JP2988455B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
グ法により酸化シリコン膜にホールを形成する方法に関
する。
ルールの低下が進む一方で、SiO2を主成分とする層
間絶縁膜を平坦化する方法として化学機械研磨(CM
P)プロセスが採用されている。このようなデバイスの
層間絶縁膜に設けられるコンタクトホールには、細い径
でありながら深さが深いこと、即ちアスペクト比(孔の
深さ/孔の径)が高いことが求められる。
加工する方法として、プラズマエッチングを用いる方法
が知られている。このプラズマエッチングにおいては、
例えば処理室内にエッチングガスとしてCnFm系ガス
(CnFmで表されるガス、但し、n=1〜6、m=4〜
14)を導入し、電極に高電圧を印加して放電させプラ
ズマを生成すると共に、プラズマ中の電子との衝突によ
ってこのCnFm系ガス分子を解離させる。このとき原則
として中性解離とイオン性解離とが生じ、中性解離種で
ある付着性のラジカル・分子がフルオロ膜としてSiO
2酸化膜上に付着するとともに、イオン性解離によって
生じたイオンがこのフルオロ膜に衝突することにより付
着した中性解離種とSiO2とが気化し、SiO2酸化膜
を所定の形状に刻むことができる。このとき高アスペク
ト比のホールを形成するには、 SiO2とエッチングレ
ジスト膜とのエッチング選択比が大きいことが求められ
る。
として、例えば、導入ガスへCOを添加することが知ら
れている(TECHNICAL PROCEEDINGS SEMICON/JAPAN 199
3, pp.405−411)。この公知技術は、エッチングガスに
COを添加することにより、堆積膜の高C/F比化を生
じさせて、堆積膜のスパッタリング抵抗を大きくしてS
iO2酸化膜を選択的にエッチングできるとしている。
エッチングガスとしてCnFm系ガスとNeとの混合ガ
ス、 CnFm系ガスとNeとCOの混合ガス、またはCn
Fm系ガスとHeとCOの混合ガスを用い、レジスト膜
としてSi3N4を用いてSiO 2をエッチングする方法
が記載されている。このようなエッチングガスを用いる
ことにより、高C/F比堆積膜が得られエッチング選択
性が向上するとしている。
径のホールを形成するには、パターニング精度の点でデ
ィープUVレジストを特に薄くして用いることが必要で
ある。このような薄いフォトレジストのパターンを用い
た場合、フォトレジストのエッチング耐性が十分でない
ので、従来のような堆積膜中のC/F比を単に大きくす
るばかりでは高アスペクト比のホール形成は困難であ
る。現在までのところ、開口径が0.25μm以下のフ
ォトレジストを用いて高アスペクト比のホールを形成し
た報告は知られていない。従って、次世代のデバイスに
用いられる技術として、さらに微細な加工技術が求めら
れていた。
てなされたものであり、径が0.3以下、特に0.25
μm以下であってアスペクト比が高いホールを酸化シリ
コン膜に容易に形成するプラズマエッチング方法を提供
することを目的とする。
膜上に所定の開口を有するレジスト膜を形成し、フルオ
ロカーボン系ガスを含むエッチングガスを用いて、この
開口からプラズマエッチング法により酸化シリコン膜に
ホールを形成するプラズマエッチング方法において、エ
ッチング中に前記レジスト膜上に堆積するフルオロカー
ボン膜(以下、単に堆積膜とも言う。)の炭素/フッ素
(C/F)比が1.1〜1.8であることを特徴とする
プラズマエッチング方法である。
ーボン系ガスが解離したときに、エッチング作用を有す
る解離種が生成すると共に、プラズマ重合で生じるフル
オロカーボン膜がエッチング試料表面に堆積する。本発
明者の考察によれば、C/F比が1.1〜1.8の範囲
にある堆積膜は、特にレジスト表面に堆積しやすく、ホ
ール底へは到達しにくい。ホール径が小さくなるほど、
このような範囲のC/F比の堆積膜がホール入り口やホ
ール側壁に堆積するために、ホール底部の堆積膜のC/
F比が低くなる。従って、ホール底でのスパッタ耐性は
小さくなりさらにレジストと酸化シリコン膜のエッチン
グの選択比を大きくとることが可能になる。
1.75となるようにするとさらにエッチングの選択比
が大きく、酸化シリコン膜のエッチング速度も十分であ
るため、抜け性の良い、即ちホール底にエッチング残の
ないエッチングができるので好ましい。さらに、1.2
〜1.7であることが最も好ましい。
ボン系ガスは、フッ素で置換された飽和または不飽和の
脂肪族炭化水素であって、装置内にガスとして供給でき
るものであればればよい。脂肪族炭化水素中の水素のす
べてがフッ素で置換されていても、または置換されてい
ない水素が残っていてもよい。例えば、CF4、CH
F3、CH 2F2、C2HF5、C2F6、C4F8等を挙げる
ことができる。この中でも、 CHF3、CH2F2、およ
びC2HF5を用いると、選択比を大きくとることが可能
で、かつ酸化シリコン膜のエッチング速度を大きくでき
るので好ましい。これらのフルオロカーボン系ガスは必
要に応じて混合して用いてもよい。
e、Ar、KrおよびXe等の不活性ガスを混合して用
いる。この中でもHe、NeおよびArが好ましく、特
にArが好ましい。
定の範囲になるようにするには、上記フルオロカーボン
系ガスに加えて、COを添加することが好ましい。フル
オロカーボン系ガスとCOの供給量を調整することによ
り堆積膜中のC/F比を所定の値に容易に設定すること
ができる。また、フルオロカーボン系ガスの種類によっ
ては、CH2F2のように、 COを用いなくとも、堆積
膜中のC/F比を1.1〜1.8の間に調整することが
できる場合もある。
装置や条件によって、得られる堆積膜中のC/F比は異
なる。従って、C/F比1.1〜1.8の堆積膜を得る
ためのフルオロカーボン系ガスとCOの供給量比等のエ
ッチングガス組成は、用いるプラズマ装置や条件に合わ
せて適宜調整する。
表面波プラズマ(SWP)、ECRマイクロ波、IC
P、ヘリコン、マグネトロン、RF、2周波RIEの各
プラズマ装置を用いることができる。
は、低すぎると堆積膜の厚さが薄く、PRを充分に保護
することができないため選択比が十分でなく、また高す
ぎると堆積膜の厚くなりホールの中まで堆積しやすくな
るので、抜け性が悪くなり選択比が十分でない。最適な
圧力は、使用する装置によって異なるので、それぞれの
装置に応じて適宜選択することが好ましい。
を用いて20〜60mTorrの圧力でエッチングを行
うと、選択比が十分にとれるために高アスペクト比のホ
ール形成を容易に行うことができることがわかった。さ
らに好ましくは、30〜50mTorrである。
のような無機化合物膜を用いることもできるが、フォト
レジスト膜を用いることが好ましい。Si3N4のような
無機化合物膜を用いると無機化合物膜の加工にさらに余
分な工程が必要になるばかりか、パターン精度が十分で
ない。フォトレジスト膜を用いると露光・現像により直
接パターンを形成できるので工程を簡略化することがで
きると共に、精度良くホール口の形状にパターニングす
ることができるので好ましい。
光が可能な化学増幅型レジスト等を用いると、エキシマ
ーレーザ(例えばKrFレーザ)、電子線等で露光する
ことができるの極めて精度良くパターニングができる。
方が精度良くパターニングできる。通常フォトレジスト
膜を薄くすると、プラズマエッチング耐性が低くなる
が、本発明では十分に選択比をとることが可能であるの
で、1μm以下の厚さであってもよく、0.8μm以
下、さらに0.5μm以下であってもよい。薄すぎると
高アスペクト比のホール形成は難しくなるので、アスペ
クト比6以上のホールを形成するには、通常0.2μm
以上の厚さがあることが好ましい。
シリコン膜に設けられるホール径を規定する。本発明
は、微細加工に適しているので、レジストに設けられる
開口径が0.3μm以下であるような加工に適用するこ
とにより本発明の効果が顕著に現れる。さらに、0.2
5μm以下、特に0.15μm以下の径のホール加工に
用いることが好ましい。尚、開口の形状は通常円形や楕
円形であるが、必ずしもこれに限定されるものではな
い。
に7.5以上のホール形成に用いることが好ましい。
膜であればどのようなものにも適用可能であり、熱酸化
膜、ボロンシリケートガラス、フォスフォシリケートガ
ラス、ボロン・フォスフォシリケートガラス等の開孔に
用いることができる。
ば層間絶縁膜等の酸化シリコン膜を有する半導体装置を
製造する際に、酸化シリコン膜にコンタクトホール等の
径が細くアスペクト比が高いホールを形成する工程とし
て用いることが有用である。
に説明する。
示すような誘電体線路を用いたSWP装置を使用した。
この装置は、マイクロ波導波路として、Al板1に装着
したフッ素樹脂板2により構成される誘電体線路を用い
る。誘電体、即ちフッ素樹脂側面の導波管3から導入さ
れたマイクロ波は誘電体に集中し、誘電体線路に沿って
伝搬する。このとき誘電体上には表面波が形成される。
空チャンバ4を置き、表面波によって形成される電界に
よってチャンバ内にプラズマを発生させる。誘電体線路
と向かい合うチャンバ内には、陰極6が備えられ、真空
チャックによりエッチング基板5を保持することができ
る。また、真空チャンバの外に陰極6に高周波バイアス
を印加するためのRF源7が設置されている。真空チャ
ンバの上方には、均一な電界を形成するために、誘電体
(セラミック板)9を隔てて陽極となるアース電極8が
設けられている。この電極は、開口が設けられていて、
チャンバ内へのマイクロ波電界の導入が可能となってい
る。また、側面にヒーター10が設けられていてチャン
バ壁を加熱することができるようになっている。
コン基板上にボロン・フォスフォシリケートガラス(B
PSG)をCVD法により2.1μm厚に堆積した。さ
らにその上に、ディープUVフォトレジストを0.8μ
m厚で塗布した後、KrFエキシマーレーザを用いて露
光し、現像して0.25μmの径の開口を設けた。
ングガスとしてCHF3、COおよびArの混合ガスを
供給した。このときCHF3とCOの合計の流量は80
sccmで、CHF3とCOの流量比を調整し、堆積膜
中のC/F比が、1.1(CO流量=0sccm、CH
F3流量=80sccm)、1.3(CO流量=16s
ccm、CHF3流量=64sccm)、1.6(CO
流量=28sccm、CHF3流量=52sccm)、
1.8(CO流量=64sccm、CHF3流量=16
sccm)となるようにした。
00kHz)600W、マイクロ波パワー(f=2.4
5GHz)1500Wとし、チャンバ壁面を180℃に
加熱し、基板温度を65℃に設定し、チャンバ内の圧力
を30mTorrに設定した。このときのプラズマ密度
は、1012cm-3であった。
を用いてRFバイアスをかけずに同一条件で操作し、堆
積したフルオロカーボン膜をX線光電子分光法(XP
S)で調べた。
のC/F比が1.1〜1.8の範囲、特に1.1〜1.
78の範囲でシリコン酸化膜とフォトレジストのエッチ
ングの選択比が7.5以上となり、選択性よくシリコン
酸化膜をプラズマエッチングできることがわかる。
鏡(SEM)で観察したところ、堆積膜中のC/F比が
1.1〜1.8のときのホールのテーパーは80度以上
で、底面のエッチング残りも観察されず良好なエッチン
グ形状であった。
C/F比がほぼ1.5となるように設定しながら、SW
P装置内の圧力を10〜60mTorrの間で変更し、
その他は実施例1と同様にして酸化シリコン膜(ボロン
・フォスフォシリケートガラス)のエッチングを行っ
た。
WP装置を用いたときは20〜60mTorrの圧力で
プラズマエッチングを行うと酸化シリコン(ボロン・フ
ォスフォシリケートガラス)とフォトレジストのエッチ
ング選択性がよいことがわかる。
コン基板上に、ディープUVフォトレジストの厚さを
0.5μmに形成した後、電子線を用いて0.16μ
m、0.14μmおよび0.12μm径の開口をレジス
トに設けた。実施例1と同様のSWP装置を用いて、堆
積膜中のC/F比が1.5となるように、エッチングガ
ス中のCO流量を32sccm、CHF3流量を48s
ccmとし、圧力を30mTorrとし、それ以外は実
施例1と同様の条件でプラズマエッチングを行った。
レジストのエッチング選択比は12であった。また、得
られたホールをSEM観察したところ、図4に模式的に
示すように、シリコン基板15上に形成されたBPSG
膜16、フォトレジスト17の積層構造のフォトレジス
トの開口から、BPSG膜16中にホール18が、孔径
0.12μmでも、深さ2.1μm(アスペクト比1
7.5)のホールが形状良く形成されていることが確認
できた。
C/F比が所定の範囲になり、エッチング速度が生産性
が悪くなるほど遅くならない範囲になるような条件であ
れば、RFパワー、マイクロ波パワー、エッチングガス
流量は、適宜設定することができる。また、基板温度と
して65℃を用いたが、40〜80℃の範囲であればよ
い。
P装置を用いた場合に最も良い結果が得られるが、EC
Rマイクロ波、ICP、ヘリコン、マグネトロン、RF
または2周波RIEの各プラズマ装置を用いても、ほぼ
同様の効果が得られる。
/F比が1.1〜1.8となるように混合ガスの流量お
よび流量比を設定した後、次にこの条件でシリコン酸化
膜とフォトレジストとの選択比が大きくなる圧力条件を
選択することで、エッチングの最適条件を見いだすこと
ができる。このとき、シリコン酸化膜とフォトレジスト
との選択比が、例えば8以上となるような範囲の圧力条
件を選んだり、あるいはエッチング速度等のその他の問
題がなければ、最大の選択比を与える圧力条件を選ぶこ
とができる。
0.25μm以下であってアスペクト比が高いホールを
酸化シリコン膜に容易に形成するプラズマエッチング方
法を提供することができる。本発明を用いることによ
り、径が0.12μmでアスペクト比が17.5のホー
ルを初めて形成することができた。
プラズマ装置を示す図である。
のエッチング速度/フォトレジストのエッチング速度)
の関係を示す図である。
選択比の関係を示す図である。
m径のホールが、2.1μm厚のボロン・フォスフォシ
リケートガラス膜に形成された状態を示す走査型電子顕
微鏡写真の模式図である。
G)膜 17 フォトレジスト膜 18 ホール
Claims (10)
- 【請求項1】 酸化シリコン膜上に所定の開口を有する
レジスト膜を形成し、フルオロカーボン系ガスを含むエ
ッチングガスを用いて、この開口からプラズマエッチン
グ法により酸化シリコン膜にホールを形成するプラズマ
エッチング方法において、 エッチング中に前記レジスト膜上に堆積するフルオロカ
ーボン膜の炭素/フッ素比が1.1〜1.8であること
を特徴とするプラズマエッチング方法。 - 【請求項2】 前記レジスト膜がフォトレジスト膜であ
る請求項1記載のプラズマエッチング方法。 - 【請求項3】 前記プラズマエッチング法が、誘電体線
路を用いた表面波プラズマ装置を使用するものである請
求項1または2記載のプラズマエッチング方法。 - 【請求項4】 プラズマエッチングにおける圧力が、2
0〜60mTorrの範囲にある請求項3記載のプラズ
マエッチング方法。 - 【請求項5】 前記プラズマエッチング法が、ECRマ
イクロ波、ICP、ヘリコン、マグネトロン、RFおよ
び2周波RIEからなる群より選ばれるプラズマ装置を
使用するものである請求項1または2記載のプラズマエ
ッチング方法。 - 【請求項6】 前記フォトレジスト膜の膜厚が、1.0
μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれ
かに記載のプラズマエッチング方法。 - 【請求項7】 前記フォトレジスト膜に設けられる開口
の径が0.3μm以下であり、形成されるホールのアス
ペクト比が6以上であることを特徴とする請求項1〜6
のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。 - 【請求項8】 酸化シリコン膜上に所定の開口を有する
レジスト膜を形成し、フルオロカーボン系ガスを含むエ
ッチングガスを用いて、この開口からプラズマエッチン
グ法により酸化シリコン膜にホールを形成するプラズマ
エッチング方法において、 一定の圧力条件下で、エッチング中に前記レジスト膜上
に堆積するフルオロカーボン膜の炭素/フッ素比が1.
1〜1.8となるエッチングガス組成およびエッチング
ガス流量を選択する工程と、 選択されたエッチングガス組成およびエッチングガス流
量条件下で、酸化シリコン膜とレジスト膜のエッチング
選択比が所定の好ましい値となる圧力条件を選択する工
程とを有するプラズマエッチング方法。 - 【請求項9】 酸化シリコン膜上に所定の開口を有する
レジスト膜を形成し、フルオロカーボン系ガスを含むエ
ッチングガスを用いて、この開口からプラズマエッチン
グ法により酸化シリコン膜にホールを形成するプラズマ
エッチング方法において、 一定の圧力条件下で、エッチング中に前記レジスト膜上
に堆積するフルオロカーボン膜の炭素/フッ素比が1.
1〜1.8となるエッチングガス組成およびエッチング
ガス流量を選択し、選択されたエッチングガス組成およ
びエッチングガス流量条件下で、酸化シリコン膜とレジ
スト膜のエッチング選択比が所定の好ましい値となる圧
力条件を選択した後、 選択されたエッチングガス組成、エッチングガス流量お
よび圧力条件を用いて、その後に行われるすべてのエッ
チング処理を行うことを特徴とするプラズマエッチング
方法。 - 【請求項10】 請求項1〜9に記載のいずれかのプラ
ズマエッチング方法を用いて、酸化シリコン膜にコンタ
クトホールを形成する工程を含む半導体装置の製造方
法。
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