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JPH08203911A - Plasma etching method of al metallic layer - Google Patents

Plasma etching method of al metallic layer

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Publication number
JPH08203911A
JPH08203911A JP7008609A JP860995A JPH08203911A JP H08203911 A JPH08203911 A JP H08203911A JP 7008609 A JP7008609 A JP 7008609A JP 860995 A JP860995 A JP 860995A JP H08203911 A JPH08203911 A JP H08203911A
Authority
JP
Japan
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metal layer
layer
based metal
etching
plasma etching
Prior art date
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Application number
JP7008609A
Other languages
Japanese (ja)
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JP3353517B2 (en
Inventor
Shingo Kadomura
新吾 門村
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Priority to JP00860995A priority Critical patent/JP3353517B2/en
Publication of JPH08203911A publication Critical patent/JPH08203911A/en
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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

PURPOSE: To provide the process of a large selection ratio with an etching mask, excellent anisotropy, the least particle contamination and after-corrosion. CONSTITUTION: An Al metallic layer 3 is plasma etched away using an inorganic base material layer 4 containing fluorine such as SiOF, etc., as an etching mask. Thus, the etching mask made of the inorganic base material layer 4 containing fluorine is sputtered so as to form an AlFx base sidewall protective film 6 on the side faces of the Al base metallic layer 3 in the patterning step by the active fluorine fed by the sputtering step. Accordingly, the Al base metallic layer 3 is anisotropically patterned while the sidewall protecting film 6 not containing Cl at all has no possibility of causing after-corrosion. Furthermore, the complete effect can be given by using the sidewall protective film made of sulfuric base material together with the S sidewall protective film 6.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の電極・配線
等に用いるAl系金属層のプラズマエッチング方法に関
し、さらに詳しくは、Fを含む無機系材料をエッチング
マスクとして用いたAl系金属配線の新規なプラズマエ
ッチング方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma etching method for an Al-based metal layer used for electrodes and wirings of semiconductor devices, and more particularly, to an Al-based metal wiring using an inorganic material containing F as an etching mask. The present invention relates to a novel plasma etching method.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSI等の半導体装置の内部配線や電極
材料として、純Alや、各種マイグレーション耐性を高
めるためAlに1〜2%のSiを添加したAl−Si合
金、さらに0.5〜1%のCuを加えたAl−Si−C
u合金等のAl系金属が広く使用されている。またAl
系金属層の上層および下層には、下地との密着性やバリ
ア性を高めるためのTi層やTiN層のTi系材料層を
配したり、露光光の反射を防止するTiON層を配した
積層構造が多用されている。
2. Description of the Related Art Pure Al, an Al-Si alloy in which 1 to 2% of Si is added to Al in order to improve resistance to various migrations, as an internal wiring or electrode material of a semiconductor device such as an LSI, and 0.5 to 1 % Cu-added Al-Si-C
Al-based metals such as u alloys are widely used. Also Al
A Ti-based material layer such as a Ti layer or a TiN layer for improving the adhesion and barrier properties to the underlying layer, or a TiON layer for preventing the reflection of exposure light is stacked on the upper and lower layers of the metal-based metal layer. The structure is heavily used.

【0003】Al系金属層のパターニングは、蒸気圧の
高いAlClx 系の反応生成物を形成するために、一般
にCl系ガスによるプラズマエッチングがおこなわれ
る。例えば米国特許第4,256,534号明細書に
は、BCl3 /Cl2 混合ガスによるパターニング方法
が開示されている。
Patterning of the Al-based metal layer is generally performed by plasma etching with a Cl-based gas in order to form an AlCl x -based reaction product having a high vapor pressure. For example, US Pat. No. 4,256,534 discloses a patterning method using a BCl 3 / Cl 2 mixed gas.

【0004】Al系金属層のプラズマエッチングにおい
ては、メインエッチャントはCl*(Clラジカル)で
あり、自発的かつ速やかなエッチング反応が進行する。
このため、Cl* のみでは等方性の強いエッチングとな
りサイドエッチングが発生する。そこで通常は、ある程
度被処理基板への垂直入射イオンエネルギを高めたプラ
ズマエッチング条件の採用により、イオンアシスト反応
を併用するとともに、入射イオンによりスパッタされた
レジストマスクの分解生成物を側壁保護膜として利用す
ることで、異方性エッチングを達成している。イオンア
シスト反応の併用は、SiやCu等の合金成分や、Ti
等の積層構造成分等、反応生成物の蒸気圧が小さい化合
物をスパッタリングして除去し、残渣の発生を抑えるた
めにも必要である。混合ガス中のBCl3 は、Al系金
属層の表面に存在する自然酸化膜のブレークスルーに用
いる還元剤であるとともに、入射イオンとしてのBCl
x + を供給するという重要な役割を担っている。
In plasma etching of the Al-based metal layer, the main etchant is Cl * (Cl radical), and spontaneous and rapid etching reaction proceeds.
Therefore, Cl * alone causes strong isotropic etching and side etching occurs. Therefore, normally, by adopting plasma etching conditions in which the energy of vertically incident ions on the substrate to be processed is increased to some extent, the ion assist reaction is also used, and the decomposition product of the resist mask sputtered by the incident ions is used as a sidewall protective film. By doing so, anisotropic etching is achieved. The combined use of ion-assisted reactions is the use of alloy components such as Si and Cu, and Ti.
It is also necessary to suppress the generation of a residue by sputtering and removing a compound having a low vapor pressure of a reaction product such as a laminated structure component. BCl 3 in the mixed gas is a reducing agent used for breakthrough of the natural oxide film existing on the surface of the Al-based metal layer, and also BCl 3 as incident ions.
It plays an important role of supplying x + .

【0005】ところで、上述のようにレジストマスクの
スパッタによる分解生成物を側壁保護膜として積極的に
用いるイオンモードの異方性エッチングにおいては、必
然的にレジストマスクや下地層間絶縁膜との選択比が低
下する。BCl3 /Cl2 混合ガスによる典型的なAl
系金属層のパターニングにおいては、対レジストマスク
選択比はわずかに2程度と低く、これはエッチングガス
にCl系ガスを用いることによる本質的な問題である。
とくに多層配線の採用にともない高段差を有する下地基
板上のパターニングや、前述したバリアメタル層や反射
防止膜構造の採用が問題を一層困難なものとしている。
By the way, in the ion mode anisotropic etching in which the decomposition products of the resist mask sputtered are positively used as the side wall protection film as described above, the selection ratio with respect to the resist mask and the underlying interlayer insulating film is inevitable. Is reduced. Typical Al with BCl 3 / Cl 2 mixed gas
In the patterning of the system metal layer, the selectivity ratio to the resist mask is as low as about 2, which is an essential problem due to the use of Cl system gas as the etching gas.
In particular, with the adoption of multi-layered wiring, patterning on a base substrate having a high level difference and adoption of the barrier metal layer and the antireflection film structure described above make the problem even more difficult.

【0006】すなわち、レジストマスクとの低選択比を
カバーする手段として、レジストマスクの厚膜化が考え
られるが、高段差部分ではリソグラフィ時における露光
光の焦点ずれ(DOF)の問題がある。また高段差部分
ではレジストマスクのスピンコーティング時に塗布厚が
薄膜化し、所期の膜厚が得られない等、単にレジストコ
ーティング条件を厚膜化しただけでは充分な効果が期待
できないのが実情である。
That is, as a means for covering a low selection ratio with respect to the resist mask, thickening the resist mask is considered, but there is a problem of defocusing (DOF) of exposure light at the time of lithography in a high step portion. Also, in the high step portion, the coating thickness becomes thin during spin coating of the resist mask, and the desired film thickness cannot be obtained. In reality, it is not possible to expect sufficient effects simply by increasing the resist coating conditions. .

【0007】またバリアメタル層や反射防止膜構造を採
用したAl系金属配線においては、これらの難エッチン
グ性材料層を含む積層構造をパターニングするため、C
l系ガスを用いイオンモードの強いエッチング条件を採
用するのでエッチングレートが低下し、このためエッチ
ングが長時間化することも耐レジストマスク選択比を低
下する原因となる。
In the case of an Al-based metal wiring that employs a barrier metal layer or an antireflection film structure, C is used for patterning the laminated structure including these difficult-to-etch material layers.
Since an etching condition of strong ion mode is adopted by using the l-based gas, the etching rate is lowered, and thus the prolonged etching also causes a reduction in resist mask selectivity.

【0008】一方、サブハーフミクロンクラスの高集積
化した微細なデザインルールのもとでは、フォトリソグ
ラフィにおける露光時の解像度を向上するためにも、レ
ジストの塗布厚を低減することが要求される。しかも、
露光波長の短波長化にともない、KrF等のエキシマレ
ーザリソグラフィが採用されつつあるが、これらエキシ
マレーザリソグラフィ対応の化学増幅型レジストはイオ
ン入射耐性が必ずしも充分でない。したがって、レジス
ト塗布厚低減による微細加工性の確保と、対レジストマ
スク選択比の確保とはトレードオフの関係にあり、特に
段差下地上のAl系金属層のパターニングにおいて段差
部の残渣を除去するオーバーエッチング工程では、レジ
ストマスクの膜減りによるパターン変換差の問題は無視
できないレベルとなっている。
On the other hand, under the highly integrated fine design rule in the sub-half micron class, it is required to reduce the resist coating thickness in order to improve the resolution at the time of exposure in photolithography. Moreover,
Excimer laser lithography such as KrF is being adopted along with the shortening of the exposure wavelength, but these chemically amplified resists compatible with excimer laser lithography do not necessarily have sufficient ion incidence resistance. Therefore, there is a trade-off relationship between ensuring the fine workability by reducing the resist coating thickness and ensuring the selection ratio with respect to the resist mask. In particular, in patterning the Al-based metal layer on the step underlying, the residue of the step is removed. In the etching process, the problem of pattern conversion difference due to the film reduction of the resist mask is at a level that cannot be ignored.

【0009】かかる問題に対処するために、従来よりレ
ジストマスクの補強策として、レジストマスクの表面に
イオン衝撃耐性の高い材料を形成する試みがなされてい
る。例えば、エッチングガスとしてSiCl4 を用い
て、レジストマスクの表面をSiで被覆する方法が第3
3回集積回路シンポジウム講演予稿集(1987年)、
p.114に報告されているが、被エッチング基板上へ
のSiの堆積によるパーティクルレベルの増加について
は未解決である。
In order to deal with such a problem, conventionally, as a measure for reinforcing the resist mask, an attempt has been made to form a material having high ion bombardment resistance on the surface of the resist mask. For example, a method of coating the surface of a resist mask with Si using SiCl 4 as an etching gas is a third method.
Proceedings of the 3rd integrated circuit symposium lecture (1987),
p. 114, but the increase in the particle level due to the deposition of Si on the substrate to be etched is still unsolved.

【0010】またBBr3 等のBr系ガスを用いるプロ
セスがProceedings of the 11t
h.Symposium on Dry Proces
s、II−2、p.45、あるいは特開平1−3022
7号公報に報告ないしは開示されている。このプロセス
は、レジストマスク表面を蒸気圧の小さい反応生成物C
Brx で被覆してエッチング耐性を高めるものである。
CBrx によるレジストマスク保護のメカニズムについ
ては、月刊セミコンダクター・ワールド誌(プレスジャ
ーナル社刊)1990年12月号、p.103〜107
に詳述されており、対レジストマスク選択比として5の
値が報告されている。しかしながら、かかるレベルの選
択比を達成するにはCBrx を多量に堆積する必要があ
り、Al系金属配線のパターン変換差や、断面の過度の
テーパ形状化の問題があり、さらに被処理基板やプラズ
マエッチング装置内部のパーティクルレベルを悪化させ
る虞れが大きい。さらに、段差を有する下地絶縁膜上の
Al系金属層のパターニングにおいては、過剰の側壁保
護膜の堆積等により段差側面の下部に延在するストリン
ガ残渣を発生し、配線間の短絡を生じる虞れがある。さ
らに本質的な問題として、バリアメタル層や反射防止膜
構造のAl系金属層をパターニングするための高イオン
エネルギ条件下では、充分な側壁保護効果を発揮できな
い。これは、2原子間の結合エネルギで比較すると、C
−Brが67±5kcal/molであり、C−Clの
95±7kcal/molやC−Cの145±5kca
l/molと比較して小さいことからも明らかである。
なお2原子間の結合エネルギは、CRC Handbo
ok of Chemistry and Physi
cs,71st.Edition,1990−1991
(CRC Press)によった。
A process using a Br-based gas such as BBr 3 is a Proceedings of the 11t.
h. Symposium on Dry Procedures
s, II-2, p. 45, or Japanese Patent Laid-Open No. 1-3022
No. 7 report. In this process, the reaction product C having a small vapor pressure is applied to the surface of the resist mask.
It is coated with Br x to enhance etching resistance.
The mechanism of resist mask protection by CBr x is described in the monthly semiconductor world magazine (published by Press Journal) December 1990 issue, p. 103-107
And a value of 5 is reported as the selectivity ratio to the resist mask. However, in order to achieve such a level of selection ratio, it is necessary to deposit a large amount of CBr x, which causes problems such as a difference in pattern conversion of Al-based metal wiring and an excessively tapered cross section. There is a high possibility that the particle level inside the plasma etching apparatus will be deteriorated. Further, in the patterning of the Al-based metal layer on the underlying insulating film having a step, a stringer residue extending to the lower part of the step side surface is generated due to excessive deposition of the side wall protective film, which may cause a short circuit between wirings. There is. Further, as an essential problem, a sufficient side wall protection effect cannot be exhibited under high ion energy conditions for patterning a barrier metal layer or an Al-based metal layer having an antireflection film structure. This is C when compared with the binding energy between two atoms.
-Br is 67 ± 5 kcal / mol, 95 ± 7 kcal / mol for C-Cl and 145 ± 5 kca for C-C.
It is also clear from the fact that it is smaller than 1 / mol.
Note that the bond energy between the two atoms is CRC Handbo
ok of Chemistry and Physi
cs, 71st. Edition, 1990-1991
(CRC Press).

【0011】これとは別に、レジストマスク構成元素で
ある、C、HおよびOを含む化合物であるメタノールを
添加し、Cl2 /CH3 OH混合ガスによりAl系金属
層をプラズマエッチングする例が特開平4−14762
1号公報に開示されている。これはCH3 OHの添加に
より、レジストマスクの分解が相対的に少なくなること
を利用し、選択比3.5〜4を達成するものである。し
かし、BClx + 等質量の大きなイオン種のスパッタリ
ング効果は期待できず、自然酸化膜の除去に難があり、
このため実際にエッチングが始まる迄のinducti
on time(dead time)の長時間化やパ
ターニングの均一性に問題があった。
Separately from this, an example in which methanol, which is a compound containing C, H and O, which is a constituent element of the resist mask, is added, and the Al-based metal layer is plasma-etched by a Cl 2 / CH 3 OH mixed gas is a special case. Kaihei 4-14762
It is disclosed in Japanese Patent Publication No. This utilizes the fact that the decomposition of the resist mask is relatively reduced by the addition of CH 3 OH, and the selection ratio of 3.5 to 4 is achieved. However, it is difficult to expect the sputtering effect of ion species having a large mass of BCl x +, and it is difficult to remove the natural oxide film.
Therefore, the inducti before the etching actually starts
There is a problem in that the on time (dead time) is prolonged and the patterning uniformity is poor.

【0012】一方、Al系金属配線のパターニングに特
有の現象として、アフターコロージョンの問題がある。
アフターコロージョンの発生機構については、例えば月
刊セミコンダクター・ワールド誌(プレスジャーナル社
刊)1989年4月号、p.101−106に詳述され
ているが、その概要は以下の通りである。
On the other hand, as a phenomenon peculiar to the patterning of Al-based metal wiring, there is a problem of after-corrosion.
The mechanism of occurrence of after-corrosion is described in, for example, Monthly Semiconductor World magazine (Press Journal, Inc.), April 1989 issue, p. 101-106, the outline of which is as follows.

【0013】Al系金属層をCl系ガスでパターニング
した後のAl系金属配線パターン近傍部には、エッチン
グの反応生成物であるAlCl3 やエッチングガスその
ものの分解生成物が残留する。これらは被エッチング基
板上に吸着するのみならず、レジストマスクの内部にも
侵入する。AlCl3 やエッチングガスの分解生成物は
大気に触れると水分を吸収し、電解質としてCl- を含
む水滴となり、この水溶液中にAlが溶出し腐食が発生
する。さらにレジストとCl系ガスとの反応生成物であ
るCClx は、側壁保護膜としてエッチングの異方性確
保に重要であるが、この側壁保護膜中のClもエッチン
グ終了後には有害な残留塩素となる。
AlCl 3 which is a reaction product of etching and a decomposition product of the etching gas itself remain in the vicinity of the Al-based metal wiring pattern after the Al-based metal layer is patterned with the Cl-based gas. These not only adsorb onto the substrate to be etched, but also penetrate into the inside of the resist mask. When AlCl 3 or a decomposition product of etching gas comes into contact with the atmosphere, it absorbs water to form water droplets containing Cl as an electrolyte, and Al is dissolved in this aqueous solution to cause corrosion. Further, CCl x , which is a reaction product of the resist and the Cl-based gas, is important for securing the anisotropy of etching as a side wall protective film, but Cl in this side wall protective film also becomes harmful residual chlorine after the etching is completed. Become.

【0014】特に最近ではAl系金属配線へのCuの添
加が一般化し、アフターコロージョンの問題が顕在化す
る傾向にある。これは、エッチング除去されるはずの反
応生成物であるCuClx がその低い蒸気圧のためにA
l系金属配線のパターン上に残留し、ここに水分が供給
されると、Cl- を電解質とし、AlとCuを両極とす
る局部電池が形成されて腐食が加速されるからである。
この機構は、Tiを含むバリアメタル層や反射防止層等
の異種材料層との積層構造の採用においても同様であ
る。このため、従来にも増して徹底したアフターコロー
ジョン対策が望まれる。
In particular, recently, the addition of Cu to Al-based metal wiring has become common, and the problem of after-corrosion tends to become apparent. This is due to the low vapor pressure of the reaction product CuCl x , which is supposed to be removed by etching.
This is because if the water remains on the pattern of the 1-based metal wiring and water is supplied thereto, a local battery having Cl as an electrolyte and Al and Cu as both electrodes is formed and corrosion is accelerated.
This mechanism is the same as in the case of adopting a laminated structure with a different material layer such as a barrier metal layer containing Ti and an antireflection layer. Therefore, more thorough measures against after-corrosion than ever before are desired.

【0015】さらにレジストマスクの分解生成物による
側壁保護膜中に含まれる残留塩素は、被処理基板が大気
中の酸素と接触したり、O2 プラズマアッシングを施す
とAl2 3 系の強固な残渣となり、パターニングされ
たAl系金属配線側面上にフェンス状に残留して上層に
形成する層間絶縁膜のステップカバレッジを低下する。
また剥離した場合には被処理基板上のパーティクルレベ
ルを悪化する。このためにも過剰の側壁保護膜の形成は
好ましいものではない。
Further, the residual chlorine contained in the side wall protective film due to the decomposition product of the resist mask causes a strong Al 2 O 3 system when the substrate to be processed comes into contact with oxygen in the atmosphere or when O 2 plasma ashing is performed. It becomes a residue and remains like a fence on the side surface of the patterned Al-based metal wiring to reduce the step coverage of the interlayer insulating film formed in the upper layer.
Further, when peeled off, the particle level on the substrate to be processed deteriorates. For this reason also, it is not preferable to form an excessive side wall protective film.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な技術的背景をふまえ、これらの問題点を解決すること
をその技術的課題とするものである。すなわち本発明の
課題は、対エッチングマスク選択比が大きく、異方性に
優れ、しかも過剰な側壁保護膜の堆積によるパーティク
ル汚染や寸法変換差、あるいは下地段差でのストリンガ
残渣のないAl系金属層のプラズマエッチング方法を提
供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is directed to solving these problems based on the above technical background. That is, an object of the present invention is to provide an Al-based metal layer having a large etching mask selection ratio, excellent anisotropy, and no particle contamination or dimensional conversion difference due to excessive deposition of a sidewall protective film, or a stringer residue at an underlying step. To provide a plasma etching method.

【0017】本発明の別の課題は、Cu等難エッチング
性の元素を含むAl系金属層や、Ti系材料層等異種材
料との積層構造であっても、エッチング残渣やアフター
コロージョンのないAl系金属層のプラズマエッチング
方法を提供することである。
Another object of the present invention is to provide an Al-based metal layer containing a difficult-to-etch element such as Cu, or a laminated structure of different materials such as a Ti-based material layer without etching residue or after-corrosion. A plasma etching method for a base metal layer is provided.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明のAl系金属層の
パターニング方法は、上述の課題を解決するために提案
するものであり、Fを含む無機系材料層をエッチングマ
スクとし、Al系金属層をパターニングすることを特徴
とするものである。
A method of patterning an Al-based metal layer of the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems, and an Al-based metal layer containing F is used as an etching mask. It is characterized in that the layer is patterned.

【0019】Fを含む無機系材料層としては、SiOF
およびSiONFを例示できる。これらは、SiOx
y およびSiOx y z の形で表記されるべき化合物
であり、必ずしもストイキオメトリ組成を有するもので
はない。すなわち、通常の無機誘電体材料であるSiO
2 やSiON中ににFが含まれた構造とみるべきであ
る。かかるFを含む無機系材料層は、近年低誘電率の絶
縁膜材料として半導体装置や高周波デバイス等の高速化
のためにに提案されている。一例として、Extend
ed Abstracts of the 1993
Intrnational Conference o
n Solid State Devices and
Materisls,Makuhari,1993,
pp.161−163 にSiOFの物性と成膜法が報
告されており、この材料をエッチングマスクとして採用
するのである。
As the inorganic material layer containing F, SiOF is used.
And SiONF can be exemplified. These are SiO x F
It is a compound to be represented in the form of y and SiO x N y F z , and does not necessarily have a stoichiometric composition. That is, SiO, which is a normal inorganic dielectric material
It should be regarded as a structure in which F is contained in 2 or SiON. Such an inorganic material layer containing F has recently been proposed as an insulating film material having a low dielectric constant for increasing the speed of semiconductor devices, high frequency devices, and the like. As an example, Extend
ed Abstracts of the 1993
International Conference o
n Solid State Devices and
Materisls, Makuhari, 1993,
pp. 161-163, the physical properties of SiOF and the film forming method are reported, and this material is used as an etching mask.

【0020】エッチングガスとしては、BCl3 等ハロ
ゲン化ホウ素を含むガス、あるいはS2 Cl2 等、放電
解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるハ
ロゲン化イオウ系ガスを含むガスを採用する。
As the etching gas, a gas containing boron halide such as BCl 3 or a gas containing sulfur halide gas such as S 2 Cl 2 which can release free sulfur into plasma under discharge dissociation conditions is adopted. To do.

【0021】本発明のエッチング対象物であるAl系金
属層としては、主として純Al、Al−Si合金、Al
−Si−Cu合金のうちのいずれかの材料層である。
The Al-based metal layer which is the etching object of the present invention is mainly pure Al, Al--Si alloy, Al.
It is a material layer of any one of -Si-Cu alloys.

【0022】また本発明のエッチング対象物であるAl
系金属層の下層にはTi系材料層からなる密着層やバリ
アメタル層をを有し、Al系金属層のパターニングに引
き続き、このTi系材料層を連続的にパターニングする
ことを特徴とする。
Al, which is the etching object of the present invention,
An adhesion layer made of a Ti-based material layer and a barrier metal layer are provided below the system-based metal layer, and the Ti-based material layer is continuously patterned after the patterning of the Al-based metal layer.

【0023】あるいはAl系金属層の上層にはTi系材
料層からなる反射防止膜を有し、このTi系材料層のパ
ターニングに引き続き、Al系金属層を連続的にパター
ニングすることを特徴とする。勿論Al系金属層の上層
および下層両方にTi系材料層を有していてもよい。
Alternatively, an antireflection film made of a Ti-based material layer is provided on the Al-based metal layer, and the Al-based metal layer is continuously patterned after the patterning of the Ti-based material layer. . Of course, a Ti-based material layer may be provided on both the upper and lower layers of the Al-based metal layer.

【0024】さらに、Al系金属層の下層にはW層を有
し、前記Al系金属層のパターニングに引き続き、前記
W層を連続的にパターニングすることを特徴とする。こ
の場合のW層は、Al系金属配線がストレスマイグレー
ションやエレクトロマイグレーションにより断線した場
合にも最低限の導通を確保するための冗長層としての役
割を担い、高信頼性の半導体装置を提供するものであ
る。
Further, a W layer is provided under the Al-based metal layer, and the W-layer is continuously patterned after the patterning of the Al-based metal layer. In this case, the W layer plays a role as a redundant layer for ensuring the minimum conduction even when the Al-based metal wiring is disconnected due to stress migration or electromigration, and provides a highly reliable semiconductor device. Is.

【0025】[0025]

【作用】本発明のポイントは、エッチングマスクとして
Fを含む無機系材料層を採用し、異方性加工に必要な側
壁保護膜はAl系金属とFとの反応生成物であるAlF
x とし、このFの供給源をエッチングマスクに求めた点
にある。
The point of the present invention is to employ an inorganic material layer containing F as an etching mask, and the side wall protective film required for anisotropic processing is AlF which is a reaction product of Al-based metal and F.
It is defined as x, and the source of this F is determined as an etching mask.

【0026】SiOFやSiONF等Fを含む無機系材
料マスクは、イオンアシスト反応を伴うプラズマエッチ
ング中に徐々にスパッタアウトされ、プラズマ中にFが
活性種として放出される。活性種としてのFは、パター
ニングされつつある露出したAl系金属配線の側壁と反
応してAlFx 膜を形成し、Cl* によるAl系金属配
線のアタックによるサイドエッチングを防止する。これ
は、前述した出典による2原子間の結合エネルギで比較
すると、Al−Fが158.6±1.5kcal/mo
lであるのに対し、Al−Cl間が122.2±0.2
kcal/molであることからも明らかである。
An inorganic material mask containing F such as SiOF and SiONF is gradually sputtered out during plasma etching accompanied by an ion assist reaction, and F is released into plasma as an active species. F as an active species reacts with the exposed side wall of the Al-based metal wiring that is being patterned to form an AlF x film, and prevents side etching due to attack of the Al-based metal wiring by Cl * . This is 158.6 ± 1.5 kcal / mo when Al-F is compared with the binding energy between two atoms according to the above-mentioned source.
1, while the distance between Al and Cl is 122.2 ± 0.2.
It is also clear from the fact that it is kcal / mol.

【0027】通常、無機系材料をエッチングマスクとし
て使用するプラズマエッチングにおいては、異方性加工
を達成するための側壁保護膜はレジストマスクの分解生
成物に求めることは不可能である。そこで側壁保護膜を
何らかの手段により形成することが重要であり、例えば
堆積性のガスを採用する例が報告されている。しかしな
がら、先述したように通常の堆積性ガスの採用はパーテ
ィクルレベルの増大等の点で実用的ではない。
Usually, in plasma etching using an inorganic material as an etching mask, it is impossible to find the side wall protective film for achieving anisotropic processing as a decomposition product of the resist mask. Therefore, it is important to form the sidewall protective film by some means, and for example, an example of using a deposition gas has been reported. However, as described above, the use of ordinary deposition gas is not practical in terms of increasing the particle level.

【0028】本発明においては、異方性加工に必要とさ
れる側壁保護膜を、パターニングされつつある被エッチ
ング層側面そのもののフッ化により形成するので、エッ
チングガスに堆積性ガスを採用したり、あるいは別途添
加する必要はない。被エッチング層の側面に形成される
AlFx は、Al系金属配線の表面のみに極く薄い膜と
して形成され、Al系金属配線内部にまでフッ化反応が
進行することはない。
In the present invention, since the side wall protective film required for anisotropic processing is formed by fluorinating the side surface itself of the layer to be etched, which is being patterned, a deposition gas is used as the etching gas, Alternatively, it is not necessary to add it separately. The AlF x formed on the side surface of the layer to be etched is formed as an extremely thin film only on the surface of the Al-based metal wiring, and the fluorination reaction does not proceed inside the Al-based metal wiring.

【0029】本発明において、堆積性ガスとしてS2
2 等、放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを
放出しうるハロゲン化イオウ系ガスを採用する態様があ
るが、イオウ系の堆積物は昇華性であるのでパーティク
ル汚染を招来する虞れはない。すなわち、イオウ系堆積
物として純イオウないしはポリチアジルを採用しうる
が、減圧雰囲気中での各々の昇華温度は約90℃以上お
よび約150℃以上である。逆に言えば、純イオウない
しはポリチアジルは被エッチング基板が各々約90℃未
満および約150℃未満であれば被エッチング基板上に
堆積し、側壁保護膜としての利用が可能である。
In the present invention, S 2 C is used as the deposition gas.
There is a mode in which a halogenated sulfur-based gas that can release free sulfur into plasma under discharge dissociation conditions such as l 2 is adopted, but since sulfur-based deposits are sublimable, particle contamination may occur. There is no. That is, pure sulfur or polythiazil can be adopted as the sulfur-based deposit, but the sublimation temperature of each in a reduced pressure atmosphere is about 90 ° C. or higher and about 150 ° C. or higher. Conversely, pure sulfur or polythiazyl can be deposited on the substrate to be etched if the substrate to be etched is less than about 90 ° C. and less than about 150 ° C., and can be used as a side wall protective film.

【0030】本発明で採用するSiOFあるいはSiO
NF等の無機系材料マスクは、Fを含有するとは言え、
もともとはSiO2 系ないしはSiON系の材料である
から、Al系金属層のプラズマエッチングにおいては対
エッチングマスク選択比は充分に確保することが可能で
ある。
SiOF or SiO used in the present invention
Although the inorganic material mask such as NF contains F,
Originally, since it is a SiO 2 or SiON based material, it is possible to secure a sufficient selection ratio to the etching mask in plasma etching of the Al based metal layer.

【0031】さらに、パターニングされたAl系金属配
線の側壁表面に形成されるAlF系の薄膜は緻密なフ
ッ化物であり、内部にClを含有することはないので、
アフターコロージョンの防止効果も合わせて達成でき
る。
Furthermore, since the AlF x type thin film formed on the side wall surface of the patterned Al type metal wiring is a dense fluoride and does not contain Cl inside,
The effect of preventing after-corrosion can also be achieved.

【0032】なお、AlF系の側壁保護膜の形成の
ためには、エッチングガス中にF系ガスを別途添加する
ことも考えらえる。しかしながらこの方法では、エッチ
ング反応系全体でAlFx 系の物質が形成され、新たな
パーティクル汚染源となる虞れがある。そこで本発明に
おいては、被エッチング層の極く近傍に存在するエッチ
ングマスクから局所的に活性Fを供給し、側壁保護膜の
形成以外の不要なAlFx 系の物質の形成を防止する構
成とするのである。
In order to form the AlF x type sidewall protective film, it is conceivable to add an F type gas to the etching gas separately. However, this method, AlF x based material is formed in the entire etching reaction system, there is a possibility that a new particle contamination source. Therefore, in the present invention has a structure that supplies a topically active F from the etching mask existing in close proximity of the layer to be etched, to prevent the formation of undesired AlF x based material other than the formation of the sidewall protection film Of.

【0033】[0033]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、図面を
参照しつつ説明する。なお以下に示す各実施例は、いず
れもエッチング装置として基板バイアス印加型ヘリコン
波プラズマエッチング装置を用いた例である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each of the following examples is an example in which a substrate bias application type helicon wave plasma etching device is used as an etching device.

【0034】実施例1 本実施例は、エッチングマスクとしてSiOFを採用
し、またハロゲン化ホウ素としてBCl3 を用いてAl
系金属層をパターニングした例であり、これを図1
(a)〜(d)を参照して説明する。
Example 1 In this example, SiOF was used as an etching mask, and BCl 3 was used as a boron halide to form an Al film.
This is an example of patterning the base metal layer, which is shown in FIG.
This will be described with reference to (a) to (d).

【0035】本実施例で用いた試料は、図示しないSi
等の半導体基板上のSiO2 からなる層間絶縁膜1上に
形成したTi層およびTiN層の積層による密着層兼バ
リアメタル層2、Al−0.5%CuからなるAl系金
属層3およびSiOFからなる無機系材料層4およびレ
ジストマスク5が順次形成されたものである。各層の厚
さは一例として層間絶縁膜1は600nの厚さに減圧C
VDにより形成したものであり、密着層兼バリアメタル
層2は下層のTi層が30nm、上層のTiN層が70
nmで合計100nmをいずれもスパッタリングないし
反応性スパッタリングにより形成したものである。Al
系金属層4はこれもスパッタリングにより500nmの
厚さに堆積したものである。無機系材料層4は、一例と
して基板バイアス印加が可能なECRプラズマCVD装
置により、ソースガスであるSiH4 /N2 O混合ガス
に加えて、プラズマ発生チャンバにSiF4 を添加する
ことにより100nmの厚さに形成した。またレジスト
マスク5は無機系材料層4をパターニングするためのマ
スクであり、化学増幅型レジストとKrFエキシマレー
ザリソグラフィにより0.35μm幅のパターンに選択
的に形成したものである。なお、層間絶縁膜1には図示
しない接続孔が開口されており、これも図示しない半導
体基板の拡散層等の能動層と密着層兼バリアメタル層2
がオーミックコンタクトを形成している構造であっても
よい。この場合には密着層兼バリアメタル層2はコリメ
ータ等を用いた垂直入射成分の多いスパッタリング条件
により接続孔をコンフォーマルに被覆するように形成す
る。この状態を図1(a)に示す。
The sample used in this example is Si (not shown).
And the like, an adhesion layer / barrier metal layer 2 formed by stacking a Ti layer and a TiN layer formed on an interlayer insulating film 1 made of SiO 2 on a semiconductor substrate, an Al-based metal layer 3 made of Al-0.5% Cu, and SiOF. The inorganic material layer 4 and the resist mask 5 are sequentially formed. As an example of the thickness of each layer, the interlayer insulating film 1 has a reduced pressure C of 600 n.
The adhesion layer / barrier metal layer 2 is formed by VD, and the lower Ti layer is 30 nm and the upper TiN layer is 70 nm.
All of 100 nm are formed by sputtering or reactive sputtering. Al
The system metal layer 4 is also deposited by sputtering to a thickness of 500 nm. The inorganic material layer 4 has a thickness of 100 nm by adding SiF 4 to the plasma generation chamber in addition to the source gas SiH 4 / N 2 O mixed gas by an ECR plasma CVD apparatus capable of applying a substrate bias, for example. Formed to a thickness. The resist mask 5 is a mask for patterning the inorganic material layer 4, and is formed selectively by a chemically amplified resist and KrF excimer laser lithography into a pattern having a width of 0.35 μm. A connection hole (not shown) is opened in the interlayer insulating film 1, and an active layer such as a diffusion layer of a semiconductor substrate and an adhesion layer / barrier metal layer 2 (not shown) are also formed.
May form an ohmic contact. In this case, the adhesion layer / barrier metal layer 2 is formed so as to conformally cover the connection hole under a sputtering condition using a collimator or the like having a large vertical incidence component. This state is shown in FIG.

【0036】つぎにレジストマスク5をマスクとし、無
機系材料層4をF系ガスを用いてパターニングした後、
レジストマスク5はアッシング除去する。この工程は、
インラインのアッシング装置を連接したRIE装置等、
公知のプラズマエッチング装置を用いればよい。無機系
材料層4によるエッチングマスクが形成された状態を図
1(b)に示し、これを被エッチング基板とする。
Next, using the resist mask 5 as a mask, the inorganic material layer 4 is patterned using an F-based gas,
The resist mask 5 is removed by ashing. This process is
RIE device, etc. that connects inline ashing device
A known plasma etching apparatus may be used. FIG. 1B shows a state in which an etching mask made of the inorganic material layer 4 is formed, which is a substrate to be etched.

【0037】この被エッチング基板を基板バイアス印加
型のヘリコン波プラズマエッチング装置の基板ステージ
上にセッティングし、Al系金属層の一般的なエッチン
グガスであるBCl3 /Cl2 混合ガスによりAl系金
属層3およ密着層兼バリアメタル層2を含む積層膜を一
例として下記条件により連続的にパターニングした。 BCl3 流量 50 sccm Cl2 流量 50 sccm ガス圧力 0.13 Pa ヘリコン波電源パワー 2500 W(13.56MHz) 基板バイアスパワー 100 W(13.56MHz) 基板温度 20 ℃ なお基板温度は、温度制御された基板ステージの上面よ
り被処理基板裏面に向けて熱伝導ガスとしてのHeを1
0sccm流出させて一定温度を保った。プラズマエッ
チング進行中の被エッチング基板の状態を図1(c)に
示す。通常、SiO2 やSiON等の無機系材料をエッ
チングマスクとし、BCl3 /Cl2 混合ガスによりA
l系金属層をプラズマエッチングする場合には、側壁保
護膜の供給源が存在しないので、パターニングされたA
l系金属層は大きくサイドエッチングされる。しかしな
がら本実施例では、SiOFからなる無機系材料層4か
らなるマスクがスパッタリングされて放出する活性Fに
より、パターニングされつつあるAl系金属層の側面が
フッ化され、AlFx からなる側壁保護膜6が形成され
るのでサイドエッチングが入ることがない。
This substrate to be etched is set on the substrate stage of a helicon wave plasma etching apparatus of the substrate bias application type, and the Al-based metal layer is mixed with BCl 3 / Cl 2 mixed gas which is a general etching gas for the Al-based metal layer. 3 and the laminated film including the adhesion layer / barrier metal layer 2 were taken as an example and continuously patterned under the following conditions. BCl 3 flow rate 50 sccm Cl 2 flow rate 50 sccm Gas pressure 0.13 Pa Helicon wave power source power 2500 W (13.56 MHz) Substrate bias power 100 W (13.56 MHz) Substrate temperature 20 ° C. The substrate temperature was temperature controlled. From the top surface of the substrate stage to the back surface of the substrate to be processed, He as a heat transfer gas was
The flow rate was 0 sccm, and a constant temperature was maintained. The state of the substrate to be etched during plasma etching is shown in FIG. Normally, an inorganic material such as SiO 2 or SiON is used as an etching mask and a BCl 3 / Cl 2 mixed gas is used to
When plasma-etching the 1-based metal layer, there is no supply source of the side wall protective film, and thus the patterned A
The l-based metal layer is largely side-etched. However, in this embodiment, the side surface of the Al-based metal layer being patterned is fluorinated by the active F emitted by sputtering the mask made of the inorganic-based material layer 4 made of SiOF, and the side wall protective film 6 made of AlF x. As a result, side etching does not occur.

【0038】同一のプラズマエッチング条件により密着
層兼バリアメタル層2までをパターニングし、Al系金
属層3を含む積層配線が完成した状態を図1(d)に示
す。対エッチングマスク選択比は8であり、レジストマ
スクを用いた場合の選択比である約2に比較して大幅に
向上した。またレジストマスクを用いた従来のプラズマ
エッチングでは、Clを含むカーボン系ポリマが側壁保
護膜となるが、本実施例におけるAlFx 系の側壁保護
膜6はClを含有しないので、残留塩素に起因するアフ
ターコロージョンの発生がない。なお図1(c)および
図1(d)では、側壁保護膜6は厚さを誇張して図示し
ているが、実際には極めて薄い膜である。
FIG. 1D shows a state in which the adhesion layer / barrier metal layer 2 is patterned under the same plasma etching conditions to complete the laminated wiring including the Al-based metal layer 3. The selection ratio to the etching mask was 8, which was much higher than the selection ratio of about 2 when the resist mask was used. Further, in the conventional plasma etching using the resist mask, the carbon-based polymer containing Cl serves as the side wall protective film, but the AlF x type side wall protective film 6 in this embodiment does not contain Cl, so that it is caused by residual chlorine. After-corrosion does not occur. 1 (c) and 1 (d), the thickness of the side wall protective film 6 is exaggerated, but it is actually an extremely thin film.

【0039】プラズマエッチング終了後、無機系材料4
によるマスクは別途F系ガスで除去してもよく、あるい
はこのまま残留させて後に形成する上層の層間絶縁膜の
一部としてもよい。AlFx 系の側壁保護膜6は化学的
に安定な物質であるので、このまま残留させて何ら不都
合はない。本実施例によれば、SiOFによる無機系材
料をエッチングマスクとすることにより、サイドエッチ
ングやアフターコロージョン、またパーティクル汚染の
ないAl系金属配線を形成することが可能である。また
対エッチングマスク選択比の向上によりエッチングマス
クの厚さを低減できるので、パターン変換差のない精度
の高いパターニングが実現できる。さらに被エッチング
基板の処理枚数を重ねても炭素系ポリマの蓄積がないの
で、チャンバクリーニングのメンテナンス工数の低減が
できる。
After completion of the plasma etching, the inorganic material 4
The mask may be separately removed with an F-based gas, or may be left as it is and used as a part of an upper interlayer insulating film formed later. Since the sidewall protection film 6 of AlF x system is a chemically stable substance, no inconvenience at all by residual anyway. According to the present embodiment, it is possible to form an Al-based metal wiring free from side etching, after-corrosion and particle contamination by using an inorganic material made of SiOF as an etching mask. Further, since the thickness of the etching mask can be reduced by improving the selection ratio with respect to the etching mask, highly accurate patterning without pattern conversion difference can be realized. Furthermore, since the carbon-based polymer does not accumulate even if the number of substrates to be etched is increased, the maintenance man-hours for chamber cleaning can be reduced.

【0040】実施例2 本実施例は、エッチングマスクとしてSiONFを採用
し、W層の上にAl系金属層は形成された構造を含む積
層構造膜を2段階エッチングによりパターニングした例
である。エッチングガスは、放電解離条件下でプラズマ
中に遊離のイオウを放出しうるハロゲン化イオウ系ガス
を含むエッチングガスを用いた。これを図2(a)〜
(d)を参照して説明する。なお同図では前実施例で参
照した図1(a)〜(d)と同様の構成部分には同じ参
照符号を付すものとする。
Example 2 This example is an example in which SiONF is used as an etching mask and a laminated structure film including a structure in which an Al-based metal layer is formed on a W layer is patterned by two-step etching. As an etching gas, an etching gas containing a halogenated sulfur-based gas capable of releasing free sulfur into plasma under discharge dissociation conditions was used. This is shown in FIG.
This will be described with reference to (d). In the figure, the same components as those in FIGS. 1A to 1D referred to in the previous embodiment are designated by the same reference numerals.

【0041】本実施例で用いた試料は、図示しないSi
等の半導体基板上のSiO2 からなる層間絶縁膜1上に
形成したTi層およびTiN層の積層による密着層兼バ
リアメタル層2、W層7、Al−1%Si−0.5%C
uからなるAl系金属層3およびSiONFからなる無
機系材料4およびレジストマスク5が順次形成されたも
のである。各層の厚さは一例として層間絶縁膜1は60
0nの厚さに減圧CVDにより形成したものであり、密
着層兼バリアメタル層2は下層のTi層が30nm、上
層のTiN層が70nmで合計100nmをいずれもス
パッタリングないし反応性スパッタリングにより形成し
たものである。またW層7はブランケットCVDにより
500nm、Al系金属層4はスパッタリングにより4
00nmの厚さに堆積したものである。無機系材料層4
は、一例として基板バイアス印加が可能なECRプラズ
マCVD装置により、ソースガスであるSiH4 /N2
O/NH3 混合ガスに加えて、プラズマ発生チャンバに
SiF4 を添加することにより100nmの厚さに形成
した。またレジストマスク5は無機系材料層4をパター
ニングするためのマスクであり、化学増幅型レジストと
KrFエキシマレーザリソグラフィにより0.35μm
幅のパターンに選択的に形成したものである。なお、層
間絶縁膜1には図示しない接続孔が開口されており、こ
れも図示しない半導体基板の拡散層等の能動層と密着層
兼バリアメタル層2がオーミックコンタクトを形成し、
ここにブランケットCVDによるW層7が埋め込まれて
いる構造であってもよい。この場合には密着層兼バリア
メタル層2はコリメータ等を用いた垂直入射成分の多い
スパッタリング条件により接続孔をコンフォーマルに被
覆するように形成する。この状態を図2(a)に示す。
The sample used in this example is Si (not shown).
Adhesion layer / barrier metal layer 2, W layer 7, Al-1% Si-0.5% C formed by stacking a Ti layer and a TiN layer formed on an interlayer insulating film 1 made of SiO 2 on a semiconductor substrate such as
An Al-based metal layer 3 made of u, an inorganic material 4 made of SiONF, and a resist mask 5 are sequentially formed. As an example, the thickness of each layer is 60 for the interlayer insulating film 1.
The adhesion layer / barrier metal layer 2 was formed by low pressure CVD to a thickness of 0 n, and the lower Ti layer was 30 nm, the upper TiN layer was 70 nm, and a total of 100 nm was formed by sputtering or reactive sputtering. Is. The W layer 7 is formed by blanket CVD to 500 nm, and the Al-based metal layer 4 is formed by sputtering 4 nm.
It is deposited to a thickness of 00 nm. Inorganic material layer 4
As an example, an ECR plasma CVD apparatus capable of applying a substrate bias is used to produce SiH 4 / N 2 which is a source gas.
In addition to the O / NH 3 mixed gas, SiF 4 was added to the plasma generation chamber to form a film having a thickness of 100 nm. Further, the resist mask 5 is a mask for patterning the inorganic material layer 4, and is 0.35 μm by a chemically amplified resist and KrF excimer laser lithography.
It is formed selectively in a width pattern. A connection hole (not shown) is opened in the interlayer insulating film 1, and an active layer such as a diffusion layer (not shown) of the semiconductor substrate and an adhesion layer / barrier metal layer 2 also form an ohmic contact.
The structure may be such that the W layer 7 formed by blanket CVD is embedded therein. In this case, the adhesion layer / barrier metal layer 2 is formed so as to conformally cover the connection hole under a sputtering condition using a collimator or the like having a large vertical incidence component. This state is shown in FIG.

【0042】つぎにレジストマスク5をマスクとし、無
機系材料層4をF系ガスを用いてパターニングした後、
レジストマスク5はアッシング除去する。この工程は、
インラインのアッシング装置を連接したRIE装置等、
公知のプラズマエッチング装置を用いればよい。無機系
材料層によるエッチングマスクが形成された状態を図1
(b)に示し、これを被エッチング基板とする。
Next, using the resist mask 5 as a mask, the inorganic material layer 4 is patterned using an F-based gas.
The resist mask 5 is removed by ashing. This process is
RIE device, etc. that connects inline ashing device
A known plasma etching apparatus may be used. FIG. 1 shows a state in which an etching mask made of an inorganic material layer is formed.
Shown in (b), this is the substrate to be etched.

【0043】この被エッチング基板を基板バイアス印加
型のヘリコン波プラズマエッチング装置の基板ステージ
上にセッティングし、まずAl系金属層3を一例として
下記条件によりパターニングした。 S2 Cl2 流量 20 sccm Cl2 流量 50 sccm ガス圧力 0.13 Pa ヘリコン波電源パワー 2500 W(13.56MHz) 基板バイアスパワー 100 W(13.56MHz) 基板温度 20 ℃ なお基板温度は、温度制御された基板ステージの上面よ
り被処理基板裏面に向けて熱伝導ガスとしてのHeを1
0sccm流出させて一定温度を保った。Al系金属層
3のパターニングを終えた被エッチング基板の状態を図
1(c)に示す。本プラズマエッチング工程において
は、SiONFによる無機系材料層4からなるマスクが
スパッタリングされて放出する活性Fにより、パターニ
ングされつつあるAl系金属層の側面がフッ化され、A
lFx の薄膜が形成される。これに加え、S2 Cl2
解離により生成する遊離のイオウがAlFx 薄膜の表面
に堆積し、AlFx およびイオウによる側壁保護膜6が
形成されることにより、Al系金属層3は極めて異方性
よくパターニングされる。対エッチングマスク選択比は
9であった。
The substrate to be etched was set on the substrate stage of a helicon wave plasma etching apparatus of the substrate bias application type, and first, the Al-based metal layer 3 was patterned under the following conditions as an example. S 2 Cl 2 flow rate 20 sccm Cl 2 flow rate 50 sccm Gas pressure 0.13 Pa Helicon wave power source power 2500 W (13.56 MHz) Substrate bias power 100 W (13.56 MHz) Substrate temperature 20 ° C. Substrate temperature is temperature control He as a heat transfer gas is directed from the upper surface of the processed substrate stage toward the rear surface of the substrate to be processed.
The flow rate was 0 sccm, and a constant temperature was maintained. The state of the substrate to be etched after the patterning of the Al-based metal layer 3 is shown in FIG. In this plasma etching step, the side surface of the Al-based metal layer that is being patterned is fluorinated by the active F emitted by sputtering the mask made of the inorganic-based material layer 4 of SiONF.
A thin film of IF x is formed. In addition to this, free sulfur generated by dissociation of S 2 Cl 2 is deposited on the surface of the AlF x thin film, and the side wall protective film 6 is formed by AlF x and sulfur, so that the Al-based metal layer 3 is extremely different. It is patterned with good orientation. The etching mask selection ratio was 9.

【0044】W層7の表面が露出した段階でエッチング
ガスを切り替え、一例として下記条件によりW層7と密
着層兼バリアメタル層2を連続的にパターニングする。 S2 2 流量 50 sccm ガス圧力 0.13 Pa ヘリコン波電源パワー 2500 W(13.56MHz) 基板バイアスパワー 100 W(13.56MHz) 基板温度 20 ℃ 本プラズマエッチング工程では、S2 2 の解離により
生成するF* によるラジカル反応が、SF+ の入射エネ
ルギにアシストされる形で異方性エッチングが進む。こ
の際にも、同じくS2 2 の解離により生成する遊離の
イオウがパターニングされつつあるW層2の側面に付着
し、イオウからなる側壁保護膜(図示せず)を形成して
異方性の向上に寄与する。パターニング終了後、被エッ
チング基板を減圧雰囲気中で約90℃以上に加熱し、側
壁保護膜6中のイオウを昇華除去してパターニングを完
了する。この状態を図2(d)に示す。側壁保護膜6中
のイオウは、このまま付着した状態にしておき、次工
程、例えば上層の層間絶縁膜形成直前に昇華除去しても
よい。イオウはAl系金属層3やW層7を含む積層配線
に対して何ら汚染源とならないばかりか、大気中の水分
とAl系金属層3が接触して発生するアフターコロージ
ョンの低減に対し、AlFx からなる側壁保護膜6と共
同して徹底した効果を発揮する。なお同図では、残留し
ているAlFxからなる側壁保護膜6の厚さはその厚さ
を誇張して図示しているが、実際には極めて薄い膜であ
る。
When the surface of the W layer 7 is exposed, the etching gas is switched, and as an example, the W layer 7 and the adhesion layer / barrier metal layer 2 are continuously patterned under the following conditions. S 2 F 2 flow rate 50 sccm Gas pressure 0.13 Pa Helicon wave power source power 2500 W (13.56 MHz) Substrate bias power 100 W (13.56 MHz) Substrate temperature 20 ° C. Dissociation of S 2 F 2 in this plasma etching process Anisotropic etching proceeds in a form in which the radical reaction by F * generated by is assisted by the incident energy of SF + . Also at this time, free sulfur similarly generated by dissociation of S 2 F 2 adheres to the side surface of the W layer 2 which is being patterned and forms a sidewall protective film (not shown) made of sulfur to form anisotropy. Contribute to the improvement of. After the patterning is completed, the substrate to be etched is heated to a temperature of about 90 ° C. or higher in a reduced pressure atmosphere to sublimate and remove the sulfur in the side wall protection film 6 to complete the patterning. This state is shown in FIG. Sulfur in the side wall protection film 6 may be left as it is, and may be removed by sublimation in the next step, for example, immediately before the formation of the upper interlayer insulating film. Sulfur does not become a pollution source for the laminated wiring including the Al-based metal layer 3 and the W layer 7, and in addition to reducing after-corrosion caused by contact between the moisture in the atmosphere and the Al-based metal layer 3, AlF x It exerts a thorough effect in cooperation with the side wall protective film 6 made of. Although the thickness of the sidewall protection film 6 made of the remaining AlF x is exaggerated in the figure, it is actually an extremely thin film.

【0045】レジストマスクを用いた従来のプラズマエ
ッチングでは、Clを含むカーボン系ポリマが側壁保護
膜となるが、本実施例におけるAlFx 系の側壁保護膜
6はClを含有しないので、残留塩素に起因するアフタ
ーコロージョンの発生がない。またプラズマエッチング
終了後、無機系材料層4によるマスクは別途F系ガスで
除去してもよく、あるいはこのまま残留させて後に形成
する上層の層間絶縁膜の一部としてもよい。AlFx
の側壁保護膜6は化学的に安定な物質であるので、この
まま残留させて何ら不都合はない。
In the conventional plasma etching using the resist mask, the carbon-based polymer containing Cl becomes the side wall protective film. However, since the AlF x type side wall protective film 6 in this embodiment does not contain Cl, it remains in the residual chlorine. There is no after-corrosion caused. After the plasma etching is completed, the mask made of the inorganic material layer 4 may be separately removed with an F-based gas, or may be left as it is and used as a part of an upper interlayer insulating film formed later. Since the sidewall protection film 6 of AlF x system is a chemically stable substance, no inconvenience at all by residual anyway.

【0046】本実施例によれば、SiONFによる無機
系材料をエッチングマスクとすることにより、サイドエ
ッチングやアフターコロージョン、またパーティクル汚
染のないAl系積層金属配線を形成することが可能であ
る。また対エッチングマスク選択比の向上によりエッチ
ングマスクの厚さを低減できるので、パターン変換差の
ない精度の高いパターニングが実現できる。さらに被エ
ッチング基板の処理枚数を重ねても炭素系ポリマの蓄積
がないので、チャンバクリーニングのメンテナンス工数
の低減ができる。
According to this embodiment, it is possible to form an Al-based laminated metal wiring free from side etching, after-corrosion and particle contamination by using an inorganic material of SiONF as an etching mask. Further, since the thickness of the etching mask can be reduced by improving the selection ratio with respect to the etching mask, highly accurate patterning without pattern conversion difference can be realized. Furthermore, since the carbon-based polymer does not accumulate even if the number of substrates to be etched is increased, the maintenance man-hours for chamber cleaning can be reduced.

【0047】以上、本発明を2種類の実施例により説明
したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるもので
はない。
Although the present invention has been described above with reference to two embodiments, the present invention is not limited to these embodiments.

【0048】まず、上述の各実施例では、Al系金属層
と密着層兼バリアメタル層、あるいはさらに冗長層とし
てのW層が積層された構造をパターニングする例を示し
たが、Al系金属層上にさらにTiON等の反射防止膜
が形成された構造であってもよい。勿論Al系金属層単
層であってもよい。
First, in each of the above-described embodiments, an example of patterning a structure in which an Al-based metal layer and an adhesion layer / barrier metal layer or a W layer as a redundant layer is laminated is shown. A structure in which an antireflection film such as TiON is further formed thereon may be used. Of course, it may be a single Al-based metal layer.

【0049】Al系金属層としてAl−1%SiとAl
−1%Si−0.5%Cuを例示したが、純Alや等の
各種Al合金を用いてもよく、その成膜法も問わない。
Al-1% Si and Al as an Al-based metal layer
Although -1% Si-0.5% Cu is exemplified, various Al alloys such as pure Al and the like may be used, and the film forming method thereof is not limited.

【0050】ハロゲン化ホウ素ガスとしてBCl3 を用
いたが、BBr3 を用いてもよい。この場合には他のC
l系ガスと併用してもよい。また放電解離条件下でプラ
ズマ中に遊離のイオウを放出しうるハロゲン化イオウ系
ガスとしてS2 Cl2 を例示したが、S3 Cl2 、SC
2 等の塩化イオウガス、S2 Br2 、S3 Br2 およ
びSBr2 等の臭化イオウガスを使用することが可能で
ある。W層のパターニングの場合には、S2 2 、SF
2 、SF4 およびS2 10等のフッ化イオウガスを用い
ればよい。フッ化イオウガスとして一般的なSF6 は放
電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出するこ
とは困難であるので除外する。
Although BCl 3 is used as the boron halide gas, BBr 3 may be used. In this case, another C
You may use together with 1 type gas. Further, S 2 Cl 2 is exemplified as a halogenated sulfur-based gas capable of releasing free sulfur into plasma under discharge dissociation conditions, but S 3 Cl 2 , SC
It is possible to use sulfur chloride gases such as l 2 and sulfur bromide gases such as S 2 Br 2 , S 3 Br 2 and SBr 2 . In the case of patterning the W layer, S 2 F 2 , SF
Sulfur fluoride gas such as 2 , SF 4 and S 2 F 10 may be used. SF 6, which is generally used as a sulfur fluoride gas, is excluded because it is difficult to release free sulfur into plasma under discharge dissociation conditions.

【0051】これら放電解離条件下でプラズマ中に遊離
のイオウを放出しうるハロゲン化イオウ系ガスととも
に、N2 、N2 4 等のN系ガスを併用すれば、遊離の
イオウは直ちにプラズマ中の活性窒素と化合し、チアジ
ル(SN)を形成する。このチアジルは重合しながら被
エッチング基板上にポリチアジルとなって堆積する。ポ
リチアジルも強固な側壁保護膜を形成して異方性加工に
寄与することができる。
If a halogenated sulfur-based gas capable of releasing free sulfur into plasma under these discharge dissociation conditions is used together with an N-based gas such as N 2 or N 2 H 4 , the free sulfur is immediately released into the plasma. Compound with the active nitrogen of to form thiazyl (SN). This thiazyl is deposited as polythiazil on the substrate to be etched while polymerizing. Polythiazyl can also form a strong sidewall protective film and contribute to anisotropic processing.

【0052】エッチングガス中にAr、He等の希ガ
ス、あるいはCO、NO、H2 等ハロゲンを捕獲しその
濃度を制御するガスをさらに添加してもよい。
A rare gas such as Ar or He or a gas such as CO, NO or H 2 which captures a halogen and controls its concentration may be further added to the etching gas.

【0053】エッチング装置は基板バイアス印加型ヘリ
コン波プラズマエッチング装置を用いたが、より一般的
な平行平板型RIE装置や、ECRプラズマエッチング
装置、あるいは高密度プラズマによる処理が可能な、I
CP(Inductively Coupled Pl
asma)エッチング装置、TCP(Transfor
mer Coupled Plasma)エッチング装
置等を用いる事が可能である。
A substrate bias application type helicon wave plasma etching apparatus was used as the etching apparatus, but a more general parallel plate type RIE apparatus, an ECR plasma etching apparatus, or a high density plasma treatment is possible.
CP (Inductively Coupled Pl)
asma) etching device, TCP (Transform)
A mer coupled plasma) etching device or the like can be used.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のAl系金属層のプラズマエッチング方法によれば、エ
ッチングマスクとの選択比が大きく、異方性に優れ、し
かも過剰な側壁保護膜の堆積によるパーティクル汚染や
寸法変換差、あるいは下地段差でのストリンガ残渣のな
いAl系金属層のプラズマエッチング方法を提供するこ
とが可能となる。
As is apparent from the above description, according to the plasma etching method for an Al-based metal layer of the present invention, the selectivity ratio with respect to the etching mask is large, the anisotropy is excellent, and the excessive side wall protective film is provided. It is possible to provide a plasma etching method for an Al-based metal layer that is free of particle contamination and dimensional conversion difference due to the deposition of copper, or a stringer residue at the underlying step.

【0055】また特に本発明によれば、Cu等難エッチ
ング性の元素を含むAl系金属層や、Ti系材料層等異
種材料との積層構造であっても、エッチング残渣やアフ
ターコロージョンのないAl系金属層のプラズマエッチ
ング方法を提供することが可能となる。本発明はデザイ
ンルールの微細化にともなうエッチングマスクの薄膜化
の要求にも充分対応できる、優れたAl系金属配線のプ
ラズマエッチング方法を提供するものである。
Further, according to the present invention, in particular, even if it is a laminated structure of different materials such as an Al-based metal layer containing an element that is difficult to etch such as Cu and a Ti-based material layer, Al without etching residue or after-corrosion. It is possible to provide a plasma etching method for a base metal layer. The present invention provides an excellent plasma etching method for Al-based metal wiring, which can sufficiently meet the demand for thinning of an etching mask due to the miniaturization of design rules.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明を適用した実施例1を、その工程順に説
明する概略断面図であり、(a)は層間絶縁膜上に密着
層兼バリアメタル層とAl系金属層を形成し、さらに無
機系材料層とレジストマスクを形成した状態、(b)は
無機系材料層によるエッチングマスクを形成した状態、
(c)は無機系材料層をマスクにAl系金属層を中途ま
でプラズマエッチングした状態、(d)は引き続きAl
系金属層と密着層兼バリアメタル層をプラズマエッチン
グしてAl系金属層による配線が完成した状態である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a first embodiment to which the present invention is applied in the order of steps, in which (a) shows an adhesion layer / barrier metal layer and an Al-based metal layer formed on an interlayer insulating film. A state where an inorganic material layer and a resist mask are formed, (b) a state where an etching mask is formed by the inorganic material layer,
(C) is a state in which the Al-based metal layer is halfway plasma-etched using the inorganic material layer as a mask, and (d) is the Al
The system metal layer and the adhesion layer / barrier metal layer are plasma-etched to complete wiring by the Al system metal layer.

【図2】本発明を適用した実施例2を、その工程順に説
明する概略断面図であり、(a)は層間絶縁膜上に密着
層兼バリアメタル層、W層およびAl系金属層を形成
し、さらに無機系材料層とレジストマスクを形成した状
態、(b)は無機系材料層によるエッチングマスクを形
成した状態、(c)は無機系材料層をマスクにAl系金
属層をプラズマエッチングした状態、(d)は引き続き
W層と密着層兼バリアメタル層をプラズマエッチングし
てAl系金属層とW層を含む積層配線が完成した状態で
ある。
2A to 2C are schematic cross-sectional views illustrating Example 2 to which the present invention has been applied in the order of steps, in which FIG. 2A shows an adhesion layer / barrier metal layer, a W layer, and an Al-based metal layer formed on an interlayer insulating film. In addition, a state in which an inorganic material layer and a resist mask are further formed, (b) is a state in which an etching mask is formed by the inorganic material layer, and (c) is an Al-based metal layer that is plasma-etched using the inorganic material layer as a mask. The state (d) is a state in which the W layer and the adhesion layer / barrier metal layer are continuously plasma-etched to complete the laminated wiring including the Al-based metal layer and the W layer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 層間絶縁膜 2 密着層兼バリアメタル層 3 Al系金属層 4 無機系材料層 5 レジストマスク 6 側壁保護膜 7 W層 1 Interlayer Insulating Film 2 Adhesion Layer and Barrier Metal Layer 3 Al-based Metal Layer 4 Inorganic Material Layer 5 Resist Mask 6 Sidewall Protection Film 7 W Layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/88 R ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 21/88 R

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Fを含む無機系材料層をエッチングマス
クとし、Al系金属層をパターニングすることを特徴と
する、Al系金属層のプラズマエッチング方法。
1. A plasma etching method for an Al-based metal layer, wherein the Al-based metal layer is patterned using the inorganic material layer containing F as an etching mask.
【請求項2】 Fを含む無機系材料層は、SiOFおよ
びSiONFのうちのいずれかを含む層であることを特
徴とする、請求項1記載のAl系金属層のプラズマエッ
チング方法。
2. The plasma etching method for an Al-based metal layer according to claim 1, wherein the inorganic material layer containing F is a layer containing any one of SiOF and SiONF.
【請求項3】 ハロゲン化ホウ素を含むエッチングガス
を用いることを特徴とする、請求項1記載のAl系金属
層のプラズマエッチング方法。
3. The plasma etching method for an Al-based metal layer according to claim 1, wherein an etching gas containing boron halide is used.
【請求項4】 放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイ
オウを放出しうるハロゲン化イオウ系ガスを含むエッチ
ングガスを用いることを特徴とする、請求項1記載のA
l系金属層のプラズマエッチング方法。
4. The A according to claim 1, wherein an etching gas containing a halogenated sulfur-based gas capable of releasing free sulfur into plasma under discharge dissociation conditions is used.
Plasma etching method for l-based metal layer.
【請求項5】 Al系金属層は、純Al、Al−Si合
金、Al−Si−Cu合金のうちのいずれかの材料層で
あることを特徴とする、請求項1、2、3および4いず
れか1項記載のAl系金属層のプラズマエッチング方
法。
5. The Al-based metal layer is a material layer of any one of pure Al, an Al—Si alloy, and an Al—Si—Cu alloy. The plasma etching method for an Al-based metal layer according to claim 1.
【請求項6】 Al系金属層の下層にはTi系材料層を
有し、前記Al系金属層のパターニングに引き続き、前
記Ti系材料層を連続的にパターニングすることを特徴
とする、請求項1、2、3および4いずれか1項記載の
Al系金属層のプラズマエッチング方法。
6. The Ti-based material layer is provided below the Al-based metal layer, and the Ti-based material layer is continuously patterned after the patterning of the Al-based metal layer. 5. The plasma etching method for an Al-based metal layer according to any one of 1, 2, 3 and 4.
【請求項7】 Al系金属層の上層にはTi系材料層を
有し、前記Ti系材料層のパターニングに引き続き、前
記Al系金属層を連続的にパターニングすることを特徴
とする、請求項1、2、3、および4いずれか1項記載
のAl系金属層のプラズマエッチング方法。
7. The Ti-based material layer is provided on the Al-based metal layer, and the Al-based metal layer is continuously patterned following the patterning of the Ti-based material layer. 5. The plasma etching method for an Al-based metal layer according to any one of 1, 2, 3, and 4.
【請求項8】 Al系金属層の下層にはW層を有し、前
記Al系金属層のパターニングに引き続き、前記W層を
連続的にパターニングすることを特徴とする、請求項
1、2、3および4いずれか1項記載のAl系金属層の
プラズマエッチング方法。
8. The method according to claim 1, wherein a W layer is provided below the Al-based metal layer, and the W-layer is continuously patterned after the patterning of the Al-based metal layer. The plasma etching method for an Al-based metal layer according to any one of 3 and 4.
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