JPH027413A - コンタクトホール形成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体や電子デバイス基板上にリングラフィ技
術を用いて微小なコンタクトホールを形成する際に、ホ
ール径及びホールの断面プロファイルを高精度かつ安定
して制御する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

高性能で大規模なＬＳＩを製造するには、サブミクロン
オーダの微小なコンタクトホールノ量ターンを再現性よ
く形成する技術が必要であるが、現在上として使用され
ている光露光技術では、はぼ微細化限界に達しつつある
。第４図は、これを説明するための図で６２て、露光装
置にレンズの開口数０．４２の１１５倍ｇ線（波長４３
６ｎｍ）ウエーハステッパヲ使用し、ホトレジスト膜に
塗布膜厚約１．５μｍの汎用の高解像度タイプレジスト
を使用して、５ＩＯ２層間絶縁膜上に微小なコンタクト
ホールを形成した場合のホール径とステラａ４のフォー
カスマージンの関係を両対数グラフで示したものである
。ここでのフォーカスマージンとは、ホール径が設計値
に対して、±０．１μｍの精度で形成できるフォーカス
範囲を意味している。この図に示すようにコンタクトホ
ール径が１μｍから０．８μｍＫなるとフォーカスマー
ジンが±１．５μｍから±１μｍへと大幅に低下し、０
．７μｍ径以下のコンタクトホールでは、ここに示した
従来の汎用技術で安定して形成するのは極めて困難にな
る。

また、通常使用している半導体基板の平面度を考慮すれ
ば、０．８μｍ径程度であっても基板全面にわたりて均
一かつ再現性よく形成することはかなシ困難であるとい
わざるを得ない。

これを解決する方法として、従来主として穏々の多層レ
ジストプロセスが開発されているが、この方法は従来の
単層レジストプロセスに比ベニ程が複雑で、工程数が多
い上、パターンの欠陥レベルが多いなどの欠点が指摘さ
れておｊ５．ＶＬＳＩの量産技術として使用するには解
決すべき技術的問題が多い。

他方、コンタクトホールの微小化に伴って、もう一つの
大きな技術的問題点が生じてきている。

コンタクトホールの役割は下層に位置する半導体基板、
ポリシリコン層又は金属配線層と、これらと電気的に絶
縁するために設けられる眉間絶縁膜を介して、上層に位
置するプリシリコン層あるいは金属配線層とを電気的に
接続するためのものである。コンタクトホールが加工さ
れるＬＳＩの眉間絶縁膜の厚さは、十分な電気絶縁性を
保証するため、最小でも０．５μｍ、典型的な例では１
μｍ程度の厚さが必要である。したがって、絶縁膜に加
工される０、８μｍ径のコンタクトホールを想定した場
合、そのアスペクト比（絶縁膜の厚さ／コンタクトホー
ル径）は１以上となシ、コンタクトホールを介しての電
気的接続を良好に保持するには、絶縁膜に加工するコン
タクトホール形状に工夫を要する。すなわち、コンタク
トホールを介して上層配線層を下層と十分な電気的接触
を得るためには、コンタクトホールの上部開孔部を拡げ
た。いわゆるテーパ状プロファイルに加工する方法が採
られている。このような形状を実現する手段として、第
５図に示す如く、プラズマエツチングによる加工法があ
る。図中、１は基板、２は眉間絶縁膜、３はレジスト膜
である。この方法は原理的に等方性エツチングであるた
め、エツチングマスクであるレジスト膜３の裏側の一部
もエツチングされる（いわゆるアンダーカッティング）
。したがって得られる断面形状は、上部が拡ったすシば
ち状になるが、等方性エツチングという原理的制約から
、アスペクト比が１以上のサラミクロンコンタクトホー
ルを精度よく加工するということは困難である。

次によく知られている方法に、ＲＩＥ（リアクティブイ
オンエツチング）によるテーパエツチング加工法がある
。この原理は第６図に示すように。

絶縁膜のエツチング時に、エツチングマスクを同時に工
、チングするととに、よって、エツチングマスクのエツ
ジ部をエツチング量に応じて後退させることによって、
チーΔ状のプロファイルを有するコンタクトホールを得
るものでちる。この方法でのテーパエツチング形状はエ
ツチングマスクとして用いるレゾスト膜と被エツチング
材の絶縁膜の工、チング速度の比、並びにレジストパタ
ーンのプロファイル、とくＫその傾斜角に依存する。

従って、十分良好なチーバエ、チング形状を再現性よく
得るためには、レジスト／母ターンの傾斜角を４５°〜
７０°程度の範囲内で精密に制御することが必須となる
。ところが１μｍ径以下の微小なコンタクトホールのレ
ジストノ々ターンプロファイルを、幾何学的な寸法を維
持したまま上述した傾斜角に精密に制御する技術を実現
することが困難であるという欠点がある。

さらにまた、コンタクトホールの幾何学的形状を制御す
る代シに、第７図に示す如く、コンタクトホール内に金
属を埋め込むことにょシ、埋め込み層４を設ける技術が
開発されている。これを実現する方法として、タングス
テンの選択ｃｖＤ技術が研究されている。これは、コン
タクトホール内のみにタングステンを選択的に堆積させ
ようとするものであるが、タングステン堆積の選択性の
安定化、再現性、スループット等に難点があるため、現
在までのところ研究段階に留っており、実用に供される
までに至っていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は従来のコンタクトホール形成技術の２つの大き
な欠点を１つの簡単な処理によって同時に解決するコン
タクトホール形成法を提供することにおる。すなわち、
（１）従来露光装置と単層レジストプロセスで形成が困
難な微小なコンタクトホールを簡単かつ安定して実現す
ると同時に、（２）　ＲＩＥによるチーΔエツチング加
工技術に必要なレジストノ昔ターングロファイルの精密
制御方法を、レジス）Ｊ［の光硬化反応と熱変形性を利
用して実現することにある。

〔課題を解決するだめの手段と作用〕

現在使用されているポジ製ホトレジスト材料はクレゾー
ルノ？ラック樹脂とＯ−す７トキノンゾアジド感光剤か
ら構成されている。このレジスト材料を加熱すると、１
２０℃前後で軟化し、１４０℃以上でノボラック樹脂と
感光剤、あるいはツメう、り樹脂同志が熱架橋反応を生
じ、いわゆる熱硬化することが知られている。ただし、
これらの温度はレジストの品種によって若干前後する０
例えばレジストの軟化点温度はジグレイ（５ｈｌｐｌａ
ｙ）社のＭＰＳ　１４００で約１２０℃、東京応化社製
ＴＳＭＲ−８８００で約１００℃、同じ（ＴＳＭＲ−８
９００で約１４０℃である。またこれらのレジスト材料
に波長３６５　ｎｍ以短の紫外線を照射すると、熱架橋
と同様に紫外線硬化反応を起こして、耐熱性並びに耐ド
ライエツチング性が著しく向上することが知られている
。

本発明は、当該レジスト材料の上記物性変化を利用して
、コンタクトホール径の精萱制御とレジストグロファイ
ル傾斜角の精密制御を行うもので、具体的方法はつぎの
とおシである。すなわち、上記レジスト材料を軟化点以
上に加熱すると、レジストパターンに急激な塑性変形を
生じるが、この状態で、そのレジストパターン形状を精
密に制御することは極めて困難である。ところが、レジ
ストパターンを軟化点以上に加熱する前に、その表層に
約０．２μｍの厚さに、あらかじめ紫外線照射によって
光硬化被膜を形成しておくこと罠よって、その後の高温
加熱による塑性変形を徐々に生じせしめ、かつ、その形
状の制御を高い再現性で精度よく実現できることを見い
出した０本発明はこの原理を利用してコンタクトホール
径の制御とプロファイルの制御を行なおうとするもので
ある。

〔実施例〕

以下に具体的実施例にもとすいて説明する。

〔実施例１〕 第１図は本発明の第１の実施例を説明するためのコンタ
クトホールレジスト／ぐターン断面図であって、１は基
板、３はホトレジスト膜、５はレジスト表面硬化層、３
０はレジスト現像処理直後のコンタクトホールレジスト
パターン断面プロファイル、３１及び３２は本発明の処
理を実施したのちのコンタクトホールレジストパターン
断ＷＪ　ｆ　。

ファイルである。

次に本発明の実施例とその効果について、処理工程に従
って順次説明する。まず、Ｕ合金膜を付着せしめた半導
体基板上にさらに厚さ約１μｍの５ｉｎ２膜で被覆せし
めたものを基板として使用する。

当該基板上に市販デジ型ホトレノストマイクロポジット
５１４００−８Ｄ３　（シブレイ社製、略称ＭＰＳ１４
００−８Ｄ３）を厚さ１．２５，１．６５．及び１．８
５μｍの３水準になるよう回転塗布する。次に開ロ数Ｎ
Ａ０．４５，１１５倍ｇ線縮小投影露光装置を使用し、
上記レジスト膜に孔径Ｄ・が０．８μｍ又は１μｍ（第
１図参照）なるコンタクトホールを形成する。これには
、レジスト膜厚に応じてあらかじめ求められた最適露光
条件にて露光したのち、レジスト現像液ＭＦ−３１９（
ジグレイ社製商品名）Ｋよって約９０秒間現像すること
Ｋよりて得る。これによりてレジスト断面グロファイル
３０が得られ、この時の断面の傾斜角はレジスト膜厚水
準にかかわらず約８０°であることが、断面Ｓ双観察か
ら確認されている。

続いて、基板昇温／降温調節機構を備えた紫外線照射装
置にて、当該基板を加熱しながら、紫外線照射処理を行
なう、この場合、光源には２灯から成る定格入力４ｋＷ
の高圧水銀灯を使用し、入力電圧の調整とフィルタによ
って出力を調整することが可能である。レジスト膜の紫
外線硬化に最も効果的に作用する波長２２０〜３２０　
ｎｍの波長帯の紫外光の強度は最大約６５０　ｍＷ／ｄ
である。

また、基板の加熱には真空吸着式のホットプレートによ
シ０．１〜２℃／秒の範囲内で、最高２５０℃の温度ま
で任意の条件で昇温／降温か可能である。

上記紫外線レジスト硬化装置を使用し、基板温度の初期
値を１１０℃に設定し、１℃／Ｓの昇温レートで基板温
度を上げながら、コンタクトホールレゾストノやターン
を有する試料表面に約３００ｍＷ／ｊ　（２２０〜３２
０　ｎｍの波長帯において）の強度の紫外線を５秒間照
射した。この試料を酢酸イソアミル液中に約６０秒間浸
漬してレジストの非硬化層を溶解したのち、断面８１Ｍ
写真から、この溶剤に溶けないレジスト表面の硬化層５
の厚さを測定したところ、レジスト塗布膜厚にかかわら
ず約０．２μｍであることが確認できた。

次に、基板初期設定温度を１１０ＤＫ、レジスト表層硬
化処理のための紫外線強度を３００ｍＷ／ａｌ、同処理
時間を５秒それぞれ一定とした。

その後、約６００　ｍＷ／ｃｌ！の強度の紫外線を照射
しながら基板を一定の昇温速度で１８０℃まで加熱して
、コンタクトホールレジストパターンをわずかに熱変形
させるのに引き続き、レジスト膜の中心部まで紫外線硬
化させて、耐熱性と耐ドライエツチ性を大幅に向上させ
る。ここで、レジスト塗布膜厚をパラメータとし、基板
昇温速度を変えて、コンタクトホールレジストパターン
の孔径りと断面の傾斜角θの変化する様子を断面８１Ｍ
写真から評価した。第１図のコンタクトホールレジスト
パターンの断面模式図に示すように、孔径りは基板昇温
レートΔＴ、又は強照射（６００ｍｗｌ／＋り開始基板
温度Ｔ、を１．２℃／ｌ又は１１６℃とした場合、レジ
スト膜厚１．６５μｍで、露光・勇像後の孔径Ｄ０が１
．０μｍ及び０．８μｍであったものが、処理後には孔
径り、が０，９μｍ及び０．７μｍに縮小した。また、
断面の傾斜角θｏ＝８０°であったものが、処理後には
、傾斜角０重はいずれも６５６に低下していることが確
認できた一統いて、ΔＴ、又はＴＩＫをそれぞれ２．０
℃／１又は１２０℃の条件で処理したものでは、ｐ、＋
＝１μｍ及び０．８μｍの孔径はそれぞれり、〜０．８
２μｍ及びＤ！＝０．６２μｍＫ縮小するとともに、傾
斜角θ、はθ。−８０’から５５°に低下していること
がわかった。

そこで、種々の処理条件に対する孔径の縮小寸法り、−
Ｄと傾斜角θの関係を調べたところ、これらはΔＴ８及
びＴＩＫに対し、明確な依存性があることがわかった。

第２図には、レジス）　（ＭＰＳ１４００−８Ｄ３）の
塗布膜厚をパラメータとし、基板加熱開始温度を１１０
℃、レジスト表層の硬化処理時間を５秒間シ定とした場
合の、強照射開始基板温度Ｔ、又は基板昇温レートΔＴ
、とコンタクトホール径の縮小寸法り、−Ｄとの関係を
示す、また、第３　図１ｃハ、同様にコンタクトホール
のレジストプロファイルの傾斜角θとの関係、並びに、
後述する条件にて眉間絶縁膜をチーｚ４エツチング加工
して得られたチーΔ工、チングの幅Ｗ、の関係を示す＠
第２図並びに第３図から明らかなように、コンタクトホ
ール径の縮小寸法とそのレジストプロファイルの傾斜角
は、レジスト塗布膜厚と強照射開始基板温度Ｔｍ　（又
は基板昇温レートΔＴ、　）に直接依存して決定される
。例えば、レジスト塗布膜厚を１．８５　ｊｌｍ　とし
、Ｔ、を１１８℃（ΔＴ、＝１．６℃／思）に設定すれ
ば、　Ｄ＠　−Ｄ＝０．２　ｆｉｍ　　、　ａ＝５０°
が得られる。従って、本発明の方法を用いれば、通常の
光露光技術で直接形成が困難な孔径０．６μｍのコンタ
クトホールであっても、あらかじめ０．８μｍ径ｏコン
タクトホールレジストパターンヲ形成したのち、上記処
理を施すことＫより、容易に実現できる。また、通常の
光露光でも形成が可能な０．８μｍ径のコンタクトホー
ルパターンであっても、それよシ孔径の大きなコンタク
“トホールパターンを露光することによシ形成できるた
め、第４図に示したコンタクトホール径とフォーカスマ
ージンの関係からも明らかなように、本発明の使用によ
って広いマージンで安定してコンタクトホールパターン
を形成できる。

〔実施例２〕 実施例１で述べた方法によシ、孔径と傾斜角θを精密に
制御されたコンタクトホールレジスト／４ターンで被覆
されている５ｌｏ２層間絶縁膜（膜厚的１μｍｎ）つき
半導体基板を、ＲＩＥ（リアクティブイオンエツチング
）装置を用いて、孔開は加工を以下の条件で実施した。

（１）　　ス？、プｉ−ｙ　ス流量：　０２９　Ｓ　Ｃ
ＣＭ／ｃＩ（Ｆ′３７５　ＳＣＣＭ　、圧カニ　５０　
ｍＴｏｒｒ　、　ＲＦパワー：１ｋＷの条件にて、５Ｉ
Ｏ２膜を約０．６５μｍの深さまで加工する。この工、
チング条件におけるＳ　ｔＯ２とレジスト膜とのエツチ
ング選択比は約４．３である。

（２）ステップ２−、ｆｆ　、Ｘ流量　：　０２５０　
ＳＣＣＭ／Ｃ：ＨＦ。

５０　ＳＣＣＭ　、圧カニ　５０　ｍＴｏｒｒ　、　Ｒ
Ｆパワーニア５゜Ｗの条件にて５１０２膜を約０．３５
μｍの厚さ分まで加工する。このステ、プでのレジスト
の膜ベシは約０．９５μｍである（エツチング選択比：
０．３７）。

（３）　　ステｙ　ｆ　３−ｇ　ｘ流量：　０２１５　
ＳＣＣＭ／ＣＥＰ。

７５　ＳＣＣＭ　、圧カニ　５０　ｍＴｏｒｒ　、　Ｒ
Ｆ／４ヮー：　５００Ｗの条件にて５ｔＯ２膜を約０．
２５μｍの厚さ分まで加工する。この条件での工、チン
グ選択比は約２．１である。

ステップ（１）〜（３）を連続して実施することにょシ
、、第３図の断面図に示すチーバエ、チングコンタクト
ホールが得られる。この場合、テーパエツチング部分の
幅ｗＴはＲＩＢ加工前のレジス）　ノ４ターンの傾斜角
θと密接に関連する。すなわち、θ夕８０°でＷＴ　＝
　０．１７μｍ、θ〜７０°でＷＴ　＝０．４μｍ。

θり６５°でＷｙ　＝　０．５　Ａ　ｍ　、θ〜６０°
でＷｙ　＝　０．６　ｔｓｍが得られる。これらの関係
は、レジス）　ｉ４ターンエ、ジの後退量で決まるテー
ノ臂工、チング幅Ｗ−ｒがレジスト膜のエツチング量ｄ
とレジストパターンの傾斜角θの正接との比、すなわち
Ｗｔ＝ｄ／ｌｕθなる関係式によく一致している。従っ
て、ＷＴの幅はθの他、エツチングマスクとして用いる
レジスト膜のエツチング量、換言すればレジスト膜のエ
ツチング速度と絶縁膜のエツチング速度の比（選択比）
を変えることＫよりても調節できるのは言うまでもない
０本実施例では、ステラｆ２において上記選択比を０．
３７に調節してチーバエ。

チングを実施しているが、０２／ＣＨＦ３工、チングガ
スの０２成分比を増やして上記選択比を低下させればｗ
Ｔをさらに大きくすることが可能であるが、レジストの
膜ベシが増大するので得策とは言えない。

〔実施例３〕 厚さ０．６５μｍ　Ｏｙｆロンリンガラス層間絶縁膜で
被覆された半導体基板上に膜厚１．６５μｍのＭＰＳ１
４００レジストを塗布したのち、孔径０．８μｍのコン
タクトホールレジスト−９ターンを形成したのち、実施
例ＩＫ述べた方法によ’）、Ｔｙｘ””１２０°（ΔＴ
、＝２℃／８）の条件で処理を行なった。

処理後の孔径は０．６２μｍＫ縮小していることがわか
った。この試料を実施例２に述べたステ、プ１の条件に
てエツチング加工を行なった結果、基板界面でのコンタ
クトホール径０．６２μｍ、絶縁膜表面での孔径０．８
５μｍ（コンタクトホール側壁の傾斜角〜８０°）が得
られた０本実施例に示すように被工、チング材とレジス
トマスク材の選択比の高いＲＩＥ条件で加工することに
よシ側壁が垂直に近い形状で、光露光で形成が困難な微
小な寸法のコンタクトホールを簡単かつ安定して形成す
ることができる。また１本発明は所定の寸法のコンタク
トホールを得るための孔径の精密調節法としても利ｊ用
できることは言うまでもない、また、本実施例ではホト
レジストにＭＰＳ１４００又はＭＰＳ１４００−８Ｄ３
を使用したが、他の同種のポジ型ホトレジストを用いて
も同様の効果が得られる。

ただし、前述したようにレジストの種類によりて軟化点
が異なるので、それに合せて基板昇温開始温度と昇温速
度を変える必要がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の方法を使用することによ
シ、単層のホトレジスト膜を使用し、通常の紫外線露光
では形成が困難な微小なコンタクトホールを簡単かつ安
定して製作できる。また、ＲＩＥ加工技術によるチーバ
エ、チング加工法に最適なコンタクトホールレジストノ
ｆターンプロファイルを制御性よく形成することができ
る。これによって、大規模ＬＳＩの製造に必要な微小な
孔径と任意のテーパエツチング形状を工程の簡単な単層
レジストプロセスで制御性よく形成できることから、よ
シ大規模で、よシ微細な寸法を有する半導体集積回路並
びに電子デバイスを安価でかつ歩留シよく製造できる利
点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するためのコンタクトホー
ルレジストパターンの一例を示す断面図、第２図は本発
明によるコンタクトホール径制御条件とコンタクトホー
ル径の縮小寸法の関係の一例を示す特性図、第３図は本
発明によるコンタクトホール径制御条件とコンタクトホ
ールレジストパターンの傾斜角並びにチーバエ、チング
によって得られるテーパ部の幅の関係の一例を示す特性
図、第４図は光露光技術で微小なコンタクトホールを形
成する場合の孔径とフォーカスマージンの関係を示す特
性図、第５図〜第７図は従来のコンタクトホール加工方
法の代表例を説明するための断面図であって、第５図は
プラズマエツチング加工法、第６図はりアクティブイオ
ンエツチングによるチーバエ、チング加工法、第７図は
コンタクトホール埋め込み法である。 １・・・基板、２・・・層間絶縁膜、３・・・レジスト
膜、４・・・埋め込み層、５・・・レジスト表面硬化層
、３０・・・レジスト現像処理直後のコンタクトホール
レジストパターン断面フロファイル、３１．３２・・・
本発明の処理を実施した後のコンタクトホールレジスト
パターン断面フロファイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体や電子デバイス基板上にノボラック樹脂とｏ−ナ
   フトキノンジアジド感光剤から成るポジ型ホトレジスト
   を使用してコンタクトホールを形成する工程において、
   上記レジスト膜にリングラフィ技術によりてコンタクト
   ホールパターンを形成したのち、当該基板に紫外線を照
   射して、レジスト膜表面に薄い硬化層を形成したのち、
   当該基板をレジストの軟化点以上に加熱して、レジスト
   パターンを徐々に塑性変形させることにより、コンタク
   トホールの孔径、並びにこの後の工程で実施される絶縁
   膜のドライエッチング加工によって得るコンタクトホー
   ルの断面形状のいずれか単独又は双方を同時に制御する
   ことを特徴とするコンタクトホール形成法。