專利名稱：干式腐蝕方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件制造中使用的干式腐蝕方法，特別涉及以鋁為主要成分的金屬膜與金屬或金屬化合物薄膜形成的疊層膜的干式腐蝕方法。
以往，在半導體基板上形成的金屬布線通常采用干式腐蝕方法來形成。
圖1是形成金屬布線的半導體基板的剖面圖。
如圖1所示，在半導體基板101上，形成絕緣膜102。半導體基板101由硅等半導體構成，而絕緣膜102由二氧化硅(SiO2)等絕緣物構成。絕緣膜102的表面被平坦化。在平坦的絕緣膜102的表面上，形成金屬布線(疊層膜103)。金屬布線與下層的布線(圖中未示出)或半導體基板101或MOS晶體管的柵極(圖中未示出)等電連接，還與絕緣膜105上形成的上層金屬布線(圖中未示出)連接。絕緣膜105由二氧化硅(SiO2)等絕緣物構成，形成在半導體基板101上，以覆蓋金屬布線。
金屬布線是金屬膜103a和在該金屬膜103a上形成的薄膜103b的疊層膜103。金屬膜103a由以鋁為主要成分并適當含有銅和硅的金屬構成。此外，薄膜103b由保護金屬膜103a、提高布線可靠性的金屬或金屬化合物或上述金屬和上述金屬化合物的疊層結構構成。作為上述金屬，例如可選擇鈦、鎢等，作為上述金屬化合物，可選擇氮化鈦、硅化鎢等。圖1表示疊層結構的實例。
以往利用圖2A～圖2D所示的工藝形成由疊層膜13構成的金屬布線。
首先，如圖2A所示，在半導體基板101上的絕緣膜102上，順序疊層以鋁作為主要成分的金屬膜103a、薄膜103b和防反射膜103c，形成疊層膜103。防反射膜103c由防止向光刻膠光反射的物質例如含有碳的有機化合物膜等構成。
接著，如圖2B所示，在疊層膜103’上，涂敷光刻膠，形成光刻膠膜。然后，采用曝光技術，在光刻膠膜上曝光與金屬布線圖形對應的圖形。然后使曝光的光刻膠膜顯影。由此，可得到具有與金屬布線圖形對應圖形的光刻膠圖形104。
接著，如圖2C所示，將光刻膠圖形104用作掩模，干式腐蝕疊層膜103’。由此，疊層膜103’被構圖成金屬布線的圖形。
接著，如圖2D所示，除去光刻膠圖形104和防反射膜103c。由此，形成金屬膜103a和薄膜103b的疊層膜103構成的金屬布線。
然后，如圖1所示，將絕緣膜105堆積在半導體基板101上。
以往，包括防反射膜103c、薄膜103b和以鋁作為主要成分的金屬膜103a的疊層膜103’的干式腐蝕用包含氯氣(Cl2)和三氯化硼(BCl3)類的氣體來進行。包含氯氣和三氯化硼類的氣體通常是在加工鋁膜情況下使用的氣體。
在用包含氯氣和三氯化硼類的氣體腐蝕上述疊層膜103的情況下，如果提高氯氣的流量比，提高氯氣的混合比，那么如圖3所示，薄膜103b被垂直地腐蝕。但是，金屬膜103a被側面腐蝕，薄膜103b相對于金屬膜103a外突。如果薄膜103b外突，那么例如在堆積絕緣膜105時，在金屬膜103a之間，可能發(fā)生圖4A所示那樣的“空隙”。
相反地，如果氯氣的流量比降低，氯氣混合比降低，那么如圖3B所示，金屬膜103a的側面腐蝕減少。但是，薄膜103b未被垂直地腐蝕，變成錐形形狀，薄膜103b底部的尺寸增加。如果薄膜103b底部的尺寸增加，那么金屬膜103a的寬度變寬，如圖4B所示，金屬膜103a之間的間隔“D”變窄，難以進行微細的金屬布線加工。
因此，使兩者的良好方面組合，直至薄膜103b的中途，進行氯氣混合比高的腐蝕，在中途降低氯氣的混合比，腐蝕金屬膜103a。這樣一來，如果在中途可切換氯氣的混合比，那么可以獲得垂直地腐蝕薄膜103b，并且還可以抑制金屬膜103a的側面腐蝕的效果。
但是，薄膜103b和金屬膜103a的腐蝕率在半導體基板表面內(nèi)通常是不均勻的。因此，即使在中途切換氯氣的混合比，在整個半導體基板上也難以均勻地獲得上述效果。
鑒于上述情況，本發(fā)明的主要目的在于提供干式腐蝕金屬膜和包括在該金屬膜上形成的金屬或金屬化合物的薄膜疊層膜，能垂直并且抑制所述金屬膜的側面腐蝕的方式構圖所述薄膜的干式腐蝕方法。
為了實現(xiàn)上述主要目的，在本發(fā)明中，提供一種干式腐蝕方法，包括在半導體基板上的疊層膜上形成掩模層，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的以鋁作為主要成分的金屬膜，和包括在該金屬膜上形成的至少含金屬和金屬化合物的其中之一的薄膜；和以所述掩模層用作腐蝕掩模，同時對所述疊層膜構圖，該構圖包括第一步驟，采用具有不加工所述金屬膜的氣體組成的第一腐蝕氣體干式腐蝕所述薄膜，和第二步驟，采用具有與所述第一腐蝕氣體不同的氣體組成的第二腐蝕氣體干式腐蝕所述金屬膜。
此外，本發(fā)明的其它目的在于提供干式腐蝕方法，可以使阻擋層與在該阻擋層上形成的金屬膜的疊層膜構圖尺寸變換差降低。
提供一種干式腐蝕方法，包括在半導體基板上的疊層膜上形成掩模層，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的阻擋層，和在該阻擋層上形成的以鋁作為主要成分的金屬膜；以所述掩模層用作腐蝕掩模，同時對所述疊層膜構圖，該構圖包括采用包含氧原子的腐蝕氣體干式腐蝕所述疊層膜的步驟。
圖1是形成金屬布線的半導體基板的剖面圖。
圖2A、圖2B、圖2C和圖2D分別表示以往的金屬布線形成方法的剖面圖。
圖3A和圖3B分別表示以往的金屬布線形狀的剖面圖。
圖4A和圖4B分別說明以往的金屬布線問題的圖。
圖5示意地表示干式腐蝕裝置的圖。
圖6是形成金屬布線的半導體基板的剖面圖。
圖7A、圖7B、圖7C、圖7D和圖7E分別表示采用本發(fā)明第一實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
圖8表示采用本發(fā)明第一實施方案的干式腐蝕方法形成的金屬布線形狀的剖面圖。
圖9是說明采用本發(fā)明第一實施方案的干式腐蝕方法形成的金屬布線效果的圖。
圖10是表示金屬膜的腐蝕率與CF4氣體流量比的關系圖。
圖11A、圖11B和圖11C分別表示采用本發(fā)明第二實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
圖12A、圖12B和圖12C分別表示采用本發(fā)明第三實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
圖13是形成金屬布線的半導體基板的剖面圖。
圖14A、圖14B、圖14C和圖14D分別表示以往的金屬布線形成方法的剖面圖。
圖15表示實驗結果的圖。
圖16表示氧流量與掩模尺寸S的關系圖。
圖17A、圖17B、圖17C和圖17D分別表示采用本發(fā)明第四實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
圖18表示采用本發(fā)明第四實施方案的干式腐蝕方法形成的金屬布線形狀的剖面圖。
圖19表示采用比較例的干式腐蝕方法形成的金屬布線形狀的剖面圖。
圖20A、圖20B、圖20C和圖20D分別表示采用本發(fā)明第五實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
圖21表示采用本發(fā)明第五實施方案的干式腐蝕方法形成的金屬布線形狀的剖面圖。
以下，參照
本發(fā)明的實施方案。再有，在該說明中，所有附圖中的相同部分被付以相同的參考符號。
(第一實施方案)在本實施例說明之前，先說明本發(fā)明的干式腐蝕中采用的干式腐蝕裝置。
圖5是示意表示干式腐蝕裝置的圖。
如圖5所示，本發(fā)明使用的干式腐蝕裝置有感應結合型等離子體(ICP)線圈1。反應處理室10是鋁合金制成的，其內(nèi)壁進行氧化覆蓋膜加工(氧化鋁膜加工)。半導體晶片等被處理體5被裝載在下部電極2上，裝入反應處理室10內(nèi)。ICP線圈1和下部電極2分別通過隔直流電容器6與高頻電源7連接。高頻電源7為ICP線圈1和下部電極2供給高頻功率。反應氣體從氣體導入口3經(jīng)過陶瓷部件(隔壁)4上形成的透孔8被導入反應處理室10。如果將高頻功率施加在ICP線圈1和下部電極2上，那么在反應處理室10內(nèi)生成等離子體。在被處理體5上形成的薄膜腐蝕處理利用生成的等離子體來進行。與被處理體5反應的反應氣體由排氣口9向反應處理室10的外面排出。
下面，說明采用本發(fā)明的干式腐蝕方法的半導體器件的制造方法。在本例中，在半導體器件的金屬布線構圖時，使用本發(fā)明的干式腐蝕方法。
圖6是形成金屬布線的半導體基板的剖面圖。
如圖6所示，在半導體基板(晶片)11上形成絕緣膜12。半導體基板11由硅等半導體構成，而絕緣膜12由二氧化硅(SiO2)等絕緣物構成。絕緣膜12的表面被平坦化。在平坦化的絕緣膜12的表面上，形成金屬布線(疊層膜13)。金屬布線與下層的布線(圖中未示出)或半導體基板11或MOS晶體管的柵極(圖中未示出)等電連接，而且還與絕緣膜18上形成的上層金屬布線(圖中未示出)連接。絕緣膜18由二氧化硅(SiO2)等絕緣物構成，形成在半導體基板11上，以覆蓋金屬布線。
金屬布線由金屬膜13a和在該金屬膜13a上形成的薄膜13b的疊層膜13構成。金屬膜13a由以鋁作為主要成分同時含有適當?shù)你~和硅的合金構成。此外，薄膜13b保護金屬膜13a，具有提高作為布線可靠性的金屬和金屬化合物的單層結構或上述金屬和上述金屬化合物的疊層結構。作為上述金屬，例如可選擇鈦、鎢等，作為上述金屬化合物，可選擇氮化鈦、硅化鎢等。圖6表示作為薄膜13b在金屬膜13a上形成鈦層(以下稱為Ti層)14、在該Ti層14上形成氮化鈦層(以下稱為TiN層)15的疊層結構例。
疊層膜13構成的金屬布線通過圖7A～圖7E所示的工藝來形成。
圖7A～圖7E是分別表示采用本發(fā)明實施例1的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
首先，如圖7A所示，在半導體基板11上的絕緣膜12上，順序疊層以鋁作為主要成分的金屬膜13a和薄膜13b，形成疊層膜13。再有，上述薄膜13b包括Ti層14、TiN層15。
再有，Ti和TiN的反射率低。因此，可以起到防反射膜的作用。因此，可以省略以往的圖2A等所示的防反射膜103c。在本例中，省略防反射膜。
接著，如圖7B所示，在疊層膜13上，涂敷光刻膠，形成光刻膠膜。然后，采用曝光技術，在光刻膠膜上，曝光與金屬布線圖形對應的圖形。隨后，顯影曝光的光刻膠膜。由此，得到具有與金屬布線圖形對應圖形的光刻膠圖形17。
接著，將圖7B所示的裝置裝入圖5所示的干式腐蝕裝置的反應處理室10中。而且，將光刻膠圖形17用作掩模，干式腐蝕疊層膜13。
此時，在本例中，首先，采用第一腐蝕氣體，干式腐蝕薄膜13b。第一腐蝕氣體大致垂直地腐蝕薄膜13b，并且具有幾乎不腐蝕金屬膜13a的氣體組成。由此，如圖7C所示，薄膜13b被大致垂直地腐蝕。由于第一腐蝕氣體幾乎不腐蝕金屬膜13a，所以疊層膜13的干式腐蝕在金屬膜13a露出的時刻中止。由此，可以獲得金屬膜13a完全未被腐蝕的結構。因此，即使薄膜13b的腐蝕率在半導體基板(晶片)表面內(nèi)不均勻，腐蝕狀態(tài)在整個半導體基板中也可以大致均化至金屬膜13a露出的狀態(tài)。
接著，用具有與該第一腐蝕氣體不同的氣體組成的第二腐蝕氣體切換第一腐蝕氣體。而且，采用該第二腐蝕氣體，干式腐蝕金屬膜13a。第二腐蝕氣體具有幾乎不側面腐蝕金屬膜13a，垂直腐蝕的氣體組成。由此，如圖7D所示，可獲得側面腐蝕少的金屬膜13a。這樣一來，疊層膜13被構圖成金屬布線的圖形。
然后，如圖7E所示，除去光刻膠圖形17。由此，得到疊層膜13構成的金屬布線。接著，在半導體基板11上通過堆積絕緣膜18，可得到圖6所示的結構。
作為上述第一實施方案的干式腐蝕方法，大致垂直地腐蝕薄膜13b，并且采用具有幾乎不腐蝕金屬膜13a的氣體組成的第一腐蝕氣體，干式腐蝕薄膜13b。由此，即使薄膜13b的腐蝕率在半導體基板表面內(nèi)不均勻，在整個半導體基板中，也可以使腐蝕狀態(tài)大致均勻達到金屬膜13a露出的狀態(tài)。
接著，利用該均勻的狀態(tài)，采用幾乎不側面腐蝕而垂直腐蝕金屬膜13a的第二腐蝕氣體干式腐蝕金屬膜13a。
于是，如圖8所示，可以得到被大致垂直腐蝕的薄膜13b和幾乎沒有側面腐蝕的金屬膜13a的疊層膜13構成的金屬布線。
作為圖8所示的金屬布線(疊層膜13)，薄膜13b相對于金屬膜13a沒有外突。因此，如圖9所示，在堆積絕緣膜18時，在金屬布線之間，不易發(fā)生圖4A所示那樣的“空隙”。
此外，薄膜13b也未被腐蝕成錐形形狀。因此，如圖9所示，金屬膜之間的間隔“D”也不會變窄。
再有，在第一實施方案中，在整個半導體基板上可均勻地獲得圖8所示的金屬布線。
下面，說明第一腐蝕氣體的具體例。
首先，第一腐蝕氣體是含氟(F)的氣體。在上述第一實施方案中，薄膜13b包含Ti。此外，金屬膜13a包含Al。因此，首先，薄膜13b中包含的Ti與F結合，生成氟化鈦，腐蝕薄膜13b。如果該腐蝕推進至金屬膜13a，那么在該金屬膜13a中包含的Al與F結合，生成氟化鋁。氟化鋁不氣化，堆積在金屬膜13a上。通過在金屬膜13a上堆積氟化鋁，可以阻止金屬膜13a被腐蝕。堆積氟化鋁的金屬膜13a即使暴露于比如腐蝕以鋁作為主要成分金屬的氣體中，例如暴露于氯氣中，也不會被直接腐蝕。
此外，第一腐蝕氣體最好包括含有F氣體和含有Cl氣體的混合氣體。在采用這種混合氣體的情況下，可以提高薄膜13b的腐蝕率。
但是，在上述混合氣體中，如果含有Cl氣體的混合比大，那么在金屬膜13a上Al與Cl結合，生成氯化鋁的速度比氟化鋁堆積更快，使金屬膜13a被腐蝕。此時，如果使例如包含Cl氣體的混合比達到在金屬膜13a上產(chǎn)生側面腐蝕的程度，那么金屬膜13a就會被側面腐蝕。
為了抑制這種狀況，可以使混合氣體中包含的Cl原子數(shù)比F原子數(shù)少。這樣調整的混合氣體可以抑制金屬膜13a中包含的Al與Cl結合。
第一腐蝕氣體的更具體的一例是包含氯氣(以下稱為Cl2氣體)、氬氣(以下成為Ar氣體)和四氟化碳氣體(以下稱為CF4氣體)的混合氣體。將這種混合氣體導入圖5所示的干式腐蝕裝置的反應處理室10中。氣體流量的具體一例是Cl2氣體為30sccm左右、Ar氣體為100sccm左右、CF4氣體為30sccm左右(最好在10sccm以上30sccm以下)。
采用這樣的具體例的第一腐蝕氣體，例如使反應處理室10的內(nèi)部壓力為2Pa(12mTorr)左右，下部電極2的溫度為40℃左右，如果干式腐蝕疊層膜13，那么可以得到圖7C所示的結構。
圖10是表示金屬膜13a腐蝕率與CF4氣體流量比相關性的特性圖?？v軸表示金屬膜13a的腐蝕率(任意單位)，橫軸表示流量比(CF4/CF4+Cl2)(％)。此外，在圖10中，Cl2氣體的流量通常為30sccm。
如圖10所示，在包含CF4和Cl2的腐蝕氣體中，如果改變CF4的含量，那么相對于金屬膜13a的腐蝕率就顯著地變化。就是說，CF4的流量比為0％時，明顯促進相對于金屬膜13a的腐蝕，但隨著增加CF4的流量比，該腐蝕率急劇地下降。而且，CF4的流量比在25％附近時，金屬膜13a實際上未被腐蝕，CF4的流量比在25％以上時，繼續(xù)保持金屬膜13a未被腐蝕的狀態(tài)。
第二腐蝕氣體的具體例是包含Cl氣體和三氯化硼氣體(以下稱為BCl3氣體)的氣體，并且Cl氣體混合比低至在金屬膜13a上不產(chǎn)生側面腐蝕。該第二腐蝕氣體可以是比如在背景技術欄中與參照圖3B說明的氣體相同的氣體。
(第二實施方案)圖11A～圖11C是分別表示采用本發(fā)明第二實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
首先，按照參照圖7A～圖7C說明的方法獲得圖11A所示的結構。
接著，用第一實施方案說明的第二腐蝕氣體切換第一實施方案說明的第一腐蝕氣體，干式腐蝕金屬膜13a。此時，在第二實施方案中，最初相對于光刻膠選擇比按低的條件進行，在中途相對于光刻膠的選擇比可切換成高的條件。在相對于光刻膠選擇比為低的條件時，在第二腐蝕氣體中，例如還混合包含F(xiàn)的氣體，例如混合了CF4氣體。在該腐蝕氣體中，使F的原子數(shù)比Cl的原子數(shù)少。如果使用這樣的腐蝕氣體，干式腐蝕金屬膜13a，那么如圖11B所示，光刻膠圖形17比金屬膜13a腐蝕得大。
接著，切換成相對于光刻膠選擇比高的條件。在相對于光刻膠選擇比高的條件時，第二腐蝕氣體例如為用上述第一實施方案說明的第二腐蝕氣體。而且，如果使用第二腐蝕氣體，干式腐蝕金屬膜13a，那么可得到圖11C所示的結構。
作為上述第二實施方案，在干式腐蝕金屬膜13a時，首先按相對于光刻膠選擇比低的條件開始干式腐蝕，中途再切換成相對于光刻膠選擇比高的條件。
因此，特別在圖11B所示的工藝中，利用光刻膠圖形17，其結構物質向外部飛散。該飛散物質抑制金屬膜13a的側面腐蝕，成為所謂的側壁保護膜的源。因此，尤其在其初期階段，在金屬膜13a的側壁上一邊形成側壁保護膜一邊進行金屬膜13a的干式腐蝕。
按照這樣的第二實施方案，可以抑制在金屬膜13a內(nèi)與薄膜13b交界附近產(chǎn)生的微小凹切。
此外，在相對于光刻膠選擇比低條件時使用的腐蝕氣體中，例如在混合包含F(xiàn)的氣體情況下，尤其在其初期階段，在金屬膜13a的側壁上可一邊形成側壁保護膜一邊進行金屬膜13a的干式腐蝕。因此，可以進一步良好地獲得抑制微小凹切的效果。
(第三實施方案)
圖12A～圖12C是分別表示采用本發(fā)明第三實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
首先，如圖12A所示，在半導體基板11上的絕緣膜12上，順序疊層以鋁作為主要成分的金屬膜13a、薄膜13b和防反射膜13c，形成疊層膜13。再有，上述薄膜13b包括Ti層14、TiN層15。此外，防反射膜13c由包含碳的有機化合物膜構成。
接著，如圖12B所示，在疊層膜13’上涂敷光刻膠，形成光刻膠膜。然后，采用曝光技術，在光刻膠膜上曝光與金屬布線圖形對應的圖形。隨后，顯象曝光的光刻膠膜。由此，獲得具有與金屬布線圖形對應圖形的光刻膠圖形17。
接著，將圖12B所示的基板裝入圖5所示的干式腐蝕裝置的反應處理室10中。而且，將光刻膠圖形17用作掩模，干式腐蝕疊層膜13’。
此時，使用第一腐蝕氣體，干式腐蝕防反射膜13c和薄膜13b。第一腐蝕氣體大致垂直地腐蝕防反射膜13c和薄膜13b，具有幾乎不腐蝕金屬膜13a的氣體組成。由此，如圖12C所示，防反射膜13c和薄膜13b被大致垂直地腐蝕。由于第一腐蝕氣體幾乎不腐蝕金屬膜13a，所以疊層膜13的干式腐蝕在金屬膜13a露出時刻中止。由此，可以獲得金屬膜13a幾乎未被腐蝕的結構。
然后，可以按用第一實施方案說明的方法或第二實施方案說明的方法來進行。
于是，在疊層膜13’包括金屬膜13a、薄膜13b和防反射膜13c的情況下，使用第一腐蝕氣體，也可以干式腐蝕防反射膜13c和薄膜13b。
如以上說明，按照第一～第三實施方案，可以提供干式腐蝕方法，干式腐蝕由金屬膜和在該金屬膜上形成的包含金屬或金屬化合物薄膜的疊層膜，可垂直并且使上述金屬膜的側面腐蝕受抑制地構圖上述薄膜。再有，實施本發(fā)明第一～第三實施方案、后述第五實施方案情況時布線的的加工形狀在微細布線密度高的區(qū)域中具有圖8所示的良好形狀，對于在獨立區(qū)域上形成的布線來說，在加工Ti層和TiN層后，在金屬膜處停止腐蝕的時候，Ti層和TiN層的側面堆積有淀積膜，金屬膜向下部側變寬。但是，獨立區(qū)域上形成的布線即使殘留那樣的形狀，對于層間膜的埋入，器件特性等來說，不會有問題。
(第四實施方案)上述第一～第三實施方案說明了干式腐蝕由以鋁作為主要成分的金屬膜和在該金屬膜上形成的金屬、或金屬化合物、或這些金屬和金屬化合物的疊層結構構成的薄膜的疊層膜的實例。
本第四實施方案是干式腐蝕在以鋁作為主要成分的金屬膜下形成上述薄膜的疊層膜的實例。以下，把在金屬膜下形成的薄膜稱為阻擋層。
圖13是形成金屬布線的半導體基板的剖面圖。
圖13所示的結構與圖6所示結構的不同處在于，在絕緣膜12和金屬膜13a之間形成阻擋層13d。由此，金屬布線由阻擋層13d、金屬膜13a、薄膜13b的疊層膜13-2構成。
與第一、第二實施方案一樣，金屬膜13a由以鋁作為主要成分同時含有適當?shù)你~和硅的合金構成。
與第一、第二實施方案一樣，薄膜13b也保護金屬膜13a，具有提高布線可靠性的金屬和金屬化合物的單層結構或上述金屬和上述金屬化合物的疊層結構。
在金屬布線與下層的布線和半導體基板11接合時，阻擋層13d抑制在金屬膜13a中包含的鋁與這些布線和半導體基板11發(fā)生反應。因此，阻擋層13d具有鈦等金屬和氮化鈦等金屬化合物的單層結構或上述金屬和金屬化合物的疊層結構。
疊層膜13-2構成的金屬布線以往按圖14A～圖14D所示的工藝來形成。
首先，如圖14A所示，在半導體基板11上的絕緣膜12上，順序疊層阻擋層13d、金屬膜13a、薄膜13h和防反射膜13c，形成疊層膜13’-2。
接著，如圖14B所示，在防反射膜13c上，涂敷光刻膠，形成光刻膠膜。然后，采用曝光技術，在光刻膠膜上，曝光與金屬布線圖形對應的圖形。隨后，顯象曝光的光刻膠膜。由此，得到具有與金屬布線圖形對應圖形的光刻膠圖形17。
接著，如圖14C所示，將光刻膠圖形17用作掩模，干式腐蝕疊層膜13’-2。
接著，如圖14D所示，除去光刻膠圖形17和防反射膜13c。由此，形成由阻擋層13d、金屬膜13a、薄膜13b的疊層膜13-2構成的金屬布線。然后，如圖13所示，使絕緣膜18堆積在半導體基板11上。
這樣的疊層膜13-2構成的金屬布線是對包括阻擋層13d、金屬膜13a、薄膜13b和防反射膜13c的疊層膜13’-2構圖而形成的。因此，在構圖時使用干式腐蝕時，必須連續(xù)加工這些多種類的金屬膜。
近年來，隨著半導體器件集成化的進步，也要求金屬布線微細化，布線部分以及布線間隔變窄，要求可以進行高精度的加工。面臨的問題是掩模尺寸與加工后的布線尺寸或布線之間的尺寸有所不同。這種不同一般被稱為尺寸變換差。
通常，將掩模圖形(光刻膠圖形17)形成在疊層膜13-2上，然后，在按干式腐蝕方法加工疊層膜13-2的情況下，與掩模尺寸相比，加工后的布線寬度變大。因此，布線之間變窄，容易造成布線間的短路。而且，布線間的電容量也增加，還會引起器件特性的劣化。
以往，在解決這類問題時，預先測定尺寸變換差，在掩模形成時，調節(jié)曝光量，一邊僅在尺寸變換差的部分預先使布線的一部分變細，此外同時預先考慮尺寸變換差制作曝光掩模。
即使這樣的方法，在以往那樣未微細化的半導體器件中，仍可以充分適應。但是，在近年來微細化的半導體器件中，已經(jīng)難以適應。這是由于半導體器件高集成化，即使要求微細加工，布線的膜厚因布線電阻會增大而不能變薄。因此，掩模圖形(光刻膠圖形)的膜厚也不能變薄。其結果，掩模寬度變細，寬高比(掩模高度與掩模寬度之比)變大。如果寬高比變大，那么例如在顯象后的水洗處理等時，掩模圖形會產(chǎn)生物理性易損壞的現(xiàn)象。
此外，在用掩模圖形校正干式腐蝕時的尺寸變換差的情況下，寬高比進一步變大，更容易損壞。
尺寸變換差的原因可列舉出金屬膜13a變?yōu)殄F形形狀，加工后的阻擋層13d變?yōu)橄虏孔冃〉男螤畹取?br>
金屬膜13a的垂直加工可以實現(xiàn)加工條件、氣體組成、壓力、溫度等的最佳化。但是，相對于在金屬膜13a下面存在的阻擋層13d來說，目前還不具備按掩模尺寸那樣的加工條件。
本第四實施方案的目的在于提供干式腐蝕包括阻擋層13d和在該阻擋層13d上形成的金屬膜13a的疊層膜的干式腐蝕方法，以便進行可降低尺寸變換差的腐蝕。
本發(fā)明人為了知道阻擋層13d為什么變?yōu)橄虏孔冃⌒螤畹脑颍M行過以下實驗。
圖15是表示實驗結果的圖。
在該實驗中，以光刻膠圖形17-3用作掩模，干式腐蝕疊層膜13-3。而且，測定各階段的掩模尺寸。
疊層膜13-3有作為阻擋層13d的TiN/Ti膜、以鋁為主要成分的作為金屬膜13a的Al-Cu膜(Cu含量1wt％)、作為防反射膜13c的TiN層。此外，作為腐蝕氣體，使用Cl2+BCl3的混合氣體。
如圖15所示，由該實驗結果可知，掩模尺寸S在加工Al-Cu膜時(例如，Al加工中，狀態(tài)(b))幾乎不變化，在表示Al-Cu膜加工結束的Al終點后，掩模尺寸S急劇地變大。以在等離子體發(fā)光中監(jiān)視261nm的發(fā)光強度，其發(fā)光強度降低至最大時的80％時的終點作為Al終點。就是說，Al終點檢測時，應該處理的半導體基板上的Al-Cu膜的一部分加工結束，但剩余的處于加工未結束的狀態(tài)(狀態(tài)(c))。通常，在干式腐蝕中，存在微負載效應(micro-loadingeffect)，與布線行并排配置的部分相比，沒有布線行部分的腐蝕率快，Al終點檢測時，在布線行并排的部分Al-Cu膜的加工未結束。在該實驗中，在Al終點+61秒時刻時腐蝕結束(狀態(tài)(e))。
此外，在Al終點檢測以后，為了發(fā)現(xiàn)掩模尺寸變大的理由，在腐蝕的各階段調查光刻膠膜厚H的變化。其結果示于圖15中。
如圖15所示，在Al終點以后，顯然掩模的后退速度上升。根據(jù)該結果，可知阻擋層13d下部變小的原因為以下理由造成。
在Al-Cu膜加工的Al終點附近，一部分的Al-Cu膜加工結束，阻擋層13d露出。此后，Al-Cu膜的加工面積減小，至此Al-Cu膜加工中所消耗的Cl氣體(活性類)剩余，光刻膠的腐蝕率上升。被腐蝕的光刻膠以CCl4等形式被排氣，但在等離子體中產(chǎn)生再分解，堆積在應該處理的半導體基板上，即掩模上。在掩模上面堆積的物質雖通過離子被腐蝕，但在掩模的側壁等上堆積的物質因離子腐蝕的速度慢，而堆積速度的一方快。因此，可認為掩模尺寸變大。顯然，這種傾向在阻擋層13d加工后，氧化膜12-3露出后變得更加顯著。
根據(jù)上述結果，按照除去在掩模側壁等上堆積的光刻膠分解物的目的，在Al終點以后，嘗試添加氧。在調查此時的掩模尺寸S時，可得到圖16所示的結果。
圖16是表示在Al終點以后添加的氧流量與掩模尺寸S的關系圖?？v軸表示掩模尺寸S(μm)，橫軸表示相對于腐蝕氣體的氧的添加量(sccm)。
如圖16所示，顯然，隨著氧流量增大，掩模尺寸S的增加被抑制。而且，在上述實驗中，在2sccm以上的氧添加中，可確認掩模尺寸S在原來的尺寸(0.175μm)上有可以實際減小的效果。
此外，在上述試驗中，是在Al終點以后添加氧，但從最初開始就進行添加的情況下，未發(fā)現(xiàn)掩模尺寸S的減少。其理由在于，如果氧添加量為微量，那么氧不對堆積物本身產(chǎn)生腐蝕，對在等離子體中再分解產(chǎn)生碳的清除幾乎不產(chǎn)生作用。
但是，如果氧添加量大，例如在5sccm以上，那么與上述試驗同樣，掩模尺寸S開始減小。就是說，如果氧添加量在某個限度以上，那么可以從最初開始就添加氧。
此外，作為使掩模尺寸S減小的添加劑，除了氧(O2)以外，即使一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)等也被確認有相同的效果。在一氧化碳和二氧化碳中，與氧相比，由于掩模尺寸S的變化少，所以具有流量控制簡單的優(yōu)點。相反地，對于氧來說，與一氧化碳和二氧化碳相比，由于掩模尺寸S的變化大，所以具有用微小的添加量就可以控制掩模尺寸的優(yōu)點。
以下，說明作為第四實施方案的更具體的實例。
圖17A～圖17D是分別表示采用本發(fā)明第四實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
首先，如圖17A所示，在半導體基板11上形成絕緣膜12。絕緣膜12由SiO2構成，其表面被平坦化。接著，在絕緣膜12上形成阻當層13d。本例的阻擋層13d具有在絕緣膜12上形成的膜厚10nm左右的Ti層21和在該Ti層21上形成的膜厚40nm左右的TiN層22的疊層結構。然后，在阻擋層13d上形成金屬膜13a。本例的金屬膜13a由在TiN層22上形成的膜厚330nm左右的以鋁作為主要成分的合金構成。該合金含有1wt％左右的Cu。隨后，在金屬膜13a上形成薄膜13b。本例的薄膜13b具有在金屬膜13a上形成的膜厚10nm左右的Ti層14和在Ti層14上形成的膜厚50nm的TiN層15的疊層結構。接著，在薄膜13b上形成防反射膜13c。本例的防反射膜13c由碳類有機化合物構成。由此，在絕緣膜12上形成阻擋層13d、金屬膜13a、薄膜13b和防反射膜13c組成的疊層膜13’-2。
接著，如圖17B所示，在防反射膜13c上涂敷光刻膠，形成光刻膠膜。然后，采用曝光技術，在光刻膠膜上曝光與金屬布線圖形對應的圖形。隨后，顯象曝光的光刻膠膜。由此，得到具有與金屬布線圖形對應圖形的光刻膠圖形17。本例的圖形尺寸在行和間隔(L/S)尺寸均為0.175μm。
接著，將圖17B所示的器件裝入圖5所示的干式腐蝕裝置的反應處理室10內(nèi)。然后，使用光刻膠圖形17作掩模，干式腐蝕疊層膜13’-2。
此時，在本例中，按將疊層膜13’-2腐蝕至Al終點的腐蝕(以下稱為主腐蝕)和Al終點以后的腐蝕(以下稱為過腐蝕)的兩階段腐蝕來進行。在本例中，以在等離子體發(fā)光中監(jiān)視261nm的發(fā)光強度，其發(fā)光強度降低至最大時的80％時的終點作為Al終點。這種狀態(tài)與上述情況一樣，金屬膜13a的一部分結束加工，但剩余的加工處于未結束的狀態(tài)。
首先，在主腐蝕中，作為腐蝕氣體，使用包含Cl2、BCl3和N2的混合氣體。其具體的一例是Cl2/BCl3/N2＝80/70/5sccm。此外，腐蝕條件的一例是壓力為12mTorr、基板處理溫度為35℃、線圈1上施加的功率為500W、下部電極上施加的偏置功率為350W。通過該主腐蝕，可得到圖17C所示的結構。
接著，在過腐蝕中，作為腐蝕氣體，使用包含Cl2、BCl3、N2和O2的混合氣體。其具體的一例為Cl2/BCl3/N2/O2＝60/40/5/2sccm。此外，腐蝕條件的一例是壓力為12mTorr、基板處理溫度為35℃、線圈1上施加的功率為350W、下部電極上施加的偏置功率為200W。這樣，在過腐蝕時使用的腐蝕氣體中，添加2sccm的氧(O2)。利用該過腐蝕，可得到圖17D所示的結構。
圖18表示采用上述第四實施方案的干式腐蝕方法形成的金屬布線的剖面。
如圖18所示，阻擋層13d與掩模尺寸S(0.175μm)相比兩側增大約0.02μm，合計不超過約0.04μm。
下面，為了說明本發(fā)明的效果，說明比較例。
該比較例與第四實施方案的方法的明顯不同在于，在過腐蝕時使用的腐蝕氣體中，未添加氧(O2)。
首先，主腐蝕時使用的腐蝕氣體和腐蝕條件與第四實施方案的方法相同。
此外，在過腐蝕中，使用Cl2/BCl3/N2＝60/40/5sccm的混合氣體。此外，腐蝕條件是壓力為12mTorr、基板處理溫度為35℃、線圈上施加的功率為350W、下部電極上施加的偏置功率為200W。
圖19表示采用上述比較例的干式腐蝕方法形成的金屬布線的剖面。
如圖19所示，阻擋層13d與掩模尺寸S(0.175μm)相比兩側各增大約0.04μm，合計增大約0.08μm。
按照以上第四實施方案的干式腐蝕方法，可以使尺寸變換差兩側分別降低至約0.02μm。因此，可以抑制加工后的阻擋層13d出現(xiàn)變?yōu)橄虏孔冃⌒螤畹默F(xiàn)象。
(第五實施方案)本第五實施方案是干式腐蝕由阻擋層、在該阻擋層上形成的以鋁作為主要成分的金屬膜和在該金屬膜上形成的薄膜組成的疊層膜的實例。
圖20A～圖20D是分別表示采用本發(fā)明第五實施方案的干式腐蝕方法的金屬布線形成方法的剖面圖。
首先，利用參照圖17A、圖17B說明的方法獲得圖20A所示的結構。再有，在本例中，形成有防反射膜13c，但當然也可以不形成該膜。
接著，按照第三實施方案說明的方法，采用第一腐蝕氣體，干式腐蝕防反射膜13c和薄膜13b。第一腐蝕氣體具有大致垂直地腐蝕防反射膜13c和薄膜13b，而幾乎不腐蝕金屬膜13a的氣體組成。本例的第一腐蝕氣體是包含Cl2氣體、Ar氣和CF4氣的氣體。具體的流量比為Cl2/Ar/CF4＝30/100/30sccm以下(最好在10sccm以上30sccm以下)以下。由此，得到圖20B所示的結構。
接著，用第二腐蝕氣體切換第一腐蝕氣體，使用第二腐蝕氣體干式腐蝕金屬膜13a。第二腐蝕氣體具有幾乎不側面腐蝕金屬膜13a而進行垂直腐蝕的氣體組成。本例的第二腐蝕氣體是包含Cl2氣和BCl3氣的氣體。具體地說，可以為第四實施方案說明的混合氣體。使用第二腐蝕氣體，將以鋁作為主要成分的金屬膜13a干式腐蝕至Al終點。該步驟與第四實施方案說明的主腐蝕相當。由此，得到圖20C所示的結構。
接著，用第三腐蝕氣體代替第二腐蝕氣體，使用第三腐蝕氣體干式腐蝕阻擋層13d。第三腐蝕氣體具有在光刻膠圖形17的側壁等上不過剩地堆積腐蝕生成物的氣體組成。本例的第三腐蝕氣體是包含Cl2氣體、BCl3氣體、N2氣體和O2氣體的氣體。具體的流量比為Cl2/BCl3/N2/O2＝60/40/5/2sccm。使用該第三腐蝕氣體，干式腐蝕阻擋層13d。該工藝與第四實施方案說明的過腐蝕相當。由此，得到圖20D所示的結構。
圖21表示采用上述第五實施方案的干式腐蝕方法形成的金屬布線的剖面。
如圖21所示，按照第五實施方案，薄膜13b可以被垂直地腐蝕，可以一邊腐蝕金屬膜13a，一邊抑制其側面腐蝕。并且，可以一邊腐蝕阻擋層13d，一邊抑制變?yōu)槔銎湎聰[的形狀。
以上，利用第一～第五實施方案說明了本發(fā)明，但在不脫離其主要精神的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以進行各種變形。
例如，在第四、第五實施方案中，根據(jù)Al終點，可從主腐蝕切換成過腐蝕。但是，例如，也可以根據(jù)加工時間，從主腐蝕切換為過腐蝕。
此外，例如在第五實施方案的主腐蝕中，也可以采用第二實施方案說明的干式腐蝕方法。
此外，薄膜13b和阻擋層13d分別為疊層結構，但也可以是鈦、鎢、氮化鈦和硅化鎢等單層結構。
權利要求
1.一種干式腐蝕方法，包括將掩模層形成在半導體基板上的疊層膜上，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的以鋁作為主要成分的金屬膜，和在該金屬膜上形成的含有金屬和金屬化合物的至少其中之一的薄膜；和一邊以所述掩模層用作腐蝕掩模，一邊構圖所述疊層膜，該構圖包括第一步驟，采用具有不加工所述金屬膜的氣體組成的第一腐蝕氣體干式腐蝕所述薄模，和第二步驟，采用具有與所述第一腐蝕氣體不同的氣體組成的第二腐蝕氣體干式腐蝕所述金屬膜。
2.如權利要求1的干式腐蝕方法，其特征在于，所述薄膜包含鈦、鎢、氮化鈦和硅化鎢的至少其中之一。
3.如權利要求3的干式腐蝕方法，其特征在于，在所述金屬膜中混合有銅和硅的至少其中之一。
4.如權利要求1的干式腐蝕方法，其特征在于，所述第一腐蝕氣體中包含氟原子。
5.如權利要求4的干式腐蝕方法，其特征在于，所述第一腐蝕氣體包含四氟化碳氣體和氯氣，所述四氟化碳氣體的流量比在25％以上。
6.如權利要求1的干式腐蝕方法，其特征在于，所述第二步驟最初按相對掩模層選擇比低的條件進行，中途切換為相對掩模層選擇比高的條件。
7.如權利要求6的干式腐蝕方法，其特征在于，在所述相對掩模層比低的條件時，第二腐蝕氣體包含氯原子和比該氯原子數(shù)少的氟原子。
8.一種干式腐蝕方法，包括將掩模層形成在半導體基板上的疊層膜上，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的以鋁作為主要成分的金屬模，和在該金屬膜上形成的含有金屬和金屬化合物的至少其中之一的薄膜，與在該薄膜上形成的防反射膜；且一邊以所述掩模層用作腐蝕掩模，一邊構圖所述疊層模，該構圖包括第一步驟，采用具有不加工所述金屬膜的氣體組成的第一腐蝕氣體干式腐蝕所述防反射膜和所述薄膜，和第二步驟，采用具有與所述第一腐蝕氣體不同的氣體組成的第二腐蝕氣體干式腐蝕所述金屬膜。
9.一種干式腐蝕方法，包括將掩模層形成在半導體基板上的疊層膜上，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的阻擋層，和在該阻擋層上形成的以鋁作為主要成分的金屬模；和一邊以所述掩模層用作腐蝕掩模，一邊構圖所述疊層模，該構圖包括采用包含氧原子的腐蝕氣體干式腐蝕所述疊層膜的步驟。
10.如權利要求9的干式腐蝕方法，其特征在于，所述包含氧原子的腐蝕氣體在所述阻擋層的一部分露出后使用。
11.如權利要求9的干式腐蝕方法，其特征在于，所述阻擋層包含鈦、鎢、氮化鈦和硅化鎢的至少其中之一。
12.如權利要求9的干式腐蝕方法，其特征在于，在所述金屬膜中混合銅和硅的至少其中之一。
13.如權利要求9的干式腐蝕方法，其特征在于，所述包含氧原子的腐蝕氣體包括氧氣、一氧化碳氣和二氧化碳氣的至少其中之一。
14.如權利要求9的干式腐蝕方法，其特征在于，所述包含氧原子的腐蝕氣體包含2sccm以上的氧。
15.一種干式腐蝕方法，包括將掩模層形成在半導體基板上的疊層膜上，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的阻擋層，在該阻擋層上形成的以鋁作為主要成分的金屬膜，和在該金屬膜上形成的包含金屬和金屬化合物的至少其中之一的薄模；和一邊以所述掩模層用作腐蝕掩模，一邊構圖所述疊層膜，該構圖包括采用包含氧原子的腐蝕氣體干式腐蝕所述疊層膜的步驟。
16.一種干式腐蝕方法，包括將掩模層形成在半導體基板上的疊層膜上，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的阻擋層，在該阻擋層上形成的以鋁作為主要成分的金屬膜，在該金屬膜上形成的包含金屬和金屬化合物的至少其中之一的薄膜，和在該薄膜上形成的防反射模；和一邊以所述掩模層用作腐蝕掩模，一邊構圖所述疊層膜，該構圖包括采用包含氧原子的腐蝕氣體干式腐蝕所述疊層膜的步驟。
17.一種干式腐蝕方法，包括將掩模層形成在半導體基板上的疊層膜上，所述疊層膜包括在所述半導體基板上形成的阻擋層，在該阻擋層上形成的以鋁作為主要成分的金屬膜，和在該金屬膜上形成的包含金屬和金屬化合物的至少其中之一的薄模，和一邊以所述掩模層用作腐蝕掩模，一邊構圖所述疊層膜，該構圖包括第一步驟，采用具有不加工所述金屬膜的氣體組成的第一腐蝕氣體干式腐蝕所述薄模，和第二步驟，采用具有與所述第一腐蝕氣體不同的氣體組成的第二腐蝕氣體干式腐蝕所述金屬膜，第三步驟，采用包含氧原子的第三腐蝕氣體干式腐蝕所述阻擋層。
18.如權利要求17的干式腐蝕方法，其特征在于，所述第一腐蝕氣體包含氬氣、氯氣和30sccm以下的四氟化碳氣，所述第二腐蝕氣體包含氯氣和三氯化硼氣，而所述第三腐蝕氣體包含2sccm以上的氧。
全文摘要
公開了一種干式腐蝕方法,用于在以鋁作為主要成分的金屬膜與至少包含鈦和氮化鈦的其中之一的薄膜的疊層膜的構圖。該干式腐蝕方法采用具有不加工金屬膜的氣體組成的第一腐蝕氣體(CF
文檔編號H01L21/3213GK1267905SQ0010688
公開日2000年9月27日 申請日期2000年3月10日 優(yōu)先權日1999年3月11日
發(fā)明者杉浦弘, 成田雅貴 申請人:株式會社東芝