JPH11186232A

JPH11186232A - 高融点金属膜のドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH11186232A
Application number: JP35106197A
Authority: JP
Inventors: Masahito Ito; 雅人伊藤; Seiretsu Boku; 世烈朴
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 1999-07-09
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: JP3164789B2

Abstract

(57)【要約】【課題】フッ素含有炭化水素ガスを反応性ガスに添加
することによって、高選択比、高エッチングレート及び
形状コントロール性を同時に向上させることができるド
ライエッチング方法を得ることを目的とする。【解決手段】高融点金属膜のドライエッチング方法
は、反応容器１２内に設置されたサセプタ１８に高融点
金属膜が形成されたシリコンウェハＷを配置し、反応容
器１２内を所定の圧力に減圧して反応性ガスを供給する
と共に、反応容器内にプラズマを形成して、シリコンウ
ェハＷに対してプラズマエッチング処理を行う。反応性
ガスは、ＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有炭化水素ガ
スを所定の割合で混合して使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路に
おける高融点金属配線等を形成するためのドライエッチ
ング方法、特に、フッ素含有炭化水素ガスを反応性ガス
に添加することによって、高選択比、高エッチングレー
ト及び形状コントロール性を同時に向上させることがで
きるドライエッチング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路に用いられる金属膜とし
ては、Ａｌ，Ａｌ合金膜のほかに、Ｗ，Ｍｏ等も使用さ
れており、半導体集積回路の高集積化、高性能化が進む
につれ、これらの微細加工に対する要求は増大してい
る。プラズマエッチングは、ウエットエッチングに比べ
て微細加工性、制御性に優れているほか、工程簡略化、
自動化も容易であり、公害への影響も少ないことから、
半導体集積回路の製造に広く用いられている。また、反
応性ガスを使用した反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）
では、反応性ガスに高周波電界を印加し、発生したラジ
カル又はイオンが被エッチング物と反応して揮発性物質
を生成することにより進行するため、蒸気圧の高い種々
の反応性ガスが使用されている。

【０００３】配線用の高融点金属膜例えばタングステン
膜におけるドライエッチングでは、例えばＳＦ₆を主成
分とする反応性ガスが使用されており、エッチングレー
トの増大、選択比の向上、形状劣化防止などのために、
添加ガスとしてＣｌ₂、Ｎ₂等のガスが反応性ガスに添加
されている。また、側壁保護膜を用いずに異方性エッチ
ング、高エッチングレート、高選択性を同時に満足する
ことを目的として、試料である被処理基体を例えば−５
０℃〜−１０℃程度に冷却し、側壁でのラジカル反応が
凍結するまで試料温度を下げる低温エッチングが行われ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高融点金属
であるタングステンをエッチングする場合、前述したガ
ス系のみでは、ホトレジストに対する選択比及びタング
ステンに対するエッチングレートが低く、形状（ＣＤ、
Critical Dimension）のコントロールも十分に行えない
ということが問題となっていた。また、低温エッチング
は高異方性エッチングの実現には有効であるが、試料温
度制御のために特別な設備を必要とすることが実用上の
短所であった。また、試料の冷却や昇温に時間を要し、
スループットの低下を招くことがあり、装置自体の制御
性やメンテナンス性も悪いという問題点もあった。

【０００５】そこで本発明は、フッ素含有炭化水素ガス
を反応性ガスに添加することによって、高選択比、高エ
ッチングレート及び形状コントロール性を同時に向上さ
せることができる高融点金属膜のドライエッチング方法
を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
高融点金属膜のドライエッチング方法は、反応容器内に
設置されたサセプタに高融点金属膜が形成された被処理
基体を配置し、反応容器内を所定の圧力に減圧し、反応
容器内に反応性ガスを供給すると共に、反応容器内にプ
ラズマを形成して、高融点金属膜をエッチングするプラ
ズマエッチング方法であって、反応性ガスは、ＳＦ₆ガ
ス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有炭化水素ガスからなること
を特徴とする。

【０００７】請求項２に係る発明は、反応性ガスの組成
が、Ｎ₂ガス５％〜１５％、フッ素含有炭化水素ガス２
０％〜４０％及び残部ＳＦ₆ガスからなることを特徴と
する。

【０００８】請求項３に係る発明は、フッ素含有炭化水
素ガスがＣＦ₄であることを特徴とする。

【０００９】請求項４に係る発明は、フッ素含有炭化水
素ガスがＣＨＦ₃であることを特徴とする。

【００１０】請求項５に係る発明は、フッ素含有炭化水
素ガスがＣＨ₂Ｆ₂であることを特徴とする。

【００１１】請求項６に係る発明は、フッ素含有炭化水
素ガスがＣＨ₃Ｆであることを特徴とする。

【００１２】請求項７に係る発明は、フッ素含有炭化水
素ガスがＣ₂Ｆ₆であることを特徴とする。

【００１３】請求項８に係る発明は、高融点金属膜がタ
ングステン配線であることを特徴とする。

【００１４】この発明によれば、反応性ガスとしてＳＦ
₆ガス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有炭化水素ガスを選択し、
所定の混合割合に混合してドライエッチングを行うこと
により、従来、両立が困難であった選択比及びエッチン
グレートと、形状コントロール性とを同時に改善するこ
とができる。

【００１５】ＳＦ₆ガスは、プラズマ中で生じるＦ⁺がタ
ングステンと反応してＷＦ₆を形成し、エッチングが進
行していく。また、フッ素含有炭化水素ガスから生じる
Ｆ⁺もタングステンと反応するため、Ｆ⁺の供給源として
の役割を果たす。同時に、フッ素含有炭化水素ガスから
生じるＣがエッチングパターンの断面形状が高温におい
て凹む傾向にある側壁に堆積し、凹部の形成を回避す
る。なお、フッ素含有炭化水素ガスの特性から、有機物
系のレジストに対する選択比は高く、エッチングレート
は高い。さらに、Ｎ₂ガスは、エッチング自体には寄与
しないが、過剰なＣと反応して揮発性のＣＮになると考
えられる。従って、過剰なＣが断面形状の側壁に過剰に
堆積するのを防止する。

【００１６】このような関係から、ＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス
及びフッ素含有炭化水素ガスを所定の範囲に調節するこ
とによって、常温程度の高温下におけるエッチングであ
っても、選択比及びエッチングレートと、形状コントロ
ール性とを同時に改善することができる。従って、サセ
プタの使用温度範囲を拡大することができると共に、サ
セプタの温度を低温に冷却してエッチングする必要性が
少なくなり、エッチング装置の制御性及びメンテナンス
性を向上させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき、本発明
の一実施形態による高融点金属膜のドライエッチング方
法について説明する。図１は本発明の一実施形態を説明
するためのプラズマエッチング装置を示す概略断面図で
ある。図において、このプラズマエッチング装置１０
は、内部が減圧される反応容器（減圧容器）１２を備え
ている。反応容器１２は、アルミニウムにアルマイト処
理を施した材料等からなる円筒形の容器側壁１４と、そ
の上部に取り付けられた放電用部品である蓋体１６とか
ら構成されている。

【００１８】反応容器１２の内部には、処理対象物であ
るシリコンウェハＷを載置するサセプタ１８が配置され
ている。このサセプタ１８の上面には、シリコンウェハ
Ｗを固定するための静電チャック２０が設けられてい
る。サセプタ１８は電極としても機能し、高周波バイア
ス電源２２を介して接地されている。従って、接地され
た容器側壁１４に対して例えば１３．５６ＭＨｚの高周
波バイアス電圧が印加されると、サセプタ１８がカソー
ドとして機能し容器側壁１４がアノードとして機能する
ようになっている。なお、サセプタ１８には、載置され
たシリコンウェハＷを冷却するための冷却装置（図示し
ない）が所望により設けられている。

【００１９】また、反応容器１２には、後述するガス供
給源から供給されるエッチングガス（反応性ガス）を内
部に導入するためのガス供給口２４が設けられており、
更に、反応容器１２内部の排気を行うための真空ポンプ
（図示せず）に接続される排気口２６が設けられてい
る。

【００２０】反応容器１２の一部である蓋体１６は、誘
電体部材から構成されている。蓋体１６の外周には、コ
イルアンテナ２８が配設されており、コイルアンテナ２
８により蓋体１６を介して反応容器１２の内部に電磁界
が誘起されてプラズマが発生し、更にこのプラズマ中の
電子にエネルギーが供給されて、プラズマは高密度で維
持される。なお、コイルアンテナ２８には、整合器３０
を介して高周波電源３２が接続されている。さらに、蓋
体１６の外側にはシールド３４が設けられており、発生
する高周波が外部に漏洩するのを防止している。

【００２１】ガス供給口２４には、配管３６を介してガ
ス混合室３８が接続されている。このガス混合室３８
は、反応性ガスを均一に混合する装置であり、ガス混合
室３８には、ＳＦ₆ガス供給源４０、Ｎ₂ガス供給源４２
及びフッ素含有炭化水素ガス供給源４４がそれぞれガス
流量調節バルブ４６，４８，５０を介して接続されてい
る。ガス流量調節バルブ４６，４８，５０は、バルブ制
御手段５１によりバルブの開閉が制御され各ガスの流量
が調節されるので、反応性ガスの混合割合を所定の値に
設定することが可能となる。

【００２２】本発明では、反応性ガスとして、ＳＦ₆ガ
ス供給源４０、Ｎ₂ガス供給源４２及びフッ素含有炭化
水素ガス供給源４４からそれぞれ供給されるＳＦ₆ガ
ス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有炭化水素ガスが使用され
る。フッ素含有炭化水素ガスとしては、ＣＦ₄，ＣＨ
Ｆ₃，ＣＨ₂Ｆ₂，ＣＨ₃Ｆ，Ｃ₂Ｆ₆等が使用でき、これら
のガスの１種又は２種以上を混合して使用することがで
きる。

【００２３】また、ＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有
炭化水素ガスは、ＳＦ₆ガスを主成分として、Ｎ₂ガスを
５％〜１５％（容量％、以下同様）、フッ素含有炭化水
素ガスを２０％〜４０％、好適には３０％前後の割合で
混合し、全体で１００％とする。Ｎ₂ガスは、過剰なＣ
と反応するので、エッチングパターンの断面形状を保つ
ために添加する。Ｎ₂ガスが５％未満であると、エッチ
ングパターンの断面形状に不具合が生じるので望ましく
なく、１５％を越えると、エッチングレートが低下し、
フォトレジストに対する選択比が低下するため望ましく
ない。

【００２４】フッ素含有炭化水素ガスが２０％未満であ
ると、添加ガスとしての効果があまり得られず、４０％
を越えると、エッチングレート及び選択比が低下するた
め望ましくない。高選択比と高エッチングレートとは、
互いに同様な条件下で達成されるが、これらと形状コン
トロール性とは相反した条件下で達成される。すなわ
ち、エッチングレート及び選択比を高めようとすると、
エッチングパターンの断面形状が崩れてしまう。一方、
断面形状を直そうとすると、エッチングレート及び選択
比を犠牲にせざるを得なくなる。従って、これら３つの
特性を全て同時に良好にする添加ガスの混合割合を検討
した結果、前記のようなＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス及びフッ素
含有炭化水素ガスの好適な混合割合を見出し、本発明を
完成させたものである。

【００２５】このような構成のプラズマエッチング装置
において、反応容器１２内にシリコンウェハＷを静電チ
ャック２０によりサセプタ１８上に載置した後、反応容
器１２内を真空ポンプにより例えば１０ｍＴｏｒｒ程度
に減圧する。一方、ＳＦ₆ガス供給源４０、Ｎ₂ガス供給
源４２及びフッ素含有炭化水素ガス供給源４４から、Ｓ
Ｆ₆ガス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有炭化水素ガスをガス流
量調節バルブ４６，４８，５０によりそれぞれガス流量
を調節し、ガス混合室３８に導入する。ガス混合室３８
で混合された反応性ガスは、配管３６を介してガス供給
口２４から反応容器１２内に導入され、高周波バイアス
電源２２により容器側壁１４に対して例えば１３．５６
ＭＨｚの高周波バイアス電圧が印加される。

【００２６】また、コイルアンテナ２８により蓋体１６
を介して反応容器１２の内部に電磁界が誘起されてプラ
ズマが発生し、更にこのプラズマ中の電子にエネルギー
が供給されて、プラズマは高密度で維持される。かかる
安定したプラズマの下、容器側壁１４とサセプタ１８と
の間に高周波バイアス電圧を印加すると、サセプタ１８
上のシリコンウェハＷのエッチング反応が安定的に行わ
れることとなる。この時、処理されるシリコンウェハＷ
の処理前と処理後における概略図をそれぞれ図２及び図
３に示す。

【００２７】これらの図において、シリコンウェハＷの
下地６０上にＳｉＯ₂膜６２が形成されており、このＳ
ｉＯ₂膜６２上にはＴｉＮ又はＴｉＮ／Ｔｉからなるバ
リアメタル６４が形成され、バリアメタル６４上には高
融点金属膜例えばタングステン膜６６が形成されてい
る。さらに、このタングステン膜６６上には、反射防止
膜（アンチリフレクティブコート、ＡＲＣ）６８が形成
されている。なお、反射防止膜６８としては、例えばＰ
−ＳｉＯＮ，ＴｉＮ，Ｔｉ，ＴｉＮ／Ｔｉ，Ｓｉ，Ｓｉ
／ＴｉＮ，Ｐ−ＳｉＯＮ／ＴｉＮ，ＯＸ（酸化物）／Ｔ
ｉＮ等が使用できるが、これに限定されることなく他の
材料であっても同様に使用できる。さらに、反射防止膜
６８上には、有機材料からなるフォトレジスト７０が形
成されている。

【００２８】なお、図３において、選択比はフォトレジ
スト７０の厚さＡ方向のエッチング速度に対するタング
ステン膜６６のエッチング速度の比をいい、本願におけ
る形状コントロール性は、エッチングにより形成された
パターンの幅Ｂに関するファクターである。

【００２９】次に、実施例に基づいて、本発明をさらに
詳細に説明する。

【実施例】図１に示したプラズマエッチング装置におい
て、反応容器１２内にシリコンウェハＷを静電チャック
２０によりサセプタ１８上に載置した後、反応容器１２
内を真空ポンプにより例えば１０ｍＴｏｒｒ程度に減圧
する。一方、ＳＦ₆ガス供給源４０、Ｎ₂ガス供給源４２
及びフッ素含有炭化水素ガス供給源４４からのＳＦ₆ガ
ス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有炭化水素ガスを、バルブ制
御手段５１に制御されたガス流量調節バルブ４６，４
８，５０によって、それぞれのガス流量を調節してガス
混合室３８に導入し、所定の割合に混合する。混合され
た反応性ガスをガス供給口２４から反応容器１２内に供
給し、高周波バイアス電源２２を介して容器側壁１４に
対して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波バイアス電圧を
印加すると共に、コイルアンテナ２８により蓋体１６を
介して反応容器１２の内部に電磁界を誘起してプラズマ
を発生させ、高密度で維持する。

【００３０】反応性ガスは、フッ素含有炭化水素ガスを
混合せずにＳＦ₆ガス及びＮ₂ガスからなる場合には、Ｓ
Ｆ₆ガスをガス流量４０ｓｃｃｍ（全量に対して８０
％）、Ｎ₂ガスを１０ｓｃｃｍ（２０％）とした。一
方、フッ素含有炭化水素ガスとしてＣＦ₄を混合した場
合には、ＳＦ₆ガスを４０ｓｃｃｍ（５７．１％）、Ｎ₂
ガスを１０ｓｃｃｍ（１４．３％）、ＣＦ₄を２０ｓｃ
ｃｍ（２８．６％）とした。これらの反応性ガスを用い
てシリコンウェハＷをエッチングした場合の結果を、図
４に示す。

【００３１】図４は、シリコンウェハＷのエッチングパ
ターンの断面形状を示す顕微鏡写真をトレースした図で
あり、同図（ａ）はフッ素含有炭化水素ガスを含有しな
い場合におけるシリコンウェハＷの中心部のエッチング
パターンであり、同図（ｂ）はフッ素含有炭化水素ガス
を含有しない場合におけるシリコンウェハＷの周辺部の
エッチングパターンをそれぞれ示している。同図（ａ）
及び（ｂ）では、同一のシリコンウェハＷを用いた結果
である。

【００３２】また、図４（ｃ）は、フッ素含有炭化水素
ガスを含有した場合におけるシリコンウェハＷの中心部
のエッチングパターンであり、同図（ｄ）はフッ素含有
炭化水素ガスを含有した場合におけるシリコンウェハＷ
の周辺部のエッチングパターンをそれぞれ示している。
同図（ｃ）及び（ｄ）では、同一のシリコンウェハＷを
用いた結果である。エッチング処理前におけるシリコン
ウェハＷは、下地６０上にＳｉＯ₂膜６２が形成され、
その上にバリアメタル６４としてＴｉが３００オングス
トローム、ＴｉＮが７００オングストローム形成されて
いる。さらに、バリアメタル６４上にタングステン膜６
６が３５００オングストロームの厚さで形成され、その
上に反射防止膜６８としてＳｉＯＮが３００オングスト
ロームの厚さで形成され、その上にフォトレジスト７０
が１．２μｍ（１２０００オングストローム）の厚さで
形成されている。

【００３３】図４（ａ）と同図（ｃ）を比較すると、フ
ォトレジスト７０の厚さは、同図（ａ）では８１６０オ
ングストローム、同図（ｃ）では８４２０オングストロ
ームであり、フッ素含有炭化水素ガスを添加した同図
（ｃ）の場合の方が２６０オングストローム厚さが厚か
った。図４（ａ）及び（ｂ）と図４（ｃ）及び（ｄ）と
を比較すると、図３におけるパターンの幅Ｂは、各図に
ついて、図４（ａ）：４１２０オングストローム、図４
（ｂ）：４０６０オングストローム、図４（ｃ）：４１
４０オングストローム、図４（ｄ）：４１２０オングス
トロームであり、図４（ｃ）、及び（ｄ）の方が良好な
形状コントロール性が得られた。また、選択比及びエッ
チングレートも共に、良好な結果が得られた。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被処理基体のプラズマエッチングに使用する反応性ガス
としてＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有炭化水素ガス
からなる混合ガスを所定の混合割合としたので、従来、
両立が困難であった選択比及びエッチングレートと、形
状コントロール性とを同時に改善することができる。従
って、被処理基体を常温程度の温度範囲で処理すること
が可能となり、被処理基体を低温に維持する装置が不要
となることから、エッチング装置の制御性及びメンテナ
ンス性を向上させることができ、さらに、半導体装置製
造の生産性も向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を説明するためのプラズマ
エッチング装置を示す概略断面図である。

【図２】エッチング処理されるシリコンウェハの処理前
における概略図である。

【図３】エッチング処理されるシリコンウェハの処理後
における概略図である。

【図４】シリコンウェハのエッチングパターンの断面形
状を示す顕微鏡写真をトレースした図であり、（ａ）は
フッ素含有炭化水素ガスを含有しない場合におけるシリ
コンウェハの中心部のエッチングパターン、（ｂ）はフ
ッ素含有炭化水素ガスを含有しない場合におけるシリコ
ンウェハの周辺部のエッチングパターン、（ｃ）は、フ
ッ素含有炭化水素ガスを含有した場合におけるシリコン
ウェハの中心部のエッチングパターン、（ｄ）はフッ素
含有炭化水素ガスを含有した場合におけるシリコンウェ
ハの周辺部のエッチングパターンをそれぞれ示してい
る。

【符号の説明】

１０…プラズマエッチング装置、１２…反応容器、１４
…容器側壁、１６…蓋体、１８…サセプタ、２０…静電
チャック、２２…高周波バイアス電源、２４…ガス供給
口、２６…排気口、２８…コイルアンテナ、３０…整合
器、３２…高周波電源、３４…シールド、３６…配管、
３８…ガス混合室、４０…ＳＦ₆ガス供給源、４２…Ｎ₂
ガス供給源、４４…フッ素含有炭化水素ガス供給源、４
６，４８，５０…ガス流量調節バルブ、５１…バルブ制
御手段、６０…下地、６２…ＳｉＯ₂膜、６４…バリア
メタル、６６…タングステン膜、６８…反射防止膜、７
０…フォトレジスト、Ｗ…シリコンウェハ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者朴世烈千葉県成田市新泉14−３野毛平工業団地内アプライドマテリアルズジャパン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内に設置されたサセプタに、高
融点金属膜が形成された被処理基体を配置し、前記反応容器内を所定の圧力に減圧し、前記反応容器内に反応性ガスを供給すると共に、前記反
応容器内にプラズマを形成して、前記高融点金属膜をエ
ッチングするドライエッチング方法であって、前記反応性ガスは、ＳＦ₆ガス、Ｎ₂ガス及びフッ素含有
炭化水素ガスからなることを特徴とする高融点金属膜の
ドライエッチング方法。
【請求項２】前記反応性ガスは、Ｎ₂ガス５％〜１５
％、フッ素含有炭化水素ガス２０％〜４０％及び残部Ｓ
Ｆ₆ガスからなることを特徴とする請求項１に記載の高
融点金属膜のドライエッチング方法。
【請求項３】前記フッ素含有炭化水素ガスは、ＣＦ₄
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高融点
金属膜のドライエッチング方法。
【請求項４】前記フッ素含有炭化水素ガスは、ＣＨＦ
₃であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高融
点金属膜のドライエッチング方法。
【請求項５】前記フッ素含有炭化水素ガスは、ＣＨ₂
Ｆ₂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高
融点金属膜のドライエッチング方法。
【請求項６】前記フッ素含有炭化水素ガスは、ＣＨ₃
Ｆであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高融
点金属膜のドライエッチング方法。
【請求項７】前記フッ素含有炭化水素ガスは、Ｃ₂Ｆ₆
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高融点
金属膜のドライエッチング方法。
【請求項８】前記高融点金属膜は、タングステン膜で
あることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記
載の高融点金属膜のドライエッチング方法。