JPH07263420A - 積層配線のドライエッチング方法およびドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｗ層上にＡｌ系金属層が形成された、マイグ
レーション耐性に優れた積層配線を、汎用Ｃｌ系ガスや
Ｆ系ガスを用いて、残渣やパーティクル汚染の発生を伴
わずに異方性エッチングする方法およびエッチング装置
を提供する。 【構成】 エッチングチャンバ内壁の１部にイオウ系材
料２４を被着し、このイオウ系材料２４をスパッタして
被エッチング基板２１上に堆積して側壁保護膜１０を形
成する。イオウ系材料２４の露出表面積はシャッタ２５
で制御する。 【効果】 イオウまたはポリチアジルからなる側壁保護
膜１０を利用することにより異方性エッチングできるの
で、パターン側面をラジカルの攻撃から保護でき、サイ
ドエッチングが防止される。また同時にＡｌＦ_x 系の側
壁変質膜９の形成を防止できる。エッチング終了後は被
エッチング基板を加熱すれば側壁保護膜１０は痕跡を残
さず昇華除去できるので、パーティクル汚染の虞れはな
い。

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積
層配線のドライエッチング方法およびドライエッチング
装置に関し、更に詳しくは高融点金属層上にＡｌ系金属
層が形成された構造を含む積層配線のドライエッチング
方法およびドライエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の集積度が進み、
そ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）ｐ６４２、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に比して高いので
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。すなわち、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７
（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

【０００５】まず図７（ａ）に示すように、半導体基板
（図示せず）上の絶縁層１上にＴｉ密着層２、ＴｉＮ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６をこの順に被着し、パターニング用の
レジストマスク７を形成する。反射防止層６は、高反射
率のＡｌ系金属層５上にレジストマスクをパターニング
する際に、露光光の不規則な反射を防止して制御性のよ
い露光を施すためのものであり、特にＡｌ系金属層５の
表面に段差がある場合に必要である。次にＣｌ系エッチ
ングガスにより、反射防止層６とＡｌ系金属層５をエッ
チングすると、図７（ｂ）に示すようにレジストの分解
生成物ＣＣｌ_x を含むＡｌＣｌ_x 系の反応生成物がレジ
ストマスク７とパターニングされた反射防止層６、Ａｌ
系金属層５の側面に側壁付着膜８となって付着し異方性
エッチングに寄与する。次にエッチングガスをＦ系ガス
に切り替え、高融点金属層４、バリアメタル層３と密着
層２をエッチングする。このとき、ＡｌＣｌ_x 系の側壁
付着膜８はフッ素プラズマに曝されることによりハロゲ
ン原子の置換が起こり、図７（ｃ）に示すようにＡｌＦ
_x 系の側壁変質膜９に変換される。側壁変質膜９はＡｌ
Ｆ₃ を主成分とする物質であるが、このＡｌＦ₃ は大気
圧下での昇華温度が１２９４℃であり蒸気圧が極めて小
さく、また酸、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、側壁変質膜９はさ
らにＡｌ₂ Ｏ₃ 系の物質に変換されてレジストマスク７
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図７（ｄ）に示すよう
に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。

【０００６】このように、一旦ＡｌＦ_x 系の側壁変質膜
９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、スピン洗浄やさらにはスクラブ洗浄等、強
度の機械的・物理的外力を併用したウェットプロセスが
必要であり、デバイスの損傷やプロセスの複雑化、スル
ープットの低下を招く虞れがある。

【０００７】ＡｌＦ_x 系の側壁変質膜９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。これは、無
機系材料にはＡｌＣｌ_x が付着しにくいこと、および付
着面積そのものが減少すること等の理由による。しかし
ながら、無機材料系マスクによるプロセスでは、別の問
題が発生する。これを図８（ａ）〜（ｃ）を参照して説
明する。

【０００８】図８（ａ）は、図７（ａ）で使用したレジ
ストマスク７に替えて、ＳｉＯ₂ からなる無機材料系マ
スク１１を採用した他は図７（ａ）と同じ層構成である
ので重複する説明は省略する。次に、Ｃｌ系ガスにより
Ａｌ系金属層５をエッチングするのであるが、レジスト
マスクの場合はレジストの分解生成物ＣＣｌ_x を含む側
壁付着膜が形成されるが、無機材料系マスクの場合には
この側壁付着膜は殆ど形成されず側壁保護の効果を期待
できない。このためＡｌ系金属層パターン側面はＣｌラ
ジカル（Ｃｌ^* ）の攻撃を受けて図８（ｂ）に示すよう
なサイドエッチングが入る。

【０００９】続けてＦ系ガスに切り替え、高融点金属層
４をパターニングした状態が図８（ｃ）である。このと
き、高融点金属層４パターンもＦ^* のアタックによりサ
イドエッチングが入る可能性のあることはＡｌ系金属層
５のパターニングの場合と同様である。かかるサイドエ
ッチングによる積層配線構造の細りは、サブハーフミク
ロンのデザインルールの下での半導体装置にあっては、
配線抵抗の増加や信号遅延、マイグレーション耐性やス
テップカバリッジの劣化等を引き起こし、許容できるも
のではない。

【００１０】サイドエッチング防止のために、カーボン
を含むガスを添加し、カーボン系のプラズマポリマを堆
積する方法がある。しかしこの場合には、被エッチング
基板やエッチングチャンバのパーティクル汚染の問題が
別に発生する。

【００１１】また別のサイドエッチング防止方法とし
て、被エッチング基板を０℃以下に冷却し、ラジカルモ
ードの反応を抑制するいわゆる低温エッチングがある
が、エッチングレートの低下や装置の複雑化の問題があ
る。

【００１２】そこで本発明の課題は、高融点金属層上に
Ａｌ系金属層が形成された構造を含む微細幅の積層配線
をパターニングするドライエッチング方法において、ア
ンダカットやサイドエッチングの発生のない、異方性に
すぐれたドライエッチング方法を新たに提供することで
ある。

【００１３】また本発明の課題は、高融点金属層上にＡ
ｌ系金属層が形成された構造を含む微細幅の積層配線を
パターニングするドライエッチング方法において、被処
理基板やドライエッチング装置のパーティクル汚染発生
の虞れなく異方性加工するクリーンなドライエッチング
方法を提供することである。

【００１４】さらに本発明の課題は、上記エッチングを
実用的なエッチングレートのもとで達成することであ
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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の積層配線のドラ
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、高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成
された構造を含む積層配線をパターニングするドライエ
ッチング方法において、エッチングチャンバ内壁面のす
くなくとも１部にイオウ系材料を被着し、このイオウ系
材料をスパッタして被エッチング基板上にイオウまたは
ポリチアジルを堆積する工程を含むドライエッチング方
法である。

【００１６】また本発明の積層配線のドライエッチング
装置は、エッチングチャンバ内壁面の少なくとも１部を
イオウ系材料で被覆し、このイオウ系材料の露出表面積
の可変制御手段としてのシャッタを有してなるエッチン
グ装置である。本明細書中において、エッチングチャン
バ内壁面とは、基板のメカニカルクランパや基板ステー
ジの露出面等をも含むものとする。

【００１７】本発明で用いるイオウ系材料としては、イ
オウ、ＳｉＳ、ＳｉＳ₂ 、ポリチアジル等を例示でき
る。これらのイオウ系材料は、高真空雰囲気のエッチン
グチャンバ内壁面の被覆構成材料として本発明の目的を
達成しうる材料である。

【００１８】

【作用】本発明の特徴は、エッチングチャンバ内壁面を
被覆するイオウ系材料をスパッタし、イオウまたはポリ
チアジル（ＳＮ）_n を被エッチング基板上に堆積する工
程をエッチングプロセス中に含むことである。イオウ系
材料を被エッチング基板上に堆積する工程は、エッチン
グとは別の堆積のみの工程であってもよいし、堆積とエ
ッチングの競合反応であってもよい。被エッチング基板
上に堆積するイオウまたはポリチアジルは、イオン入射
の少ない被エッチング層の側面に残留して側壁保護膜を
形成する。イオウまたはポリチアジルの側壁保護膜は、
ラジカルのアタックに対して優れたバリア性を発揮し、
サイドエッチングを防止する。なお、イオウは被エッチ
ング基板を約９０℃以下、ポリチアジルにあっては約１
３０℃以下に制御すれば被エッチング基板上に堆積する
ことが可能である。

【００１９】またイオウまたはポリチアジルの側壁保護
膜は、Ｆ^* に対しても遮蔽作用を有するので、ＡｌＣｌ
_x 系の側壁付着膜がＡｌＦ_x 系の側壁変質膜に変換され
ることが無くなる。このため、フェンス状残渣によるパ
ーティクル汚染やステップカバリッジの悪化が回避でき
る。

【００２０】イオウまたはポリチアジルの側壁保護膜の
堆積量は、積層配線の加工部位により、その必要性に応
じて制御できることが望ましい。このためにエッチング
チャンバ内壁面を被覆するイオウ系材料の露出表面積を
制御しうるシャッタをエッチング装置に設けるのであ
る。

【００２１】被エッチング基板上に堆積したイオウまた
はポリチアジルは、エッチング終了後は被エッチング基
板を加熱すれば痕跡や汚染を残さず昇華除去することが
できる。昇華温度は、イオウで約９０℃以上、ポリチア
ジルで約１３０℃以上である。基板加熱による昇華の他
に、Ｏ₂ やＯ₃ ガスを用いたアッシングにより酸化除去
する方法を採ってもよい。

【００２２】本発明のエッチング方法によれば、側壁保
護膜はエッチング装置内壁面からのスパッタにより気相
中から供給されるので、マスクのパターン密度の疎密に
依存しない均一性の良好な異方性エッチングが可能であ
る。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照しながら説明する。

【００２４】実施例１ 本実施例は、Ｗ層上にＡｌ−１％Ｓｉ合金層が形成され
た構造を含む積層配線のエッチングを、基板バイアス印
加型ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて行った例で
あり、まず本発明装置の特徴部分を図４を参照して説明
する。

【００２５】図４は基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマ
エッチング装置の概略断面図である。まず、２．４５Ｇ
Ｈｚのマイクロ波電源マグネトロン２８に印加して発生
したマイクロ波を、マイクロ波導波管２７を経て石英ベ
ルジャ２６内に導入する。図示しないガス導入管から導
入するエッチングガスは、石英ベルジャ２６外周に配設
したコイル３０により発生した０．０８７５Ｔの磁界と
の相互作用によりＥＣＲ放電を起こし、石英ベルジャ２
６内にＥＣＲプラズマを生成する。２１は被エッチング
基板、１７は基板ステージである。以上は従来の基板バ
イアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置と同じ構成
である。

【００２６】本装置の特徴は、石英ベルジャ２６の内壁
面の１部をイオウ系材料２４で被覆し、イオウ系材料２
４の露出表面積を制御するシャッタ２５を設けたことで
ある。また本装置の特徴は表面をイオウ系材料で被覆し
たウェハクランパ２３にある。ただしウェハの保持を静
電チャック等で行う場合は、ウェハクランパ２３は不要
である。この場合は基板ステージ２２の露出面をイオウ
系材料で被覆してもよい。

【００２７】イオウ系材料２４の具体例としては、イオ
ウ、硫化シリコン（ＳｉＳ、ＳｉＳ ₂ ）ポリチアジル
〔（ＳＮ）_n 〕等が挙げられる。これらイオウ系材料２
４は、ＣＶＤ、蒸着、スパッタリング、溶射等で薄膜状
に形成するか、板状に成形加工あるいは切り出した板状
体を貼着して使用すればよい。イオウ系材料２４は、石
英ベルジャ２６内壁面に連続的に周回して配設する必要
はなく、不連続に設けてもよい。本実施例では、溶射に
よりイオウを石英ベルジャ２６の内壁面およびウェハク
ランパ２３の表面に５００μｍの厚さに形成したものを
用いた。他の被着法として、ＣＳ₂ 等の溶媒に溶解し、
この溶液を塗布して形成してもよい。

【００２８】イオウ系材料２４の露出表面積を制御する
シャッタ２５は、石英ベルジャ内壁面と微少間隙を保っ
た円筒面形状に形成し、図示しない駆動機構により上下
方向すなわち図面の矢印方向に昇降可能に配設する。同
図においてシャッタ２５を下端に移動すればシャッタ開
度は１００％となりイオウ系材料はそのすべての表面が
露出する。またシャッタ２５を上端に移動すればシャッ
タ開度は０％となりイオウ系材料はそのすべての表面が
遮蔽される。シャッタ開度は、１００％と０％の間の任
意の開度で固定しイオウ系材料の露出面積を制御でき
る。なおシャッタ２５は、エッチャントであるラジカル
を消費せず、また汚染を招くことのないステンレス鋼、
アルミナ被覆のアルミニウム等で形成しする。

【００２９】この基板バイアス印加型ＥＣＲプラズマエ
ッチング装置により、Ｗ層上にＡｌ−１％Ｓｉ合金層が
形成された構造を含む積層配線のエッチングをレジスト
マスクを用いて行った例を、図１（ａ）〜（ｄ）を参照
して説明する。なお図１では、従来例の説明に用いた図
６と同様の部分には同一の参照番号を付与するものとす
る。

【００３０】まず図１（ａ）に示すように、Ｓｉ等の半
導体基板（図示せず）上にＳｉＯ₂等の絶縁膜１を形成
する。次にＴｉからなる密着層２、ＴｉＮからなるバリ
アメタル層３、ブランケットＣＶＤによるＷからなる高
融点金属層４、スパッタリングによるＡｌ−１％Ｓｉか
らなるＡｌ系金属層５、ＴｉＯＮからなる反射防止層６
をこの順に形成する。バリアメタル層形成後、不活性雰
囲気中で例えば６５０℃で６０秒程度のＲＴＡを施し、
バリア性を向上してもよい。なお、絶縁膜２には図示し
ないが接続孔が開口され、半導体基板に形成された不純
物拡散領域とコンタクトする多層配線構造であってもよ
い。またＳｉ等の半導体基板は、Ａｌ合金や多結晶Ｓｉ
等からなる下層配線層であってもよい。各層の厚さは、
一例として密着層２が３０ｎｍ、バリアメタル層３が７
０ｎｍ、高融点金属層４が２００ｎｍ、Ａｌ系金属層５
が５００ｎｍそして反射防止層６が３５ｎｍである。

【００３１】つぎに、一例としてネガ型３成分系化学増
幅型フォトレジストであるシプレー社製ＳＡＬ−６０１
とＫｒＦエキシマレーザリソグラフィによる０．３５μ
ｍ幅のレジストマスク７を形成する。この段階まで形成
した図１（ａ）に示すサンプルを被エッチング基板とす
る。

【００３２】この被エッチング基板を、前述の基板バイ
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によりまずＴｉＯＮからなる
反射防止層６とＡｌ系金属層５をエッチングする。 ＢＣｌ₃ ３０ ｓｃｃｍ Ｃｌ₂ ７０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３３ Ｐａ マイクロ波パワー １２００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 ０ ％ 本エッチング過程では、Ｃｌ^* によるラジカル反応がＣ
ｌ⁺ 、ＢＣｌ_x ⁺ 等のイオンにアシストされる形でエッ
チングは異方的に進む。また同時に、パターニングされ
た反射防止層６とＡｌ系金属層５、レジストマスク７の
側面には図１（ｂ）に示すようにレジストの分解生成物
ＣＣｌ_x を含むＡｌＣｌ_x 系の側壁付着膜８が付着形成
され、異方性エッチングの一助として寄与する。本エッ
チング過程は異方性の高いプロセスであるので、シャッ
タ開度は０％としておく。ただし、絶縁膜１に段差が形
成されている場合には数十％以上のオーバーエッチング
を施す場合があるので、早期に形成されたＡｌ系金属層
５パターン部分を保護する必要がある。この場合にはシ
ャッタ開度を適宜に設定し、イオウの側壁保護膜を併用
してもよい。

【００３３】次に被エッチング基板上にイオウ系材料を
堆積する工程に移る。一例として希ガスによる放電を下
記条件により施す。 Ｈｅ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３３ Ｐａ マイクロ波パワー １２００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 １００ ％ 本処理過程では、Ｈｅ⁺ が石英ベルジャ２６の内壁面に
被着されたイオウからなるイオウ系材料２４およびウェ
ハクランパ２３表面に形成されたイオウをスパッタし、
イオウを被エッチング基板２１上に堆積して側壁保護膜
１０を図１（ｃ）に示すようにコンフォーマルに形成す
る。なおイオウは高融点金属層４の露出表面にも堆積す
るが、図１（ｃ）では図示を省略する。本工程により、
ＡｌＣｌ _x 系の側壁付着膜８は次工程で用いるＦ系ガス
との接触から遮蔽される。

【００３４】続けて下記条件により高融点金属層４、バ
リアメタル層３及び密着層２を連続的にエッチングす
る。 ＳＦ₆ ５０ ｓｃｃｍ Ｈｅ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 １．３３ Ｐａ マイクロ波パワー １２００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 ５０ ％ 本エッチング過程では、Ｆ^* によるラジカル反応がＳＦ
_x ⁺ を主体とするイオンにアシストされる形でエッチン
グが進む。同時に５０％のシャッタ開度に制御された石
英ベルジャ２６の内壁面およびウェハクランパ２３表面
に形成されたイオウからスパッタアウトされたイオウが
高融点金属層４パターンの側面に堆積し、Ｆ^* のアタッ
クから高融点金属層４パターンを保護する。シャッタ開
度が制御されているので、イオウが過度に堆積してエッ
チングレートが低下することはない。また、ＡｌＣｌ_x
系の側壁付着膜８がＦ^* に接触してＡｌＦ^* に変換され
ることがない。

【００３５】この結果、図１（ｄ）に示すように高融点
金属層４、バリアメタル層３および密着層２ともに異方
性よくパターニングされた。イオウの側壁保護膜１０は
エッチングレート終了後、被エッチング基板を９０℃以
上に加熱すれば痕跡を残さず昇華除去可能であり何ら汚
染を残すことはない。レジストマスク７およびＡｌＣｌ
_x 系の側壁付着膜８はＯ₂ やＯ₃ によるアッシンッグで
除去し、積層配線のパターニングを完了する。イオウの
側壁保護膜１０はアッシング時に同時に除去してもよ
い。

【００３６】本実施例によれば、レジストマスクを用い
た積層配線のパターニングにおいて、ＡｌＦ_x 系のフェ
ンス状残渣が残ることがなく、パーティクル汚染やステ
ップカバリッジの問題が解決できる。積層配線の異方性
形状もサイドエッチングのない優れたものである。高融
点金属層のエッチング時にはイオウの堆積はシャッタ開
度の制御により必要以上に起こることがないので、エッ
チングレートの低下がない。また被エッチング基板温度
を２０℃に設定したことも実用的なエッチングレートの
確保に寄与する。この被エッチング基板温度は、例えば
０℃以下に設定すれば、イオウ系材料の堆積を増強し、
側壁保護効果を高めることもできる。

【００３７】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、ＩＣ
Ｐ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａ
ｓｍａ）エッチング装置でパターニングした例である。
まず本発明装置の特徴部分を図５を参照して説明する。

【００３８】図５はＩＣＰエッチング装置の概略断面図
である。石英等誘電体材料で構成されるチャンバ側壁外
周に多重に巻回した誘導結合コイル３２により、ＩＣＰ
電源１８のパワーをチャンバ内に供給し、高密度プラズ
マを発生する。被エッチング基板２１を載置する基板ス
テージ２２には、ＲＦバイアス電源２９により基板バイ
アスを印加する。３０はエッチングチャンバ内壁面を構
成する上部接地電極であり、ヒータ３１により温度制御
が可能である。以上は、従来のＩＣＰエッチング装置と
同じ構成である。なお図５においては、エッチングチャ
ンバ底板、エッチングガス導入管等細部は図示を省略す
る。本装置構造によれば、大型のマルチターン誘導結合
コイル３２により、大電力でのプラズマ励起が可能であ
る。

【００３９】本装置の特徴は、上部接地電極３０のチャ
ンバ内壁面およびウェハクランパ２３の表面にポリチア
ジルからなるイオウ系材料２４により被覆されている点
である。ポリチアジルは、有機溶媒に溶解した溶液を５
００μｍの厚さに塗布した。また本装置の特徴は、上部
接地電極３０のチャンバ内壁面を被覆するイオウ系材料
２４の露出表面積を制御するシャッタ２５を有する点で
ある。シャッタ２５は、イオウ系材料２４表面と微少間
隙を保ちつつ図示しない駆動機構により図面の矢印方向
に移動可能に配設する。このようなシャッタ移動機構
は、一例としてレンズの絞り羽根に見られるように、複
数枚の羽根を摺動自在に組み合わせる機構を採用すれば
容易に構成できるが、この他にも種々の方式を用いてよ
い。図４では、シャッタ２５をチャンバ中央よりに移動
すればシャッタ開度０％、外周よりに移動すればシャッ
タ開度１００％となり、イオウ系材料２４の全表面が露
出する。

【００４０】このＩＣＰエッチング装置により、Ｗ層上
にＡｌ−１％Ｓｉ合金層が形成された構造を含む積層配
線のエッチングを行った例を、再び図１前半の図１
（ａ）〜（ｂ）と、図２（ａ）〜（ｃ）を参照して説明
する。まず、実施例１で用いたものと同じ図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反射
防止層６とＡｌ系金属層５をパターニングする。 ＢＣｌ₃ ２５ ｓｃｃｍ Ｃｌ₂ ５５ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ ＩＣＰ電源パワー ２５００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（１．８ＭＨｚ） 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 ０ ％ この結果、図１（ｂ）に示すように反射防止層６とＡｌ
系金属層５は異方性よくエッチングされ、パターン側面
にはレジストマスクの分解生成物ＣＣｌ_x を含むＡｌＣ
ｌ_x 系の側壁付着膜８が形成される。

【００４１】本実施例ではこの段階でレジストマスク７
をアッシング除去する。このアッシングでは同時に側壁
付着膜８も除去される。なおこの段階以後は図２（ａ）
〜（ｃ）を参照して説明することとする。

【００４２】つぎに被エッチング基板上にイオウ系材料
を堆積する工程に移る。一例として希ガスによる放電を
下記条件により施す。 Ｈｅ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ マイクロ波パワー ２５００ Ｗ（２．ＯＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 １００ ％ 本処理過程では、Ｈｅ⁺ が上部接地電極３０のチャンバ
内壁面およびウェハクランパ１６表面に形成されたポリ
チアジルからなるイオウ系材料２４をスパッタし、ポリ
チアジルを被エッチング基板上に堆積して側壁保護膜１
０を図２（ａ）に示すようにコンフォーマルに形成す
る。イオウは高融点金属層４の露出表面にも堆積する
が、図２（ａ）では図示を省略する。

【００４３】次にエッチング条件を一例として下記のよ
うに切り替え、高融点金属層４、バリアメタル層３およ
び密着層２を順次パターニングする。 ＳＦ₆ ３０ ｓｃｃｍ Ａｒ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．５ Ｐａ ＩＣＰ電源パワー ２５００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） ＲＦバイアスパワー ４０ Ｗ（１．８ＭＨｚ） 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 ５０ ％ 本エッチング過程では上部接地電極３０のチャンバ内壁
面およびウェハクランパ１６表面に形成されたポリチア
ジルがスパッタされ、ポリチアジルを被エッチング基板
上に堆積して側壁保護膜１０を図２（ｂ）に示すように
形成しつつエッチングが進行する。本エッチング過程は
反射防止層６およびＡｌ系金属層５をエッチングマスク
としているため、従来ならば高融点金属層４パターンに
サイドエッチングが入るところであるが、ポリチアジル
の側壁付着膜１０の効果により、高融点金属層４は異方
性よくパターニングされる。またシャッタ開度を５０％
としているので、過度のポリチアジルの堆積によるエッ
チングレートの低下はない。

【００４４】エッチング終了後、被エッチング基板を１
３０℃以上に加熱してポリチアジルからなる側壁保護膜
１０を昇華除去して図１（ｃ）に示すように積層配線を
完成する。図１（ｃ）では反射防止層６は引き続き残存
しているが、この段階ではスパッタアウトして消失して
いる場合もある。この場合も、露出するＡｌ系金属層５
パターンがエッチングマスクとして機能するので支障は
ない。完成した積層配線にはポリチアジルの痕跡や汚染
は見られない。

【００４５】本実施例では図２（ａ）に示す段階でイオ
ウ系材料を堆積する工程を入れているが、このプロセス
を省略してもよい。これは、レジストマスク７および側
壁付着膜８がすでにアッシング除去されているので、Ａ
ｌＣｌ_x 系の側壁付着膜８をＦ^* から遮蔽する必要がな
いからである。

【００４６】本実施例によれば、ＩＣＰエッチング装置
の特徴である高真空度下での高密度プラズマによるプロ
セスを施すことができる。このため本質的に高異方性、
低ダメージ、高エッチングレートが達成され。本装置に
よれば、これらの効果に加えて強固なポリチアジルから
なる側壁保護膜１０の効果により、サイドエッチング防
止の効果はより完璧なものとなる。このため、基板バイ
アスをより低下することが可能となるので、下地スパッ
タによる再付着や下地ダメージの低減の効果が得られ
る。これは絶縁膜１が段差を有しオーバーエッチング率
が大きい被エッチング基板の場合に特に有効である。

【００４７】実施例３ 本実施例は無機材料系マスクを使用し、積層配線をヘリ
コン波プラズマエッチング装置によりイオウを堆積しな
がらエッチングした例である。まず本実施例で用いるエ
ッチング装置を図６を参照して説明する。

【００４８】図６は本発明のヘリコン波プラズマエッチ
ング装置の概略断面図である。ヘリコン波電源３７によ
りヘリコン波アンテナ３６に電力を供給して発生する電
場と、ソレノイドコイル３０により形成される磁場との
相互作用により、ベルジャ３５内にホイスラー波（ヘリ
コン波）を発生し、図示ざるエッチングガス導入孔から
供給する反応ガスの高密度プラズマを生成する。３４は
プロセスチャンバ３３外周に配設したマルチポール磁石
であり、高密度プラズマをプロセスチャンバ３３内に閉
じ込める磁界を発生する。被エッチング基板２１を載置
する基板ステージ２２には基板バイアス電源２９より基
板バイアスを必要に応じ供給する。以上の構成は従来の
ヘリコン波プラズマエッチング装置と同じである。

【００４９】本装置の特徴部分はプロセスチャンバ３３
内壁面上部にイオウ系材料としてＳｉＳ₂ をプラズマ溶
射により５００μｍの厚さに被着形成してあることであ
る。また本装置の特徴部分は、このイオウ系材料被覆と
微少間隙を保ちつつ移動可能なシャッタ２５を配設した
点にある。シャッタ２５は、図示しない駆動機構により
図の矢印方向に進退可能であり、プロセスチャンバ３３
の中央よりに移動すればシャッタ開度０％、外周よりに
移動すればシャッタ開度１００％となり、イオウ系材料
の全表面が露出する。

【００５０】本ヘリコン波プラズマエッチング装置によ
り、高融点金属層上にＡｌ系金属層が積層された構造を
含む積層配線のパターニングを、無機材料系マスクによ
り行った例を図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

【００５１】まず図３（ａ）に示すように図示しない基
板上に絶縁膜１、密着層２、バリアメタル層３、高融点
金属層４、Ａｌ系金属層５および反射防止層６をこの順
に順次形成する。各層の材料および厚さは実施例１の場
合と同じである。次に、例えばプラズマＣＶＤによりＳ
ｉＯ₂ を堆積し、これを一例としてネガ型３成分系化学
増幅型レジストであるシプレー社製ＳＡＬ−６０１とＫ
ｒＦエキシマレーザリソグラフィによる０．３５μｍ幅
のレジストマスクによりパターニングし、無機材料系マ
スク１１を形成する。無機材料系マスク１１の厚さは、
例えば１５０μｍである。ここまで形成した試料を本実
施例での被エッチング基板とする。

【００５２】上記被エッチング基板を図６に示すヘリコ
ン波プラズマエッチング装置の基板ステージ２２上にセ
ッティングし、一例として下記条件により反射防止層６
とＡｌ系金属層５をパターニングする。 ＢＣｌ₃ ３０ ｓｃｃｍ Ｃｌ₂ ７０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．１ Ｐａ ヘリコン波電源パワー ２０００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 ０ ％ 本エッチング過程では、Ｃｌ^* によるラジカル反応がＣ
ｌ⁺ 、ＢＣｌ_x ⁺ 等のイオンにアシストされる形でエッ
チングは異方的に進む。また同時に、パターニングされ
た反射防止層６とＡｌ系金属層５、無機材料系マスク７
の側面にはＡｌＣｌ_x 系の側壁付着膜が付着形成される
が、その付着量は少ないので図３（ｂ）では図示を省略
する。本エッチング過程は異方性の高いプロセスである
ので、シャッタ開度は０％としておく。ただし、絶縁膜
１に段差が形成されている場合には数十％以上のオーバ
ーエッチングを施す場合があるので、早期に形成された
Ａｌ系金属層５パターン部分を保護する必要がある。こ
の場合にはシャッタ開度を適宜に設定し、イオウの側壁
保護膜を併用してもよい。

【００５３】続けて高融点金属層４、バリアメタル層３
および密着層２を一例として下記エッチング条件により
パターニングする。 ＳＦ₆ ２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．１ Ｐａ ヘリコン波電源パワー ２０００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） ＲＦバイアスパワー ５０ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 基板温度 ２０ ℃ シャッタ開度 １００ ％ 本エッチング過程ではチャンバ内壁上部に被着形成した
ＳｉＳ₂ がスパッタアウトされ、イオウが被エッチング
基板上に堆積し図３（ｃ）に示すように側壁保護膜１０
を形成するので、エッチングは異方性よく進行し、サイ
ドエッチングが生じる虞れはない。なお、スパッタアウ
トされたＳｉＳ₂ の構成成分のうち、Ｓｉは気相中でＦ
^* と反応しＳｉＦ_x となり反応系外に除去される。前述
したＣｌ系ガスを用いる前段のプロセスの場合、シャッ
タ２５を開ければスパッタアウトされたＳｉＳ₂ の構成
成分のうち、ＳｉはＳｉＣｌ_x となり反応系外に除去さ
れ、被エッチング基板上にイオウが堆積することは言う
までもない。下層のバリアメタル層３、密着層２も同様
にＴｉのフッ化物としてスパッタ除去される。また被エ
ッチング基板温度を２０℃に設定しているので、ポリチ
アジルは効率よく被エッチング基板上に堆積し、またこ
の温度ではエッチングレートも実用上充分な値が得られ
る。

【００５４】エッチング終了後、被エッチング基板を９
０℃以上に加熱することにより、イオウからなる側壁保
護膜１０は昇華除去され図３（ｄ）に示すように０．３
５μｍ幅の積層配線が完成する。無機材料系マスク１
１、反射防止層６ともに別途除去してもよいし、このま
ま残して層間絶縁膜の１部として使用してもよい。

【００５５】本実施例によれば、ヘリコン波プラズマエ
ッチング装置の特徴である高真空度下での高密度プラズ
マによるプロセスを施すことができる。このため本質的
に高異方性、低ダメージ、高エッチングレートが達成さ
れる。本装置によればこれらの効果に加えて、イオウ系
材料の側壁保護膜を利用できるので、従来のエッチング
条件では大きくサイドエッチングが入る無機材料系マス
クを用いても、積層配線の良好な異方性加工が達成され
る。またレジストマスクの分解生成物に基づくパーティ
クルレベルの悪化の虞れがない。

【００５６】以上、本発明を３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。

【００５７】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、Ａｌ−Ｓｉを例示したが、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ
合金、Ａｌ−Ｃｕ合金や純Ａｌを用いてもよい。

【００５８】無機材料系マスクとして、ＳｉＯ₂ を用い
たが、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 等他
の材料を単層または積層して適宜使用してよい。光学的
条件を満たせば、下地の反射防止層と兼用してもよい。

【００５９】反射防止層としてＴｉＯＮを例示したが、
露光波長等の条件を選ぶことによりａ−Ｓｉ、Ｓｉ
Ｏ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＯＮ、ＳｉＣあるいは有機系材
料等を適宜選択して用いてもよい。反射防止層は必要が
なければ省略してよい。バリアメタル層としてもＴｉＮ
を用いたが、ＴｉＯＮ、ＴｉＷ、ＴｉＳｉ_x 等を用いて
もよい。バリアメタル層と密着層は、必要が無ければ使
用しなくてもよい。

【００６０】エッチングガス系についても実施例にあげ
た例に限定されるものではない。例えば、Ａｌ系金属層
のエッチングガスとしてＢＣｌ₃ とＣｌ₂ の混合ガスを
用いたが、ＣＣｌ₄ 、ＳｉＣｌ₄ 等他の汎用Ｃｌ系ガス
を用いてよい。高融点金属層のエッチングガスとしてＳ
Ｆ₆ を用いたが、ＮＦ₃ 等他の汎用Ｆ系ガスを使用して
もよい。Ｂｒ系ガス、Ｉ系ガス、Ｏ系ガス、ＣＯ系ガ
ス、Ｎ系ガスや希ガス等を適宜添加すれば、選択比向上
や残渣防止に効果がある場合もある。

【００６１】エッチング装置は基板バイアス印加型ＥＣ
Ｒプラズマエッチング装置、ＩＣＰエッチング装置、ヘ
リコン波プラズマエッチング装置を用いたが、平行平板
型ＲＩＥ装置、マグネトロンＲＩＥ装置、ＴＣＰ（Ｔｒ
ａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）
エッチング装置等特に形式を問わない。これらのエッチ
ング装置のチャンバ内壁に適宜イオウ系材料を被着形成
し、イオウ系材料の露出表面積を制御しうるシャッタを
開閉自在に配置すれば本発明の趣旨が達成できるのであ
る。ロードロック室、基板加熱室、アッシンング室等で
構成された多室連続処理システムを用いればスループッ
トの向上が期待できる。

【００６２】その他、イオウ系材料の被着方法、シャッ
タの開閉方式等、上記実施例に限定されず各種方法の採
用ガス可能である。

【００６３】

【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Ａｌ系金属層が形成され
た構造を含む積層配線をパターニングするドライエッチ
ング方法において、イオウまたはポリチアジルの側壁保
護膜を形成しながらエッチングすることにより、次の効
果を得られる。

【００６４】イオウまたはポリチアジルの側壁保護膜
は、Ｃｌ^* 、Ｆ^* 等のラジカルアタックや、イオン入射
に対し強固な保護作用を有するので、積層配線パターン
にサイドエッチングが入ることがない。このため、パタ
ーン変換差のない良好な異方性エッチングが達成でき
る。これは、とりわけ無機材料系マスクを使用する場合
に大きなメリットとなる。

【００６５】イオウまたはポリチアジルの側壁保護膜の
高いガスバリア性により、積層配線のパターニングに不
可欠なエッチングガスの切り替えに基づくＡｌＦ_x 系の
フェンス状残渣の発生が防止できる。このため、基板や
エッチングチャンバ内のパーティクル汚染を防止でき
る。また上層に形成する層間絶縁膜等のステップカバリ
ッジの低下を防ぐことができる。

【００６６】イオウまたはポリチアジルの側壁保護膜
は、エッチング終了後被エッチング基板をイオウでは約
９０℃以上、ポリチアジルでは約１３０℃以上に加熱す
れば基板汚染を残さず昇華除去できるので、カーボン系
の側壁保護膜に比してパーティクル汚染は少ない。

【００６７】本発明のエッチング方法は、基板を０℃以
下の低温に冷却してラジカル反応を抑制する方法を採ら
ないので、実用的なエッチングレートを確保した上で上
記効果を達成できる。

【００６８】次に、本発明のドライエッチング装置によ
れば、エッチングチャンバ内壁面の１部にイオウ系材料
を被着し、このイオウ系材料の露出表面積を可変しうる
シャッタを設けたことにより、被エッチング基板上に必
要に応じ最適な量のイオウ系材料を堆積することが可能
となる。しかも、エッチングガスとしては、汎用のＦ系
ガス、Ｃｌ系ガスを用いることが可能であることも実プ
ロセス上効果が大きい。また側壁付着膜の形成をレジス
トマスクの分解生成物に依存しないので、レジストマス
クのパターン密度に左右されない均一性の高い側壁保護
効果が得られる。

【００６９】以上の効果により、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優れた低抵抗の信頼性に富ん
だ積層配線のドライエッチング装置およびドライエッチ
ング方法が確立され、その実用化が可能となる。本発明
による積層配線のドライエッチング方法は、特に０．５
μｍ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ものであり、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】本発明の積層配線のドライエッチング方法の実
施例１における工程を示す概略断面図であり、（ａ）は
下地絶縁膜上に密着層、バリアメタル層、高融点金属
層、Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを
順次形成した状態、（ｂ）は反射防止層とＡｌ系金属層
をパターニングした状態、（ｃ）は側壁保護膜を形成し
た状態、（ｄ）は高融点金属層、バリアメタル層および
密着層を側壁保護膜を形成しつつパターニングした状態
である。

【図２】本発明の積層配線のドライエッチング方法の実
施例２における工程を示す概略断面図であり、（ａ）は
反射防止層およびＡｌ系金属層をパターニング後レジス
トマスクを除去しさらに側壁保護膜を形成した状態、
（ｂ）は引き続き高融点金属層、バリアメタル層および
密着層を側壁保護膜を形成しつつパターニングした状
態、（ｃ）は側壁保護膜を昇華除去して積層配線が完成
した状態である。

【図３】本発明の積層配線のドライエッチング方法の実
施例３における工程を示す概略断面図であり、（ａ）は
下地絶縁膜上に密着層、バリアメタル層、高融点金属
層、Ａｌ系金属層、反射防止層および無機材料系マスク
を順次形成した状態、（ｂ）は反射防止層とＡｌ系金属
層をパターニングした状態、（ｃ）は側壁保護膜を形成
しつつ高融点金属層、バリアメタル層および密着層をパ
ターニングした状態、（ｄ）は側壁保護膜を昇華除去し
て積層配線が完成した状態である。

【図４】本発明の実施例１で用いるドライエッチング装
置を示す概略断面図である。

【図５】本発明の実施例２で用いるドライエッチング装
置を示す概略断面図である。

【図６】本発明の実施例３で用いるドライエッチング装
置を示す概略断面図である。

【図７】従来の積層配線のドライエッチング方法におけ
る工程上の問題点を示す概略断面図であり、（ａ）は下
地絶縁膜上に密着層、バリアメタル層、高融点金属層、
Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを順次
形成した状態、（ｂ）は反射防止層とＡｌ系金属層をパ
ターニングして側壁付着膜が形成された状態、（ｃ）は
高融点金属層、バリアメタル層および密着層をパターニ
ングして側壁変質膜が形成された状態、（ｄ）はレジス
トマスクを除去した後にフェンス状残渣が残留した状態
である。

【図８】従来の積層配線のドライエッチング方法におけ
る工程上の別の問題点を示す概略断面図であり、（ａ）
は下地絶縁膜上に密着層、バリアメタル層、高融点金属
層、Ａｌ系金属層、反射防止層および無機材料系マスク
を順次形成した状態、（ｂ）は反射防止層とＡｌ系金属
層をパターニングしてサイドエッチングが発生した状
態、（ｃ）は引き続き高融点金属層をパターニングした
状態である。

【符号の説明】

１ 絶縁膜 ２ 密着層 ３ バリアメタル層 ４ 高融点金属層 ５ Ａｌ系金属層 ６ 反射防止層 ７ レジストマスク ８ 側壁付着膜 ９ 側壁変質膜 １０ 側壁保護膜 １１ 無機材料系マスク ２１ 被エッチング基板 ２２ 基板ステージ ２３ ウェハクランパ ２４ イオウ系材料 ２５ シャッタ

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/3213 Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｆ 21/88 Ｒ Ｄ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成さ
   れた構造を含む積層配線をパターニングするドライエッ
   チング方法において、 エッチングチャンバ内壁面の少なくとも１部にイオウ系
   材料を被着し、該イオウ系材料をスパッタして被エッチ
   ング基板上にイオウ、ポリチアジルから選ばれる少なく
   とも１種を堆積する工程を含むことを特徴とする、積層
   配線のドライエッチング方法。
2. 【請求項２】 イオウ系材料は、イオウ、ＳｉＳ、Ｓｉ
   Ｓ₂ 、ポリチアジル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。
3. 【請求項３】 エッチング終了後、被エッチング基板を
   ９０℃以上に加熱し、イオウを昇華除去することを特徴
   とする、請求項１記載のドライエッチング方法。
4. 【請求項４】 エッチング終了後、被エッチング基板を
   １３０℃以上に加熱し、ポリチアジルを昇華除去するこ
   とを特徴とする、請求項１記載のドライエッチング方
   法。
5. 【請求項５】 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記載のドライエッ
   チング方法。
6. 【請求項６】 高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成さ
   れた構造を含む積層配線をパターニングするためのドラ
   イエッチング装置であって、 エッチングチャンバ内壁面の少なくとも１部にイオウ系
   材料を被着し、該イオウ系材料の露出表面積の可変制御
   手段としてのシャッタを具備してなることを特徴とする
   ドライエッチング装置。
7. 【請求項７】 イオウ系材料は、イオウ、ＳｉＳ、Ｓｉ
   Ｓ₂ 、ポリチアジル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６記載のドライエ
   ッチング装置。