JPH07221074A

JPH07221074A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH07221074A
Application number: JP1068394A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Yanagida; 敏治柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-02-01
Filing date: 1994-02-01
Publication date: 1995-08-18
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JP3291885B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ブランケットＣＶＤタングステン層のエッチ
バックにより、平坦性よく接続孔を埋め込むドライエッ
チング方法を提供する。【構成】接続孔６を含む基板上全面に高融点金属層５
をブランケットＣＶＤで形成し、フッ化カルボニル（Ｃ
ＯＦ₂）ガスでエッチバックする。硫化カルボニル（Ｃ
ＯＳ）を用いてもよい。ＣＯ⁺によるイオンモードのエ
ッチングを併用する。【効果】過剰のＦラジカルに基づくマイクロローディ
ング効果を防止でき、異常浸食のないエッチバックが可
能となる。またイオウの堆積とエッチングとの競合反応
を利用して、平滑性の高いエッチバック表面が得られ
る。上述のガスにＦ系ガスを加え、混合比を制御した２
段階エッチングを施すことにより、高速のエッチバック
も可能である。これら効果により、高信頼性のコンタク
トプラグによる多層配線構造が実現できる。

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等の製造分野
で適用されるドライエッチング方法に関し、特にたとえ
ば高融点金属層のエッチバック工程により、電極・配線
等を形成するドライエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化、高
性能化が進展するに伴い、半導体チップ上では配線部分
が占有する面積の割合が増加する傾向にある。これによ
る半導体チップ面積の増大を避けるためには、多層配線
およびコンタクト電極による層間接続が必須のプロセス
となっている。従来、電極・配線形成方法としては、Ａ
ｌやＡｌ合金をスパッタリングにより形成することが広
く行われてきた。しかし、上述のように配線の多層化が
進展し、その結果として半導体基板の表面段差や接続孔
のアスペクト比の増大が顕著となりつつある状況下にお
いては、スパッタリングによる方法ではステップカバリ
ッジの不足による接続不良や断線が重大な問題となって
きた。

【０００３】そこで近年、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ等の高融点金
属層やＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ等の金属を接続孔内に選択
的に成長させて埋め込む、各種の選択ＣＶＤが提案され
ている。この選択ＣＶＤは、金属ハロゲン化物や金属カ
ルボニル、有機金属化合物等のソースガスを、接続孔底
部に露出する下層配線材料により還元して構成金属を選
択的に析出させるものである。しかし、選択ＣＶＤはそ
のバッチ数を重ねると次第にその選択性が劣化し、層間
絶縁膜上等、不所望の部位にも析出する傾向がある。ま
た、ネイルヘッドと呼称される接続孔上の過剰成長部分
のエッチバック除去の制御性に乏しいこと等の未解決の
問題があり、未だ実用レベルに達していないのが現状で
ある。

【０００４】かかる実情に鑑み、選択ＣＶＤに代わって
見直されつつあるのがブランケットＣＶＤによる電極・
配線形成方法である。ブランケットＣＶＤは、成長下地
面の化学的性質のいかんに関わらず、下地全面に選択性
無く析出することからかかる名称が付けられる。一例と
して、接続孔が開口された層間絶縁膜の全面を被覆し
て、この接続孔を埋め込むようにＷ等の高融点金属層を
形成するプロセスが代表例である。なお、ブランケット
ＣＶＤによるＷのコンタクトホール埋め込みに関して一
般的な解説記事が、例えば月間セミコンダクターワール
ド誌１９９０年１１月号２２０ページに掲載されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ブランケッ
トＣＶＤにより高融点金属層を接続孔内に埋め込んで平
坦化し、いわゆるコンタクトプラグとして使用するため
には、層間絶縁膜上にも堆積した不要の高融点金属層の
エッチバックが当然必要となる。このエッチバック工程
では、ウェハ面内における処理の均一性の観点から、例
えば数１０％前後のオーバーエッチングを施すことが通
常行われる。ところが、ブランケットＣＶＤ膜の厚さの
ばらつきや、エッチング装置のプラズマ密度の不均一に
起因して、エッチバック工程中の比較的早い時期に層間
絶縁膜が露出する部分がある。この部分では、反応の相
手、すなわち露出した高融点金属層の減少の結果、エッ
チング種の濃度が他の部分に比して相対的に上昇する。
このため、この部分では局部的にエッチングレートが上
昇し、せっかく続孔内に埋め込まれた高融点金属層やバ
リアメタルが大きく浸食される現象がしばしば見られ
る。このように、同一被エッチング基板上で被エッチン
グ物のパターン密度に疎密が生じる結果、エッチング速
度にばらつきが生じる現象は、一般的にマイクロローデ
ィング効果と呼ばれる。

【０００６】この問題を、図２を参照して説明を加え
る。同図は従来のブランケットＣＶＤによる高融点金属
層のエッチバック工程における問題点を説明する図であ
る。図２（ａ）に示すように、不純物拡散層２を形成し
たＳｉ等の半導体基板１上に、この不純物拡散層２に臨
む接続孔６を開口したＳｉＯ₂等からなる層間絶縁膜３
を形成する。この基板全面を覆うように、ＴｉおよびＴ
ｉＮを順次スパッタリングして密着層兼バリアメタル層
４を形成し、この上にブランケットＣＶＤによりＷから
なる高融点金属層５を形成する。高融点金属層５の表面
は、一般的に微細な凹凸面となって形成される。これは
ブランケットＣＶＤは、微細な柱状結晶の集合体として
成長が進むためである。つぎにエッチバック工程に移る
訳であるが、このときＳＦ₆のようなフッ素系ガスを用
いてエッチバックを行うと、高融点金属層５の薄い部
分、あるいはエッチング速度が大きい領域においては、
密着層兼バリアメタル層４が早い時期に露出し、露出面
付近ではミクロに見てフッ素ラジカル（Ｆ^*）が過剰と
なる。この過剰のＦ^*は、接続孔６に埋め込まれた高融
点金属層５の平坦面に集中し、図２（ｂ）に示すように
オーバーエッチングを行っている間に大きな浸食部７を
発生する。

【０００７】さらにエッチング条件を変え、密着層兼バ
リアメタル層４をＣｌ系ガスでエッチバックすると、今
度は層間絶縁膜３が早期に露出した部分でＣｌ^*が反応
の相手を失うので、この部分で過剰となる。過剰のＣｌ
^*は接続孔の側壁に形成されている密着層兼バリアメタ
ル層４のわずかな露出面に集中しこれをアタックする。
この結果、図２（ｃ）に示すように密着層兼バリアメタ
ル層の深い浸食部８を形成するに至る。また、ブランケ
ットＣＶＤによる高融点金属層の表面モホロジが、その
まま層間絶縁膜３の表面に転写され、層間絶縁膜３の表
面に凹凸が形成される問題もある。

【０００８】ここに述べたマイクロローディング効果に
よるエッチバック形状の不均一やコンタクトプラグ形状
の悪化は、ブランケットＣＶＤによる高融点金属層を用
いる多層配線プロセスの実用化をはばむ一因となってい
る。すなわち、コンタクトプラグに異常浸食部がある
と、上層配線との電気的接続が不完全なものとなり、抵
抗値の上昇、オーミック性の低下、エレクトロマイグレ
ーションの発生等が問題化する。また、コンタクトプラ
グ上に形成する上層配線の平坦性や平滑性が低下するの
で、上層配線のパターニングリソグラフィ時の乱反射に
よる形状悪化も問題である。今後、被エッチング基板の
大口径化が進展し、エッチング装置は枚葉式が主流にな
ると考えられる。このため、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た高速エッチングが求
められるが、枚葉式エッチング装置のプラズマ密度の均
一性にも改善の余地が残されている状況を考えると、マ
イクロローディング効果の影響を受けない高融点金属層
のエッチバック方法の開発が急務となる。

【０００９】そこで本発明の課題は、高融点金属層のエ
ッチバックにおいて、被エッチング基板全面にわたって
異常浸食のない均一な処理が可能なドライエッチング方
法を提供することである。またこれにより、被エッチン
グ基板の全面において、平坦かつ平滑に埋め込まれた高
融点金属のコンタクトプラグを形成し、信頼性の高い多
層配線構造を実現することである。

【００１０】本発明の別の課題は、エッチバックにより
接続孔内に埋め込んだ高融点金属層や層間絶縁膜の表面
を平滑化し、さらにこの上層に形成する上層配線の表面
をも平滑に形成することである。上層配線の平滑化は、
リソグラフィにおける露光光の乱反射を防止し、信頼性
の高い多層配線構造を得る上で重要である。本発明の上
記以外の課題は、本願明細書および添付図面の説明によ
り明らかにされる。

【００１１】

【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、上述の課題を解決するために発案したもので
あり、高融点金属層のエッチバックをＣＯＦ₂（フッ化
カルボニル、ｂｐ＝−８３．１℃）、ＣＯＦＣｌ（フッ
化塩化カルボニル）、ＣＯＦＢｒ（フッ化臭化カルボニ
ル）、ＣＯＦＩ（フッ化ヨウ化カルボニル）および（Ｃ
ＯＦ）₂（フッ化オキサリル、ｂｐ＝２６℃）のうちの
いずれか一種のフッ化カルボニル化合物ガスを用いて施
すものである。

【００１２】また本発明のドライエッチング方法は、高
融点金属層のエッチバックをＣＯＳ（硫化カルボニル、
ｂｐ＝−５０．２℃）を含むエッチングガスを用いて施
すものである。このとき、被エッチング基板温度を制御
することにより、高融点金属層上にイオウを堆積しなが
らエッチバックを行う。

【００１３】さらに本発明のドライエッチング方法は、
高融点金属層のエッチバックを２段階に分け、いずれの
段階のエッチングにおいてもＣＯＦ₂、ＣＯＣｌ₂（塩
化カルボニル、ｂｐ＝８．３℃）、ＣＯＢｒ₂（臭化カ
ルボニル、ｂｐ＝６４，５℃）、ＣＯＩ₂（ヨウ化カル
ボニル）、ＣＯＦＣｌ、ＣＯＦＢｒ、ＣＯＦＩ、（ＣＯ
Ｆ）₂、および（ＣＯＣｌ）₂（塩化オキサリル、ｂｐ
＝６３．４℃）等のハロゲン化カルボニル化合物か、Ｃ
ＯＳのうちのいずれか一種と、Ｆ系ガスとの混合ガスを
用いて施すものであり、２段階目のエッチングにおいて
は、ハロゲン化カルボニル化合物か、ＣＯＳのうちのい
ずれか一種の混合比を高めた条件でエッチングするもの
である。

【００１４】本発明で用いる上記Ｆ系ガスとは特に限定
するものではないが、ＳＦ₆、ＮＦ ₃、ＣＦ₄、ＣｌＦ
₃、ＸｅＦ₂、Ｆ₂等、プラズマ中にＦ^*を放出しうる
一般的なガスのことを言う。

【００１５】

【作用】本発明の第１のポイントは、ＣＯＦ₂をはじめ
とするフッ化カルボニル系化合物を含むエッチングガス
を用いてＷ等高融点金属層のエッチバックを行う点にあ
る。従来より、Ｗをはじめとする高融点金属層のエッチ
バックには、ＳＦ₆をエッチングガスとして用い、ラジ
カル反応を主体とするエッチングが行われている。すな
わち、プラズマ中に発生する多量のＦ^*を主エッチング
種として用い、蒸気圧の大きいＷＦ₆を生成してエッチ
ング系外に除去し、エッチングを進行させていた。この
ため、オーバーエッチング工程において過剰となるＦ^*
によって、大きなマイクロローディング効果が生じてい
たのである。これに対し、本発明で採用したＣＯＦ₂を
はじめとするフッ化カルボニル系化合物は、プラズマ中
にＦ ^*とともにＣＯ^*を生成する。そしてＷのエッチン
グは、反応生成物としてＷＦ ₆の他にＷ（ＣＯ）₆を形
成しながら進行するのである。表１は、ＷＦ₆とＷ（Ｃ
Ｏ）₆の蒸気圧のデータである。

【００１６】

【表１】

【００１７】上表１により明らかなように、Ｗのカルボ
ニル化合物Ｗ（ＣＯ）₆の蒸気圧はＷＦ₆よりは小さ
く、昇華性も小さいことが明らかである。このため、被
エッチング基板上からのＷ（ＣＯ）₆の脱離にはある程
度のエネルギを持つイオン衝撃が必要である。したがっ
て、従来は殆どがラジカル反応で進行していたエッチン
グの形態が、イオンアシストの要素を多く採り入れるモ
ードとなるため、オーバーエッチング時の過剰Ｆ^*に起
因するマイクロローディング効果は激減する。

【００１８】また、Ｗ（ＣＯ）₆から解離生成するＣＯ
^*は、Ｗ等高融点金属層の表面に存在する自然酸化膜を
還元除去する作用を有する。自然酸化膜は、一般的に不
均一に成長したものであるから、その厚さも場所により
不揃いである。このため、ＷＦ₆を用いたプロセスでは
エッチバックの初期において自然酸化膜が除去されるま
でに要するいわゆるインダクションピリオド（Ｉｎｄｕ
ｃｔｉｏｎＰｅｒｉｏｄ）も不均一であり、高融点金
属層表面に凹凸を形成しながらエッチバックが進行して
いた。この問題も、ＣＯＦ₂をはじめとするフッ化カル
ボニル系化合物を含むエッチングガスを用いれば、自然
酸化膜の除去が短時間で完了するので解決でき、平滑な
エッチバック表面を得る一助となるのである。

【００１９】本発明の第２のポイントは、硫化カルボニ
ル（ＣＯＳ）を含むエッチングガスを用いてＷ等高融点
金属層のエッチバックを行う点にある。ＣＯＳは、プラ
ズマ放電により主にＣＯ^*とＳ^*とを生成する。このた
めＷのエッチングは、反応生成物としてＷ（ＣＯ）₆を
形成しながらイオンアシスト反応を主体に進行し、フッ
化カルボニル系化合物によるエッチバックにおける機構
と同様にオーバーエッチング時でのマイクロローディン
グ効果は激減する。

【００２０】また、ＣＯＳから生成するＳ^*は、被エッ
チング基板温度を室温以下に制御することにより遊離の
イオウとして高融点金属層上に堆積する。イオウの堆積
は、イオン入射の少ない高融点金属層の表面の微細な凹
部に残される。このため、高融点金属層表面の微細な凸
部が優先的にエッチングされ、平滑なエッチバック面が
得られる。また先に述べたように、ＣＯ^*による自然酸
化膜除去による平滑化の作用も加わり、高融点金属層表
面の平滑度は一層高まる。なお、ここで言う室温とは、
通常の半導体プロセス用クリーンルームの温度のことで
あり、通常２０〜２５℃前後の温度を言う。

【００２１】以上のように、ＣＯＳはこれ単独でも高融
点金属層のエッチバックが可能であるが、エッチングレ
ートを向上するために、Ｆ系ガスを添加することも効果
的である。

【００２２】エッチバック終了後、被エッチング基板上
に堆積したイオウは、基板温度を９０℃以上に昇温する
と昇華除去されるので、残渣として残ることはなく、パ
ーティクル汚染源となる虞れも無い。

【００２３】本発明の第３のポイントは、ＣＯＦ₂やＣ
ＯＣｌ₂等のハロゲン化カルボニル化合物か硫化カルボ
ニルのいずれか一種と、フッ素系ガスとの混合ガスを用
いて、２段階エッチバックを行うことにある。この際、
後段の第２のエッチバックにおいては、ハロゲン化カル
ボニル化合物か硫化カルボニルのいずれか一種のガスの
混合比を高めた混合ガスを用いる。

【００２４】すなわち、前段のエッチバックにおいて
は、Ｆ^*によるラジカル反応主体の高速エッチバックを
施して高融点金属層を実質的にその層厚を超えない厚さ
だけ除去する。言い換えれば、高融点金属層の厚さの大
部分はラジカルモードの高速エッチングを行う。この
後、高融点金属層の層厚の残部、すなわち下地との界面
近傍においては、Ｆ^*を減少しかつＣＯ^*の割合を高め
ることによって、イオンアシスト反応を主体としたマイ
クロローディング効果の少ないエッチバック条件に切り
替える。この２段階エッチバックの採用により、高速性
と、コンタクトプラグ浸食のない高選択比とを兼ね備え
た高スループット高信頼性のプロセスが実現できる。Ｃ
ＯＳとＦ系ガスを用いた２段階エッチバックにおいて
は、イオウの堆積を併用すれば前述した平滑表面が得ら
れることは同様である。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき説明す
る。

【００２６】実施例１本実施例は、ブランケットＣＶＤにより形成したＷ層の
エッチバックを、ＣＯＦ₂（フッ化カルボニル）により
行った例である。このプロセスを図１を参照して説明す
る。なお、図１においては図２で説明した部分と同様の
箇所については同じ参照番号を付し、その重複する説明
は省略する。

【００２７】まず、一例として図１（ａ）に示すよう
に、予め不純物拡散層２を形成したＳｉ等の半導体基板
１上に、ＳｉＯ₂等の層間絶縁膜３を形成し、この不純
物拡散層に臨む接続孔６を開口する。なお、層間絶縁膜
３の厚さは例えば０．７μｍ、接続孔６の開口径は０．
３５μｍとする。次に全面にＴｉとＴｉＮをこの順にス
パッタリングしてコンフォーマルな密着層兼バリアメタ
ル層４を被着する。密着層兼バリアメタル層４の厚さは
合わせて例えば７０ｎｍである。さらに、接続孔６を埋
め込みかつ層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４
をも被覆して略平坦面を形成するごとく、ブランケット
ＣＶＤによりＷからなる高融点金属層５を形成する。こ
のブランケットＣＶＤは、一例として下記条件によっ
た。まず、ＷＦ₆ ２５ｓｃｃｍＳｉＨ₄ １０ｓｃｃｍガス圧力１．１×１０⁴Ｐａ基板温度４７５ ℃ の条件で２０秒間、Ｗの核形成を行った後、ＷＦ₆ ６０ｓｃｃｍＨ₂ ３６０ｓｃｃｍガス圧力１．１×１０⁴Ｐａ基板温度４７５ ℃ の条件に切り替えて堆積する。なお、密着層兼バリアメ
タル層上の高融点金属層５の厚さは、例えば０．３μｍ
である。接続孔の直上には、成長表面の合わせ目である
シームが形成されている。

【００２８】次に本願の発明部分であるエッチバック工
程に入る。上記被エッチング基板を有磁場マイクロ波プ
ラズマエッチング装置の基板ステージ上にセットし、一
例として下記条件で高融点金属層５のエッチバックを行
う。ＣＯＦ₂ ５０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（２．０ＭＨｚ）被エッチング基板温度常温図１（ｂ）に示すこのエッチング過程においては、ＣＯ
Ｆ₂の解離によりプラズマ中に生成するＦ^*、ＣＯ^*に
よるラジカル反応が、ＣＯ⁺等のイオンにアシストされ
る形でエッチングが進行する。エッチングの形態は、従
来のＳＦ₆によるラジカルモード主体のエッチングに比
較して、イオンアシスト反応を主体としたモードとなっ
ているので、エッチングレートは小さい。

【００２９】従って、Ｔｉ／ＴｉＮからなる密着層兼バ
リアメタル層４の表面が露出した直後にも、露出部分で
Ｆ^*が過剰となることは無く、マイクロローディング効
果は防止された。この結果、図１（ｃ）に示すように接
続孔６内部は高融点金属層５で平坦に埋め込まれた。

【００３０】次に、層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメ
タル層４を必要に応じ下記条件でエッチバックする。Ｃｌ₂ ４０ｓｃｃｍＯ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（２．０ＭＨｚ）被エッチング基板温度常温密着層兼バリアメタル層４のエッチングは高融点金属層
５や層間絶縁膜３との選択性を保って進行し、この結
果、図１（ｄ）に示すように接続孔６内は高融点金属層
５と密着層兼バリアメタル層４により平坦に埋め込ま
れ、浸食部の発生はみられなかった。

【００３１】本実施例では、エッチングレートこそ若干
小さいものの、マイクロローディング効果による異常な
浸食部のない、平坦な埋め込み表面を有するコンタクト
プラグが形成できる。また高融点金属層のエッチバック
を一段階で、しかも単一のエッチングガスで処理できる
ことはプロセスの簡略化に寄与する。勿論、他のＦ系ガ
スを添加してエッチングレートを高めた状態でエッチバ
ックを行っても良い。

【００３２】実施例２本実施例は、ブランケットＣＶＤにより形成したＷ層の
エッチバックを、ＣＯＳ（硫化カルボニル）を含むガス
により行った例である。このプロセスも図１を参照して
説明する。なお、図１（ａ）に示す本実施例の被エッチ
ング基板と、エッチング装置は実施例１と同じであるの
で説明は省略する。

【００３３】図１（ａ）に示す被エッチング基板を一例
として下記条件によりエッチバックし、下地である層間
絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４が露出した時点
でエッチングを停止した。ＣＯＳ２５ｓｃｃｍＳＦ₆ ２５ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（２．０ＭＨｚ）被エッチング基板温度０ ℃ このエッチング過程においては、被エッチング基板を低
温に冷却しているのでＦ ^*を主体とするラジカルの反応
性が抑制されている。併せて、ＣＯＳによりエッチング
反応系のラジカル成分が低減するので、密着層兼バリア
メタル層４の表面が露出した直後にも、露出部分でＦ^*
が過剰となることは無く、マイクロローディング効果は
有効に防止された。

【００３４】また、ＣＯＳから解離生成したＳ^*は遊離
のイオウとなって高融点金属層上に堆積し、エッチング
とデポジションの競合反応を伴いつつ平滑なエッチバッ
クが進行する。またＣＯ^*、ＣＯ⁺の還元作用により高
融点金属層表面の自然酸化膜の除去も手伝い、図１
（ｃ）に示すように、接続孔６の内部に埋め込まれ高融
点金属層５の表面は極めて平滑なものである。また、ブ
ランケットＣＶＤによる堆積直後の粗い表面モホロジ
が、層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４の表面
に転写されることもない。

【００３５】高融点金属層５のエッチバック終了後、必
要に応じて層間絶縁膜３上に露出している密着層兼バリ
アメタル層４を実施例１と同じエッチング条件でエッチ
ングし除去し、図１（ｄ）に示すように接続孔６内は高
融点金属層５と密着層兼バリアメタル層４により極めて
平滑に、そして平坦に埋め込まれ、浸食部の発生はみら
れなかった。

【００３６】本実施例では、マイクロローディング効果
の防止効果に併せて、エッチバックされた表面の平滑性
に優れるので、上層に形成する層間絶縁膜や上層配線の
表面モホロジを向上する効果がある。

【００３７】実施例３本実施例は２段階エッチバックを採用し、塩化カルボニ
ル（ＣＯＣｌ₂）とＦ系ガスとしてＳＦ₆の混合ガスに
より、その混合比を変えてエッチングした例である。本
実施例も図１を参照して説明する。なお、図１（ａ）に
示す本実施例の被エッチング基板と、エッチング装置は
実施例１と同じであるので説明は省略する。

【００３８】図１（ａ）に示す被エッチング基板を一例
として下記条件によりエッチバックし、下地である層間
絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４が露出する直前
で停止した。エッチング終点は予め同一高融点金属層を
同一条件でエッチングし、そのエッチングレートを測定
しておき、エッチング経過時間に基づき判定した。ＣＯＣｌ₂ １０ｓｃｃｍＳＦ₆ ４０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（２．０ＭＨｚ）被エッチング基板温度常温このエッチング過程では、ＳＦ₆の解離によりプラズマ
中に大量に生成するＦ^*によるラジカル反応が、Ｃ
ｌ⁺、ＣＯ⁺、ＳＦ⁺等のイオンによりアシストされる
機構でエッチングが進行するので、エッチングレートは
大きい。この結果、図１（ｂ）に示すように、高融点金
属層５の厚さ方向の大部分はエッチングされ、高融点金
属層５の厚さ方向の残余部５ａが僅かに残される。

【００３９】次に、一例としてエッチング条件を下記の
ように切り替え、高融点金属層の残余部５ａをエッチバ
ックし、層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４が
露出した時点で停止する。ＣＯＣｌ₂ ２０ｓｃｃｍＳＦ₆ ３０ｓｃｃｍガス圧力１．３Ｐａマイクロ波パワー８５０Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２００Ｗ（２．０ＭＨｚ）被エッチング基板温度０ ℃ このエッチング過程では、ＣＯＣｌ₂の混合比増大によ
りエッチング反応系のラジカル成分が低減することに併
せて、被エッチング基板を低温冷却するので、ラジカル
反応が抑制されることにより、極めて有効にマイクロロ
ーディング効果が防止できる。この結果、図１（ｃ）に
示すように、接続孔６内には高融点金属層５が平坦に埋
め込まれ、異常浸食の発生はなかった。

【００４０】高融点金属層５のエッチバック終了後、必
要に応じて層間絶縁膜３上に露出している密着層兼バリ
アメタル層４を実施例１と同じエッチング条件で除去
し、図１（ｄ）に示すように接続孔６内は高融点金属層
５と密着層兼バリアメタル層４により平坦に埋め込ま
れ、浸食部の発生はみられなかった。

【００４１】本実施例によれば、高速エッチバックと、
マイクロローディング効果のない高選択比条件でのエッ
チバックとを組み合わせることにより、スループットに
優れ、また平坦性に富んだコンタクトプラグの形成が可
能であので、極めて実用的なプロセスを実現できる。

【００４２】また、本実施例ではＣＯＣｌ₂とＦ系ガス
の組み合わせを用いたが、ＣＯＳとＦ系ガスの混合ガス
を用い、イオウの堆積を利用すれば、極めて平滑性に富
んだエッチバック表面と高速エッチングとを合わせ実現
できる。

【００４３】さらに、本実施例の趣旨を延長すれば、第
１段のエッチバックではＳＦ₆等Ｆ系ガスのみで高速エ
ッチングし、後段でＣＯＣｌ₂等ハロゲン化カルボニル
化合物ないしはＣＯＳを添加した混合ガスによりマイク
ロローディング効果防止を意図したエッチングを行うこ
とも可能である。ただしこの場合には、高融点金属層表
面の自然酸化膜除去の効果はないので、エッチバック表
面のモホロジは若干低下する。

【００４４】ところで、上述の実施例３では前段のバル
クエッチング工程と後段のオーバーエッチング工程とで
は被エッチング基板温度が異なっている。そこで、基板
温度の昇温・降温に要する時間により、スループットを
低下させないためには、基板ステージの設定温度が異な
る複数のエッチングチャンバをゲートバルブを介して接
続し、高真空中で搬送可能なマルチチャンバシステムを
採用することが望ましい。あるいは、本願出願人が先に
出願した特願平３−３０１２７９号明細書で提案したよ
うに、冷却手段を有する固定電極と、加熱手段を有する
上下可動電極とを組み合わせた基板ステージを装備した
エッチング装置を使用することも極めて有効である。

【００４５】以上、本発明を３例の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。

【００４６】例えば、実施例中では接続孔内への高融点
金属層の埋め込みによるコンタクトプラグの形成プロセ
スを例にとって説明したが、下層配線上の層間絶縁膜に
形成したヴァイアホール内への埋め込みプロセスに応用
してもよい。また接続プラグのみならず、選択ＣＶＤを
用いる各種電極・配線の形成にも適用しうる。

【００４７】高融点金属層５としてＷを例示したが、Ｍ
ｏ、Ｔａ等他の高融点金属出あってもよい。また密着層
兼バリアメタル層４はＴｉ／ＴｉＮを例示したが、Ｔｉ
Ｗ、ＴｉＳｉ_x等、下地や高融点金属層の材料に応じて
各種材料を適宜選択してよい。

【００４８】フッ素系ガスとしては実施例で例示したＳ
Ｆ₆の他にＮＦ₃、ＣｌＦ₃、ＸｅＦ₂等Ｆ原子を有す
る化合物を使用できる。その他、添加ガスとしてＨｅ、
Ａｒ等希ガスを用いればスパッタリング、冷却、希釈お
よび放電の安定性等の各効果を期待できる。

【００４９】さらに、使用するエッチング装置、エッチ
ング条件、被エッチング基板の構成等は適宜変更可能で
あることは言うまでもない。

【００５０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は高融点金属層のエッチバックを行うドライエッチング
方法において、エッチングガスとしてＣＯＦ₂等フッ化
カルボニル系化合物を用いることにより、オーバーエッ
チング時の過剰Ｆ^*に起因するマイクロローディング効
果を防止することができる。

【００５１】また、同じく高融点金属層のエッチバック
を行うドライエッチング方法において、エッチングガス
としてＣＯＳを用い、かつ被エッチング基板上にイオウ
を堆積しながらエッチングすることにより、オーバーエ
ッチング時のマイクロローディング効果を防止できるこ
とはもとより、エッチバックした高融点金属層の表面を
極めて平滑に形成することが可能となる。

【００５２】さらに、同じく高融点金属層のエッチバッ
クを行うドライエッチング方法において、エッチングガ
スとしてＣＯＣｌ₂等ハロゲン化カルボニル系化合物
と、ＳＦ₆等フッ素系ガスとの混合ガスを用い、２段階
エッチングを採用することにより、オーバーエッチング
時のマイクロローディング効果を防止できることと共
に、高速エッチングを達成できる。

【００５３】さらにまた、エッチングガスとしてＣＯＳ
とＳＦ₆等フッ素系ガスとの混合ガスを用い、イオウの
堆積を利用しつつ２段階エッチングを採用することによ
り、オーバーエッチング時のマイクロローディング効果
を防止できることと共に、エッチバックした高融点金属
層の表面を極めて平滑に形成でき、さらには高速エッチ
ングをも達成できる。

【００５４】上記効果により、ブランケットＣＶＤ膜の
堆積およびそのエッチバックにより、Ｗ等の高融点金属
を接続孔内に埋め込むプロセスが均一性よく達成でき、
埋め込まれたコンタクトプラグの表面は平坦性に優れ、
またミクロに見た表面の平滑性も優秀である。このた
め、コンタクトプラグ上に形成する上層配線との低抵抗
のオーミックコンタクトが実現できる。ブランケットＣ
ＶＤによる高融点金属層の表面モホロジが層間絶縁膜に
転写されることがないので、エッチバック後の層間絶縁
膜の表面も平坦かつ平滑である。このため、層間絶縁膜
上に形成する上層配線のパターニングリソグラフィ時に
露光光の乱反射がなく、精度のよい加工ができる。

【００５５】このため、微細な設計ルールに基づく多層
配線の層間接続を信頼性高く行うことができ、本発明が
半導体装置等の製造プロセスに与える寄与は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１、２および３を、そ
の工程順に説明する概略断面図であり、（ａ）は接続孔
を有する基板上全面に密着層兼バリアメタル層および高
融点金属層を形成した状態であり、（ｂ）高融点金属層
を中途までエッチバックした状態、（ｃ）高融点金属層
をエッチバックし接続孔内に埋め込まれた状態、（ｄ）
は露出した密着層兼バリアメタル層をエッチバックして
除去した状態である。

【図２】ブランケットＣＶＤによる高融点金属層のエッ
チバックにおける従来のプロセスの問題点を説明する図
であり、（ａ）は接続孔を有する基板上全面に密着層兼
バリアメタル層および高融点金属層を形成した状態であ
り、（ｂ）はマイクロローディング効果により高融点金
属層の異常浸食が発生した状態、（ｃ）は密着層兼バリ
アメタル層除去時に異常浸食が発生した状態である。

【符号の説明】１半導体基板２拡散層３層間絶縁膜４密着層兼バリアメタル層５高融点金属層６接続孔７高融点金属層の浸食部８密着層兼バリアメタル層の浸食部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/88 Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属層のエッチバックを行うドラ
イエッチング方法において、分子内にカルボニル基とフッ素原子を有するフッ化カル
ボニル系化合物を含むエッチングガスを用いてエッチバ
ックを行うことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】前記フッ化カルボニル系化合物は、ＣＯ
Ｆ₂、ＣＯＦＣｌ、ＣＯＦＢｒ、ＣＯＦＩおよび（ＣＯ
Ｆ）₂からなる群から選ばれる少なくとも１種であるこ
とを特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項３】高融点金属層のエッチバックを行うドラ
イエッチング方法において、硫化カルボニルを含むエッチングガスを用いてエッチバ
ックを行うことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】前記エッチバックは、高融点金属層上に
イオウを堆積しつつエッチバックを行うことを特徴とす
る、請求項３記載のドライエッチング方法。
【請求項５】高融点金属層のエッチバックを行うドラ
イエッチング方法において、ハロゲン化カルボニル化合物と硫化カルボニルのうちの
何れか一種の化合物と、フッ素系ガスとを含む混合エッ
チングガスを用いて該高融点金属層を実質的にその層厚
を超えない厚さだけエッチングする第１のエッチバック
工程と、前記ハロゲン化カルボニル化合物と硫化カルボニルのう
ちの何れか一種の化合物の混合比を高めた前記混合エッ
チングガスを用いて、該高融点金属層の層厚の残部をエ
ッチングする第２のエッチバック工程とを行うことを特
徴とするドライエッチング方法。
【請求項６】前記ハロゲン化カルボニル化合物は、Ｃ
ＯＦ₂、ＣＯＣｌ₂、ＣＯＢｒ₂、ＣＯＩ₂、ＣＯＦＣ
ｌ、ＣＯＦＢｒ、ＣＯＦＩおよび（ＣＯＦ）₂からなる
群から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする
請求項４記載のドライエッチング方法。