JP4620964B2

JP4620964B2 - 金属膜のパターン形成方法

Info

Publication number: JP4620964B2
Application number: JP2004124261A
Authority: JP
Inventors: 貴文吉川; 壮彦上田; 陽二尾藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-20
Filing date: 2004-04-20
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2024-04-20
Also published as: JP2005310960A

Description

この発明は、主に半導体製造において、電極（ボンディングパッド）形成などに用いられる高開口率パターンのＡｌドライエッチングに関する技術である金属膜のパターン形成方法に関する。

システムＬＳＩなどの半導体集積回路の製造において、従来から用いられているＡｌを主成分としＣｕなどを含有したＡｌ合金のドライエッチングは配線（一部としてボンディングパッドを含む）用として、微細パターンが形成できることが求められている。そのため、配線パターンを形成する際のリソグラフィーにおいて、Ａｌ表面からの反射光によるレジストの微細パターン形成不良を防止するため、Ａｌ表面にＴｉＮなどの反射防止膜が付けられている。また、ウェハー全面積に対してエッチングによって被エッチング膜が除去される部分の面積の割合を表す開口率は５０〜７５％程度であった。

こうしたＡｌ合金膜のドライエッチングをする場合、まずＣｌ₂単体、Ｃｌ₂／ＨＢｒ、Ｃｌ₂／ＢＣｌ₃などのガスを用いて、Ａｌ合金などの被エッチング膜の表面に生じる被エッチング膜の酸化物からなる変質層をエッチングで除去するブレークスルー工程を行い、次にＣｌ₂単体、Ｃｌ₂／ＨＢｒ、Ｃｌ₂／ＢＣｌ₃などのガスでブレークスルー工程とのガスの総流量の差を±５０％以下に抑えて、Ａｌ合金などの配線層をエッチングするメインエッチング工程とを、途中で真空引きをせずに連続放電下で行うことにより、エッチング残渣低減することが、特許文献１に記載されている。
特開２００２−３４３７９８号公報（第５頁、第一図）

最近の０．１３μｍＣＭＯＳプロセス以降の半導体集積回路の製造では、電気信号の配線抵抗や寄生容量による遅延を改善するために、デュアルダマシン法などを用いて層間絶縁膜の溝に銅を埋め込んで形成されるＣｕ配線が用いられるようになり、主にＡｌは集積回路の外部配線との接点となる電極（ボンディングパッド）に用いられるのみになってきている。０．１３μｍＣＭＯＳ以降のプロセスにおいて、Ａｌドライエッチングが本来の内部配線形成以外となる、つまり、電極（ボンディングパッド）形成などのパターンの大きい形状を加工する場合、プロセスの簡略化が求められる。そこで、リソグラフィー工程のために従来Ａｌ表面に付けていた反射防止膜が省略されるようになった。

しかしながら、そういったプロセス簡略化を図ったところ、リソグラフィー工程中やその後でＡｌ表面が変質してしまってその変質した部分がマスクとなり、通常の反応系を用いたＡｌドライエッチング後、Ａｌ(あるいはＡｌ下層の金属膜)の残渣が発生し、それがウェハー表面異常を起こすという問題があることが分かった。図５は実際にＡｌ合金エッチング後に見られた残渣のＳＥＭ写真である。残渣には大きさ０．２μｍ以上のものと大きさ０．１μｍ以下の２種類があり、大きさ０．２μｍ以上の残渣は電極などのレジストパターンを形成するリソグラフィー工程からＡｌドライエッチングまでの放置時間が長くなるほど（この場合はＡｌあるいはＡｌ合金成膜形成後からリソグラフィーまでの時間は一定とする）増加することから、Ａｌ表面の酸化が原因であると考えられる。また、大きさ０．１μｍ以下の残渣はリソグラフィー直後にドライエッチングを行っても多く発生することから、リソグラフィー工程で用いる現像液などの薬液と反射防止膜のないＡｌ表面が化学反応を起こして、Ａｌ合金の母材あるいはその酸化物とは違った化合物に変質したことが原因であると考えられる。

以上のことに加えて、従来、エッチング中にレジストのエッチング生成物がＡｌ上面に堆積することでＡｌ表面の変質層によるマスク効果を低減できていたのが、電極（ボンディングパッド）形成のみのＡｌドライエッチングの場合、開口率が９０％以上（すなわちレジスト部の面積比率が１０％以下）となることから、レジストのエッチング生成物が残渣低減に寄与する効果も期待できなくなっている。

したがって、この発明の目的は、以上のことを考慮して、電極パッドや配線に用いられるＡｌ合金表面上に直接レジストパターンを形成し、Ａｌ合金膜を選択的にドライエッチングしたとき、エッチング残渣が発生しないようにすることであり、特にＴｉＮのような反射防止膜が上面にないＡｌ膜にリソグラフィー工程を行った高開口率パターンのＡｌ（Ａｌ合金を含む）をドライエッチングするときに、Ａｌ表面変化が原因の残渣を低減する金属膜のパターン形成方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、この発明の請求項１記載の金属膜のパターン形成方法は、半導体基板上にＡｌまたはＡｌを主成分とする合金膜からなる金属膜を形成する工程と、前記金属膜上にレジストパターンからなるマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをマスクとしてＡｒとＣｌ_２とＣＨＦ_３とを含み前記Ａｒの流量が総流量の２０％以上５０％以下である第１の混合ガスのプラズマで前記金属膜表面をエッチングしてＡｌ酸化物以外の金属膜表面変質層を除去する第１のエッチング工程と、エッチング反応室の電位に対してＤＣ電圧３００Ｖ以上となる負の電位のＲＦバイアスを前記半導体基板に印加した状態で、前記マスクパターンをマスクとしてＣｌ_２、ＢＣｌ_３、ＣＨＦ_３からなりＢＣｌ_３の流量が総流量に対して５０％以上である第２の混合ガスのプラズマで前記金属膜表面をエッチングしてＡｌ酸化物を除去する第２のエッチング工程と、第１および第２のエッチング工程の後、前記マスクパターンをマスクとして前記金属膜を選択的に除去する第３のエッチング工程とを含む。

この発明の請求項１記載の金属膜のパターン形成方法によれば、金属膜上にレジストパターンからなるマスクパターンを形成する工程と、マスクパターンをマスクとしてＡｒとＣｌ_２とＣＨＦ_３とを含み前記Ａｒの流量が総流量の２０％以上５０％以下である第１の混合ガスのプラズマで金属膜表面をエッチングしてＡｌ酸化物以外の金属膜表面変質層を除去する第１のエッチング工程と、エッチング反応室の電位に対してＤＣ電圧３００Ｖ以上となる負の電位のＲＦバイアスを半導体基板に印加した状態で、マスクパターンをマスクとしてＣｌ_２、ＢＣｌ_３、ＣＨＦ_３からなりＢＣｌ_３の流量が総流量に対して５０％以上である第２の混合ガスのプラズマで金属膜表面をエッチングしてＡｌ酸化物を除去する第２のエッチング工程と、第１および第２のエッチング工程の後、マスクパターンをマスクとして金属膜を選択的に除去する第３のエッチング工程とを含むので、金属膜上に直接レジストを塗布・露光・現像をしてパターニングを行う場合に、パターニング中やその後で生じる表面変質層によるエッチング残渣発生を抑えることができ、パターン間のショートやウェハー表面の異常を防止できる。この場合、金属膜のエッチングガスとして希ガスまたは不活性ガスであるＡｒを用いるので、これらガスのプラズマイオンによる金属膜表面の物理的スパッタにより金属膜上の被エッチング物質の違いによって生じるエッチング能力の差を低減することができる。それゆえ、リソグラフィー工程において、レジスト材料、現像液などが接触してＡｌ合金が表面変化を起こし、かつ、金属膜の開口率が電極パッドのように９０％以上とエッチング面積が広い場合でも、金属膜表面の変質層を除去でき、これがマスクとなってドライエッチング後に残渣が発生するのを低減することができる。

また、この金属膜のパターン形成方法によれば、金属膜表面に成長した酸化膜によるエッチング残渣を抑制することが出来、パターン間のショートやウェハー表面の異常を防止できる。すなわち、Ａｌ合金などの金属膜が成膜されてから、その金属膜をドライエッチングするまでの間金属膜の表面が大気に曝され、表面に金属酸化膜が形成される。しかしこの方法では少なくとも還元性のガスであるＢＣｌ _３を含むガスのプラズマで金属膜表面をエッチングするので、酸化膜が容易に除去でき、これがマスクとなって金属膜を選択的に除去した後に残渣が発生するのを低減することができる。
また、還元性のガスとしてＢＣｌ _３を用いているので、ＢＣｌ ₃ の還元作用によりＡｌ酸化物がエッチングしやすくなる。

また、この金属膜のパターン形成方法において、マスクパターンはレジストパターンであり、Ａｒのような反応性がほとんどない希ガスあるいは不活性ガスの物理スパッタの作用により、Ａｌ合金膜表面変質層をＡｌ母材とのエッチングレートの差がほとんどないエッチングレートでエッチングできる。

また、ＣＨＦ _３は、プラズマ中及びＡｌ表面で重合反応を起こし、Ａｌ表面に重合ポリマーが堆積するため、Ａｌ表面変質層によるエッチングマスク効果を低減するような働きをもつ。

この発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態において銅の多層配線上にＡｌ合金からなるボンディングパッドを形成しようとするときの半導体集積回路の断面構造を示す図である。

図１に示すように、半導体基板上にＡｌまたはＡｌを主成分とする合金膜からなる金属膜５を形成し、金属膜５上にレジストパターン（マスクパターン）６を形成する。この場合、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などの多層構造の膜からなる層間絶縁膜１に、配線溝、コンタクトホールが形成され、そこに銅を埋め込むことによって下層配線２、上層配線４、下層配線２と上層配線４を接続する銅のプラグ３が形成されている。すなわちデュアルダマシン法によりＣｕ配線構造が形成されている。そして上層配線４の露出面に接してＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕまたはＡｌＣｕというようなＡｌ合金膜５がスパッタリング法など減圧下で成膜され、そのＡｌ合金上に直接にレジストを塗布・露光・現像を行って、電極パッドのレジストパターン６が従来のように大気中で形成されている。このＡｌ合金膜５の表面には従来のようなＴｉＮ反射防止膜は形成されていない。

以上のような構造において、レジストパターン６をマスクとしてＡｌ合金膜５をエッチングするのであるが、そのエッチングには例えば図２に示すような誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて行う。図２において、減圧可能な反応室７の上部に設置されたトップコイル１１に高周波電圧を印加し、反応室７内部にエッチングガスのＩＣＰプラズマ１０を生成する。そして、エッチングする時にはエッチング反応室７内にある基板ステージ８上に載っている基板（ウェハー）９にＲＦバイアスを印加する。ただし、これは一例であってＩＣＰプラズマによるドライエッチング法に限定されるものではない。このエッチング装置を用いて、レジストパターン６をマスクとして少なくとも希ガスまたは不活性ガスを含むガスのプラズマで金属膜表面をエッチングする第１のエッチング工程と、レジストパターン６をマスクとして少なくとも還元性のガスを含むガスのプラズマで金属膜表面をエッチングする第２のエッチング工程と、第１および第２のエッチング工程の後、レジストパターン６をマスクとして金属膜５を選択的に除去する工程とを行う。

図３は、図１に示すような半導体集積回路のＡｌ合金膜５を図２に示すようなドライエッチング装置を用いてエッチング加工する場合のプロセスフローを示す図である。まず第一のブレークスルー工程として、プロセスガスをＡｒ、Ｃｌ₂、ＣＨＦ₃を含む混合ガスを用いてＡｌ表面のエッチングを行う（Ｓｔｅｐ１）。ここで、Ａｒの流量は総流量に対して２０％以上５０％以下になるように設定する。これによって、Ａｒのような反応性がほとんどない希ガスあるいは不活性ガスの物理スパッタの作用により、Ａｌ酸化物以外のＡｌ合金膜表面変質層をＡｌ母材とのエッチングレートの差がほとんどないエッチングレートでエッチングできる。また、ＣＨＦ₃ガス成分が存在することによってプラズマ中及びＡｌ表面で重合反応を起こし、Ａｌ表面に重合ポリマーが堆積するため、Ａｌ表面変質層によるエッチングマスク効果を低減するような働きをもつ。

次に、第二のブレークスルー工程として、Ａｌ合金膜表面に成長したＡｌ酸化物をエッチングできるステップで処理を行う（Ｓｔｅｐ２）。このステップにおいてはプロセスガスとして、Ｃｌ₂、ＢＣｌ₃、ＣＨＦ₃の混合ガスを用い、エッチング反応室７の電位に対してＤＣ電圧３００Ｖ以上の大きさとなるような負の電位のＲＦバイアスをウェハー９に印加する。ここで、還元性のＢＣｌ₃のガス流量が総流量に対して５０％以上、すなわちＢＣｌ₃が主成分となるように設定する。これより、ＢＣｌ₃の還元作用とＤＣ電圧で３００Ｖ以上となるような比較的大きい基板バイアスによる物理エッチによってＡｌ酸化物がエッチングしやすくなる。このＡｌ酸化物はＡｌ合金膜５の形成後、レジストパターン６の形成後エッチング前までに大気中にさらされることによって成長したものであるが、ＣＨＦ₃の重合反応によるＡｌ表面上への重合ポリマー堆積によって、Ａｌ酸化物のエッチングマスク効果を低減するような働きをもつ。

次に、第三のステップとしてＡｌ合金膜５のメインエッチングステップを導入する。そこでは、プロセスガスとしてＣｌ₂系ガスを用いて、Ａｌ合金自体のエッチングを行い電極パッドのパターンを形成する（Ｓｔｅｐ３）。

以上説明したＡｌ合金のドライエッチング方法においては、下層膜として直接Ｃｕ配線あるいは層間絶縁膜がＡｌ合金膜と接している場合であったが、Ａｌ合金膜とＣｕ配線あるいは絶縁膜との間に金属膜、例えば、密着層としてＴｉＮ／Ｔｉがあっても、Ａｌ合金膜のメインエッチングステップの次に金属膜、この場合、ＴｉＮ／Ｔｉエッチングステップを導入すれば、この発明におけるエッチング方法を用いることが可能である。また、本発明の実施形態においては、第一のブレークスルー工程に用いるガスに一つとしてＡｒを例示したが、この発明はこれに限られたものではなく、Ｈｅ、Ｎｅ、ＸｅあるいはＫｒといった他の希ガスを用いても同様な効果が得られる。また、第一のブレークスルー工程において、希ガスまたは不活性ガスを含むガスは、ＣＨＦ₃ガス以外の炭素、水素およびフッ素からなるガスをさらに含む構成にしてもよい。また、第一のブレークスルー工程および第二のブレークスルー工程のいずれか一方のみ行ってもよい。

本発明のように第一および第二のブレークスルー工程を導入したＡｌ合金膜エッチングの実施結果を示すＳＥＭ写真を図４に示す。ＳＥＭ写真の倍率は、図４（ａ）と（ｂ）が５万倍、（ｃ）が２万倍である。図４（ａ）の写真に示すように、第一のブレークスルー工程のみを行った後Ａｌ合金膜のメインエッチングをした場合、大きさ０．２μｍ以上の残渣が残るがこれは本発明者らが解析したようにＡｌ合金膜表面に成長した酸化物による残渣であることを示唆している。また、図４（ｂ）の写真に示すように、第二のブレークスルー工程のみを行ってＡｌ合金膜のメインエッチング工程を行った場合、大きさ０．１μｍ以下の残渣が残り、これはフォトリソ工程においてＡｌ合金膜表面が変質を受けた層が除去されずに残ったために発生したものであることを示唆している。それに対して、第一のブレークスルー工程、第二のブレークスルー工程、メインエッチング工程を順に行った場合は、図４（ｃ）の写真に示すように残渣を完全に発生しないようにすることができる。

本発明にかかる金属膜のパターン形成方法は、金属膜上に直接レジストを塗布・露光・現像をしてパターンニングを行う場合に、パターニング中やその後で生じる表面変質層によるエッチング残渣発生を抑えることができる。また、金属膜表面に成長した酸化膜によるエッチング残渣を抑制することが出来、パターン間のショートやウェハー表面の異常を防止できる等の効果を有し、Ａｌ合金膜表面上に直接レジストを塗布接触させ、露光・現像して得られた開口率の大きいパターンをマスクとしてドライエッチングをする工程、すなわち外部配線との接点となる電極（ボンディングパッド）を形成する場合などに有用である。

本発明の実施形態においてＡｌ合金膜の電極パッドエッチングが適用される半導体集積回路の断面図である。本発明の実施形態においてＡｌ合金膜のドライエッチングを行うドライエッチング装置の構成図である。本発明の実施形態によるドライエッチング方法を説明する工程フロー図である。本発明の実施形態においてＡｌ合金膜のドライエッチング条件と発生する残渣を示すＳＥＭ写真である。従来のＡｌ合金膜のドライエッチング法で発生する残渣を示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

１層間絶縁膜
２下層配線
３銅プラグ
４上層配線
５Ａｌ合金膜
６レジストパターン
７エッチング反応室
８基板ステージ
９基板（ウェハー）
１０ＩＣＰプラズマ
１１トップコイル

Claims

半導体基板上にＡｌまたはＡｌを主成分とする合金膜からなる金属膜を形成する工程と、
前記金属膜上にレジストパターンからなるマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクとしてＡｒとＣｌ_２とＣＨＦ_３とを含み前記Ａｒの流量が総流量の２０％以上５０％以下である第１の混合ガスのプラズマで前記金属膜表面をエッチングしてＡｌ酸化物以外の金属膜表面変質層を除去する第１のエッチング工程と、
エッチング反応室の電位に対してＤＣ電圧３００Ｖ以上となる負の電位のＲＦバイアスを前記半導体基板に印加した状態で、前記マスクパターンをマスクとしてＣｌ_２、ＢＣｌ_３、ＣＨＦ_３からなりＢＣｌ_３の流量が総流量に対して５０％以上である第２の混合ガスのプラズマで前記金属膜表面をエッチングしてＡｌ酸化物を除去する第２のエッチング工程と、
第１および第２のエッチング工程の後、前記マスクパターンをマスクとして前記金属膜を選択的に除去する第３のエッチング工程とを含む金属膜のパターン形成方法。