JP3769936B2 - ドライエッチング方法および装置内部の洗浄方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｔｉ−Ｗ系高融点金属等のチタン（Ｔｉ）を含有する高融点金属を加工する際のドライエッチング方法、および装置内部の洗浄方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平１０−５６００７号公報のようにＣｒＳｉ系薄膜を抵抗体として用い、その上にバリアメタルとしてＴｉＷを用いた半導体装置が知られており、この半導体装置の製造の際には、半導体基板上にＣｒＳｉ系薄膜とＴｉＷ薄膜を順に堆積した後にＴｉＷ薄膜およびＣｒＳｉ系薄膜を所望の形状にパターニングする。このとき、微細化、高精度化の要求に伴い、ＴｉＷのドライエッチングの必要性が高まってきている。ＴｉＷ系高融点金属をドライエッチングにてエッチングする場合、Ｔｉは、一般に塩素（Ｃｌ）を含むガス（Ｃ１2 等）で、Ｗはフッ素（Ｆ）を含むガス（ＣＦ4 等）で、エッチングできることが知られており、エッチングガスとして塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用いることが考えられるが、塩素系ガスは、腐食性、毒性が強く、環境汚染や、取り扱い・管理面で使用が好ましくない。
【０００３】
また、単純なフッ素系ガスのエッチング（一般にＣＦ4 −Ｏ2 系が使われる）では、Ｔｉが安定してエッチングされず、エッチング速度のばらつきが大きくなるという問題点が発生する。
【０００４】
また、ＴｉＷのエッチングは、室温では、ＣＦ4 −Ｏ2 系ガスでは殆どエッチングが進まない。しかし、温度依存性が大きいため、基板を加熱して温度を上げてやるとエッチングが進むようになる。ところが、エッチングによって生じた生成物は、反応室内を移動中に温度が下がり、固化して反応室の壁面等に付着し、累積エッチング処理枚数の増加に伴いエッチングレートが低下するという問題が発生する。特に、ＣｒＳｉのドライエッチングは極めて大きな影響を受ける（１０分の１以下になる）ことが発明者らの調査から分かった。そのため、ＴｉＷとＣｒＳｉを同一の装置を用いて連続してドライエッチングする場合には、予め決められた枚数を処理する毎に、この付着物を取り除く必要がある。そのために、反応室を大気解放し、アルコールや過酸化水素を含む溶液にてウェットクリーニングしなければならず、設備の稼働率が著しく低下するという問題があった。なお、前述の反応室の壁面等への付着物は反応種の活性を弱める働きをして、累積エッチング処理枚数の増加に伴いエッチングレートが低下するものと思われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、安定した処理を行うことができるドライエッチング方法および装置内部の洗浄方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のドライエッチング方法は、チタンを含有する高融点金属をドライエッチングにて加工する際に、エッチングガスとして、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることとし、その組成比を「ＣＦ 4 ：Ｏ 2 ：Ｎ 2 ＝１：２：７」としたことを特徴としている。よって、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることにより、安定したエッチングが行われる。
【０００８】
請求項２に記載の装置内部の洗浄方法は、チタンを含有する高融点金属を処理する装置における内部の洗浄の際に、洗浄ガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いて装置内部に付着したチタン含有高融点金属を除去するようにしたことを特徴としている。よって、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることにより、安定した装置内部の洗浄が行われる。
【０００９】
ここで、請求項３に記載のように前記処理装置を、半導体基板上のＣｒＳｉ系薄膜及びその上のチタンを含有する高融点金属に対し連続してドライエッチングを行うものとすると、実用上好ましいものとなる。
【００１０】
また、請求項４に記載のように、前記チタンを含有する高融点金属のエッチングを、半導体基板を加熱しながら行う装置に適用すると、実用上好ましいものとなる。
【００１１】
請求項５に記載の装置内部の洗浄方法は、チタンおよびタングステンを含有する高融点金属を処理する装置における内部の洗浄の際に、洗浄ガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いて装置内部に付着したチタン・タングステン含有高融点金属を除去するようにしたことを特徴としている。よって、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることにより、安定した装置内部の洗浄が行われる。
【００１２】
ここで、請求項６に記載のように前記処理装置を、半導体基板上のＣｒＳｉ系薄膜と、その上のチタンおよびタングステンを含有する高融点金属に対し連続してドライエッチングを行うものとすると、実用上好ましいものとなる。
【００１３】
また、請求項７に記載のように、前記チタンおよびタングステンを含有する高融点金属のエッチングを、半導体基板を加熱しながら行う装置に適用すると、実用上好ましいものとなる。
また、請求項８に記載では、前記ドライエッチングを、反応種としてラジカルを用いたケミカルドライエッチングとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施の形態における半導体装置の断面図を示す。この半導体装置は、バイポーラトランジスタおよびＣｒＳｉ系薄膜からなる薄膜抵抗体３を具備している。
【００１５】
すなわち、半導体基板（シリコン基板）１上に絶縁膜２が形成され、絶縁膜２の上に薄膜抵抗体としてのＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３が配置されている。さらに、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３における図中の左右両端部にはバリアメタルとしてのＴｉＷ薄膜４ａ，４ｂを介してアルミ配線７ａ，７ｂが接続されている。つまり、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３の上に、Ｔｉを含有する高融点金属であるＴｉＷ薄膜４ａ，４ｂが配設され、その上にアルミ配線７ａ，７ｂが配設されている。
【００１６】
次に、このように構成した半導体装置の製造方法を、図２〜図８を用いて説明する。
まず、図２に示すように、半導体基板（シリコン基板）１に通常の方法によって半導体素子（バイポーラトランジスタ）を形成する。その後、半導体基板１の表面に絶縁膜としての酸化膜（ＢＰＳＧ等）２を形成する。
【００１７】
さらに、図３に示すように、酸化膜２の上に、Ｃｒ−Ｓｉからなるターゲットを用いて、Ｎ2 ガスを含む雰囲気中（Ａｒ−Ｎ2 等）でスパッタリング法により、厚さ約１５ｎｍのＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３を形成する。
【００１８】
その後、図４に示すように、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３上に、Ｔｉ−Ｗ（１０ｗｔ％Ｔｉ）ターゲットを用いて、Ａｒガス中でスパッタリング法により、厚さ約１５０ｎｍのＴｉＷ薄膜４を形成する。
【００１９】
さらに、図５に示すように、ホトリソグラフィー技術を用いて、ＴｉＷ薄膜４上に所望のホトレジストパターン５を形成する。そして、ＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー）を用いて、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスをエッチングガスとし、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ガス流量をそれぞれ４０−８０−２８０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー６００Ｗ、基板加熱なし、の条件でＴｉＷ薄膜４をドライエッチングする。
【００２０】
引き続き、同一のＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー）を使用し、図６に示すように、ＣＦ4 −Ｏ2 系のガスを用いて、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３をドライエッチングする。そして、Ｏ2 プラズマアッシング及び有機洗浄によりホトレジスト５を除去する。
【００２１】
次に、図７に示すように、半導体基板１上の絶縁膜２にコンタクトホール６をパターニングする。さらにその上にアルミ配線７ａ，７ｂを含むアルミ配線７を、レジスト８を用いてパターニングする。
【００２２】
さらに、図８に示すように、レジスト８を用いて、パターン化したＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３上のＴｉＷ薄膜４の不要部分をウェットエッチングにより除去し、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３の抵抗パターンを完成する。ここで、エッチング液には、過酸化水素を含むエッチング液（典型的には、容量比で３１％過酸化水素：２９％アンモニア水溶液＝１００：５）が用いられる。
【００２３】
そして、以降、通常の工程により、図１に示すように、層間絶縁膜９、ビアホール１０、２層目のアルミ配線パターン１１、保護膜１２を順次形成する。
以下、ＴｉＷ薄膜４のドライエッチングの際にエッチングガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを使用した場合（ガス流量ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ＝４０−８０−２８０ｓｃｃｍとした場合）の効果に関し、各種の実験を行ったので説明する。
【００２４】
ＣＤＥ（ケミカルドライエッチング）は、ラジカルによる化学反応を主体として、エッチングが進行するものであるから、被エッチング物が、ＴｉＷのように、複数の不揮発性元素からなる場合、それぞれの元素をエッチングするようなガス系と、組成比にあったガス流量比を設定することが望ましい。Ｗは、ＣＦ4 ガスのみ、または、ＣＦ4 −Ｏ2 系ガスで十分なエッチング速度が得られるが、Ｔｉは、ＣＦ4 ガスのみでもＣＦ4 −Ｏ2 系ガスでも十分なエッチング速度が得られない。これは、反応生成物と思われるＴｉＦ4 やＴｉＯの蒸気圧が低すぎるためと考えられる。
【００２５】
つまり、表１，２に示すように、ＣＦ4 −Ｏ2 系およびＣＦ4 −Ｎ2 系ガスにおける混合比を変えた場合での、エッチング開始から１２０秒後のＴｉＷ薄膜のシート抵抗ρs の変化量（％）およびエッチングの進行状態を測定すると、ＣＦ4 −Ｏ2 系、ＣＦ4 −Ｎ2 系ではガス混合比を変えてもエッチングは進行しないことが分かった。
【００２６】
【表１】
【００２７】
【表２】
ところが、ＣＦ4 −Ｏ2 系ガスにＮ2 を導入したＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを使用すると、エッチング反応が進むようになる。これは、反応生成物はＮを含む化合物になり、そのため、蒸気圧が比較的高くなり、エッチング反応が進むようになるものと推測される。
【００２８】
そのことを確認すべく行った実験結果を図９に示す。この測定は、ケミカルドライエッチング装置を用いて、ＣＦ4 の流量を４０ｓｃｃｍ、パワーを６００Ｗとし、基板を加熱することなく、ＣＦ4 ガス流量を固定し、Ｏ2 とＮ2 の流量比を変えた場合におけるエッチング開始から３分後のＴｉＷ薄膜のシート抵抗ρs の変化量、発光色、エッチングの進行状態を調べたものである。具体的には、Ｏ2 とＮ2 の流量の比は、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝３６０ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍ、２２０ｓｃｃｍ／１４０ｓｃｃｍ、１８０ｓｃｃｍ／１８０ｓｃｃｍ、１４０ｓｃｃｍ／２２０ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ／３２０ｓｃｃｍ、０ｓｃｃｍ／３６０ｓｃｃｍの７種類である。
【００２９】
なお、使用設備として芝浦製作所製ＣＤＥ−７（ケミカルドライエッチング装置）を用い、この装置は加熱なしでエッチングが行われるものである。
図９から、ＣＦ4 ガス流量を固定し、Ｏ2 とＮ2 の流量比を変えていくと、エッチングが途中で停止することなく継続して行えるのはＯ2 ／Ｎ2 ＝８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍであった。つまり、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝３６０ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍ〜１４０ｓｃｃｍ／２２０ｓｃｃｍではエッチングが停止し、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝４０ｓｃｃｍ／３２０ｓｃｃｍではエッチングが途中で停止し、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝０ｓｃｃｍ／３６０ｓｃｃｍではエッチングが進行しなかった。さらに、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍのシート抵抗ρs の変化率は大きく、安定したエッチングが可能となる。よって、上述した製造工程では、この条件（ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ガス流量をそれぞれ４０−８０−２８０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー６００Ｗ、基板加熱なし）でＴｉＷ薄膜をドライエッチングしている。
【００３０】
また、ドライエッチング時の発光色の観察を行うと、Ｏ2 リッチ側でＷのエッチングに起因すると思われる黄色の発光が、Ｎ2 リッチ側でＴｉのエッチングに起因すると思われる紫色の発光が現れ、前述の最適混合比（Ｏ2 ／Ｎ2 ＝８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍ）付近で、両方の中間色（青〜緑）の発光が観察された。
【００３１】
このようにＮ2 を導入するとエッチング反応が進むことが、金属元素に由来するエッチング時の発光色を観察した結果からも推定できる（Ｗ元素の反応色は黄色、Ｔｉ元素の反応色は紫）。
【００３２】
このことから、ＴｉＷのエッチングメカニズムおよびＯ2 、Ｎ2 の働きとして、次のように推定することができる。Ｏ2 がＷのエッチングを助け、Ｎ2 がＴｉのエッチングを助けており、ＷとＴｉのエッチレートが均衡するガス比となった時に、全体としてのエッチレートが最大となり、安定したエッチングが可能となる。
【００３３】
なお、各構成元素のエッチング速度の温度依存性は同一とは限らないため、温度によって、Ｎ2 ／Ｏ2 のガス流量比の最適値は変わる。
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
【００３４】
ＴｉＷ薄膜４（チタンを含有する高融点金属）をドライエッチングにて加工する際に、エッチングガスとして、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いたので、安定したエッチングが可能となる。
【００３５】
つまり、ＣＦ4 系ガスを用いたＴｉＷのドライエッチングでは、エッチングされた物質が再デポしやすいとか、途中でエッチングがストップしてしまうという問題が発生しやすいが、これが回避できる。また、エッチングガスとして、腐食性ガスである塩素系ガスを用いておらず、毒性もなく扱いやすものとなっている。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３６】
本実施の形態では、第１の実施の形態における図５でのＴｉＷ薄膜４のドライエッチングとして以下の方法を用いており、他は同じである。
ＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー、芝浦製作所製ＣＤＥ−７−４）を用いて、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ガス流量をそれぞれ４０−８０−２８０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー６００Ｗ、基板温度１００℃、の条件でＴｉＷ薄膜４をドライエッチングしている。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３７】
本実施の形態では、第１の実施の形態における図５でのＴｉＷ薄膜４のドライエッチングとして以下の方法を用いており、他は同じである。
ＣＤＥ（（株）キャノン製ＭＡＳ−１８００）を用いて、ＣＦ4 −Ｏ2 ガス流量をそれぞれ３３−１７ｓｃｃｍ、圧力０．３Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワー１０００Ｗ、基板温度１００℃、の条件でＴｉＷ薄膜４をドライエッチングする。
【００３８】
エッチング終了後、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガス流量をそれぞれ１０−２０−７０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー１０００Ｗ、の条件で装置内部に付着したＴｉＷを除去する。この反応室内のドライクリーニングにより、装置の内部が洗浄される。
【００３９】
引き続き、同一のＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー）を使用し、図６に示すように、ＣＦ4 −Ｏ2 系のガスを用いて、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３がドライエッチングされる。
【００４０】
このようにケミカルドライエッチャーの反応室を大気解放することなくドライクリーニングによって安定して付着生成物が除去でき、設備の稼働率を上げることができる。
【００４１】
つまり、ＣＦ4 −Ｏ2 系ガスを用いたＴｉＷのエッチングの際に室温では殆どエッチングが進まないが半導体基板１を加熱して温度を上げることによりエッチングが進む。このとき、エッチングによって生じた生成物は、反応室内を移動中に温度が下がり、固化して反応室の壁面等に付着しＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３のエッチングレートを低下させるが、基板１を１〜２５枚程度処理する毎に、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いたドライクリーニングにて、この付着生成物が除去される。よって、反応室を大気解放しアルコールや過酸化水素を含む溶液にてウェットクリーニングする場合には設備の稼働率が著しく低下するが、これに比べて本例では、反応室を大気解放することなくドライクリーニングによって付着生成物が除去でき設備の稼働率を上げることができる。
【００４２】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（イ）ＴｉＷ薄膜４（チタンを含有する高融点金属）のドライエッチング装置における内部を洗浄する際に、洗浄ガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いて装置内部に付着したＴｉＷを除去するようにしたので、安定したドライエッチング装置の内部の洗浄を行うことができる。
（ロ）より詳しくは、ドライエッチング装置は、半導体基板１上のＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３（ＣｒＳｉ系薄膜）及びその上のＴｉＷ薄膜４に対し連続してドライエッチングを行うものであり、このＴｉＷ薄膜４のエッチングは、半導体基板１を加熱しながら行うものであり、この場合においては付着物のＴｉＷがＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３のエッチングレートを低下させるが、このＴｉＷを安定して除去することができ、実用上好ましいものとなる。
【００４３】
なお、本方式によるドライクリーニングはドライエッチング装置の他にもＣＶＤデポ装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態における半導体装置の断面図。
【図２】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図３】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図４】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図５】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図６】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図７】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図８】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図９】 Ｏ2 とＮ2 の流量比を変えた場合における各種の測定結果を示す図。
【符号の説明】
１…半導体基板、３…Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜、４…ＴｉＷ薄膜。
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｔｉ−Ｗ系高融点金属等のチタン（Ｔｉ）を含有する高融点金属を加工する際のドライエッチング方法、および装置内部の洗浄方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平１０−５６００７号公報のようにＣｒＳｉ系薄膜を抵抗体として用い、その上にバリアメタルとしてＴｉＷを用いた半導体装置が知られており、この半導体装置の製造の際には、半導体基板上にＣｒＳｉ系薄膜とＴｉＷ薄膜を順に堆積した後にＴｉＷ薄膜およびＣｒＳｉ系薄膜を所望の形状にパターニングする。このとき、微細化、高精度化の要求に伴い、ＴｉＷのドライエッチングの必要性が高まってきている。ＴｉＷ系高融点金属をドライエッチングにてエッチングする場合、Ｔｉは、一般に塩素（Ｃｌ）を含むガス（Ｃ１2 等）で、Ｗはフッ素（Ｆ）を含むガス（ＣＦ4 等）で、エッチングできることが知られており、エッチングガスとして塩素系ガスとフッ素系ガスの混合ガスを用いることが考えられるが、塩素系ガスは、腐食性、毒性が強く、環境汚染や、取り扱い・管理面で使用が好ましくない。
【０００３】
また、単純なフッ素系ガスのエッチング（一般にＣＦ4 −Ｏ2 系が使われる）では、Ｔｉが安定してエッチングされず、エッチング速度のばらつきが大きくなるという問題点が発生する。
【０００４】
また、ＴｉＷのエッチングは、室温では、ＣＦ4 −Ｏ2 系ガスでは殆どエッチングが進まない。しかし、温度依存性が大きいため、基板を加熱して温度を上げてやるとエッチングが進むようになる。ところが、エッチングによって生じた生成物は、反応室内を移動中に温度が下がり、固化して反応室の壁面等に付着し、累積エッチング処理枚数の増加に伴いエッチングレートが低下するという問題が発生する。特に、ＣｒＳｉのドライエッチングは極めて大きな影響を受ける（１０分の１以下になる）ことが発明者らの調査から分かった。そのため、ＴｉＷとＣｒＳｉを同一の装置を用いて連続してドライエッチングする場合には、予め決められた枚数を処理する毎に、この付着物を取り除く必要がある。そのために、反応室を大気解放し、アルコールや過酸化水素を含む溶液にてウェットクリーニングしなければならず、設備の稼働率が著しく低下するという問題があった。なお、前述の反応室の壁面等への付着物は反応種の活性を弱める働きをして、累積エッチング処理枚数の増加に伴いエッチングレートが低下するものと思われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、安定した処理を行うことができるドライエッチング方法および装置内部の洗浄方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のドライエッチング方法は、チタンを含有する高融点金属をドライエッチングにて加工する際に、エッチングガスとして、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることとし、その組成比を「ＣＦ 4 ：Ｏ 2 ：Ｎ 2 ＝１：２：７」としたことを特徴としている。よって、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることにより、安定したエッチングが行われる。
【０００８】
請求項２に記載の装置内部の洗浄方法は、チタンを含有する高融点金属を処理する装置における内部の洗浄の際に、洗浄ガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いて装置内部に付着したチタン含有高融点金属を除去するようにしたことを特徴としている。よって、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることにより、安定した装置内部の洗浄が行われる。
【０００９】
ここで、請求項３に記載のように前記処理装置を、半導体基板上のＣｒＳｉ系薄膜及びその上のチタンを含有する高融点金属に対し連続してドライエッチングを行うものとすると、実用上好ましいものとなる。
【００１０】
また、請求項４に記載のように、前記チタンを含有する高融点金属のエッチングを、半導体基板を加熱しながら行う装置に適用すると、実用上好ましいものとなる。
【００１１】
請求項５に記載の装置内部の洗浄方法は、チタンおよびタングステンを含有する高融点金属を処理する装置における内部の洗浄の際に、洗浄ガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いて装置内部に付着したチタン・タングステン含有高融点金属を除去するようにしたことを特徴としている。よって、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることにより、安定した装置内部の洗浄が行われる。
【００１２】
ここで、請求項６に記載のように前記処理装置を、半導体基板上のＣｒＳｉ系薄膜と、その上のチタンおよびタングステンを含有する高融点金属に対し連続してドライエッチングを行うものとすると、実用上好ましいものとなる。
【００１３】
また、請求項７に記載のように、前記チタンおよびタングステンを含有する高融点金属のエッチングを、半導体基板を加熱しながら行う装置に適用すると、実用上好ましいものとなる。
また、請求項８に記載では、前記ドライエッチングを、反応種としてラジカルを用いたケミカルドライエッチングとする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施の形態における半導体装置の断面図を示す。この半導体装置は、バイポーラトランジスタおよびＣｒＳｉ系薄膜からなる薄膜抵抗体３を具備している。
【００１５】
すなわち、半導体基板（シリコン基板）１上に絶縁膜２が形成され、絶縁膜２の上に薄膜抵抗体としてのＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３が配置されている。さらに、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３における図中の左右両端部にはバリアメタルとしてのＴｉＷ薄膜４ａ，４ｂを介してアルミ配線７ａ，７ｂが接続されている。つまり、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３の上に、Ｔｉを含有する高融点金属であるＴｉＷ薄膜４ａ，４ｂが配設され、その上にアルミ配線７ａ，７ｂが配設されている。
【００１６】
次に、このように構成した半導体装置の製造方法を、図２〜図８を用いて説明する。
まず、図２に示すように、半導体基板（シリコン基板）１に通常の方法によって半導体素子（バイポーラトランジスタ）を形成する。その後、半導体基板１の表面に絶縁膜としての酸化膜（ＢＰＳＧ等）２を形成する。
【００１７】
さらに、図３に示すように、酸化膜２の上に、Ｃｒ−Ｓｉからなるターゲットを用いて、Ｎ2 ガスを含む雰囲気中（Ａｒ−Ｎ2 等）でスパッタリング法により、厚さ約１５ｎｍのＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３を形成する。
【００１８】
その後、図４に示すように、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３上に、Ｔｉ−Ｗ（１０ｗｔ％Ｔｉ）ターゲットを用いて、Ａｒガス中でスパッタリング法により、厚さ約１５０ｎｍのＴｉＷ薄膜４を形成する。
【００１９】
さらに、図５に示すように、ホトリソグラフィー技術を用いて、ＴｉＷ薄膜４上に所望のホトレジストパターン５を形成する。そして、ＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー）を用いて、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスをエッチングガスとし、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ガス流量をそれぞれ４０−８０−２８０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー６００Ｗ、基板加熱なし、の条件でＴｉＷ薄膜４をドライエッチングする。
【００２０】
引き続き、同一のＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー）を使用し、図６に示すように、ＣＦ4 −Ｏ2 系のガスを用いて、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３をドライエッチングする。そして、Ｏ2 プラズマアッシング及び有機洗浄によりホトレジスト５を除去する。
【００２１】
次に、図７に示すように、半導体基板１上の絶縁膜２にコンタクトホール６をパターニングする。さらにその上にアルミ配線７ａ，７ｂを含むアルミ配線７を、レジスト８を用いてパターニングする。
【００２２】
さらに、図８に示すように、レジスト８を用いて、パターン化したＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３上のＴｉＷ薄膜４の不要部分をウェットエッチングにより除去し、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３の抵抗パターンを完成する。ここで、エッチング液には、過酸化水素を含むエッチング液（典型的には、容量比で３１％過酸化水素：２９％アンモニア水溶液＝１００：５）が用いられる。
【００２３】
そして、以降、通常の工程により、図１に示すように、層間絶縁膜９、ビアホール１０、２層目のアルミ配線パターン１１、保護膜１２を順次形成する。
以下、ＴｉＷ薄膜４のドライエッチングの際にエッチングガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを使用した場合（ガス流量ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ＝４０−８０−２８０ｓｃｃｍとした場合）の効果に関し、各種の実験を行ったので説明する。
【００２４】
ＣＤＥ（ケミカルドライエッチング）は、ラジカルによる化学反応を主体として、エッチングが進行するものであるから、被エッチング物が、ＴｉＷのように、複数の不揮発性元素からなる場合、それぞれの元素をエッチングするようなガス系と、組成比にあったガス流量比を設定することが望ましい。Ｗは、ＣＦ4 ガスのみ、または、ＣＦ4 −Ｏ2 系ガスで十分なエッチング速度が得られるが、Ｔｉは、ＣＦ4 ガスのみでもＣＦ4 −Ｏ2 系ガスでも十分なエッチング速度が得られない。これは、反応生成物と思われるＴｉＦ4 やＴｉＯの蒸気圧が低すぎるためと考えられる。
【００２５】
つまり、表１，２に示すように、ＣＦ4 −Ｏ2 系およびＣＦ4 −Ｎ2 系ガスにおける混合比を変えた場合での、エッチング開始から１２０秒後のＴｉＷ薄膜のシート抵抗ρs の変化量（％）およびエッチングの進行状態を測定すると、ＣＦ4 −Ｏ2 系、ＣＦ4 −Ｎ2 系ではガス混合比を変えてもエッチングは進行しないことが分かった。
【００２６】
【表１】
【表２】
【００２８】
そのことを確認すべく行った実験結果を図９に示す。この測定は、ケミカルドライエッチング装置を用いて、ＣＦ4 の流量を４０ｓｃｃｍ、パワーを６００Ｗとし、基板を加熱することなく、ＣＦ4 ガス流量を固定し、Ｏ2 とＮ2 の流量比を変えた場合におけるエッチング開始から３分後のＴｉＷ薄膜のシート抵抗ρs の変化量、発光色、エッチングの進行状態を調べたものである。具体的には、Ｏ2 とＮ2 の流量の比は、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝３６０ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍ、２２０ｓｃｃｍ／１４０ｓｃｃｍ、１８０ｓｃｃｍ／１８０ｓｃｃｍ、１４０ｓｃｃｍ／２２０ｓｃｃｍ、８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ／３２０ｓｃｃｍ、０ｓｃｃｍ／３６０ｓｃｃｍの７種類である。
【００２９】
なお、使用設備として芝浦製作所製ＣＤＥ−７（ケミカルドライエッチング装置）を用い、この装置は加熱なしでエッチングが行われるものである。
図９から、ＣＦ4 ガス流量を固定し、Ｏ2 とＮ2 の流量比を変えていくと、エッチングが途中で停止することなく継続して行えるのはＯ2 ／Ｎ2 ＝８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍであった。つまり、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝３６０ｓｃｃｍ／０ｓｃｃｍ〜１４０ｓｃｃｍ／２２０ｓｃｃｍではエッチングが停止し、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝４０ｓｃｃｍ／３２０ｓｃｃｍではエッチングが途中で停止し、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝０ｓｃｃｍ／３６０ｓｃｃｍではエッチングが進行しなかった。さらに、Ｏ2 ／Ｎ2 ＝８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍのシート抵抗ρs の変化率は大きく、安定したエッチングが可能となる。よって、上述した製造工程では、この条件（ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ガス流量をそれぞれ４０−８０−２８０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー６００Ｗ、基板加熱なし）でＴｉＷ薄膜をドライエッチングしている。
【００３０】
また、ドライエッチング時の発光色の観察を行うと、Ｏ2 リッチ側でＷのエッチングに起因すると思われる黄色の発光が、Ｎ2 リッチ側でＴｉのエッチングに起因すると思われる紫色の発光が現れ、前述の最適混合比（Ｏ2 ／Ｎ2 ＝８０ｓｃｃｍ／２８０ｓｃｃｍ）付近で、両方の中間色（青〜緑）の発光が観察された。
【００３１】
このようにＮ2 を導入するとエッチング反応が進むことが、金属元素に由来するエッチング時の発光色を観察した結果からも推定できる（Ｗ元素の反応色は黄色、Ｔｉ元素の反応色は紫）。
【００３２】
このことから、ＴｉＷのエッチングメカニズムおよびＯ2 、Ｎ2 の働きとして、次のように推定することができる。Ｏ2 がＷのエッチングを助け、Ｎ2 がＴｉのエッチングを助けており、ＷとＴｉのエッチレートが均衡するガス比となった時に、全体としてのエッチレートが最大となり、安定したエッチングが可能となる。
【００３３】
なお、各構成元素のエッチング速度の温度依存性は同一とは限らないため、温度によって、Ｎ2 ／Ｏ2 のガス流量比の最適値は変わる。
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
【００３４】
ＴｉＷ薄膜４（チタンを含有する高融点金属）をドライエッチングにて加工する際に、エッチングガスとして、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いたので、安定したエッチングが可能となる。
【００３５】
つまり、ＣＦ4 系ガスを用いたＴｉＷのドライエッチングでは、エッチングされた物質が再デポしやすいとか、途中でエッチングがストップしてしまうという問題が発生しやすいが、これが回避できる。また、エッチングガスとして、腐食性ガスである塩素系ガスを用いておらず、毒性もなく扱いやすものとなっている。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３６】
本実施の形態では、第１の実施の形態における図５でのＴｉＷ薄膜４のドライエッチングとして以下の方法を用いており、他は同じである。
ＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー、芝浦製作所製ＣＤＥ−７−４）を用いて、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 ガス流量をそれぞれ４０−８０−２８０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー６００Ｗ、基板温度１００℃、の条件でＴｉＷ薄膜４をドライエッチングしている。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００３７】
本実施の形態では、第１の実施の形態における図５でのＴｉＷ薄膜４のドライエッチングとして以下の方法を用いており、他は同じである。
ＣＤＥ（（株）キャノン製ＭＡＳ−１８００）を用いて、ＣＦ4 −Ｏ2 ガス流量をそれぞれ３３−１７ｓｃｃｍ、圧力０．３Ｔｏｒｒ、マイクロ波パワー１０００Ｗ、基板温度１００℃、の条件でＴｉＷ薄膜４をドライエッチングする。
【００３８】
エッチング終了後、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガス流量をそれぞれ１０−２０−７０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー１０００Ｗ、の条件で装置内部に付着したＴｉＷを除去する。この反応室内のドライクリーニングにより、装置の内部が洗浄される。
【００３９】
引き続き、同一のＣＤＥ（ケミカルドライエッチャー）を使用し、図６に示すように、ＣＦ4 −Ｏ2 系のガスを用いて、Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３がドライエッチングされる。
【００４０】
このようにケミカルドライエッチャーの反応室を大気解放することなくドライクリーニングによって安定して付着生成物が除去でき、設備の稼働率を上げることができる。
【００４１】
つまり、ＣＦ4 −Ｏ2 系ガスを用いたＴｉＷのエッチングの際に室温では殆どエッチングが進まないが半導体基板１を加熱して温度を上げることによりエッチングが進む。このとき、エッチングによって生じた生成物は、反応室内を移動中に温度が下がり、固化して反応室の壁面等に付着しＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３のエッチングレートを低下させるが、基板１を１〜２５枚程度処理する毎に、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いたドライクリーニングにて、この付着生成物が除去される。よって、反応室を大気解放しアルコールや過酸化水素を含む溶液にてウェットクリーニングする場合には設備の稼働率が著しく低下するが、これに比べて本例では、反応室を大気解放することなくドライクリーニングによって付着生成物が除去でき設備の稼働率を上げることができる。
【００４２】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（イ）ＴｉＷ薄膜４（チタンを含有する高融点金属）のドライエッチング装置における内部を洗浄する際に、洗浄ガスとしてＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いて装置内部に付着したＴｉＷを除去するようにしたので、安定したドライエッチング装置の内部の洗浄を行うことができる。
（ロ）より詳しくは、ドライエッチング装置は、半導体基板１上のＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３（ＣｒＳｉ系薄膜）及びその上のＴｉＷ薄膜４に対し連続してドライエッチングを行うものであり、このＴｉＷ薄膜４のエッチングは、半導体基板１を加熱しながら行うものであり、この場合においては付着物のＴｉＷがＣｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜３のエッチングレートを低下させるが、このＴｉＷを安定して除去することができ、実用上好ましいものとなる。
【００４３】
なお、本方式によるドライクリーニングはドライエッチング装置の他にもＣＶＤデポ装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態における半導体装置の断面図。
【図２】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図３】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図４】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図５】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図６】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図７】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図８】 半導体装置の製造プロセスを示す断面図。
【図９】 Ｏ2 とＮ2 の流量比を変えた場合における各種の測定結果を示す図。
【符号の説明】
１…半導体基板、３…Ｃｒ−Ｓｉ−Ｎ薄膜、４…ＴｉＷ薄膜。
Claims (8)
- チタンを含有する高融点金属をドライエッチングにて加工する方法であって、 エッチングガスとして、ＣＦ4 −Ｏ2 −Ｎ2 系ガスを用いることとし、その組成比を「ＣＦ4 ：Ｏ2 ：Ｎ2 ＝１：２：７」としたことを特徴とするドライエッチング方法。
- チタンを含有する高融点金属を処理する装置における内部の洗浄方法であって、
洗浄ガスとしてＣＦ 4 −Ｏ 2 −Ｎ 2 系ガスを用いて装置内部に付着したチタン含有高融点金属を除去するようにしたことを特徴とする装置内部の洗浄方法。 - 前記処理装置は、半導体基板上のＣｒＳｉ系薄膜及びその上のチタンを含有する高融点金属に対し連続してドライエッチングを行うものである請求項２に記載の装置内部の洗浄方法。
- 前記チタンを含有する高融点金属のエッチングは、半導体基板を加熱しながら行うものである請求項３に記載の装置内部の洗浄方法。
- チタンおよびタングステンを含有する高融点金属を処理する装置における内部の洗浄方法であって、
洗浄ガスとしてＣＦ 4 −Ｏ 2 −Ｎ 2 系ガスを用いて装置内部に付着したチタン・タングステン含有高融点金属を除去するようにしたことを特徴とする装置内部の洗浄方法。 - 前記処理装置は、半導体基板上のＣｒＳｉ系薄膜と、その上のチタンおよびタングステンを含有する高融点金属に対し連続してドライエッチングを行うものである請求項５に記載の装置内部の洗浄方法。
- 前記チタンおよびタングステンを含有する高融点金属のエッチングは、半導体基板を加熱しながら行うものである請求項６に記載の装置内部の洗浄方法。
- 前記ドライエッチングは、反応種としてラジカルを用いたケミカルドライエッチングである請求項１に記載のドライエッチング方法。
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