(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたＷＮ薄膜に対し、真空中でプラズマを発生させ、該プラズマの活性種を用いた反応性イオンエッチングをするエッチング方法であって、
反応ガスとして、ハロゲン化ガス、フッ素を含むガス、Ａｒ、Ｏ2、Ｈ2、Ｈｅ、Ｎ2、Ｈ2Ｏ、ＮＨ3、ＮＯｘを用い、
１Ｐａ以下の真空中で、４×１０10以上１.５×１０11／ｃｍ3以下の電子密度のプラズマを前記基板の近傍に生成し、該プラズマの活性種を前記ＷＮ薄膜のコンタクトホール又は溝の底部に導くことによって当該コンタクトホール又は溝の底部のエッチングを行うことを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
反応ガスとして、ＮＦ3を用いてエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
【請求項３】
ＮＬＤエッチング装置を用いてエッチングを行うことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置におけるエッチング方法に関し、特に、ドライエッチング、アッシング並びに、メタル配線の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体素子（ＬＳＩ、ＩＣ等）の配線においては、下層配線と上部配線を結ぶコンタクトホール、または溝部にバリア層または密着層を形成するようにしている。
【０００３】
バリア層は、配線材料と絶縁材料が共に相互拡散することによる半導体素子の特性劣化の防止を目的として、また密着層は、配線材料と絶縁材料の界面における剥れの防止を目的として、配線材料と絶縁材料間に、所定の材料を挿入する場合が多い。
【０００４】
このようなバリア層、密着層は、側壁（垂直部）のみならず、コンタクトホール底（水平部）の下層配線上にもバリア層または密着層が形成される。
【０００５】
これらの層は、その後の上部配線の形成によって、下層配線と上部（コンタクトホール内）配線に挟まれる。
【０００６】
しかし、この挟み込まれた層は、上部配線と下層配線間の電気抵抗を上昇させるばかりか、この部分に電流が流れるとボイドを発生しやすくなる。ボイドが発生した場合、配線が断線もしくは、抵抗が高くなり、配線の信頼性を損ねる。
【０００７】
この問題を解決するためには、コンタクトホールまたは溝の側壁（垂直部）のバリア層、もしくは密着層を残して、底部（水平部）のバリア層もしくは密着層を除去し、上部配線と下部配線を直接接合することが必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、コンタクトホールのまたは溝の底部に形成されたバリア層もしくは密着層は、除去できなかったり、側壁部（垂直部）及び底部（水平部）の両方が、一部もしくは全部除去されてしまうという問題があった。
これでは、バリア層や密着層を形成することが無駄になってしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、コンタクトホールや溝の側壁部を残して、底部のみをエッチングし、上部配線と下部配線とを直接接合することが可能な技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、基板上に形成されたＷＮ薄膜に対し、真空中でプラズマを発生させ、該プラズマの活性種を用いた反応性イオンエッチングをするエッチング方法であって、反応ガスとして、ハロゲン化ガス、フッ素を含むガス、Ａｒ、Ｏ2、Ｈ2、Ｈｅ、Ｎ2、Ｈ2Ｏ、ＮＨ3、ＮＯｘを用い、１Ｐａ以下の真空中で、４×１０10以上１.５×１０11／ｃｍ3以下の電子密度のプラズマを前記基板の近傍に生成し、該プラズマの活性種を前記ＷＮ薄膜のコンタクトホール又は溝の底部に導くことによって当該コンタクトホール又は溝の底部のエッチングを行うことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、反応ガスとして、ＮＦ3を用いてエッチングを行うことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、ＮＬＤエッチング装置を用いてエッチングを行うことを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、１Ｐａ以下の真空中で、４×１０10／ｃｍ3以上１．５×１０11／ｃｍ3以下の電子密度のプラズマを基板の近傍に生成し、このプラズマの活性種を薄膜のコンタクトホール又は溝の底部に導くことによって、生成された反応イオン種が基板電界によって直接当該底部に運動エネルギーを持って入射し、その結果、プラズマ活性種と薄膜との反応が促進されるため、プラズマが導かれる方向、すなわち、コンタクトホール又は溝の底部方向のエッチングレートを選択的に大きくすることが可能になる。
したがって、本発明によれば、コンタクトホールや溝の側壁部の薄膜を残しつつ底部の薄膜を除去することが可能になるとともに、薄膜に応じた最適のエッチングを行うことが可能になる。
この場合、反応ガスとしてＮＦ3を用いることにより、薄膜に応じた最適のエッチングを行うことが可能になる。
また、このように底部が除去されたコンタクトホール等によれば、上部配線と下層配線間の電気抵抗を上昇させることなく、またボイドの発生を防止することができるので、配線の信頼性を向上させることが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るエッチング方法の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明のエッチング方法を実施するためのＮＬＤ（磁気中性線放電）エッチング装置の一例を示す概略構成図である。
【００１３】
図１に示すように、このエッチング装置１は、図示しない真空排気系に接続された真空槽２を有し、さらに、真空槽２内には、例えば小さな多数の孔を有するガスノズル３を介して所定の反応ガスが導入されるように構成されている。
【００１４】
真空槽２内の下部には、冷却機構及び密着・脱離機構（図示せず）を有する基板保持部４が設けられ、この基板保持部４上に基板５が載置保持されるようになっている。
【００１５】
真空槽２内において、基板５は、真空槽２の外部に設けられたバイアス印加用の高周波電源６に接続され、この高周波電源６から所定の高周波電力が印加されるようになっている。
【００１６】
一方、真空槽２の上部の周囲には、プラズマ形成用の高周波電源７に接続されたアンテナ８が配設されている。
【００１７】
さらに、アンテナ８の外周部には、磁気中性線放電形成用のコイル９が配設されている。このコイル９は、電流量を調整することによって基板５近傍に生成されるプラズマの密度分布を最適化するためのものである。
【００１８】
このようなエッチング装置１を用いてエッチングを行う方法を説明する。
ここでは、基板５として、図２（ａ）に示すように、金属配線５０上に形成された絶縁層５１にコンタクトホール５２を形成し、このコンタクトホール５２にＷＮ薄膜５３を成膜したものを用いた。
【００１９】
まず、真空槽２内に搬入した基板５を基板保持部４上に載置して基板保持部４上に密着させる。
【００２０】
そして、真空槽２内の真空排気を行うとともに、基板５下部に冷却用の不活性ガスを導入して基板５の表面が温度が６０℃以下、好ましくは、−１０〜１０℃となるように冷却する。
【００２１】
その後、ガスノズル３から所定の反応ガスを１００ｓｃｃｍ程度基板５表面の近傍に導入し、これにより真空槽２内の圧力が１Ｐａ以下となるように調整する。
【００２２】
本発明において使用可能な反応ガスとしては、ハロゲン化ガス（例えば、ＮＦ3、ＢＣｌ3、ＣＦ4、Ｃ3Ｆ8、Ｃ2Ｆ6、ＨＦ、ＸｅＦ2、ＣＯＦ2等）、フッ素を含むガス（例えば、Ｆ2／Ａｒ、Ｆ2／Ｈｅ、Ｆ2等）、Ａｒ、Ｏ2、Ｈ2、Ｈｅ、Ｎ2、Ｈ2Ｏ、ＮＨ3、ＮＯｘのうち、いずれか一つ、または２種類以上を組み合わせて使用することができる。
【００２３】
これらのガスのうち、ＮＦ3は、成膜性ガスではなく、薄膜５３をエッチングする上で、比較的容易にＦ（フッ素）ラジカルが得られやすいという点で特に好ましいものである。
【００２４】
この状態で、高周波電源６から基板５に対して所定の周波数のバイアス高周波電力を印加する（例えば、周波数１３．５６ＭＨｚ、電力０．５ｋＷ）。
【００２５】
一方、アンテナ８に対して所定の電力を印加することによって、基板５の近傍に生成されるプラズマの電子密度が４×１０10／ｃｍ3以上１．５×１０11／ｃｍ3以下、好ましくは、４×１０10以上１×１０11／ｃｍ3以下となるように調整する。
【００２６】
本発明にあっては、プラズマの電子密度（Ｎｅ）として、公知のラングミュアプローブ法によって計測された値を用いる。
【００２７】
この場合、アンテナ８に印加される電力とプラズマの電子密度は、図３に示すような正の相関関係がある。
【００２８】
以上述べたような本発明によれば、４×１０10／ｃｍ3以上１．５×１０11／ｃｍ3以下の電子密度のプラズマを基板５の近傍に生成し、このプラズマの活性種をコンタクトホール５２の底方向に導くようにすることにより、生成された反応イオン種が基板電界によってＷＮ薄膜５３の底部５３Ｂに運動エネルギーを持って入射する結果、プラズマ活性種と薄膜部分との反応が促進されるため、ＷＮ薄膜５３の底部５３Ｂのエッチングレートを選択的に大きくすることが可能になる。
【００２９】
その結果、本発明によれば、図２（ｂ）に示すように、ＷＮ薄膜５３の側壁部５３Ｓの薄膜を残しつつ底部５３Ｂの薄膜を除去することが可能になる。
【００３０】
そして、このように底部５３Ｓが除去された薄膜１０を用いて、コンタクトホール５２中に配線金属（例えばＣｕ）を埋込み、上部配線と下部配線を直接接合すれば、電気抵抗を小さくすることができ、またボイドの発生を防止することができるので、配線の信頼性を向上させることができる。
【００３１】
なお、本発明の範囲を逸脱しない限り、薄膜の種類や反応ガスの種類に応じて電子密度、温度、圧力などの条件を適宜変更することが可能である。
【００３２】
ただし、条件によっては、コンタクトホールの底部のみならず、フィールド部分もエッチングされるので、その場合には、底部よりフィールド部分の厚さを厚く形成しておくことが必要である。
【００３３】
また、本発明は、例えば図４（ａ）（ｂ）に示すように、段差を設けたコンタクトホールにも適用することができる。
【００３４】
すなわち、２つの下層配線５５、５６を有するコンタクトホールに対して本発明を適用すれば、図４（ａ）におけるＷＮ薄膜５３の２つの底部５３Ｂ1、５３Ｂ2を同時にエッチングすることができ、これにより、ＷＮ薄膜５３の側壁部５３Ｓの薄膜を残しつつ底部５３Ｂ1、５３Ｂ2の薄膜を除去することができる。
【００３５】
他方、上述の実施の形態では、ＮＬＤエッチングによってエッチングする場合を例にとって説明したが、本発明は、ＩＣＰやＲＩＥにも適用することができるものである。
【００３６】
【実施例】
以下、本発明に係るエッチング方法の実施例を比較例とともに詳細に説明する。
ここでは、上記エッチング装置１を用いてエッチングを行う方法を説明する。
このエッチング装置１のアンテナ電力と電子密度との関係は、図３に示すとおりである。また、基板としては、図２（ａ）及び図５に示すものを用いた。
【００３７】
＜実施例１＞
まず、真空槽内に搬入した基板を静電チャック上に載置して静電チャック上に密着させ、真空槽内の真空排気を行うとともに、基板下部に冷却用の不活性ガスを導入して基板の表面が温度が３０℃となるように冷却した。
【００３８】
その後、ガスノズルからＮＦ3を１００ｓｃｃｍ基板表面の近傍に導入し、これにより真空槽内の圧力が５ｍＴｏｒｒ（＝０．６７Ｐａ）となるように調整した。
【００３９】
この状態で、高周波電源からアンテナに対して周波数１３．５６ＭＨｚ、電力０．５ｋＷの高周波電力を６０秒間印加し、これにより基板の近傍に生成されるプラズマの電子密度が４×１０10／ｃｍ3となるように調整した。
【００４０】
そして、所定時間経過後、バイアス印加用の高周波電源から基板に対して周波数２ＭＨｚ、電力０．２ＫＷの高周波電力を印加した。
【００４１】
その結果、図６に示すように、開口部径：φ０．２５μｍ、Ａ／Ｒ：４．６を持つホールの、フィールド及び側壁部（垂直部分）のＷＮ薄膜を残し、底部（水平部分）のＷＮ薄膜を除去することができた。各膜厚は、フィールド部：１００ｎｍ、側壁部：８５ｎｍ、底部０ｎｍであった。
【００４２】
この場合、コンタクトホールの各部分のエッチングレートは、フィールド部：０．９ｎｍ／ｓｅｃ、側壁部：０ｎｍ／ｓｅｃ、底部：１．０ｎｍ／ｓｅｃとなった。
【００４３】
すなわち、本実施例においては、コンタクトホールのＷＮ薄膜の側壁部が削られておらず、側壁部のエッチングレート（ＲS）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／ＲS）は、ほぼ無限大であった。
【００４４】
なお、コンタクトホールのフィールド部と底部のエッチングレート比については、従来技術ではフィールド部に対して底部のレートが小さくなるのに対し、本実施例では、フィールド部のエッチングレート（Ｒf）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／Ｒf）は、ほぼ１．０であった。
【００４５】
＜実施例２＞
アンテナに印加する電力を３０秒１ｋＷとし、基板の近傍に生成されるプラズマの電子密度が１．５×１０11／ｃｍ3となるように調整した以外は実施例１と同一の条件でエッチングを行った。
【００４６】
その結果、コンタクトホールの側壁部のエッチングレート（ＲS）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／ＲS）は１．８で、側壁部のエッチングレートよりかなり大きくなった（図７参照）。
【００４７】
また、フィールド部のエッチングレート（Ｒf）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／Ｒf）は、０．１８であった。
【００４８】
＜比較例１＞
アンテナに印加する電力を１．５ｋＷとし、基板の近傍に生成されるプラズマの電子密度が２．６５×１０11／ｃｍ3となるように調整した以外は実施例２と同一の条件でエッチングを行った。
【００４９】
その結果、コンタクトホールの側壁部のエッチングレート（ＲS）に対する底部のバリアメタルのエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／ＲS）は０．８で、側壁部のエッチングレートより小さかった（図８参照）。
【００５０】
また、フィールド部のエッチングレート（Ｒf）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／Ｒf）は、０．５であった。
【００５１】
＜比較例２＞
アンテナに印加する電力を２．０ｋＷとし、基板の近傍に生成されるプラズマの電子密度が３．８×１０11／ｃｍ3となるように調整した以外は実施例２と同一の条件でエッチングを行った。
【００５２】
その結果、コンタクトホールの側壁部のエッチングレート（ＲS）に対する底部のバリアメタルのエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／ＲS）は３．６で、側壁部のエッチングレートよりかなり小さかった（図９参照）。
【００５３】
また、フィールド部のエッチングレート（Ｒf）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／Ｒf）は、０．５であった。
【００５４】
〔温度依存性試験〕
＜実験例１＞
基板の表面が温度が３０℃となるように調整した。
そして、アンテナに印加する電力を３０秒２ｋＷとし、基板の近傍に生成されるプラズマの電子密度が３．８×１０11／ｃｍ3となるように調整し、バイアス印加用の高周波電源から基板に対して周波数２ＭＨｚ、電力０．１ＫＷの高周波電力を印加して上記実施例１と同一の条件でエッチングを行った。
【００５５】
その結果、コンタクトホールの側壁部のエッチングレート（ＲS）に対する底部のバリアメタルのエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／ＲS）は２．７で、側壁部のエッチングレートよりかなり大きくなった（図１０参照）。
【００５６】
また、フィールド部のエッチングレート（Ｒf）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／Ｒf）は、０．６であった。
【００５７】
＜実験例２＞
基板の表面が温度が５５℃となるように調整した以外は実験例１と同一の条件でエッチングを行った。
【００５８】
その結果、コンタクトホールの側壁部のエッチングレート（ＲS）に対する底部のバリアメタルのエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／ＲS）は１．４で、側壁部のエッチングレートより若干大きくなった。
【００５９】
また、フィールド部のエッチングレート（Ｒf）に対する底部のエッチングレート（ＲB）の比（ＲB／Ｒf）は、０．６であった。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、コンタクトホールや溝の側壁部の薄膜を残しつつ底部の薄膜を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のエッチング方法を実施するためのＮＬＤエッチング装置の一例を示す概略構成図
【図２】  （ａ）（ｂ）：コンタクトホールの底部のエッチング工程を示す断面説明図
【図３】  アンテナに印加される電力とプラズマの電子密度の関係を示すグラフ
【図４】  （ａ）（ｂ）：コンタクトホールの底部のエッチング工程を示す断面説明図
【図５】  実施例及び比較例に用いた基板の断面構造を示す電子顕微鏡写真
【図６】  実施例１の基板の断面構造を示す電子顕微鏡写真
【図７】  実施例２の基板の断面構造を示す電子顕微鏡写真
【図８】  比較例１の基板の断面構造を示す電子顕微鏡写真
【図９】  比較例１の基板の断面構造を示す電子顕微鏡写真
【図１０】  実験例１の基板の断面構造を示す電子顕微鏡写真
【図１１】  実験例２の基板の断面構造を示す電子顕微鏡写真
【符号の説明】
１…ＮＬＤエッチング装置  ２…真空槽  ５…基板  ６、７…高周波電源  ８…アンテナ  ９…コイル
【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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【図１０】
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【図１１】
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