JPS59229821A - アルミニウム及びアルミニウム合金のプラズマ反応性イオンエツチング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置の製造に関するものであり、特に
は純アルミニウム並びに珪素及び（或いは）銅を含有す
るアルミニウム合金を、エッチマスク、珪素或いは酸化
珪素の存在下で、選択的反応性イオンエツチングと呼ば
れるプラズマエツチングを行なう技術に関するものであ
る。

半導体装置及び関連薄膜回路の製造は通常装置を構成す
る特定層のエツチングを必要とする。代表的に、エッチ
されるべき領域はホＦレジストのような材料によりマス
クされる。マスクは成る線や帯域パターンを形成しそし
てエッチされるべき層を露出せしめる。初期の方法にお
いて、エツチングは、代表的に酸化性鉱酸であるエツチ
ング剤を露出表面と接触させる化学的なウェット法によ
り実施されていた。

最近になって、アルミニウムメタラジング層をエツチン
グするのに、ウェット法の所望されざる作用の幾つかを
排除するガスプラズマ、特に飽和ハルカーボン系列から
選択される塩素を基とするガスが使用された。しかし、
両方法において、エツチングは基本的に等方性である。

追加的に、従来からのプラズマは、銅を含有するアルミ
ニウムの二元乃至三元合金をエツチングした扱銅残渣を
完全に除来しえなかった。等方性エツチングの場合には
、あらゆる方向に一様な速度でエツチングが進行する。

エッチされるべき表面が除去されるにつれ、エツチング
作用は表面に垂直にのみならず、エツチングにより創出
された凹所の縁辺に対して水平にも生じる。その結果、
エッチされるべき帯域はアンダカットを受ける。即ち、
材料はホトレジストマスクにおける開口の縁辺と整列し
て垂直にエツチングされるだけでなく、ホトレジストマ
スクの下側をえぐって拡大してエツチングされる。代表
的に、このアンダカットは垂直エツチングと実質同程度
まで水平に拡がる。

半導体装置の小型化への傾向が絖くにつれ、パターンの
ミクロン及びサプミク四ン寸法への縮小化が必要となっ
た。これは、エツチング輪郭に厳しい制約を課し、アン
ダカットを実質上排除することを要求する。一般に反応
性イオンエツチング（ＲＩＥ）と呼ばれるプラズマエツ
チングの一方式は等方性エツチングを抑制する指向的作
用の姑果として異方性エツチングを生み出す。反応性イ
オンエツチングは、付勢イオンにより達成される物理的
な運動エネルギー伝達カスケード相互作用（スパッタエ
ツチング）と、高反応性中性原子或いは遊離ラジカルに
より行なわれる従来からのプラズマエツチングに通常観
察される化学的反応とを組合せるものである。付勢イオ
ンはウェハに隣りあうプラズマ暗空間を横切ってウェハ
表面に垂直な方向に加速される。反応性イオンエツチン
グ中使用される、数ミクｐンＨｇ〜１００ミクロンＨＨ
の範囲内の比較的低い圧力はウェハ表面上へ垂直のイオ
ンの衝突前の互同志の散乱的衝突を実質上排除する。こ
れは、ＲＩＥのスパッタエツチング作用成分が異方性で
あることを保証し、それによりエツチング操作に先立っ
てレジスト縁辺により輪郭づけられる面に整合した面に
おいて垂直エッチ壁を創出する。

９Ｆグラフイー技術が改善されるにつれ、ホトレジスト
像におけるミクロン及びサブミクｐン寸法の線パターン
が可能となった。様々の基板上でこれらパターンを有効
にエッチする為には、信頼性のあるそして再現性のある
異方性エツチングが必要である。液体薬剤を使用するウ
ェット法ではもはやこれら微細寸法において有効にエツ
チングを為しえない。更に一段と小さな寸法の線巾及び
間隔への要求に伴い、アンダカットから生じる管理、及
び再現性の欠除は等方性エツチングを許容しえないもの
とした。

現在のドライプラズマ化学エツチング及び反応性イオン
エツチング技術は、従来からの塩素含有プラズマを使用
している。三塩化硼素／塩素二元混合物を含有するこれ
らプラズマは異方性エツチング中°グらしうるが、それ
らはＡｌ−Ｃｕ或いはＡＩ　−８１−Ｃｕ皮膜のパター
ン加工に適用される時非揮発性Ｓｉ及びＣｕ−含有化合
一の残渣を残す。

これら非揮発物はきわめてＦＪ＆湿性であり、パターン
加工金属の苛酷なそして急速なエツチング後腐食を惹起
する状態を生ずる。この銅に富む残液はまた電導性のこ
ともあり、短絡した装置を発生する可能性がある。

大規模集積シリコン回路（ＶＬＳ　Ｉ　’）と関連する
また別の問題は、メタライジングされた相互連結部及び
下側層両方の保存の為エツチング中充分の線寸法制御を
与えるべく、下側のｓｔ、ｓｔｏ！或いはホトレジスト
エッチマスクのエツチング速度に対してアルミニウムメ
タライジング層のエツチング速度に至当に高い選択性が
存在することが所望されることである。

従って、本発明の主たる目的は、半導体作製に利用の為
のプラズマ反応性イオンエツチング技術であって、きわ
めて効率的なアルミニウムメタライジング膜のエツチン
グが高度の選択性、清浄性及び寸法コン）０−ルでもっ
て行なわれ、そしてメタライジング膜中にエッチされた
図形にお１する実質上垂直な輪郭を与える為高度に異方
性のエツチングが行なわれるエツチング技術を提供する
こトチアル。この場合、除去プ田セスは主に物理的及び
化学的相互作用に依存し、エッチされた領域からの非揮
発性物質（例えば銅）の完全除去を保証し、それにより
爾後の湿式化学的処理の必要性を排除する。

後述すれば、本発明においては、ガスプラズマは実質上
ＲＦ−放電三塩化硼素（ＢＣＩ、）、塩素（ｃｘ＊）、
四弗化珪素（ＳｉＦ、）及び酸素（０，）の四元混合物
から成り、この場合ＢＣＩ、は４０〜６５容積％を占め
、ＣＩ、は１５〜３０容積％を占め、５ＩＦ４は１０〜
２５容積％を占めそして０！は２〜５容積％を占める。

このガス混合物は、純アルミニウム並びに２重量％Ｓｉ
或いは２重量％５１及び４重量％Ｃｕを含有するアルミ
ニウム合金メタライジング層のきわめて効率的な、制御
されたそして清浄な異方性エツチングを与える為に比較
的・低圧、代表的に１〜６０ミクシンＨｇにおいて使用
される。ＣＩ！プラズマ分解生成物がアルミニウムメタ
ライジング層をエツチングする為の働きを為すものであ
るが、エツチング混合物への酸素の添加は気相中での羊
れらの有効濃度を向上するのに必要であ゛す、それによ
り一層高い平均金属エツチング速度をもたらす。これら
高いエツチング速度はＣ１ｔ流量或いは分圧を増大する
ことによりもたらされるのではな（、従って一般に見ら
れるエッチされたチャネルのテーバ化やホトレジストア
ンダカットを伴わない。

エツチング混合物への８ｉＦ４の添加はアルミニウムの
二元及び三元合金のエツチング中Ｓｉ残渣の有効除去に
効力のある活性弗素含有遊離ラジカルを生成する。また
、これら弗素含有ラジカルは銅合金化アルミニウムの下
側にあるペース層から銅残渣を有効に飛散除去するよう
に思われる。更には、エツチング中その場でのホトレジ
スト不動態化を提供し、それによりアルミニウムエツチ
ング中一般に観測されるレジスト侵食速度を実質上域す
る。後者の利点は実際上、大気への露呈に際してのアル
ミニウム腐食の抑制の為同様のエツチング後レジスト処
理の必要性を排除する。

本方法は、Ｓｉ、ＳｉＯ，及び一般のポジのレジストエ
ッチマスクに対して高度に選択性である。本方法は、サ
ブミクロンから数ミクｐン（代表的に１〜４ミクνン）
の範囲内の図形に対して実質上型直なエツチング輪郭を
創出する。このエッチング技術は半導体装置の加工の為
のバッチシステム及び連続システム両方を使用して実施
されうる。

様々のガス成分の％についての上記制限は４成分ガス混
合物を使用しての最適エツチング性能からの許容巾と関
係する。例えば、他のすべてのパラメータを最適値に維
持してＢＣＩ、流量の増加は一般にメタライジング層に
対する平均エツチング速度を減じそしてレジスト侵食速
度を幾分増大する。

Ｃ１２の流量の増加は、メタライジング層に対する平均
エツチング速度を増大するが、レジスト侵食速度を増加
し、異方性を減じ、線巾損失を増加し、そしてベース層
清浄性を減じる。ＳｉＦ４流量の増加は、一般に、メタ
ライジング層に対する平均エツチング速度を減じるが、
レジスト侵食速度は減少し、異方性は向上し、線巾損失
は減少し、そしてベース層の全体的清浄性は向上する。

その他の点では一定のそして最適のパラメータ値に対し
て０２流量を増加することは、メタライジング層に対す
る平均エツチング速度を向上するけれども、レジスト侵
食速度を増大し、異方性を減少し、線巾損失を増加しそ
してベース層の全体的清浄性を減じる。

エツチング解像度スと競合する有害な重合化反応は実際
上排除される。気相エツチング混合物中の炭素含有試薬
を排除したことによりエッチされるべき加工材上に所望
されざるマスクとして作用する恐れのある有機層の付着
も生じない。

本発明の実施において使用するに適当な装置は例えば米
国特許第４，２９８，４４３号に記述されているが、そ
こに示される幾何学的形態により制限されるものでない
。例えば、円筒室の代りに４側壁室のような導通性多角
形室内に多面形カソードが位置決めされうる。

操作において、代表的に熱的に成長せしめられた酸化珪
素或いは化学的蒸着燐珪酸塩ガラスいずれかの下層を具
備する、被エツチ基板は、純アルミニウム或いは珪素及
び（或いは）銅を含むアルミニウム合金メタライジング
膜からなるポジホトレジストパターン層で上被され、そ
して４０〜５０℃に維持されている温度制御多面形カソ
ード上に置かれそして容量性結合を介してＲＦ電源に接
続される。カソードを収納する包囲室は一般に接地電位
に維持される。反応室は、クリオゲンポンプ及びターボ
分子ポンプの助けでもって約１０−４トルの基準圧力ま
で排気され、この時点で四元エツチング剤ガス混合物が
導入される。エツチング癲スの通常１〜６０ミク四ンＨ
ｇの範囲の適当な圧力が得られる時、ＲＦ放電が開始さ
れそしてエツチング反応が開始されそして進行せしめら
れる。

反応終了のエツチング終点は、目視的に或いはレーザイ
ンター７エロメトリによって或いは固有の化学ルミネッ
センス発光により決定されうる。金属乃至非金属残渣の
完全な除去を保証する為に、放電がオーバエツチング期
間と一般に呼ゆれる指定期間この終点を越えて継続せし
められる。これが達成されると、放電及びガス流れが停
止されそして装置系は基準圧力まで排気される。

ウェハ取出後、エツチング前に線巾及び間隔を測定して
おいた装置パターンが、エツチング中の寸法’１Ｋ　化
を見るためホトレジストの除去後再検査された。これら
比較測定値は本方法を使用して達成しえたエツチング解
像度に閃するデータを与える。別の実験において、エツ
チング後但しホトレジスト除去前に、エツチング輪郭が
、サンプルを分断しそしてそれを走査型電子顕微鏡で調
べることにより検査された。電子顕微鏡及び付属Ｘ線散
乱補助機器がベース層の清浄性の精査の為使用された。

後者の目的に対して、２　Ｑ、０００〜５５．０００Ｘ
の範囲の全体倍率が使用された。

純アルミニウム アルミニウムー珪素（２％） アルミニウムー珪素（２％）−ｇＭ（４％）表は上記四
元ガス混合物を使用して得られた、エッチレグ結果を表
す。例示されるように、珪素含有或いは珪素及び銅含有
アルミニウム合金に対しては約８００〜１５００人／分
の平均エツチング速度範囲が観測され、他方純アルミニ
ウムに対しては７００〜２２００人／分の平均エツチン
グ速度が観測された。２〜５．５の範囲のメタライジン
グ層対ホトレジスト（８ｈｉｐｌｅｙ邸１４７０　）の
対応するエツチング速度選択率が記録された。

全圧の増加（その他のパラメータは最適値一定として）
は、一般に、メタライジング層に対する平均エツチング
速度を向上し、他方異方性及びベース層の全体的清浄性
と同じく、ホトレジストに関しての選択性を悪くする。

ＲＦ電力の増大は代表的に、メタライジング層のエツチ
ング速度に対してレジスト侵食速度を増大し、その結果
選択性の悪化と線巾損失の増大をもたらす。この作用は
また、ウェハを支詩する多面電極へのＤＣ偏倚電圧の増
大中にも見られる。

エツチングは、レジストエッチマスク及び清浄なベース
層とするに要するオーバエツチング量に敏感に依存して
、０．２〜α４ミクリン線巾損失でもって実質上垂直の
（即ち異方性の）エッチ後輪郭を創生ずる。代表的に、
２％Ｂ量及び４％Ｃｍ（重量）を含有する二元Ａ１合金
を使用した場合一層長いオーバエッチ期間が使用される
。

以下は、米国特許第４．２９８．４４３号に記載された
のと同様の反応器装置を使用して満足すべき結果を与え
た条件及び物質の特定例である。

■ユ エッチされるべき材料はスパッタされた純アルミニウム
である。四元ガス混合物の相対比率は、ＢＣＩ、−６１
％、ＣＩ、１９％、ＳｉＦ４１７％及び０、−５％であ
った。分圧は、μＨ１で表わして、ＢＣＩ、に対して２
６．８、Ｃｔ、に対して８．６　、Ｓ　Ｉ　Ｆ。

に対して７．３そして０！に対して１２７であった。

１０６０ＷのＲＦ電力を使用して、金属は７１０人／分
でエッチされそしてレジストエッチ速度は２２３λ／分
であった。生成ベース層は清浄であった。

性ス エッチされるべき材料は、アルミニウム及び珪素（２％
）の電子ビーム蒸着合金である。四元ガス混合物の相対
比率は、ＢＣＩ、−６４％、ＣＩ、−１７％、５ｉＦ４
−１５％及び０□−４爬あった。分圧は、μＨＩ９で表
わして、ＢＣＩｓに対して２９．１、ＣＩ。

に対して７６、Ｓ　ｉ　Ｆ４に対して６．８そして０２
に対してｔ７であった。１（１６０ＷのＲＦ電力を使用
して、金属は１１６６λ／分でエッチされそしてレジス
トエッチ速度は４６４λ／分であった。

生成ベース層は清浄であった。

例Ｓ ・エッチされるべき材料は、アルミニウム及び珪素（２
％）のスパッタされた合金である。四元ガス混合物の相
対比率は、ＢＣｌ、−６１％、ＣＩ、−１９％、８ｉＦ
４−１７％及び０３−３％であった。分圧は、μＨｇ　
で表わして、ＢＣｌ畠に対して２６８、ｃｉ、に対しｒ
８．５、ＳｉＦ、Ｇｉ：対し、ｒＺ３そして０！に対し
て１５０であった。１０６０ＷのＲＦ電力を使用して、
金属は７８２大／分でエッチされそしてレジストエッチ
速度は２９１λ／分であった。生成ベース層は清浄であ
った。

例４ エッチされるべき材料は、アルミニウムー珪素（２％）
−＃１（４％ンのスパッタされた合金であるｏＶＥ元ガ
ス混合物の相対比率は、ＢＣＩ、−５８％、ＣＩ、−１
８％、ＳｉＦ、−２１％及び０．−５％であった。

分圧は、ｐＨＩＩ　で表わして、ＢＣＩ、に対して１　
ａＰ。

ＣＩ、に対して６０６．８１　Ｆ４に対して＆８そして
Ｏ３に対して０．８６であった。１０６０ＷのＲＦ電力
を使用して、金属は７０１人／分でエッチされそしてレ
ジストエッチ速度は５０１人／分であった。生成ベース
層は清浄であった。

本発明を多面形カソードを使用する特定型式の装置と関
連して記載したけれども、市販品を含めて様々の反応器
がここに蒔示された４成分エツチング混合ガスを使用し
て満足に使用されうることを理解されたい。反応性イオ
ンビームエツチング或いは反応性イオンミリングのよう
な物理的作用を主体とするエツチングを含めて様々のエ
ツチング様式が本４成分混合ガスを使用して達成しうる
。

手続補正書 昭和５９年６月２１日 特許庁長官　志　賀　　　学　殿 事件の表示　昭和５９年特　願力　５２４４４　　号補
正をする者 事件との関係　　　　　　　　　　　特許出願人名称エ
ルエフイー・コーポレイション 代理人 、Ｉ−・甲トｔ 補正の対象 一目 明細書の発明１４Ｊ−特許請求の範囲づ胡胛呵割即汀猪
叫の欄補正の内容　　別紙の通り 特願昭５９−５２４４４号明細書特許請求の範囲を以下
の通り補正します。

「２．特　請、の １）反応室内でエッチマスクの存在下でアルミニウム及
びアルミニウム合金の薄膜の選択性反応性イオンエツチ
ング方法であって、 前記反応室内の前記アルミニウム及びアルミニウム合金
薄膜を、主成分としての三塩化硼素（ＢＣＩ、）と、副
成分としての塩素＜ｃｌｔ　）、四弗化珪素（８１Ｆ４
）及び酸素（Ｏ７）との四元混合物から実質成るエツチ
ング用ガスプラズマに露呈し、その場合混合物を基礎と
してＢＣＩ、　　が４０〜６５容檀％を構成し、ＣＩ、
が１５〜３０容積％を構成し、８ｉＦ、が１０〜２５容
檀％を構成し、そして０．が２〜５容積−を構成するこ
とを特徴とする反応性イオンエツチング方法。

２）ガスプラズマが１０〜６０　ｐＨｇの範囲の圧力に
ある特許請求の範囲第１項記載の方法。

５）エツチングガスが１０〜６０μＨｇの圧力にありそ
してＲＦ電力が電力密度Ｃ１当りα０７５〜ＣＬ１８８
Ｗの範囲の割合でガスプラズマに供給される特許請求の
範囲第１項記載の方法。

リ　薄膜がスパッタされた金属アルミニウムであり、ガ
スプラズマが実質上６１容積％ＢＣ１，，１９容積％Ｃ
１，，１７容積％８１Ｆ４及び３容積％０．から成る特
許請求の範囲第１項記載の方法０５）薄膜が電子ビーム
蒸着アルミニウムー珪素合金でありそしてプラズマガス
が実質上６４容４１％ＢＣＩい１７容積％Ｃ１！、１５
容檀％５ＩＦ４及び４容積％０！から成る特許請求の範
ｉｌｌ第１項記載の方法。

６）薄膜がスパッタされたアルミニウムー珪素合金であ
りそしてプラズマガスが実質上６１容檀％ＢＣＩｓ、　
１９容積％０１．．１７容槓％ＳｉＦ、及び６容積％Ｏ
３から成る特許請求の範囲第１２項記戦の方法。

７）薄Ｍｌがスパッタされたアルミニウムー珪素−銅合
金でありそしてプラズマガスが実質上５８容積％ＢＣＩ
、、土工容積％Ｃ１！、　２１容積％ＳｉＦ、及び５容
積％０宜から成る特許請求の範囲第１項記載の方法。

８）純アルミニウム及びアルミニウム合金の薄膜の選択
性反応性イオンエツチングの為のガス混合物であって、 主成分としての三塩化硼素（ＢＣＩ、　）　　と、副成
分としての塩素（ＣＩ！　）、四弗化珪素（ｓｉＦ、）
　　及び酸素（０，）との四元混合物から実質成り、そ
の場合混合物を基礎としてＢＣＩ、が４０〜６５容檀％
を構成し、ＣＩ、が１５〜３０容積％を構成し、ＳｉＦ
、が１０〜２５容積外を構成し、そして０．が２〜５容
積％を構成することを特徴とする反応性イオンエツチン
グ用ガス混合物。」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）反応室内でエッチマスクの存在下でアルミニウム及
   びアルミニウム合金の薄膜の選択性反応性イオンエツチ
   ング方法であって、 前記反応室内の前記アルミニウム及びアルミニウム合金
   薄膜を、主成分としての三塩化硼素（ＢＣｌ２）と：、
   副成分としての塩素（Ｃｔｔ）、四弗化珪素（ＳｉＦ４
   ）及び酸素（０□）との四元混合物から実質酸るエツチ
   ング用ガスプラズマに露呈し、その場合混合物を基礎と
   してＢＣ１３が４０〜６５容積％を構成し、Ｃ１２が１
   ５〜３０容積％を構成し、３ｉＦ４が１０〜２５容積％
   を構成し、そして０．が２〜５容積％を構成することを
   特徴とする反応性イオンエツチング方法。 ２）ガスプラズマが１０〜６０μＨｇの範囲の圧力にあ
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３）エツチングガスが１０〜６０μＨｇの圧力にありそ
   してＲＦ電力が電力密度ｃｒｎ！当り［１０７５〜０．
   １８８Ｗの範囲の割合でガスプラズマに供給される特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ４）薄膜がスパッタされた金属アルミニウムであり、ガ
   スプラズマが実質上６１容積％ＢＣｌ３．１９容積％Ｃ
   Ｉ、、１７容積％ＳｉＦ、及び３容積％０、から成る特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ５）薄膜が電子ビーム蒸着アルミニウムー珪素合金であ
   りそしてプラズマガスが実質上６４容積％ＢＣＩ、、１
   ７容積％Ｃ１，，１５容積％ＳｉＦ４及び４容積％０２
   から成る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６）薄膜がスパッタされたアルミニウムー珪素合金であ
   りそしてプラズマガスが実質上６１容積％ＢＣＩ、、１
   ９容積％ＣＩ、、１７容積％ＳｉＦ４及び３容積％０！
   から成る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ７）薄膜がスパッタされたアルミニウムー珪素−銅合金
   でありそしてプラズマガスが実質上５８容Ｍ１％ＢＣ１
   ，，１５容積％ＣＩ、、２１容積％ＳｉＦ４及び３容積
   ％０．から成る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ８）純アルミニウム及びアルミニウム合金の薄膜の選択
   性反応性イオンエツチングの為のガス混合瞼であって、 主成分としての三塩化硼素（ｎｃｌｍ）と、副成分とし
   ての塩素（Ｃｔｔ）、四弗化珪素（ｓｉｐ、）及び酸２
   （０１）との四元混合物から実質成り、その場合混合物
   を基礎としてＢＣＩｍが４０〜６５容積％を構成し、Ｃ
   １ｚが１５〜３０容積％を構成し、ＳｉＦ４が１０〜２
   ５容積％を構成し、そしてＯｌが２〜５容積％を構成す
   ることを特徴とする反応性イオンエツチング用ガス混合
   物。