JP2001077086A - 半導体装置のドライエッチング方法 - Google Patents

半導体装置のドライエッチング方法

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JP2001077086A JP24565699A JP24565699A JP2001077086A JP 2001077086 A JP2001077086 A JP 2001077086A JP 24565699 A JP24565699 A JP 24565699A JP 24565699 A JP24565699 A JP 24565699A JP 2001077086 A JP2001077086 A JP 2001077086A
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dry etching
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organic sog
gas
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Naokatsu Ikegami
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低誘電率層間絶縁膜である有機ＳＯＧ膜を用
いるビアホールのドライエッチングエッチングにおい
て、有機ＳＯＧ膜のエッチング速度を向上させ、かつ、
ビアホールの形状が安定するようなドライエッチング条
件を提供する。 【構成】 低誘電率層間絶縁膜として有機ＳＯＧ膜が用
いられたビアホールのドライエッチングエッチングガス
としてC4F8及びO2とを少なくとも含む混合ガスを用い、
O2／（C4F8＋O2）の混合比を５０％以下にすることに
よってビアホールのドライエッチングをおこなう。その
結果、有機ＳＯＧ膜のエッチング速度が大きくなり、し
かも、ビアホールの形状も安定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体集積回路
素子の製造において用いられる低誘電率の層間絶縁膜の
エッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年のシステムLSIやロジックLSIを中心
とした半導体デバイスの高集積化に伴ない、金属配線の
幅や配線間隔が非常に狭まってきており、配線自身も非
常に長くなってきている。 その結果、配線抵抗や配線
間容量が増大し、これによる配線遅延や消費電力の増大
が無視できなくなってきている。このような高集積化に
伴うデバイス性能への影響を低減する手法として、従来
から用いられたきたアルミニウム（Al）系配線材料に代
わり、銅（Cu）などの低抵抗材料を導入したり、配線間
の絶縁膜を低誘電率化する方法が提案され、実用化に向
けた研究が進められている。
【０００３】特にデバイスの動作速度（動作周波数）を
決定するクリテイカルパスの遅延時間に対する寄与度
は、配線抵抗よりも配線容量の方が大きくなることがシ
ミュレーション結果から予想されており、Cu配線で配線
抵抗を下げるよりも低誘電率膜で配線容量を下げた方
が、得られる性能ははるかに高くなると予想されてい
る。上記低誘電率材料としては、従来の化学気相成長法
（CVD）によるSiO2膜にフッ素を添加したFSG膜や有機Ｓ
ＯＧ（スピンオングラス）膜、有機膜、ポーラス膜など
の研究が盛んに行われている。
【０００４】図１に低誘電率膜として有機ＳＯＧ（スピ
ンオングラス）膜を層間絶縁膜として用いた場合の工程
の一例を示す。図１において、シリコン基板１に形成さ
れた下層金属配線２上に下層酸化膜３としてプラズマTE
OS(テトラエトキシシラン：Tetraethoxy Silane) 酸化
膜を形成した後、有機ＳＯＧ膜４を堆積させる。ＳＯＧ
材料としては、例えば酸化膜（SiO2）にアルキル基を添
加した低誘電率材料を有機溶媒に溶かしたものを用い
る。
【０００５】次に、有機ＳＯＧ表面を酸素（O2）プラズ
マ処理により表面改質させた後、キャップ酸化膜５とな
るプラズマTEOS酸化膜を堆積させる。このキャップ膜５
は、その後のビアホール形成時のフォトリソグラフィ工
程にけるレジスト剥がれの問題を回避するために用いら
れる。 またビアホール内への埋め込み配線を形成する
際の化学機械研磨(CMP)用カバー膜としての役割も果た
している。 そして、O2プラズマによる表面改質層の形
成は、上記化学機械研磨（CMP：Cemical Mechanical Po
lishing）を行なう際のキャップ 膜／有機ＳＯＧ膜間の
膜剥がれを防止するために行なう。
【０００６】次に通常のフォトリソグラフィとドライエ
ッチング技術を用いて上層金属配線９と下層金属配線２
を導通させるためのビアホール７を形成する。ドライエ
ッチングの条件としては、例えば平行平板型反応性イオ
ンエッチング（RIE：Reactive Ion Etching）装置を
用いて、 一般的なSiO2膜のエッチング条件として用い
られているCHF3／CF4／Arの混合ガスを用いて数Paの圧
力条件下で加工する。その後、ビアホール埋め込み配線
であるタングステンプラグ８を形成した後、上層配線９
を形成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た有機ＳＯＧなどの低誘電率膜をデバイスへ導入するに
当たっては、以下に示す問題点が存在する。第１の問題
点は、ビアホールエッチング時のエッチング速度が非常
に遅いという点である。一般に有機ＳＯＧ膜はSiO2膜を
エッチングするガスプラズマを用いてエッチング可能で
ある。例えば上述のように平行平板型ＲＩＥ装置によ
り、CHF3／CF4／Ar混合ガスを用いて１．５Pa程度の圧
力下でプラズマ照射することによりエッチングされる。
【０００８】しかしながら例えば熱的に成長させたSiO2
膜のエッチング速度と比較すると、その値は１／４程度
と非常に遅い。デバイスの高集積化と共にビアホールの
アスペクト比（ホール深さ／ホールサイズ）が高くなっ
てくるとこの影響は顕著となり、特にエッチング時間が
長くなる事によってマスク材であるフォトレジストがも
たない場合が発生ずる。
【０００９】第２の問題点は、ビアホールエッチング後
の後工程での問題であり、これは主に (a)アッシング時
の膜質変化の問題及び (b) 埋め込みタングステン
（Ｗ）形成時のＷF6ガスと有機ＳＯＧ膜との反応の問題
に大別される。まず、(a)について説明する。一般に上
記有機系膜は酸素プラズマ雰囲気での熱処理に弱い性質
があり、ビアホール加工後のO2プラズマアッシング時に
膜質変化（緻密化によるSiO2化）が生ずる。
【００１０】これは、アッシング時にプラズマ中の酸素
ラジカル（O*）が有機ＳＯＧ膜のパターン側壁から膜中
へ進入し、膜中のアルキル基（CH3等）と高温下で反応
することによって発生するものと考えられる。 この反
応は膜中に親水性のSi-OH基やSi-H基を作るため、その
後大気に晒すと多量の水分を吸湿するようになる。
【００１１】このような膜質変化は、デバイスへ導入す
る際、たとえば、（ｉ）誘電率の上昇（ii）膜の縮退に
よる膜厚減少（iii）ビアホール埋め込み（W）時の、多
量のガス（主にH2O等の大気成分）の脱離とそれによる
埋め込み不良、歩留まり低下等の問題を発生させる。
【００１２】次に、 (b)の問題について説明する。ビア
ホール形成後の埋め込みＷ層の形成には、一般に窒化
（ＴｉＮ）密着層をスパッタ法によりホール内に形成し
た後、化学気層成長法（ＣＶＤ）により、Ｗ膜を堆積さ
せる。 このＴｉＮは、Ｗ埋め込み時に堆積ガスとして
使用されるＷＦ６と有機ＳＯＧ側壁との反応を防止する
ための保護層としての役割も果たしている。
【００１３】しかしながらＬＳＩの高集積化に伴い配線
幅の微細化が進むと、ボーダーレス配線と呼ばれるビア
ホールが下地配線上からずれて開口するのを許容する設
計基準が採用されるようになってくる。 このようなボ
ーダーレス配線においては下地配線パターン側壁と、ず
れて開口されたビアホール側壁との間に微細なスリット
が形成されるようになり、ＴｉＮがこの微細スリット内
に十分埋まらないようになってしまう。
【００１４】結果として、ＴｉＮが側壁保護層として作
用しなくなり、その後のＷ埋め込み時にWF6と有機ＳＯ
Ｇ側壁が直接激しく反応してしまい、腐食やＷ剥がれが
発生するようになる。 上記(a),(b)の問題を解決する方
法として、ビアホール形成後に酸素イオン（O+）を主体
にしてアッシングする手法が考えられる。
【００１５】この手法はアッシング時にパターン側壁に
酸素イオン（O+）を優先的に衝撃するようにし、側壁の
極表面層のみ緻密化（SiO2への改質）させることによっ
て、アッシング時の酸素ラジカルが膜中へ進入するのを
抑制する手法である。この側壁改質層はその後の埋め込
みＷ配線層を形成する際のWF6ガスと有機ＳＯＧ側壁と
の反応を抑制するための保護膜としての役割をも果たす
ため、上述した微細スリット内にＴｉＮ密着層が堆積し
なくとも、腐食やＷ剥がれが発生することはなくなる。
【００１６】しかしながらアッシング前（ビアホールエ
ッチング時）に、パターン形状がボーイングしていた
り、下地からの金属スパッタ物が側壁に不均一に付着し
ていたりすると、その後のO+イオン衝撃による側壁改質
層の形成が不均一となり、十分な抑制効果が得られない
ないという問題が発生する。また改質層を形成するだけ
の衝撃エネルギーを側壁に与えると、O+イオンとパター
ン側壁との反応が進行し、新たにビアホールボーイング
形状化させてしまう。 更にO+イオンによるスパッタリ
ングにより、ビアホールの形状変化を引き起こすという
問題点が発生する。
【００１７】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、有機ＳＯ
Ｇ膜から成る絶縁膜に、C4F8及びO2とを少なくとも含む
混合ガスによりコンタクトホールを形成する際に、ドラ
イエッチング時のO2の流量はC4F8＋O2の流量の５０％以
下であるようにしたものである。この結果、トレードオ
フの関係にある有機ＳＯＧ膜のエッチング速度の高速化
と形状の垂直化のの問題を解決できる。
【００１８】第２の発明は、有機ＳＯＧ膜から成る絶縁
膜に、CF4,CHF3及びN2とを少なくとも含む混合ガスによ
りコンタクトホールを形成する際に、ドライエッチング
時のN2の流量はCF4＋CHF3＋N2の全流量の１０％以上か
つ８０％以下であるようにしたものである。この結果、
形状の優れたコンタクトホールを実現できる。
【００１９】第３の発明は、有機ＳＯＧ膜から成る絶縁
膜にレジストパターンによりコンタクトホールを形成
し、コンタクトホール形成後のレジストパターンを除去
するアッシングは、O2＋N2H2あるいはO2＋N2＋H2の混合
ガスを用いるようにしたものである。よって、パターン
側壁から酸素ラジカルが膜中へ進入し、膜質や形状変化
を引き起こす問題を解決する事が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図２にC4F8
／O2／Ar混合ガスを用い、全流量に対するArの流量比を
９４％に固定し、O2／（ C4F8＋O2）の混合比を変化さ
せてエッチングした場合の有機ＳＯＧ膜のエッチング速
度の変化を示す（C4F8＋O2 =100%として表示）。プラズ
マTEOS SiO2膜のエッチング速度の変化も合わせて図中
に示してある。 また、この時の有機ＳＯＧ膜のビアホ
ール形状も合わせて図中に示してある。 用いた装置は
マグネトロンＲＩＥ装置であり、圧力０．３Ｐａ 、RF
パワー1200Wにてエッチングを行った。
【００２１】図２より、C4F8＋O2混合ガス中のO2ガス流
量比が増加するにしたがってエッチング速度は飛躍的に
増加するようになり、O2流量比50%にて最大値を示すこ
とが判る。この時のエッチング速度は、O2添加無しの場
合に比較すると、その約５倍にも達することが判る。
一方、比較のために示したプラズマTEOS SiO2膜の場合
は、 O2混合比の増加ととともにエッチング速度は単調
に減少する（単純な希釈効果）ことが判る。このことか
ら、上記O2の添加効果は有機ＳＯＧ膜に特有な現象と考
えられ、C4F8ガス以外にO2ガスも有機ＳＯＧ膜のエッチ
ング種として寄与している事を示している。
【００２２】O2添加による高速化のメカニズムは、エッ
チン反応を阻害すると考えられる有機ＳＯＧ膜中のCH3
基が、プラズマ中のＯラジカルの攻撃によってSiOH基や
Si-O-Si結合などに変化し、これらの酸化層の形成が、
続いて起こるCFx種等の攻撃によって容易にエッチング
反応へと進行させることに起因するものと考えられる。
【００２３】しかしながらO2添加によって高速化が促進
される反面、ビアホール形状は次第にトレンチングと呼
ばれるホール中心とホール端でのエッチング速度差が大
きくなる形状に変化するようになる（図２）。 このよ
うに本プロセスではエッチング速度の高速化と形状の垂
直化の間にはトレードオフの関係があり、両者を同時に
満足させる最適なO2ガス混合比が存在する。 実験結果
から、両者を満足させる最適なO2ガスの流量比は５０％
以下にする必要がある事が判った。
【００２４】（第２の実施の形態）図３にCF4／CHF3／A
r（=20／30／400 sccm ）混合ガスに、N2ガスを添加し
ていった場合の有機ＳＯＧ膜のエッチング速度の変化を
示す。 プラズマTEOS SiO2膜のエッチング速度の変化も
合わせて図中に示した。用いた装置は平行平板型RIE装
置であり、圧力 １．５Ｐａ、RFパワー1600W にてエッ
チングを行った。 図３より、N2添加量と共にエッチン
グ速度は次第に増加することが判る。N2添加量50 (scc
m)の場合のエッチング速度は、N2を添加しない場合に比
較して約２倍にも達することが判る。
【００２５】一方、比較のために示したプラズマTEOS S
iO2膜の場合は、N2混合比の増加ととともにエッチング
速度は単調に減少することが判る（単純な希釈効果）。
このことから、上記N2の添加効果はO2添加の場合と同
様、有機ＳＯＧ膜に特有な現象と考えられる。 このよ
うにフルオロカーボンガスへのN2の添加により、エッチ
ング速度が高速化する現象は、CF4／CHF3ガス以外にN2
ガスも有機ＳＯＧ膜との表面反応に関与している事を示
唆しているものと考えられる。
【００２６】一方、N2を添加していった場合の有機ＳＯ
Ｇ膜のビアホール形状は、O2添加の場合に観測されたよ
うな、形状を極端に悪化させせるような形状（トレンチ
ング形状）にはならない事が判った。 また、実験結果
から、フルオロカーボンガスに対するN2ガスの比率（N2
流量／N2流量＋フルオロカーボンガス流量）は１０%以
上８０%以下にする事が効果的である事が判った。
【００２７】（第３の実施の形態）次に、本発明の第３
の実施の形態を説明する。図１において 、プラズマア
ッシングによってレジストを除去する。ここでのアッシ
ングにはO2＋N2H2混合ガスを用い、装置はイオン／ラジ
カル入射頻度比が高く、イオンがある程度の方向性とエ
ネルギーをもって入射できる装置構成の、低圧ダウンフ
ロータイプのアッシャーを用いる。アッシング圧力は例
えば０．４５Ｐａ、温度は１００℃にてアッシングを行
う。
【００２８】O2／N2H2混合比は例えば９０％／１０％に
設定する。上記O2／ N2H2混合ガスを用いることによっ
て、有機ＳＯＧ側壁にNとの反応層（主に膜中のアルキ
ル基との反応層）が側壁保護層として形成されながらア
ッシングされるようになる。その結果、パターン側壁か
ら酸素ラジカルが膜中へ進入し、膜質や形状変化を引き
起こす問題を解決する事が可能となる。
【００２９】そして、この窒化層（側壁保護層）は、そ
の後の埋め込みＷ配線形成時のＷF6ガスと有機ＳＯＧ側
壁との反応を抑制する働きがあるため、ボーダーレス配
線に対応した埋め込み配線を形成することが可能とな
る。さらに上記反応層はプラズマ中の主にNラジカルと
の反応によって、有機ＳＯＧ側壁の極表面層にのみ形成
されるため、前述したO+イオン照射の場合よりも均一性
に優れている。 さらに、O+イオン照射のように側壁と
反応して形状を変化させることもない。また、 O2／N2
／H2の混合ガスを用いても全く同様の結果が期待でき
る。
【００３０】
【発明の効果】以上述べたように、第１の発明ではフル
オロカーボンガスへO2ガスを添加し、かつそのガス混合
比を５０％以下にするようにしたため、トレードオフの
関係にあるエッチング速度の高速化と形状の垂直化を同
時に満足させる事が可能となった。 これにより、量産
時のスループットの問題や、レジスト耐性の問題を回避
することが可能となる。
【００３１】また、第２の発明においては、フルオロカ
ーボンガスへN2ガスを添加し、且つそのガス混合比を１
０%以上８０%以下にする事により、垂直で良好な形状を
維持しながらエッチング速度の高速化を達成することが
可能となる。これにより、量産時のスループットの問題
や、レジスト耐性の問題を回避することが可能となる。
【００３２】そして、第３の発明では、ビアホール形成
のエッチング後のアッシングにO2＋N2H2混合ガスを用い
るようにしたため、アッシング時に側壁にNとの反応層
（保護層）が形成され、パターン側壁から酸素ラジカル
が膜中へ進入し、膜質や形状変化を引き起こす問題を解
決する事が可能となる。 さらにこの窒化層（側壁保護
層）は、その後の埋め込みＷ配線形成時のWF6ガスと有
機ＳＯＧ側壁との反応を抑制する働きがある。さらに上
記反応層はプラズマ中の主にNラジカルとの反応によっ
て、有機ＳＯＧ側壁の極表面層にのみ形成されるため、
均一性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術及び本発明の実施の形態を説明するた
めのビアホールのドライエッチング工程図である。
【図２】本発明の実施の形態における、O2、C4F8とを含
む混合ガスによりビアホールのドライエッチングをおこ
なった場合の、エッチング速度のO2分圧依存性。
【図３】 本発明の実施の形態における、フロオロカー
ボンとN2の混合ガスによりビアホールのドライエッチン
グをおこなった場合の、エッチング速度のN2分圧依存
性。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ２ 下層配線 ３ プラズマTEOS酸化膜 ４ 有機ＳＯＧ膜 ５ キャップ酸化膜 ６ レジスト膜 ７ ビアホール ８ タングステンプラグ ９ 上層配線
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F004 AA00 BA04 BA13 BB11 BD01 CA01 DA00 DA01 DA16 DA23 DA25 DA26 DB00 DB03 DB23 EA14 EB01 EB03 FA08 5F033 JJ19 PP04 PP06 QQ09 QQ11 QQ13 QQ15 QQ37 QQ92 RR25 SS04 SS15 SS21 TT04 TT07 WW06 XX14 XX23 XX27

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 有機ＳＯＧ膜から成る絶縁膜に、C4F8及
    びO2とを少なくとも含む混合ガスによりコンタクトホー
    ルを形成する半導体装置のドライエッチング方法におい
    て、 O2の流量はC4F8＋O2の流量の５０％以下であることを特
    徴とする半導体装置のドライエッチング方法。
  2. 【請求項２】 有機ＳＯＧ膜から成る絶縁膜に、CF4,CH
    F3及びN2とを少なくとも含む混合ガスによりコンタクト
    ホールを形成する半導体装置のドライエッチング方法に
    おいて、 N2の流量はCF4＋CHF3＋N2の流量の１０％以上かつ８０
    ％以下であることを特徴とする半導体装置のドライエッ
    チング方法。
  3. 【請求項３】 有機ＳＯＧ膜から成る絶縁膜に、コンタ
    クトホールを形成する半導体装置のドライエッチング方
    法において、 コンタクトホール形成時のレジストパターンを除去する
    アッシングは、O2＋N2H2あるいはO2＋N2＋H2であること
    を特徴とする半導体装置のドライエッチング方法。
  4. 【請求項４】 前記有機ＳＯＧ膜は酸化膜シリコンにア
    ルキル基を添加されていることを特徴とする請求項１乃
    至３項記載の半導体装置のドライエッチング方法。
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