JP3006508B2 - アルミニウム膜又はアルミニウム合金膜のエッチング方法 - Google Patents

アルミニウム膜又はアルミニウム合金膜のエッチング方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に半導体装置の
配線に用いられる、アルミニウム膜又はCu,Siを少
量含むアルミニウム合金膜の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】ドライエッチング法で用いられているプ
ラズマソースの代表的なものとしては、平行平板型RI
E、マグネトロンRIE、更に最近では低圧・高密度プ
ラズマソースとして、ECR(電子サイクロトロン共鳴
プラズマ)、ICP(誘導結合型プラズマ)、ヘリコン
波プラズマなどがある。この内、平行平板型では、圧力
は数十〜百mTorr程度であり、得られる電子密度は
1010/cm3 オーダーである。このような圧力領域で
は平均自由行程が短く、微細なパターンにおいては異方
性エッチングは困難である。
【0003】一方、低圧・高密度プラズマソースにおい
ては、数mTorr程度の低圧領域においてプラズマを
発生させることが可能であり、1012〜1013/cm3
レベルの高密度プラズマを得ることができる。低圧・高
密度プラズマソースであれば低圧力で処理することによ
って十分な異方性を確保し、なおかつ、低圧力で損なわ
れるエッチングレートは高密度のプラズマによって補う
ことができる。このような理由により、近年のドライエ
ッチング法においては低圧・高密度プラズマが必要不可
欠と考えられている。
【0004】特にAl膜及びAl合金膜は化学反応主体
でエッチングが進行するため、異方性エッチングを実現
するには、さらに側壁のサイドエッチングを防止する為
の側壁保護膜が必要になる。一般に側壁保護膜の成分
は、エッチング中にフォトレジスト膜のマスクから発生
するデポジション成分を利用している。しかし、エッチ
ング初期においてはこのマスクから発生するデポジショ
ン成分の量が十分でないために形状異常を生じる。この
形状異常を発生するメカニズムを図4(a)〜(c)に
示した断面図を用いて説明する。
【0005】図4(a)はシリコン基板上に熱酸化膜1
を500nmの厚さに形成し、その後、バリアメタルと
してのTiN膜2Aを50nm、Al−Cu膜3を50
0nm、反射防止膜としてのTiN膜2Bを50nmス
パッタ法にて形成した積層構造の膜上にフォトレジスト
膜4を塗布しパターニングしてマスクを形成した状態を
示している。図4(b)は、エッチングが開始されて1
0〜20秒経ったときの断面形状を表したものである。
エッチング初期においてはマスク4はほとんどエッチン
グされておらず、チャンバー内にデポジション成分が希
薄であるために、反射防止膜としてのTiN膜2BとA
l−Cu膜3との界面にノッチ(局部的にエッチングさ
れた状態)6が入る、或いはAl膜及びAl合金膜のエ
ッチング初期にサイドエッチングが生じるなどの問題が
発生する。図4(c)はエッチング終了後の断面形状を
表したものである。エッチング初期に生じたノッチやサ
イドエッチングが“くびれ”として残り、その部分をデ
ポジション成分が後から付着しデポジション膜5Aが形
成された状態を示している。
【0006】このようなデポジション成分の不足を補う
手段の一つとして、ダミーパターンを形成し、ウェハ上
におけるフォトレジスト膜の占有面積を大きくするとい
う方法がある(特開昭63−250823号公報)。更
にウェハに依存せずにデポジション成分の不足を補う手
段として、窒素ガス或いはC原子を含むガスといったデ
ポジション性ガスを添加する方法もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】Al膜及びAl合金膜
をエッチングする際、デポジション成分を補わずにエッ
チングを行うと、エッチング初期においてデポジション
成分が希薄であるために、ノッチ或いはサイドエッチン
グを生じる。
【0008】デポジション成分の不足を補う手段の一つ
として、ダミーパターンを形成し、ウェハにおけるフォ
トレジストの占有面積を大きくするという方法がある
が、この方法でもエッチング初期にデポジション成分が
希薄であることは変わらず、むしろエッチング後半に必
要以上のデポジション成分が発生するために寸法制御が
困難になる恐れがある。さらに、高集積化が進んでいる
昨今では、ウェハ上に無用のパターンを形成することは
設計上困難ともいえる。
【0009】また、ウェハに依存せずにデポジション成
分の不足を補う手段として、デポジション性ガスを添加
する方法があるが、この方法では、1012/cm3 レベ
ルの高密度プラズマにおいては、マスク上部及び配線側
壁にデポジション成分が過剰に付着して反応し、寸法制
御が困難になるという問題を生じる。また、ウェット処
理を施しても完全に剥離することができないという問題
も生じてしまう。
【0010】本発明の目的は、寸法制御が容易でしかも
ノッチやサイドエッチングの生じることのないアルミニ
ウム膜又はアルミニウム合金膜のドライエッチング方法
を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】フォトレジスト膜のマス
クを用いてAl膜又はAl合金膜をドライエッチングす
る場合、エッチング開始直後の10〜20秒、好ましく
はエッチング開始後、トータルエッチング時間の30%
以内の時間、反応ガスに窒素ガス或いはC原子を含むガ
スを添加してエッチングする。窒素ガスはAl膜又はA
l合金膜との表面反応により形成される物質が堆積性を
有する。又C原子を含むガスは、ガス単体が少なくとも
堆積性を有する。
【0012】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。図1(a)〜(c)は本発明の第1の実施
の形態を説明する為の断面図である。
【0013】まず図1(a)に示すように、シリコン基
板上に厚さ500nmの熱酸化膜1を形成したのち、バ
リアメタルとしてのTiN膜を50nm、数%以下のC
uを含むAl−Cu膜3を500nm、そして反応防止
膜として厚さ50nmのTiN膜2Bをスパッタ法によ
り順次形成する。次で全面にフォトレジスト膜4を形成
したのちパターニングしマスクとする。
【0014】次に図1(b)に示すように、反応(エッ
チング)ガスとしてCl2 /BCl3 系ガスにデポジシ
ョン性ガスとしてCF4 を添加してTiN膜2B及びA
l−Cu膜3を10〜20秒間エッチングする。フォト
レジスト膜4からのデポジション成分の少いエッチング
初期においても、CF4 が添加されている為エッチング
されたTiN膜2B及びAl−Cu膜3の側面にデポジ
ション膜5が形成され、図4に示した従来例のようにデ
ポジション成分不足によるエッチング形状の異常を抑制
することができる。
【0015】次に、図1(c)に示すように、エッチン
グ開始約20秒後にCF4 の添加をやめ、Cl2 /BC
3 系ガスのみでAl−Cu膜3及びTiN膜2Aを完
全にエッチングする。エッチングのトータル時間は50
〜60秒である。このように必要最小限のデポジション
性ガス添加の方法を用いることによりエッチング残査の
発生やフォトレジスト膜及びデポジション膜の剥離不能
といった問題も解消される。
【0016】図2は添加ガスに四フッ化炭素(CF4
を用いたときの添加量及び添加時間が形状制御、残査抑
制、剥離性に与える効果をまとめたものである。ここで
用いたエッチング装置はヘリコン波プラズマエッチング
装置であり、模式図を図5に示した。
【0017】この装置は石英製のベルジャー10の周囲
にアンテナコイル11が配置され、13.56MHzの
高周波を印加することでプラズマを発生させる。更にア
ンテナコイルの周囲にはプラズマ分布を制御するための
磁場コイル12が配置されている。ベルジャー内部で発
生したプラズマはチャンバー13内に拡散し、ベルジャ
ー10の下方に配置されたウェハ14に到達する。ウェ
ハを載置するステージ15にはイオンエネルギーを制御
するために13.56MHzの高周波が印加できるよう
に構成されている。エッチングガスはCl2 /BCl3
系ガス100sccmにCF4 ガスを添加したものを用
い、プロセス時の条件は、圧力10mTorr、ソース
パワー1500W、バイアスパワー140W、磁場コイ
ル電流IN/OUT=40A/40A(アンテナコイル
近傍で100G程度)、ステージ温度40℃(ウェハは
約40℃)とした。
【0018】図2に示したように、CF4 を添加ガスと
して用いる場合には、添加量は10sccm以上で効果
が現れる。また、添加時間はエッチング開始後10se
c以上添加することが必要である。しかし、添加時間が
25sec以上では残査が発生し、更に添加量15sc
cm以上、添加時間20sec以上を満たす条件になる
と、ウェット処理を施してもフォトレジスト膜及び側壁
に付着したデポジション膜を完全に剥離することができ
ずプロセスとして用いることはできない。結局、CF4
ガスを添加ガスとして用いた場合には、図2の黒枠で示
した範囲においてのみプロセスが可能であり、その中で
も添加量10sccm、添加時間10secの組み合わ
せにおいて最も良い形状が得られた。尚添加ガスとして
はCHF3 等を用いることができる。
【0019】次に第2の実施形態について説明する。第
2の実施形態は図1に示した第1の実施形態と同様にフ
ォトレジスト膜4をマスクとしてAl−Cu膜3及びT
iN膜2A,2Bをエッチングするものであるが、添加
ガスに窒素(N2 )を用いるものである。
【0020】図4は添加ガスにN2 を用いたときの添加
量及び添加時間が形状制御、残査制御、剥離性に与える
効果をまとめたものである。ここで用いたサンプル、エ
ッチング装置、及びプロセス時の条件は第1の実施形態
と同様であり、添加ガスのみN2 に変更している。図4
の結果より、N2 を添加ガスとして用いる場合には、添
加量はCF4 ガスと同様10sccm以上で効果を見せ
る。また、添加時間はエッチング開始後15sec以上
が必要である。しかし、添加時間が25sec以上では
残査が発生し、添加量15cccm以上、添加時間20
sec以上の組み合わせ(添加量15sccm、添加時
間20secを除く)においては、剥離性が悪くプロセ
スとして用いることはできない。結局、N2 を添加ガス
として用いた場合には図3の黒枠で示した範囲において
のみプロセスが可能であり、その中でも添加量10sc
cm、添加時間15secの組み合わせにおいて最も良
い形状が得られた。
【0021】尚、上記本実施の形態においてはAl−C
u合金膜を用いたが、Al膜及びAlにSiとCuを含
む合金膜のエッチングにおいても同様の効果があること
を確認している。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、反応ガス
に窒素又はC原子を含むデポジション性ガスをエッチン
グ開始後10〜20秒(エッチングトータル時間の30
%以内の時間)のみ添加することにより、エッチング開
始直後のデポジション成分不足に伴うノッチ及びサイド
エッチングといった形状異常を防止することができる。
また、デポジション性のガスを添加することにより発生
しやすい問題、すなわちエッチング残査の発生や剥離不
能といった問題も解消される。この為、Al膜又はAl
合金膜を精度良くエッチングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を説明する為の断面図
である。
【図2】本発明の第1の実施形態におけるCF4 の添加
量、添加時間とその結果の関係を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施形態におけるN2 の添加
量、添加時間とその結果の関係を示す表である。
【図4】デポジション性ガスを添加しない従来のエッチ
ング方法を説明する為の断面図である。
【図5】本発明の実施形態に用いたプラズマ処理装置の
模式図である。
【符号の説明】
1 熱酸化膜 2A,2B TiN膜 3 Al−Cu膜 4 フォトレジスト膜 5,5A デポジション膜 6 ノッチ 10 ベルジャー 11 アンテナコイル 12 磁場発生コイル 13 チャンバー 14 ウェハ 15 ステージ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フォトレジスト膜のマスクを用いてアル
    ミニウム膜又はアルミニウム合金膜をドライエッチング
    する方法において、エッチング開始後10〜20秒間反
    応ガスに、ガス単体、またはガスと被エッチング物との
    表面反応により形成される物質が堆積性を有するデポジ
    ション性ガスを添加し、フォトレジスト膜から発生する
    デポジション成分の少ないエッチング初期において被エ
    ッチング物の側面にデポジション膜を形成することを特
    徴とするアルミニウム膜又はアルミニウム合金膜のドラ
    イエッチング方法。
  2. 【請求項2】 デポジション性ガスはN2 又はC原子を
    含むガスである請求項1記載のアルミニウム膜又はアル
    ミニウム合金膜のドライエッチング方法。
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