(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レジストからなるマスク層を介して、窒化チタン層をエッチングし、当該窒化チタン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、
Ｃｌ２ ガスとＨｅガスとからなるエッチングガスを用いたプラズマエッチングにより、前記窒化チタン層の側壁形状が垂直形状になる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】
請求項１記載のドライエッチング方法において、
前記Ｈｅガスの添加量を調整することにより、前記窒化チタン層の側壁形状を垂直形状に制御することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項３】
請求項２記載のドライエッチング方法において、
前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有し、前記Ｈｅガスの添加量を調整することにより、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分の前記窒化チタン層の側壁形状が、いずれも垂直形状となるように制御することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載のドライエッチング方法において、
前記Ｈｅガスの流量比が、前記エッチングガスの全流量に対して、１０〜５０％とされていることを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】
請求項４に項記載のドライエッチング方法において、
前記エッチングガスの総流量及び圧力の少なくともどちらか一方を変更し、レジデンスタイムを０．３秒以上に調整することを特徴とする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、半導体装置の製造におけるドライエッチング方法に係り、特に、窒化チタン（ＴｉＮ）層を、レジストからなるマスク層を介してエッチングするドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置を構成する材料の一つとして、窒化チタン（ＴｉＮ）が多く使用されており、半導体装置の製造工程においては、かかる窒化チタンを所望パターンにエッチングするドライエッチングが行われている。
【０００３】
例えば、タングステン等の金属が使用された電極や配線では、金属膜と絶縁膜との間に、窒化チタン等からなるバリアメタル層が設けられる。
【０００４】
かかる構造の配線等を製造する場合、図６（ａ）に示すように、下地膜である絶縁膜２０１上に、窒化チタン層２０２、タングステン層２０３をこの順で順次形成し、タングステン層２０３の上に、フォトレジストからなるパターニングされたマスク層２０４を形成し、このマスク層２０４を介して、まず、タングステン層２０３のエッチングを行う。
【０００５】
この後、図６（ｂ）に示すように、上記マスク層２０４を介して、窒化チタン層２０２のエッチングを行い、タングステン層２０３及び窒化チタン層２０２を所定形状にパターニングする。
【０００６】
かかるエッチング工程において、窒化チタン層２０２のエッチングには、従来、Ｃｌ2 からなるエッチングガスを使用したプラズマエッチングが一般的に用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、従来では、Ｃｌ2 からなるエッチングガスを使用したプラズマエッチングにより、窒化チタン層のエッチングが行われている。
【０００８】
しかしながら、かかる従来の方法では、図６（ｂ）に示すように、窒化チタン層２０２の側壁部分がエッチングされ、この窒化チタン層２０２の側壁部分の形状が、所謂逆テーパ状となるという問題がある。
【０００９】
すなわち、図６（ｂ）に示すようなパターンを形成する場合、マスク層２０４の形状に合わせて、タングステン層２０３及び窒化チタン層２０２の側壁部分が略垂直（同図に示す角度Ｒがほぼ９０度）となることが好ましいが、上記従来の技術においては、窒化チタン層２０２の側壁部分がエッチングされてしまい、その側壁部分の形状が逆テーパ状（角度Ｒが９０度より大）となってしまうという問題があった。
【００１０】
また、形成されるパターンの形状が、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有する場合には、上記の側壁部分の形状が、パターンが密に配置された部分と、疎に配置された部分とによって、異なる傾向がある。
【００１１】
さらに、かかる側壁部分の形状は、一枚の半導体ウエハの面内であっても、その中央部と周縁部で異なる傾向もある。
【００１２】
このため、例えば、エッチングガスの流量や圧力、エッチング中の半導体ウエハの温度、平行平板型のプラズマエッチング装置における電極に印加する高周波電力等のエッチング条件を調整して、上記の側壁部分の形状を制御しようとしても、半導体ウエハの中央部、周縁部、及び、パターンの疎部分、密部分の全ての部位において、側壁部分の形状が良好になるようにエッチングすることが、困難であるという問題があった。
【００１３】
例えば、Ｃｌ2 からなるエッチングガスを使用して、プラズマエッチングにより、窒化チタン層のエッチングを行い、前述した角度Ｒを半導体ウエハの各部において測定したところ、
ウエハ中央部：１０３．３°（密部）、９３．６°（疎部）
ウエハ周縁部：１１５．７°（密部）、９７．０°（疎部）
となった。全体的に逆テーパ状になる傾向があり、角度Ｒの差は最大２２．１°もあった。
【００１４】
なお、エッチング条件は、
エッチングガス：Ｃｌ2 （流量７０SCCM）
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５２５Ｗ
下部電極印加高周波電力：５０Ｗ
電極間距離：１１５ｍｍ
サセプタ温度：４０℃
である。
【００１５】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来に較べて、窒化チタン層の側壁部分の形状を良好な状態にエッチングすることのできるドライエッチング方法を提供しようとするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、レジストからなるマスク層を介して、窒化チタン層をエッチングし、当該窒化チタン層を所定のパターンにパターニングするドライエッチング方法であって、
Ｃｌ２ ガスとＨｅガスとからなるエッチングガスを用いたプラズマエッチングにより、前記窒化チタン層の側壁形状が垂直形状になるようにエッチングすることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１記載のドライエッチング方法において、前記Ｈｅガスの添加量を調整することにより、前記窒化チタン層の側壁形状を垂直形状に制御することを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明は、請求項２記載のドライエッチング方法において、前記所定のパターンは、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分を有し、前記Ｈｅガスの添加量を調整することにより、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分の前記窒化チタン層の側壁形状が、いずれも垂直形状となるように制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれか１項記載のドライエッチング方法において、前記Ｈｅガスの流量比が、前記エッチングガスの全流量に対して、１０〜５０％とされていることを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項４に記載のドライエッチング方法において、前記エッチングガスの総流量及び圧力の少なくともどちらか一方を変更し、レジデンスタイムを０．３秒以上に調整することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態を説明するため、半導体ウエハ（シリコン基板）の縦断面の一部を拡大して模式的に示すものである。同図（ａ）に示すとおり、半導体ウエハには、下地膜である絶縁膜１０１上に、窒化チタン（ＴｉＮ）層１０２、タングステン層１０３が下側からこの順で形成されている。そして、タングステン層１０３の上に、フォトレジストからなるパターニングされたマスク層１０４を形成し、このマスク層１０４を介して、タングステン層１０３のエッチングを行うことによって、このタングステン層１０３が所定形状にパターニングされている。
【００２７】
そして、本実施形態においては、図１（ａ）の状態から、エッチングガスとしてＣｌ2 ＋Ｈｅのガスを使用し、プラズマエッチングにより、窒化チタン層１０２をエッチングする。
【００２８】
なお、図１には、窒化チタン層１０２が、絶縁膜１０１とタングステン層１０３との間に設けられたバリアメタル層として使用される場合の例を示しているが、本発明方法は、かかる例に限定されるものではなく、窒化チタン層１０２を、フォトレジストからなるマスク層１０４を介してエッチングするあらゆる工程に使用することができる。
【００２９】
図２は、本発明の実施形態に使用するプラズマ処理装置の構成の一例を模式的に示すものである。同図に示すように、プラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続され他方にバイアス形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。
【００３０】
このエッチング処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。
【００３１】
サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、導入管８を介して温度調節媒体室７に温度調節媒体が導入、循環され、サセプタ５を所望の温度に制御できるようになっている。
【００３２】
サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在された構成となっており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷを静電吸着する。
【００３３】
そして、絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
【００３４】
サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はセラミックス或いは石英などの絶縁性材料からなり、エッチングの均一性を向上させるようになっている。
【００３５】
また、サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する例えば石英からなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１との間隔は、調節可能とされている。
【００３６】
上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続され、この処理ガス供給源３０から、プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。なお、図２には、上記の処理ガス供給源３０等からなる処理ガス供給系を１つのみ図示しているが、これらの処理ガス供給系は複数設けられており、例えば、Ｃｌ2 、Ｈｅ、Ｎ2 等のガスを夫々独立に流量制御して、チャンバー２内に供給できるよう構成されている。
【００３７】
一方、チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。
【００３８】
上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００３９】
下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は数百ＫＨｚ〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、典型的には図示した１３．５６ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。
【００４０】
次に、上記構成のプラズマ処理装置１によって、ウエハＷに形成された窒化チタン層１０２を、フォトレジストからなるマスク層１０４を介して所定のパターンにエッチングする工程について説明する。
【００４１】
まず、前述したように、窒化チタン層１０２、マスク層１０４等が形成されたウエハＷを、ゲートバルブ３２を開放して、図示しないロードロック室からチャンバー２内へ搬入し、静電チャック１１上に載置する。そして、高圧直流電源１３から直流電圧を印加することによって、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着する。
【００４２】
次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気機構３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引した後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給源３０からＣｌ2 ＋Ｈｅのエッチングガスを、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図２の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。これとともに、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持され、第１の高周波電源４０及び第２の高周波電源５０から、上部電極２１及び下部電極としてのサセプタ５に高周波電圧を印加し、エッチングガスをプラズマ化して、ウエハＷの窒化チタン層１０２のエッチングを行い、図示しない終点検出器により、窒化チタン層１０２のエッチングの終点が検出され前述した図１
（ｂ）の状態となった時点でエッチング工程を終了する。
【００４３】
上述の工程により、図３に示すように、所定のパターンが、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分（図中左側部分）と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分（図中右側部分）とを有する形状のパターンとされたもの、具体的には、「密」の部分が、ライン：スペース＝１：１程度、「疎」の部分が、ライン：スペース＝１：１０以上（例えばライン幅０．２μｍにて）のものを、以下の条件、
エッチングガス：Ｃｌ2 （流量５０SCCM）＋Ｈｅ（流量２０SCCM）
圧力：０．６７Ｐａ
上部電極印加高周波電力：５２５Ｗ
下部電極印加高周波電力：５０Ｗ
電極間距離：１１５ｍｍ
サセプタ温度：４０℃
によりエッチングを行った。
【００４４】
上記エッチングによって得られたパターンについて、前述した角度Ｒを半導体ウエハの各部において測定したところ、
ウエハ中央部：９０．０°（密部）、９２．９°（疎部）
ウエハ周縁部：９１．９°（密部）、９３．１°（疎部）
となった。窒化チタン層の側壁形状は、全体的に略垂直となり、角度Ｒの差は最大３．１°と僅かであり、前述した従来の方法による角度Ｒの差２２．１°の約１／７とすることができた。
【００４５】
図４のグラフは、縦軸を角度Ｒ、横軸をＨｅの流量として、上述したエッチング工程における、エッチングガスの総流量が７０ｓｃｃｍの場合のＨｅガスの添加量と、角度Ｒとの関係を示したものである。なお、同図のグラフにおいて、実線Ａはウエハ周縁部のパターンが密の部分、点線Ｂはウエハ中央部のパターンが密の部分、一点鎖線Ｃはウエハ周縁部のパターンが疎の部分、二点鎖線Ｄはウエハ中央部のパターンが疎の部分の角度Ｒを示している。
【００４６】
同図に示されように、角度Ｒは、Ｈｅガスの添加量が２０ｓｃｃｍ、流量比で２０／７０（約３０％）のあたりで、いずれの部位においても、略９０°となり、さらに添加量を増やすと角度Ｒにばらつきが生じる。
【００４７】
したがって、Ｈｅガスの添加量は、エッチングガスの総流量は７０ｓｃｃｍの場合１０〜３５ｓｃｃｍ程度とすることが好ましい。また、Ｈｅガスの添加量は、エッチングガスの総流量に対する流量比として、１５〜５０％程度とすることが好ましい。
【００４８】
また、上記の場合は、エッチングガスの総流量は７０ｓｃｃｍとし、圧力を０．６７Ｐａとしているが、これらを変更して、エッチングガスのレジデンスタイム（チャンバー内での滞留時間）を変更することによっても、窒化チタン層１０２のエッチング速度と、窒化チタン層１０２の側壁部分にデポジションする保護層の形成速度を調節することができ、これによって、側壁部分の形状を制御することができる。
【００４９】
レジデンスタイムは、チャンバー容積が一定の場合（本実施例では約４０ｌ）圧力に比例し、エッチングガスの総流量に反比例する。例えば、エッチングガスの総流量を７０ｓｃｃｍとし、圧力を０．６７Ｐａとした場合は、レジデンスタイムは０．２２秒となるが、これを、エッチングガスの総流量を４０ｓｃｃｍ（Ｃｌ2 （流量２７SCCM）＋Ｈｅ（流量１３SCCM））とし、圧力を０．６７Ｐａとしてレジデンスタイムを０．３９秒とすると、ウエハ周辺部及びウエハ中央部のパターンが密の部分とパターンが疎の部分のテーパ角度のばらつきをさらに低減することができた。
【００５０】
また、下部電極に印加する高周波電力を例えば、５０Ｗから７０Ｗに増加させることによっても、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察した際の側壁部分の形状を、さらに垂直に近い良好なものとすることができた。
【００５１】
次に、上記のエッチングガスを、Ｃｌ2 （流量６０SCCM）＋Ｎ2 （流量１０SCCM）に変更し、他のエッチング条件は、上記と同様にしてエッチングを行った。
上記エッチングによって得られたパターンについて、前述した角度Ｒを半導体ウエハの各部において測定したところ、
ウエハ中央部：８８．１°（密部）、８３．０°（疎部）
ウエハ周縁部：８７．９°（密部）、８３．０°（疎部）
となった。全体的に若干順テーパ状となる傾向があるが、略垂直となり、角度Ｒの差は最大５．１°と僅かであった。
【００５２】
図５のグラフは、縦軸を角度Ｒ、横軸をＮ2 ガスの流量として、上述したエッチング工程における、エッチングガスの総流量が７０ｓｃｃｍの場合のＨｅガスの添加量と、角度Ｒとの関係を示したものである。なお、同図のグラフにおいて、実線Ａはウエハ周縁部のパターンが密の部分、点線Ｂはウエハ中央部のパターンが密の部分、一点鎖線Ｃはウエハ周縁部のパターンが疎の部分、二点鎖線Ｄはウエハ中央部のパターンが疎の部分の角度Ｒを示している。
【００５３】
同図に示されように、角度Ｒは、Ｎ2 ガスの添加量が増加すると、順テーパ状となる傾向があるため、Ｎ2 ガスの添加量は、流量比で５〜１５％程度とすることが好ましい。
【００５４】
上述したとおり、各実施形態では、隣接するパターン同士が近接して密に配置された部分と、隣接するパターン同士が離間して疎に配置された部分の窒化チタン層１０２の側壁形状が、いずれも所定形状となるようにエッチングを行うことができた。
【００５５】
なお、上記の例では、平行平板型のエッチング装置を使用した実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、あらゆるプラズマエッチング装置を使用できることは、勿論である。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のドライエッチング方法によれば、従来に較べて、窒化チタン層の側壁部分の形状を略垂直にエッチングすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【図２】本発明の一実施形態に使用する装置の構成の例を示す図。
【図３】本発明の一実施形態におけるパターンの構成を説明するための図。
【図４】Ｈｅガスの流量と側壁部の角度Ｒとの関係を示す図。
【図５】Ｎ2 ガスの流量と側壁部の角度Ｒとの関係を示す図。
【図６】従来の技術を説明するためのウエハ断面の構成を模式的に示す図。
【符号の説明】
１０１……絶縁膜、１０２……窒化チタン層、１０３……タングステン層、１０４……マスク層（フォトレジスト）。
【図１】
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【図２】
0004546667.tif 000003
【図３】
0004546667.tif 000004
【図４】
0004546667.tif 000005
【図５】
0004546667.tif 000006
【図６】
0004546667.tif 000007