JP2004319541A

JP2004319541A - Method and system for etching contact hole

Info

Publication number: JP2004319541A
Application number: JP2003107167A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okuni; 充弘大國
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP4001837B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure a good shape by preventing etching stop even when a contact hole having a high aspect ratio is formed. <P>SOLUTION: When a substrate 11 is placed in a pressure reducible reaction vessel and a contact hole 14 is etched in a silicon oxide film 12 formed on the substrate 11 as an insulating film using plasma of etching gas, the pressure of the etching gas plasma is elevated to approach the gas pressure in the contact hole 14 under etching. For example, pressure before etching is set at 1 Pa (=point a), the set pressure is altered to 1.5 Pa at a moment in time when etching progressed to the depth of 1/3 of the film thickness (=point b) of the silicon oxide film 12, and altered to 2 Pa at a moment in time when etching progressed to a point of 2/3 of the film thickness (=point c) and then etching is performed completely down to the bottom of contact (=point d). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に形成された絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを形成するための、コンタクトホールのドライエッチング方法およびエッチング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路を構成する半導体素子は寸法の微細化が進んでおり、それに有利なＭＯＳ電界効果トランジスタが主流となっている。またメタル多層配線はますます多層化の一途を辿っており、配線材料はアルミニウムを主成分とする合金から銅へ移行しつつあるとともに、配線間の層間絶縁膜にもさらなる低誘電率を有する材料の導入が盛んになってきている。
【０００３】
一方、デバイスのデザインルールのさらなる微細化に伴い、コンタクトホール径も縮小され、層間絶縁膜の微細加工におけるアスペクト比も著しく大きくなってきている。微細で高アスペクト比を有するコンタクトホールを形成することで、多層配線部の集積度が高くなり、半導体集積回路のチップ面積を縮小することが可能となる。それによりウエハ上の単位面積当たりの半導体チップの採れ数も多くなり、生産性を高めることになる。
【０００４】
絶縁膜にコンタクトホールを形成するためのドライエッチングには、プラズマ源として平行平板型のＲＩＥ装置及びＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）に代表される高密度プラズマ装置が盛んに用いられている。そのためのドライエッチングには主に、ＣＨＦ_３，ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_６，Ｃ_５Ｆ_８等のフロロカーボン系ガスが用いられている。
【０００５】
しかし、高アスペクト比のコンタクトホールのドライエッチングにおいては、層間絶縁膜のエッチングが途中でストップしてしまい、それ以上進まないという問題が発生することがある。これは、高アスペクト比のコンタクトホールを異方性の高いドライエッチング手法でエッチングすると、コンタクトホールの底にポリマー状の堆積物が溜まり、エッチングによっては除去できなくなるためと考えられる。
【０００６】
このようなエッチングストップを防止する対策として従来、
（１）フロロカーボン系ガスにＡｒを添加することにより、コンタクトホール内部に入射するエッチングガスのイオンエネルギーを高め、そのスパッタ成分により堆積成分を除去する、
（２）同じくフロロカーボン系ガスにＯ_２を添加することにより、堆積成分と反応させ、強制的に除去する、
等のエッチング方法が提案実施されてきた（例えば非特許文献１参照）。
【０００７】
特に（１）の方法では、Ａｒガスの添加によってウエハ上のセルフバイアスポテンシャルが上昇し、エッチング効果が増強するといわれている。
図５は、コンタクトホールのドライエッチングに用いられる従来のエッチング装置の概略構成を示す。図中、１は減圧可能なチャンバー、２は上部電極、３は上部電極に印加される高周波電源（２７．１２ＭＨｚ）、４は下部電極、５は下部電極に印加される高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）である。６はチャンバー１内部を減圧するための排気口で、図示しない真空ポンプが接続されている。７は圧力計、８は被処理ウエハーである。
【０００８】
図６は、高アスペクト比のコンタクトホールを形成する従来のエッチング方法を説明する工程断面図である。
図６（ａ）はエッチング前の被処理ウエハー８の断面を示す。図中、１１はシリコン基板、１２は絶縁膜としてのシリコン酸化膜、１３はレジスト膜である。この被処理ウエハー８に対して、表１に示すエッチング条件、つまりＣ_５Ｆ_８、Ａｒ、酸素の混合ガスを用い、上部電極２と下部電極４に高周波電力を印加して、シリコン酸化膜１２のコンタクトホールエッチングを開始する。表１に示されているエッチング条件での各膜のエッチング速度は表２に示す通りである。
【０００９】
【表１】

【００１０】
【表２】

図６（ｂ）はエッチング途中の状態を示す。１４は形成されつつあるコンタクトホールである。
【００１１】
図６（ｃ）はエッチングがさらに進行した状態を示す。深くなったコンタクトホール１４の底にポリマー膜１５が堆積している。このポリマー膜１５を除去できないため、エッチングが途中でストップしてしまい、コンタクトホール１４がシリコン基板１１に到達しない、という不具合が時々発生するのである。
【００１２】
【非特許文献１】
平下，池上著、「ＳｉＯ２ホール内でのエッチング表面反応」、第４４回半導体専門講習会予稿集、工業調査会、１９９９年８月、Ｐ１４９
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のコンタクトホールのエッチング方法では、上記したようにエッチングストップ現象に対する対策をとったＡｒ添加ガスを用いても、形成されつつあるコンタクトホール１４の底に堆積してくるポリマー膜１５を十分に除去できず、エッチングストップを十分に回避することはできなかった。その結果、コンタクトホール１４がシリコン基板１１に到達せず、最終的にはコンタクト不良となり、半導体集積回路の歩留まりが低下する、という不具合が生じていた。
【００１４】
これは、エッチングが進行するにつれてコンタクトホール１４が深くなり、アスペクト比が増すに伴って、コンタクトホール１４内を流れるガスのコンダクタンスが低下して、エッチングガスやエッチングで生じたシリコン酸化膜などの絶縁膜とのガス状反応生成物がコンタクホール１４外に排出されずに滞留し、特に底部付近の圧力が設定圧力よりも高くなることが原因であると考えられる。つまり、フロロカーボン系の反応生成物のコンタクトホール１４からの排気が不充分となり、そのため新たなエッチングガスがコンタクトホール１４内に入りにくくなり、その結果、エッチングストップが引き起こされるものと考えられる。
【００１５】
本発明は上記問題を解決するもので、アスペクト比の高いコンタクトホールを形成する際もエッチングストップが生じにくく、良好な形状を確保できるコンタクトホールのエッチング方法を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、減圧可能な反応容器内に基板を設置し、前記基板上に成膜された絶縁膜にエッチングガスのプラズマを用いてコンタクトホールをエッチングするに際し、前記エッチングガスのプラズマの圧力をエッチング途中のコンタクトホール内のガス圧力に近づけるように上昇させることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、基板上に成膜された絶縁膜にエッチングガスのプラズマを用いてコンタクトホールをエッチングするエッチング装置を前記基板が内部に設置される減圧可能な反応容器と、前記反応容器内に導入されるエッチングガスのプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記反応容器内のエッチングガスのプラズマの圧力を測定する圧力測定手段と、前記圧力測定手段で測定された圧力値を参照しつつ、前記エッチングガスのプラズマの圧力をエッチング途中のコンタクトホール内のガス圧力に近づけるように上昇させる圧力制御手段とを有した構成としたことを特徴とする。
【００１８】
エッチングガスのプラズマの圧力は、段階的に上昇させてもよいし、連続的に上昇させてもよい。
上記したエッチング方法またはエッチング装置によれば、エッチングが進行するにつれてコンタクトホールが深くなり、アスペクト比が増すに伴い、コンタクトホール内のガスのコンダクタンスが劣化し、反応生成物を含むガスが増加する一方でガス排出能力が低下して、コンタクトホール内の圧力が経時的に上昇しても、それを補うようにプラズマガスの圧力を上昇させるので、コンタクトホール内に新たなエッチングガスが入り易くなり、エッチングがストップせず最後まで進行する。
【００１９】
エッチング途中のコンタクトホール内のガス圧力は、予め絶縁膜のエッチングのプロセスシミュレーションによりエッチング時間の関数として求めたガス圧力を用いることができる。
【００２０】
コンタクトホール内のガス圧力は、コンタクトホール内の底部のガス圧力を用いるのが望ましい。
エッチングガスのプラズマの圧力の上昇は、反応容器からエッチングガスを排気する排気速度を低減させることにより行なうのが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明のドライエッチング装置の概略構成を示す断面図、図２は本発明のコンタクトホールのエッチング方法を説明する断面図である。
【００２２】
図１に示す平行平板型プラズマエッチング装置において、１は減圧可能なチャンバー、２は上部電極、３は上部電極に印加される高周波電源（２７．１２ＭＨｚ）、４は下部電極、５は下部電極に印加される高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）であり、２，３，４，５でエッチングガスのプラズマ発生手段を構築している。６はチャンバー１内部を減圧するための排気口で、図示しない真空ポンプが接続されている。７は圧力計、８は被処理ウエハーである。
【００２３】
９は、排気口６におけるチャンバー１との連通部付近に取り付けられ、排気速度（あるいは排気量）を調節する調節弁である。１０は調節弁制御装置であり、圧力計７で測定される圧力値を参照しつつ、後述するように調節弁９の開度を制御する。
【００２４】
以下、図２をも参照しながらコンタクトホールのエッチング方法を説明する。
図２に示す被処理ウエハー８において、１１はシリコン基板、１２は絶縁膜としてのシリコン酸化膜、１３は微細なコンタクトパターンが形成されたレジスト膜である。
【００２５】
この被処理ウエハー８の被エッチング膜であるシリコン酸化膜１２に、エッチングガスのプラズマを用いてコンタクトホール１４をエッチングする。
エッチング条件は以下の表３に示すようなものであり、エッチングガスとしてＣ_５Ｆ_８、Ａｒ、酸素の混合ガスを用い、上部電極２と下部電極４に高周波電力を印加する。
【００２６】
ただしエッチング中に、チャンバー１内のエッチングガスのプラズマの圧力（以下、プラズマ圧力という）を、圧力計７による測定値を参照しつつ、コンタクトホール１４内のガス圧力に近づけるように段階的に上昇させる。プラズマ圧力以外のプロセス条件、たとえばエッチングガス種、エッチングガス供給流量、高周波電力、下部電極温度は一切変化させない。
【００２７】
【表３】

このコンタクトホールエッチングを詳細に説明する。
【００２８】
図２（ａ）に示すシリコン酸化膜１２の表面でのエッチング前の圧力（ａ点での圧力）を１Ｐａと設定し、その設定圧力に近づくようにチャンバー１内のエッチングガスのプラズマ圧力を制御してシリコン酸化膜１２のドライエッチングを開始する。（表３の▲１▼参照）
図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の１／３の深さ（＝ｂ点）までエッチングが進んだ時点で、設定圧力を１．５Ｐａに変更する。（表３の▲２▼参照）
図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の２／３の深さ（＝ｃ点）までエッチングが進んだ時点で、設定圧力を２Ｐａに変更する。（表３の▲３▼参照）
図２（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜１２を貫通する深さ（＝ｄ点）までエッチングを進行させて、エッチングを完了する。
【００２９】
続いて設定圧力を２．５Ｐａに変更し、所望のオーバーエッチを施す。この間はシリコン酸化膜１２のエッチングを進行させないために圧力は一定とする。（表３の▲４▼参照）
以上のようにして、エッチングの進行につれてコンタクトホール１４のアスペクト比が増加し、コンタクトホール１４内のエッチングガスとエッチングによるシリコン酸化膜１２との反応生成物による圧力が上昇するのに応じて、コンタクトホール１４内の圧力、具体的にはその時点での底部付近の圧力に近づくように、チャンバ１内のプラズマ圧力を変更しながらエッチングするのである。
【００３０】
このようにすることにより、エッチングが進行してもエッチング初期とほぼ同じ状態、すなわちコンタクトホール１４内外の圧力がほぼ等しい状態となり、ガス圧力が高まったコンタクトホール１４外のフロロカーボン系のエッチングガスがコンタクトホール１４内に入射しやすくなる一方で、コンタクトホール１４内の反応生成物が充分に排気されることになり、その結果、エッチストップを生じることなく、図３に示すような良好な形状のコンタクトホール１４が形成される。
【００３１】
しかし、このようにしてエッチング中に意図的にチャンバー１内のプラズマ圧力を増加させるに伴って、エッチング特性に影響が及ぶことが予想される。そこで、プラズマ圧力に対するコンタクトホールのエッチングレート（シリコン酸化膜１２のエッチング速度）依存性を調べた。
【００３２】
結果は図４に示すとおりであり、１Ｐａから３Ｐａの範囲内ではエッチング速度はほとんど変化しない。エッチング条件は表▲３▼と同様、Ｃ_５Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２＝２５／３００／１０（ｓｃｃｍ）、上部電極／下部電極＝１０００（Ｗ）／１０００（Ｗ）、下部電極温度＝１００℃とした。この結果は、コンタクトホール１４を完全にエッチングするためのエッチング時間を制御しやすいことを意味するものである。
【００３３】
なお、コンタクトホール１４の内部、特にその時点での底面部分のガス圧力の変化に応じて、それに近い値にチャンバ１内のプラズマ圧力を変化させるには、プロセスシミュレーションを利用するのが好都合である。最近ではプロセスシミュレーションによって、実際のプロセスに非常に近い状態を再現できるようになってきている。
【００３４】
具体的には、シミュレーションを用いて、実施しようとするコンタクトエッチングプロセスの境界条件及び初期条件から、コンタクトホール内の底面付近のガス圧力のエッチング時間依存性、すなわちエッチング時間の関数としてのガス圧力を計算し、その計算値を設定圧力とするのである。境界条件、初期条件としては、コンタクトホール径、深さ、絶縁膜材料の種類とその密度、エッチング速度、プラズマの初期圧力等が利用できる。
【００３５】
このようにして決定された設定圧力を図１に示すドライエッチング装置の調節弁制御装置１０に記憶させておくと、調節弁制御装置１０が、所定のエッチング時間に圧力計７で計測されたチャンバー内のプラズマ圧力の実測値と設定圧力とを比較し、実測値が設定圧力に一致するように調節弁９の開度を調節する。
【００３６】
プラズマ圧力を段階的に増加させるためには、調節弁９の開度を段階的に小さくすることで排気速度（排気量）を低減させればよい。エッチングガスの圧力を変化させる他の方法として、エッチングガスの供給流量を変化させることも考えられるが、エッチング特性に影響を及ぼすので、排気速度（排気量）を変化させるのが好ましい。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるコンタクトホールのエッチング方法は、上記実施の形態１と同様の装置を用いて、ほぼ同様の工程を辿って実施できるので、図１および図２を援用して説明する。
【００３７】
この実施の形態２のエッチング方法が実施の形態１のエッチング方法と相違するのは、エッチング中にチャンバー１内のエッチングガスのプラズマ圧力を連続的に上昇させる点である。その間、プラズマ圧力以外のプロセス条件、たとえばエッチングガス種、エッチングガス供給流量、高周波電力、下部電極温度は一切変化させない。
【００３８】
図２を参照しながら説明する。
図２（ａ）に示すシリコン酸化膜１２の表面でのエッチング前の圧力（ａ点での圧力）を１Ｐａと設定し、その設定圧力に近づくようにチャンバー１内のエッチングガスのプラズマ圧力を制御してシリコン酸化膜１２のドライエッチングを開始する。
【００３９】
そして設定圧力を連続的に、たとえば、０．０２５（Ｐａ／ｓｅｃ）の割合で上昇させながらエッチングを進行させる。
このことにより、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の１／３の深さ（＝ｂ点）までエッチングが進んだ時点では、設定圧力は１．５Ｐａになる。
【００４０】
図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の２／３の深さ（＝ｃ点）までエッチングが進んだ時点では、設定圧力は２．０Ｐａになる。
図２（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜１２を貫通する深さ（＝ｄ点）までエッチングが進み、エッチングが完了する時点では、設定圧力は２．５Ｐａになる。
【００４１】
エッチングの完了後には所望のオーバーエッチを施す。このオーバーエッチの間は、シリコン酸化膜１２のエッチングを進行させないために設定圧力２．５Ｐａに維持する。
【００４２】
この実施の形態２のエッチング方法でも、実施の形態１と同様に、エッチストップを引き起こすことなく、良好な形状のコンタクトホール１４を形成できる。エッチングガスの圧力制御も、調節弁９の開度を連続的に小さくする以外は実施の形態１と同様に行なえる。
【００４３】
なお、上記した各実施の形態では、シリコン酸化膜１２のエッチングにレジストマスク１３を用いたが、塗布型有機系反射防止膜を用いた場合も、同様にして良好にコンタクトホール１４をドライエッチングできるのは言うまでもない。
【００４４】
また、エッチング装置として反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたが、誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ）、マイクロ波磁場印加プラズマ（ＥＣＲ）装置等を用いても、同様にして良好にコンタクトホール１４をドライエッチングできるのは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、微細かつアスペクト比の高いコンタクトホールをも、エッチングストップを引き起こすことなく、良好な形状にてドライエッチングできる。その結果、半導体デバイスにおける多層配線間のコンタクト形成不良が大幅に低減することになり、高性能多層配線デバイスにおける半導体製造工程において大変重要で価値ある技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるドライエッチング装置の概略構成を示す断面図
【図２】本発明のコンタクトホールのエッチング方法を説明する断面図
【図３】図２に示したエッチング方法により形成される良好な形状のコンタクトホール
【図４】プラズマ圧力に対するコンタクトホールのエッチングレート依存性を示すグラフ
【図５】従来のエッチング装置の概略構成を示す断面図
【図６】従来のエッチング方法を説明する工程断面図
【符号の説明】
１チャンバー
２上部電極
４下部電極
６排気口
７圧力計
８被処理ウエハー
９調節弁
１０調節弁制御装置
１１シリコン基板
１２シリコン酸化膜
１４コンタクトホール[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a contact hole dry etching method and an etching apparatus for forming a contact hole having a high aspect ratio in an insulating film formed on a semiconductor substrate.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor elements constituting a semiconductor integrated circuit have been miniaturized in size, and a MOS field-effect transistor which is advantageous for it has become mainstream. In addition, metal multilayer wiring is becoming more and more multilayered, and the wiring material is shifting from an alloy containing aluminum as a main component to copper, and a material having an even lower dielectric constant is also used for an interlayer insulating film between wirings. The introduction of is becoming popular.
[0003]
On the other hand, with further miniaturization of device design rules, the diameter of contact holes has been reduced, and the aspect ratio in microfabrication of an interlayer insulating film has been significantly increased. By forming fine contact holes having a high aspect ratio, the degree of integration of the multilayer wiring portion is increased, and the chip area of the semiconductor integrated circuit can be reduced. As a result, the number of semiconductor chips per unit area on the wafer is increased, and the productivity is increased.
[0004]
In dry etching for forming a contact hole in an insulating film, a parallel plate type RIE apparatus and a high-density plasma apparatus represented by ICP (inductively coupled plasma) are frequently used as plasma sources. Fluorocarbon-based gases such as CHF ₃ , CF ₄ , C ₂ F ₆ , C ₄ F ₈ , C ₄ F ₆ , and C ₅ F ₈ are mainly used for dry etching.
[0005]
However, in dry etching of a contact hole having a high aspect ratio, a problem may occur that the etching of the interlayer insulating film is stopped halfway and does not proceed any further. This is considered to be because when a contact hole having a high aspect ratio is etched by a highly anisotropic dry etching method, polymer deposits accumulate at the bottom of the contact hole and cannot be removed by etching.
[0006]
Conventionally, as a measure to prevent such etching stop,
(1) By adding Ar to a fluorocarbon-based gas, the ion energy of an etching gas incident on the inside of the contact hole is increased, and a deposition component is removed by a sputtering component thereof.
(2) Similarly, by adding O ₂ to the fluorocarbon-based gas, it reacts with the deposited components and is forcibly removed.
Have been proposed (for example, see Non-Patent Document 1).
[0007]
In particular, in the method (1), it is said that the self-bias potential on the wafer is increased by the addition of Ar gas, and the etching effect is enhanced.
FIG. 5 shows a schematic configuration of a conventional etching apparatus used for dry etching of a contact hole. In the figure, 1 is a chamber capable of reducing pressure, 2 is an upper electrode, 3 is a high-frequency power supply (27.12 MHz) applied to the upper electrode, 4 is a lower electrode, and 5 is a high-frequency power supply (13.56 MHz) applied to the lower electrode. ). Reference numeral 6 denotes an exhaust port for depressurizing the inside of the chamber 1, to which a vacuum pump (not shown) is connected. 7 is a pressure gauge, and 8 is a wafer to be processed.
[0008]
FIG. 6 is a process sectional view illustrating a conventional etching method for forming a contact hole having a high aspect ratio.
FIG. 6A shows a cross section of the processing target wafer 8 before etching. In the figure, 11 is a silicon substrate, 12 is a silicon oxide film as an insulating film, and 13 is a resist film. With respect to the wafer 8 to be processed, high-frequency power is applied to the upper electrode 2 and the lower electrode 4 using the etching conditions shown in Table 1, that is, a mixed gas of C ₅ F ₈ , Ar, and oxygen, and the silicon oxide film 12 is formed. Of the contact hole is started. The etching rate of each film under the etching conditions shown in Table 1 is as shown in Table 2.
[0009]
[Table 1]

[0010]
[Table 2]

FIG. 6B shows a state during the etching. 14 is a contact hole being formed.
[0011]
FIG. 6C shows a state in which the etching has further progressed. A polymer film 15 is deposited on the bottom of the deepened contact hole 14. Since the polymer film 15 cannot be removed, the etching is stopped halfway, and the problem that the contact hole 14 does not reach the silicon substrate 11 sometimes occurs.
[0012]
[Non-patent document 1]
Hirashita and Ikegami, "Etching Surface Reaction in SiO2 Hall", Proceedings of the 44th Seminar on Semiconductor Specialization, Industrial Research Committee, August 1999, P149
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional contact hole etching method, the polymer film 15 deposited on the bottom of the contact hole 14 being formed can be sufficiently formed even with the use of an Ar-added gas that takes measures against the etching stop phenomenon as described above. The etching stop could not be sufficiently avoided. As a result, the contact hole 14 does not reach the silicon substrate 11 and eventually causes a contact failure, and the yield of the semiconductor integrated circuit is reduced.
[0014]
This is because, as the etching proceeds, the contact hole 14 becomes deeper, and as the aspect ratio increases, the conductance of the gas flowing in the contact hole 14 decreases, and the insulating material such as the etching gas and the silicon oxide film generated by the etching decreases. It is considered that the cause is that the gaseous reaction product with the film stays without being discharged to the outside of the contact hole 14, and the pressure particularly near the bottom becomes higher than the set pressure. That is, it is considered that the exhaust of the fluorocarbon-based reaction product from the contact hole 14 becomes insufficient, so that it becomes difficult for a new etching gas to enter the contact hole 14, and as a result, an etching stop is caused.
[0015]
An object of the present invention is to provide a method for etching a contact hole, in which an etching stop hardly occurs even when a contact hole having a high aspect ratio is formed, and a favorable shape can be ensured. .
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method in which a substrate is placed in a reaction vessel that can be depressurized, and when etching a contact hole using plasma of an etching gas in an insulating film formed on the substrate, the etching is performed. It is characterized in that the pressure of the gas plasma is increased so as to approach the gas pressure in the contact hole during etching.
[0017]
The present invention also provides an etching apparatus for etching a contact hole using plasma of an etching gas in an insulating film formed on a substrate, a reaction vessel capable of being decompressed in which the substrate is installed, and an inside of the reaction vessel. Plasma generation means for generating plasma of the etching gas to be introduced, pressure measurement means for measuring the pressure of the plasma of the etching gas in the reaction vessel, while referring to the pressure value measured by the pressure measurement means, Pressure control means for increasing the plasma pressure of the etching gas so as to approach the gas pressure in the contact hole during etching.
[0018]
The plasma pressure of the etching gas may be increased stepwise or may be increased continuously.
According to the above-described etching method or etching apparatus, as the etching proceeds, the contact hole becomes deeper, and as the aspect ratio increases, the conductance of the gas in the contact hole deteriorates, while the gas containing a reaction product increases. Even if the gas discharge capacity decreases and the pressure in the contact hole increases with time, the pressure of the plasma gas is increased to compensate for it, so that a new etching gas easily enters the contact hole, The etching proceeds to the end without stopping.
[0019]
As the gas pressure in the contact hole during the etching, a gas pressure previously determined as a function of the etching time by a process simulation of the etching of the insulating film can be used.
[0020]
It is desirable to use the gas pressure at the bottom of the contact hole as the gas pressure within the contact hole.
It is desirable to increase the pressure of the plasma of the etching gas by reducing the exhaust speed at which the etching gas is exhausted from the reaction vessel.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a dry etching apparatus of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view for explaining a contact hole etching method of the present invention.
[0022]
In the parallel plate type plasma etching apparatus shown in FIG. 1, 1 is a chamber capable of reducing pressure, 2 is an upper electrode, 3 is a high frequency power supply (27.12 MHz) applied to the upper electrode, 4 is a lower electrode, and 5 is a lower electrode. A high frequency power source (13.56 MHz) is applied, and the plasma generating means of the etching gas is constructed with 2, 3, 4, and 5. Reference numeral 6 denotes an exhaust port for depressurizing the inside of the chamber 1, to which a vacuum pump (not shown) is connected. 7 is a pressure gauge, and 8 is a wafer to be processed.
[0023]
Reference numeral 9 denotes a control valve that is attached to a portion of the exhaust port 6 near the communication portion with the chamber 1 and that adjusts an exhaust speed (or an exhaust amount). Reference numeral 10 denotes a control valve control device, which controls the opening of the control valve 9 as described later while referring to the pressure value measured by the pressure gauge 7.
[0024]
Hereinafter, the contact hole etching method will be described with reference to FIG.
In the wafer 8 to be processed shown in FIG. 2, 11 is a silicon substrate, 12 is a silicon oxide film as an insulating film, and 13 is a resist film on which a fine contact pattern is formed.
[0025]
The contact holes 14 are etched in the silicon oxide film 12 as the film to be etched of the processing target wafer 8 by using plasma of an etching gas.
The etching conditions are as shown in Table 3 below. A mixed gas of C ₅ F ₈ , Ar, and oxygen is used as an etching gas, and high-frequency power is applied to the upper electrode 2 and the lower electrode 4.
[0026]
However, during the etching, the plasma pressure of the etching gas in the chamber 1 (hereinafter referred to as the plasma pressure) is increased stepwise so as to approach the gas pressure in the contact hole 14 while referring to the value measured by the pressure gauge 7. Let it. Process conditions other than the plasma pressure, such as the type of etching gas, the flow rate of etching gas supplied, the high frequency power, and the lower electrode temperature, are not changed at all.
[0027]
[Table 3]

This contact hole etching will be described in detail.
[0028]
The pressure (the pressure at point a) before etching on the surface of the silicon oxide film 12 shown in FIG. 2A is set to 1 Pa, and the plasma pressure of the etching gas in the chamber 1 is controlled so as to approach the set pressure. Then, dry etching of the silicon oxide film 12 is started. (See (1) in Table 3)
As shown in FIG. 2B, when the etching proceeds to a depth of 1/3 of the thickness of the silicon oxide film 12 (= point b), the set pressure is changed to 1.5 Pa. (See (2) in Table 3)
As shown in FIG. 2C, when the etching proceeds to a depth of 2/3 of the thickness of the silicon oxide film 12 (= point c), the set pressure is changed to 2 Pa. (See (3) in Table 3)
As shown in FIG. 2D, the etching is advanced to a depth (= d point) penetrating through the silicon oxide film 12, and the etching is completed.
[0029]
Subsequently, the set pressure is changed to 2.5 Pa, and a desired overetch is performed. During this time, the pressure is kept constant so that the etching of the silicon oxide film 12 does not proceed. (See (4) in Table 3)
As described above, as the etching proceeds, the aspect ratio of the contact hole 14 increases, and as the pressure due to the reaction product between the etching gas in the contact hole 14 and the silicon oxide film 12 by the etching increases, the contact ratio increases. Etching is performed while changing the plasma pressure in the chamber 1 so as to approach the pressure in the hole 14, specifically, the pressure near the bottom at that time.
[0030]
In this way, even if the etching progresses, the state becomes almost the same as the initial state of the etching, that is, the pressure inside and outside the contact hole 14 is almost equal, and the fluorocarbon etching gas outside the contact hole 14 whose gas pressure is increased is contacted. The reaction product in the contact hole 14 is sufficiently exhausted while the incident light easily enters the hole 14, and as a result, a contact having a good shape as shown in FIG. A hole 14 is formed.
[0031]
However, as the plasma pressure in the chamber 1 is intentionally increased during the etching, it is expected that the etching characteristics will be affected. Therefore, the dependence of the etching rate of the contact hole (the etching rate of the silicon oxide film 12) on the plasma pressure was examined.
[0032]
The results are as shown in FIG. 4, and the etching rate hardly changes in the range of 1 Pa to 3 Pa. The etching conditions are C ₅ F ₈ / Ar / O ₂ = 25/300/10 (sccm), upper electrode / lower electrode = 1000 (W) / 1000 (W), lower electrode temperature = 100 as in Table (3). ° C. This means that the etching time for completely etching the contact hole 14 can be easily controlled.
[0033]
In order to change the plasma pressure in the chamber 1 to a value close to the gas pressure inside the contact hole 14, particularly at the time of the change in the gas pressure in the bottom portion at that time, it is convenient to use a process simulation. . Recently, it has become possible to reproduce a state very close to an actual process by a process simulation.
[0034]
Specifically, using simulation, from the boundary conditions and initial conditions of the contact etching process to be performed, the etching time dependency of the gas pressure near the bottom surface in the contact hole, that is, the gas pressure as a function of the etching time, is calculated. Calculate and use the calculated value as the set pressure. As the boundary condition and the initial condition, the contact hole diameter, the depth, the type and density of the insulating film material, the etching rate, the initial pressure of the plasma, and the like can be used.
[0035]
When the set pressure determined in this way is stored in the control valve control device 10 of the dry etching apparatus shown in FIG. 1, the control valve control device 10 controls the chamber measured by the pressure gauge 7 at a predetermined etching time. The measured value of the plasma pressure in the chamber is compared with the set pressure, and the opening of the control valve 9 is adjusted so that the measured value matches the set pressure.
[0036]
In order to increase the plasma pressure in a stepwise manner, the exhaust speed (displacement amount) may be reduced by gradually reducing the opening of the control valve 9. As another method of changing the pressure of the etching gas, changing the supply flow rate of the etching gas may be considered. However, since the etching characteristics are affected, it is preferable to change the exhaust speed (displacement amount).
(Embodiment 2)
Since the contact hole etching method according to the second embodiment of the present invention can be carried out by using substantially the same process using the same apparatus as in the first embodiment, a description will be given with reference to FIGS. .
[0037]
The etching method of the second embodiment differs from the etching method of the first embodiment in that the plasma pressure of the etching gas in the chamber 1 is continuously increased during the etching. During that time, process conditions other than the plasma pressure, such as the type of etching gas, the flow rate of the etching gas supplied, the high frequency power, and the lower electrode temperature are not changed at all.
[0038]
This will be described with reference to FIG.
The pressure (the pressure at point a) before etching on the surface of the silicon oxide film 12 shown in FIG. 2A is set to 1 Pa, and the plasma pressure of the etching gas in the chamber 1 is controlled so as to approach the set pressure. Then, dry etching of the silicon oxide film 12 is started.
[0039]
Then, the etching proceeds while the set pressure is continuously increased, for example, at a rate of 0.025 (Pa / sec).
As a result, as shown in FIG. 2B, the set pressure becomes 1.5 Pa at the point when the etching has progressed to a depth of 1/3 of the thickness of the silicon oxide film 12 (= point b).
[0040]
As shown in FIG. 2C, when the etching proceeds to a depth of 2/3 of the thickness of the silicon oxide film 12 (point c), the set pressure becomes 2.0 Pa.
As shown in FIG. 2D, the etching proceeds to a depth (= d point) penetrating the silicon oxide film 12, and when the etching is completed, the set pressure becomes 2.5 Pa.
[0041]
After the completion of the etching, a desired overetch is performed. During this overetch, the set pressure is maintained at 2.5 Pa to prevent the etching of the silicon oxide film 12 from proceeding.
[0042]
Also in the etching method of the second embodiment, similarly to the first embodiment, a contact hole 14 having a good shape can be formed without causing an etch stop. The pressure control of the etching gas can be performed in the same manner as in the first embodiment except that the opening of the control valve 9 is continuously reduced.
[0043]
Although the resist mask 13 is used for etching the silicon oxide film 12 in each of the above-described embodiments, the contact hole 14 can be dry-etched well similarly when a coating type organic antireflection film is used. Needless to say.
[0044]
Although the reactive ion etching (RIE) is used as the etching device, the contact hole 14 can be similarly formed well by using an inductively coupled plasma device (ICP), a microwave magnetic field applied plasma (ECR) device, or the like. It goes without saying that dry etching can be performed.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even a fine contact hole having a high aspect ratio can be dry-etched in a favorable shape without causing an etching stop. As a result, defective contact formation between multilayer wirings in a semiconductor device is significantly reduced, which is a very important and valuable technique in a semiconductor manufacturing process for a high performance multilayer wiring device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a dry etching apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a method for etching a contact hole according to the present invention. FIG. 4 is a graph showing the dependence of the etching rate of a contact hole on plasma pressure. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional etching apparatus. Process cross-sectional view to be explained [Description of reference numerals]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chamber 2 Upper electrode 4 Lower electrode 6 Exhaust port 7 Pressure gauge 8 Wafer to be processed 9 Control valve 10 Control valve control device 11 Silicon substrate 12 Silicon oxide film 14 Contact hole

Claims

A substrate is placed in a reaction vessel that can be depressurized, and when etching a contact hole using plasma of an etching gas in an insulating film formed on the substrate,
A method of etching a contact hole, wherein the pressure of the plasma of the etching gas is increased to approach the gas pressure in the contact hole during etching.

2. The contact hole etching method according to claim 1, wherein the gas pressure in the contact hole during the etching is a gas pressure obtained as a function of the etching time by a process simulation of the etching of the insulating film.

3. The method for etching a contact hole according to claim 1, wherein the gas pressure in the contact hole is a gas pressure at a bottom of the contact hole.

2. The method for etching a contact hole according to claim 1, wherein the pressure of the plasma of the etching gas is increased by reducing an exhaust speed at which the etching gas is exhausted from the reaction vessel.

An etching apparatus for etching a contact hole using plasma of an etching gas in an insulating film formed on a substrate,
A reaction vessel in which the substrate can be decompressed and installed inside,
Plasma generation means for generating plasma of an etching gas introduced into the reaction vessel,
Pressure measuring means for measuring the pressure of the plasma of the etching gas in the reaction vessel,
Pressure control means for raising the plasma pressure of the etching gas so as to approach the gas pressure in the contact hole during etching, with reference to the pressure value measured by the pressure measurement means.