JP2004134574A

JP2004134574A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2004134574A
Application number: JP2002297540A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Sakamori; 坂森　重則
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】マスク数や工程を増やすことなく矩形のコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】レジストマスク８に基づいて層間絶縁膜６をエッチングして所望のパターンのコンタクトホールを形成する。このエッチングは、Ｃ_４Ｆ_８ガス等にＣＨ_２Ｆ_２ガスを添加して、パターンの間隔の広い部分のレジストマスク８上にフルオロカーボンが堆積されやすい処理条件でプラズマエッチングを行う。一方、パターンの間隔の狭い部分のレジストマスク８上では、レジストマスク８上にフルオロカーボンを堆積させるための平坦な部分が少なくなり、パターンの間隔の狭い部分のレジストマスク８上にはフルオロカーボンが堆積しにくくなる。
【選択図】　　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体装置の製造方法に係る発明であって、特に、ドライエッチングによるコンタクトホールの形成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、半導体装置内のある層の配線と別の層の配線とをつなぐためにコンタクトホールを形成する場合がある。このコンタクトホールは、通常リソグラフィプロセスを用いて形成される。つまり、４倍乃至５倍のマスクを用いて縮小投影露光技術で露光してレジストマスクを形成し、このレジストマスクに基づいて層間絶縁膜をエッチングしてコンタクトホールを形成する。しかし、近年、半導体装置の微細化が進み、コンタクトホールのサイズもそれに伴い小さくなってきている。そのため、矩形パターンのマスクを用いて縮小投影露光しても、光学回折の影響を受けてレジスト上には円形パターンとして露光される。
【０００３】
その結果、円形パターンのレジストマスクが形成され、このレジストマスクに基づいて層間絶縁膜をエッチングするため、形成されるコンタクトホールは、マスクの矩形パターンと異なり、開口部の形状が円形であるコンタクトホール（以下、「円形のコンタクトホール」ともいう。）が形成される。このように光学回折の影響を受けてコンタクトホールの開口部の形状が矩形から円形となると、円形のコンタクトホールの断面積は、開口部の形状が矩形であるコンタクトホール（以下、「矩形のコンタクトホール」ともいう。）の断面積に比べ小さくなる。そうすると、コンタクトホールのコンタクト抵抗は高くなり、半導体装置として不良品となり、歩留まりが低下する問題があった。
【０００４】
そこで、従来の技術では、特許文献１に記載されているように、エッチングされる膜上のネガ型フォトレジスト層を、線状の遮光膜が互いに交差する２種類のマスクを用いて２回露光することで、２種類のマスクの遮光膜が交差した部分のみが非感光となり、現像によりその非感光部分にのみコンタクトホールが形成できる。これにより、矩形のコンタクトホールを形成する際に、光学回折の影響を受けて角部に丸味を帯びて円形のコンタクトホールに形成されることがない微細加工が可能となる。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３２６３５８号公報（第３−５頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来の技術では、矩形のコンタクトホールを形成する際に、２種類のマスクを用いて２回露光することが必要となる。そのため、マスクを作成するためのコストが２倍となり、製造工程は露光工程が増加する。このことは、上記の従来の技術で製作した半導体装置は、コスト高になるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、マスク数や工程を増やすことなく矩形のコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る解決手段は、（ａ）層間絶縁膜上に反射防止膜を成膜し、更に反射防止膜上にレジストを成膜する工程と、（ｂ）レジストを複数の円形パターンを有するレジストマスクに形成する工程と、（ｃ）レジストマスクに基づいて反射防止膜をエッチングする工程と、（ｄ）円形パターンの間隔が広いレジストマスクでは、平坦部にフルオロカーボンが堆積し、円形パターンの間隔が狭いレジストマスクでは、平坦部がエッチングされフルオロカーボンが堆積し難い処理条件で、レジストマスクに基づいて層間絶縁膜をエッチングする工程とを有する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
本実施の形態は、半導体基板上に形成された配線層と配線層とをつなぐ、矩形のコンタクトホールを有する半導体装置の製造方法についての発明である。まず、図１に実施の形態１で用いられるマスク１と当該マスク１により形成されたレジストマスクの平面図を示す。図１に示したマスク１は、矩形の形状の光透過部分２を有しており、この光透過部分２に対応する層間絶縁膜の位置に矩形のコンタクトホールが形成される。なお、マスク１の光透過部分２の寸法は、層間絶縁膜に形成される矩形のコンタクトホールの寸法の４倍乃至５倍である。
【００１１】
このマスク１を用いて、層間絶縁膜上のポジ型レジスト膜３に縮小投影露光技術を用いて矩形の形状のパターンを露光する。しかし、矩形の形状のパターンが微細であるため、光学回折の影響を受けてポジ型レジスト膜３上の露光パターンは矩形の形状ではなく、ほぼ円形の形状となる。そのため、ポジ型レジスト膜３をエッチングすると、円形状の穴４を有する図１（ｂ）に示すレジストマスクが形成される。この図１（ｂ）において円形部分がエッチングにより形成された円形状の穴４である。
【００１２】
図１（ｂ）の平面図を円形状の穴４のパターンの間隔の狭い方向（横方向）であるＩ−Ｉ線の断面図を図２（ａ）に、パターンの間隔の広い方向（斜め方向）であるＩＩ−ＩＩ線の断面図を図２（ｂ）に示す。この断面図を用いて本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明をする。まず、半導体基板５上には上層の配線と接続するための配線やその他回路等が形成されている（図示せず）。そして、この半導体基板５上に、配線間を絶縁するための層間絶縁膜６が成膜され、さらに層間絶縁膜６上に反射防止膜７が成膜される。この反射防止膜７は、レジストパターンの光学起因による変形を軽減するために設けられたものであり、これによりコンタクトホールの寸法精度も向上する。
【００１３】
次に、反射防止膜７上にポジ型レジスト膜３が成膜される。このポジ型レジスト膜３は、図１（ａ）に示すマスクを用いて矩形の形状のパターンが露光されるが、光学回折の影響を受けてほぼ円形の形状のパターンが露光されることになる。そして、露光されたポジ型レジスト膜３を現像することにより、反射膜防止膜７上に円形状の穴４を有するポジ型レジスト膜３が形成される。この円形状の穴４を有するポジ型レジスト膜３をレジストマスク８として、以下の工程で用いる。
【００１４】
次に、所望のパターンのコンタクトホールを形成するために、まず反射防止膜７のエッチングを行う。このエッチングは、レジストマスク８に基づいてＣＦ_４ガスなどを用いてプラズマエッチングにより行い、レジストマスク８の円形状の穴４から露出している反射防止膜７のみがエッチングされる。エッチング後のＩ−Ｉ線の断面図を図３（ａ）に、ＩＩ−ＩＩ線の断面図を図３（ｂ）に示す。ここで、反射防止膜７もレジストマスク８の形状に従い円形状にエッチングされる。
【００１５】
次に、レジストマスク８に基づいて層間絶縁膜６をエッチングして所望のパターンのコンタクトホールを形成する。このエッチングは、Ｃ_４Ｆ_８ガス等にＣＨ_２Ｆ_２ガスを添加して、パターンの間隔の広い部分のレジストマスク８上にフルオロカーボンが堆積されやすい処理条件でプラズマエッチングを行う。パターンの間隔の広い部分のレジストマスク８上では、エッチングによりレジストマスク８の円形状の穴４のエッジ部分（以下、「肩部」ともいう。）が削られても（以下、「肩落ち」ともいう。）、平坦な部分が存在するためレジストマスク８上にフルオロカーボンが堆積する。フルオロカーボンの堆積が進行することにより、パターンの間隔の広い部分のレジストマスク８のエッチングが抑制される。よって、層間絶縁膜６は、レジストマスク８の円形状の穴４の形状に従いエッチングされ、パターンの間隔の広い方向へ後退が防止される。図４（ｂ）に、層間絶縁膜６のエッチング後のＩＩ−ＩＩ線の断面図を示す。
【００１６】
一方、パターンの間隔の狭い部分のレジストマスク８上では、エッチングによりレジストマスク８の肩部に肩落ちが生じ、レジストマスク８上にフルオロカーボンを堆積させるための平坦な部分が少なくなる。そのため、パターンの間隔の狭い部分のレジストマスク８上にはフルオロカーボンが堆積しにくくなり、パターンの間隔の狭い部分のレジストマスク８のエッチングが進行する。よって、パターンの間隔の狭い部分のレジストマスク８はエッチングされ後退し、レジストマスク８が後退した部分の層間絶縁膜６がエッチングされる。層間絶縁膜６には、パターンの間隔の狭い方向に広がったコンタクトホールが形成される。図４（ａ）に、層間絶縁膜６のエッチング後のＩ−Ｉ線の断面図を示す。
【００１７】
以上のように、レジストマスク８のパターンの間隔の広い部分ではフルオロカーボンが堆積し、パターンの間隔が狭くなるに連れてフルオロカーボンが堆積し難くなるようなエッチング処理条件で層間絶縁膜６をエッチングする。そうすると、レジストマスク８のパターンは、フルオロカーボンの堆積量が少なくなるに連れて後退し、エッチングされる層間絶縁膜６もレジストマスク８のパターンに従い後退することになる。図１（ｂ）に示すようなレジストマスク８のパターンであれば、パターンの間隔の広い方向（斜め方向）では、パターンに従い層間絶縁膜６がエッチングされるが、パターンの間隔の狭い方向（縦及び横方向）に近づくに連れて、層間絶縁膜６がエッチングされる部分がパターンの間隔の狭い方向（縦及び横方向）に広がる。
【００１８】
従って、図１（ｂ）のように円形状の穴４が配置されたレジストマスク８では、上記のようなエッチングの処理を行うことで、図５に示すような矩形のコンタクトホールが形成される。図５は、層間絶縁膜６上の反射防止膜７及びレジストマスク８をエッチング及びアッシングを行った後の平面図であり、黒四角の部分は、矩形のコンタクトホール９を示している。
【００１９】
なお、具体的には円形状の穴４の直径が約１３０ｎｍである場合に、円形状の穴４のパターンの間隔の狭い方向（縦及び横方向）が約１３０ｎｍ〜１５０ｎｍ、パターンの間隔の広い方向（斜め方向）が約１８０ｎｍ〜２１０ｎｍとすることにより、矩形のコンタクトホールを形成することができる。この数値は、例示であって本発明は、円形状の穴４を有するレジストマスクのパターンの間隔を適切に選択することにより、コンタクトホールの形状を矩形化させる製造方法である。そのため、図６（ａ）に示すように縦及び横方向にパターンの間隔の広い方向、斜め方向にパターンの間隔の狭い方向となるように円形状の穴４が配置されたパターンを有するレジストマスクでは、図６（ｂ）のようなパターンを有する矩形のコンタクトホール９が形成される。
【００２０】
従って、本発明では、円形状の穴４を有するレジストマスクからマスク数や工程を増やすことなく矩形のコンタクトホールを形成することができる。さらに、円形のコンタクトホールの場合よりも矩形のコンタクトホールの場合の方が、コンタクト開口部の面積を大きくすることができる。なお、矩形の一辺の長さが円形の直径と同じ場合である。また、コンタクトホールの接触抵抗を低減することができるため半導体装置の歩留まりを向上させることができる。なお、図７に矩形のコンタクトホール９の断面積と円形のコンタクトホール１０の断面積とを比較した図を示す。
【００２１】
（実施の形態２）
実施の形態２は、基本的に実施の形態１と同じ製造工程で行われるが、図４に示す層間絶縁膜６をエッチングする工程において、その処理条件を変更したものである。
【００２２】
図４で示した層間絶縁膜６のエッチングでは、Ｃ_４Ｆ_８ガス等にＣＨ_２Ｆ_２ガスを添加して、パターンの間隔の広い部分のレジストマスク８上にフルオロカーボンが堆積されやすい処理条件でプラズマエッチングを行っていた。これにより、パターンの間隔の広い部分のレジストマスク８上には、フルオロカーボンが堆積する。
【００２３】
実施の形態２では、Ｃ_４Ｆ_８ガスの代わりにカーボン比率の高いガス（例えばＣ_４Ｆ_６）にＣＨ_２Ｆ_２ガスを添加して層間絶縁膜６をエッチングする。これにより、さらにパターンの間隔の広い部分のレジストマスク８上にフルオロカーボンが堆積されやすい処理条件となる。また、実施の形態１と同様に矩形のコンタクトホールを形成することができ、コンタクト開口部の面積を大きくすることができる。さらに、コンタクトホールの接触抵抗を低減することができるため半導体装置の歩留まりを向上させることができる。
【００２４】
実施の形態２では、さらにフルオロカーボンが堆積されやすい処理条件であるために、対レジストとの選択比が高くなるため、レジストマスク８の薄膜化が可能となる。また、レジストマスク８の転写特性の改善が見込まれる。
【００２５】
（実施の形態３）
実施の形態３は、基本的に実施の形態１と同じ製造工程で行われるが、図３に示す反射防止膜７をエッチングする工程において、その処理条件を変更したものである。
【００２６】
図３で示した反射防止膜７のエッチングでは、レジストマスク８に基づいてＣＦ_４ガスなどを用いてプラズマエッチングにより行っていた。このとき用いるガスにはＯ_２ガスを含む場合があり、このＯ_２ガスを含んだガスにより反射防止膜７のエッチングを行うと、レジストマスク８の表面が荒れる場合があった。レジストマスク８の表面が荒れれば、その後の工程である層間絶縁膜６のエッチングの際、レジストマスク８の平坦部にフルオロカーボンが堆積し難くなる問題があった。
【００２７】
レジストマスク８の平坦部にフルオロカーボンが堆積しなければ、実施の形態１のように矩形のコンタクトホールを形成することができない。そこで、レジストマスク８の平坦部にフルオロカーボンが堆積しやすいように、レジストマスク８の表面が滑らかになるような処理条件でプラズマエッチングを行う必要がある。例えば、ＣＦ_４単体ガスで反射防止膜７のエッチングを行う処理条件がある。なお、図８に本実施の形態に係る処理条件で反射防止膜７のエッチングを行った後の半導体装置の断面図を示す。
【００２８】
これにより、実施の形態１と同様に矩形のコンタクトホールを形成することができ、コンタクト開口部の面積を大きくすることができる。また、コンタクトホールの接触抵抗を低減することができるため半導体装置の歩留まりを向上させることができる。また、実施の形態１の場合に比べて、レジストマスク８の平坦部へ安定してフルオロカーボンを堆積させることができる。
【００２９】
（実施の形態４）
実施の形態４は、基本的に実施の形態１と同じ製造工程で行われるが、図３に示す反射防止膜７をエッチングする工程において、その処理条件を変更したものである。
【００３０】
図３で示した反射防止膜７のエッチングは、レジストマスク８に基づいてＣＦ_４ガスなどを用いてプラズマエッチングにより行っていた。この反射防止膜７のエッチングの際に、レジストマスク８もエッチングされる。実施の形態１でも説明したように、レジストマスク８の平坦部分にフルオロカーボンが堆積するため、反射防止膜７のエッチング後のレジストマスク８の形状がフルオロカーボンの堆積量に大きく影響を与える。
【００３１】
そこで、実施の形態４では、反射防止膜７のエッチングの際にレジストマスク８のパターンの肩部の形状を丸くするような処理条件でレジストマスク８をエッチングする。この処理条件としては、プラズマ装置のｒｆ電力を大きめに設定し、入射イオンエネルギーを大きくする条件やＦ（フッ素）リッチなガスを用い、エッチングの等方的な成分を増加させる条件が考えられる。ここで、Ｆリッチなガスとは、従来使用していたＣ_４Ｆ_８ガス，Ｃ_５Ｆ_８ガス，Ｃ_４Ｆ_６ガスなどのエッチングガスに比べてＦ／Ｎ比やＦ／Ｃ比が高いＮＦ_３ガスやＣＦ_４ガスなどエッチングガスをいう。図９に本実施の形態に係る処理条件で反射防止膜７のエッチングを行った後の半導体装置の断面図を示す。図９に示すように、レジストマスク８の肩部は肩落ちして平坦部分が小さくなっている。
【００３２】
これにより、レジストマスク８のパターンの間隔が狭い部分では、層間絶縁膜６のエッチングの際にフルオロカーボンの堆積が進行せずに、レジストマスク８がエッチングにより後退することになる。実施の形態１の場合に比べて、パターンの間隔が狭い部分の平坦部分が小さくなっているため、より短期間に矩形のコンタクトホールを形成することができる。また、実施の形態１と同様、コンタクト開口部の面積を大きくすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に記載の半導体装置の製造方法は、円形パターンの間隔が広いレジストマスクでは、平坦部にフルオロカーボンが堆積し、円形パターンの間隔が狭いレジストマスクでは、平坦部がエッチングされフルオロカーボンが堆積し難い処理条件で、レジストマスクに基づいて層間絶縁膜をエッチングするので、円形状の穴を有するレジストマスクからマスク数や工程を増やすことなく矩形のコンタクトホールを形成することができる効果がある。また、円形のコンタクトホールの場合よりも矩形のコンタクトホールの場合の方が、コンタクト開口部の面積を大きくすることができ、コンタクトホールの接触抵抗を低減することができるため半導体装置の歩留まりを向上させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るマスク及びレジストマスクの平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るコンタクトホール形成後の平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係るレジストマスク及びコンタクトホール形成後の平面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る矩形のコンタクトホールの断面積と円形のコンタクトホールの断面積とを比較した図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る半導体装置の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１　マスク、２　光透過部分、３　ポジ型レジスト膜、４　円形状の穴、５　半導体基板、６　層間絶縁膜、７　反射防止膜、８　レジストマスク、９　矩形のコンタクトホール、１０　円形のコンタクトホール。

Claims

（ａ）層間絶縁膜上に反射防止膜を成膜し、更に前記反射防止膜上にレジストを成膜する工程と、
（ｂ）前記レジストを複数の円形パターンを有するレジストマスクに形成する工程と、
（ｃ）前記レジストマスクに基づいて前記反射防止膜をエッチングする工程と、
（ｄ）前記円形パターンの間隔が広い前記レジストマスクでは、平坦部にフルオロカーボンが堆積し、前記円形パターンの間隔が狭い前記レジストマスクでは、前記平坦部がエッチングされフルオロカーボンが堆積し難い処理条件で、前記レジストマスクに基づいて層間絶縁膜をエッチングする工程と、
を有する矩形のコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｄ）で、カーボン比率の高いエッチングガスを用いて前記層間絶縁膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記カーボン比率の高いエッチングガスは、Ｃ_４Ｆ_６ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｄ）は、エッチングガスにＣＨ_２Ｆ_２ガスを添加して前記層間絶縁膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｃ）において、前記レジストマスクの表面が平滑となる処理条件で前記反射防止膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項５に記載の半導体装置の製造方法であって、
エッチングガスに、ＣＦ_４ガスのみを含んだ単体ガスを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程（ｃ）において、前記レジストマスクの肩部の形状を丸くする処理条件で前記反射防止膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
請求項７に記載の半導体装置の製造方法であって、
エッチングガスに、ＮＦ_３ガス又はＣＦ_４ガスを用いて前記反射防止膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。