JPH05308074A

JPH05308074A - 金属配線の形成方法

Info

Publication number: JPH05308074A
Application number: JP2193691A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamamoto; 浩山本; Yoji Masuda; 洋司益田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1991-02-15
Publication date: 1993-11-19
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JP2954369B2

Abstract

(57)【要約】【目的】生産性の向上を計るとともに、腐食による不
良発生率を低くし歩留りを向上させる。【構成】第１工程で多層金属膜５上にレジストパター
ン６を形成し、第２工程でＡｌ合金膜４を塩素系ガス雰
囲気を用いてエッチングする。このとき塩素系堆積物７
が残留するが、第３工程でレジストパターン６を酸素系
ガス雰囲気を用いてエッチングするときに塩素系堆積物
７はほぼ完全に除去される。第４工程で、ＴｉＷ膜３を
弗素系ガス雰囲気を用いてエッチングする。このとき弗
素系堆積物８が保護膜として残留する。その後、第５工
程で、大気中に取り出し、純水等による洗浄を行って金
属配線とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体基板上に形成
した金属膜をレジストマスクを用いてエッチングを行う
ことによって半導体装置内に金属配線を形成する金属配
線の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置内の金属配線は、絶縁膜上に
堆積したＡｌ（アルミニウム）合金単層膜、またはＡｌ
合金膜と他の金属膜や金属化合物膜とを積層した多層金
属膜を、その上に所望のレジストパターンを形成した後
に、レジストパターンに覆われていない部分をエッチン
グすることによって形成されることが多い。

【０００３】上記のＡｌ合金単層膜および多層金属膜の
中のＡｌ合金膜には、Ａｌに１％程度のＳｉ（珪素）お
よび０．５〜５％のＣｕ（銅）等を加えたものが使用さ
れる。また、他の金属膜には、Ｔｉ（チタン），Ｗ（タ
ングステン），モリブデン，タンタル等の高融点金属の
膜が使用される。他の金属化合物膜には、ＴｉＷ等の高
融点金属間合金や、モリブデンシリサイド，チタンナイ
トライド（ＴｉＮ）等の高融点金属とＳｉ，窒素等との
化合物の膜が使用される。

【０００４】Ａｌ合金単層膜、または多層金属膜の中の
Ａｌ合金膜部分のエッチングは、Ａｌ合金単層膜または
多層金属膜の上にレジストパターンを形成した半導体基
板を、Ｃｌ₂（塩素）およびＢＣｌ₃（三塩化ほう
素），ＣＣｌ₄（四塩化炭素），ＳｉＣｌ₄（四塩化珪
素）等の塩素化合物を主成分とし、ＣＨＣｌ₃（クロロ
ホルム），Ｎ₂（窒素），Ｈｅ（ヘリウム）等を添加し
たガス雰囲気（以下「塩素系ガス雰囲気」という）を満
たした槽内に設置し、高周波放電を行うことによって実
施される。

【０００５】一方、多層金属膜の中のＡｌ合金膜以外の
部分のエッチングは、Ｔｉ膜，ＴｉＮ膜等の場合には、
Ａｌ合金膜と同一のガス系を用いて実施することが可能
である。しかし、Ｗ，モリブデン，タンタルのいずれか
の膜またはそれらのいずれかを主成分とする化合物の膜
の場合には、ＣＦ₄（四弗化炭素），六弗化硫黄等の弗
素化合物を主成分とし酸素等を添加したガス雰囲気（以
下「弗素系ガス雰囲気」という）を用いて実施する。

【０００６】ところが、塩素系ガス雰囲気を用いて多層
金属膜の中のＡｌ合金膜またはＡｌ合金単層膜をエッチ
ングを実施する際、レジストパターン側壁およびエッチ
ングの結果露出されたＡｌ合金膜（またはＡｌ合金単層
膜）の側壁に塩素化合物を含む堆積物（以下「塩素系堆
積物」という）が付着する。この塩素系堆積物を残した
まま半導体基板を大気中に取り出すと、その中に含まれ
た塩素化合物と大気中の水分との反応によって酸が生成
され、その酸によってＡｌ合金膜（またはＡｌ合金単層
膜）が腐食し、配線の断線不良が発生するという問題が
あった。

【０００７】この問題を解決するために、Ａｌ合金単層
膜または多層金属膜の中のＡｌ合金膜を塩素系ガス雰囲
気を用いてエッチングし、さらに多層金属膜であればＡ
ｌ合金膜下の他の金属膜や金属化合物膜を他のガス雰囲
気を用いてエッチングした後、さらに「２段階の処理」
を行った後に大気中に取り出す方法がとられてきた。上
記「２段階の処理」のうち、まず第１段階の処理は、半
導体基板を酸素を主成分とするガス雰囲気（以下「酸素
系ガス雰囲気」という）を満たした槽に移し、高周波放
電によって生成された酸素ラジカルの酸化作用を利用し
てレジストパターンをエッチングし、同時に塩素系堆積
物を除去することである。

【０００８】つぎに第２段階の処理は、半導体基板を弗
素系ガス雰囲気を満たした槽内に設置して高周波放電を
行うことによって、第１段階の処理によっても除去され
ずに残った塩素系堆積物中の塩素化合物を弗素化合物に
置き換えることによって、残留塩素濃度をさらに減少さ
せるとともに、Ａｌ合金膜側壁に弗素化合物を含む堆積
物（以下「弗素系堆積物」という）からなる保護膜を形
成することである。

【０００９】第２段階の処理によって形成される弗素系
堆積物は、大気中の水分や、洗浄用の酸溶液や純水がＡ
ｌ合金膜側壁に直接接触することを防止する効果を有
し、腐食が発生するのを防止するのに有効である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の方法によれば、タングステン（Ｗ），モリブデンまた
はタンタルの高融点金属膜、または、タングステン
（Ｗ），モリブデン，タンタルのうち少なくともいずれ
か１つを含む高融点化合物膜の上に、Ａｌ合金膜が積層
された多層金属膜を形成し、この多層金属膜を加工して
金属配線とする場合に問題がある。この問題について図
面を参照しながら説明する。

【００１１】図４は上記「２段階の処理」を用いた従来
の金属配線の形成方法を示す工程順断面図である。ま
ず、絶縁膜２を形成した半導体基板１上に、高融点金属
化合物膜であるＴｉＷ膜３とＡｌ合金膜４との２層から
なる多層金属膜５を堆積した後、多層金属膜５上にレジ
ストパターン６を形成する（図４(a) ）。

【００１２】その後、Ａｌ合金膜４を塩素系ガス雰囲気
を用いてエッチングする。このときに、レジストパター
ン６およびＡｌ合金膜４の側壁に塩素系堆積物７が残留
する（図４(b) ）。つぎに、ＴｉＷ膜３を弗素系ガス雰
囲気を用いてエッチングする。このときに、塩素系堆積
物７が部分的に除去され、代わりに弗素系堆積物８が残
留する（図４(c) ）。この弗素系ガス雰囲気で塩素系堆
積物７を除去する効果は、酸素系ガス雰囲気を用いて塩
素系堆積物を除去する場合に比較して劣る。したがっ
て、例えば塩素系ガス雰囲気によるエッチングの直後に
酸素系ガス雰囲気によるレジストパターンのエッチング
を行うことのできるＡｌ合金単層膜のエッチングの場合
に比較して、塩素系堆積物の残留量は多くなる。

【００１３】つぎに、上記第１段階の処理として、レジ
ストパターン６を酸素系ガス雰囲気を用いてエッチング
する。このとき、弗素系堆積物８はほぼ完全に除去され
るが、塩素系堆積物７は図４(c) の工程で弗素系ガス雰
囲気に曝されることによって、重合が進行し容易には分
解されずに残留する（図４(d) ）。つぎに、上記第２段
階の処理として、弗素系ガス雰囲気を用いてＡｌ合金膜
４の側壁に弗素系堆積物８による保護膜を形成する。た
だし図４(d) において残留した塩素系堆積物７はこのと
きにも残留する（図４(e) ）。結果的にＡｌ合金単層膜
のエッチングの場合に比較して残留する塩素系堆積物の
量は多くなる。

【００１４】最後に、大気中に取り出し、酸溶液，有機
溶剤，純水等による洗浄をおこなって金属配線とする。
このとき、残留した塩素系堆積物７中に含まれる塩素と
大気中もしくは洗浄液中から吸着した水分との反応によ
って形成される酸によって、Ａｌ合金膜４中に腐食９が
発生することがある（図４(f) ）。このように、多層金
属膜５をエッチングして金属配線を形成する場合は、例
えばＡｌ合金単層膜をエッチングして金属配線を形成す
る場合と比べて、形成工程、特にエッチング工程が長く
なり、生産性が低下する。また、塩素系堆積物７の残留
量が多くなり、腐食９の発生する可能性が高くなる。

【００１５】この発明の目的は、生産性の向上を計るこ
とができるとともに、腐食による不良発生率を低くし歩
留りを向上させることのできる金属配線の形成方法を提
供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明の金属配線の形
成方法は、第１工程と第２工程と第３工程と第４工程と
第５工程とを含み、第２工程から第４工程を多層金属膜
を大気に曝すことなく連続的に実施するものである。第
１工程は、半導体基板上に多層金属膜を構成する高融点
金属膜または高融点金属化合物膜を形成し、この高融点
金属膜または高融点金属化合物膜の上に多層金属膜を構
成するアルミニウム膜またはアルミニウム合金膜とを形
成し、このアルミニウム膜またはアルミニウム合金膜の
上にレジストパターンを形成するものである。

【００１７】第２工程は、塩素もしくは塩素化合物の少
なくとも一方を主成分とするガス雰囲気中でアルミニウ
ム膜またはアルミニウム合金膜をエッチングするもので
ある。第３工程は、酸素を主成分とするガス雰囲気中で
レジストパターンをエッチングするものである。

【００１８】第４工程は、弗素もしくは弗素化合物を主
成分とするガス雰囲気中で高融点金属膜または高融点金
属化合物膜をエッチングするものである。第５工程は、
第４工程終了後に洗浄液により多層金属膜の洗浄を行う
ものである。

【００１９】

【作用】この発明の構成によれば、第１工程でレジスト
パターンを形成した後、第２工程で塩素もしくは塩素化
合物の少なくとも一方を主成分とするガス雰囲気中でア
ルミニウム膜またはアルミニウム合金膜をエッチング
し、第３工程で酸素を主成分とするガス雰囲気中でレジ
ストパターンをエッチングし、第４工程で弗素もしくは
弗素化合物を主成分とするガス雰囲気中で高融点金属膜
または高融点金属化合物膜をエッチングし、第５工程で
洗浄液により多層金属膜の洗浄を行うといった短い工程
で、多層金属膜を加工し金属配線を形成することができ
る。さらに、第３工程において第２工程で発生した塩素
系堆積物をほぼ完全に除去することができるため、第５
工程におけるアルミニウム膜またはアルミニウム合金膜
の腐食の発生を抑えることができる。

【００２０】

【実施例】この発明の一実施例を図面を参照しながら説
明する。図１はこの発明の一実施例の金属配線の形成方
法を説明するための工程順断面図であり、Ａｌ合金膜を
高融点金属化合物膜であるＴｉＷ膜上に積層した多層金
属膜を金属配線に加工する工程を示している。

【００２１】第１工程として、まず、表面が絶縁膜２で
覆われた半導体基板上１に、ＴｉＷ膜３とＡｌ合金膜４
からなる多層金属膜５を堆積する。ただし、図示してい
ないが、半導体基板１表面には半導体装置として必要な
構造が既に形成されており、絶縁膜２の必要な位置には
コンタクト孔が形成されている。また、ＴｉＷ膜３には
例えばＴｉ_0.1Ｗ_0.9の組成のものを、Ａｌ合金膜４に
は例えば０．５％のＣｕを含むものを使用する。そし
て、ＴｉＷ膜３は例えばスパッタ法により２００ｎｍの
膜厚に堆積し、Ａｌ合金膜４は例えばスパッタ法により
７００ｎｍの膜厚に堆積する。つぎに、多層金属膜５上
にレジストパターン６を形成する（図１(a) ）。

【００２２】つぎに、第２工程として、Ａｌ合金膜４を
塩素系ガス雰囲気を用いてエッチングする。このときに
レジストパターン６およびＡｌ合金膜４の側壁に塩素系
堆積物７が残留する（図１(b) ）。つぎに、第３工程と
して、レジストパターン６を酸素系ガス雰囲気を用いて
エッチングする。このとき塩素系堆積物７はほぼ完全に
除去される（図１(c) ）。

【００２３】つぎに、第４工程として、ＴｉＷ膜３を弗
素系ガス雰囲気を用いてエッチングする。このとき弗素
系堆積物８がＡｌ合金膜４およびＴｉＷ膜３の側壁に残
留する（図１(d) ）。その後、第５工程として、大気中
に取り出し、純水等による洗浄を行って金属配線とする
（図１(e) ）。

【００２４】以上のようにこの実施例によれば、短い工
程で、多層金属膜５を加工し金属配線を形成することが
でき、生産性の向上を計ることができる。さらに、第３
工程において塩素系堆積物７をほぼ完全に除去すること
ができるため、第５工程においてＡｌ合金膜４の腐食に
よる不良発生率を低くでき、歩留りを向上させることが
できる。

【００２５】なお、第４工程でのＴｉＷ膜３のエッチン
グ条件は、弗素系堆積物８が十分な保護効果をもち、か
つ第５工程の洗浄において容易に剥がれ落ちないような
適度な量の弗素系堆積物８が形成されるように設定する
ことが望ましい。しかし、十分な量の弗素系堆積物８が
形成されない場合には、ＴｉＷ膜３のエッチング終了
後、大気中に取り出す前に、さらにより弗素系堆積物が
大量に形成される条件で弗素系ガス雰囲気中での放電処
理を行ってもよい。また逆に、弗素系堆積物８の量が多
過ぎる場合には、ＴｉＷ膜３のエッチング終了後、酸素
系ガス雰囲気中での処理を行い、弗素系堆積物８を一部
分除去した後に洗浄を行ってもよい。なお、酸素系ガス
雰囲気中での処理は、ＴｉＷ膜３のエッチング終了後、
大気中に取り出す前でもよいし、大気中に取り出した後
でもよい。

【００２６】この実施例で用いるエッチング装置を図２
に示す。このエッチング装置は、Ａｌ合金膜４のエッチ
ングを行う塩素系エッチング槽２３と、レジストパター
ン６のエッチングを行う酸素系エッチング槽２４と、Ｔ
ｉＷ膜３のエッチングを行う弗素系エッチング槽２５と
が、搬送槽２２を通じてつながれている。なお、２１は
ロードロック槽、２６はバルブである。

【００２７】ＴｉＷ膜３およびＡｌ合金膜４のエッチン
グは、通常の平行平板型反応性エッチング，磁界を加え
たマグネトロン型エッチング，エレクトロサイクロトロ
ン共鳴を利用したＥＣＲ型エッチング等の方法で行う。
レジストパターン６のエッチングは、例えばダウンスト
リーム型エッチングのように、高速イオンの照射による
ダメージ発生の少ない方法で行うことが望ましい。ま
た、放電によって発生した酸素ラジカルの酸化作用を利
用するのではなく、例えば紫外線照射によって発生した
オゾンの酸化作用を利用してエッチングを行うこともで
きる。

【００２８】なお、この実施例では、多層金属膜５を構
成するＡｌ合金膜４として、Ｃｕを０．５％含んだもの
を使用したが、Ｃｕ含有率は０．１ないし５％程度の範
囲で増減させてもよい。また、また他の元素、例えばＳ
ｉ，Ｔｉ等を一種もしくはそれ以上含むＡｌ合金膜を使
用してもよい。ただし、Ｃｕ含有率が高い場合、例えば
２％以上である場合には、従来の方法では腐食が発生す
る確率が高いため、この発明による方法を適用する効果
が顕著に現れる。一方、Ｓｉ含有率が高い場合には、Ａ
ｌ合金膜表面にＳｉ粒が析出し、ＴｉＷ膜３のエッチン
グの際にエッチングされて表面の荒れが発生するため、
Ｓｉを含まないＡｌ合金膜を使用するか、もしくはＳｉ
含有率を０．５％程度以下に抑える方が望ましい。

【００２９】また、この実施例では、多層金属膜５とし
て、Ａｌ合金膜４と高融点金属化合物膜であるＴｉＷ膜
３により構成したが、ＴｉＷ膜３の代わりに、タングス
テン（Ｗ），モリブデンまたはタンタルの高融点金属膜
を用いてもよいし、タングステン（Ｗ），モリブデン，
タンタルのうち少なくともいずれか１つを含む高融点化
合物膜を用いてもよい。

【００３０】さらに、多層金属膜として、図３に示すよ
うに３層ないし４層構造のものを形成してもよい。ま
ず、図３(a) の場合は、コンタクト特性改善のためにＴ
ｉ膜１１，Ｗ膜１０，Ａｌ合金膜４の順に積層した３層
の多層金属膜５ａを加工して金属配線を形成する。図３
(b) の場合は、Ｔｉ膜１１，ＴｉＮ膜１２，Ｗ膜１０，
Ａｌ合金膜４の順に積層した４層の多層金属膜５ｂを加
工して金属配線を形成するものであり、Ｗ膜１０を例え
ばＣＶＤ法を用いて高い段差被膜性を持つ条件で堆積す
ることにより、段差部での金属配線の信頼性を向上する
ことが可能である。この図３(a) ，(b) に示す多層金属
膜５ａ，５ｂにおいて、Ｗ膜１０，Ｔｉ膜１１，ＴｉＮ
膜１２は、いずれもＴｉＷ膜３（図１(d) の第４工程）
と同様に弗素系ガス雰囲気を用いてエッチングすること
が可能であるため、エッチングの時間と条件とを最適化
することのみによって図１に示した場合と同様の工程で
金属配線を形成することができる。また、Ｗ膜１０，Ｔ
ｉ膜１１，ＴｉＮ膜１２のエッチングは、同一条件で行
ってもよいし、それぞれに合わせて最適化した異なる条
件で行ってもよい。

【００３１】つぎに、図３(c) の場合は、ＴｉＷ膜３と
Ａｌ合金膜４との間にその両者の反応を抑制するために
ＴｉＮ膜１２を挟んだ３層の多層金属膜５ｃを加工して
金属配線を形成する。この場合、ＴｉＮ膜１２はＡｌ合
金膜４と同様に塩素系ガス雰囲気を用いてもエッチング
することが可能であるため、第２工程のエッチングの時
間と条件とを最適化することのみによって図１に示した
場合と同様の工程で金属配線を形成することができる。

【００３２】図３(d) の場合は、ＴｉＷ膜３とＡｌ合金
膜４との２層膜の上に反射防止膜として使用するＳｉ膜
１３を積層した３層の多層金属膜５ｄを加工して金属配
線を形成する。この場合、Ｓｉ膜１３はＡｌ合金膜４と
同様に塩素系ガス雰囲気を用いてもエッチングすること
が可能であるため、第２工程のエッチングの時間と条件
とを最適化することのみによって図１に示した場合と同
様の工程で金属配線を形成することができる。

【００３３】図３(e) の場合は、ＴｉＷ膜３とＡｌ合金
膜４との２層膜の上に反射防止膜として使用するＴｉＷ
膜３ａを積層した３層の多層金属膜５ｅを加工して金属
配線を形成する。この場合、ＴｉＷ膜３ａは弗素系ガス
雰囲気を用いてもエッチングできるため、Ａｌ合金膜４
をエッチングする第２工程の前に、弗素系ガス雰囲気に
よるＴｉＷ膜３ａのエッチングを追加することにより、
その後は図１に示した場合と同様の工程で金属配線を形
成することができる。

【００３４】

【発明の効果】この発明の金属配線の形成方法は、第１
工程でレジストパターンを形成した後、第２工程で塩素
もしくは塩素化合物の少なくとも一方を主成分とするガ
ス雰囲気中でアルミニウム膜またはアルミニウム合金膜
をエッチングし、第３工程で酸素を主成分とするガス雰
囲気中でレジストパターンをエッチングし、第４工程で
弗素もしくは弗素化合物を主成分とするガス雰囲気中で
高融点金属膜または高融点金属化合物膜をエッチング
し、第５工程で洗浄液により多層金属膜の洗浄を行うと
いった短い工程で、多層金属膜を加工し金属配線を形成
することができ、生産性の向上を計ることができる。さ
らに、第３工程において第２工程で発生した塩素系堆積
物をほぼ完全に除去することができるため、第５工程に
おけるアルミニウム膜またはアルミニウム合金膜の腐食
による不良発生率を低くでき、歩留りを向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の金属配線の形成方法を説
明するための工程順断面図である。

【図２】同実施例で用いるエッチング装置のブロック図
である。

【図３】この発明の方法によって金属配線を形成するた
めに使用することのできる多層金属膜の５つの例を示す
断面図である。

【図４】従来の金属配線の形成方法を説明するための工
程順断面図である。

【符号の説明】

１半導体基板３ＴｉＷ膜４Ａｌ合金膜５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ多層金属膜６レジストパターン

【手続補正書】

【提出日】平成５年５月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に多層金属膜を構成する高
融点金属膜または高融点金属化合物膜を形成し、この高
融点金属膜または高融点金属化合物膜の上に前記多層金
属膜を構成するアルミニウム膜またはアルミニウム合金
膜とを形成し、このアルミニウム膜またはアルミニウム
合金膜の上にレジストパターンを形成する第１工程と、塩素もしくは塩素化合物の少なくとも一方を主成分とす
るガス雰囲気中で前記アルミニウム膜またはアルミニウ
ム合金膜をエッチングする第２工程と、酸素を主成分とするガス雰囲気中で前記レジストパター
ンをエッチングする第３工程と、弗素もしくは弗素化合物を主成分とするガス雰囲気中で
前記高融点金属膜または高融点金属化合物膜をエッチン
グする第４工程と、前記第４工程終了後に洗浄液により前記多層金属膜の洗
浄を行う第５工程とを含み、前記第２工程から前記第４工程を前記多層金属膜を大気
に曝すことなく連続的に実施する金属配線の形成方法。