JPH07235539A

JPH07235539A - 積層配線およびそのドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH07235539A
Application number: JP6027062A
Authority: JP
Inventors: Koyo Kamiide; 幸洋上出
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1994-02-25
Filing date: 1994-02-25
Publication date: 1995-09-05

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｗ層上にＡｌ−Ｓｉ層が形成された、マイグ
レーション耐性に優れた積層配線構造を改良するととも
に、残渣やパーティクル汚染の発生がなく異方性にすぐ
れたパターニングを可能とする、無機材料層マスクによ
るドライエッチング方法を提供する。【構成】高融点金属層４とＡｌ系金属層７の中間にＴ
ｉ系材料層５を挿入する。拡散により界面にＡｌ−Ｔｉ
系合金層６が形成されるので、無機材料層８からなるマ
スク形成時の加熱に起因するＳｉノジュール１０はＡｌ
−Ｔｉ系合金層６上に発生する。この構造体をＮ₂やＨ
Ｂｒを含む特定の混合ガスで２段階エッチングする。【効果】Ｓｉノジュールによるイオン散乱と過剰Ｃｌ
ラジカルに起因するサイドエッチングは、Ａｌ−Ｔｉ系
合金層のＣｌラジカル消費効果により防止される。Ａｌ
ＮやＡｌＢｒ_x系の強固な側壁保護膜の採用が異方性エ
ッチングに寄与する。また無機マスクの採用によりフェ
ンス状残渣が防止できる。

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に用いる内
部配線およびそのドライエッチング方法に関し、更に詳
しくは高融点金属層上にＴｉ系材料層とＡｌ系金属層が
この順に形成された構造を含む積層配線の改良およびそ
のドライエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルール
がサブハーフミクロンからクォータミクロンのレベルへ
と微細化されるに伴い、内部配線のパターン幅も縮小さ
れつつある。従来内部配線材料として、低抵抗のＡｌや
Ａｌ系合金が多く用いられてきたが、かかる配線幅の減
少により、エレクトロマイグレーションやストレスマイ
グレーションによる断線が発生し、デバイス信頼性の上
で大きな問題となってきている。

【０００３】このような各種マイグレーションの対策の
１つとして、Ａｌ−ＣｕやＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕのように、
Ｃｕ等の低抵抗金属との合金化や、ＴｉＮ等のバリアメ
タルとの積層化等の方法が採用されている。また近年で
は、より効果的な配線構造としてＷ、ＭｏやＴａ等の高
融点金属やその合金、化合物等、ある程度の導電性を確
保でき、かつ高剛性の配線層をＡｌ系金属層の下層に形
成した積層配線が検討されている。Ｗ等の高融点金属
は、Ａｌ系金属に比べて著しくエレクトロマイグレーシ
ョン耐性が高いことが例えば第３５回応用物理学関係連
合講演会講演予稿集（１９８８年春季）ｐ．６４２、講
演番号２９ｐ−Ｖ−９に報告があり、広く知られている
ところである。ただＷは電気抵抗がＡｌに比して高ので
単層では使いづらいことから、両者を組み合わせ、たと
え低抵抗のＡｌ系金属層が断線しても下層の高融点金属
層の存在により、その冗長効果を利用して配線層全体と
しては断線を回避しうるという考え方に基づいている。
なかでもＷを用いる場合は、高融点金属の内では比較的
低抵抗の材料であり、ブランケットＣＶＤによる成膜法
が確立されていることから、今後の高信頼性積層配線構
造として期待されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｗ等の
高融点金属層上にＡｌ系金属層を形成した構造を含む積
層配線のパターニングは、異なる複数の材料層に対し共
に異方性加工を施す必要があることから、ドライエッチ
ングプロセスに新たな困難をもたらした。まず、デザイ
ンルールの微細化に対応した薄いフォトレジストマスク
では、このような積層構造を含む配線を加工するマスク
としては膜厚が足りず、また充分な膜厚にレジスト膜を
形成すると、リソグラフィ工程で微細なマスク幅に加工
することが困難という問題が生じた。

【０００５】また、エッチング反応生成物であるハロゲ
ン化物の蒸気圧の差により、Ａｌ系金属層はＣｌ系ガス
で、Ｗ層はＦ系ガスに切り替えてパターニングを行うの
であるが、このエッチングガスの切り替えに基づくプロ
セス上の問題点を図４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明す
る。

【０００６】まず図４（ａ）に示すように、半導体基板
１上の絶縁膜２上に密着層兼バリアメタル層３、Ｗ等の
高融点金属層４、Ａｌ系金属層５、反射防止層９をこの
順に被着し、パターニング用のレジストマスク１１を形
成する。次にＣｌ系エッチングガスにより、反射防止層
９とＡｌ系金属層５をエッチングすると、図４（ｂ）に
示すようにＡｌＣｌ_x系の反応生成物が厚いレジストマ
スク１８の側面に側壁付着膜１９となって残留する。こ
こでエッチングガスをＦ系ガスに切り替え、高融点金属
層４と密着層兼バリアメタル層３をエッチングする。こ
のとき、図２（ｃ）に示すようにＡｌＣｌ_x系の側壁付
着膜１９はフッ素プラズマに晒されることによりハロゲ
ン原子の置換が起こり、ＡｌＦ_x系の側壁変質膜２０に
変換される。側壁変質膜２０はＡｌＦ₃を主成分とする
物質であるが、このＡｌＦ₃は蒸気圧が極めて小さく、
かつ酸、アルカリ、水、有機溶媒への溶解度が小さいの
で、レジスト剥離液では除去できない。またＯ₂やＯ₃
でレジストアッシングすると、さらにＡｌ₂Ｏ₃系の物
質に変換されてレジストマスク１１を覆うので、レジス
トアッシングに支障をきたしたり、あるいはレジストア
ッシング後もフェンス状の残渣として残留する。特に後
者の場合には、その形状からラビットイアと呼ばれる場
合もある。

【０００７】このように、一旦ＡｌＦ_x系の側壁変質膜
２０が形成されると、その除去は困難であり、積層配線
上に形成する層間絶縁膜等のステップカバリッジを悪化
し、デバイス不良の原因となる。また一部剥がれ落ちた
フェンス状残渣は、被エッチング基板やエッチング装置
のパーティクル汚染をも招く結果となる。また強いて除
去するには、スピン洗浄やスクラブ洗浄等の機械的外力
を併用したウェットプロセスが必要であり、プロセスの
複雑化やスループットの低下を招く虞れがある。

【０００８】ＡｌＦ_x系の側壁変質膜２０の形成を制御
するには、ＳｉＯ₂等の無機系材料をマスクとして用
い、マスク材の厚さを減らすことが有効である。しか
し、Ａｌ−１％Ｓｉ等のＡｌ系金属層上にＳｉＯ₂等の
無機系材料を一例としてプラズマＣＶＤ等で形成する
と、エッチング耐性の高い緻密な膜を形成するには４０
０℃前後のプロセス温度が必要なので、Ａｌ系金属層と
下層の高融点金属層との界面に、Ｓｉがノジュール化し
て析出する問題があらたに発生する。Ｓｉノジュール
は、異方性加工のために被エッチング基板に垂直に入射
するイオンを散乱し、異方性形状の低下や、サイドエッ
チングを引き起こす。この問題については、後の実施例
の項で図面を参照してさらに詳しい説明を加える。

【０００９】そこで本発明の課題は、高融点金属層上に
Ａｌ系金属層上が形成された積層配線構造のメリットを
活かした上で、エレクトロマイグレーションやストレス
マイグレーション耐性のすぐれた信頼性の高い積層配線
構造を提供することである。

【００１０】また本発明の課題は、上記積層配線を解像
力のすぐれた無機系材料層をエッチングマスクとしてド
ライエッチングする方法において、Ｓｉノジュール等に
基づくサイドエッチング等形状劣化のない、異方性にす
ぐれた積層配線の形成が可能なドライエッチング方法を
提供することである。

【００１１】また本発明の別の課題は、側壁に残留する
変質膜等による層間絶縁膜のステップカバリッジの悪化
や、剥離した残渣によるパーティクル汚染の発生がない
クリーンなドライエッチング方法を提供するとともに、
プロセス全体のスループットの低下のないドライエッチ
ングをも提供することである。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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の積層配線構造
は、上述の課題を解決するために発案したものであり、
高融点金属層上にＴｉ系材料層およびＡｌ−Ｓｉ合金等
のＡｌ系金属層が形成された構造を含むものである。Ｔ
ｉ系材料としては、Ｔｉ、ＴｉＷ、ＴｉＡｌ等が例示で
きる。

【００１３】また本発明の積層配線のドライエッチング
方法は、ＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄等、無機系材料をマスク
としてエッチングするものである。

【００１４】さらに本発明の積層配線のドライエッチン
グ方法は、無機系材料をマスクとし、Ａｌ系金属層とＴ
ｉ系材料層はＣｌ系ガスとＮ系ガスを含む混合ガスでエ
ッチングし、高融点金属層をＦ系ガスとＣＨＦ系ガスを
含む混合ガスに切り替えてエッチングするものである。

【００１５】さらにまた本発明の積層配線のドライエッ
チング方法は、無機系材料をマスクとし、Ａｌ系金属層
とＴｉ系材料層をＣｌ系ガスとＢｒ系ガスを含む混合ガ
スでエッチング後、高融点金属層をＦ系ガスとＢｒ系ガ
スを含む混合ガスに切り替えてエッチングするものであ
る。

【００１６】

【作用】本発明のポイントは、無機系の薄いエッチング
マスクを使用してＡｌＦ_x系の側壁変質膜の形成を低減
するという思想に基づき、これを効果的に実現するた
め、高融点金属層とＡｌ系金属層との中間層としてＴｉ
系材料層を新たに配設した点にある。Ｔｉ系材料層は、
後のＡｌ系金属層のスパッタリング等加熱を伴うプロセ
スを経過することにより、上層のＡｌ系金属層と相互拡
散しＳｉを含んだＡｌ−Ｔｉ系合金層を形成する。この
後さらに、無機系エッチングマスクをＣＶＤで形成する
際の熱処理により、Ａｌ−Ｔｉ系合金層のＳｉ濃度は高
まり、過飽和となったＳｉはノジュール化して、Ａｌ−
Ｔｉ系合金層上に成長する。従来は高融点金属層上に成
長したＳｉノジュールが、Ａｌ−Ｔｉ系合金層上に形成
されることが重要な点であり、このＡｌ−Ｔｉ系合金層
の作用は次のように考えられる。

【００１７】Ａｌ系金属層のエッチングは、Ｃｌラジカ
ル（Ｃｌ^*）を主エッチング種とするラジカル反応が、
Ｃｌ⁺、ＢＣｌ_X ⁺等のイオン入射にアシストされる形
で進む。エッチングが進行しＡｌ系金属層の下部に成長
したＳｉノジュールを露出すると、Ｓｉノジュールによ
り散乱されたイオンはＡｌ系金属層パターンの側壁に入
射し、この部分の側壁保護膜を削りとり、次にＡｌ系金
属層パターンの側面をＣｌ^*と共同してアタックする。
特に、下地の高融点金属層表面が一部露出した後のオー
バーエッチングにおいては、反応の相手を失ったＣｌ^*
がこの部分で過剰となるので、Ａｌ系金属層パターン側
面へのアタックは激しくなる。従来は、この段階でＡｌ
系金属層パターンにサイドエッチングが形成されたので
ある。本発明の積層配線構造おいても、Ｓｉノジュール
によるイオン散乱とＣｌ^*の存在により、側壁保護膜は
アタックされるのであるが、Ｃｌ^*は引き続き下部のＡ
ｌ−Ｔｉ系合金層との反応に消費されその濃度は従来に
比べて大幅に低く、Ａｌ系金属層をサイドエッチングす
るには至らないのである。

【００１８】本発明の積層配線のドライエッチング方法
は、以上のような機構を基本的な考え方としているが、
さらに一層の異方性加工を実現するため、次の２つのエ
ッチング方法をも提案する。

【００１９】その１つは、Ａｌ系金属層とＴｉ系材料層
とをＣｌ系ガスとＮ系ガスとの混合ガスでエッチングし
た後、高融点金属層をＦ系ガスとＣＨＦ系ガスとの混合
ガスでエッチングするのである。前述した通り、Ｓｉノ
ジュールで散乱してＡｌ系金属層側面に入射するイオン
は、サイドエッチングを引き起こすには至らない。しか
し、Ａｌ−Ｔｉ系合金層やＴｉ系材料層のエッチングが
終了して一部高融点金属層の表面が露出した後のオーバ
ーエッチング工程では、Ｃｌ^*が過剰となることには変
わりない。本発明のエッチング方法によれば、Ｎ系ガス
添加の作用により、一度は側壁保護膜を削り取られた部
分にも新たにＡｌＮ被膜が形成されるので、これがエッ
チングバリアとなり、過剰となったＣｌ^*雰囲気中であ
ってもＡｌ系合金パターンのサイドエッチングは防止さ
れるのである。Ｎ系ガスとしてはＮ₂、ＮＨ₃、Ｎ₂Ｈ
₄、ＮＦ₃等を用いればよい。このオーバーエッチング
過程が終了する迄には、Ｓｉノジュールは同じＣｌ系エ
ッチャントによりエッチオフされ、無機系マスクが形成
されている箇所以外の高融点金属層表面が露出する。

【００２０】この後、エッチングガスをＦ系ガスとＣＨ
Ｆ系ガスとの混合ガスに切り替え、カーボン系ポリマを
側壁保護膜として付着形成しながら高融点金属層を異方
性エッチングするのである。ＣＨＦ系ガスとしてはＣＨ
Ｆ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、ＣＨ₃Ｆ等が例示できる。ＣＦ₄と
Ｈ₂の混合ガスを用いてもよい。

【００２１】２つ目のドライエッチング方法は、Ａｌ系
合金とＴｉ系材料層とをＣｌ系とＢｒ系の混合ガスでエ
ッチングした後、高融点金属層をＦ系ガスとＢｒ系ガス
の混合ガスでエッチングするのである。本エッチング方
法によれば、Ａｌ系金属層パターン側面に強固なＡｌＢ
ｒ_x系の側壁保護膜が形成され、サイドエッチングが効
果的に防止される。Ｗ等の高融点金属層のエッチング時
には、蒸気圧の小さいＷＢｒ_x側壁保護膜が形成される
ので、ここでも異方性のよいパターニングが可能とな
る。Ｂｒ系ガスとしては、ＨＢｒ、Ｂｒ₂、ＣＢｒ₄、
ＢＢｒ₃、Ｓ₂Ｂｒ₂等の使用が可能である。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき図面を参
照しながら説明する。

【００２３】実施例１本実施例は、Ｗ層上にＴｉ層を形成し、さらにこの上に
Ａｌ−１％Ｓｉを形成した構造を含む積層配線をＳｉＯ
₂マスクを用いて連続的にエッチングした例である。こ
のエッチング方法は、Ａｌ系金属層とＴｉ系材料層とを
Ｃｌ系ガスとＮ系ガスとの混合ガスでエッチングした
後、高融点金属層をＦ系ガスとＣＨＦ系ガスとの混合ガ
スでエッチングした。まず本発明の積層配線構造の膜堆
積とＳｉＯ ₂マスク形成工程について、図１（ａ）〜
（ｄ）を参照して説明する。なお、従来例の説明に用い
た図４と同様の部分には同じ参照番号を付すものとす
る。

【００２４】まず図１（ａ）に示すように、Ｓｉ等の半
導体基板１上にＳｉＯ₂等の絶縁膜２を堆積し、半導体
基板１に形成された図示していない不純物拡散層に臨む
接続孔を開口する。接続孔の開口径は例えば０．３５μ
ｍである。Ｓｉ等の半導体基板１は、Ａｌ−１％Ｓｉや
多結晶Ｓｉ等からなる下層配線層であってもよい。つぎ
にスパッタリングによりＴｉおよびＴｉＮをこの順に３
０ｎｍと７０ｎｍの厚さにコンフォーマルに形成し、密
着層兼バリアメタル層３とする。続けてブランケットＣ
ＶＤにより、Ｗからなる高融点金属層４を堆積して接続
孔を埋め込む。高融点金属層４の厚さは、絶縁膜２上の
平坦部で例えば２００ｎｍであり、接続孔内には成長面
の合わせ目であるシームが見られる。

【００２５】次に図１（ｂ）に示すように、再びスパッ
タリングによりＴｉ金属からなるＴｉ系材料層５、Ａｌ
−１％ＳｉからなるＡｌ系金属層６をこの順に１００ｎ
ｍおよび５００ｎｍの厚さに形成する。スパッタリング
温度は下地との密着性と膜質を考慮して、２００〜３０
０℃を選ぶ。このとき、Ｔｉ系材料層５とＡｌ系金属層
７とは拡散しあい、その界面にＳｉを含むＡｌ−Ｔｉ系
合金層６が形成される。

【００２６】次に図１（ｃ）に示すように、プラズマＣ
ＶＤによりＳｉＯ₂からなる無機系材料層８およびＳｉ
ＯＮからなる反射防止層９をこの順に３００ｎｍおよび
２５ｎｍの厚さに形成する。ＣＶＤ温度は、エッチング
マスクとなる無機系材料層のエッチング耐性や、反射防
止層として所望の屈折率を得るため、ある程度の高温は
必要であり、ここでは一例として４００℃を選ぶ。この
基板加熱により、Ａｌ−Ｔｉ系合金層６中のＳｉ濃度は
高まり、過飽和となったＳｉはＡｌ系金属層７との界面
に発生する成長核を起点として成長し、Ｓｉノジュール
１０を形成する。Ｓｉノジュール１０の下部には、Ａｌ
−Ｔｉ系合金層６が存在する。なおＡｌ−Ｔｉ系合金層
６の下部にはＴｉ系材料層５がなお存在するが、ここま
での段階でＡｌ−Ｔｉ系合金層６の形成のために消費さ
れ、消失していてもよい。

【００２７】つぎに図１（ｄ）に示すように、例えば
０．４５μｍ幅のレジストマスク１１を接続孔上に形成
し、反射防止層９と無機系材料層８を下記の同一条件で
基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置で連
続的にエッチングする。ＣＨＦ₃ ４０ｓｃｃｍＣＨ₂Ｆ₂ ２０ｓｃｃｍガス圧力１．０Ｐａマイクロ波パワー１２００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー２２０Ｗ（８００ｋＨｚ）基板温度室温オーバーエッチング率５０％続けてレジストパターン１１をアッシングしさらに発煙
硝酸処理して除去してエッチングマスクとしての無機系
材料層８のパターンを露出する。実際には、ＳｉＯＮか
らなる薄い反射防止層９が無機系材料層８のパターン上
に残るが、これもエッチングマスクの一部としてそのま
ま利用してよい。ここまで形成した試料を被エッチング
基板とする。

【００２８】続けて本発明の積層配線のドライエッチン
グ方法を図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。上記
被エッチング基板を、一例として基板バイアス印加型Ｅ
ＣＲプラズマエッチング装置により、例えば下記エッチ
ング条件でまずＡｌ系金属層７とＡｌ−Ｔｉ系合金層６
およＴｉ系材料層５をエッチングする。ＢＣｌ₃ ３０ｓｃｃｍＣｌ₂ ９０ｓｃｃｍＮ₂ ３０ｓｃｃｍガス圧力２．０Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー５０Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度室温オーバーエッチング率３０％本エッチング過程では、Ａｌ系金属層５は蒸気圧の大き
い反応生成物ＡｌＣｌ₃となって除去され、Ａｌ系金属
層パターン側面はＡｌＣｌ_x系側壁保護膜１２により保
護されるので、エッチングは異方的に進む。図２（ａ）
に示すように、エッチングが進行しＳｉノジュール１０
が露出すると、矢線で示すＢＣｌ_x ⁺、Ｃｌ_x ⁺等のイ
オンはＳｉノジュール１０により散乱され、一部はＡｌ
系金属層パターンの側面に入射しＡｌＣｌ_x系側壁保護
膜１２を削り取りＡｌ系金属層が露出する。しかし、主
エッチング種であるＣｌ^*は下層のＡｌ−Ｔｉ系合金層
６と反応し消費されているので、Ｃｌ^*濃度は相対的に
低く、サイドエッチングを発生するには至らない。加え
て、この露出面にはＮ⁺も入射し、ＡｌＮ系の側壁保護
膜１３が新たに形成されるので、この反応もサイドエッ
チングの防止に寄与する。

【００２９】エッチングがさらに進行し、図２（ｂ）に
示すようにＡｌ−Ｔｉ系合金層６とＴｉ系材料層５がが
エッチオフされると高融点金属層４が露出する。この後
のオーバーエッチング段階では、今までエッチングのた
めに消費されていたＣｌ^*は反応の相手を失いＣｌ^*過
剰の雰囲気ができあがる。従来であれば、ここでＡｌ系
金属層７のパターン側面にサイドエッチングが入るが、
本実施例ではＳｉノジュール１０のイオン散乱によりＡ
ｌＣｌ_xを主成分とする側壁保護膜が削り取られた部分
にはＡｌＮ系の側壁保護膜が新たに形成されているので
サイドエッチングは生じない。また、Ｓｉノジュール１
０のうち無機系材料層８のマスクから露出している部分
もこの段階ではＣｌ系エッチャントにより除去される。
同じく反射防止層９もエッチオフされ消失する。

【００３０】ここで後段のエッチングに移り、高融点金
属層４、密着層兼バリアメタル層３を下記条件に切り替
えて連続的にエッチングする。ＳＦ₆ ４０ｓｃｃｍＣＨ₂Ｆ₂ ２０ｓｃｃｍガス圧力１．０Ｐａマイクロ波パワー１０００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦパワー５０Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ）基板温度室温オーバーエッチング率５０％図２（ｃ）に示す本エッチング過程では、Ｆ^*を主エッ
チング種とするラジカル反応が、ＳＦ_x ⁺等のイオン入
射にアシストされる形でエッチングが進行する。またＣ
Ｈ₂Ｆ₂の分解・重合により生じるカーボン系ポリマ側
壁保護膜１４が側面を保護するのでサイドエッチングは
生じない。

【００３１】図１（ｄ）にエッチング終了後の積層配線
を示す。絶縁膜２表面には、Ｓｉノジュール１０の転写
突起１８の存在が見える。カーボン系ポリマ側壁保護膜
１４はアッシングで除去することが可能である。また、
ＡｌＦ_x系側壁保護膜１５はそのままあるいは酸化され
た形で残るが、無機系材料層８によるマスクの層厚が小
さく、またエッチングによる膜減りも小さいのでフェン
ス状残渣としての突き出しは僅かであり、この後に形成
する層間絶縁膜等のステップカバリッジに影響するレベ
ルではない。無機系材料層８によるマスクはそのまま層
間絶縁膜の一部として残してもよい。

【００３２】以上本実施例によれば、Ｓｉノジュール１
０による入射イオンの異常散乱による積層配線のサイド
エッチングが防止でき、異方性のよい加工が可能であ
る。またフェンス状残渣の発生も軽微なので、パーティ
クルレベルも悪化やステップカバリッジの低下の虞れが
ない。

【００３３】実施例２本実施例は実施例１と同じ被エッチング基板を用い、Ａ
ｌ系合金とＴｉ系材料層とをＣｌ系とＢｒ系の混合ガス
でエッチングした後、高融点金属層をＦ系ガスとＢｒ系
ガスの混合ガスでエッチングした例であり、このプロセ
スを図３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

【００３４】上記被エッチング基板を基板バイアス印加
型ＥＣＲプラズマエッチング装置により、一例として下
記エッチング条件でまずＡｌ系金属層７とＡｌ−Ｔｉ系
合金層６およＴｉ系材料層５をエッチングする。ＢＣｌ₃ ６０ｓｃｃｍＣｌ₂ ５０ｓｃｃｍＨＢｒ４０ｓｃｃｍガス圧力２．０Ｐａマイクロ波パワー１０００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー３０Ｗ（８００ｋＨｚ）基板温度室温オーバーエッチング率５０％本エッチング条件は、実施例１に比較してＣｌ₂流量を
下げたこと、およびＲＦバイアスパワーを下げた条件で
あるため、Ａｌ系金属層７とＳｉノジュール１０のエッ
チングレートの差が縮小する。このため、Ｓｉノジュー
ル１０形状の下地高融点金属層４や絶縁膜２への転写は
おさえられる。また実施例１に比べ、ＲＦバイアスを下
げたためにエッチングの等方性が強まり、サイドエッチ
ングが生じやすい条件である。しかし、ＨＢｒの添加に
より強固なＡｌＢｒ_x系側壁保護膜１６が形成されるの
で、Ｓｉノジュール１０のイオン散乱を受けてもＡｌＢ
ｒ_x系側壁保護膜１６は削り取られるまでには至らずエ
ッチングは異方的に進行する。

【００３５】また、Ｓｉノジュール１０下にはＡｌ−Ｔ
ｉ系合金層６が存在するのでＣｌ^*はこの層のエッチン
グに消費され、サイドエッチングの発生はない。また、
Ｓｉノジュール１０のうち無機系材料層８のマスクから
露出している部分もこの段階ではＣｌ系エッチャントに
より除去される。同じく反射防止層９もエッチオフされ
消失する。この結果、図３（ｂ）に示すようにＡｌ系金
属層７、Ａｌ−Ｔｉ系合金層６およびＴｉ系材料層５の
パターンがほぼ垂直に形成される。

【００３６】続けて後段のエッチングの説明に移る。高
融点金属層４、密着層兼バリアメタル層３を一例として
下記条件に切り替えて連続的にエッチングする。ＳＦ₆ ２０ｓｃｃｍＨＢｒ２０ｓｃｃｍＡｒ６０ｓｃｃｍガス圧力１．０Ｐａマイクロ波パワー１０００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦパワー３０Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ）基板温度室温オーバーエッチング率３０％図３（ｃ）に示す本エッチング過程では、Ｗからなる高
融点金属層４とＴｉＮとＴｉからなる密着層兼バリアメ
タル層３をＦ^*を主エッチャントとして除去しながらエ
ッチングが進行する。また蒸気圧の小さいＷＢｒ_x系側
壁保護膜１７の寄与により、サイドエッチングは効果的
に防止される。

【００３７】この結果、図３（ｄ）にエッチング終了後
の積層配線パターンを示すように、異方性の優れた加工
が達成される。特に、本実施例によればＳｉノジュール
１０のパターンが絶縁膜２に転写され、絶縁膜２の平坦
性が悪化する現象は防げる。また、低ＲＦバイアスパワ
ーで全工程を行うので、無機系材料層８からなるエッチ
ングマスクの膜減りが実施例１と比較して少なく、この
ためＡｌＢｒ_x系側壁保護膜１６がフェンス状に突出し
て残ることはない。従って、後工程で堆積する層間絶縁
膜のステップカバリッジの悪化はなく、またパーティク
ルレベルの悪化もない。無機系材料層８からなるエッチ
ングマスクは、層間絶縁膜の一部として使用してもよ
い。さらに、本実施例ではカーボン系ポリマのごときエ
ッチングチャンバ壁面に付着物を残すガス系を用いない
ので、チャンバ雰囲気をクリーンに維持できるメリット
もある。

【００３８】以上、本発明を２例の実施例をもって説明
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。

【００３９】高融点金属層４としてブランケットＣＶＤ
によるＷを例示したが、Ｔａ、Ｍｏ等他の高融点金属や
その合金、シリサイド等を用いてもよい。Ａｌ系金属層
６として、Ｓｉノジュールの発生の虞れのあるＳｉを含
むＡｌ−ＳｉやＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金を用いた場合に特
に効果的であるが、Ａｌ−Ｃｕ合金や純Ａｌを用いても
よい。

【００４０】高融点金属層４とＡｌ系金属層６の中間に
挿入するＴｉ系材料層５としてＴｉ金属の他にＴｉＷ合
金やＴｉＳｉ_xあるいはＡｌ−Ｔｉ系合金そのものであ
ってもよい。無機系材料層としてＳｉＯ₂を例示した
が、膜厚が薄くても耐エッチング性を示す他の材料、例
えばＳｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_y、Ａｌ₂Ｏ₃さらには金
属やその化合物を用いてもよい。

【００４１】エッチングガス系は２例を示したが、本発
明の積層配線構造のエッチングはこれに限定されること
はない。例えば、Ａｌ系金属層のエッチングにはＣＣｌ
₄、ＳｉＣｌ₄等他のガスを用いてもよい。また本願出
願人が先に出願した特願平４−３２９５６７号明細書で
開示したＳ₂Ｃｌ₂等塩化イオウ系ガスを用いれば、イ
オウ系の側壁保護膜を用いた異方性にすぐれたエッチン
グが可能である。またＨＩ等ヨウ素系のガスもマスクと
の選択性向上に有効である。勿論Ａｒ、Ｈｅ等の不活性
希釈ガスを添加してもよい。

【００４２】高融点金属層のエッチングには、ＮＦ₃、
ＸｅＦ₂等他のＦ系ガスを用いてもよい。また本願出願
人が先に出願した特願平０３−６０９０６号明細書で開
示したＳ₂Ｆ₂等フッ化イオウ系ガスを用いれば、これ
もイオウの側壁保護膜を利用した異方性エッチングが可
能となる。ここでもＨＩガスの添加は選択的向上に役立
つ。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によればＷ等高融点金属層上にＴｉ系材料層、Ａｌ系金
属層がこの順に形成された構造を含む積層配線構造を採
用することにより、以下のような効果が得られる。

【００４４】すなわち、低抵抗でしかもエレクトロマイ
グレーションやストレスマイグレーション等各種マイグ
レーション耐性にすぐれた積層配線が実現できる。本積
層配線構造は、特に０．５μｍ以下の微細な配線幅を有
する半導体装置の内部配線に用いて効力を発揮する。

【００４５】上記構造の微細配線の加工には、解像力に
すぐれた薄い無機系材料によるエッチングマスクの採用
が効果的である。従来、エッチング耐性のすぐれた無機
系材料層マスクをＣＶＤで形成するとき、そのプロセス
温度によりＳｉノジュールの発生を免れず、エッチング
中のイオン散乱と過剰Ｃｌ^*によるサイドエッチングの
問題があったが、本発明の積層配線構造の採用により、
Ｃｌ^*の影響を巧みな方法により回避することが可能と
なり、異方性にすぐれた積層配線加工が可能となる。

【００４６】本発明の請求項４のドライエッチング方法
の採用により、Ｓｉノジュールのイオン散乱による側壁
保護膜の破損部分にＡｌＮ系の新たな保護膜を形成する
ことにより、サイドエッチングの防止ができる。また、
高融点金属層の加工においては、カーボン系ポリマの側
壁保護膜を利用するので、ここでも異方性加工は確保で
きる。

【００４７】本発明の請求項５のドライエッチング方法
を採用すれば、ＡｌＢｒ_x、ＷＢｒ _x系の強固な側壁保
護膜を利用することにより、一層の異方性形状の向上が
達成できる。また、印加基板バイアスの低減等により、
Ｓｉノジュールの形状が下地絶縁膜に転写されることが
なく、平坦な処理面が得られるので次工程以下の層間絶
縁膜や上層配線の堆積、これらのリソグラフィおよびパ
ターニングの精度が向上する。また同じく基板バイアス
の低減効果により、無機系マスクとの選択比が向上し、
マスク減りを最小限に止められるので、フェンス状残渣
が極めて小さく、あるいは発生せず、ステップカバリッ
ジの向上やパーティクルレベルの低減に寄与する。ま
た、本混合ガス系の使用は、チャンバ内の汚染が少ない
というメリットも有する。

【００４８】以上の効果により、とくにサブハーフミク
ロン以下の微細なデザインルールに基づく半導体装置
の、信頼性に富んだ積層配線を実用化することが可能と
なり、本発明が奏する効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層配線構造を適用した実施例１およ
び２における積層配線の堆積過程および無機系マスクの
形成過程を示す概略断面図であり、（ａ）は接続孔を含
む絶縁膜上に密着層兼バリアメタル層と高融点金属層を
形成した状態、（ｂ）はＴｉ系材料層とＡｌ系金属層を
形成し、両者の中間にＡｌ−Ｔｉ系合金層が形成された
状態、（ｃ）は無機系材料層と反射防止層を形成した状
態、（ｄ）はレジストパターンにより無機系材料層と反
射防止層をパターニングした状態である。

【図２】本発明の実施例１の積層配線のドライエッチン
グ方法を示す概略断面図であり、（ａ）はＡｌ系金属層
がエッチングされＳｉノジュールが露出した状態、
（ｂ）はＡｌ−Ｔｉ系合金層とＴｉ系材料層がエッチン
グされた状態、（ｃ）は高融点金属層のエッチング過程
の状態、（ｄ）は高融点金属層と密着層兼バリアメタル
層がエッチングされ積層配線が完成した状態である。

【図３】本発明の実施例２の積層配線のドライエッチン
グ方法を示す概略断面図であり、（ａ）はＡｌ系金属層
がエッチングされＳｉノジュールが露出した状態、
（ｂ）はＡｌ−Ｔｉ系合金層とＴｉ系材料層がエッチン
グされた状態、（ｃ）は高融点金属層のエッチング過程
の状態、（ｄ）は高融点金属層と密着層兼バリアメタル
層がエッチングされ積層配線が完成した状態である。

【図４】従来の積層配線をレジストマスクを用いてドラ
イエッチングする際の問題点を説明する概略断面図であ
り、（ａ）はレジストマスクが形成された被エッチング
基板の断面図、（ｂ）はＡｌ系金属層をエッチングして
レジストマスク側面に側壁付着膜が形成された状態、
（ｃ）は高融点金属層と密着層兼バリアメタル層がエッ
チングされ、側壁変質膜が形成された状態である。

【符号の説明】

１半導体基板２絶縁膜３密着層兼バリアメタル層４高融点金属層５Ｔｉ系材料層６Ａｌ−Ｔｉ系合金層７Ａｌ系金属層８無機系材料層９反射防止層１０Ｓｉノジュール１１レジストマスク１２ＡｌＣｌ_x系側壁保護膜１３ＡｌＮ系側壁保護膜１４カーボン系ポリマ側壁保護膜１５ＡｌＦ_X系側壁保護膜１６ＡｌＢｒ_X系側壁保護膜１７ＷＢｒ_X系側壁保護膜１８転写突起１９側壁付着膜２０側壁変質膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高融点金属層上にＴｉ系材料層およびＡ
ｌ系金属層がこの順に形成された構造を含むことを特徴
とする積層配線。
【請求項２】積層配線のパターン幅は、０．５μｍ以
下であることを特徴とする、請求項１記載の積層配線。
【請求項３】高融点金属層上にＴｉ系材料層およびＡ
ｌ系金属層がこの順に形成された構造を含む積層配線
を、無機系材料をマスクとしてエッチングすることを特
徴とする、積層配線のドライエッチング方法。
【請求項４】Ａｌ系金属層とＴｉ系材料層をＣｌ系ガ
スとＮ系ガスを含む混合ガスでエッチング後、高融点金
属層をＦ系ガスとＣＨＦ系ガスを含む混合ガスに切り替
えてエッチングすることを特徴とする、請求項３記載の
ドライエッチング方法。
【請求項５】Ａｌ系金属層とＴｉ系材料層をＣｌ系ガ
スとＢｒ系ガスを含む混合ガスでエッチング後、高融点
金属層をＦ系ガスとＢｒ系ガスを含む混合ガスに切り替
えてエッチングすることを特徴とする、請求項３記載の
ドライエッチング方法。