JPH07201821A - アルミ合金配線の形成方法 - Google Patents

アルミ合金配線の形成方法

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JPH07201821A
JPH07201821A JP5337784A JP33778493A JPH07201821A JP H07201821 A JPH07201821 A JP H07201821A JP 5337784 A JP5337784 A JP 5337784A JP 33778493 A JP33778493 A JP 33778493A JP H07201821 A JPH07201821 A JP H07201821A
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aluminum alloy
etching
wiring
film
chlorine
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JP5337784A
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Akimasa Takii
謙昌 瀧井
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 エッチングマスクとの選択比が高く、エッチ
ング中に配線側壁を保護でき、アフターコロージョンが
発生せず、発生パーティクルの少ないクリーンなドライ
エッチングを用いたアルミ合金配線の形成方法を提供す
る。 【構成】 BPSG2上にアルミ合金膜3、シリコン酸
化膜4を積層させる。レジストパターン5により、シリ
コン酸化膜4をパターニングしレジストを除去する。次
にシリコン酸化膜4をマスクにして、塩素系ガスと酸素
ガスを含む混合ガスのプラズマ中でアルミ合金をドライ
エッチングする。その結果、マスクとの選択比が高く、
アルミ表面に化学的に不活性なアルミナを形成しエッチ
ングするので配線側壁を保護でき異方的なエッチングが
でき、アフターコロージョンも防止できる。また、炭素
を含まない塩素系ガスの使用およびレジストの不要によ
り、カーボンレスで発生パーティクルが少ないクリーン
なエッチングが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体の製造に関して、
特にアルミ合金配線の形成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在アルミ配線技術として、配線材料に
は各種マイグレーション抑制効果がある微量のシリコン
と銅を添加したアルミニウム(AlSiCu:以下アル
ミ合金と呼ぶ)が多く用いられている。今後、半導体デ
バイスの高集積化に伴い、平面方向では配線幅および配
線間の幅の縮小が必要となり、また縦方向では2層ある
いは3層配線に代表されるようにデバイス構造の立体化
によりアスペクト比の高い配線形成技術および高段差を
有する配線の形成技術が必要となる。ここで述べるアス
ペクト比は図6(a)に示すように配線間の幅、アルミ
合金の厚さ、レジストの厚さによるものであり、段差と
は図6(b)に示すようにアルミ合金の下地の段差形状
によるものである。
【0003】ここで、従来のアルミ合金膜を半導体デバ
イスの配線材料に用いた配線加工技術を、図7に概要を
示した工程断面図を用いて説明する。
【0004】まず、図7(a)に示すように、半導体基
板1の表面に層間絶縁膜として厚さ500〜1000n
mのBPSG膜2を堆積させる。次に厚さ約1μmのア
ルミ合金膜3をスパッタ蒸着法によりBPSG膜2上に
堆積し、その上にフォトリソグラフィ工程により厚さ1
〜2μmのレジストパターン5を形成する。
【0005】次に、図7(b)に示すように、レジスト
パターン5をマスクとして、アルミ合金膜3を反応性イ
オンエッチング方法(以下R.I.E.法と呼ぶ)によ
りドライエッチングし配線パターンを形成させる。一般
にアルミ合金膜のドライエッチングには、塩素系のガス
(CCl4、SiCl4、BCl3、Cl2など)とサイド
エッチングの防止のための炭素系ガス(CHCl3、C
4など)との混合ガスを用いる。
【0006】そして、図7(c)に示すように、アッシ
ング装置による酸素プラズマ処理によってアルミ合金上
のレジストを除去し、配線を形成させる。
【0007】ここで、アルミ合金のドライエッチング方
法、特にR.I.E.法について、さらに詳しく説明す
る。用いられる混合ガスとその流量は塩素10〜30s
ccm、四塩化硅素70〜150sccm、クロロホル
ム10〜30sccmである。カソード電極には13.
56MHz、200〜500Wの高周波を高周波電源か
ら供給する。エッチング中の真空度は10〜50Paで
ある。
【0008】アルミ合金膜1μm、マスクであるレジス
トの厚みが1μmのウエハをこの条件下でドライエッチ
ングすると、レジストとアルミ合金膜の選択比が小さい
のでアスペクト比の高い所および高段差を有する所では
マスクであるレジストはエッチングされ、アルミ合金の
配線幅が細くなったり、配線となるべきアルミ合金膜ま
でエッチングされる。従って、レジストがエッチングの
マスクとして十分機能しなくなる。
【0009】また、ドライエッチング終了後、このウエ
ハを大気中に暴露しておくと、数時間で配線パターンに
アルミ合金配線の腐食(アフターコロージョンと呼ぶ)
の発生が観察される。
【0010】さらに、上記条件で半導体基板を処理する
と、処理枚数とともにエッチング室の電極、ガス導入
板、チャンバー壁等に付着するカーボン、アルミ、塩素
を含む反応生成物の量が増大する。これらのデポ物が原
因で、処理枚数とともに半導体基板に付着するパーティ
クル数も増大することが観測される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のア
ルミ合金配線の形成方法では、微細な線幅のアルミ合金
配線のドライエッチングに関して以下のような問題点を
有している。
【0012】一点目は、配線材料であるアルミ合金とマ
スク材料であるレジストとの選択比が小さいために、ア
スペクト比の高い所および高段差を有する所のアルミ合
金配線のドライエッチングにおいてはレジストがエッチ
ング途中でなくなってしまって、マスクとして十分機能
しなくなるという問題点である。これに対して、レジス
ト膜厚を厚くする、あるいはアルミ合金膜を薄くする手
段があるが、前者は微細なレジストパターンを作成する
ときに解像度が劣化する等の問題があり、後者は所望の
配線抵抗を得るためには膜厚は制限されるので、これら
の手段は実用性に欠ける。
【0013】二点目は、アルミニウムは化学的に非常に
活性であり、塩素系のガスによるドライエッチングで
は、R.I.E.法を行なっても十分に異方性を確保で
きず、配線の側壁がエッチングされ(サイドエッチング
現象と呼ぶ)。図8に示すように所望の配線幅が得られ
なくなったり、配線の断面形状が逆テーパ状となる。配
線形状が逆テーパ状になると、配線上に絶縁層間膜を堆
積した時にボイドが発生する等の問題点がある。そこ
で、エッチング進行中に配線の側壁を保護する目的でカ
ーボン系ガス(例えばCHCl3、CF4)をエッチング
ガスに添加することにより、このサイドエッチング現象
を抑制する。しかし、エッチング終了後、アルミ合金の
表面およびその表面に付着するカーボン系のデポ物に塩
素系生成物や塩素ガスが付着もしくは吸着する。このウ
エハを大気にさらすと、塩素系物質と水分が反応し塩化
水素が形成され、電気化学反応によりアルミ合金配線の
腐食が起こる(アフターコロージョンと呼ぶ)という問
題点がある。
【0014】三点目は、上記したようにアルミ合金配線
の断面形状の制御のためカーボン系のガスをエッチング
ガスに添加している点、またエッチングマスクとしてレ
ジストを使用している点から、処理室の内部には多数の
炭素を含むデポ物が付着する。このデポ物はエッチング
処理を重ねるにしたがって増加し、反応室の形状のわず
かな変化によりエッチングレート、均一性等が処理ウエ
ハ枚数とともに変化する。またこのデポ物は、処理室内
でのパーティクルの発生源にもなり、デバイスの歩留ま
り低下をもたらすという問題点がある。
【0015】本発明は上記問題点に鑑み、配線の側壁保
護のためのカーボン系ガスを使用せず、エッチング中の
発生パーティクルが少なく、マスク材料に対して選択比
の高いドライエッチングを用いたアルミ合金配線の形成
方法を提供するものである。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明のアルミ合金配線の形成方法は、半導体基板
上にアルミ合金を形成した後パターニングして配線を形
成する方法において、第1にシリコン酸化膜またはシリ
コン窒化膜をエッチングマスクにして、塩素系のガスお
よび酸素ガスを含むガスでアルミ合金膜をドライエッチ
ングすること、第2にシリコン酸化膜またはシリコン窒
化膜をエッチングマスクにして、塩素系のガスを含むガ
スでのドライエッチングと酸素ガスを含むガスでのドラ
イエッチングを交互に行ないアルミ合金膜をドライエッ
チングすること、第3に上記第1または第2の酸素ガス
の量をエッチングの進行とともに連続的、または段階的
に変化させること、第4に上記第1または第2の塩素系
のガスとして炭素原子を含まないガスを用いることを特
徴とする。
【0017】
【作用】本発明は上記した構成によって、従来のアルミ
合金のエッチングマスクとしてレジストを使用するとア
ルミ合金に対する選択比が1.5〜3程度であるが、シ
リコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜をエッチングマス
クとして用いると選択比が10以上となり、高段差、高
アスペクト比を有するアルミ合金配線パターンを形成す
ることができる。
【0018】また、アルミ合金の表面を酸素プラズマ中
で酸化しながら塩素系のプラズマでエッチングするの
で、従来のカーボン系ガスによるアルミ合金配線の側壁
保護と比較して、アルミ合金に対する選択比が10以上
であるアルミナ(Al23)により側壁を保護するの
で、より異方的なエッチングができる。ここで、酸素ガ
スの使用によりレジストマスクは使用できず、シリコン
酸化膜あるいはシリコン窒化膜をエッチングマスクとす
る必要がある。また、エッチング終了時には、アルミ合
金配線の表面が十分に酸化され、化学的に不活性で安定
なAl23を形成しているので、アルミ合金の表面に塩
素ガスおよび塩素系生成物が付着もしくは吸着し、大気
中に放置しても、アフターコロージョンは発生しない。
【0019】また、エッチングガスに炭素を含まないガ
スを使用し、エッチングマスクとしてレジストを使用し
ないので、従来の反応室内部へのデポ物の主原因である
炭素物質を使用しないエッチングができる。したがっ
て、反応室内部への炭素系物質のデポも少なく、カーボ
ンレスで発生パーティクルの少ないクリーンなエッチン
グができる。
【0020】
【実施例】アルミ合金膜を半導体デバイスの配線材料に
用いた本発明の配線加工技術を、図1に概要を示した工
程断面図を用いて説明する。
【0021】まず、図1(a)に示すように、所定の拡
散層が形成された半導体基板1の表面に層間絶縁膜とし
て厚さ500〜1000nmのBPSG膜2を堆積させ
る。次に厚さ約1μmのアルミ合金膜3をスパッタ蒸着
法によりBPSG膜2上に堆積し、その上にCVD法に
よりアルミ合金膜3上に厚さ300〜500nmのシリ
コン酸化膜4を積層させる。ここでCVDとしては、常
圧CVD法を使用し基板温度400度において形成し
た。
【0022】次に、図1(b)に示すように、この酸化
膜4上に厚さ約1μmのレジスト5を堆積させる。そし
て、フォトリソグラフィ工程によりレジストパターン5
を形成させる。
【0023】そして、図1(c)に示すように、レジス
トパターン5をエッチングマスクにして、シリコン酸化
膜4をフッ素系ガスによるR.I.E.法により微細加
工する。使用するガスおよびその流量は四フッ化炭素3
0〜100sccm、カソード電極には13.56MH
z、200〜500Wの高周波を高周波電源から供給す
る。エッチング中の真空度は3〜10Paである。次
に、この半導体基板1を酸素プラズマの雰囲気中に曝
し、シリコン酸化膜4のエッチングマスクとして用いた
レジストパターン5を除去する。使用するアッシング装
置は、ダウンフロー型プラズマアッシング装置で、酸素
流量100〜500sccm、真空度40〜100Pa
で、13.56MHz、200〜500Wの高周波を高
周波電源から供給する。以上で示した処理を行なうと、
アルミ合金膜3上にはシリコン酸化膜パターン4が形成
できる。
【0024】次に、図1(d)に示すように、シリコン
酸化膜パターンをマスクとして、アルミ合金膜3をR.
I.E.法によりドライエッチングし、配線パターンを
形成させる。ここで、用いられる混合ガスとその流量は
四塩化炭素50〜100sccm、塩素30〜50sc
cm、酸素20〜50sccm、クロロホルム3〜5s
ccmである。カソード電極には13.56MHz、2
00〜500Wの高周波を高周波電源から供給する。エ
ッチング中の真空度は5〜50Paである。
【0025】アルミ合金膜3の厚さ1μm、マスクであ
るシリコン酸化膜4の厚みが300nmのウエハをこの
条件下でドライエッチングすると、アルミ合金膜3をエ
ッチング、そして十分にオーバーエッチングしても酸化
膜は約100nmしかエッチングされず、アルミ合金3
との選択比が10以上のマスクとして作用する。また、
高アスペクト比および高段差を有する所でも、マスクで
あるシリコン酸化膜は残存しており、配線パターンが形
成しているのが観測される。
【0026】そして、配線の断面を走査型電子顕微鏡
(SEM)で観測すると、サイドエッチングのない寸法
シフトのない垂直形状の配線が得られる。これは、エッ
チング中にアルミ合金3の配線の表面が酸素プラズマに
より選択比が10以上のアルミナを形成し、十分に側壁
保護がなされていることを示している。
【0027】また、ドライエッチング終了後、この半導
体基板を大気中に24時間以上暴露しておいても、配線
パターンにアフターコロージョンの発生が観察されな
い。これは、配線パターンの表面が酸化され、化学的に
不活性で安定なアルミナを形成しているためである。
【0028】なお、マスクとして使用した酸化膜4は、
アルミ合金配線形成後に絶縁膜を堆積することを考えあ
わすと、除去の必要性はない。
【0029】上記アルミ合金配線の形成方法において、
エッチングマスクとしてシリコン酸化膜を使用し、アル
ミ合金膜のエッチングガスとして塩素系ガスと酸素ガス
を含む混合ガスを使用することにより、寸法シフトのな
い垂直形状をもつアルミ合金の配線が形成される。
【0030】第2の実施例は、第1の実施例での工程の
うち、アルミ合金膜のエッチングにおいて、酸素ガスの
流量をエッチングの進行とともに変化させるものであ
る。
【0031】これを、具体的に説明する。図1(d)に
示すように、アルミ合金膜3上に酸化膜パターン4を形
成した半導体基板1を、塩素系ガスを含む混合ガスでド
ライエッチングしたときのアルミ合金のプラズマに曝さ
れる表面積の変化を図2に示す。この表面積の変化は3
つの領域、エッチング時間と共に増加する領域(a)、
アルミ合金がちょうどエッチングされている領域
(b)、オーバーエッチングの領域(c)に分けられ
る。このエッチングされるべきアルミ合金の表面積の変
化と共に、酸素ガスの流量を連続的に、あるいは段階的
に変化させる。連続的な変化の一例を図3に、段階的な
変化の一例を図4に示す。
【0032】アルミ合金1μm、マスクであるシリコン
酸化膜4の厚みが300nmのウエハをドライエッチン
グする。ここで用いられる混合ガスと流量は四塩化炭素
50〜100sccm、塩素30〜50sccm、クロ
ロホルム3〜5sccmおよび酸素である。酸素の流量
は領域(a)で40sccmから50sccmに、領域
(b)では30sccm、領域(c)では15sccm
に段階的に変化させる。カソード電極には13.56M
Hz、200〜500Wの高周波を高周波電源から供給
する。エッチング中の真空度は5〜50Paである。こ
の条件下でドライエッチングすると、アルミ合金は第1
の実施例と同様にエッチングマスクであるシリコン酸化
膜に対して高選択なエッチングがされており、配線パタ
ーンが形成しているのが観測される。そして、配線の断
面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観測すると、サイド
エッチングの入っていない垂直形状の配線が得られる。
また、ドライエッチング終了後、この半導体基板を大気
中に24時間以上暴露しておいても、配線パターンにア
フターコロージョンの発生が観察されない。
【0033】上記アルミ合金配線の形成方法において、
第1の実施例に加えて、アルミ合金膜のエッチングの進
行とともに酸素ガスの流量を変化させることにより、酸
素ガスの流量を低減できる。従って、経済的にアルミ合
金の配線が形成できる。
【0034】第3の実施例は、第1の実施例での工程の
うち、アルミ合金膜のエッチングにおいて、塩素系のガ
スとして炭素原子を含まない塩素系ガスを使用するもの
である。
【0035】これを、具体的に説明する。図1(a)〜
(c)に示すように、アルミ合金膜3上にシリコン酸化
膜パターン4を形成する。次に、図1(d)に示すよう
に、シリコン酸化膜パターン4をマスクとして、アルミ
合金膜3をR.I.E.法によりドライエッチングし、
配線パターンを形成させる。ここで、用いられる混合ガ
スとその流量は三塩化ホウ素50〜100sccm、塩
素30〜50sccm、酸素20〜50sccmであ
る。カソード電極には13.56MHz、200〜50
0Wの高周波を高周波電源から供給する。エッチング中
の真空度は5〜50Paである。
【0036】アルミ合金1μm、マスクであるシリコン
酸化膜4の厚みが300nmのウエハをこの条件下でド
ライエッチングすると、第1の実施例と同様に、シリコ
ン酸化膜との選択比が10以上得られ、サイドエッチン
グの入っていない垂直形状の配線断面が得られる。また
ドライエッチング終了後、この半導体基板を大気中に2
4時間以上暴露しておいても、配線パターンにアフター
コロージョンの発生が観察されない。
【0037】また、従来方法であるレジストマスクを用
い、エッチングガスとして炭素原子を含むガスを使用す
ると、チャンバー内部には炭素を含む反応生成物に代表
されるデポ物が多量に付着するが、第3の実施例の方法
によれば、半導体基板の処理枚数を増加していっても、
チャンバー内にほとんどデポ物が付着しない。従って、
半導体基板に付着するパーティクルを測定しても、処理
枚数が増加しても、非常に低いパーティクルレベルが維
持できる。しかも、チャンバー内にデポ物が付着しない
ので、常に同じエッチングレート、均一性のもとでエッ
チングができる。これは、従来のレジストマスクに代え
てシリコン酸化膜をマスクとして使用すること、従来の
カーボン系の側壁保護用のガスを使用しないことから、
デポ物の主原因である炭素原子を含む物質を用いずにエ
ッチングできることに起因する。
【0038】上記アルミ合金配線の形成方法において、
第1の実施例に加えて、アルミ合金膜のエッチングガス
として炭素原子を含まないガスを使用することにより、
処理室の内部にデポ物が付着することを防止でき、発生
パーティクルの少ないクリーンな環境下で、アルミ合金
配線が形成できる。
【0039】なお、実施例1〜3において、アルミ合金
膜のエッチングマスクとして使用したシリコン酸化膜の
代わりに、CVD法によるシリコン窒化膜を使用しても
同様な効果が得られる。また形成方法のCVD法の代わ
りにスパッタリング法を使用しても同様な効果が得られ
る。
【0040】また、実施例1〜3において、塩素系ガス
と酸素ガスを含む混合ガスを使用する代わりに、図5に
エッチング経過時間とガス流量の関係の一例を示すが、
塩素系ガスを含むガスによるドライエッチングと酸素ガ
スを含むガスによるドライエッチングを交互に複数回繰
り返すことによっても同様な効果が得られる。
【0041】また、実施例1〜3において、アルミ合金
膜の代わりに、アルミニウム単層膜を用いても、同様な
効果が得られる。
【0042】また、実施例1〜2において、四塩化炭素
と塩素の代わりに、塩素、四塩化炭素、三塩化ホウ素、
四塩化硅素、塩化水素、クロロホルムのうち少なくとも
1種類以上のガスを使用しても同様な効果が得られる。
実施例3において、三塩化ホウ素と塩素の代わりに、塩
素、三塩化ホウ素、四塩化硅素、塩化水素のうち少なく
とも1種類以上のガスを使用しても同様な効果が得られ
る。
【0043】
【発明の効果】以上のように本発明は、従来アルミ合金
のエッチングマスクとしてレジストを使用するとアルミ
合金に対する選択比が1.5〜3程度であるが、シリコ
ン酸化膜あるいはシリコン窒化膜をエッチングマスクと
して用いると選択比が10以上となり、高アスペクト比
および高段差を有するアルミ合金配線パターンを形成す
ることができる。
【0044】また、アルミ合金の表面を酸素プラズマ中
で酸化しながら塩素系のプラズマでエッチングするの
で、従来のカーボン系によるアルミ合金配線の側壁保護
と比較して、アルミ合金に対する選択比が10以上であ
るアルミナ(Al23)により側壁を保護するので、よ
り異方的なエッチングができる。また、エッチング終了
時には、アルミ合金配線の表面が十分に酸化され、化学
的に不活性で安定なAl 23を形成しているので、アル
ミ合金の表面に塩素ガスおよび塩素系生成物が付着もし
くは吸着し、大気中に放置しても、アフターコロージョ
ンは発生しない。そして、酸素ガスの流量をエッチング
の進行とともに変化させることにより、経済的にアルミ
合金配線パターンを形成することができる。
【0045】また、エッチングガスとして炭素を含まな
いガスを使用し、エッチングマスクとしてレジストを使
用しないので、チャンバー内へのデポも少なく、カーボ
ンレスで発生パーティクルの少ないクリーンなエッチン
グができる。従って、デバイスの歩留りの向上、および
装置のメンテナンス時間の低減によるスループットの向
上ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例におけるアルミ合金配線
の形成方法の半導体基板の断面図
【図2】本発明の第2の実施例におけるアルミ合金膜エ
ッチング時のアルミ合金膜の表面積の変化を示す図
【図3】本発明の第2の実施例におけるアルミ合金膜エ
ッチング時の連続的な酸素ガス流量の変化を示す図
【図4】本発明の第2の実施例におけるアルミ合金膜エ
ッチング時の段階的な酸素ガス流量の変化を示す図
【図5】本発明の実施例におけるアルミ合金膜エッチン
グ時のエッチング経過時間とガス流量の関係を示す図
【図6】アルミ合金配線の形成におけるアスペクト比・
段差を示す図
【図7】従来のアルミ合金配線の形成方法における半導
体基板の断面図
【図8】従来のアルミ合金配線の形成方法における配線
の断面形状の図
【符号の説明】
1 半導体基板 2 BPSG膜 3 アルミ合金膜 4 シリコン酸化膜 5 レジスト

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をエ
    ッチングマスクにして、塩素系のガスおよび酸素ガスを
    含むガスでアルミ合金膜をドライエッチングすることを
    特徴とするアルミ合金配線の形成方法。
  2. 【請求項2】シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜をエ
    ッチングマスクにして、塩素系のガスを含むガスでのド
    ライエッチングと酸素ガスを含むガスでのドライエッチ
    ングを交互に行ないアルミ合金膜をドライエッチングす
    ることを特徴とするアルミ合金配線の形成方法。
  3. 【請求項3】酸素ガスの量をエッチングの進行とともに
    連続的、または段階的に変化させることを特徴とする請
    求項1または2記載のアルミ合金配線の形成方法。
  4. 【請求項4】塩素系のガスが炭素原子を含まないガスで
    あることを特徴とする請求項1または2記載のアルミ合
    金配線の形成方法。
  5. 【請求項5】塩素系のガスがCl2、CCl4、BC
    3、SiCl4、HCl、CHCl3のうち、少なくと
    も1種類以上であることを特徴とする請求項1または2
    記載のアルミ合金配線の形成方法。
  6. 【請求項6】炭素原子を含まない塩素系のガスがC
    2、BCl3、SiCl4、HClのうち、少なくとも
    1種類以上であることを特徴とする請求項4記載のアル
    ミ合金配線の形成方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015135713A (ja) * 2014-01-17 2015-07-27 株式会社東芝 垂直磁気記録媒体、その製造方法、及び磁気記録再生装置
US10796817B2 (en) 2014-08-11 2020-10-06 Lg Chem, Ltd. Aluminum pattern and method for manufacturing same

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