JP2004500696A - 半導体デバイスのためのセルフアライメントコンタクト - Google Patents

半導体デバイスのためのセルフアライメントコンタクト Download PDF

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Abstract

【課題】プラズマ処理チャンバ内において、ウエハ積層体の酸化物層のうち選択された部分をエッチングして、セルフアライメントコンタクトホールを形成するための方法を、開示する。
【解決手段】ウエハ積層体は、基板と、基板の上に配置されたポリシリコン層と、ポリシリコン層の上に配置された窒化物層と、窒化物層の上に配置された酸化物層と、を含む。第１の方法は、Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２とを含む化学剤と、１組の工程パラメータとを使用して積層体の酸化物層をエッチングする、エッチング工程を備える。第２の方法は、Ｃ２Ｆ６とＣ２ＨＦ５とを含む化学剤と、スパイクエッチングを形成することなく酸化物層をエッチングするための第１組の工程パラメータとを使用して、積層体の酸化物層を部分的にエッチングする、第１のエッチング工程を備える。第２の方法はさらに、Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２とを含む化学剤と、第１組の工程パラメータと異なり且つ窒化物層を実質的に損傷させることなく酸化物層を基板に至るまでエッチングするための第２組の工程パラメータと、を使用して、酸化物層を基板に至るまでエッチングする、第２のエッチング工程を備える。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、半導体集積回路（ＩＣ）の製造に関し、特に、ＩＣ製作中に、酸化物層を含んだＩＣの積層体をエッチングしてセルフアライメントコンタクトホールを形成するための方法および装置に関する。
【０００２】
セルフアライメントコンタクトは、金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタ等の特定の半導体集積回路を製造するに当たり、数多くの利点をもたらす。議論を容易にするため、図１Ａおよび１Ｂに、セルフアライメントコンタクトを利用した典型的半導体ＩＣの製作中に形成された積層体２０のうち、関連する部分の断面を示した。ここで、図示される層の上、下、および間には、他の追加の層が存在し得る点に留意されたい。このため、本明細書で使用する「覆う」、「上」等の位置関係を表す用語は、層と層が直接接触することを必ずしも意味しない。さらに、図示された層が必ずしも存在する必要はなく、その一部分または全てを他の異なる層で置き換えることも可能である。
【０００３】
先ず図１Ａにおいて、積層体２０（図の簡略化のため、縮尺率は一定でない）の底部に基板２２が示されている。基板２２は半導体ウエハであり、通常はシリコンで形成される。基板２２の上には、ＳｉＯ２を通常的に含有しゲート酸化物層として作用する酸化物層２４，２６が形成されている。これらゲート酸化物層２４，２６の上には、個別のポリシリコンゲート２８，３０が配置されている。これらのポリシリコンゲート２８，３０は、続いて堆積される窒化物層（一般にＳｉ３Ｎ４またはＳｉｘＮｙ）の窒化物領域でそれぞれ保護される。これらの窒化物領域は、図１Ａでは窒化物領域３２，３４として示されている。ゲート酸化物領域、ポリシリコンゲート、および保護用窒化物領域の上には、酸化物層４０が配置されている。
【０００４】
酸化物層４０を経て基板２２に至るコンタクトホール４４を形成するため、フォトレジスト材料の層４２を堆積させ、従来のフォトリソグラフィ工程によるパターン形成を行なう。パターンの形成後、フォトレジスト層４２に初期のホールを形成し、後続する酸化物のエッチングを容易にする。上述した層およびその特徴は、それらを形成する工程と同様に、当業者にとって周知のものである。
【０００５】
図１Ｂには、図１Ａと同じ積層体２０およびその層が示されているが、酸化物層４０にコンタクトホール４４がエッチングされている点で図１Ａと異なる。続いて、このコンタクトホール４４を介して金属導線を形成し、基板２２のドレイン領域とソース領域とを接触させる。この場合のコンタクトホール４４は、セルフアライメントコンタクトを表わす。すなわち、コンタクトホール４４は、その側壁が、ゲート酸化物領域と、ポリシリコンゲートと、保護用窒化物層とを備えたゲートスタックの全部または一部分に重なるか否かに関わらずにコンタクト機能を実現する。ポリシリコンゲート自体がその上層である窒化物材料に保護されているため、ゲートスタックに挟まれた領域Ｄ１とコンタクトホール４４との間には、得られるトランジスタのゲートをドレインおよびソースにショートさせることなく、いくらかのミスアライメント（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を許容することができる。例えば、コンタクトホール４４の側壁５０は、ポリシリコンゲート２８に重なるように図示されているものの、窒化物領域３２の存在によって、ポリシリコンゲート２８を、コンタクトホール４４に続いて堆積される導体コンタクト材料から電気的に絶縁することができる。
【０００６】
セルフアライメントコンタクトを使用することにより、回路設計者が、より柔軟にコンタクトホールを配置することが可能となる。例えば、セルフアライメントコンタクトを使用することにより、回路設計者は、ゲート同士をより接近して配置させることができる。これは、ゲート間の最短距離が、コンタクトホールの寸法による束縛を受けないからである（コンタクトホールの寸法は、例えばフォトリソグラフィおよび酸化物エッチング工程の精度による制限を受ける）。
【０００７】
当業者には明らかなように、上述したセルフアライメントコンタクトの技術では、コンタクトホール（例えば図１Ｂのコンタクトホール４４）のエッチングを、ポリシリコンゲートを覆う絶縁窒化物領域を損傷させないように実施する必要がある。言い換えれば、コンタクトホールを、酸化物対窒化物の選択性が高い酸化物エッチング工程によりエッチングすることが望ましい。続いて堆積される金属層とウエハとの間に十分なコンタクト域を確保するためには、エッチングプロフィルを望ましい垂直プロフィルに最大限に近づけて、未エッチングの酸化物が窒化物の側壁にほとんどまたは全く固着していない状態にすることが望ましい。また、コンタクトホールをエッチングする際の酸化物エッチング速度を改良して、ウエハのスループットを向上させることが望ましい。さらにまた、ウエハ全体を通して均一なエッチング速度でコンタクトホールをエッチングし、ウエハの中心に位置するダイとウエハのエッジに位置するダイとが同じ速度でエッチングされるようにすることが望ましい。
【０００８】
以上から、セルフアライメントコンタクトをエッチングするための、改良方法および改良装置が望まれていることがわかる。本発明による改良方法および改良装置は、エッチングプロフィルを改良するとともに、他の利点のなかでも特に、酸化物のエッチング速度、酸化物対窒化物の選択性、およびエッチングの均一性を最大化する点で、好ましい。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、その一態様において、ウエハ積層体の酸化物層のうち選択された部分をエッチングして、プラズマ処理チャンバ内でセルフアライメントコンタクトホールを形成するための方法を提供する。ウエハの積層体は、基板と、基板の上に配置されたポリシリコン層と、ポリシリコン層の上に配置された窒化物層と、窒化物層の上に配置された酸化物層とを含む。上述したエッチング方法は、積層体の酸化物層を、化学剤と１組の工程パラメータとを組み合わせてエッチングする工程を含む。上記化学剤はＣ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２とを含み、上記１組の工程パラメータは、スパイクエッチング（ａ ｓｐｉｋｅｄ ｅｔｃｈ）を生じることなく酸化物層をエッチングし、窒化物層を実質的に損傷させることなく酸化物層を基板に至るまでエッチングするためのパラメータである。
【００１０】
本発明は、別の一態様において、ウエハ積層体の酸化物層のうち選択された部分を２工程でエッチングして、プラズマ処理チャンバ内でセルフアライメントコンタクトホールを形成するための方法を提供する。ウエハの積層体は、基板と、基板の上に配置されたポリシリコン層と、ポリシリコン層の上に配置された窒化物層と、窒化物層の上に配置された酸化物層とを含む。本態様におけるエッチング方法は、積層体の酸化物層を、第１の化学剤と第１組の工程パラメータとを組み合わせて部分的にエッチングする第１のエッチング工程を含む。第１の化学剤は、Ｃ２Ｆ６とＣ２ＨＦ５とを含有し、第１組の工程パラメータは、スパイクエッチングを形成することなく酸化物層をエッチングするためのパラメータである。
【００１１】
本態様におけるエッチング方法は、さらに、Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２とを含有する第２の化学剤と第２組の工程パラメータとを組み合わせて、酸化物層を基板に至るまでエッチングする第２のエッチング工程を含む。第２組の工程パラメータは、第１組の工程パラメータと異なり、窒化物層を実質的に損傷させることなく酸化物層を基板に至るまでエッチングするためのパラメータである。
【００１２】
以下の詳細な説明および添付した各種図面から、本発明の上述したおよびその他の利点が一層明らかになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下では、他の利点のなかでも特に、セルフアライメントコンタクトホールをエッチングする際の酸化物エッチング速度および酸化物エッチング特性（例えば、酸化物対窒化物の選択性、エッチングの均一性、およびエッチングプロフィル）の改良を目的として、本発明の説明を行なう。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために多くの項目を特定している。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は、これらの項目の一部または全てを特定しなくても実施することが可能である。また、本発明を不必要に不明瞭化するのを避けるため、周知の処理工程および／または構造の説明は省略した。
【００１４】
本発明は、酸化物層をエッチングして、ゲート電極の上に配置された保護用窒化物層を実質的に損傷させることなく効率的にセルフアライメントコンタクトを形成するための方法を提供する。セルフアライメントコンタクトのアスペクト比または深さに依存して、本発明によるエッチング工程を、適切な化学剤および１組の工程パラメータを組合わせた１つの工程で実施しても良いし、異なる化学剤および工程パラメータの組を組み合わせた２つの以上の工程に分けて実施しても良い。ここで使用する「アスペクト比」という用語は、コンタクトホールの深さと、酸化物層表面におけるコンタクトホールの幅との比を意味する。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、１工程のエッチングで形成されるセルフアライメントコンタクトホールは、約１：１〜４：１のアスペクト比を有するか、または、一般に、約１マイクロメートル以下もしくは好ましくは約０．７ｍ（マイクロメートル）以下の深さを有する。この工程では、Ｃ４Ｆ８およびＣＨ２Ｆ２を含有する化学剤と、スパイクエッチングを生じることなく酸化物層をエッチングするための１組の工程パラメータ（後に詳述する）とを組合わせて、エッチングを実施する。本実施形態において、保護用窒化物層の上面すなわち図１Ａ，１Ｂの層３２，３４は、基板表面から最大で約５０００オングストロームだけ上の位置、好ましくは基板表面から最大で約２５００オングストロームだけ上の位置に配置される。
【００１６】
本発明の別の実施形態によれば、２工程のエッチングで形成されるセルフアライメントコンタクトホールは、約３：１以上のアスペクト比を有するか、または、約０．７マイクロメートルを超える深さを有する。これらの工程は、プラズマ処理チャンバ内で、エッチャントソースガスのへの添加物としてＣ２Ｆ６、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨ２Ｆ２、およびＣ４Ｆ８、ならびに選択的にアルゴンおよび／またはＣＦ４を利用して実施される。第１のエッチング工程は、Ｃ２Ｆ６およびＣ２ＨＦ５を含有する第１の化学剤と、特にスパイクエッチングの発生を防止するように設計された第１組の工程パラメータとを組合わせて、コンタクトホールをエッチングすることが好ましい。第１の化学剤は、さらに、フォトレジストの選択性を向上させることができるアルゴンを含有することが好ましい。第１の化学剤は、さらにまた、プラズマ処理チャンバ内のエッチャントソースガスへの添加物としてＣＦ４を含有しても良い。ここで言うスパイクエッチングとは、エッチングされた側壁がゆがみ、コンタクトホールが底部に向けて次第に細くなる現象を指す。図２に示されるように、コンタクトホール４４の側壁が、しきい位置６２から始まりコンタクトホールの中央線６０に向かって先細る部分がそれである。コンタクトホール自体の寸法が、場合によっては、コンタクトホールの側壁が中央線６０に向かって先細るよりも前に、せばまってしまうこともある。
【００１７】
次いで、Ｃ４Ｆ８およびＣＨ２Ｆ２を含有する第２の化学剤と、特に酸化物対窒化物の選択性の向上を最適化するように設計された第２組の工程パラメータとを利用して、第２のエッチング工程が実施される。第２の化学剤は、さらにまた、プラズマ処理チャンバ内のエッチャントソースガスとしてＣＦ４および／またはＣ２Ｆ６を含有しても良い。ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、および／またはアルゴン等の添加物を添加することにより、酸化残留物の除去率を有利に高め、エッチングプロフィルを向上させることができる。既述したように、酸化物対窒化物の選択性の向上は、コンタクトホールのエッチング中に、ポリシリコンゲートを覆う保護用窒化物領域が損傷される可能性を、効果的に小さくすることができる。
【００１８】
本発明で開示する、１工程および２工程でセルフアライメントコンタクトホールをエッチングする技術は、ドライエッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、磁気強化反応性イオンエッチング（ＭＥＲＩＥ）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）等に適応した装置を含む任意の周知なプラズマ処理装置で実施することが可能である。ウエハのプラズマ処理を、ドライエッチングに適応した通常のプラズマ処理チャンバ内で実施する手法について、更に詳述する。このチャンバは、引入れポートを備えており、このポートを経てチャンバ内部に、プロセスエッチャントソースガスが供給される。そして、チャンバに関連付けられた電極に、適切なＲＦエネルギソースを供給し、エッチャントソースガスからプラズマを発生させる。エネルギ自体は、周知のように、プラズマを維持するために誘導結合または容量結合されていても良い。すると、エッチャントソースガスから形成される種が積層体と反応し、ウエハ積層体のプラズマ含有領域をエッチングする。そして、排気ポートから揮発性の副生成物が排出される。
【００１９】
プラズマエッチングは、処理中のウエハがアノードまたは接地電極の上に配置された状態で行なわれる。一方、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）は、処理中のウエハがカソードまたは通電電極の上に配置された状態で行なわれる。磁気強化反応性イオンエッチング（ＭＥＲＩＥ）は、ＲＩＥリアクタの外形を変形したものであり、リアクタの壁の表面に、エネルギ電子のロスを減らすための磁場が提供されている。ＭＥＲＩＥリアクタは、電極からプラズマ内電子へのエネルギの移動効率を、特定の条件下で向上させられることがわかっている。
【００２０】
本発明は、他の適切なプラズマ処理リアクタに加え、上述した任意のリアクタにおいても実施できると考えられる。これは、プラズマへのエネルギ供給が、容量結合平行電極板、ＥＣＲマイクロ波プラズマソース、または誘導結合ＲＦソース（ヘリコン共振器、ヘリカル共振器、およびトランスフォーマ結合プラズマ等）のいずれを介してなされるかには依存しない。なかでもＥＣＲおよびＴＣＰ（登録商標、トランスフォーマ結合プラズマ）は、商業的に容易に入手可能である。ＴＣＰ（登録商標）システムは高密度プラズマシステムに属しており、例えば、カリフォルニア州フリーモント市に所在のラム・リサーチ・コーポレーションより入手することができる。
【００２１】
上述したように、本発明では、従来型で適切な任意のプラズマ処理システムを利用することができるが、以下に挙げる好ましい実施形態は、ラム・リサーチ・コーポレーションより入手可能なＴＣＰ（登録商標）９１００プラズマリアクタの変形型において実施するものとする。図３は、ウエハ３５０および集積回路チップ３５２を含んだＴＣＰ（登録商標）９１００プラズマリアクタの変形型を示した概略図である。ここで、集積回路チップ３５２は、本発明による２工程エッチングでセルフアライメントコンタクトホールをエッチングし、引き続き従来のエッチング後工程で加工を施されたウエハ３５０から、ダイを切り出し、それをもとに作成されたものである。図３によれば、ウエハリアクタ３００は、陽極酸化されたアルミニウムから形成されるプラズマ処理チャンバ３０２を備えている。チャンバ３０２の上には電極３０３が配置されており、この電極３０３は、図３の例ではコイルとして示されている。コイル３０３は、整合回路網（図３では省略）を介してＲＦジェネレータ３０５により通電される。
【００２２】
図３に示される変形プラズマ処理チャンバ３０２の設計は、グリコールまたは脱イオン水等の冷却剤を循環させてコイル３０３を温度制御するための設備（図面の簡略化のため図示されていない）を、コイル３０３の内部に備えている。このような変形プラズマ処理システムにより実施されるエッチングは、変形されていない従来のプラズマ処理システム（温度制御メカニズムのための設備を含まない）でなされるエッチングに比べ、再現性に一層優れている。
【００２３】
理論に縛られるのは望まないものの、変形されていないプラズマ処理システムにおける温度制御の欠如は、時間の経過に伴い酸化物のエッチング特性に悪影響を及ぼす上、再現性に乏しいという欠点も有する。シャワーヘッド３０４の温度（後述する）は、上述した温度制御メカニズムによる制御も受けると考えられる。酸化物のエッチング中には、プラズマ処理チャンバ３０２内で生成されるプラズマから、シャワーヘッド３０４の冷たい側の面に一定量のポリマが凝縮することが発見された。また、エッチングを促進するために、他のエッチング化学剤（本発明で使用するものとは異なる）や当業者に周知の化学剤を利用すると、ウエハのエッチングの最前線において、ポリマの不足が生じる恐れがある。このポリマの不足は、酸化物対窒化物の高選択性によって特徴づけられるエッチングで必要とされるポリマ形成と酸化物エッチングとの周知のバランスを、破壊すると考えられる。しかしながら、後ほど説明する本発明による化学剤は、変形プラズマ処理システム内で、酸化物対窒化物の高選択性を含む最適なエッチング特性を提供することができる。
【００２４】
本発明の一実施形態では、図３に示されたプラズマリアクタのうち、シャワーヘッド（上部電極）３０４とチャック（底部電極）３１０の間のギャップは約５．５センチメートルである。しかしながら、このギャップは約１０センチメートルまで広げられることが好ましい。チャック３１０とシャワーヘッド３０４の間のギャップを増大させると、窒化物層に対するエッチング選択性の均一性を向上できると考えられるからである。言い換えれば、チャック３１０とシャワーヘッド３０４の間のギャップを増大させることにより、エッチング中にウエハの中央部分から除去される窒化物層の量を、ウエハの縁部分から除去される量とほぼ同程度にすることができる。
【００２５】
ターボ分子ポンプ３０１は、通常は、図３に示されるようにチャンバ３０２の下方か、またはチャンバ３０２の横に配置されており、チャンバ３０２内の圧力を適切に維持する。一実施形態において、ターボ分子ポンプ３０１は２，０００リットル／秒の容量を有する。しかしながら、本発明の好ましい一実施形態に従った変形プラズマリアクタの設計では、コスト削減を図るために、約１，３００リットル／秒という比較的低い容量を有したターボ分子ポンプ３０１を利用する。
【００２６】
約１，３００リットル／秒の低容量を有したターボ分子ポンプによって達成される（チャンバ３０２内のエッチャントソースガスや添加物等の）総流速が小さい状態では実現することができないが、約２，０００リットル／秒の大容量を有したターボ分子ポンプによって達成される総流速が大きい状態では、窒化物層に対して望ましい酸化物エッチング選択性を提供できると考えられる。重要なのは、比較的小体積（例えば、チャック３１０とシャワーヘッド３０４の間のギャップが約５．５センチメートルであるため）のプラズマチャンバおよび／または比較的大容量のターボ分子ポンプ（例えば約２，０００リットル／秒の）を利用したエッチングプロセスにおいて、最適または許容可能なエッチング速度および酸化物エッチング特性を提供する化学剤およびプロセスパレメータを、比較的大体積（例えば、チャック３１０とシャワーヘッド３０４とのギャップが約１０センチメートル）のプラズマチャンバおよび／または比較的低容量のターボ分子ポンプ（例えば約１，３００リットル／秒）を利用するエッチング工程に実装すると、最適または許容可能なエッチング速度および酸化物エッチング特性を提供することができない、という点である。本発明による化学剤およびプロセスパラメータは、この問題点を解決し、比較的小体積のプラズマチャンバおよび／または比較的低容量のターボ分子ポンプを利用した変形プラズマリアクタの設計に実装された場合であっても、最適または許容可能なエッチング速度および酸化物のエッチング特性を提供することができる。
【００２７】
再び図３を参照することで理解されるように、チャンバ３０２内には、通常のガス分布板またはシャワーヘッド３０４が、用意されている。シャワーヘッド３０４は、シリコン窒化物より形成され、エッチャントソースガス等のガス状のソース材料をシャワーヘッド３０４とウエハ３５０の間のＲＦ誘導プラズマ領域に放出するための複数の穴を備える。また、ガス状のソース材料は、チャンバの壁自体に組み込まれたポートから放出しても良い。ウエハまたは基板３５０は、チャンバ３０２内に導入されてチャック３１０上に配置される。チャック３１０は、第２の電極として作用し、高周波ジェネレータ３２０（通常は整合回路網を介する）によりバイアスをかけることが好ましい。チャック３１０はまた、好ましくはシリコン窒化物またはシリコン窒化物とシリコン炭化物とから形成されて且つ底部電極に配置されたフォーカスリングをも含む。ウエハ３５０は、静電クランプを使用してチャック３２０に固定しても良い。
【００２８】
ヘリウム冷却ガスは、圧力（例えば一実施形態では約２０トール）下でチャック３１０とウエハ３５０の間に導入され、熱伝導媒体として作用することにより、処理中のウエハの温度を正確に制御して、エッチング結果の均一性および反復可能性を確実なものとする。プラズマエッチング中には、ポート３６０からガスを排出することにより、チャンバ３０２内の圧力を低く抑えることが好ましい。例えば、コンタクトホールのエッチング中の圧力は、約０ミリトールより僅かに大きい程度から約２０ミリトールの間である。エッチングに適したチャンバ温度を維持するため、複数のヒータ（図面の簡略化のため図３では省略した）を提供しても良い。接地した電気経路を提供するため、チャンバ３０２の壁は接地されているのが通常である。
【００２９】
重要なのは、上記変形プラズマ処理システムが、上述したようにエッチングの反復可能性を向上させられる点である。また、フォーカスリングおよびシャワーヘッドの製造にシリコン窒化物を使用することにより、金属プラグ組成物によるウエハの汚染を軽減できると考えられる。さらにまた、比較的安価なターボ分子ポンプを利用することにより、プラズマ処理システムのコストを軽減することができる。本発明による化学剤および工程パラメータは、上記変形プラズマ処理システムにおける酸化物のエッチング特性を最適化するものである。ここで使用する「最適化」という用語は、酸化物のエッチング速度と酸化物対窒化物の選択性とを比較検討し、両者にとって最適または許容可能であるような値を提供することを意味する。もちろん、当業者には明らかなように、酸化物のエッチングにはトレードオフが伴うのが常である。すなわち、酸化物の高エッチング速度は酸化物対窒化物の選択性を犠牲にし、酸化物対窒化物の高選択性は酸化物のエッチング速度を犠牲にして成し遂げられるものである。本発明による化学剤および工程パラメータの組み合わせを用いると、酸化物のエッチング速度および酸化物対窒化物の選択性の両方に対し、最適または許容可能な値を提供することができる。
【００３０】
上述したように、１工程でエッチングする場合、すなわち例えば、アスペクト比が約１：１〜４：１か、または深さが約１マイクロメートル以下の浅い特徴のセルフアライメントコンタクトを得たい場合は、１組の工程パラメータおよび化学剤を組み合わせることが、酸化物対窒化物の高選択性の達成に有効である。２工程でエッチングする方が好ましい場合、すなわち例えば、アスペクト比が３：１以上か、または深さが約０．７０マイクロメートルを超えるセルフアライメントコンタクトを得たい場合には、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程との間で各種工程パラメータを変えても良い。エッチングを２工程により行なう場合には、その第１のエッチング工程では、酸化物対窒化物の選択性が第２のエッチング工程のそれよりも低くなるように設計される。さらにまた、１工程エッチングで使用する化学剤および工程パラメータの組合わせは、２工程エッチングにおける第２のエッチング工程と、実質的に類似である。ここで、１工程エッチングで形成できるコンタクトホールは２工程エッチングでも形成され得るが、アスペクト比が３：１以上または深さが約０．７０マイクロメートルを超えるコンタクトホールの形成には、２工程エッチングを採用することが好ましい点に留意が必要である。
【００３１】
２工程エッチングでは、第１のエッチング工程から第２のエッチング工程にかけての間に化学剤および工程パラメータが変化する。このため、以下に続く説明からわかるように、２工程エッチングでは、第１のエッチング工程から第２のエッチング工程に進む際に、上述した１種類以上または全ての工程パラメータを変化させることが可能である。
【００３２】
図４は、各種工程パラメータと、エッチング中におけるそれらの大よその値とを、本発明に従って示した表である。ここで、図４に示した値は、８インチのシリコンウエハをエッチングする際に得られた値である点に留意されたい。例えば、第１のエッチング工程におけるエッチャントソースガスの圧力は、一般に、特徴の大きさ（例えばコンタクトホールの幅等）とエッチングされる酸化物（例えば、ＴＥＯＳ［ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ］、およびＢＰＳＧ［ｂｏｒｏｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ］により堆積される酸化物）の性質とに依存する。第１のエッチング工程における圧力は、約５〜１５ミリトールの範囲が好ましい。第２のエッチング工程における圧力は、一般に約３ミリトール以下であり、好ましくは約１〜３ミリトールである。
【００３３】
本発明の一態様において、ＣＨ２Ｆ２は、第１のエッチング工程から第２のエッチング工程にかけて流量が増加するか、または、第１のエッチング工程では存在せず、第２のエッチング工程においてエッチング促進のためにプラズマ処理チャンバ内に導入される。ＣＨ２Ｆ２ガスの流量の増加は、酸化物の対窒化物および対基板の選択性を有利に向上させる。２工程エッチングの第２のエッチング工程におけるＣＨ２Ｆ２の流量、および１工程エッチングのエッチング工程におけるＣＨ２Ｆ２の流量は、一般に、ゲート上の保護用窒化物層の角の丸み程度、保護用窒化物層および酸化物層の厚さ、ならびにコンタクトホールの形状およびサイズ等の特徴の形状に依存する。第２のエッチング工程において、ＣＨ２Ｆ２の流量は約２０〜５０ｓｃｃｍの範囲にあることが好ましい。
【００３４】
本発明の一態様において、２工程エッチングの第１のエッチング工程では、保護用窒化物層を損傷させることなく、できるだけ深く酸化物層をエッチングすることが好ましい。これは、第１のエッチング工程が、商業的に有利なエッチング速度、均一性、およびエッチング速度のローディング値（ｌｏａｄｉｎｇ ｖａｌｕｅ）を達成する一方で、スパイクエッチングの可能性を最小化するように最適化されているためである。
【００３５】
本発明の一実施形態において、第１のエッチング工程は、保護用窒化物特徴の上部で形成される面（以下では「窒化物層上面」と略称。例えば、図１Ａに示される窒化物層３２，３４の上部に形成される面）の上の既定位置に到達した時点で終了する。第１のエッチング工程が終了する上記既定位置は、上記窒化物層上面からその上約１，０００オングストロームの範囲にあることが好ましい。上記既定位置は、上記窒化物層上面からその上約２５０オングストロームの範囲にあることがさらに好ましく、ほぼ上記窒化物層上面上にあることがさらに一層好ましい。
【００３６】
２工程エッチングで形成されるコンタクトホールに関し、酸化物対窒化物の高選択性は、第１のエッチング工程ではスパイクエッチングを生じる要因となるが、第２のエッチング工程では、必ずしもセルフアライメントコンタクトホールの品質低下をもたらすとは限らない。これは、セルフアライメントコンタクトホールが、先ず、酸化物対窒化物の選択性が低い化学剤および工程パラメータの組を使用してエッチングされ、酸化物層のかなり深い位置すなわち保護用窒化物層のすぐ上までエッチングが進むまで、酸化物対窒化物の選択性が高い化学剤および方法を使用したエッチングは行なわれないためである。高選択性の化学剤および方法によりスパイクエッチングが形成されたとしても、コンタクトホールのエッチングがゲート間をほぼ通過する位置に進行するまでその機会はなく、このためスパイクエッチングがエッチングプロフィルに及ぼす効果も最小となる。当業者には明らかなように、本発明のこの特徴は、スパイクエッチングの発生を減少させる一方で、コンタクトのエッチングプロフィルを、より垂直で、窒化物の側壁に固着する未エッチングの酸化残留物がより少ないように（高選択性の第２のエッチング工程による）、改良することができる。もちろん、アスペクト比が比較的小さい浅いコンタクトホールの場合は、本発明による１工程エッチングの化学剤および方法で、上述したスパイクを形成するほど酸化物層の奥深くに到達することはない。
【００３７】
表１は、図４の実施例から得られるおおよその工程結果を示したものである。表１に示されるように、本発明によるエッチング工程は、高エッチング速度、高均一性、および酸化物対窒化物の高選択性という、有利な結果を得ることができる。ここで重要なのは、酸化物の高エッチング均一性は酸化物対窒化物の選択性を犠牲にして成し遂げられ、またその逆も成り立つ、という点である。しかしながら、本発明による化学剤および工程パラメータの組合わせを使用すると、驚くことに、酸化物の高エッチング均一性とともに酸化物対窒化物の高選択性をも含む、エッチング特性を提供することができる。
【００３８】
表１の結果はさらに、ポリシリコンゲートを覆う保護用窒化物層が受ける損傷が、最小限に抑えられたことを示している。コンタクトホール内のエッチングプロフィルを観測した結果、いわゆるグラス（ｇｒａｓｓ）、すなわち酸化物材料の不均一な堆積が原因でエッチングされずに残留した酸化残留物は、比較的少なかった。
【００３９】
【表１】
Figure 2004500696
【００４０】
この明細書の内容から当業者には明らかなように、ここで開示される値は、他のプラズマ処理システムにおけるエッチング、および他の寸法のウエハや基板のエッチングにおいて、それぞれに適した値に変化させることが可能である。
【００４１】
図５は、セルフアライメントコンタクトホールの２工程エッチングに含まれる各工程を、本発明の一態様に従って示した流れ図である。工程５００では、従来のエッチング前工程において、エッチングするためのウエハを準備する。エッチング前工程は、例えば、フォトレジスト層をウエハ上に堆積させてパターン形成する工程と、ウエハをチャックの上に固定する工程と、プラズマ処理チャンバ内の圧力を安定させる工程と、ウエハの裏面にヘリウム冷却ガスを導入してウエハとチャックの間の熱伝導を促進する工程と、を含んでも良い。
【００４２】
第１のエッチング工程５０２では、第１組の工程パラメータと、Ｃ２Ｆ６およびＣ２ＨＦ５を含有する第１の化学剤とを組合わせ、酸化物層（例えば図１Ａの酸化物層４０）をエッチングする。第１組の工程パラメータは、スパイクエッチングを形成することなく酸化物層のエッチングを促進させることができる。第１のエッチング工程５０２は、後続の第２のエッチング工程より大きいチャンバエッチング圧力（ｃｈａｍｂｅｒ ｅｔｃｈｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）で実施されることが好ましいが、これは必須ではない。なお、チャンバ内のエッチング圧力が高いほど、スパイクエッチングの可能性は減ると考えられる。上述したように、第１のエッチング工程では、ポリシリコン特徴を覆う保護用窒化物層を損傷させない限り、できるだけ奥深くまで酸化物層をエッチングすることができる。
【００４３】
第２のエッチング工程５０４では、第２組の工程パラメータと、Ｃ４Ｆ８およびＣＨ２Ｆ２を含有する第２の化学剤とが存在する下で、酸化物のエッチングが継続される。第２のエッチング工程は、セルフアライメントコンタクトホールのエッチングがその下の基板に到達するまで継続することが好ましい。第２のエッチング工程で、酸化物対窒化物の選択性が高い方法および化学剤を使用することにより、保護用窒化物層が受ける損傷をできるだけ最小化し、窒化物側壁上の酸化残留物を含む酸化物を、コンタクトホールから確実かつ実質的に除去することができる。このようにすれば、第１のエッチング工程において、例えばスパイクエッチングの可能性が増大してしまうといった高選択性の方法に通常伴う負の影響を免れることができる。
【００４４】
工程５０４では、完全に従来型のエッチング後工程に加えて、追加の処理工程をウエハに施すことにより、望ましい部品を製作することができる。そして、完成したウエハを複数のダイにカットして、ＩＣチップに仕上げることができる。そして、得られたＩＣチップ（例えば図３のＩＣチップ３５２）を、デジタルコンピュータを含む任意の周知の市販またはカスタムの電子デバイスに組み込むことができる。上述したように、１工程のエッチングは、図５の工程５０４と実質的に類似である。
【００４５】
以下では、本発明による１工程エッチングおよび２工程エッチングの実施例を挙げる。
【００４６】
実施例１
１工程エッチングを利用して、酸化物層のなかに、幅約０．４５ミクロンで深さが合計約０．６ミクロンのコンタクトホールを作成した。エッチングは、圧力が約２ミリトール、上部電極（ＴＣＰ）の電力が約１，３００ワット、底部電極（ＲＦバイアス）の電力が約１，６００ワット、ＣＨ２Ｆ２の流量が約３０ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８の流量が約２０ｓｃｃｍの条件のもとで、約６０秒間実施された。
【００４７】
酸化物のエッチング速度の測定値は約０．９５ミクロン／分、酸化物対窒化物の選択性は約４０：１以上であった。
【００４８】
実施例２
２工程エッチングを利用して、幅約０．６０ミクロンで深さが合計約１．７ミクロンのコンタクトホールを作成した。第１のエッチングは、圧力が約５ミリトール、上部電極（ＴＣＰ）および底部電極（ＲＦバイアス）の電力が約１，６００ワット、Ｃ２ＨＦ５の流量が約６ｓｃｃｍ、Ｃ２Ｆ６の流量が約１９ｓｃｃｍの条件のもとで、約２２秒間実施された。第２のエッチングは、圧力が約２ミリトール、上部電極（ＴＣＰ）の電力が約１，３００ワット、底部電極（ＲＦバイアス）の電力が約１，８００ワット、ＣＨ２Ｆ２の流量が約１５ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８の流量が約１５ｓｃｃｍの条件のもとで、約８２秒間実施された。
【００４９】
第１のエッチング工程において、酸化物のエッチング速度の測定値は約１．１ミクロン／分であった。第２のエッチング工程において、酸化物のエッチング速度の測定値は約０．９５ミクロン／分、酸化物対窒化物の選択性は約２５：１以上であった。
【００５０】
以上、本発明をいくつかの好ましい実施形態にもとづいて説明したが、本発明の範囲内において他の選択肢、変形、および同等物を実施することも可能である。また、本発明による方法および装置が、代替の方式でも具現化し得る点に注意が必要である。このため、添付した請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲を逸脱しない全ての選択肢、変形、および同等物を含むものとして解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
セルフアライメントコンタクトを利用した通常の半導体ＩＣの製作時に形成される積層体の断面図である
【図１Ｂ】
図１Ａと同じ積層体の酸化物層のエッチングによりセルフアライメントコンタクトホールが形成された後の断面図である。
【図２】
セルフアライメントコンタクトホールの側壁上に形成されたスパイクエッチングを示した断面図である。
【図３】
本発明による２工程コンタクトホールエッチング技術への使用に適したプラズマリアクタを示した概略図である。
【図４】
１工程エッチングのエッチング工程、ならびに２工程エッチングの第１および第２のエッチング工程における、工程パラメータの好ましい値のおおよそを、本発明の一実施形態に従って表として示した説明図である。
【図５】
本発明による２工程セルフアライメントコンタクトホールエッチングに含まれる工程を、本発明の一態様に従って示した説明図である。
【符号の説明】
２０…積層体
２２…基板
２４…酸化物層
２６…酸化物層
２８…ポリシリコンゲート
３０…ポリシリコンゲート
３２…窒化物領域
３４…窒化物領域
４０…酸化物層
４２…フォトレジスト層
４４…コンタクトホール
５０…コンタクトホールの側壁
５２…コンタクトホールの側壁
６０…中央線
６２…しきい位置
３００…ウエハリアクタ
３０１…ターボ分子ポンプ
３０２…プラズマ処理チャンバ
３０３…電極（コイル）
３０４…シャワーヘッド
３０５…ＲＦジェネレータ
３１０…チャック
３２０…ＲＦジェネレータ
３５０…ウエハ
３５２…集積回路チップ
３６０…排気ポート

Claims (32)

  1. プラズマ処理チャンバ内において、ウエハ積層体の酸化物層のうち選択された部分をエッチングしてセルフアライメントコンタクトホールを形成するための方法であり、前記ウエハ積層体は、基板と、前記基板の上に配置されたポリシリコン層と、前記ポリシリコン層の上に配置された窒化物層と、前記窒化物層の上に配置された酸化物層とを含む方法であって、
    前記積層体の前記酸化物層を、化学剤と１組の工程パラメータとを組み合わせてエッチングする工程であり、前記化学剤は、主にＣ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２とを含み、前記１組の工程パラメータは、スパイクエッチングを生じることなく前記酸化物層をエッチングし、前記窒化物層を実質的に損傷させることなく前記酸化物層を前記基板に至るまでエッチングするものであるエッチング方法。
  2. 請求項１記載の方法であって、
    前記セルフアライメントコンタクトホールは、約１：１〜４：１のアスペクト比を有する方法。
  3. 請求項１記載の方法であって、
    前記セルフアライメントコンタクトホールは、約１ミクロン以下の深さを有する方法。
  4. 請求項３記載の方法であって、
    前記セルフアライメントコンタクトホールは、約０．７ミクロン以下の深さを有する方法。
  5. 請求項３記載の方法であって、
    前記窒化物層の上面は、前記基板から最大で約５，０００オングストローム上となるよう配置されている方法。
  6. 請求項５記載の方法であって、
    前記窒化物層の上面は、前記基板から最大で約２，５００オングストローム上となるよう配置されている方法。
  7. 請求項１記載の方法であって、
    前記プラズマ処理チャンバは、上部電極の誘導結合作用によりプラズマを発生させるトランスフォーマ結合プラズマエッチングシステムである方法。
  8. 請求項７記載の方法であって、さらに、
    前記上部電極に冷却剤を循環させることによって、前記上部電極の温度制御を行なう方法。
  9. 請求項１記載の方法であって、
    前記プラズマ処理チャンバの内部は、陽極酸化されたアルミニウムで形成された方法。
  10. 請求項１記載の方法であって、
    前記ガス分布板はシリコン窒化物で形成される方法。
  11. 請求項１記載の方法であって、
    前記第１の化学剤は、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、およびアルゴンのうちの少なくとも１つを含有する方法。
  12. 請求項１１記載の方法であって、
    前記ウエハは、シリコン窒化物およびシリコン炭化物のうちのいずれか１つで形成されるフォーカスリングを含む底部電極の上に固定される方法。
  13. 請求項１１記載の方法であって、
    前記基板は、静電クランプを使用して底部電極の上に固定される方法。
  14. 請求項１記載の方法であって、
    前記プラズマ処理チャンバは、上部電極の誘導結合作用によりプラズマを発生させ、前記基板は底部電極の上に固定され、前記上部電極と前記底部電極の間のギャップは約１０センチメートル以下である、トランスフォーマ結合プラズマエッチングシステムである方法。
  15. 請求項１記載の方法であって、さらに、
    約２，０００リットル／秒の容量を有したターボ分子ポンプを使用して、前記プラズマチャンバ内部の圧力を維持すること、を備えた、方法。
  16. 請求項１５記載の方法であって、さらに、
    約１，３００リットル／秒の容量を有するターボ分子ポンプを使用して、前記プラズマチャンバ内部の圧力を維持する方法。
  17. プラズマ処理チャンバ内において、ウエハ積層体の酸化物層のうち選択された部分をエッチングしてセルフアライメントコンタクトホールを形成するための方法で、前記ウエハ積層体は、基板と、前記基板の上に配置されたポリシリコン層と、前記ポリシリコン層の上に配置された窒化物層と、前記窒化物層の上に配置された酸化物層と、を含む方法であって、
    前記積層体の前記酸化物層を第１の化学剤と第１組の工程パラメータとを組み合わせて部分的にエッチングする工程であり、前記第１の化学剤は、主にＣ２Ｆ６とＣ２ＨＦ５とを含み、前記第１組の工程パラメータは、スパイクエッチングを生じることなく前記酸化物層をエッチングするためのものである第１のエッチング工程と、
    前記積層体の前記酸化物層を、Ｃ４Ｆ８とＣＨ２Ｆ２とを含む第２の化学剤と第２組の工程パラメータとを組み合わせて基板に至るまでエッチングする工程であり、前記第２組の工程パラメータは、前記第１組の工程パラメータと異なり、前記窒化物層を実質的に損傷させることなく前記酸化物層を前記基板に至るまでエッチングするためのものである第２のエッチング工程と
    を備えるエッチング方法。
  18. 請求項１７記載の方法であって、
    前記第２の化学剤は、さらに、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、およびアルゴンのうちの少なくとも１つを含有する方法。
  19. 請求項１７記載の方法であって、
    前記プラズマ処理チャンバは、上部電極を使用してプラズマを発生させ、前記上部電極の温度は、前記上部電極で冷却剤を循環させることにより制御される、方法。
  20. 請求項１７記載の方法であって、
    前記第１組の工程パラメータを使用する前記第１のエッチング工程で得られる酸化物対窒化物の選択性は、前記第２組の工程パラメータを使用する前記第２のエッチング工程で達成できる酸化物対窒化物の選択性より低い方法。
  21. 請求項１７記載の方法であって、
    前記第１のエッチング工程は、既定の位置に到達すると終了し、前記既定の位置は、前記窒化物層の上面で定義される面から約１，０００オングストローム上の位置から前記窒化物層の中間点に実質的に等しい位置までの範囲にある方法。
  22. 請求項２１記載の方法であって、
    前記第１のエッチング工程は、既定の位置に到達すると終了し、前記既定の位置は、前記窒化物層の上面で定義される面から約２５０オングストローム上の位置から前記窒化物層の中間点に実質的に等しい位置までの範囲にある方法。
  23. 請求項２２記載の方法であって、
    前記第１のエッチング工程は、エッチングが前記窒化物層の上面で定義される面に実質的に到達すると終了する方法。
  24. 請求項１７記載の方法であって、
    前記第１組の工程パラメータは、第１のチャンバエッチング圧力を含み、前記第２組の工程パラメータは、前記第１のチャンバエッチング圧力より小さい第２のチャンバエッチング圧力を含む方法。
  25. 請求項１７記載の方法であって、
    前記プラズマ処理チャンバは、高密度プラズマエッチングシステム内のプラズマ処理チャンバである方法。
  26. 請求項２５記載の方法であって、
    前記高密度プラズマエッチングシステムはトランスフォーマ結合プラズマエッチングシステムである、方法。
  27. 請求項１７記載の方法であって、
    前記セルフアライメントコンタクトホールは、約３：１以上のアスペクト比を有する、方法。
  28. 請求項１７記載の方法であって、
    前記セルフアライメントコンタクトホールは、約０．７０ミクロンを超える深さを有する方法。
  29. 請求項２８記載の方法であって、
    前記窒化物層は、前記基板から最大で約５，０００オングストローム上に配置されている方法。
  30. 請求項１７記載の方法であって、
    前記プラズマ処理チャンバは、上部電極の誘導結合作用によりプラズマを発生させ、前記基板は底部電極の上に固定され、前記上部電極と前記底部電極の間のギャップは約１０センチメートル以下である、トランスフォーマ結合プラズマエッチングシステムである方法。
  31. 請求項１７記載の方法であって、さらに、
    約２，０００リットル／秒の容量を有したターボ分子ポンプを使用して、前記プラズマチャンバ内部の圧力を維持する方法。
  32. 請求項１７記載の方法であって、さらに、
    約１，３００リットル／秒の容量を有するターボ分子ポンプを使用して、前記プラズマチャンバ内部の圧力を維持する方法。
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