JP3941629B2 - 金属配線のエッチング方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の金属配線を作製する際の金属配線のエッチング方法に関し、特に下地バリアメタル層の上に、３μｍ以上の厚さのアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる層が積層された積層配線層を、フォトリソグラフィ技術およびエッチングにより所望のパターンに成形するためのエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３および図４は、下地バリアメタル層１１の上に、３μｍ以上の厚さのアルミニウム合金層１２が積層された積層配線層をドライエッチングによって加工する際の従来のプロセスを示す図である。なお、図３および図４では、製造途中の半導体装置の積層配線層部分のみが模式的に示されている（図１および図５においても同じ）。
【０００３】
図３に示すように、まず、下地バリアメタル層１１およびアルミニウム合金層１２からなる積層配線層の表面上にフォトレジストを塗布し、それをパターニングしてレジストマスク１３を形成する（同図（ａ））。そして、レジストマスク１３が耐えられる時間だけ異方性のドライエッチングをおこなう（図３（ｂ））。
【０００４】
その後、一旦、レジストマスク１３を灰化し、再度フォトレジストの塗布およびパターニングをおこなって、新たなレジストマスク１４を形成する（図３（ｃ））。そして、レジストマスク１４が耐えられる時間だけ異方性のドライエッチングをおこない（図３（ｄ））、レジストマスク１４を灰化する。このようにレジストマスクの形成、ドライエッチングおよびレジスト灰化の一連の処理を、アルミニウム合金層１２の開口部分が完全に除去されて、下地バリアメタル層１１が露出するまで、繰り返しおこなう。図３に示すプロセスでは、２回繰り返している。
【０００５】
アルミニウム合金層１２のエッチング終了後、新たにレジストマスク１５を形成し（図４（ａ））、ドライエッチングをおこなって、下地バリアメタル層１１の開口部分を除去する（図４（ｂ））。そして、レジストマスク１５を灰化することによって、所望のパターンの金属配線が半導体装置の表面に形成される（図４（ｃ））。
【０００６】
図５は、下地バリアメタル層１１の上に、３μｍ以上の厚さのアルミニウム合金層１２が積層された積層配線層を、ウェットエッチング、アニール処理、プラズマエッチングおよびドライエッチングの組み合わせによって加工する際の従来のプロセスを示す図である。図５に示すように、まず、下地バリアメタル層１１およびアルミニウム合金層１２からなる積層配線層の表面上にフォトレジストを塗布し、それをパターニングしてレジストマスク２３を形成する（同図（ａ））。
【０００７】
そして、ウェットエッチングをおこない、アルミニウム合金層１２の開口部分を完全に除去し、下地バリアメタル層１１を露出させる。その際、ウェットエッチングは等方性エッチングであるため、アルミニウム合金層１２の、レジストマスク２３の下の部分も、サイドエッチングされて除去される。それによって、レジストマスク２３の端部の下に空洞ができ、レジストマスク２３の端部は庇状に浮いた状態となる。また、下地バリアメタル層１１の露出面には、Ｓｉのパーティクル２４が付着することがある（図５（ｂ））。
【０００８】
ついで、アニール処理をおこなう。これによって、庇状のレジストマスク２３の端部が垂れ下がり、後に続くドライエッチングのマスクとして、アルミニウム合金層１２の側壁を覆う（図５（ｃ））。これによって、アルミニウム合金層１２が、垂れ下がったレジストマスク２３により保護された状態となる。この状態で、プラズマエッチングをおこない、Ｓｉのパーティクル２４を除去する（図５（ｄ））。続いて、ドライエッチングをおこなって、下地バリアメタル層１１の開口部分を除去する（図５（ｅ））。そして、レジストマスク２３を灰化することによって、所望のパターンの金属配線が半導体装置の表面に形成される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したドライエッチングのみによって加工する方法では、レジストのパターニングにより開口させた寸法（以下、レジスト寸法とする）と、実際にエッチングにより除去された部分の寸法（以下、エッチング寸法とする）とがほぼ同じ値になるという利点があるが、レジストマスクのパターンニングとエッチング処理を繰り返しおこなうため、処理工数が多いという問題点がある。工数を減らすためには、レジスト膜厚を厚くすればよいが、そうすると、パターンニング精度が下がるため、微細加工が困難になってしまう。
【００１０】
一方、上述したウェットエッチング、アニール処理、プラズマエッチングおよびドライエッチングの組み合わせによって加工する方法では、レジスト膜厚を厚くしなくても工数を減らすことができる。しかし、ウェットエッチング時のアルミニウム合金層のサイドエッチング量や、ウェットエッチング後に残るレジスト厚さなどの制御性が低いため、アルミニウム合金層の側壁に垂れ下がったレジストマスクによる開口幅にばらつきが生じやすく、下地バリアメタル層のエッチング寸法が大きくばらつくという問題点がある。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、半導体装置の製造プロセスにおいて、下地バリアメタル層の上に、３μｍ以上の厚さのアルミニウム合金層が積層された積層配線層を所望のパターンに成形するにあたって、エッチングマスクとなるレジストのパターニングを１回で済ませ、かつ下地バリアメタル層のエッチング寸法のばらつきを小さくすることができる金属配線のエッチング方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる金属配線のエッチング方法は、基板上に形成された下地バリアメタル層の上に、厚さが３μｍ以上のアルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる層が積層された構成の積層配線層を所望のパターンに成形するにあたって、まず、前記積層配線層の上に所望のパターンのマスクを形成する。ついで、硝酸と酢酸、またはそれにりん酸を加えた混酸を用いてウェットエッチングをおこない、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる層の一部を除去して、前記下地バリアメタル層の一部の表面を露出させる。
【００１３】
続いて、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスを含む混合ガスを用いて、０．２〜２．０Ｗ／ｃｍ²の低電力プラズマでプラズマエッチングをおこない、前記下地バリアメタル層の露出面に付着したＳｉのパーティクルを除去する。続いて、ＢＣｌ₃ガスとＣｌ₂ガスとＮ₂ガスを含む混合ガスを用いてドライプラズマエッチングをおこない、前記下地バリアメタル層の露出部分の一部を除去する。最後に、前記マスクを除去する。
【００１４】
この発明によれば、マスクを１回形成した後、このマスクを用いて、ウェットエッチング、プラズマエッチングおよびドライプラズマエッチングを連続しておこなうため、少ない工程で所望のパターンの金属配線が得られる。また、下地バリアメタル層はドライプラズマエッチングにより加工されるので、下地バリアメタル層のエッチング寸法はレジスト寸法とほぼ同じになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明にかかる金属配線のエッチング方法のプロセスを示す図である。図１に示すように、下地バリアメタル層３２は、チタン（Ｔｉ）層３３の上にチタンナイトライド（ＴｉＮ）層３４が積層された構成となっている。積層配線層３１は、下地バリアメタル層３２の上に、３μｍ以上の厚さのアルミニウム合金層３５が積層された構成となっている。
【００１６】
まず、アルミニウム合金層３５の表面上に、フォトレジストを塗布する。そして、図示しないマスクを用いて、フォトリソグラフィ技術によってフォトレジストのパターニングをおこない、所望のパターンのレジストマスク３６を形成する（図１（ａ））。ついで、硝酸、酢酸およびりん酸からなる混酸を用いてウェットエッチングをおこない、アルミニウム合金層３５の開口部分を完全に除去し、チタンナイトライド層３４を露出させる。
【００１７】
このとき、アルミニウム合金層３５がサイドエッチングされるので、レジストマスク３６の端部は庇状に浮いた状態となる。また、チタンナイトライド層３４の露出面には、Ｓｉのパーティクル３７が付着することがある（図１（ｂ））。硝酸と酢酸とりん酸の混合割合は、体積比で、硝酸：酢酸：りん酸＝１〜１０：１〜２０：１０〜４０である。また、エッチング液の温度は４０〜８０℃である。
【００１８】
ついで、フッ素系ガスを含んだ混合ガスを用いてプラズマエッチングをおこない、Ｓｉのパーティクル３７を除去する（図１（ｃ））。このときのエッチング条件の一例を示す。ＣＦ₄ガスの流量は１００〜５００ｓｃｃｍであり、Ｏ₂ガスの流量は５〜５０ｓｃｃｍである。チャンバー内の圧力は６６．６６１Ｐａ〜１９９．９８３Ｐａである。プラズマ電力は０．２〜２．０Ｗ／ｃｍ²である。ウェハを載置するステージの温度は３０〜９０℃である。
【００１９】
ここで、プラズマ電力が上記範囲である理由について説明する。プラズマ電力と表面異常発生率との関係を図２に示す。この図２より明らかなように、プラズマ電力が０．２〜２．０Ｗ／ｃｍ²の範囲であれば、エッチングされた表面における異常発生率が低い（１０％以下）からである。なお、プラズマ電力の適切な範囲は、この表面異常発生率との兼ね合いにより決まる。たとえば、表面異常発生率が２０％以下でよければ、プラズマ電力の上限は２．８Ｗ／ｃｍ²まで拡大される。
【００２０】
図１に戻り、低電力のプラズマエッチングによってＳｉのパーティクル３７を除去した後、塩素系ガスを含んだ混合ガスを用いてドライプラズマエッチングをおこない、チタンナイトライド層３４およびチタン層３３の開口部分を除去する（図１（ｄ））。その際、レジストマスク３６の端部は庇状のままである。したがって、チタンナイトライド層３４およびチタン層３３は、庇状のレジストマスク３６の開口形状に合わせて除去される。
【００２１】
このときのエッチング条件の一例を示す。ＢＣｌ₃ガスの流量は３０〜８０ｓｃｃｍであり、Ｃｌ₂ガスの流量は３０〜８０ｓｃｃｍであり、Ｎ₂ガスの流量は０〜３０ｓｃｃｍである。チャンバー内の圧力は１９．９９８３Ｐａ〜３９．９９６６Ｐａである。プラズマ電力は４００〜１０００Ｗである。カソード電極の温度は５０〜１００℃であり、ウォール電極の温度は５０〜１００℃である。そして、レジストマスク３６を灰化することによって、所望のパターンの金属配線が半導体装置の表面に形成される（図１（ｅ））。
【００２２】
上述した実施の形態１によれば、レジストマスク３６を１回形成した後、このマスク３６を用いて、ウェットエッチング、プラズマエッチングおよびドライプラズマエッチングを連続しておこなうため、少ない工程で所望のパターンの金属配線を得ることができる。また、下地バリアメタル層３２はドライプラズマエッチングにより加工されるので、下地バリアメタル層３２のエッチング寸法はレジスト寸法とほぼ同じになる。したがって、エッチングマスクとなるレジストのパターニングが１回で済み、かつ下地バリアメタル層３２のエッチング寸法のばらつきを小さくすることができる。また、下地バリアメタル層３２の表面に付着したＳｉのパーティクル３７を低電量プラズマにより除去することにより、下地バリアメタル層３２の表面に異常が発生するのを抑制することができる。
【００２３】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえばエッチングガスの種類や流量、チャンバー内の圧力、プラズマ電力およびステージや電極の温度などは、上述した値に限らない。また、下地バリアメタル層３２の上に、アルミニウム合金層の代わりに、アルミニウム層を積層してもよい。また、本発明は、アルミニウム合金層の厚さが３μｍ未満の場合にも適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、マスクを１回形成した後、このマスクを用いて、ウェットエッチング、プラズマエッチングおよびドライプラズマエッチングを連続しておこなうため、少ない工程で所望のパターンの金属配線が得られる。また、下地バリアメタル層はドライプラズマエッチングにより加工されるので、下地バリアメタル層のエッチング寸法はレジスト寸法とほぼ同じになる。したがって、エッチングマスクとなるレジストのパターニングが１回で済み、かつ下地バリアメタル層のエッチング寸法のばらつきを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるエッチング・プロセスを示す工程図である。
【図２】プラズマ電力と表面異常発生率との関係を示す特性図である。
【図３】従来のエッチング・プロセスの一部を示す工程図である。
【図４】図３の続のプロセスを示す工程図である。
【図５】従来のエッチング・プロセスを示す工程図である。
【符号の説明】
３１ 積層配線層
３２ 下地バリアメタル層
３５ アルミニウム合金層
３６ レジストマスク

Claims (5)

1. 基板上に形成された下地バリアメタル層の上に、アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる層が積層された構成の積層配線層を所望のパターンに成形するにあたって、
   前記積層配線層の上に所望のパターンのマスクを形成する工程と、
   混酸を用いてウェットエッチングをおこない、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる層の一部を除去して、前記下地バリアメタル層の一部の表面を露出させる工程と、
   フッ素系ガスを含む混合ガスを用いて、低電力プラズマでプラズマエッチングをおこない、前記下地バリアメタル層の露出面に、前記下地バリアメタル層の一部の表面を露出させる工程を行った際に付着したＳｉのパーティクルを除去する工程と、
   塩素系ガスを含む混合ガスを用いてドライプラズマエッチングをおこない、前記下地バリアメタル層の露出部分の一部を除去する工程と、
   前記マスクを除去する工程と、
   を含み、
   Ｓｉのパーティクルを除去する際のプラズマ電力は、０．２〜２．０Ｗ／ｃｍ ² であることを特徴とする金属配線のエッチング方法。
2. 前記アルミニウムまたはアルミニウム合金よりなる層の厚さは３μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属配線のエッチング方法。
3. 前記混酸は、硝酸と酢酸の混合液、または硝酸と酢酸とりん酸の混合液であることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の金属配線のエッチング方法。
4. 前記フッ素系ガスを含む混合ガスは、ＣＦ₄ガスとＯ₂ガスを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の金属配線のエッチング方法。
5. 前記塩素系ガスを含む混合ガスは、ＢＣｌ₃ガスとＣｌ₂ガスとＮ₂ガスを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の金属配線のエッチング方法。

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