JP2001015494A - 半導体装置の製造方法およびエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 絶縁膜表面における面荒れの発生を防止しつ
つ、絶縁膜との界面における密着層をほぼ完全に除去す
ることができると共に、リセス量およびトレンチ量の少
ない良好な形状のプラグを形成することのできる半導体
装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 Ｓｉ基板１上にＳｉＯ₂ からなる層間絶
縁膜２を形成し、層間絶縁膜２にコンタクトホール３を
形成し、層間絶縁膜２上の全面にＴｉＮ／Ｔｉ膜からな
る密着層４、Ｗ膜５を順次成膜してコンタクトホール３
内を埋めた後、、ＲＩＥ法によりＷ膜５、密着層４を層
間絶縁膜２が露出するまで順次エッチバックすることに
より、コンタクトホール３内にＷプラグ６を形成するよ
うにした半導体装置の製造方法において、密着層４のエ
ッチバックを、反応ガスとしてＣｌ₂ ガスおよびＢＣｌ
₃ ガスを用いたＲＩＥ法により、層間絶縁膜２に対する
密着層４のエッチング選択比を５以下にして行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体装置の製
造方法およびエッチング方法に関し、特に、タングステ
ンなど導電プラグをチタン系の密着層を介してコンタク
トホール内に形成する半導体装置の製造に適用して好適
なものである。

【０００２】

【従来の技術】超々大規模集積回路（ＵＬＳＩ）などの
半導体装置においては、その高集積化および微細化に伴
って配線の多層化が進んでいる。そのような多層配線構
造を有する半導体装置においては、配線の信頼性を向上
させるために、配線と基板との接続に用いるコンタクト
ホールおよび異なる層の配線同士の接続に用いるバイア
ホール（以下、これらをコンタクトホールと総称する）
の部分での配線のカバレッジを確保することが重要とな
っている。これらのコンタクトホール部における配線の
カバレッジを確保する手法としては、従来より、コンタ
クトホールの内部にタングステン（Ｗ）などからなる金
属プラグを埋め込む方法が知られている。特に、ブラン
ケット化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いたＷプラグの形
成方法は、コンタクトホールを埋め込む能力が高く安定
なことにより、コンタクトホールの埋め込み技術として
現在最も広く用いられている。

【０００３】図１０および図１１は、そのようなＷプラ
グをコンタクトホール内に形成する従来の半導体装置の
製造方法を示す。

【０００４】従来の半導体装置の製造方法においては、
まず、図１０に示すように、予め素子（図示せず）が形
成されたシリコン（Ｓｉ）基板１０１上に、ＣＶＤ法に
より二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）膜のような層間絶縁膜
１０２を形成する。次に、この層間絶縁膜１０２上に所
定形状のレジストパターン（図示せず）を形成した後、
このレジストパターンをマスクとして、ドライエッチン
グ法により層間絶縁膜１０２の所定部分をエッチングす
ることにより、この層間絶縁膜１０２にＳｉ基板１０１
の表面に達するコンタクトホール１０３を形成する。そ
の後、エッチングマスクとして用いたレジストパターン
を除去する。

【０００５】次に、スパッタリング法により、コンタク
トホール１０３の側壁および底部を覆うようにして全面
にＴｉ膜およびＴｉＮ膜を順次成膜し、ＴｉＮ／Ｔｉ膜
の二層膜からなる密着層１０４を形成する。

【０００６】次に、ブランケットＣＶＤ法により、コン
タクトホール１０３を埋めるようにして全面にＷ膜１０
５を成膜する。ここで、Ｗ膜１０５は、その表面がほぼ
平坦となるように十分厚く形成される。

【０００７】次に、図１１に示すように、プラズマなど
の荷電粒子を用いたドライエッチング法により、Ｗ膜１
０５および密着層１０４を、Ｓｉ基板１０１の表面と垂
直方向に層間絶縁膜１０２の表面が露出するまで順次エ
ッチバックする。ここで、Ｗ膜１０５および密着層１０
４のエッチバック工程は、通常、次のような複数のステ
ップに分けて行われる。

【０００８】まず、第１のステップでは、反応ガスとし
て六フッ化硫黄（ＳＦ₆ ）ガスを用いた反応性イオンエ
ッチング（ＲＩＥ）法により、密着層１０４が露出しな
い程度にＷ膜１０５をエッチングする（Ｗ膜１０５のメ
インエッチング）。第２のステップでは、ＳＦ₆ ガスを
用いたＲＩＥ法により、密着層１０４の表面が露出する
まで、Ｗ膜１０５の残膜のオーバーエッチングを行う。

【０００９】第３のステップおよび第４のステップで
は、塩素（Ｃｌ₂ ）ガスを用いたＲＩＥ法により、Ｔｉ
Ｎ／Ｔｉ膜からなる密着層１０４のメインエッチングお
よびオーバーエッチングを行う。ただし、密着層１０４
の膜厚は通常１００ｎｍ以下と薄いので、２つのステッ
プに分けることなく、１つのステップにてメインエッチ
ングおよびオーバーエッチングを行うこともある。

【００１０】このように、Ｗ膜１０５および密着層１０
４のエッチバック工程は、３ないし４つのステップに分
かれており、これらの各処理を連続的に行うことによ
り、図１１に示すように、コンタクトホール１０３内に
Ｗプラグ１０６が形成される。密着層１０４は、Ｗプラ
グ１０６の下地に対する密着性を高める働きをする。

【００１１】次に、図示は省略するが、例えばスパッタ
リング法により全面にアルミニウム（Ａｌ）合金膜を成
膜した後、このＡｌ合金膜上に所定形状のレジストパタ
ーンを形成する。次に、このレジストパターンをマスク
として、Ａｌ合金膜をＲＩＥ法によりエッチングするこ
とにより、このＡｌ合金膜を、コンタクトホール１０３
の部分においてＷプラグ１０６と接続する所定の配線形
状にパターニングする。配線を多層化する場合は、上述
と同様にして、層間絶縁膜の成膜、コンタクトホールの
形成、密着層の成膜、Ｗ膜の成膜、Ｗ膜および密着層の
エッチバック、配線の形成を順次繰り返す。これによ
り、所望の多層配線構造を有する半導体装置が製造され
る。

【００１２】しかしながら、上述のようにＷ膜１０５お
よび密着層１０４の全面エッチバックを行うことによ
り、コンタクトホール１０３の内部にＷプラグ１０６を
形成する場合、次のようなことが問題になる。

【００１３】すなわち、Ｗ膜１０５のエッチバック工程
においては、Ｗ膜１０５のオーバーエッチングを行う際
に、Ｗ膜１０５の減少に伴い、反応種であるフッ素ラジ
カルが、コンタクトホール１０３内のＷ膜１０５と選択
的に反応するようになる。この反応が過度に進行する
と、コンタクトホール１０３内に残存するＷ膜１０５の
膜厚が減少する。その結果、図１１に示すように、最終
的に形成されるＷプラグ１０６にリセス（プラグロスと
もいう）と呼ばれる浸食部が形成され、Ｗプラグ１０６
の表面が層間絶縁膜１０２の表面よりも下方側に落ち込
んでしまう。

【００１４】また、密着層１０４のエッチバック工程に
おいては、層間絶縁膜１０２との界面における密着層１
０４を除去する際、コンタクトホール１０３の側壁上の
密着層１０４が選択的にエッチングされることにより、
図１１に示すように、密着層１０４の頂部がＷプラグ１
０６の表面よりも下方側に落ち込んでしまい、この部分
にトレンチと呼ばれる浸食部が形成される。また、この
とき、下地の層間絶縁膜１０２が露出すると、ＳｉＯ₂
から分解した酸素とエッチングガスの塩素とがＷと反応
し、コンタクトホール１０３内のＷ膜１０５のエッチン
グも同時に進行するため、リセスの進行も問題となる。

【００１５】特に、Ｗプラグ１０６のリセス量が大きく
なると、Ｗプラグ１０６直上の部分の配線が大きく落ち
込み、配線のカバレッジが悪化するという問題が生じ
る。この場合、配線のエレクトロマイグレーション耐性
が劣化するなど、配線、さらには半導体装置の信頼性に
多大な影響を及ぼす。

【００１６】その対策として、従来技術では、特に、Ｗ
膜１０５のオーバーエッチングを行う際や、密着層１０
４のメインエッチングおよびオーバーエッチングを行う
際に、基板温度を例えば−３０℃〜−１０℃程度に設定
することで、浸食部の進行を抑制するようにしている。
以下に、従来技術によるＷ膜１０５および密着層１０４
のエッチバック方法について具体的に説明する。この例
では、コンタクトホール１０３の内部を埋めるように全
面にＷ膜１０５を成膜した後、プラズマエッチング装置
を用いて、Ｗ膜１０５および密着層１０４を、以下のよ
うな第１〜第３のステップにより順次エッチバックす
る。このエッチバック工程においては、基板が設置され
るサセプタに裏面側からヘリウム（Ｈｅ）ガスを導入す
ることにより、基板冷却が可能に構成された、例えば有
磁場マイクロ波プラズマエッチング装置が用いられる。

【００１７】このエッチバック工程の第１のステップで
は、反応ガスとしてＳＦ₆ ガスを用いたＲＩＥ法によ
り、Ｗ膜１０５を、Ｓｉ基板１０１の表面と垂直方向に
密着層１０４が露出しない程度にエッチバックする。こ
のとき、層間絶縁膜１０２上の部分におけるＷ膜１０５
が、初期膜厚の８０％程度エッチングされるようにす
る。この第１のステップでは、Ｗ膜１０５が効率的にエ
ッチングされるように、Ｗ膜１０５のエッチングレート
が大きくなる条件でエッチングを行う。この第１のステ
ップにおけるエッチング条件の一例を挙げると、ＳＦ₆
ガスの流量を２００ｓｃｃｍ、圧力を１Ｐａ、高周波
（ＲＦ）パワーを１００Ｗ、マイクロ波パワーを１００
０Ｗ、裏面Ｈｅ圧力を１０００Ｐａ、基板温度を−２０
℃とする。

【００１８】第２のステップでは、反応ガスとしてＳＦ
₆ ガスおよびＣｌ₂ ガスを用いたＲＩＥ法により、Ｗ膜
１０５の残膜を、Ｓｉ基板１０１の表面と垂直方向に密
着層１０４が露出するまでエッチバックする。この第２
のステップでは、基板温度が−３０℃〜−１０℃程度の
低温に設定されると共に、ＲＦパワーが第１のステップ
よりも低く設定され、Ｗ膜１０５のエッチングレートが
小さくなる条件でエッチングが行われる。この第２のス
テップにおけるエッチング条件の一例を挙げると、ＳＦ
₆ ガスの流量を１４０ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂ ガスの流量を４
０ｓｃｃｍ、圧力を１Ｐａ、ＲＦパワーを６０Ｗ、マイ
クロ波パワーを１０００Ｗ、裏面Ｈｅ圧力を１０００Ｐ
ａ、基板温度を−２０℃とする。

【００１９】第３のステップでは、反応ガスとしてＣｌ
₂ ガスを用いたＲＩＥ法により、密着層１０４を、Ｓｉ
基板１０１の表面と垂直方向に層間絶縁膜１０２が露出
するまでエッチバックする。この第３のステップでは、
基板温度が−３０℃〜−１０℃程度の低温に設定される
と共に、層間絶縁膜１０２との界面における密着層１０
４が完全に除去されるように、ＲＦパワーが第１および
第２のステップよりも高く設定され、スパッタ性の高い
条件でエッチングが行われる。この第３のステップにお
けるエッチング条件の一例を挙げると、Ｃｌ₂ ガスの流
量を１００ｓｃｃｍ、圧力を０．５Ｐａ、ＲＦパワーを
１２０Ｗ、マイクロ波パワーを１０００Ｗ、裏面Ｈｅ圧
力を１０００Ｐａ、基板温度を−２０℃とする。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術によ
るＷ膜１０５および密着層１０４のエッチバック方法で
は、基板温度を−３０℃〜−１０℃程度の低温に設定し
てＷ膜１０５および密着層１０４のエッチングを行うよ
うにしていることにより、コンタクトホール１０３内で
のＷ膜１０５および密着層１０４の浸食を抑制すること
ができるので、Ｗプラグ１０６のリセス量および密着層
１０４のトレンチ量を低減することが可能である。しか
しながら、この場合、次のような問題が新たに発生す
る。

【００２１】すなわち、Ｃｌ₂ ガスを用いて行われるＴ
ｉ系の密着層１０４のエッチングでは、ＳＦ₆ ガスを用
いて行われるＷ膜１０５のエッチングのときほど、エッ
チングガスと被エッチング物との化学的反応性が高くな
い。したがって、上述のような低温条件では、層間絶縁
膜１０２のうち、素子領域あるいは配線領域に対応する
部分に生じる段差部に、密着層１０４のエッチング残渣
が生じやすい。また、基板とのコンタクトをとるプラグ
においては、密着層１０４の成膜後に、熱処理を施す場
合があり、層間絶縁膜１０２と密着層１０４との界面に
ＴｉＳｉＯ_x のようなエッチングされにくい反応生成物
が形成される。この反応生成物もエッチング残渣の発生
原因となる。図１１において、符号１０７は、エッチン
グ残渣となった反応生成物を示す。そのため、密着層１
０４のエッチバック工程においては、上述のようなエッ
チング残渣を発生させることなく層間絶縁膜１０２上の
密着層１０４を完全に除去するために、化学的反応性エ
ッチングよりもむしろ、物理的にエッチングを進めてい
る。化学反応性が強いと、層間絶縁膜１０２と密着層１
０４との界面に生じているＴｉＳｉＯ_x のような反応生
成物１０７がエッチングされにくく、また、反応生成物
１０７が全てエッチングされた場合も、エッチングされ
にくかった部分が層間絶縁膜１０２上まで転写されるた
め、層間絶縁膜１０２の表面に面荒れが生じる。

【００２２】したがって、この発明の目的は、絶縁膜表
面における面荒れの発生を防止しつつ、絶縁膜との界面
における密着層をほぼ完全に除去することができると共
に、リセス量およびトレンチ量の少ない良好な形状のプ
ラグを形成することのできる半導体装置の製造方法を提
供することにある。

【００２３】この発明の他の目的は、絶縁膜表面におけ
る面荒れの発生を防止しつつ、絶縁膜との界面における
チタン系導電膜をほぼ完全に除去することのできるエッ
チング方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】従来技術の有する上記の
問題点を解決すべく、本発明者は鋭意検討を行ったとこ
ろ、ＴｉＮ／Ｔｉ膜のようなＴｉ系の密着層を、塩素ガ
スを用いたＲＩＥ法によりエッチバックする際に、反応
ガスににさらに三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃ ）ガスを添加し
てやり、下地の層間絶縁膜に対する密着層のエッチング
選択比を低下させてエッチングを行うのが問題解決の有
効な手法であることを見出した。

【００２５】すなわち、ＳｉＯ₂ 膜を、反応ガスとして
ＢＣｌ₃ ガスを用いたＲＩＥ法によりエッチングする場
合のエッチングレートは、反応ガスとしてＣｌ₂ ガスを
用いたＲＩＥ法によりエッチングする場合のエッチング
レートより大きい。したがって、Ｗプラグの形成工程に
おいて、Ｔｉ系の密着層のエッチバックをＣｌ₂ ガスお
よびＢＣｌ₃ ガスを用いたＲＩＥ法により行った場合、
ＳｉＯ₂ からなる層間絶縁膜に対する密着層の選択比
は、Ｃｌ₂ ガスのみを用いて行う場合に比べて低下す
る。

【００２６】このように密着層のエッチバックを下地の
層間絶縁膜に対して低選択比条件で行った場合、層間絶
縁膜の表面が露出した時点で、層間絶縁膜も同時にエッ
チングされる。そのため、従来のようにスパッタ性の高
い条件でオーバーエッチングを行わずとも、層間絶縁膜
との界面における密着層の除去およびこの部分に形成さ
れた反応生成物の除去を容易に行うことができる。ま
た、密着層と同時に層間絶縁膜がある程度エッチングさ
れることにより、層間絶縁膜の表面とＷプラグの表面と
の間の段差の低減が図られるため、Ｗプラグのリセス量
を低減することができると共に、密着層のエッチングレ
ートが相対的に低下することにより、層間絶縁膜露出後
のコンタクトホールの側壁上における密着層の浸食が抑
制されるため、密着層のトレンチ量を低減することもで
きる。

【００２７】以上のことが、本発明者の行った実験によ
り確認された。以下に、本発明者が、この発明を案出す
る契機となった実験について説明する。

【００２８】すなわち、本発明者は、ＳｉＯ₂ からなる
層間絶縁膜に形成されたコンタクトホール内に、ＴｉＮ
／Ｔｉ膜からなる密着層を介してＷプラグが埋め込まれ
たプラグ構造を形成するにあたって、密着層のエッチバ
ックをＣｌ₂ ガスおよびＢＣｌ₃ ガスを用いたＲＩＥ法
により行い、この際、Ｃｌ₂ ガスおよびＢＣｌ₃ ガスの
流量を変化させて上記のプラグ構造を形成したときのＷ
プラグのリセス量、密着層のトレンチ量および層間絶縁
膜表面の面荒れについて評価を行った。図１にその結果
を示す。この実験に用いた試料において、層間絶縁膜の
厚さは１．０μｍ、コンタクトホールの口径は０．４μ
ｍ、密着層のＴｉ膜の厚さは３０ｎｍ、ＴｉＮ膜の厚さ
は５０ｎｍとした。また、密着層をエッチバックする際
のエッチング条件は、Ｃｌ₂ ガスおよびＢＣｌ₃ ガスの
合計の流量が１００ｓｃｃｍとなるようにＣｌ₂ ガスお
よびＢＣｌ₃ ガスを所定の比率で混合し、圧力を０．５
Ｐａ、高周波パワーを９０Ｗ、マイクロ波パワーを１０
００Ｗ、基板温度を−２０℃とした。図１に、Ｃｌ₂ ガ
スおよびＢＣｌ₃ ガスの流量を変化させた作製された各
試料における層間絶縁膜のエッチングレート（）、密
着層のエッチングレート（）および層間絶縁膜に対す
る密着層の選択比（／）をあわせて示す。この場
合、Ｃｌ₂ ガスの流量を低下させ、ＢＣｌ₃ ガスの流量
を増加させてゆくと、層間絶縁膜のエッチングレートは
大きくなり、密着層のエッチングレートは小さくなる。
つまり、反応ガス中のＢＣｌ₃ ガスの比率が大きくなる
につれて、層間絶縁膜に対する密着層のエッチング選択
比は低下する。

【００２９】図１より、Ｃｌ₂ ガスの流量を小さくし、
ＢＣｌ₃ ガスの流量を大きくするほど、言い換えれば、
層間絶縁膜に対する密着層のエッチング選択比を低下さ
せるほど、Ｗプラグのリセス量および密着層のトレンチ
量が小さくなることがわかる。例えば、Ｃｌ₂ ガスの流
量を１００ｓｃｃｍ、ＢＣｌ₃ ガスの流量を０ｓｃｃｍ
とした場合と、Ｃｌ₂ ガスの流量を５０ｓｃｃｍ、ＢＣ
ｌ₃ ガスの流量を５０ｓｃｃｍとした場合とを比較する
と、前者の場合はリセス量が７５ｎｍ、トレンチ量が５
０ｎｍであったのに対して、後者の場合はリセス量が２
５ｎｍ、トレンチ量が４０ｎｍとなり、それぞれ低減さ
れている。

【００３０】また、図１より、層間絶縁膜表面の面荒れ
については、Ｃｌ₂ ガスの流量を５０ｓｃｃｍ以下、Ｂ
Ｃｌ₃ ガスの流量を５０ｓｃｃｍ以上にすることで、そ
の発生が防止されることが確認されているが、ＢＣｌ₃
ガスの流量が５０ｓｃｃｍより若干低くても、その効果
は得られると考えられる。このように、エッチングガス
にＢＣｌ₃ ガスを添加することによって層間絶縁膜の面
荒れが防止されるのは、ガス種の原子量が大きくなり、
アタッキング効果が強くなるためと考えられる。また、
ＢＣｌ₃ ガスの流量が小さく層間絶縁膜の表面に面荒れ
が生じている場合は、層間絶縁膜のエッチング量にも面
内でバラツキが生じていたが、層間絶縁膜表面の面荒れ
の消滅と共に、層間絶縁膜のエッチング量の面内均一性
も向上することが確認されている。

【００３１】以上の実験結果より、層間絶縁膜の面荒れ
防止および層間絶縁膜のエッチング量の面内均一性を考
慮しつつ、リセス量およびトレンチ量を低減するために
は、密着層のエッチバックを、層間絶縁膜に対する密着
層のエッチング選択比が５以下、好適には３．５以下、
より好適には３以下となる低選択比条件で行うことが有
効であり、そのためには、反応ガス中にＢＣｌ₃ ガスを
５０％程度またはそれ以上含ませるようにすればよいこ
とがわかる。

【００３２】この発明は、本発明者による上記の検討の
結果に基づいて案出されたものである。

【００３３】すなわち、上記目的を達成するために、こ
の発明の第１の発明は、半導体基体上に絶縁膜を形成す
る工程と、絶縁膜に開口を形成する工程と、絶縁膜上に
密着層を形成する工程と、密着層上に開口を埋めるよう
に導電膜を形成する工程と、導電膜および密着層を、荷
電粒子を用いたドライエッチング法により少なくとも絶
縁膜が露出するまでエッチバックすることにより、開口
の内部に導電膜からなるプラグを形成する工程とを有す
る半導体装置の製造方法において、密着層のエッチバッ
クを、絶縁膜に対する密着層のエッチング選択比を５以
下にして行うことを特徴とするものである。

【００３４】この発明の第２の発明は、絶縁膜上に成膜
されたチタン系導電膜を荷電粒子を用いたドライエッチ
ング方法により少なくとも絶縁膜が露出するまでエッチ
ングするようにしたエッチング方法において、チタン系
導電膜のエッチングを、絶縁膜に対するチタン系導電膜
のエッチング選択比を５以下にして行うことを特徴とす
るものである。

【００３５】この発明の第１の発明において、密着層の
エッチバックは、絶縁膜に対する密着層のエッチング選
択比を好適には３．５以下、より好適には３以下にして
行う。この発明の第２の発明において、チタン系導電膜
のエッチングは、絶縁膜に対するチタン系導電膜のエッ
チング選択比を好適には３．５以下、より好適には３以
下にして行う。

【００３６】この発明の第１の発明において、密着層は
典型的にはチタン系導電膜からなり、絶縁膜は典型的に
は酸化シリコンからなる。この発明の第２の発明におい
て、絶縁膜は典型的には酸化シリコンからなる。この発
明の第１および第２の発明において、チタン系導電膜と
は、例えば、チタン（Ｔｉ）膜、窒化チタン（ＴｉＮ）
膜またはこれらの積層膜などを指す。

【００３７】この発明の第１の発明において、密着層が
チタン系導電膜からなり、絶縁膜が酸化シリコンからな
る場合、密着層のエッチバックは、好適には、少なくと
も三塩化ホウ素ガスを含むエッチングガスを用いたドラ
イエッチング法により行われる。この際、エッチングガ
スとしては、具体的には、例えば塩素ガスと三塩化ホウ
素ガスとの混合ガスが用いられる。この発明の第２の発
明において、絶縁膜が酸化シリコンからなる場合も同様
である。

【００３８】この発明の第１の発明において、導電膜は
典型的にはタングステンからなる。この場合、密着層
を、少なくとも上層が窒化チタンからなるチタン系導電
膜により構成することが好ましい。また、導電膜の材料
としては、タングステン以外にも例えばモリブデン、タ
ンタルなどの高融点金属を用いることが可能である。

【００３９】この発明の第１の発明においては、絶縁膜
の表面に対するプラグの表面の落ち込みおよびプラグの
表面に対する密着層の頂部の落ち込みを低減する観点か
ら、密着層のエッチバックは、好適には基板温度を例え
ば−３０℃〜−１０℃程度として行う。

【００４０】上述のように構成されたこの発明の第１の
発明によれば、密着層のエッチバックを、絶縁膜に対す
る密着層のエッチング選択比を５以下として行うように
していることにより、絶縁膜表面における面荒れの発生
を防止しつつ、絶縁膜との界面における密着層をほぼ完
全に除去することができると共に、リセス量およびトレ
ンチ量の少ない良好な形状のプラグを形成することがで
きる。

【００４１】この発明の第２の発明によれば、チタン系
導電膜のエッチングを、絶縁膜に対するチタン系導電膜
のエッチング選択比を５以下として行うようにしている
ことにより、絶縁膜表面における面荒れの発生を防止し
つつ、絶縁膜との界面におけるチタン系導電膜をほぼ完
全に除去することができる。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、実施形態の全図
において、同一または対応する部分には同一の符号を付
す。

【００４３】まず、この発明の第１の実施形態について
説明する。図２〜図６は、Ｗプラグをコンタクトホール
内に形成するこの発明の第１の実施形態による半導体装
置の製造方法を示す。

【００４４】この第１の実施形態による半導体装置の製
造方法においては、まず、図２に示すように、予め素子
（図示せず）が形成されたＳｉ基板１上に、例えばＣＶ
Ｄ法により、例えばＳｉＯ₂ 膜のような層間絶縁膜２を
成膜する。この層間絶縁膜２の膜厚は例えば１０００ｎ
ｍである。次に、この層間絶縁膜２上に所定形状のレジ
ストパターン（図示せず）を形成した後、このレジスト
パターンをマスクとして、例えばドライエッチング法に
より層間絶縁膜２の所定部分をエッチングすることによ
り、この層間絶縁膜２にＳｉ基板１の表面に達するコン
タクトホール３を形成する。このコンタクトホール３の
口径は例えば０．４μｍである。図示は省略するが、こ
のコンタクトホール３の部分におけるＳｉ基板１中には
所定の拡散層が形成されている。この後、エッチングマ
スクに用いたレジストパターンを除去する。

【００４５】次に、例えば、スパッタリング法により、
コンタクトホール３の側壁および底部を覆うようにし
て、全面にＴｉ膜およびＴｉＮ膜を順次成膜し、ＴｉＮ
／Ｔｉ膜の二層構造からなる密着層４を形成する。ここ
で、この密着層４のうち、下層側のＴｉ膜の膜厚は例え
ば３０ｎｍであり、上層側のＴｉＮ膜の膜厚は例えば５
０ｎｍである。次に、密着層４とＳｉ基板１とのコンタ
クト抵抗の低減および密着層４の膜質の改善を目的とし
て、例えば、窒素ガス雰囲気中で８００℃程度で熱処理
を行う。

【００４６】次に、図３に示すように、例えば、ブラン
ケットＣＶＤ法により、コンタクトホール３を埋めるよ
うにして全面にＷ膜５を成膜する。ここで、Ｗ膜５は、
その表面がほぼ平坦となるように十分厚く形成される。

【００４７】次に、全面に成膜されたＷ膜５および密着
層４を、プラズマなどの荷電粒子を用いたドライエッチ
ング法により、例えば、以下のような第１〜第３のステ
ップにより、Ｓｉ基板１の表面と垂直方向に層間絶縁膜
２の表面が露出するまで順次エッチバックする。このと
きのエッチバック工程は、例えば、基板が設置されるサ
セプタに裏面側からＨｅガスを導入することにより、基
板冷却が可能に構成された例えば有磁場マイクロ波プラ
ズマエッチング装置を用いて行う。

【００４８】このエッチバック工程の第１のステップで
は、図４に示すように、例えば反応ガスとしてＳＦ₆ ガ
スを用いたＲＩＥ法により、Ｗ膜５を、Ｓｉ基板１の表
面と垂直方向に密着層４が露出しない程度にエッチバッ
クする。このとき、層間絶縁膜２上の部分におけるＷ膜
５が、例えば初期膜厚の８０％程度エッチングされるよ
うにする。この第１のステップでは、Ｗ膜５が効率的に
エッチングされるように、Ｗ膜５のエッチングレートが
大きくなる条件でエッチングが行われる。この第１のス
テップのエッチング条件の一例を挙げると、ＳＦ₆ ガス
の流量を２００ｓｃｃｍ、圧力を１Ｐａ、高周波（Ｒ
Ｆ）パワーを１００Ｗ、マイクロ波パワーを１０００
Ｗ、裏面Ｈｅ圧力を１０００Ｐａ、基板温度を−２０℃
とする。

【００４９】第２のステップでは、図５に示すように、
例えば反応ガスとしてＳＦ₆ ガスおよびＣｌ₂ ガスを用
いたＲＩＥ法により、基板温度を−３０℃〜−１０℃程
度の低温に設定して、Ｗ膜５の残膜を、Ｓｉ基板１の表
面と垂直方向に密着層４が露出するまでエッチバックす
る。この第２のステップでは、基板温度が−３０℃〜−
１０℃程度の低温に設定されると共に、ＲＦパワーが第
１のステップよりも低く設定され、Ｗ膜５のエッチング
レートが小さくなる条件でエッチングが行われる。この
第２のステップのエッチング条件の一例を挙げると、Ｓ
Ｆ₆ ガスの流量を１４０ｓｃｃｍ、Ｃｌ₂ ガスの流量を
４０ｓｃｃｍ、圧力を１Ｐａ、ＲＦパワーを６０Ｗ、マ
イクロ波パワーを１０００Ｗ、裏面Ｈｅ圧力を１０００
Ｐａ、基板温度を−２０℃とする。

【００５０】第３のステップでは、図６に示すように、
例えば反応ガスとしてＣｌ₂ ガスおよびＢＣｌ₃ ガスを
用いたＲＩＥ法により、基板温度を−３０℃〜−１０℃
程度の低温に設定して、密着層４をＳｉ基板１の表面と
垂直方向に層間絶縁膜２が露出するまでエッチバックす
る。この第３のステップでは、層間絶縁膜２に対する密
着層４のエッチング選択比が５以下、好適には３．５以
下、より好適には３以下となる条件でエッチングが行わ
れる。すなわち、反応ガス中に、ＢＣｌ₃ ガスを例えば
５０％程度またはそれ以上含ませるようにする。この第
３のステップにおけるエッチング条件の一例を挙げる
と、Ｃｌ₂ ガスの流量を５０ｓｃｃｍ、ＢＣｌ₃ ガスの
流量を５０ｓｃｃｍ、圧力を０．５Ｐａ、ＲＦパワーを
１００Ｗ、マイクロ波パワーを１０００Ｗ、裏面Ｈｅ圧
力を１０００Ｐａ、基板温度を−２０℃とする。このと
きの層間絶縁膜２に対する密着層４の選択比は３程度で
ある。以上の工程により、図６に示すように、コンタク
トホール３内にＷプラグ６が形成される。密着層４は、
Ｗプラグ６の下地に対する密着性を高める働きをする。

【００５１】上述の条件で行われる密着層４のエッチバ
ック工程においては、層間絶縁膜２の表面が露出した時
点で、層間絶縁膜２も同時にエッチングされる。そのた
め、従来に比べてスパッタ性の高い条件で密着層４のオ
ーバーエッチングを行わずとも、層間絶縁膜２との界面
における密着層４が効果的に除去される。また、密着層
４の成膜後に熱処理を施すことによって層間絶縁膜２と
密着層４との界面に形成されたＴｉＳｉＯ_x のような反
応生成物（図示せず）も、容易に除去することが可能で
ある。しかも、層間絶縁膜２が同時にエッチングされる
ことにより、層間絶縁膜２の表面とコンタクトホール３
内に形成されるＷプラグ６の表面との段差が低減される
ため、Ｗプラグ６のリセス量が小さく、密着層４のエッ
チングレートが相対的に低下することにより、層間絶縁
膜２が露出した後のコンタクトホール３の側壁上での密
着層４の浸食が抑制されるため、密着層４のトレンチ量
も小さい。このようにして形成されたプラグ構造につい
て、Ｗプラグ６のリセス量および密着層４のトレンチ量
について評価を行ったところ、リセス量は２５ｎｍ以
下、トレンチ量は４０ｎｍ以下であった。また、層間絶
縁膜２上にはエッチング残渣が見られず、その表面もほ
とんど面荒れの無い良好な状態であった。さらに、層間
絶縁膜２のエッチング量も面内でほぼ均一であった。

【００５２】Ｗプラグ６上にさらに配線を形成する場合
は、例えば、スパッタリング法により配線材料としての
Ａｌ合金膜を全面に成膜した後、このＡｌ合金膜上に所
定形状のレジストパターン（図示せず）を形成する。次
に、このレジストパターンをマスクとして、例えばＲＩ
Ｅ法によりＡｌ合金膜を所定の配線形状にパターニング
する。これにより、図８に示すように、コンタクトホー
ル３の部分において、Ｗプラグ６と接続される配線７が
形成される。その後、エッチングマスクとして用いたレ
ジストパターンを除去する。

【００５３】配線を多層化する場合は、上述と同様にし
て、層間絶縁膜の成膜、コンタクトホールの形成、密着
層の成膜、Ｗ膜の成膜、Ｗ膜および密着層のエッチバッ
ク、配線の形成を順次繰り返す。これにより、所望の多
層配線構造を有する半導体装置が製造される。この場
合、Ｗプラグ６のリセス量が小さいため、このＷプラグ
６の直上の部分における配線７の落ち込みが抑制され、
配線７をほぼ平坦にすることができるので、スタックコ
ンタクトの形成が容易である。

【００５４】上述のように構成されたこの第１の実施形
態によれば、密着層４のエッチバックを、反応ガスとし
てＣｌ₂ ガスおよびＢＣｌ₃ ガスを用いたＲＩＥ法によ
り行い、この際、層間絶縁膜２に対する密着層４のエッ
チング選択比を５以下とし、層間絶縁膜２を同時にエッ
チングするようにしていることにより、密着層４をエッ
チバックする際に、層間絶縁膜２の表面における面荒れ
の発生を防止しつつ、層間絶縁膜２との界面における密
着層４をほぼ完全に除去することができると共に、コン
タクトホール３の内部にリセス量およびトレンチ量の少
ない良好な形状のＷプラグ６を形成することができる。
これにより、層間絶縁膜２上のエッチング残渣や層間絶
縁膜２の面荒れによって配線７の信頼性が損なわれるよ
うなこと無く、しかも、コンタクトホール部における配
線７のカバレッジが改善されるので、配線、さらには半
導体装置の信頼性を向上させることができる。

【００５５】次に、この発明の第２の実施形態について
説明する。図８および図９は、コンタクトホール内にＷ
プラグを形成するこの発明の第２の実施形態による半導
体装置の製造方法を示す。

【００５６】この第２の実施形態による半導体装置の製
造方法においては、例えば第１の実施形態による半導体
装置の製造方法と同様の手法により、Ｓｉ基板１上への
層間絶縁膜２の成膜、コンタクトホール３の形成、密着
層４の成膜およびＷ膜５の成膜を順次行う。次に、Ｗ膜
５を、例えばＲＩＥ法により、メインエッチングおよび
オーバーエッチングの２段階に分けて、Ｓｉ基板１の表
面と垂直方向に密着層４の表面が露出するまでエッチバ
ックする。このときのＷ膜５のエッチバックは、例え
ば、第１の実施形態による半導体装置の製造方法におけ
るエッチバック工程の第１のステップおよび第２のステ
ップと同様の条件で行う。これにより図５に示すと同様
の構造を得る。

【００５７】次に、図８に示すように、密着層４および
Ｗプラグ６上の全面に、例えばスパッタリング法によ
り、配線材料としてのＡｌ合金膜８を成膜する。

【００５８】次に、このＡｌ合金膜８上に所定形状のレ
ジストパターン（図示せず）を形成する。次に、このレ
ジストパターンをマスクとして、例えば反応ガスとして
Ｃｌ₂ ガスおよびＢＣｌ₃ ガスを用いたＲＩＥ法によ
り、Ａｌ合金膜８および密着層４を順次エッチングす
る。ここで、密着層４をエッチングする際には、層間絶
縁膜２に対する密着層４のエッチング選択比が５以下、
好適には３．５以下、より好適には３以下となる条件で
エッチングを行う。ここで、Ａｌ合金膜８および密着層
４を配線形状にパターニングするときのエッチング条件
の一例を挙げると、Ａｌ合金膜８をエッチングするとき
には、Ｃｌ₂ ガスの流量を１００ｓｃｃｍ、ＢＣｌ₃ ガ
スの流量を５０ｓｃｃｍ、圧力を１Ｐａ、ＲＦパワーを
１５０Ｗ、マイクロ波パワーを９００Ｗとし、密着層４
をエッチングするときには、Ｃｌ₂ ガスの流量を７０ｓ
ｃｃｍ、ＢＣｌ₃ ガスの流量を５０ｓｃｃｍ、圧力を１
Ｐａ、ＲＦパワーを１５０Ｗ、マイクロ波パワーを９０
０Ｗとする。なお、このときのエッチングは、例えば基
板温度を３０℃〜５０℃として行う。その後、エッチン
グマスクとして用いたレジストパターンを除去する。

【００５９】以上の工程により、図９に示すように、コ
ンタクトホール３の部分においてＷプラグ６と接続され
る所定形状の配線７が形成される。この場合、配線７
は、層間絶縁膜２上に密着層４を介して形成される。

【００６０】配線を多層化する場合は、上述と同様にし
て、層間絶縁膜の成膜、コンタクトホールの形成、密着
層の成膜、Ｗ膜の成膜、Ｗ膜のエッチバック、配線材料
の成膜、配線材料および密着層のパターニングを順次繰
り返す。これにより、所望の多層配線構造を有する半導
体装置が製造される。

【００６１】上述のように構成されたこの第２の実施形
態による半導体装置の製造方法においては、Ａｌ合金膜
８および密着層４を配線形状にパターニングする際の密
着層４のエッチングが、第１の実施形態における密着層
４のエッチバック工程に適用されたエッチング方法と同
様の手法により行われている。そのため、密着層４をエ
ッチングする際に、エッチング残渣をほとんど発生させ
ることなく層間絶縁膜２との界面における密着層４をほ
ぼ完全に除去することができると共に、層間絶縁膜２の
表面の面荒れを防止することができる。また、この第２
の実施形態においては、密着層４のエッチング時に、コ
ンタクトホール３内のＷプラグ６および密着層４がエッ
チングされることがないため、コンタクトホール３内に
極めて良好な形状のＷプラグ６を形成することができ
る。したがって、この第２の実施形態によっても、第１
の実施形態と同様の利点を得ることができる。

【００６２】以上この発明の実施形態について具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定される
ものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変
形が可能である。

【００６３】例えば、上述の第１および第２の実施形態
において挙げた数値、構造、材料、プロセス、エッチン
グ条件などはあくまで例にすぎず、必要に応じてこれら
と異なる数値、構造、材料、プロセス、エッチング条件
などを用いてもよい。

【００６４】また、上述の第１および第２の実施形態に
おいて、密着層４は、Ｔｉ膜およびＴｉＮ膜を順次成膜
することにより形成されたものであるが、この密着層４
は、Ｔｉ膜を成膜した後、少なくともその上層を窒化す
ることにより形成されたものであってもよい。また、こ
の密着層４は、ＴｉＮ膜、Ｔｉ膜またはＴｉ／ＴｉＮ／
Ｔｉ膜であってもよい。また、層間絶縁膜２の材料とし
て、ＳｉＯ₂ に代えて例えばＳｉＯＮを用いてもよい。

【００６５】また、上述の第１および第２の実施形態に
おいては、配線７の材料としてＡｌ合金に代えて純Ａｌ
を用いてもよい。また、配線７の材料としては、これら
のＡｌ系材料以外にも、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金
（Ａｕ）またはこれらの合金などを用いることが可能で
ある。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明による半
導体装置の製造方法によれば、密着層のエッチバック
を、絶縁膜に対する密着層のエッチング選択比を５以下
として行うようにしていることにより、絶縁膜表面にお
ける面荒れの発生を防止しつつ、絶縁膜との界面におけ
る密着層をほぼ完全に除去することができると共に、リ
セス量およびトレンチ量の少ない良好な形状のプラグを
形成することができる。これにより、開口の部分におい
てプラグと接続される配線のカバレッジを良好にするこ
とができ、その配線の信頼性を向上させることができる
ので、半導体装置、特に、多層配線構造を有する半導体
装置の信頼性を向上させることができる。

【００６７】この発明によるエッチング方法によれば、
チタン系導電膜のエッチングを、絶縁膜に対するチタン
系導電膜のエッチング選択比を５以下として行うように
していることにより、絶縁膜表面における面荒れの発生
を防止しつつ、絶縁膜との界面におけるチタン系導電膜
をほぼ完全に除去することができるので、このエッチン
グ方法を、例えば半導体装置の製造工程におけるプラグ
形成工程や配線形成工程に適用した場合、それらの工程
を信頼性良く行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明者がこの発明を案出する契機となった
実験の結果を示す図である。

【図２】 この発明の第１の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図３】 この発明の第１の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図４】 この発明の第１の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図５】 この発明の第１の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図６】 この発明の第１の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図７】 この発明の第１の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図８】 この発明の第２の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図９】 この発明の第２の実施形態による半導体装置
の製造方法を説明するための断面図である。

【図１０】 従来の半導体装置の製造方法を説明するた
めの断面図である。

【図１１】 従来の半導体装置の製造方法を説明するた
めの断面図である。

【符号の説明】

１・・・Ｓｉ基板、２・・・層間絶縁膜、３・・・コン
タクトホール、４・・・密着層、５・・・Ｗ膜、６・・
・Ｗプラグ、７・・・配線、８・・・Ａｌ合金膜

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4K057 DA11 DB08 DD05 DE01 DE04 DN01 4M104 AA01 BB14 CC01 DD08 DD16 DD37 DD43 DD65 DD67 FF16 FF22 HH14 5F004 AA11 BA14 BB13 BB14 BB25 BD03 CA01 CA04 CA06 DA04 DA11 DA18 DA30 DB09 DB10 EA27 EA28 EA30 EB01 EB02 EB03

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基体上に絶縁膜を形成する工程
   と、 上記絶縁膜に開口を形成する工程と、 上記絶縁膜上に密着層を形成する工程と、 上記密着層上に上記開口を埋めるように導電膜を形成す
   る工程と、 上記導電膜および上記密着層を、荷電粒子を用いたドラ
   イエッチング法により少なくとも上記絶縁膜が露出する
   までエッチバックすることにより、上記開口の内部に上
   記導電膜からなるプラグを形成する工程とを有する半導
   体装置の製造方法において、 上記密着層のエッチバックを、上記絶縁膜に対する上記
   密着層のエッチング選択比を５以下にして行うことを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 上記密着層がチタン系導電膜からなり、
   上記絶縁膜が酸化シリコンからなることを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 上記密着層のエッチバックを、少なくと
   も三塩化ホウ素ガスを含むエッチングガスを用いたドラ
   イエッチング法により行うことを特徴とする請求項２記
   載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 上記導電膜がタングステンからなること
   を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 絶縁膜上に成膜されたチタン系導電膜を
   荷電粒子を用いたドライエッチング方法により少なくと
   も上記絶縁膜が露出するまでエッチングするようにした
   エッチング方法において、 上記チタン系導電膜のエッチングを、上記絶縁膜に対す
   る上記チタン系導電膜のエッチング選択比を５以下にし
   て行うことを特徴とするエッチング方法。
6. 【請求項６】 上記絶縁膜は酸化シリコンからなること
   を特徴とする請求項５記載のエッチング方法。
7. 【請求項７】 上記チタン系導電膜のエッチングを、少
   なくとも三塩化ホウ素ガスを含むエッチングガスを用い
   たドライエッチング法により行うことを特徴とする請求
   項６記載のエッチング方法。