JP3465444B2 - Plasma etching method - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造分
野等で用いられるプラズマエッチング方法に関し、さら
に詳しくは、Al系金属等の金属配線上に形成された低
誘電率の有機高分子系絶縁膜に、この金属配線に臨む接
続孔を開口する際に、残渣や表面変質層の発生を防止す
ることが可能なプラズマエッチング方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a plasma etching method used in the field of semiconductor device manufacturing, and more particularly, to a low dielectric constant organic polymer insulating film formed on a metal wiring such as an Al-based metal. In addition, the present invention relates to a plasma etching method capable of preventing the generation of a residue or a surface-altered layer when opening a connection hole facing the metal wiring.
【0002】[0002]
【従来の技術】LSI等の半導体装置の高集積化が進展
するに伴い、多層配線構造においては同一配線層内の隣
り合う配線間の層間絶縁膜の幅が狭まるとともに、異な
る配線層間の層間絶縁膜の厚さも薄くなっている。かか
る配線間隔の減少により、配線間容量の上昇が問題とな
りつつある。配線間容量の上昇防止は、高集積度半導体
装置の高速動作、低消費電力および低発熱の諸要請に応
えるためには、是非とも解決しなければならない要素技
術の1つである。2. Description of the Related Art With the progress of high integration of semiconductor devices such as LSI, in a multi-layer wiring structure, the width of an interlayer insulating film between adjacent wirings in the same wiring layer is narrowed, and the interlayer insulation between different wiring layers is also increased. The film is also thin. Due to the decrease in the wiring interval, an increase in inter-wiring capacitance is becoming a problem. The prevention of increase in inter-wiring capacitance is one of the elemental technologies that must be solved in order to meet various demands for high-speed operation, low power consumption, and low heat generation of highly integrated semiconductor devices.
【0003】配線間容量の低減方法として、例えば特開
昭63−7650号公報に開示されているように、低誘
電率材料の層間絶縁膜への採用が有効である。低誘電率
材料としては、フッ素を含む酸化シリコン(SiOF)
等の無機系材料と、シロキサン結合を有する有機高分子
材料である有機SOG(Spin on Glass)
や、ポリイミド、ポリパラキシリレン(商品名パリレ
ン)、ポリナフタレン、フレア(アライドシグナル社商
品名)あるいはパーフルオロ基含有ポリイミドやフッ化
ポリアリルエーテル等のフッ素樹脂系の有機高分子材料
がある。これら低誘電率材料については、例えば日経マ
イクロデバイス誌1995年7月号p.105に紹介さ
れている。As a method of reducing the capacitance between wirings, it is effective to employ a low dielectric constant material for an interlayer insulating film, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-7650. Silicon oxide containing fluorine (SiOF) as the low dielectric constant material
SOG (Spin on Glass) which is an organic polymer material having a siloxane bond with an inorganic material such as
And polyimide, polyparaxylylene (trade name parylene), polynaphthalene, flare (trade name of Allied Signal Co.), or fluororesin organic polymer materials such as perfluoro group-containing polyimide and fluorinated polyallyl ether. For these low dielectric constant materials, see, for example, Nikkei Microdevice Magazine, July 1995 issue, p. 105.
【0004】これら比誘電率が3.5以下の低誘電率材
料層を、隣り合う配線間はもとより、異なるレベルの配
線層間にも適用し、しかも低誘電率材料層をSiO
2 (比誘電率4)、SiON(比誘電率4〜6)やSi
3 N4 (比誘電率6)等の膜質に優れた絶縁膜により挟
み込む構造の積層絶縁膜を、本願出願人は特願平7−3
727号明細書に提案し、低誘電率と高信頼性を合わせ
持つ半導体装置の可能性を示した。かかる多層配線構造
の概略断面図を図3に示す。同図は互いに直行する下層
の金属配線1と上層配線7とを、接続孔5に埋め込んだ
バイアプラグ6により電気的に接続した多層配線構造で
ある。各配線は低誘電率の有機高分子系絶縁膜21、2
2、23、24により囲まれ、さらにこれらを酸化シリ
コン系絶縁膜31、32、33により挟み込んだ、信頼
性の高い積層絶縁膜構造となっている。These low dielectric constant material layers having a relative dielectric constant of 3.5 or less are applied not only between adjacent wirings but also between wiring layers of different levels, and the low dielectric constant material layer is formed of SiO.
2 (relative permittivity 4), SiON (relative permittivity 4-6) and Si
The applicant of the present application has proposed a laminated insulating film having a structure of being sandwiched by insulating films having excellent film quality such as 3 N 4 (relative dielectric constant 6).
No. 727, the possibility of a semiconductor device having both a low dielectric constant and high reliability was shown. A schematic sectional view of such a multilayer wiring structure is shown in FIG. This figure shows a multilayer wiring structure in which a lower layer metal wiring 1 and an upper layer wiring 7 which are orthogonal to each other are electrically connected by a via plug 6 embedded in a connection hole 5. Each wiring has a low dielectric constant organic polymer insulating film 21, 2
It has a highly reliable laminated insulating film structure which is surrounded by 2, 23, 24 and is sandwiched by silicon oxide insulating films 31, 32, 33.
【0005】かかる積層絶縁膜により、多層配線構造を
採用した実際の半導体装置を製造する場合には、上層配
線と下層配線間との電気的接続を得るために、積層絶縁
膜に接続孔を開口する必要がある。通常、酸化シリコン
系絶縁膜からなる層間絶縁膜に接続孔を開口する場合に
は、CF4 やCHF3 等のCF系ガスによるイオン性の
強いプラズマエッチングが施される。このプラズマエッ
チングの機構は、CF系ガスの解離により、プラズマ中
にフッ素系化学種であるF* (Fラジカル)と炭素系化
学種である遊離のC等が生成し、酸化シリコン系絶縁膜
の構成成分中のSiはF* と反応し、また他の構成成分
であるOはCと反応し、SiF4 やCO等の蒸気圧の高
い反応生成物を形成するというものである。これらの反
応生成物は、エッチングガスの解離生成物のうちのCF
3 + 等のイオンの入射エネルギにもアシストされて被エ
ッチング基板表面から脱離し、下式のようにエッチング
反応が進む。
Si + 4F → SiF4 ↑
O + C → CO↑
このとき、エッチングされたパターン側面にはレジスト
マスクの分解生成物やCHF3 等の原料ガスのプラズマ
重合によるCF系ポリマが堆積し、異方性加工に寄与す
る一方、下地のSi半導体基板や金属配線が露出した時
点ではその表面で過剰なCF系ポリマが堆積し、エッチ
ングが停止する。したがって、低誘電率材料層がSiO
F等の無機系材料の場合には、何ら問題なくこれら低誘
電率材料を用いた積層絶縁膜のプラズマエッチングが、
従来技術の延長線上で可能である。When an actual semiconductor device having a multilayer wiring structure is manufactured with such a laminated insulating film, a connection hole is opened in the laminated insulating film in order to obtain electrical connection between the upper layer wiring and the lower layer wiring. There is a need to. Normally, when forming a contact hole in an interlayer insulating film made of a silicon oxide insulating film, plasma etching having a strong ionicity is performed using a CF type gas such as CF 4 or CHF 3 . The mechanism of this plasma etching is that the dissociation of the CF-based gas produces F * (F radical), which is a fluorine-based chemical species, and free C, which is a carbon-based chemical species, in the plasma, so that the silicon oxide-based insulating film Si in the constituents reacts with F *, and O, which is another constituent, reacts with C to form a reaction product having a high vapor pressure such as SiF 4 and CO. These reaction products are CF of dissociation products of etching gas.
It is also desorbed from the surface of the substrate to be etched by being assisted by the incident energy of ions such as 3 +, and the etching reaction proceeds as shown in the following formula. Si + 4F → SiF 4 ↑ O + C → CO ↑ At this time, a decomposition product of the resist mask and a CF-based polymer due to plasma polymerization of the source gas such as CHF 3 are deposited on the side surface of the etched pattern, which causes anisotropy. While contributing to the processing, when the underlying Si semiconductor substrate and the metal wiring are exposed, excessive CF-based polymer is deposited on the surface and etching stops. Therefore, the low dielectric constant material layer is SiO 2.
In the case of an inorganic material such as F, plasma etching of the laminated insulating film using these low dielectric constant materials can be performed without any problems.
This is possible as an extension of the prior art.
【0006】しかしながら、上述した有機SOG、ポリ
イミド、ポリパラキシリレンあるいはフッ素樹脂等の有
機高分子系材料を層間絶縁膜として用いる場合には、C
F系ガスによるイオン性の強いプラズマエッチングを用
いても、パターニングに支障をきたす場合がある。この
問題を図4(a)〜(b)を参照して説明する。However, when an organic polymer material such as the organic SOG, polyimide, polyparaxylylene, or fluororesin described above is used as the interlayer insulating film, C
Even if plasma etching with strong ionicity using F-based gas is used, patterning may be hindered. This problem will be described with reference to FIGS.
【0007】図4(a)〜(b)は、Al系金属等の金
属配線上に形成した有機高分子系絶縁膜と酸化シリコン
系絶縁膜からなる積層絶縁膜に接続孔(バイアホール)
を開口するプロセスにおける問題点を説明する概略断面
図である。まず図4(a)に示すように、Al系金属層
等の金属配線1上に有機SOG等の有機高分子系絶縁膜
2、酸化シリコン系絶縁膜3を形成し、積層絶縁膜を形
成した後、接続孔開口用のレジストマスク4を形成す
る。この状態から、CF系ガスによるイオン性の強いプ
ラズマエッチングを施すと、酸化シリコン系絶縁膜3は
異方的にエッチングが進行する。しかしパターニングが
有機高分子系絶縁膜2の表面に達した段階で、エッチン
グレートは極端に低下またはゼロとなり、接続孔のパタ
ーニングは不可能となる。FIGS. 4A and 4B show connection holes (via holes) in a laminated insulating film formed of an organic polymer type insulating film and a silicon oxide type insulating film formed on a metal wiring such as an Al type metal.
It is a schematic sectional drawing explaining the problem in the process of opening. First, as shown in FIG. 4A, an organic polymer insulating film 2 such as an organic SOG and a silicon oxide insulating film 3 are formed on a metal wiring 1 such as an Al-based metal layer to form a laminated insulating film. After that, a resist mask 4 for opening a connection hole is formed. When plasma etching with a strong ionicity is performed using a CF-based gas from this state, the silicon oxide-based insulating film 3 is anisotropically etched. However, when the patterning reaches the surface of the organic polymer insulating film 2, the etching rate extremely decreases or becomes zero, and the patterning of the connection hole becomes impossible.
【0008】この現象は、従来用いられてきた酸化シリ
コン系層間絶縁膜のプラズマエッチング条件をそのまま
低誘電の有機高分子系絶縁膜2の加工に適用したために
生じるものと考えられる。すなわち、有機SOGは〔化
1〕に示されるように炭素原子を多く含んでいる。また
〔化2〕に示される(フッ化)ポリイミド、〔化3〕に
示される(フッ化)ポリパラキシリレン、〔化4〕に示
されるフッ化ポリアリルエーテル、そして〔化5〕に示
されるフレアのごときは炭素が分子構造中の大部分を占
めている。It is considered that this phenomenon occurs because the plasma etching conditions of the conventionally used silicon oxide type interlayer insulating film are directly applied to the processing of the low dielectric organic polymer type insulating film 2. That is, the organic SOG contains many carbon atoms as shown in [Chemical formula 1]. In addition, the (fluorinated) polyimide shown in [Chemical Formula 2], the (fluorinated) polyparaxylylene shown in [Chemical Formula 3], the fluorinated polyallyl ether shown in [Chemical Formula 4], and the [Chemical Formula 5] In the case of flares, the carbon occupies most of the molecular structure.
【0009】[0009]
【化1】 [Chemical 1]
【0010】[0010]
【化2】 [Chemical 2]
【0011】[0011]
【化3】 [Chemical 3]
【0012】[0012]
【化4】 [Chemical 4]
【0013】[0013]
【化5】 [Chemical 5]
【0014】このように炭素の構成比が大きい有機高分
子からなる低誘電率膜8をCF系ガスによりプラズマエ
ッチングしようとすると、プラズマ雰囲気中あるいは被
エッチング基板面上における炭素系化学種が過剰とな
り、C/F比が増大する。このため、過剰となった炭素
成分により、図4(b)に示すように有機高分子系絶縁
膜2の表面、すなわちイオン入射面ですら炭素系ポリマ
9が形成され、この炭素系ポリマ9がエッチングストッ
パとなって有機高分子系絶縁膜2のエッチングレートが
低下するものと考えられる。なお、ここで述べたC/F
比については、例えばJ.Vac.Sci.Tec
h.,16−(2),391(1979)にその概念が
詳述されているが、簡単に言えばプラズマ雰囲気中ある
いは被エッチング基板面上ににおける、炭素系化学種あ
るいは炭素系ポリマと、フッ素系化学種との原子数の比
のことである。すなわち、堆積性因子とエッチング性因
子との比とも言える。As described above, when the low dielectric constant film 8 made of an organic polymer having a large carbon composition ratio is subjected to plasma etching with a CF type gas, carbon type chemical species in the plasma atmosphere or on the surface of the substrate to be etched become excessive. , C / F ratio increases. Therefore, as shown in FIG. 4B, a carbon-based polymer 9 is formed by the excess carbon component even on the surface of the organic polymer-based insulating film 2, that is, the ion incident surface. It is considered that it serves as an etching stopper and the etching rate of the organic polymer insulating film 2 decreases. In addition, the C / F described here
For the ratio, see J. Vac. Sci. Tec
h. , 16- (2), 391 (1979), the concept is briefly described. Briefly speaking, carbon-based chemical species or carbon-based polymers and fluorine-based chemicals in a plasma atmosphere or on the surface of a substrate to be etched are used. It is the ratio of the number of atoms to the chemical species. That is, it can be said that it is the ratio of the deposition factor and the etching factor.
【0015】この問題の解決策として、本発明者は先に
特願平7−122682号明細書において、下層の有機
高分子系絶縁膜のエッチングにおいて、上層の酸化シリ
コン系絶縁膜よりも低いC/F比のエッチング条件を採
用するか、酸素系化学種を発生しうるガスを採用する2
段階エッチング方法を提案した。この方法によれば、S
i等の半導体基板上に形成された低誘電率の有機高分子
系絶縁膜を含む積層絶縁膜を安定にプラズマエッチング
してコンタクトホールを形成することが可能となった。As a solution to this problem, the present inventor has previously disclosed in Japanese Patent Application No. 7-122682 that the etching of the organic polymer insulating film in the lower layer is lower than that of the silicon oxide insulating film in the upper layer. / F ratio etching conditions are adopted, or a gas that can generate oxygen-based chemicals is adopted. 2
A stepwise etching method was proposed. According to this method, S
It has become possible to stably plasma-etch a laminated insulating film including an organic polymer insulating film having a low dielectric constant formed on a semiconductor substrate such as i and form a contact hole.
【0016】しかしながら、Al系金属、Ti系金属お
よびCu系金属配線等の下層金属配線上に形成された有
機高分子系絶縁膜への接続孔すなわちバイアコンタクト
を開口する場合には、C/F比を低下する手法ではオー
バーエッチング段階において下層金属配線とのエッチン
グ選択比が低下する結果となる。この結果、下層金属配
線あるいはそのフッ化物がスパッタリングされて接続孔
やレジストマスクの側面に再付着する。これら金属のフ
ッ化物は、後述するようにその蒸気圧が極めて小さいた
めに昇華あるいは蒸発除去されず、レジストマスク除去
後にもクラウン状残渣として残る。この問題を図5
(a)〜(d)を参照して説明する。図5(a)に示す
被エッチング基板は図4(a)で説明したものと同様で
ある。この被エッチング基板を図5(b)に示すように
酸化シリコン系絶縁膜3をパターニング後、C/F比を
低下したエッチング条件で有機高分子系絶縁膜2をパタ
ーニングすると、図5(c)に示すようにオーバーエッ
チング時にクラウン状残渣10が接続孔5とレジストマ
スク4側面に付着し、図5(d)に示すようにレジスト
マスク4アッシング後にも接続孔5から突出して残る。
このクラウン状残渣10は接続孔5内に残るとコンタク
ト抵抗の変動等製造歩留りの低下要因となる。また酸素
系化学種を発生しうるガスを採用する2段階エッチング
方法においても、接続孔底面に露出した下層金属配線表
面の酸化や、レジストマスクとの選択比低下の問題があ
る。However, when a connection hole to the organic polymer insulating film formed on the lower metal wiring such as Al-based metal, Ti-based metal and Cu-based metal wiring, that is, a via contact is opened, C / F is used. The method of lowering the ratio results in a lower etching selection ratio with respect to the lower metal wiring in the overetching stage. As a result, the lower layer metal wiring or its fluoride is sputtered and redeposited on the side surface of the connection hole and the resist mask. The fluorides of these metals are not sublimated or removed by evaporation because their vapor pressures are extremely small as described later, and remain as crown-like residues even after removing the resist mask. This problem is illustrated in Figure 5.
This will be described with reference to (a) to (d). The substrate to be etched shown in FIG. 5A is the same as that described in FIG. As shown in FIG. 5B, after the silicon oxide insulating film 3 is patterned on the substrate to be etched, the organic polymer insulating film 2 is patterned under the etching condition with a reduced C / F ratio. As shown in FIG. 5, the crown-shaped residue 10 adheres to the connection hole 5 and the side surface of the resist mask 4 during overetching, and remains protruding from the connection hole 5 even after the ashing of the resist mask 4 as shown in FIG. 5D.
If the crown-shaped residue 10 remains in the connection hole 5, it may cause a decrease in manufacturing yield such as a change in contact resistance. Further, even in the two-step etching method that employs a gas that can generate an oxygen-based chemical species, there is a problem that the surface of the lower metal wiring exposed on the bottom surface of the contact hole is oxidized and the selection ratio with respect to the resist mask is lowered.
【0017】[0017]
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述したAl
系金属等の導電材料層上の有機高分子系絶縁膜に接続孔
を開口する際の問題点を解決することを目的とする。す
なわち本発明の課題は、Al系金属、Ti系金属および
Cu系金属等の導電材料層上の有機高分子系絶縁膜、ま
たは有機高分子系絶縁膜と酸化シリコン系絶縁膜との積
層絶縁膜に接続孔を開口する際に、下層金属配線のスパ
ッタリング再付着による残渣発生や、下層金属配線表面
の酸化等によるコンタクト抵抗の変動のないプラズマエ
ッチング方法を提供することである。The present invention is based on the above-mentioned Al.
It is an object of the present invention to solve a problem when opening a connection hole in an organic polymer insulating film on a conductive material layer such as a base metal. That is, an object of the present invention is to provide an organic polymer insulating film on a conductive material layer of Al-based metal, Ti-based metal, Cu-based metal, or the like, or a laminated insulating film of an organic polymer-based insulating film and a silicon oxide-based insulating film. It is an object of the present invention to provide a plasma etching method in which a contact resistance does not fluctuate when a contact hole is opened, a residue is generated due to redeposition of a lower metal wiring by sputtering, and a surface of the lower metal wiring is oxidized.
【0018】[0018]
【課題を解決するための手段】本発明のプラズマエッチ
ング方法は、上述の課題を解決するために提案するもの
である。すなわち、第1の発明においては、導電材料層
上の有機高分子系層間絶縁膜に、導電材料層に臨む接続
孔を開口するプラズマエッチング方法において、この有
機高分子系層間絶縁膜を、CF系ガス、および酸素系化
学種を発生しうるガスのうちの少なくともいずれか1種
の有機高分子系層間絶縁膜エッチングガスと、導電材料
層と反応する塩素系化学種を発生しうるガスと、を含む
エッチングガスを用いてパターニングすることにより、
導電材料層と、CF系ガスおよび酸素系化学種を発生し
うるガスの少なくともいずれか1種のガスとの反応に基
づく接続孔内における残渣の形成を防ぐように、導電材
料層と、塩素系化学種とを反応させて反応生成物を気化
除去することを特徴とする。The plasma etching method of the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems. That is, in the first invention, in the plasma etching method of opening the connection hole facing the conductive material layer in the organic polymer interlayer insulating film on the conductive material layer, the organic polymer interlayer insulating film is Gas, and at least one kind of organic polymer-based interlayer insulating film etching gas that can generate oxygen-based chemical species, and gas that can generate chlorine-based chemical species that reacts with the conductive material layer. By patterning using an etching gas containing
A conductive material layer, a chlorine-based material, and a chlorine-based material so as to prevent the formation of a residue in the connection hole due to a reaction between the conductive material layer and at least one gas of a CF-based gas and a gas that can generate an oxygen-based chemical species. It is characterized by reacting with a chemical species to vaporize and remove a reaction product.
【0019】第2の発明(請求項1)においては、導電
材料層上の有機高分子系層間絶縁膜および酸化シリコン
系絶縁膜が積層された構造を含む積層絶縁膜に、導電材
料層に臨む接続孔を開口するプラズマエッチング方法に
おいて、この酸化シリコン系絶縁膜を、CF系ガスを含
む第1のエッチングガスを用いてプラズマエッチングす
る第1のエッチング工程と、この有機高分子系層間絶縁
膜を、CF系ガス、および酸素系化学種を発生しうるガ
スのうちの少なくともいずれか1種の有機高分子系層間
絶縁膜エッチングガスと、導電材料層と反応する塩素系
化学種を発生しうるガスと、を含む第2のエッチングガ
スを用いてパターニングする第2のエッチング工程と
を、この順に施すことにより、導電材料層と、CF系ガ
スおよび酸素系化学種を発生しうるガスの少なくともい
ずれか1種のガスとの反応に基づく接続孔内における残
渣の形成を防ぐように、導電材料層と、塩素系化学種と
を反応させて反応生成物を気化除去することを特徴とす
る。In the second invention (claim 1), the conductive material layer is exposed to the laminated insulating film having a structure in which the organic polymer type interlayer insulating film and the silicon oxide type insulating film are laminated on the conductive material layer. In a plasma etching method of opening a connection hole, a first etching step of plasma etching the silicon oxide based insulating film using a first etching gas containing a CF based gas, and the organic polymer based interlayer insulating film , CF-based gas, and at least one organic polymer-based interlayer insulating film etching gas that can generate oxygen-based chemical species, and gas that can generate chlorine-based chemical species that reacts with the conductive material layer And a second etching process of patterning using a second etching gas containing, in this order, the conductive material layer, the CF-based gas and the oxygen-based chemistry. The reaction product is vaporized and removed by reacting the conductive material layer with a chlorine-based chemical species so as to prevent the formation of a residue in the connection hole due to the reaction with at least one of the gases capable of generating gas. It is characterized by doing.
【0020】いずれの発明においても、有機高分子系絶
縁膜は、その比誘電率が3.5以下であることが望まし
い。またいずれの発明においても、有機高分子系絶縁膜
は、その分子構造中にフッ素原子を含むことが望まし
い。本発明における導電材料層は金属配線、なかでもA
l系金属、Ti系金属およびCu系金属を採用した場合
に好適に適用することができるが、もちろんSi等の半
導体基板の拡散層や不純物含有多結晶シリコン層等であ
ってもよい。In any of the inventions, the organic polymer insulating film preferably has a relative dielectric constant of 3.5 or less. In any of the inventions, the organic polymer insulating film preferably contains a fluorine atom in its molecular structure. The conductive material layer in the present invention is a metal wiring, especially A
The present invention can be preferably applied when an l-based metal, a Ti-based metal or a Cu-based metal is adopted, but may be a diffusion layer of a semiconductor substrate such as Si or an impurity-containing polycrystalline silicon layer, of course.
【0021】本発明に用いるCF系ガスとしては酸化シ
リコンのエッチングガスとして一般的なCF4 、C2 F
6 、C3 F8 、C4 F8 、CHF3 およびCH2 F2 等
が例示される。また本発明で用いる酸素系化学種を発生
しうるガスとしてはO2 、O3 およびN2 O等、プラズ
マ中で解離してO* やO+ を発生しうるガスが例示され
る。さらに本発明で用いる塩素系化学種を発生しうるガ
スとしてはCl2 、BCl3 、SiCl4 およびCCl
4 等、プラズマ中で解離してCl* やCl+ を発生しう
るガスが例示される。The CF type gas used in the present invention is CF 4 or C 2 F which is generally used as an etching gas for silicon oxide.
6 , C 3 F 8 , C 4 F 8 , CHF 3 and CH 2 F 2 are exemplified. Further, as the gas capable of generating the oxygen-based chemical species used in the present invention, there are exemplified gases such as O 2 , O 3 and N 2 O which are capable of dissociating in plasma to generate O * and O + . Further, as the gas capable of generating the chlorine-based species used in the present invention, Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 and CCl are used.
Examples of the gas such as 4 which can dissociate in plasma to generate Cl * or Cl + .
【0022】つぎに作用の説明に移る。接続孔の下地と
なるAl、Al−Si、Al−Cu等のAl系金属、C
u金属あるいはTi、TiN、TiON等のTi系金属
は、その露出表面がCF系ガスのプラズマあるいはイオ
ンに曝された場合には、そのイオンエネルギに応じてス
パッタリングされるか、もしくはF系化合物がその表面
に形成される。AlFX 、TiFX 等の金属フッ化物は
いずれも蒸気圧が低いので、前述のように残渣となって
接続孔内にクラウン状残渣等の異物を形成する。また、
フッ素原子を含む有機高分子系絶縁膜をCF系ガスによ
りプラズマエッチングする場合には、有機高分子系絶縁
膜からフッ素原子が放出されるので、被エッチング面で
局所的にフッ素濃度が高まり、この場合には金属フッ化
物の形成がより助長される。酸素系化学種によるプラズ
マあるいはイオンに曝された場合においても、蒸気圧が
低い金属酸化物が表面に形成されるのでこれも異物とな
り残る。Next, the operation will be described. Al-based metal such as Al, Al-Si, and Al-Cu, which is the base of the connection hole, C
When the exposed surface of u metal or Ti-based metal such as Ti, TiN, or TiON is exposed to plasma or ions of CF-based gas, it is sputtered according to the ion energy or F-based compound Formed on its surface. AlF X, since the lower metal fluoride Any vapor pressure such as TiF X, to form a foreign matter crowned residues etc. in the connection hole is a residue as described above. Also,
When plasma etching an organic polymer insulating film containing a fluorine atom with a CF gas, fluorine atoms are released from the organic polymer insulating film, so that the fluorine concentration is locally increased on the surface to be etched. In some cases, the formation of metal fluoride is further promoted. Even when exposed to plasma or ions due to oxygen-based chemical species, metal oxides having a low vapor pressure are formed on the surface and remain as foreign matters.
【0023】本発明においては、有機高分子系絶縁膜を
プラズマエッチングするガス中にCl2 等塩素系化学種
を発生しうるガスを添加することにより、Al系金属、
Ti系金属およびCu系金属ともに反応生成物として塩
化物が形成される。これら塩化物はフッ化物に比較して
その蒸気圧が高いので容易に気化除去され、残渣として
異物が形成されることがない。Al、TiおよびCuの
化合物の融点、沸点のデータを次に記す(単位は℃、s
ubl.は昇華を表す)。
フッ化物
融点 沸点
AlF3 1291(subl.)
TiF3 1200 1400
CuF(Cu2 F2 ) 1100(subl.)
塩化物
AlCl3 177.8(subl.)
TiCl4 −25 136.4
CuCl(Cu2 Cl2 ) 430 1490
なおデータは、CRC Handbook of Chemistry an
d Phisics 75th.edition(1994−1995)による
。In the present invention, by adding a gas capable of generating a chlorine-based chemical species such as Cl 2 to a gas for plasma-etching an organic polymer-based insulating film, an Al-based metal,
Chloride is formed as a reaction product with both the Ti-based metal and the Cu-based metal. Since these chlorides have a higher vapor pressure than fluorides, they are easily vaporized and removed, and no foreign matter is formed as a residue. The data of melting points and boiling points of Al, Ti and Cu compounds are shown below (unit: ° C, s
ubl. Represents sublimation). Fluoride melting point Boiling point AlF 3 1291 (subl.) TiF 3 1200 1400 CuF (Cu 2 F 2 ) 1100 (subl.) Chloride AlCl 3 177.8 (subl.) TiCl 4 -25 136.4 CuCl (Cu 2 Cl) 2 ) 430 1490 The data is CRC Handbook of Chemistry and Physics 75th. edition (1994-1995).
【0024】塩素系化学種の添加量は、1%以上10%
以下が適当である。1%未満では残渣除去の効果が薄
く、10%超では下地金属配線との選択比が低下するか
らである。The amount of chlorine-based species added is 1% or more and 10% or more.
The following are appropriate: This is because if it is less than 1%, the effect of removing the residue is small, and if it exceeds 10%, the selectivity with respect to the underlying metal wiring is lowered.
【0025】[0025]
【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき添付図面
を参照しつつ説明する。なお実施例の説明で参照する図
面中で、従来技術の説明で参照した図4および図5の中
の構成要素部分と同様の構成要素部分には同じ参照符号
を付すものとする。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the drawings referred to in the description of the embodiments, the same reference numerals are given to the same component parts as those in FIGS. 4 and 5 referred to in the description of the prior art.
【0026】実施例1
本実施例は導電材料層としてのAl系金属層上に有機高
分子系絶縁膜としてポリパラキシリレン膜からなる層間
絶縁膜を形成し、この層間絶縁膜に接続孔を開口した例
であり、これを図1(a)〜(b)に示す概略断面図を
参照して説明する。Example 1 In this example, an interlayer insulating film made of a polyparaxylylene film as an organic polymer insulating film was formed on an Al-based metal layer as a conductive material layer, and a connection hole was formed in this interlayer insulating film. This is an example of opening, and this will be described with reference to the schematic cross-sectional views shown in FIGS.
【0027】まず図1(a)に示すように、TiNから
なる反射防止膜6が形成されたAl−1%Si−0.5
%Cuからなる導電材料層1上に、ポリパラキシリレン
からなる有機高分子系絶縁膜2を250nmの厚さにC
VD成膜する。CVD条件は、一例としてp−キシレン
を170℃、1Torrで気化し、予備分解室で650
℃、0.5Torrで熱分解してp−キシレンラジカル
を主体とする中間生成物とする。つぎにこの中間生成物
をCVDチャンバに輸送し、0.1Torrの減圧雰囲
気中で35℃に制御された半導体基板1上に重合させて
堆積し、ポリパラキシリレン膜を得る。得られたポリパ
ラキシリレンの融点は400℃であった。ポリパラキシ
リレンからなる有機高分子系絶縁膜2上に接続孔開口用
のレジストマスク4を形成した状態を図1(a)に示
す。このレジストマスク4は、例えばSOG塗布膜を中
間層(図示せず)として有する3層レジストから常法に
準じて形成したものであり、0.2μmの開口径を有す
る。First, as shown in FIG. 1A, Al-1% Si-0.5 on which an antireflection film 6 made of TiN is formed.
%, An organic polymer insulating film 2 made of polyparaxylylene having a thickness of 250 nm is formed on the conductive material layer 1 made of Cu.
VD film formation. As an example of the CVD conditions, p-xylene is vaporized at 170 ° C. and 1 Torr, and 650 is used in a pre-decomposition chamber.
It is thermally decomposed at 0.5 ° C. and 0.5 Torr to obtain an intermediate product mainly containing p-xylene radical. Next, this intermediate product is transported to the CVD chamber and polymerized and deposited on the semiconductor substrate 1 controlled at 35 ° C. in a reduced pressure atmosphere of 0.1 Torr to obtain a polyparaxylylene film. The melting point of the obtained polyparaxylylene was 400 ° C. FIG. 1A shows a state in which a resist mask 4 for opening a contact hole is formed on an organic polymer insulating film 2 made of polyparaxylylene. The resist mask 4 is formed by a conventional method from a three-layer resist having an SOG coating film as an intermediate layer (not shown) and has an opening diameter of 0.2 μm.
【0028】図1(a)に示す被エッチング基板をマグ
ネトロンRIE装置のカソード電極上にセッティング
し、一例として下記エッチング条件により有機高分子系
絶縁膜2のプラズマエッチングを施す。
O2 80 sccm
Cl2 10 sccm
ガス圧力 5.3 Pa
RFパワー 1450 W(13.56MHz)
基板温度 −75 ℃
本エッチング条件では、O* を主体とするラジカル反応
によりレジストマスク4のうち上層レジストも同時にエ
ッチングされて大きく後退または消失するが、SOGか
らなる中間層パターンをマスクとして有機高分子系絶縁
膜2のパターニングが進行する。この際、被エッチング
基板は低温に冷却されていることからO* による等方的
ラジカル反応は抑制され、サイドエッチングが入ること
はない。TiNからなる反射防止膜1が露出したオーバ
ーエッチング工程では、TiNは反応生成物としてTi
Clx を形成し、その膜厚方向の1部または全部が除去
される。また被エッチング基板の場所によっては、下層
のAl系金属層の厚さ方向の極く1部が除去される場合
もある。接続孔5が開口した状態を図1(b)に示す。The substrate to be etched shown in FIG. 1A is set on the cathode electrode of a magnetron RIE apparatus, and as an example, the plasma etching of the organic polymer insulating film 2 is performed under the following etching conditions. O 2 80 sccm Cl 2 10 sccm Gas pressure 5.3 Pa RF power 1450 W (13.56 MHz) Substrate temperature −75 ° C. Under this etching condition, the upper layer resist in the resist mask 4 is also formed by the radical reaction mainly containing O *. At the same time, it is largely etched and recedes or disappears, but the patterning of the organic polymer insulating film 2 proceeds using the intermediate layer pattern made of SOG as a mask. At this time, since the substrate to be etched is cooled to a low temperature, the isotropic radical reaction due to O * is suppressed and side etching does not occur. In the overetching process in which the antireflection film 1 made of TiN is exposed, TiN is used as a reaction product, TiN.
Cl x is formed, and part or all of it in the film thickness direction is removed. Further, depending on the location of the substrate to be etched, only a part of the lower Al-based metal layer in the thickness direction may be removed. The state in which the connection hole 5 is opened is shown in FIG.
【0029】従来の酸素系化学種のみによるプラズマエ
ッチングにおいては、反射防止膜6が露出した時点でそ
の表面に酸化物の被膜が形成され、低オーミックコンタ
クトプラグ形成に支障をきたしたが、本実施例によれば
かかる不都合が発生することがない。なお本実施例では
O2 /Cl2 の混合ガスにより有機高分子系絶縁膜2を
パターニングしたが、CHF3 等のCF系ガス/Cl2
の混合ガスによりプラズマエッチングすることも可能で
ある。この場合にはフッ化物系の被膜が反射防止膜6の
露出表面に形成されたり、あるいはエッチングのイオン
エネルギが大きい場合にはフッ化物系のスパッタ再付着
物が接続孔5内壁に堆積し、クラウン状残渣が形成され
る不都合が回避される。In the conventional plasma etching using only oxygen-based chemical species, an oxide film was formed on the surface of the antireflection film 6 when it was exposed, which hindered the formation of the low ohmic contact plug. According to the example, such inconvenience does not occur. In this embodiment, the organic polymer insulating film 2 was patterned with a mixed gas of O 2 / Cl 2 , but CF type gas such as CHF 3 / Cl 2
It is also possible to perform plasma etching with the mixed gas of. In this case, a fluoride film is formed on the exposed surface of the antireflection film 6, or if the ion energy of etching is large, fluoride spatter re-deposits are deposited on the inner wall of the connection hole 5 to form a crown. The inconvenience of a particulate residue being formed is avoided.
【0030】実施例2
本実施例は、有機高分子系絶縁膜として有機SOGを採
用し、導電材料層としてのAl系金属配線上に有機SO
Gと酸化シリコン系絶縁膜が積層された層間絶縁膜にプ
ラズマエッチングを施して接続孔を形成した例であり、
これを図1(a)〜(c)に示す概略断面図を参照して
説明する。Example 2 In this example, organic SOG was adopted as the organic polymer insulating film, and the organic SO was formed on the Al-based metal wiring as the conductive material layer.
This is an example of forming a connection hole by performing plasma etching on an interlayer insulating film in which G and a silicon oxide-based insulating film are laminated,
This will be described with reference to the schematic cross-sectional views shown in FIGS.
【0031】まず図2(a)に示すように、例えばAl
−2%Cuの合金組成を有する金属配線1上に、有機S
OGからなる有機高分子系絶縁膜2およびSiO2 から
なる酸化シリコン系絶縁膜3を形成して積層絶縁膜を形
成し、接続孔開口用のレジストマスク4を設ける。有機
SOGはスピンコータを使用し、3000rpmで被処
理基板上に塗布液をスピンコーティングした後、200
℃で1分間乾燥し、次いで400℃で10分間アニール
して有機SOG膜とした。この有機SOG膜からなる有
機高分子系絶縁膜2の厚さは例えば100nmである。First, as shown in FIG. 2A, for example, Al
-On the metal wiring 1 having an alloy composition of -2% Cu, organic S
An organic polymer insulating film 2 made of OG and a silicon oxide insulating film 3 made of SiO 2 are formed to form a laminated insulating film, and a resist mask 4 for opening a connection hole is provided. A spin coater is used for the organic SOG, and the coating liquid is spin-coated on the substrate to be processed at 3000 rpm, and then 200
It was dried at 0 ° C. for 1 minute and then annealed at 400 ° C. for 10 minutes to form an organic SOG film. The thickness of the organic polymer insulating film 2 made of this organic SOG film is 100 nm, for example.
【0032】有機高分子系絶縁膜2の上層の酸化シリコ
ン系絶縁膜3は、TEOS(Tetraethyl O
rthosilicate)とO2 を原料ガスとするプ
ラズマCVDにより、一例として被処理基板温度375
℃、200mTorr、RFパワー300Wの条件で2
00nmの厚さに形成した。このようにして得られた積
層絶縁膜上に、例えば0.2μmの開口径を有するレジ
ストマスク4を形成する。The silicon oxide insulating film 3 on the organic polymer insulating film 2 is made of TEOS (Tetraethyl O 2).
by plasma CVD to Rthosilicate) and the O 2 as a source gas, the substrate to be processed temperature 375 as an example
2 at ℃, 200mTorr, RF power 300W
It was formed to a thickness of 00 nm. A resist mask 4 having an opening diameter of 0.2 μm, for example, is formed on the laminated insulating film thus obtained.
【0033】図2(a)に示す被エッチング基板をマグ
ネトロンRIE装置の基板ステージ上にセッティング
し、一例として下記プラズマエッチング条件により、ま
ず酸化シリコン系絶縁膜6をパターニングする。
CHF3 40 sccm
CO 260 sccm
ガス圧力 5.3 Pa
RFパワー 1450 W(13.56MHz)
基板温度 20 ℃
本エッチング工程においては、添加ガスのCOはプラズ
マ中に発生する過剰のフッ素系化学種をCOFx の形で
エッチングチャンバ外に除去し、C/F比を高く維持す
ることにより対レジストマスク選択比を向上する役割を
担っている。本エッチング条件では、下層の有機SOG
からなる有機高分子系絶縁膜2はエッチングされず、あ
るいは極端にエッチングレートが小さいので、有機高分
子系絶縁膜2の表面が露出した時点でエッチングを停止
する。この状態が図2(b)である。The substrate to be etched shown in FIG. 2A is set on the substrate stage of a magnetron RIE apparatus, and the silicon oxide insulating film 6 is first patterned under the following plasma etching conditions. CHF 3 40 sccm CO 260 sccm Gas pressure 5.3 Pa RF power 1450 W (13.56 MHz) Substrate temperature 20 ° C. In this etching step, CO as an additive gas is COF which is an excessive fluorine-based chemical species generated in plasma. It is removed outside the etching chamber in the form of x and maintains a high C / F ratio, thereby playing a role of improving the selection ratio with respect to the resist mask. Under this etching condition, the lower organic SOG
Since the organic polymer insulating film 2 made of is not etched or has an extremely low etching rate, the etching is stopped when the surface of the organic polymer insulating film 2 is exposed. This state is shown in FIG.
【0034】つぎにエッチング条件を切り替え、一例と
して下記プラズマエッチング条件により下層の有機高分
子系絶縁膜2のプラズマエッチングを施す。
CHF3 80 sccm
CO 220 sccm
Cl2 5 sccm
ガス圧力 5.3 Pa
RFパワー 1450 W(13.56MHz)
基板温度 20 ℃
本エッチング条件は、混合ガス中のCOの流量を減ら
し、CHF3 の流量を増加している。したがって、CH
F3 の解離により生成するフッ素系化学種がCOにより
捕獲されてCOFx の形でエッチング反応系外に除去さ
れる機会は減少する。このため、プラズマ中のフッ素系
化学種が増え、C/F比は小さくなる。Next, the etching conditions are switched, and the plasma etching of the lower organic polymer insulating film 2 is performed under the following plasma etching conditions as an example. CHF 3 80 sccm CO 220 sccm Cl 2 5 sccm Gas pressure 5.3 Pa RF power 1450 W (13.56 MHz) Substrate temperature 20 ° C. This etching condition reduces the flow rate of CO in the mixed gas and reduces the flow rate of CHF 3 . It has increased. Therefore, CH
The chances that the fluorine-based chemical species generated by the dissociation of F 3 are captured by CO and removed in the form of COF x out of the etching reaction system are reduced. Therefore, the fluorine-based chemical species in the plasma increase and the C / F ratio decreases.
【0035】C/F比の減少の結果、シロキサン結合を
有する有機高分子絶縁膜7表面に炭素系ポリマが過剰に
堆積してエッチングレートが低下する現象はない。また
イオン入射の少ないパターン側面には炭素ポリマ系側壁
保護膜(図示せず)が薄く堆積し、異方性加工に寄与す
る。レジストマスク4が後退することもない。この結
果、有機高分子系絶縁膜3のプラズマエッチングはスム
ーズに進行する。As a result of the reduction of the C / F ratio, there is no phenomenon that the carbon-based polymer is excessively deposited on the surface of the organic polymer insulating film 7 having a siloxane bond to lower the etching rate. Further, a carbon polymer side wall protective film (not shown) is thinly deposited on the side surface of the pattern where the number of incident ions is small, which contributes to anisotropic processing. The resist mask 4 does not recede. As a result, plasma etching of the organic polymer insulating film 3 proceeds smoothly.
【0036】下地の金属配線1表面が露出すると、従来
であればオーバーエッチング段階において図5(c)に
先に示したように金属配線1がスパッタリングされてク
ラウン状残渣が発生するところである。しかし、本実施
例においては微量のCl2 を添加しているため、露出し
た金属配線1表面はわずかにエッチングされ、塩化物系
の反応生成物は速やかにエッチング反応系外に除去さ
れ、残渣が留まることはない。この結果、図2(c)に
示すように、良好な異方性形状を示す接続孔が形成され
る。When the surface of the underlying metal wiring 1 is exposed, the metal wiring 1 is conventionally sputtered in the over-etching stage to generate a crown-shaped residue in the over-etching step, as shown in FIG. 5C. However, in this embodiment, since a trace amount of Cl 2 is added, the exposed surface of the metal wiring 1 is slightly etched, the chloride-based reaction product is promptly removed outside the etching reaction system, and the residue is left. It doesn't stay. As a result, as shown in FIG. 2C, a connection hole having a good anisotropic shape is formed.
【0037】実施例3
本実施例は、有機高分子系絶縁膜としてフッ化ポリアリ
ルエーテルを採用し、導電材料層としてのAl系金属配
線上にフッ化ポリアリルエーテルと酸化シリコン系絶縁
膜が積層された層間絶縁膜にプラズマエッチングを施し
て接続孔を形成した例であり、これを同じく図2(a)
〜(c)に示す概略断面図を参照して説明する。Example 3 In this example, fluorinated polyallyl ether was used as the organic polymer insulating film, and the fluorinated polyallyl ether and silicon oxide insulating film were formed on the Al-based metal wiring as the conductive material layer. This is an example in which plasma etching is performed on the laminated interlayer insulating film to form a connection hole, which is also shown in FIG.
Description will be made with reference to schematic sectional views shown in FIGS.
【0038】まず図2(a)に示すように、例えばAl
−2%Cuの合金組成を有する金属配線1上に、フッ化
ポリアリルエーテルからなる有機高分子系絶縁膜2およ
びSiO2 からなる酸化シリコン系絶縁膜3を形成して
積層絶縁膜を形成し、接続孔開口用のレジストマスク4
を設ける。フッ化ポリアリルエーテルはスピンコータを
使用し、3000rpmで被処理基板上に塗布液をスピ
ンコーティングした後、200℃で1分間乾燥し、次い
で400℃で10分間アニールしてフッ化ポリアリルエ
ーテルとした。フッ化ポリアリルエーテルからなる有機
高分子系絶縁膜2の厚さは例えば100nmである。First, as shown in FIG. 2A, for example, Al
-On the metal wiring 1 having an alloy composition of -2% Cu, an organic polymer insulating film 2 made of fluorinated polyallyl ether and a silicon oxide insulating film 3 made of SiO 2 are formed to form a laminated insulating film. , Resist mask 4 for opening connection holes
To provide. A fluorinated polyallyl ether was formed by using a spin coater to spin-coat the coating solution on the substrate to be treated at 3000 rpm, followed by drying at 200 ° C. for 1 minute and then annealing at 400 ° C. for 10 minutes to obtain a fluorinated polyallyl ether. . The organic polymer insulating film 2 made of fluorinated polyallyl ether has a thickness of 100 nm, for example.
【0039】有機高分子系絶縁膜2の上層の酸化シリコ
ン系絶縁膜3は、前実施例と同様にTEOSとO2 を原
料ガスとするプラズマCVDにより、一例として被処理
基板温度375℃、200mTorr、RFパワー30
0Wの条件で200nmの厚さに形成した。このように
して得られた積層絶縁膜上に、例えば0.2μmの開口
径を有するレジストマスク4を形成する。The silicon oxide type insulating film 3 as the upper layer of the organic polymer type insulating film 2 is processed by plasma CVD using TEOS and O 2 as source gases as in the previous embodiment, and the substrate temperature is 375 ° C. and 200 mTorr, for example. , RF power 30
It was formed to a thickness of 200 nm under the condition of 0 W. A resist mask 4 having an opening diameter of 0.2 μm, for example, is formed on the laminated insulating film thus obtained.
【0040】図1(a)に示す被エッチング基板をマグ
ネトロンRIE装置の基板ステージ上にセッティング
し、一例として下記プラズマエッチング条件により、ま
ず酸化シリコン系絶縁膜6をパターニングする。
CHF3 40 sccm
CO 260 sccm
ガス圧力 5.3 Pa
RFパワー 1450 W(13.56MHz)
基板温度 20 ℃
本エッチング条件は前実施例2と同様であるが、本実施
例においても下層のフッ化ポリアリルエーテルからなる
有機高分子系絶縁膜2はエッチングされず、あるいは極
端にエッチングレートが小さいので、有機高分子系絶縁
膜2の表面が露出した時点で停止する。この状態が図2
(b)である。The substrate to be etched shown in FIG. 1A is set on the substrate stage of a magnetron RIE apparatus, and as an example, the silicon oxide type insulating film 6 is first patterned under the following plasma etching conditions. CHF 3 40 sccm CO 260 sccm Gas pressure 5.3 Pa RF power 1450 W (13.56 MHz) Substrate temperature 20 ° C. The etching conditions are the same as in the second embodiment, but in this embodiment, the lower polyfluoride is also used. Since the organic polymer insulating film 2 made of allyl ether is not etched or has an extremely low etching rate, it stops when the surface of the organic polymer insulating film 2 is exposed. This state is shown in Figure 2.
It is (b).
【0041】つぎにエッチング条件を切り替え、一例と
して下記プラズマエッチング条件により下層の有機高分
子系絶縁膜2のプラズマエッチングを施す。
CHF3 40 sccm
O2 10 sccm
Cl2 5 sccm
ガス圧力 5.3 Pa
RFパワー 1450 W(13.56MHz)
基板温度 20 ℃
本エッチング工程においては、フッ化ポリアリルエーテ
ルからなる有機高分子系絶縁膜3はO* を主体とするラ
ジカル反応によってエッチングが進行するが、レジスト
マスク4の分解生成物やCHF3 ガスのプラズマ重合に
よるCF系ポリマによる側壁保護膜(図示せず)により
異方的にパターニングされる。Next, the etching conditions are switched, and as an example, the plasma etching of the lower organic polymer insulating film 2 is performed under the following plasma etching conditions. CHF 3 40 sccm O 2 10 sccm Cl 2 5 sccm Gas pressure 5.3 Pa RF power 1450 W (13.56 MHz) Substrate temperature 20 ° C. In this etching step, an organic polymer insulating film made of fluorinated polyallyl ether is used. 3 is etched by a radical reaction mainly composed of O * , but is anisotropically patterned by a decomposition product of the resist mask 4 and a side wall protective film (not shown) made of CF polymer by plasma polymerization of CHF 3 gas. To be done.
【0042】下地の金属配線1表面が露出すると、従来
であればオーバーエッチング段階において図5(c)に
先に示したように金属配線1がスパッタリングされてク
ラウン状残渣が発生するところである。しかし、本実施
例においては微量のCl2 を添加しているため、露出し
た金属配線1表面はわずかにエッチングされ、塩化物系
の反応生成物は速やかにエッチング反応系外に除去さ
れ、残渣が留まることはない。この結果、図2(c)に
示すように、良好な異方性形状を示す接続孔が形成され
る。When the surface of the underlying metal wiring 1 is exposed, the metal wiring 1 is conventionally sputtered in the over-etching stage as shown in FIG. 5 (c), and a crown-like residue is generated. However, in this embodiment, since a trace amount of Cl 2 is added, the exposed surface of the metal wiring 1 is slightly etched, the chloride-based reaction product is promptly removed outside the etching reaction system, and the residue is left. It doesn't stay. As a result, as shown in FIG. 2C, a connection hole having a good anisotropic shape is formed.
【0043】以上、本発明を3種の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。Although the present invention has been described above with reference to three embodiments, the present invention is not limited to these embodiments.
【0044】例えば、有機高分子系絶縁膜としてポリパ
ラキシリレン、有機SOGおよびフッ化ポリアリルエー
テルを例示したが、ポリエチレンやポリプロピレン等他
の低誘電率の有機高分子を用いてもよい。またこれら有
機高分子を構成するC−H結合の1部または全部をC−
F結合に置換したフッ素系高分子を採用すれば、低誘電
率化に一層の寄与がある。もちろん、比誘電率が2程度
のフッ化炭素系高分子であるテフロンPTFE(Pol
y Tetra Fluoro Ethylene)、
テフロンFEP(Florinated Ethyle
ne Propylene)あるいはテフロンPFA
(Per Fluoro Alkoky)を用いれば、
低誘電率と低吸湿性を共に満たす積層絶縁膜が形状でき
る。これらフッ化炭素系高分子はプラズマ重合や、ドラ
イパウダやエマルジョンの塗布焼成で形成できる。ただ
しテフロンPTFEの場合には、接着性に注意を払う必
要がある。For example, although polyparaxylylene, organic SOG, and fluorinated polyallyl ether are exemplified as the organic polymer insulating film, other low dielectric constant organic polymers such as polyethylene and polypropylene may be used. Further, part or all of the C—H bonds constituting these organic polymers are C—
If a fluorine-based polymer substituted for the F bond is adopted, it will contribute further to lowering the dielectric constant. Of course, Teflon PTFE (Pol, which is a fluorocarbon polymer with a relative dielectric constant of about 2)
y Tetra Fluoro Ethylene),
Teflon FEP (Fluorinated Ethyl)
ne Propylene) or Teflon PFA
Using (Per Fluoro Alky),
A laminated insulating film satisfying both low dielectric constant and low hygroscopicity can be formed. These fluorocarbon-based polymers can be formed by plasma polymerization or by coating and baking dry powder or emulsion. However, in the case of Teflon PTFE, it is necessary to pay attention to the adhesiveness.
【0045】シロキサン結合を有する有機高分子系絶縁
膜として有機SOGを例示したが、他のシリコンダラー
ポリマ、例えばポリフェニルシルセスキオキサン等を用
いることも可能である。Although organic SOG is used as an example of the organic polymer insulating film having a siloxane bond, other silicon dollar polymers such as polyphenylsilsesquioxane can also be used.
【0046】上層に形成する酸化シリコン系絶縁膜とし
て、プラズマCVDによるSiO2を例示したが、Si
ONやSiOF、あるいはPSGやBPSG等不純物を
含むシリケートガラスであってもよい。As an example of the silicon oxide type insulating film formed on the upper layer, SiO 2 formed by plasma CVD has been exemplified.
It may be silicate glass containing impurities such as ON, SiOF, or PSG or BPSG.
【0047】積層絶縁膜の層構成として低誘電率膜上に
酸化シリコン系絶縁膜が積層された2層構造に限らず、
低誘電率膜と酸化シリコン系絶縁膜が交互に積層された
多層絶縁膜においても本発明が適用できることは明白で
ある。また金属配線に臨む層間絶縁膜のヴァイアホール
加工に限らず、ポリイミド等の最終パッシベーション膜
へのパッド開口や、半導体基板に形成された不純物拡散
層に臨むコンタクトホール加工に適用してもよい。The layer structure of the laminated insulating film is not limited to the two-layer structure in which the silicon oxide type insulating film is laminated on the low dielectric constant film,
It is obvious that the present invention can be applied to a multi-layer insulating film in which a low dielectric constant film and a silicon oxide insulating film are alternately laminated. Further, it is not limited to the via hole processing of the interlayer insulating film facing the metal wiring, but may be applied to the pad opening to the final passivation film of polyimide or the like or the contact hole processing facing the impurity diffusion layer formed on the semiconductor substrate.
【0048】さらに、積層絶縁膜のプラズマエッチング
時に使用するエッチング装置としてマグネトロンRIE
装置を採り上げたが、通常の平行平板型RIE装置、E
CRプラズマエッチング装置、ヘリコン波プラズマエッ
チング装置、ICP(Inductively Coupled Plasma)エッ
チング装置、TCP(Transformer Coupled Plasma)エ
ッチング装置等、各種エッチング装置を使用可能である
ことは言うまでもない。Further, a magnetron RIE is used as an etching apparatus used for plasma etching of the laminated insulating film.
The equipment was picked up, but the normal parallel plate type RIE equipment, E
It goes without saying that various etching devices such as a CR plasma etching device, a helicon wave plasma etching device, an ICP (Inductively Coupled Plasma) etching device, and a TCP (Transformer Coupled Plasma) etching device can be used.
【0049】[0049]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば低誘電率の有機高分子系絶縁膜に接続孔を開口
する際の下地導電材料層表面の変質やスパッタリング再
付着を防止し、残渣や変質膜等によるコンタクト抵抗の
上昇やステップカバレッジの低下のないプラズマエッチ
ング方法が可能となる。したがって、多層配線を用いた
高集積度半導体装置の配線間容量の低減が信頼性高く実
現でき、半導体装置の高速動作、低消費電力および低発
熱等に寄与することができる。As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to prevent alteration of the surface of the underlying conductive material layer and reattachment by sputtering when opening the connection hole in the low dielectric constant organic polymer insulating film. However, a plasma etching method that does not cause an increase in contact resistance or a decrease in step coverage due to a residue or an altered film can be realized. Therefore, reduction in inter-wiring capacitance of a highly integrated semiconductor device using multi-layered wiring can be realized with high reliability, which can contribute to high-speed operation, low power consumption, low heat generation, etc. of the semiconductor device.
【図1】本発明を適用した実施例1を、その工程順に説
明する概略断面図であり、(a)は金属配線上に有機高
分子系絶縁膜とレジストマスクを形成した状態であり、
(b)は有機高分子系絶縁膜をプラズマエッチングして
接続孔を開口した状態である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating Example 1 to which the present invention is applied in the order of steps, in which (a) shows a state in which an organic polymer insulating film and a resist mask are formed on a metal wiring,
(B) is a state where the organic polymer insulating film is plasma-etched to open the connection hole.
【図2】本発明を適用した実施例2および3を、その工
程順に説明するための概略断面図であり、(a)は半導
体基板上に有機高分子系絶縁膜と酸化シリコン系絶縁膜
およびレジストマスクを形成した状態であり、(b)は
酸化シリコン系絶縁膜をプラズマエッチングした状態、
(c)はさらに有機高分子系絶縁膜をプラズマエッチン
グして接続孔を開口した状態である。2A and 2B are schematic cross-sectional views for explaining Embodiments 2 and 3 to which the present invention is applied in the order of steps, in which (a) is an organic polymer insulating film and a silicon oxide insulating film on a semiconductor substrate; A state where a resist mask is formed, (b) a state where a silicon oxide insulating film is plasma-etched,
(C) is a state in which the organic polymer insulating film is further plasma-etched to open the connection hole.
【図3】有機高分子系絶縁膜と酸化シリコン系絶縁膜の
積層絶縁膜を採用した多層配線構造の一例を示す概略断
面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing an example of a multilayer wiring structure using a laminated insulating film of an organic polymer insulating film and a silicon oxide insulating film.
【図4】従来の有機高分子系絶縁膜と酸化シリコン系絶
縁膜との積層絶縁膜に接続孔を開口する際の問題点を説
明する概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a problem in opening a connection hole in a conventional laminated insulating film of an organic polymer insulating film and a silicon oxide insulating film.
【図5】従来の有機高分子系絶縁膜と酸化シリコン系絶
縁膜との積層絶縁膜に接続孔を開口する際の、別の問題
点を説明する概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating another problem when a connection hole is opened in a conventional laminated insulating film of an organic polymer insulating film and a silicon oxide insulating film.
1 金属配線(導電材料層) 2、21、22、23、24有機高分子系絶縁膜 3、31、32、33酸化シリコン系絶縁膜 4 レジストマスク 5 接続孔 6 バイアプラグ 7 上層配線 8 低誘電率膜 9 炭素系ポリマ 10 クラウン状残渣 1 Metal wiring (conductive material layer) 2, 21, 22, 23, 24 Organic polymer insulating film 3, 31, 32, 33 Silicon oxide insulating film 4 Resist mask 5 connection holes 6 via plugs 7 Upper layer wiring 8 Low dielectric constant film 9 carbon-based polymer 10 Crown residue
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01L 21/768 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01L 21/768
Claims (7)
および酸化シリコン系絶縁膜が積層された構造を含む積
層絶縁膜に、前記導電材料層に臨む接続孔を開口するプ
ラズマエッチング方法において、 前記酸化シリコン系絶縁膜を、 CF系ガスを含む第1のエッチングガスを用いてプラズ
マエッチングする第1のエッチング工程と、 前記有機高分子系層間絶縁膜を、 CF系ガス、および酸素系化学種を発生しうるガスのう
ちの少なくともいずれか1種の前記有機高分子系層間絶
縁膜エッチングガスと、 前記導電材料層と反応する塩素系化学種を発生しうるガ
スと、 を含む第2のエッチングガスを用いてパターニングする
第2のエッチング工程とを、この順に施すことにより、 前記導電材料層と、前記CF系ガスおよび酸素系化学種
を発生しうるガスの少なくともいずれか1種のガスとの
反応に基づく前記接続孔内における残渣の形成を防ぐよ
うに、前記導電材料層と、前記塩素系化学種とを反応さ
せて反応生成物を気化除去することを特徴とするプラズ
マエッチング方法。 1. A plasma etching method in which a connection hole facing the conductive material layer is opened in a laminated insulating film including a structure in which an organic polymer interlayer insulating film and a silicon oxide insulating film are stacked on a conductive material layer. A first etching step of plasma etching the silicon oxide based insulating film using a first etching gas containing a CF based gas; and a step of etching the organic polymer based interlayer insulating film with a CF based gas and an oxygen based chemical. A second gas containing at least one kind of the organic polymer-based interlayer insulating film etching gas of a gas capable of generating a species, and a gas capable of generating a chlorine-based chemical species that reacts with the conductive material layer; A second etching step of patterning with an etching gas is performed in this order to generate the conductive material layer and the CF-based gas and oxygen-based chemical species. The reaction product by vaporizing and removing the reaction material by reacting the conductive material layer with the chlorine-based chemical species so as to prevent the formation of a residue in the connection hole due to the reaction with at least one of the gasses. A plasma etching method comprising:
ズマ中のF原子に対するC原子の比が、前記第2のエッ
チング工程におけるプラズマ中のF原子に対するC原子
の比よりも高くなるように、前記第1のエッチングガス
と前記第2のエッチングガスの組成比を調整することを
特徴とする、請求項1のプラズマエッチング方法。 2. The method according to claim 1 , wherein the ratio of C atoms to F atoms in the plasma in the first etching step is higher than the ratio of C atoms to F atoms in the plasma in the second etching step. The plasma etching method according to claim 1 , wherein the composition ratio of the first etching gas and the second etching gas is adjusted.
誘電率が3.5以下であることを特徴とする、請求項1
記載のプラズマエッチング方法。 Wherein said organic polymer based interlayer insulating film is characterized in that the relative dielectric constant of 3.5 or less, according to claim 1
The plasma etching method described.
原子を含むことを特徴とする、請求項1記載のプラズマ
エッチング方法。 Wherein said organic polymer based interlayer insulating film is characterized by containing a fluorine atom, a plasma etching method of claim 1.
金属およびCu系金属のうちから選ばれる少なくとも1
種の金属材料からなることを特徴とする、請求項1記載
のプラズマエッチング方法。 Wherein said conductive material layer is at least 1 selected from among Al-based metal, Ti-based metal and Cu-based metal
The plasma etching method according to claim 1 , wherein the plasma etching method is made of one kind of metal material.
0%以下であることを特徴とする、請求項1記載のプラ
ズマエッチング方法。 6. The addition amount of the chlorine species least 1% 1
It is 0% or less, The plasma etching method of Claim 1 characterized by the above-mentioned.
ングするエッチングガスは、CF系ガスと、酸素系化学
種を発生しうるガスと、塩素系化学種を発生しうるガス
と、を含むことを特徴とする、請求項1記載のプラズマ
エッチング方法。 7. The etching gas for patterning the organic polymer-based interlayer insulating film contains a CF-based gas, a gas capable of generating an oxygen-based chemical species, and a gas capable of generating a chlorine-based chemical species. The plasma etching method according to claim 1, wherein:
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