JP2000223478A

JP2000223478A - 接続孔の開口方法

Info

Publication number: JP2000223478A
Application number: JP11027253A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kawamoto; 英明川本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】ボーイング形状を発生させることなく、微細
な接続孔を所望パターン通りに開口する方法を提供す
る。【解決手段】本方法は、プラズマエッチング法により
シリコン酸化膜をエッチングして、シリコン酸化膜を貫
通する接続孔を開口する際、Ｈｅガスの全エッチングガ
スに対する流量比が６０容量％以上９０容量％以下の範
囲で、フロロカーボンを主成分とするガスにＨｅガスを
混合したガスをエッチングガスとして使用する。アスペ
クト比の高い接続孔を開口する際には、Ｈｅガスの全エ
ッチングガスに対する流量比を７０容量％以上８５容量
％以下の範囲にする。フロロカーボンとして例えばＣＨ
₂Ｆ₂及びＣ₄Ｆ₈の少なくともいずれかを使用でき
る。フロロカーボンを主成分とするガスは、ＣＯガス及
びＯ₂ガスを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、接続孔の開口方法
に関し、更に詳細には、ボーイング形状を示さず、スト
レートな孔壁を有する接続孔を開口する方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造過程、特に配線の形成
過程では、下層の配線、又は基板の拡散領域と、層間絶
縁膜（シリコン酸化膜）を介してその上に形成された上
層の配線とを電気的に接続させることが必要になる。通
常、そのような場合には、シリコン酸化膜を貫通し、下
層の配線、又は基板の拡散領域を露出させるコンタクト
ホールを開口し、次いでコンタクトホールを導電体で埋
めてコンタクトを形成する。コンタクトと接続するよう
に上層の配線を形成することにより、コンタクトを介し
て下層の配線、又は基板の拡散領域と、上層の配線とを
接続する。

【０００３】ここで、図４を参照して、コンタクトの形
成に際し、コンタクトホールを開口する従来の方法を説
明する。図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の方
法に従ってコンタクトホールを開口する際の工程毎の基
板断面図である。従来の開口方法では、先ず、図４
（ａ）に示すように、シリコン基板１２上にシリコン酸
化膜１４を成膜する。次いで、シリコン酸化膜１４上に
フォトレジスト膜を塗布し、パターニングして、図４
（ｂ）に示すように、コンタクトホールのパターン１５
を備えたエッチング用のマスク１６を形成する。次い
で、シリコン酸化膜に対して反応性を有するフロロカー
ボン系のガス、例えばＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣＨ₂Ｆ₂、
Ｃ₄Ｆ₈等を主成分の一つとするエッチングガスを用い
て、プラズマエッチング法によりシリコン酸化膜１４を
エッチングして、図４（ｃ）に示すように、コンタクト
ホール１８を開口している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体装置
の高集積化及び微細化に伴い、ホール径が０．２５μm
以下の微細なコンタクト、従って必然的にアスペクト比
の高いコンタクトを形成することが要求されている。微
細なコンタクトを形成するには、微細でしかもストレー
トな孔壁を有し、しかもアスペクト比の高いコンタクト
ホールを開口することが必要である。

【０００５】しかし、上述した従来のコンタクトホール
の開口方法には、次の二つの問題があった。第１には、
酸化膜をプラズマエッチングしてコンタクトホールを開
口した際、図５に破線で示すように、ホール形状がボー
イングするという問題があった。コンタクトホールがボ
ーイング形状になると、コンタクトホールの開口に続
く、コンタクトホールの埋め込み工程で、埋め込み金属
のカバレージが悪くなる。その結果、コンタクトホール
の良好な埋め込み（プラグ形成）が難しく、ボイドやシ
ース等の欠陥が発生したり、更には、コンタクトのボイ
ドによる断線現象が生じたりするということもあった。
即ち、電気的接続の信頼性の高いコンタクトを形成する
ことが難しい。

【０００６】第２には、アスペクト比の大きなコンタク
トホールを開口しようとすると、図６（ａ）に示すよう
に、先ず、エッチングマスクの開口部がエッチングされ
て、形状か変化し、そのために、図６（ｂ）に示すよう
に、コンタクトホール上部の開口部付近の形状が、エッ
チングマスクであるレジストの形状変化によって、所定
形状から変化し、開口寸法も大きくなるという問題があ
った。一方、半導体装置の微細化に伴い、アスペクト比
の大きなコンタクトホールを開口することが必要である
と共に、コンタクトホールの開口部付近の寸法が大きく
なると、コンタクトホールのピッチを大きくする必要が
生じ、高集積化の障害となる。

【０００７】そこで、本発明の目的は、ボーイング形状
を発生させることなく、微細な接続孔を所望パターン通
りに開口する方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ボーイング形状の発生防
止策本発明者は、第１の問題であるボーイング形状の発生原
因を調べた結果、次のことが判った。ボーイング形状
は、主として、ホール径が０．２５μｍ以下でアスペク
ト比が５以上のコンタクトホールを開口しようとする場
合に発生することが多い。それは、以下の理由に因る。
シリコン酸化膜のプラズマエッチングを行うと、反応生
成物の堆積膜が、コンタクトホールの開口部の極く近傍
に形成される。そして、基板上のプラズマ中でイオン化
されたＡｒイオンが、ホール開口部の極く近傍に形成さ
れた堆積膜をスパッタし、スパッタされた堆積膜の成分
は、図５で実線で示すように、下方のホール側壁に再堆
積する。再堆積した堆積膜は、厚い膜となって横方向の
酸化膜のエッチングの進行を妨害し、一方、再堆積した
堆積膜より下方の領域では、堆積膜が薄いので、横方向
の酸化膜のエッチングが進行する。その結果、図５に破
線で示すように、ボーイング形状を有するコンタクトホ
ールが開口する。

【０００９】そこで、本発明者は、堆積膜の厚さがコン
タクトホール壁の全高さにわたり一定となれば、ボーイ
ング形状とはならないことに気付き、堆積膜のカバレッ
ジ改善を促すガスをエッチングガスとして使用すること
を考えた。そして、表面波プラズマエッチング装置を使
い、エッチングガスの組成を種々変えてエッチング実験
を行った結果、Ｈｅガスを所定範囲の比率で含むＣ₄Ｆ
₈、ＣＯ、Ｈｅ及びＯ₂の混合ガスを使用して酸化膜を
エッチングすることにより、ボーイング形状のないコン
タクトホールを開口できることを見い出した。

【００１０】ここで、図７を参照して、実験に使用した
表面波プラズマエッチング装置の構成を説明する。表面
波プラズマエッチング装置３０は、図７に示すように、
プラズマ３１を発生させるプラズマチャンバ３２と、プ
ラズマチャンバ３２にマイクロ波を導波するマイクロ波
導波系とから構成されている。プラズマチャンバ３２
は、上面にウエハを載置させるウエハステージ３４を内
部に、また、真空吸引装置（図示せず）に接続された排
気口３６を下部に、チャンバ域とマイクロ波導波系とを
分離する石英製の隔壁３７を上部に備えている。陰極を
構成するウエハステージ３４と、プラズマチャンバ３２
内でウエハステージ３４の上方に設けられた環状の陽極
３５との間に４００ｋＨｚのＲＦ電圧を印加するため
に、ウエハステージ３４にはＲＦ電源３８が接続されて
いる。プラズマチャンバ３２には、ガス導入口４０を介
してエッチングガスが導入される。

【００１１】マイクロ波導波系は、周波数２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波発生源（図示せず）からマイクロ波を導
波する導波路４２、導波路４２に接続されたテフロン
（登録商標）製誘電体導波路４４と、矩形のマイクロ波
分散板４６とから構成されている。

【００１２】上述の表面波プラズマエッチング装置３０
を使い、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＯ、Ｈｅ及びＯ₂の混合ガスをエ
ッチングガスとし、次の条件でＢＰＳＧ膜、及びフォト
レジスト膜をエッチング対象としてエッチング実験を行
った。圧力：２０ｍTorr マイクロウエーブ出力：１１００ＷＲＦバイアス出力：８００ＷＣ₄Ｆ₈ガス、ＣＯガス及びＯ₂ガスの流量をそれぞれ
１５sccm、３０sccm、及び５sccmの定流量とし、Ｈｅガ
スの流量を０sccmから５００sccmまで変化させて、それ
ぞれ、コンタクトホールを開口し、コンタクトホールの
形状をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察した。図８
（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、それぞれ、Ｈｅ
ガスの流量が０sccm、８０sccm及び４００sccmのときの
コンタクトホールのＳＥＭの写真の写しである。

【００１３】図８を観察すると、Ｈｅガスの流量が０sc
cmのときには、コンタクトホールが開口せず、Ｈｅガス
の流量が８０sccm及び４００sccmのとき、ボーイング形
状のない良好な形状のコンタクトホールを開口すること
ができる。尚、Ｈｅガスの流量が５００sccmのときに
は、コンタクトホールにボーイング形状が発生する。従
って、Ｈｅガスの流量が８０sccmから４００sccmの範
囲、流量比で言えば６０容量％以上９０容量％以下の範
囲の混合ガスを使うことにより、ボーイング形状のない
ストレートな形状のコンタクトホールを開口することが
できる。

【００１４】また、上述の実験では、エッチングレート
を測定し、図９に示す結果を得た。図９では、横軸には
Ｈｅガスの流量（sccm）を、縦軸にはエッチングレート
（Å／分）を取っている。図９によれば、Ｈｅガスの流
量が８０sccmから４００sccmの範囲で、即ちＨｅガスの
流量がエッチングガスの全流量の６１％から８９％の範
囲で、ＢＰＳＧ膜に対するエッチングレートが高いこと
が判る。

【００１５】所定形状、寸法のコンタクトホールの開口本発明者は、さらにアスペクト比の高いコンタクトホー
ルを開口する場合、形状変化が生じる第２の問題を調
べ、次のことが判った。ホール径が一定であれば、コン
タクトホールのアスペクト比が大きいということは、コ
ンタクトホールを開口するシリコン酸化膜（層間絶縁
膜）の膜厚が厚いことである。具体的には、コンタクト
ホール径が０．２５μｍ、アスペクト比が８以上、従っ
て層間絶縁膜の膜厚が２μｍ以上のときに、第２の問題
が発生することが多い。従って、アスペクト比の高いコ
ンタクトホールを開口する際には、膜厚の厚い層間絶縁
膜をエッチングすることになるので、エッチング時間が
長くなり、フォトレジスト膜からなるエッチングマスク
もそれだけ多くエッチングされる。マスクのエッチング
量が増大すると、マスクのパターン形状が損なわれ、ま
たパターンの寸法が変化する。従って、所望の加工寸法
のコンタクトホールを開口することができなくなる。

【００１６】そこで、アスペクト比の高いコンタクトホ
ールを開口するには、マスクをエッチングすることな
く、酸化膜のみをエッチングすることが必要であって、
換言すれば、フォトレジスト膜対シリコン酸化膜の選択
比の大きなエッチングガスを使用することが必要にな
る。尤も、エッチングマスクの膜厚を厚くすることも一
つの解決法であるが、フォトリソグラフィ法を用いてパ
ターニングしてエッチングマスクを形成する限り、露光
の際の解像度に制約があって、現状の厚さ、具体的には
２μｍ以上にフォトレジスト膜の膜厚を厚くすることは
難しい。

【００１７】そこで、上述の実験で得た図９を整理して
得た図１０に示すように、Ｈｅガスの流量が１２０sccm
から３００sccmの範囲、即ちＨｅガスの流量がエッチン
グガスの全流量の７１％から８６％の範囲で、エッチン
グのＢＰＳＧ膜対フォトレジスト膜の選択比は高くな
る。この範囲の流量比のＨｅガスを含むエッチングガス
を使ってシリコン酸化膜をエッチングすれば、高い選択
比によって、フォトレジスト膜がエッチングされ、パタ
ーンが損傷される前に酸化膜をエッチングしてコンタク
トホールを開口することができる。従って、従来のよう
にコンタクトホールの開口部の開口径が大きくなるよう
なことは生じない。

【００１８】上述の知見に基づいて、上記目的を達成す
るために、本発明に係る接続孔の開口方法は、プラズマ
エッチング法によりシリコン酸化膜をエッチングして、
シリコン酸化膜を貫通する接続孔を開口する際、全エッ
チングガスに対するＨｅガスの流量比が６０容量％以上
９０容量％以下の範囲で、フロロカーボンを主成分の一
つとするガスにＨｅガスを混合したガスをエッチングガ
スとして使用することを特徴としている。

【００１９】本発明方法で、シリコン酸化膜とは、Ｓｉ
Ｏ₂ＣＶＤ膜、ＢＰＳＧ膜、ＰＳＧ膜、ＢＳＧ膜等を意
味する。接続孔は、シリコン酸化膜を貫通して下層の拡
散領域又は配線と上層の配線とを接続するコンタクト形
成用の孔を意味し、コンタクトホール、ビアホール、ス
ルーホール等の名称、構造のいかんを問わない。

【００２０】本発明方法の好適な実施態様では、Ｈｅガ
スの全エッチングガスに対する流量比を７０容量％以上
８５容量％以下の範囲にする。Ｈｅガスの流量比がこの
範囲にあるときは、シリコン酸化膜とフォトレジスト膜
との選択比が高くなり、フォトレジスト膜のパターンの
エッチングによる損傷が防止されるので、正確な孔径で
ボーイング形状のない接続孔を開口することができる。
よって、本実施態様は、アスペクト比が大きな、特に接
続孔のアスペクト比が８以上であっても、開口部で拡径
していない正確な孔径の接続孔を開口することができ
る。

【００２１】本発明方法で使用するフロロカーボンは、
ＦとＣとの化合物である限りその分子構造に制約なく使
用できるが、エッチングレートを高める見地から、好適
には、ＣＨ₂Ｆ₂及びＣ₄Ｆ₈の少なくともいずれかで
ある。フロロカーボンの流量比は、好適には、１容量％
以上２０容量％以下である。本発明方法で使用するフロ
ロカーボンを主成分の一つとするガスは、ＣＯガス及び
Ｏ₂ガスを含む。ＣＯガスを混合することにより、フォ
トレジスト膜とシリコン酸化膜との選択比を高めること
ができる。好適には、ＣＯガスの流量比を６容量％以上
４０容量％以下にする。また、Ｏ₂ガスを混合すること
により、接続孔内に生成する堆積膜の量を減少させるこ
とができる。好適には、Ｏ₂ガスの流量比を１容量％以
上５容量％以下にする。

【００２２】本発明方法は、孔径の大小に制約なく接続
孔の開口に適用できるものの、微小径の接続孔、例えば
孔径が０．２５μm 以下の接続孔の開口に最適である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面を参照し、実施
形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に
説明する。実施形態例１本実施形態例は、本発明に係る接続孔の開口方法の実施
形態の一例であって、図１（ａ）から（ｃ）は本実施形
態例の方法に従ってコンタクトホールを開口する際の工
程毎の基板断面図である。本実施形態例では、先ず、図
１（ａ）に示すように、シリコン基板５２上に膜厚１．
５μm のシリコン酸化膜５４、例えばＢＰＳＧ膜をＣＶ
Ｄ法により形成する。次いで、図１（ｂ）に示すよう
に、ＫｒＦ線露光用のフォトレジスト膜を膜厚７０００
Åで成膜する。フォトレジスト膜にＫｒＦ線を露光し、
現像処理してパターニングし、ホール径０．２０μm の
パターン５５を有するマスク５６を形成する。

【００２４】次いで、表面波プラズマエッチング装置３
０を使用して、Ｃ₄Ｆ₈、ＣＯ、Ｈｅ及びＯ₂の混合ガ
スをエッチングガスとし、マスク５６を使って次の条件
でシリコン酸化膜５４をエッチングして、コンタクトホ
ール５８を開口した。圧力：２０ｍTorr マイクロウエーブ出力：１１００ＷＲＦバイアス出力：８００Ｗガス流量：Ｃ₄Ｆ₈／１５sccm、ＣＯ／３０sccm Ｈｅ／９０sccm、Ｏ₂／５sccm

【００２５】本実施形態例では、図１（ｃ）に示すように、マスク５
６のパターン５５が開口上縁５６ａで僅かに削られ損傷
するものの、ボーイング形状を示さない、ほぼストレー
トな孔側壁を有する孔径０．２０μm のコンタクトホー
ル５８を開口することができた。

【００２６】比較例実施形態例１の比較例として、Ｈｅガスに代えてＡｒガ
スを使ったことを除いて、実施形態例１と同じガス流
量、エッチング条件でシリコン酸化膜５４をエッチング
してコンタクトホール５８を開口した。得たコンタクト
ホール５８は、図２に示すように、ボーイング形状を示
し、最も広がった部分では、孔径Ｄ_Oは０．２５μm で
あって、実施形態例１で得たストレートなコンタクトホ
ール１８と著しい対照を示した。

【００２７】実施形態例２本実施形態例は、本発明に係る接続孔の開口方法の実施
形態の別の例である。図３は、本実施形態例の方法に従
って開口したコンタクトホールの断面図である。本実施
形態例では、シリコン基板５２上に成膜したシリコン酸
化膜５４の膜厚が実施形態例１の膜厚１．５μm より厚
く２．０μm であることを除いて実施形態例１と同様に
して、フォトレジスト膜を成膜し、パターニングして、
ホール径０．２０μm のパターンを有するマスク５６を
形成する。

【００２８】次いで、Ｈｅガスの流量比を７５容量％に
したことを除いて実施形態例１と同様にして、シリコン
酸化膜をエッチングして、コンタクトホール５８を開口
した。開口したコンタクトホール５８は、図３に示すよ
うに、マスク５６の開口部の上縁５６ａが僅かに削られ
損傷しているものの、ボーイング形状を示さず、コンタ
クトホール５８の開口部を含めてほぼストレートな孔側
壁を有する孔径０．２０μm のコンタクトホール５８を
開口することができた。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマエッチング法
によりシリコン酸化膜をエッチングして、シリコン酸化
膜を貫通する接続孔を開口する際、フロロカーボンを主
成分とするガスに、流量比が６０容量％以上９０容量％
以下の範囲でＨｅガスを混合したガスをエッチングガス
として使用することにより、特にホール径０．２５μｍ
以下のコンタクトホールをボーイング形状を示さない良
好な形状に開口することができる。更には、Ｈｅガスの
全エッチングガスに対する流量比を７０容量％以上８５
容量％以下の範囲にすることにより、特にアスペクト比
８以上の高アスペクト比のコンタクトホールを所定形
状、所定寸法で開口することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態
例１の方法に従ってコンタクトホールを開口する際の工
程毎の基板断面図である。

【図２】比較例で得たコンタクトホールの断面図であ
る。

【図３】実施形態例２の方法に従って開口したコンタク
トホールの断面図である。

【図４】図４（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、従来の方
法に従ってコンタクトホールを開口する際の工程毎の基
板断面図である。

【図５】ボーイング形状を示したコンタクトホールの断
面図である。

【図６】図６（ａ）はマスクがエッチングされる様子を
示す断面図、図６（ｂ）は開口部上縁で拡径しているコ
ンタクトホールの断面図である。

【図７】表面波プラズマエッチング装置の構成を示す模
式図である。

【図８】図８（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実験で開
口したコンタクトホールのＳＥＭで撮影した断面写真の
模写である。

【図９】Ｈｅガスの流量とエッチングレートとの関係を
示すグラフである。

【図１０】Ｈｅガスの流量とＢＰＳＧ／ＰＲ選択比との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１２シリコン基板１４シリコン酸化膜１６マスク１８コンタクトホール３０表面波プラズマエッチング装置３１プラズマ３２プラズマチャンバ３４ウエハステージ３６排気口３７石英製の隔壁３８ＲＦ電源４０ガス導入口４２導波路４４テフロン製誘電体導波路４６マイクロ波分散板５２シリコン基板５４シリコン酸化膜５６マスク５８コンタクトホール

フロントページの続きＦターム(参考） 4M104 DD08 DD16 DD19 DD66 DD67 DD71 EE14 EE15 HH14 5F004 BA20 BB13 BB14 CA06 DA00 DA15 DA22 DA26 DB03 EB01 5F033 QQ09 QQ12 QQ15 QQ19 QQ28 QQ35 QQ37 RR04 RR13 RR14 RR15 SS11 SS21 WW01 WW06 XX04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマエッチング法によりシリコン酸
化膜をエッチングして、シリコン酸化膜を貫通する接続
孔を開口する際、全エッチングガスに対するＨｅガスの流量比が６０容量
％以上９０容量％以下の範囲で、フロロカーボンを主成
分の一つとするガスにＨｅガスを混合したガスをエッチ
ングガスとして使用することを特徴とする接続孔の開口
方法。
【請求項２】Ｈｅガスの全エッチングガスに対する流
量比を７０容量％以上８５容量％以下の範囲にすること
を特徴とする請求項１に記載の接続孔の開口方法。
【請求項３】フロロカーボンとしてＣＨ₂Ｆ₂及びＣ
₄Ｆ₈の少なくともいずれかを使用することを特徴とす
る請求項１又は２に記載の接続孔の開口方法。
【請求項４】フロロカーボンを主成分の一つとするガ
スは、ＣＯガス及びＯ₂ガスを含むことを特徴とする請
求項１から３のうちのいずれか１項に記載の接続孔の開
口方法。
【請求項５】孔径が０．２５μm 以下の接続孔を開口
することを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか
１項に記載の接続孔の開口方法。
【請求項６】下地層上に成膜されたシリコン酸化膜を
エッチングして接続孔を開口し、下地層を露出させるこ
とを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか１項に
記載の接続孔の開口方法。
【請求項７】接続孔のアスペクト比が５以上であるこ
とを特徴とする請求項２から６のうちのいずれか１項に
記載の接続孔の開口方法。