JPH0982665A - Formation of contact plug - Google Patents

Formation of contact plug

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JPH0982665A
JPH0982665A JP23682095A JP23682095A JPH0982665A JP H0982665 A JPH0982665 A JP H0982665A JP 23682095 A JP23682095 A JP 23682095A JP 23682095 A JP23682095 A JP 23682095A JP H0982665 A JPH0982665 A JP H0982665A
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etching
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contact plug
refractory metal
gas
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of forming a contact plug, which can fill a connection hole opened in an interlayer insulating film in the insulating film with a good flatness by etching back a tungsten layer formed by a blanket CVD method. SOLUTION: A high-melting point metal layer 5, such as a W layer, is formed on the whole surface of an interlayer insulating film 3 comprising a connection hole 6 by a blanket CVD method and is etched back using a gas, which contains H and O as its constituent elements, and a gas, which can generate fluorine chemical species. A gas, which can produce sulfur liberating in plasma, may be used under the condition of a two-stage etching and a discharge dissociation. Thereby, a loading effect based on an excessive F radical can be prevented from being generated and and an etch-back, which does not abnormally erode, becomes possible. By performing the two-stage etching, the throughput of the layer 5 is increased. Moreover, the high-smoothness etched-back surface of the layer 5 is obtained utilizing a competitive reaction of deposition of the sulfur with the etching. By these effects, the formation of a highly reliable contact plug becomes possible.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置等の製造
分野で適用されるコンタクトプラグの形成方法に関し、
さらに詳しくは、接続孔を含む層間絶縁膜上全面に形成
された高融点金属層のエッチバック工程により、コンタ
クトプラグを形成する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a contact plug forming method applied in the field of manufacturing semiconductor devices,
More specifically, the present invention relates to a method of forming a contact plug by etching back a refractory metal layer formed over the entire surface of an interlayer insulating film including a contact hole.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の半導体装置の高集積度化、高
性能化が進展するに伴い、半導体チップ上では配線部分
が占有する面積の割合が増加する傾向にある。これによ
る半導体チップ面積の増大を避けるためには、多層配線
およびコンタクト電極による層間接続が必須のプロセス
となっている。従来、電極・配線形成方法としては、A
lやAl合金をスパッタリングにより形成することが広
く行われてきた。しかし、上述のように配線の多層化が
進展し、その結果として半導体基板の表面段差や接続孔
のアスペクト比の増大が顕著となりつつある状況下にお
いては、スパッタリングによる堆積方法ではステップカ
バレッジの不足による接続不良や断線が重大な問題とな
ってきた。
2. Description of the Related Art With the progress of higher integration and higher performance of semiconductor devices such as LSI, the ratio of the area occupied by wiring portions on a semiconductor chip tends to increase. In order to avoid an increase in semiconductor chip area due to this, interlayer connection by multilayer wiring and contact electrodes is an essential process. Conventionally, the electrode / wiring formation method is A
It has been widely practiced to form Al and Al alloys by sputtering. However, in the situation where the multilayer wiring has progressed as described above, and as a result, the surface step of the semiconductor substrate and the aspect ratio of the connection hole are increasing significantly, the deposition method by sputtering may be insufficient in step coverage. Poor connection and disconnection have become serious problems.

【0003】そこで近年、W、Mo、Ta等の高融点金
属層やAl、Al合金、Cu等の金属を接続孔内に選択
的に成長させて埋め込む、各種の選択CVDが提案され
ている。この選択CVDは、金属ハロゲン化物や金属カ
ルボニル、有機金属化合物等のソースガスを、接続孔底
部に露出する下層配線材料により還元して構成金属を接
続孔内に選択的に析出させるものである。しかし、選択
CVDは同一CVD装置で連続処理を重ねると次第に選
択性が劣化し、層間絶縁膜上等、不所望の部位にも金属
が析出する傾向がある。また、ネイルヘッドと呼称され
る接続孔上の過剰成長部分をエッチバック除去する際の
制御性に乏しいこと等の未解決の問題があり、未だ実用
レベルに達していないのが現状である。
Therefore, in recent years, various selective CVD methods have been proposed in which a refractory metal layer of W, Mo, Ta or the like or a metal of Al, Al alloy, Cu or the like is selectively grown and embedded in the connection hole. In this selective CVD, a source gas such as a metal halide, a metal carbonyl, or an organometallic compound is reduced by the lower layer wiring material exposed at the bottom of the contact hole to selectively deposit a constituent metal in the contact hole. However, in the selective CVD, the selectivity gradually deteriorates as the continuous processing is repeated by the same CVD apparatus, and the metal tends to be deposited on an undesired portion such as on the interlayer insulating film. In addition, there is an unsolved problem such as poor controllability when etching back and removing an overgrowth portion called a nail head on a contact hole, and at present it has not reached a practical level.

【0004】かかる実情に鑑み、選択CVDに代わって
見直されつつあるのがブランケットCVDによる電極・
配線形成方法である。ブランケットCVDは、成長下地
面の化学的性質のいかんに関わらず、下地全面に選択性
無く析出することからかかる名称が付けられる。一例と
して、接続孔が開口された層間絶縁膜の全面を被覆し
て、この接続孔を埋め込むようにW等の高融点金属層を
形成するプロセスが代表例である。なお、ブランケット
CVDによるWのコンタクトホール埋め込みに関する解
説記事が、例えば月刊セミコンダクターワールド誌19
90年11月号220ページに掲載されている。
In view of the above situation, the blanket CVD electrode / electrode is being reviewed in place of the selective CVD.
This is a wiring forming method. Blanket CVD is named because it deposits on the entire surface of the underlayer without selectivity regardless of the chemical properties of the growth underlayer. As an example, a typical example is a process of covering the entire surface of an interlayer insulating film in which a connection hole is opened and forming a refractory metal layer such as W so as to fill the connection hole. An explanatory article on filling a contact hole of W by blanket CVD is available, for example, in the monthly Semiconductor World magazine 19
It is published on page 220 of the November 1990 issue.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ブランケッ
トCVDにより高融点金属層を接続孔内に埋め込んで平
坦化し、いわゆるコンタクトプラグとして使用するため
には、層間絶縁膜上にも堆積した不要の高融点金属層を
エッチバックして除去する後処理が当然必要となる。こ
のエッチバック工程は、通常SF6 等のフッ素系化学種
を発生しうるガスを用いてラジカルモードを主体とする
プラズマエッチングを施すが、ウェハ面内あるいはウェ
ハ間における処理の不均一性を考慮して、例えば数10
%前後のオーバーエッチングを施すことが通常行われ
る。ところが、ブランケットCVD膜の厚さのばらつき
や、エッチング装置のプラズマ密度の疎密、あるいは基
板ステージの温度分布等に起因して、エッチバック工程
中の比較的早い時期に下地の層間絶縁膜が露出する領域
がある。この領域では、エッチング種であるフッ素ラジ
カル(F* )の反応の相手、すなわち高融点金属層の露
出表面積の減少の結果、エッチング種の濃度が他の部分
に比して相対的に上昇する。このため、この領域では局
部的にエッチングレートが上昇し、せっかく接続孔内に
平坦に埋め込まれた高融点金属層やバリア層が大きく浸
食される現象がしばしば見られる。このように、同一被
エッチング基板上で被エッチング層のパターン密度に疎
密が生じる結果、エッチング速度にばらつきが生じる現
象は、一般にローディング効果と呼ばれる。
By the way, in order to embed a refractory metal layer in a contact hole by a blanket CVD to planarize it and use it as a so-called contact plug, an unnecessary refractory metal deposited on the interlayer insulating film is also used. A post-treatment of etching back and removing the metal layer is naturally required. In this etch back process, plasma etching mainly using a radical mode is generally performed using a gas capable of generating a fluorine-based chemical species such as SF 6, but in consideration of non-uniformity of processing within the wafer surface or between wafers. For example, the number 10
% Over-etching is usually performed. However, the underlying interlayer insulating film is exposed at a relatively early stage during the etchback process due to variations in the thickness of the blanket CVD film, uneven plasma density of the etching apparatus, temperature distribution of the substrate stage, and the like. There is an area. In this region, as a result of the reduction of the exposed surface area of the refractory metal layer (F * ), which is an etching species, that is, the exposed surface area of the refractory metal layer, the concentration of etching species is relatively increased as compared with other portions. Therefore, in this region, the etching rate is locally increased, and the refractory metal layer and the barrier layer, which are flatly buried in the contact holes, are often eroded. The phenomenon in which the pattern density of the layer to be etched becomes uneven on the same substrate to be etched and the etching rate varies as described above is generally called a loading effect.

【0006】ローディング効果発生による問題点を、図
3を参照して説明を加える。同図は従来のブランケット
CVDによる高融点金属層のエッチバック工程を説明す
る概略断面図である。被エッチング基板として図3
(a)に示すように、不純物拡散層2を形成したSi等
の半導体基板1上に、この不純物拡散層2に臨む接続孔
6を開口したSiO2 等からなる層間絶縁膜3を形成す
る。この基板全面を覆うように、TiおよびTiNを順
次スパッタリングしてバリア層4を形成し、この上にブ
ランケットCVDによりWからなる高融点金属層5を形
成する。高融点金属層5の表面は、一般的に微細な凹凸
面となって形成される。この理由は、ブランケットCV
Dは、一般に微細な柱状結晶の集合体として成長が進む
ためである。つぎにエッチバック工程に移る訳である
が、このときSF6 のようなフッ素系化学種を発生しう
るガスを用いてエッチバックを行うと、高融点金属層5
の薄い部分、あるいはエッチング速度が大きい領域にお
いては、バリア層4が早い時期に露出し、この露出面付
近ではミクロに見てF* が過剰となる。この過剰のF*
は、接続孔6に埋め込まれた高融点金属層5の平坦面に
集中し、図3(b)に示すようにオーバーエッチングを
行っている間に大きな高融点金属層の浸食部7を発生す
る。
Problems caused by the loading effect will be described with reference to FIG. The figure is a schematic cross-sectional view for explaining a conventional high-melting-point metal layer etchback process by blanket CVD. Figure 3 shows the substrate to be etched.
As shown in (a), on the semiconductor substrate 1 made of Si or the like having the impurity diffusion layer 2 formed therein, the interlayer insulating film 3 made of SiO 2 or the like having the connection hole 6 facing the impurity diffusion layer 2 is formed. A barrier layer 4 is formed by sequentially sputtering Ti and TiN so as to cover the entire surface of the substrate, and a refractory metal layer 5 made of W is formed thereon by blanket CVD. The surface of the high melting point metal layer 5 is generally formed as a fine uneven surface. The reason for this is the blanket CV
D is because the growth generally proceeds as an aggregate of fine columnar crystals. Next, the etching back process is performed. At this time, if the etching back is performed using a gas such as SF 6 which can generate a fluorine-based chemical species, the refractory metal layer 5
The barrier layer 4 is exposed at an early stage in a thin portion of or in a region where the etching rate is high, and F * becomes excessive near the exposed surface in a microscopic view. This excess F *
Are concentrated on the flat surface of the refractory metal layer 5 embedded in the connection holes 6, and generate large erosion portions 7 of the refractory metal layer during overetching as shown in FIG. 3B. .

【0007】さらにエッチング条件を変え、バリア層4
をCl系ガスでエッチバックすると、今度は層間絶縁膜
3が早期に露出した部分で塩素ラジカル(Cl* )が反
応の相手を失うので、この部分でCl* が過剰となる。
過剰のCl* は、接続孔の側壁に形成されているバリア
層4のわずかな露出面に集中しこれをアタックする。こ
の結果、図3(c)に示すように深いバリア層の浸食部
8を形成するに至る。また、ブランケットCVDによる
高融点金属層の表面モホロジが、そのまま層間絶縁膜3
の表面に転写され、層間絶縁膜3の表面に凹凸が形成さ
れる問題もある。
Further changing the etching conditions, the barrier layer 4
When Cl 2 is etched back with Cl-based gas, chlorine radicals (Cl * ) lose their reaction partners at the portion where the interlayer insulating film 3 is exposed early, so that Cl * becomes excessive at this portion.
Excess Cl * concentrates on a slight exposed surface of the barrier layer 4 formed on the side wall of the connection hole and attacks it. As a result, as shown in FIG. 3C, the eroded portion 8 of the deep barrier layer is formed. Further, the surface morphology of the refractory metal layer formed by the blanket CVD is the same as that of the interlayer insulating film 3.
There is also a problem in that unevenness is formed on the surface of the interlayer insulating film 3 by being transferred to the surface of the.

【0008】ここに述べたローディング効果によるエッ
チバック形状の不均一やコンタクトプラグ形状の悪化
は、ブランケットCVDによる高融点金属層を用いる多
層配線プロセスの実用化をはばむ一因となっている。す
なわち、コンタクトプラグに異常浸食部があると、上層
配線との電気的接続が不完全なものとなり、抵抗値の上
昇、オーミック性の低下、エレクトロマイグレーション
の発生等が問題化する。また、コンタクトプラグ上に形
成する上層配線の平坦性や平滑性が低下するので、上層
配線上のレジスト層のパターニングリソグラフィ時のD
OF(Depth of Forcus)マージンの低
下や、露光光の乱反射による形状悪化も問題である。今
後、被エッチング基板の大口径化が進展し、エッチング
装置は枚葉式が主流になると考えられる。このため、ス
ループットの低下を招かないように高密度プラズマを用
いた高速エッチングが求められるが、枚葉式エッチング
装置のプラズマ密度の均一性にも改善の余地が残されて
いる状況を考えると、ローディング効果の影響を受けな
い高融点金属層のエッチバック方法の開発が急務とな
る。
The non-uniformity of the etch-back shape and the deterioration of the contact plug shape due to the loading effect described above are one of the factors that prevent the practical use of the multilayer wiring process using the refractory metal layer by blanket CVD. That is, if the contact plug has an abnormally eroded portion, the electrical connection with the upper layer wiring becomes incomplete, which causes problems such as an increase in resistance value, a decrease in ohmic property, and occurrence of electromigration. Further, since the flatness and smoothness of the upper layer wiring formed on the contact plug is deteriorated, D during patterning lithography of the resist layer on the upper layer wiring is reduced.
There are also problems such as a decrease in OF (Depth of Forcus) margin and deterioration of the shape due to irregular reflection of exposure light. It is considered that the single-wafer type etching apparatus will become the mainstream in the future as the diameter of the substrate to be etched increases. Therefore, high-speed etching using high-density plasma is required so as not to reduce throughput, but considering the situation where there is room for improvement in the uniformity of the plasma density of the single-wafer etching apparatus, There is an urgent need to develop an etchback method for refractory metal layers that is not affected by the loading effect.

【0009】したがって本発明の課題は、ローディング
効果による異常浸食や形状悪化のない高融点金属層のエ
ッチバック方法による、信頼性の高い安定なコンタクト
プラグの形成方法を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to provide a highly reliable and stable method of forming a contact plug by an etching back method of a refractory metal layer without abnormal erosion or shape deterioration due to a loading effect.

【0010】また本発明の別の課題は、エッチバックに
より接続孔内に埋め込んだ高融点金属層やバリア層、あ
るいは層間絶縁膜の表面を平滑化し、さらにこの上層に
形成する上層配線の表面をも平滑に形成し、信頼性の高
い安定な多層配線構造の半導体装置を提供することであ
る。
Another object of the present invention is to smooth the surface of the refractory metal layer or the barrier layer or the interlayer insulating film buried in the connection hole by etching back, and to further smooth the surface of the upper wiring formed on the upper layer. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device which is formed smoothly and has a reliable and stable multilayer wiring structure.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明のコンタクトプラ
グの形成方法は、上述の課題を解決するために提案する
ものであり、第1の発明(請求項1)においては、接続
孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層
にエッチバックを施し、前記接続孔内にコンタクトプラ
グを形成するコンタクトプラグの形成方法において、前
記エッチバック工程は、少なくともHおよびOを構成元
素とするガスと、フッ素系化学種を発生しうるガスとを
含むエッチングガスとを用いて、プラズマエッチングす
る工程であることを特徴とするものである。
A method for forming a contact plug according to the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems. In the first invention (claim 1), an interlayer having a connection hole is provided. In the method of forming a contact plug in which a refractory metal layer formed on the entire surface of an insulating film is etched back to form a contact plug in the connection hole, the etching back step includes at least H and O as constituent elements. It is characterized in that it is a step of plasma etching using an etching gas containing a gas and a gas capable of generating a fluorine-based chemical species.

【0012】また本発明のコンタクトプラグの形成方法
における第2の発明(請求項2)においては、接続孔を
有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層にエ
ッチバックを施し、前記接続孔内にコンタクトプラグを
形成するコンタクトプラグの形成方法において、このエ
ッチバック工程は、少なくともフッ素系化学種を発生し
うるガスを主体とするエッチングガスを用いて、高融点
金属層をジャストエッチングする第1のエッチバック工
程と、 少なくともHおよびOを構成元素とするガス
と、フッ素系化学種を発生しうるガスとを含むエッチン
グガスを用いて、高融点金属層をオーバーエッチングす
る第2のエッチバック工程を、この順に施すことを特徴
とするものである。なおジャストエッチング工程とは、
下地の層間絶縁膜やバリア層表面が露出する直前あるい
はこれら下地の極く1部が露出するまでのエッチバック
工程を意味する。
According to a second aspect of the method for forming a contact plug of the present invention (claim 2), the refractory metal layer formed over the entire surface of the interlayer insulating film having a connection hole is etched back to perform the connection. In the method for forming a contact plug in which a contact plug is formed in the hole, the etch-back step is performed by just etching the refractory metal layer using an etching gas mainly containing a gas capable of generating a fluorine-based chemical species. A second etch back process for over-etching the refractory metal layer by using the etch back process of 1 and an etching gas containing a gas containing at least H and O as constituent elements and a gas capable of generating a fluorine-based chemical species. It is characterized in that the steps are performed in this order. The just etching process is
This means an etch-back step immediately before the surface of the underlying interlayer insulating film or barrier layer is exposed or until a very small portion of these underlying layers is exposed.

【0013】さらにまた本発明のコンタクトプラグの形
成方法における第3の発明(請求項3)においては、接
続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属
層にエッチバックを施し、接続孔内にコンタクトプラグ
を形成するコンタクトプラグの形成方法において、この
エッチバック工程は、少なくともHおよびOを構成元素
とするガスと、放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイ
オウを生成しうるハロゲン化イオウ系化合物ガスとを含
むエッチングガスを用いるとともに、被エッチング基板
を室温以下に制御しつつプラズマエッチングする工程で
あることを特徴とするものである。
Further, in the third invention (claim 3) in the method for forming a contact plug of the present invention, the refractory metal layer formed on the entire surface of the interlayer insulating film having the connection hole is etched back to be connected. In the method of forming a contact plug in which a contact plug is formed in a hole, this etch-back step includes a gas containing at least H and O as constituent elements and a halogenation that can generate free sulfur in plasma under discharge dissociation conditions. It is characterized in that it is a step of performing plasma etching while controlling the temperature of the substrate to be etched to room temperature or less while using an etching gas containing a sulfur-based compound gas.

【0014】第3の発明で用いる放電解離条件下でプラ
ズマ中に遊離のイオウを生成しうるイオウ系化合物ガス
としては、Xをハロゲン元素とした場合、X/S比が6
未満のハロゲン化イオウ系ガスであるS2 2 、S
2 、SF4 、S2 10、S2 Cl2 、S2 Cl3 、S
Cl2 、S2 Br2 、S3 Br2 およびSBr2 が例示
できる。またハロゲン化イオウではないがH2 Sでもよ
い。これらを単独または組み合わせて使用できる。フッ
化イオウ系ガスとして汎用されているSF6 はF/S比
が6であり、放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオ
ウを生成することは困難であるのでこれを除外する。ま
たここで言う室温以下とは、通常の半導体装置の製造に
供するクリーンルームの温度以下の意味であり、通常は
約25℃以下である。温度の下限は特に限定するもので
はないが、チラーによる冷媒循環や液体窒素温度の供給
により基板ステージを冷却しうる温度として、−数十℃
から−百数十℃が目安となる。
The sulfur-based compound gas capable of producing free sulfur in plasma under the discharge dissociation conditions used in the third invention has an X / S ratio of 6 when X is a halogen element.
Sulfur halide gas of less than S 2 F 2 , S
F 2 , SF 4 , S 2 F 10 , S 2 Cl 2 , S 2 Cl 3 , S
Examples include Cl 2 , S 2 Br 2 , S 3 Br 2 and SBr 2 . Further, H 2 S may be used although it is not a halogenated sulfur. These can be used alone or in combination. SF 6, which is widely used as a sulfur fluoride-based gas, has an F / S ratio of 6, and it is difficult to generate free sulfur in plasma under discharge dissociation conditions, so this is excluded. The term "room temperature or lower" as used herein means a temperature equal to or lower than the temperature of a clean room used for manufacturing a normal semiconductor device, and is usually about 25 ° C or lower. The lower limit of the temperature is not particularly limited, but as the temperature at which the substrate stage can be cooled by circulating the refrigerant by the chiller or supplying the liquid nitrogen temperature, −several tens of degrees Celsius
From -100 to several tens of degrees is a standard.

【0015】いずれの発明においても、HおよびOを構
成元素とするガスとしてはH2 O(水蒸気)およびH2
2 のうちの少なくとも1種であることが望ましい。ま
た混合物として市販の過酸化水素水(30%あるいは
2.5〜3.0%)を用いてもよい。これらはいずれも
液体ソースであるので、He等のキャリアガスによるバ
ブリング、加熱気化あるいは超音波気化等の手法により
エッチバックチャンバ内に導入する。またフッ素系化学
種を発生しうるガスとしては特に限定するものだはない
が、SF6 、NF6 、CF4 、ClF3 、XeF2 およ
びF2 等、プラズマ中にF*やF+ を発生しうる一般的
なガスのことをいう。
In any of the inventions, H 2 O (steam) and H 2 are used as the gas containing H and O as constituent elements.
It is preferably at least one of O 2 . Further, commercially available hydrogen peroxide solution (30% or 2.5 to 3.0%) may be used as the mixture. Since all of them are liquid sources, they are introduced into the etchback chamber by a technique such as bubbling with a carrier gas such as He, heating vaporization or ultrasonic vaporization. The gas that can generate the fluorine-based chemical species is not particularly limited, but SF 6 , NF 6 , CF 4 , ClF 3 , XeF 2 and F 2, etc. generate F * and F + in the plasma. It refers to a general gas that can be used.

【0016】またいずれの発明においても、その好まし
い実施態様においては高融点金属層の下面に接して、す
なわち層間絶縁膜や接続孔の上面に接してTi、Ti
N、TiON、TiSi2 あるいはWN等のバリア層を
有する事が望ましい。
In any of the inventions, in its preferred embodiment, Ti, Ti is in contact with the lower surface of the refractory metal layer, that is, in contact with the upper surfaces of the interlayer insulating film and the connection hole.
It is desirable to have a barrier layer such as N, TiON, TiSi 2 or WN.

【0017】第1ないし第3の発明を一貫する技術的思
想は、エッチングガス中に少なくともH2 OやH2 2
を添加し、これらのガスの解離によりプラズマ中にH原
子とO原子を供給する点にある。プラズマ中のH原子は
W等高融点金属層のエッチャントであるF* を捕捉し、
HFないしHOFの形でエッチングチャンバ外へ除去し
て、エッチング反応系のF* 濃度を制御する。これによ
りオーバーエッチング時の早期に露出したコンタクトプ
ラグ表面へのF* の集中が緩和され、ローディング効果
による異常浸食や形状悪化が防止される。一方プラズマ
中のO原子は、Wを始めとする高融点金属層の表面を酸
化し、酸化反応とエッチング反応が競合する形でエッチ
バックが進行する。このためエッチングの反応生成物と
してWFx 等のフッ化物の他に、WOFx 等のオキシフ
ッ化物も多く生成されるようになる。これら化合物のう
ちの代表的な化合物であるWF6 およびWOF4 の沸点
は、CRC Handbook of Chemist
ry and Phisics,75th.Editi
on(1994−1995)によれば17.5℃および
187.5℃である。すなわち、Wのオキシフッ化物は
Wのフッ化物に比して沸点が高く、したがって蒸気圧が
小さいので、被エッチング層上からの反応生成物の脱離
にはある程度のエネルギを有するイオン衝撃が必要であ
る。このため、従来はほとんどラジカル反応に依存して
いたエッチバックの形態が、イオンアシスト反応の要素
を多く持つようになるため、オーバーエッチング時の過
剰ラジカル反応に起因するローディング効果による異常
浸食や形状悪化がこの面からも防止される。さらに従来
のフッ素系化学種を発生しうるガスを主体としたエッチ
バックと比較して、プラズマ中のO原子の存在すること
により、下地のSiO2 等の層間絶縁膜とのエッチング
選択比が向上し、この層間絶縁膜の膜減りが軽減される
作用も有する。
The technical idea consistent with the first to third inventions is that at least H 2 O or H 2 O 2 is contained in the etching gas.
Is added, and H atoms and O atoms are supplied to the plasma by the dissociation of these gases. H atoms in the plasma capture F * which is an etchant of the refractory metal layer such as W,
It is removed to the outside of the etching chamber in the form of HF or HOF to control the F * concentration of the etching reaction system. This alleviates the concentration of F * on the surface of the contact plug exposed early during overetching, and prevents abnormal erosion and deterioration of shape due to the loading effect. On the other hand, O atoms in the plasma oxidize the surface of the refractory metal layer such as W, and the etchback progresses in such a manner that the oxidation reaction and the etching reaction compete with each other. Therefore, in addition to fluorides such as WF x , many oxyfluorides such as WOF x are produced as reaction products of etching. The boiling points of WF 6 and WOF 4 , which are typical compounds among these compounds, are calculated according to the CRC Handbook of Chemist.
ry and Physics, 75th. Editi
on (1994-1995), 17.5 ° C and 187.5 ° C. That is, since the oxyfluoride of W has a higher boiling point than the fluoride of W and therefore has a low vapor pressure, ion bombardment having a certain amount of energy is required for desorption of the reaction product from the layer to be etched. is there. For this reason, the form of etch-back, which has mostly depended on the radical reaction in the past, has many elements of the ion-assisted reaction, resulting in abnormal erosion and shape deterioration due to the loading effect caused by the excessive radical reaction during overetching. Is also prevented from this aspect. Further, compared with the conventional etchback mainly using a gas that can generate a fluorine-based chemical species, the presence of O atoms in the plasma improves the etching selection ratio with respect to the underlying interlayer insulating film such as SiO 2. However, it also has an effect of reducing the film loss of the interlayer insulating film.

【0018】第2の発明においては、エッチバックを2
段階化し、ジャストエッチング工程のエッチングレート
を高めることによりスループットの高いエッチバックが
可能となる。オーバーエッチング工程ではHおよびOを
構成元素とするガスの添加によりマイクロローディング
効果の防止が可能であることは第1の発明と同様であ
る。
In the second invention, the etch back is 2 times.
By increasing the etching rate in the just etching process by stepwise etching, it is possible to perform etchback with high throughput. In the overetching step, the microloading effect can be prevented by adding a gas containing H and O as constituent elements, as in the first invention.

【0019】第3の発明においては、被エッチング基板
を室温以下の低温に制御していることからラジカル反応
が抑制される。加えて、エッチングと競合して起こる被
エッチング層上へのイオウの堆積により、1ステップの
エッチバックではあるがローディング効果が極めて効果
的に軽減され、コンタクトプラグ浸食はほとんど確認さ
れなくなる。さらに、ブランケットCVDによるW等の
高融点金属層表面の凹凸は、凹部へはイオウ系材料が堆
積するとともに、凸部に堆積するイオウは直ちにスパッ
タリング除去され、露出する凸部が選択的にエッチング
されて平滑化されながらエッチバックが進行する。この
結果、高融点金属層の表面モホロジがバリア層や層間絶
縁膜に転写され表面粗れを起こすことがない。したがっ
て、後工程で形成する上層配線の表面も平坦化され配線
の信頼性が向上する。放電電離条件下でプラズマ中に遊
離のイオウ(S)を放出しうるイオウ系化合物に加え、
さらにN2 等のN系ガスを添加すれば、被エッチング基
板上に(SN)n (ポリチアジル)をはじめとする窒化
イオウ系化合物を堆積しつつエッチングを進めることが
可能である。ポリチアジルの堆積膜は、イオウよりさら
に強力な表面保護効果を発揮する。N系ガスとしては、
2 の他にN2 2 やその誘導体およびNF3 等を用い
ることができる。なおここで堆積したイオウ系材料は、
エッチバック終了後に被エッチング基板を加熱すること
により昇華除去することが可能であり、被エッチング基
板上に何らコンタミネーションやパーティクル汚染を残
すことがない。昇華温度は、減圧雰囲気中でイオウで約
90℃、ポリチアジルでは約150℃である。
In the third aspect of the present invention, the radical reaction is suppressed because the substrate to be etched is controlled at a low temperature below room temperature. In addition, the sulfur deposition on the layer to be etched in competition with the etching significantly reduces the loading effect, though it is a one-step etchback, and almost no contact plug erosion is observed. Further, as for the unevenness of the surface of the refractory metal layer such as W formed by the blanket CVD, the sulfur-based material is deposited on the concave portion, and the sulfur deposited on the convex portion is immediately removed by sputtering, and the exposed convex portion is selectively etched. Etching back progresses while being smoothed. As a result, the surface morphology of the refractory metal layer is not transferred to the barrier layer or the interlayer insulating film to cause surface roughness. Therefore, the surface of the upper layer wiring formed in a later step is also flattened, and the reliability of the wiring is improved. In addition to a sulfur-based compound capable of releasing free sulfur (S) in plasma under discharge ionization conditions,
Further, by adding an N-based gas such as N 2, it is possible to proceed with etching while depositing a sulfur nitride-based compound such as (SN) n (polythiazyl) on the substrate to be etched. The deposited film of polythiazyl exerts a stronger surface protection effect than sulfur. As N-based gas,
Can be used N 2 H 2 and its derivatives and NF 3 or the like in addition to the N 2. The sulfur-based material deposited here is
It is possible to remove the sublimation by heating the substrate to be etched after the etching back is completed, and no contamination or particle contamination remains on the substrate to be etched. The sublimation temperature is about 90 ° C. for sulfur and about 150 ° C. for polythiazyl in a reduced pressure atmosphere.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照して説明する。なお従来技術の説明で参照した図
3と同様の構成部分については同じ参照番号を付すもの
とする。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The same components as those in FIG. 3 referred to in the description of the prior art are designated by the same reference numerals.

【0021】実施例1 本実施例は第1の発明を適用し、ブランケットCVDに
より形成されたWからなる高融点金属層をSF6 とH2
Oとの混合ガスでエッチバックしてコンタクトプラグを
形成した例であり、これを図1(a)〜(c)を参照し
て説明する。まず一例として図1(a)に示すように、
予め不純物拡散層2等の能動領域を形成したSi等の半
導体基板1上に、SiO2 等の層間絶縁膜3を形成し、
この不純物拡散層2に臨む接続孔6を開口する。なお、
層間絶縁膜3の厚さは例えば0.7μm、接続孔6の開
口径は0.35μmである。次に全面にTiとTiNを
この順にスパッタリングないしは反応性スパッタリング
してコンフォーマルなバリア層4を被着する。密着層兼
バリアメタル層4の厚さは合わせて例えば70nmであ
る。さらに、接続孔6を埋め込みかつ層間絶縁膜3上の
バリア層4をも被覆して略平坦面を形成するごとく、ブ
ランケットCVDによりWからなる高融点金属層5を形
成する。このブランケットCVDは、一例として下記条
件によって形成した。まず、 WF6 25 sccm SiH4 10 sccm ガス圧力 1.1×104 Pa 基板温度 475 ℃ の条件で20秒間、Wの核形成を全面に行った後、 WF6 60 sccm H2 360 sccm ガス圧力 1.1×104 Pa 基板温度 475 ℃ の条件に切り替えて厚く堆積する。なお、密着層兼バリ
アメタル層上の高融点金属層5の厚さは、例えば0.3
μmである。接続孔の直上には、成長表面の合わせ目で
あるシームが形成されている。
Example 1 In this example, the first invention is applied, and a refractory metal layer of W formed by blanket CVD is formed of SF 6 and H 2.
This is an example in which a contact plug is formed by etching back with a mixed gas of O, and this will be described with reference to FIGS. First, as an example, as shown in FIG.
An interlayer insulating film 3 such as SiO 2 is formed on a semiconductor substrate 1 such as Si in which an active region such as an impurity diffusion layer 2 is formed in advance,
The connection hole 6 facing the impurity diffusion layer 2 is opened. In addition,
The thickness of the interlayer insulating film 3 is 0.7 μm, for example, and the opening diameter of the connection hole 6 is 0.35 μm. Next, Ti and TiN are sputtered or reactively sputtered in this order on the entire surface to deposit a conformal barrier layer 4. The total thickness of the adhesion layer / barrier metal layer 4 is, for example, 70 nm. Further, the refractory metal layer 5 made of W is formed by blanket CVD so that the contact holes 6 are buried and the barrier layer 4 on the interlayer insulating film 3 is also covered to form a substantially flat surface. This blanket CVD was formed under the following conditions as an example. First, after WF 6 25 sccm SiH 4 10 sccm gas pressure 1.1 × 10 4 Pa substrate temperature 475 ° C. for 20 seconds, nucleation of W was performed on the entire surface, and then WF 6 60 sccm H 2 360 sccm gas pressure The condition is changed to 1.1 × 10 4 Pa and the substrate temperature is 475 ° C., and thick deposition is performed. The thickness of the refractory metal layer 5 on the adhesion layer / barrier metal layer is, for example, 0.3.
μm. Immediately above the connection hole, a seam that is a seam of the growth surface is formed.

【0022】次に本発明の特徴部分であるエッチバック
工程に入る。上記被エッチング基板を有磁場マイクロ波
プラズマエッチング装置の基板ステージ上にセットし、
一例として下記条件で高融点金属層5のエッチバックを
行う。 SF6 40 sccm H2 O 10 sccm ガス圧力 1.3 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 200 W(2.0MHz) 被エッチング基板温度 常温 このエッチバック工程においては、SF6 の解離により
プラズマ中に生成するF* によるラジカル反応が、SF
x + 、O+ 等のイオンにアシストされる機構でエッチン
グが進行する。また同じくプラズマ中に生成するH原子
によるF* の捕捉や、反応生成物として蒸気圧の比較的
小さいWOFx が生成することにより、エッチングの形
態は、従来のSF6 によるラジカルモード主体のエッチ
ングに比較して、イオンアシスト反応を主体としたモー
ドとなっているので、エッチングレートは若干小さい。
Next, the etch back step, which is a feature of the present invention, is entered. Set the substrate to be etched on the substrate stage of the magnetic field microwave plasma etching apparatus,
As an example, the high melting point metal layer 5 is etched back under the following conditions. SF 6 40 sccm H 2 O 10 sccm Gas pressure 1.3 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 200 W (2.0 MHz) Etching substrate temperature Normal temperature In this etchback step, SF 6 The radical reaction by F * generated in the plasma by dissociation is
Etching proceeds by a mechanism assisted by ions such as x + and O + . Similarly, the trapping of F * by H atoms generated in the plasma and the generation of WOF x having a relatively low vapor pressure as a reaction product make the etching mode conventional radical-mode-based etching by SF 6. In comparison, since the mode is mainly based on the ion assist reaction, the etching rate is slightly small.

【0023】したがって、Ti/TiNからなるバリア
層4の表面が先に露出した領域においても、接続孔6部
分に残った高融点金属層5表面にラジカル主体のエッチ
ャントが集中してローディング効果による異常浸食が発
生することがなく、接続孔6内は平坦に埋め込まれた。
エッチバック終了後の状態を図1(b)に示す。
Therefore, even in the region where the surface of the barrier layer 4 made of Ti / TiN is exposed first, the etchant mainly composed of radicals is concentrated on the surface of the refractory metal layer 5 remaining in the connection hole 6 and abnormal due to the loading effect. No erosion occurred, and the inside of the connection hole 6 was buried flat.
The state after the end of the etch back is shown in FIG.

【0024】バリア層の除去が必要な場合には、次にエ
ッチング条件を切り替え、層間絶縁膜3上のバリア層4
を下記条件でエッチバックする。バリア層4は、図1
(b)の状態から直ちにAl系金属等からなる上層配線
層(図示せず)を堆積し、上層配線層とともにパターニ
ングしてもよい。 Cl2 40 sccm O2 10 sccm ガス圧力 1.3 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 200 W(2.0MHz) 被エッチング基板温度 常温 バリア層4のエッチングは接続孔6内に残った高融点金
属層5や層間絶縁膜3との選択性を保って進行し、この
結果、図1(c)に示すように接続孔6内は高融点金属
層5と密着層兼バリアメタル層4により平坦に埋め込ま
れたコンタクトプラグが完成し、異常浸食部の発生はみ
られなかった。
When it is necessary to remove the barrier layer, the etching conditions are switched next, and the barrier layer 4 on the interlayer insulating film 3 is changed.
Is etched back under the following conditions. The barrier layer 4 is shown in FIG.
An upper wiring layer (not shown) made of an Al-based metal or the like may be immediately deposited from the state of (b) and patterned together with the upper wiring layer. Cl 2 40 sccm O 2 10 sccm Gas pressure 1.3 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 200 W (2.0 MHz) Substrate temperature to be etched Room temperature Normal temperature Barrier layer 4 is etched in connection hole 6 The process proceeds while maintaining selectivity with the remaining refractory metal layer 5 and the interlayer insulating film 3, and as a result, the refractory metal layer 5 and the adhesion layer / barrier metal are formed in the connection hole 6 as shown in FIG. 1C. The contact plug that was evenly embedded in the layer 4 was completed, and no abnormal erosion was observed.

【0025】本実施例では、エッチングレートこそ若干
小さいものの、ローディング効果による異常な浸食部の
ない、平坦な埋め込み表面を有するコンタクトプラグが
形成できる。また高融点金属層のエッチバックを一段階
で、しかも単一のエッチングガスで処理できることはプ
ロセスの簡略化に寄与する。
In this embodiment, a contact plug having a flat embedded surface without an abnormal erosion portion due to the loading effect can be formed although the etching rate is slightly small. In addition, the fact that the refractory metal layer can be etched back in one step and with a single etching gas contributes to simplification of the process.

【0026】実施例2 本実施例は第2の発明を適用し、ブランケットCVDに
より形成したW層のエッチバックを下地が露出する直前
までのジャストエッチング工程と、H2 2 の添加によ
るオーバーエッチング工程の2段階エッチングを行った
例である。このプロセスを図2を参照して説明する。な
お図2(a)に示す被エッチング基板は前実施例1で用
いた図1(a)に示す被エッチング基板と同様であるの
で、重複する説明を省略する。
Example 2 In this example, the second invention is applied, and the W layer formed by blanket CVD is etched back until just before the underlying layer is exposed, and overetching is performed by adding H 2 O 2. This is an example of performing two-step etching of the process. This process will be described with reference to FIG. Note that the substrate to be etched shown in FIG. 2A is the same as the substrate to be etched shown in FIG. 1A used in the first embodiment, and therefore, duplicated description will be omitted.

【0027】図2(a)に示す被エッチング基板を、一
例として下記第1の混合ガスを用いたエッチング条件に
より第1のエッチバック工程を施し、下地である層間絶
縁膜3上のバリア層4が露出する直前でエッチングを停
止した。この時の終点は、予め同一エッチング条件で高
融点金属層5のエッチングレートを求めておき、経過時
間により決定した。 SF6 50 sccm ガス圧力 1.3 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 200 W(2.0MHz) 被エッチング基板温度 室温 このジャストエッチング工程においては、SF6 の解離
によりプラズマ中に大量に生成するF* によるラジカル
反応が、SFx + 等のイオンにアシストされる機構でエ
ッチングが進行するので、エッチングレートは大きい。
この結果、図2(b)に示すように、高融点金属層5の
厚さ方向の大部分はエッチングされ、高融点金属層残余
部5aが僅かに残される。
The substrate to be etched shown in FIG. 2A is subjected to a first etch-back process under the etching conditions using the following first mixed gas as an example, and the barrier layer 4 on the interlayer insulating film 3 as a base is subjected to the first etch-back process. The etching was stopped immediately before the exposure. The end point at this time was determined by obtaining the etching rate of the refractory metal layer 5 in advance under the same etching conditions and determining the elapsed time. SF 6 50 sccm Gas pressure 1.3 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 200 W (2.0 MHz) Etching substrate temperature Room temperature In this just etching process, SF 6 is dissociated into plasma by dissociation of SF 6. Since the radical reaction by a large amount of F * generated causes the etching to proceed by a mechanism assisted by ions such as SF x + , the etching rate is large.
As a result, as shown in FIG. 2B, most of the refractory metal layer 5 in the thickness direction is etched, and the refractory metal layer residual portion 5a is slightly left.

【0028】次に一例としてエッチング条件を下記のよ
うに切り替え、H2 2 を添加した混合ガスを用いて高
融点金属層の残余部5aをエッチバックし、層間絶縁膜
3上のバリア層4が露出した時点で停止する。 SF6 35 sccm H2 2 15 sccm ガス圧力 1.3 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 200 W(2.0MHz) 被エッチング基板温度 室温 この第2のエッチバック工程はオーバーエッチング工程
であり、H2 2 を添加したことによりエッチング反応
系のラジカル性が弱められることによりラジカルの反応
性が抑制され、ローディング効果は効果的に防止され
る。この結果、図2(c)に示すように、接続孔6内に
は高融点金属層5が平坦に埋め込まれ、異常浸食の発生
はなかった。
Next, as an example, the etching conditions are switched as follows, the residual portion 5a of the refractory metal layer is etched back using a mixed gas containing H 2 O 2, and the barrier layer 4 on the interlayer insulating film 3 is etched. Stop when is exposed. SF 6 35 sccm H 2 O 2 15 sccm Gas pressure 1.3 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 200 W (2.0 MHz) Etching substrate temperature Room temperature This second etch back step is over This is an etching step, and the addition of H 2 O 2 weakens the radical reactivity of the etching reaction system, thereby suppressing the reactivity of radicals and effectively preventing the loading effect. As a result, as shown in FIG. 2C, the refractory metal layer 5 was flatly embedded in the connection hole 6, and no abnormal erosion occurred.

【0029】高融点金属層5のエッチバック終了後、必
要に応じて層間絶縁膜3上に露出しているバリア層4を
実施例1と同じエッチング条件で除去し、図2(d)に
示すように接続孔6内は高融点金属層5とバリア層4に
よるコンタクトプラグが平坦に埋め込まれ、浸食部の発
生はみられなかった。
After the etching back of the refractory metal layer 5 is completed, if necessary, the barrier layer 4 exposed on the interlayer insulating film 3 is removed under the same etching conditions as in Example 1 and shown in FIG. As described above, the contact plug formed by the refractory metal layer 5 and the barrier layer 4 was flatly embedded in the connection hole 6, and no eroded portion was observed.

【0030】本実施例によれば、高速エッチバックによ
るジャストエッチング工程と、ローディング効果のない
オーバーエッチング工程とを組み合わせることにより、
スループットに優れ、また平坦性に富んだコンタクトプ
ラグの形成が可能であり、極めて実用的なプロセスを実
現できる。
According to the present embodiment, by combining the just etching process by high speed etch back and the over etching process without loading effect,
A contact plug with excellent throughput and flatness can be formed, and an extremely practical process can be realized.

【0031】実施例3 本実施例は第3の発明を適用し、ブランケットCVDに
より形成されたWからなる高融点金属層を、H2 OとS
2 2 の混合ガスによりエッチバックしてコンタクトプ
ラグを形成した例であり、これを再び図1(a)〜
(c)を参照して説明する。
Example 3 In this example, the third invention is applied, and a refractory metal layer of W formed by blanket CVD is formed with H 2 O and S.
This is an example of etching back with a mixed gas of 2 F 2 to form a contact plug, which is again shown in FIG.
This will be described with reference to FIG.

【0032】図1示す被エッチング基板を有磁場マイク
ロ波プラズマエッチング装置の基板ステージ上にセット
し、一例として下記条件で高融点金属層5のエッチバッ
クをおこなう。 S2 2 40 sccm H2 O 10 sccm ガス圧力 1.3 Pa マイクロ波パワー 850 W(2.45GHz) RFバイアスパワー 200 W(2.0MHz) 被エッチング基板温度 0 ℃ このエッチバック工程においては、主としてS2 2
解離によりプラズマ中に生成するF* によるラジカル反
応が、SF+ 、O+ 等のイオンにアシストされる機構で
エッチングが進行する。被エッチング基板温度が低温制
御されているのでラジカルの反応性が抑制されること、
およびS2 2 の放電解離により生成するイオウが高融
点金属層5表面に堆積する過程とスパッタリング除去さ
れる過程が競合していること等の理由により、ローディ
ング効果は極めて効果的に防止される。また、イオウの
堆積とスパッタリング除去が競合することにより、エッ
チバック進行中の高融点金属層5表面は平滑化され、高
融点金属層5のモホロジがバリア層4に転写されること
がない。
The substrate to be etched shown in FIG. 1 is set on the substrate stage of a magnetic field microwave plasma etching apparatus, and as an example, the refractory metal layer 5 is etched back under the following conditions. S 2 F 2 40 sccm H 2 O 10 sccm Gas pressure 1.3 Pa Microwave power 850 W (2.45 GHz) RF bias power 200 W (2.0 MHz) Etching substrate temperature 0 ° C. In this etch back step, The etching proceeds by a mechanism in which a radical reaction mainly caused by F * generated in plasma due to dissociation of S 2 F 2 is assisted by ions such as SF + and O + . Since the substrate temperature to be etched is controlled to be low, the reactivity of radicals is suppressed,
The loading effect is extremely effectively prevented because, for example, the process of depositing sulfur on the surface of the refractory metal layer 5 by the dissociation of S 2 F 2 by discharge and the process of removing it by sputtering compete with each other. . Further, due to competition between sulfur deposition and removal by sputtering, the surface of the refractory metal layer 5 during the etching back is smoothed, and the morphology of the refractory metal layer 5 is not transferred to the barrier layer 4.

【0033】エッチバック終了後の状態を図1(b)に
示す。この後、必要に応じ露出したバリア層4を実施例
1と同様に除去する。この結果、異常浸食のない良好な
形状のコンタクトプラグが図1(c)に示すように形成
された。
The state after completion of the etch back is shown in FIG. After that, the exposed barrier layer 4 is removed as necessary in the same manner as in Example 1. As a result, a contact plug having a good shape without abnormal erosion was formed as shown in FIG.

【0034】本実施例によれば、マイクロローディング
効果の防止に加え、エッチバックされた下地のバリア層
4あるいは層間絶縁膜3の表面モホロジの向上の効果も
得られる。
According to this embodiment, in addition to the prevention of the microloading effect, the effect of improving the surface morphology of the etched back barrier layer 4 or the interlayer insulating film 3 can be obtained.

【0035】以上、本発明を3例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。例えば、実施例中では接続孔内への高融点金属層
の埋め込みによるコンタクトプラグの形成プロセスを例
にとって説明したが、多結晶シリコン等下層配線上の層
間絶縁膜に形成したヴァイアホール内への埋め込みプロ
セスに応用してもよい。また接続プラグのみならず、高
融点金属を用いる各種電極・配線の形成にも適用しう
る。
Although the present invention has been described with reference to the three examples, the present invention is not limited to these examples. For example, in the embodiment, the process of forming the contact plug by embedding the refractory metal layer in the connection hole has been described as an example. However, embedding in the via hole formed in the interlayer insulating film on the lower layer wiring such as polycrystalline silicon. It may be applied to the process. Further, it can be applied not only to the connection plug but also to formation of various electrodes and wirings using a refractory metal.

【0036】高融点金属層5としてWを例示したが、M
o、Ta等他の高融点金属であってもよい。またバリア
層4はTi/TiNを例示したが、TiW、TiSix
等、下地や高融点金属層の材料に応じて各種材料を適宜
選択してよい。
Although W is exemplified as the refractory metal layer 5, M
Other refractory metals such as o and Ta may be used. The barrier layer 4 is exemplified by Ti / TiN, but TiW, TiSi x
For example, various materials may be appropriately selected depending on the material of the base or the refractory metal layer.

【0037】HおよびOを構成元素とするガスとしてH
2 Oを例示したが、H2 2 を用いることが可能であ
る。
H as a gas containing H and O as constituent elements
Although 2 O is exemplified, H 2 O 2 can be used.

【0038】フッ素系化学種を発生しうるガスとしては
実施例で例示したSF6 の他にNF3 、ClF3 、Xe
2 等F原子を有する化合物を使用できる。その他、添
加ガスとしてHe、Ar等希ガスを用いればスパッタリ
ング、冷却、希釈および放電の安定性等の各効果が得ら
れる。
As the gas capable of generating the fluorine-based chemical species, in addition to SF 6 exemplified in the examples, NF 3 , ClF 3 and Xe are used.
Compounds having F atoms such as F 2 can be used. In addition, when a rare gas such as He or Ar is used as the additive gas, various effects such as sputtering, cooling, dilution, and discharge stability can be obtained.

【0039】さらに、使用するエッチング装置として基
板バイアス印加型のECRプラズマエッチング装置を採
り上げたが、平行平板型RIE装置、ヘリコン波プラズ
マエッチング装置、ICP(Inductively Coupled Plasm
a)エッチング装置、TCP(Transformer Coupled Plas
ma) エッチング装置等、各種エッチング装置を使用可能
であることは言うまでもない。
Further, the ECR plasma etching apparatus of the substrate bias application type was adopted as the etching apparatus to be used. The parallel plate type RIE apparatus, the helicon wave plasma etching apparatus, the ICP (Inductively Coupled Plasm).
a) Etching equipment, TCP (Transformer Coupled Plas)
Of course, it is possible to use various etching devices such as ma) etching devices.

【0040】さらに、エッチング条件、被エッチング基
板の構成等は適宜変更可能であることは言うまでもな
い。
Further, it goes without saying that the etching conditions, the structure of the substrate to be etched, etc. can be changed as appropriate.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は高融点金属層のエッチバックによるコンタクトプラグ
の形成方法において、エッチングガスとしてHおよびO
を構成元素とするガスおよびフッ素系化学種を発生しう
るガスとの混合ガスを用いることにより、オーバーエッ
チング時の過剰F* に起因するローディング効果を防止
することができる。
As is apparent from the above description, the present invention is a method for forming a contact plug by etching back a refractory metal layer, wherein H and O are used as etching gases.
By using a mixed gas of a gas having a constituent element of and a gas capable of generating a fluorine-based chemical species, it is possible to prevent a loading effect due to excess F * during overetching.

【0042】また、同じく高融点金属層のエッチバック
によるコンタクトプラグの形成方法において、ジャスト
エッチング工程はフッ素系化学種を発生しうるガスを主
体として用い、オーバーエッチング工程ではHおよびO
を構成元素とするガスとフッ素系化学種を発生しうるガ
スとの混合ガスに切り替えて2段階エッチングを採用す
ることにより、オーバーエッチング時のローディング効
果を防止できることと共に、ジャストエッチング工程で
の高速エッチングを達成できる。
Similarly, in the method of forming the contact plug by etching back the refractory metal layer, the just etching step mainly uses a gas capable of generating a fluorine-based chemical species, and the overetching step uses H and O.
By adopting the two-step etching by switching to the mixed gas of the gas containing the constituent elements and the gas that can generate the fluorine-based chemical species, the loading effect at the time of overetching can be prevented and the high-speed etching in the just etching process can be prevented. Can be achieved.

【0043】さらに、同じく高融点金属層のエッチバッ
クによるコンタクトプラグの形成方法において、Hおよ
びOを構成元素とするガスと、S2 2 等の放電解離条
件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成しうるガスとの
混合ガス用い、被エッチング基板上にイオウを堆積しな
がらエッチングすることにより、オーバーエッチング時
のローディング効果をさらに効果的に防止できることは
もとより、エッチバックした高融点金属層の表面を極め
て平滑に形成することが可能となる。
Further, in the same method for forming a contact plug by etching back a refractory metal layer, a gas containing H and O as constituent elements and free sulfur in plasma under discharge dissociation conditions such as S 2 F 2 are used. By etching while depositing sulfur on the substrate to be etched using a mixed gas with a gas that can be generated, the loading effect during overetching can be more effectively prevented, and the surface of the refractory metal layer that has been etched back Can be formed extremely smooth.

【0044】上記効果により、ブランケットCVD膜の
堆積およびそのエッチバックによりW等の高融点金属を
接続孔内に埋め込むコンタクトプラグの形成が信頼性高
く達成でき、埋め込まれたコンタクトプラグの表面は平
坦性に優れ、またミクロに見た表面の平滑性も達成する
ことも可能となる。このため、コンタクトプラグ上に形
成する上層配線との低抵抗のオーミックコンタクトが実
現できる。ブランケットCVDによる高融点金属層の表
面モホロジが層間絶縁膜に転写されることがないので、
エッチバック後の層間絶縁膜の表面も平坦かつ平滑であ
る。このため、層間絶縁膜上に形成する上層配線のパタ
ーニングリソグラフィ時に露光光の乱反射等がなく、精
度のよい加工ができる。
Due to the above effects, the formation of the contact plug in which the refractory metal such as W is buried in the contact hole can be reliably achieved by depositing the blanket CVD film and etching back the blanket CVD film, and the surface of the buried contact plug is flat. It is also excellent, and it is possible to achieve microscopic surface smoothness. Therefore, low resistance ohmic contact with the upper layer wiring formed on the contact plug can be realized. Since the surface morphology of the refractory metal layer by blanket CVD is not transferred to the interlayer insulating film,
The surface of the interlayer insulating film after etching back is also flat and smooth. Therefore, there is no irregular reflection of exposure light during patterning lithography of the upper wiring formed on the interlayer insulating film, and accurate processing can be performed.

【0045】このため、微細な設計ルールに基づく多層
配線の層間接続を信頼性高く行うことができ、本発明が
高集積度半導体装置等の製造プロセスに与える寄与は大
きい。
Therefore, the interlayer connection of the multilayer wiring based on the fine design rule can be performed with high reliability, and the present invention greatly contributes to the manufacturing process of the highly integrated semiconductor device and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明を適用した実施例1および3を、その工
程順に説明する概略断面図であり、(a)は接続孔を有
する層間絶縁膜上全面にバリア層および高融点金属層を
形成した状態であり、(b)は高融点金属層をエッチバ
ックし接続孔内に埋め込んだ状態、(c)は露出したバ
リア層をエッチバックして除去し、コンタクトプラグが
完成した状態である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining Examples 1 and 3 to which the present invention is applied in the order of steps, in which (a) shows a barrier layer and a refractory metal layer formed on the entire surface of an interlayer insulating film having a connection hole. 6B is a state in which the refractory metal layer is etched back and buried in the connection hole, and FIG. 7C is a state in which the exposed barrier layer is etched back and removed to complete the contact plug.

【図2】本発明を適用した実施例2を、その工程順に説
明する概略断面図であり、(a)は接続孔を有する層間
絶縁膜上全面にバリア層および高融点金属層を形成した
状態であり、(b)は高融点金属層に第1のエッチバッ
クを施した状態、(c)は高融点金属層に第2のエッチ
バックを施して接続孔内に埋め込んだ状態、(d)は露
出したバリア層をエッチバックして除去し、コンタクト
プラグが完成した状態である。
2A and 2B are schematic cross-sectional views illustrating Example 2 to which the present invention is applied in the order of steps, in which FIG. 2A shows a state in which a barrier layer and a refractory metal layer are formed on the entire surface of an interlayer insulating film having a connection hole. (B) is a state in which the refractory metal layer is subjected to the first etch back, (c) is a state in which the refractory metal layer is subjected to the second etch back and embedded in the connection hole, (d) Is a state in which the exposed barrier layer is etched back and removed to complete the contact plug.

【図3】ブランケットCVDによる高融点金属層のエッ
チバックにおける従来のプロセスの問題点を説明する図
であり、(a)は接続孔を有する層間絶縁膜上全面にバ
リア層と高融点金属層を形成した状態であり、(b)は
ローディング効果により高融点金属層の異常浸食が発生
した状態、(c)は密着層兼バリアメタル層除去時に異
常浸食が発生した状態である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a problem of a conventional process in etching back a refractory metal layer by blanket CVD. FIG. 3A is a diagram showing a barrier layer and a refractory metal layer on the entire surface of an interlayer insulating film having connection holes. The state in which the refractory metal layer is formed is shown in FIG. 7B, and the state in which the refractory metal layer is abnormally eroded due to the loading effect is shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 拡散層 3 層間絶縁膜 4 バリア層 5 高融点金属層 5a 高融点金属層の残余部 6 接続孔 7 高融点金属層の浸食部 8 バリア層の浸食部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Diffusion layer 3 Interlayer insulating film 4 Barrier layer 5 Refractory metal layer 5a Remaining part of refractory metal layer 6 Connection hole 7 Corrosion part of refractory metal layer 8 Corrosion part of barrier layer

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成
された高融点金属層にエッチバックを施し、前記接続孔
内にコンタクトプラグを形成するコンタクトプラグの形
成方法において、 前記エッチバック工程は、 少なくともHおよびOを構成元素とするガスと、 フッ素系化学種を発生しうるガスとを含むエッチングガ
スとを用いて、前記高融点金属層をプラズマエッチング
する工程であることを特徴とするコンタクトプラグの形
成方法。
1. A method of forming a contact plug, wherein a refractory metal layer formed on the entire surface of an interlayer insulating film having a connection hole is etched back to form a contact plug in the connection hole, wherein the etch back step is performed. A contact comprising plasma etching the refractory metal layer using an etching gas containing a gas containing at least H and O as constituent elements and a gas capable of generating a fluorine-based chemical species. How to form the plug.
【請求項2】 接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成
された高融点金属層にエッチバックを施し、前記接続孔
内にコンタクトプラグを形成するコンタクトプラグの形
成方法において、 前記エッチバック工程は、 少なくともフッ素系化学種を発生しうるガスを主体とす
るエッチングガスを用いて、前記高融点金属層をプラズ
マエッチングによりジャストエッチングする第1のエッ
チバック工程と、 少なくともHおよびOを構成元素とするガスと、フッ素
系化学種を発生しうるガスとを含むエッチングガスを用
いて、前記高融点金属層をプラズマエッチングによりオ
ーバーエッチングする第2のエッチバック工程を、 この順に施すことを特徴とするコンタクトプラグの形成
方法。
2. A method of forming a contact plug, wherein a refractory metal layer formed on the entire surface of an interlayer insulating film having a connection hole is etched back to form a contact plug in the connection hole, wherein the etch back step is performed. A first etch back step of just etching the refractory metal layer by plasma etching using an etching gas mainly containing a gas capable of generating a fluorine-based chemical species, and at least H and O as constituent elements A contact characterized by performing a second etchback step of overetching the refractory metal layer by plasma etching using an etching gas containing a gas and a gas capable of generating a fluorine-based chemical species in this order. How to form the plug.
【請求項3】 接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成
された高融点金属層にエッチバックを施し、前記接続孔
内にコンタクトプラグを形成するコンタクトプラグの形
成方法において、 前記エッチバック工程は、 少なくともHおよびOを構成元素とするガスと、 放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを生成しう
るハロゲン化イオウ系化合物ガスとを含むエッチングガ
スを用いるとともに、 被エッチング基板を室温以下に制御しつつプラズマエッ
チングする工程であることを特徴とするコンタクトプラ
グの形成方法。
3. A method for forming a contact plug, wherein a refractory metal layer formed on the entire surface of an interlayer insulating film having a connection hole is etched back to form a contact plug in the connection hole, wherein the etch back step is performed. , An etching gas containing at least a gas containing H and O as constituent elements and a halogenated sulfur compound gas capable of producing free sulfur in plasma under discharge dissociation conditions is used, and the substrate to be etched is kept at room temperature or below. A method for forming a contact plug, which is a step of controlling plasma etching.
【請求項4】 高融点金属層の下面に接して、バリア層
を有することを特徴とする、請求項1ないし3いずれか
1項記載のコンタクトプラグの形成方法。
4. The method of forming a contact plug according to claim 1, further comprising a barrier layer in contact with the lower surface of the refractory metal layer.
【請求項5】 HおよびOを構成元素とするガスは、H
2 OおよびH2 2 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ないし3いずれか1項記載
のコンタクトプラグの形成方法。
5. A gas containing H and O as constituent elements is H
The method for forming a contact plug according to claim 1, wherein the contact plug is at least one selected from 2 O and H 2 O 2 .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103125013A (en) * 2010-09-27 2013-05-29 诺发系统公司 Systems and methods for selective tungsten deposition in vias

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