JP2001189302A - ドライエッチング方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

ドライエッチング方法及び半導体装置の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 活性化された新規な組成の反応ガスを用いて
被膜をドライエッチングする方法において、下地膜がア
ッシングされずにこの上に形成された炭素原子を含む被
膜をアッシングする方法を提供する。 【解決手段】 炭素原子を含むガスあるいは炭素原子に
酸素原子、窒素原子あるいは水素原子の少なくとも1つ
を含む反応ガス(O2 /COなど)を用いて絶縁膜など
の下地膜上に形成されたフォトレジストなどの炭素原子
を含む膜をアッシングする。低誘電率化された絶縁膜
(LKD膜)13上に反射防止膜15及びフォトレジス
ト16を形成し、これをマスクにして絶縁膜13に配線
12′に達するコンタクト孔を形成し、その後フォトレ
ジスト及び反射防止膜を上記ドライエッチング方法でア
ッシングして除去する。下地の絶縁膜13がアッシング
されずにその上のフォトレジスト16が効率良くアッシ
ングされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、活性化された反応
ガスを用いて絶縁膜上、金属膜上もしくは炭素原子を含
む組成からなる膜上に形成された炭素原子を含む膜を除
去するドライエッチング方法及びこのドライエッチング
方法を使用した半導体装置の製造方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】半導体装置は、その高集積化に伴いさら
なるパタ−ンの微細化が要求されるようになってきてい
る。さらに高速応答化のために配線抵抗や寄生抵抗の低
減等が試みられている。半導体装置の微細化を進めるに
は、フォトレジストの解像度を改善する必要があり、今
後の半導体装置の開発にはフォトレジストの薄膜化が有
効である。また、フォトレジスト膜の直下には反射防止
膜を形成し、フォトレジスト膜のパターニングを行って
いる。一方、半導体装置の高速化のために配線寄生容量
の低下が要求され、層間絶縁膜の低誘電率化(これをL
ow−k膜という)が検討されている。この低誘電率化
された層間絶縁膜としては、シルク、フレアー等、CF
系のテフロンなどの有機系膜や、無機シリコン酸化膜等
のポーラスで比較的脆い無機膜や無機膜中に炭素原子を
含む有機成分を有する有機シリコン酸化膜があげられ
る。従来の酸化膜の比誘電率が約4であるのに対して、
これらの絶縁膜は、比誘電率が3以下の値を有してい
る。この層間絶縁膜上にフォトレジストをパタ−ニング
した後に配線溝やコンタクトホ−ルのエッチング加工を
行なった場合、その後の工程で配線材料等を埋め込む場
合に備えてフォトレジストを剥離しておく必要がある。
【0003】従来のフォトレジスト剥離法では、ウエハ
−温度を200℃以上の高温に上昇させて酸素ガスを主
体とするプロセスガスを用いたダウンフロ−アッシング
が用いられている。この方法ではフォトレジスト中の炭
素・酸素・水素等の原子が活性ガス中の酸素原子と反応
することによりレジスト剥離処理を実現していた。この
時の反応生成物は、CO2 、CO、H2 O等であると考
えられているが、十分な剥離速度を得るために、通常、
半導体基板温度を200℃以上に上昇させて反応性を高
める方法が用いられていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のフォト
レジスト剥離法では、下地膜として炭素原子を含む組成
からなる膜を有する構造の多層膜がある場合に、活性ガ
ス中の酸素原子と反応して下地膜中の炭素原子を脱離さ
せてしまう。このためフォトレジスト膜の下地膜がCF
系のテフロン系有機膜(Low−k膜)の場合には、フ
ォトレジスト剥離時にその下地膜がエッチングされてし
まい、寸法変換差が生じるという問題が発生している。
また、下地膜が無機膜に炭素原子を含有させた膜(有機
シリコン酸化膜)の場合には、下地膜表面から炭素原子
の脱離層が形成されてしまい、下地膜の比誘電率値が変
化するという問題が生じている。また、この時、膜中の
炭素原子が脱離した後の下地膜は、収縮するため寸法変
換差が変化するだけでなく、応力がかかり、クラック発
生の原因となるという問題も生じている。
【0005】さらに空中配線を形成するための工程とし
て、下地膜がポ−ラスな絶縁膜中に炭素膜が埋め込まれ
ている構造を有する場合には、炭素膜に配線溝及びコン
タクトホール加工を行った後にフォトレジスト剥離を行
い、その後バリアメタル及び配線材料の埋め込み、CM
P(Chemical Mechanical Polishing) を順次行う工程を
有している。しかし、従来の方法ではこのフォトレジス
ト剥離の時点で下地膜中に埋め込まれた炭素膜がアッシ
ングされてしまい、下地膜がけずれ、その結果寸法変換
差が生じるという問題が発生している。本発明は、この
ような事情によりなされたものであり、活性化された新
規な組成の反応ガスを用いて被膜をアッシングする方法
において、下地となる膜がアッシングされずにこの下地
膜上に形成された炭素原子を含む被膜をアッシングする
ドライエッチング方法及びこのドライエッチング方法を
用いた半導体装置の製造方法を提供する。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、活性化された
反応ガスを用いて被膜をドライエッチングする方法にお
いて、炭素原子と、酸素原子、窒素原子あるいは水素原
子の少なくとも1つを含むガスを用いて少なくとも1層
からなる絶縁膜上、金属膜上もしくは炭素原子を含む組
成からなる膜上に形成された炭素原子を含む膜をアッシ
ングすることを特徴としている。このようなガスを用い
ることにより、下地となる膜である被膜がアッシングさ
れずにその上に形成された炭素原子を含む被膜を効率良
くアッシング除去することができる。すなわち、本発明
のドライエッチング方法は、活性化された反応ガスを用
いて被膜をドライエッチングする方法において、炭素原
子と、酸素原子、水素原子及び窒素原子の少なくとも1
つを含むガスを用いて前記被膜上に形成された炭素原子
を含む膜を除去することを特徴としている。前記被膜
は、炭素原子を含む組成からなる膜、絶縁膜又は金属膜
のいずれかから選択されるようにしても良い。前記炭素
原子を含む組成からなる膜は、炭素膜、有機シリコン酸
化膜、有機膜から選択されるようにしても良い。前記絶
縁膜は、無機膜又は有機シリコン化合物膜であるように
しても良い。
【0007】前記無機膜は、シリコン酸化膜又はシリコ
ン窒化膜であるようにしても良い。前記炭素原子を含む
膜は、フォトレジスト又は塗布型有機反射防止膜である
ようにしても良い。炭素原子と、酸素原子、水素原子及
び窒素原子の少なくとも1つを含むガスのうち、炭素原
子及び酸素原子を含むガスにおいて、炭素原子の比率が
酸素原子の比率の1/3より大きいようにしても良い。
前記炭素原子及び酸素原子を含むガスは、酸素及び二酸
化炭素からなるガス、酸素及び一酸化炭素からなるガ
ス、一酸化炭素ガス及び二酸化炭素ガスの中から選択さ
れたガスを用いるようにしても良い。前記ドライエッチ
ング方法において、基板温度を150℃以、下にするよ
うにしても良い。前記ドライエッチング方法において、
反応圧力を400mTorr以下にするようにしても良
い。
【0008】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体
基板上に絶縁膜、フォトレジストを順次積層する工程
と、前記フォトレジストを所定の形状にパターニングす
る工程と、前記フォトレジストをマスクにして前記絶縁
膜をエッチングすることによりコンタクトホール又は配
線溝を形成する工程と、炭素原子と、酸素原子、水素原
子及び窒素原子の少なくとも1つを含むガスを用いて前
記フォトレジストをアッシングして除去する工程と、前
記コンタクトホール内又は配線溝内に金属配線層を堆積
させて、その内部にコンタクト配線又は埋め込み配線を
形成する工程とを備えたことを特徴としている。前記絶
縁膜は、無機膜、有機シリコン化合物膜及び炭素原子を
含む低誘電率の絶縁膜の中から選択されるようにしても
良い。前記無機膜は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化
膜であるようにしても良い。また、本発明の半導体装置
の製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜上に金
属膜、フォトレジストを順次積層する工程と、前記フォ
トレジストを所定の形状にパターニングする工程と、前
記フォトレジストをマスクにして前記金属膜をエッチン
グすることにより配線を形成する工程と、炭素原子と、
酸素原子、水素原子及び窒素原子の少なくとも1つを含
むガスを反応ガスとして、前記フォトレジストをアッシ
ングして除去する工程とを備えたことを特徴としてい
る。
【0009】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に絶縁膜、第1のフォトレジストを順次積
層する工程と、前記第1のフォトレジストを所定の形状
にパターニングする工程と、前記第1のフォトレジスト
をマスクにして、前記絶縁膜をエッチングして第1の配
線溝を形成する工程と、炭素原子と、酸素原子、水素原
子及び窒素原子の少なくとも1つを含むガスを用いて前
記第1のフォトレジストをアッシングして除去する工程
と、前記第1の配線溝内に炭素膜を埋め込む工程と、前
記炭素膜を被覆するように前記絶縁膜上に第2のフォト
レジストを積層する工程と、前記第2のフォトレジスト
を所定の形状にパターニングする工程と、前記第2のフ
ォトレジストをマスクにして、前記炭素膜をエッチング
して第2の配線溝を形成する工程と、炭素原子と、酸素
原子、水素原子及び窒素原子の少なくとも1つを含むガ
スを用いて、前記第2のフォトレジストをアッシングし
て除去する工程と、前記第2の配線溝内に金属配線層を
堆積させて、その内部に配線を埋め込む工程と、前記配
線及び前記炭素膜を被覆するように、前記層間絶縁膜上
にポーラスシリコン酸化膜を形成する工程と、前記炭素
膜を加熱して前記第1の配線溝から除去して前記配線の
周囲を空洞にする工程とを備えたことを特徴としてい
る。前記絶縁膜及び前記フォトレジストの間には反射防
止膜を介在させるようにしても良い。前記炭素原子と、
酸素原子、水素原子及び窒素原子の少なくとも1つを含
むガスのうち、酸素原子及び炭素原子を含むガスは、酸
素及び二酸化炭素からなるガス、酸素及び一酸化炭素か
らなるガス、一酸化炭素ガス及び二酸化炭素ガスの中か
ら選択されたガスを使用するようにしても良い。前記酸
素原子及び炭素原子を含むガスにおいて炭素原子の比率
が酸素原子の比率の1/3より大きいようにしても良
い。前記フォトレジストをアッシングして除去する工程
において、基板温度を150℃以下にするようにしても
良い。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。まず、図1乃至図6、図13及び図
14を参照しながら第1の実施例を説明する。図1及び
図2は、本発明のドライエッチング方法を適用した半導
体装置の配線形成方法を説明する工程断面図、図3は、
フォトレジストのアッシング速度及び下地膜もしくは被
エッチング膜の側壁膜厚変化量とCOを含むアッシング
ガス組成との関係を説明する特性図、図4は、フォトレ
ジストのアッシング速度及び下地膜もしくは被エッチン
グ膜の側壁膜厚変化量とアッシング時の半導体基板の温
度との関係を説明する特性図、図5は、フォトレジスト
のアッシング速度及び下地膜の側壁膜厚変化量とアッシ
ング時の圧力との関係を説明する特性図、図6は、アッ
シング装置の概略断面図、図13は、フォトレジストの
アッシング速度及び下地膜の側壁膜厚変化量とアッシン
グガス組成との関係を説明する特性図、図14は、フォ
トレジストのアッシング速度及び下地膜の側壁膜厚変化
量とCO2を含むアッシングガス組成との関係を説明す
る特性図である。
【0011】本発明は、前述した従来技術の問題を解決
するものでり、活性化された反応ガスを用いて被膜をド
ライエッチングする方法において、炭素原子と、酸素原
子、窒素原子及び水素原子の少なくとも1つを含むガス
を用いて絶縁膜上、金属膜上もしくは炭素原子を含む組
成からなる膜上などの前記被膜上に形成されたフォトレ
ジストなどの炭素原子を含む膜をアッシングする方法に
関するものである。シリコン半導体等の半導体基板11
上に層間絶縁膜として膜厚500nmの低誘電率化され
た絶縁膜(以下、これをLKD膜という)12を塗布形
成する。このLKD膜12に、例えば、アルミニウムな
どの金属配線12′を埋め込み形成する。このLKD膜
12上に、層間絶縁膜として膜厚400nmのLKD膜
13を塗布形成する。このLKD膜13は、無機系膜中
に炭素原子が含まれている構造のベンゾシクロブテン
(Benzocyclobutene(BCB))、フ
ロロポリマー(Fluoropolymer(Cyto
p))などの有機シリコン酸化膜からなるものである。
【0012】LKD膜にはこの他にポリシロキサン(P
olysiloxane)、ハイドロゲン−シルセスキ
オキサン(Hydrogen−silsesquiox
ane)などの無機シリコン酸化膜、ポリアリレンエー
テル(Poly(Arylene)ether)、パリ
レン(Parylene)−AF4、ポリイミド(Po
lyimide)などのCF系膜などがある。この半導
体基板(ウエハ−)に酸素プラズマ処理を行い、酸化膜
である表面改質層14を形成する。この上に膜厚60n
mの反射防止膜15及び0.6μmのフォトレジスト1
6を塗布形成する。その後周知技術のリソグラフィ−法
によりフォトレジスト16をパタ−ニングする(図1
(a))、そして、このパターニングされたフォトレジ
スト16をマスクにして反射防止膜を加工する(図1
(b))。その後、表面改質層14及びLKD膜13を
4 8 /CO/O2 /Arからなるエッチングガスを
用いてRIEエッチングを行い、深さ400nmでパタ
−ンの大きさは0.2μmのコンタクトホ−ルを形成す
る。コンタクトホールは、底面にLKD膜12に埋め込
まれた金属配線12′の表面が露出している(図2
(a))。
【0013】さらに、LKD膜13上に残ったフォトレ
ジスト16及び反射防止膜15を剥離する(図2
(b))。その後、TiNバリアメタル層18を膜厚3
0nm程度表面改質層14上及びコンタクトホール内壁
上に成膜する。次に、アルミニウム(Al)膜19をス
パッタリングにより700nmの膜厚分の成膜でコンタ
クトホ−ル内に埋め込み、その後、LKD膜13の表面
層が出るまでAl膜19をCMP(Chemical Mecanical
Polishing)法により研磨する。そして、コンタクトホー
ル内にコンタクト配線として用いられるアルミニウム膜
19を形成する。アルミニウム膜19は、層間絶縁膜1
3上に後工程で形成されるアルミニウムなどからなる上
層配線(図示しない)と金属配線(下層配線)12′と
を電気的に接続する(図2(c))。なお、本発明に用
いる金属配線は、アルミニウムに限らない。例えば、A
l−Si−Cu、Al−Cu、W、WSi、Cu等を使
用することが可能である。さらに、金属配線間を接続す
るコンタクト配線もこれらの材料を用いることができ
る。そして、これらの配線は互いに異なる材料を用いる
ことができるし、同じ材料を用いることができる。これ
らの材料の選択は、半導体素子の特性などを考慮するこ
とにより任意に成し得るものである。実施例では、LK
D膜は、塗布により成膜されているが、CVD法を用い
ても成膜することができる。また、この実施例ではコン
タクトホールを加工しているが、本発明は、配線又は他
のパターンなど他の加工にも用いることができる。
【0014】図6は、アッシング装置の概略断面図であ
る。真空チャンバー1の内部にはシリコンウエハーなど
の被処理物2を載置する載置台3が設けられている。こ
の載置台3に対向して対向電極6′が設けられている。
この載置台3は、温度調節機構を有しており、被処理物
2の温度を制御できるようになっている。また、真空チ
ャンバーの天壁には、ガス導入管4が接続されている。
ガス導入管4から真空チャンバーにガスが導入され、排
気口5の弁により圧力が調整される。圧力が安定を示し
た後載置台3下の高周波電極6から高周波を印可するこ
とにより真空チャンバー内にプラズマを発生させ、被処
理物2をアッシングする。この実施例では図6のアッシ
ング装置を用いているが、本発明は、他のプラズマ源を
用いたアッシング装置を用いることもできる。また、プ
ラズマアッシング装置以外にも他のアッシャー装置(例
えば、ダウンフローアッシャー装置(マイクロ波を用い
たアッシャー装置を含む)など)でも使用することがで
きる。この実施例では、例えば、フォトレジストなどの
炭素原子を含む膜の加工は、酸素原子及び炭素原子を含
む新規な材料からなるガスを用いるプラズマプロセスで
行なう。アッシング装置は、図6に示す平行平板型アッ
シング装置であり、アッシング条件は、O2 /CO=1
00/200ccm、100mTorr、500W、3
0℃である。
【0015】図3は、縦軸がフォトレジストのアッシン
グ速度(nm/分)(−○−)及びフォトレジストを3
00nmアッシングした時の下地膜であるLKD膜(−
△−)、CF系膜(−□−)、C系膜の側壁変質層及び
変化膜厚(nm)であり、横軸は、アッシングガスのC
O濃度(モル%)(CO/(O2 +CO))である。図
3に示すように、この条件でアッシングを行うと、炭素
系膜は、アッシングガスのCO濃度を約67%以上にす
るとサイドエッチング無しで寸法変換差を無くすことが
出来る。この様に酸素原子及び炭素原子を含むプロセス
ガス中で、炭素原子の比率が酸素原子の比率の1/3よ
り高い領域で特にサイドエッチングの抑制効果が高い。
さらに、150℃以下のプロセスにすることで、十分な
フォトレジストのアッシング速度を保ちながらサイドエ
ッチングを抑制することが出来る。また、400mTo
rr以下のプロセスにすることにより、有効にサイドエ
ッチングを抑制することができた。
【0016】図13は、図3のアッシングガスを変えた
もので、フォトレジストのアッシング速度及び下地膜も
しくは被膜の側壁膜厚変化量とアッシングガス組成との
関係を説明する特性図である。縦軸は、フォトレジスト
のアッシング速度(nm/分)(−○−)及びフォトレ
ジストを300nmアッシングした時の下地膜であるL
KD膜(−△−)、CF系膜(−□−)、C系膜(反射
防止膜)(−◇−)の側壁変質層及び変化膜厚(nm)
であり、横軸は、O2 ガス及びXガスから構成されたア
ッシングガスの炭素(C)原子密度(%)(X/(O2
+X)=2/3の場合)である。図13のA点は、X=
0の場合(従来例)であり、O2 単独である。B点は、
X=CO2 の場合であり、C点は、X=COの場合であ
る。本発明において、酸素ガスをアッシングガスの成分
とする場合、その成分は、酸素ガス単独のみを意味する
ものでは無く、窒素ガス及び水素ガスの双方もしくはい
ずれか一方を含むことも可能である。
【0017】図14は、アッシングガスに酸素と二酸化
炭素とから構成されたガスを用いた場合の特性図であ
る。縦軸がフォトレジストのアッシング速度(nm/
分)(−○−)及びフォトレジストを300nmアッシ
ングした時の下地膜であるLKD膜(−△−)、CF系
膜(−□−)、C系膜(−◇−)の側壁変質層及び変化
膜厚(nm)であり、横軸は、アッシングガスのCO2
濃度(モル%)(CO2 /(O2 +CO2 ))である。
図14に示すように、この条件でアッシングを行うと、
炭素系膜は、アッシングガスのCO2 濃度を約75%以
上にするとサイドエッチング無しで寸法変換差を無くす
ことが出来る。この実施例では、O2 +CO、O2 +C
2 などのアッシングガスを剥離プロセスで用いている
が、他の有機膜を下地膜に用いることができる。さら
に、LKD膜13加工後のフォトレジスト剥離は、従来
の方法では酸素ガスによるプラズマアッシングで行なっ
ていたが、LDK膜13の側壁から炭素原子が脱離して
しまい変質層(側壁炭素離脱層)が形成されるという問
題があった。これは低圧の酸素アッシングでは酸素イオ
ンと酸素ラヂカルによるフォトレジストのイオンアシス
トエッチングが起きるが、等方的な酸素ラジカル成分が
コンタクトホ−ル内に進入し、このラジカルに触れる部
分から炭素原子を脱離させることによるものである。ま
た、膜中から炭素原子が抜けることによる寸法変換差の
広がりもあった。
【0018】このため、この実施例では、フォトレジス
ト16及び反射防止膜15の剥離は、酸素原子及び炭素
原子を含むガスを用いるプラズマプロセスで行なった。
アッシング装置は、図6に示す平行平板型であり、アッ
シング条件は、O2 /CO=30/270ccm、10
0mTorr、500W、30℃である。図3に示すよ
うに、この条件ではフォトレジストの剥離は進行する
が、LKD膜側壁からの炭素原子の脱離は無くすことが
出来るため側壁変質層を形成することが極めて少なくす
ることが可能になる(図2(c))。この様に酸素原子
及び炭素原子を含むプロセスガス中で、炭素原子の比率
が酸素原子の比率の1/3より高い領域で特に炭素原子
の脱離の制御効果が高い。さらに、図4に示すようにプ
ラズマアッシング法による150℃以下のプロセスにす
ることで、十分なレジストアッシング速度を保ちながら
下地膜であるLKD膜側壁の炭素脱離を抑制することが
出来る。図4は、縦軸がフォトレジストのアッシング速
度(nm/分)(−○−)及びフォトレジストを300
nmアッシングした時の下地膜であるLKD膜(−△
−)の側壁変化膜厚(nm)であり、横軸は、半導体基
板のエッチング温度(℃)である。また、図5に示すよ
うに400mTorr以下のプロセスにすることで、よ
り有効に下地膜であるLKD膜側壁の炭素脱離を抑制で
きる。図5は、縦軸がフォトレジストのアッシング速度
(nm/分)(−○−)及びフォトレジストを300n
mアッシングした時の下地膜であるLKD膜(−△−)
の側壁変化膜厚(nm)であり、横軸は、アッシング時
の圧力(Torr)である。
【0019】以上、この実施例は、炭素原子を含むガス
あるいは酸素原子及び炭素原子を含むガスを用いること
により、下地膜がエッチングされずにその上に形成され
た炭素原子を含む膜(フォトレジスト)を効率良くドラ
イエッチングすることができる。また、図3に示すよう
に酸素ガスを用いずCOガスのみでもこのような効果が
得られることは明らかである。また、この実施例では、
アッシングガスとしてCOガスを説明したが、本発明で
は、炭素原子を含むガスは、圧力、温度、パワー等を制
御することにより以下の材料を用いることもできる。す
なわち、CO2 、C5 12、C5 10、C4 10、C4
8 、C4 6 、C 3 9 N、C3 8 、C3 6 O、
3 6 、C3 4 、C2 2 、C2 7 N、C2 6
O、C2 6 、C2 4 O、C2 4 、C2 2 、CO
S、CH5 N、CH4 S、CH4 、CHN等があり、炭
素原子に酸素原子、窒素原子あるいは水素原子の少なく
とも1つを含むガスが用いられる。
【0020】次に、図7及び図8を参照して第2の実施
例を説明する。図7及び図8は、本発明のドライエッチ
ング方法を適用した半導体装置の配線形成方法を説明す
る工程断面図である。この実施例では、層間絶縁膜のL
KD膜としてCF系膜20をCVD法により形成した場
合について説明する。CF系膜は、塗布法を用いて形成
しても良い。まず、シリコン半導体等の半導体基板11
上に層間絶縁膜として膜厚500nmのLKD膜12を
塗布形成する。次に、このLKD膜12に、例えば、ア
ルミニウムなどの金属配線12′を埋め込み形成する。
このLKD膜12上に、層間絶縁膜として膜厚400n
mのLKD膜20を形成する。このLKD膜20は、C
F系のCVD絶縁膜である。この時の成膜条件は、CF
4 /O2 =200/50ccm、1Torr、500
W、400℃でマイクロ波放電により成膜する。この上
に膜厚60nmの反射防止膜15及び0.6μmのフォ
トレジスト16を塗布形成する。その後周知のリソグラ
フィ−法によりフォトレジスト16をパタ−ニングする
(図7(a))。
【0021】このパターニングされたフォトレジスト1
6をマスクに反射防止膜15を加工する(図7
(b))。そして、LKD膜20をC4 8 /CO/O
2 /Ar反応ガスを用いてRIEエッチングし、深さ4
00nmでパタ−ンの大きさが0.2μmのコンタクト
ホ−ルを形成する。コンタクトホールの底面には金属配
線12′が露出している(図8(a))。さらにLKD
膜20上に残ったレジスト16及び反射防止膜を第1の
実施例と同じアッシング条件でO2 /COを用いたプラ
ズマプロセスにより剥離する(図8(b))。その後、
TiNバリアメタル層18を30nm程度成膜させ、ア
ルミニウム(Al)膜19をスパッタリング法により7
00nm程度の膜厚分の成膜によりコンタクトホ−ル内
を埋め込む。その後、LKD膜表面が出るまでAl膜1
9をCMP法により研磨する。この結果コンタクトホー
ルの中にAl膜19のコンタクト配線が形成される。こ
のコンタクト配線は、上層配線(図示しない)と金属配
線(下層配線)12′とを電気的に接続する(図8
(c))。
【0022】ここでCF系膜のLKD膜20加工後のフ
ォトレジスト剥離は、従来の方法では酸素ガスによるプ
ラズマアッシングで行なっていたが、この方法によると
CF系膜のLKD膜20の上部がエッチングされると共
に側壁がサイドエッチングされてしまい寸法変換差が生
じるという問題があった。これは低圧の酸素RIEでは
酸素イオンと酸素ラジカルによるフォトレジストのイオ
ンアシストエッチングが起きるが、等方的な酸素ラジカ
ル成分がコンタクトホ−ル内に侵入し、このラジカル系
ガスにふれる部分からCF系膜の層間絶縁膜20のエッ
チングが進行するためであり、さらにイオンは角度分布
を持つため側壁でもイオンアシストエッチングが起きて
いるためである。以上、この実施例は、炭素原子を含む
ガスあるいは酸素原子及び炭素原子を含むガスを用いる
ことにより、下地膜となる絶縁膜がエッチングされずに
その上に形成された反射防止膜及び炭素原子を含む膜
(フォトレジスト)を効率良くアッシングすることがで
きる。図3に示すように酸素ガスを用いなくてもCOガ
スのみでもこのような効果が得られる。この実施例では
CF系膜を用いているが、他の有機膜を用いることもで
きる。
【0023】また、この実施例ではアッシングガスとし
てCOガスを用いたが、炭素原子を含むガスは、圧力、
温度、パワー等を制御することにより以下の材料を用い
ることもできる。すなわち、CO2 、C5 12、C5
10、C4 10、C4 8 、C4 6 、C 3 9 N、C3
8 、C3 6 O、C3 6 、C3 4 、C2 2 、C
2 7 N、C2 6 O、C2 6 、C2 4 O、C2
4 、C2 2 、COS、CH5 N、CH4 S、CH4
CHN等があり、炭素原子に酸素原子、窒素原子あるい
は水素原子の少なくとも1つを含むガスが用いられる。
なお、金属配線は、アルミニウムに限らない。例えば、
Al−Si−Cu、Al−Cu、W、WSi、Cu等を
使用することが可能である。また、実施例にしめしたコ
ンタクトホールに限らず、配線溝あるいは他のパターン
においても同様な傾向が得られる。
【0024】次に、図9乃至図12を参照して第3の実
施例を説明する。図9乃至図12は、本発明のドライエ
ッチング方法を適用した半導体装置の配線形成方法を説
明する工程断面図である。この実施例では、層間絶縁膜
のLKD膜としてポーラスで脆い無機系膜を用いる。す
なわち、下地膜に空中配線を形成するためのポ−ラスな
絶縁膜中に炭素系膜が埋め込まれている構造を有する配
線構造を説明する。半導体基板11上に形成された膜厚
500nmのシリコン窒化膜21に、ポ−ラスシリコン
酸化膜22をCVD法により形成する。この上に膜厚6
0nmの反射防止膜15及び0.6μmのフォトレジス
ト16を塗布形成する。その後周知のリソグラフィ−法
によりフォトレジスト16をパタ−ニングする(図9
(a))。このパターニングされたフォトレジストをマ
スクにして反射防止膜15を加工する(図9(b))。
そして、ポ−ラスシリコン酸化膜22をシリコン窒化膜
21をエッチングストッパ−にしてC4 8 /CO/O
2 /Arガスを用いてRIEエッチングを行い、深さ4
00nm、パタ−ンの大きさが0.3μm角の配線溝を
0.3μm間隔で形成する(図10(a))。
【0025】さらに、ポ−ラスシリコン酸化膜22上に
残ったフォトレジスト16及び反射防止膜15を酸素ダ
ウンフロ−アッシングにより剥離する(図10
(b))。その後、膜厚700nmの炭素膜23をスパ
ッタリングにより形成し、これをポ−ラスシリコン酸化
膜22に形成された溝に埋め込む。この炭素膜は、フォ
トレジストや反射防止膜と比較して非常に強固な膜であ
り、炭素濃度も2〜3倍程度ある膜である。この実施例
ではCVD法を用いているが、塗布法を用いることもで
きる。その後CMP方法によりポ−ラスシリコン酸化膜
22の表面まで炭素膜23をCMP法で研磨する(図1
0(c))。このポーラスシリコン膜22及び炭素膜2
3の上に、膜厚60nmの反射防止膜15及び0.6μ
mのフォトレジスト16を塗布形成する。その後周知の
リソグラフィ−法によりフォトレジスト16をパタ−ニ
ングする(図11(a))。フォトレジスト16をマス
クに反射防止膜加工後下地に炭素膜23に対し、C4
8 /CO/O2 /Arガスを用いてRIEエッチングを
行い、深さ500nm、パタ−ンの大きさが0.2μm
の配線溝23′を形成する(図11(b))。さらにポ
−ラスシリコン酸化膜22上に残ったフォトレジスト1
6及び反射防止膜15をアッシングプロセスにより剥離
する(図11(c))。
【0026】その後、配線溝23′の内壁上にTiNバ
リアメタル層18を30nm程度成膜させ、続いてアル
ミニウム(Al)膜19をスパッタリングにより700
nmの膜厚分の成膜により配線溝23′内に埋め込み、
その後にポ−ラスシリコン酸化膜22表面が出るまでA
l膜19をCMP法により研磨する。この結果、コンタ
クト配線として用いられるAl膜19が炭素膜23に埋
め込み形成される(図12(a))。その後、膜厚10
0nmのポーラスシリコン酸化膜22′を、例えば、C
VD法により形成し、炭素膜23に埋め込まれたAl膜
19を被覆する(図12(b))。その後、酸素ダウン
フロ−アッシングにより下地膜であるポーラスシリコン
酸化膜22中の炭素膜23をエッチングし、ポーラスシ
リコン酸化膜22′に被覆され、ポーラスシリコン酸化
膜22の炭素膜23が埋め込まれていた溝に配置された
Al膜19からなる空中配線が形成される。炭素膜23
をアッシングすると、炭素が炭酸ガスとなってポーラス
シリコン酸化膜22、22′のポーラスな部分から外部
に散逸してTiNバリアメタル層18及びAl膜19の
周囲は、空洞になる。この実施例で説明した半導体装置
では、このような配線溝が複数形成され、層間絶縁膜の
低誘電率化を一層進めることになる(図12(c))。
【0027】ここで上記した炭素膜23に配線溝23′
を形成した後にポ−ラスシリコン酸化膜22上に残って
いたフォトレジスト16及び反射防止膜15をプラズマ
プロセスにより剥離するプロセスにおいて、従来の方法
では、下地膜のポ−ラスシリコン酸化膜22中に形成さ
れた炭素膜23がエッチングされてしまうという問題が
あった。これはポーラスシリコン酸化膜22は酸化ラジ
カルを自由に透過させることができるためであり、この
結果寸法変換差が生じるという問題が発生していた。こ
のため本実施例では、配線溝を形成後にポーラスシリコ
ン酸化膜22上に残ったフォトレジスト16及び反射防
止膜15をプラズマプロセスにより剥離するプロセス
は、炭素原子を含むガスもしくは酸素原子及び炭素原子
を含むガスを用いるプラズマプロセスで行うことに特徴
がある。アッシング装置は図6に示す平行平板型装置で
あり、アッシング条件は、O2 /CO=100/200
ccm、100mTorr、500W、30℃である。
この条件ではフォトレジスト16の剥離は進行するが、
炭素膜23のエッチングは抑制できるため、寸法変換差
を無くすことができる。
【0028】この様に炭素原子を含むガスもしくは酸素
原子及び炭素原子を含むプロセスガス中で炭素原子の比
率が酸素原子の比率の1/3より高い領域で特にサイド
エッチングの抑制効果が高い。さらにRIE法による1
50℃以下のプロセスにすることで、十分なレジストエ
ッチング速度を保ちながらサイドエッチングを抑制する
ことができた。また400mTorr以下のプロセスに
することで、より有効にサイドエッチングを抑制するこ
とが可能になった。なお、金属配線は、アルミニウムに
限らない。例えば、Al−Si−Cu、Al−Cu、
W、WSi、Cu等を使用することが可能である。ま
た、この実施例ではアッシングガスとしてCOガスを用
いたが、炭素原子を含むガスは、圧力、温度、パワー等
を制御することにより以下の材料を用いることもでき
る。
【0029】すなわち、CO2 、C5 12、C5 10
4 10、C4 8 、C4 6 、C 3 9 N、C
3 8 、C3 6 O、C3 6 、C3 4 、C2 2
2 7 N、C2 6 O、C2 6 、C2 4 O、C2
4 、C2 2 、COS、CH5 N、CH4 S、C
4 、CHN等があり、炭素原子に酸素原子、窒素原子
あるいは水素原子の少なくとも1つを含むガスが用いら
れる。この実施例では配線溝について説明しているが、
この他にコンタクトホールや他のパターンでも同様な傾
向が得られる。また、本発明では炭素系の膜に関わる工
程に関して記述したが、炭素系膜の存在に関わりなく、
絶縁膜及び金属膜上のレジスト剥離の場合にも適用でき
る。また、プラズマプロセスには平行平板型アッシング
装置を用いたが、他のタイプのプラズマアッシング装置
でも構わない。また、例えば、圧力、温度、パワーを制
御することによりダウンフローアッシャー装置を用いて
も良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々
変形して実施できる。
【0030】
【発明の効果】炭素原子と、酸素原子、窒素原子及び水
素原子の少なくとも1つ含むガスを用いたアッシングプ
ロセスで絶縁膜上、金属膜上もしくは炭素原子を含む組
成からなる膜を有する構造の多層膜上のフォトレジスト
剥離工程を行うことにより、多層膜中の炭素原子の脱離
やサイドエッチングをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の層間絶縁膜にLKD膜(無機膜中に炭
素原子を含むもの(有機シリコン酸化膜))を用いた場
合の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。
【図2】本発明の層間絶縁膜にLKD膜(無機膜中に炭
素原子を含むもの(有機シリコン酸化膜))を用いた場
合の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。
【図3】一酸化炭素を含むアッシングガスのガス組成比
に対するフォトレジストアッシング速度及びアッシング
時の下地膜もしくは被膜の側壁変質層及び変化膜厚との
関係を示す特性図。
【図4】アッシングガスに酸素及び一酸化炭素を用いた
場合の基板温度に対するフォトレジストアッシング速度
及びアッシング時の下地膜もしくは被膜の側壁炭素原子
脱離層膜厚との関係を示す特性図。
【図5】アッシングガスに酸素及び一酸化炭素を用いた
場合のガス圧に対するフォトレジストアッシング速度及
びアッシング時の下地膜もしくは被膜の側壁炭素原子脱
離層膜厚との関係を示す特性図。
【図6】本発明の方法を実施するアッシング装置の概略
断面図。
【図7】本発明の層間絶縁膜にLKD膜(CF系膜)を
用いた場合の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。
【図8】本発明の層間絶縁膜にLKD膜(CF系膜)を
用いた場合の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。
【図9】本発明の空中配線を形成する場合の半導体装置
の製造工程を示す断面図。
【図10】本発明の空中配線を形成する場合の半導体装
置の製造工程を示す断面図。
【図11】本発明の空中配線を形成する場合の半導体装
置の製造工程を示す断面図。
【図12】本発明の空中配線を形成する場合の半導体装
置の製造工程を示す断面図。
【図13】アッシングガスの炭素原子密度に対するフォ
トレジストアッシング速度及び下地膜もしくは被膜の側
壁変質層及び変質膜厚との関係を示す特性図。
【図14】二酸化炭素を含むアッシングガスのガス組成
比に対するフォトレジストアッシング速度及びアッシン
グ時の下地膜もしくは被膜の側壁変質層及び変化膜厚と
の関係を示す特性図。
【符号の説明】
1・・・真空チャンバー、 2・・・被処理物、
3・・・載置台、4・・・ガス導入管、 5・・・排
気口、 6・・・高周波電極、6′・・・対向電極、
11・・・半導体基板、12・・・LKD膜、
12′・・・金属配線、13・・・LKD膜(無機膜中
に炭素原子を含むもの)、14・・・表面改質膜、
15・・・反射防止膜、16・・・フォトレジスト、
18・・・TiNバリアメタル、19・・・Alバリ
アメタル、 20・・・LKD膜(CF系膜)、21
・・・シリコン窒化膜、22、22′・・・ポ−ラスシ
リコン酸化膜、 23・・・炭素膜、23′・・・配線
溝。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4M104 BB30 CC01 DD08 DD16 DD17 DD20 DD37 EE14 EE18 FF18 FF22 HH14 5F004 AA02 BA04 BB26 CA02 CA03 CA04 DA01 DA23 DA26 DB26 EB01 EB02 5F033 HH08 HH09 HH19 HH28 HH33 JJ08 JJ09 JJ11 JJ19 JJ28 JJ33 KK08 KK09 KK11 KK19 KK28 PP15 QQ09 QQ10 QQ13 QQ15 QQ25 QQ37 QQ48 RR04 RR06 RR09 RR22 RR24 RR25 SS11 SS21 WW03 WW05

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 活性化された反応ガスを用いて被膜をド
    ライエッチングする方法において、炭素原子と、酸素原
    子、水素原子及び窒素原子の少なくとも1つを含むガス
    を用いて前記被膜上に形成された炭素原子を含む膜を除
    去することを特徴とするドライエッチング方法。
  2. 【請求項2】 前記被膜は、炭素原子を含む組成からな
    る膜、絶縁膜及び金属膜のいずれかから選択されること
    を特徴とする請求項1に記載のドライエッチング方法。
  3. 【請求項3】 前記炭素原子を含む組成からなる膜は、
    炭素膜、有機シリコン酸化膜、有機膜から選択されるこ
    とを特徴とする請求項2に記載のドライエッチング方
    法。
  4. 【請求項4】 前記絶縁膜は、無機膜又は有機シリコン
    化合物膜であることを特徴とする請求項2に記載のドラ
    イエッチング方法。
  5. 【請求項5】 前記無機膜は、シリコン酸化膜又はシリ
    コン窒化膜であることを特徴とする請求項4に記載のド
    ライエッチング方法。
  6. 【請求項6】 前記炭素原子を含む膜は、フォトレジス
    ト又は塗布型有機反射防止膜であることを特徴とする請
    求項1乃至請求項5のいずれかに記載のドライエッチン
    グ方法。
  7. 【請求項7】 前記炭素原子と、酸素原子、水素原子及
    び窒素原子の少なくとも1つを含むガスのうち、炭素原
    子及び酸素原子を含むガスにおいて、炭素原子の比率が
    酸素原子の比率の1/3より大きいことを特徴とする請
    求項1乃至請求項6のいずれかに記載のドライエッチン
    グ方法。
  8. 【請求項8】 前記炭素原子及び酸素原子を含むガス
    は、酸素及び二酸化炭素からなるガス、酸素及び一酸化
    炭素からなるガス、一酸化炭素ガス及び二酸化炭素ガス
    の中から選択されたガスを用いることを特徴とする請求
    項7に記載のドライエッチング方法。
  9. 【請求項9】 前記ドライエッチング方法において、基
    板温度を150℃以下にすることを特徴とする請求項1
    乃至請求項8のいずれかに記載のドライエッチング方
    法。
  10. 【請求項10】 前記ドライエッチング方法において、
    反応圧力を400mTorr以下にすることを特徴とす
    る請求項1乃至請求項9のいずれかに記載のドライエッ
    チング方法。
  11. 【請求項11】 半導体基板上に絶縁膜、フォトレジス
    トを順次積層する工程と、 前記フォトレジストを所定の形状にパターニングする工
    程と、 前記フォトレジストをマスクにして前記絶縁膜をエッチ
    ングすることによりコンタクトホール又は配線溝を形成
    する工程と、 炭素原子と、酸素原子、水素原子及び窒素原子の少なく
    とも1つを含むガスを用いて前記フォトレジストをアッ
    シングして除去する工程と、 前記コンタクトホール内又は配線溝内に金属配線層を堆
    積させて、その内部にコンタクト配線又は埋め込み配線
    を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記絶縁膜は、無機膜、有機シリコン
    化合物膜及び炭素原子を含む低誘電率の絶縁膜の中から
    選択されることを特徴とする請求項11に記載の半導体
    装置の製造方法。
  13. 【請求項13】 前記無機膜は、シリコン酸化膜又はシ
    リコン窒化膜であることを特徴とする請求項12に記載
    の半導体装置の製造方法。
  14. 【請求項14】 半導体基板上に形成された絶縁膜上に
    金属膜、フォトレジストを順次積層する工程と、 前記フォトレジストを所定の形状にパターニングする工
    程と、 前記フォトレジストをマスクにして前記金属膜をエッチ
    ングすることにより配線を形成する工程と、 炭素原子と、酸素原子、水素原子及び窒素原子の少なく
    とも1つを含むガスを反応ガスとして、前記フォトレジ
    ストをアッシングして除去する工程とを備えたことを特
    徴とする半導体装置の製造方法。
  15. 【請求項15】 半導体基板上に絶縁膜、第1のフォト
    レジストを順次積層する工程と、 前記第1のフォトレジストを所定の形状にパターニング
    する工程と、 前記第1のフォトレジストをマスクにして、前記絶縁膜
    をエッチングして第1の配線溝を形成する工程と、 炭素原子と、酸素原子、水素原子及び窒素原子の少なく
    とも1つを含むガスを用いて、前記第1のフォトレジス
    トをアッシングして除去する工程と、 前記第1の配線溝内に炭素膜を埋め込む工程と、 前記炭素膜を被覆するように前記絶縁膜上に第2のフォ
    トレジストを積層する工程と、 前記第2のフォトレジストを所定の形状にパターニング
    する工程と、 前記第2のフォトレジストをマスクにして、前記炭素膜
    をエッチングして第2の配線溝を形成する工程と、 炭素原子と、酸素原子、水素原子及び窒素原子の少なく
    とも1つを含むガスを用いて、前記第2のフォトレジス
    トをアッシングして除去する工程と、 前記第2の配線溝内に金属配線層を堆積させて、その内
    部に配線を埋め込む工程と、 前記配線及び前記炭素膜を被覆するように、前記層間絶
    縁膜上にポーラスシリコン酸化膜を形成する工程と、 前記炭素膜を加熱して前記第1の配線溝から除去し、前
    記配線の周囲を空洞にする工程とを備えたことを特徴と
    する半導体装置の製造方法。
  16. 【請求項16】 前記絶縁膜及び前記フォトレジストの
    間には反射防止膜を介在させることを特徴とする請求項
    11、請求項14及び請求項15のいずれかに記載の半
    導体装置の製造方法。
  17. 【請求項17】 前記炭素原子と、酸素原子、水素原子
    及び窒素原子の少なくとも1つを含むガスのうち、酸素
    原子及び炭素原子を含むガスは、酸素及び二酸化炭素か
    らなるガス、酸素及び一酸化炭素からなるガス、一酸化
    炭素ガス及び二酸化炭素ガスの中から選択されたガスを
    使用することを特徴とする請求項11乃至請求項16の
    いずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  18. 【請求項18】 前記炭素原子と、酸素原子、水素原子
    及び窒素原子の少なくとも1つを含むガスのうち、酸素
    原子及び炭素原子を含むガスにおいて炭素原子の比率が
    酸素原子の比率の1/3より大きいことを特徴とする請
    求項11乃至請求項17のいずれかに記載の半導体装置
    の製造方法。
  19. 【請求項19】 前記フォトレジストをアッシングして
    除去する工程において、基板温度を150℃以下にする
    ことを特徴とする請求項11乃至請求項18のいずれか
    に記載の半導体装置の製造方法。
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