JPH02209728A

JPH02209728A - アルミニウムおよびアルミニウム合金のドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH02209728A
Application number: JP3052689A
Authority: JP
Inventors: Itsuko Sakai; 伊都子酒井; Masao Yoshida; 昌生吉田; Makoto Sekine; 誠関根; Haruo Okano; 晴雄岡野; Tsunetoshi Arikado; 経敏有門
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1990-08-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（発明の目的）（産業上の利用分野）本発明は、アルミニウムおよびアルミニウム合金のドラ
イエツチング方法に係り、特に、凹凸の少ない滑らかな
エツチング面を形成するための方法に関する。

（従来の技＃Ｉ）近年、半導体集積回路は急速な発展を遂げており、現在
はサブミクロンサイズの素子を持つＬＳＩも試作される
に及んでいる。

このような集積化が進むにつれ、より狭く、より高く（
深く）と、横方向の広がりが縦方向に変化しつつあり、
トレンチ梨キャパシタのように水平方向にパターンを広
げる代わりに深さ方向に広げ、チップ面積の増大を防止
する傾向が強くなっている。

ところで、トランジスタ等の各素子領域と配線パターン
間とをつなぐ縦方向の配線つまりコンタクトホールもそ
の例外ではなく、アスペクト比（溝の深さ／溝の幅）は
高くなる一方である。

例えば、１ＭビットのＤＲＡＭに使用されるアスペクト
比０．９程度のコンタクトボール内に露呈するシリコン
基板表面７１に接続するように、通常のスパッタリング
方法でアルミニウムまたはその合金膜７４を蒸着する場
合、第８図に不すように、コンタクトホール７３内には
膜が形成されにくく、コンタクトホール内は上面に比べ
て薄くなり断線し易い。

このため、第９図に示すように、アスペクト比の高いコ
ンタクトホール内にアルミニ１クムーシリコン合金膜を
形成する場合には、コンタクトホール７３内にバリアメ
タル７５を形成しておき、この上層に、アルミニウムー
シリコン合金膜７４を基板温度を融点近傍の高温下で堆
積することにより、表面マイグレーションを促進し、コ
ンタクトホールを埋め込むという方法がとられている。

しかしながら、高温下で形成したアルミニウムーシリコ
ン合金ｒｆＡ７４は結晶粒が大きく、エレクトロマイグ
レーションが生じ易い上、粒界にシリコンが析出し、抵
抗値が増大し易いという欠点があるため、コンタクトボ
ール内のアルミニウムーシリコン合金膜のみを残しなが
ら、エツチングにより全面エツチングを行い、その上に
信頼性の保証されたアルミニウムーシリコン−銅合金膜
を形成する方法が提案されている。

すなわち、まず、第１０図（ａ）に示すように、シリコ
ン基板７１上に、熱酸化によって酸化シリＤン（Ｓ　ｉ
　０２　）　膜７２ヲ形成ＬｉりＷｉ、７　ｙｒ　ｌ”
　ＩＪソ法によりこの酸化シリコン［７２内にコンタク
トホール７３を形成し、さらにこのコンタクトホール７
３内にバリアメタル層７５としてのチタン膜を堆積し、
さらにコンタクトホール内の膜厚が大きくなるように高
温スパッタリングによりコンタクトホール内の膜厚が大
きくなるようにアルミニウムーシリコン合金膜（ＡＩ−
８ｉ）７４を堆積する。

そして、第１０図（ｂ）に示すように、このアルミニウ
ムーシリコン合金膜７４を通常の反応性イオンエツチン
グ法により全面エツチングし、さらに第１０図（Ｃ）に
示すように、再びスパッタ法により、この上層にアルミ
ニ１クムーシリコン銅合金膜を７６を形成するという方
法が提案されでいる。

ところで、このように高温下で形成したアルミニウムー
シリコン合金膜を、通常の反応性イオンエツチング法に
より全面エツチングを行うと、残ったアルミニウムーシ
リコン合金膜表面には第１０図（ｂ）に示すように、凹
凸の激しい表面荒れが生じてしまう。このため、このよ
うに凹凸の激しいアルミニウムーシリコン合金膜表面に
配線用のアルミニウムーシリコン−銅合金膜を形成する
場合、凹部に入り込まずボイドＶが発生し、実用上使用
不可能であるという問題があった。

そこで、高温下で形成したアルミニウムーシリコン合金
膜のエツチングには、表面荒れの生じにくいウェットエ
ツチングが用いられている。

しかし、ウェットエツチングを用いると、上面のアルミ
ニウムーシリコン膜がエツチングされて無くなり、被エ
ツチング面積が減少すると、コンタクトホール内のアル
ミニウムーシリコン膜は急速にエツチングされ、十分な
膜厚を残すことが困難である。また、下地にバリアメタ
ルを使用しているような場合には、これとアルミニウム
ーシリコン膜との間の電池効果により、第１１図に示す
ように、コンタクトホールの内周に沿ってこのアルミニ
ウムーシリコン膜が急速にエツチングされる現象もある
。そこで、途中で−Ｈエッチングを中ＩＩし、レジスト
でコンタク！・ホールを保護するという一連の工程を追
加しているのが現状である。

このため、■数が大幅に増大し、しかもこの保護工程を
導入してもなお、コンタクトホール以外の部分でのレジ
ストの残留による短絡という新たな問題を引き起こすこ
とになっていた。

（発明が解決しようとする問題点）このように、アルミニウムおよびアルミニウム合金のエ
ツチングに際して、従来のドライエツチング法では表面
の滑らかなエツチング面を得ることができないという問
題があった。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、表面の滑ら
かなエツチング面を得ることのできるドライエツチング
方法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）そこで本発明では、放電プラズマによるアルミニウムお
よびアルミニウム合金のドライエツチングに際し、使用
するエツチングガスのガス圧Ｐ〔Ｐａ）とバイアス電圧
〔Ｖ〕との関係が、以下の式を満たすようにしている。

Ｖ＞１４０＋１０１００１ｏ　　　　（１）また、望ま
しくは放電プラズマの形成に、電子サイクロトロン共鳴
を用い、低ガス圧でも電離度が高く、イオンを多く含ん
だプラズマを安定に供給するようにすると共に、ＲＦバ
イアスを印加することによってイオンエネルギーを制御
する。

さらにまた、望ましくは、基板温度を５０゛Ｃ以下に維
持するようにする。

（作用）本発明者らは、種々の実験を串ね、ガス圧力範囲および
バイアス電圧を変化させ、実験をおこなった結果、これ
らを最適範囲すなわち、使用するエツチングガスのガス
圧Ｐとバイアス電圧Ｖとの関係が、上記関係式（１）す
なわちＶ＞１４０＋１００１ｏｏＰを満たすように条件
を選ぶようにすれば、エツチング残渣がなく、凹凸の少
ない平滑なエツチング面を得ることが可能であることを
発見した。

ところで、アルミニウムおよびアルミニウム合金のプラ
ズマエツチング反応においては、エツチングの進行は塩
素ガスによる自然反応と、基板表面に付着した中性種へ
のイオン衝撃により反応が促進されるいわゆるイオンア
シスト効果によるものとの２つの形態で進んでいるもの
と考えられている。

本発明者らは、種々の実験結果から、これらのうち、自
然反応によるものが表面荒れの原因となっていることを
発見した。

このことから、イオンアシスト効果による反応を促進す
る条件すなわち、使用するエツチングガスのガス圧Ｐと
バイアス電圧■との関係が、上記関係式（１）すなわち
Ｖ＞１４０＋１００１ｏｑＰを満たすように条件を設定
したとき、表面荒れの原因となる自然反応によるエツチ
ングの進行と比較して、イオンアシスト効果による反応
が支配的となり、表面荒れが抑制され、表面の滑らかな
エツチング面を得ることができるものと考えられる。

（実施例）以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図は、本発明の方法に用いられるドライエツチング
装置の概略構成図である。

このドライエツチング装置、は、エツチング室１０と、
搬入搬出用予備室２０と、該エツチング室内に磁場を生
起せしめるための磁場コイル３０と、該エツチング室内
にマイクロ波を導入するマイクロ波導入系４０とから構
成され、エツチング室１０と、搬入搬出用予備室２０と
の間はゲートパルプ２１により仕切られ、エツチング室
を真空に保持したまま、搬入搬出用予備室２０にゲート
パルプ２２から被処理基体を搬入および搬出することが
でき、大気中の水分や酸素等の悪影響を避けることがで
きるようになっている。２３および２４それぞれ基板搬
入および搬出用アームである。また、エツチング室１０
には石英窓４１が配設されており、マイクロ波導入系４
０で光生じた２、４５Ｇｌｌｚのマイクロ波がこの石英
窓４１を介してエツチング室１０内に導入されるように
なっている。

さらにまた、エツチング室１０は、真空容器１０ａ内に
配設された、被処理基板１１を載置するための第１の電
極１２と、この第１の電極１２に１３、５６Ｍ　＠　ｚ
の高周波電圧を印加すべくブロッキングコンデンサ１３
を介して接続された高周波電源１４と、第１の電極１２
を冷却するための冷却管１５と、塩素ガス供給ライン１
６と、塩化ｉｌｌ素供給ライン１７とを具備し、真空容
器１０ａ内に塩素および塩化硼素を導入しつつ、この第
１の電！ｆＡ１２と第２の電極を兼ねた真空容器１０ａ
の内壁との間に高周波電圧が印加されるようになってい
る。

この塩素ガス供給ライン１６および塩化ｌ１１素供給ラ
イン１７は、それぞれバルブ１６ａおよび１７ａと、流
量調整器１６ｂおよび１７ｂを貝面し、流量およびガス
圧を所望の値に調整できるようになっている。また、真
空容器１０ａは、可変弁１８を介して真空排気系に接続
されており、ガス流量およびガス圧をそれぞれ所望の値
に調整できるようになっている。

さらに、磁場コイル３０は定電流電源３１より電力を供
給され、エツチング室１０の真空容器１０ａ内の第１の
電極１２より上方で８７５ガウスの磁場を形成する。そ
してマイクロ波導入系４０から導入される２、４５ＧＨ
ｚのマイクロ波とによって電子サイクロトロン共鳴条件
を満足し、かつ磁束密度は第１の電極１２に近づくにつ
れて単調減少するようになっている。

次に、このドライエツチング装置を用いたエツチング方
法について説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、被処理基体１１を形
成する。すなわち、この被処理基体は、シリコン基板５
１上に、熱酸化によって酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜５
２を形成した後、フｔトリソ法によりこの酸化シリコン
基板５１上にコンタクトホール５３を形成し、さらにこ
のコンタクトホール５３内にバリアメタル層５４として
のチタン膜およびアルミニウムーシリコン合金膜（ＡＳ
ｉ）５５を順次堆積する。なお、このアルミニウムーシ
リコン合金膜はスパッタリングに際し、基体ｆＡ度を高
温にし、表面マイグレーションにより、コンタクトホー
ル５３内を埋め込むように形成されるものとする。

このようにして形成された被処理基体を、第１図に示し
たドライエツチング装置を用いて、第２図＜ｂ＞に示す
ようにコンタク１−ホール５３内にアルミニウムーシリ
コン合金が残置するようにエツチングする。

このときのエツチング条件は、エツチングガスとして塩
素（ＣＩ２＞および塩化硼素（ＢＣｌ２）を主成分とす
る混合ガスを用い、ガス流凸はそれぞれ１７ａｔＩＪｉ
／分、３ａｔｃＩＩ／分、マイタ０波導入系４０による
印加電力は５００Ｗとし、ガス圧は０、ＩＰａ、高周波
電力は５０Ｗとした。また、エツチング中、被処理基体
１１は、基板載置台を兼ねる第１の電極１２内に設置さ
れた冷却管１５を流れる冷媒１９によって冷却され、基
板温度が５０″Ｃ以下となるように保つ。

このようにして、途中までエツチングされたアルミニウ
ムーシリコン合金膜表面は、エツチング残渣も表面荒れ
もなく極めて良好なものとなっている。

従って、この上層に高品質のアルミニウムーシリコン−
銅合金膜を形成し、配線パターンを形成した場合にも極
めて信頼性の高・い半導体装置を＋５ることができる。

さらに、他の条件はそのままにして、ガス圧と高周波電
力とを変化させ、表面荒れの有無を調べた。

このときの結宋を、第３図に示す。ここで、３ａ、３ｂ
はそれぞれアルミニウムーシリコン合金膜のエツチング
表面荒れのあった場合と無かった場合とを示す。この図
かられかるように、同一のガス圧でも、高周波電力を大
きくすることによって表面荒れはなくなる軸向にあり、
表面荒れのないアルミニウムーシリコン合金膜表面をｔ
９るには、ガス圧を低くし、印加する高周波電力を大き
くすれば良いことが分かる。

また、第４図（ａ）に示すように、シリコン基板６１上
に、熱酸化によって酸化シリコン（Ｓｉ０２　）膜６２
、アルミニウムーシリコン−銅合金ＷＡ（ＡＩ−３ｉ−
Ｃｕ）６３を順次堆積し、このアルミニウムーシリコン
−銅合金膜６３上にレジス１−パターン６４を形成した
ものを被処理基体１１とし、前述の被処理基体と同様に
これを、第１図に小したドライエツチング装置を用いて
、第４図（１））に示すようにエツチングする。エツチ
ング条件についても、Ｉｌη述のアルミニウムーシリコ
ン合金膜の場合と全く同様とするものとし、ガス圧と高
周波電力とを変化させ、表面荒れの有無を調べた。

この結果も、第３図に示すように、前述のアルミニウム
ーシリコン合金膜の場合と同様の軸向を示し、表面荒れ
のないアルミニウムーシリコン−銅合金膜表面を得るに
は、ガス圧を低くし、印加する高周波電力を大きくすれ
ば良いことが分かる。

ここで、３ｃ、３ｄはそれぞれアルミニウムーシリコン
ー銅合金膜のエツチング表面荒れのあった場合となかっ
た場合とを示す。

また、放電を起こすことなく、塩素ガスのみでエツチン
グを行い、ガス圧のみを６．７Ｘ１０−２ｐａから２Ｐ
ａまで変化させ、表面荒れの右前を測定した。この場合
、アルミニウム表面の酸化膜は塩素分子とは反応しにく
いため、エツチング初期のみ平滑なエツチング表面が得
られるエツチング条件でプラズマ放電を起こすようにし
、あとは、＠素ガスのみでエツチングをおこなう。これ
により、エツチング初期にはプラズマの存在下で、アル
ミニウム表面の自然酸化膜が除去され、その後は、アル
ミニウムは放電なしで塩素分子と自然にかつ活発に反応
し、エツチングが進行づる。

このような塩素ガスの自然反応のみを利用した反応では
、ガス圧６．７Ｘ１０　　Ｐａから２Ｐａまでの全域に
おいて凹凸の激しい表面荒れが生じた。

この実験の結果から、アルミニウムと塩素分子との自然
反応によるエツチングでは、本質的にエツチング表面が
荒れてしまうことがわかった。

次に、プラズマエツチングと、（塩素分子との）自然反
応によるエツチングとに対し、エツチング速度と、ガス
圧との関係を測定した。

ここで、他の条件は、前述の例の場合と同様とする。こ
の結果を第５図に示す。曲ＰＰ２５ａはプラズマエツチ
ングの場合を示し、曲線５ｂは自然反応によるエツチン
グの場合を示す。これらを比較すると、低ガス圧領域で
は、プラズマエツチングの場合と自然反応によるエツチ
ングの場合とで、関係曲線が大きく異なっていることが
わかる。このことから、低ガス圧領域では、プラズマエ
ツチングの場合、自然反応によるエツチングの場合とは
別のエツチング促進要因を持つものと考えられる。

しかも、同じ領１ｔ５ｃにおいて平滑なエツチング面が
得られている一方、第３図に示した結果かられかるよう
に、ガス圧が同じ場合、高周波電力を増大し印加バイア
ス電圧を増大すると表面荒れが抑制されることから、プ
ラズマエツチングでは、イオンアセス１−効果と、自然
反応とが嬰合し、印加バイアス電圧の増大によりイオン
アシスト効果高めることにより、エツチング面の表面荒
れを防ぐことができるものと考えられる。

そこでこの減少に着目し、バイアス電圧とガス圧との表
面荒れの関係をブロツトシた結果を第６図に示す。ここ
で、６ａ、６ｂはそれぞれアルミニウムーシリコン合金
膜のエツチング表面荒れのあった場合となかった揚台と
を示す。この結果から、エツチング荒れのない平滑なエ
ツチング表面を得るには、重連したように、使用するエ
ツチングガスのガス圧Ｐ〔Ｐａ）とバイアス電圧〔Ｖ〕
との関係が、弐Ｖ＞１４０＋１０１００Ｉｏを満たすよ
うにすれば良いことが分かる。

また、同様にして、アルミニウムーシリコン−銅合金膜
の場合についても実験結果は同様であった。５ｃ、５ｄ
はそれぞれアルミニウムーシリコン−銅合金膜のエツチ
ング表面荒れのあった場合となかった場合とを示す。

しかも第２図に示したような、高温下のスパッタリング
で形成したアルミニウムーシリコン合金膜に対しては、
エツチング終了時のホール内残留膜も十分であることか
ら、コンタクト内への配線形成上の信頼性の向上をはか
ると共に、工程の短縮をはかることができる。

また、従来の方法では、エツチング面の表面荒れが激し
いのみならず、ホール内の膜はほとんどエツチングされ
てしまうため、高アスペクト比のコンタクトホールに対
しては、アルミニウム配線の形成が不可能に近い状態で
あったが、本発明の方法によれば、実現可能である。

また、前記実施例では被処理基体の温度はゼいぜい５０
°Ｃ程度に保つようにしたが、温度を上げて同じ条件で
実験した場合、前記（１）式を満足するエツチング条件
であっても、表面荒れが生じた。

そこで、被処理基体の温度との関係を調べるべく、プラ
ズマエツチングの場合と自然反応によるエツチングの場
合に対し、エツチング速度と被処理基体の温度との関係
を測定した。

この結果、第７図に示すように、自然反応によるエツチ
ングの場合、温度上昇に伴いエツチング速度は大幅に上
昇しているのに対し、プラズマエツチングの場合、温度
上昇に伴いエツチング速度は減少している。

このことから、温度上昇に伴い、自然反応によるエツチ
ングが活性化され、イオンアシスト効果が効力を発生し
なくなってしまうためと考えられる。

このため、被処理基体の温度を５０　’Ｃ以上にする場
合、平滑面を得るための条件は、温度因子ｆ（１）を含
む次式（１′）であられされる。

Ｖ＞１４０＋１００１ｏｃ＋Ｐ＋ｆ（ｔ）（１’　　）
なお、これら実施例では、完全にアルミニウムまたはア
ルミニウム合金膜をエツチングしてしまうことなくエツ
チング面を残す場合について述べたが、本発明の方法は
、このような場合のみならず、通常のパターンエツチン
グの場合にも有効であることはいうまでもない。

すなわち、エツチングの進行が均一であるため、パター
ンエツチングに際して、レジス１へパターンから露呈す
るアルミニウムまたはアルミニウム合金膜表面を完全に
エツチングしてしまうために従来必要であったオーバー
エツチング時間が少なくてすみ、また、下地に際する選
択比の向上をｔよかると共に、ダメージの低減をはかる
ことが可能となる。

なお、これらの実施例では、塩素と三塩化ｔｍ累との混
合ガスをエツチングガスとして用いたが、塩素と四塩化
硅素との混合ガス、塩素と四塩化炭素との混合ガス、四
塩化炭素と三塩化硼素との混合ガス等、他のガスを用い
るようにしてもよい。

このように他のガスを用いた場合は、平坦な表面を得る
ことの出来る条件も自ずから異なる。例えば、塩素と四
塩化炭素との混合ガスをエツチングガスとして用いた場
合には、反応性生物が堆積し表面の平坦化を助長するた
め、平坦な表面を得ることの出来る条件はやや緩かにな
る。このように平坦な表面を得ることの出来る条件は、
ガスによって異なるが、上記式に示した範囲であればよ
い。

また、前記実施例では、アルミニウムおよびアルミニウ
ム合金膜の場合について説明したが、タングステンＷ１
タングステンシリサイドＷＳｉ等他の金属についても、
有効である。

さらに、放電プラズマの形成方式としては、ＥＣＲ方式
に限定されること無く、マグネトロン方式など、０．１
Ｐａ以下の低ガス圧領域で密度の濃いプラズマを得るこ
とのできる方法であれば他の方°法でもよいことはいう
までもない。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の方法によれば、反応
ガスの放電プラズマを発生せしめ、被処理基体上に形成
されたアルミニウムあるいはアルミニウム合金膜のパタ
ーン形成のためのドライエツチングをおこなうに際し、
使用するエツチングガスのガス圧Ｐ〔Ｐａ）とバイアス
電圧〔Ｖ〕との関係が、Ｖ＞１４０＋１００１０ＱＰの
関係式を満たすようにしているため、エツチング残渣が
なく、凹凸の少ない平滑なエツチング面を得ることが可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例のエツチング方法に用いられる
エツチング装置を示す概略図、第２図（ａ）および第２
図（ｂ）は、被処理基体のエツチング前後の状態を示す
図、第３図はガス圧と高周波電力とを変化させた場合の
表面荒れの有無を観察した結果を示す図、第４図（ａ）
および第４図（ｂ）は他の被処理基体のエツチング前後
の状態を示す図、第５図はガス圧とエツチング速度との
関係をプラズマエツチングの場合と自然反応によるエツ
チングの場合とについて測定した結果を示す図、第６図
はバイアス電圧とガス圧とを変化させた場合の表面荒れ
の有無を観察した結果を示す図、第７図は被処理基体の
温度とエツチング速度との関係をプラズマエツチングの
場合と自然反応によるエツチングの場合とについて測定
した結果を示す図、第８図乃至第１１図は従来例の方法
によるアルミニウム合金膜配線の形成工程を示す図であ
る。１０・・・エツチング室、１０ａ・・・真空容器、２０
・・・搬入搬出用予備室、２１．２２・・・ゲートバル
ブ、２３・・・基板搬入アーム、２４・・・基板搬出ア
ーム、１１・・・被処理基板、１２・・・第１の電極、
１３・・・ブロッキングコンデンサ、１４・・・高周波
電源、１５・・・冷却管、１６・・・塩素ガス供給ライ
ン、１７・・・塩化硼素供給ライン、１６ａ、１７ａ・
・・バルブ、１６ｂ、１７ｂ・・・流量調整器、１８・
・・可変弁、１９・・・冷媒、３０・・・磁場コイル、
３１・・・定電流電源、４０・・・マイクロ波導入系、
４１・・・石英窓、５１・・・シリコン基板、５２・・
・酸化シリコン膜、５３・・・コンタクトホール、５４
・・・バリアメタル、５５・・・アルミニウムーシリコ
ン合金膜、５６・・・レジストパターン、６１・・・シ
リコン基板、６２・・・酸化シリコン膜、６３・・・ア
ルミニウムーシリコン−銅合金膜、６４・・・レジスト
パターン。第２図（ｂ）第４図（０）第４図（ｂ）第７図０、ｆ０．５ガス圧力［Ｐｏ］第図がズ圧ｏ　［ＰＣｌ３第６図第９図第１０図（０）第１０図（ｂン第１１図第１０図（Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】表面にアルミニウムあるいはアルミニウム合金膜を含む
被処理基体を、エッチングガスを含む容器内に設置し、
放電プラズマを形成し、該アルミニウムあるいはアルミ
ニウム合金膜をエッチングするドライエッチング方法に
おいて、使用するエッチングガスのガス圧Ｐ〔Ｐａ）とバイアス
電圧〔Ｖ〕との関係が、以下の式を満たすようにしたこ
とを特徴とするアルミニウムおよびアルミニウム合金の
ドライエッチング方法。Ｖ＞１４０＋１００ｌｏｇＰ