(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、前記接続孔内に前記高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、
エッチングガス中に、堆積性化合物としてＣＳ2 およびＣ3 Ｓ2 のうちの少なくとも１種を添加して、前記高融点金属層をエッチバックすることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項２】
接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、前記接続孔内に前記高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、
少なくとも硫化炭素系化合物と、Ｎ系ガスとを含むエッチングガスを用いて、前記高融点金属層をエッチバックすることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項３】
接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、前記接続孔内に前記高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、
エッチングガス中に、堆積性化合物としてＣＳ2 およびＣ3 Ｓ2 のうちの少なくとも１種を添加して、前記高融点金属層の層厚方向の少なくとも１部をエッチングする第１のエッチバック工程と、
少なくともＦ系ガスとＨ系ガスとを含むエッチングガスを用いて、前記高融点金属層の層厚方向の残部をエッチングする第２のエッチバック工程を有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項４】
接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、前記接続孔内に前記高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、
少なくとも硫化炭素系化合物と、Ｎ系ガスとを含むエッチングガスを用いて、前記高融点金属層の層厚方向の少なくとも１部をエッチングする第１のエッチバック工程と、
少なくともＦ系ガスとＨ系ガスを含むエッチングガスを用いて、前記高融点金属層の層厚方向の残部をエッチングする第２のエッチバック工程を有することを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項５】
硫化炭素系化合物は、ＣＳ2 およびＣ3 Ｓ2 のうちの少なくとも１種であることを特徴とする、請求項２または４に記載の半導体装置の製造方法。
【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製造方法に関し、さらに詳しくは、ブランケットＣＶＤにより形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、接続孔内にコンタクトプラグを埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化、高性能化が進展するに伴い、半導体チップ上では配線部分が占有する面積の割合が増加する傾向にある。これによる半導体チップ面積の増大を避けるためには、多層配線およびコンタクト電極による層間接続が必須のプロセスとなっている。従来、電極・配線形成方法としては、ＡｌやＡｌ合金をスパッタリングにより形成することが広く行われてきた。しかし、上述のように配線の多層化が進展し、その結果として半導体基板の表面段差や接続孔のアスペクト比の増大が顕著となりつつある状況下においては、スパッタリングによる方法では、ステップカバレッジの不足による接続不良や断線が重大な問題となってきた。
【０００３】
そこで近年、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ等の高融点金属層やＡｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ等の金属を接続孔内に選択的に成長させて埋め込む、各種の選択ＣＶＤが提案されている。この選択ＣＶＤは、金属ハロゲン化物や金属カルボニル、有機金属化合物等のソースガスを、接続孔底部に露出する下層配線材料により還元して構成金属を選択的に析出させるものである。しかし、選択ＣＶＤはそのバッチ数を重ねると次第にその選択性が劣化し、層間絶縁膜上等、不所望の部位にも析出する傾向がある。また、ネイルヘッドと呼称される、一部の接続孔上における過剰成長部分のエッチバック除去の制御性に乏しいこと等の未解決の問題があり、未だ実用レベルに達していないのが現状である。
【０００４】
かかる実情に鑑み、選択ＣＶＤに代わって見直されつつあるのがブランケットＣＶＤによる電極・配線形成方法である。ブランケットＣＶＤは、成長下地面の化学的性質のいかんに関わらず、下地上全面に選択性無く析出することから、かかる名称が付けられる。一例として、接続孔が開口された層間絶縁膜の全面を被覆して、この接続孔を埋め込むようにＷ等の高融点金属層を形成するプロセスが代表例である。なお、ブランケットＣＶＤによるＷのコンタクトホール埋め込みに関して一般的な解説記事が、例えば月刊セミコンダクターワールド誌１９９０年１１月号２２０ページに掲載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ブランケットＣＶＤにより高融点金属層を接続孔内に埋め込んで平坦化し、いわゆるコンタクトプラグとして使用するためには、層間絶縁膜上にも堆積した不要の高融点金属層のエッチバックが当然必要となる。このエッチバック工程では、ウェハ面内における処理の均一性の観点から、例えば数１０％前後のオーバーエッチングを施すことが通常行われる。ところが、ブランケットＣＶＤ膜の厚さのばらつきや、エッチング装置のプラズマ密度の不均一等に起因して、エッチバック工程中の比較的早い時期に層間絶縁膜が露出する部分がある。この部分では、エッチング種の反応の相手、すなわち露出している高融点金属層の表面積の減少の結果、エッチング種の濃度が他の部分に比して相対的に上昇する。このため、この部分では局部的にエッチングレートが上昇し、せっかく続孔内に埋め込まれた高融点金属層やバリアメタルが大きく浸食される現象がしばしば見られる。このように、被エッチング層の露出面積の違いにより、エッチング速度ににばらつきが生じる現象は、一般にローディング効果と呼ばれる。
【０００６】
この問題を、図３（ａ）〜（ｃ）を参照して説明を加える。同図は従来のブランケットＣＶＤによる高融点金属層のエッチバック工程における問題点を説明する図である。図３（ａ）に示すように、不純物拡散層２を形成したＳｉ等の半導体基板１上に、この不純物拡散層２に臨む接続孔６を開口したＳｉＯ2 等からなる層間絶縁膜３を形成する。この基板全面を覆うように、ＴｉおよびＴｉＮを順次スパッタリングして密着層兼バリアメタル層４を形成し、この上にブランケットＣＶＤによりＷからなる高融点金属層５を形成する。高融点金属層５の表面は、一般的に微細な凹凸面となって形成される。これはブランケットＣＶＤは、微細な柱状結晶の集合体として成長が進むためである。つぎにエッチバック工程に移る訳であるが、このときＳＦ6 のようなフッ素系ガスを用いてエッチバックを行うと、高融点金属層５の薄い部分、あるいはエッチング速度が大きい領域においては、密着層兼バリアメタル層４が早い時期に露出し、露出面付近ではミクロに見てフッ素ラジカル（Ｆ* ）が過剰となる。この過剰のＦ* は、接続孔６に埋め込まれた高融点金属層５の平坦面に集中し、図３（ｂ）に示すように、オーバーエッチングを行っている間に大きな浸食部７を発生する。
【０００７】
さらにエッチング条件を変え、密着層兼バリアメタル層４をＣｌ系ガスでエッチバックすると、今度は層間絶縁膜３が早期に露出した部分でエッチング種が反応の相手を失うので、この部分でＣｌ* が過剰となる。過剰のＣｌ* は接続孔の側壁に形成されている密着層兼バリアメタル層４のわずかな露出面に集中しこれをアタックする。この結果、図２（ｃ）に示すように密着層兼バリアメタル層の深い浸食部８を形成するに至る。また、ブランケットＣＶＤによる高融点金属層の表面モホロジが、そのまま層間絶縁膜３の表面に転写され、層間絶縁膜３の表面に凹凸が形成される問題もある。
【０００８】
ここに述べたローディング効果によるエッチバック形状の不均一やコンタクトプラグ形状の悪化は、ブランケットＣＶＤによる高融点金属層を用いる多層配線プロセスの実用化をはばむ一因となっている。すなわち、コンタクトプラグに異常浸食部があると、上層配線との電気的接続が不完全なものとなり、抵抗値の上昇、オーミック性の低下、エレクトロマイグレーションの発生等が問題化する。また、コンタクトプラグを含め層間絶縁膜上に形成する上層配線の平坦性や平滑性が低下するので、上層配線のパターニングリソグラフィ時の露光光の乱反射によるレジストマスクの形状悪化も問題である。今後、被エッチング基板の大口径化が進展し、エッチング装置は枚葉式が主流になると考えられる。このため、スループットの低下を招かないように高密度プラズマを用いた高速エッチングが求められるが、枚葉式エッチング装置のプラズマ密度の均一性にも改善の余地が残されている状況を考えると、ローディング効果の影響を受けない高融点金属層のエッチバック方法の開発が急務となる。
【０００９】
そこで本発明の課題は、高融点金属層のエッチバックによりコンタクトプラグを形成する工程において、エッチバックにより接続孔内に埋め込んだ高融点金属層や層間絶縁膜の表面を平滑化し、さらにこの上層に形成する上層配線の表面をも平滑に形成できる半導体装置の製造方法を提供することである。上層配線の平滑化は、リソグラフィにおける露光光の乱反射を防止し、信頼性の高い多層配線構造を得る上で重要である。
【００１０】
また本発明の別の課題は、高融点金属層のエッチバックによりコンタクトプラグを形成する工程において、被エッチング基板全面にわたってコンタクトプラグ部の異常浸食を防止し、均一な処理が可能な半導体装置の製造方法を提供することである。またこれにより、被エッチング基板の全面において、平坦かつ平滑に埋め込まれた高融点金属のコンタクトプラグを形成し、信頼性の高い多層配線接続構造を有する半導体装置の製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、上述の課題を解決するために提案するものであり、接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、接続孔内に高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、エッチングガス中に、堆積性化合物としてＣＳ2 およびＣ3 Ｓ2 のうちの少なくとも１種を添加して、高融点金属層をエッチバックすることを特徴とするものである。この場合、実用的なエッチングレートを得るためには、硫化炭素系化合物にハロゲン系ガス、とりわけＦ系ガスを添加することが望ましい。
【００１２】
また本発明の半導体装置の製造方法は、接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、接続孔内に高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、少なくとも硫化炭素系化合物と、Ｎ系ガスとを含むエッチングガスを用いて、高融点金属層をエッチバックすることを特徴とするものである。Ｎ系ガスとしては、Ｎ2 、Ｎ2 Ｈ2 およびその誘導体、ＮＦ3 等を例示できる。
【００１３】
さらに本発明の半導体装置の製造方法は、接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、接続孔内に高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、エッチバックを２段階化し、エッチングガス中に、堆積性化合物としてＣＳ2 およびＣ3 Ｓ2 のうちの少なくとも１種を添加して、高融点金属層の層厚方向の少なくとも１部をエッチングする第１のエッチバック工程と、少なくともＦ系ガスとＨ系ガスとを含むエッチングガスを用いて、高融点金属層の層厚方向の残部をエッチングする第２のエッチバック工程を有することを特徴とするものである。Ｆ系ガスとしては特に限定するものではないが、ＳＦ6 、ＮＦ3 、ＣＦ4 、ＣｌＦ3 、ＸｅＦ2 、Ｆ2 等、プラズマ中にＦ* を放出しうる一般的なガスのことを言う。Ｈ系ガスとはＨ2 、Ｈ2 ＳおよびＳｉＨ4 等を例示できる。
【００１４】
さらにまた本発明の半導体装置の製造方法は、接続孔を有する層間絶縁膜上全面に形成された高融点金属層をエッチバックすることにより、接続孔内に高融点金属層を埋め込む工程を有する半導体装置の製造方法であって、エッチバックを２段階化し、少なくとも硫化炭素系化合物とＮ系ガスとを含むエッチングガスを用いて、高融点金属層の層厚方向の少なくとも１部をエッチングする第１のエッチバック工程と、少なくともＦ系ガスとＨ系ガスとを含むエッチングガスを用いて、高融点金属層の層厚方向の残部をエッチングする第２のエッチバック工程を有することを特徴とするものである。
【００１５】
本発明で用いる硫化炭素系化合物は、ＣＳ2 （ｂｐ＝４６．３℃）あるいはこれよりも蒸気圧が小さい化合物である、Ｃ3 Ｓ2 を例示できる。これらを単独または組み合わせて用いることが可能である。
【００１６】
【作用】
本発明の第１のポイントは、ＣＳ2 をはじめとする硫化炭素系化合物を含むエッチングガスを用いてＷ等高融点金属層の表面モホロジを修正し、平滑化しつつエッチバックを行う点にある。硫化炭素系化合物は、放電解離によりプラズマ中に遊離のイオウおよび炭素系ポリマを形成し、これらは被エッチング基板上に堆積する。これらの堆積物はブランケットＣＶＤにより凹凸を有する高融点金属層表面の凹孔内に残留する結果、平滑な表面が形成される。かかる堆積とエッチングとの競合により、高融点金属層表面を平滑化しながらエッチバックが進行するので、エッチバック後に下地材料層である密着層兼バリアメタル層や層間絶縁膜の表面に凹凸が生じることがない。この結果、後工程で形成する上層配線の形状も改善され、密着性や信頼性が向上する。イオウは、減圧雰囲気中では被エッチング基板が約９０℃以下であれば堆積することが可能であるが、安定した堆積のためには被エッチング基板を室温以下、さらに望ましくは、０℃程度に制御することが望ましい。
【００１７】
本発明の２番目のポイントは、硫化炭素系化合物とＮ系ガスとを含むエッチングガスを用いてＷ等高融点金属層の表面モホロジを修正し、平滑化しつつエッチバックを行う点にある。この場合には、硫化炭素系化合物は、前述したように放電解離によりプラズマ中に遊離のイオウを放出し、同じくＮ系ガスの解離により生じる原子状窒素と反応して窒化イオウ（ＳＮ）を発生する。窒化イオウは気相中で重合し、被エッチング基板上に（ＳＮ）n （ポリチアジル）となって堆積しする。ポリチアジルは、ブランケットＣＶＤにより凹凸を有する高融点金属層表面の凹孔内に残留する結果、平滑な表面が形成される。この状態でエッチバックを進めるので、平滑な表面が高融点金属層に転写され、下地材料層である密着層兼バリアメタル層や層間絶縁膜の表面に凹凸が生じることがない。この結果、後工程で形成する上層配線の形状も改善され、密着性や信頼性が向上する。ポリチアジルは、減圧雰囲気中では被エッチング基板が約１３０℃以下であれば堆積することが可能であるが、安定した堆積のためには被エッチング基板を室温以下、さらに好ましくは、０℃程度に制御することが望ましい。
【００１８】
本発明は上述したようにイオウまたはポリチアジル等のイオウ系材料を高融点金属層上に堆積して、その表面モホロジを改善しつつエッチバックすることを基本的な技術思想としている。本発明の最後のポイントは、上述した第１、第２のポイントに加えてエッチバックを２段階化し、オーバーエッチング工程においてはエッチングガスを切り替えてマイクロローディング効果を低減するものである。すなわち、第２のエッチバック工程においては、Ｆ系ガスとＨ系ガスとの混合ガスを採用し、プラズマ中のＦ* 濃度を低減し、ラジカル反応を抑制することにより、相対的にイオンモードを高めたエッチバックを施す。Ｈ2 、Ｈ2 ＳあるいはＳｉＨ4 等のシラン系化合物は、プラズマ中でＨ* やＳｉ* を生成し、これらのラジカルがＦ系ガスから生成するＦ* を捕捉してＨＦやＳｉＦx を形成してエッチング反応系外へ除去することが可能である。したがって、密着層兼バリアメタル層や層間絶縁膜等の下地材料層が露出した後においても、過剰となったラジカルが高融点金属層や密着層兼バリアメタル層に集中することがなく、マイクロローディング効果が抑制される。
【００１９】
エッチバック終了後、被エッチング基板上に残留したイオウは、被エッチング基板を加熱することにより昇華除去されるので、残渣として残ることはなく、コンタミネーションやパーティクル汚染源となる虞れは無い。昇華温度は減圧雰囲気中でイオウは約９０℃以上、ポリチアジルは約１３０℃以上である。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の具体的実施例につき、図面を参照して説明する。
【００２１】
実施例１
本実施例は、ブランケットＣＶＤにより形成したＷ層のエッチバックを、ＣＳ2 ／ＳＦ6 混合ガスにより、１ステップで行った例である。このプロセスを図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。なお、同図においては図３で説明した部分と同様の箇所については同じ参照番号を付し、その重複する説明は省略する。
【００２２】
まず図１（ａ）に示すように、予め不純物拡散層２を形成したＳｉ等の半導体基板１上に、ＳｉＯ2 等の層間絶縁膜３を形成し、この不純物拡散層に臨む接続孔６を開口する。なお、層間絶縁膜３の厚さは例えば０．７μｍ、接続孔６の開口径は０．３５μｍとする。次に全面にＴｉとＴｉＮをこの順にスパッタリングしてコンフォーマルな密着層兼バリアメタル層４を被着する。密着層兼バリアメタル層４の厚さは合わせて例えば７０ｎｍである。さらに、接続孔６を埋め込みかつ層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４をも被覆して略平坦な表面を形成するごとく、ブランケットＣＶＤによりＷからなる高融点金属層５を形成する。このブランケットＣＶＤは、一例として下記条件によった。まず、
ＷＦ6                   ２５  ｓｃｃｍ
ＳｉＨ4                 １０  ｓｃｃｍ
ガス圧力        １．１×１０4 Ｐａ
基板温度              ４７５  ℃
の条件で２０秒間、Ｗの核形成を行った後、
ＷＦ6                   ６０  ｓｃｃｍ
Ｈ2                   ３６０  ｓｃｃｍ
ガス圧力        １．１×１０4 Ｐａ
基板温度              ４７５  ℃
の条件に切り替えて堆積する。なお、密着層兼バリアメタル層上の高融点金属層５の厚さは、例えば０．３μｍである。このようにして形成された高融点金属層５の表面は、図示されるように粗い表面モホロジを有しており、また接続孔の直上には、成長表面の合わせ目であるシームが形成されている。この段階まで形成した試料を被エッチング基板とする。
【００２３】
次に本発明の特徴部分であるエッチバック工程に入る。この被エッチング基板を基板バイアス印加型有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置の基板ステージ上にセットし、一例として下記条件で高融点金属層５のエッチバックを行う。
ＣＳ2                   ２５  ｓｃｃｍ
ＳＦ6                   ２５  ｓｃｃｍ
ガス圧力              １．３  Ｐａ
マイクロ波パワー      ８５０  Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー    ２００  Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度    常温
このエッチバック工程においては、ＣＳ2 の解離により生成するイオウ、およびＣＳ2 とＳＦ6 の解離により合成されるＣＦ系ポリマが高融点金属層５の表面に堆積し、これらの堆積物層７は、図１（ｂ）に示すように高融点金属層５表面の微細な凹凸を吸収して平滑な表面を形成しつつ、エッチングが進行する。
【００２４】
高融点金属層５のエッチング反応は、ＳＦ6 の放電解離により大量に生成するＦ* をメインエッチャントとするラジカル反応が、ＳＦx + 等のイオン入射にアシストされる機構で進行する。またエッチングと競合して堆積するイオウやＣＦ系ポリマは、ＳＦx やＣＦx の形で再びエッチング除去されるので、高融点金属層５と堆積物層７とは同時にエッチバックが進行し、ジャストエッチングが終了する段階では高融点金属層５の表面は極めて平滑となっている。この状態を図１（ｃ）に示す。
【００２５】
本実施例においては、このまま同一エッチング条件でオーバーエッチングを続行し、接続孔６内に高融点金属層５を平坦に埋め込む。この状態を図２（ｄ）に示す。
【００２６】
次に、層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４を必要に応じ、一例として下記条件でエッチバックする。
Ｃｌ2                   ４０  ｓｃｃｍ
Ｏ2                     １０  ｓｃｃｍ
ガス圧力              １．３  Ｐａ
マイクロ波パワー      ８５０  Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー    ２００  Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度    常温
密着層兼バリアメタル層４のエッチングは高融点金属層５や層間絶縁膜３との選択性を保って進行し、この結果、図２（ｅ）に示すように接続孔６内は高融点金属層５と密着層兼バリアメタル層４により平坦に埋め込まれ、浸食部の発生はみられなかった。
【００２７】
本実施例によれば、ＣＳ2 を含むエッチングガスを採用し、イオウの堆積を用いつつ高融点金属層を１ステップでエッチバックすることにより、平坦な埋め込み表面を有するコンタクトプラグが形成できる。
【００２８】
実施例２
本実施例は、ブランケットＣＶＤにより形成したＷ層のエッチバックを、ＣＳ2 ／ＳＦ6 ／Ｎ2 混合ガスにより１ステップで行った例である。このプロセスも図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。なお、図１（ａ）に示す本実施例の被エッチング基板と、エッチング装置は実施例１と同じであるので重複する説明を省略する。
【００２９】
図１（ａ）に示す被エッチング基板を、基板バイアス印加型有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置の基板ステージ上にセッティングし、一例として下記条件により高融点金属層５をエッチバックする。なお本プラズマエッチング装置の基板ステージは、エタノール冷媒等により被エッチング基板を冷却できるものである。
ＣＳ2                   ２０  ｓｃｃｍ
ＳＦ6                   ２０  ｓｃｃｍ
Ｎ2                     ３０  ｓｃｃｍ
ガス圧力              １．３  Ｐａ
マイクロ波パワー      ８５０  Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー    ２００  Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度      ０  ℃
このエッチバック工程においては、ＣＳ2 の解離により生成するイオウと、Ｎ2 の放電解離により供給される原子状Ｎとによりチアジルが形成され、これは重合しながら被エッチング基板上に堆積する。堆積物にはＣＳ2 とＳＦ6 の解離により合成されるＣＦ系ポリマも含まれる。これらの堆積物層７は、図１（ｂ）に示すように高融点金属層５表面の微細な凹凸を吸収して平滑な表面を形成しつつ、エッチングが進行する。
【００３０】
高融点金属層のエッチング反応は、ＳＦ6 の放電解離により大量に生成するＦ* をメインエッチャントとするラジカル反応が、ＳＦx + 等のイオン入射にアシストされる機構で進行する。またエッチングと競合して堆積するポリチアジルやＣＦ系ポリマは、直ちにエッチング除去されるので、高融点金属層５と堆積物層７とは同時にエッチバックが進行し、ジャストエッチングが終了する段階では高融点金属層５の表面は極めて平滑となっている。この状態を図１（ｃ）に示す。
【００３１】
本実施例においては、このまま同一エッチング条件でオーバーエッチングを施し、接続孔６内に高融点金属層５を平坦に埋め込む。本実施例では被エッチング基板を低温冷却していることでラジカル反応が抑制されているので、ローディング効果による異常浸食も効果的に防止される。この状態を図２（ｄ）に示す。
【００３２】
次に、層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４を必要に応じて前実施例と同条件でエッチバックし、図２（ｅ）に示すようにコンタクトプラグが完成する。本実施例によれば、ＣＳ2 とＮ2 とを含むエッチングガスを採用し、ポリチアジルの堆積を用いつつ高融点金属層を１ステップでエッチバックすることにより、平坦で異常浸食のない埋め込み表面を有するコンタクトプラグが形成できる。
【００３３】
実施例３
本実施例はエッチバックを２ステップ化し、ＣＳ2 とＮ2 を含む混合ガスでジャストエッチングした後、Ｓ2 Ｆ2 とＨ2 Ｓとの混合ガスによりオーバーエッチングを施した例である。本実施例も図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ｄ）〜（ｅ）を参照して説明する。
【００３４】
図１（ａ）に示す前述した被エッチング基板を、基板バイアス印加型有磁場マイクロ波プラズマエッチング装置の基板ステージ上にセッティングし、一例として下記第１のエッチバック条件により高融点金属層５をエッチングする。なお本プラズマエッチング装置の基板ステージも、エタノール冷媒等により被エッチング基板を必要に応じて冷却できるものである。
ＣＳ2                   ２０  ｓｃｃｍ
ＳＦ6                   ３０  ｓｃｃｍ
Ｎ2                     ２０  ｓｃｃｍ
ガス圧力              １．３  Ｐａ
マイクロ波パワー      ８５０  Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー    ２００  Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度    常温
この第１のエッチバック工程は、エッチングレートを優先したバルクエッチング工程であるが、エッチングおよび平滑化の機序は前実施例２に準拠するものである。ポリチアジルおよびＣＦ系ポリマからなる堆積物層７は、図１（ｂ）に示すように高融点金属層５表面の微細な凹凸を吸収して平滑な表面を形成しつつ、エッチングが進行する。
【００３５】
高融点金属層のエッチング反応は、ＳＦ6 の放電解離により大量に生成するＦ* をメインエッチャントとするラジカル反応が、ＳＦx + 等のイオンにアシストされる機構で進行する。またエッチングと競合して堆積するポリチアジルやＣＦ系ポリマは、直ちにエッチング除去されるので、高融点金属層５と堆積物層７とは同時にエッチバックが進行し、ジャストエッチングが終了する段階では高融点金属層５の表面は極めて平滑となっている。本第１のエッチバック工程の終点決定は、予め上述したエッチング条件による高融点金属層のエッチングレートを測定しておき、時間制御により行った。この状態を図１（ｃ）に示す。層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４上には、高融点金属層５の残余部が存在するが、密着層兼バリアメタル層４が１部露出するまで第１のエッチバック工程を継続してもよい。
【００３６】
次に、第２のエッチバック工程ではエッチング条件を下記のように切り替え、高融点金属層の残余部をエッチバックし、層間絶縁膜３上の密着層兼バリアメタル層４が全て露出した時点で停止する。
Ｓ2 Ｆ2                 ２０  ｓｃｃｍ
Ｈ2 Ｓ                  ３０  ｓｃｃｍ
ガス圧力              １．３  Ｐａ
マイクロ波パワー      ８５０  Ｗ（２．４５ＧＨｚ）
ＲＦバイアスパワー    ２００  Ｗ（２．０ＭＨｚ）
被エッチング基板温度  −３０  ℃
本エッチング工程では、Ｓ2 Ｆ2 の解離により生じるＦ* が、Ｈ2 Ｓの解離で生じるＨ* に捕捉され、ＨＦの形でエッチング系外へ除去されるのでラジカル反応が低減されていること、同じくＳ2 Ｆ2 とＨ2 Ｓの放電解離によりプラズマ中に生成するイオウが被エッチング基板上に堆積し、エッチングと堆積の競合反応を伴うこと、および被エッチング基板の低温冷却により、ここでもラジカル反応が抑制されていること等の効果により、高融点金属層５のエッチングレートは大幅に低下する。したがって、層間絶縁膜４上の高融点金属層５の残余部が消失した段階においても、接続孔６内部に埋め込まれた高融点金属層５にＦ* が集中して異常浸食が発生することはなく、ローディング効果が防止される。この結果、図２（ｄ）に示すように、接続孔６内には高融点金属層５が平坦に埋め込まれ、異常浸食の発生はなかった。また高融点金属層５の残余部の厚さは僅かであるので、エッチングレートが低下するとはいえ、エッチバック工程全体のスループットに影響を与えることはない。
【００３７】
高融点金属層５のエッチバック終了後、必要に応じて層間絶縁膜３上に露出している密着層兼バリアメタル層４を実施例１と同じエッチング条件で除去し、図２（ｅ）に示すように接続孔６内は高融点金属層５と密着層兼バリアメタル層４により平坦に埋め込まれ、浸食部の発生はみられなかった。
【００３８】
本実施例によれば、高速の第１のエッチバック工程と、ローディング効果のない第２のエッチバック工程とを組み合わせることにより、スループットに優れ、また平坦性に富んだコンタクトプラグの形成が可能であので、極めて実用的なプロセスを実現できる。
【００３９】
また、本実施例の第１エッチバック工程では、ＣＳ2 ／ＳＦ6 ／Ｎ2 の混合ガスを用いたが、Ｎ2 を除外してＣＳ2 ／ＳＦ6 混合ガスを用いてもよい。この場合は被エッチング基板上に堆積するイオウ系材料はポリチアジルではなくイオウである。
【００４０】
ところで、上述の実施例３では前段のバルクエッチング工程と後段のオーバーエッチング工程とでは被エッチング基板温度が異なっている。そこで、基板温度の昇温・降温に要する時間により、スループットを低下させないためには、基板ステージの設定温度が異なる複数のエッチングチャンバをゲートバルブを介して接続し、高真空中で搬送可能なマルチチャンバシステムを採用することが望ましい。あるいは、本願出願人が先に出願した特願平３−３０１２７９号明細書で開示したように、冷却手段を有する固定電極と、加熱手段を有する上下可動電極とを組み合わせた基板ステージを装備したエッチング装置を使用すれば、単一のチャンバ内で短時間のうちに連続処理が可能であり、スループット低減に極めて有効である。
【００４１】
以上、本発明を３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ものではない。
【００４２】
例えば、実施例中では接続孔内への高融点金属層の埋め込みによるコンタクトプラグの形成プロセスを例にとって説明したが、下層配線上の層間絶縁膜に形成したヴァイアホール内への埋め込みプロセスに応用してもよい。また接続プラグのみならず、ブランケットＣＶＤを用いる各種電極・配線の形成にも適用しうる。
【００４３】
高融点金属層５としてＷを例示したが、Ｍｏ、Ｔａ等他の高融点金属やそのシリサイドであってもよい。また密着層兼バリアメタル層４はＴｉ／ＴｉＮを例示したが、ＴｉＯＮ、ＴｉＷ、ＴｉＳｉx 等、下地や高融点金属層の材料に応じて各種材料を適宜選択してよい。もちろん、半導体デバイスの構造によっては密着層兼バリアメタル層は必要としない場合もあり、高融点金属層のみによるコンタクトプラグ形成に本発明を適用しても極めて効果的である。
【００４４】
硫化炭素系化合物として、ＣＳ2 の他にＣ3 Ｓ2 も使用できる。Ｃ3 Ｓ2 はＣＳ2 より蒸気圧が小さいので、バブラを加熱しながらＨｅ等でバブリングして用いればよい。エッチングチャンバへの導入配管中での露結を防止するため、配管加熱は必要である。
【００４５】
フッ素系ガスとしては実施例で例示したＳＦ6 の他にＮＦ3 、ＣｌＦ3 、ＸｅＦ2 等Ｆ原子を有する化合物を使用できる。その他、添加ガスとしてＨｅ、Ａｒ等希ガスを用いればスパッタリング、冷却、希釈および放電の安定性等の各効果を期待できる。
【００４６】
さらに、使用するエッチング装置、エッチング条件、被エッチング基板の構成等は適宜変更可能であることは言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、高融点金属層のエッチバックにおいて硫化炭素系化合物を含むエッチングガスを採用することにより、高融点金属層の表面モホロジを修正しながらエッチングを進行することができる。これにより、接続孔内に埋め込まれたコンタクトプラグの表面平滑化はもとより、層間絶縁膜上の密着層兼バリアメタル層や層間絶縁膜表面も平滑性が損なわれることがない。このため、さらにこの上層に形成する上層配線の表面をも平滑に形成でき、リソグラフィにおける露光光の乱反射を防止し、信頼性の高い多層配線が得られる。
【００４８】
また、エッチバック工程を２段階化し、オーバーエッチング工程においてはＦ系ガスとＨ系ガスとの混合ガスを用いれば、極めて効果的にローディング効果を抑制でき、コンタクトプラグ部分の異常浸食を防止できる。このため、上層配線を設けたときのコンタクト抵抗値の低減、オーミック性の向上、エレクトロマイグレーションの低減等、信頼性の高い多層配線構造を有する半導体装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した実施例１、２および３の前半の工程を説明する概略断面図であり、（ａ）は接続孔を有する基板上全面に密着層兼バリアメタル層および高融点金属層を形成した状態であり、（ｂ）は高融点金属層上に堆積物層を形成しつつエッチバックしている状態、（ｃ）は高融点金属層のジャストエッチング工程が終了した状態である。
【図２】本発明を適用した実施例１、２および３の後半の工程を説明する概略断面図であり、（ｄ）は高融点金属層のオーバーエッチング工程が終了した状態であり、（ｅ）は密着層兼バリアメタル層をエッチバックしてコンタクトプラグが完成した状態である。
【図３】ブランケットＣＶＤによる高融点金属層のエッチバックにおける、従来のプロセスの問題点を説明する図であり、（ａ）は接続孔を有する基板上全面に密着層兼バリアメタル層および高融点金属層を形成した状態であり、（ｂ）はマイクロローディング効果により高融点金属層の異常浸食が発生した状態、（ｃ）は密着層兼バリアメタル層除去時に異常浸食が発生した状態である。
【符号の説明】
１      半導体基板
２      拡散層
３      層間絶縁膜
４      密着層兼バリアメタル層
５      高融点金属層
６      接続孔
７      堆積物層
【図１】
0003678791.tif 000002
【図２】
0003678791.tif 000003
【図３】
0003678791.tif 000004