(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電層を有する半導体基板上の層間絶縁膜に、前記導電層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔を含む前記層間絶縁膜上にチタン系のバリアメタル膜を形成する工程と、この工程後、前記接続孔を埋め込むと共に前記層間絶縁膜上にタングステン系金属膜を形成する工程と、前記接続孔以外のバリアメタル膜及び金属膜を、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとを混合した反応性ガスを用いて、ケミカルドライエッチングによりエッチング除去する工程とを具備し、前記エッチング除去工程において前記半導体基板温度を１５０℃〜２５０℃の間に保持し、前記反応性ガスの混合比において前記酸素ガスの割合を４２％〜８０％以内とし、前記接続孔以外の前記バリアメタル膜及び前記金属膜を実質的に同じ速度でエッチングして、前記接続孔内部以外のタングステン系金属膜を高速に、且つこの接続孔の中心部に形成された膜の合わせ目が拡大しないようにエッチングすることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記バリアメタル膜は、前記接続孔内壁上の厚さを前記接続孔底面上の厚さ及び前記層間絶縁膜上の厚さのいずれよりも薄くすることを特徴とする請求項１に記載のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ドライエッチング方法に係り、とくに半導体基板上の導電層に達する接続孔以外の層間絶縁膜上に形成されたチタン系バリアメタル膜とタングステン系金属膜とをエッチング除去して接続孔内に接続用金属を埋め込み形成する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造において、半導体基板上の抵抗層や下層配線などの導電層に達する層間絶縁膜の接続孔内に接続用金属膜を埋め込み形成する場合、以下のような工程で形成される。まず、導電層を含む半導体基板上に層間絶縁膜を形成し、次に所定のパターンを有するフォトレジスト等のマスクを用いてこの層間絶縁膜をドライエッチング方法などによりエッチングして導電層に達する接続孔を形成する。その後バリアメタルと呼ばれるチタン膜とチタン化合物膜の複合膜又はチタン化合物膜などをスパッタリングなどにより接続孔内及び層間絶縁膜上に成膜させる。さらにタングステン膜をＣＶＤ(Chemical Vapour Deposition)方法などにより接続孔内を埋め込むように層間絶縁膜上に成膜させる。そこで次に、接続孔内以外のタングステン膜とバリアメタル膜を除去することによりバリアメタル膜とタングステン膜からなる金属膜を接続孔に埋め込むことができる。この技術としてケミカルドライエッチング（ＣＤＥ;Chemical Dry Etching)方法が知られており、これの方法により接続孔内以外のタングステン膜を除去し、その後、ＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing) 法により層間絶縁膜上のバリアメタル膜をＣＭＰポリッシング除去する２段階方式によっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法で用いられるＣＭＰ法では層間絶縁膜にスクラッチと呼ばれる傷が付くことがあった。一方、ＲＩＥ法では、プラズマ中で生成された荷電粒子が自己バイアスで加速されて、被エッチング膜に入射する為、被エッチング膜の下地にイオン打ち込みによる汚染や結晶の乱れによるダメージが生じるという問題点がある。このような従来の方法では、ＲＩＥ法であってもＣＤＥ法であってもバリアメタル膜が残るので、さらにＣＭＰ法などにより残りを除去する工程を経なければ金属膜の埋め込み工程を完了させることはできなかった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、半導体基板の層間絶縁膜に接続孔を形成し、バリアメタル膜の上に設けられた金属膜を形成した後、接続孔以外のバリヤメタル膜及び金属膜を接続孔中心部の合わせ目の拡大がないように１つの工程でエッチング除去することにより接続孔内部に金属膜を埋め込むドライエッチング方法を提供する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板の層間絶縁膜をエッチングして接続孔を形成し、この接続孔内部及び層間絶縁膜上に少なくとも２層以上からなる金属膜を形成した後、接続孔以外の金属膜をエッチング除去することにより接続孔内部に金属孔を埋め込むドライエッチング方法において、反応性ガスとして、フッ素原子を含むガスと、酸素原子を含むガスとを混合したガスを用いて接続孔以外の金属膜を各層とも実質的に同じエッチング速度でエッチングすることを特徴としている。
本発明によれば、反応性ガスとしてフッ素原子を含むガスと酸素ガスとの混合ガスを所定の割合で基板温度を高温にすることにより、接続孔以外に堆積されているバリアメタル膜及びその上の金属膜を各層とも実質的に同じエッチング速度でエッチング除去して金属膜を接続孔内に埋め込みその表面を平坦化することができる。
【０００５】
すなわち、本発明のドライエッチング方法は、導電層を有する半導体基板上の層間絶縁膜に、前記導電層に達する接続孔を形成する工程と、前記接続孔を含む前記層間絶縁膜上にチタン系のバリアメタル膜を形成する工程と、この工程後、前記接続孔を埋め込むと共に前記層間絶縁膜上にタングステン系金属膜を形成する工程と、前記接続孔以外のバリアメタル膜及び金属膜を、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとを混合した反応性ガスを用いて、エッチング除去する工程とを具備し、前記エッチング除去工程において前記半導体基板温度を１５０℃〜２５０℃の間に保持し、前記反応性ガスの混合比において前記酸素ガスの割合を４２％〜８０％以内とし前記接続孔以外の前記バリアメタル膜及び前記金属膜を実質的に同じ速度でエッチングし、前記反応性ガスを用いてケミカルドライエッチングを行うことにより、前記接続孔内部以外のタングステン系金属膜を高速に、且つこの接続孔の中心部に形成された膜の合わせ目が拡大しないようにエッチングをすることを特徴としている。
【０００６】
前記バリアメタル膜は、前記接続孔内壁上の厚さを前記接続孔底面上の厚さ及び前記層間絶縁膜上の厚さのいずれよりも薄くするようにしても良い。
前記フッ素原子を含むガスは、ＣＦ4 、Ｃ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、ＮＦ3 及びＳＦ6 の中から選択されるようにしても良い。また、前記半導体基板温度を１５０℃以上にしても良い。これらの温度範囲では前記金属膜を構成するタングステン膜及び窒化チタン膜のエッチング速度が同じか両者は近い値を示している。また、前記酸素ガスの前記反応ガスに対する割合を４２％〜８０％にすることにより前記金属膜を構成するタングステン膜及び窒化チタン膜のエッチング速度が同じか両者は近い値を示す。前記バリアメタル膜を前記接続孔内壁上の厚さを前記接続孔底面上の厚さ及び前記層間絶縁膜上の厚さのいずれよりも薄くするようにすることにより、バリアメタル膜の薄い部分に堆積されたタングステン膜もしくはタングステン化合物膜がエッチングされ難い結晶質で形成されるので、接続孔中心部の合わせ目の拡大がないようにエッチングされる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図１乃至図８を参照して第１の実施例を説明する。
図１は、本発明の実施例に適用される放電分離型ケミカルドライエッチング装置の概略断面図である。このケミカルドライエッチング装置において、エッチング処理は、真空容器１内で行われる。真空容器１のエッチング室２内には、シリコンウェーハなどの被処理物３を載置する載置台４が設けられている。この載置台４は、電熱器や誘導加熱装置などを熱源とする温度調節機構（図示せず）を有しており、その上に載置された被処理物３の温度を制御できるようになっている。真空容器１の天壁には、ガス導入管５が接続されており、その先には、放電管６が接続されている。放電管６の一端は、ガス導入管５に接続されているが、他端は、ガス導入口７になっている。ガス導入口７からは、反応ガスが導入される。放電管６には、マイクロ波導波管８が接続されている。ガス導入口７からガスが導入され、マイクロ波導波管８よりマイクロ波（図示せず）が印可されて放電管６内にプラズマが発生する。このプラズマによってガスが活性化された後、被処理物３がセットされているエッチング室２に導入され、被処理物３が活性化された反応ガスによりエッチングされる。被処理物３と反応した反応ガスは、排気口９からエッチング室２の外に排気される。
【０００８】
図２は、半導体基板上に形成された本発明の方法によりエッチング処理する金属膜の構成を示す断面図である。この実施例では被処理物３としてシリコン半導体基板１００を用いる。シリコン半導体基板１００の上に形成された絶縁膜１０２を介して下層配線１０１が形成されており、下層配線１０１上にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）１０が形成されている。このシリコン酸化膜１０をフォトレジスト（図示せず）で被覆し、これをパターニングンして、パターニングされたフォトレジストをマスクとしてシリコン酸化膜１０をドライエッチングして接続孔１４を形成する。接続孔１４内部には下層配線１０１が露出している。次に、シリコン酸化膜１０上及びその接続孔１４内にチタン（Ｔｉ）膜１１と窒化チタン（ＴｉＮ）膜１２とを順次スパッタリング法又はＣＶＤ法などで形成する。その後、タングステン（Ｗ）膜１３をＣＶＤ法を用いて形成する。
【０００９】
図３は、図１に示した放電分離型ケミカルドライエッチング装置を用いて図２に示す金属膜をエッチングしたときのエッチング速度（エッチングレート）のガス流量比依存性を示す特性図である。縦軸は、金属膜を構成する各層に対する反応ガスのエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）を表わし、横軸は、反応ガスの酸素ガスのガス流量比比（Ｏ2 ／Ｏ2 ＋ＣＦ4 ）を表わす。反応性ガスとしては、ＣＦ4 ＋０2 ガスを用いる。図は、ＣＦ4 ガスと０2 ガスの総ガス流量を３００ｓｃｃｍ、マイクロ波パワーを７００Ｗ、圧力を３０Ｐａとし、この条件で半導体基板が搭載されている載置台の温度を２５０℃、２００℃、１５０℃、１００℃としたときのＯ2 ガス流量をＣＦ4 ガスとＯ2 ガスの総ガス流量に対する割合で表し、これを３６体積％から８０体積％まで変化させた場合の金属膜を構成するタングステン膜（■−■曲線（２００℃及び２５０℃）、▼−▼曲線（１５０℃）及び▲−▲曲線（１００℃））及び窒化チタン膜（□−□曲線（２００℃及び２５０℃）、▽−▽曲線（１５０℃）及び△−△曲線（１００℃））のエッチングレートを示している。タングステン膜のエッチング速度は、温度（１００℃、１５０℃、２００℃及び２５０℃）によらずＮ０2 ガスの割合が５０％の場合に最大となる。また、１５０℃〜２５０℃では４２％から８０％では窒化チタン膜とタングステン膜のエッチング速度がほぼ同じとなる（両者の違いは高々１７５ｎｍ／ｍｉｎである）。１００℃では、ＴｉＮのエッチングレートがＷに比べて低く、８０％以上で同じになるが、エッチングレートが１００ｎｍ／ｍｉｎと低すぎて実用にならない。このことから、反応ガスにおけるＯ2 ガスの割合は、４２体積％から８０体積％であることが望ましい。
【００１０】
図４は、金属膜を構成するタングステン膜と窒化チタン膜のエッチング速度温度依存性を示す特性図である。縦軸は、金属膜を構成する各層に対する反応ガスのエッチングレート（ｎｍ／ｍｉｎ）を表わし、横軸は、載置台の温度（１０００／Ｔ（＝Ｋ）、Ｃ（℃）＝（１０００／Ｋ）−２７３．１６）を表わしている。タングステン膜（■−■曲線）のエッチングレートは、２００℃まで直線的に上昇するが、２００℃以上では供給律速反応になっているため、タングステン膜のエッチング速度は一定となる。窒化チタン膜（□−□曲線）のエッチング速度は１００℃ではタングステン膜のエッチング速度と比較して遅いために前記の電気特性の面から考えて実用的ではない。
【００１１】
次に、図５を参照してバリアメタル膜上に形成された接続孔内のタングステン膜に形成される接続孔中心部の合わせ目について説明する。図５は、半導体基板上に形成された本発明の方法によりエッチング処理される金属膜の構成を示す断面図である。シリコン半導体基板１００上には絶縁膜１０２を介して下層配線１０１が形成され、さらに下層配線１０１上にはシリコン酸化膜１０が形成されている。このシリコン酸化膜１０は、ドライエッチングによりパターニングされて接続孔１４が形成されている。接続孔１４内部には下層配線１０１が露出している。シリコン酸化膜１０上及びその接続孔１４内にはチタン膜１１と窒化チタン膜１２とが順次スパッタリング法又はＣＶＤ法などで形成されている。その後、窒化チタン膜１２の上にタングステン膜１３をＣＶＤ法を用いて堆積させる。タングステン膜は、ＣＶＤ法を用いるので、シリコン酸化膜１０形状に沿って堆積される。接続孔１４内の側壁では、水平方向から堆積されていき、その成長は接続孔１４の中心部で止まる。したがって、接続孔１４の中心部にタングステン膜１３の合わせ目１５が形成される。
等方性エッチングである放電分離型ケミカルドライエッチング方法では、タングステン膜表面から等方的にエッチングされることから、前記接続孔１４の中心部の合わせ目１５もエッチングされ、この部分は拡大していく。
【００１２】
次に、図６を参照して、この実施例で行われた接続孔内への金属膜の埋め込みにより形成された接続孔内の金属膜を構成するタングステン膜形状について説明する。図は、半導体基板の断面図である。タングステン膜の形状はエッチング時の半導体基板の温度によって異なる。図では半導体基板温度が２５℃、１００℃、１５０℃、２５０℃の時の接続孔内のタングステン膜の形状を示している。シリコン酸化膜とタングステン膜の間に介在するこれも金属膜を構成するバリアメタル膜の表示は省略している。この時のエッチング条件は、半導体基板温度を種々変えた以外は、図３の条件と同じである。
【００１３】
まず、図２に示す下層配線１０１上の金属膜１３の接続孔内以外の部分を上記の条件でエッチング除去する。半導体基板温度が２５℃で行ったエッチングで接続孔内に埋め込まれたタングステン膜の形状は、接続孔上部中心に巣状の穴が発生している。これは、図５に示す接続孔中心の合わせ目１５がエッチングされて拡大していることを示している。次に、半導体基板温度が１００℃で行ったエッチングで接続孔内に埋め込まれたタングステン膜の形状は、接続孔上部中心に巣状の穴が発生しているが、その大きさは半導体基板温度が２５℃のときより小さくなっている。つまり、タングステン膜表面の平坦化が進んでいる。次に、半導体基板温度が１５０℃及び２５０℃で行ったエッチングで接続孔内に埋め込まれたタングステン膜の形状は、接続孔上部中心に巣状の穴が殆どなくなり、実質的にタングステン膜表面は平坦化されている。接続孔上部中心の合わせ目のエッチングを抑制するのは半導体基板温度に影響しており、温度１５０℃以上もしくは１５０℃〜２５０℃で接続孔中心部のエッチングを抑制できることがわかる。すなわち半導体基板温度を所定温度以上に上げることによって接続孔内に形成されたタングステン膜の合わせ目の拡大を抑制することができる。
【００１４】
次に、図７を参照して、上記エッチング処理の中で、エッチング合わせ目が拡大しない本発明のエッチング方法による半導体基板上の接続孔内の金属膜の状態を説明する。図７（ａ）は、図２と同じ構造の金属膜の断面図、図７（ｂ）は、エッチング処理終了後の金属膜の断面図である。シリコン半導体基板１００上の絶縁膜１０２を介して形成された下層配線１０１上には接続孔１４を有するシリコン酸化膜１０が形成されている。接続孔１４内部には下層配線１０１が露出している。シリコン酸化膜１０上及びその接続孔１４内にはチタン膜１１と窒化チタン膜１２とが順次スパッタリング法又はＣＶＤ法などで形成されている。窒化チタン膜１２の上にタングステン膜１３がＣＶＤ法を用いて堆積されている。金属膜は、これらチタン膜１１、窒化チタン膜１２及びタングステン膜１３から構成されている（図７（ａ））。
【００１５】
この実施例では、金属膜は、次のような条件でエッチングを行う。まず、反応性ガスとしては、ＣＦ4 ＋０2 ガスを用いる。ＣＦ4 ガスと０2 ガスの総ガス流量を３００ｓｃｃｍ、マイクロ波パワーを７００Ｗ、圧力を３０Ｐａとし、この条件で半導体基板が搭載されている載置台の温度を１００℃〜２５０℃のいずれかの温度に設定する。Ｏ2 ガス流量は、ＣＦ4 ガスとＯ2 ガスの総ガス流量に対する割合で４２％から８０％までのいづれかの値に設定する。このような条件で金属膜をエッチングすると、金属膜を構成する各層１１、１２、１３はほぼ同じエッチングレートでエッチングされ、しかも接続孔上部中心に合わせ目のないほぼ平坦な金属膜が接続孔１４に埋め込まれる。図に示すように、金属膜の表面は幾分シリコン酸化膜の表面より低くなっている。つまり、金属膜はエッチングにより多少深く掘り込まれることになる（図７（ｂ））。この半導体基板は、後工程において、シリコン酸化膜の上に配線を形成し、この配線を前記金属膜に接続して、配線と半導体基板とを電気的に接続し、さらに後工程を行って半導体装置を形成する。
【００１６】
次に、図８を参照して、接続孔上部中央のタングステン膜の合わせ目の拡大を抑制する方法を説明する（下層配線の記載は省略する）。この実施例で用いた放電分離型ケミカルドライエッチング方法において、ＣＦ4 ガスとＯ2 ガスを放電させて得られるフッ素ラジカルの活性種でエッチングすると、タングステン膜１３の表面からエッチングが進行するため、接続孔１４の上部がエッチングされるのと接続孔１４の中心がエッチングされるのとがほぼ同時に進行する。その結果接続孔上部のタングステン膜１３がエッチングされてなくなったときに接続孔１４の中心にも巣状の穴が生じる。タングステン膜自体は酸化され易いので表面に酸化層が形成される。したがって、フッ素ラジカルによるエッチングではタングステン及び酸化タングステンとフッ素ラジカルとの反応によりＷＦ6 及びＷＯＦ4 が形成され、これらは蒸気圧が高いので容易にエッチングされ、タングステン膜の表面からエッチングが進行して接続孔中心に巣ができる。この現象は、半導体基板を２５℃に維持するような低温プロセス（図８（ａ））では顕著に発生するが、１５０℃を越える高温プロセス（図８（ｂ））では半導体基板の温度を上げることによって、タングステン膜１３と放電によって生成されたラジカルとの反応確率が上がり、タングステン膜表面での反応が支配的になり、接続孔中心部の合わせ目１５の内部にラジカルが進入する確率が減少する。その結果タングステン膜１３の合わせ目１５の拡大を抑制することができる。
【００１７】
次に、図９を参照して第２の実施例を説明する。
図は、半導体基板上に形成されたエッチング処理される金属膜の断面図である。シリコン半導体基板１００上に形成された絶縁膜１０２を介して下層配線１０１が形成され、下層配線１０１上にはシリコン酸化膜１０が形成されている。このシリコン酸化膜１０は、ドライエッチングによりパターニングされて接続孔１４が形成されている。接続孔１４内部には下層配線１０１が露出している。このシリコン酸化膜１０をフォトレジスト（図示せず）で被覆し、これをパターニングンし、パターニングされたフォトレジストをマスクとしてドライエッチングしてシリコン酸化膜１０に接続孔１４を形成する。接続孔１４内部には半導体基板１００が露出している。次に、シリコン酸化膜１０上及びその接続孔１４内にチタン膜と窒化チタン膜の複合膜からなるバリアメタル膜１６をスパッタリング法などにより形成する。その後、バリアメタル膜１６の上にタングステン膜１７をＣＶＤ法を用いて堆積させる。
【００１８】
このバリアメタル膜１６は、半導体基板１００の上方から直線的にスパッタされる。したがって、スパッタリング方向と直角な面は堆積し易い、この方向と平行な面は堆積し難い。そのためシリコン酸化膜１０上のバリアメタル膜１６ａは厚く、接続孔１４内部の側壁上のバリアメタル膜１６ｂは薄く、そして、接続孔１４の底面は、その中間の厚さで堆積する。ところで、下地に堆積するタングステンは、結晶の塊１８の集合として堆積する。この塊１８は、下地の厚さに比例している。したがって、シリコン酸化膜１０上に形成されたバリアメタル膜１６ａ上の結晶塊１８は大きく、接続孔１４内部の側壁上に形成されたバリアメタル膜１６ｂ上の結晶塊１８は小さく、そして、接続孔１４の底面に形成されたバリアメタル膜１６ｃ上の結晶塊１８はその中間の大きさである。結晶塊が小さいほどその成膜は緻密になるので、エッチングするのが困難である。したがって、接続孔１４の内部へのエッチングは他の部分に比べて進まず、接続孔上部中央に形成された合わせ目の拡大を抑制することができる。
【００１９】
このように、半導体基板温度を高くする高温プロセスでのエッチングに合わせて下地となるバリアメタル膜の接続孔側壁部分の厚さを制御すればエッチングし難いタングステン膜を容易に形成することができるので、接続孔の内部に平坦な表面を持つ金属膜が形成される。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、反応性ガスとしてフッ素原子を含むガスと酸素ガスとの混合ガスを用い、且つ半導体基板温度を高温にすることにより、接続孔以外の２層以上から構成される金属膜を各層同じエッチング速度でエッチング除去して平坦化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング方法に適用される放電分離型ケミカルドライエッチング装置の断面図。
【図２】第１の実施例のエッチング処理すべき半導体基板の部分断面図。
【図３】タングステン膜と窒化チタン膜のエッチング速度（エッチングレート）のＯ2 ガス流量比依存性を示す特性図。
【図４】タングステン膜と窒化チタン膜のエッチング速度（エッチングレート）のエッチング時の基板温度依存性を示す特性図。
【図５】第１の実施例のエッチング方法に用いる半導体基板の部分断面図。
【図６】エッチング後の接続孔形状とエッチング時の基板温度の関係を説明する半導体基板の断面図。
【図７】第１の実施例のエッチング前後の接続孔断面図。
【図８】基板温度を高温にした場合の接続孔中心部の合わせ目の抑制メカニズムを説明する断面図。
【図９】第２の実施例のエッチング方法に用いる半導体基板の部分断面図。
【符号の説明】
１・・・真空容器、    ２・・・エッチング室、    ３・・・被処理物、
４・・・載置台、    ５・・・ガス導入管、    ６・・・放電管、
７・・・ガス導入口、    ８・・・マイクロ波導波管、    ９・・・排気口、
１０・・・シリコン酸化膜、    １１・・・チタン膜、
１２・・・窒化チタン膜、    １３、１７・・・タングステン膜、
１４・・・接続孔、    １５・・・合わせ目、
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ・・・バリアメタル膜、
１８・・・結晶塊、    １００・・・半導体基板、
１０１・・・下層配線、    １０２・・・絶縁膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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