JP3746314B2 - Ａｌ系金属配線の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はＡｌ系金属配線の形成方法に関し、さらに詳しくは、形状制御性と選択性に優れ、パーティクル汚染やアフターコロージョンの低減されたＡｌ系金属配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の内部配線や電極材料として、純Ａｌや、各種マイグレーション耐性を高めるためＡｌに１〜２％のＳｉを添加したＡｌ−Ｓｉ合金、さらには０．５〜１％のＣｕを加えたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等のＡｌ系金属が広く使用されている。またＡｌ系金属層の上層および下層には、下地との密着性やバリア性を高めるため、Ｔｉ層やＴｉＮ層等のＴｉ系材料層を配したり、露光光の反射を防止するＴｉＯＮ層を配した積層構造が多用されている。
【０００３】
Ａｌ系金属層のパターニングは、蒸気圧の高いＡｌＣｌx 系の反応生成物を形成するために、一般にＣｌ系ガスによるプラズマエッチングが施される。例えば米国特許第４，２５６，５３４号明細書には、ＢＣｌ3 ／Ｃｌ2 混合ガスによるパターニング方法が開示されている。
【０００４】
Ａｌ系金属層のプラズマエッチングにおいては、メインエッチャントはＣｌ* （Ｃｌラジカル）であり、自発的かつ速やかなエッチング反応が進行する。このため、Ｃｌ* のみでは等方性の強いエッチングとなり、サイドエッチングが発生する。そこで通常は、ある程度被処理基板への垂直入射イオンエネルギを高めたプラズマエッチング条件の採用により、イオンアシスト反応を併用するとともに、入射イオンによりスパッタリングされたレジストマスクの分解生成物を側壁保護膜として利用することで、異方性エッチングを達成している。イオンアシスト反応の併用は、ＳｉやＣｕ等の合金成分や、Ｔｉ等の積層構造成分等、反応生成物の蒸気圧が小さい化合物をスパッタリングして除去し、残渣の発生を抑えるためにも必要である。混合ガス中のＢＣｌ3 は、Ａｌ系金属層の表面に存在する自然酸化膜のブレークスルーに用いる還元剤であるとともに、入射イオンとしてのＢＣｌx + を供給するという重要な役割を担っている。
【０００５】
ところで、上述のようにレジストマスクのスパッタによる分解生成物を側壁保護膜として積極的に用いるイオンモードの異方性エッチングにおいては、必然的にレジストマスクや下地層間絶縁膜との選択比が低下する。ＢＣｌ3 ／Ｃｌ2 混合ガスによる典型的なＡｌ系金属層のパターニングにおいては、対レジストマスク選択比はわずかに２程度である。かかる選択比の低さは、微細な配線パターンの加工においてレジストマスクとの寸法変換差や、異方性形状の劣化を招く原因となる。
【０００６】
すなわち、レジストマスクとの低選択比をカバーする手段として、レジストマスクの厚膜化がまず考えられるが、特に高段差部分ではリソグラフィ時における露光光の焦点深度（ＤＯＦ）の問題がある。また高段差部分ではレジストマスクのスピンコーティング時に塗布厚が薄膜化し、所期の膜厚が得られない等、単にレジストコーティング条件を厚膜化しただけでは充分な効果が期待できないのが実情である。
【０００７】
また前述したバリアメタル層や反射防止膜構造の採用が問題を一層困難なものとしている。バリアメタル層や反射防止膜構造を採用したＡｌ系金属配線においては、これらの難エッチング性材料層を含む積層構造をパターニングするため、Ｃｌ系ガスを用いイオンモードの強いエッチング条件を採用するので、エッチングレートが低下し、このためエッチングが長時間化することも耐レジストマスク選択比を低下する原因となる。
【０００８】
一方、サブハーフミクロンクラスの高集積化した微細なデザインルールのもとでは、フォトリソグラフィにおける露光時の解像度を向上するためにも、レジストの塗布厚を低減することが要求される。しかも、露光波長の短波長化にともない、ＫｒＦ等のエキシマレーザリソグラフィが採用されつつあるが、これらエキシマレーザリソグラフィ対応の化学増幅型レジストはイオン入射耐性が必ずしも充分でない。したがって、レジスト塗布厚低減による微細加工性の確保と、対レジストマスク選択比の確保とはトレードオフの関係にあり、特に段差下地上のＡｌ系金属層のパターニングにおいて段差部の残渣を除去するオーバーエッチング工程では、レジストマスクの膜減りによるパターン変換差の問題は無視できないレベルとなっている。
【０００９】
かかる問題に対処するために、従来よりレジストマスクの補強策として、レジストマスクの表面にイオン衝撃耐性の高い材料を形成する試みがなされている。例えば、エッチングガスとしてＳｉＣｌ4 を用いて、レジストマスクの表面をＳｉで被覆する方法が第３３回集積回路シンポジウム講演予稿集、ｐ．１１４（１９８７）に報告されているが、被エッチング基板上へのＳｉの堆積によるパーティクルレベルの増加については未解決である。
【００１０】
またＢＢｒ3 等のＢｒ系ガスを用いるプロセスがＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １１ｔｈ．Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｄｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ、ＩＩ−２、ｐ．４５（１９８９）、あるいは特開平１−３０２２７号公報に報告ないしは開示されている。このプロセスは、レジストマスク表面を蒸気圧の小さい反応生成物ＣＢｒx で被覆してエッチング耐性を高めるものである。ＣＢｒx によるレジストマスク保護のメカニズムについては、月刊セミコンダクター・ワールド誌（プレスジャーナル社刊）１９９０年１２月号、ｐ．１０３〜１０７に詳述されており、対レジストマスク選択比として５の値が報告されている。しかしながら、かかるレベルの選択比を達成するにはＣＢｒx を多量に堆積する必要があり、Ａｌ系金属配線のパターン変換差や、断面の過度のテーパ形状化の問題があり、さらに被処理基板やプラズマエッチング装置内部のパーティクルレベルを悪化させる虞れが大きい。さらに、段差を有する下地絶縁膜上のＡｌ系金属層のパターニングにおいては、過剰の側壁保護膜の堆積等により段差側面の下部に延在するストリンガ残渣を発生し、配線間の短絡を生じる虞れがある。さらに本質的な問題として、バリアメタル層や反射防止膜構造のＡｌ系金属層をパターニングするための高イオンエネルギ条件下では、充分な側壁保護効果を発揮できない。これは、２原子間の結合エネルギで比較すると、Ｃ−Ｂｒが２８０±２１ｋＪ／ｍｏｌであり、Ｃ−Ｃｌの３９７±２９ｋＪ／ｍｏｌやＣ−Ｃの６０７±２ＩｋＪ／ｍｏｌと比較して小さいことからも明らかである。なお２原子間の結合エネルギは、ＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，７５ｓｔ．Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９９４（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ）によった。
【００１１】
これとは別に、レジストマスク構成元素である、Ｃ、ＨおよびＯを含む化合物であるメタノールを添加し、Ｃｌ2 ／ＣＨ3 ＯＨ混合ガスによりＡｌ系金属層をプラズマエッチングする例が特開平４−１４７６２１号公報に開示されている。これはＣＨ3 ＯＨの添加により、レジストマスクの分解が相対的に少なくなることを利用し、選択比３．５〜４を達成するものである。しかし、ＢＣｌx + 等質量の大きなイオン種のスパッタリング効果は期待できず、自然酸化膜の除去に難があり、このため実際にエッチングが始まる迄のｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）の長時間化やパターニングの均一性に問題があった。
【００１２】
一方、Ａｌ系金属配線のパターニングに特有の現象として、アフターコロージョンの問題がある。アフターコロージョンの発生機構については、例えば月刊セミコンダクター・ワールド誌（プレスジャーナル社刊）１９８９年４月号、ｐ．１０１−１０６に詳述されているが、その概要は以下の通りである。
【００１３】
Ａｌ系金属層をＣｌ系ガスでパターニングした後のＡｌ系金属配線パターン近傍部には、エッチングの反応生成物であるＡｌＣｌx やエッチングガスそのものの分解生成物が残留する。これらは被エッチング基板上に吸着するのみならず、レジストマスクの内部にも侵入する。ＡｌＣｌx やエッチングガスの分解生成物は大気に触れると水分を吸収し、電解質としてＣｌ- を含む水滴となり、この水溶液中にＡｌが溶出し腐食が発生する。さらにレジストとＣｌ系ガスとの反応生成物であるＣＣｌx は、側壁保護膜としてエッチングの異方性確保に重要であるが、この側壁保護膜中のＣｌもエッチング終了後には有害な残留塩素となる。
【００１４】
特に最近ではＡｌ系金属配線へのＣｕの添加が一般化し、アフターコロージョンの問題が顕在化する傾向にある。これは、エッチング除去されるはずの反応生成物であるＣｕＣｌx がその低い蒸気圧のためにＡｌ系金属配線のパターン上に残留し、ここに水分が供給されると、Ｃｌ- を電解質とし、ＡｌとＣｕを両極とする局部電池が形成されて腐食が加速されるからである。この機構は、Ｔｉを含むバリアメタル層や反射防止層等の異種材料層との積層構造の採用においても同様である。このため、従来にも増して徹底したアフターコロージョン対策が望まれる。
【００１５】
さらにレジストマスクの分解生成物による側壁保護膜中に含まれる残留塩素は、被処理基板が大気中の酸素と接触したり、Ｏ2 プラズマアッシングを施すとＡｌ2 Ｏ3 系の強固な残渣となり、パターニングされたＡｌ系金属配線側面上にフェンス状に残留して上層に形成する層間絶縁膜のステップカバレッジを低下する。またスクラブ洗浄等の手段により剥離した場合には、被処理基板上のパーティクルレベルを悪化する。このためにも過剰の側壁保護膜の形成は好ましいものではない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような技術的背景をふまえ、これらの問題点を解決することをその技術的課題とするものである。すなわち本発明の課題は、対エッチングマスク選択比が大きく、異方性に優れ、しかも過剰な側壁保護膜の堆積によるパーティクル汚染や寸法変換差、あるいは下地段差でのストリンガ残渣のないＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法を提供することである。
【００１７】
本発明の別の課題は、Ｃｕ等難エッチング性の元素を含むＡｌ系金属層や、Ｔｉ系材料層等異種材料との積層構造であっても、エッチング残渣やアフターコロージョンのないＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のＡｌ系金属層のパターニング方法は、上述の課題を解決するために提案するものであり、下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に、側壁保護膜に寄与する炭素系ポリマ強化用の化合物として、ＣＳ2およびＣ3Ｓ2のうちの少なくとも１種からなる硫化炭素を添加して、Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項２記載のＡｌ系金属層のパターニング方法は、下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に側壁保護膜に寄与する炭素系ポリマ強化用の化合物として硫化炭素を添加し、Ｃｌ系ガスと硫化炭素の流量比を４：１として、Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の請求項４記載のＡｌ系金属層のパターニング方法は、下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に硫化炭素とＮ系ガスとを添加して、被エッチング基板を室温以下に制御しつつ、Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明のＡｌ系金属配線のパターニング方法においては、プラズマエッチング終了後、被エッチング基板を加熱しつつ、Ｆ系ガスを含むガスによるプラズマ処理を施すことが望ましい。
【００２１】
本発明で採用する硫化炭素または硫化炭素系化合物としては、ＣＳ2（ｂｐ＝４６．３℃）あるいはこれよりも蒸気圧が小さい化合物である、Ｃ3Ｓ2を例示できる。これらを単独または組み合わせて用いることが可能である。
【００２２】
【作用】
本発明の第１のポイントは、ＣＳ2をはじめとする硫化炭素を含むエッチングガスを用いることにより、側壁保護膜として寄与する炭素系ポリマの膜質を強化し、その堆積量を減らしても充分な側壁保護効果を発揮して異方性加工を達成し、高い対レジストマスク選択比および対下地材料層選択比を達成する点、および側壁保護膜に取り込まれて残留する塩素量を低減してアフターコロージョン耐性を高める点にある。
【００２３】
従来Ｃｌ系ガスによるＡｌ系金属層のパターニングは、レジストマスクの分解生成物を主体とした、塩素成分を多量に含有する炭素系ポリマを側壁保護膜としていた。したがって、その膜質は弱く、異方性加工を達成するためには側壁保護膜の堆積量をある程度確保する必要があった。本発明で採用するＣＳ2をはじめとする硫化炭素または硫化炭素系化合物は、その分解生成物を側壁保護膜として用いることにより、炭素系ポリマの構成元素に占める炭素原子の組成比を安定して増大させる作用を有する。これにより、側壁保護膜の膜質が増強され、入射イオンエネルギやラジカル攻撃に対する側壁保護膜の耐性を高めることができる。
【００２４】
側壁保護膜として寄与する炭素系ポリマの膜質が強化されることにより、Ａｌ系金属配線の異方性加工に必要な入射イオンエネルギを低減することができ、対レジストマスクとの選択比を向上することができる。このことは、従来より薄いレジスト膜厚であっても充分に実用に耐えるレジストマスクが得られるということであり、加工寸法変換差の低減や、レジスト露光時における高解像度に寄与する。
【００２５】
エッチング入射エネルギの低減は、層間絶縁膜等の下地材料層との選択比向上にも寄与し、下地材料層のスパッタリングによるＡｌ系金属配線のパターン側面への再付着が減少する。したがって、再付着物に取り込まれる形で存在する残留塩素が低減され、アフターコロージョンを効果的に抑制することができる。
【００２６】
さらに、側壁保護膜を構成する炭素系ポリマの膜質の向上により、異方性、選択性を確保するために必要な炭素系ポリマの堆積量を低減できるので、被エッチング基板はもとより、エッチングチャンバ内のパーティクルレベルを減少できる。さらに炭素系ポリマ中に取り込まれる形でエッチング後のパターン側面に残存する残留塩素も当然減少し、この面からもアフターコロージョン耐性が大きく向上する。
【００２７】
本発明は上述した作用を基本とし、さらに一層の低汚染化とアフターコロージョン耐性の向上法をも提供する。本発明の第２のポイントは、塩素含有量の少ない炭素系ポリマの堆積に加え、ポリチアジル（ＳＮ）n の堆積をも側壁保護膜に用い、その膜質を一層強固なものとすることである。
【００２８】
硫化炭素系化合物は、放電解離によりプラズマ中に遊離のイオウを放出し、同じくＮ系ガスの解離により生じる原子状窒素と反応してチアジル（ＳＮ）を生成する。チアジルは、酸素類似体化合物である一酸化窒素（ＮＯ）の分子構造から類推されるように不対電子を有しており、プラズマ中で容易に重合して（ＳＮ）n を生成する。このポリチアジルは、室温以下に制御されている被エッチング基板上に堆積し、イオン入射の少ないパターン側面に残留し、膜質の強化された炭素系ポリマとともに、さらに強固な側壁保護膜を形成する。ポリチアジルは、減圧雰囲気中では被エッチング基板が約１３０℃以下であれば堆積することが可能であるが、安定した堆積のためには被エッチング基板を室温以下、さらに好ましくは、０℃程度あるいはそれ以下に制御することが望ましい。ただし−数十℃におよぶ極低温は、エッチングレートが低減するなど好ましくない。
【００２９】
この複合強化された側壁保護膜により、異方性加工に必要な入射イオンエネルギを一層低減でき、選択比の向上および低ダメージ化を徹底することが可能となる。また、ポリチアジルの寄与により炭素系ポリマの堆積量を低減することが可能となるので、パーティクル汚染やアフターコロージョンの発生をより軽減することができる。
【００３０】
プラズマエッチング終了後、被エッチング基板上に残留したポリチアジルは、被エッチング基板を加熱することにより昇華除去されるので、残渣として残ることはなく、コンタミネーションやパーティクル汚染源となる虞れは無い。ポリチアジルの昇華温度は減圧雰囲気中約１３０℃以上である。またポリチアジルはレジストマスクのアッシング工程でレジストマスクと同時に酸化除去することも可能である。
【００３１】
本願の第３のポイントは、Ａｌ系金属層のプラズマエッチング終了後、被エッチング基板を加熱しながら、Ｆ系ガスを含むガスによりプラズマ処理を施し、アフターコロージョンの防止を徹底する点にある。このプラズマ処理により、プラズマエッチング後のＡｌ系金属配線に付着または近傍に残留している塩素がフッ素に置換される。またプラズマの輻射熱や基板ステージからの加熱により、側壁保護膜中に結合ないしは吸蔵されている塩素が脱離される。したがって、基本的に側壁保護膜の堆積量が少ないプラズマエッチングプロセスの採用と相俟って、Ａｌ系金属配線のアフターコロージョンを完全に防止することが可能となる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき、図面を参照して説明する。
【００３３】
実施例１
本実施例は、バリアメタル層、Ａｌ系金属層および反射防止層がこの順に積層されたＡｌ系多層膜を、ＣＳ2 を含むエッチングガスを用いてプラズマエッチングした例であり、このプロセスを図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００３４】
まず図１（ａ）に示すように、ＳｉＯ2 からなる層間絶縁膜１上にＴｉ層２、ＴｉＮ層３からなるバリアメタル層４、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％ＣｕからなるＡｌ系金属層５、ＴｉＯＮ層からなる反射防止層６を順次スパッタリング等により形成し、さらにレジストマスク８がパターニングされた被エッチング基板を準備する。
ここで各層の厚さは一例としてＴｉ層２が３０ｎｍ、ＴｉＮ層３が７０ｎｍ、Ａｌ系金属層５が４００ｎｍそして反射防止層６が１００ｎｍであり、これらの各層でＡｌ系多層膜７を構成している。またレジストマスク８は、化学増幅型レジストとＫｒＦエキシマレーザリソグラフィにより、０．２５ｎｍ幅にパターニングしたものである。
【００３５】
この被エッチング基板を基板バイアス印加型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Ａｌ系金属層を含むＡｌ系多層膜のプラズマエッチングする。
ＣＳ2 ３０ ｓｃｃｍ
Ｃｌ2 ４０ ｓｃｃｍ
ＢＣｌ3 ８０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度 常温
本プラズマエッチング条件におけるＲＦバイアスパワーは、通常のエッチング条件より低減されたものである。このプラズマエッチング工程においては、ＥＣＲプラズマ中でＣｌ2 とＢＣｌ3 から生成するＣｌ* を主エッチング種とするラジカル反応が、Ｃｌx + やＢＣｌx + イオンの入射エネルギにアシストされる機構でエッチングが進行し、Ａｌ系多層膜７は反応生成物ＡｌＣｌx 、ＴｉＣｌx の形で除去された。これと同時に、レジストマスク８の分解生成物に由来するＣＣｌx が生成し、ＣＳ2 から解離生成した遊離のＣやＳが構造中に取り込まれたカーボンリッチで強固な炭素系ポリマが被エッチング基板上に堆積する。この炭素系ポリマは生成量そのものは従来プロセスより多くはないが、パターン側面に堆積して薄い側壁保護膜９を形成し、高いエッチング耐性を示して異方性加工に寄与し、良好な異方性形状を有するＡｌ系金属配線が形成された。Ａｌ系金属層５のエッチングレートは１．０μｍ／分、対レジストマスク選択比は約４であった。エッチング終了後の状態を図１（ｂ）に示す。
【００３６】
この後、被エッチング基板をエッチング装置に付属のプラズマアッシング装置に搬送し、常法に準拠してＯ2 プラズマアッシングを施し、レジストマスク８と側壁保護膜９を除去した。アッシング終了後のＡｌ系金属配線の状態を図１（ｃ）に示す。
【００３７】
本実施例によれば、Ａｌ系金属層を硫化炭素化合物を含むエッチングガスでプラズマエッチングすることにより、強固な側壁保護膜が形成され、ＲＦバイアスパワーの低減にもかかわらず、異方性形状が得られる。また側壁保護膜内の残留塩素の低減と、下地層間絶縁膜のスパッタリングによる再付着物が防止されることにより、アフターコロージョンは効果的に抑制される。また炭素系ポリマの生成量が少ないので、被エッチング基板の処理枚数を重ねてもチャンバ内のパーティクルレベルが悪化することがない。
【００３８】
実施例２
本実施例は、実施例１と同じＡｌ系多層膜をＣＳ2 とＮ2 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てプラズマエッチングした例であり、このプロセスを同じく図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００３９】
図１（ａ）に示す被エッチング基板は、前実施例と同様の構成であるので、重複する説明を省略する。この被エッチング基板を基板バイアス印加型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Ａｌ系金属層を含むＡｌ系多層膜のプラズマエッチングする。この基板ステージは、エッチング装置に付属のチラーからエタノール系冷媒を循環することにより被エッチング基板を冷却することができるものである。
ＣＳ2 ３０ ｓｃｃｍ
Ｃｌ2 ６０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー １５ Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度 ０ ℃
本プラズマエッチング条件におけるＲＦバイアスパワーは、実施例１のエッチング条件におけるＲＦバイアスパワーよりさらに低減されたものである。このプラズマエッチング工程においては、塩素含有量の少ない炭素系ポリマの他に、ポリチアジルが被エッチング基板上に堆積し、強固な側壁保護膜９を形成する。この側壁保護膜９は、高いエッチング耐性を示して異方性加工に寄与し、良好な異方性形状を有するＡｌ系金属配線が形成された。Ａｌ系金属層５のエッチングレートは０．９μｍ／分となったが、対レジストマスク選択比は約６に向上した。エッチング終了後の状態を図１（ｂ）に示す。
【００４０】
この後、被エッチング基板をエッチング装置に付属のプラズマアッシング装置の搬送し、常法に準拠してＯ2 プラズマアッシングを施し、レジストマスク８と側壁保護膜９を除去した。アッシング終了後の状態を図１（ｃ）に示す。
【００４１】
本実施例によれば、Ａｌ系金属層を硫化炭素化合物とＮ系ガスとを含むエッチングガスでプラズマエッチングすることにより、ポリチアジルを含む強固な側壁保護膜が形成され、ＲＦバイアスパワーの一層の低減にもかかわらず、良好な異方性形状が得られる。レジストマスクのエッジの後退もなく、パターン変換差は認められなかった。またポリチアジルの堆積分だけ、炭素系ポリマの堆積を減少でき、この分側壁保護膜内の残留塩素の低減が図れたこと、および下地層間絶縁膜のスパッタリングによる再付着物が一層減少したことにより、アフターコロージョンは大幅に抑制される。また炭素系ポリマの生成量が極めて少ないので、被エッチング基板の処理枚数を重ねても、チャンバ内のパーティクルレベルが悪化することがない。
【００４２】
実施例３
本実施例は、Ａｌ系多層膜を実施例２と同じＣＳ2 とＮ2 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てプラズマエッチングした後、Ｆ系ガスを含むガスでプラズマ処理を施した例であり、このプロセスを図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
【００４３】
図２（ａ）に示す被エッチング基板は、前実施例における図１（ａ）と同様の構成であるので、重複する説明を省略する。この被エッチング基板を基板バイアス印加型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Ａｌ系金属層を含むＡｌ系多層膜のプラズマエッチングする。この基板ステージも、エッチング装置に付属のチラーからエタノール系冷媒を循環することにより被エッチング基板を冷却することができるものである。
ＣＳ2 ２０ ｓｃｃｍ
ＢＣｌ3 ８０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ２０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー １５ Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度 １０ ℃
本プラズマエッチング工程におけるエッチングの機構は、前実施例２のエッチング機構に準拠するものである。エッチング終了後の状態を図１（ｂ）に示す。
【００４４】
この後、被エッチング基板をエッチング装置に付属のプラズマアッシング装置の搬送し、一例として下記条件でプラズマ処理を施した。
ＣＦ4 １００ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 １０ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ
被エッチング基板温度 １００ ℃
本プラズマ処理により、炭素系ポリマとポリチアジルを含む側壁保護膜９は速やかに除去される。この除去の機構は、炭素系ポリマに関してはＯ* による酸化燃焼および含有塩素のフッ素置換による蒸気圧の上昇等であり、ポリチアジルに関しては被エッチング基板加熱による昇華およびＯ* による酸化燃焼等である。なお、このプラズマ処理によりレジストマスク８に吸蔵ないしは結合して残留していた塩素もフッ素に置換される。この状態を図１（ｃ）に示す。
【００４５】
続けて、同じアッシング装置内で常法に準拠してＯ2 プラズマアッシングを施し、レジストマスク８を除去したところ、アッシング残渣のない良好なＡｌ系金属配線が形成された。アッシング終了後の状態を図１（ｄ）に示す。
【００４６】
本実施例によれば、実施例２の効果に加え、特にアフターコロージョン低減の効果が徹底される。図１（ｄ）の状態のＡｌ系金属配線を、パシベーション膜なしに大気中に放置したところ、７２時間後にもアフターコロージョンの発生は認められなかった。
【００４７】
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。製造プロセス条件の数値や構成材料等も、好ましい一例を例示したものであり、各種の変更が可能である。
【００４８】
例えば、Ａｌ系金属層としてＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕを例示したが、Ａｌ−ＳｉやＡｌ−Ｔｉ合金や純Ａｌであってもよい。Ａｌ系多層膜を構成するバリアメタル層や反射防止膜の構成も、上記構成に限定されることはない。近年各種マイグレーション対策とし採用されているＡｌ／Ｗ積層配線に適用してもよい。
【００４９】
硫化炭素または硫化炭素系化合物として、ＣＳ2の他にＣ3Ｓ2も使用できる。Ｃ3Ｓ2はＣＳ2より蒸気圧が小さいので、バブラを加熱しながらＨｅ等でバブリングして用いればよい。エッチングチャンバへの導入配管中での露結を防止するため、配管加熱は必要である。
【００５０】
Ｆ系ガスとしては実施例で例示したＣＦ4 の他にＣ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 等他の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。
【００５１】
さらに、使用するエッチング装置、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。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のＡｌ系金属配線の形成方法によれば、側壁保護膜の強化により、薄い側壁保護膜であっても異方性形状、エッチング選択比、低パーティクル汚染および低アフターコロージョンの諸要求を同時に満たす形成方法が可能となる。
すなわち、請求項１の発明によれば、カーボンリッチな炭素系ポリマを側壁保護膜に採用することにより、側壁保護膜の膜質を強化し、上記効果を得ることが可能となる。
また請求項４、５の発明によれば、カーボンリッチな炭素系ポリマに加え、ポリチアジルをも側壁保護膜として利用できるので、上記効果を徹底できる。
さらに、請求項６の発明によれば、上記効果に加え、特にアフターコロージョンの低減に卓越した効果がある。
【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２の工程を説明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上にバリアメタル層、Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを形状した状態、（ｂ）は側壁保護膜を形成しつつＡｌ系金属配線をパターニングした状態、（ｃ）はレジストマスクおよび側壁保護膜をアッシング除去した状態である。
【図２】本発明を適用した実施例３の工程を説明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上にバリアメタル層、Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを形状した状態、（ｂ）は側壁保護膜を形成しつつＡｌ系金属配線をパターニングした状態、（ｃ）はプラズマ処理を施した状態、そして（ｄ）はレジストマスクをアッシング除去した状態である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ Ｔｉ層
３ ＴｉＮ層
４ バリアメタル層
５ Ａｌ系金属層
６ 反射防止層
７ Ａｌ系多層膜
８ レジストマスク
９ 側壁保護膜
【産業上の利用分野】
本発明はＡｌ系金属配線の形成方法に関し、さらに詳しくは、形状制御性と選択性に優れ、パーティクル汚染やアフターコロージョンの低減されたＡｌ系金属配線の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の内部配線や電極材料として、純Ａｌや、各種マイグレーション耐性を高めるためＡｌに１〜２％のＳｉを添加したＡｌ−Ｓｉ合金、さらには０．５〜１％のＣｕを加えたＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等のＡｌ系金属が広く使用されている。またＡｌ系金属層の上層および下層には、下地との密着性やバリア性を高めるため、Ｔｉ層やＴｉＮ層等のＴｉ系材料層を配したり、露光光の反射を防止するＴｉＯＮ層を配した積層構造が多用されている。
【０００３】
Ａｌ系金属層のパターニングは、蒸気圧の高いＡｌＣｌx 系の反応生成物を形成するために、一般にＣｌ系ガスによるプラズマエッチングが施される。例えば米国特許第４，２５６，５３４号明細書には、ＢＣｌ3 ／Ｃｌ2 混合ガスによるパターニング方法が開示されている。
【０００４】
Ａｌ系金属層のプラズマエッチングにおいては、メインエッチャントはＣｌ* （Ｃｌラジカル）であり、自発的かつ速やかなエッチング反応が進行する。このため、Ｃｌ* のみでは等方性の強いエッチングとなり、サイドエッチングが発生する。そこで通常は、ある程度被処理基板への垂直入射イオンエネルギを高めたプラズマエッチング条件の採用により、イオンアシスト反応を併用するとともに、入射イオンによりスパッタリングされたレジストマスクの分解生成物を側壁保護膜として利用することで、異方性エッチングを達成している。イオンアシスト反応の併用は、ＳｉやＣｕ等の合金成分や、Ｔｉ等の積層構造成分等、反応生成物の蒸気圧が小さい化合物をスパッタリングして除去し、残渣の発生を抑えるためにも必要である。混合ガス中のＢＣｌ3 は、Ａｌ系金属層の表面に存在する自然酸化膜のブレークスルーに用いる還元剤であるとともに、入射イオンとしてのＢＣｌx + を供給するという重要な役割を担っている。
【０００５】
ところで、上述のようにレジストマスクのスパッタによる分解生成物を側壁保護膜として積極的に用いるイオンモードの異方性エッチングにおいては、必然的にレジストマスクや下地層間絶縁膜との選択比が低下する。ＢＣｌ3 ／Ｃｌ2 混合ガスによる典型的なＡｌ系金属層のパターニングにおいては、対レジストマスク選択比はわずかに２程度である。かかる選択比の低さは、微細な配線パターンの加工においてレジストマスクとの寸法変換差や、異方性形状の劣化を招く原因となる。
【０００６】
すなわち、レジストマスクとの低選択比をカバーする手段として、レジストマスクの厚膜化がまず考えられるが、特に高段差部分ではリソグラフィ時における露光光の焦点深度（ＤＯＦ）の問題がある。また高段差部分ではレジストマスクのスピンコーティング時に塗布厚が薄膜化し、所期の膜厚が得られない等、単にレジストコーティング条件を厚膜化しただけでは充分な効果が期待できないのが実情である。
【０００７】
また前述したバリアメタル層や反射防止膜構造の採用が問題を一層困難なものとしている。バリアメタル層や反射防止膜構造を採用したＡｌ系金属配線においては、これらの難エッチング性材料層を含む積層構造をパターニングするため、Ｃｌ系ガスを用いイオンモードの強いエッチング条件を採用するので、エッチングレートが低下し、このためエッチングが長時間化することも耐レジストマスク選択比を低下する原因となる。
【０００８】
一方、サブハーフミクロンクラスの高集積化した微細なデザインルールのもとでは、フォトリソグラフィにおける露光時の解像度を向上するためにも、レジストの塗布厚を低減することが要求される。しかも、露光波長の短波長化にともない、ＫｒＦ等のエキシマレーザリソグラフィが採用されつつあるが、これらエキシマレーザリソグラフィ対応の化学増幅型レジストはイオン入射耐性が必ずしも充分でない。したがって、レジスト塗布厚低減による微細加工性の確保と、対レジストマスク選択比の確保とはトレードオフの関係にあり、特に段差下地上のＡｌ系金属層のパターニングにおいて段差部の残渣を除去するオーバーエッチング工程では、レジストマスクの膜減りによるパターン変換差の問題は無視できないレベルとなっている。
【０００９】
かかる問題に対処するために、従来よりレジストマスクの補強策として、レジストマスクの表面にイオン衝撃耐性の高い材料を形成する試みがなされている。例えば、エッチングガスとしてＳｉＣｌ4 を用いて、レジストマスクの表面をＳｉで被覆する方法が第３３回集積回路シンポジウム講演予稿集、ｐ．１１４（１９８７）に報告されているが、被エッチング基板上へのＳｉの堆積によるパーティクルレベルの増加については未解決である。
【００１０】
またＢＢｒ3 等のＢｒ系ガスを用いるプロセスがＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １１ｔｈ．Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｄｒｙ Ｐｒｏｃｅｓｓ、ＩＩ−２、ｐ．４５（１９８９）、あるいは特開平１−３０２２７号公報に報告ないしは開示されている。このプロセスは、レジストマスク表面を蒸気圧の小さい反応生成物ＣＢｒx で被覆してエッチング耐性を高めるものである。ＣＢｒx によるレジストマスク保護のメカニズムについては、月刊セミコンダクター・ワールド誌（プレスジャーナル社刊）１９９０年１２月号、ｐ．１０３〜１０７に詳述されており、対レジストマスク選択比として５の値が報告されている。しかしながら、かかるレベルの選択比を達成するにはＣＢｒx を多量に堆積する必要があり、Ａｌ系金属配線のパターン変換差や、断面の過度のテーパ形状化の問題があり、さらに被処理基板やプラズマエッチング装置内部のパーティクルレベルを悪化させる虞れが大きい。さらに、段差を有する下地絶縁膜上のＡｌ系金属層のパターニングにおいては、過剰の側壁保護膜の堆積等により段差側面の下部に延在するストリンガ残渣を発生し、配線間の短絡を生じる虞れがある。さらに本質的な問題として、バリアメタル層や反射防止膜構造のＡｌ系金属層をパターニングするための高イオンエネルギ条件下では、充分な側壁保護効果を発揮できない。これは、２原子間の結合エネルギで比較すると、Ｃ−Ｂｒが２８０±２１ｋＪ／ｍｏｌであり、Ｃ−Ｃｌの３９７±２９ｋＪ／ｍｏｌやＣ−Ｃの６０７±２ＩｋＪ／ｍｏｌと比較して小さいことからも明らかである。なお２原子間の結合エネルギは、ＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，７５ｓｔ．Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９９４（ＣＲＣ Ｐｒｅｓｓ）によった。
【００１１】
これとは別に、レジストマスク構成元素である、Ｃ、ＨおよびＯを含む化合物であるメタノールを添加し、Ｃｌ2 ／ＣＨ3 ＯＨ混合ガスによりＡｌ系金属層をプラズマエッチングする例が特開平４−１４７６２１号公報に開示されている。これはＣＨ3 ＯＨの添加により、レジストマスクの分解が相対的に少なくなることを利用し、選択比３．５〜４を達成するものである。しかし、ＢＣｌx + 等質量の大きなイオン種のスパッタリング効果は期待できず、自然酸化膜の除去に難があり、このため実際にエッチングが始まる迄のｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｔｉｍｅ（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）の長時間化やパターニングの均一性に問題があった。
【００１２】
一方、Ａｌ系金属配線のパターニングに特有の現象として、アフターコロージョンの問題がある。アフターコロージョンの発生機構については、例えば月刊セミコンダクター・ワールド誌（プレスジャーナル社刊）１９８９年４月号、ｐ．１０１−１０６に詳述されているが、その概要は以下の通りである。
【００１３】
Ａｌ系金属層をＣｌ系ガスでパターニングした後のＡｌ系金属配線パターン近傍部には、エッチングの反応生成物であるＡｌＣｌx やエッチングガスそのものの分解生成物が残留する。これらは被エッチング基板上に吸着するのみならず、レジストマスクの内部にも侵入する。ＡｌＣｌx やエッチングガスの分解生成物は大気に触れると水分を吸収し、電解質としてＣｌ- を含む水滴となり、この水溶液中にＡｌが溶出し腐食が発生する。さらにレジストとＣｌ系ガスとの反応生成物であるＣＣｌx は、側壁保護膜としてエッチングの異方性確保に重要であるが、この側壁保護膜中のＣｌもエッチング終了後には有害な残留塩素となる。
【００１４】
特に最近ではＡｌ系金属配線へのＣｕの添加が一般化し、アフターコロージョンの問題が顕在化する傾向にある。これは、エッチング除去されるはずの反応生成物であるＣｕＣｌx がその低い蒸気圧のためにＡｌ系金属配線のパターン上に残留し、ここに水分が供給されると、Ｃｌ- を電解質とし、ＡｌとＣｕを両極とする局部電池が形成されて腐食が加速されるからである。この機構は、Ｔｉを含むバリアメタル層や反射防止層等の異種材料層との積層構造の採用においても同様である。このため、従来にも増して徹底したアフターコロージョン対策が望まれる。
【００１５】
さらにレジストマスクの分解生成物による側壁保護膜中に含まれる残留塩素は、被処理基板が大気中の酸素と接触したり、Ｏ2 プラズマアッシングを施すとＡｌ2 Ｏ3 系の強固な残渣となり、パターニングされたＡｌ系金属配線側面上にフェンス状に残留して上層に形成する層間絶縁膜のステップカバレッジを低下する。またスクラブ洗浄等の手段により剥離した場合には、被処理基板上のパーティクルレベルを悪化する。このためにも過剰の側壁保護膜の形成は好ましいものではない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような技術的背景をふまえ、これらの問題点を解決することをその技術的課題とするものである。すなわち本発明の課題は、対エッチングマスク選択比が大きく、異方性に優れ、しかも過剰な側壁保護膜の堆積によるパーティクル汚染や寸法変換差、あるいは下地段差でのストリンガ残渣のないＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法を提供することである。
【００１７】
本発明の別の課題は、Ｃｕ等難エッチング性の元素を含むＡｌ系金属層や、Ｔｉ系材料層等異種材料との積層構造であっても、エッチング残渣やアフターコロージョンのないＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のＡｌ系金属層のパターニング方法は、上述の課題を解決するために提案するものであり、下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に、側壁保護膜に寄与する炭素系ポリマ強化用の化合物として、ＣＳ2およびＣ3Ｓ2のうちの少なくとも１種からなる硫化炭素を添加して、Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項２記載のＡｌ系金属層のパターニング方法は、下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に側壁保護膜に寄与する炭素系ポリマ強化用の化合物として硫化炭素を添加し、Ｃｌ系ガスと硫化炭素の流量比を４：１として、Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の請求項４記載のＡｌ系金属層のパターニング方法は、下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に硫化炭素とＮ系ガスとを添加して、被エッチング基板を室温以下に制御しつつ、Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明のＡｌ系金属配線のパターニング方法においては、プラズマエッチング終了後、被エッチング基板を加熱しつつ、Ｆ系ガスを含むガスによるプラズマ処理を施すことが望ましい。
【００２１】
本発明で採用する硫化炭素または硫化炭素系化合物としては、ＣＳ2（ｂｐ＝４６．３℃）あるいはこれよりも蒸気圧が小さい化合物である、Ｃ3Ｓ2を例示できる。これらを単独または組み合わせて用いることが可能である。
【００２２】
【作用】
本発明の第１のポイントは、ＣＳ2をはじめとする硫化炭素を含むエッチングガスを用いることにより、側壁保護膜として寄与する炭素系ポリマの膜質を強化し、その堆積量を減らしても充分な側壁保護効果を発揮して異方性加工を達成し、高い対レジストマスク選択比および対下地材料層選択比を達成する点、および側壁保護膜に取り込まれて残留する塩素量を低減してアフターコロージョン耐性を高める点にある。
【００２３】
従来Ｃｌ系ガスによるＡｌ系金属層のパターニングは、レジストマスクの分解生成物を主体とした、塩素成分を多量に含有する炭素系ポリマを側壁保護膜としていた。したがって、その膜質は弱く、異方性加工を達成するためには側壁保護膜の堆積量をある程度確保する必要があった。本発明で採用するＣＳ2をはじめとする硫化炭素または硫化炭素系化合物は、その分解生成物を側壁保護膜として用いることにより、炭素系ポリマの構成元素に占める炭素原子の組成比を安定して増大させる作用を有する。これにより、側壁保護膜の膜質が増強され、入射イオンエネルギやラジカル攻撃に対する側壁保護膜の耐性を高めることができる。
【００２４】
側壁保護膜として寄与する炭素系ポリマの膜質が強化されることにより、Ａｌ系金属配線の異方性加工に必要な入射イオンエネルギを低減することができ、対レジストマスクとの選択比を向上することができる。このことは、従来より薄いレジスト膜厚であっても充分に実用に耐えるレジストマスクが得られるということであり、加工寸法変換差の低減や、レジスト露光時における高解像度に寄与する。
【００２５】
エッチング入射エネルギの低減は、層間絶縁膜等の下地材料層との選択比向上にも寄与し、下地材料層のスパッタリングによるＡｌ系金属配線のパターン側面への再付着が減少する。したがって、再付着物に取り込まれる形で存在する残留塩素が低減され、アフターコロージョンを効果的に抑制することができる。
【００２６】
さらに、側壁保護膜を構成する炭素系ポリマの膜質の向上により、異方性、選択性を確保するために必要な炭素系ポリマの堆積量を低減できるので、被エッチング基板はもとより、エッチングチャンバ内のパーティクルレベルを減少できる。さらに炭素系ポリマ中に取り込まれる形でエッチング後のパターン側面に残存する残留塩素も当然減少し、この面からもアフターコロージョン耐性が大きく向上する。
【００２７】
本発明は上述した作用を基本とし、さらに一層の低汚染化とアフターコロージョン耐性の向上法をも提供する。本発明の第２のポイントは、塩素含有量の少ない炭素系ポリマの堆積に加え、ポリチアジル（ＳＮ）n の堆積をも側壁保護膜に用い、その膜質を一層強固なものとすることである。
【００２８】
硫化炭素系化合物は、放電解離によりプラズマ中に遊離のイオウを放出し、同じくＮ系ガスの解離により生じる原子状窒素と反応してチアジル（ＳＮ）を生成する。チアジルは、酸素類似体化合物である一酸化窒素（ＮＯ）の分子構造から類推されるように不対電子を有しており、プラズマ中で容易に重合して（ＳＮ）n を生成する。このポリチアジルは、室温以下に制御されている被エッチング基板上に堆積し、イオン入射の少ないパターン側面に残留し、膜質の強化された炭素系ポリマとともに、さらに強固な側壁保護膜を形成する。ポリチアジルは、減圧雰囲気中では被エッチング基板が約１３０℃以下であれば堆積することが可能であるが、安定した堆積のためには被エッチング基板を室温以下、さらに好ましくは、０℃程度あるいはそれ以下に制御することが望ましい。ただし−数十℃におよぶ極低温は、エッチングレートが低減するなど好ましくない。
【００２９】
この複合強化された側壁保護膜により、異方性加工に必要な入射イオンエネルギを一層低減でき、選択比の向上および低ダメージ化を徹底することが可能となる。また、ポリチアジルの寄与により炭素系ポリマの堆積量を低減することが可能となるので、パーティクル汚染やアフターコロージョンの発生をより軽減することができる。
【００３０】
プラズマエッチング終了後、被エッチング基板上に残留したポリチアジルは、被エッチング基板を加熱することにより昇華除去されるので、残渣として残ることはなく、コンタミネーションやパーティクル汚染源となる虞れは無い。ポリチアジルの昇華温度は減圧雰囲気中約１３０℃以上である。またポリチアジルはレジストマスクのアッシング工程でレジストマスクと同時に酸化除去することも可能である。
【００３１】
本願の第３のポイントは、Ａｌ系金属層のプラズマエッチング終了後、被エッチング基板を加熱しながら、Ｆ系ガスを含むガスによりプラズマ処理を施し、アフターコロージョンの防止を徹底する点にある。このプラズマ処理により、プラズマエッチング後のＡｌ系金属配線に付着または近傍に残留している塩素がフッ素に置換される。またプラズマの輻射熱や基板ステージからの加熱により、側壁保護膜中に結合ないしは吸蔵されている塩素が脱離される。したがって、基本的に側壁保護膜の堆積量が少ないプラズマエッチングプロセスの採用と相俟って、Ａｌ系金属配線のアフターコロージョンを完全に防止することが可能となる。
【００３２】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき、図面を参照して説明する。
【００３３】
実施例１
本実施例は、バリアメタル層、Ａｌ系金属層および反射防止層がこの順に積層されたＡｌ系多層膜を、ＣＳ2 を含むエッチングガスを用いてプラズマエッチングした例であり、このプロセスを図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００３４】
まず図１（ａ）に示すように、ＳｉＯ2 からなる層間絶縁膜１上にＴｉ層２、ＴｉＮ層３からなるバリアメタル層４、Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％ＣｕからなるＡｌ系金属層５、ＴｉＯＮ層からなる反射防止層６を順次スパッタリング等により形成し、さらにレジストマスク８がパターニングされた被エッチング基板を準備する。
ここで各層の厚さは一例としてＴｉ層２が３０ｎｍ、ＴｉＮ層３が７０ｎｍ、Ａｌ系金属層５が４００ｎｍそして反射防止層６が１００ｎｍであり、これらの各層でＡｌ系多層膜７を構成している。またレジストマスク８は、化学増幅型レジストとＫｒＦエキシマレーザリソグラフィにより、０．２５ｎｍ幅にパターニングしたものである。
【００３５】
この被エッチング基板を基板バイアス印加型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Ａｌ系金属層を含むＡｌ系多層膜のプラズマエッチングする。
ＣＳ2 ３０ ｓｃｃｍ
Ｃｌ2 ４０ ｓｃｃｍ
ＢＣｌ3 ８０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー ３０ Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度 常温
本プラズマエッチング条件におけるＲＦバイアスパワーは、通常のエッチング条件より低減されたものである。このプラズマエッチング工程においては、ＥＣＲプラズマ中でＣｌ2 とＢＣｌ3 から生成するＣｌ* を主エッチング種とするラジカル反応が、Ｃｌx + やＢＣｌx + イオンの入射エネルギにアシストされる機構でエッチングが進行し、Ａｌ系多層膜７は反応生成物ＡｌＣｌx 、ＴｉＣｌx の形で除去された。これと同時に、レジストマスク８の分解生成物に由来するＣＣｌx が生成し、ＣＳ2 から解離生成した遊離のＣやＳが構造中に取り込まれたカーボンリッチで強固な炭素系ポリマが被エッチング基板上に堆積する。この炭素系ポリマは生成量そのものは従来プロセスより多くはないが、パターン側面に堆積して薄い側壁保護膜９を形成し、高いエッチング耐性を示して異方性加工に寄与し、良好な異方性形状を有するＡｌ系金属配線が形成された。Ａｌ系金属層５のエッチングレートは１．０μｍ／分、対レジストマスク選択比は約４であった。エッチング終了後の状態を図１（ｂ）に示す。
【００３６】
この後、被エッチング基板をエッチング装置に付属のプラズマアッシング装置に搬送し、常法に準拠してＯ2 プラズマアッシングを施し、レジストマスク８と側壁保護膜９を除去した。アッシング終了後のＡｌ系金属配線の状態を図１（ｃ）に示す。
【００３７】
本実施例によれば、Ａｌ系金属層を硫化炭素化合物を含むエッチングガスでプラズマエッチングすることにより、強固な側壁保護膜が形成され、ＲＦバイアスパワーの低減にもかかわらず、異方性形状が得られる。また側壁保護膜内の残留塩素の低減と、下地層間絶縁膜のスパッタリングによる再付着物が防止されることにより、アフターコロージョンは効果的に抑制される。また炭素系ポリマの生成量が少ないので、被エッチング基板の処理枚数を重ねてもチャンバ内のパーティクルレベルが悪化することがない。
【００３８】
実施例２
本実施例は、実施例１と同じＡｌ系多層膜をＣＳ2 とＮ2 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てプラズマエッチングした例であり、このプロセスを同じく図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。
【００３９】
図１（ａ）に示す被エッチング基板は、前実施例と同様の構成であるので、重複する説明を省略する。この被エッチング基板を基板バイアス印加型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Ａｌ系金属層を含むＡｌ系多層膜のプラズマエッチングする。この基板ステージは、エッチング装置に付属のチラーからエタノール系冷媒を循環することにより被エッチング基板を冷却することができるものである。
ＣＳ2 ３０ ｓｃｃｍ
Ｃｌ2 ６０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ３０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー １５ Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度 ０ ℃
本プラズマエッチング条件におけるＲＦバイアスパワーは、実施例１のエッチング条件におけるＲＦバイアスパワーよりさらに低減されたものである。このプラズマエッチング工程においては、塩素含有量の少ない炭素系ポリマの他に、ポリチアジルが被エッチング基板上に堆積し、強固な側壁保護膜９を形成する。この側壁保護膜９は、高いエッチング耐性を示して異方性加工に寄与し、良好な異方性形状を有するＡｌ系金属配線が形成された。Ａｌ系金属層５のエッチングレートは０．９μｍ／分となったが、対レジストマスク選択比は約６に向上した。エッチング終了後の状態を図１（ｂ）に示す。
【００４０】
この後、被エッチング基板をエッチング装置に付属のプラズマアッシング装置の搬送し、常法に準拠してＯ2 プラズマアッシングを施し、レジストマスク８と側壁保護膜９を除去した。アッシング終了後の状態を図１（ｃ）に示す。
【００４１】
本実施例によれば、Ａｌ系金属層を硫化炭素化合物とＮ系ガスとを含むエッチングガスでプラズマエッチングすることにより、ポリチアジルを含む強固な側壁保護膜が形成され、ＲＦバイアスパワーの一層の低減にもかかわらず、良好な異方性形状が得られる。レジストマスクのエッジの後退もなく、パターン変換差は認められなかった。またポリチアジルの堆積分だけ、炭素系ポリマの堆積を減少でき、この分側壁保護膜内の残留塩素の低減が図れたこと、および下地層間絶縁膜のスパッタリングによる再付着物が一層減少したことにより、アフターコロージョンは大幅に抑制される。また炭素系ポリマの生成量が極めて少ないので、被エッチング基板の処理枚数を重ねても、チャンバ内のパーティクルレベルが悪化することがない。
【００４２】
実施例３
本実施例は、Ａｌ系多層膜を実施例２と同じＣＳ2 とＮ2 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てプラズマエッチングした後、Ｆ系ガスを含むガスでプラズマ処理を施した例であり、このプロセスを図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
【００４３】
図２（ａ）に示す被エッチング基板は、前実施例における図１（ａ）と同様の構成であるので、重複する説明を省略する。この被エッチング基板を基板バイアス印加型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Ａｌ系金属層を含むＡｌ系多層膜のプラズマエッチングする。この基板ステージも、エッチング装置に付属のチラーからエタノール系冷媒を循環することにより被エッチング基板を冷却することができるものである。
ＣＳ2 ２０ ｓｃｃｍ
ＢＣｌ3 ８０ ｓｃｃｍ
Ｎ2 ２０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 ２ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー １５ Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度 １０ ℃
本プラズマエッチング工程におけるエッチングの機構は、前実施例２のエッチング機構に準拠するものである。エッチング終了後の状態を図１（ｂ）に示す。
【００４４】
この後、被エッチング基板をエッチング装置に付属のプラズマアッシング装置の搬送し、一例として下記条件でプラズマ処理を施した。
ＣＦ4 １００ ｓｃｃｍ
Ｏ2 ５０ ｓｃｃｍ
ガス圧力 １０ Ｐａ
マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ
被エッチング基板温度 １００ ℃
本プラズマ処理により、炭素系ポリマとポリチアジルを含む側壁保護膜９は速やかに除去される。この除去の機構は、炭素系ポリマに関してはＯ* による酸化燃焼および含有塩素のフッ素置換による蒸気圧の上昇等であり、ポリチアジルに関しては被エッチング基板加熱による昇華およびＯ* による酸化燃焼等である。なお、このプラズマ処理によりレジストマスク８に吸蔵ないしは結合して残留していた塩素もフッ素に置換される。この状態を図１（ｃ）に示す。
【００４５】
続けて、同じアッシング装置内で常法に準拠してＯ2 プラズマアッシングを施し、レジストマスク８を除去したところ、アッシング残渣のない良好なＡｌ系金属配線が形成された。アッシング終了後の状態を図１（ｄ）に示す。
【００４６】
本実施例によれば、実施例２の効果に加え、特にアフターコロージョン低減の効果が徹底される。図１（ｄ）の状態のＡｌ系金属配線を、パシベーション膜なしに大気中に放置したところ、７２時間後にもアフターコロージョンの発生は認められなかった。
【００４７】
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。製造プロセス条件の数値や構成材料等も、好ましい一例を例示したものであり、各種の変更が可能である。
【００４８】
例えば、Ａｌ系金属層としてＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕを例示したが、Ａｌ−ＳｉやＡｌ−Ｔｉ合金や純Ａｌであってもよい。Ａｌ系多層膜を構成するバリアメタル層や反射防止膜の構成も、上記構成に限定されることはない。近年各種マイグレーション対策とし採用されているＡｌ／Ｗ積層配線に適用してもよい。
【００４９】
硫化炭素または硫化炭素系化合物として、ＣＳ2の他にＣ3Ｓ2も使用できる。Ｃ3Ｓ2はＣＳ2より蒸気圧が小さいので、バブラを加熱しながらＨｅ等でバブリングして用いればよい。エッチングチャンバへの導入配管中での露結を防止するため、配管加熱は必要である。
【００５０】
Ｆ系ガスとしては実施例で例示したＣＦ4 の他にＣ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 等他の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。
【００５１】
さらに、使用するエッチング装置、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。
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のＡｌ系金属配線の形成方法によれば、側壁保護膜の強化により、薄い側壁保護膜であっても異方性形状、エッチング選択比、低パーティクル汚染および低アフターコロージョンの諸要求を同時に満たす形成方法が可能となる。
すなわち、請求項１の発明によれば、カーボンリッチな炭素系ポリマを側壁保護膜に採用することにより、側壁保護膜の膜質を強化し、上記効果を得ることが可能となる。
また請求項４、５の発明によれば、カーボンリッチな炭素系ポリマに加え、ポリチアジルをも側壁保護膜として利用できるので、上記効果を徹底できる。
さらに、請求項６の発明によれば、上記効果に加え、特にアフターコロージョンの低減に卓越した効果がある。
【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２の工程を説明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上にバリアメタル層、Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを形状した状態、（ｂ）は側壁保護膜を形成しつつＡｌ系金属配線をパターニングした状態、（ｃ）はレジストマスクおよび側壁保護膜をアッシング除去した状態である。
【図２】本発明を適用した実施例３の工程を説明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上にバリアメタル層、Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを形状した状態、（ｂ）は側壁保護膜を形成しつつＡｌ系金属配線をパターニングした状態、（ｃ）はプラズマ処理を施した状態、そして（ｄ）はレジストマスクをアッシング除去した状態である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ Ｔｉ層
３ ＴｉＮ層
４ バリアメタル層
５ Ａｌ系金属層
６ 反射防止層
７ Ａｌ系多層膜
８ レジストマスク
９ 側壁保護膜
Claims (6)
- 下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、
エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に、側壁保護膜に寄与する炭素系ポリマ強化用の化合物としてＣＳ2およびＣ3Ｓ2のうちの少なくとも１種からなる硫化炭素を添加して、
前記Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とする、Ａｌ系金属配線の形成方法。 - 下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、
エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に側壁保護膜に寄与する炭素系ポリマ強化用の化合物として硫化炭素を添加し、前記Ｃｌ系ガスと前記硫化炭素の流量比を４：１として、
前記Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とする、Ａｌ系金属配線の形成方法。 - 前記Ｃｌ系ガスはＢＣｌ3を含むことを特徴とする請求項１または２記載のＡｌ系金属配線の形成方法。
- 下地材料層上に形成されたＡｌ系金属層を、レジストマスクをマスクにしてプラズマエッチングするＡｌ系金属配線の形成方法において、
エッチングガスにＣｌ系ガスを用いるとともに、このエッチングガス中に硫化炭素とＮ系ガスとを添加して、
被エッチング基板を室温以下に制御しつつ、
前記Ａｌ系金属層をプラズマエッチングすることを特徴とする、Ａｌ系金属配線の形成方法。 - 前記硫化炭素は、ＣＳ 2 およびＣ 3 Ｓ 2 のうちの少なくとも１種からなることを特徴とする、請求項４記載のＡｌ系金属配線の形成方法。
- プラズマエッチング終了後、
被エッチング基板を加熱しつつ、
Ｆ系ガスを含むガスによるプラズマ処理を施すことを特徴とする、請求項１、２または４記載のＡｌ系金属配線の形成方法。
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| JP10530595A JP3746314B2 (ja) | 1995-04-28 | 1995-04-28 | Ａｌ系金属配線の形成方法 |
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