JPH07263426A - 積層配線のドライエッチング方法 - Google Patents

積層配線のドライエッチング方法

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JPH07263426A
JPH07263426A JP5616594A JP5616594A JPH07263426A JP H07263426 A JPH07263426 A JP H07263426A JP 5616594 A JP5616594 A JP 5616594A JP 5616594 A JP5616594 A JP 5616594A JP H07263426 A JPH07263426 A JP H07263426A
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JP
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metal layer
layer
etching
etched
dry etching
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JP5616594A
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English (en)
Inventor
Namisato Akiba
波里 秋庭
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 Al層上にW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、スループット低下や汚染
の発生なく異方性エッチングする。 【構成】 W等の高融点金属層4をイオウまたはポリチ
アジルの側壁保護膜7を形成しながらパターニング後、
Al系金属層3を同一装置内で連続的にエッチングす
る。 【効果】 側壁保護膜の効果により、特別の基板冷却を
用いることなしにF* によるサイドエッチングを防止で
きる。続けて基板温度を切り替えることなしにAl系金
属層をエッチングするので、エッチングレートの確保が
できる。エッチング終了後は側壁保護膜は昇華除去でき
るので、パーティクル汚染の虞れがない。エッチングレ
ートのパターン密度依存性もなく均一にエッチングでき
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
部配線のドライエッチング方法に関し、更に詳しくはA
l系金属層上に高融点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C
u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、導電性がありかつ高剛
性の配線層をAl系金属層の上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
較し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(198
8年春期年会)講演予稿集p642、講演番号29p−
V−9に報告があり、広く認識されているところであ
る。ただWはAlに比して電気抵抗が高く、単層では使
いづらいことから両者を組み合わせ、たとえAl系金属
層が断線しても上層の高融点金属層が存在するので、そ
の冗長効果により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、高融点金属層の中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る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Al系
金属層上にW等の高融点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、W層はF系ガスで、Al系金属層はCl系ガスに
切り替えてパターニングを行っている。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2
(a)〜(c)を参照して説明する。
【0005】まず図2(a)に示すように、半導体基板
1上の絶縁膜2上にAl系金属層3、高融点金属層4、
反射防止層5をこの順に被着し、パターニング用のレジ
ストマスク6を形成する。次にF系エッチングガスによ
り、反射防止層5と高融点金属層4をエッチングする。
このときエッチングのスループット向上のため、Fラジ
カル(F* )を主体とするラジカルモードのエッチング
を施すと、図2(b)に示すように高融点金属層4にサ
イドエッチングが入る。続けてCl系ガスに切り替えて
Al系金属層3をエッチングし、図2(c)に示すよう
に積層配線のパターニングを完了するのである。
【0006】高融点金属層4のサイドエッチングは、特
にサブハーフミクロン以下の微細な設計ルールにおいて
は、配線抵抗値の設計値からの乖離や層間絶縁膜のステ
ップカバリッジの悪化、あるいはストレスマイグレーシ
ョン耐性の低下等様々な問題を含んでいる。サイドエッ
チング防止には、被エッチング基板を例えばマイナス数
十℃に低温冷却しラジカル反応を抑制することが効果的
である。しかし低温エッチングは、下層のAl系金属層
のエッチングも含め、エッチングプロセス全体のレート
を下げ、スループットの低下を招く結果となる。基板ス
テージの温度制御を2段階とし、高融点金属層3は低温
で、Al系金属層3はプラス数十℃に昇温してエッチン
グすればエッチングレートの問題は解決するが、昇温/
降温のサイクルに時間をとられる別の問題が生じる。現
在の高精度ドライエッチング装置の主流である枚葉式ド
ライエッチング装置においてはこの問題は無視できな
い。
【0007】別の解決策として、個別に温度制御された
専用のエッチング装置を複数台設け、ゲートバルブを介
して被エッチング基板の搬送が可能な連続多室エッチン
グ装置の導入が考えられる。しかしこれは被エッチング
基板の搬送に要する時間、クリンールーム内の設置所要
面積や設備投資コストの面で難点がある。
【0008】そこで本発明の課題は、Al系金属層上に
高融点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、サイドエッ
チングの発生のない形状制御性のすぐれた異方性ドライ
エッチング方法を提供することである。
【0009】また本発明の課題は、単一のエッチングチ
ャンバ内で連続的にパターニング可能であり、スループ
ットにすぐれ、パーティクル汚染の虞れのないクリーン
な上記積層配線の異方性ドライエッチング方法を提供す
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。
【0010】
【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、Al系金属層上に高融点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において、エッ
チングされたパターン側壁にイオウ層を形成しながら高
融点金属層エッチング後、連続的にAl系金属層をエッ
チングするものである。
【0011】イオウ層は、放電解離条件下でプラズマ中
に遊離のイオウを生成するガス、例えばS2 2 、SF
2 、SF4 およびS2 10等のフッ化イオウ系ガスの放
電解離により形成する。
【0012】また本発明のドライエッチング方法は、A
l系金属層上に高融点金属層が形成された積層配線のド
ライエッチング方法において、エッチングされたパター
ン側壁にポリチアジル層を形成しながら高融点金属層エ
ッチング後、連続的にAl系金属層をエッチングするも
のである。
【0013】ポリチアジル層は、放電解離条件下でプラ
ズマ中に遊離のイオウを生成するガス、例えばS
2 2 、SF2 、SF4 およびS2 10等のフッ化イオ
ウ系ガスと、N系ガスとの放電解離により形成する。N
系ガスとしては、N2 、NF3 およびN2 4 等を例示
できる。NH3 ガスは、イオウ系化合物と反応してドラ
イプロセスでは除去困難な硫化アンモニウムを形成する
虞れがあるので好ましくない。
【0014】フッ化イオウ系ガスとして広く用いられて
いるSF6 は、一分子中のフッ素原子とイオウ原子の比
を示すF/S比が6と大きく、プラズマ中に遊離のイオ
ウを生成する効果がないこと、およびプラズマ中に大量
のF* を生成しサイドエッチングを誘起する等、本発明
の目的には適合しないものである。
【0015】
【作用】本発明のポイントは、高融点金属層のドライエ
ッチング時にエッチングされたパターン側壁にイオウ層
またはポリチアジル層を形成し、これを側壁保護膜とし
て利用しながらエッチングすることにある。先に挙げた
2 2 、SF2 、SF 4 およびS2 10等のフッ化イ
オウ系ガスはプラズマ中に遊離のイオウを生成し、これ
を被エッチング基板上に堆積する。N系ガスのプラズマ
が存在する場合には、プラズマ中にチアジル(SN)を
最初に形成し、これが次々に重合してポリチアジル(S
N)n となり被エッチング基板上に堆積する。
【0016】一方、プラズマ中に生成するF* によるラ
ジカル反応は、SFx + 等のイオン入射にアシストされ
る形で異方性エッチングを進行させる。イオン入射に垂
直面に堆積するイオウ層ないしポリチアジル層は、直ち
にスパッタ除去されるのでエッチングの進行を妨げな
い。イオン入射に平行面、すなわちパターン側面に堆積
したイオウ層ないしポリチアジル層は、イオン入射の影
響を受けづらいので、そのまま残り、側壁保護膜として
機能する。
【0017】イオウ層ないしポリチアジル層からなる側
壁保護膜は、Al系金属層のエッチング時にもそのまま
付着して残り、その機能を果たす。Al系金属層のエッ
チング終了後は、減圧雰囲気中で被エッチング基板の温
度を上昇すれば、イオウ層ないしポリチアジル層は昇華
し、その痕跡なく除去できるので、パーティクル汚染等
の懸念はない。昇華温度は、イオウは約90℃以上、ポ
リチアジルでは約130℃以上である。
【0018】これから明らかなように、高融点金属層の
エッチング時には被エッチング基板を昇華温度以下に制
御することがイオウ層ないしポリチアジル層の側壁保護
膜を利用する上で重要な点である。
【0019】またイオウ層ないしポリチアジル層による
側壁保護膜は、気相中から供給され堆積するので、被エ
ッチング基板上のレジストマスクのパターン密度に関係
なく均一に形成されるメリットがある。これは、レジス
トの分解生成物によるカーボン系ポリマによる側壁保護
膜が、マイクロローディング効果を起こし易いことに比
較して、有利な点である。
【0020】
【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。
【0021】実施例1 本実施例は、高融点金属層側面にイオウ層を側壁保護膜
として形成した例であり、このプロセスを図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2と同様の部分には同じ参照番号を付すも
のとする。
【0022】まず図1(a)に示すように、5インチ径
のSi等の半導体基板1上にSiO 2 等の絶縁膜2、ス
パッタリングによりAl−1%SiからなるAl系金属
層3、ブランケットCVDによりWからなる高融点金属
層4、スパッタリングによりTiONからなる反射防止
層5を順次形成する。絶縁膜2に形成された図示しない
接続孔により半導体基板1と上層のAl系金属層3が接
続されていてもよい。もちろん半導体基板1は多結晶S
i等やAl合金等からなる下層配線層であってもよい。
各層の厚さは、例えばAl系金属層3は500nm、高
融点金属層4が200nm、反射防止層5は35nmで
ある。なお、反射防止層5は高融点金属層4表面に段差
が形成されている場合に、露光光のハレーションによる
レジストマスク6のパターン精度低下を防ぐために必要
なものである。
【0023】つぎに、一例としてネガ型3成分系の化学
増幅型フォトレジストであるシプレー社製SAL−60
1とKrFエキシマレーザリソグラフィにより、0.3
5μm幅のレジストマスク6を形成する。ここまで形成
した試料を被エッチング基板と呼ぶこととする。
【0024】この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反射防止層5と高融点金属層
4をエッチングする。 S2 2 30 sccm ガス圧力 1.5 Pa マイクロ波パワー 1200 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 300 W(2MHz) 基板温度 20 ℃ 本エッチング過程では、反射防止層5と高融点金属層4
はTiOx y 、WF x 等蒸気圧の大きな反応生成物を
形成して除去される一方、高融点金属層4パターン側面
にはイオウ層が側壁保護膜7として形成されエッチング
側面をF* のアタックから保護するので、エッチングは
異方的に進む。
【0025】次にエッチングガスをCl系に切り替え、
一例として下記条件によりAl系金属層3をエッチング
する。基板温度は変化させない。 BCl3 60 sccm Cl2 90 sccm ガス圧力 1.5 Pa マイクロ波パワー 1200 W(2.45GHz) 基板温度 20 ℃ 本エッチング過程では、Cl* を主エッチャントとする
ラジカル反応がCl+、BClx + 等のイオン入射にア
シストされる形で異方的にエッチングが進行する。イオ
ウ層はそのまま側壁保護膜7として高融点金属層4の側
面に付着している。この結果、図1(c)に示すように
Al系金属層3上に高融点金属層4が形成された構造を
含む積層配線パターンが形成された。反射防止層5は、
この後に形成する層間絶縁膜(図示せず)の一部として
そのまま残すことも可能である。
【0026】この後、被エッチング基板を約90℃以上
に加熱すれば側壁保護膜7は昇華除去され、その痕跡は
残らない。同時にこの基板加熱により、基板上に付着し
ているAl系金属層3エッチング時の反応生成物AlC
x (図示せず)をも除去する。続けてレジストマスク
6をアッシングまたはレジスト剥離液により除去し、積
層配線を完成する。なおイオウ層からなる側壁保護膜
は、アッシングによっても除去可能である。
【0027】本実施例では、高融点金属層の異方性エッ
チングにイオウの堆積を側壁保護膜7に利用している
が、S2 2 ガスにH2 等H系ガスを添加しF* を消費
する方法をとれば、見掛け上のF/S比をさらに低下す
るのでイオウはより一層効果的に堆積できる。このよう
なガスは、他にSiH4 、H2 S等がある。
【0028】本実施例によれば、イオウ層による側壁保
護膜の効果によりサイドエッチングのない積層配線のパ
ターニングが可能となる。特別の基板冷却や基板温度の
切り替えを必要としないので、Al系金属層4のエッチ
ングレートも高く、スループット低下等の虞れがない。
【0029】実施例2 本実施例は、高融点金属層4をエッチングするにあた
り、イオウの堆積に加えてレジストマスクの分解生成物
をも側壁保護膜に利用した例であり、同じく図1(a)
〜(c)を参照して説明する。
【0030】図1(a)に示す被エッチング基板は実施
例1と同じであるので重複する説明を省略する。この被
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
まず反射防止層5と高融点金属層4をエッチングする。 S2 2 30 sccm CHF3 40 sccm ガス圧力 1.5 Pa マイクロ波パワー 1200 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 250 W(2MHz) 基板温度 20 ℃ 本エッチング過程では、反射防止層5と高融点金属層4
はF* をメインエッチャントとするラジカル反応が、強
いイオン性を示すCFx + やSFx + 等のイオンにアシ
ストされてエッチングが進行するとともに、レジストマ
スク6がスパッタされ、レジスト分解生成物がイオウと
共に側壁保護膜7を形成する。このため、高融点金属層
4のエッチングは異方的に進行する。
【0031】続けて、実施例1と同様にAl系金属層3
をエッチングする。レジスト分解物とイオウとからなる
側壁保護膜7は、90℃以上の基板加熱によりイオウ成
分を昇華してからレジストマスクと共にアッシング除去
可能である。この複合化した側壁保護膜は、アッシング
のみで除去してもよい。
【0032】本実施例によれば、レジスト分解生成物で
あるカーボン系ポリマと、イオウとからなる強固な側壁
保護膜の効果により、基板バイアスを実施例1より下げ
たにもかかわらず、極めて異方性の強いパターニングが
可能である。また側壁保護膜をカーボン系ポリマのみに
依存した時に問題となる、レジストマスクのパターン密
度依存性による均一性の低下や、パーティクルレベルの
悪化の懸念がない。
【0033】実施例3 本実施例は、高融点金属層4をエッチングするにあた
り、ポリチアジル層を側壁保護膜に利用した例であり、
再度図1(a)〜(c)を参照して説明する。
【0034】図1(a)に示す被エッチング基板は実施
例1と同じであるので重複する説明を省略する。この被
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
まず反射防止層5と高融点金属層4をエッチングする。 S2 2 30 sccm N2 20 sccm ガス圧力 1.5 Pa マイクロ波パワー 1200 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 200 W(2MHz) 基板温度 20 ℃ 本エッチング過程では、反射防止層5と高融点金属層4
はF* をメインエッチャントとするラジカル反応が、S
x + 、N+ 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。同時に、気相中で生成するチアジルは重
合して被エッチング基板上に強固なポリチアジルとなっ
て堆積するので、高融点金属層4のパターン側面はサイ
ドエッチングから保護される。
【0035】続けて、実施例1と同様にAl系金属層3
をエッチングする。エッチング終了後、ポリチアジルか
らなる側壁保護膜7は、約130℃以上の基板加熱によ
り昇華し、ポリチアジルの痕跡を残すことはない。同時
に、基板上に付着しているAl系金属層3エッチング時
の反応生成物AlClx (図示せず)をもこの基板加熱
により除去する。続けてレジストマスク6をアッシング
またはレジスト剥離液により除去し、積層配線を完成す
る。なおポリチアジル層からなる側壁保護膜は、アッシ
ングによっても除去可能である。
【0036】本実施例によれば、極めて強固なポリチア
ジルによる側壁保護膜の効果により、基板バイアスを実
施例2よりさらに低下したにもかかわらず、異方性にす
ぐれた高融点金属層5のパターニングが可能である。ま
た、基板バイアス低減効果により、高融点金属層4のオ
ーバーエッチング時に下層のAl系金属層3をスパッタ
して側壁保護膜7上に再付着膜を形成することがないの
で、一層のパーティクル低減に寄与する。
【0037】以上、3例の実施例をもって本発明を説明
したが本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
【0038】高融点金属層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、シリサイドを用いても良い。Al系金属層とし
てAl−1%Siを用いたがAl−CuやAl−Si−
Cu等他のAl合金を使用してもよい。
【0039】反射防止層としてTiONを用いたが、こ
れはSiON、SiO2 、Si3 4 、SiC、a−S
i等を適宜用いてよい。反射防止層は省略することも可
能である。また、Al系金属層3と絶縁膜2の間に、T
i、TiN等の密着層やバリアメタル層を介在させるこ
とも特に接続孔でのオーミック性確保等の観点から有効
である。
【0040】エッチングガス系についても、実施例にあ
げた例に限定するものではない。高融点金属層のエッチ
ングにはNF3 、XeF2 等他のF系ガスを併用しても
よい。ArやHe等希ガスの添加はプラズマの安定性や
エッチングレートの向上に役立つ。HBrやHI、CO
ガスの添加はレジストマスクとの選択比向上に寄与す
る。
【0041】Al系金属層のエッチングには、CC
4 、SiCl4 等他のCl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4−329567号
明細書で開示したS2 Cl等塩化イオウ系ガスを用いれ
ば、ここでもイオウ系の側壁保護膜を用いた異方性にす
ぐれた低パーティクルエッチングが可能となる。勿論希
ガスを添加してもよい。その他、エッチング装置も平行
平板型RIE装置、マグネトロンRIE装置、ヘリコン
波プラズマエッチング装置、TCPエッチング装置、I
CPエッチング装置等、任意の装置の使用が可能であ
る。
【0042】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
はAl系金属層上に高融点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、高融点金属層にサイドエッチングが入ることな
く、異方性にすぐれた加工が可能となる。
【0043】本発明のドライエッチングは、極低温等特
別の基板冷却や基板温度の切り替え等を必要とせずに室
温近傍での連続的エッチングが可能であるので、エッチ
ングレートの低下や基板温度変更による時間ロスがな
い。またマルチチャンバエッチング装置を必要としない
ので、基板搬送によるスループット低下の虞れがなく、
クリーンルームの省スペース化やコスト低減にも貢献す
る。本発明は、一連の工程をすべて同一エッチング装置
内でガスの切り替えのみで連続して行えるので、プロセ
ス全体としてのスループットに優れる。
【0044】上記効果により、Al系金属層上に高融点
金属層が形成された構造を含む積層配線を信頼性高く加
工することができるようになり、特に例えば0.5μm
以下の微細なデサインルールにもとづく積層配線構造を
有する半導体装置の製造プロセスにおいて極めて有効で
ある。
【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)はレジス
トマスクが形成された被エッチング基板の状態、(b)
は高融点金属層をパターニングしてレジストマスク側面
にイオウまたはポリチアジルからなる側壁保護膜が形成
された状態、(c)続けてAl系金属層をエッチングし
た状態である。
【図2】従来の積層配線のドライエッチングにおける問
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
高融点金属層をパターニングしてサイドエッチングが入
った状態、(c)は続けてAl系金属層をエッチングし
た状態である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 絶縁膜 3 Al系金属層 4 高融点金属層 5 反射防止層 6 レジストマスク 7 側壁保護膜
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/3205 H01L 21/88 N

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Al系金属層上に高融点金属層が形成さ
    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、 パターンの側面にイオウ層を形成しながら前記高融点金
    属層をエッチング後、連続的にAl系金属層をエッチン
    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。
  2. 【請求項2】 イオウ層は、放電解離条件下でプラズマ
    中に遊離のイオウを生成する化合物を含むガスを用いて
    形成することを特徴とする、請求項1記載の積層配線の
    ドライエッチング方法。
  3. 【請求項3】 イオウ層は、S2 2 、SF2 、SF4
    およびS2 10からなる群から選ばれる少なくとも1種
    のガスの放電解離により形成することを特徴とする、請
    求項1記載の積層配線のドライエッチング方法。
  4. 【請求項4】 Al系金属層上に高融点金属層が形成さ
    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、 パターンの側面にポリチアジル層を形成しながら前記高
    融点金属層をエッチング後、連続的にAl系金属層をエ
    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。
  5. 【請求項5】 ポリチアジル層は、放電解離条件下でプ
    ラズマ中に遊離のイオウを生成する化合物を含むガス
    と、N系ガスとを用いて形成することを特徴とする、請
    求項4記載の積層配線のドライエッチング方法。
  6. 【請求項6】 ポリチアジル層は、S2 2 、SF2
    SF4 およびS2 10からなる群から選ばれる少なくと
    も1種のガスと、N系ガスとの放電解離により形成する
    ことを特徴とする、請求項4記載の積層配線のドライエ
    ッチング方法。
  7. 【請求項7】 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および4記載の積
    層配線のドライエッチング方法。
JP5616594A 1994-03-25 1994-03-25 積層配線のドライエッチング方法 Pending JPH07263426A (ja)

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