JPH04330724A - 配線形成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造分野等
において適用される配線形成方法に関し、特に層間絶縁
膜上のアルミニウム系材料層をパターニングした後にお
けるアフタ・コロージョンの防止方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の電極配線材料としては、ア
ルミニウム（Ａｌ）、あるいはこれに１〜２％のシリコ
ン（Ｓｉ）を添加したＡｌ−Ｓｉ合金、さらに０．５〜
１％の銅（Ｃｕ）を添加したＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金等の
アルミニウム系材料が広く使用されている。しかし、近
年のようなデバイスの高集積化に伴って接合が一段と浅
くなり、またコンタクト・ホールが一段と微細化されて
くると、拡散層へのＡｌの溶出やコンタクト・ホール中
における電極配線材料からのＳｉの析出等により接合の
破壊や劣化、あるいはコンタクト抵抗の増大等の不良が
起こり易くなる。そのため、電極配線材料とシリコン基
板との間の合金化反応やシリコンの析出を防止する目的
で、両者の間にバリアメタルを設けることが一般化して
いる。このバリアメタルは、通常、遷移金属またはその
窒化物，炭化物，酸窒化物，ホウ化物等の遷移金属化合
物の他、高融点金属シリサイド、合金等で形成される。 また、その構成も単層のみならず、複数の種類の膜が組
み合わせられる場合も多い。たとえば、基板とのオーミ
ック・コンタクトを達成するためのＴｉ層とバリヤ性に
優れるＴｉＯＮ層の組合せはその代表例である。

【０００３】ところで、Ａｌ系材料層の加工においては
、従来からドライエッチング後に発生する腐食、すなわ
ちアフタ・コロージョンが問題となっている。アフタ・
コロージョンの発生メカニズムについては、たとえばセ
ミコンダクター・ワールド１９８９年４月号第１０１〜
１０６ページ　（プレスジャーナル社刊）　に詳述され
ているが、概説すれば以下のとおりである。Ａｌ系材料
層のドライエッチングは、一般に塩素系ガスを使用して
行われている。たとえば、特公昭５９−２２３７４号公
報に開示されるＢＣｌ３　とＣｌ２　の混合ガス系はそ
の代表例である。この結果、エッチング後のパターン部
近傍には反応生成物であるＡｌＣｌ３　やエッチング・
ガスの分解生成物等が必然的に残留する。これらは、ウ
ェハの表面に吸着するのみならず、レジスト・マスクの
内部、あるいは該レジスト・マスクの分解生成物に由来
する側壁保護膜の内部にも取り込まれている。これらの
塩素系の反応生成物やエッチング・ガスの分解生成物が
空気中の水分を吸収して電解質の液滴を形成すると、こ
の液滴中にＡｌが溶出して腐食が発生するわけである。 上記アフタ・コロージョンは、Ａｌ系配線へＣｕが添加
されるようになってから一層深刻化している。それは、
エッチング反応生成物であるＣｕＣｌがその低い蒸気圧
のためにエッチング後もパターン部に残留し、ここに水
分が供給されるとＣｌ−　を電解質とし、ＡｌとＣｕと
を両極とする局部電池が形成されてしまうからである。 さらに、前述のバリアメタル構造、あるいはパターニン
グの精度を向上させるためにＡｌ系材料層の表面にＴｉ
ＯＮ層等が反射防止膜として積層された構造が採用され
た場合にも、アフタ・コロージョンが発生し易くなる。 これらの場合には、パターニングにより異種材料からな
る積層構造部の断面が大気中に露出するため、上述のよ
うな液滴が形成されるとやはり局部電池効果によりアル
ミニウムの溶出が促進されるからである。また、かかる
異種材料界面の微細な隙間は、塩素や塩素化合物が残留
する場を提供してしまう。

【０００４】アフタ・コロージョンを防止するための対
策としては、（ａ）ＣＦ４　やＣＨＦ３　等のフルオロ
カーボン系ガスを用いるプラズマ・クリーニング、（ｂ
）酸素プラズマによるレジスト・パターンのアッシング
除去（以下、レジスト・アッシングと称する。）、（ｃ
）ＮＨ３　ガスによるプラズマ・クリーニング等を行い
、さらに水洗を行う方法、等が知られている。これらの
対策は、いずれも残留塩素の除去を目的とするものであ
る。 すなわち、塩素化合物をハロゲン交換反応により揮発除
去するか、残留塩素を吸蔵するレジスト・パターン自体
を除去して塩素供給源を排除するか、塩素化合物を塩化
アンモニウムのような不活性な化合物に変換するか、あ
るいはこれらと同時に耐蝕性の高いＡｌＦ３　やＡｌ２
　Ｏ３　の被膜をＡｌ系材料層の表面に形成すること等
を通じて、アフタ・コロージョンを抑制するのである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、残留塩
素の除去を目的とする上述の対策をもってしても、アフ
タ・コロージョンを効果的に抑制するには未だ至らない
のが実情である。この原因のひとつとして、下地のスパ
ッタ残渣がパターン側壁部に再付着することが考えられ
ている。近年のドライエッチング技術では、高異方性を
確保するために高い入射イオン・エネルギーが利用され
るようになっており、このことはオーバーエッチング時
における下地のスパッタ除去の機会をも増大させている
。たとえば、酸化シリコンからなる層間絶縁膜上に積層
されたＡｌ系材料層を塩素系ガスを用いてパターニング
する場合、下地の層間絶縁膜が露出する以前にパターン
側壁部には既に残留塩素が吸着もしくは吸蔵されている
。この状態で、層間絶縁膜が露出した後もオーバーエッ
チングを続けると、該層間絶縁膜のスパッタ残渣がパタ
ーン側壁部に堆積し、既に吸着されている残留塩素を封
じ込めてしまう。このような酸化シリコン系再付着物（
以下、単に再付着物と称する。）は、一旦形成されてし
まうと容易に除去することができない。それは、Ａｌ系
材料層のエッチングがもともと酸化シリコンに対して高
選択比を維持した条件で行われていることに加えて、パ
ターン側壁部にはイオンが入射しないからである。しか
も、上記再付着物は、レジスト・マスクを除去するため
の酸素プラズマ・アッシングを行った後にも除去されず
にパターン側壁部に残る。したがって、前述のような種
々のアフタ・コロージョンの防止対策を講じたとしても
、肝心の残留塩素が封じ込められているためになかなか
所望の効果が得られないのである。さらに、この再付着
物は多孔質であるため外部から水分の侵入を許し、かえ
ってアフタ・コロージョンを助長する結果となる。そこ
で本発明は、層間絶縁膜上でＡｌ系材料層をパターニン
グする際に、上述のような酸化シリコン系再付着物を除
去し、アフタ・コロージョンを防止すること可能な配線
形成方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる配線形成
方法は、上述の目的を達成するために提案されるもので
あり、酸化シリコン系材料層の上に積層されたアルミニ
ウム系材料層をパターニングして配線パターンを形成し
た後、被処理基板を加熱しながらＣｌＦ３　を含むガス
を用いてガス・エッチングを施すことにより前記配線パ
ターンの側壁部に堆積した酸化シリコン系再付着物を除
去することを特徴とするものである。

【０００７】

【作用】本発明者は上述の目的を達成するために検討を
行う過程で、上記再付着物が多孔質であることに着目し
、その微細な空隙部にＦ系化学種を侵入させて該再付着
物をエッチング除去することを考えた。この場合、Ｆ系
化学種を生成し得る点のみに注目すれば、たとえばＣＦ
４　等のフルオロカーボン系ガスが使用できるように思
われる。しかし、フルオロカーボン系ガスでは炭素系ポ
リマーが副生するためにパーティクル・レベルを悪化さ
せる虞れが大きい。また、条件によってはＣＦｘ　＋　
の作用により下地の酸化シリコン系材料層（層間絶縁膜
）がイオン・アシスト反応により除去される可能性もあ
る。 したがって、パーティクル汚染を惹起させず、制御性に
優れ、かつ対下地選択性に優れるガスおよびプロセスを
選択することが重要な要件となる。

【０００８】本発明者が選択したＣｌＦ３　を含むガス
によるガス・エッチングは、上述の要件をすべて満たし
ている。ＣｌＦ３　は、加熱により容易にＣｌＦとＦ２
　とに分解するが、これらはイオン化せずに分子状態の
ままエッチング種となる。このうち、主としてＦ２　が
再付着物の内部へ侵入し、これを分解除去する。ＣｌＦ
３　は分子内にＣｌを構成元素として含むものの、その
３倍のモル数のＦも含んでいるため、ＣｌＦ３　自身が
残留塩素を増加させることはない。むしろ、再付着物が
分解除去されてＡｌ系材料層からなる配線パターンの側
壁部が露出した際には、該側壁部の残留塩素をフッ素に
置換して除去することもできる。しかもこの間に、パー
ティクル汚染の原因となるような堆積物は一切発生しな
い。また、ガス・エッチングは純粋に化学的なプロセス
であるため、エッチング速度を加熱温度により容易に制
御することが可能で、しかも優れた対下地選択性を達成
することができる。このように、クリーンな条件下で再
付着物が除去されて初めて残留塩素は除去され易い状態
となり、従来の種々のアフタ・コロージョン防止対策が
意味をなすのである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について、図
１（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。まず、一例
として図１（ａ）に示されるように、酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ２　）からなる層間絶縁膜１上に層厚約３００Åの
Ｔｉ層２、層厚約１０００Åの第１のＴｉＯＮ層３、層
厚約４０００ÅのＡｌ−１％Ｓｉ層４、層厚約３００Å
の第２のＴｉＯＮ層５が順次積層されてなる多層膜６が
形成され、さらにエッチング・マスクとしてフォトレジ
スト・パターン７が形成された被処理基板（ウェハ）を
用意した。ここで、上記Ｔｉ層２と第１のＴｉＯＮ層３
は２層構造のバリヤメタルとして、また第２のＴｉＯＮ
層５はフォトリソグラフィの精度を向上させるための反
射防止膜として、それぞれ設けられているものである。

【００１０】次に、上述のウェハを有磁場マイクロ波プ
ラズマ・エッチング装置にセットし、公知の混合ガス系
により上記多層膜６のエッチングを行った。このときの
条件は、たとえばＢＣｌ３　流量６０ＳＣＣＭ，Ｃｌ２
　流量９０ＳＣＣＭ，ガス圧２．１Ｐａ（１６ｍＴｏｒ
ｒ），マイクロ波パワー８５０Ｗ，ＲＦバイアス・パワ
ー５０Ｗ（２ＭＨｚ）とした。このエッチングにより、
図１（ｂ）に示されるように、それぞれパターニングさ
れた４層の材料層、すなわち第２のＴｉＯＮパターン５
ａ，Ａｌ−１％Ｓｉパターン４ａ，第１のＴｉＯＮパタ
ーン３ａ，Ｔｉパターン２ａからなる配線パターン６ａ
が形成された。このとき、配線パターン６ａの側壁部、
およびフォトレジスト・パターン７の表面および表層内
部には、図中で模式的に表現されるごとく、残留塩素８
が吸着もしくは吸蔵されている。ここで、上記残留塩素
８は、ＡｌＣｌ３　等の反応生成物やエッチング・ガス
の分解生成物等を包括的に示すものである。さらに、ウ
ェハ面内における処理の均一化を図るために、下地の層
間絶縁膜１がウェハ上の一部で露出した後も若干のオー
バーエッチングを行った。その結果、上記層間絶縁膜１
が比較的早く露出した領域ではＢＣｌｘ　＋　，Ｃｌ＋
　等のイオンによる該層間絶縁膜１がスパッタされて上
記配線パターン６ａの側壁部に堆積し、ＳｉＯ２　を主
体とする多孔質の再付着物９が形成された。ただし、図
中では再付着物９の厚さは強調して描かれている。これ
により、少なくとも配線パターン６ａの側壁部に吸着さ
れていた残留塩素８は、再付着物９により封じ込められ
た状態となった。

【００１１】次に、上述のウェハをゲート・バルブを介
してガス供給用配管と加熱ステージを具備してなるガス
・エッチング室に移送し、ウェハ・ステージを介して該
ウェハを約１５０℃に加熱しながら、ＣｌＦ３　流量１
００ＳＣＣＭ，ガス圧１３３Ｐａの条件でガス・エッチ
ングを行った。この過程では、ウェハの表面近傍でＣｌ
Ｆ３　が加熱分解されて生じたＦ２　が多孔質の上記再
付着物９の内部に侵入し、これを分解除去した。この結
果、図１（ｃ）に示されるように、再付着物９により封
じ込められていた残留塩素８は、再び配線パターン６ａ
の表面に露出し、除去可能な状態となった。この段階で
、表面に露出した残留塩素８の一部は除去された。なお
、このガス・エッチングにより、下地の層間絶縁膜１が
何ら除去されることはなかった。

【００１２】次に、上述のウェハをダウンフロー型アッ
シング室に移送し、Ｏ２　流量５０ＳＣＣＭ，ＣＨ３　
ＯＨ流量３０ＳＣＣＭ，ガス圧１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ
），マイクロ波パワー８５０Ｗの条件で酸素プラズマ・
アッシングを行い、残留塩素８を吸着および吸蔵してい
るフォトレジスト・パターン７を除去した。このアッシ
ングにより、図１（ｄ）に示されるように、配線パター
ン６ａの側壁部に吸着していた残留塩素８も徹底的に除
去された。これにより、ウェハを大気中に取り出してか
らアフタ・コロージョンが発生するまでの時間を、従来
の約３倍に延長させることができた。

【００１３】なお、上述の例では多層膜６のエッチング
を有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置で、ガス
・エッチングによる再付着物９の除去をガス・エッチン
グ室で、さらにフォトレジスト・パターン７のアッシン
グをダウンフロー型アッシング装置でそれぞれ行ったが
、これらの処理を単一のチャンバ内で連続工程として行
うことができれば、一層好都合である。このためには、
たとえば前述の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング
装置のウェハ載置電極に適当な加熱機構を付加し、ガス
・エッチング時のみ加熱を行うようにすれば良い。 このような同一チャンバ内の処理が可能となるのも、本
発明のプロセスが何らパーティクル汚染を発生させない
からである。

【００１４】ところで、比較のために、ＣｌＦ３　によ
るガス・エッチングを行わないプロセスも並行して行っ
た。すなわち、前述の図１（ｂ）に示される状態のウェ
ハについてすぐに酸素プラズマ・アッシングを行ったと
ころ、図２（ａ）に示されるようにフォトレジスト・パ
ターン７は除去されたものの、再付着物９は配線パター
ン６ａの側壁部に残存したままであった。この再付着物
９の内部には残留塩素８が封じ込められているため、こ
の状態のウェハを大気中に取り出すと、間もなくＡｌ−
１％Ｓｉパターン４ａにアフタ・コロージョンによる浸
食部１０が形成された。これは、多孔質の再付着物９の
内部を大気中の水分が透過して残留塩素８を溶解するこ
とにより電解質溶液が形成された上に、Ａｌ−１％Ｓｉ
パターン４ａがバリヤメタルや反射防止膜と積層されて
いることによる局部電池効果が加わって、Ａｌの溶解が
促進されたからである。

【００１５】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明を適用すれば酸化シリコン層間絶縁膜の上でＡｌ系材
料層がパターニングされる場合にも、層間絶縁膜のスパ
ッタ除去に起因する再付着物を除去することができ、残
留塩素をパターン側壁部に封じ込めずに済む。したがっ
て、Ａｌ系材料層がバリヤメタルや反射防止膜等と積層
されている場合、あるいは高異方性を確保する観点から
入射イオン・エネルギーを高めた条件でＡｌ系材料層の
エッチングが行われる場合等でも、極めて効果的にアフ
タ・コロージョンを防止することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をバリヤメタル，Ａｌ系材料層，および
反射防止膜からなる多層膜配線の形成に適用したプロセ
ス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であり、
（ａ）はエッチング前のウェハの状態、（ｂ）は多層膜
のパターニングが終了し側壁部に再付着物が堆積した状
態、（ｃ）は再付着物がガス・エッチングにより除去さ
れた状態、（ｄ）はフォトレジスト・パターンと残留塩
素が除去された状態をそれぞれ示す。

【図２】比較のために、再付着物のガス・エッチングを
行わなかった場合のプロセス例をその工程順にしたがっ
て示す概略断面図であり、（ａ）は多層膜のパターニン
グ後すぐにフォトレジスト・パターンを除去した際のウ
ェハの状態、（ｂ）はアフタ・コロージョンが発生した
状態をそれぞれ示す。

【符号の説明】

１　　・・・層間絶縁膜 ２　　・・・Ｔｉ層（バリヤメタル） ３　　・・・第１のＴｉＯＮ層（バリヤメタル）４　　
・・・Ａｌ−１％Ｓｉ層 ５　　・・・第２のＴｉＯＮ層（反射防止膜）６　　・
・・多層膜 ６ａ・・・配線パターン ７　　・・・フォトレジスト・パターン８　　・・・残
留塩素 ９　　・・・再付着物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　酸化シリコン系材料層の上に積層され
   たアルミニウム系材料層をパターニングして配線パター
   ンを形成した後、被処理基板を加熱しながらＣｌＦ３　
   を含むガスを用いてガス・エッチングを施すことにより
   前記配線パターンの側壁部に堆積した酸化シリコン系再
   付着物を除去することを特徴とする配線形成方法。