JPH0487332A

JPH0487332A - 半導体集積回路装置の製造方法

Info

Publication number: JPH0487332A
Application number: JP20324890A
Authority: JP
Inventors: Zenzo Torii; 鳥居　善三; Kazuo Nojiri; 野尻　一男; Masayuki Kojima; 雅之児島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-03-19
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JP3172168B2

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、半導体集積回路装置の製造技術に関し、特に
配線のドライエツチング加工に適用して有効な技術に関
するものである。

〔従来の技術〕

従来、シリコン（Ｓｌ）基板上に形成される半導体集積
回路の配線材料には、電気抵抗が低い、シリコン酸化膜
との密着性が良い、加工が容易であるなどの理由からア
ルミニウム（ＡＡ）が使用されできた。ところが、半導
体集積回路の高集積化に伴う配線の微細化によってスト
レスマイグレーンヨン（ＳＭ）やエレクトロマイグレー
ション（ＥＭ）に起因するΔｌ配線の断線不良が深刻な
問題となってきたため、Ａｆ配線を合金化（Ｃｕ。

Ｓｉ、Ｐｄなどを添加）したり、ＴｉＷＳＴ＋Ｎなどの
バリヤメタルと積層化したりすることによって配線の高
信頼化を図る積層配線技術が実用化されるようになった
。このような積層配線としては、例えばＴ　ｉＷ／ＡＪ
２−Ｃｕ−３ｉ／Ｔ　ｉＷ。

ＴｉＮ／Ａｊ！−Ｃｕ−３ｉ／ＴｉＮなどの三層配線が
知られている。また、Ａβに代えてＷなどの高融点金属
やそのシリサイド（ＷＳｌｘ）　　を使用する配線技術
も実用化されるようになった。

上記した配線材料を用いて半導体基板上に配線を形成す
るには、スパッタ法またはＣＶＤ法を用いて基板上に上
記配線材料の薄膜を堆積し、次いで上記薄膜上にレジス
トパターンを形成した後、マイクロ波プラズマエツチン
グ装置などを用いて上記薄膜のバターニングを行う。こ
のとき使用するエツチングガスは、配線材料の種類によ
って最適なものが選定され、例えばＴｉＷ、ＴｉＮ、Ｗ
のエツチングにはＳ　Ｆｓ　＋　Ｃ２Ｃ１３Ｆｓ　やＳ
Ｆ＋ｃ２Ｃ，ｆ！Ｆｓ　に代表されるＳＦｓ　　とフロ
ン（フルオロカーボン）との混合ガスが、またＡｌＣｕ
−Ｓｉ合金のエツチングにはＢＣｆｆ１３＋ｃｘ２など
の塩素系ガスがそれぞれ使用されている。

なお、これらのガスを使用した積層配線のドライエツチ
ング加工については、例えば特願平１−３３０２２３号
などに記載がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前記ＴｉＷＳＴｉＮ、Ｗのエツチングに使用
されているＣ２（１，Ｆ、やＣ，ＣＩ！Ｆなどのフロン
ガスは、下記のような理由から、今後の半導体集積回路
装置の製造プロセスでは使用ができなくなると考えられ
ているため、これらのフロンガスに代わる新たなエツチ
ングガスの開発が急務の課題となっている。

■フロンガスは、環境保護の見地からその使用が規制さ
れつつある。

■分子中に炭素（Ｃ）を含有するフロンガスは、側壁保
護膜を形成し易いことから、異方性エツチングに適した
ガスとして利用されてきたが、その反面、炭素はパーチ
クル源ともなり易いため、エツチング装置のクリーン化
の見地から炭素を含有しないガスの使用が望まれている
。

■ＳＦ、＋フロン系混合ガスは、下地ＳｉＯ２膜やレジ
ストに対する選択比が低い。

■ＳＦ、＋フロン系混合ガスの発光スペクトルは、フロ
ン分子中の炭素の存在に起因して広い波形を有している
た６１発光スペクトルによるエツチングの自動終点検出
が困難であり、現状では下地をある程度オーバーエツチ
ングせざるを得ない。

本発明は、上記した課題に着目してなされたものであり
、その目的はフロンガスに代わる新たなエツチングガス
を使用した配線加工技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から胡らかになるであろう
。

〔課題を解決するための手段〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本願の一発明は、半導体基板上に堆積したＴ】Ｗ膜また
はＴｉＮ膜の上にレジストパターンを形成した後、上記
ＴｉＷ膜またはＴｉＮ膜をドライエツチングにより加工
する際、エツチングガスとしてＳＦｓ　とＢＣｌ２とか
らなる混合ガスを使用するものである。

上記混合ガス中、ＳＦ、　は主としてエラチャン）　（
Ｆラジカルなど）を生成するガスであり、Ｂｃｆ、は側
壁にレジストのスパッタ物や塩化物を付着させるガスで
ある。本発明者の実験によれば、ＳＦ、単独でもＴｉＷ
膜（およびＴｉＮ膜）のエツチングは可能であったが、
側壁に保護膜が堆積されないので側壁がアンダーカット
されてしまい、加工後の断面形状が逆テーパーとなった
。一方、ＳＦ６にＢＣＬ　を添加した場合は、側壁に適
度の膜厚の保護膜が形成されるので、異方性エッチング
が可能となり、側壁の断面形状が垂直なパターンを得る
ことができた。上記混合ガス中のＳＦの割合は、３０〜
６０％程度が好ましい。ＳＦの割合が６０％を超えた場
合は、側壁がアンダーカットされる現象が観測された。

また、ＳＦｓの割合が３０％を下回った場合は、ＴｉＷ
膜（およびＴｉＮ膜）のエツチングレートが低下し、レ
ジストの削れ量が増えるため、対レジスト選択比が低下
する現象が観測された。

上記ＳＦ、とＢＣｌ、とからなる混合ガスに少量の窒素
ガスを添加することにより、ＴｉＷ膜（およびＴｉＮ膜
）のアンダーカットをより確実に防止することができる
。本発明者の実験によれば、Ｔ　ｉＷ／Ａｊ２−Ｃｕ−
３ｉ／Ｔ　ｉＷおよびＴｉＮ膜　Ａ　Ｒ−Ｃｕ　−Ｓ　
ｉ　／　Ｔ　ｉ　Ｎからなる三層膜をエツチングする際
、下層のＴｉＷ膜（ＴｉＮ膜）の側壁がアンダーカット
される現象が観測されたが、上記混合ガスに少量の窒素
を添加してエツチングを行った場合には、下層のＴｉＷ
膜（ＴｉＮ膜）のアンダーカットを確実に防止すること
ができた。

窒素の好ましい混合比は、ＳＦ＠　が２０〜６０％程度
、窒素が５〜２０％程度、残りがＢＣｌ３である。なお
、ＳＦ６　とＢＣｌ３　とからなる混合ガスに少量のＡ
ｒガスやＨｅガスを添加した場合にも上記のようなアン
ダーカット防止効果を得ることができた。

本願のもう一つの発明は、半導体基板上に堆積したＷ膜
の上にレジストパターンを形成して上記Ｗ膜をドライエ
ツチングにより加工する際、基板の表面温度を０〜−４
０℃（下部ステージ温度は−４０〜−７０℃）に設定し
、エツチングガスとしてＳＦ、　とｃＬ　　とからなる
混合ガスを使用するものである。

上記混合ガスにおけるＳＦａ　およびＣｌ２のそれぞれ
の作用は、前述したＴｉＷ膜やＴｉＮ膜のドライエツチ
ングにおけるＳＦ、およびＢ　ＣＲｓのそれぞれの作用
とほぼ同じである。すなわち、ＳＦ６は主としてエッチ
ャントを生成するガスであり、Ｃｌ、は側壁にレジスト
のスパッタ物や塩化物を付着させるガスである。本発明
者の実験によれば、ＳＦ、単独でＷ膜をエツチングした
場合は、側壁がアンダーカットされてしまい、加工後の
断面形状が逆テーパーとなってしまったが、Ｃ１２を添
加した混合ガスでエツチングを行った場合は、側壁の断
面形状が垂直となったパターンを得ることができた。上
ｇ己混合ガス中のＣｌ２の割合は、１〜２０％程度が好
ましい。Ｃ１，の割合が１％を下回ると側壁でアンダー
カットが発生する。他方、Ｃ１，の割合が２０％を超え
るとＷ膜のエツチングレートが低下するために、対レジ
スト選択比が低下する。

前述した発明と同様、ＳＦａ　とＣ１，とからなる混合
ガスに少量の窒素ガスを添加することにより、Ｗ膜のア
ンダーカットをより確実に防止することができる。この
効果は、特にＣＶＤ法で堆積したＷ膜にふいて顕著であ
った。その理由としては、ＣＶＤ法で堆積したＷ膜はス
パッタ法で堆積した膜に比べて膜質が疎であるため、ア
ンダーカットが発生し易いからと考えられる。本発明者
の実験によれば、窒素を添加する場合の好ましい混合比
は、Ｃ１２が１〜２５％程度、窒素が５〜２０％程度、
残りがＳＦ、であった。また、本発明で使用する上記混
合ガス（Ｓ　Ｆｓ　＋　ＣＲｘ　またはＳ　Ｆｇ　＋　
ＣＩｌｙ　＋　Ｎ２）をＷシリサイド（ｗｓｌｘ）、ま
たはＷシリサイド／Ｗからなるゲート電極のドライエツ
チングに適用することにより、同様の効果を得ることが
できた。

以下、本発明を実施例により説明する。

〔実施例１〕第４図は、本実施例１で使用するマイクロ波プラズマエ
ツチング装萱（■日立製作所、ｒＭ−３０８ＡＴＪ）１
の要部断面図である。図において２はマグネトロンを内
蔵したマイクロ波発生源、３は上記マイクロ波発生源２
で発生した２、　４５　Ｇ七のマイクロ波を石英ベルジ
ャ４で囲すれたチャンバーに導く導波管である。５およ
び６は上記マイクロ波の電場とそれに対して垂直に形成
される磁場との相互作用によってプラズマ中の電子にサ
イクロトロン運動を生じさせるソレノイドコイルである
。７は下部ステージ、８は半導体ウェハ９は上記半導体
ウェハ８にバイアスを印加する高周波電源、１０は上北
半導体ウェハ８の温度調整を行うサーキュレータである
。１１はチャンバー内を排気する真空ポンプに接続され
た排気管、１２はチャンバー内にエツチングガスを供給
するガス供給管である。

まず第１図（ａ）に示すように、シリコン単結晶からな
る半導体ウェハ８上に５１０２膜２０およびＴｉＷ膜２
１を順次堆積した後、Ｔ　ｉ　Ｖ／膜２１上に所定のパ
ターンを有するレジスト２２を形成した。上記３１０２
　膜２０は、テトラエトキシシランを反応ガスに用いた
プラズマＣＶＤ法で、またＴｉＷ膜２１はスパッタ法で
それぞれ堆積した。

次に、上記半導体ウェハ８をマイクロ波プラズマエツチ
ング装置ｌの下部ステージ７上に載置し、チャンバー内
を排気してウェハ温度を４０℃に設定した後、ガス供給
管１２を通じてチャンバー内にＳＦｓ　　２０ｓｃｃｍ
、ＢＣｊ！ｓ　　５０ｓｃｃｍをそれぞれ供給した。こ
のときのチャンバー内の気圧は、１５ｍｍＴｏｒｒであ
った。続いて２．４５　Ｇ七のマイクロ波を８５０Ｗ供
給し、下部ステージ７に２ＭＨｚのバイアスをＩＯＷ印
加してＴｉＷ１ｇ２１のエツチングを行った（第１図（
ｂ））。このときのＴｉＷ膜２１、レジスト２２、Ｓｉ
’Ｏ，膜２０のエツチングレートは、それぞれ５００ｎ
ｍ／分、３６０ｎｍ／分、５６ｎｍ／分であり、対レジ
スト選択比、対５１０２選択比は、それぞれ１４．９．
０であった。一方、ＳＦｓ　　とＣ２ＣＪ３Ｆとからな
る混合ガスを用いて上記ＴｉＷ膜２１のエツチングを行
った場合におけるＴｉＷ膜２１、レジスト２２．５１０
２　膜２０のエツチングレートは、それぞれ４００１ｍ
／分、４５０ｎｍ／分、１９５ｎｍ／分であり、対レジ
スト選択比、対５ＩＯ２選択比は、それぞれ０．９．２
．１であった。

すなわち、本実施例１のエツチング方法によればＴｉＷ
膜のエツチングレートが従来技術よりも１゜２５倍増加
し、対レジスト選択比、対５１０２選択比がそれぞれ１
．５倍、４．３倍向上した。

なお、上記５１０２膜２０に代えてＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏ
　Ｐｈｏｓｐｈｏ　５ｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）　
、Ｐ　Ｓ　Ｇ、モノシランを反応ガスに用いたプラズマ
ＣＶＤ法で堆積した５１０２膜をそれぞれ用いた場合に
もほぼ同様の結果を得ることができた。

〔実施例２〕第２図（ａ）に示すように、半導体ウェハ８上にＳ＋Ｏ
ｚ膜２０を堆積した後、５１０２膜２０上にＴｉＷ膜２
１ａ１ΔＲ−３ｉ−Ｃｕ合金膜２３、ＴｉＷ膜２１ｂを
順次堆積した後、ＴｉＷ膜２１ｂ上にレジスト２２を形
成した。上記Ｓｉｎ、膜２０は、テトラエトキシシラン
を反応ガスに用いたプラズマＣＶＤ法で、またＴｉＷ膜
２１ａ、２１　ｂ、　Ａｌ−５１−Ｃｕ合金膜２３はス
パッタ法でそれぞれ堆積した。次に、上記半導体ウェハ
８をマイクロ波プラズマエツチング装置１の下部ステー
ジ７上に載置し、チャンバー内を排気してウェハ温度を
４０℃に設定した後、ＴｉＷ膜２１ａ１Ａｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ合金膜２３、ＴｉＷ膜２１ｂを順次エツチングした。

ＴｉＷ膜２１ａ、２１ｂのエツチングには、ＳＦ、　　
とＣ２Ｃｊ’３　Ｆｓ　　とからなる混合ガスを、また
Ａｌ−３ｉ−Ｃｕ合金膜２３のエツチングには、Ｂ（１
，とＣｌ２　とからなる混合ガスをそれぞれ用いた（第
２図Ｑ）））。このとき、Ａｌ−３ｉ−Ｃｕ合金膜２３
のエツチングによって削られるレジスト量は従来と変わ
らなかったが、ＴｉＷ膜２１ａ、２１ｂのエツチングに
よって削られるレジスト量は、ＳＦ６　とＣ，Ｃｊ！Ｆ
３　とからなる混合ガスを用いる従来技術に比べて大幅
に低減された。また、ＴｉＷ膜２１ａをオーバーエツチ
ングした際におけるＳ１０．膜２０の削れ量も従来技術
に比べて大幅に低減された。

〔実施例３〕第３図（ａ）に示すように、シリコン単結晶からなる半
導体ウェハ８上にＢＰＳＧ膜２４膜上４Ｗ膜２５を順次
堆積した後、Ｗ膜２５上にレジスト２２を形成した。上
記ＢＰＳＧ膜２４はＣＶＤ法で、またＷ膜２５はスパッ
タ法でそれぞれ堆積した。

次に、上記半導体ウェハ８をマイクロ波プラズマエツチ
ング装置１の下部ステージ７上に載置し、チャンバー内
を排気して下部ステージ７温度を一６０℃に設定した後
、ガス供給管１２を通じてチ＋７バー内にＳＦｓ　　６
３ｓｃｃｍ、Ｃｊ２ｚ　　７ｓｅｃｍをそれぞれ供給し
た。このときのチャンバー内の気圧は、１０ｍｍＴｏｒ
ｒであった。続いてマイクロ波のパワーを８５０Ｗとし
、下部ステージ７に１３．５６ＭＨｚのバイアスを１２
０Ｗ印加してＷ膜２５のエツチングを行うことにより、
サイドエツチング量０μｍの垂直エツチングを実現する
ことができた（第３図Ｑ）））。また、下部ステージ７
に２．０ＭＨｚのバイアスをＩＯＷ印加した場合も同様
の結果が得られた。一方、ＳＦ、のみによってエツチン
グを行った場合には、Ｗ膜２５がサイドエツチングされ
てしまった。

〔発胡の効果〕

半導体基板上に堆積したＴｉＷ膜またはＴｉＮ膜の上に
レジストパターンを形成した後、上記ＴＩＷ膜またはＴ
ｉＮ膜をドライエツチングにより加工する際、エツチン
グガスとしてＳＦ６　とＢＣｌ、とからなる混合ガスを
使用する本発明によれば、下記の効果を得ることができ
る。

（１）、フロン系ガスを用いることなくＴｉＷ膜、Ｔｉ
Ｎ膜の垂直エツチングを実現することができる。

（２）、ＳＦＧ　＋フロン系混合ガスを用いる従来技術
に比べて、対レジスト選択比および対５１０７選択比が
向上する。

（３）、ＳＦ、、ＢＣｌ３　はいずれも分子中に炭素を
含有しないので、ＳＦｅ　＋フロン系混合ガスを用いる
従来技術に比べて、エツチング装置内のパーチクルを低
減することができる。

（４）、　　Ｓ　Ｆｉ　、ＢＣｆ！ｓ　はいずれも分子
中に炭素を含有しないので、塩素の発光スペクトル（４
０１ｎｍ、４３０ｎｍもしくは３６５ｎｍ）を終点検出
波長として利用することができ、これによりエツチング
の自動終点検出が可能となる。

また、半導体基板上に堆積したＷ膜の上にレジストパタ
ーンを形成した後、上記Ｗ膜をドライエツチングにより
加工する際、エツチングガスとしてＳＦ、とＣｆ、　と
からなる混合ガスを使用することにより、フロン系ガス
を用いることなくＷ膜の垂直エツチングを実現すること
ができ、併せて上記（２）〜（４）の効果を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施例である半導
体集積回路装置の製造方法をそれぞれ示す半導体基板の
要部断面図、第２図（ａ）、（ｂ）は、本発明の他の実施例である半
導体集積回路装置の製造方法をそれぞれ示す半導体基板
の要部断面図、第３図（ａ）、（ｂ）は、本発明のさらに他の実施例で
ある半導体集積回路装置の製造方法をそれぞれ示す半導
体基板の要部断面図、第４図は、マイクロ波プラズマエツチング装置の要部断
面図である。１・・・マイクロ波プラズマエツチング装置、２・・・
マイクロ波発生源、３・・・導波管、４・・・石英ベル
ジャ、５．６・・・ソレノイドコイル、７・・・下部ス
テージ、８・・・半導体ウェハ　９・・・高周波電源、
１０・・・サーキュレータ、１１・・・排気管、１２・
・・ガス供給管、２０・・・ＳｉＯ，膜、２１．２１ａ
、２１ｂ・・・ＴｉＷ膜、２２・・・レジスト、２３・
・　・　Ａｊ＋Ｓ　】Ｃｕ膜、２４・・・ＢＰＳＧ膜、２５・・・Ｗ膜。代理人　弁理士　筒　井　大　和第図弔図２１　：ＴＷ膜２５：Ｗ膜第図２１ａ。２１ｂ：ＴｉｗＨ＾≠− 舅も図

Claims

【特許請求の範囲】１、半導体基板上に堆積したＴｉＷ膜、またはＴｉＮ膜
の上にレジストパターンを形成した後、前記ＴｉＷ膜、
またはＴｉＮ膜をドライエッチングにより加工する際、
エッチングガスとしてＳＦ＿６とＢＣｌ＿３とからなる
混合ガスを使用することを特徴とする半導体集積回路装
置の製造方法。２、前記混合ガスにおけるＳＦ＿６の割合が３０〜６０
％であることを特徴とする請求項１記載の半導体集積回
路装置の製造方法。３、前記混合ガスに窒素ガスを添加することを特徴とす
る請求項１記載の半導体集積回路装置の製造方法。４、半導体基板上に堆積したＷ膜の上にレジストパター
ンを形成した後、前記Ｗ膜をドライエッチングにより加
工する際、前記半導体基板の表面温度を０〜−４０℃に
設定し、エッチングガスとしてＳＦ＿６とＣｌ＿２とか
らなる混合ガスを使用することを特徴とする半導体集積
回路装置の製造方法。５、前記混合ガスにおけるＣｌ＿２の割合が１〜２０％
であることを特徴とする請求項４記載の半導体集積回路
装置の製造方法。６、前記混合ガスに窒素ガスを添加することを特徴とす
る請求項４記載の半導体集積回路装置の製造方法。