JPH08130206A - Ａｌ系金属層のプラズマエッチング方法 - Google Patents

Ａｌ系金属層のプラズマエッチング方法

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JPH08130206A
JPH08130206A JP6267148A JP26714894A JPH08130206A JP H08130206 A JPH08130206 A JP H08130206A JP 6267148 A JP6267148 A JP 6267148A JP 26714894 A JP26714894 A JP 26714894A JP H08130206 A JPH08130206 A JP H08130206A
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metal layer
etching
plasma etching
layer
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ａｌ系金属層のプラズマエッチングにおい
て、レジストマスクや層間絶縁膜とのエッチング選択比
が大きく、異方性に優れ、パーティクル汚染やアフター
コロージョンの少ないプロセスを提供する。 【構成】 ＨＣｌを主体とするエッチングガスによるプ
ラズマエッチングを施す。この時形成される側壁保護膜
６は、塩素の含有量が少なくイオン衝撃やラジカル攻撃
に対する耐性の高い性質を有する。ＨＣｌの流量を変え
た２段階エッチングガスをおこなってもよい。 【効果】 側壁保護膜の膜質の強化により、その堆積量
を減らすことができ、また入射イオンエネルギを下げて
も異方性に優れたエッチングが可能となる。このため、
パーティクル汚染やレジストマスクの膜減り、さらには
層間絶縁膜２の面粗れや膜減りを低減できる。

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の電極・配線
等に用いるＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法に関
し、さらに詳しくは、レジストマスクや下地絶縁膜との
選択比を高め、エッチング残渣の発生を低減したＡｌ系
金属配線のプラズマエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の内部配線や電極
材料として、純Ａｌや、各種マイグレーション耐性を高
めるためこれに１〜２％のＳｉを添加したＡｌ−Ｓｉ合
金、さらに０．５〜１％のＣｕを加えたＡｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ合金等のＡｌ系金属が広く使用されている。またＡｌ
系金属層の上層および下層には、下地との密着性やバリ
ア性を高めるためのＴｉ層やＴｉＮ層のＴｉ系材料層を
配したり、露光光の反射を防止するＴｉＯＮ層を配した
積層構造が多用されている。
【０００３】Ａｌ系金属層のパターニングは、蒸気圧の
高いＡｌＣｌx 系の反応生成物を形成するために、一般
にＣｌ系ガスによるプラズマエッチングがおこなわれ
る。例えば米国特許第４，２５６，５３４号明細書に
は、ＢＣｌ3 ／Ｃｌ2 混合ガスによるパターニング方法
が開示されている。
【０００４】Ａｌ系金属層のプラズマエッチングにおい
ては、メインエッチャントはＣｌ*（Ｃｌラジカル）で
あり、自発的かつ速やかなエッチング反応が進行する。
このため、Ｃｌ* のみでは等方性の強いエッチングとな
りサイドエッチングが発生する。そこで通常は、ある程
度被処理基板への垂直入射イオンエネルギを高めたプラ
ズマエッチング条件の採用により、イオンアシスト反応
を併用するとともに、入射イオンによりスパッタされた
レジストマスクの分解生成物を側壁保護膜として利用す
ることで、異方性エッチングを達成している。イオンア
シスト反応の併用は、ＳｉやＣｕ等の合金成分や、Ｔｉ
等の積層構造成分等、反応生成物の蒸気圧が小さい化合
物をスパッタリングして除去し、残渣の発生を抑えるた
めにも必要である。混合ガス中のＢＣｌ3 は、Ａｌ系金
属層の表面に存在する自然酸化膜のブレークスルーに用
いる還元剤であるとともに、入射イオンとしてのＢＣｌ
x + を供給するという重要な役割を持っている。
【０００５】ところで、上述のようにレジストマスクの
スパッタによる分解生成物を側壁保護膜として積極的に
用いる異方性エッチングにおいては、必然的にレジスト
マスクや下地層間絶縁膜との選択比が低下する。ＢＣｌ
3 ／Ｃｌ2 混合ガスによる典型的なＡｌ系金属層のパタ
ーニングにおいては、対レジストマスク選択比はわずか
に２程度である。サブハーフミクロンクラスの高集積化
した微細なデザインルールのもとでは、露光波長の単波
長化にともない、ＫｒＦ等のエキシマレーザリソグラフ
ィが採用されつつあるが、これらエキシマレーザリソグ
ラフィ対応の化学増幅型レジストはイオン入射耐性が必
ずしも充分でなく、レジストマスク選択比の問題は重要
である。また下地層間絶縁膜との選択比の低下は、絶縁
膜のエッチングによる膜減りや面粗れを生じる。
【０００６】一方、サブハーフミクロンクラスの高集積
化した微細なデザインルールのもとでは、フォトリソグ
ラフィにおける露光時の解像度を向上するためにも、レ
ジストの塗布厚を低減することが要求される。したがっ
て、レジスト塗布厚低減による微細加工性の確保と、レ
ジストマスクとの選択比確保とはトレードオフの関係に
あり、特に段差下地上のＡｌ系金属層のパターニングに
おいて段差部の残渣を除去するオーバーエッチングで
は、レジストマスクの膜減りによるパターン変換差の問
題は無視できないレベルとなっている。
【０００７】かかる問題に対処するために、従来よりレ
ジストマスクの補強策として、レジストマスクの表面に
イオン衝撃耐性の高い材料を形成する試みがなされてい
る。例えば、エッチングガスとしてＳｉＣｌ4 を用い
て、レジストマスクの表面をＳｉで被覆する方法が第３
３回集積回路シンポジウム講演予稿集（１９８７年）、
ｐ．１１４に報告されている。
【０００８】またＢＢｒ3 等のＢｒ系ガスを用いるプロ
セスがＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １１ｔ
ｈ． Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｄｒｙ Ｐｒｏｃｅ
ｓｓ、ＩＩ−２、ｐ．４５、あるいは特開平１−３０２
２７号公報に報告ないしは開示されている。このプロセ
スは、レジストマスク表面を蒸気圧の小さい反応生成物
ＣＢｒx で被覆してエッチング耐性を高めるものであ
る。ＣＢｒx によるレジストマスク保護のメカニズムに
ついては、月刊セミコンダクター・ワールド誌（プレス
ジャーナル社刊）１９９０年１２月号、ｐ．１０３〜１
０７に詳述されており、対レジストマスク選択比として
５の値が報告されている。しかしながら、かかるレベル
の選択比を達成するにはＳｉあるいはＣＢｒx を多量に
堆積する必要があり、Ａｌ系金属配線のパターン変換差
や断面の過度のテーパ形状化の問題があり、さらに被処
理基板やプラズマエッチング装置内部のパーティクルレ
ベルを悪化させる虞れが大きい。さらに、段差を有する
下地絶縁膜上のＡｌ系金属層のパターニングにおいて
は、過剰の側壁保護膜の堆積により段差側面の下部に延
在するストリング状の残渣を発生し、配線間の短絡を生
じる虞れがある。
【０００９】これとは別に、レジストマスク構成元素で
ある、Ｃ、ＨおよびＯを含む化合物であるメタノールを
添加し、Ｃｌ2 ／ＣＨ3 ＯＨ混合ガスによりＡｌ系金属
層をプラズマエッチングする例が特開平４−１４７６２
１号公報に開示されている。これはＣＨ3 ＯＨの添加に
より、レジストマスクの分解が相対的に少なくなること
を利用し、選択比３．５〜４を達成するものである。し
かし、ＢＣｌx + 等質量の大きなイオン種のスパッタリ
ング効果は期待できず、自然酸化膜の除去に難があり、
このため実際にエッチングが始まる迄のｉｎｄｕｃｔｉ
ｏｎ ｔｉｍｅ（ｄｅａｄ ｔｉｍｅ）の長時間化やパ
ターニングの均一性に問題があった。
【００１０】一方、Ａｌ系金属配線のパターニングに特
有の現象として、アフターコロージョンの問題がある。
これはレジストマスクの分解生成物による側壁保護膜中
に含まれる残留塩素が主要な原因であり、過剰の側壁保
護膜の形成は残留塩素を増大するので好ましくない。特
に最近ではＡｌ系金属配線にＣｕを添加したり、バリア
メタル層や反射防止層等の異種材料層との積層構造の採
用により、アフターコロージョン防止の観点からは不利
な条件が揃っている。このため、従来にも増して徹底し
たアフターコロージョン対策が望まれる。
【００１１】さらにレジストマスクの分解生成物による
側壁保護膜中に含まれる残留塩素は、被処理基板が大気
と接触したり、Ｏ2 プラズマアッシングを施すとＡｌ2
Ｏ3系の強固な残渣となり、パターニングされたＡｌ系
金属配線側面上にフェンス状に残留して上層に形成する
層間絶縁膜のステップカバレッジを低下する。また剥離
した場合には被処理基板上のパーティクルレベルを悪化
する。このためにも過剰の側壁保護膜の形成は好ましい
ものではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な技術的背景をふまえ、これらの問題点を解決すること
をその技術的課題とするものである。すなわち本発明の
課題は、対レジストマスク選択比や対下地層間絶縁膜と
の選択比が大きく、異方性に優れ、しかも過剰な側壁保
護膜の堆積によるパーティクル汚染や寸法変換差、ある
いは下地段差でのストリング状残渣のない、Ａｌ系金属
層のプラズマエッチング方法を提供することである。
【００１３】本発明の別の課題は、ＳｉやＣｕ等難エッ
チング性の元素を含むＡｌ系金属層や、Ｔｉ系材料層と
の積層構造であっても、エッチング残渣のないＡｌ系金
属層のプラズマエッチング方法を提供することである。
【００１４】また本発明の別の課題は、異種材料との積
層構造を採用したＡｌ系金属配線においても、アフター
コロージョンを発生することのないＡｌ系金属配線のパ
ターニ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、本願明細書中の記載および添付図面の説明
により明らかとなる。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明のＡｌ系金属層の
パターニング方法は、上述の課題を解決するために提案
するものであり、ＨＣｌ（塩化水素ガス）を主体とする
エッチングガスを用い、Ａｌ系金属層をパターニングす
ることを特徴としている。
【００１６】また本発明のＡｌ系金属層のパターニング
方法は、ＨＣｌを主体とするエッチングガスを用い、Ａ
ｌ系金属層をメインエッチングする第１のパターニング
工程に引き続き、ＨＣｌを主体とするエッチングガスの
流量を増大し、Ａｌ系金属層をオーバーエッチングする
第２のパターニング工程を有することを特徴としてい
る。
【００１７】エッチングガス中に占めるＨＣｌの体積比
は、９０％以上１００％以下であることが望ましい。
【００１８】エッチングガスは、さらにハロゲン化硼素
ガスを１０％未満の体積比で含んでもよい。このハロゲ
ン化硼素ガスは、ＢＣｌ3 およびＢＢｒ3 のうちのいず
れかである。
【００１９】本発明のプラズマエッチングの対象とする
Ａｌ系金属層は、主なものとしては純Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ
合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金のうちのいずれかの材料層
である。
【００２０】また本発明のプラズマエッチングの対象と
するＡｌ系金属層の下層にはＴｉ系材料層を有していて
もよく、前記Ａｌ系金属層のパターニングに引き続き、
前記Ｔｉ系材料層を連続的にパターニングすることを特
徴とする。
【００２１】またさらに本発明のプラズマエッチングの
対象とするＡｌ系金属層の上層にはＴｉ系材料層を有し
ていてもよく、前記Ｔｉ系材料層のパターニングに引き
続き、前記Ａｌ系金属層を連続的にパターニングするこ
とを特徴とする。
【００２２】本発明のプラズマエッチング方法における
Ａｌ系金属層のパターニング用マスクは、被エッチング
層上に所定の形状に形成したフォトレジストである。
【００２３】
【作用】本発明のポイントは、異方性エッチングに不可
欠の側壁保護膜の構成材料を、主としてレジストマスク
の分解生成物に求め、その膜質を強化して耐イオン衝撃
性と耐ラジカルアタック性を高める点にある。これによ
り、側壁保護膜の付着量を低減しても十分な側壁保護効
果を得ることができ、異方性形状を確保できる。また側
壁保護膜の強化により、イオン入射エネルギを低減して
も充分な異方性形状を確保できるので、対レジストマス
ク選択比や対下地層間絶縁膜選択比を向上できる。
【００２４】本発明においては、側壁保護膜としての炭
素系ポリマの膜質を強化する手段として、ＨＣｌガス単
独、あるいはＨＣｌを９０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％
以下含有するエッチングガスを用いる方法を採用する。
ＨＣｌは、放電解離条件下プラズマ中に生成する活性種
であるＨがプラズマ中のハロゲンラジカルを捕捉するこ
とで、炭素系ポリマ中のハロゲン含有量を低減する。さ
らにＣ−Ｈ結合を有する分極構造を持つ原子団がプラズ
マ中に発生することにより、レジストマスクの分解生成
物に起因する炭素系ポリマの重合度が上昇する。かかる
構造の炭素系ポリマは、化学的、物理的安定性が増し、
このため側壁保護膜の膜質を強化し、入射イオンやラジ
カルのアタックからパターン側面を保護する効果を高め
る。また側壁保護膜中のハロゲンの含有量の低減は、ア
フターコロージョンの防止にも効果的である。
【００２５】このように、側壁保護膜としての炭素系ポ
リマの膜質が強化されるので、異方性加工に必要な入射
イオンエネルギを低減でき、対レジストマスク選択比が
向上する。またこれにより、従来より薄いフォトレジス
ト塗布膜であっても、十分実用に耐えるレジストマスク
を形成でき、リソグラフィ時における解像度の向上に寄
与する他、加工寸法変換差の低減が図れる。さらに、側
壁保護膜の膜厚も従来より薄いもので充分な効果を発揮
するので、パターンシフト、ストリンガー、フェンス状
残渣、パーティクル汚染およびアフターコロージョン等
の不都合を低減することが可能となる。
【００２６】また入射イオンエネルギの低減効果は、当
然ながら対下地選択比の向上にもつながり、下地絶縁膜
のスパッタリングによる削れや面粗れを低減でき、半導
体デバイスの信頼性を向上する。
【００２７】活性水素によるプラズマ中のハロゲンラジ
カルすなわちＣｌ* の捕捉効果は、被処理基板上での過
剰Ｃｌ* を低減するので不所望の過剰ラジカル反応を抑
制する。すなわちパターニングされたＡｌ系金属層パタ
ーンのサイドエッチング防止に効果がある。
【００２８】さらに、Ａｌ系金属層表面の自然酸化膜は
ＨＣｌの解離によりプラズマ中に生成する活性Ｈにより
還元除去されるので、従来のようにＢＣｌ3 を用いなく
ても、あるいはＢＣｌ3 の添加を少量に止めても、プラ
ズマエッチング開始時のラグタイムの発生は極く短時間
で、プロセスのスループットに影響を与えることがな
い。
【００２９】本発明は以上のような技術的思想を基本原
理としているが、さらに一層の高選択比を目指す方法を
も提供する。それは、プラズマエッチングを２ステップ
化し、Ｓｉに対して低選択比の第１のパターニング工程
と、下地層間絶縁膜に対し高選択比の第２のパターニン
グ工程によりＡｌ系金属層のプラズマエッチングをおこ
なうものである。
【００３０】すなわち、後述する実施例で説明するよう
に、ＨＣｌを主体とするＡｌ系金属層のプラズマエッチ
ングにおいては、ＨＣｌの流量と対多結晶シリコン、対
Ｓｉ 3 Ｎ4 のエッチング選択比が密接に関連する。ＨＣ
ｌ流量が比較的小さな領域では対多結晶シリコン選択比
は小さいので、Ａｌ−１％Ｓｉ等のＡｌ系金属層のメイ
ンエッチング時におけるＳｉ残渣の低減が可能である。
一方ＨＣｌ流量が比較的大きな領域では対Ｓｉ3 Ｎ4 エ
ッチング選択比が大きいので、オーバーエッチング段階
における下地層間絶縁膜の面粗れや膜減りの低減に効果
的である。このように、ＨＣｌガスの流量の切り替えの
みでメインエッチングおよびオーバーエッチングにそれ
ぞれ最適な選択比の設定が可能となるのである。なお、
ＨＣｌを含有するエッチングガスによるＡｌ系金属層の
プラズマエッチングに関する先行技術として特公平３−
８１２９８号が公知である。これは、ＢＣｌ3 やＣＣｌ
4を主体とするエッチングガスに、添加成分としてのＨ
2 やＨＣｌ等のＨ系ガスを０〜１０ｖｏｌ％加えるもの
であり、Ｓｉ3 Ｎ4 等の無機マスクを用いる等、本願と
は異なる構成である。
【００３１】
【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、図面を
参照しつつ説明する。なお以下に示す各実施例は、いず
れもエッチング装置として基板バイアス印加型ＥＣＲプ
ラズマエッチング装置を用いた例である。インラインの
アッシング装置をゲートバルブにより連接した連続処理
装置を用いれば、スループットやアフターコロージョン
の防止に寄与する。
【００３２】実施例１ 本実施例は、ＨＣｌ単独のエッチングガスによりＡｌ系
金属配線を１ステップでパターニングした例であり、こ
れを図１（ａ）〜（ｃ）および図２を参照して説明す
る。
【００３３】本実施例で用いた被処理基板は、Ｓｉ等の
半導体基板１上のＳｉ4 Ｎ4 からなる層間絶縁膜２上に
形成した密着層であるＴｉ層３、Ａｌ−１％Ｓｉからな
るＡｌ系金属層４およびレジストマスク５が順次形成さ
れたものである。各層の厚さは一例として層間絶縁膜２
は４００ｎの厚さにｐ−ＣＶＤにより形成したものであ
り、Ｔｉ層３は１００ｎｍ、Ａｌ系金属層４は１．１μ
ｍの厚さにスパッタリングにより堆積したものである。
またレジストマスク４はノボラック系ポジ型レジストに
より、２．４μｍの厚さにパターニングし、０．５μｍ
の幅にパターニングしたものである。なお、層間絶縁膜
２には図示しない接続孔が開口されており、半導体基板
１の拡散層との能動層（図示せず）とＴｉ層３やＡｌ系
金属層４がオーミックコンタクトを形成している構造で
あってもよい。本被処理基板のように厚いＡｌ系金属層
は、一例としてバイポーラＩＣの第２層配線に用いるも
のである。
【００３４】図１（ａ）に示すこの被処理基板を基板バ
イアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置の基板ステ
ージ上にセッティングし、一例として下記プラズマエッ
チング条件でＡｌ系金属層４およびＴｉ層３を含む積層
膜を連続的にパターニングした。 ＨＣｌ流量 ８０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．１ Ｐａ マイクロ波電流 ３００ ｍＡ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２５ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ３０ ℃ なお基板温度は、温度制御された基板ステージの上面よ
り被処理基板裏面に向けて熱伝導ガスとしてのＨｅを１
５ｓｃｃｍ流出させて一定温度を保った。本パターニン
グ工程においては、ＨＣｌの放電解離により生じるＣｌ
* を主エッチング種とするラジカル反応が、Ｃｌx + 等
のイオンにアシストされる機構でエッチングが進行し、
Ａｌ系金属層４とＴｉ層３を含む多層膜は反応生成物Ａ
ｌＣｌx、ＴｉＣｌx を形成しつつ残渣を発生すること
なく除去された。
【００３５】またこれと同時に、レジストマスク５の分
解生成物に由来する炭素系ポリマによる側壁保護膜６が
Ｔｉ層パターン３ａ、Ａｌ系金属層パターン４ａおよび
レジストマスク側面に形成され、異方性加工に寄与し
た。本実施例における側壁保護膜６は、レジストマスク
５の側面上部（肩部）にまで及んで形成され、このため
レジストマスク５の幅方向の膜減り（肩落ち）がなく、
寸法変換差の低減に寄与した。また本実施例における側
壁保護膜６を構成する炭素系ポリマは、ＨＣｌの放電解
離により生成するＨの活性種がＣｌ* を捕捉することか
ら、ＢＣｌ3 ／Ｃｌ2 混合ガスによる従来のプロセスに
より形成される側壁保護膜よりもＣｌの含有量が少な
く、重合度の大きい強固なものである。この炭素系ポリ
マは、ＲＦバイアスを低めに設定したこともあり、生成
量こそ従来のエッチング条件による場合ほど多くはない
ものの、側壁保護膜６は高いエッチング耐性を示し、Ａ
ｌ系金属配線の異方性加工に寄与する。Ｈの活性種によ
るＣｌ* の捕捉効果により、ラジカル反応が抑制された
こともサイドエッチングの防止に寄与する。図１（ｂ）
ではこの側壁保護膜６は、厚さを誇張して示してある
が、実際には極めて薄い膜であり、過剰の側壁保護形成
によるパターン変換差の発生は少ない。
【００３６】下地のＳｉ3 Ｎ4 からなる層間絶縁膜２表
面が露出し、Ａｌのプラズマ発光にもとづく３９６ｎｍ
の固有スペクトルの発光強度が低下し始める点をＡｌ系
金属層４のエッチング終点とし、さらに４０％のオーバ
ーエッチングを施した。このオーバーエッチングによ
り、Ａｌ系金属層４の残部とＴｉ層３が除去された。Ａ
ｌ系金属層４のエッチングレートは１０５０ｎｍ／ｍｉ
ｎ、Ｔｉ層のエッチングレートは６５０ｎｍ／ｍｉｎで
あった。またＡｌ系金属層４のエッチング選択比は、対
レジストが２．８、対層間絶縁膜が６．２であった。
【００３７】Ａｌ系金属層４およびＴｉ層３の積層構造
をパターニング中の３９６ｎｍの波長の発光スペクトル
強度の経時変化を示すグラフを図２に示す。放電開始か
ら、Ａｌの発光スペクトルが出現する迄は約２秒であ
る。これは、Ａｌ系金属層表面の自然酸化膜によるエッ
チングのラグタイムが短く、ＢＣｌ3 等の還元性ガスを
必要とせずにＨＣｌ単独で充分実用的なＡｌ系金属層の
プラズマエッチングが可能であることを示している。
【００３８】パターニング終了後、被処理基板をアッシ
ング装置に搬送し、Ｏ2 プラズマアッシングによりレジ
ストマスク５と側壁保護膜６を除去した。側壁保護膜６
はウェット処理により除去してもよい。Ａｌ系金属配線
が完成した状態が図１（ｃ）である。
【００３９】本実施例によれば、ＨＣｌガス単独のエッ
チングガスの採用により、強固な側壁保護膜が形成さ
れ、低めのＲＦバイアスパワーであってもＡｌ系金属層
の異方性エッチングが可能となる。このため、対レジス
トマスク選択比が向上し、レジストマスクのパターンに
忠実な制御性のよい微細加工が可能となる。またレジス
トマスク中の残留塩素が少ないので、アフターコロージ
ョンの低減に効果がある。さらにレジストマスクのスパ
ッタリングによる炭素系ポリマの生成量が少ないので、
被処理基板およびエッチングチャンバ内部のパーティク
ル汚染がない。特に被処理基板の処理枚数を重ねても炭
素系ポリマの蓄積が少ないので、チャンバクリーニング
のメンテナンス工数の低減ができる。
【００４０】実施例２ 本実施例はＨＣｌにＢＣｌ3 を添加した場合において、
そのガス混合比を変化してＡｌ系金属層をプラズマエッ
チングしてそのエッチングレートを求めた例であり、選
択比評価用のサンプルとしてレジスト、多結晶シリコ
ン、ＴｉおよびＳｉ3 Ｎ4 層を同一条件でプラズマエッ
チングした。これを図３および図４を参照して説明す
る。
【００４１】本実施例で用いた被処理基板は図１（ａ）
に示したものと同じであり、重複する説明は省略する。
比較用のサンプルについては、多結晶シリコン、Ｔｉお
よびＳｉ3 Ｎ4 層上に被処理基板と同一パターンのレジ
ストマスクを形成したものを用いた。多結晶シリコンは
減圧ＣＶＤで、Ｓｉ3 Ｎ4 層はプラズマＣＶＤで堆積し
たものである。レジストについては、被処理基板上のレ
ジストマスクの膜減りからエッチングレートを求めた。
これらの被処理基板および比較用のサンプルを下記プラ
ズマエッチング条件でパターニングした。 ＨＣｌ＋ＢＣｌ3 流量 １４０ ｓｃｃｍ ＢＣｌ3 混合比 ０〜３７．５ ％ ガス圧力 ２．１ Ｐａ マイクロ波電流 ３００ ｍＡ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２５ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ３０ ℃ なおＢＣｌ3 混合比は、ＨＣｌとＢＣｌ3 の合計流量を
１４０ｓｃｃｍ一定とし、合計流量中に占めるＢＣｌ3
の流量の割合いを示す。
【００４２】各材料層のエッチングレートとＢＣｌ3 ガ
ス混合比との関係を示す図３から明らかなように、ＢＣ
ｌ3 混合比が増加するとＡｌ系金属層を始めとして各材
料層のエッチングレートは総じて低下する傾向にある。
特にＡｌ系金属層については、ＢＣｌ3 混合比が１０％
を超すとエッチングレートが１０００ｎｍ／ｍｉｎを下
回る。Ａｌ系金属層の実用的なエッチングレートは１０
００ｎｍ／ｍｉｎ以上と考えられるので、ＢＣｌ3 混合
比は１０％未満が好ましいことがわかる。またＢＣｌ3
混合比が１０％超になると、レジストマスクの肩落ちが
見られることもＢＣｌ3 混合比の限定理由である。
【００４３】Ａｌ系金属層対各材料層のエッチング選択
比と、ＢＣｌ3 混合比との関係を図４に示す。対レジス
ト選択比はＢＣｌ3 混合比が５％で３．１を切り、１０
％超で２．７を割り込む。また対多結晶シリコン選択比
はむしろＢＣｌ3 混合比１０％付近でピークとなり３．
０の値をとる。ＢＣｌ3 混合比５％では２．７迄低下し
ている。一方対Ｓｉ3 Ｎ4 選択比はＢＣｌ3 混合比１０
％未満で７．０以上を確保し全く問題のない好ましい値
である。
【００４４】以上の結果を総合して実プロセスへのフィ
ードバックを考えると、Ａｌ系金属層のエッチングレー
ト、対レジスト選択比の観点からはＢＣｌ3 混合比は１
０％未満、すなわちＨＣｌ混合比は９０％以上１００％
以下が好ましいことがわかる。また特に対多結晶シリコ
ン選択比を下げ、Ｓｉ残渣を低減するためにはＢＣｌ 3
混合比は５％未満が特に好ましいことがわかる。
【００４５】実施例３ 本実施例は、同じくＨＣｌ単独のエッチングガスでＡｌ
系金属層をプラズマエッチングした場合において、ＨＣ
ｌの流量を変化してＡｌ系金属層のエッチングレートを
求めた例である。選択比評価用のサンプルとして、レジ
スト、多結晶シリコン、ＴｉおよびＳｉ3 Ｎ4 層を同一
条件でプラズマエッチングした。これを図５および図６
を参照して説明する。
【００４６】本実施例で用いた被処理基板も図１（ａ）
に示したものと同じであり、重複する説明は省略する。
比較用のサンプルについては、多結晶シリコン、Ｔｉお
よびＳｉ3 Ｎ4 層上に被処理基板と同一パターンのレジ
ストマスクを形成したものを用いた。多結晶シリコンは
減圧ＣＶＤで、Ｓｉ3 Ｎ4 層はプラズマＣＶＤで堆積し
たものである。レジストについては、被処理基板上のレ
ジストマスクの膜減りからエッチングレートを求めた。
これらの被処理基板および比較用のサンプルを下記プラ
ズマエッチング条件でパターニングした。 ＨＣｌ流量 ４０〜２２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．１ Ｐａ マイクロ波電流 ３００ ｍＡ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２５ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ３０ ℃
【００４７】各材料層のエッチングレートとＨＣｌガス
流量との関係を示す図５から明らかなように、ＨＣｌの
流量が増加するとＡｌ系金属層およびＴｉ層のエッチン
グレートは顕著に増大する。これに対し、多結晶シリコ
ン層およびレジスト層のエッチングレートの増加はわず
かである。Ｓｉ3 Ｎ4 層は殆どエッチングレートの変化
がみられない。いずれのＨＣｌガス流量においても、Ａ
ｌ系金属層パターンは異方性よくパターニングされた。
またレジストマスクの肩落ちも見られず、パターン変換
差は認められなかった。
【００４８】Ａｌ系金属層対各材料層のエッチング選択
比と、ＨＣｌガス流量との関係を図６に示す。上述した
エッチングレートの値を反映し、対Ｓｉ3 Ｎ4 層の選択
比はＨＣｌガス流量の増加にともない５．３から８．２
へと著しく増大する。これに対し、対レジスト層および
対多結晶シリコン層については、ＨＣｌガス流量の増加
による選択比の増大は有るが、対Ｓｉ3 Ｎ4 層の場合ほ
ど顕著ではない。対Ｔｉ層については、ＨＣｌガス流量
による選択比変動の有意差はみられない。
【００４９】以上の結果を総合して実プロセスへのフィ
ードバックを考えると、Ａｌ−１％ＳｉからなるＡｌ系
金属層のメインエッチング時のＳｉ残渣防止には、多結
晶シリコン層とのエッチング選択比が小さい条件、すな
わちＨＣｌの流量を減少したプラズマエッチング条件が
好適であることが明らかである。また、Ａｌ系金属層の
パターニング時でのオーバーエッチング段階において
は、露出した下地Ｓｉ3Ｎ4 層とのエッチング選択比の
高い条件、すなわちＨＣｌの流量を増加したプラズマエ
ッチング条件が下地Ｓｉ3 Ｎ4 層の膜減りや面粗れ防止
に有利であることがわかる。
【００５０】実施例４ 本実施例は実施例３の結果を実プロセスへ敷衍し、Ａｌ
系金属層をＨＣｌガス単独で２段階エッチングした例で
あり、これを図７（ａ）〜（ｄ）および図８を参照して
説明する。本実施例で用いた図７（ａ）に示す被処理基
板は実施例１で用いた図１（ａ）に示すものと同じであ
り、重複する説明は省略する。
【００５１】この被処理基板を基板バイアス印加型ＥＣ
Ｒプラズマエッチング装置の基板ステージ上にセット
し、一例として下記プラズマエッチング条件によりＡｌ
系金属層４のメインエッチングする第１のパターニング
工程をおこなう。 ＨＣｌ流量 ８０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．１ Ｐａ マイクロ波電流 ３００ ｍＡ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２５ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ３０ ℃ 本プラズマエッチング条件は実施例１のプラズマエッチ
ング条件と同一であるが、本実施例では下地のＴｉ層３
が露出し始めた時点でメインエッチングを終了した。メ
インエッチングの終点判定は、図８に示すＡｌの発光ス
ペクトル強度の経時変化を示す図において、３９６ｎｍ
の発光強度が減衰しはじめる時点とした。本メインエッ
チング工程においては、ＨＣｌの放電解離により生じる
Ｃｌ* を主エッチング種とするラジカル反応が、Ｃｌx
+ 等のイオンにアシストされる機構でエッチングが進行
し、Ａｌ系金属層４は反応生成物ＡｌＣｌx を形成しつ
つ除去された。対多結晶シリコン層選択比は２．０と低
い条件であるので、Ａｌ−１％ＳｉからなるＡｌ系金属
層４はＳｉ残渣を発生することなくパターニングされ、
図７（ｂ）に示すようにＡｌ系金属層パターン４ａを形
成した。同図では図示しないが、メインエッチング終了
段階では露出したＴｉ層３表面にはＡｌ系金属層４の残
部が未エッチング部分として残っている。
【００５２】またこれと同時に、レジストマスク５の分
解生成物に由来する炭素系ポリマによる側壁保護膜６
が、形成されたＡｌ系金属層パターン４ａおよびレジス
トマスク側面に付着形成され、異方性加工に寄与した。
本実施例における側壁保護膜６は、実施例１と同じくレ
ジストマスク５の側面上部（肩部）に迄およんで形成さ
れ、このためレジストマスク５の幅方向の膜減り（肩落
ち）がなく、寸法変換差の低減に寄与した。また本実施
例における側壁保護膜６を構成する炭素系ポリマは、Ｈ
Ｃｌの放電解離により生成するＨの活性種がＣｌ* を捕
捉することから、ＢＣｌ3 ／Ｃｌ2 混合ガスによる従来
のプロセスにより形成される側壁保護膜よりもＣｌの含
有量が少なく、重合度の大きい強固なものである。この
炭素系ポリマは、ＲＦバイアスを低めに設定したことも
あり、生成量こそ従来のエッチング条件による場合ほど
多くはないものの、側壁保護膜６は高いエッチング耐性
を示し、Ａｌ系金属配線の異方性加工に寄与する。図１
（ｂ）ではこの側壁保護膜６は、厚さを誇張して示して
あるが、実際には極めて薄い膜であり、過剰の側壁保護
効果によるパターン変換差の発生は少ない。
【００５３】Ａｌ系金属層４のメインエッチングが終了
した時点で下記プラズマエッチング条件による第２のパ
ターニング工程である４０％のオーバーエッチングを施
した。 ＨＣｌ流量 ２２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．１ Ｐａ マイクロ波電流 ３００ ｍＡ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ２５ Ｗ（２ＭＨｚ） 基板温度 ３０ ℃ 本プラズマエッチング条件は、メインエッチングにおけ
るプラズマエッチング条件と比較すると、ＨＣｌ流量が
増加している点でのみ異なり、他のエッチング条件は同
じである。
【００５４】本オーバーエッチング工程においては、Ａ
ｌ系金属層４の残部（図示せず）とＴｉ層３が除去さ
れ、図７（ｃ）に示すようにＡｌ系金属層パターン４ａ
とＴｉ層パターン３ａが形成された。本プラズマエッチ
ング条件は対Ｓｉ3 Ｎ4 選択比は８．２と高く、下地の
絶縁層２の面粗れや膜減りは効果的に低減された。ＨＣ
ｌの解離により生成する活性Ｈにより、過剰のＣｌ* が
捕捉されることも寄与して、Ａｌ系金属層パターン４ａ
のサイドエッチングやアンダカットは発生しなかった。
【００５５】パターニング終了後、被処理基板をアッシ
ング装置に搬送し、Ｏ2 プラズマアッシングによりレジ
ストマスク５と側壁保護膜６を除去した。側壁保護膜６
は、別途ウェット処理により除去しもよい。
【００５６】本実施例によれば、ＨＣｌガス単独による
２段階エッチングの採用により、Ｓｉ残渣の発生を防止
するとともに、下地絶縁膜の面粗れや膜減りも低減した
Ａｌ系金属層のパターニングが可能である。言うまでも
なく、強固な側壁保護膜の形成により低めのＲＦバイア
スパワーを設定してもＡｌ系金属層の異方性エッチング
が可能となる。このため、対レジストマスク選択比が向
上し、レジストマスクのパターンに忠実な制御性のよい
微細加工が可能となる。またレジストマスク中の残留塩
素が少ないので、アフターコロージョンの低減に効果が
ある。さらにレジストマスクのスパッタリングによる炭
素系ポリマの生成量が少ないので、被処理基板およびエ
ッチングチャンバ内部のパーティクル汚染がない。特に
被処理基板の処理枚数を重ねても炭素系ポリマの蓄積が
少ないので、チャンバクリーニングのメンテナンス工数
の低減ができる。
【００５７】以上、本発明を４種類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。
【００５８】まず、上述の各実施例では、Ａｌ系金属配
線として絶縁層上に形成されたＴｉ層およびＡｌ系金属
層からなる積層構造をパターニングする場合を例示した
が、この構造以外の層構成であってもよい。例えばＴｉ
層とＡｌ系金属層の間にＴｉＮ層等のバリアメタル層を
含んでいてもよい。またＡｌ系金属層上にＴｉＯＮ層等
の反射防止層が形成されていてもよい。さらに、高融点
金属層上に形成されたＡｌ系金属層をパターニングする
場合に用いることができる。この層構造は、ストレスマ
イグレーション対策として注目される構造である。
【００５９】Ａｌ系金属層としてＡｌ−１％Ｓｉを例示
したが、純ＡｌやＡｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ等の各
種Ａｌ合金を用いてもよく、その成膜法も問わない。
【００６０】下地を構成する層間絶縁層として、ｐ−Ｃ
ＶＤによるＳｉ3 Ｎ4 を例示したが、ＳｉＯ2 やＳｉＯ
Ｎ等他の絶縁層であってもよい。特に下地がＳｉＯ2 の
場合は、Ｓｉ3 Ｎ4 が下地の場合に比較してＡｌ系金属
層とのエッチング選択比が大きくとれるので、プロセス
マージンを拡げることが可能である。
【００６１】ハロゲン化硼素ガスとしてＢＣｌ3 を用い
たが、ＢＢｒ3 を用いてもよい。エッチングガス中にＡ
ｒ、Ｈｅ等の希ガス、あるいはＣＯ、ＮＯ、Ｈ2 等ハロ
ゲンを捕獲しその濃度を制御するガスをさらに添加して
もよい。
【００６２】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を用いたが、より一般的な平
行平板型ＲＩＥ装置や、高密度プラズマによる処理が可
能なヘリコン波プラズマエッチング装置、ＩＣＰ（Ｉｎ
ｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）
エッチング装置、ＴＣＰ（ＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＣｏ
ｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置等を用いる
事が可能である。
【００６３】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法によれば、対
レジストマスク選択比はもとより対層間絶縁膜選択比が
大きな微細加工性に富んだ製造プロセスを提供すること
が可能である。
【００６４】また本発明によれば、膜質の強固な側壁保
護膜の採用により、その膜厚を低減しても異方性加工を
達成でき、過剰な堆積によるパーティクルレベルの上昇
やパターン変換差を生じることなく、異方性形状に優れ
たＡｌ系金属層のプラズマエッチングが可能である。
【００６５】さらにまた本発明によれば、側壁保護膜中
のＣｌ含有量を低減できるので、アフターコロージョン
の低減に適したＡｌ系金属配線のパターニング方法が提
供できる。Ａｌ系金属層のパターニング後、Ｆ系ガスを
含むプラズマ処理等を併用すれば、アフターコロージョ
ン防止効果はより一層徹底される。
【００６６】以上述べたように、本発明はデザインルー
ルの微細化によるレジストマスクの薄膜化にも充分対応
できる、優れたＡｌ系金属配線のプラズマエッチング方
法を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した実施例１を、その工程順に説
明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上にＴｉ
層とＡｌ系金属層を形成し、さらにレジストマスクを形
成した状態、（ｂ）は側壁保護膜を形成しつつＡｌ系金
属層とＴｉ層をプラズマエッチングした状態、（ｃ）は
レジストマスクおよび側壁保護膜を除去してＡｌ系金属
層パターンが完成した状態である。
【図２】本発明を適用した実施例１におけるＡｌの発光
スペクトル強度の経時変化を示す図である。
【図３】本発明を適用した実施例２における、各材料層
のエッチングレートと、ＢＣｌ 3 の混合比との関係を示
す図である。
【図４】本発明を適用した実施例２における、各材料層
のＡｌ系金属層とのエッチング選択比と、ＢＣｌ3 の混
合比との関係を示す図である。
【図５】本発明を適用した実施例３における、各材料層
のエッチングレートと、ＨＣｌの流量との関係を示す図
である。
【図６】本発明を適用した実施例３における、各材料層
のＡｌ系金属層とのエッチング選択比と、ＨＣｌの流量
との関係を示す図である。
【図７】本発明を適用した実施例４を、その工程順に説
明する概略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上にＴｉ
層とＡｌ系金属層を形成し、さらにレジストマスクを形
成した状態、（ｂ）は側壁保護膜を形成しつつＡｌ系金
属層をメインエッチングした状態、（ｃ）はＡｌ系金属
層の残部とＴｉ層をオーバーエッチングした状態、
（ｄ）はレジストマスクおよび側壁保護膜を除去してＡ
ｌ系金属層パターンが完成した状態である。
【図８】本発明を適用した実施例４におけるＡｌの発光
スペクトル強度の経時変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板 ２ 層間絶縁膜 ３ Ｔｉ層 ３ａ Ｔｉ層パターン ４ Ａｌ系金属層 ４ａ Ａｌ系金属層パターン ５ レジストマスク ６ 側壁保護膜

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＨＣｌを主体とするエッチングガスを用
    い、Ａｌ系金属層をパターニングすることを特徴とす
    る、Ａｌ系金属層のプラズマエッチング方法。
  2. 【請求項２】 エッチングガス中に占めるＨＣｌの体積
    比は、９０％以上１００％以下であることを特徴とす
    る、請求項１記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング
    方法。
  3. 【請求項３】 エッチングガスは、さらにハロゲン化硼
    素ガスを１０％未満の体積比で含むことを特徴とする、
    請求項１記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング方
    法。
  4. 【請求項４】 ハロゲン化硼素ガスは、ＢＣｌ3 および
    ＢＢｒ3 のうちのいずれかであることを特徴とする、請
    求項３記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法
  5. 【請求項５】 Ａｌ系金属層は、純Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ合
    金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金のうちのいずれかの材料層で
    あることを特徴とする、請求項１、２、３および４いず
    れか１項記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング方
    法。
  6. 【請求項６】 Ａｌ系金属層の下層にはＴｉ系材料層を
    有し、前記Ａｌ系金属層のパターニングに引き続き、前
    記Ｔｉ系材料層を連続的にパターニングすることを特徴
    とする、請求項１、２、３および４いずれか１項記載の
    Ａｌ系金属層のプラズマエッチング方法。
  7. 【請求項７】 Ａｌ系金属層の上層にはＴｉ系材料層を
    有し、前記Ｔｉ系材料層のパターニングに引き続き、前
    記Ａｌ系金属層を連続的にパターニングすることを特徴
    とする、請求項１、２、３および４いずれか１項記載の
    Ａｌ系金属層のプラズマエッチング方法。
  8. 【請求項８】 Ａｌ系金属層のパターニング用マスク
    は、被エッチング層上に所定の形状に形成したフォトレ
    ジストであることを特徴とする、請求項１、２、３およ
    び４いずれか１項記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチ
    ング方法。
  9. 【請求項９】 ＨＣｌを主体とするエッチングガスを用
    い、Ａｌ系金属層をメインエッチングする第１のパター
    ニング工程と、前記ＨＣｌを主体とするエッチングガス
    の流量を増大し、Ａｌ系金属層をオーバーエッチングす
    る第２のパターニング工程を有することを特徴とする、
    Ａｌ系金属配線のプラズマエッチング方法。
  10. 【請求項１０】 エッチングガス中に占めるＨＣｌの体
    積比は、９０％以上１００％以下であることを特徴とす
    る、請求項９記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング
    方法。
  11. 【請求項１１】 エッチングガスは、さらにハロゲン化
    硼素ガスを１０％未満の体積比で含むことを特徴とす
    る、請求項９記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング
    方法。
  12. 【請求項１２】 ハロゲン化硼素ガスは、ＢＣｌ3 およ
    びＢＢｒ3 のうちのいずれかであることを特徴とする、
    請求項１１記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング方
    法
  13. 【請求項１３】 Ａｌ系金属層は、純Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ
    合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金のうちのいずれかの材料層
    であることを特徴とする、請求項９、１０、１１および
    １２いずれか１項記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチ
    ング方法。
  14. 【請求項１４】 Ａｌ系金属層の下層にはＴｉ系材料層
    を有し、前記Ａｌ系金属層のパターニングに引き続き、
    前記Ｔｉ系材料層を連続的にパターニングすることを特
    徴とする、請求項９、１０、１１および１２いずれか１
    項記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法。
  15. 【請求項１５】 Ａｌ系金属層の上層にはＴｉ系材料層
    を有し、前記Ｔｉ系材料層のパターニングに引き続き、
    前記Ａｌ系金属層を連続的にパターニングすることを特
    徴とする、請求項９、１０、１１および１２いずれか１
    項記載のＡｌ系金属層のプラズマエッチング方法。
  16. 【請求項１６】 Ａｌ系金属層のパターニング用マスク
    は、被エッチング層上に所定の形状に形成したフォトレ
    ジストであることを特徴とする、請求項９、１０、１１
    および１２いずれか１項記載のＡｌ系金属層のプラズマ
    エッチング方法。
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