JP3353490B2 - 積層配線のパターニング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置等の内部配線
に用いる積層配線のパターニング方法に関し、更に詳し
くは、高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成された構造
を含む積層配線のパターニング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の集積度が進み、
そのデザインルールがサブハーフミクロンからクォータ
ミクロンのレベルへと微細化されるに伴い、内部配線の
パターン幅も縮小されつつある。従来より内部配線材料
として、低抵抗のＡｌやＡｌ系合金が多く用いられてき
たが、かかる配線幅の減少により、エレクトロマイグレ
ーションやストレスマイグレーションによる断線が発生
し、デバイス信頼性の上で大きな問題となってきてい
る。

【０００３】このような各種マイグレーションの対策の
１つとして、Ａｌ−ＣｕやＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕのように、
Ｃｕ等の低抵抗金属との合金化や、ＴｉＮ等のバリアメ
タルとの積層化等の方法が採用されている。また近年で
は、より効果的な配線構造としてＷ、ＭｏやＴａ等の高
融点金属やその合金、化合物等、ある程度の導電性を確
保でき、かつ高剛性の配線層をＡｌ系金属層の下層に形
成した積層配線が検討されている。Ｗ等の高融点金属
は、Ａｌ系金属に比べて著しくエレクトロマイグレーシ
ョン耐性が高いことが例えば第３５回応用物理学関係連
合講演会講演予稿集（１９８８年春季）ｐ６４２、講演
番号２９ｐ−Ｖ−９に報告があり、広く知られていると
ころである。しかし、Ｗは電気抵抗がＡｌに比して高い
ので単層では配線抵抗の増大や信号伝播速度の低下が見
られるので、両者を組み合わせ、たとえ低抵抗のＡｌ系
金属層が断線しても下層の高融点金属層の存在により、
その冗長効果を利用して配線層全体としては断線を回避
しうるという考え方に基づいている。なかでもＷを用い
る場合は、高融点金属の中では比較的低抵抗の材料であ
り、ブランケットＣＶＤによる成膜法が確立されている
ことから、今後の高信頼性積層配線構造として期待され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｗ等の
高融点金属層上にＡｌ系金属層を形成した構造を含む積
層配線のパターニングは、異なる複数の材料層に対し共
に異方性加工を施す必要があることから、ドライエッチ
ングプロセスに新たな困難をもたらした。すなわち、エ
ッチング反応生成物であるハロゲン化物の蒸気圧の観点
から、Ａｌ系金属層はＣｌ系ガスで、Ｗ層はＦ系ガスに
切り替えてパターニングを行うのであるが、このエッチ
ングガスの切り替えに起因するプロセス上の問題点を図
３（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。

【０００５】まず図３（ａ）に示すように、半導体基板
（図示せず）上の絶縁層１上にＴｉ等による密着層２、
ＴｉＮ等のバリアメタル層３、Ｗ等の高融点金属層４、
Ａｌ系金属層５、反射防止層６をこの順に被着し、パタ
ーニング用のレジストマスク７を形成する。反射防止層
６は、高反射率のＡｌ系金属層５上にレジストマスクを
パターニングする際に、露光光の不規則な反射を防止し
て制御性のよい露光を施すためのものであり、特にＡｌ
系金属層５の表面に段差が有る場合に必要である。次に
Ｃｌ系エッチングガスにより、反射防止層６とＡｌ系金
属層５をエッチングすると、図３（ｂ）に示すようにＡ
ｌＣｌ_x 系の反応生成物がレジストの分解生成物である
ＣＣｌ_x とともに、レジストマスク７とパターニングさ
れた反射防止層６、Ａｌ系金属層５の側面に側壁付着膜
８となって付着する。次にエッチングガスをＦ系ガスに
切り替え、高融点金属層４、バリアメタル層３と密着層
２をエッチングする。このとき、ＡｌＣｌ_x 系の側壁付
着膜８はフッ素プラズマに曝されることによりハロゲン
原子の置換が起こり、図３（ｃ）に示すようにＡｌＦ_x
系の側壁変質膜１０に変換される。側壁変質膜９はＡｌ
Ｆ₃ を主成分とする物質であるが、このＡｌＦ₃ は大気
圧下での昇華温度が１２９４℃であり蒸気圧が極めて小
さく、また酸、アルカリ、水、有機溶媒への溶解度が小
さいので、レジスト剥離液では除去できない。またＯ₂
やＯ₃ でレジストアッシングすると、側壁変質膜９はさ
らにＡｌ₂ Ｏ₃ 系の物質に変換されてレジストマスク７
を覆うので、レジストアッシングに支障をきたしたり、
あるいはレジストアッシング後も図３（ｄ）に示すよう
にフェンス状の残渣として残留する。特に後者の場合に
は、その形状からラビットイアと呼ばれる場合もある。

【０００６】このように、一旦ＡｌＦ_x 系の側壁変質膜
１０が形成されると、その除去は困難であり、積層配線
上に形成する層間絶縁膜等のステップカバレッジを悪化
し、デバイス不良の原因となる。また一部剥がれ落ちた
フェンス状残渣は、被エッチング基板やエッチング装置
チャンバ内のパーティクル汚染をも招く結果となる。ま
た強いて除去するには、スピン洗浄やさらにはスクラブ
洗浄等、強度の機械的・物理的外力を併用したウェット
プロセスが必要であり、デバイスの損傷やプロセスの複
雑化、スループットの低下を招く虞れがある。

【０００７】ＡｌＦ_x 系の側壁変質膜１０の形成を回避
するには、高融点金属層４のエッチング時にＦ系ガスを
使用せず、Ｃｌ系ガスとＯ系ガスの混合ガスを用い、高
融点金属のオキシ塩化物を形成しつつエッチングすれば
よい。しかしこの方法を積層配線のパターニングに採用
すると、Ａｌ系金属層のパターニング終了後も、Ａｌ系
金属層パターン側面が長時間Ｃｌ系プラズマに曝される
ので、実質的に過剰のオーバーエッチングを続行する状
態となる。このため異方性加工されたＡｌ系金属層パタ
ーンにサイドエッチングが入るという新たな問題が生じ
る。

【０００８】かかるサイドエッチングは、サブハーフミ
クロン級の微細配線による半導体装置においては配線抵
抗値の増加や動作速度の低下、ストレスマイグレーショ
ン耐性の低下等の問題を発生し、積層配線の特長を相殺
しかねない。

【０００９】そこで本発明の課題は、高融点金属層上に
Ａｌ系金属層が形成された構造を含む微細幅の積層配線
のパターニングにおいて、アンダカットやサイドエッチ
ングの発生のない、異方性にすぐれたパターニング方法
を新たに提供することである。

【００１０】また本発明の課題は、高融点金属層上にＡ
ｌ系金属層が形成された構造を含む微細幅の積層配線の
パターニングにおいて、フェンス状残渣の発生を防止
し、被処理基板やドライエッチング装置のパーティクル
汚染発生の虞れなく異方性加工しうるクリーンなパター
ニング方法を提供することである。

【００１１】さらに本発明の課題は、側壁に残留する変
質膜等に起因して、積層配線上に形成する層間絶縁膜の
ステップカバレッジを低下することのない、信頼性のあ
る多層配線構造を形成しうる積層配線のパターニング方
法を提供することである。本発明の上記以外の課題は、
本願明細書および添付図面の説明により明らかにされ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の積層配線のパタ
ーニング方法は、上述の課題を解決するために提案する
ものであり、高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成され
た構造を含む積層配線のパターニング方法において、Ａ
ｌ系金属層を少なくともＢｒ系ガスを含むガスでエッチ
ングし、この後高融点金属層を少なくともＣｌ系ガスと
Ｏ系ガスを含む混合ガスによりエッチングすることを特
徴とするものである。

【００１３】また本発明の積層配線のパターニング方法
は、高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成された構造を
含む積層配線のパターニング方法において、Ａｌ系金属
層を少なくともＢｒ系ガスを含むガスでエッチングし、
続けてＡｌ系金属層パターン側面に不動態処理を施し、
この後高融点金属層を少なくともＣｌ系ガスとＯ系ガス
を含む混合ガスによりエッチングすることを特徴とする
ものである。

【００１４】この不動態処理とは、酸化処理、窒化処理
および炭化処理等であり、Ａｌ系金属層パターン側面を
化学的活性の低いＡｌＯ_x 、ＡｌＮ_x およびＡｌＣ_x 等
の薄層を形成する処理である。形成手段は反応性雰囲気
中でのプラズマ処理、熱処理や、反応溶液中での化成処
理等、その手段は問わない。

【００１５】本発明で用いるＢｒ系ガスは、ＨＢｒ、Ｂ
ｒ₂ 、ＢＢｒ₃ 、ＣＢｒ₄ 、ＳｉＢｒ₄ 、Ｓ₂ Ｂｒ₂ 、
Ｓ₃ Ｂｒ₂ およびＳＢｒ₂ 等を例示できる。また本発明
で用いるＯ系ガスは、Ｏ₂ 、やＮＯ₂ 等がある。さらに
また本発明で用いるＣｌ系ガスは、ＨＣｌ、Ｃｌ₂ 、Ｂ
Ｃｌ₃ 、ＣＣｌ₄ 、ＳｉＣｌ₄ 、Ｓ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓ₃ Ｃｌ
₂ およびＳＣｌ₂ を例示することができる。

【００１６】本発明においては、エッチング時には、被
エッチング基板を室温以下、例えば０℃に制御すること
が望ましい。被エッチング基板温度は、過度に冷却する
とエッチングレートが低下し、またエッチング装置の管
理も複雑化するので、−数十℃が下限の目安となる。

【００１７】また本発明は、０．５μｍ以下のパターン
幅のサブハーフミクロン級の積層配線をパターニングす
る場合に特にその効果を発揮する。

【００１８】

【作用】本発明のポイントは、積層配線の下層であるＷ
等の高融点金属層をＣｌ系ガスとＯ系ガスを含む混合ガ
スによりエッチングするに際し、先にパターニングが終
了している上層のＡｌ系金属層パターンのサイドエッチ
ングを防止する手段を提供する点にある。

【００１９】具体的には、Ａｌ系金属層のエッチングは
Ｂｒ系ガスを含むエッチングガスを採用し、被エッチン
グ層やレジストとエッチングガスとの反応生成物である
ＡｌＢｒ_x やＣＢｒ_x を主成分とする強固な側壁保護膜
を形成しながらエッチングする。Ｂｒを含むこの側壁保
護膜は、引き続き基板バイアスを印加しつつＡｌ系金属
層をエッチングする間中も残存し、Ａｌ系金属層パター
ンの側壁をＣｌ^* （塩素ラジカル）のアタックから保護
する。

【００２０】このとき、エッチング時には被エッチング
基板を室温以下に制御すれば、ＡｌＢｒ_x やＣＢｒ_x を
主成分とする側壁保護膜の堆積は助長されるとともに、
Ａｌ系金属層パターン側壁部におけるＣｌ^* の反応自体
が抑制されるので、Ａｌ系金属層パターンにサイドエッ
チング防止効果は徹底される。

【００２１】一方、下層のＷ等の高融点金属層は、Ｃｌ
系ガスとＯ系ガスとの混合ガスによりエッチングする。
先に記したように、Ｗの塩化物であるＷＣｌ₆ は蒸気圧
が小さく、その１気圧での沸点は３４６．７℃と高いの
でＣｌ系ガスのみではＷのエッチングは困難である。と
ころがＷのオキシ塩化物ＷＯ_x Ｃｌ_y の蒸気圧ははるか
に大きく、代表的なオキシ塩化物であるＷＯＣｌ₄ の沸
点は２２７．５℃である。ＷＦ₆ の沸点である１７．５
℃には及ばないものの、Ｗ等の高融点金属層はＣｌ系ガ
スとＯ系ガスとの混合ガスにより充分エッチング可能で
ある。ただしＷをＦ系のガスでエッチングする場合の反
応生成物であるＷＦ₆ の蒸気圧に比較すれば、ＷＯＣｌ
₄ の蒸気圧はかなり小さいことも事実である。このた
め、Ｗ等の高融点金属層をＣｌ系ガスとＯ系ガスとの混
合ガスによりエッチングする場合には、イオン照射面で
のみイオンアシスト反応の形でエッチングが進行する。
すなわち、Ｃｌ^* による等方的なエッチングは起こら
ず、サイドエッチングの問題は解決される。この時も、
被エッチング基板を室温以下に制御すれば異方性向上に
は効果的である。このことは、Ｆ系ガスによるＷのエッ
チングの場合、方向性の乏しいＦ^* による等方性反応が
進み、サイドエッチングが入りやすいことと大きく異な
る点である。なお沸点のデータはＣＲＣ Ｈａｎｄｂｏ
ｏｋ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｉｓｉ
ｃｓ ７１ｓｔ．Ｅｄｉｔｉｏｎ（１９９０，ＣＲＣ
Ｐｒｅｓｓ社刊）による。

【００２２】さらに、上層のＡｌ系金属層のエッチング
後、Ｆ系ガスを用いることがないので、ＡｌＣｌ_x 系の
側壁付着膜はＡｌＦ_x 系の側壁変質膜に変換されること
がない。このため除去困難なフェンス状残渣が残留せ
ず、被エッチング基板ならびにエッチング装置内のパー
ティクル汚染の問題も解決できる。同時に後に形成する
層間絶縁膜や上層配線のステップカバレッジの低下もな
くなる。

【００２３】本発明は以上のような基本概念を骨子とす
るが、より一層の効果の徹底を図るため、パターニング
が終了したＡｌ系金属層パターンの側面に不動態処理を
施し、このＡｌ系金属層パターンをＣｌ^* の攻撃から保
護する方法をも提供する。すなわち、ＡｌＯ_x 、ＡｌＮ
_x およびＡｌＣ_x 等の不動態被膜の形成により、Ａｌ系
金属層パターンのサイドエッチングの虞れはなくなる。
これら不動態被膜の膜厚は数ｎｍ以下であり、配線抵抗
の増加は実質上問題となるレベルではない。またこの窒
化膜または炭化膜の存在により、Ａｌ系金属層パターン
のアフターコロージョンが防止される副次的効果も得ら
れる。

【００２４】本発明で用いるＢｒ系ガスやＣｌ系ガスの
うち、Ｓ₂ Ｂｒ₂ 、Ｓ₃ Ｂｒ₂ およびＳＢｒ₂ 等の臭化
イオウ系ガス、あるいはＳ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓ₃ Ｃｌ₂ および
ＳＣｌ₂ 等塩化イオウ系ガスを用いると、プラズマ中で
解離生成する遊離のイオウは室温以下に制御された被エ
ッチング基板上に堆積し、入射イオンに平行なパターン
側壁にイオウの側壁保護膜を形成する。またこれら塩化
イオウ系ガスにさらにＮ₂ 等Ｎ系ガスを添加すれば、プ
ラズマ中にチアジル（ＳＮ）が形成され、これは直ちに
重合するのでポリチアジル（ＳＮ）_n の側壁保護膜の利
用が可能となる。これらイオウ系の側壁保護膜は、Ｃｌ
^* の攻撃からパターン側壁を保護し、一層の異方性加工
に寄与する。またこれらイオウ系の側壁保護膜は、エッ
チング終了後被エッチング基板を減圧下で加熱すれば容
易に昇華除去できるので基板汚染やパーティクルレベル
の低下の虞れはない。昇華温度はイオウで約９０℃以
上、ポリチアジルで約１５０℃以上である。

【００２５】本発明においては、上述の機構によりＡｌ
系金属配線のサイドエッチングを防止することが可能と
なるので、とりわけパターン幅が０．５μｍ以下の微細
な積層配線のパターニングに用いた場合に配線抵抗の増
加やアフターコロージョン等の諸問題を解決することが
でき、その効果が大きい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照しながら説明する。

【００２７】実施例１ 本実施例は、Ｗ層上にＡｌ−１％Ｓｉ合金層が形成され
た積層構造のパターニングにおいて、Ａｌ−１％Ｓｉ合
金層をＢｒ系ガスを含むエッチングガスでエッチング
後、Ｗ層をＣｌ系ガスとＯ系ガスを含む混合ガスにより
エッチングした例であり、これを図１（ａ）〜（ｄ）を
参照して説明する。なお、従来例の説明に用いた図３と
同様の構成部分には同一の参照番号を付与するものとす
る。

【００２８】まず図１（ａ）に示すように、Ｓｉ等の半
導体基板（図示せず）上にＳｉＯ₂等の絶縁膜１を形成
する。次にＴｉからなる密着層２、ＴｉＮからなるバリ
アメタル層３、ブランケットＣＶＤによるＷからなる高
融点金属層４、スパッタリングによるＡｌ−１％Ｓｉか
らなるＡｌ系金属層５、ＴｉＯＮからなる反射防止層６
をこの順に形成する。バリアメタル層形成後、不活性雰
囲気中で例えば６５０℃で６０秒程度のＲＴＡを施し、
バリア性を向上してもよい。なお、絶縁膜２には図示し
ないが接続孔が開口され、半導体基板に形成された不純
物拡散領域とコンタクトする多層配線構造であってもよ
い。またＳｉ等の半導体基板は、Ａｌ合金や多結晶Ｓｉ
等からなる下層配線層であってもよい。各層の厚さは、
一例として密着層２が３０ｎｍ、バリアメタル層３が７
０ｎｍ、高融点金属層４が２００ｎｍ、Ａｌ系金属層５
が３００ｎｍそして反射防止層６が７０ｎｍである。

【００２９】つぎに、一例としてネガ型３成分系化学増
幅型フォトレジストであるシプレー社製ＳＡＬ−６０１
とＫｒＦエキシマレーザリソグラフィにより、０．３５
μｍ幅のレジストマスクマスク７を形成する。ここまで
形成した図１（ａ）に示す試料を被エッチング基板とす
る。

【００３０】この被エッチング基板を、基板バイアス印
加型ＥＣＲプラズマエッチング装置により、一例として
下記エッチング条件によりまずＴｉＯＮからなる反射防
止層６とＡｌ系金属層５をエッチングする。 Ｃｌ₂ ６０ ｓｃｃｍ ＢＣｌ₃ ６０ ｓｃｃｍ ＨＢｒ ３０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３５ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 基板温度 ０ ℃ 本エッチング工程では、ＥＣＲ放電によりＣｌ₂ とＢＣ
ｌ₃ から解離生成するＣｌ^* によるラジカル反応がＣｌ
_x ⁺ 、ＢＣｌ_x ⁺ およびＢｒ_x ⁺ 等のイオンにアシスト
される形でエッチングは異方的に進み、反射防止膜７と
Ａｌ系金属層５はＴｉＣｌ_x 、ＡｌＣｌ_x 等を生成して
エッチングが進行した。また同時に、レジストマスクと
パターニングされた反射防止層６、Ａｌ系金属層５の側
面には図１（ｂ）に示すようにレジストマスクの分解生
成物に由来するＣＢｒ_x や反応生成物であるＡｌＢｒ_X
が付着し、側壁保護膜８ａを形成し異方性加工に寄与す
る。被エッチング基板が０℃に制御されラジカル反応が
抑制されていることもあり、良好な異方性形状を持つＡ
ｌ系金属層５パターンが形成された。エッチングは高融
点金属層４表面が露出すると、この面でストップする。
これは先に述べたようにＷＣｌ₆ やＷＢｒ₆ の蒸気圧が
低く、エッチングレートが極端に小さいためである。

【００３１】次にＣｌ系とＯ系の混合ガスに切り替え、
一例として下記エッチング条件で下層の高融点金属層
４、バリアメタル層３、密着層２ををパターニングす
る。 Ｃｌ₂ ９０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ３０ ｓｃｃｍ ＨＢｒ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３５ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 基板温度 ２５ ℃ 本エッチング工程では、Ｗ等の高融点金属層４はＣｌ^*
によるラジカル反応がＣｌ⁺ 、Ｏ⁺ 等のイオン入射にア
シストされる形でエッチングは異方的に進む。これは脱
離する反応生成物がＷＯＣｌ₄ 等のＷのオキシ塩化物で
あり、蒸気圧が比較的低いので基板に入射するイオンの
垂直入射面のみがエッチングされるからである。バリア
メタル層３および密着層２はＴｉＣｌ_x を形成して除去
される。これと同時に、レジストマスク７の分解生成物
ＣＣｌ_x 、ＣＢｒ_x を主とする側壁保護膜８ｂが付着形
成され、高融点金属層４の異方性加工に寄与する。Ａｌ
系金属層５パターン側面には前述した側壁保護膜８ａが
引き続き残留しているので、Ｃｌ^* によるラジカル反応
を阻止する。エッチング終了後の状態を図１（ｃ）に示
す。

【００３２】この後、通常のＯ2 プラズマアッシングに
よりレジストマスク７と側壁保護膜８ａおよび８ｂを除
去し、図１（ｄ）に示すように、基板バイアスを印加し
つつ行ったエッチングによるＡｌ／Ｗ系の積層配線のパ
ターニングが終了する。

【００３３】本実施例によれば、ＣＢｒ_x やＡｌＢｒ_X
によるラジカル耐性の高い側壁保護膜８ａを形成したこ
とにより、Ａｌ系金属層５パターンのサイドエッチング
が効果的に防止される。また高融点金属層４のエッチン
グガスからＦ系ガスを排除したことにより、この側壁保
護膜８ａがＡｌＦ_x 系の変質膜に変換されることがな
い。このため、側壁保護膜８ａはエッチング終了後のア
ッシングにより容易に除去することが可能でありフェン
ス状残渣を残すことがない。レジスト剥離液によりレジ
ストマスク７を除去する場合には、剥離液処理およびこ
れに続く純水洗浄により、側壁付着膜８ａおよび８ｂも
同時にウェット除去可能であり、なんら残渣を残す虞れ
はない。

【００３４】実施例２ 本実施例は、Ｗ層上にＡｌ−１％Ｓｉ合金層が形成され
た積層構造のエッチングにおいて、Ａｌ−１％Ｓｉ合金
層をＢｒ系ガスを含むエッチングガスでエッチング後、
Ａｌ−１％Ｓｉ合金層パターン側面をプラズマ窒化して
不動態処理を施し、この後Ｗ層をＣｌ系ガスとＯ系ガス
を含む混合ガスによりエッチングした例であり、これを
図２（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。なお、図２に
おいても従来例の説明に用いた図３と同様の構成部分に
は同一の参照番号を付与するものとする。

【００３５】本実施例において採用した図２（ａ）に示
す被エッチング基板は、実施例１で説明した図１（ａ）
に示す被エッチング基板と同じであり、重複する説明を
省略する。この被エッチング基板を、基板バイアス印加
型ＥＣＲプラズマエッチング装置により、一例として下
記エッチング条件によりまずＴｉＯＮからなる反射防止
層６とＡｌ系金属層５をエッチングする。 Ｃｌ₂ ９０ ｓｃｃｍ ＢＢｒ₃ ４０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３５ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 基板温度 ０ ℃ 本エッチング工程では、ＥＣＲ放電によりＣｌ₂ から解
離生成するＣｌ^* によるラジカル反応がＣｌ_x ⁺ 、ＢＢ
ｒ_x ⁺ およびＢｒ_x ⁺ 等のイオンにアシストされる形で
エッチングは異方的に進み、反射防止膜７とＡｌ系金属
層５はＴｉＣｌ _x 、ＡｌＣｌ_x 等を生成してエッチング
が進行した。また同時に、レジストマスクとパターニン
グされた反射防止層６、Ａｌ系金属層５の側面には図１
（ｂ）に示すようにレジストマスクの分解生成物に由来
するＣＣｌ_x 、ＣＢｒ_x や反応生成物であるＡｌＢｒ_X
が付着し、側壁保護膜８ａを形成し異方性加工に寄与す
る。被エッチング基板が０℃に制御されラジカル反応が
抑制されていることもあり、良好な異方性形状を持つＡ
ｌ系金属層パターンが形成された。エッチングは高融点
金属層４表面が露出すると、この面で停止する。

【００３６】続けて、下記条件でパターニングされたＡ
ｌ系金属層５の側面のプラズマ窒化をおこなった。 ＮＨ₃ ９０ ｓｃｃｍ Ａｒ ６０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ０ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 基板温度 ０ ℃ 本プラズマ処理工程においては、側壁保護膜８ａはＣＮ
_x 等となり除去される一方、Ａｌ系金属層５パターン側
面には薄くＡｌＮからなる不動態被膜９が形成される。

【００３７】次にＣｌ系とＯ系の混合ガスに切り替え、
一例として下記エッチング条件で下層の高融点金属層
４、バリアメタル層３、密着層２ををパターニングす
る。 ＨＣｌ ９０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ マイクロ波パワー ９００ Ｗ（２．４５ＧＨｚ） ＲＦバイアスパワー ３５ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 基板温度 ０ ℃ 本エッチング工程では、Ｗ等の高融点金属層４はＣｌ^*
によるラジカル反応がＣｌ⁺ 、Ｏ⁺ 等のイオン入射にア
シストされる形でエッチングは異方的に進む。脱離する
反応生成物がＷＯＣｌ₄ 等のＷＯ_x Ｃｌ_y 系のオキシ塩
化物であり、蒸気圧が比較的低いので基板に入射するイ
オンの垂直入射面のみがエッチングされるからである。
バリアメタル層３および密着層２はＴｉＣｌ_x を形成し
て除去される。これと同時に、レジストマスク７の分解
生成物ＣＣｌ_x を主とする側壁保護膜８ｂが付着形成さ
れ、高融点金属層４の異方性加工に寄与する。Ａｌ系金
属層５パターン側面には前述した強固な不動態被膜９が
存在しＣｌ^* によるラジカル反応を阻止する。エッチン
グ終了後の状態を図２（ｄ）に示す。

【００３８】この後、通常のＯ₂ プラズマアッシングに
よりレジストマスク７と側壁保護膜８ｂを除去し、図２
（ｅ）に示すようにＡｌ／Ｗ系の積層配線のパターニン
グが終了する。

【００３９】本実施例によれば、ＣＢｒ_x やＡｌＢｒ_X
によるラジカル耐性の高い側壁保護膜８ａを形成したこ
とにより、Ａｌ系金属層５パターニング時のサイドエッ
チングが効果的に防止される。また、Ａｌ系金属層５の
パターニング終了後はＡｌＮからなる不動態被膜９を形
成したことにより、引き続く高融点金属層４のエッチン
グ時にもＡｌ系金属層５パターンがサイドエッチングを
受けることがない。側壁保護膜８ｂはエッチング終了後
のアッシングにより容易に除去できる性質のものであ
り、フェンス状残渣を残すことがない。レジスト剥離液
によりレジストマスク７を除去する場合には、剥離液処
理およびこれに続く純水洗浄により、側壁付着膜８ｂも
同時にウェット除去可能であり、なんら残渣を残す虞れ
はない。

【００４０】以上、本発明を２例の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されることはな
い。

【００４１】高融点金属層４としてブランケットＣＶＤ
によるＷを例示したが、Ｔａ、Ｍｏ等他の高融点金属や
その合金、シリサイド等を用いてもよい。Ａｌ系金属層
６として、Ａｌ−１％Ｓｉを例示したが、Ａｌ−Ｓｉ−
Ｃｕ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金等他のＡｌ合金や純Ａｌを用
いてもよい。

【００４２】反射防止層としてＴｉＯＮを例示したが、
露光波長等の条件を選ぶことによりａ−Ｓｉ、Ｓｉ
Ｏ₂ 、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＳｉＯＮ、ＳｉＣあるいは有機系材
料等を適宜選択して用いてもよい。バリアメタル層とし
てもＴｉＮを用いたが、ＴｉＯＮ、ＴｉＷ、ＴｉＳｉ_x
等を用いてもよい。バリアメタル層と密着層は、必要が
無ければ使用しなくてもよい。

【００４３】不動態処理としてプラズマ窒化を例示した
が、例えばＯ₂ ガスやＣＨ₄ ガス中でのプラズマ酸化や
プラズマ炭化処理であってもよい。またプラズマ処理以
外にも、反応性ガス中での熱処理や、陽極酸化等の溶液
中の化成処理により不動態被膜を形成してもよい。

【００４４】エッチングガス系についても実施例にあげ
た例に限定されるものではない。例えば、Ｂｒ系ガスと
してＢｒ₂ やＣＢｒ₄ 、Ｃｌ系ガスとしてＣＣｌ₄ 、Ｓ
ｉＣｌ₄ 等他のガスを用いてもよい。臭化イオウ系ガス
や塩化イオウ系ガスを用いれば、側壁保護膜としてイオ
ウ系材料の堆積を併用出来るので、より一層の側壁保護
効果によるサイドエッチング防止に有効である。またＨ
Ｉ等のＩ系ガスの添加もレジストマスクや下地材料層と
の選択性向上に有効である。勿論Ａｒ、Ｈｅ等の不活性
希釈ガスを添加してもよい。エッチング装置は基板バイ
アス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いたが、
平行平板型ＲＩＥ装置、マグネトロンＲＩＥ装置、ヘリ
コン波プラズマエッチング装置等特に形式を問わない。
ロードロック室、アッシング室等で構成された多室連続
処理システムを用いればスループットを向上することが
できる。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によればＷ等高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成され
た構造を含む積層配線のパターニング方法において、エ
ッチングガス系からＦ系ガスを排除し、Ａｌ系金属層を
Ｂｒ系ガスでエッチング後、高融点金属層をＣｌ系とＯ
系の混合ガスでエッチングすることにより、下記の効果
を発揮する。

【００４６】Ａｌ系金属層のエッチング時にＢｒ系ガス
の採用により、ＣＢｒ_x やＡｌＢｒ _x 等の強固な側壁保
護膜を形成でき、Ａｌ系金属層のパターニング時のサイ
ドエッチングが防止できるとともに、引き続く高融点金
属層のパターニング時にもＡｌ系金属層パターン側面を
保護してサイドエッチングを防止する。

【００４７】高融点金属層のエッチング時にはＣｌ系ガ
スとＯ系ガスの混合ガスを含むガスによりエッチングす
るので、Ａｌ系金属層パターン側面の側壁保護膜がＡｌ
Ｆ系の物質に変換される不都合はなく、したがってフェ
ンス状残渣による上層の層間絶縁膜のステップカバレッ
ジの悪化やパーティクル汚染の虞れがない。

【００４８】またＡｌ系金属層パターン側壁にはＡｌＮ
_x 、ＡｌＯ_x やＡｌＣ_x 等の薄く強固な側壁保護膜が形
成すればサイドエッチング防止効果は徹底されるととも
に、アフターコロージョンの防止に有効であることも付
帯的な効果である。

【００４９】以上の効果により、低抵抗でしかもエレク
トロマイグレーションやストレスマイグレーション等、
各種マイグレーション耐性にすぐれた低抵抗の信頼性に
富んだ積層配線のパターニング方法が確立され、その実
用化が可能となる。本発明による積層配線のパターニン
グ方法は、特に０．５μｍ以下の微細な配線幅を有する
半導体装置の内部配線に用いて効力を発揮するものであ
り、本発明が奏する効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層配線のパターニング方法の実施例
１を、その工程順に示す概略断面図であり、（ａ）は下
地絶縁膜上に密着層、バリアメタル層、高融点金属層、
Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを順次
形成した状態、（ｂ）は反射防止層とＡｌ系金属層をパ
ターニングした状態、（ｃ）は続けて高融点金属層、密
着層とバリアメタル層をパターニングした状態、（ｄ）
はレジストマスクをアッシング除去して積層配線が完成
した状態である。

【図２】本発明の積層配線のパターニング方法の実施例
２を、その工程順に示す概略断面図であり、（ａ）は下
地絶縁膜上に密着層、バリアメタル層、高融点金属層、
Ａｌ系金属層、反射防止層およびレジストマスクを順次
形成した状態、（ｂ）は反射防止層とＡｌ系金属層をパ
ターニングした状態、（ｃ）はＡｌ系金属層パターン側
面に不動態処理を施した状態、（ｄ）は続けて高融点金
属層、密着層とバリアメタル層をパターニングした状
態、（ｅ）はレジストマスクをアッシング除去して積層
配線が完成した状態である。

【図３】従来の積層配線のパターニング方法における問
題点を示す概略断面図であり、（ａ）は下地絶縁膜上に
密着層、バリアメタル層、高融点金属層、Ａｌ系金属
層、反射防止層およびレジストマスクを順次形成した状
態、（ｂ）は反射防止層とＡｌ系金属層をパターニング
して側壁保護膜が形成された状態、（ｃ）は続けて高融
点金属層と密着層、バリアメタル層をパターニングして
側壁変質膜が形成された状態、（ｄ）はレジストマスク
をアッシング除去してフェンス状残渣が形成された状態
である。

【符号の説明】

１ 絶縁膜 ２ 密着層 ３ バリアメタル層 ４ 高融点金属層 ５ Ａｌ系金属層 ６ 反射防止層 ７ レジストマスク ８、８ａ、８ｂ 側壁保護膜 ９ 不動態被膜 １０ 側壁変質膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/3213 C23F 1/00 - 4/04

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成さ
   れた構造を含む積層配線のパターニング方法において、 前記Ａｌ系金属層を少なくともＢｒ系ガスを含むガスで
   エッチングし、この後前記高融点金属層を少なくともＣ
   ｌ系ガスとＯ系ガスを含む混合ガスによりエッチングす
   ることを特徴とする、積層配線のパターニング方法。
2. 【請求項２】 高融点金属層上にＡｌ系金属層が形成さ
   れた構造を含む積層配線のパターニング方法において、 前記Ａｌ系金属層を少なくともＢｒ系ガスを含むガスで
   エッチングし、続けて前記Ａｌ系金属層パターン側面に
   不動態処理を施し、この後前記高融点金属層を少なくと
   もＣｌ系ガスとＯ系ガスを含む混合ガスによりエッチン
   グすることを特徴とする、積層配線のパターニング方
   法。
3. 【請求項３】 不動態処理は、酸化処理、窒化処理およ
   び炭化処理のうちのいずれかであることを特徴とする、
   請求項２記載の積層配線のパターニング方法。
4. 【請求項４】 エッチング時には、被エッチング基板を
   室温以下に制御することを特徴とする、請求項１または
   請求項２記載の積層配線のパターニング方法。
5. 【請求項５】 積層配線のパターン幅は、０．５μｍ以
   下であることを特徴とする、請求項１または請求項２記
   載の積層配線のパターニング方法。
6. 【請求項６】 前記高融点金属層は前記Ａｌ系金属層の
   エレクトロマイグレーションおよびストレスマイグレー
   ション対策用の冗長層であることを特徴とする、請求項
   １または請求項２記載の積層配線のパターニング方法。