JP3339255B2 - コンタクトプラグの形成方法 - Google Patents

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等の製造分野
で適用されるコンタクトプラグの形成方法に関し、さら
に詳しくは、接続孔を含む層間絶縁膜上全面に形成され
た高融点金属層のエッチバック工程により、コンタクト
プラグを形成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化、高
性能化が進展するに伴い、半導体チップ上では配線部分
が占有する面積の割合が増加する傾向にある。これによ
る半導体チップ面積の増大を避けるためには、多層配線
およびコンタクト電極による層間接続が必須のプロセス
となっている。従来、電極・配線形成方法としては、Ａ
ｌやＡｌ合金をスパッタリング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
進展し、その結果として半導体基板の表面段差や接続孔
のアスペクト比の増大が顕著となりつつある状況下にお
いては、スパッタリングによる堆積方法ではステップカ
バレッジの不足による接続不良や断線が重大な問題とな
ってきた。

【０００３】そこで近年、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ等の高融点金
属層やＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ等の金属を接続孔内に選択
的に成長させて埋め込む、各種の選択ＣＶＤが提案され
ている。この選択ＣＶＤは、金属ハロゲン化物や金属カ
ルボニル、有機金属化合物等のソースガスを、接続孔底
部に露出する下層配線材料により還元して構成金属を接
続孔内に選択的に析出させるものである。しかし、選択
ＣＶＤはそのバッチ数を重ねると次第に選択性が劣化
し、層間絶縁膜上等、不所望の部位にも析出する傾向が
ある。また、ネイルヘッドと呼称される接続孔上の過剰
成長部分をエッチバック除去する際の制御性に乏しいこ
と等の未解決の問題があり、未だ実用レベルに達してい
ないのが現状である。

【０００４】かかる実情に鑑み、選択ＣＶＤに代わって
見直されつつあるのがブランケットＣＶＤによる電極・
配線形成方法である。ブランケットＣＶＤは、成長下地
面の化学的性質のいかんに関わらず、下地全面に選択性
無く析出することからかかる名称が付けられる。一例と
して、接続孔が開口された層間絶縁膜の全面を被覆し
て、この接続孔を埋め込むようにＷ等の高融点金属層を
形成するプロセスが代表例である。なお、ブランケット
ＣＶＤによるＷのコンタクトホール埋め込みに関して解
説記事が、例えば月刊セミコンダクターワールド誌１９
９０年１１月号２２０ページに掲載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ブランケッ
トＣＶＤにより高融点金属層を接続孔内に埋め込んで平
坦化し、いわゆるコンタクトプラグとして使用するため
には、層間絶縁膜上にも堆積した不要の高融点金属層の
エッチバックが当然必要となる。このエッチバック工程
は通常ＳＦ₆ 等のフッ素系化学種を発生しうるガスを用
いてプラズマエッチングするが、ウェハ面内あるいはウ
ェハ間における処理の不均一性を考慮して、例えば数１
０％前後のオーバーエッチングを施すことが通常行われ
る。ところが、ブランケットＣＶＤ膜の厚さのばらつき
や、エッチング装置のプラズマ密度の疎密、あるいは基
板ステージの温度分布等に起因して、エッチバック工程
中の比較的早い時期に下地の層間絶縁膜が露出する領域
がある。この領域では、エッチング種の反応の相手、す
なわち高融点金属層の露出表面積の減少の結果、エッチ
ング種の濃度が他の部分に比して相対的に上昇する。こ
のため、この領域では局部的にエッチングレートが上昇
し、せっかく接続孔内に平坦に埋め込まれた高融点金属
層やバリアメタルが大きく浸食される現象がしばしば見
られる。このように、同一被エッチング基板上で被エッ
チング層のパターン密度に疎密が生じる結果、エッチン
グ速度にばらつきが生じる現象は、一般にローディング
効果と呼ばれる。

【０００６】ローディング効果発生による問題点を、図
３を参照して説明を加える。同図は従来のブランケット
ＣＶＤによる高融点金属層のエッチバック工程を説明す
る概略断面図である。被エッチング基板として図３
（ａ）に示すように、不純物拡散層２を形成したＳｉ等
の半導体基板１上に、この不純物拡散層２に臨む接続孔
６を開口したＳｉＯ₂ 等からなる層間絶縁膜３を形成す
る。この基板全面を覆うように、ＴｉおよびＴｉＮを順
次スパッタリングしてバリア層４を形成し、この上にブ
ランケットＣＶＤによりＷからなる高融点金属層５を形
成する。高融点金属層５の表面は、一般的に微細な凹凸
面となって形成される。この理由はブランケットＣＶＤ
は、微細な柱状結晶の集合体として成長が進むためであ
る。つぎにエッチバック工程に移る訳であるが、このと
きＳＦ₆ のようなフッ素系化学種を生成しうるガスを用
いてエッチバックを行うと、高融点金属層５の薄い部
分、あるいはエッチング速度が大きい領域においては、
密着層兼バリアメタル層４が早い時期に露出し、露出面
付近ではミクロに見てフッ素ラジカル（Ｆ^* ）が過剰と
なる。この過剰のＦ^* は、接続孔６に埋め込まれた高融
点金属層５の平坦面に集中し、図３（ｂ）に示すように
オーバーエッチングを行っている間に大きな高融点金属
層の浸食部７を発生する。

【０００７】さらにエッチング条件を変え、バリア層４
をＣｌ系ガスでエッチバックすると、今度は層間絶縁膜
３が早期に露出した部分でＣｌ^* が反応の相手を失うの
で、この部分でＣｌ^* が過剰となる。過剰のＣｌ^* は接
続孔の側壁に形成されているバリア層４のわずかな露出
面に集中しこれをアタックする。この結果、図３（ｃ）
に示すように深いバリア層の浸食部８を形成するに至
る。また、ブランケットＣＶＤによる高融点金属層の表
面モホロジが、そのまま層間絶縁膜３の表面に転写さ
れ、層間絶縁膜３の表面に凹凸が形成される問題もあ
る。

【０００８】ここに述べたローディング効果によるエッ
チバック形状の不均一やコンタクトプラグ形状の悪化
は、ブランケットＣＶＤによる高融点金属層を用いる多
層配線プロセスの実用化をはばむ一因となっている。す
なわち、コンタクトプラグに異常浸食部があると、上層
配線との電気的接続が不完全なものとなり、抵抗値の上
昇、オーミック性の低下、エレクトロマイグレーション
の発生等が問題化する。また、コンタクトプラグ上に形
成する上層配線の平坦性や平滑性が低下するので、上層
配線のパターニングリソグラフィ時の乱反射による形状
悪化も問題である。今後、被エッチング基板の大口径化
が進展し、エッチング装置は枚葉式が主流になると考え
られる。このため、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た高速エッチングが求められる
が、枚葉式エッチング装置のプラズマ密度の均一性にも
改善の余地が残されている状況を考えると、ローディン
グ効果の影響を受けない高融点金属層のエッチバック方
法の開発が急務となる。

【０００９】したがって本発明の課題は、ローディング
効果による異常浸食や形状悪化のない高融点金属層のエ
ッチバック方法による、信頼性の高い安定なコンタクト
プラグの形成方法を提供することである。

【００１０】また本発明の別の課題は、エッチバックに
より接続孔内に埋め込んだ高融点金属層やバリア層、さ
らには層間絶縁膜の表面を平滑化し、さらにこの上層に
形成する上層配線の表面をも平滑に形成し、信頼性の高
い安定な多層配線構造の半導体装置を提供することであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のコンタクトプラ
グの形成方法は、上述の課題を解決するために提案する
ものであり、第１の発明（請求項１）においては、接続
孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層
にエッチバックを施し、接続孔内にコンタクトプラグを
形成するコンタクトプラグの形成方法において、このエ
ッチバック工程は、少なくとも酸化塩素系ガスを含むエ
ッチングガスを用いてプラズマエッチングする工程であ
ることを特徴とするものである。

【００１２】また本発明のコンタクトプラグの形成方法
における第２の発明（請求項２）においては、接続孔を
有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層にエ
ッチバックを施し、接続孔内にコンタクトプラグを形成
するコンタクトプラグの形成方法において、このエッチ
バック工程は、少なくとも酸化塩素系ガスと、フッ素系
化学種を生成しうるガスとを含む第１の混合ガスを用い
て、高融点金属層をジャストエッチングする第１のエッ
チバック工程と、第１の混合ガス中の酸化塩素系ガスの
混合比を高めた第２の混合ガスを用いて、高融点金属層
をオーバーエッチングする第２のエッチバック工程を、
この順に施すことを特徴とするものである。フッ素系化
学種を発生しうるガスとしては特に限定するものではな
いが、ＳＦ₆ 、ＮＦ₃ 、ＣＦ₄ 、ＣｌＦ₃ 、ＸｅＦ₂ 、
Ｆ₂ 等、プラズマ中にＦ^* やＦ⁺ を放出しうる一般的な
ガスのことを言う。

【００１３】また本発明のコンタクトプラグの形成方法
における第３の発明（請求項３）においては、接続孔を
有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層にエ
ッチバックを施し、接続孔内にコンタクトプラグを形成
するコンタクトプラグの形成方法において、このエッチ
バック工程は、少なくとも酸化塩素系ガスと、放電解離
条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成しうるイオウ
系化合物ガスとを含むエッチングガスを用いるととも
に、被エッチング基板を室温以下に制御しつつプラズマ
エッチングすることを特徴とするものである。

【００１４】第３の発明で用いる放電解離条件下でプラ
ズマ中に遊離のイオウを生成しうるイオウ系化合物ガス
としては、Ｘをハロゲン元素とした場合、Ｘ／Ｓ比が６
未満のハロゲン化イオウ系ガスであるＳ₂ Ｆ₂ 、Ｓ
Ｆ₂ 、ＳＦ₄ 、Ｓ₂ Ｆ₁₀、Ｓ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓ₂ Ｃｌ₃ 、Ｓ
Ｃｌ₂ 、Ｓ₂ Ｂｒ₂ 、Ｓ₃ Ｂｒ₂ およびＳＢｒ₂ が例示
できる。またハロゲン化イオウではないがＨ₂ Ｓでもよ
い。これらを単独または組み合わせて使用できる。フッ
化イオウ系ガスとして汎用されているＳＦ₆ はＦ／Ｓ比
が６であり、放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオ
ウを生成することは困難であるのでこれを除外する。ま
たここで言う室温以下とは、通常の半導体装置の製造に
供するクリーンルームの温度以下の意味であり、通常は
約２５℃以下である。温度の下限は特に限定するもので
はないが、チラーによる冷媒循環や液体窒素温度の供給
により基板ステージを冷却しうる温度として、−数十℃
から−百数十℃が目安となる。

【００１５】いずれの発明においても本発明の好ましい
実施態様においては、高融点金属層の下面に接して、す
なわち層間絶縁膜の上面に接して、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔｉ
ＯＮ、ＴｉＳｉ₂ 、ＷＮ等のバリア層を有することが望
ましい。本発明において用いる酸化塩素系ガスは、Ｃｌ
Ｏ₂ 、Ｃｌ₂ Ｏ₇ 、Ｃｌ₂ Ｏ、ＣｌＯ₄ ＦおよびＣｌＯ
₃ Ｆからなる群のうちから選ばれる少なくとも何れか１
種であることが望ましい。

【００１６】

【作用】第１ないし第３の発明を一貫する技術的思想
は、エッチングガスとして少なくとも酸化塩素系化合物
ガスを採用し、高融点金属層のエッチバック工程おいて
は、反応生成物として、蒸気圧が比較的大きい高融点金
属のオキシ塩化物を生成しつつエッチング反応を進める
点にある。

【００１７】一般的に高融点金属のオキシ塩化物は、高
融点金属塩化物と高融点金属フッ化物の中間に位置する
蒸気圧を有する。代表的な高融点金属であるＷの化合物
の沸点を下記に示す。 ＷＦ₆ １７．５ ℃ ＷＯＣｌ₄ ２２７．５ ℃ ＷＣｌ₅ ２７５．６ ℃ このため、酸化塩素系化合物ガスによる高融点金属のエ
ッチバックは、Ｃｌ系ガスを用いた場合よりエッチング
レートが大きく、しかもイオンの垂直入射による衝撃を
受ける被エッチング層表面においてのみ、イオンアシス
ト反応によりオキシ塩化物系の反応生成物が揮発ないし
昇華除去されエッチングが進行する。したがって、従来
はほとんどラジカル反応に依存していたエッチングの形
態が、イオンアシスト反応の要素を多く持つようになる
ため、オーバーエッチング時の過剰ラジカルに起因する
ローディング効果が大幅に減少する。この結果、異常浸
食部（プラグロス）のない平坦な埋め込み表面を有する
良好なコンタクトプラグが形成できる。またオーバーエ
ッチング時の下地層間絶縁膜の膜減りも、従来のフッ素
系化学種を主体としたエッチバックに比して軽減され
る。

【００１８】しかしながら、塩素系化学種を用いた高融
点金属層のエッチングレートは、フッ素系化学種を用い
た際のエッチングレートよりは小さい。そこで第２の発
明においては、酸化塩素系ガスに加えフッ素系化学種を
併用するとともに、エッチバックを２段階化する。すな
わち、第１のエッチバック工程においてはフッ素系化学
種の混合比が多い第１の混合ガスを用いて高融点金属層
の厚さ方向の大部分を高エッチングレートでジャストエ
ッチングする。次に第２のエッチバック工程においては
酸化塩素系ガスの多い第２の混合ガスにより高融点金属
層の厚さ方向の残余部をローディング効果の少ない条件
でオーバーエッチングする。この方法によれば、高融点
金属層のバルクエッチング工程すなわちジャストエッチ
ング工程においては、Ｆ^* によるラジカル反応主体の高
速エッチングが進行する。下地の層間絶縁膜またはバリ
ア層が露出する段階においてはＦ^* を減じ、かつＣｌＯ
^* の生成比率を高めることにより、高融点金属のオキシ
塩化物を反応生成物とするイオンアシスト反応が主体と
なってオーバーエッチングが進行する。したがって、プ
ラグ浸食のない高精度なコンタクトプラグを高スループ
ットで形成することが可能となる。

【００１９】第３の発明においては、被エッチング基板
を室温以下に制御していることからラジカル反応が抑制
される。加えて、エッチングと競合して起こるイオウの
堆積により、１ステップのエッチバックではあるがロー
ディング効果が極めて効果的に軽減され、コンタクトプ
ラグ浸食はほとんど確認されなくなる。さらに、ブラン
ケットＣＶＤによるＷ等の高融点金属層表面の凹凸は、
凹部へはイオウ系材料が堆積するとともに、凸部に堆積
するイオウは直ちにスパッタリング除去され、露出する
凸部が選択的にエッチングされて平滑化されながらエッ
チバックが進行する。この結果高融点金属層の表面モホ
ロジがバリア層や層間絶縁膜に転写され表面粗れを起こ
すことがない。したがって、後工程で形成する上層配線
の表面も平坦化され配線の信頼性が向上する。放電電離
条件下でプラズマ中に遊離のイオウ（Ｓ）を放出しうる
イオウ系化合物に加え、さらにＮ₂ 等のＮ系ガスを添加
すれば、被エッチング基板上に（ＳＮ）_n （ポリチアジ
ル）をはじめとする窒化イオウ系化合物を堆積しつつエ
ッチングを進めることが可能である。ポリチアジルの堆
積膜は、イオウよりさらに強力な表面保護効果を発揮す
る。Ｎ系ガスとしては、Ｎ₂ の他にＮ₂ Ｈ₂ やその誘導
体およびＮＦ₃ 等を用いることができる。なおここで堆
積したイオウ系材料は、エッチバック終了後に被エッチ
ング基板を加熱することにより昇華除去することが可能
であり、被エッチング基板上に何らコンタミネーション
やパーティクル汚染を残すことがない。昇華温度は、減
圧雰囲気中でイオウで約９０℃、ポリチアジルでは約１
５０℃である。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照して説明する。なお従来技術の説明で参照した図
３と同様の構成部分については同じ参照番号を付すもの
とする。

【００２１】実施例１ 本実施例は第１の発明を適用し、ブランケットＣＶＤに
より形成されたＷからなる高融点金属層をＣｌ₂ Ｏ単独
ガスでエッチバックしてコンタクトプラグを形成した例
であり、これを図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明す
る。まず一例として図１（ａ）に示すように、予め不純
物拡散層２等の能動領域を形成したＳｉ等の半導体基板
１上に、ＳｉＯ₂ 等の層間絶縁膜３を形成し、この不純
物拡散層２に臨む接続孔６を開口する。なお、層間絶縁
膜３の厚さは例えば０．７μｍ、接続孔６の開口径は
０．３５μｍである。次に全面にＴｉとＴｉＮをこの順
にスパッタリングしてコンフォーマルなバリア層４を被
着する。密着層兼バリアメタル層４の厚さは合わせて例
えば７０ｎｍである。さらに、接続孔６を埋め込みかつ
層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４をも被覆し
て略平坦面を形成するごとく、ブランケットＣＶＤによ
りＷからなる高融点金属層５を形成する。このブランケ
ットＣＶＤは、一例として下記条件によって形成した。
まず、 ＷＦ₆ ２５ ｓｃｃｍ ＳｉＨ₄ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．１×１０⁴ Ｐａ 基板温度 ４７５ ℃ の条件で２０秒間、Ｗの核形成を全面に行った後、 ＷＦ₆ ６０ ｓｃｃｍ Ｈ₂ ３６０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．１×１０⁴ Ｐａ 基板温度 ４７５ ℃ の条件に切り替えて厚く堆積する。なお、密着層兼バリ
アメタル層上の高融点金属層５の厚さは、例えば０．３
μｍである。接続孔の直上には、成長表面の合わせ目で
あるシームが形成されている。

【００２２】次に本願の特徴部分であるエッチバック工
程に入る。上記被エッチング基板を有磁場マイクロ波プ
ラズマエッチング装置の基板ステージ上にセットし、一
例として下記条件で高融点金属層５のエッチバックを行
う。 Ｃｌ₂ Ｏ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 常温 このエッチバック工程においては、Ｃｌ₂ Ｏの解離によ
りプラズマ中に生成するＣｌＯ^* 、Ｃｌ^* によるラジカ
ル反応が、Ｃｌ⁺ 、Ｏ⁺ 等のイオンにアシストされる機
構でエッチングが進行する。エッチングの形態は、従来
のＳＦ₆ によるラジカルモード主体のエッチングに比較
して、イオンアシスト反応を主体としたモードとなって
いるので、エッチングレートは若干小さい。

【００２３】したがって、Ｔｉ／ＴｉＮからなるバリア
層４の表面が先に露出した領域においても、接続孔６部
分に残った高融点金属層５表面にラジカル主体のエッチ
ャントが集中してローディング効果による異常浸食が発
生することがなく、接続孔６内は平坦に埋め込まれた。
エッチバック終了後の状態を図１（ｂ）に示す。

【００２４】バリア層の除去が必要な場合には、次にエ
ッチング条件を切り替え、層間絶縁膜３上のバリア層４
を下記条件でエッチバックする。バリア層４は、図１
（ｂ）の状態から直ちにＡｌ系金属等からなる上層配線
層（図示せず）を堆積し、上層配線層とともにパターニ
ングしてもよい。 Ｃｌ₂ ４０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 常温 バリア層４のエッチングは接続孔６内に残った高融点金
属層５や層間絶縁膜３との選択性を保って進行し、この
結果、図１（ｃ）に示すように接続孔６内は高融点金属
層５と密着層兼バリアメタル層４により平坦に埋め込ま
れたコンタクトプラグが完成し、異常浸食部の発生はみ
られなかった。

【００２５】本実施例では、エッチングレートこそ若干
小さいものの、ローディング効果による異常な浸食部の
ない、平坦な埋め込み表面を有するコンタクトプラグが
形成できる。また高融点金属層のエッチバックを一段階
で、しかも単一のエッチングガスで処理できることはプ
ロセスの簡略化に寄与する。

【００２６】実施例２ 本実施例は第２の発明を適用し、ブランケットＣＶＤに
より形成したＷ層のエッチバックを、ＣｌＯ₂ とＳＦ₆
の混合ガスを用いて２段階エッチングを行った例であ
る。このプロセスを図２を参照して説明する。なお図２
（ａ）に示す被エッチング基板は前実施例１で用いた図
１（ａ）に示す被エッチング基板と同様でるので、重複
する説明を省略する。

【００２７】図２（ａ）に示す被エッチング基板を、一
例として下記第１の混合ガスを用いたエッチング条件に
より第１のエッチバック工程を施し、下地である層間絶
縁膜３上のバリア層４が露出する直前でエッチングを停
止した。この時の終点は、予め同一エッチング条件で高
融点金属層５のエッチングレートを求めておき、経過時
間により決定した。 Ｃｌ₂ Ｏ １０ ｓｃｃｍ ＳＦ₆ ４０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 室温 このジャストエッチング工程においては、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、Ｃｌ⁺ 、Ｏ⁺ 、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するので、エッチングレ
ートは大きい。この結果、図２（ｂ）に示すように、高
融点金属層５の厚さ方向の大部分はエッチングされ、高
融点金属層残余部５ａが僅かに残される。

【００２８】次に一例としてエッチング条件を下記のよ
うに切り替え、第２の混合ガスを用いて高融点金属層の
残余部５ａをエッチバックし、層間絶縁膜３上のバリア
層４が露出した時点で停止する。 Ｃｌ₂ Ｏ ３５ ｓｃｃｍ ＳＦ₆ １５ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 ０ ℃ この第２のエッチバック工程はオーバーエッチング工程
であり、Ｃｌ₂ Ｏの混合比を高め、ＳＦ₆ の混合比を相
対的に低減しているので、エッチング反応系のラジカル
性が弱められることに加え、被エッチング基板温度が低
温制御されているのでラジカルの反応性が抑制される等
の理由により、ローディング効果は効果的に防止され
る。もちろん被エッチング基板温度は常温でもよい。こ
の結果、図２（ｃ）に示すように、接続孔６内には高融
点金属層５が平坦に埋め込まれ、異常浸食の発生はなか
った。

【００２９】高融点金属層５のエッチバック終了後、必
要に応じて層間絶縁膜３上に露出しているバリア層４を
実施例１と同じエッチング条件で除去し、図２（ｄ）に
示すように接続孔６内は高融点金属層５とバリア層４に
よるコンタクトプラグが平坦に埋め込まれ、浸食部の発
生はみられなかった。

【００３０】本実施例によれば、高速エッチバックによ
るジャストエッチング工程と、ローディング効果のない
オーバーエッチング工程とを組み合わせることにより、
スループットに優れ、また平坦性に富んだコンタクトプ
ラグの形成が可能であり、極めて実用的なプロセスを実
現できる。

【００３１】さらに、本実施例の趣旨を延長すれば、第
１のエッチバック工程ではＳＦ₆ 等Ｆ系ガスのみで高速
エッチングし、第２エッチバック工程でＣｌＯ₂ 等酸化
塩素系ガス単独ガスによりローディング効果防止を意図
したエッチングを行うことも可能である。ただしこの場
合には、ジャストエッチング工程で下地のバリア層が露
出した場合には、その露出領域でローディング効果が発
生するので、ジャストエッチング工程の終点管理を厳密
におこなう必要がある。

【００３２】ところで、上述の実施例２では前段のジャ
ストエッチング工程と後段のオーバーエッチング工程と
では被エッチング基板温度が異なっている。そこで、基
板温度の昇温・降温に要する時間により、スループット
を低下させないためには、基板ステージの設定温度が異
なる複数のエッチングチャンバをゲートバルブを介して
接続し、高真空中で搬送可能なマルチチャンバシステム
を採用することが望ましい。あるいは、本願出願人が先
に出願した特願平３−３０１２７９号明細書で提案した
ように、冷却手段を有する固定電極と、加熱手段を有す
る上下可動電極とを組み合わせた基板ステージを装備し
たエッチング装置を使用することも極めて有効である。

【００３３】実施例３ 本実施例は第３の発明を適用し、ブランケットＣＶＤに
より形成されたＷからなる高融点金属層を、Ｃｌ₂ Ｏと
Ｓ₂ Ｆ₂ の混合ガスによりエッチバックしてコンタクト
プラグを形成した例であり、これを再び図１（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明する。

【００３４】図１示す被エッチング基板を有磁場マイク
ロ波プラズマエッチング装置の基板ステージ上にセット
し、一例として下記条件で高融点金属層５のエッチバッ
クをおこなう。 Ｃｌ₂ Ｏ ３５ ｓｃｃｍ Ｓ₂ Ｆ₂ １５ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 被エッチング基板温度 ０ ℃ このエッチバック工程においては、主としてＣｌ₂ Ｏの
解離によりプラズマ中に生成するＣｌＯ^* 、Ｃｌ^* によ
るラジカル反応が、Ｃｌ⁺ 、Ｏ⁺ 等のイオンにアシスト
される機構でエッチングが進行する。被エッチング基板
温度が低温制御されているのでラジカルの反応性が抑制
されること、およびＳ₂ Ｆ₂ の放電解離により生成する
イオウが高融点金属層５表面に堆積する過程とスパッタ
リング除去される過程が競合していること等の理由によ
り、ローディング効果は極めて効果的に防止される。ま
た、イオウの堆積とスパッタリング除去が競合すること
により、エッチバック進行中の高融点金属層５表面は平
滑化され、高融点金属層５のモホロジがバリア層４に転
写されることがない。

【００３５】エッチバック終了後の状態を図１（ｂ）に
示す。この後、必要に応じ露出したバリア層４を実施例
１と同様に除去する。この結果、異常浸食のない良好な
形状のコンタクトプラグが図１（ｃ）に示すように形成
された。

【００３６】本実施例によれば、マイクロローディング
効果の防止に加え、エッチバックされた下地のバリア層
４あるいは層間絶縁膜３の表面モホロジの向上の効果も
得られる。

【００３７】以上、本発明を３例の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。例えば、実施例中では接続孔内への高融点金属層
の埋め込みによるコンタクトプラグの形成プロセスを例
にとって説明したが、多結晶シリコン等下層配線上の層
間絶縁膜に形成したヴァイアホール内への埋め込みプロ
セスに応用してもよい。また接続プラグのみならず、高
融点金属を用いる各種電極・配線の形成にも適用しう
る。またＡｌ系金属やＣｕ等の電極・配線材料のエッチ
ングに適用することも可能である。

【００３８】高融点金属層５としてＷを例示したが、Ｍ
ｏ、Ｔａ等他の高融点金属であってもよい。またバリア
層４はＴｉ／ＴｉＮを例示したが、ＴｉＷ、ＴｉＳｉ_x
等、下地や高融点金属層の材料に応じて各種材料を適宜
選択してよい。

【００３９】酸化塩素系ガスとしてＣｌＯ₂ （ｍｐ＝−
５９．５℃）を例示したが、Ｃｌ₂Ｏ₇ （ｍｐ＝−９
１．５℃）、Ｃｌ₂ Ｏ（ｍｐ＝−２０℃）、ＣｌＯ₄ Ｆ
（ｍｐ＝−１６７．３℃）およびＣｌＯ₃ Ｆ（ｍｐ＝−
１４６℃）等のガスを用いることが可能である。

【００４０】フッ素系化学種を発生しうるガスとしては
実施例で例示したＳＦ₆ の他にＮＦ₃ 、ＣｌＦ₃ 、Ｘｅ
Ｆ₂ 等Ｆ原子を有する化合物を使用できる。その他、添
加ガスとしてＨｅ、Ａｒ等希ガスを用いればスパッタリ
ング、冷却、希釈および放電の安定性等の各効果が得ら
れる。

【００４１】さらに、使用するエッチング装置として基
板バイアス印加型のＥＣＲプラズマエッチング装置を採
り上げたが、平行平板型ＲＩＥ装置、ヘリコン波プラズ
マエッチング装置、ＩＣＰ(Inductively Coupled Plasm
a)エッチング装置、ＴＣＰ（Transformer Coupled Plas
ma) エッチング装置等、各種エッチング装置を使用可能
であることは言うまでもない。

【００４２】さらに、エッチング条件、被エッチング基
板の構成等は適宜変更可能であることは言うまでもな
い。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は高融点金属層のエッチバックによるコンタクトプラグ
の形成方法において、エッチングガスとしてＣｌＯ₂ 等
酸化塩素系ガスを用いることにより、オーバーエッチン
グ時の過剰Ｆ^* に起因するローディング効果を防止する
ことができる。

【００４４】また、同じく高融点金属層のエッチバック
によるコンタクトプラグの形成方法において、エッチン
グガスとしてＣｌＯ₂ 等酸化塩素系ガスと、ＳＦ₆ 等フ
ッ素系ガスとの混合ガスを用い、２段階エッチングを採
用することにより、オーバーエッチング時のローディン
グ効果を防止できることと共に、ジャストエッチング工
程での高速エッチングを達成できる。

【００４５】さらに、同じく高融点金属層のエッチバッ
クによるコンタクトプラグの形成方法において、ＣｌＯ
₂ 等酸化塩素系ガスと、Ｓ₂ Ｆ₂ 等の放電解離条件下で
プラズマ中に遊離のイオウを生成しうるガスとの混合ガ
ス用い、被エッチング基板上にイオウを堆積しながらエ
ッチングすることにより、オーバーエッチング時のロー
ディング効果をさらに効果的に防止できることはもとよ
り、エッチバックした高融点金属層の表面を極めて平滑
に形成することが可能となる。

【００４６】上記効果により、ブランケットＣＶＤ膜の
堆積およびそのエッチバックによりＷ等の高融点金属を
接続孔内に埋め込むコンタクトプラグの形成が信頼性高
く達成でき、埋め込まれたコンタクトプラグの表面は平
坦性に優れ、またミクロに見た表面の平滑性も達成する
ことも可能となる。このため、コンタクトプラグ上に形
成する上層配線との低抵抗のオーミックコンタクトが実
現できる。ブランケットＣＶＤによる高融点金属層の表
面モホロジが層間絶縁膜に転写されることがないので、
エッチバック後の層間絶縁膜の表面も平坦かつ平滑であ
る。このため、層間絶縁膜上に形成する上層配線のパタ
ーニングリソグラフィ時に露光光の乱反射がなく、精度
のよい加工ができる。

【００４７】このため、微細な設計ルールに基づく多層
配線の層間接続を信頼性高く行うことができ、本発明が
高集積度半導体装置等の製造プロセスに与える寄与は大
きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１および３を、その工
程順に説明する概略断面図であり、（ａ）は接続孔を有
する層間絶縁膜上全面にバリア層および高融点金属層を
形成した状態であり、（ｂ）は高融点金属層をエッチバ
ックし接続孔内に埋め込んだ状態、（ｃ）は露出したバ
リア層をエッチバックして除去し、コンタクトプラグが
完成した状態である。

【図２】本発明を適用した実施例２を、その工程順に説
明する概略断面図であり、（ａ）は接続孔を有する層間
絶縁膜上全面にバリア層および高融点金属層を形成した
状態であり、（ｂ）は高融点金属層に第１のエッチバッ
クを施した状態、（ｃ）は高融点金属層に第２のエッチ
バックを施して接続孔内に埋め込んだ状態、（ｄ）は露
出したバリア層をエッチバックして除去し、コンタクト
プラグが完成した状態である。

【図３】ブランケットＣＶＤによる高融点金属層のエッ
チバックにおける従来のプロセスの問題点を説明する図
であり、（ａ）は接続孔を有する層間絶縁膜上全面にバ
リア層と高融点金属層を形成した状態であり、（ｂ）は
ローディング効果により高融点金属層の異常浸食が発生
した状態、（ｃ）は密着層兼バリアメタル層除去時に異
常浸食が発生した状態である。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 拡散層 ３ 層間絶縁膜 ４ バリア層 ５ 高融点金属層 ５ａ 高融点金属層の残余部 ６ 接続孔 ７ 高融点金属層の浸食部 ８ バリア層の浸食部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/28 H01L 21/768 H01L 21/3065

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成
   された高融点金属層にエッチバックを施し、前記接続孔
   内にコンタクトプラグを形成するコンタクトプラグの形
   成方法において、 前記エッチバック工程は、 少なくとも酸化塩素系ガスと、 フッ素系化学種を生成しうるガスとを含む第１の混合ガ
   スを用いて、 前記高融点金属層をジャストエッチングする第１のエッ
   チバック工程と、 前記第１の混合ガス中の前記酸化塩素系ガスの混合比を
   高めた第２の混合ガスを用いて、 前記高融点金属層をオーバーエッチングする第２のエッ
   チバック工程を、 この順に施すことを特徴とするコンタクトプラグの形成
   方法。
2. 【請求項２】 高融点金属層の下面に接して、バリア層
   を有することを特徴とする請求項１記載のコンタクトプ
   ラグの形成方法。
3. 【請求項３】 酸化塩素系ガスは、ＣｌＯ₂、Ｃｌ
   ₂Ｏ₇、Ｃｌ₂Ｏ、ＣｌＯ₄ＦおよびＣｌＯ₃Ｆからなる群
   のうちから選ばれる少なくとも１種であることを特徴と
   する請求項１記載のコンタクトプラグの形成方法。
4. 【請求項４】 接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成
   された高融点金属層にエッチバックを施し、前記接続孔
   内にコンタクトプラグを形成するコンタクトプラグの形
   成方法において、 前記エッチバック工程は、 少なくとも酸化塩素系ガスと、 放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成しう
   るイオウ系化合物ガスとを含むエッチングガスを用いる
   とともに、 被エッチング基板を室温以下に制御しつつプラズマエッ
   チングすることを特徴とするコンタクトプラグの形成方
   法。
5. 【請求項５】 高融点金属層の下面に接して、バリア層
   を有することを特徴とする請求項４記載のコンタクトプ
   ラグの形成方法。
6. 【請求項６】 酸化塩素系ガスは、ＣｌＯ₂、Ｃｌ
   ₂Ｏ₇、Ｃｌ₂Ｏ、ＣｌＯ₄ＦおよびＣｌＯ₃Ｆからなる群
   のうちから選ばれる少なくとも１種であることを特徴と
   する請求項４記載のコンタクトプラグの形成方法。