JPH0760814B2 - 金属被膜の選択的エッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は半導体素子の超微細加工による製造方法に関
し、特に半導体素子の超微細加工において金属配線を形
成するために金属層を選択的にエッチングする方法に関
する。

〔先行技術の説明〕

半導体素子の配線、電極などの材料として電導性のアル
ミニウムを主体とした金属が広く使用されている。そし
て従来この配線等のパターン形成方法は絶縁膜が形成さ
れた素子表面に真空蒸着法またはスパッター法により金
属層を形成し、その上に感光性レジストや電子線レジス
トなどの放射線感受性レジストによりパターンを形成
し、リン酸系またはアミン系食刻液によるいわゆる湿式
法でエッチングし、最後にレジスト膜を除去してアルミ
ニウム配線等のパターンを形成する方法である。しかし
半導体デバイスの高集積度化、高性能化がLSIから超LSI
へと進むにつれ、微細加工の要求も益々高度化しつつあ
る。例えば約３μｍレベルの微細素子製造におけるアル
ミニウムのエッチング方法では従来の湿式法でもかろう
じて可能であったが、さらに細かいレベルの2.5ないし
２μｍ、特に１μｍ以下のいわゆるサブミクロンレベル
になると、必然的にエッチングの寸法精度、均一性、断
面形状の制御性、歩留り等の向上が次第に要求されるよ
うになり湿式法に代ってドライエッチング法が導入され
るようになってきた。

一方アルミニウム被膜のドライエッチングは塩素系ガス
で行うことができるが、アルミニウム被膜の表面には酸
化アルミニウム被膜が容易に形成され易いためにその酸
化アルミニウム被膜のエッチングはドライエッチング法
の中でも物理的な力も加わる平行平板電極型のプラズマ
エッチングやリアクティブイオンエッチング（RIE）で
なければ実用性がない。そしてアルミニウム被膜のエッ
チング条件が強力であるか、ないしは強く加速されたイ
オン衝撃のためエッチング時に高温となる。そのために
紫外線、電子線またはＸ線等の放射線に感受性を有する
従来の有機レジストマスクは熱変形を起し、パターンの
間隔が詰って理像力が低下したりあるいはレジストマス
クの膜減りが激しくアルミニウム被膜のドライエッチン
グに耐えうるマスクとしての有機レジスト材料がないの
が現状である。そのため膜減りに対する一つの手段とし
てレジストマスクの膜厚を厚くして膜減り分の厚さを予
め補償しておくことも考えられるが、そうするれば厚膜
化のためにレジストのパターン精度（解像力）が低下
し、所期の目的を達することができなくなる。

そこで本発明者らは上記の事情に鑑み、塩素系ガスに対
し耐ドライエッチング性があり、かつフッ素系ガスによ
りドライエッチング可能な無機性物質、すなわち酸化ケ
イ素の薄層をアルミニウム等被膜上に形成し、有機レジ
ストの補助マスクとして使用することにより、アルミニ
ウム等被膜の微細パターンの選択的なドライエッチング
方法を先に提案した（特願昭57-125078号）。しかしな
がらこの方法においては有機レジストを用いてパターニ
ングするときに、段差やパターン形状により酸化ケイ素
の薄膜を通してアルミニウム等被膜からの光の反射があ
ってホトマスクに忠実なパターンを得ることが難しいと
いう欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明者らはさらに鋭意研究を重ねた結果、超LSIレベ
ルの素子製造における平行平板電極型プラズマエッチン
グ法、またはRIE法によるアルミニウム等の被膜の超微
細パターンの形成方法において、有機レジストマスクの
みでは選択的エッチングが不可能なため、塩素系ガスに
対し耐ドライエッチング性があり、かつフッ素系ガスに
よりドライエッチング可能な無機性物質、すなわち酸化
ケイ素を主体とし、200〜450nmの波長を吸収する吸光剤
を含有する薄層をアルミニウム等被膜上に形成し、有機
レジストの補助マスクとして使用することにより、アル
ミニウム等被膜の微細パターンを忠実に選択的ドライエ
ッチングすることが可能となることを見出し本発明を完
成した。

すなわち本発明の目的は超LSIレベルの半導体素子製造
においてアルミニウム等金属被膜の選択的ドライエッチ
ング方法による超微細パターン形成方法を提供するにあ
る。

さらに本発明の他の目的は特別に煩雑は手段を講ずるこ
となくアルミニウム等被膜の超微細パターンを精度よく
形成する方法を提供するにある。

〔発明の構成〕

本発明は半導体基板上の金属被膜を選択的にエッチング
するに際して（ａ）基板上に金属被膜を形成する工程、
（ｂ）該被膜上に酸化ケイ素を主成分とし、200〜450nm
の波長を吸収する吸光剤を含有する補助マスク層を形成
する工程、（ｃ）前記補助マスク層上に設けられた光感
受性有機レジストをパターニングする工程、（ｄ）該パ
ターニングされた有機レジスト層をマスクとして前記補
助マスク層をエッチングする工程、（ｅ）エッチングさ
れた前記補助マスク層をマスクとして該金属被膜を塩素
系ガスでドライエッチングする工程、および（ｆ）残存
する前記補助マスク層を除去する工程からなる金属被膜
の選択的エッチング方法を提供するものである。

以下本発明の各工程を第１図（ａ）〜（ｈ）に示す断面
図で説明する。なお金属としてアルミニウムを使用し
た。

先ず第１段階は第１図（ａ）に示す如く基板１上に真空
蒸着法またはスパッター法によりアルミニウム被膜２を
形成し、第１図（ｂ）に示す如くアルミニウム被膜２の
表面にスピンオン塗布、焼成法により200〜450nmの波長
を吸収する吸光剤を含有する酸化ケイ素（SiO₂）被膜３
を形成する。

このSiO₂被膜３は後述のアルミニウム被膜をエッチング
してパターニングするための補助マスクの形成に使用す
るもので、その厚さは50〜5000nmが適当である。ただ基
板１がSiO₂の場合、後述の最終工程において補助マスク
層3aを除去する際に基板１と補助層3aとが同時に除去さ
れるため、基板１の損傷をできるだけ少なくすることが
望ましく、それにはSiO₂被膜３を可及的に薄くするかあ
るいは基板１よりもエッチングレートの高い補助マスク
材料を選択することが有利である。

次に第２段階としてSiO₂被膜３上に紫外線、遠紫外線等
の光感受性有機レジスト層を形成した後、第１図（ｃ）
に示す如く紫外線、遠紫外線によるマイクロホトリソグ
ラフィにより所期の微細パターンをもつ有機レジストマ
スク４を形成する。有機レジストおよびその適用の工程
は所望の性能を有する材料および工程を選択、使用する
ことが必要である。

第３段階は第１図（ｄ）に示す如く、有機レジストマス
ク４に対しフッ素系ガスによるドライエッチングを適用
しSiO₂を主体とする補助マスクパターン3aを形成する工
程である。この場合のフッ素系ガスとしてはCF₄、CF₄＋
O₂、C₂F₆、CHF₃、C₃F₈またはCF₄＋H₂が使用可能であ
る。ここで有機レジストマスク４は4aとなる。

第４段階は平行平板電極型プラズマエッチング装置また
はRIE装置を使用し、塩素系ガスにより補助マスクパタ
ーンを介してアルミニウム被膜をエッチングして第１図
（ｅ）の如くアルミニウム被膜パターン2aを形成する工
程である。このときには一般に有機レジスト4aは衝撃を
受け膜減り等を生起し4a′となる。使用可能な塩素系ガ
スはCCl₄、BCl₄またはSiCl₄である。

第５段階は第１図（ｆ）に示す如くマスクとして使用し
た有機レジスト4a′を除去する工程であり、これは酸素
ガスによるプラズマエッチング方法を採用するのが好ま
しいが、剥離剤を使用して湿式法で除去することも勿論
可能である。

最後の第６段階は補助マスクとして使用したSiO₂パター
ン層3aを除去して第１図（ｇ）に示す如く所期のアルミ
ニウム被膜の微細パターン2aのみを得る工程であり、第
３段階と同様にフッ素系ガスによるドライエッチング方
法が好ましい。勿論従来公知のフッ化水素酸系溶液によ
る湿式法で除去することも可能である。

以上の説明のような順序で工程を経るのが本発明方法の
最良の態様であるが、他の態様として一部工程順序を逆
にする、例えば第４段階と第５段階を逆にして第１図
（ｈ）に示す如く、有機レジストマスク4aを除去し、補
助マスク層3aのみで塩素系ガスによりアルミニウム帆膜
をエッチングしても何ら差支えない。

本発明において用いることのできる酸化ケイ素を主成分
とする補助マスク層には、塗布法によって基板上に塗布
した後に加熱焼成することによって酸化ケイ素質を形成
するものであればどのようなものでも使用することがで
きる。ここで塗布法によって被着させるといったのはそ
の作業性の点で優れているからである。他の方法、例え
ば蒸着法等によるものであれば装置そのものが大型とな
るばかりでなく、大量生産向きではない。その材料をい
くつか示せばハロゲン化シランまたはアルコキシシラン
等を加水分解して得られるヒドロキシシランの有機溶媒
溶液あるいはリン化合物を含むリンシリケートガラス
（PSG）溶液を塗布液として使用することができる。

このような塗布液中には200〜450nmの波長を吸収する吸
光剤を適量添加することが必要である。この吸光剤は20
0〜450nmの波長の吸収を示すものであればよく、そのよ
うなものとしては染料、顔料、紫外線吸収剤などがあ
る。その具体例として、染料としてはアゾ染料、アント
ラキノン染料、インジゴイド染料、フタロシアニン染
料、カルボニウム染料、キノンイミン染料、メチン染
料、キノリン染料、ニトロ染料、ニトロソ染料、ベンゾ
キノン染料、ナフトキノン染料、ナフタルイミド染料、
ペリノン染料、塩基性染料、クマリン系染料など、顔料
としては無機および有機顔料、紫外線吸収剤としてはサ
リチル酸フェニル系、ベンゾフェノン系、ベンゾトリア
ゾール系、アクリレート系の化合物などを挙げることが
できる。これらのうち塗布液に溶解もしくは均一に分散
し、しかも分子中にエルテル基、水酸基、カルボキシル
基、スルホンアミド基、アミド基を有するものが特に好
ましい。また多種類のホトレジストを対象とした場合に
は染料等を混合した方が良い。

本発明においてこの吸光剤の添加量は塗布液中のケイ素
化合物に対して0.1〜40重量％、特に５〜30重量％の範
囲で用いることが好ましい。添加量が上記範囲の下限よ
りも少ないときには光感受性有機レジストへの選択的露
光時に下地層であるアルミニウム等被膜から有機レジス
トに有効な波長の乱反射があり、希望する画像が得られ
なくなるおそれがある。他方吸光剤の添加量が上記範囲
の上限を超えると耐ドライエッチング性が悪くなり、も
しくは添加による効果が飽和状態に至り好ましくない。

本発明では上記のように適量の吸光剤を補助マスク層に
含有させたことにより、アルミニウム等被膜からの光の
反射を防止できホトマスクに忠実なパターンを得ること
が可能である。

また本発明に用いることのできる光感受性有機レジスト
は市販されているホトレジストであれば、これらのもの
は本来耐エッチング性に優れているのであるから、その
種類を問わず使用に供することができる。

また既述の第３段階の例においてエッチングはドライエ
ッチングを示したが、特にドライエッチングに限定する
必要は全くない。

なお本発明は以下の６点を利用してアルミニウム等の金
属を主体とした配線、電極などの超微細加工を精度よく
可能としたものである。すなわち （１）金属被膜は塩素系ガスによるエッチングは容易で
あるが、フッ素系ガスによるエッチングは困難であるの
に対し、SiO₂を主体とするガラス質、またはPSGの被膜
は塩素系ガスによるエッチングは困難であるがフッ素系
ガスによるエッチングは容易である。

（２）金属被膜のドライエッチングが可能な平行平板電
極型プラズマエッチング法やRIE法においては方向性の
ある、いわゆる異方性エッチングができ多層膜でもレジ
ストパターン通りの精度の良いエッチングができるため
多少膜厚が増加しても影響が少ない。

（３）一般に金属表面へのレジストの密着性が悪いた
め、シランカップリング剤で前処理することが必要であ
るが、金属表面に予めSiO₂を主体とするガラス質または
PSGの被膜を形成すると密着性が向上し、従ってシラン
カップリング剤等による前処理が不要となる。

（４）塩素系ガスにより金属被膜をドライエッチングす
ると、基板表面に塩素イオンが吸着残存し金属配線等や
シリコン素子に経時変化的に悪影響を与え寿命が短くな
る。しかし塩素系ガスエッチング後、フッ素系ガスによ
りドライエッチングを行うと塩素系ガスとフッ素系ガス
の吸着置換が起り悪影響が改善される。

（５）金属被膜上にSiO₂を主体とするガラス質またはPS
Gの被膜を形成するには必然的に低温（450℃以下）で形
成することが要求されている。このためにはCVD法（気
相成長法）またはスピンオン法で行われるのが一般的で
あり、こうして得られるSiO₂を主体とするガラス質また
はPSGの被膜はフッ素系ガスによるドライエッチングが
容易である。特に五酸化リン（P₂O₅）含有のSiO₂（PS
G）の被膜はベーキング性、ゲータリング性、エッチン
グ除去性等において特に良好である。

（６）アルミニウム表面から200〜450nmの光を吸光剤が
吸収するので、ハレーション防止効果が効を奏し所望の
微細パターンが忠実に得られる。

以上本発明方法をSiO₂を主体とするガラス質またはPSG
の被膜を補助マスクとしてフッ素系ガスおよび塩素系ガ
スを使用してアルミニウム被膜をドライエッチングする
方法について説明したが、これ以外にも本発明は他種の
補助マスク、ガラス、これ以外にもタングステン、チタ
ン、モリブデン、ニオブまたはタンタルなどの金属被膜
について利用できることはいうまでもない。

次に実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１ シリコン基板上に真空蒸着法でアルミニウム被膜（１μ
ｍ程度）を蒸着しその上に不純物を含まないSiO₂系被膜
形成用塗布液OCD（商品名東京応化工業（株）製、シラ
ノール化合物をエチアルコールを主体とした溶媒にSiO₂
換算濃度で5.9重量％となるように溶解した溶液）に対
し、メチルレッド（和光純薬工業（株）製）1.5重量％
を溶解した溶液をスピンコート後、450℃で30分間ベー
クして厚さ100nmのSiO₂膜を形成した。次にこの上に遠
紫外線レジストODUR-1010（商品名東京応化工業（株）
製）によりレジストパターンを形成した後、平行平板電
極型プラズマエッチング装置に入れC₂F₆ガス100ml/min
を処理室に導入し、圧力を26.7Pa、出力200Wの高周波電
圧を印加して１分間プラズマエッチングを行い補助マス
ク用のSiO₂膜パターンを形成した。次に同じ装置の処理
室にCCl₄ガス15ml/min導入し圧力13.3Pa、出力200Wにて
アルミニウム膜をエッチングした。同じ装置の処理室に
O₂ガス300ml/min導入し圧力200Pa、出力300Wにてレジス
トを除去した。さらに同じ装置の処理室にC₂F₆ガスを導
入して圧力40Pa、出力200Wにて補助マスク用のSiO₂膜を
除去し、所期のアルミニウム配線パターンを得た。

実施例２ 不純物として五酸化リンを含むSiO₂系被膜形成用塗布液
OCD（商品名東京応化工業（株）製）100mlに、P₂O₅0.1g
とアイゼンカチオンイエローGLH（保土谷化学（株）製
の塩基性染料）1.5gとを溶解した溶液を使用した以外は
実施例１と同様にしてアルミニウム被膜、PSG膜および
レジストパターンを形成し、平行平板電極型プラズマエ
ッチング装置により、CHF₃ガス20ml/min、13.3Pa、出力
300WにてPSG膜をエッチングして補助マスクを形成し
た。同様にCCl₄ガス15ml/min、Heガス100ml/min、圧力4
0Pa、出力250Wにてアルミニウム被膜をエッチングした
後、O₂ガスプラズマにより圧力200Pa、出力300Wで処理
してレジスト膜を除去し、さらにフッ化水素酸（HF）お
よびフッ化アンモニウム（NH₂F）の水溶液によりPSG膜
を除去してアルミニウム配線パターンを得た。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｈ）は本発明の各工程段階を説明する
ための断面図である。 １……基板 2,2a……アルミニウム被膜 3,3a……補助マスク層 4,4a,4a′……有機レジストマスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−198632（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−133465（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−122750（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−122143（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−115178（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−16978（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上の金属被膜を選択的にエッチ
   ングするに際して、 （ａ）基板上に金属被膜を形成する工程、 （ｂ）該被膜上に酸化ケイ素を主成分とし、200〜450nm
   の波長を吸収する吸光剤を含有する補助マスク層を形成
   する工程、 （ｃ）前記補助マスク層上に設けられた光感受性有機レ
   ジストをパターニングする工程、 （ｄ）該パターニングされた有機レジスト層をマスクと
   して前記補助マスク層をエッチングする工程、 （ｅ）エッチングされた前記補助マスク層をマスクとし
   て該金属被膜を塩素系ガスでドライエッチングする工
   程、 および （ｆ）残存する前記補助マスク層を除去する工程からな
   る金属被膜の選択的エッチング方法。
2. 【請求項２】（ｄ）、（ｆ）のエッチングがフッ素系ガ
   スによるドライエッチングである特許請求の範囲第
   （１）項記載の選択的エッチング方法。