JP3339269B2

JP3339269B2 - コンタクトプラグの形成方法

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Publication number: JP3339269B2
Application number: JP23682095A
Authority: JP
Inventors: 敏治柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2015-09-14
Also published as: JPH0982665A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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は同一ＣＶＤ装置で連続処理を重ねると次第に選
択性が劣化し、層間絶縁膜上等、不所望の部位にも金属
が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する解
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を
エッチバックして除去する後処理が当然必要となる。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ラジカルモードを主体とする
プラズマエッチングを施すが、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１０
％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、エッチング種であるフッ素ラジ
カル（Ｆ^*）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層が大きく浸
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ＣＶ
Ｄは、一般に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発生しう
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、バリア層４が早い時期に露出し、この露出面付
近ではミクロに見て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塩素ラジカル（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
配線上のレジスト層のパターニングリソグラフィ時のＤ
ＯＦ（ＤｅｐｔｈｏｆＦｏｒｃｕｓ）マージンの低
下や、露光光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、あ
るい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、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、ＨおよびＯの両方を構成元素と
するガスと、フッ素系化学種を発生しうるガスとを含む
エッチングガスとを用いて、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、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、このエ
ッチバック工程は、少なくともフッ素系化学種を発生し
うるガスを主体とするエッチングガスを用いて、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、ＨおよびＯの両方を構成元素とするガスと、フッ
素系化学種を発生しうるガスとを含むエッチングガスを
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。なおジャストエッチング工程とは、下地の層
間絶縁膜やバリア層表面が露出する直前あるいはこれら
下地の極く１部が露出するまでのエッチバック工程を意
味する。

【００１３】さらに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、ＨおよびＯの両方を構成元素とす
るガスと、放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウ
を生成しうるハロゲン化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工程である
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Ｓ₂Ｆ₂、Ｓ
Ｆ₂、ＳＦ₄、Ｓ₂Ｆ₁₀、Ｓ₂Ｃｌ₂、Ｓ₂Ｃｌ₃、Ｓ
Ｃｌ₂、Ｓ₂Ｂｒ₂、Ｓ₃Ｂｒ₂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Ｈ₂Ｓ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、ＨおよびＯの両
方を構成元素とするガスとしてはＨ₂Ｏ（水蒸気）およ
びＨ₂Ｏ₂のうちの少なくとも１種であることが望まし
い。また混合物として市販の過酸化水素水（３０％ある
いは２．５〜３．０％）を用いてもよい。これらはいず
れも液体ソースであるので、Ｈｅ等のキャリアガスによ
るバブリング、加熱気化あるいは超音波気化等の手法に
よりエッチバックチャンバ内に導入する。またフッ素系
化学種を発生しうるガスとしては特に限定するものだは
ないが、ＳＦ₆、ＮＦ₆、ＣＦ₄、ＣｌＦ₃、ＸｅＦ₂
およびＦ₂等、プラズマ中にＦ^*やＦ⁺を発生しうる一
般的なガスのことをいう。

【００１６】またいずれの発明においても、その好まし
い実施態様においては高融点金属層の下面に接して、す
なわち層間絶縁膜や接続孔の上面に接してＴｉ、Ｔｉ
Ｎ、ＴｉＯＮ、ＴｉＳｉ₂あるいはＷＮ等のバリア層を
有する事が望ましい。

【００１７】第１ないし第３の発明を一貫する技術的思
想は、エッチングガス中に少なくともＨ₂ＯやＨ₂Ｏ₂
を添加し、これらのガスの解離によりプラズマ中にＨ原
子とＯ原子を供給する点にある。プラズマ中のＨ原子は
Ｗ等高融点金属層のエッチャントであるＦ^*を捕捉し、
ＨＦないしＨＯＦの形でエッチングチャンバ外へ除去し
て、エッチング反応系のＦ^*濃度を制御する。これによ
りオーバーエッチング時の早期に露出したコンタクトプ
ラグ表面へのＦ^*の集中が緩和され、ローディング効果
による異常浸食や形状悪化が防止される。一方プラズマ
中のＯ原子は、Ｗを始めとする高融点金属層の表面を酸
化し、酸化反応とエッチング反応が競合する形でエッチ
バックが進行する。このためエッチングの反応生成物と
してＷＦ_x等のフッ化物の他に、ＷＯＦ_x等のオキシフ
ッ化物も多く生成されるようになる。これら化合物のう
ちの代表的な化合物であるＷＦ₆およびＷＯＦ₄の沸点
は、ＣＲＣＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＣｈｅｍｉｓｔ
ｒｙａｎｄＰｈｉｓｉｃｓ，７５ｔｈ．Ｅｄｉｔｉ
ｏｎ（１９９４−１９９５）によれば１７．５℃および
１８７．５℃である。すなわち、Ｗのオキシフッ化物は
Ｗのフッ化物に比して沸点が高く、したがって蒸気圧が
小さいので、被エッチング層上からの反応生成物の脱離
にはある程度のエネルギを有するイオン衝撃が必要であ
る。このため、従来はほとんどラジカル反応に依存して
いたエッチバックの形態が、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
剰ラジカル反応に起因するローディング効果による異常
浸食や形状悪化がこの面からも防止される。さらに従来
のフッ素系化学種を発生しうるガスを主体としたエッチ
バックと比較して、プラズマ中のＯ原子の存在すること
により、下地のＳｉＯ₂等の層間絶縁膜とのエッチング
選択比が向上し、この層間絶縁膜の膜減りが軽減される
作用も有する。

【００１８】第２の発明においては、エッチバックを２
段階化し、ジャストエッチング工程のエッチングレート
を高めることによりスループットの高いエッチバックが
可能となる。オーバーエッチング工程ではＨおよびＯの
両方を構成元素とするガスの添加によりマイクロローデ
ィング効果の防止が可能であることは第１の発明と同様
である。

【００１９】第３の発明においては、被エッチング基板
を室温以下の低温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被
エッチング層上への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Ｎ₂Ｈ₂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１５０℃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ＳＦ₆とＨ₂
Ｏとの混合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ないしは反応性スパッタリング
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
バリア層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 ２５ｓｃｃｍＳｉＨ₄ １０ｓｃｃｍガス圧力１．１×１０⁴Ｐａ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 ６０ｓｃｃｍＨ₂ ３６０ｓｃｃｍガス圧力１．１×１０⁴Ｐａ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】次に本発明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。ＳＦ₆ ４０ｓｃｃｍＨ₂Ｏ１０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（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、ＳＦ₆の解離により
プラズマ中に生成するＦ^*によるラジカル反応が、ＳＦ
_x ⁺、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。また同じくプラズマ中に生成するＨ原子
によるＦ^*の捕捉や、反応生成物として蒸気圧の比較的
小さいＷＯＦ_xが生成することにより、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 ４０ｓｃｃｍＯ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（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下地が露出する直前
までのジャストエッチング工程と、Ｈ₂Ｏ₂の添加によ
るオーバーエッチング工程の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あるの
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。ＳＦ₆ ５０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（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、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、Ｈ₂Ｏ₂を添加した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。ＳＦ₆ ３５ｓｃｃｍＨ₂Ｏ₂ １５ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（２．０ＭＨｚ）被エッチング基板温度室温この第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、Ｈ₂Ｏ₂を添加したことによりエッチング反応
系のラジカル性が弱められることによりラジカルの反応
性が抑制され、ローディング効果は効果的に防止され
る。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】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、Ｈ₂ＯとＳ
₂Ｆ₂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。

【００３２】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。Ｓ₂Ｆ₂ ４０ｓｃｃｍＨ₂Ｏ１０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（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Ｓ₂Ｆ₂の
解離によりプラズマ中に生成するＦ^*によるラジカル反
応が、ＳＦ⁺、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Ｓ₂Ｆ₂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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】ＨおよびＯの両方を構成元素とするガスと
してＨ₂Ｏを例示したが、Ｈ₂Ｏ₂を用いることが可能
である。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】

【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ＨおよびＯ
の両方を構成元素とするガスおよびフッ素系化学種を発
生しうるガスとの混合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。

【００４２】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、ジャスト
エッチング工程はフッ素系化学種を発生しうるガスを主
体として用い、オーバーエッチング工程ではＨおよびＯ
の両方を構成元素とするガスとフッ素系化学種を発生し
うるガスとの混合ガスに切り替えて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。

【００４３】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、Ｈおよ
びＯの両方を構成元素とするガスと、Ｓ₂Ｆ₂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。

【００４４】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等がなく、精
度のよい加工ができる。

【００４５】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 21/3065 H01L 21/768

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【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、ＨおよびＯの両方を構成元素とするガスと、フッ素系化学種を発生しうるガスとを含むエッチングガ
スとを用いて、前記高融点金属層をプラズマエッチング
する工程であることを特徴とするコンタクトプラグの形
成方法。
【請求項２】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、少なくともフッ素系化学種を発生しうるガスを主体とす
るエッチングガスを用いて、前記高融点金属層をプラズ
マエッチングによりジャストエッチングする第１のエッ
チバック工程と、ＨおよびＯの両方を構成元素とするガスと、フッ素系化
学種を発生しうるガスとを含むエッチングガスを用い
て、前記高融点金属層をプラズマエッチングによりオー
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。
【請求項３】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、ＨおよびＯの両方を構成元素とするガスと、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
るハロゲン化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
チングする工程であることを特徴とするコンタクトプラ
グの形成方法。
【請求項４】前記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ないし３いず
れか１項記載のコンタクトプラグの形成方法。
【請求項５】前記ＨおよびＯの両方を構成元素とする
ガスは、Ｈ₂ＯおよびＨ₂Ｏ₂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ないし３いずれ
か１項記載のコンタクトプラグの形成方法。