(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上の層間絶縁膜に形成された配線溝又は接続孔の内部に接続用金属を形成するためのドライエッチング方法において、
前記層間絶縁膜の上面及び前記配線溝又は接続孔の内面に形成されたチタン系バリアメタル膜と、このチタン系バリアメタル膜の上に形成されたタングステン系金属膜と、を有する被処理物の表面に、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとを少なくとも含むプロセスガスを活性化して供給し、前記配線溝又は接続孔の内部以外の部分の前記タングステン系金属膜を、前記チタン系バリアメタル膜に対して選択的にエッチングして除去する金属膜除去工程と、
前記金属膜除去工程後の前記被処理物の表面に、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少なくとも含むプロセスガスを活性化して供給し、前記金属膜除去工程後に残存する前記チタン系バリアメタル膜を、前記配線溝又は接続孔の内部に残存する前記タングステン系金属膜に対して選択的にエッチングして除去するバリアメタル膜除去工程と、を備え、
前記バリアメタル膜除去工程においては、前記被処理物の温度を７０〜１３０℃に保持すると共に前記フッ素原子を含むガスと前記酸素ガスとの合計流量に対する前記塩素原子を含むガスの流量の比を１２％以上として前記チタン系バリアメタル膜の選択的なエッチングを行うことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】
前記金属膜除去工程においては、前記被処理物の温度を５〜５０℃に保持して前記タングステン系金属膜の選択的なエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記金属膜除去工程及び前記バリアメタル膜除去工程においては、放電分離型のケミカルドライエッチング装置を用いたケミカルドライエッチングによって前記タングステン系金属膜及び前記チタン系バリアメタル膜の除去が行われることを特徴とする請求項１又は請求項２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、半導体基板上の層間絶縁膜に形成された配線溝又は接続孔の内部に接続用金属を形成するためのドライエッチング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置の製造において、半導体基板上の層間絶縁膜内に配線溝を形成し、配線溝内に接続用金属を埋め込み形成する場合、及び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を埋め込み形成する場合、以下のような工程が実施されている。
【０００３】
まず初めに、半導体基板上にシリコン酸化膜等より成る層間絶縁膜を形成する。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等によりエッチングし、これにより、配線溝を形成し、或いは導電層に達する接続孔を形成する。
【０００４】
その後、スパッタリング等の成膜方法により、配線溝内及び層間絶縁膜の上に、或いは接続孔内及び層間絶縁膜の上に、チタン膜とチタン化合物膜との複合膜又はチタン化合物膜等より成るバリアメタル膜を形成する。次に、化学気相成長法（ＣＶＤ）等により、バリアメタル膜の上にタングステン膜を形成し、配線溝の内部、又は接続孔の内部をタングステン膜によって埋める。
【０００５】
次に、配線溝又は接続孔の内部のタングステン膜及びバリアメタル膜を残して、その他の部分のタングステン膜及びバリアメタル膜を除去することにより、タングステン膜とバリアメタル膜とから成る接続用金属を、配線溝又は接続孔の内部に埋め込み形成することができる。
【０００６】
ここで、タングステン膜及びバリアメタル膜を除去する工程においては、一般に、まず初めにケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）法によって配線溝又は接続孔の内部以外のタングステン膜を除去し、しかる後、ケミカル・メカニカル・ポリッシング（ＣＭＰ）法により層間絶縁膜上のバリアメタル膜を除去する２段階方式が採用されている。また、ＣＤＥ法に代えて、リアクティブ・イオン・エッチング（ＲＩＥ）法が用いられる場合もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の技術において用いられる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。また、ＲＩＥ法を用いた場合、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った。
【０００８】
従来の技術においては、ＣＤＥ法を用いた場合でも、ＲＩＥ法を用いた場合でも、いずれの場合においてもエッチング後にバリアメタル膜が残るので、残存したバリアメタル膜をＣＭＰ法等で除去する工程を経なければ、接続用金属の埋め込み工程を完了させることができなかった。
【０００９】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであって、ＣＭＰ法を用いることなく、ドライエッチング処理によって接続用金属の埋め込み工程を完了することができるドライエッチング方法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】
本発明は、半導体基板上の層間絶縁膜に形成された配線溝又は接続孔の内部に接続用金属を形成するためのドライエッチング方法において、前記層間絶縁膜の上面及び前記配線溝又は接続孔の内面に形成されたチタン系バリアメタル膜と、このチタン系バリアメタル膜の上に形成されたタングステン系金属膜と、を有する被処理物の表面に、フッ素原子を含むガスと酸素ガスとを少なくとも含むプロセスガスを活性化して供給し、前記配線溝又は接続孔の内部以外の部分の前記タングステン系金属膜を、前記チタン系バリアメタル膜に対して選択的にエッチングして除去する金属膜除去工程と、前記金属膜除去工程後の前記被処理物の表面に、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少なくとも含むプロセスガスを活性化して供給し、前記金属膜除去工程後に残存する前記チタン系バリアメタル膜を、前記配線溝又は接続孔の内部に残存する前記タングステン系金属膜に対して選択的にエッチングして除去するバリアメタル膜除去工程と、を備え、前記バリアメタル膜除去工程においては、前記被処理物の温度を７０〜１３０℃に保持すると共に前記フッ素原子を含むガスと前記酸素ガスとの合計流量に対する前記塩素原子を含むガスの流量の比を１２％以上として前記チタン系バリアメタル膜の選択的なエッチングを行うことを特徴とする。
【００１１】
また、前記金属膜除去工程においては、前記被処理物の温度を５〜５０℃に保持して前記タングステン系金属膜の選択的なエッチングを行うことができる。
【００１２】
また、前記金属膜除去工程及び前記バリアメタル膜除去工程においては、放電分離型のケミカルドライエッチング装置を用いたケミカルドライエッチングによって前記タングステン系金属膜及び前記チタン系バリアメタル膜の除去を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態によるドライエッチング方法について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態によるドライエッチング方法を実施する際に使用される放電分離型ケミカルドライエッチング装置（以下「ＣＤＥ装置」と言う。）の概略断面図である。このＣＤＥ装置においては、減圧雰囲気下にある真空容器１内のエッチング室２でシリコンウエハ等の被処理物３のエッチング処理が行われる。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、この載置台４は電熱器や誘導加熱装置等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。
【００１５】
真空容器１の天壁には活性種輸送管５の一端が接続されており、その他端には放電管６の一端が接続されている。放電管６の他端はガス導入口７を形成しており、ガス導入口７からプロセスガス（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が接続されており、ガス導入口７から放電管６内に導入されたプロセスガスに、マイクロ波導波管８を介して導かれたマイクロ波が印加され、放電管６内にプラズマが生成される。
【００１６】
放電管６内のプラズマによってプロセスガスが活性化されて活性種（ラジカル）が生成され、この活性種は活性種輸送管５を経由してエッチング室２内に導かれ、被処理物３の表面に到達した活性種によって被処理物３の表面のエッチング処理が施される。被処理物３のエッチングに供されたプロセスガス及び反応生成ガスは、排気口９を介してエッチング室２の外部に排気される。
【００１７】
図２は、本実施形態によるドライエッチング方法によって処理される被処理物３を示した部分縦断面図である。なお、本実施形態の説明においては接続孔（ビアホール又はコンタクトホールとも言う。）を例示するが、配線溝に関しても、接続用金属の構成は同一であり、本実施形態によるドライエッチング方法を同様にして適用することができる。
【００１８】
図２に示したように被処理物３は、シリコン半導体基板１００の上に絶縁膜１０２が形成されており、この絶縁膜１０２を介して下層配線１０１が形成されている。下層配線１０１上には、層間絶縁膜であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）１０が形成されている。このシリコン酸化膜１０には接続孔１４が形成されており、接続孔１４の底部には下層配線１０１が露出している。接続孔１４は、シリコン酸化膜１０をフォトレジストで被覆し、これをパターニングしてマスクを形成し、このマスクを利用したドライエッチングによって形成したものである。
【００１９】
シリコン酸化膜１０の上面及び接続孔１４の内面にはチタン（Ｔｉ）膜１１及び窒化チタン（ＴｉＮ）膜１２が順次スパッタリング法又はＣＶＤ法等で形成されてチタン系バリアメタル膜１５が形成されている。さらにその上に、ＣＶＤ法を用いて、タングステン系金属膜であるタングステン（Ｗ）膜１３が形成されており、このタングステン膜１３によって、接続孔１４の内部が埋められると共に接続孔１４以外の部分の窒化チタン膜１２の表面も覆われている。
【００２０】
図３は、接続用金属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（エッチングレート）の温度依存性を示す特性図である。縦軸はタングステン膜及び窒化チタン膜に対するエッチング速度（ｎｍ／ｍｉｎ）を示し、横軸は載置台４の温度（１０００／Ｔ（＝Ｋ）、Ｃ（℃）＝（１０００／Ｋ）-２７３．１６）を示している。
【００２１】
図３から分かるように、タングステン膜のエッチング速度は、１００℃までは直線的に上昇するが、１００℃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。一方、窒化チタン膜のエッチング速度は、７０℃以上の温度領域ではタングステン膜のエッチング速度とほぼ同じになる。したがって、載置台４の温度を、７０℃以下、好ましくは５０℃以下にすることによって、窒化チタン膜に対してタングステン膜を選択的にエッチング除去することができる。
【００２２】
図４は、タングステン膜、窒化チタン膜、チタン膜のエッチング速度（エッチグレート）の塩素ガス流量依存性を示した特性図である。縦軸はエッチング速度（ｎｍ／ｍｉｎ）を示し、横軸は、反応ガスの酸素ガス（Ｏ2）とＣＦ4とを合わせた流量に対する塩素ガス（Ｃｌ2）の流量の割合（塩素流量比）を示している。
【００２３】
図４から分かるように、塩素流量比が増加するに従ってタングステン膜のエッチング速度が急激に小さくなる。一方、窒化チタン膜又はチタン膜等のチタン系バリアメタルについては、塩素ガスの割合が増加してもエッチング速度はあまり変化しない。そして、特に塩素流量比が１２％以上の領域において、タングステン膜とチタン系バリアメタル膜とのエッチング速度の差（選択性）が大きく、タングステン膜に対するチタン系バリアメタル膜の選択比を十分に大きく確保することができる。
【００２４】
そして、本実施形態によるドライエッチング方法においては、図２に示した被処理物３に対して、次のような条件で、金属膜除去工程及びバリアメタル膜除去工程を行う。
【００２５】
まず、金属膜除去工程においては、プロセスガス（反応性ガス）として、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとの混合ガスを用いる。混合ガスの総流量を２５０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワーを７００Ｗ、圧力を３０Ｐａとし、この条件で被処理物３が載置されている載置台４の温度（基板温度）を５〜５０℃に制御する。このような条件においては、図３から分かるように窒化チタン膜１２（チタン系バリアメタル）のエッチング速度が十分に小さいため、窒化チタン膜１２に対してタングステン膜１３が選択的にエッチングされる。
【００２６】
なお、ＣＦ4ガスに代えて、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＮＦ3、Ｃ5Ｆ8又はＳＦ6を使用することができる。
【００２７】
また、プロセスガスの中にＣｌ2を加えることもできる。
【００２８】
図５（ａ）は、金属膜除去工程後の状態、すなわちタングステン膜１３を選択的にエッチングして除去した後の状態を示している。図５（ａ）から分かるように、タングステン膜１３はエッチバックされているが、チタン系バリアメタル膜１５はエッチングされることなく残っている。
【００２９】
次に、バリアメタル膜除去工程においては、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとＣｌ2ガスとの混合ガスの総流量を５００ｓｃｃｍ、マイクロ波パワーを７００Ｗ、圧力を５０Ｐａとし、この条件で被処理物３が載置されている載置台４の温度（基板温度）を７０〜１３０℃に制御し、さらに、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとの合計流量に対するＣｌ2ガスの流量の比を１２％以上とする。
【００３０】
このような条件においては、図４から分かるようにタングステン膜１３のエッチング速度が低下するので、窒化チタン膜１２及びチタン膜１１から成るチタン系バリアメタル膜１５を、タングステン膜１３に対して選択的にエッチングすることができる。なお、このとき、ＣＦ4ガスに代えて、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ8、ＮＦ3、Ｃ5Ｆ8又はＳＦ6を使用することができる。
【００３１】
図５（ｂ）は、バリアメタル膜除去工程後の状態、すなわちチタン系バリアメタル膜１５を選択的にエッチングして除去した状態を示している。図５（ｂ）から分かるように、チタン系バリアメタル膜１５がエッチバックされて、タングステン膜１３、窒化チタン膜１２、及びチタン膜１１から成る平坦な接続用金属が良好に接続孔１４に埋め込まれている。
【００３２】
このようにして処理された被処理物３は、後工程において、シリコン酸化膜１０上に配線が形成され、この配線を接続孔１４内の接続用金属に接続して配線と下層配線１０１とが電気的に接続され、さらに後工程が行われて半導体装置が形成される。
【００３３】
図６は、タングステン膜をエッチングした場合に生成される反応物の蒸気圧曲線を示している。図６を参照して、本実施形態によるドライエッチング方法において、チタン系バリアメタル膜１５を選択的にエッチング除去する方法についてさらに説明する。
【００３４】
本実施形態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は、ＣＦ4ガスとＯ2ガスとＣｌ2ガスとの混合ガスを放電させて得られるフッ素ラジカルによって、チタン膜１１及び窒化チタン膜１２から成るチタン系バリアメタル膜１５並びにタングステン膜１３をエッチング除去するが、チタン系バリアメタル膜１５をエッチング除去する際には、上述したように載置台４の温度（基板温度）を７０〜１３０℃にする。さらに、チタン系バリアメタル膜１５を選択的にエッチングするために、Ｃｌ2ガスを添加すると共にその流量比を所定値（１２％）以上とする。
【００３５】
Ｃｌ2ガスを添加すると、図６から分かるように、タングステン膜１３の表面でＷ＋６Ｃｌ→ＷＣｌ6反応が起こり、ＷＣｌ6はＷＦ6に比較して蒸気圧が十分に低いため、タングステン膜１３のエッチング反応が起こり難くなる。つまり、Ｃｌ2ガスを添加することによって、タングステン膜１３に対してチタン系バリアメタル膜１５を選択的にエッチング除去することが可能となる。
【００３６】
以上述べたように本実施形態によるドライエッチング方法によれば、被処理物３を比較的低温に制御してタングステン膜１３を選択的にエッチングし、その後、被処理物３を比較的高温に制御し且つ所定流量比以上のＣｌ2ガスを添加してチタン系バリアメタル膜１５を選択的にエッチングするようにしたので、配線溝或いは接続孔１４の内部に平坦な接続用金属を埋め込み形成することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によるドライエッチング方法によれば、チタン系バリアメタル膜の上に形成されたタングステン系金属膜を、チタン系バリアメタル膜に対して選択的にエッチングして除去した後、残存するチタン系バリアメタル膜を、配線溝又は接続孔の内部に残存するタングステン系金属膜に対して選択的にエッチングして除去するようにしたので、従来のようなＣＭＰ法によるチタン系バリアメタル膜の除去は不要であり、ドライエッチング処理によって接続用金属の埋め込み工程を完了することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるドライエッチング方法において使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構成を示した縦断面図。
【図２】本発明の一実施形態によるドライエッチング方法によって処理される被処理物の部分縦断面図。
【図３】接続用金属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の温度依存性を示す特性図。
【図４】タングステン膜、窒化チタン膜、チタン膜のエッチング速度の塩素ガス流量依存性を示した特性図。
【図５】本発明の一実施形態によるドライエッチング方法によって処理された被処理物を示した部分縦断面図であり、（ａ）は金属膜除去工程後の状態を示し、（ｂ）はバリアメタル膜除去工程後の状態を示している。
【図６】タングステン膜をエッチングした場合に生成される反応物の蒸気圧曲線を示したグラフ。
【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  活性種輸送管
６  放電管
７  ガス導入口
８  マイクロ波導波管
１０  シリコン酸化膜（層間絶縁膜）
１１  チタン膜
１２  窒化チタン膜
１３  タングステン膜（タングステン系金属膜）
１４  接続孔
１５  チタン系バリアメタル膜
１００  シリコン半導体基板
１０１  下層配線
１０２  絶縁膜
【図１】
0003887123.tif 000002
【図２】
0003887123.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003887123.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003887123.tif 000007