JPH0113224B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、階段状またはテーパー状の側面形状
を有する電極・配線を備えて構成された半導体装
置の製造方法に関するものである。

従来、高密度化した半導体集積回路の電極・配
線の形成には、反応性ガスにより形成されたガ
ス・プラズマ中で材料をエツチングする方法が用
いられてきた。一例として、高隔点金属のMoを
材料に用いて配線を形成する場合を取り上げ、そ
れを用いた半導体集積回路（半導体装置）の製造
工程の一部を取り出して図面で説明する。

第１図ａ〜ｃは上記従来の半導体装置の配線の
製造工程説明図である。まず、同図ａに示すよう
に、種々の工程を用いて半導体基板上に素子等を
形成（図は省略）した後、この上に配線を形成す
るために必要な層間絶縁用SiO₂膜１の形成を完
了した時点より説明を開始するものとする。次
に、同図ｂに示すように、配線用のMo薄膜２を
スパツタ法または電子ビーム蒸着法で堆積させ
る。その上にレジストを塗布した後、特定のパタ
ーンを描いたマスクを用いて露光，現像等を行な
い、レジスト・パターン３を形成する。次に同図
ｃに示すように、例えばアノード結合方式の平行
平板電極型プラズマ・エツチング法を用いて
CCl₄とO₂の混合ガス・プラズマ中でMo薄膜２を
エツチングして、Mo配線４を形成する。その
後、プラズマ・アツシヤーを用いてレジスト・パ
ターン３を除去することによりMo配線のパター
ンが出き上る。

このようにして形成したMo配線４のパターン
の側面形状は、平行平板電極型プラズマ・エツチ
ング法の特徴により、下地の層間絶縁用SiO₂膜
１の表面に対して、ほぼ垂直で直線状となる。な
おかつ、サイド・エツチングが少ないため、レジ
スト・パターンに対する寸法変化も小さい。これ
らの形状の特性は、高精度のパターニングを要す
る微細化した電極・配線の形成に有効である。し
かし、さらにこのMo配線の上に第２の層間絶縁
膜を形成し、その上にAl等からなる第２層目配
線を形成した場合には、Mo配線の側面で生ずる
急峻な段差形状が第２の層間絶縁膜表面にも反映
し、従つてこの段差部分で、第２層目配線も十分
な膜厚を保持できずに断線もしくはそれに至らず
とを膜厚が減少したことによる抵抗増大を生じ易
くなるという欠点を生ずる。

このような欠点を解決するためには、Mo配線
の側面をテーパー状にエツチングするのが最も効
果的である。

第２図ａ，ｂは上記テーパー・エツチ法の一例
を示した工程説明図である。まず、同図ａに示す
ように、層間絶縁用SiO₂膜１の上にMo薄膜２を
堆積させ、さらにその上にレジスト・パターン３
を形成する。次に同図ｂに示すように、イオン・
エツチング法によりMo薄膜２をエツチングし
て、テーパー状Mo配線５を形成する。このとき
レジスト・パターン３もエツチングされて、細つ
たレジスト・パターン６となる。このエツチング
法は、Mo薄膜のエツチングに伴つてレジスト・
パターン自身もエツチングされて細まることを利
用し、Mo配線のテーパー形状を得るものであ
る。

しかし、このような方法で形成したMo配線で
は、側面がテーパー状になるものの、エツチング
後の配線幅Ｗ２はエツチング前のレジスト・パタ
ーン幅Ｗ１に比較して狭くなるという欠点があ
る。この配線幅の減少量を精度よく制御するのは
困難である。従つて、このようなエツチング法は
高い加工精度を要する高密度配線の形成には不適
当である。

本発明は、これらの欠点を解決するためになさ
れたもので、含有する酸素の濃度の異なる同一金
属の少なくとも２つの層の積層した膜を用いて電
極・配線を形成し、その電極・配線の側面の加工
形状を制御するものである。

以下、本発明を実施例によつて詳細に説明す
る。第３図ａ〜ｄは本発明による半導体装置の配
線の製造工程説明図で、工程要所における半導体
装置の要部の断面形状を示している。同図ａに示
すように、半導体基板上に層間絶縁用SiO₂膜１
の形成を完了した時点より説明を開始するものと
する。次に、同図ｂに示すように、膜厚2600Å
で、含有する酸素の濃度が3atomic％の低酸素
Mo層７を形成する。この層の形成工程はスパツ
タ法を用いた。すなわち、スパツタ装置内を10^-6
〜10^-7Torrに真空排気した後、10^-2〜10^-3Torr
のAr雰囲気中でMoのスパツタを行なつた。な
お、スパツタ法の代りに真空蒸着法を用いてもよ
い。本発明では、この次の工程が従来工程と異な
る。すなわち、従来はこの低酸素濃度Mo層７の
みを電極・配線の形成用膜として用いていた。従
つて、このMo層の上に直接ホトレジスト等のマ
スク材料を塗布し、レジスト・パターンを形成し
た。しかし、本発明では、先の低酸素濃度Mo層
７を堆積させたのと同一のスパツタ装置内におい
て、さらに酸素ガスを分圧で1.6×10^-4Torrとな
るように同装置内に導入して、連続してMo膜の
堆積を進め、含有する酸素の濃度が20atomic％
で厚さ700Åの高酸素濃度Mo層８を形成する。

この後は、従来の工程と同様に、第３図ｃに示
すように、レジスト・パターン３を形成する。そ
の後、第３図ｄに示すようにアノード結合方式の
平行平板電極型プラズマ・エツチング法を用い
て、CCl₄とO₂の混合ガス中で、CCl₄ガスの流量
15scc／min，O₂ガスの流量35scc／min，圧力
0.2Torrの条件下でグロー放電を形成し、これに
試料を曝して高酸素濃度Mo層８及び低酸素濃度
Mo層７を連続してエツチングする。そして、テ
ーパー状の側面形状を持つMo配線下層部９及び
Mo配線上層部１０を形成する。

以上説明した実施例では、Mo配線を形成する
場合を例にとり、含有する酸素濃度の異なる同一
金属（Mo）の２層に積層した膜を用いている
が、本発明は電極・配線を形成する金属として
Moの代りにＷ，Cr等の高融点金属を用いること
もできる。また、含有する酸素濃度，各層の厚さ
を適宜選択することにより、段階状またはテーパ
ー状の電極・配線が形成でき、かつ形成された電
極・配線の側面の傾斜角を所望の値に制御するこ
とができる。

なお、積層する金属膜のうち、含有する酸素濃
度の高い又は低いというのは、隣接する２つの層
の酸素濃度の高・低比較による相対的なものであ
る。

再び前記実施例について説明を戻すが、このよ
うにして形成したMo配線では、第１の特徴とし
て、Mo配線上層部（比較的酸素濃度の高い第１
の層）１０の側面がMo配線下層部（比較的酸素
濃度の低い第２の層）９の側面より、より内側に
形成された構造となることがあげられる。このよ
うな形状が形成される原因は、第４図に示すよう
に、CCl₄とO₂の混合ガスのプラズマに対して低
酸素濃度膜と高酸素濃度膜とで、単位時間にエツ
チングされる速度（エツチ・レート）が異なるこ
とにある。第４図は、本実施例のエツチング法を
用いた場合で混合ガスの全流量に対するO₂ガス
の流量比をパラメータにしているが、いずれの場
合でも、Mo膜中の酸素濃度の上昇と共にエツ
チ・レートが増大することがわかる。このよう
な、Mo膜への酸素添加によりエツチ・レートが
増大する現象の原因としては、膜中の酸素により
Mo結晶粒径が小さくなつたこと、及び膜中酸素
がエツチングガス中のO₂ガス成分の役割の一部
を担つて、実質的に全ガス流量に対するO₂ガス
の流量比を高めることに相当しているなどが考え
られるが、明確にはわかつていない。

第２の特徴は、本実施例のように、高酸素濃度
Mo層の膜厚を低酸素濃度Mo層の膜厚に比べて
20〜30％と薄くしても、Mo配線下層部（酸素濃
度の低い第２の層）９の側面形状を第３図ｄに示
すように、十分な傾斜を持つたテーパー状にする
ことができることである。これにより、このMo
配線の上に形成する第２の層間絶縁膜や、さらに
その上に形成する第２層目配線のMo配線の側面
上での被覆形状はおおむねMo配線下層部の低酸
素濃度Mo層の側面形状のみを考慮すれば良いこ
とがわかる。

第３の特徴は、このテーパー状のMo配線下層
部９の側面と下地の層間絶縁用SiO₂膜１の表面
とでなす角、すなわちテーパー角（傾斜角）を、
低酸素濃度Mo層及び高酸素濃度Mo層のそれぞ
れの含有酸素濃度及び膜厚から成る４つの形成条
件を適当に選択することにより制御できることで
ある。次に第５図及び第６図は、この間の制御性
を示す実施例である。第５図は、高酸素濃度Mo
層の含有酸素濃度とテーパー角との関係を示す。
ただし、高酸素濃度Mo層の膜厚を1650Åとし、
低酸素濃度Mo層の膜厚を1650Å，含有酸素濃度
を3atomic％とした。この図より、高酸素濃度
Mo層の含有酸素濃度を3atomic％から20atomic
％まで高めることにより、テーパー角を90度から
40度まで低減できることがわかる。第６図は、２
層Mo膜の全膜厚に対する高酸素濃度Mo層の厚
さの比を変えた時のテーパー角の変化を示す。た
だし、高酸素濃度Mo層の含有酸素濃度を
20atomic％に、低酸素濃度Mo層の含有酸素濃度
を3atomic％に、２層Mo膜の全膜厚を3300Åに、
それぞれ一定にした場合である。この図から２つ
の層の膜厚の比を変えることにより、テーパー角
を制御できることがわかる。

第４の特徴は、本実施例で用いたアノード結合
方式の平行平板電極形プラズマ・エツチング法の
ような比較的レジスト・パターン幅及び配線幅の
エツチング前後の変化の少ないエツチング法を採
用してもテーパー・エツチングを成し得ることで
ある。これにより、テーパー形状を有し、なおか
つ高い加工精度を実現できる。

第５の特徴は、本実施例に示したように
20atomic％程度の酸素をMoに加えても、比抵抗
は2.5×10^-4Ω・cmと低いため、これらの高酸素濃
度層をそのまま電極・配線として用いることがで
きることである。また、Si半導体装置では、通
常、製造工程に1000℃程度の高温熱処理を含む
が、この処理により先の比抵抗は大幅に減少し、
1.4×10^-5Ω・cmとバルクMoの３倍以内となる。
従つて、高酸素濃度層を電極・配線の一部に用い
ても全体の比抵抗への影響はほとんど無視でき
る。また、他のＷ，Cr等の金属においても、酸
素濃度を適当に選ぶことにより、熱処理後の比抵
抗を１×10^-3Ω・cm以下と電極・配線として用う
るに支障のない程度に低く抑えることができる。

第６の特徴は、第３図の実施例のごとく下層を
低酸素濃度層とし、上層を高酸素濃度層として用
いた場合には、下層のテーパー形状を形成した後
に、上層を第２のエツチング工程により除去して
下層のみを電極・配線として用いることができる
ことである。前述のごとく高酸素濃度の上層は、
そのまま残して電極・配線として用いることがで
きるが、上層及び下層の側面の２つの層の境界面
近傍に生ずる側面傾斜角の不連続性を回避したい
場合や、さらには、上層の酸素濃度が高く他の配
線層とのオーミツク・コンタクトが熱処理時に劣
化する場合などでは、上層部のみを第２のエツチ
ング工程で除去する方が望ましい。この第２のエ
ツチング工程としては、第４図に示したごとく、
エツチングガス中の全ガス流量に占めるO₂ガス
流量比を小さく取つた平行平板電極型プラズマ・
エツチング法を用いることにより、上層と下層の
含有酸素濃度差を利用して容易に上層のみを選択
的に除去することができる。

以上の実施例で示した諸特徴により、テーパー
角を40度程度から90度の範囲で制御できることは
明らかである。従つて、Mo配線の上に例えば
CVD法（化学的気相成長法）を用いて第２の層
間絶縁用SiO₂膜を形成すると、そのMo配線側面
部を覆う形状も、Mo配線側面のテーパー形状を
反映してほぼ同じテーパー角を示す。さらにこの
SiO₂膜の上に形成した第２の配線膜である例え
ばAl膜においても、Mo配線側面の上を、下地の
第２の層間絶縁用SiO₂膜の表面形状を反映して、
テーパー角を持つて覆うことができる。これによ
り、従来と異なり、第２層目配線であるAl配線
の段差被覆を要する個所での断線確率の増大及び
断線に至らずとも抵抗増大等の現象は、著しく改
善される。

本実施例では、電極・配線用金属としてMo
を、エツチング法としてアノード結合方式の平行
平板電極形プラズマ・エツチング法を用いたが、
膜中へ酸素を添加することによりエツチ・レート
が高くなる金属と、プラズマ・エツチング法また
は酸化性エツチング液によるウエツト・エツチン
グ法等の組合せを用いれば、本発明による電極・
配線技術を使用することができる。平行平板電極
形プラズマ・エツチング法を用いる場合には、
Moの代わりにＷまたはCrを用いても所望の効果
が得られる。この場合、金属としては、酸化物を
生成した時の融点が単体に比べて1000℃以下と著
しく低下するもの、または酸化物の揮発性が強い
もの等の条件を満たすことが材料選択の１つの目
安となる。また、本実施例では、配線膜として、
下層に低酸素濃度膜を、上層に高酸素濃度膜を用
いてテーパー形状を形成したが、逆に下層に高酸
素濃度膜を、上層に低酸素濃度膜を用いて膜形成
条件及びエツチング条件を最適化すれば、逆テー
パー状の側面形状も得ることができる。さらに、
電極・配線膜中の酸素濃度を３層以上に変化させ
る方法や、任意の連続的な酸素濃度分布を持たせ
る方法により電極・配線の望む所の側面形状を得
ることもできる。これ等の応用も全て本発明の範
囲に含まれることは明らかである。

以上説明したように、本発明によれば電極・配
線として単一金属の均一な組成の膜を用いる代り
に、含有する酸素濃度の異なる同一金属の２つの
層の積層した構造を有する膜を用いているので、
エツチングしてパターニングすることにより、比
較的酸素濃度の高い層の側面を比較的酸素濃度の
低い層の側面に対して、より内側に形成できる。
従つて、このようにして形成した配線のテーパー
状の側面形状は、さらにその配線の上に層間絶縁
膜をはさんで形成した第２層目の配線に対して、
下地表面の段差を越える部分で生ずる断線及び抵
抗増大を著しく緩和させる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｃ及び第２図ａ，ｂは配線の従来の
製造工程を説明するための半導体装置の要部拡大
断面図、第３図ａ〜ｄは本発明による配線の製造
工程を説明するための半導体装置の要部拡大断面
図、第４図はMo膜中の酸素濃度とエツチ・レー
トとの関係を示す特性図、第５図は高酸素濃度
Mo層の含有酸素濃度とテーパー角との関係を示
す特性図、第６図は２層Mo膜の全膜厚に対する
高酸素濃度Mo層の厚さの比とテーパー角との関
係を示す特性図である。 １……層間絶縁用SiO₂膜、２……Mo薄膜、３
……レジスト・パターン、４……Mo配線、５…
…テーパー状Mo配線、６……細つたレジスト・
パターン、７……低酸素濃度Mo層、８……高酸
素濃度Mo層、９……Mo配線下層部、１０……
Mo配線上層部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極・配線用にMo，Ｗ，Crから選んだ１種
   の金属を用いて、含有する酸素の濃度が異なる少
   なくとも２つの層を積層した膜を形成する工程
   と、該膜上にマスクパターンを形成する工程と、
   酸素ガスをエツチング用ガスの成分の一部として
   含むアノード結合式平行平板電極型プラズマエツ
   チング法を用いて上記膜の該マスクパターン間に
   露出した部分を食刻して電極・配線を形成する工
   程とを含み、階段状またはテーパー状の側面形状
   の電極・配線を形成することを特徴とする半導体
   装置の製造方法。 ２ 上記含有する酸素の濃度が異なる少なくとも
   ２つの層を積層した膜を形成する工程において、
   各層の厚さ及び酸素の濃度の値を選択することに
   より、形成される電極・配線の側面の傾斜角を制
   御することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の半導体装置の製造方法。 ３ 上記食刻工程の後に、第２の食刻工程により
   上記少なくとも２つの層を積層した膜のうち最上
   部から少なくとも１つの層を除去することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置の
   製造方法。