JPH0338825A - ドライエッチング方法 - Google Patents

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】 ［゛産業上の利用分野〕 本発明はドライエツチング方法に関し、特に金属配線の
ドライエツチング方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体集積回路の配線には一般にアルミニウムが
用いられてきた。しかし、集積回路の高集積化、高速化
が進むにつれ、配線抵抗による遅延、あるいはスＩ−レ
スマイグレｆジョン、エレン１−ロマイグレイシヨン等
、配線材料にアルミニウムを使用することによる数多く
の問題点が生じてきた。このような背景から、両マイグ
レイジョン耐性に優れ、しかも配線抵抗の小さい金ある
いは白金などの貴金属や銅を半導体集積回路の配線材料
といて用いるようになってきた。

貴金属を半導体集積回路の配線材料といて用いた従来の
金属配線の形成技術を、第２図に示す工程順概略縦断面
図を用いて説明する。

ここでの配線材料の構造は、３層の金属層が積層された
楢造であり、最下層の第１の金属層がバリアメタル居、
中間層及び＃＆　士、　Ｒ４（１）第２及び第３の金属
層が貴金属層で構成されている場合について述べる。

まず、第２図（ａ、　）に示すように、所定の拡散層、
絶縁膜等が形成された半導体基板１の表面に、多層配線
の平坦性に優れた有機膜２を形成し、その表面に最下層
の第１の金属層のバリアメタル層３を堆積する。

バリアメタル層３の存存裡由は、中間層及び最」二層の
貴金属の拡散に対するバリア、貴金属の下地との奇着性
の向上、金属配線の耐熱性及び耐マイグレイシゴンチ１
三の向」二等である。

次に、第２図（１〕）に示すように、中間層である第２
の金属層の貴金属層４を、バリアメタル層２上に、スバ
・ソタ蒸着法により積層する。なお、貴金属層４は最」
二層の貴金属層をメ・７−ｉ−法で形成する際の電極と
して利用される。

次に、第２図（Ｃ）に示すように、貴金属層４の表面に
フ４Ｉ〜リソグラフイエ程により微細なレジス１〜パタ
ーン５を形成しｆＳ後、メツキ法により最」二層の第３
の金属層である貴金属層６を形成する。ここで、貴金属
層６はレジス１〜パターン５の間に形成されることから
、形成時点ですでにパターンニンク′されている。

最後に、第２図（ｄ）に示すように、レジストパターン
５を％ｌＩ離してから、パターンニングされた貴金属層
６をマスクにして、貴金属層４及びバリアメタル層３を
ドライエツチング法によりエツチング除去し、３層に積
層された金属配線が完成する。

ここでのトライエツチング法としては、従来、不活性ガ
スをイオン化し電場により加速して用いる単なるイオン
ミリングもしくはＥＣＲ装置を用いた不活性カスと反応
性ガス（ＳＦ６．ＣＦ４などのフロン系ガス、あるいは
ＣＣ＆２Ｆ２などの塩素系カスなどが一般に用いられる
）の混合ガスによる反応性イオンビームエツチング（以
後、ＲＩ　Ｂ　Ｅと略称する）が用いらている。

ここで、第３図に示すＥＣＲ装置を用い、実際にＲＩ　
ＢＥを適用した具体例を示す。

第２図において、有機膜２は約２μｍ、ｉ下層の第１の
金属層であるバリアメタル層３としては約０３μｍのチ
タ〉・・タングステン合金、中間層の第２の金属層であ
る貴金属層４としては約０１μｍのスバ・ソタ蒸着によ
る金、最上層の第３の金属層であるパターン二〉・グさ
れた貴金属層６としては約２μｍのメツキ法による金、
という試料を用いた。

次に、第３図のＥＣＲ装置の説明をするにの装置は、大
口径イオン源を有し、マイクロ波を用い、エツチングす
る装置である。マイクロ波（２，４５Ｇ　Ｈ７，）は導
波管７を用いてイオン化室８へ導入される。イオ〉・化
室８の外周には磁気コイル９が配置され、イオン化室８
内の適当な領域でＥ　ＣＲ条件（磁界中での電子の円運
動周波数がマイクロ波周波数と一致する条件）を満たす
磁束密度（８７５ＧＳ）を生じるようになっている。

イオン化室８の下部にはイオン引き出し用の多孔式電極
１０を配置している。この多孔式電極１０のう　５ ち、上部電極］Ｏａはイオン化室８と同電位、下部電極
１０ｂｉま接地電位とし、イオン化室８にプラス電圧を
印加４−ることにより、多孔式電極１０の２枚の電極間
に電位差を生じさせ、イオン化室８内で作られた。イオ
ンビームを多孔式′ｉ！Ｓ：極１０により加速し、試料
１１に照射するものである。

次に、実際のエツチングについて述べる。流量が約２０
ｓｃｃｍ　（ｓｃ＋ｃｍは０℃、１気圧の下で１分間に
何ＣＣ流れるかを示す５ｔａｎｄａｒｄ　ｃｃ／ｍ１ｎ
ｕｔｅの略）のアルゴンガスを不活性ガスとして用い、
反応性ガスとしては流量か約２０　ｓ　ｃ　ｃ　ｍのＳ
Ｆ６を用い、イオン加速エネルギーは５００Ｑ　Ｖ　、
エツチング中の真空度は］、　Ｏ−’Ｔ　ｏ　ｒ　ｒと
し、５分間のエツチングを行なった。この条件下でのエ
ッチレイトは、金が約１００人／分、チタン・タングス
テン合金が約１３００人、／分、存機膜が約１３００人
／分であった。エツチングされた試料１１を観測したと
ころ、有機膜の表面は第２図（ｄ）に示すようにあれで
いた。

そこで、不活性ガスと反応性ガスの流量比、ガス総流量
（１０〜４．０　ｓ　ｅ　ｃ　ｍ　）　、イオン加速エ
ネルギー（２００〜８００ｅＶ；これは通常の適用範囲
）等を変化させても、いずれも「あｉ″Ｌ１が観測され
た。

（発明か解決しようとする課題］ 貴金属等の重金属を含む積層金属膜のエツチングに、単
なるイオンミリング（真空度が１０−５１”　ｏ　ｒ　
ｌ−程度、イオン加速エネルギーが］−０Ｃ’）　Ｏｅ
ｖ程度）を用いた場合、エツチングのみに着目ずれは、
重金属に対するエツチングが容易であるという利点はあ
るが、一方、単なるイオンミリングは、対象物質に対す
るエツチングレイトの差が小さいことからマスク材の選
択が因難となり、また、スパッタされた物質か再付着す
るという現象もあるため、この方法で微細パターンを形
成すること番ま非常に１４ＩｔｉＧになる。

一方、ＥＣＲ装置内の真空度が１．０−’Ｔｏ　ｒ　ｒ
程度でのＲＩＢＥは、単なるイオンミリングと異なり、
スパッタされた金属原子を反応性カスにより気化させる
ことが可能であり、パターン精度の向上には有効である
。

しかし、Ｒ，Ｔ　Ｂ　Ｅを用いても、従来の技術の例と
して示した積層金属膜の場合、中間層の貴金属層のエツ
チングは主として不活性ガスイオンのスパッタによるた
め、エツチングが不均一になりやすく、かつ、最下層の
バリアメタル層に比べ貴金属のエッチレイトが低いため
、最下層のバリアメタル層のエラー１−フフ面にむらが
生じ、その結果、下地の有機膜のエツチング表面が、第
２図（ｄ）に示したように、あれでしまう。

有機膜のエツチング表面の１あれ」の原因は、局部的に
残存するバリアメタルがエツチングの際にマスクとして
機能するためである。それ故、有機膜のエツチング表面
の「あれ」の存在は、局部的にバリアメタルが残留し、
ひいては、配線間リークが顕著になる傾向を有し、信頼
性という面からも大きな問題となる。

〔課題を解決するための手段〕

第１の金属層であるバリアメタル層が最下層。

第２の金属層が中間層、第３の金属層が最−に層に積層
した３層楊造の金属配線材料を用い、パターン精度クさ
れた第３の金属層をマスクとして第２の金属に４及び第
１の金属層を１〜ライエツチンクして半導体集積回路の
配線を形成する方法において、まず、不活性カスと酸素
カスとの混合ガスを用いて第２の金属層のみをドライエ
ツチングする工程と、次に、不活性ガスと反応性ガスと
の混合ガスを用いて第１の金属層をドライエ・ソチ〉・
グする工程との２段階の工程を有している。

ｒ実施例〕 次に本発明について図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例の工程順概略縦断面図
である。

まず、工程に沿っての概要を述べる。

はじめに、第１図（ａ＞に示すように、所定の拡散層、
絶縁膜等が形成された半導体基板１の表面に、多層配線
の平坦性に優れた有機膜２を約２μｍ形成し、その表面
に最下層の第１の金属層であるバリアメタル層としての
チタン・タングステン層１２を約０．３　）ｔ　ｍ堆積
する。

次に、第１図（ｂ）に示すように、中間層である第２ぴ
）金属層として約０．１μｍの金薄膜１３をチタン・り
〉・クステン層＋２」二に、スバ・ソタ蒸着法により積
層する。なお、金薄ＪＪ８！＋３は最上層の金属層をメ
ツキ法で形成する際の電極として利用される。

次に、第１図（ｃ）に示すように、金薄膜１３の表面に
フォＩ〜リソグラフイエ程により微細なレジメＩ−パタ
ーン５を形成した後、メツキ法により最」二層の第３の
金属層である金パターン１４を約２７１　ｒｒｌ形成す
る。

ｉｆ＆に、第１図（ｄ）に示すように、レジストパター
ン５を剥離してから、金パターン１４をマスクに、まず
、金薄［１３を第１のドライエツチング工程で除去し、
次に、チタン　タングステン層１２を第２のドライエツ
チング工程で除去し、３層に積層された金属配線が完成
する。

次に、本実施例における２段階のドライエツチングの方
法について述べる。

本実施例においても、第３図に示したＥＣＲ装置　０ 置を用いてドライエツチングを行なう。

まず、第１のドライエツチング工程として、不活性ガス
としてのアルゴンガスと酸素ガスの混合カスにより、金
パターン１４をマスクに、金薄膜１３をイオンミリング
の一種であるイオンビームエツチングで除去した。この
イオンビームエツチングは、ＥＣＲ装置で行なうことか
ら、通常のイオミリングより低加速エネルギーで行なう
ことが可能となり、１桁低い真空度の下で行なわれた。

ここで、酸素ガスを添加した目的は、金薄膜１３と下地
のチタン・タングステン層１２とのエツチングの選択比
を高めるためである６アルゴンガスが２０ｓｅｃｍ、酸
素ガスが５　ｓ　ｃ　Ｃｎｌのガス流量、１０−’Ｔｏ
ｒｒの真空度、５００ｅＶのイオン加速エネルギー、と
いう条件下での金薄膜１３のエツチングレイトは約１０
０人／分であり、チタン・タングステン層１２とのエツ
チングの選択比は、約３０であった。２分３０秒間のエ
ッチ〉′グにより、金薄膜１３は１０万倍程度のＳＥＭ
観察では完全に除去され、一方、下地のチタン・タング
ステン層１２の表面の形状も正常であった。

次に、第２のドライエツチング工程として、不活性ガス
としてのアルゴンガスと反応性ガスとしてのＳＦ６との
混合ガスにより、チタン・タングステン層１２をＲ，Ｉ
　Ｂ　Ｅ法によりエツチング除去した。アルゴンガスが
２０ｓｅｃｍ、ＳＦ６も同じ値のガス流量、１０−’Ｔ
ｏｒｒの真空度、５００ｅＶのイオン加速エネルギー、
という従来の技術で例示したのと同じ条件でのエツチン
グを３分間行なった。エツチング終了後の観測では、有
機膜２の表面形状は良好であり、従来の技術に記載した
ような「あれ」は見られなかまた。

次に本発明の第２の実施例について説明する。

工程概要は下記の点を除き、第１の実施例と同じである
。

第２の実施例は、前述の第１の実施例における第２のド
ライエツチング工程に用いた不活性ガスをネオンガスに
変更した。変更の理由は、チタン・タングステン合金１
２のエツチングの際にマスクとなる金パターン１４のス
パッタ率のみを低くするためである。

例えば、ネオンガスの流量を２０ｓｅｃｍとし、他の諸
条件を第１の実施例と同一にしてＰ？、　ＩＢＥを行な
うと、チタン・タングステン合金１２のエッチし・イＩ
・は約１２００人、７７分く第１の実施−１では約１．
３００人／分）となり、多少低くなったが、金パターン
１４では約４００人、７分（第１の実施例では約７００
人、７分〉となり、大幅に低くなった。

上記のＲ，Ｉ　Ｂ　Ｅを、例えば、３分間行なったとこ
ろ、金パターン１４の膜厚の減少量は第１の実施例に比
べて約０．１５μｍ少なかった。

以」二のことから、本実施例はより微細なパターンの形
成に適している。

また、エツチング終了後の観測でも、有機膜２の表面形
状は良好であり、従来の技術に記載したような「あれ」
は見られなかった。

なお、第１及び第２の実施例では、金属配線の下地とし
ては有機膜を、最下層の第１の金属層と３ してはチタン・タングステン合金を、中間層の第２の金
属層としては金を、最上層の第３の金属層としては金を
、反応性ガスとしてはＳＦ６を採用したが、金属配線の
下地としてはシリコン系絶縁膜を、最下層の第１の金属
層としてはチタン、タングステンあるいは窒化チタンを
、中間層の第２の金属層としては白金、銅を、最上層の
第３の金属層としては白金、銅を、反応性ガスとしては
ＣＦ４．Ｃｅ２．ＣＣｅ２Ｆ２等を用イテもよい （発明の効果〕 以上説明したように、最下層がバリアメタル層である３
層に積層された金属配線材料を用い、あらかじめパター
ンニングされた最上層の金属層をマスクにして半導体集
積回路の微細配線を形成する場合、まず、第１段階のド
ライエツチングとして、中間層及び最上層の金属層とバ
リアメタル層のエツチングレイトの選択比の高さを利用
した不活性ガスと酸素ガスの混合ガスを用い、中間層の
金属層をドライエツチングする。

　４ このＩ・ライエツチングはイオンミリングの一種である
イオンビームエツチングであるが、中間層及び最上層の
金属層とバリアメタル層のエツチングレイｌ−の選択比
が充分高いことから、バリアメタルはほとんどスバ・ソ
タされずに中間層及び最上層の金属のみがスパッタされ
る６ また、このイオンビームエ・ソチングが、単なるイオン
ミリングに比べて１桁低い真空の下でかつ低加速エネル
ギーで行なわれることから５．１１５なるイオンミリン
グに比ベスバ・ソタ金属原子に与えられるエネルギーが
低く、′ｉた、酸素ガスの存在か何らかの形で有効に働
くため、単なるイオンミリングにみられたスバ・ソタさ
れた金属原子の再付着が起りに＜＜、バリアメタル上に
は目的とする配線パターンとしての２層に積層した金属
層が完全に残り、配線パターン以外の部分には中間層及
び最上層を楢成する金属粒の残留がほぼ無くなり、パタ
ーン精度を維持したまま次工程に移行できる６ 次に、第２のトライエツチング工程として、第１のドラ
イエツチング工程とは逆に、バリアメタル層に比へ中間
層及び最上層の金属層のエツチングレイトの方が低くな
る不活性ガスと反応性ガスとの混合性ガスにより、最下
層のバリアメタルに対しＲ，Ｉ　Ｂ　Ｅ法によるドライ
エツチングを行なう。

この時、バリアメタル層の方がマスクとなる金属層より
もエツチングレイトが高く、しかも、バリアメタル層が
例えばＳ　Ｆ　６の反応ガスと反応して気化しやすくな
ることから、ドライエツチング工程時にお４する従来例
で見られたバリアメタル層の下地があれるという現象は
発生しない。

これは、エツチング終了時点において、金属配線間に微
細な残留金属が存在しないことを物詰り、本発明のドラ
イエツチング方法により、配線間リークの杷憂が回避さ
れ、高信頼性の配線を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（８）〜（ｄ）は、本発明の実施例を示ず工程順
概略縦断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）は従来の技術を示
す工程順概略縦断面図、第３図は従来及び実施例で用い
るドライエツチング装置の概略断面図である。 ］・・半導体基板、２・・有機膜、３・・・バリアメタ
ル層、４・・・貴金属層、５・・・レジストパターン、
６・・貴金属層、７・・・導波管、８・・イオン化室、
９磁気コイル、１０・多孔式電極、ＩＯａ・・・」二部
電極、Ｊｏｂ・・下部電極、１１・・試料、１２・・チ
タン・タングステン合金層、１３・・金薄膜、１４・金
パターン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の金属層であるバリアメタル層が最下層、第２の金
   属層が中間層、第３の金属層が最上層に積層した３層構
   造の金属配線材料を用い、あらかじめパターンニングさ
   れた前記第３の金属層をマスクとして用いて前記第２の
   金属層及び前記第１の金属層をドライエッチングして半
   導体集積回路の金属配線を形成する方法において、不活
   性ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いて前記第２の金属
   層のみをドライエッチングする第１の工程と、不活性ガ
   スと反応性ガスとの混合ガスを用いて前記第１の金属層
   をドライエッチングする第２の工程とにより、前記金属
   配線材料を用いた金属配線を形成することを特徴とする
   ドライエッチング方法。