JPS5932126A - 半導体装置の製造方法 - 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、テーパー状の側面形状を有する電極・配線を
備えて構成された半導体装置の製造方法に関するもので
ある。

従来、高密度化した半導体集積回路の電極・配線の形成
には、反応性ガスにより形成されたガス・プラズマ中で
電極・配線用材料をエツチングする方法が広く用いられ
てきた。−例として、高融点金属のＭＯを利料に用いて
配線を形成する場合を取り」二げ、それを用いた半導体
集積回路（半導体装置）の製造工程の一部を取り出して
図面で説明する。

第１図（ａ）〜（Ｃ）は上記従来の半導体装置の配線の
製造工程説明図である。まず、同図（ａ）に示すように
、種々の工程を用いて半導体基板上に素子等を形成（図
は省略）した後、この上に配線を形成するために必要な
層間絶縁用ｓｉｏ、、膜１の形成を完了した時点より説
明を開始するものとする。次に、同図（１））に示すよ
うに、配線用のＭＯ薄膜２をスパッタ法または電子ビー
ム蒸着法で堆積させる。その上にレジストを塗布した後
、特定のパターンを描いたマスクを用いて露光、現像等
を行ない、レジスト・パターン６を形成する。次に同図
（Ｃ）に示すように、例えばアノード結合方式の平行平
板電極型プラズマ・エツチング法を用いてＣＣｔ４トＯ
２の混合ガス・プラズマ中でＭｏ薄膜２をエソチンクシ
テ、Ｍｏ配線４を形成する。その後、プラズマ・アノシ
ャーを用いてレジスト・パターン３を除去することによ
りＭｏ配線のパターンが出き上る。

このようにして形成したＭｏ配ａ４のパターンの側面形
状は、平行平板電極型プラズマ・エツチング法の特徴に
より、下地の層間絶縁用ＳｉＯ２膜１の表面に対して、
はぼ垂直で直線状となる。なおかつ、サイド・エツチン
グが少ないため、レジスト・パターンに対する寸法変化
も小さい。これらの形状の特性は、高精度のバターニン
グを要する微細化した電極・配線の形成に有効である。

しかし、さらにこのＭｏ配線の」二に第２の層間絶縁膜
を形成し、その上にＡ４等からなる第２層目配線を形成
した場合には、Ｍｏ配線の側面で生ずる急峻な段差形状
が第２の層間絶縁膜表面にも反映し、従ってこの段差部
分で、第２層目配線も十分な膜厚を保持できずに断線も
しくはそれに至らすとも膜厚が減少したことによる□抵
抗増大を生じ易くなるという欠点を生ずる。

このような欠点を解決するためには、Ｍｏ配線の側面を
テーパー状にエツチングするのが最も効果的である。

第２図（ａ）、　（ｂ）は上記テーパー・エッチ法の一
例を示した工程説明図である。まず、同図（ａ）に示す
ように、層間絶縁用５ｉｏ２膜１の上にＭｏ薄膜２を堆
積させ、さらにその上に露光条件の制御により側面にテ
ーパーを伺けたレジスト・パターン６′を形成する。次
に同図（ｂ）に示すように、イオン・エツチング法によ
りＭＯ薄膜２をエツチングして、テーパー状Ｍｏ配線５
を形成する。このとき、側面にテーパーを付けたレジス
ト・パターン６′も工゛ノチングされて、はぼその傾斜
角を保持したまま細ったレジスト・パターン６となる。

ただし、エツチング前のレジストパターンの側面にテー
ノぐ−が無い場合には、このようにレジスト・パターン
が細まることは無い。このエツチング法は、ＭＯ薄膜の
エツチングに伴ってレジスト・パターン白身もエツチン
グされて細まることを利用し、Ｍ。

配線のテーパー形状を得るものである。

しかし、このような方法で形成したＭｏ配線でハ、側面
がテーパー状になるものの、エツチング後の配Ｉｆｌ　
幅Ｗ　２はエツチング前のレジスト・パターン幅Ｗ１に
比較して狭くなるという欠点がある。

この配線幅の減少量を精度よく制御するのは困難であり
、また配線パターン設計時にこの減少量を見込んだ余裕
度を持たせることは、配線の高密度化を妨げる。さらに
、テーパー状Ｍｏ配線に所望の傾斜角を持たせるために
は、エツチング前のレジスト・パターンにも所望の傾斜
角を付ける必要があるが、この制御を高精度に行なうの
は難しい。

従って、このようなエツチング法は高い加工精度を要す
る高密度配線の形成には不適当である。

」二記の欠点を解消するために、本願の発明者らは、先
に、含有する酸素の濃度の異なる同一金属の少なくとも
２つの層の積層した膜を用いて電極・配線を形成し、そ
の電極・配線の側面の加工形状を制御する製造方法を提
案した（特願昭５７−８１５７６号）。

本発明は、上記先願発明の製造工程をさらに簡略化した
もので、酸素を含有する金属膜を用いて電極・配線を構
成し、その金属膜中の酸素濃度分布が熱処理により深さ
方向で不均一になることを利用して、電極・配線の側面
の加工形状を制御するものである。

以下、本発明を実施例によって詳細に説明する９゜第３
図（ａ）〜（ｅ）は本発明によるＭＯを電極・配線とし
て用いる半導体装置の製造工程説明図で、工程要所にお
ける半導体装置の要部の断面形状を示している。同図（
ａ）に示すように、半導体基板上に層間絶縁用ＳｉＯ２
膜１の形成を完了した時点より説明を開始するものとす
る。次に、同図（１））に示すように、この層間絶縁用
５ｉｎ２膜１の上に電極・配線用の導電性金属膜７を堆
積するが、本発明では、この工程が従来工程と異なる。

すなわち、従来は、スパッタ法または電子ビーム蒸着法
を用いて可能な限り不純物を含まないＭｏ膜を堆積させ
た。到達圧力が１Ｏ−７Ｔｏｒｒオ一ダー程度の通常の
スパッタ装置または電子ビーム蒸着装置を用いた場合に
は、この工程でＭｏｆｉ中に含有されるｍ窓の濃度は数
ａｔｏｍｉｃ％程度である。従来工程では、この後ひき
続いてＭｏ膜上に直接ホト・レジスト２９　（７）マス
ク材料を塗布し、レジストパターンヲ形成して、Ｍｏ膜
の食刻を行なう。そして、Ｍｏ膜のパターニングを完了
した後に、１ｏｏｏ℃程度ノ高温熱処理を含む工程へと
進む。しかし、本発明によれば、第６図（１））に示す
ように、まず層間絶縁用５１０２膜１の上に反応性スパ
ッタ法を用いて膜厚、’＋３００　Ａ　、　　２８　ａ
ｔｏＩｎｌｃ％の酸素を含有するＭｏ膜（金属膜７）を
堆積させる。この時、スパッタ・ガスヨしては、Ａ、ｒ
（分圧７．５　Ｘ　１０−ｓＴｏｒｒ　）と０２（分圧
２．　ＯＸ　１０−’Ｔｏｒｒ　）の混合ガスを用い、
ターゲットには高純度ＭＯを用いる。次に第３図（Ｃ）
に示すように、レジスト塗布工程に先立ち、Ｎ２ガス中
で１０００℃の高温熱処理を行ない、酸素を含有するＭ
ｏ膜（金属膜７）を変成させて、不均一酸素濃度分布を
有するＭｏ膜８を形成する。

この後は、従来の工程と同様に第６図（ｄ）に示すよう
に、レジスト・パターンろを形成する。その後、第６図
（ｅ）に示すように、アノード結合方式の平行平板電極
型プラズマ・エツチング法を用いて、ＣＣｔ４ト０２の
混合ガス中で、ＣＣｔ４ガスの流量１５　ｓｃｃ／ｍｉ
ｎ　、　０２ガスの流量３５　ｓｃｃ／ｍｉｎ　、圧力
０．２Ｔｏｒｒの条件下でグロー放電を形成し、これに
試料を曝して不均−酸累濃度分布を有するＭｏ膜８を蝕
刻する。そして、テーパー状の側面形状を有するＭｏ配
線９を形成する。

このｊうにして形成したＭｏ配線では、第１の特徴とし
て、Ｍｏ配線の上部領域（Ｍｏ膜中の比較的膜表面に近
い領域）の側面が、Ｍｏ配線の下部領域（Ｍｏ膜中の比
較的基板に近い領域）の側面よりも、より内側に形成さ
れた構造となることがあげられる。このような形状が形
成される原因としては、まず第１魚目として、第４図に
示すように、酸素を含有するＭｏ膜を熱処理すると、膜
中の酸素濃度分布が変化することである。第４図は、先
の実施例で用いた含有する酸素の濃度が２８ａｔＯｒｒ
１ｉ（％の酸素を含有するＭｏ膜７についてオージェ電
子分光法を用いて測定した膜中の深さ方向の酸素濃度分
布を示す。横軸は、膜表面をＡｒイオンでスパッタ・エ
ッチした時のエッチ時間で、はぼ膜厚に比例する。縦軸
は、オージェ電子収量のエネルギー微分値で、はぼ酸素
濃度に比例する。

図中の点線は、熱処理を行なう前の測定結果を示し、酸
素が膜＋４１の深さ方向にほぼ均一に分布していること
がわかる。一方、実線は、放膜にＮ２ガス中で１０００
℃、３０ｍ１ｎの熱処理を加えた場合の測定結果を示す
。Ｍｏ膜中の上部領域の酸素濃度は５６　ａ　ｊｏｍＩ
　Ｃ％程度と熱処理前よりも高く、下部領域では２１　
ａｔｏｍｉｃ％程度と熱処理前よりも低くなることがわ
かる。従って、高温熱処理を行なうだけで、均一な酸素
濃度分布を有する金属膜中の上部領域の酸素濃度を増し
、かつ同時に下部領域の酸素濃度を減少させて膜中に酸
素濃度勾配を生せしめることが可能であることが明らか
になった。

ただし、Ｍｏ膜で熱処理前の膜中酸素濃度が概ね１０　
ａｔｏｍｉｃ％以下の場合には、熱処理により酸素濃度
は深さ方向の膜中央付近で高くなり、上記の不均一な酸
素濃度分布のプロファイルと異なる。

従って、熱処理前の膜中の酸素濃度が１０ａｔｏｍｉｃ
％以上となるように膜堆積時に酸素を添加する必要があ
る。

原因の第２魚目としては、Ｍｏ膜の食刻工程において、
第５図に示すように、ＣＣ４４と０２の混合ガスのプラ
ズマに対して低酸素濃度領域と高酸素濃度領域とで、単
位時間にエツチングされる速度（エッチ・レート）が異
なることである。第５図は、本実施例のエツチング法を
用いた場合で、エツチング用混合ガスの全流量に対する
０２ガスの流量比をパラメータにしているが、いずれの
場合でも、Ｍｏ膜中の酸素濃度の上昇と共にエッチ・レ
ートが増大することがわかる。

従って、以上の原因となる２つの要点を組み合わせるこ
とにより、本実施例で示したごとく、熱処理で酸素濃度
分布を不均一にした後、食刻を行なえば、Ｍｏ配線の側
面形状を制御できることは明らかである。

第２の特徴は、本発明による方法を用いれば、Ｍｏ膜中
の上部領域と下部領域との酸素濃度の差を極めて簡単な
工程で作り出すことが可能な点である。前述のごとく、
Ｍｏ膜中の上部領域から下部領域に向けて酸素濃度に勾
配を持たせることは、側面にテーパー形状を得る上で重
要な要素となっている。本発明では、この工程を実施例
に示したごとく、通常用いられるスパッタ法または蒸着
法に０２ガスを導入する操作を加えること、及び、膜形
成後に熱処理を行なうことのみで可能なことを示してい
る。また、Ｓｉ半導体装置の場合には、この熱処理を通
常の製造工程に含まれる１０００℃程度の不純物拡散用
高温熱処理に兼ねさせることも可能である。この場合に
は、工程はさらに簡略化され得る。

第６の特徴は、本実施例に示したように２８ａｉｏ品ｉ
Ｃ％程度の酸素を含むＭｏ膜を用いても、１０００℃程
度の高湿熱処理を行なうことにより、比抵抗を１．８Ｘ
１０−５Ω・ｃｍとバルクＭＯの４倍以内の値にまで減
少させることが可能なことである。

従って、酸素を添加したＭｏ膜を電極・配線の一部に用
いても、半導体装置の電気特性に及ぼす影響は、概ね無
視できる。また、他のＷ、Ｃｒ等の金属においても、酸
素濃度を適当に選択することにより、熱処理後の比抵抗
をｌＸ１０”−”Ω・ｃｍ以下と、電極・配線として用
うるに支障のない程度に低く抑えることができる。

第４の特徴は、本実施例で用いたアノード結合方式の平
行平板電極形プラズマ・エツチング法のごとく、レジス
ト・パターン幅及び配線幅のエツチング前後の変化が比
較的小さいエツチング法を採用してもテーパー・エツチ
ングを成し得ることである。これにより、テーパー形状
を有し、なおかつ高い加工精度を実現できる。

以上の実施例で示した諸特徴により、テーパー状の側面
形状を有する微細な電極・配線を形成し得ることは明ら
かである。このようにして形成したＭＯ配線の上に例え
ばＣＶＤ法（化学的気相成長法）を用いて第２の層間絶
縁用５ｉ０２膜を形成すると、そのＭＯ配線側面部を覆
う形状も、ＭＯ配線側面のテーパー形状を反映してほぼ
同じ傾斜角を示す。さらにこのＳｉＯ２膜の上に形成し
た第２の配線膜である例えばＡ４膜においても、ＭＯ配
線側面の上を、下地の第２の層間絶縁用５ｉｎ２膜の表
面形状を反映して、傾斜角を持って覆うことができる。

これにより、従来と異なり、第２層目配線であるＡ７配
線の段差被覆を要する個所での断線確率の増大及び断線
に至らすとも抵抗増大等の現象は、著しく改善される。

本実施例では、電極・配線用金属としてＭＯを、エツチ
ング法としてアノード結合方式の平行平板電極形プラズ
マ・エツチング法を用いたが、熱処理により膜中の酸素
濃度分布が実施例のごとく不均一となり、かつ膜中へ酸
素を添加することによりエッチ・レートが高くな、る金
属と、プラズマ・エツチング法または酸化性エツチング
液によるウェット・エツチング法等の組合せを用いれば
、本発明による電極・配線技術を使用することができる
。平行平板電極形プラズマ・エツチング法を用いる場合
には、ＭＯの代わりにＷまたはＣｒを用いても所望の効
果が得られる。この場合、金属としては、酸化物を生成
した時の融点が単体に比べて著しく低下するもの、また
は、酸化物の揮発性が強いもの等の条件を満たすことが
材料選択の１つの目安となる。

以上説明したように、本発明によれば、電極・配線とし
て１０　ａｔｏｍｉｃ％以上の濃度の酸素を含有する金
属膜を用いて、パターニング前に熱処理を行ない、膜中
の含有酸素濃度を膜表面側から基板側に向かうに伴ない
熱処理前に比べて膜表面側で高く、かつ基板側で低くな
るように変化せしめ、その後、エツチングしてパターニ
ングすることにより膜中の上部領域の側面を下部領域の
側面に対して、より内側に形成することができる。従っ
て、このようにして形成した電極・配線のテーパー状の
側面形状は、さらにその電極・配線の上に層間絶縁膜を
はさんで形成した第２層目の電極・配線に対して、下地
表面の段差を越える部分で生ずる断線及び抵抗増大を著
しく緩和させる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（Ｃ）及び第２図（ａ）、　（ｂ）は配
線の従来の製造工程を説明するための半導体装置の要部
拡大断面図、第６図（ａ）〜（ｅ）は本発明による配線
の製造工程を説明するための半導体装置の要部拡大断面
図、第４図はＭＯ膜表面のスパッタ・エッチ時間と酸素
オージェ信号微分ピーク高さとの関係を示す特性図、第
５図はＭＯ脱膜中酸素濃度とエッチ・レートとの関係を
示す特性図である。 １・・・層間絶縁用５ｉｎ２膜　２・・・ＭＯ薄膜６・
・レジスト・パターン ６′・・・側面にテーパーをイ」けたレジスト・パター
ン４・・・ＭＯ配線　５・・・テーパー状ＭＯ配線６・
・・細ったレジスト・パターン ７・・・金属膜（酸素を含有するＭＯ膜）８・・・不均
一酸素濃度分布を有するＭｏ膜９・・・テーパー状の側
面形状を有するＭＯ配線特許出願人　　日本電信電話公
社 代理人弁理士　中　村　純之助 十１　図 矛２図 １４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 酸素を含有する金属膜を堆積する工程と、熱処理を行な
   うことにより上記金属膜中の含有酸素濃度を膜表面側か
   ら基板側に向かうに伴ない熱処理前に比べて膜表面側で
   高くかつ基板側で低くなるように変化せしめる工程と、
   上記金属膜」二にマスク・パターンを形成する工程と、
   該マスク・／ぐターンから露出した部分の」二記金属膜
   を食刻してテーパー状の側面形状を有する電極・配線を
   形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造
   方法。