JP2005229052A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボーイング形状や段差形状にならないようなコンタクトプラグを形成するために適した形状のコンタクトホールを形成することができ、かつコンタクト抵抗不良の低減ができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】層間絶縁膜２にコンタクトホール５を形成する際に、最初にフォトレジスト３と層間絶縁膜２とのエッチング選択比が低い条件で、層間絶縁膜２の途中まで異方性のドライエッチングを行う。次に、フォトレジスト３と層間絶縁膜２とのエッチングの選択比が高い条件で能動素子の電気的接続領域あるいは電気配線の上まで異方性のドライエッチングを行う。
【選択図】図１

Description

半導体装置の製造方法に係り、より具体的には、半導体基板に形成される能動素子の電気的接続領域と電気配線、あるいは電気配線間との電気的接続を行うために必要な層間絶縁膜のコンタクトホールの形成方法に関する。

近年、半導体素子の高集積化の要求に伴い、絶縁膜に形成するコンタクトホールの形成方法が困難になってきている。コンタクトホールとは、半導体基板に形成されるトランジスタ素子等の能動素子の電気的接合領域（例えば、トランジスタ素子ではソース部、ドレイン部あるいはゲート部）と電気配線、あるいは電気配線間同士の電気的接続を行うためのコンタクトプラグを形成するためのホールである。

コンタクトホールの形成において、困難度を増している要因としてコンタクトホールのホール径の微細化とアスペクト比の増大が挙げられる。ここで、アスペクト比とは、コンタクトホールを形成する絶縁膜の厚さをホール径で除した値をいう。

コンタクトホールの形成は、ドライエッチング法によって行われる。図４に従来のコンタクトホールの形成の工程断面図を示す。

まず、図４（ａ）について説明する。図４（ａ）では、電気配線（あるいは能動素子の電気的接続領域）が形成されている半導体基板１の上に、エッチングストッパとしての下地膜２が形成されている。下地膜２の上には絶縁膜３が形成されている。絶縁膜３の上にドライエッチングのエッチングマスクとしてのフォトレジスト３が形成されている。フォトレジスト３は、フォトリソグラフィ法によってコンタクトホール５（図４（ｂ）参照）を形成する領域は除去されている。

図４（ｂ）について説明する。フォトレジスト３をエッチングマスクとしてドライエッチングを行い、コンタクトホール５を形成する。ドライエッチングの条件は、異方性エッチング条件で、かつフォトレジスト３と絶縁膜３との選択比が高い条件で行っている。このような条件においては、アスペクト比の高いコンタクトホール５の形状は、図４（ｂ）に示すようなボーイング形状になりやすい。このようなボーイング形状になるのは以下の理由による。すなわち、コンタクトホール５の開口部５ａでは、異方性エッチングを行う被エッチング面に対して垂直に入射するイオンがほとんどである。しかし、エッチングが進むにつれて、垂直に入射するイオンが他のイオンや中性分子と衝突して斜めに入射する確率が高くなる。その結果、コンタクトホール５の形状は、中央部分が膨らんだ形状になる。

コンタクトホール５の底面のホール径を設定値通りに制御した場合、ボーイング形状が発生すると、コンタクトホール５の開口部５ａが狭くなる。コンタクトプラグの形成前に下地としてチタン（以下Ｔｉと称す）や窒化チタン（以下ＴｉＮと称す）等の金属薄膜をコンタクトホール５の内壁面に形成するが、ボーイング形状であるとコンタクトホール５の開口部５ａが狭いので底面に設定値通りに金属薄膜を形成することが困難になる。金属薄膜はスパッタリング法にて形成されることが大半であるが、ボーイング形状となったコンタクトホール５では開口部５ａの近傍に金属薄膜が厚く堆積する現象、すなわちオーバーハングが生じる。オーバーハングが起こると、コンタクトホール５の開口部５ａの開口径はさらに小さくなり底面部まで金属薄膜を形成する粒子が到達しにくくなる。したがって、底面に十分な下地金属が形成されないので、コンタクトプラグ自体が断線したり、あるいは断線していなくてもコンタクト抵抗が高くなってしまう。このため、コンタクトプラグの形成において不良が発生する確率が高くなる。

そこで、特許文献１では、まずコンタクトホールを形成するために、ドライエッチングを２段階に行っている。最初は等方性のドライエッチングを絶縁膜の膜厚方向の途中まで行い、次に異方性のドライエッチングを絶縁膜の最後まで行う。等方性のエッチングは、絶縁膜の膜厚方向だけでなく、横方向にも等しくエッチングが行われるので、コンタクトホールの開口部５ａのホール径は適度に広げられる。次に異方性のエッチングを行うことによって、コンタクトホールの形状を安定化させる。この方法で形成されたコンタクトホールの断面図を図５に示す。コンタクトホール５の開口部５ａが広がっているので、コンタクトプラグ形成のための下地金属をコンタクトホールの底面にほぼ確実に形成することができる。

特開平８−１９１０６２号公報

ところが、上記の方法には以下の課題がある。すなわち、アスペクト比の高いコンタクトホールを形成する絶縁膜にエッチングレートの高い材料が使用されている場合、等方性エッチングを行う際に、コンタクトホールの開口径を制御することが困難であることが挙げられる。例えば、ＳＯＧ（Spin On Glass）等を使用した場合である。また、エッチングレートの高い材料の上にエッチングレートの低い材料を形成するような層状の絶縁膜が使用される場合が考えられる。この場合には、エッチングレートの低い材料を等方性エッチングしている場合には、問題はないがエッチングレートの高い材料の領域に入ると急激にエッチングが進んでしまう。その結果、エッチング形状がエッチングレートの高い材料が横方向にエッチングが進み、段差形状となる。また、最悪な場合には、エッチングレートの高い材料のエッチングが進みすぎてしまい、絶縁膜が剥離する可能性もある。

本発明の目的は、ボーイング形状や段差形状にならないようなコンタクトプラグを形成するために適した形状のコンタクトホールを形成することができ、かつコンタクト抵抗不良の低減ができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、能動素子の電気的接続領域あるいは電気配線上に形成された絶縁膜を有する半導体基板の前記絶縁膜に、ドライエッチング法によって前記能動素子の電気的接続領域と電気配線あるいは電気配線同士の電気的接続を行うためのコンタクトプラグを形成するためのコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法であって、前記絶縁膜上に、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストをパターン形成してエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程と、前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比（絶縁膜のエッチングスピード／エッチングマスクのエッチングスピード）が小さい条件で、前記絶縁膜を前記コンタクトホールの途中まで異方性エッチングを行う第一ドライエッチング工程と、前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比が大きい条件で前記絶縁膜を前記能動素子の電気的接続領域あるいは前記電気配線上まで異方性エッチングを行う第二ドライエッチング工程と、を有することを要旨とする。

この方法によれば、絶縁膜にコンタクトホールを形成する際に、最初にエッチングマスクと絶縁膜とのエッチング選択比が低い条件で、絶縁膜の途中まで異方性のドライエッチングを行う。これにより、エッチングマスクが半導体基板表面に対して垂直方向にエッチングされるだけでなく、水平方向にも若干エッチングされるので、コンタクトホールの開口径がエッチングマスクを形成した初期の開口径よりも広くエッチングできる。また、異方性エッチングを行うので等方性エッチングと比較して、形状の制御をよりよく行うことができる。

次に、エッチングマスクと絶縁膜とのエッチングの選択比が高い条件で能動素子の電気的接続領域あるいは電気配線の上まで異方性のドライエッチングを行う。第一ドライエッチング工程で、コンタクトホールの開口径が広げられているので、選択性の高いエッチングを行っても、半導体基板表面に対して垂直に入射したイオンが散乱してコンタクトホールの側面をエッチングする確率が低くなる。したがって、コンタクトホールがボーイング形状になるのを防止することができ、逆にテーパ型あるいはその型に近い形状が得られる。

また、本発明は、能動素子の電気的接続領域あるいは電気配線上に形成された絶縁膜を有する半導体基板の前記絶縁膜に、ドライエッチング法によって前記能動素子の電気的接続領域と電気配線あるいは電気配線同士の電気的接続を行うためのコンタクトプラグを形成するためのコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法であって、前記絶縁膜上に反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程と、前記反射防止膜上に、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストをパターン形成してエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程と、前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比が小さい条件で、前記反射防止膜と前記絶縁膜を前記コンタクトホールの途中まで連続的に異方性エッチングを行う第一ドライエッチング工程と、前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比が大きい条件で前記絶縁膜を前記能動素子の電気的接続領域あるいは前記電気配線上まで異方性エッチングを行う第二ドライエッチング工程と、を有することを要旨とする。

この方法によれば、上記の効果に加え、第一ドライエッチング工程にて絶縁膜上に形成されている反射防止膜を絶縁膜のエッチング条件と同じ条件でエッチングすることができる。これにより、ドライエッチングの工程を短縮化することができ、製造工程のスループットを上げることができる。

また、本発明は、前記第二ドライエッチング工程で前記絶縁膜に形成する前記コンタクトホールの開口径は、前記第一ドライエッチング工程で形成する前記コンタクトホールの開口径以下であることを要旨とする。

これによれば、第一ドライエッチング工程ではエッチングマスクと絶縁膜の選択比が低い条件でエッチングを行っているので、エッチングマスクも半導体基板表面の垂直方向だけでなく水平方向にもエッチングされる。したがって、絶縁膜の開口径はエッチングマスクの初期の開口径よりも大きくなる。次に、第二エッチング工程ではエッチングマスクと絶縁膜の選択比が高い条件でエッチングを行っているので、絶縁膜の開口径は、第一ドライエッチング工程で形成したコンタクトホールの開口径よりも広がることはない。すなわち、コンタクトホールの形状がボーイング形状とならない。このような形状のコンタクトホールにおいては、能動素子の電気的接続領域と電気配線、あるいは電気配線同士を電気的接続を行うための金属薄膜形成工程での不良を低減できる。

また、本発明は、前記第一ドライエッチング工程で形成する前記コンタクトホールの深さは、前記絶縁膜表面から前記能動素子の電気的接続領域あるいは前記電気配線までの距離の２０％から８０％の範囲内であることを要旨とする。

これによれば、第一ドライエッチング工程でのエッチング量がコンタクトホール全体の深さの２０％未満である場合には、コンタクトホールの開口径がエッチングマスクを形成した初期の開口径よりも広くエッチングされる割合が低くなり、かつ第二ドライエッチング工程において、従来のようにコンタクトホールの形状がボーイング形状になる可能性が高くなり、その後の金属薄膜形成が困難になる。その結果、コンタクトプラグが断線する等の不良が生じる可能性が高くなる。また、第一ドライエッチング工程でのエッチング量が８０％を超えて形成される場合には、エッチングマスクが半導体基板表面に対して水平方向にエッチングが進みすぎ、開口径が広がりすぎてしまい、開口径が設計値の許容範囲を超えて大きくなりすぎる可能性がある。その結果、やはり電気配線同士の断線等が生じる可能性が高くなる。

また、本発明は、前記第一ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比（フロロカーボンガス中のフッ素含有量／フロロカーボンガス中のカーボン含有量）は、前記第二ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比よりも高いガスを用いることを要旨とする。

この方法によれば、第一ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比が比較的小さいので、エッチング反応の副生成物として形成される炭素系ポリマーの生成量が少ない。したがって、コンタクトホール形成時にその側壁もエッチングされるので、コンタクトホールの開口部を広く形成することができる。また、第二ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比が第一ドライエッチングで使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比よりも大きいので、炭素系ポリマーの生成量が多くなり側壁保護膜がほぼ確実に形成される。したがって、アスペクト比の高いコンタクトホールでもテーパ形状に形成することができる。

また、本発明は、上記発明に加え、前記第二ドライエッチング工程後、前記絶縁膜上に形成されている前記エッチングマスクを除去するエッチングマスク除去工程と、前記半導体基板上及び前記コンタクトホールの側面と底面に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、前記半導体基板上の前記コンタクトホールを埋め込むように導電膜を形成する導電膜形成工程と、余分な前記導電膜を除去して平坦化する平坦化工程と、を有することを要旨とする。

また、本発明は、上記発明に加え、前記第二ドライエッチング工程後、前記絶縁膜上に形成されている前記エッチングマスク及び前記反射防止膜を除去するエッチングマスク除去工程と、前記半導体基板上及び前記コンタクトホールの側面と底面に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、前記半導体基板上の前記コンタクトホールを埋め込むように導電膜を形成する導電膜形成工程と、余分な前記導電膜を除去して平坦化する平坦化工程と、を有することを要旨とする。

この方法によれば、能動素子の電気的接続領域と電気配線、あるいは電気配線同士を電気的接続を行うため、例えばスパッタ法による金属薄膜の形成を行う。この場合、コンタクトホールの開口径が広くなっているので金属薄膜がコンタクトホールの底面までほぼ確実に形成することができる。また、第二ドライエッチング工程で形成されたコンタクトホールの形状は半導体基板表面に対して垂直かあるいはテーパ形状となっているため、コンタクトホールの奥側の側面にも金属薄膜を形成することができる。したがって、その後ＣＶＤ法等で金属材料を埋め込み、その後余分な金属材料膜を除去して平坦化することにより、良好なコンタクトプラグを形成することができる。

本発明の第一の実施形態を図１及び図２を用いて説明する。図１（ａ）〜（ｃ）及び図２（ａ）〜（ｄ）は本実施形態での半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

図１（ａ）では、エッチングマスク形成工程等について説明する。図示されているシリコン基板１には、トランジスタ等の能動素子が形成されているか、あるいは、その能動素子と電気的接続をとるための電気配線が形成されている。本明細書では、能動素子あるいは電気配線を配線層１と定義する。したがって、配線層１は半導体基板表面に形成されているトランジスタ等の能動素子を指す場合や、層間絶縁膜及びその上に電気配線層を指す場合もある。配線層１の上には層間絶縁膜２が形成されている。本実施形態においては、層間絶縁膜２としてＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により形成された酸化シリコン膜を用いている。ここで、層間絶縁膜２は製造方法に応じて特性の異なる膜を多重に形成する場合もある。例えば、最初にパッシベーション性の高いＰＥＣＶＤ法で形成した酸化シリコン膜の上に、自己平坦性の高いＳＯＧ（Spin On Glass）膜を形成する場合もある。または、ＣＶＤ法で形成した酸化シリコン膜でＳＯＧ膜を挟み込んだ３層構造とする場合もある。

酸化シリコン膜２の上にエッチングマスク用のフォトレジスト３をフォトリソグラフィ法にて形成する。フォトレジスト３の開口部３ａの平面形状は円形である。ただし、開口部３ａの形状は通常は円形であるが、円形に限らず矩形等でもよい。本実施形態では、開口部３ａの径を０．２５〜０．４μｍの範囲で形成している。

図１（ｂ）では、第一ドライエッチング工程について説明する。第一ドライエッチングでは、ドライエッチング法にて酸化シリコン膜２を途中までエッチングし、コンタクトホール５の開口部５ａを形成する。このとき、第一ドライエッチングの条件は、フォトレジスト３と酸化シリコン膜２のフォトレジスト選択比が低い条件で行っている。ここでフォトレジスト選択比とは、フォトレジスト３のエッチングレートと層間絶縁膜２のエッチングレートとの比のことをいう。すなわち、フォトレジスト選択比＝（層間絶縁膜のエッチングレート）／（フォトレジストのエッチングレート）のことである。

また、深さ方向に対するエッチングレートが高くなる異方性エッチング条件で行っている。本実施形態での第一ドライエッチング条件は、ガス種としてＣＦ₄／Ｏ₂／Ａｒ混合ガスを使用している。ここで、第一ドライエッチング条件で使用するフロロカーボンガスはＣＦ₄ガスであり、Ｆ／Ｃ比が高いガスである。また、異方性エッチング条件であるのでＲＦ（Radio Frequency）パワーを印加している。混合ガスの比率及びＲＦパワーは、層間絶縁膜２の膜質やコンタクトホール５の開口部５ａの大きさ等の条件により所定の条件に設定される。

したがって、第一ドライエッチングを行うとフォトレジスト選択比が低いので酸化シリコン膜２だけでなくフォトレジスト３もエッチングされる。同図に示されている想像線はフォトレジスト３のエッチング量を模式的に示したものである。これにより、フォトリソグラフィ法で開口されたフォトレジスト３の開口部３ａの開口径の大きさより第一ドライエッチングにより形成されたコンタクトホール５の開口部５ａの開口径の大きさの方が若干大きくなる。また、第一ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比が比較的小さいので、エッチング反応の副生成物として形成される炭素系ポリマーの生成量が少ない。したがって、コンタクトホール５の形成時にその側壁もエッチングされることにより、フォトレジスト３の開口部３ａ及びコンタクトホール５の開口部５ａの開口径が広がる。このように、コンタクトホール５の開口部５ａの開口径が広がることにより、コンタクトホール５を介して形成される金属薄膜６及び導電膜７（図２（ｂ）、図２（ｃ）参照）の形成を安定化させることができる。詳細な説明は後述する。また、第一ドライエッチングは、異方性エッチング条件で行っているのでフォトレジスト３がシリコン基板１に対して水平方向にエッチングされ過ぎることはない。また、コンタクトホール５の開口部５ａの側壁面もほぼ垂直に形成することができる。等方性エッチングにおいても、コンタクトホール５の開口部５ａを広げることができるが、以下に示す懸念がある。すなわち、等方性エッチングはシリコン基板１に対しての深さ方向と水平方向のどちらも均等にエッチングが行われるので、例えば層間絶縁膜２がエッチングレートの高い膜質の場合には、コンタクトホール５の開口部５ａの開口径が広がりすぎてしまい、設計値の許容範囲を超えてしまうおそれがある。また、層間絶縁膜２が多重構造になっている場合において、例えば層間絶縁膜２の表面側にはエッチングレートの低い膜Ａが形成されており、その下にエッチングレートの高い膜Ｂが形成されている場合を想定する。この場合、膜Ａのエッチングにおいてはコンタクトホール５の開口部５ａの開口径を制御できていても、膜Ｂのエッチングでは水平方向にエッチングが急激に進む可能性が高くなる。したがってコンタクトホール５の断面形状は段差形状となる可能性が高い。コンタクトホール５が段差形状となると、金属薄膜６の形成に悪影響を及ぼすので導電膜７がうまく形成できなくなり、その結果、素子との電気的接続が断線する不良が生じやすくなる。また、あまりにも段差形状がひどい場合には膜自体が剥離する可能性もある。本実施形態においては、異方性エッチングであるので上記のような問題を回避することができる。

図１（ｃ）では、第二ドライエッチング工程について説明する。第二ドライエッチング法では、第一ドライエッチング工程で形成したコンタクトホール５を最後まで開口する。第二ドライエッチングは、フォトレジスト選択比及び配線層との選択比が高い条件で行われる。ここで配線層との選択比は、フォトレジスト選択比と同様に、配線層との選択比＝（層間絶縁膜のエッチングレート／配線層のエッチングレート）と定義される。また、第二ドライエッチング条件も第一ドライエッチング条件と同様、異方性エッチングの条件である。本実施形態での第二ドライエッチング条件は、ＲＦパワーを印加して異方性エッチングとなるように設定している。また、ガス種としてＣ₄Ｆ₈／Ｏ₂／ＣＯ／Ａｒ混合ガスを使用している。一般的に、ドライエッチングに使用されるフロロカーボンガスにおいては、Ｃ／Ｆ比が高いものほど反応生成物が形成されやすい。ドライエッチング中に形成される反応生成物は、例えばコンタクトホール５等を形成する際に、側壁保護膜として機能する。本実施形態で使用するフロロカーボンガスは、カーボン含有比率が高いのでカーボン系の側壁保護膜が比較的多量に形成される。したがって、Ｃ／Ｆ比が高いフロロカーボンガスを使用するとさらに異方性エッチングの傾向が強くなる。しかし、側壁保護膜の形成が多すぎるとドライエッチングの反応が止まり、いわゆるエッチングストップの状態になりコンタクトホール５の開口ができなくなる。したがって、側壁保護膜の過剰な形成を防止し、エッチング反応とエッチング形状のバランスをとるために、Ｏ₂を混合させてアッシング反応により余分な側壁保護膜を除去している。また、ＣＯは酸化シリコン膜２とエッチングストッパ膜としての窒化シリコン膜（図示せず）との選択比（酸化シリコン膜のエッチングレート／窒化シリコン膜のエッチングレート）を高める働きをする。Ａｒはイオン性エッチング（あるいは物理的エッチング）を強め、異方性エッチングの働きを強める。

第二ドライエッチング工程では、フォトレジスト選択比が高い条件で行っているので、第一ドライエッチング工程よりフォトレジスト３の減少量は少ない。また、第二ドライエッチング工程によって形成されるコンタクトホール５の形状はテーパ形状となる。第二ドライエッチングの条件は、前述のようにカーボンの含有比率の高いフロロカーボンガスを使用しているため、側壁保護膜が形成されやすい。側壁保護膜は開口部５ａ近傍では、エッチング種のイオンの入射量が比較的多いので除去されやすい。一方、エッチングが進行している領域近傍に形成された側壁保護膜は、イオン入射量が減少するため除去されにくい。このような現象が連続して生じることにより、結果的に同図に示すようなテーパ形状となる。コンタクトホール５がテーパ形状となることにより、後に説明する金属薄膜形成が安定化する。

また、第一ドライエッチング工程により、コンタクトホール５の開口部５ａの開口径が広くなっているので、イオンがコンタクトホール５の内部で散乱する確率が低くなるので、ボーイング形状の発生が抑制される。

第一ドライエッチング工程、第二ドライエッチング工程とドライエッチングを２条件に分割することにより図１（ｃ）に示すような所望のコンタクトホール５の形状を得ることができる。ここで、最終的に同図のコンタクトホール５の形状を得るためには、第一ドライエッチングの加工距離は、コンタクトホールの深さ方向の距離に対して２０％以上８０％以下とする。望ましくは３０％以上７０％以下、望ましくは４０％以上６０％以下とする。第一ドライエッチング工程での加工距離がコンタクトホール５の深さ方向の距離に対して小さすぎる場合には、コンタクトホール５の開口径がフォトレジスト３の開口部３ａの開口径よりも広くエッチングされる割合が低くなる。また、第二ドライエッチング工程において、従来のようにコンタクトホール５の形状がボーイング形状になる可能性が高くなり、その後の金属薄膜形成が困難になる。その結果、コンタクトプラグが断線する等の不良が生じる可能性が高くなる。一方、第一ドライエッチング工程での加工距離がコンタクトホール５の深さ方向の距離に対して大きすぎる場合には、フォトレジスト３がシリコン基板１の表面に対して水平方向にエッチングが進みすぎ、コンタクトホール５の開口部５ａの開口径が広がりすぎてしまい、開口径が設計値の許容範囲を超えて大きくなりすぎる可能性がある。その結果、やはり電気配線同士の断線等が生じる可能性が高くなる。

図２（ａ）では、エッチングマスク除去工程について説明する。エッチングマスクとしてのフォトレジスト３の除去は硫酸剥離等のウェット処理による除去を行うか、あるいは酸素プラズマによるアッシング等により除去を行う。なお、第一ドライエッチング及び第二ドライエッチングでのラジカルやイオンにより、フォトレジスト３は変質しているので上記の除去方法を組み合わせてより確実に除去することもできる。

図２（ｂ）では、金属薄膜形成工程について説明する。本実施形態では、Ｔｉ／ＴｉＮの２層構造の金属薄膜６をスパッタリング法にて形成する。コンタクトホール５が開口部５ａの開口径が広く形成されており、底面部近傍ではテーパ形状となっているため、スパッタ法による金属原子等がコンタクトホール５の底面部及び側壁に侵入しやすくなる。したがって、コンタクトホール５の側壁そして特に底面部により確実に金属薄膜６を形成することができる。

図２（ｃ）では、導電膜形成工程について説明する。本実施形態では、導電膜としてタングステン膜７をＣＶＤ法にて形成する。タングステン膜７はＣＶＤ法によって、コンタクトホール５の中に埋め込まれるように形成される。

図２（ｄ）では、平坦化工程について説明する。コンタクトホール５の内部以外に形成されている余分なタングステン膜７を除去するとともに平坦化を行う。これにより、電気配線同士あるいは電気配線と能動素子とを電気的に接続するコンタクトプラグが形成される。タングステン膜７の除去及び平坦化はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法によって行われる。なお、タングステン膜７の除去及び平坦化はＣＭＰではなく、ドライエッチング法によるエッチバック法によって行ってもよい。

このようにして、金属薄膜６としてのＴｉ／ＴｉＮの２層膜がコンタクトホール５の底面部と側壁に形成されているのでタングステン膜７で形成されたコンタクトプラグは断線等の不良が低減することができる。

第一の実施形態の効果を以下に記載する。
（１）層間絶縁膜２しての酸化シリコン膜にコンタクトホール５を形成する際に、最初にフォトレジスト３と酸化シリコン膜２とのフォトレジスト選択比が低い条件で、酸化シリコン膜２の途中まで第一ドライエッチングを行うことにより、フォトレジスト３が深さ方向にエッチングされるだけでなく、水平方向にも若干エッチングされる。したがって、コンタクトホール５の開口部５ａの開口径がフォトレジスト３を形成した初期の開口径よりも広くすることができる。
（２）第一ドライエッチングとして異方性エッチングを行うので、等方性エッチングと比較して形状の制御をよりよく行うことができる。
（３）第一ドライエッチング工程で、コンタクトホール５の開口部５ａの開口径が広げられているので、第二ドライエッチング工程で選択性の高いエッチングを行っても、シリコン基板１の表面に対して垂直に入射したイオンが散乱してコンタクトホール５の側面をエッチングする確率が低くなる。したがって、コンタクトホール５がボーイング形状になるのを防止することができ、逆にテーパ型あるいはその型に近い形状が得られる。
（４）第一ドライエッチング工程で、酸化シリコン膜２の加工距離の２０％から８０％の範囲内でエッチングを行っているので、コンタクトホール５を適切な形状、すなわちテーパ形状に加工することができる。
（５）第一ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスはＣＦ₄ガスであり、Ｆ／Ｃ比が大きいので、エッチング反応の副生成物として形成される炭素系ポリマーの生成量が少なくなる。したがって、コンタクトホール５の形成時にその側壁もエッチングされるので、コンタクトホール５の開口部５ａを広く形成することができる。また、第二ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスはＣ₄Ｆ₈ガスであり、Ｆ／Ｃ比が第一ドライエッチングで使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比よりも小さいので、炭素系ポリマーの生成量が多くなりコンタクトホール５の側壁保護膜がほぼ確実に形成される。したがって、アスペクト比の高いコンタクトホール５でもテーパ形状に形成することができる。
（６）コンタクトホール５の開口部５ａの開口径が広くなっているので金属薄膜６としてのＴｉ／ＴｉＮの２層膜がコンタクトホール５の底面部までほぼ確実に形成することができる。また、第二ドライエッチング工程で形成されたコンタクトホール５の形状はテーパ形状となっているため、コンタクトホール５の側壁全体にも金属薄膜６を形成することができる。したがって、その後ＣＶＤ法でタングステン膜７を埋め込み、その後余分なタングステン膜７を除去して平坦化することにより、良好なコンタクトプラグを形成することができる。

次に第二の実施形態を図３を用いて説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態での半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。

図３（ａ）では、反射防止膜形成工程について説明する。反射防止膜４とは、フォトリソグラフィ法の露光工程において、アルミニウム等で形成された金属配線が露光光を反射して露光したくない部分にまでフォトレジスト３を露光させないようにするための膜である。本実施形態での反射防止膜４は有機系材料の膜を使用している。したがって、反射防止膜４の形成方法は、回転塗布法で行われる。

図３（ｂ）は、エッチングマスク形成工程を示している。図３（ｂ）は図１（ａ）と同様の工程であり、フォトレジスト３の形成方法等は第一の実施形態と同様である。

図３（ｃ）では、第一ドライエッチング工程について説明する。従来は、フォトレジスト選択比の高い条件のみでドライエッチングを行っていたので、反射防止膜４を除去するために、別の条件で行わなければならなかった。

本実施形態では、第一ドライエッチング条件がフォトレジスト選択比が低い条件で行っているので、反射防止膜４をエッチングすることが可能となる。反射防止膜４は有機系の膜であり、フォトレジスト３と同様のエッチング条件で除去できるからである。反射防止膜４のエッチングが終了した後は、第一実施形態とほぼ同様にエッチングがなされる。

図３（ｄ）は、第二ドライエッチング工程を示している。図３（ｄ）では、図１（ｃ）と同様の工程であり、形成方法等は第一の実施形態と同様であり、コンタクトホール５はテーパ形状に形成される。

以下のエッチングマスク除去工程以降は、第一の実施形態と同様の工程である。

第二の実施形態でも第一の実施形態と同様の効果（１）〜（６）が得られる。さらに以下の効果も得られる。
（７）第一ドライエッチング工程にて酸化シリコン膜２の上に形成されている反射防止膜４を酸化シリコン膜２のエッチング条件と同じ条件でエッチングすることができる。すなわち、反射防止膜４のエッチング工程と酸化シリコン膜２のエッチング工程を同一工程で行うことができる。これにより、ドライエッチングの工程を短縮化することができ、製造工程のスループットを上げることができる。

（ａ）〜（ｃ）は本発明の第一の実施形態における半導体装置の製造工程をそれぞれ示す工程断面図。 （ａ）〜（ｄ）は同じく半導体装置の製造工程をそれぞれ示す工程断面図。 （ａ）〜（ｄ）は本発明の第二の実施形態における半導体装置の製造工程をそれぞれ示す工程断面図。 （ａ）、（ｂ）は従来の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。 先行文献の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。

符号の説明

１…配線層、２…絶縁膜としての酸化シリコン膜、３…エッチングマスクとしてのフォトレジスト、３ａ…フォトレジストの開口部、４…反射防止膜、５…コンタクトホール、５ａ…コンタクトホールの開口部、６…金属薄膜、７…導電膜としてのタングステン膜。

Claims (7)

1. 能動素子の電気的接続領域あるいは電気配線上に形成された絶縁膜を有する半導体基板の前記絶縁膜に、ドライエッチング法によって前記能動素子の電気的接続領域と電気配線あるいは電気配線同士の電気的接続を行うためのコンタクトプラグを形成するためのコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法であって、
   前記絶縁膜上に、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストをパターン形成してエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程と、
   前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比が小さい条件で、前記絶縁膜を前記コンタクトホールの途中まで異方性エッチングを行う第一ドライエッチング工程と、
   前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比が大きい条件で前記絶縁膜を前記能動素子の電気的接続領域あるいは前記電気配線上まで異方性エッチングを行う第二ドライエッチング工程と、を有する半導体装置の製造方法。
2. 能動素子の電気的接続領域あるいは電気配線上に形成された絶縁膜を有する半導体基板の前記絶縁膜に、ドライエッチング法によって前記能動素子の電気的接続領域と電気配線あるいは電気配線同士の電気的接続を行うためのコンタクトプラグを形成するためのコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法であって、
   前記絶縁膜上に反射防止膜を形成する反射防止膜形成工程と、
   前記反射防止膜上に、フォトリソグラフィ法によりフォトレジストをパターン形成してエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程と、
   前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比が小さい条件で、前記反射防止膜と前記絶縁膜を前記コンタクトホールの途中まで連続的に異方性エッチングを行う第一ドライエッチング工程と、
   前記エッチングマスクと前記絶縁膜とのエッチング選択比が大きい条件で前記絶縁膜を前記能動素子の電気的接続領域あるいは前記電気配線上まで異方性エッチングを行う第二ドライエッチング工程と、を有する半導体装置の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第二ドライエッチング工程で前記絶縁膜に形成する前記コンタクトホールの開口径は、前記第一ドライエッチング工程で形成する前記コンタクトホールの開口径以下である半導体装置の製造方法。
4. 請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第一ドライエッチング工程で形成する前記コンタクトホールの深さは、前記絶縁膜表面から前記能動素子の電気的接続領域あるいは前記電気配線までの距離の２０％から８０％の範囲内である半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第一ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比は、前記第二ドライエッチング工程で使用するフロロカーボンガスのＦ／Ｃ比よりも高いガスを用いる半導体装置の製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第二ドライエッチング工程後、前記絶縁膜上に形成されている前記エッチングマスクを除去するエッチングマスク除去工程と、
   前記半導体基板上及び前記コンタクトホールの側面と底面に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、
   前記半導体基板上の前記コンタクトホールを埋め込むように導電膜を形成する導電膜形成工程と、
   余分な前記導電膜を除去して平坦化する平坦化工程と、を有する半導体装置の製造方法。
7. 請求項２乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記第二ドライエッチング工程後、前記絶縁膜上に形成されている前記エッチングマスク及び前記反射防止膜を除去するエッチングマスク除去工程と、
   前記半導体基板上及び前記コンタクトホールの側面と底面に金属薄膜を形成する金属薄膜形成工程と、
   前記半導体基板上の前記コンタクトホールを埋め込むように導電膜を形成する導電膜形成工程と、
   余分な前記導電膜を除去して平坦化する平坦化工程と、を有する半導体装置の製造方法。
   

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