウ系化合物の放電解離によりプラズマ中に生成したＳ
とが結合すると、チアジル（Ｎ≡Ｓ）が形成される。こ
のチアジルは、酸素類似体である一酸化窒素（ＮＯ）の
構造から類推して不対電子を持っており、容易に重合し
て（ＳＮ）₂，（ＳＮ）₄，さらには（ＳＮ）_nを生成
する。（ＳＮ）₂は２０℃付近で容易に重合して（Ｓ
Ｎ）₄および（ＳＮ）_nを生成し、自身は３０℃付近で
分解する。（ＳＮ）₄は融点１７８℃，分解温度２０６
℃の環状物質である。（ＳＮ）_nは化学的に安定で１３
０℃までは分解しない。本発明ではウェハの温度が室温
以下に制御されているので、（ＳＮ）_nはウェハ上で安
定に存在できる。

【００１３】この他、プラズマ中にＦ^*，Ｃｌ^*，Ｂｒ
^*等のハロゲン・ラジカルが存在している場合には、上
記（ＳＮ）_nのＳ原子上にハロゲン原子が結合したハロ
ゲン化チアジルも生成し得る。また、Ｆ^*の生成量を制
御するために水素系ガスが添加されている場合には、チ
アジル水素も生成し得る。さらに、条件によってはＳ₄
Ｎ₂（融点２３℃），Ｓ₁₁Ｎ₂（融点１５０〜１５５
℃），Ｓ₁₅Ｎ₂（融点１３７℃），Ｓ₁₆Ｎ₂（融点１２
２℃）等のように分子内のＳ原子数とＮ原子数が不均衡
な環状窒化イオウ化合物、あるいはこれら環状窒化イオ
ウ化合物のＮ原子上にＨ原子が結合したＳ₇ＮＨ（融点
１１３．５℃），１，３−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１３０
℃），１，４−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１３３℃），１，
５−Ｓ₆（ＮＨ）₂（融点１５５℃），１，３，５−Ｓ
₅（ＮＨ）₃（融点１２４℃），１，３，６−Ｓ₅（Ｎ
Ｈ）₃（融点１３１℃），Ｓ₄（ＮＨ）₄（融点１４５
℃）等のイミド型の化合物等も生成可能である。

【００１４】イオウと窒素とを構成元素として含む上述
の窒化イオウ系化合物はすべて、室温以下に温度制御さ
れたウェハ上では安定に存在することができ、高融点金
属層の表面モホロジーを吸収してこれを平滑化すること
ができる。特にポリマー状の（ＳＮ）_nが優先して形成
されることにより、単体のＳで平滑化を行う場合と比べ
て遙かに平滑性が向上する。これは、ポリマーの場合、
その分子骨格に起因してウェハ表面でのモビリティーが
単体のＳよりも大きな制限を受けているためであると考
えられる。しかも、上記窒化イオウ系化合物は、ウェハ
をおおよそ１３０℃以上に加熱すれば分解するので、何
らパーティクル汚染の原因となるものではない。

【００１５】以上が本願の第１の発明と第２の発明に共
通の作用である。第２の発明ではさらに、下地層との界
面付近におけるエッチング・ガスの組成を工夫すること
により、ローディング効果を防止することができる。Ｈ
₂，Ｈ₂Ｓ，シラン系化合物は放電解離によりＨ^*やＳ
ｉ^*を生成することができ、これらのラジカルがフッ化
イオウから生成するＦ^*を捕捉し、これをＨＦやＳｉＦ
_xに変化させて系外へ除去する。つまり、エッチング反
応系の見掛け上のＳ／Ｆ比（Ｓ原子数とＦ原子数の比）
が増大し、ラジカル性が相対的に弱められる。したがっ
て、バリヤメタルや層間絶縁膜等の下地層が露出した後
も、被エッチング面積の減少した高融点金属層やバリヤ
メタルへラジカルが集中することがなく、ローディング
効果が防止されるのである。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。ここで、実際の配線形成プロセスの説明に先立
ち、まず本発明を実施するために使用したＲＦバイアス
印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置の
ウェハ載置電極の構成例、およびその使用上の工夫につ
いて簡単に説明する。本発明では、高融点金属層の表面
に窒化イオウ系化合物を堆積させる場合、およびエッチ
ング・ガスの種類によっては高融点金属層をエッチバッ
クする場合にウェハを室温以下に制御するが、それ以外
の高速エッチバックを行う場合、あるいはウェハ上に堆
積したＳや窒化イオウ系化合物を除去する場合にはウェ
ハを加熱する。したがって、これらの作業を一連の工程
で行うためには、ウェハの加熱と冷却を適宜切り換える
ことが可能な装置を使用する必要がある。

【００１７】そこで、本発明で使用する装置では、高温
プロセスと低温プロセスとを同一チャンバ内で行えるよ
うに、ウェハ載置電極の構造を冷却配管を内蔵する固定
電極とヒータを内蔵する可動電極とからなる二重構造と
した。このうち、可動電極が実質的にウェハを支持して
いる。この二重構造の基本的な考え方については、本願
出願人が先に特願平２−３０１１７３号明細書において
マグネトロンＲＩＥ装置への適用例を述べているとおり
である。固定電極に内蔵される冷却配管には連続的に冷
媒を供給し、該固定電極を常時冷却しておく。低温プロ
セスを実施する際には、この固定電極と可動電極とを接
触させ、両電極を介してウェハを冷却する。高温プロセ
スを実施する際には、可動電極を固定電極から離間させ
て冷却状態から切り離し、かつ可動電極に内蔵されるヒ
ータを作動させてウェハを加熱する。既存の装置でウェ
ハの温度調節を行いながら種々のプロセスを行おうとす
ると、高温プロセス用のエッチング・チャンバと低温プ
ロセス用の処理チャンバが別個に必要となる。このた
め、装置のランニング・コストが増大する他、クリーン
・ルーム内における装置の占有空間が増大し、クリーン
・ゾーンの維持費が増大する等の問題が生じていた。さ
らに、チャンバ間の搬送に伴いスループットが低下した
り、汚染の機会が増大する等の懸念があった。しかし、
上述のような装置によれば、これらの問題をすべて解決
することができる。次に、上述の有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置を使用した実際のプロセス例につ
いて説明する。

【００１８】実施例１本実施例は、本願の第２の発明を適用し、ブランケット
ＣＶＤ法により形成されたＷ層の表面をまずＳ₂Ｆ₂／
Ｈ₂Ｓ／Ｎ₂混合ガスを使用して平滑化した後、ＳＦ₆
およびＳ₂Ｆ₂／Ｈ₂混合ガスを用いる２段階プロセス
により該Ｗ層をエッチバックした例である。このプロセ
スを図１ないし図５を参照しながら説明する。まず、一
例として図１に示されるように、予め不純物拡散領域２
の形成されたシリコン基板１上に、該不純物拡散領域２
に臨んで接続孔３が開口されたＳｉＯ₂層間絶縁膜３が
形成され、前記接続孔３を埋め込まない程度に基体の全
面に薄いＴｉＮバリヤメタル４が形成され、さらに前記
接続孔３を埋め込みかつ全面を被覆するごとくブランケ
ットＣＶＤ法によりＷ層５が形成されてなるウェハを用
意した。ここで、上記ブランケットＣＶＤ法は、たとえ
ばＷＦ₆流量２５ＳＣＣＭ，ＳｉＨ₄流量１０ＳＣＣ
Ｍ，ガス圧８０Ｔｏｒｒ，ウェハ温度４７５℃の条件で
２０秒間の核成長を行った後、ガス供給条件をＷＦ₆流
量６０ＳＣＣＭ，Ｈ₂流量３６０ＳＣＣＭと変化させた
条件でＷを堆積させることにより実施した。このように
して形成されたＷ層５は、図にも模式的に示されるよう
に、粗い表面モホロジーを有していた。

【００１９】次に、上記ウェハを有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置のウェハ載置電極にセットした。
このとき、固定電極と可動電極とは接触一体化させ、固
定電極に内蔵される冷却配管に外部のチラーからエタノ
ールを冷媒として供給することによりウェハを−３０℃
に冷却した。この状態で、一例としてＳ₂Ｆ₂流量１０
ＳＣＣＭ，Ｈ₂Ｓ流量５ＳＣＣＭ，Ｎ₂流量２０ＳＣＣ
Ｍ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波
パワー８５０Ｗ，ＲＦバイアス・パワー０Ｗの条件で放
電を行った。この過程では、Ｓ₂Ｆ₂とＨ₂Ｓの放電解
離によりプラズマ中に生成したＳがＮ₂から供給される
Ｎと結合することにより窒化イオウ系化合物が生成し、
これがＷ層５の表面に堆積し、図２に示されるように窒
化イオウ系化合物層６が形成された。この窒化イオウ系
化合物層６は（ＳＮ）_nを主体としており、Ｗ層５の微
細な表面凹凸を吸収してウェハの表面を平滑化した。な
お、上述の供給ガスのうちＨ₂Ｓは、自らも遊離のＳを
プラズマ中へ放出する他、Ｈ^*を生成してＳ₂Ｆ₂から
生成するＦ^*を捕捉し、ＨＦの形で系外へ除去すること
に寄与している。つまり、反応系内のラジカル性を低下
させることにより、窒化イオウ系化合物の堆積を促進し
ているのである。

【００２０】次に、一例としてＳＦ₆流量５０ＳＣＣ
Ｍ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波
パワー８５０Ｗ，ＲＦバイアス・パワー２００Ｗ（２Ｍ
Ｈｚ），ウェハ温度−３０℃の条件で、上記窒化イオウ
系化合物層６とＷ層５とをエッチバックし、下地のＴｉ
Ｎバリヤメタル４が露出する直前で停止した。このとき
の終点は、予め上述の条件によるエッチング速度を測定
しておき、経過時間にもとづいて判定した。このエッチ
バック過程では、ＳＦ₆の解離によりプラズマ中に大量
に生成するＦ^*によるラジカル反応が、ＳＦ_x ⁺等のイ
オンにアシストされる機構でエッチングが進行した。こ
の結果、窒化イオウ系化合物層６はＳＦ_x，ＮＦ_x等の
形で、またＷ層５はＷＦ_xの形で速やかに除去された。
このとき、予めウェハの表面が平滑化されているので、
図３に示されるようにエッチバック後のＷ層５の表面も
平滑であり、下地へ粗い表面モホロジーが転写される懸
念はなくなった。

【００２１】次に、一例としてＳ₂Ｆ₂流量３５ＳＣＣ
Ｍ，Ｈ₂流量１５ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍ
Ｔｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦバイアス
・パワー１００Ｗ（２ＭＨｚ），ウェハ温度−３０℃の
条件で、上記Ｗ層５の残余部をエッチバックし、ＴｉＮ
バリヤメタル４の表面が露出した時点で停止した。この
過程では、ウェハの低温冷却によりラジカルの反応性が
抑制されていること、Ｈ₂の添加によりエッチング反応
系のラジカル性が低減されていること、Ｓ₂Ｆ₂の放電
解離により生成するＳがＷ層５の表面に堆積する過程と
スパッタ除去される過程とが競合していること、等の理
由によりＷ層５の表面におけるエッチング速度は大幅に
低下した。したがって、ＴｉＮバリヤメタル４の表面が
露出した直後にも、接続孔３ａの内部へエッチャントが
集中してＷ層５が浸食されることがなく、いわゆるロー
ディング効果が防止された。この結果、図４に示される
ように、接続孔３ａ内はＷ層５で平坦に埋め込まれた状
態となった。しかも、ＴｉＮバリヤメタル４の表面で
は、ＴｉがＦ^*によって引き抜かれることによりＮのダ
ングリング・ボンドが生成し、ここへプラズマ中のＳが
結合して窒化イオウ系化合物（図示せず。）が形成され
た。この窒化イオウ系化合物は、やはり前述のようにポ
リマー状の（ＳＮ）_nを主体としており、ＴｉＮバリヤ
メタル４の表面におけるエッチング速度を大幅に低下さ
せた。これにより、高い対下地選択性も達成された。

【００２２】次に、一例としてＣｌ₂流量４０ＳＣＣ
Ｍ，Ｏ₂流量１０ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１０ｍ
Ｔｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦバイアス
・パワー１００Ｗ（２ＭＨｚ），ウェハ温度−３０℃の
条件でＴｉＮバリヤメタル４をエッチバックし、ＳｉＯ
₂層間絶縁膜３が露出した時点で停止した。この結果、
図５に示されるように、接続孔３ａ内はＴｉＮバリヤメ
タル４とＷ層５とで平坦に埋め込まれた状態となった。

【００２３】最後に、可動電極を固定電極から離間さ
せ、該可動電極に内蔵されるヒータを作動させてウェハ
を約１００℃に加熱した。これにより、ウェハ上に残存
するＳや窒化イオウ系化合物等の堆積物は昇華もしくは
分解除去され、何らパーティクル汚染を惹起させること
はなかった。

【００２４】実施例２本実施例は、ブランケットＣＶＤ法により形成されたＷ
層のエッチバックをＳＦ₆を使用して高温プロセスによ
り途中まで行った後、Ｓ₂Ｆ₂／Ｈ₂Ｓ／Ｎ₂混合ガス
を使用して低温プロセスによりＷ層の表面を平滑化し、
さらにＳ₂Ｆ₂／Ｈ₂／Ｎ₂混合ガスを使用して同じく
低温プロセスによりＷ層の残余部をエッチバックした例
である。このプロセスを前述の図１，図４に加え、図６
を参照しながら説明する。

【００２５】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハは、前述の図１に示したものと同じであ
る。このウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・エッチン
グ装置のウェハ載置電極上にセットし、可動電極を固定
電極から離間させて保持した。ただし、可動電極の内蔵
ヒータは特に作動させる必要はない。この状態で、一例
としてＳＦ₆流量５０ＳＣＣＭ，ガス圧１．３Ｐａ（１
０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦバイ
アス・パワー１００Ｗ（２ＭＨｚ）の条件でＷ層５のエ
ッチバックを行い、その層厚のほぼ９０％を除去した。
この過程では、ＳＦ₆の解離によりプラズマ中に生成し
たＦ^*によるラジカル反応がＳＦ_x ⁺等のイオンにアシ
ストされる機構でエッチングが進行した。しかも、この
エッチング反応はプラズマ輻射熱やエッチングの反応熱
により促進されており、Ｗ層５はＷＦ_xの形で速やかに
除去された。しかし、図６（ａ）に示されるように、Ｗ
層５の成膜時の粗いモホロジーはそのまま保存されてい
た。

【００２６】次に、可動電極を下降させて固定電極と接
触一体化させることによりウェハを−３０℃に冷却し
た。この状態で、一例としてＳ₂Ｆ₂流量１０ＳＣＣ
Ｍ，Ｈ₂Ｓ流量５ＳＣＣＭ，Ｎ₂流量２０ＳＣＣＭ，ガ
ス圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー
８５０Ｗ，ＲＦバイアス・パワー０Ｗの条件で放電を行
った。この過程では、実施例１で前述した機構にもとづ
いて窒化イオウ系化合物層６が形成され、図６（ｂ）に
示されるようにＷ層５の表面が平滑化された。

【００２７】次に、一例としてＳ₂Ｆ₂流量１０ＳＣＣ
Ｍ，Ｈ₂流量５ＳＣＣＭ，Ｎ₂流量２０ＳＣＣＭ，ガス
圧１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ），マイクロ波パワー８
５０Ｗ，ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）の条
件で窒化イオウ系化合物層６およびＷ層５の残余部をエ
ッチバックした。この過程では、エッチング・ガスに添
加されているＨ₂からＨ^*が生成して過剰なＦ^*を捕捉
消費すること、Ｎ₂が添加されていることにより窒化イ
オウ系化合物が生成し、Ｗ層５の表面におけるエッチン
グ速度が低下すること、等の理由により極めて効果的に
ローディング効果が防止された。しかも、エッチバック
後のウェハの表面には粗い表面モホロジーが残存してお
らず、またＴｉＮバリヤメタル４に対しては前述のよう
に機構により高選択性が達成された。この結果、図４に
示されるように、接続孔３ａがＷ層５で平坦に埋め込ま
れた状態となった。その後、可動電極を固定電極から再
び離間させ、可動電極に内蔵されるヒータに通電するこ
とにより実施例１と同様にウェハを加熱し、残存するＳ
や窒化イオウ系化合物を除去した。

【００２８】以上、本発明を２つの実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれら各実施例に何ら限定される
ものではなく、たとえばエッチング・ガスに含まれる窒
素系ガスとしては、上述のＮ₂の他にもＮ₂Ｈ₂，ＮＦ
₃等を使用することができる。ＮＨ₃は、イオウ系化合
物と反応して除去が困難な硫化アンモニウムを副生する
可能性があるため、好ましくない。フッ化イオウから生
成するＦ^*を低減させるための化合物としては、上述の
Ｈ₂，Ｈ₂Ｓの他に、ＳｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆，Ｓｉ₃Ｈ
₈等のシラン系化合物を使用しても良い。さらに、スパ
ッタリング効果，冷却効果，希釈効果を得る目的で、エ
ッチング・ガスにＨｅ，Ａｒ等の希ガスが適宜添加され
ていても良い。高融点金属層は、上述のＷ層の他、Ｍｏ
層，Ｔｉ層，Ｔａ層等であっても良い。また、バリヤメ
タルも通常使用されている組成のものを適宜選択して使
用できる。さらに、上述の実施例ではエッチング装置と
して有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置を取り
上げたが、ウェハ載置電極の構成や使用上の工夫は平行
平板型ＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）装置やマグ
ネトロンＲＩＥ装置等の他のエッチング装置を使用する
場合にも適用できる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のドライエッチング方法によれば、ブランケットＣＶ
Ｄ法により形成された高融点金属層のエッチバックを平
滑化を行いながら、かつローディング効果を極めて良好
に抑制しながら行うことができる。これにより、層間絶
縁膜に開口された接続孔に信頼性の高いプラグを形成す
ることができ、またその上に積層される配線材料層の密
着性や信頼性を向上させることが可能となる。しかも、
高融点金属層の表面の平滑化に使用される窒化イオウ系
化合物は加熱により容易に分解除去することができ、何
らパーティクル汚染の原因となるものではない。したが
って、本発明は微細なデザイン・ルールにもとづいて設
計され、高集積度および高性能を有する半導体装置の製
造に極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法をバリヤメタ
ルと積層されたＷ層のエッチバックに適用した一プロセ
ス例において、ブランケットＣＶＤ法によりＷ層が形成
された状態を示す概略断面図である。

【図２】図１のＷ層の表面が窒化イオウ系材料層によ
り平滑化された状態を示す概略断面図である。

【図３】図２の窒化イオウ系材料層とＷ層の一部とが
エッチバックされた状態を示す概略断面図である。

【図４】図３のＷ層の残余部がエッチバックされた状
態を示す概略断面図である。

【図５】図４のバリヤメタルがエッチバックされた状
態を示す概略断面図である。

【図６】本発明のドライエッチング方法をバリヤメタ
ルと積層されたＷ層のエッチバックに適用した他のプロ
セス例において、その一部を工程順にしたがって示す概
略断面図であり、（ａ）はブランケットＣＶＤ法により
Ｗ層の一部がエッチバックされた状態、（ｂ）はＷ層の
表面が窒化イオウ系材料層により平滑化された状態をそ
れぞれ表す。

【図７】従来のＷ層のエッチバックにおける問題点を
説明するための概略断面図であり、（ａ）はブランケッ
トＣＶＤ法によりＷ層が形成された状態、（ｂ）はバリ
ヤメタルの表面モホロジーが劣化し、Ｗ層が浸食がされ
た状態、（ｃ）は層間絶縁膜の表面モホロジーが劣化
し、Ｗ層とバリヤメタルが浸食された状態をそれぞれ表
す。

【図８】従来のＷ層のエッチバックにおける他の問題
点を説明するための概略断面図であり、ウェハの表面モ
ホロジーが劣化した状態を表す。

【符号の説明】

１・・・シリコン基板２・・・不純物拡散領域３・・・ＳｉＯ₂層間絶縁膜３ａ・・・接続孔４・・・ＴｉＮバリヤメタル５・・・Ｗ（タングステン）層６・・・窒化イオウ系化合物層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属層のエッチバックを行うドラ
イエッチング方法において、前記エッチバックの工程の
一部において被エッチング基板の温度を室温以下に制御
し、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀からなる化合
物群から選ばれる少なくとも１種類のフッ化イオウと窒
素系化合物とを含む混合ガスを用いて前記高融点金属層
の表面に窒化イオウ系化合物を堆積させることにより該
表面の平滑化を行うことを特徴とするドライエッチング
方法。
【請求項２】高融点金属層のエッチバックを行うドラ
イエッチング方法において、前記エッチバックの工程の
一部において被エッチング基板の温度を室温以下に制御
し、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀からなる化合
物群から選ばれる少なくとも１種類のフッ化イオウと窒
素系化合物とを含む混合ガスを用いて前記高融点金属層
の表面に窒化イオウ系化合物を堆積させることにより該
表面の平滑化を行い、かつ前記高融点金属層と下地層と
の少なくとも界面近傍においては、Ｓ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，
ＳＦ₄，Ｓ₂Ｆ₁₀からなる化合物群から選ばれる少なく
とも１種類のフッ化イオウと、Ｈ₂，Ｈ₂Ｓ，シラン系
化合物からなる化合物群から選ばれる少なくとも１種類
の化合物とを含むエッチング・ガスを用いて該高融点金
属層をエッチバックすることを特徴とするドライエッチ
ング方法。