JPH06188225A - ドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＴｉＯＮバリヤメタル上にブランケットＣＶ
Ｄ法により積層されたＢブランケットＷ（Ｂｌｋ−Ｗ）
層を、ローディング効果を抑制しながら制御性良くエッ
チバックし、信頼性の高いプラグを形成する。 【構成】 ＴｉＯＮバリヤメタルは元来Ｃｌ^* に対して
エッチング耐性が高く、それ故にローディング効果の防
止に寄与しているが、このエッチバック時に無機カルボ
ニル化合物を用いてＣＯ^* にＯ原子を引き抜かせること
で、上記耐性を若干低下させ、安定したエッチバック特
性を得る。たとえば、第１の工程でＳ₂ Ｆ ₂ ／Ｈ₂ 混合
ガスを用いてＢｌｋ−Ｗ層５を高速にエッチバックした
後、第２の工程でＣｌ₂ ／ＣＯ₂ 混合ガスを用いてＴｉ
／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４をエッチバックすると、
接続孔３内に平坦にＷプラグ５ｓｐを残すことができ
る。

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ドライエッチング方法に関し、特に
酸窒化チタン（ＴｉＯＮ）からなるバリヤメタルと、こ
の上にブランケットＣＶＤ（Ｂｌｋ−ＣＶＤ）法により
積層された高融点金属層とをエッチバックしてプラグを
形成する際に、ローディング効果を抑制し、かつ制御性
を向上させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
にしたがい、デバイス・チップ上では配線部分の占める
割合が増大する傾向にある。これに伴うチップ面積の大
幅な拡大を防止するために、多層配線が今や必須の技術
となっている。従来の配線形成方法としては、アルミニ
ウム系の金属薄膜等をスパッタリング法により形成する
のが一般的であった。しかし、上述のように配線の多層
化が進行し、その結果として基体の表面段差や接続孔の
アスペクト比が増大している状況下では、スパッタリン
グ法のステップ・カバレージの不足に起因する上層配線
と下層配線との間の接続不良が、すでに深刻な問題とな
っている。

【０００３】そこで近年、ＣＶＤ法によりタングステン
（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），タンタル（Ｔａ）等の高
融点金属で接続孔を埋め込み、接続孔の内部にプラグを
形成する技術が提案されている。このＣＶＤ法は、金属
フッ化物や有機金属化合物等のガスを接続孔の底面に露
出した下層配線材料により還元しながら、この接続孔の
内部にのみ選択的に金属層を成長させる選択ＣＶＤ法、
およびウェハの全面に金属層または合金層を厚く成長さ
せるブランケットＣＶＤ（Ｂｌｋ−ＣＶＤ）法の２方法
に大別される。Ｂｌｋ−ＣＶＤ法では、成膜後にエッチ
バックを行うことにより最終的に接続孔の内部にのみプ
ラグを残す。

【０００４】これらの方法には、それぞれ一長一短があ
る。しかし、選択ＣＶＤ法に関しては選択性の安定確
保、ネイルヘッドと呼ばれる過剰成長部のエッチバック
の制御性確保等、製造ラインヘ適用する前に解決しなけ
ればならない問題が多く、現状ではＢｌｋ−ＣＶＤ法の
方が実用化に近いと考えられている。Ｂｌｋ−ＣＶＤ法
に関して最もよく研究されている金属はタングステン
（Ｗ）であり、この方法によるＷ膜の成膜をブランケッ
ト・タングステン（Ｂｌｋ−Ｗ）法と呼ぶこともある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｂｌｋ−Ｗ
法により形成されたＷ層（以下、Ｂｌｋ−Ｗ層と称す
る。）をエッチバックする際には、プラズマ密度や温度
の不均一性に起因する局部的なエッチング速度のバラつ
きを考慮して、通常５〜１０％程度のオーバーエッチン
グが必要である。しかしこのとき、エッチング速度が相
対的に速く、エッチングすべきＢｌｋ−Ｗ層が早く消失
した領域では、反応の相手を失ったラジカルが大過剰と
なってしまう。このラジカルが狭い接続孔内に集中する
と、そこに埋め込まれたバリヤメタルやＢｌｋ−Ｗ層を
大きく浸食するという問題がある。

【０００６】たとえば図４（ａ）に示されるように、下
層配線１１を被覆するＳｉＯ₂ 層間絶縁膜１２に接続孔
１３が開口され、少なくともこの接続孔１３の内壁面を
被覆して薄いＴｉＮバリヤメタル１４が形成され、さら
に、Ｂｌｋ−ＣＶＤ法によりＢｌｋ−Ｗ層１５が形成さ
れている場合を考える。ここで、フッ素系ガスを用いて
上記Ｂｌｋ−Ｗ層１５をエッチバックすると、エッチン
グ速度の速い領域ではバリヤメタル１４の表面が露出し
た段階で早い時期にＦ^* が過剰となる。これがオーバー
エッチングを行っている間に接続孔１３内に埋め込まれ
たＢｌｋ−Ｗ層１５の表面に集中し、図４（ｂ）に示さ
れるように大きく浸食されたＷプラグ１５ｅｐ（添字ｅ
ｐはｅｒｏｄｅｄ ｐｌｕｇの意。）が形成されてしま
う。また、このときのＴｉＮバリヤメタル１４ｒ（添字
ｒはｒｏｕｇｈの意。）の表面には、Ｂｌｋ−Ｗ層１５
の粗いモホロジーが転写されている。

【０００７】さらに、ＴｉＮバリヤメタル１４用に最適
化された条件でエッチバックを続けると、今度はＳｉＯ
₂ 層間絶縁膜１２の表面が露出した時点でラジカルが過
剰となり、これが接続孔１３内に埋め込まれたＴｉＮバ
リヤメタル１４のわずかな露出面に集中する。この結
果、図４（ｃ）に示されるように、大きく浸食されたＴ
ｉＮプラグ１４ｅｐが形成されてしまう。このときのＳ
ｉＯ₂ 層間絶縁膜１２ｒの表面には、Ｂｌｋ−Ｗ層１５
の粗いモホロジーが転写されている。

【０００８】このように、被エッチング材料層の面積の
減少に伴ってラジカルが相対的に過剰となり、急激にエ
ッチング速度が上昇してしまう現象はローディング効果
と呼ばれており、Ｂｌｋ−ＣＶＤ法の実用化を事実上妨
げている原因である。今後の半導体装置の製造分野で
は、デバイス・チップの大型化に伴ってウェハが大口径
化され、しかもスループットの低下を招かないように高
密度プラズマを用いて高速エッチングを行う枚葉式プラ
ズマ・エッチング装置が主流となると予想されるため、
ローディング効果は一層顕著になるものと考えられる。
したがって、その早急な解決策が望まれている。

【０００９】かかるローディング効果の解消手段とし
て、市販の装置等においても適用されている公知技術の
ひとつに、エッチバックをジャストエッチング工程とオ
ーバーエッチング工程の２段階に分け、後者においてエ
ッチング速度を低下させる技術がある。この技術により
たとえばＢｌｋ−Ｗ層のエッチバックを行う場合、ジャ
ストエッチング工程、すなわち実質的に下地が露出する
直前までの工程ではＦ^* を主エッチング種として高速エ
ッチングを行い、オーバーエッチング工程ではＣｌ₂ ／
Ｏ₂ 混合ガスを用いて低速エッチングを行う。ここで、
オーバーエッチング工程で単にＣｌ₂ のみではなく、Ｏ
₂ を添加したエッチング・ガスを使用するのは、エッチ
ング反応生成物としてＷＣｌ₄ Ｏ（沸点２２７．４
℃）、ＷＣｌ₂ Ｏ₂ （沸点２６６℃）等を生成させるた
めである。これらオキシ塩化物は、ＷＣｌ₆ （沸点３４
６．７℃）に比べて蒸気圧が高いため、ガス系へのＯ₂
添加により、低速ながらも円滑なエッチングが進行する
わけである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述の２段階エッチバ
ックにより、一応、Ｂｌｋ−Ｗ層に関してはローディン
グ効果を抑制することが可能となった。しかしこの技術
では、Ｂｌｋ−Ｗ層の下層側にＴｉ系のバリヤメタルが
設けられている場合、接続孔内部でバリヤメタルのみが
浸食されるという問題が生ずる。たとえば、先の図４に
示したケースと同様にＴｉＮバリヤメタル１４上でＢｌ
ｋ−Ｗ層１５をエッチバックする場合について考える
と、図５に示されるように、Ｗプラグ１５ｒｐ（添字ｒ
ｐはｒｏｕｇｈ ｐｌｕｇの意。）の浸食は抑制される
ものの、ＴｉＮプラグ１４ｅｐは大きく浸食された状態
となる。これは、オーバーエッチング時にプラズマ中の
Ｃｌ^*がＴｉと反応し、蒸気圧の高いＴｉＣｌ₄ （沸点
１３６．４℃）を生成するからである。

【００１１】このため本願出願人は、塩素系のエッチン
グ・ガスに対するバリヤメタルのエッチング耐性を向上
させることを目的とし、先に特願平４−１５１００４号
明細書においてバリヤメタルをＴｉＯＮで構成すること
を提案した。この提案は、ＴｉＯＮ膜のエッチング耐性
がＴｉＮ膜のそれに比べて高いという、本発明者の実験
結果にもとづいている。ＴｉＯＮは、酸素含有量が低い
うちはＴｉＮの結晶粒界にＯ原子を偏析させた構造をと
るが、酸素含有量の増大と共に原子間結合エネルギーが
Ｔｉ−Ｎ結合よりも原子間結合エネルギーの大きいＴｉ
−Ｏ結合（６６２ｋＪ／ｍｏｌ；ちなみにＴｉ−Ｎ結合
は４６４ｋＪ／ｍｏｌ）を含むようになると考えられ
る。したがって、十分なエッチング耐性を得るために
は、ＴｉＯＮバリヤメタルの酸素含有量をオーミックコ
ンタクトを保証し得る範囲内で高く設定することが有効
である。

【００１２】しかしながら、かかるＴｉＯＮバリヤメタ
ルのエッチング耐性の高さは、エッチング速度の大幅な
低下や、これに伴う均一性の低下、残渣の発生等につな
がる虞れがある。したがって、プロセス全体としての信
頼性を向上させるためには、このＴｉＯＮバリヤメタル
のエッチング耐性を期待しながらエッチング特性も改善
するという、微妙な制御が必要となる。

【００１３】そこで本発明は、Ｂｌｋ−ＣＶＤ法により
ＴｉＯＮバリヤメタル上に積層された高融点金属層のエ
ッチバックを、ローディング効果を抑制しながら、均一
で信頼性の高いプロセスにて行う方法を提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、ＴｉＯＮバリヤメタルと高融点金属層との積層
膜を、無機カルボニル化合物を含みハロゲン系エッチン
グ種を生成可能なエッチング・ガスを用いてエッチバッ
クするものである。

【００１５】本発明はまた、上記エッチバックの工程を
２段階に分け、前記高融点金属層を実質的に前記ＴｉＯ
Ｎバリヤメタルが露出する直前までエッチバックする第
１の工程ではフッ素系化合物を含むエッチング・ガスを
用い、少なくとも前記ＴｉＯＮバリヤメタルをエッチバ
ックする第２の工程では無機カルボニル化合物を含み、
フッ素系エッチング種以外のハロゲン系エッチング種を
生成可能なエッチング・ガスを用いるものである。

【００１６】本発明はまた、前記第１の工程のエッチバ
ックを、前記エッチング・ガスから解離生成する堆積性
物質を用いて前記高融点金属層の表面を平滑化しながら
行うものである。

【００１７】本発明はさらに、前記ＴｉＯＮバリヤメタ
ルの酸素含有量を１２〜２５原子％とするものである。

【００１８】

【作用】本発明のドライエッチング方法では、ＴｉＯＮ
バリヤメタルと高融点金属層との積層膜をエッチバック
するためのエッチング・ガスとして、無機カルボニル化
合物を含み、かつハロゲン系エッチング種を生成可能な
組成のガスを用いる。ここで、ハロゲン系エッチング種
は、言うまでもなく高融点金属層の主エッチング種とし
て必要な化学種である。このハロゲン系エッチング種
は、次に述べる無機カルボニル化合物から供給されて
も、あるいは別のハロゲン系化合物から供給されても良
い。

【００１９】上記無機カルボニル化合物は、本発明にお
いてユニークな挙動を示すものである。まず、無機カル
ボニル化合物から解離生成するＣＯ^* は強力な還元作用
を有し、ＴｉＯＮバリヤメタルからＯ原子を引き抜くこ
とができる。このことは、原子間結合エネルギーを比較
した場合に、Ｔｉ−Ｏ結合（６６２ｋＪ／ｍｏｌ）に比
べてＣ−Ｏ結合（１０７６ｋＪ／ｍｏｌ）がはるかに大
きいことからも説明できる。Ｏ原子引き抜き後に残った
ＴｉＮは、たとえばＣｌ系等のハロゲン系エッチング種
により容易にエッチングできる。したがって、無機カル
ボニル化合物はＴｉＯＮバリヤメタルのエッチング速度
の向上に寄与するわけである。

【００２０】また、無機カルボニル化合物から解離生成
するＯ^* は、高融点金属層をオキシハロゲン化物の形で
除去することに寄与する。たとえば、Ｗのオキシ塩化物
と塩化物を例として前述したように、一般に高融点金属
のオキシハロゲン化物の蒸気圧は、ハロゲン化物の蒸気
圧をよりも高い。したがって、高融点金属層のエッチバ
ック速度も上昇するわけである。

【００２１】以上が本発明の基本的な考え方であるが、
さらにエッチバック工程を２段階化することにより高速
化や表面平滑化を実現する方法も提案する。まず、高速
化を実現する方法として、高融点金属層を実質的に前記
バリヤメタルが露出する直前までエッチバックする第１
の工程ではフッ素系化合物を含むエッチング・ガスを用
い、少なくとも前記バリヤメタルをエッチバックする第
２の工程では無機カルボニル化合物を含み、フッ素系エ
ッチング種以外のハロゲン系エッチング種を生成可能な
エッチング・ガスを用いる方法を提案する。この方法
は、特に高融点金属層が蒸気圧の高いフッ化物を生成し
得る場合に有効であり、Ｗはその代表例である。

【００２２】この方法によれば、エッチバック・プロセ
スの大部分を占める第１の工程においてエッチバック速
度が上昇することにより、プロセス全体の所要時間が短
縮される。また、第２の工程ではＴｉＯＮバリヤメタル
のエッチバックがプロセスの主体となるため、フッ素系
化学種の以外のハロゲン系化学種を主エッチング種とす
るエッチバックを行う。このとき、高融点金属層の残余
部が存在していれば、これも同時にエッチング除去され
る。第２の工程でフッ素系化学種を除外しているのは、
蒸気圧の低いＴｉＦ_x （フッ化チタン）の生成によりエ
ッチング速度が極端に低下するのを避けるためである。

【００２３】ここで、前記第１の工程において堆積性物
質を生成し得るエッチング・ガスを用いれば、エッチバ
ックと同時に前記高融点金属層の表面を平滑化を行うこ
とが可能となる。つまり、堆積性物質が高融点金属層の
微細な凹凸面に堆積すると、凸部のエッチングが進行す
る間の凹部のエッチング速度を相対的に低く保つことが
できるので、表面凹凸が徐々に解消されてゆくわけであ
る。このように、エッチバック途中で高融点金属層が一
旦平坦化されれば、ＴｉＯＮバリヤメタル、さらには層
間絶縁膜への表面モホロジー転写が起こらなくなる。こ
のことは、後工程において上層配線を形成する場合の密
着性、信頼性の改善につながる。

【００２４】なお、本発明で用いられるＴｉＯＮバリヤ
メタルは、その酸素含有量が１２〜２５原子％である場
合に、特に優れた実用性能を得ることができる。すなわ
ち、本願出願人が先に特願平４−１５１００４号明細書
でも明らかにしたように、１２原子％未満ではリーク電
流が増大し、２５原子％より多い場合には抵抗が上昇し
てしまう。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００２６】実施例１ 本実施例は、Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタルとＢｌｋ
−Ｗ層とを、Ｃｌ₂ ／ＣＯ₂ 混合ガスを用いてエッチバ
ックした例である。このプロセスを、図１を参照しなが
ら説明する。本実施例でエッチング・サンプルとして用
いたウェハを、図１（ａ）に示す。ここまでの工程の概
略は、以下のとおりである。まず、下層配線１上にたと
えばＣＶＤ法によりＳｉＯ₂ 層間絶縁膜２を形成し、こ
のＳｉＯ₂ 層間絶縁膜２に接続孔３を開口し、さらにた
とえばウェハの全面に薄くＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメ
タル４を形成した後、シラン還元法によるＢｌｋ−ＣＶ
Ｄを行って全面にＢｌｋ−Ｗ層５を成長させた。ここ
で、下層配線１は、Ｓｉ基板中に形成された不純物拡散
領域であっても、あるいはＡｌやポリサイド膜のような
他の配線材料層であっても良い。

【００２７】上記Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４
は、図面では単層膜として描かれているが、膜厚約３０
ｎｍのＴｉ層と膜厚約７０ｎｍのＴｉＯＮ層とがこの順
に積層され、全体として約１００ｎｍの厚さに形成され
たものである。このＴｉ層は、オーミック性と密着性を
改善するために設けられている。ＤＣマグネトロン・ス
パッタリングによる成膜条件の一例を、以下に示す。

【００２８】 Ｔｉ層 ：Ａｒ流量 ４０ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．６７ Ｐａ ＤＣパワー ４ ｋＷ ウェハ温度 １５０ ℃ ＴｉＯＮ層：Ar-60% N₂-4% O₂ 流量 ５０ ＳＣＣＭ ガス圧 ０．６７ Ｐａ ＤＣパワー ８ ｋＷ ウェハ温度 １５０ ℃ 上記の条件により成膜されたＴｉＯＮ層の酸素含有量
は、約１４原子％であった。

【００２９】また、上記Ｂｌｋ−Ｗ層５は、一例として
下記の条件で成膜した。 核成長過程：ＷＦ₆ 流量 ２５ ＳＣＣＭ ＳｉＨ₄ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １０．６×１０³ Ｐａ ウェハ温度 ４７５ ℃ 処理時間 ２０ 秒 膜成長過程：ＷＦ₆ 流量 ６０ ＳＣＣＭ Ｈ₂ 流量 ３６０ ＳＣＣＭ ガス圧 １０．６×１０³ Ｐａ ウェハ温度 ４７５ ℃ このようにして成膜されたＢｌｋ−Ｗ層５は、図１
（ａ）に模式的に示されるように、粗い表面モホロジー
を有していた。

【００３０】次に、上記ウェハをＲＦバイアス印加型の
有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセット
し、上記Ｂｌｋ−Ｗ層５およびＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリ
ヤメタル４を一例として下記の条件でエッチバックし
た。 Ｃｌ₂ 流量 ５０ ＳＣＣＭ ＣＯ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー １５０ Ｗ ウェハ温度 室温

【００３１】この過程では、まずＣｌ^* とＯ^* の寄与に
よりＷＣｌ_x Ｏ_y が形成され、このオキシ塩化物の脱離
がＣｌ_x ⁺ ，ＣＯ⁺ 等のイオンの入射エネルギーにアシ
ストされる機構でＢｌｋ−Ｗ層５のエッチバックが進行
した。このガス組成によるエッチバックは、イオン・ア
シスト機構により一定レベルの速度を得てはいるもの
の、Ｆ^* を主エッチング種として用いた場合のように高
速には進行しない。したがって、Ｂｌｋ−Ｗ層５が概ね
エッチングされても、接続孔３の内部まで急激に浸食が
進むことはなかった。

【００３２】エッチバックが進行してＴｉ／ＴｉＯＮ積
層バリヤメタル４が露出すると、ＣＯ^* により上層側の
ＴｉＯＮ層からＯ原子が引き抜かれ、Ｔｉ原子は主とし
てＴｉＣｌ_x Ｏ_y の形で除去された。ただし、ＴｉＯＮ
層はＣｌ^* に対してある程度エッチング耐性を持つの
で、Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４が概ね消失して
も接続孔３の内部まで急激に浸食が進むことはなかっ
た。

【００３３】この結果、図１（ｂ）に示されるように、
ローディング効果を抑制しながら接続孔３をＷプラグ５
ｒｐ（添字ｒｐはｒｏｕｇｈ ｐｌｕｇの意。）および
バリヤメタル・プラグ４ｒｐで埋め込むことができた。

【００３４】実施例２ 本実施例では、同じＢｌｋ−Ｗ層５およびＴｉ／ＴｉＯ
Ｎ積層バリヤメタル４のエッチバックを２段階化し、第
１の工程ではＳ₂ Ｆ₂ ／Ｈ₂ 混合ガスを用いてＢｌｋ−
Ｗ層５をほぼエッチバックし、第２の工程ではＣｌ₂ ／
ＣＯ₂ 混合ガスを用いてＢｌｋ−Ｗ層５の残余部とＴｉ
／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４をエッチバッグした。こ
のプロセスを、図２を参照しながら説明する。なお、図
２の参照符号は、図１と一部共通である。

【００３５】図２（ａ）に、本実施例でエッチング・サ
ンプルとして用いたウェハを示す。これは、図１（ａ）
に示したものと同じである。第１の工程におけるＢｌｋ
−Ｗ層５のエッチバック条件の一例を以下に示す。 Ｓ₂ Ｆ₂ 流量 ５０ ＳＣＣＭ Ｈ₂ 流量 ３０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー １００ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 １０ ℃

【００３６】このエッチバック工程では、Ｆ^* を主エッ
チング種とするラジカル反応がＳＦ _x ⁺ 等のイオンの入
射エネルギーにアシストされる機構でエッチングが進行
した。また、この工程では、Ｓ₂ Ｆ₂ から解離生成する
遊離のＳがＢｌｋ−Ｗ層５の表面に付着し、微細な表面
凹凸の解消に寄与した。Ｓによる表面平坦化は、本願出
願人が先に特開平４−２５０６２３号公報において提案
した技術である。すなわち、微細な凹部にＳが堆積する
過程と、微細な凸部がＦ^* の作用により除去される過程
とが競合することを利用するプロセスである。なお、上
記Ｈ₂ は、Ｓ₂Ｆ₂ から生成するＦ^* の一部を捕捉し、
エッチング反応系のＳ／Ｆ比（Ｓ原子数とＦ原子数の
比）を上昇させてＳの堆積を促進させるために添加され
ている。

【００３７】このエッチバックは、図２（ｂ）に示され
るように下地のＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４が露
出する直前で停止し、平滑な表面を有するＢｌｋ−Ｗ層
５ｓ（添字ｓはｓｍｏｏｔｈの意。）を得た。

【００３８】続く第２の工程では、エッチバック条件を
一例として下記のように変更し、Ｂｌｋ−Ｗ層５ｓの残
余部とＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４をエッチバッ
クした。 Ｃｌ₂ 流量 ５０ ＳＣＣＭ ＣＯ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ５０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 室温 この工程では、ほぼ実施例１で上述した機構にしたがっ
てエッチバックが進行した。ただし、ＲＦバイアス・パ
ワーを大幅に低下させたため、ローディング効果が一層
抑制され、プロセスの制御性も向上した。この結果、接
続孔３は平滑なＷプラグ５ｓｐ（添字ｓｐはｓｍｏｏｔ
ｈ ｐｌｕｇの意。）およびバリヤメタル・プラグ４ｓ
ｐで平坦に埋め込まれた。

【００３９】実施例３ 本実施例では、酸素含有量のやや高いＴｉＯＮ層を含む
バリヤメタルを形成し、第２の工程でＣＯＣｌ₂ （塩化
カルボニル）／Ｏ₂ 混合ガスを用いた。本実施例で用い
たウェハの構成は、先の各実施例で用いたものとほぼ同
様であるが、ＴｉＯＮ層の成膜時に供給する混合ガスの
組成をＡｒ−６０％Ｎ₂ −１０％Ｏ₂ と変更することに
より、成膜されたＴｉＯＮ層の酸素含有量を２２原子％
に高めた。

【００４０】まず、第１の工程では、上記ウェハを有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置にセットし、Ｂ
ｌｋ−Ｗ層５をＳ₂ Ｆ₂ ／Ｈ₂ 混合ガスを用いて実施例
２と同じ条件でエッチバックした。この過程では、気相
中から堆積するＳの効果により、図２（ｂ）に示される
ように平滑な表面を有するＢｌｋ−Ｗ層５ｓが得られ
た。

【００４１】続く第２の工程では、エッチバック条件を
一例として下記のように変更し、Ｂｌｋ−Ｗ層５ｓの残
余部とＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４をエッチバッ
クした。 ＣＯＣｌ₂ 流量 ５０ ＳＣＣＭ ＣＯ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ２０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 室温 この工程では、ＣＯ₂ の他にＣＯＣｌ₂ もＣＯ^* の供給
源となるため、プラズマ中のＣＯ^* 生成量は実施例２の
Ｃｌ₂ ／ＣＯ₂ 系を用いた場合よりも多くなる。このた
め、化学的作用、すなわちＣＯ^* によるＴｉＯＮ層から
のＯ原子の引き抜きが促進され、実施例２の第２の工程
に比べて入射イオン・エネルギーを下げたにもかかわら
ず、円滑にエッチバックを行うことができた。

【００４２】実施例４ 本実施例では、第１の工程でＳＦ₆ ガス、第２の工程で
ＨＣｌ／ＣＯ／Ｏ₂ 混合ガスを用いてエッチバックを行
った。このプロセスを、図３を参照しながら説明する。
なお、図３の参照符号は、図１および図２と一部共通で
ある。エッチング前のサンプル・ウェハの構成を図３
（ａ）に示す。このウェハは、図１（ａ）に示したもの
と同じである。

【００４３】第１の工程におけるＢｌｋ−Ｗ層５のエッ
チバックは、一例として下記の条件で行った。 ＳＦ₆ 流量 ５０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー １００ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 室温 ここで用いられているＳＦ₆ は、Ｓ₂ Ｆ₂ とは異なり分
子のＳ／Ｆ比が小さく、放電解離効率の比較的高いＥＣ
Ｒプラズマ中でも遊離のＳをほとんど生成することはな
い。したがって、この工程ではエッチバック途中でＢｌ
ｋ−Ｗ層５の表面を平滑化することはできない。第１の
工程の終了時付近では、図３（ｂ）に示されるように、
Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４上に粗い表面モホロ
ジーを有するＢｌｋ−Ｗ層５ｒが残る。

【００４４】しかし、Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル
４の表層部を構成するＴｉＯＮ層は、上記のようにＦ^*
含有量の多いプラズマに対してエッチング耐性を示す。
これは、Ｔｉ原子とＦ^* の反応生成物であるＴｉＦ_x の
蒸気圧が低いからである。したがって、ある程度のオー
バーエッチングを行えば、図３（ｃ）に示されるように
Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４上ではＢｌｋ−Ｗ層
５ｒがほぼ除去され、この部分におけるＢｌｋ−Ｗ層５
の表面モホロジーの転写が防止される。ただし接続孔３
の内部には、表面モホロジーの粗いＷプラグ５ｒｐが残
される。

【００４５】続く第２の工程では、一例として下記の条
件でＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４をエッチバッグ
した。 ＨＣｌ流量 ５０ ＳＣＣＭ ＣＯ流量 １０ ＳＣＣＭ Ｏ₂ 流量 １０ ＳＣＣＭ ガス圧 １．３ Ｐａ マイクロ波パワー ８５０ Ｗ（２．４５ ＧＨ
ｚ） ＲＦバイアス・パワー ５０ Ｗ（２ ＭＨｚ） ウェハ温度 室温 この工程では、Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル４がＴ
ｉＣｌ_x Ｏ_y の形で除去され、またこれより低速にてＷ
プラグ５ｒｐの表層部も若干ＷＣｌ_x Ｏ_y の形で除去さ
れた。この結果、図３（ｄ）に示されるように、接続孔
３の内部はＷプラグ５ｒｐと平滑なバリヤメタル・プラ
グ４ｓｐで埋め込まれた。

【００４６】以上、本発明を４例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれら各実施例に何ら限定される
ものではない。たとえば、高融点金属層は、上述のＢｌ
ｋ−Ｗ層の他、Ｍｏ層，Ｔａ層等であっても良い。本発
明で用いられる無機カルボニル化合物としては、上述の
ＣＯ，ＣＯ₂ ，ＣＯＣｌ₂ の他、ＣＯＦ₂ （フッ化カル
ボニル），ＣＯＢｒ₂ （臭化カルボニル），（ＣＯＦ）
₂ （フッ化オキサリル），（ＣＯＣｌ）₂ （塩化オキサ
リル），（ＣＯＢｒ）₂ （臭化オキサリル），ＣＯＳ
（硫化カルボニル）等を用いることができる。ただし、
ＣＯＳ以外の化合物については、エッチバックすべき高
融点金属層の種類に応じて蒸気圧の極端に低い反応生成
物が生成しないよう、分子内に含まれるハロゲン原子の
種類を選択することが肝要である。

【００４７】Ｆ^* の供給源としては、上述のＳ₂ Ｆ₂ や
ＳＦ₆ の他、ＳＦ₂ ，ＳＦ₄ ，Ｓ₂Ｆ₁₀等のフッ化イオ
ウ、あるいはＣｌＦ₃ ，ＮＦ₃ 等を用いることができ
る。このうち、フッ化イオウはＳ供給源を兼ねる。高融
点金属層の表面を平滑化する堆積性物質としてはＳを例
示したが、遊離のＳを生成し得るガス系にさらに窒素系
化合物を添加すれば、ポリチアジル（ＳＮ）_x に代表さ
れる窒化イオウ系化合物を生成させることもできる。

【００４８】また、エッチング・ガスにはスパッタリン
グ効果，冷却効果，希釈効果を得る目的でＨｅ，Ａｒ等
の希ガスを適宜添加しても良い。さらに、サンプル・ウ
ェハの構成、各材料層の成膜条件、エッチバック条件、
使用するエッチング装置等が適宜変更可能であることは
言うまでもない。

【００４９】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のドライエッチング方法によれば、ＴｉＯＮバリヤメ
タルとブランケットＣＶＤ（Ｂｌｋ−ＣＶＤ）法により
形成された高融点金属層との積層膜を、ローディング効
果を抑制しながら、良好な制御性をもってエッチバック
することができる。これにより、層間絶縁膜に開口され
た接続孔に信頼性の高いプラグを形成することができ
る。さらに上記エッチバック過程において堆積性物質を
利用した平滑化を行った場合には、後工程で形成される
上層配線の密着性や信頼性を向上させることも可能とな
る。

【００５０】したがって本発明は、多層配線の信頼性を
大きく向上させ、これにより３次元半導体デバイスの実
用化を推進する上で、極めて産業上の価値の高いもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法を適用したプロ
セス例をその工程順にしたがって示す模式的断面図であ
り、（ａ）は接続孔を被覆してＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリ
ヤメタルおよびＢｌｋ−Ｗ層が形成されたエッチバック
前のウェハの状態、（ｂ）はエッチバック後の状態をそ
れぞれ表す。

【図２】本発明のドライエッチング方法を適用した他の
プロセス例をその工程順にしたがって示す模式的断面図
であり、（ａ）はエッチバック前のウェハの状態、
（ｂ）はＢｌｋ−Ｗ層のエッチバック途中でその表面が
平滑化された状態、（ｃ）はＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤ
メタルがエッチバッグされた状態をそれぞれ表す。

【図３】本発明のドライエッチング方法を適用したさら
に他のプロセス例をその工程順にしたがって示す模式的
断面図であり、（ａ）はエッチバック前のウェハの状
態、（ｂ）はＢｌｋ−Ｗ層のエッチバックの終点付近の
状態、（ｃ）はＢｌｋ−Ｗ層のエッチバッグが終了した
状態、（ｄ）はＴｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタルがエッ
チバッグされた状態をそれぞれ表す。

【図４】従来のＢｌｋ−Ｗ層のエッチバックの問題点を
説明するための模式的断面図であり、（ａ）はエッチバ
ック前のウェハの状態、（ｂ）はバリヤメタルの表面モ
ホロジーが劣化し、ローディング効果によりＢｌｋ−Ｗ
層が浸食された状態、（ｃ）はＳｉＯ₂ 層間絶縁膜の表
面モホロジーが劣化し、ローディング効果によりバリヤ
メタルが浸食された状態をそれぞれ表す。

【図５】従来のＢｌｋ−Ｗ層のエッチバックにおける他
の問題点を説明するための模式的断面図であり、ローデ
ィング効果がＢｌｋ−Ｗ層についてのみ抑制され、バリ
ヤメタルについては抑制されなかった状態を示す。

【符号の説明】

１ ・・・下層配線 ２ ・・・ＳｉＯ₂ 層間絶縁膜 ２ｒ ・・・（表面モホロジーの粗い）ＳｉＯ₂ 層間絶
縁膜 ３ ・・・接続孔 ４ ・・・Ｔｉ／ＴｉＯＮ積層バリヤメタル ４ｒｐ・・・（表面モホロジーの粗い）バリヤメタル・
プラグ ４ｓｐ・・・（平滑な）バリヤメタル・プラグ ５ ・・・Ｂｌｋ−Ｗ層 ５ｒ ・・・（エッチバック途中の表面モホロジーの粗
い）Ｂｌｋ−Ｗ層 ５ｓ ・・・（エッチバック途中の平滑な）Ｂｌｋ−Ｗ
層 ５ｒｐ・・・（表面モホロジーの粗い）Ｗプラグ ５ｓｐ・・・（平滑な）Ｗプラグ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸窒化チタンからなるバリヤメタルと高
   融点金属層との積層膜を、無機カルボニル化合物を含み
   ハロゲン系エッチング種を生成可能なエッチング・ガス
   を用いてエッチバックすることを特徴とするドライエッ
   チング方法。
2. 【請求項２】 酸窒化チタンからなるバリヤメタルと高
   融点金属層との積層膜をエッチバックするドライエッチ
   ング方法において、 フッ素系化合物を含むエッチング・ガスを用いて前記高
   融点金属層を実質的に前記バリヤメタルが露出する直前
   までエッチバックする第１の工程と、 無機カルボニル化合物を含み、フッ素系エッチング種以
   外のハロゲン系エッチング種を生成可能なエッチング・
   ガスを用いて少なくとも前記バリヤメタルをエッチバッ
   クする第２の工程とを有することを特徴とするドライエ
   ッチング方法。
3. 【請求項３】 前記第１の工程では、前記エッチング・
   ガスから解離生成する堆積性物質を用いて前記高融点金
   属層の表面を平滑化しながらエッチバックすることを特
   徴とする請求項２記載のドライエッチング方法。
4. 【請求項４】 前記バリヤメタルを構成する酸窒化チタ
   ンの酸素含有量が１２〜２５原子％であることを特徴と
   する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のド
   ライエッチング方法。