CN1135606C - 干式腐蚀方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种干式腐蚀方法，用于在以铝作为主要成分的金属膜与至少包含钛和氮化钛的其中之一的薄膜的叠层膜的构图。该干式腐蚀方法采用具有不加工金属膜的气体组成的第一腐蚀气体(CF4气体、Ar气体和Cl气体的混合气体)干式腐蚀薄膜。然后，采用具有与第一腐蚀气体不同的气体组成的第二腐蚀气体(Cl气体和BCl3气体的混合气体)干式腐蚀金属膜。

Description

干式腐蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造中使用的干式腐蚀方法，特别涉及以铝为主要成分的金属膜与金属或金属化合物薄膜形成的叠层膜的干式腐蚀方法。
背景技术
以往，在半导体基板上形成的金属布线通常采用干式腐蚀方法来形成。
图1是形成金属布线的半导体基板的剖面图。
如图1所示，在半导体基板101上，形成绝缘膜102。半导体基板101由硅等半导体构成，而绝缘膜102由二氧化硅(SiO2)等绝缘物构成。绝缘膜102的表面被平坦化。在平坦的绝缘膜102的表面上，形成金属布线(叠层膜103)。金属布线与下层的布线(图中未示出)或半导体基板101或MOS晶体管的栅极(图中未示出)等电连接，还与绝缘膜105上形成的上层金属布线(图中未示出)连接。绝缘膜105由二氧化硅(SiO2)等绝缘物构成，形成在半导体基板101上，以覆盖金属布线。
金属布线是金属膜103a和在该金属膜103a上形成的薄膜103b的叠层膜103。金属膜103a由以铝为主要成分并适当含有铜和硅的金属构成。此外，薄膜103b由保护金属膜103a、提高布线可靠性的金属或金属化合物或上述金属和上述金属化合物的叠层结构构成。作为上述金属，例如可选择钛、钨等，作为上述金属化合物，可选择氮化钛、硅化钨等。图1表示叠层结构的实例。
以往利用图2A～图2D所示的工艺形成由叠层膜13构成的金属布线。
首先，如图2A所示，在半导体基板101上的绝缘膜102上，顺序叠层以铝作为主要成分的金属膜103a、薄膜103b和防反射膜103c，形成叠层膜103’。防反射膜103c由防止向光刻胶光反射的物质例如含有碳的有机化合物膜等构成。
接着，如图2B所示，在叠层膜103’上，涂敷光刻胶，形成光刻胶膜。然后，采用曝光技术，在光刻胶膜上曝光与金属布线图形对应的图形。然后使曝光的光刻胶膜显影。由此，可得到具有与金属布线图形对应图形的光刻胶图形104。
接着，如图2C所示，将光刻胶图形104用作掩模，干式腐蚀叠层膜103’。由此，叠层膜103’被构图成金属布线的图形。
接着，如图2D所示，除去光刻胶图形104和防反射膜103c。由此，形成金属膜103a和薄膜103b的叠层膜103构成的金属布线。
然后，如图1所示，将绝缘膜105堆积在半导体基板101上。
以往，包括防反射膜103c、薄膜103b和以铝作为主要成分的金属膜103a的叠层膜103’的干式腐蚀用包含氯气(Cl2)和三氯化硼(BCl3)类的气体来进行。包含氯气和三氯化硼类的气体通常是在加工铝膜情况下使用的气体。
在用包含氯气和三氯化硼类的气体腐蚀上述叠层膜103的情况下，如果提高氯气的流量比，提高氯气的混合比，那么如图3所示，薄膜103b被垂直地腐蚀。但是，金属膜103a被侧面腐蚀，薄膜103b相对于金属膜103a外突。如果薄膜103b外突，那么例如在堆积绝缘膜105时，在金属膜103a之间，可能发生图4A所示那样的“空隙”。
相反地，如果氯气的流量比降低，氯气混合比降低，那么如图3B所示，金属膜103a的侧面腐蚀减少。但是，薄膜103b未被垂直地腐蚀，变成锥形形状，薄膜103b底部的尺寸增加。如果薄膜103b底部的尺寸增加，那么金属膜103a的宽度变宽，如图4B所示，金属膜103a之间的间隔“D”变窄，难以进行微细的金属布线加工。
因此，使两者的良好方面组合，直至薄膜103b的中途，进行氯气混合比高的腐蚀，在中途降低氯气的混合比，腐蚀金属膜103a。这样一来，如果在中途可切换氯气的混合比，那么可以获得垂直地腐蚀薄膜103b，并且还可以抑制金属膜103a的侧面腐蚀的效果。
但是，薄膜103b和金属膜103a的腐蚀率在半导体基板表面内通常是不均匀的。因此，即使在中途切换氯气的混合比，在整个半导体基板上也难以均匀地获得上述效果。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的主要目的在于提供干式腐蚀金属膜和包括在该金属膜上形成的金属或金属化合物的薄膜叠层膜，能垂直并且抑制所述金属膜的侧面腐蚀的方式构图所述薄膜的干式腐蚀方法。
为了实现上述主要目的，在本发明中，提供一种干式腐蚀方法，包括：
在半导体基板上的叠层膜上形成掩模层，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的以铝作为主要成分的金属膜，和包括在该金属膜上形成的至少含金属和金属化合物的其中之一的薄膜；和
以所述掩模层用作腐蚀掩模，同时对所述叠层膜构图，该构图包括
第一步骤，采用具有不加工所述金属膜的气体组成的第一腐蚀气体干式腐蚀所述薄膜，和
第二步骤，采用具有与所述第一腐蚀气体不同的气体组成的第二腐蚀气体干式腐蚀所述金属膜。
此外，本发明的其它目的在于提供干式腐蚀方法，可以使阻挡层与在该阻挡层上形成的金属膜的叠层膜构图尺寸变换差降低。
提供一种干式腐蚀方法，包括：
在半导体基板上的叠层膜上形成掩模层，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的阻挡层，和在该阻挡层上形成的以铝作为主要成分的金属膜；
以所述掩模层用作腐蚀掩模，同时对所述叠层膜构图，该构图包括采用包含氧原子的腐蚀气体干式腐蚀所述叠层膜的步骤。
附图说明
图1是形成金属布线的半导体基板的剖面图。
图2A、图2B、图2C和图2D分别表示以往的金属布线形成方法的剖面图。
图3A和图3B分别表示以往的金属布线形状的剖面图。
图4A和图4B分别说明以往的金属布线问题的图。
图5示意地表示干式腐蚀装置的图。
图6是形成金属布线的半导体基板的剖面图。
图7A、图7B、图7C、图7D和图7E分别表示采用本发明第一实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
图8表示采用本发明第一实施方案的干式腐蚀方法形成的金属布线形状的剖面图。
图9是说明采用本发明第一实施方案的干式腐蚀方法形成的金属布线效果的图。
图10是表示金属膜的腐蚀率与CF4气体流量比的关系图。
图11A、图11B和图11C分别表示采用本发明第二实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
图12A、图12B和图12C分别表示采用本发明第三实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
图13是形成金属布线的半导体基板的剖面图。
图14A、图14B、图14C和图14D分别表示以往的金属布线形成方法的剖面图。
图15表示实验结果的图。
图16表示氧流量与掩模尺寸S的关系图。
图17A、图17B、图17C和图17D分别表示采用本发明第四实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
图18表示采用本发明第四实施方案的干式腐蚀方法形成的金属布线形状的剖面图。
图19表示采用比较例的干式腐蚀方法形成的金属布线形状的剖面图。
图20A、图20B、图20C和图20D分别表示采用本发明第五实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
图21表示采用本发明第五实施方案的干式腐蚀方法形成的金属布线形状的剖面图。
发明的具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方案。再有，在该说明中，所有附图中的相同部分被付以相同的参考符号。
(第一实施方案)
在本实施例说明之前，先说明本发明的干式腐蚀中采用的干式腐蚀装置。
图5是示意表示干式腐蚀装置的图。
如图5所示，本发明使用的干式腐蚀装置有感应结合型等离子体(ICP)线圈1。反应处理室10是铝合金制成的，其内壁进行氧化覆盖膜加工(氧化铝膜加工)。半导体晶片等被处理体5被装载在下部电极2上，装入反应处理室10内。ICP线圈1和下部电极2分别通过隔直流电容器6与高频电源7连接。高频电源7为ICP线圈1和下部电极2供给高频功率。反应气体从气体导入口3经过陶瓷部件(隔壁)4上形成的透孔8被导入反应处理室10。如果将高频功率施加在ICP线圈1和下部电极2上，那么在反应处理室10内生成等离子体。在被处理体5上形成的薄膜腐蚀处理利用生成的等离子体来进行。与被处理体5反应的反应气体由排气口9向反应处理室10的外面排出。
下面，说明采用本发明的干式腐蚀方法的半导体器件的制造方法。在本例中，在半导体器件的金属布线构图时，使用本发明的干式腐蚀方法。
图6是形成金属布线的半导体基板的剖面图。
如图6所示，在半导体基板(晶片)11上形成绝缘膜12。半导体基板11由硅等半导体构成，而绝缘膜12由二氧化硅(SiO2)等绝缘物构成。绝缘膜12的表面被平坦化。在平坦化的绝缘膜12的表面上，形成金属布线(叠层膜13)。金属布线与下层的布线(图中未示出)或半导体基板11或MOS晶体管的栅极(图中未示出)等电连接，而且还与绝缘膜18上形成的上层金属布线(图中未示出)连接。绝缘膜18由二氧化硅(SiO2)等绝缘物构成，形成在半导体基板11上，以覆盖金属布线。
金属布线由金属膜13a和在该金属膜13a上形成的薄膜13b的叠层膜13构成。金属膜13a由以铝作为主要成分同时含有适当的铜和硅的合金构成。此外，薄膜13b保护金属膜13a，具有提高作为布线可靠性的金属和金属化合物的单层结构或上述金属和上述金属化合物的叠层结构。作为上述金属，例如可选择钛、钨等，作为上述金属化合物，可选择氮化钛、硅化钨等。图6表示作为薄膜13b在金属膜13a上形成钛层(以下称为Ti层)14、在该Ti层14上形成氮化钛层(以下称为TiN层)15的叠层结构例。
叠层膜13构成的金属布线通过图7A～图7E所示的工艺来形成。
图7A～图7E是分别表示采用本发明实施例1的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
首先，如图7A所示，在半导体基板11上的绝缘膜12上，顺序叠层以铝作为主要成分的金属膜13a和薄膜13b，形成叠层膜13。再有，上述薄膜13b包括Ti层14、TiN层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，可以省略以往的图2A等所示的防反射膜103c。在本例中，省略防反射膜。
接着，如图7B所示，在叠层膜13上，涂敷光刻胶，形成光刻胶膜。然后，采用曝光技术，在光刻胶膜上，曝光与金属布线图形对应的图形。随后，显影曝光的光刻胶膜。由此，得到具有与金属布线图形对应图形的光刻胶图形17。
接着，将图7B所示的装置装入图5所示的干式腐蚀装置的反应处理室10中。而且，将光刻胶图形17用作掩模，干式腐蚀叠层膜13。
此时，在本例中，首先，采用第一腐蚀气体，干式腐蚀薄膜13b。第一腐蚀气体大致垂直地腐蚀薄膜13b，并且具有几乎不腐蚀金属膜13a的气体组成。由此，如图7C所示，薄膜13b被大致垂直地腐蚀。由于第一腐蚀气体几乎不腐蚀金属膜13a，所以叠层膜13的干式腐蚀在金属膜13a露出的时刻中止。由此，可以获得金属膜13a完全未被腐蚀的结构。因此，即使薄膜13b的腐蚀率在半导体基板(晶片)表面内不均匀，腐蚀状态在整个半导体基板中也可以大致均化至金属膜13a露出的状态。
接着，用具有与该第一腐蚀气体不同的气体组成的第二腐蚀气体切换第一腐蚀气体。而且，采用该第二腐蚀气体，干式腐蚀金属膜13a。第二腐蚀气体具有几乎不侧面腐蚀金属膜13a，垂直腐蚀的气体组成。由此，如图7D所示，可获得侧面腐蚀少的金属膜13a。这样一来，叠层膜13被构图成金属布线的图形。
然后，如图7E所示，除去光刻胶图形17。由此，得到叠层膜13构成的金属布线。接着，在半导体基板11上通过堆积绝缘膜18，可得到图6所示的结构。
作为上述第一实施方案的干式腐蚀方法，大致垂直地腐蚀薄膜13b，并且采用具有几乎不腐蚀金属膜13a的气体组成的第一腐蚀气体，干式腐蚀薄膜13b。由此，即使薄膜13b的腐蚀率在半导体基板表面内不均匀，在整个半导体基板中，也可以使腐蚀状态大致均匀达到金属膜13a露出的状态。
接着，利用该均匀的状态，采用几乎不侧面腐蚀而垂直腐蚀金属膜13a的第二腐蚀气体干式腐蚀金属膜13a。
于是，如图8所示，可以得到被大致垂直腐蚀的薄膜13b和几乎没有侧面腐蚀的金属膜13a的叠层膜13构成的金属布线。
作为图8所示的金属布线(叠层膜13)，薄膜13b相对于金属膜13a没有外突。因此，如图9所示，在堆积绝缘膜18时，在金属布线之间，不易发生图4A所示那样的“空隙”。
此外，薄膜13b也未被腐蚀成锥形形状。因此，如图9所示，金属膜之间的间隔“D”也不会变窄。
再有，在第一实施方案中，在整个半导体基板上可均匀地获得图8所示的金属布线。
下面，说明第一腐蚀气体的具体例。
首先，第一腐蚀气体是含氟(F)的气体。在上述第一实施方案中，薄膜13b包含Ti。此外，金属膜13a包含Al。因此，首先，薄膜13b中包含的Ti与F结合，生成氟化钛，腐蚀薄膜13b。如果该腐蚀推进至金属膜13a，那么在该金属膜13a中包含的Al与F结合，生成氟化铝。氟化铝不气化，堆积在金属膜13a上。通过在金属膜13a上堆积氟化铝，可以阻止金属膜13a被腐蚀。堆积氟化铝的金属膜13a即使暴露于比如腐蚀以铝作为主要成分金属的气体中，例如暴露于氯气中，也不会被直接腐蚀。
此外，第一腐蚀气体最好包括含有F气体和含有Cl气体的混合气体。在采用这种混合气体的情况下，可以提高薄膜13b的腐蚀率。
但是，在上述混合气体中，如果含有Cl气体的混合比大，那么在金属膜13a上Al与Cl结合，生成氯化铝的速度比氟化铝堆积更快，使金属膜13a被腐蚀。此时，如果使例如包含Cl气体的混合比达到在金属膜13a上产生侧面腐蚀的程度，那么金属膜13a就会被侧面腐蚀。
为了抑制这种状况，可以使混合气体中包含的Cl原子数比F原子数少。这样调整的混合气体可以抑制金属膜13a中包含的Al与Cl结合。
第一腐蚀气体的更具体的一例是包含氯气(以下称为Cl2气体)、氩气(以下成为Ar气体)和四氟化碳气体(以下称为CF4气体)的混合气体。将这种混合气体导入图5所示的干式腐蚀装置的反应处理室10中。气体流量的具体一例是Cl2气体为30sccm左右、Ar气体为100sccm左右、CF4气体为30sccm左右(最好在10sccm以上30sccm以下)。
采用这样的具体例的第一腐蚀气体，例如使反应处理室10的内部压力为2Pa(12mTorr)左右，下部电极2的温度为40℃左右，如果干式腐蚀叠层膜13，那么可以得到图7C所示的结构。
图10是表示金属膜13a腐蚀率与CF4气体流量比相关性的特性图。纵轴表示金属膜13a的腐蚀率(任意单位)，横轴表示流量比(CF4/CF4+Cl2)(％)。此外，在图10中，Cl2气体的流量通常为30sccm。
如图10所示，在包含CF4和Cl2的腐蚀气体中，如果改变CF4的含量，那么相对于金属膜13a的腐蚀率就显著地变化。就是说，CF4的流量比为0％时，明显促进相对于金属膜13a的腐蚀，但随着增加CF4的流量比，该腐蚀率急剧地下降。而且，CF4的流量比在25％附近时，金属膜13a实际上未被腐蚀，CF4的流量比在25％以上时，继续保持金属膜13a未被腐蚀的状态。
第二腐蚀气体的具体例是包含Cl气体和三氯化硼气体(以下称为BCl3气体)的气体，并且Cl气体混合比低至在金属膜13a上不产生侧面腐蚀。该第二腐蚀气体可以是比如在背景技术栏中与参照图3B说明的气体相同的气体。
(第二实施方案)
图11A～图11C是分别表示采用本发明第二实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
首先，按照参照图7A～图7C说明的方法获得图11A所示的结构。
接着，用第一实施方案说明的第二腐蚀气体切换第一实施方案说明的第一腐蚀气体，干式腐蚀金属膜13a。此时，在第二实施方案中，最初相对于光刻胶选择比按低的条件进行，在中途相对于光刻胶的选择比可切换成高的条件。在相对于光刻胶选择比为低的条件时，在第二腐蚀气体中，例如还混合包含F的气体，例如混合了CF4气体。在该腐蚀气体中，使F的原子数比Cl的原子数少。如果使用这样的腐蚀气体，干式腐蚀金属膜13a，那么如图11B所示，光刻胶图形17比金属膜13a腐蚀得大。
接着，切换成相对于光刻胶选择比高的条件。在相对于光刻胶选择比高的条件时，第二腐蚀气体例如为用上述第一实施方案说明的第二腐蚀气体。而且，如果使用第二腐蚀气体，干式腐蚀金属膜13a，那么可得到图11C所示的结构。
作为上述第二实施方案，在干式腐蚀金属膜13a时，首先按相对于光刻胶选择比低的条件开始干式腐蚀，中途再切换成相对于光刻胶选择比高的条件。
因此，特别在图11B所示的工艺中，利用光刻胶图形17，其结构物质向外部飞散。该飞散物质抑制金属膜13a的侧面腐蚀，成为所谓的侧壁保护膜的源。因此，尤其在其初期阶段，在金属膜13a的侧壁上一边形成侧壁保护膜一边进行金属膜13a的干式腐蚀。
按照这样的第二实施方案，可以抑制在金属膜13a内与薄膜13b交界附近产生的微小凹切。
此外，在相对于光刻胶选择比低条件时使用的腐蚀气体中，例如在混合包含F的气体情况下，尤其在其初期阶段，在金属膜13a的侧壁上可一边形成侧壁保护膜一边进行金属膜13a的干式腐蚀。因此，可以进一步良好地获得抑制微小凹切的效果。
(第三实施方案)
图12A～图12C是分别表示采用本发明第三实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
首先，如图12A所示，在半导体基板11上的绝缘膜12上，顺序叠层以铝作为主要成分的金属膜13a、薄膜13b和防反射膜13c，形成叠层膜13。再有，上述薄膜13b包括Ti层14、TiN层15。此外，防反射膜13c由包含碳的有机化合物膜构成。
接着，如图12B所示，在叠层膜13’上涂敷光刻胶，形成光刻胶膜。然后，采用曝光技术，在光刻胶膜上曝光与金属布线图形对应的图形。随后，显象曝光的光刻胶膜。由此，获得具有与金属布线图形对应图形的光刻胶图形17。
接着，将图12B所示的基板装入图5所示的干式腐蚀装置的反应处理室10中。而且，将光刻胶图形17用作掩模，干式腐蚀叠层膜13。
此时，使用第一腐蚀气体，干式腐蚀防反射膜13c和薄膜13b。第一腐蚀气体大致垂直地腐蚀防反射膜13c和薄膜13b，具有几乎不腐蚀金属膜13a的气体组成。由此，如图12C所示，防反射膜13c和薄膜13b被大致垂直地腐蚀。由于第一腐蚀气体几乎不腐蚀金属膜13a，所以叠层膜13的干式腐蚀在金属膜13a露出时刻中止。由此，可以获得金属膜13a几乎未被腐蚀的结构。
然后，可以按用第一实施方案说明的方法或第二实施方案说明的方法来进行。
于是，在叠层膜13’包括金属膜13a、薄膜13b和防反射膜13c的情况下，使用第一腐蚀气体，也可以干式腐蚀防反射膜13c和薄膜13b。
如以上说明，按照第一～第三实施方案，可以提供干式腐蚀方法，干式腐蚀由金属膜和在该金属膜上形成的包含金属或金属化合物薄膜的叠层膜，可垂直并且使上述金属膜的侧面腐蚀受抑制地构图上述薄膜。再有，实施本发明第一～第三实施方案、后述第五实施方案情况时布线的的加工形状在微细布线密度高的区域中具有图8所示的良好形状，对于在独立区域上形成的布线来说，在加工Ti层和TiN层后，在金属膜处停止腐蚀的时候，Ti层和TiN层的侧面堆积有淀积膜，金属膜向下部侧变宽。但是，独立区域上形成的布线即使残留那样的形状，对于层间膜的埋入，器件特性等来说，不会有问题。
(第四实施方案)
上述第一～第三实施方案说明了干式腐蚀由以铝作为主要成分的金属膜和在该金属膜上形成的金属、或金属化合物、或这些金属和金属化合物的叠层结构构成的薄膜的叠层膜的实例。
本第四实施方案是干式腐蚀在以铝作为主要成分的金属膜下形成上述薄膜的叠层膜的实例。以下，把在金属膜下形成的薄膜称为阻挡层。
图13是形成金属布线的半导体基板的剖面图。
图13所示的结构与图6所示结构的不同处在于，在绝缘膜12和金属膜13a之间形成阻挡层13d。由此，金属布线由阻挡层13d、金属膜13a、薄膜13b的叠层膜13-2构成。
与第一、第二实施方案一样，金属膜13a由以铝作为主要成分同时含有适当的铜和硅的合金构成。
与第一、第二实施方案一样，薄膜13b也保护金属膜13a，具有提高布线可靠性的金属和金属化合物的单层结构或上述金属和上述金属化合物的叠层结构。
在金属布线与下层的布线和半导体基板11接合时，阻挡层13d抑制在金属膜13a中包含的铝与这些布线和半导体基板11发生反应。因此，阻挡层13d具有钛等金属和氮化钛等金属化合物的单层结构或上述金属和金属化合物的叠层结构。
叠层膜13-2构成的金属布线以往按图14A～图14D所示的工艺来形成。
首先，如图14A所示，在半导体基板11上的绝缘膜12上，顺序叠层阻挡层13d、金属膜13a、薄膜13b和防反射膜13c，形成叠层膜13’-2。
接着，如图14B所示，在防反射膜13c上，涂敷光刻胶，形成光刻胶膜。然后，采用曝光技术，在光刻胶膜上，曝光与金属布线图形对应的图形。随后，显象曝光的光刻胶膜。由此，得到具有与金属布线图形对应图形的光刻胶图形17。
接着，如图14C所示，将光刻胶图形17用作掩模，干式腐蚀叠层膜13’-2。
接着，如图14D所示，除去光刻胶图形17和防反射膜13c。由此，形成由阻挡层13d、金属膜13a、薄膜13b的叠层膜13-2构成的金属布线。然后，如图13所示，使绝缘膜18堆积在半导体基板11上。
这样的叠层膜13-2构成的金属布线是对包括阻挡层13d、金属膜13a、薄膜13b和防反射膜13c的叠层膜13’-2构图而形成的。因此，在构图时使用干式腐蚀时，必须连续加工这些多种类的金属膜。
近年来，随着半导体器件集成化的进步，也要求金属布线微细化，布线部分以及布线间隔变窄，要求可以进行高精度的加工。面临的问题是掩模尺寸与加工后的布线尺寸或布线之间的尺寸有所不同。这种不同一般被称为尺寸变换差。
通常，将掩模图形(光刻胶图形17)形成在叠层膜13-2上，然后，在按干式腐蚀方法加工叠层膜13-2的情况下，与掩模尺寸相比，加工后的布线宽度变大。因此，布线之间变窄，容易造成布线间的短路。而且，布线间的电容量也增加，还会引起器件特性的劣化。
以往，在解决这类问题时，预先测定尺寸变换差，在掩模形成时，调节曝光量，一边仅在尺寸变换差的部分预先使布线的一部分变细，此外同时预先考虑尺寸变换差制作曝光掩模。
即使这样的方法，在以往那样未微细化的半导体器件中，仍可以充分适应。但是，在近年来微细化的半导体器件中，已经难以适应。这是由于半导体器件高集成化，即使要求微细加工，布线的膜厚因布线电阻会增大而不能变薄。因此，掩模图形(光刻胶图形)的膜厚也不能变薄。其结果，掩模宽度变细，宽高比(掩模高度与掩模宽度之比)变大。如果宽高比变大，那么例如在显象后的水洗处理等时，掩模图形会产生物理性易损坏的现象。
此外，在用掩模图形校正干式腐蚀时的尺寸变换差的情况下，宽高比进一步变大，更容易损坏。
尺寸变换差的原因可列举出金属膜13a变为锥形形状，加工后的阻挡层13d变为下部变小的形状等。
金属膜13a的垂直加工可以实现加工条件、气体组成、压力、温度等的最佳化。但是，相对于在金属膜13a下面存在的阻挡层13d来说。目前还不具备按掩模尺寸那样的加工条件。
本第四实施方案的目的在于提供干式腐蚀包括阻挡层13d和在该阻挡层13d上形成的金属膜13a的叠层膜的干式腐蚀方法，以便进行可降低尺寸变换差的腐蚀。
本发明人为了知道阻挡层13d为什么变为下部变小形状的原因，进行过以下实验。
图15是表示实验结果的图。
在该实验中，以光刻胶图形17-3用作掩模，干式腐蚀叠层膜13-3。而且，测定各阶段的掩模尺寸。
叠层膜13-3有作为阻挡层13d的TiN/Ti膜、以铝为主要成分的作为金属膜13a的Al-Cu膜(Cu含量1wt％)、作为防反射膜13c的TiN层。此外，作为腐蚀气体，使用Cl2+BCl3的混合气体。
如图15所示，由该实验结果可知，掩模尺寸S在加工Al-Cu膜时(例如，Al加工中，状态(b))几乎不变化，在表示Al-Cu膜加工结束的Al终点后，掩模尺寸S急剧地变大。以在等离子体发光中监视261nm的发光强度，其发光强度降低至最大时的80％时的终点作为Al终点。就是说，Al终点检测时，应该处理的半导体基板上的Al-Cu膜的一部分加工结束，但剩余的处于加工未结束的状态(状态(c))。通常，在干式腐蚀中，存在微负载效应(micro-loadingeffect)，与布线行并排配置的部分相比，没有布线行部分的腐蚀率快，Al终点检测时，在布线行并排的部分Al-Cu膜的加工未结束。在该实验中，在Al终点+61秒时刻时腐蚀结束(状态(e))。
此外，在Al终点检测以后，为了发现掩模尺寸变大的理由，在腐蚀的各阶段调查光刻胶膜厚H的变化。其结果示于图15中。
如图15所示，在Al终点以后，显然掩模的后退速度上升。根据该结果，可知阻挡层13d下部变小的原因为以下理由造成。
在Al-Cu膜加工的Al终点附，一部分的Al-Cu膜加工结束，阻挡层13d露出。此后，Al-Cu膜的加工面积减小，至此Al-Cu膜加工中所消耗的Cl气体(活性类)剩余，光刻胶的腐蚀率上升。被腐蚀的光刻胶以CCl4等形式被排气，但在等离子体中产生再分解，堆积在应该处理的半导体基板上，即掩模上。在掩模上面堆积的物质虽通过离子被腐蚀，但在掩模的侧壁等上堆积的物质因离子腐蚀的速度慢，而堆积速度的一方快。因此，可认为掩模尺寸变大。显然，这种倾向在阻挡层13d加工后，氧化膜12-3露出后变得更加显著。
根据上述结果，按照除去在掩模侧壁等上堆积的光刻胶分解物的目的，在Al终点以后，尝试添加氧。在调查此时的掩模尺寸S时，可得到图16所示的结果。
图16是表示在Al终点以后添加的氧流量与掩模尺寸S的关系图。纵轴表示掩模尺寸S(μm)，横轴表示相对于腐蚀气体的氧的添加量(sccm)。
如图16所示，显然，随着氧流量增大，掩模尺寸S的增加被抑制。而且，在上述实验中，在2sccm以上的氧添加中，可确认掩模尺寸S在原来的尺寸(0.175μm)上有可以实际减小的效果。
此外，在上述试验中，是在Al终点以后添加氧，但从最初开始就进行添加的情况下，未发现掩模尺寸S的减少。其理由在于，如果氧添加量为微量，那么氧不对堆积物本身产生腐蚀，对在等离子体中再分解产生碳的清除几乎不产生作用。
但是，如果氧添加量大，例如在5sccm以上，那么与上述试验同样，掩模尺寸S开始减小。就是说，如果氧添加量在某个限度以上，那么可以从最初开始就添加氧。
此外，作为使掩模尺寸S减小的添加剂，除了氧(O2)以外，即使一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)等也被确认有相同的效果。在一氧化碳和二氧化碳中，与氧相比，由于掩模尺寸S的变化少，所以具有流量控制简单的优点。相反地，对于氧来说，与一氧化碳和二氧化碳相比，由于掩模尺寸S的变化大，所以具有用微小的添加量就可以控制掩模尺寸的优点。
以下，说明作为第四实施方案的更具体的实例。
图17A～图17D是分别表示采用本发明第四实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
首先，如图17A所示，在半导体基板11上形成绝缘膜12。绝缘膜12由SiO2构成，其表面被平坦化。接着，在绝缘膜12上形成阻挡层13d。本例的阻挡当层13d具有在绝缘膜12上形成的膜厚10nm左右的Ti层21和在该Ti层21上形成的膜厚40nm左右的TiN层22的叠层结构。然后，在阻挡层13d上形成金属膜13a。本例的金属膜13a由在TiN层22上形成的膜厚330nm左右的以铝作为主要成分的合金构成。该合金含有1wt％左右的Cu。随后，在金属膜13a上形成薄膜13b。本例的薄膜13b具有在金属膜13a上形成的膜厚10nm左右的Ti层14和在Ti层14上形成的膜厚50nm的TiN层15的叠层结构。接着，在薄膜13b上形成防反射膜13c。本例的防反射膜13c由碳类有机化合物构成。由此，在绝缘膜12上形成阻挡层13d、金属膜13a、薄膜13b和防反射膜13c组成的叠层膜13-2。
接着，如图17B所示，在防反射膜13c上涂敷光刻胶，形成光刻胶膜。然后，采用曝光技术，在光刻胶膜上曝光与金属布线图形对应的图形。随后，显象曝光的光刻胶膜，由此，得到具有与金属布线图形对应图形的光刻胶图形17。本例的图形尺寸在行和间隔(L/S)尺寸均为0.175μm。
接着，将图17B所示的器件装入图5所示的干式腐蚀装置的反应处理室10内。然后，使用光刻胶图形17作掩模，干式腐蚀叠层膜13’-2。
此时，在本例中，按将叠层膜13’-2腐蚀至Al终点的腐蚀(以下称为主腐蚀)和Al终点以后的腐蚀(以下称为过腐蚀)的两阶段腐蚀来进行。在本例中，以在等离子体发光中监视261nm的发光强度，其发光强度降低至最大时的80％时的终点作为Al终点。这种状态与上述情况一样，金属膜13a的一部分结束加工，但剩余的加工处于未结束的状态。
首先，在主腐蚀中，作为腐蚀气体，使用包含Cl2、BCl3和N2的混合气体。其具体的一例是Cl2/BCl3/N2＝80/70/5sccm。此外，腐蚀条件的一例是压力为12mTorr、基板处理温度为35℃、线圈1上施加的功率为500W、下部电极上施加的偏置功率为350W。通过该主腐蚀，可得到图17C所示的结构。
接着，在过腐蚀中，作为腐蚀气体，使用包含Cl2、BCl3、N2和O2的混合气体。其具体的一例为Cl2/BCl3/N2/O2＝60/40/5/2sccm。此外，腐蚀条件的一例是压力为12mTorr、基板处理温度为35℃、线圈1上施加的功率为350W、下部电极上施加的偏置功率为200W。这样，在过腐蚀时使用的腐蚀气体中，添加2sccm的氧(O2)。利用该过腐蚀，可得到图17D所示的结构。
图18表示采用上述第四实施方案的干式腐蚀方法形成的金属布线的剖面。
如图18所示，阻挡层13d与掩模尺寸S(0.175μm)相比两侧增大约0.02μm，合计不超过约0.04μm。
下面，为了说明本发明的效果，说明比较例。
该比较例与第四实施方案的方法的明显不同在于，在过腐蚀时使用的腐蚀气体中，未添加氧(O2)。
首先，主腐蚀时使用的腐蚀气体和腐蚀条件与第四实施方案的方法相同。
此外，在过腐蚀中，使用Cl2/BCl3/N2＝60/40/5sccm的混合气体。此外，腐蚀条件是压力为12mTorr、基板处理温度为35℃、线圈上施加的功率为350W、下部电极上施加的偏置功率为200W。
图19表示采用上述比较例的干式腐蚀方法形成的金属布线的剖面。
如图19所示，阻挡层13d与掩模尺寸S(0.175μm)相比两侧各增大约0.04μm，合计增大约0.08μm。
按照以上第四实施方案的干式腐蚀方法，可以使尺寸变换差两侧分别降低至约0.02μm。因此，可以抑制加工后的阻挡层13d出现变为下部变小形状的现象。
(第五实施方案)
本第五实施方案是干式腐蚀由阻挡层、在该阻挡层上形成的以铝作为主要成分的金属膜和在该金属膜上形成的薄膜组成的叠层膜的实例。
图20A～图20D是分别表示采用本发明第五实施方案的干式腐蚀方法的金属布线形成方法的剖面图。
首先，利用参照图17A、图17B说明的方法获得图20A所示的结构。再有，在本例中，形成有防反射膜13c，但当然也可以不形成该膜。
接着，按照第三实施方案说明的方法，采用第一腐蚀气体，干式腐蚀防反射膜13c和薄膜13b。第一腐蚀气体具有大致垂直地腐蚀防反射膜13c和薄膜13b，而几乎不腐蚀金属膜13a的气体组成。本例的第一腐蚀气体是包含Cl2气体、Ar气和CF4气的气体。具体的流量比为Cl2/Ar/CF4＝30/100/30sccm以下(最好在10sccm以上30sccm以下)以下。由此，得到图20B所示的结构。
接着，用第二腐蚀气体切换第一腐蚀气体，使用第二腐蚀气体干式腐蚀金属膜13a。第二腐蚀气体具有几乎不侧面腐蚀金属膜13a而进行垂直腐蚀的气体组成。本例的第二腐蚀气体是包含Cl2气和BCl3气的气体，具体地说，可以为第四实施方案说明的混合气体。使用第二腐蚀气体，将以铝作为主要成分的金属膜13a干式腐蚀至Al终点。该步骤与第四实施方案说明的主腐蚀相当。由此，得到图20C所示的结构。
接着，用第三腐蚀气体代替第二腐蚀气体，使用第三腐蚀气体干式腐蚀阻挡层13d。第三腐蚀气体具有在光刻胶图形17的侧壁等上不过剩地堆积腐蚀生成物的气体组成。本例的第三腐蚀气体是包含Cl2气体、BCl3气体、N2气体和O2气体的气体。具体的流量比为Cl2/BCl3/N2/O2＝60/40/5/2sccm。使用该第三腐蚀气体，干式腐蚀阻挡层13d。该工艺与第四实施方案说明的过腐蚀相当。由此，得到图20D所示的结构。
图21表示采用上述第五实施方案的干式腐蚀方法形成的金属布线的剖面。
如图21所示，按照第五实施方案，薄膜13b可以被垂直地腐蚀，可以一边腐蚀金属膜13a，一边抑制其侧面腐蚀。并且，可以一边腐蚀阻挡层13d，一边抑制变为拉出其下摆的形状。
以上，利用第一～第五实施方案说明了本发明，但在不脱离其主要精神的范围内，本发明可以进行各种变形。
例如，在第四、第五实施方案中，根据Al终点，可从主腐蚀切换成过腐蚀。但是，例如，也可以根据加工时间，从主腐蚀切换为过腐蚀。
此外，例如在第五实施方案的主腐蚀中，也可以采用第二实施方案说明的干式腐蚀方法。
此外，薄膜13b和阻挡层13d分别为叠层结构，但也可以是钛、钨、氮化钛和硅化钨等单层结构。

Claims (17)

1.一种干式腐蚀方法，包括：
将掩模层形成在半导体基板上的叠层膜上，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的以铝作为主要成分的金属膜，和在该金属膜上形成的含有金属和金属化合物的至少其中之一的薄膜；和
一边以所述掩模层用作腐蚀掩模，一边构图所述叠层膜，该构图包括
第一步骤，采用具有不加工所述金属膜的气体组成的第一腐蚀气体干式腐蚀所述薄膜，和
第二步骤，采用具有与所述第一腐蚀气体不同的气体组成的第二腐蚀气体干式腐蚀所述金属膜。
2.如权利要求1的干式腐蚀方法，其特征在于，所述薄膜包含钛、钨、氮化钛和硅化钨的至少其中之一。
3.如权利要求3的干式腐蚀方法，其特征在于，在所述金属膜中混合有铜和硅的至少其中之一。
4.如权利要求1的干式腐蚀方法，其特征在于，所述第一腐蚀气体中包含氟原子。
5.如权利要求4的干式腐蚀方法，其特征在于，所述第一腐蚀气体包含四氟化碳气体和氯气，所述四氟化碳气体的流量比在25％以上。
6.如权利要求1的干式腐蚀方法，其特征在于，所述第二步骤最初按相对掩模层选择比低的条件进行，中途切换为相对掩模层选择比高的条件。
7.如权利要求6的干式腐蚀方法，其特征在于，在所述相对掩模层比低的条件时，第二腐蚀气体包含氯原子和比该氯原子数少的氟原子。
8.一种干式腐蚀方法，包括：
将掩模层形成在半导体基板上的叠层膜上，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的以铝作为主要成分的金属膜，和在该金属膜上形成的含有金属和金属化合物的至少其中之一的薄膜，与在该薄膜上形成的防反射膜；且
一边以所述掩模层用作腐蚀掩模，一边构图所述叠层膜，该构图包括
第一步骤，采用具有不加工所述金属膜的气体组成的第一腐蚀气体干式腐蚀所述防反射膜和所述薄膜，和
第二步骤，采用具有与所述第一腐蚀气体不同的气体组成的第二腐蚀气体干式腐蚀所述金属膜。
9.一种干式腐蚀方法，包括：
将掩模层形成在半导体基板上的叠层膜上，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的阻挡层，和在该阻挡层上形成的以铝作为主要成分的金属膜；和
一边以所述掩模层用作腐蚀掩模，一边构图所述叠层膜，该构图包括在所述阻挡层的一部分露出后采用包含氧原子的腐蚀气体干式腐蚀所述叠层膜的步骤。
10.如权利要求9的干式腐蚀方法，其特征在于，所述阻挡层包含钛、钨、氮化钛和硅化钨的至少其中之一。
11.如权利要求9的干式腐蚀方法，其特征在于，在所述金属膜中混合铜和硅的至少其中之一。
12.如权利要求9的干式腐蚀方法，其特征在于，所述包含氧原子的腐蚀气体包括氧气、一氧化碳气和二氧化碳气的至少其中之一。
13.如权利要求9的干式腐蚀方法，其特征在于，所述包含氧原子的腐蚀气体包含2sccm以上的氧。
14.一种干式腐蚀方法，包括：
将掩模层形成在半导体基板上的叠层膜上，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的阻挡层，在该阻挡层上形成的以铝作为主要成分的金属膜，和在该金属膜上形成的包含金属和金属化合物的至少其中之一的薄膜；和
一边以所述掩模层用作腐蚀掩模，一边构图所述叠层膜，该构图包括在所述阻挡层的一部分露出后采用包含氧原子的腐蚀气体干式腐蚀所述叠层膜的步骤。
15.一种干式腐蚀方法，包括：
将掩模层形成在半导体基板上的叠层膜上，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的阻挡层，在该阻挡层上形成的以铝作为主要成分的金属膜，在该金属膜上形成的包含金属和金属化合物的至少其中之一的薄膜，和在该薄膜上形成的防反射膜；和
一边以所述掩模层用作腐蚀掩模，一边构图所述叠层膜，该构图包括在所述阻挡层的一部分露出后采用包含氧原子的腐蚀气体干式腐蚀所述叠层膜的步骤。
16.一种干式腐蚀方法，包括：
将掩模层形成在半导体基板上的叠层膜上，所述叠层膜包括在所述半导体基板上形成的阻挡层，在该阻挡层上形成的以铝作为主要成分的金属膜，和在该金属膜上形成的包含金属和金属化合物的至少其中之一的薄膜；和
一边以所述掩模层用作腐蚀掩模，一边构图所述叠层膜，该构图包括
第一步骤，采用具有不加工所述金属膜的气体组成的第一腐蚀气体干式腐蚀所述薄膜，和
第二步骤，采用具有与所述第一腐蚀气体不同的气体组成的第二腐蚀气体干式腐蚀所述金属膜，
第三步骤，采用包含氧原子的第三腐蚀气体干式腐蚀所述阻挡层。
17.如权利要求16的干式腐蚀方法，其特征在于，所述第一腐蚀气体包含氩气、氯气和30sccm以下的四氟化碳气，所述第二腐蚀气体包含氯气和三氯化硼气，而所述第三腐蚀气体包含2sccm以上的氧。
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