JP2002075975A - オクタフルオロブテンを含む蝕刻ガスを用いた半導体素子の製造方法及びその方法によって製造された半導体素子 - Google Patents
オクタフルオロブテンを含む蝕刻ガスを用いた半導体素子の製造方法及びその方法によって製造された半導体素子Info
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Abstract
蝕刻ガスとして使用してプラズマ蝕刻工程を行なう半導
体素子の製造方法を提供する。 【解決手段】 上面にシリコン酸化物含有膜が露出する
半導体基板をプラズマ反応チャンバ内に置く。前記プラ
ズマ反応チャンバ内に線形不飽和化合物のオクタフルオ
ロブテンを含む蝕刻ガスを供給する。前記蝕刻ガスから
プラズマを生じて前記シリコン酸化物含有膜の少なくと
も一部を蝕刻する。これにより、従来の技術で主に使わ
れた既存のガスを使用する場合より速い蝕刻速度が得ら
れるので、スループット向上効果を期待でき、窒化膜に
対する酸化膜の蝕刻選択比もさらに優れて、高集積半導
体素子で要求される大きいアスペクト比を有するコンタ
クトホール形成工程または自己整列コンタクトホール形
成工程で有利に適用される。
Description
製造方法に係り、特にプラズマを用いた乾式蝕刻工程に
よってシリコン酸化物含有膜を蝕刻する工程を含む半導
体素子の製造方法及びその方法によって製造された半導
体素子に関する。
部配線層と上部配線層とを連結するコンタクトホールと
その周辺配線との間隔が減少し、また前記コンタクトホ
ールのアスペクト比が増加する。したがって、多層配線
構造を採用する高集積半導体素子でリソグラフィー工程
を用いてコンタクトホールを形成する時に正確で厳格な
工程条件が要求され、特にデザインルールが0.25μ
m以下の素子を製造する場合に現在のリソグラフィー技
術では希望の工程を再現性のあるように実現するのに限
界がある。
時にリソグラフィー工程の限界を乗り越えるために自己
整列方法でコンタクトホールを形成する技術が開発され
た。このような自己整列コンタクトホール形成方法の一
つとして、窒化膜スペーサを蝕刻阻止層として用い、酸
化膜を蝕刻する方法がある。
列コンタクトホールを形成する従来の方法では、まず通
常のフォトリソグラフィー工程を用いたパターニング方
法によって半導体基板上に断面形状が四角形の所定の下
部構造物、例えば、ゲート電極のような導電層を形成
し、前記結果物の全面に窒化膜を形成した後にエッチバ
ックして前記導電層を覆う蝕刻阻止層を形成し、次いで
酸化膜よりなる層間絶縁膜を順次形成する。その後、コ
ンタクトホール領域として予定された部分上の層間絶縁
膜を露出させるフォトレジストパターンを形成し、前記
露出した層間絶縁膜を蝕刻して自己整列コンタクトホー
ルを形成する。
形成する酸化膜蝕刻工程では下部膜質、すなわち窒化膜
に対する高い蝕刻選択比が要求される。このために、従
来の技術では自己整列コンタクトホール形成工程のよう
に高い蝕刻選択比が要求される工程では、酸化膜蝕刻に
使われるガスとしてCxFy系のPFC(perfluo
rocarbon)ガス、例えば、CF4、C2F6、C3
F6、C3F8、C4F6、c−C4F8(octafluo
rocyclobutane)、C5F8などを不活性ガ
スと混合して使用する方法、またはCxHyFz系のHF
C(hydrofluorocarbon)ガス、HF
E(hydrofluoro ether)ガス、IF
C(iodine fluorinated carb
on)ガスなどを、単独で使用したりまたは前記PFC
ガスに添加剤として混合して使用する方法が用いられ
た。
と窒化膜との充分な蝕刻選択比を提供できず、希望の蝕
刻速度を提供できないので満足すべき水準の乾式蝕刻特
性が得られず、したがってまだ実用化されていない。
来の半導体素子の製造工程中でコンタクトホール形成の
ための蝕刻工程、特に自己整列コンタクトホール形成工
程で酸化膜の乾式蝕刻のためのソースガスとして最も広
く使われてきたが、地球の温暖化係数(GWP)が二酸
化炭素の数千倍程度と大きく、大気に直接放出される場
合に地球環境に悪影響をおよぼす。
スとして既存のガスに代えられる新しいガスの開発が急
がれる。
ズマを用いたシリコン酸化物含有膜蝕刻工程時にさらに
優れた蝕刻特性を提供できる半導体素子の製造方法を提
供することである。
として使用する酸化膜蝕刻工程時に蝕刻選択比の限界を
乗り越えられる導体素子の製造方法を提供することであ
る。
での限界を乗り越えられるように新しい蝕刻ガスを使用
する半導体素子の製造方法を提供することである。
って製造された半導体素子を提供することである。
に、本発明の一様態に係る半導体素子の製造方法では、
上面にシリコン酸化物含有膜が露出する半導体基板をプ
ラズマ反応チャンバ内に置く。前記プラズマ反応チャン
バ内に線形不飽和化合物のオクタフルオロブテンを含む
蝕刻ガスを供給する。前記蝕刻ガスからプラズマを発生
させて前記シリコン酸化物含有膜の少なくとも一部を蝕
刻する。
オロ−1−ブテン(CF2=CFCF2CF3)またはオ
クタフルオロ−2−ブテン(CF3CF=CFCF3)の
構造を有する。
y=2〜12)の第1ガス、CxHyFz系(x=1〜
5、y=1〜4、z=2〜10)の第2ガス、または前
記第1ガス及び第2ガスの混合ガスをさらに含みうる。
2F6、C3F6、C3F8、C4F6、c−C4F8(octa
fluorocyclobutane)、C5F8、また
はこれらの組み合わせよりなり、前記第2ガスはCHF
3、CH2F2、CH3Fまたはこれらの組み合わせよりな
る。
をさらに含みうる。
方法では、半導体基板上にシリコン酸化物含有膜を形成
する。前記シリコン酸化物含有膜上にフォトレジストパ
ターンを形成する。前記フォトレジストパターンを蝕刻
マスクとして用い、線形不飽和化合物のオクタフルオロ
ブテンを含む蝕刻ガスを使用してプラズマ蝕刻方法によ
って前記シリコン酸化物含有膜を蝕刻する。
PSG、PSGまたはシリコン酸化窒化物よりなる。
では、前記シリコン酸化物含有膜を形成する前に、前記
半導体基板上に複数の導電パターンを形成する段階と、
前記シリコン酸化物含有膜とは異なる物質よりなる第1
絶縁膜を前記導電パターンの少なくとも一部を覆うよう
に形成する段階を含みうる。この場合には、前記シリコ
ン酸化物含有膜は前記第1絶縁膜上に形成される。ま
た、前記シリコン酸化物含有膜を蝕刻する段階では前記
第1絶縁膜を蝕刻阻止層として用いる。本発明の他の様
態に係る半導体素子の製造方法では、半導体基板上に絶
縁膜を形成する。線形不飽和化合物のオクタフルオロブ
テンを含む蝕刻ガスを使用してプラズマ蝕刻方法によっ
て前記絶縁膜を蝕刻する。
記半導体素子の製造方法により製造された半導体素子を
提供する。
い蝕刻速度が得られるのでスループット向上効果を期待
でき、窒化膜に対する酸化膜の蝕刻選択比に優れて高集
積半導体素子で要求される大きいアスペクト比を有する
コンタクトホールの形成工程または自己整列コンタクト
ホールの形成工程で有利に適用されうる。
他の形態に変形でき、本発明の範囲が後述する実施例に
限定されるものではない。本発明の実施例は当業界で平
均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するた
めに提供されるものである。添付図面で膜または領域の
大きさまたは厚さは明細書の明確性のために誇張された
ものである。また、ある膜が他の膜または基板の"上"に
あると記載された場合、前記ある膜が前記他の膜の上に
直接存在する場合もあり、その間に第3の他の膜が介在
する場合もある。
導体素子の製造方法を説明する。
有膜が露出する半導体基板をプラズマ反応チャンバ内に
置く。前記シリコン酸化物含有膜は、例えば、Si
O2、BPSG、PSGまたはシリコン酸化窒化物より
なる。前記半導体基板上には、蝕刻阻止層としてシリコ
ン窒化膜が前記シリコン酸化物含有膜の下に形成される
場合もある。
プラズマ蝕刻装置として、ICP(inductive
ly coupled plasma)、ECR(el
ectron−cyclotron resonanc
e)のような高密度プラズマ蝕刻装置を含む、通例的に
使われている多様な形態のプラズマ蝕刻装置が挙げられ
る。
に線形不飽和化合物のオクタフルオロブテン(octa
fluorobutene;以下、"l−C4F8"と略称
する)を含む蝕刻ガスを供給する。前記蝕刻ガスに必須
で含まれるl−C4F8は、オクタフルオロ−1−ブテン
(CF2=CFCF2CF3)またはオクタフルオロ−2
−ブテン(CF3CF=CFCF3)の構造を有する。
フルオロ−2−ブテンは、従来の技術で主に使われた環
状の飽和化合物のオクタフルオロシクロブタン(c−C
4F8)とは違って線形構造であり、不飽和二重結合を含
む分子構造を有している。l−C4F8ガスは、その二重
結合構造によってプラズマ雰囲気で容易に分解する特性
を有しているので反応性が大きい。したがって、プラズ
マ乾式蝕刻工程時、従来の技術で主に使われたc−C4
F8ガスより反応性ラジカルをさらに多く形成させるこ
とができ、したがってより優れた乾式蝕刻特性を提供で
きる。
タイムが非常に短く、GWPが100以下と非常に小さ
くて、地球環境に及ぼす影響を考慮する時に非常に有利
である。
y=2〜12)ガス、CxHyFz系(x=1〜5、y=
1〜4、z=2〜10)ガス、またはこれらガスの混合
ガスをさらに含みうる。
ては、例えば、CF4、C2F6、C3F6、C3F8、C4F
6、c−C4F8(octafluorocyclobu
tane)、C5F8などがある。また、前記蝕刻ガスに
含まれるCxHyFz系ガスとしては、例えば、CHF3、
CH2F2、CH3Fなどがある。また、前記蝕刻ガスは
Arのような希ガスを含みうる。前記蝕刻ガスに含まれ
る希ガスとして、Ar以外にもHe、KrまたはXeを
使用する場合もある。
みうる。例えば、前記蝕刻ガスとしてl−C4F8ガス、
Ar及びO2ガスの混合ガスを使用する場合には、l−
C4F 8ガスとO2ガスとの流速比は1〜3の範囲にする
ことが望ましい。
発生させて前記シリコン酸化物含有膜を蝕刻する。この
時、希望の半導体素子の製造工程によって、前記シリコ
ン酸化物含有膜を一部蝕刻してダマシーン工程などに必
要なトレンチを形成する場合もあり、シリコン酸化物含
有膜を貫通するコンタクトホールまたは自己整列コンタ
クトホールを形成する場合もある。
たより具体的な半導体素子の製造方法として半導体基板
50上に自己整列コンタクトホール57を形成する工程
を例示した断面図である。
0上にその上面及び側壁がシリコン窒化膜54で覆われ
た複数の導電パターン52、例えば、ゲート電極パター
ンを形成する。その後、前記シリコン窒化膜54を覆う
ようにシリコン酸化物含有膜56を形成する。前記シリ
コン酸化物含有膜56は前記物質よりなりうる。
に前記シリコン酸化物含有膜56の所定領域を露出させ
るフォトレジストパターン60を形成する。
パターン60を蝕刻マスクとして、前記シリコン酸化物
含有膜56の露出した部分を、プラズマ70を用いた乾
式蝕刻方法によって蝕刻し、前記導電パターン52によ
って自己整列するコンタクトホール57を形成する。こ
の時、前記プラズマ70は線形不飽和化合物のl−C 4
F8ガスを含む蝕刻ガスから生じる。
ら生じる前記プラズマ70は、窒化膜に対する酸化膜の
高い蝕刻選択比を提供するだけでなく、従来の技術で主
に使われた他のCxFy系ガスを使用する場合に比べて速
い酸化膜蝕刻速度を提供する。したがって、半導体素子
の高集積化によって狭くて深いコンタクトホールを形成
する場合にも、蝕刻阻止層として使われる前記シリコン
窒化膜54をほとんど消耗させずに希望の形状のコンタ
クトホール57を形成できる。
形成に使われる蝕刻ガスは、CxFy系(x=1〜5、y
=2〜12)ガス、CxHyFz系(x=1〜5、y=1
〜4、z=2〜10)ガス、またはこれらガスの混合ガ
スをさらに含み、Arのような希ガス及びO2ガスをさ
らに含むことができる。
の流量で供給されるl−C4F8ガス、700sccmの
流量で供給されるAr、及び8sccmの流量で供給さ
れるO2ガスの混合ガスを使用でき、前記Arの代わり
にHe、KrまたはXeを使用できる。
方法で使われるl−C4F8ガスと従来の技術で主に使わ
れたc−C4F8ガスの特性を比較して示した。
気中でのライフタイムが非常に短く、GWPが100以
下と非常に小さくて、地球環境側面で非常に有利であ
る。
れるl−C4F8ガスと、従来の技術で主に使われたc−
C4F8ガスのそれぞれの場合について、蝕刻特性を次の
ように評価した。
常のレシピー条件下でコンタクトホールまたは自己整列
コンタクトホールを形成するために半導体基板上の二酸
化シリコン膜を蝕刻する際に、蝕刻ガスとしてl−C4
F8ガスを使用した場合(l−C4F8/O2/Arの混合
ガス)及びc−C4F8ガスを使用した場合(c−C4F 8
/O2/Arの混合ガス)のそれぞれの蝕刻特性を比較
した。
ンバ内の工程条件として、コンタクトホールレシピーの
場合にはチャンバ圧力は25mTorr、上部電極のR
F電力は1600W、下部電極のRF電力は1800W
とした。また、蝕刻ガスとしてl−C4F8ガスを使用し
た場合は、l−C4F8は18sccm、O2は10sc
cm、Arは500sccmの流量でプラズマ反応チャ
ンバ内に供給し、蝕刻ガスとしてc−C4F8ガスを使用
した場合は、c−C4F8は18sccm、O2は8sc
cm、Arは500sccmの流量でプラズマ反応チャ
ンバ内に供給した。そして、自己整列コンタクトホール
レシピーの場合には、チャンバ圧力は30mTorr、
上部電極のRF電力は1400W、下部電極のRF電力
は1600Wとした。また、蝕刻ガスとしてl−C4F8
ガスを使用した場合は、l−C4F8は18sccm、O
2は8sccm、Arは700sccmの流量でプラズ
マ反応チャンバ内に供給し、蝕刻ガスとしてc−C4F8
ガスを使用した場合は、c−C4F8は18sccm、O
2は7sccm、Arは700sccmの流量でプラズ
マ反応チャンバ内に供給した。
2に示した。
uadrupole Mass Spectrum)を
用いて各々検出されたC3F5 +イオンの強度から得られ
た結果である。
ーによる結果である。
ンバ内でc−C4F8ガスは約84%分解する反面、l−
C4F8ガスのオクタフルオロ−2−ブテンは94%以上
分解すると確認された。また、l−C4F8ガスのオクタ
フルオロ−2−ブテンの場合は、c−C4F8ガスを使用
した場合に比べてさらに速い蝕刻速度を示すことが分か
り、SEM(Scanning Electron M
icroscope)を用いて確認した結果、それぞれ
の場合に形成されたコンタクトホールのプロファイルは
ほとんど同等な程度に良好であった。これより、l−C
4F8ガスのオクタフルオロ−2−ブテンを使用する場合
には、工程のスループット向上を期待できるということ
が分かる。
オクタフルオロ−2−ブテンを使用した場合、各々に対
して酸化膜の窒化膜に対する蝕刻選択比を評価するため
に、デザインルールが170nm級の半導体素子で導電
パターンによって自己整列される自己整列コンタクトホ
ールを形成した後、前記下部の導電パターンを覆ってい
るシリコン窒化膜の残っている厚さを前記導電パターン
の上部コーナー部分で測定した。この時のプラズマ蝕刻
条件は、表2の評価結果を得るために適用された条件と
同一にした。ただ、前記自己整列コンタクトホールサイ
ズは0.23μmの幅及び0.5μmの深さとし、10
0%過度蝕刻工程を行った。その結果、前記導電パター
ンのコーナーに残っているシリコン窒化膜の厚さは、c
−C4F8ガスを使用した場合には144Åであり、l−
C4F8ガスのオクタフルオロ−2−ブテンを使用した場
合には396Åであった。このように、c−C4F8ガス
を使用する場合よりl−C4F8ガスのオクタフルオロ−
2−ブテンを使用する場合が、自己整列コンタクトホー
ル形成のための酸化膜蝕刻後に残っている窒化膜がさら
に厚いことが確認された。これは自己整列コンタクトホ
ール形成時における窒化膜に対する酸化膜の蝕刻選択比
は、l−C4F8ガスのオクタフルオロ−2−ブテンを使
用する場合がさらに優れていたことを示す。
は、高集積半導体素子のコンタクトホールまたは自己整
列コンタクトホールを形成するために酸化膜をプラズマ
蝕刻方法によって蝕刻する時、蝕刻ガスとして、線形構
造で不飽和二重結合を含むl−C 4F8を使用する。l−
C4F8はその二重結合構造によってプラズマ雰囲気で容
易に分解し、反応性ラジカルを多く形成できるので、従
来の技術で使われたガスに比べて優れた蝕刻特性を提供
する。また、l−C4F8は大気中でのライフタイムが非
常に短くてGWPが非常に小さく、地球環境側面で有利
な条件を有している。
半導体素子製造のためのプラズマ蝕刻工程を行なう場合
には、従来の技術で主に使われた既存のガスを使用する
場合より速い蝕刻速度が得られるので、スループット向
上効果を期待でき、窒化膜に対する酸化膜の蝕刻選択比
もさらに優れ、高集積半導体素子で要求される大きいア
スペクト比を有するコンタクトホール形成工程または自
己整列コンタクトホール形成工程で有利に適用される。
細に説明したが、本発明はこれに限定されずに、本発明
の技術的思想の範囲内で当分野において通常の知識を有
する者により種々な変形が可能である。
を説明するためのフローチャートである。
の製造方法を用いて半導体基板上に自己整列コンタクト
ホールを形成する方法を説明するための断面図である。
Claims (26)
- 【請求項1】 上面にシリコン酸化物含有膜が露出する
半導体基板をプラズマ反応チャンバ内に置く段階と、 前記プラズマ反応チャンバ内に線形不飽和化合物のオク
タフルオロブテンを含む蝕刻ガスを供給する段階と、 前記蝕刻ガスからプラズマを発生させて前記シリコン酸
化物含有膜の少なくとも一部を蝕刻する段階とを含むこ
とを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 【請求項2】 前記オクタフルオロブテンは、オクタフ
ルオロ−1−ブテン(CF2=CFCF2CF3)または
オクタフルオロ−2−ブテン(CF3CF=CFCF3)
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の
製造方法。 - 【請求項3】 前記蝕刻ガスは、CxFy系(x=1〜
5、y=2〜12)の第1ガス、CxHyFz系(x=1
〜5、y=1〜4、z=2〜10)の第2ガス、または
前記第1ガス及び第2ガスの混合ガスをさらに含むこと
を特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項4】 前記第1ガスはCF4、C2F6、C
3F6、C3F8、C4F6、c−C4F8(octafluo
rocyclobutane)、C5F8、またはこれら
の組み合わせよりなることを特徴とする請求項3に記載
の半導体素子の製造方法。 - 【請求項5】 前記第2ガスはCHF3、CH2F2、C
H3Fまたはこれらの組み合わせよりなることを特徴と
する請求項3に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項6】 前記蝕刻ガスは希ガスをさらに含むこと
を特徴とする請求項1または請求項3に記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項7】 前記希ガスはAr、He、KrまたはX
eであることを特徴とする請求項6に記載の半導体素子
の製造方法。 - 【請求項8】 前記蝕刻ガスは希ガス及びO2ガスをさ
らに含むことを特徴とする請求項1または請求項3に記
載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項9】 前記蝕刻ガス中でオクタフルオロブテン
とO2ガスとの流速比は1〜3の範囲であることを特徴
とする請求項8に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項10】 前記シリコン酸化物含有膜はSi
O2、BPSG(borophosphosilica
te glass)、PSG(phosphosili
cate glass)またはシリコン酸化窒化物(S
iOxNy)よりなることを特徴とする請求項1に記載の
半導体素子の製造方法。 - 【請求項11】 半導体基板上にシリコン酸化物含有膜
を形成する段階と、 前記シリコン酸化物含有膜上にフォトレジストパターン
を形成する段階と、 前記フォトレジストパターンを蝕刻マスクとして用い、
線形不飽和化合物のオクタフルオロブテンを含む蝕刻ガ
スを使用してプラズマ蝕刻方法によって前記シリコン酸
化物含有膜を蝕刻する段階とを含むことを特徴とする半
導体素子の製造方法。 - 【請求項12】 前記シリコン酸化物含有膜はSi
O2、BPSG、PSGまたはシリコン酸化窒化物より
なることを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の
製造方法。 - 【請求項13】 前記シリコン酸化物含有膜を蝕刻する
段階は、前記シリコン酸化物含有膜を貫通するコンタク
トホールが形成されるように行なうことを特徴とする請
求項11に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項14】 前記シリコン酸化物含有膜を形成する
前に、 前記半導体基板上に複数の導電パターンを形成する段階
と、 前記シリコン酸化物含有膜と異なる物質よりなる第1絶
縁膜を前記導電パターンの少なくとも一部を覆うように
形成する段階を含み、 前記シリコン酸化物含有膜は前記第1絶縁膜上に形成さ
れることを特徴とする請求項11に記載の半導体素子の
製造方法。 - 【請求項15】 前記シリコン酸化物含有膜を蝕刻する
段階では前記第1絶縁膜を蝕刻阻止層として用いること
を特徴とする請求項14に記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項16】 前記シリコン酸化物含有膜を蝕刻する
段階は、シリコン酸化物含有膜を貫通し、前記導電パタ
ーンによって自己整列されるコンタクトホールが形成さ
れるように行なうことを特徴とする請求項15に記載の
半導体素子の製造方法。 - 【請求項17】 前記第1絶縁膜はシリコン窒化膜であ
ることを特徴とする請求項14、請求項15または請求
項16に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項18】 前記オクタフルオロブテンは、オクタ
フルオロ−1−ブテン(CF2=CFCF2CF3)また
はオクタフルオロ−2−ブテン(CF3CF=CFC
F3)であることを特徴とする請求項11、請求項14
ないし請求項16に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項19】 前記蝕刻ガスは、CxFy系(x=1〜
5、y=2〜12)の第1ガス、CxHyFz系(x=1
〜5、y=1〜4、z=2〜10)の第2ガス、または
前記第1ガス及び第2ガスの混合ガスをさらに含むこと
を特徴とする請求項18に記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項20】 前記第1ガスは希ガスをさらに含むこ
とを特徴とする請求項18に記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項21】 前記蝕刻ガスは希ガス及びO2ガスを
さらに含むことを特徴とする請求項18に記載の半導体
素子の製造方法。 - 【請求項22】 前記蝕刻ガス中でオクタフルオロブテ
ンとO2ガスとの流速比は1〜3の範囲であることを特
徴とする請求項21に記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項23】 半導体基板上に絶縁膜を形成する段階
と、線形不飽和化合物のオクタフルオロブテンを含む蝕
刻ガスを使用してプラズマ蝕刻方法によって前記絶縁膜
を蝕刻する段階とを含むことを特徴とする半導体素子の
製造方法。 - 【請求項24】 請求項1の方法によって製造された半
導体素子。 - 【請求項25】 請求項11の方法によって製造された
半導体素子。 - 【請求項26】 請求項23の方法によって製造された
半導体素子。
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