(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の層間絶縁膜をエッチングして接続孔を形成し、この接続孔及び層間絶縁膜上に金属膜を形成したのち、接続孔以外の金属膜をエッチング除去するようにした金属膜の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、塩素原子を含むガスと、酸素ガスとを混合したガスを用い、エッチング室から分離された放電室にて活性化された前記反応性ガス中の主としてラジカルによって接続孔以外の金属膜をエッチングする方法であって、前記金属膜は、チタン及びチタン化合物膜にタングステン膜又はタングステン合金膜であり、タングステン膜又はタングステン合金膜を選択的にエッチングし、前記反応性ガスの混合比において、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとの総ガス流量に対する酸素ガスの混合比が３０％から９０％であり、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとの総ガス流量に対する塩素原子を含むガスの混合比が５％から３０％以内であることを特徴とする金属膜のエッチング方法。
【請求項２】
前記フッ素原子を含むガスは、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＮＦ３、ＳＦ６のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の金属膜のエッチング方法。
【請求項３】
前記塩素原子を含むガスは、Ｃｌ２であることを特徴とする請求項１記載の金属膜のエッチング方法。
【請求項４】
タングステン膜又はタングステン合金膜をチタン及びチタン化合物に対し選択的にエッチングする場合、その選択比が無限大であることを特徴とする請求項１記載の金属膜のエッチング方法。
【請求項５】
前記接続孔以外のタングステン膜又はタングステン合金膜を選択的にエッチングする方法として放電分離型ケミカルドライエッチング方法を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の金属膜のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属膜のエッチング方法に係り、特に基板の層間絶縁膜に接続孔を形成し金属膜を形成したのち金属膜を平坦化するエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウエハ基板の層間絶縁膜に接続孔をドライエッチング方法で形成して、その後バリヤメタルと呼ばれるチタン膜とチタン化合物膜をスパッタリングで成膜し、更にタングステン膜をＣＶＤ方法で接続孔内に埋め込む技術が知られている。ＣＶＤで成膜されたタングステン膜は、接続孔内だけでなく、層間絶縁膜上にもタングステン膜が成膜されてしまう。そのため接続孔内以外のタングステン膜を除去する必要がある。このタングステン膜を除去する技術として、ＣＭＰ方法とＲＩＥ方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＰ方法ではタングステン膜までの終点検出が難しくタングステン膜の研磨後下地のバリヤメタルまで研磨してしまうという問題があった。
一方、ＲＩＥ方法では、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ため、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がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、基板の層間絶縁膜に接続孔を形成しタングステン膜及びタングステン合金膜を形成したのち、タングステン膜を平坦化するため接続孔内のタングステン膜だけを選択的に残し且つ接続孔内のくびれがないようにした金属膜のエッチング方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成させるために、本発明の請求項１に記載の金属膜のエッチング方法は、基板の層間絶縁膜をエッチングして接続孔を形成し、この接続孔及び層間絶縁膜上に金属膜を形成したのち、接続孔以外の金属膜をエッチング除去するようにした金属膜の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、塩素原子を含むガスと、酸素ガスとを混合したガスを用い、エッチング室から分離された放電室にて活性化された前記反応性ガス中の主としてラジカルによって接続孔以外の金属膜をエッチングする方法であって、前記金属膜は、チタン及びチタン化合物膜にタングステン膜又はタングステン合金膜であり、タングステン膜又はタングステン合金膜を選択的にエッチングし、前記反応性ガスの混合比において、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとの総ガス流量に対する酸素ガスの混合比が３０％から９０％であり、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとの総ガス流量に対する塩素原子を含むガスの混合比が５％から３０％以内であることを特徴とするものである。
【０００６】
前記フッ素原子を含むガスは、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＮＦ３、ＳＦ６のいずれかであることが好ましい。
【０００７】
前記塩素原子を含むガスは、Ｃｌ２であることが望ましい。
前記金属膜は、チタン及びチタン化合物膜にタングステン膜又はタングステン合金膜であり、タングステン膜又はタングステン合金膜を選択的にエッチングする。
【０００８】
タングステン膜又はタングステン合金膜をチタン及びチタン化合物に対し選択比を無限大でエッチングする場合、ウエハ基板は４０℃以下であることが好ましい。
【０００９】
前記接続孔以外のタングステン膜又はタングステン合金膜を選択的にエッチングする方法として放電分離型ケミカルドライエッチング方法を用いることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にしながら説明する。
図１に本発明の一実施例を適用する放電分離型ケミカルドライエッチング装置を示す。
【００１２】
図中符号１は真空容器を示し、この真空容器１のエッチング室２内には、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は温度調節機構を有しており、被処理物３の温度を制御できるようになっている。前記真空容器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が接続されていて、ガス導入口７からガスが導入される。前記放電管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のち、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よりエッチング室２の外に排気される。
【００１３】
図２に、今回用いた金属膜の構成を示す。被処理物３としてのシリコン基板上にシリコン酸化膜１０を形成し、レジストをマスクとしてシリコン酸化膜を孔の形にパターニングして、ドライエッチングで孔を形成後、その上にチタン膜１１と窒化チタン膜１２をスパッタリングで形成し、その後タングステン膜１３をＣＶＤ（化学気相成長）で形成する。
【００１４】
図３に、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の金属膜をエッチングした結果を示す。反応性ガスとして、ＣＦ４ガス、Ｏ２ガス、Ｃｌ２ガスを用いて、ＣＦ４ガスとＯ２ガスの総ガス流量を２００ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー＝７００ｗ、圧力＝４０Ｐａ、テーブル＝２５度としたときのＣｌ２流量をＣＦ４ガスとＯ２ガスの総ガス流量（２００ｓｃｃｍ）に対する割合を０％から５０％変化させたときのタングステン膜、窒化チタン膜のエッチング速度を示す。タングステン膜のエッチング速度は、Ｃｌ２ガスの割合が１０％まで増加し、１０％でエッチング速度の最大値を示す。その後タングステン膜のエッチング速度は減少し、５０％でタングステン膜がほとんどエッチングされなくなる。一方窒化チタン膜はＣｌ２ガスの割合に関係なくエッチングされない。
【００１５】
このＣｌ２ガス流量比が０％、５％、１０％、３０％に対する接続孔形状を見ると図４になる。０％のとき接続孔上部の中心に巣状の穴が発生している。一方５％以上だと接続孔上部の中心には巣が発生していない。この接続孔形状差は以下の理由によるものと考える。タングステン膜形成をＣＶＤで形成すると、シリコン酸化膜形状に段差に沿って形成される。よって図５のように接続孔断面でみると接続孔の側壁から成膜されたタングステン膜は、両側壁から成膜されるため、表面は接続孔中心で止まる。接続孔上部は、接続孔の影響を受けて接続孔中心からの表面の延長線上に表面ができる。よってタングステン膜の表面は、シリコン酸化膜の段差形状と同じ面に出てくる。
【００１６】
このようにタングステン膜が成長するため、放電分離型ケミカルドライエッチング方法でＣＦ４ガスとＯ２ガスだけを放電させて得られたフッ素ラジカル主体の活性種でエッチングすると、タングステン膜の表面からエッチングが進行するため、接続孔上部がエッチングされるのと接続孔中心がエッチングされるのとがほぼ同時に進行するため、接続孔上部のタングステンがエッチングされて無くなったとき接続孔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やすいため、表面にタングステンの酸化層が形成される。よってフッ素ラジカルでのエッチングでは下記のようになる。
Ｗ＋Ｆ→ＷＦ６
ＷＯｘ＋Ｆ→ＷＯＦ４
両フッ化物とも蒸気圧が高いため、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するため、シリコン段差面とほぼ同じ形状となり、接続孔中心に巣ができる。
【００１７】
一方Ｃｌ２ガスを５％以上入れると、新たに塩素ラジカルの活性種が加わる。ここでSOLID STATE TECHNOLOGY(P127 APRIL 1988) にＣＦ４ガス＋Ｏ２ガス＋Ｎ２ガスの放電分離型ケミカルドライエッチング方法においてＣｌ２ガスを入れることによってＦＣｌラジカルが形成され、シリコン酸化膜のエッチングが抑制される。この事からタングステン膜の表面に形成されている酸化層を考えると、タングステン酸化膜のエッチング速度が遅いと考える。また接続孔内にある表面層は両側壁から均等に有るわけではないので凸凹で接触しているため、コンダクタンスの関係から反応性ガスが入り込みにくくなっている。よって接続孔内のタングステン膜の酸化層（表面層）のエッチングが進行しにくくなっていると考える。また、Ｃｌ２ガスを５０％以上入れるとフッ素ラジカルの総量が減少し、エッチングレートが減少してしまうと考える。よってＣｌ２ガスの割合が５％から３０％内であることが望ましい。
【００１８】
次に図６にＣＦ４ガスとＯ２ガスの総ガス流量を２００ｓｃｃｍに対し、ＣＦ４ガスとＯ２ガスとの混合比を変化させた図を示す。このときマイクロ波パワー＝７００ｗ、圧力＝４０Ｐａ、テーブル＝２５度、Ｃｌ２ガス混合比＝１０％とした。図６からＣＦ４ガスとＯ２ガスのガス流量に対するＯ２ガス混合比が０％から３０％までの間はタングステン膜のエッチング速度が増大し、３０％で最大のエッチング速度が得られる。３０％を越えるとタングステン膜のエッチング速度は減少していく。０％から３０％未満のエッチング速度の上昇曲線が急であるため、実用的には使いにくい。よって、ＣＦ４ガスとＯ２ガスの総ガス流量に対するＯ２ガスの混合比は、３０％以上９０％までであることが望ましい。
【００１９】
上記実施例ではフッ素を含むガスとしてＣＦ４ガスを用いたが、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、ＮＦ３、ＳＦ６の何れかでもよい。
上記実施例では窒化チタン膜に対し無限大に選択比を取るため、テーブル＝２５℃としたが、テーブル＝４６℃以下であれば何れでもよい。
エッチングする方法として放電分離型ケミカルドライエッチング方法についてのみ説明したが、自己バイアス効果の少ないドライエッチング方法（ＥＣＲ、ＩＣＰ等）で有れば良い。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明した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、塩素原子を含むガス及び酸素ガスを混合ガスを用いることにより、接続孔以外の金属膜を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】本発明の一実施例を適用する放電分離型ケミカルドライエッチング装置を示した説明図。
【図２】本発明によってエッチング処理すべき基板の一部を示した断面図。
【図３】タングステンエッチング速度とＣｌ２ガス流量比の関係を示したグラフ。
【図４】Ｃｌ２ガス比依存性に対する接続孔の形状変化を示した説明図。
【図５】基板の接続孔を示した断面図。
【図６】タングステンエッチング速度とＯ２ガス流量比との関係を示したグラフ。
【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
１０  シリコン酸化膜
１１  チタン膜
１２  窒化チタン膜
１３  タングステン膜
【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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