JP2005294348A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高アスペクト比のコンタクトホールを、絶縁膜の表面荒れなく形成する方法を提供する。
【解決手段】基板上に形成された絶縁膜１０１の上に、パターニングされたレジスト膜１００を形成する工程と、反応室内でプラズマ化されたフロロカーボン系ガスを主成分としたエッチングガスにより、絶縁膜１０１の被加工領域を選択的にエッチングして、絶縁膜にホール１０４を形成する絶縁膜エッチング工程と、フッ素および炭素を含有した反応生成物１０６及び絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３並びにレジスト膜１００の少なくとも一部を、プラズマ化された酸素ガスを主成分としたエッチングガスにより、基板にバイアス電力を印加しながら除去して、レジスト膜１００の少なくとも一部を残した状態とする反応生成物除去工程と、反応生成物除去工程の後に、残されたレジスト膜１００を完全に除去するレジスト膜除去工程とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体のエッチング方法に関する、詳しくはプラズマを用いたドライエッチング方法に関する。

近年、半導体装置を構成する素子は微細化に伴ってＭＯＳ電界効果トランジスタが主流となっている。中でもＭＯＳ電界効果トランジスタの微細化に伴い、微細コンタクトホールの形成方法が重要な技術となってきている。特に大きな課題となっているのは、寸法を微細化しても層間絶縁膜の厚さはほとんど変わらないにもかかわらず、開口面積を小さくするためにコンタクトホールのアスペクト比が増大していることである。

一般的に、高アスペクト比のコンタクトホールを形成するための一つの技術として高密度プラズマエッチング装置を用いてコンタクトホールを形成する方法が知られている。

そして、コンタクトホールを形成する方法に付随して、プラズマエッチング装置の同一反応室で後処理を行う技術が知られている。

この後処理技術は、ＰＥＴ（Ｐｏｓｔ Ｅｔｃｈ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）と呼ばれており、主に酸素ガス等を用いたプラズマ処理を施すものである。これを以下ＰＥＴと称す。

ＰＥＴの役割は大きく分けて２点ある。

一つは、エッチング中に発生する、コンタクトホール底部及び側壁に付着、堆積したエッチングガス成分や基板構成成分を含むポリマーを除去することである（特許文献１参照）。

もう一つは、エッチングを安定に連続処理するために、エッチング中に発生し反応室内壁に付着したポリマー（反応生成物）を除去することである（特許文献２参照）。

以下に、従来から知られている特許文献１におけるＰＥＴ技術を説明する。

特許文献１におけるＰＥＴ技術は、基板上に形成された導電膜上を被覆する絶縁膜にコンタクトホールを形成する方法であり、以下に図７を用いてこれを説明する。図７は特許文献１におけるコンタクトホールの形成方法を説明するための、要部工程断面図である。

まず、図７（ａ）に示すように、基板１上に形成された導電膜２上を被覆する絶縁膜３の上に反射防止膜４を堆積する第１の工程と、反射防止膜４の上にレジスト膜パターン５を形成する第２の工程が行われる。

次に図７（ｂ）に示すように、レジスト膜パターン５をマスクとして反射防止膜４を選択除去することによりその反射防止膜４よりなる反射防止膜パターンを形成する第３の工程が行われる。

次に図７（ｃ）に示すように、反射防止膜４並びにレジスト膜パターン５をマスクとして絶縁膜３に対してフロロカーボン系ガスによりドライエッチングを行ってコンタクトホール開口３ｃを形成する第４の工程が行われる。

第３及び第４の工程の後に、図７（ｄ）に示すように基板１にバイアスを印加せずに、酸素ガスプラズマで、絶縁膜３上に残っている反射防止膜４及びレジスト膜５を完全に除去する第５の工程が行われる。

さらに、図７（ｄ´）に示すようにバイアス印加の酸素ガスプラズマにより、コンタクトホール３ｃ周辺部の絶縁膜表面に残留しているフロロカーボン系のエッチングガス成分６を除去するためのプラズマ処理を施す第６の工程が行われる。

この方法によれば、第６の工程において、残留していたフロロカーボン系のエッチングガス成分６が除去されるので、後の図７（ｅ）に示す洗浄により絶縁膜３表面に荒れを生じることが防止される。
特開２００１−２５０８６２号公報 特開２００３−７６７４号公報

上記の特許文献１の技術において、後処理となる第５及び第６の工程によって除去されるのは絶縁膜３上の反射防止膜４、レジスト膜５及び基板１上に堆積したフロロカーボン系のエッチングガス成分６である。

しかしながら、エッチング装置として高密度プラズマエッチング装置を用いた場合に次のような問題が発生することが判った。

上記技術の第４の工程において、被加工領域に存在する絶縁膜３を構成する成分（以下、絶縁膜構成成分を称す）は、フロロカーボン系ガスのプラズマ処理によりエッチングされ、基板上に再付着することなく反応室外へと排気されることが望ましい。しかし、高密度プラズマエッチング装置を用いた場合には、エッチングされた絶縁膜構成成分は、反応室外へと排気される前に反応室内に導入されるフロロカーボン系ガスを主成分としたエッチングガスとともにプラズマ化し、反応生成物として基板のレジスト膜パターン５上に堆積する場合が発生する。

このレジスト膜パターン５に堆積した反応生成物は絶縁膜構成成分が主成分となっているため、第５の工程における、基板１へのバイアス電力印加が無い条件での酸素ガスプラズマ処理では、後述するように、この反応生成物を除去することができない。

更に、第６の工程での基板１に対してバイアス電力を印加しながら酸素ガスプラズマ処理を行う際にも、この絶縁膜構成成分を主成分とする反応生成物は除去することができない。図２（ａ）〜（ｂ）は、第６の工程が終了した後における要部工程断面図であり、第６の工程が終了した後には、図２（ａ）に示すように絶縁膜２０１の構成元素を含有した反応生成物２００は絶縁膜２０１の表面２０３に付着したままとなる。この反応生成物２００は後工程であるアッシング処理によるレジスト除去、さらにその後工程である洗浄処理でも全て取り除くことができず、洗浄処理後を示す図２（ｂ）のように処理基板２０２上の絶縁膜表面２０３に荒れを生じさせるという問題が発生する。

この絶縁膜表面２０３の荒れが顕著になると、コンタクトホール形成工程の後工程である成膜工程において膜の密着性を悪化させ、最悪の場合は成膜した膜が剥がれて半導体装置が破損してしまう可能性がある。

また、その成膜工程の後工程であるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程においては歩留り低下の原因となるパーティクルを発生させてしまう可能性がある。

また、従来技術ではフッ素および炭素を含有した反応生成物であるフロロカーボン系の反応生成物の残留により被加工領域の周辺の絶縁膜表面に荒れが発生するとあったが、本発明における絶縁膜の表面荒れは被加工領域の周辺の絶縁膜表面のみでは無く、周辺に被加工領域が存在しない絶縁膜表面においても表面荒れが発生する。

前記に鑑み、本発明は、絶縁膜表面に反応生成物の堆積による荒れを発生させないようにしてコンタクトホール等のホールや配線溝等の溝を形成する方法を提供することを目的とする。

また、コンタクトホール等のホールや配線溝等の溝について所望の寸法あるいは一定の加工精度を得る方法を提供することを目的とする。

発明者らは、上記課題の発生原因を解明するために鋭意検討を重ねた結果、以下の原因を見出した。

従来技術の第５の工程における、基板へのバイアス電力印加が無い条件での酸素ガスプラズマ処理で、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物２００を除去することができないのは、基板２０２へのバイアス電力の印加を行っていないことと、第５の工程で、レジストを完全に除去していることが原因であることが判った。

絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物は、フッ素ガスプラズマと反応させることによって除去することができる。フッ素ガスプラズマは従来技術の第４の工程で発生したフロロカーボン系の反応生成物を酸素ガスプラズマ処理にて除去する際に発生することが判ったが、従来技術にあるような基板へのバイアス電力の印加を行わない場合では、このフッ素ガスプラズマは基板側に引き寄せられることがない為、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物とほとんど反応することなく反応室外へと排気される。このため絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物は除去されないことになる。更に、レジスト膜を完全に除去するため、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物が絶縁膜表面に付着することになる。

また、従来技術の第６の工程での基板に対してバイアス電力を印加しながら酸素ガスプラズマ処理を行う際にも、この絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物は除去することができないのは、従来技術の第５の工程において、フロロカーボン系の反応生成物が既に除去されてしまっており、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物を除去する為に必要なフッ素ガスプラズマが反応室内に存在しない為であることが判った。

以上の結果を基に、発明者らは、上記目的を達成するための以下の手段を講じた。

上記目的を達成するために、本発明の第１の半導体装置の製造方法は、基板上に形成された絶縁膜の上に、パターニングされたレジスト膜を形成する工程と、パターニングされたレジスト膜をマスクとして、反応室内でプラズマ化されたフロロカーボン系ガスを主成分としたエッチングガスにより、絶縁膜の被加工領域を選択的にエッチングして、絶縁膜にホールあるいは溝を形成する絶縁膜エッチング工程と、絶縁膜エッチング工程において基板上に堆積された、フッ素および炭素を含有した反応生成物及び絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物並びにレジスト膜の少なくとも一部を、プラズマ化された酸素ガスを主成分としたエッチングガスにより、基板にバイアス電力を印加しながら除去して、レジスト膜の少なくとも一部を絶縁膜上に残した状態とする反応生成物除去工程と、反応生成物除去工程の後に、絶縁膜上に残されたレジスト膜を完全に除去するレジスト膜除去工程とを備えていることを特徴とする。

第１の半導体装置の製造方法によれば、反応生成物除去工程において、酸素ガスを主成分としたエッチングガスによって、絶縁膜エッチング工程で発生したフッ素および炭素を含有した反応生成物を除去する際に発生するフッ素ガスプラズマと、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物とを反応させることで、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物を除去することができる。その結果、絶縁膜の表面荒れの原因となる絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物が除去され、絶縁膜表面に荒れを生じることが防止され、基板上に形成された絶縁膜表面に反応生成物の堆積による荒れを発生させないようにして、コンタクトホール等のホールや配線溝等の溝を形成することが可能となる。

ここで、反応生成物除去工程において、下部電極から基板にバイアス電力を印加することによって、効率よくフッ素ガスプラズマと絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物とを反応させることができる。

また、反応生成物除去工程において、酸素ガスを主成分としたエッチングガスを導入しプラズマ化することによりレジスト膜も同時に除去されるが、レジスト膜を残して絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物を除去することにより、該反応生成物の除去前にレジスト膜が完全に除去されることが防止され、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物が絶縁膜表面に付着することを防ぐことができる。

上記目的を達成するために、本発明の第２の半導体装置の製造方法は、第１の半導体装置の製造方法において、反応生成物除去工程は、ホールの寸法あるいは溝の寸法を所望の値とするように、バイアス電力を設定する工程を含むことを特徴とする。

第２の半導体装置の製造方法によれば、反応生成物除去工程で、フッ素ガスプラズマと絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物を反応させるが、このとき同時に被加工領域、特に、ホールや溝の側壁の絶縁膜もフッ素ガスプラズマと反応しており、下部電極から印加するバイアス電力を任意に設定することにより、被加工領域の絶縁膜と反応するフッ素ガスプラズマの量を制御できる。これによって、基板上に形成された絶縁膜表面に反応生成物の堆積による荒れを発生させないようにして、コンタクトホール等のホールや配線溝等の溝を所望の寸法で形成することが可能となる。

上記目的を達成するために、本発明の第３の半導体装置の製造方法は、第１の半導体装置の製造方法において、反応生成物除去工程は、ホールの寸法あるいは溝の寸法を所望の値とするように、反応室内に発生する酸素ガスプラズマあるいはフッ素および炭素を含有した反応生成物から脱離するガスプラズマの発光強度を観測し、発光強度が所定の強度になった段階で反応生成物除去工程を終了させる工程を含むことを特徴とする。

第３の半導体装置の製造方法によれば、反応生成物除去工程を終了させるタイミングを、反応室内に発生する酸素ガスプラズマあるいはフッ素および炭素を含有した反応生成物から脱離するガスプラズマの発光強度から算出することにより、反応生成物除去工程前における反応室内の状態が一定でないなどの変動要因に左右されること無く、基板上に形成された絶縁膜表面に反応生成物の堆積による荒れを発生させないようにして、コンタクトホール等のホールや配線溝等の溝を所望の寸法で形成することが可能となり、更に、コンタクトホール等のホールや配線溝等の溝について常に一定の寸法加工精度を得ることができる。

これは、反応生成物除去工程で、酸素を主としたガスを反応室内に導入してプラズマ化し反応室内のフッ素および炭素を含有した反応生成物を除去するが、該反応生成物が除去されるに従って反応室内のプラズマが、導入したガスと該反応生成物から脱離したガスとの混合したプラズマから導入したガスのみのプラズマへと変化しており、この導入ガスプラズマと該反応生成物から脱離したガスプラズマとの組成の変化をプラズマの発光強度の変化から推定することが可能であるため、反応生成物除去工程を終了させるタイミングをプラズマの発光強度から算出することができるためである。

第１から第３の半導体装置の製造方法においては、絶縁膜エッチング工程におけるプラズマの密度は、１０¹¹〜１０¹²ｃｍ^-3の範囲の高密度プラズマであることが望ましい。

このような構成とすることによって、絶縁膜エッチング工程において、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物が生じやすい高密度プラズマを使用しても、第１から第３の半導体装置の製造方法の効果を得ることが可能となる。

本発明の第１の半導体装置の製造方法によると、絶縁膜表面に反応生成物の堆積による荒れを発生させないようにしてコンタクトホール等のホールや配線溝等の溝を形成する方法を提供することができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第２の半導体装置の製造方法によると、本発明の第１の半導体装置の製造方法の効果に加えて、コンタクトホール等のホールや配線溝等の溝について所望の寸法を得ることができるという優れた効果を発揮する。

本発明の第３の半導体装置の製造方法によると、本発明の第１及び第２の半導体装置の製造方法の効果に加えて、コンタクトホール等のホールや配線溝等の溝について一定の寸法加工精度を得ることができるという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１〜図３及び図５を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態にかかる半導体装置の製造方法であるコンタクトホール形成方法を説明する要部工程断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように基板（図示しない）上の下地層１０２の上に形成された絶縁膜１０１上にレジスト膜１００をパターニングする。下地層１０２としては、例えば、配線層を含む絶縁膜層などが用いられる。

ここで絶縁膜１０１は例えば酸化膜であり、その材料は例えばＳｉＯ₂とし、その膜厚は例えば０．８μｍとする。また、レジスト膜１００の膜厚は例えば０．８０μｍとする。パターニングにより形成されたホール形状１０７のホール径は例えば０．２２μｍとする。

次に、図１（ｂ）に示すようにパターニングしたレジスト膜１００をマスクとしてホール形状１０７の底部の絶縁膜１０１の被加工領域をエッチングする。エッチング装置としては、例えば高密度プラズマエッチング装置である誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ）を用いる。

エッチングガスとしては例えばＣ₄Ｆ₈／ＣＨ₂Ｆ₂／Ａｒ／ＣＯのようなフロロカーボン系ガスを主成分としたエッチングガスを用い、該エッチングガスをプラズマ装置の反応室内でプラズマ化させ、絶縁膜１０１の被加工領域を選択的にエッチングし、コンタクトホール１０４を形成する。

この際に、反応室内の側壁、あるいはレジスト膜１００上及びコンタクトホール１０４の中にフッ素および炭素を含有した反応生成物１０６（以下、フロロカーボン系反応生成物と称す）が付着する。また、エッチングされた絶縁膜１０１の構成成分は該エッチングガスとともにプラズマ化されて、絶縁膜１０１の構成元素を含有した反応生成物１０３がレジスト膜１００の表面に付着する。

次に、図１（ｃ）に示すように、酸素ガス（例えば１０００ｓｃｃｍ）を該エッチング装置の反応室内に導入してプラズマ化させ、その酸素ガスプラズマにより、図１（ｂ）の工程で反応室内の側壁、あるいはレジスト膜１００上及びコンタクトホール１０４の中に付着した、フロロカーボン系反応生成物１０６を除去する。フロロカーボン系反応生成物１０６が酸素ガスプラズマと反応して除去される際に、その反応生成物１０６からフッ素ガスが脱離しプラズマ化する。この際に、基板に対して３００Ｗのバイアス電力を印加することにより、フッ素ガスプラズマを基板に引寄せ、そのフッ素ガスプラズマを用いてレジスト膜１００上の絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３を除去する。この際に、レジスト膜１００を残しておくことが、図１（ｄ）の工程での絶縁膜１０１の表面１０５の荒れを発生させないためには必要である。レジスト膜１００を完全に除去してしまうと、後の洗浄工程（図１（ｅ）に示される工程）で除去できない絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３が絶縁膜表面１０５に付着してしまい、表面荒れの原因となるためである。

次に、図１（ｄ）に示すように図１（ｃ）の段階で残しておいたレジスト膜１００を完全に除去する。この際には、基板に対してバイアス電力を印加していない。図１（ｃ）においてレジスト膜１００上に堆積していた絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３のほとんどは絶縁膜表面１０５に付着するより先の段階で除去されており、絶縁膜の表面荒れの発生を防ぐことができる。本実施形態により形成されたコンタクトホール付近の表面ＳＥＭ写真を図３（ａ）に示す。図３（ａ）から、コンタクトホール付近の絶縁膜の表面荒れは発生していないことが判る。このレジスト膜１００が全て除去された後において、図１（ｄ）に示すように若干反応生成物１０３が残っていた場合は後工程である洗浄工程によって除去されて、図１（ｅ）に示すように、反応生成物１０３は完全に除去される。しかし、図２（ａ）に示す従来技術のように大量の反応生成物２００が絶縁膜２０１の表面２０３に堆積していた場合には、図２（ｂ）に示すように、洗浄工程でも取り除ききることができない。従来技術により形成されたコンタクトホール付近の表面ＳＥＭ写真を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）から、絶縁膜の表面が非常に荒れていることがわかる。

ここで、図１（ｃ）の工程における、バイアス電力印加を開始するタイミングについて説明する。図５は、フッ素ガスプラズマの発光強度の処理時間依存性を示す。酸素ガスプラズマ処理を開始した時点を、０秒の処理時間としている。図５に示すように、酸素ガスプラズマ処理開始直後５０２の時点において最も多くフッ素ガスプラズマが発生し、その５０秒後にはフッ素ガスプラズマがほぼ無くなっている。このため、フッ素ガスプラズマを、絶縁膜構成成分含有反応生成物と効率よく反応させるためには、最も多くフッ素ガスプラズマが発生する酸素ガスプラズマ処理開始直後から、基板にバイアス電力印加を行うことが必要となる。

なお、レジスト膜１００を完全に除去する工程（図１（ｄ）に該当する工程）において、基板に対してバイアス電圧を印加しないのは、以下の理由による。

レジスト膜１００が除去された後においても、基板に対してバイアス電圧を印加した場合は、反応室内に残存するフッ素あるいは酸素が、基板に引き寄せられ、絶縁膜１０１をエッチングあるいはスパッタリングして、コンタクトホール１０４の径が設定より拡大するためである。

従って、コンタクトホール１０４の径について、該拡大分をあらかじめ考慮すれば、レジスト膜１００を完全に除去する工程において、基板に対してバイアス電圧を印加してもよい。

（第２の実施形態）
以下に、本発明の第２の実施形態にかかる半導体装置の製造方法について、図１及び図４を参照しながら説明する。

第２の実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、第１の実施形態にかかる半導体装置の製造方法における、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３を除去する工程（図１（ｃ）に該当する工程）のみが異なることから、異なる点についてのみ以下に説明する。

本実施形態は、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３を除去する工程（図１（ｃ）に該当する工程）において、基板へ印加するバイアス電力を例えば１００〜５００Ｗとして、コンタクトホール１０４の寸法を所望の値とするように、この印加するバイアス電力を任意に設定することが特徴である。

図４は、印加バイアス電力に対する、エッチング後に得られたコンタクトホール１０４の径の寸法を実験により求めたものである。

図４から、印加バイアス電力を増加させることによって、エッチング後に得られるコンタクトホール１０４の径の寸法が大きくなることが判る。この結果から、印加バイアス電力を適当に選択することによって、エッチング後に得られるコンタクトホール１０４の径の寸法を制御できることが判る。

これの現象は、以下の理由により生じる。

反応生成物除去工程において、フッ素ガスプラズマとフロロカーボン系反応生成物１０６を反応させる際に、同時に被加工領域であるコンタクトホール１０４側壁の絶縁膜１０１もフッ素ガスプラズマと反応して若干量エッチングされる。従って、印加するバイアス電力を大きくすると、コンタクトホール１０４側壁の絶縁膜１０１と反応するフッ素ガスプラズマの量が多くなり、コンタクトホール１０４側壁の絶縁膜１０１がエッチングされる量が多くなる。

印加するバイアス電力の適当な範囲について以下に説明する。

基板へ印加するバイアス電力を、例えば０Ｗ以上でかつ５０Ｗ未満の範囲に低く設定した場合は、フッ素および炭素を含有した反応生成物の除去が不十分となり、絶縁膜表面１０５の荒れが発生する危険性がある。一方、バイアス電力を、例えば１００Ｗ以上でかつ５００Ｗ以下の範囲に設定した場合では、十分に反応生成物１０３を除去することができ、絶縁膜表面荒れの発生を防ぐことができる。すなわち、バイアス電力を１００Ｗ以上でかつ５００Ｗ以下の範囲に設定することが好ましい。

なお、印加するバイアス電力を低く設定すると絶縁膜表面１０５の荒れが発生するが、絶縁膜表面１０５に荒れが生じないように処理できるバイアス電力の下限は、酸素ガスプラズマ処理工程における、レジスト膜１００のエッチングレートと絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３のエッチングレートの関係によって決定される。

本実施形態によれば、基板上に形成された絶縁膜表面１０５に反応生成物１０３の堆積による荒れを発生させないようにして、コンタクトホール１０４を所望の寸法で形成することが可能となる。

（第３の実施形態）
以下に、本発明の第３の実施形態にかかる半導体装置の製造方法について、図１、図５及び図６を参照しながら説明する。

第３の実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、第１の実施形態にかかる半導体装置の製造方法における、エッチング装置の構成と、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３を除去する工程（図１（ｃ）に該当する工程）のみが異なることから、異なる点についてのみ以下に説明する。

図６は本発明の第３の実施形態で用いるエッチング装置６００の構造を説明する断面構造図である。

エッチング装置６００は、反応室６０２内において発生する酸素ガスプラズマおよびフロロカーボン系反応生成物から脱離するガスプラズマの発光強度を観測するための反応室内部を見ることができるのぞき窓６０７と、のぞき窓６０７から反応室内で発光しているガスプラズマを観測し特定波長の発光強度を測定することができる検出器６０１を備えている。なお、６０３は下部電極であり、６０４はガス導入であり、６０５は上部電極であり、６０６は反応室側壁である。

本実施形態は、絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物１０３を除去する工程（図１（ｃ）に該当する工程）において、反応室６０２内に発生する酸素ガスプラズマおよびフロロカーボン系反応生成物から脱離するガスプラズマの発光強度を検出器６０１で測定し、発光強度が所定の強度になった段階において、バイアス電力を印加しながらの酸素ガスプラズマによる処理工程を終了させることを特徴とする。

例えば、図５に示すフッ素ガスプラズマの発光強度の処理時間依存性において、酸素ガスプラズマを印加した直後のピーク５０２での発光強度に対して９０％発光強度が落ちた段階５０１で、バイアス電力を印加しながらの酸素ガスプラズマによる処理を終了させる。

本実施形態によれば、フッ素ガスプラズマの発光強度を観測して、バイアス電力を印加しながらの酸素ガスプラズマによる処理を終了させることから、該酸素ガスプラズマによる処理前における、反応室６０２内の状態が一定でないなどの変動要因に左右されること無く、基板上に形成された絶縁膜表面１０５に反応生成物１０３の堆積による荒れを発生させないようにして、かつ、コンタクトホール１０４を所望の寸法で形成することが可能となり、更に、コンタクトホール１０４について常に一定の寸法加工精度を得ることができる。特にコンタクトホール１０４の上部部分の形状を任意に精度良く制御することができる。

なお、本実施形態では、第１の実施形態とは異なり、反応生成物１０３を除去するのに充分な、かつ、被加工領域であるコンタクトホール１０４の寸法制御を精度良く行うために、コンタクトホール１０４の側壁における不要なエッチングが発生しない処理時間を算出して、処理を終了することができる。

なお、第１〜第３の実施形態において、基板としてシリコン基板を用いるとよいが、シリコン基板以外の半導体基板を用いてもよく、ガラス等の絶縁体基板を用いてもよい。

また、第１〜第３の実施形態において、図１で示すように基板上の下地層１０２上に絶縁膜１０１を形成した場合だけではなく、基板上に直接、絶縁膜１０１を形成した場合においても同様の効果が得られる。

また、第１〜第３の実施形態では、絶縁膜１０１に対して、コンタクトホール１０４を形成しているが、コンタクトホール以外のホールや、配線溝等の溝を形成してもよい。

また、第１〜第３の実施形態では高密度プラズマエッチング装置として、例えば誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ）を用いたが、一般的に１０¹¹〜１０¹²ｃｍ^-3程度のプラズマ密度のプラズマにて処理を行うエッチング装置であれば、例えばマイクロ波磁場印加プラズマ（ＥＣＲ）、表面波プラズマ（ＳＷＰ）等を用いてもよい。

また、第１〜第３の実施形態では、絶縁膜１０１としては、例えば、ＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯＣ、ＢＰＳＧ（ボロンリンドープ酸化膜）、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、ＦＳＧ（フッ化ケイ酸塩ガラス）を用いても、同様の効果が得られる。

なお、第１〜第３の実施形態では、反応生成物１０３を除去するためのエッチングガスとして、酸素ガスを用いたが、酸素ガスを主成分とするガスであればよく、例えば酸素とフロロカーボン系の混合ガス、あるいは酸素とアルゴンの混合ガスでも同様の効果が得られる。

また、第１〜第３の実施形態において、レジスト膜１００と絶縁膜１０１の間に例えば約８０ｎｍ厚の反射防止膜（ＡＲＣ）を設けても同様の効果が得られる。

また、第１〜第３の実施形態では、エッチング装置として高密度プラズマエッチング装置を用いたが、中密度プラズマエッチング装置（プラズマ密度１０¹⁰〜１０¹¹ｃｍ^-3）である、例えば電子サイクロトロン共鳴（ＵＨＦ−ＥＣＲ）、あるいは低密度プラズマエッチング装置（プラズマ密度１０¹⁰ｃｍ^-3以下）である、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）においても、絶縁膜をエッチングする工程で、反応生成物がプラズマ化し、絶縁膜上に堆積することによって、絶縁膜表面に荒れが発生する場合には、第１〜第３の実施形態を適用することによって、同様に良好な絶縁膜表面が得られる。

以上説明したように、本発明は、基板上に形成された絶縁膜にコンタクトホール等のホールや、配線溝等の溝を形成する方法等に有用である。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１から第３の実施形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する要部工程断面図 （ａ）及び（ｂ）は、従来技術において、絶縁膜の表面荒れが発生する場合を説明する要部工程断面図 （ａ）は本発明の第１から第３の実施形態により形成されたコンタクトホール付近の表面ＳＥＭ写真、（ｂ）は従来技術により形成されたコンタクトホール付近の表面ＳＥＭ写真 本発明の第２の実施形態を説明するための、印加バイアス電力に対する、エッチング後に得られたコンタクトホール１０４の径の寸法を実験により求めた図 本発明の本発明の第１から第３の実施形態を説明するための、フッ素ガスプラズマの発光強度の処理時間依存性を示す図 本発明の第３の実施形態において用いる、エッチング装置の構造を説明する構造断面図 従来技術におけるコンタクトホール形成方法を説明する要部工程断面図

符号の説明

１ シリコン基板
２ 導電膜
３ 絶縁膜（酸化膜）
３ｃ コンタクトホール
４ 塗布型有機系反射防止膜
５ レジスト膜
６ エッチングガス成分
１００ レジスト膜
１０１ 絶縁膜
１０２ 基板上の下地層
１０３ 絶縁膜の構成成分を含有する反応生成物
１０４ コンタクトホール
１０５ 絶縁膜表面
１０６ フロロカーボン系反応生成物
１０７ ホール形状
２００ 絶縁膜の構成成分を含有する反応生成物
２０１ 絶縁膜
２０２ 基板
２０３ 絶縁膜表面
５０１ ピークより９０％発光強度が落ちた段階
５０２ 酸素ガスプラズマを印加した直後のフッ素ガスプラズマ発光強度のピーク
６００ エッチング装置
６０１ 発光強度検出器
６０２ 反応室
６０３ 下部電極
６０４ ガス導入口
６０５ 上部電極
６０６ 反応室側壁
６０７ のぞき窓

Claims (4)

1. 基板上に形成された絶縁膜の上に、パターニングされたレジスト膜を形成する工程と、
   前記パターニングされたレジスト膜をマスクとして、反応室内でプラズマ化されたフロロカーボン系ガスを主成分としたエッチングガスにより、前記絶縁膜の被加工領域を選択的にエッチングして、前記絶縁膜にホールあるいは溝を形成する絶縁膜エッチング工程と、
   前記絶縁膜エッチング工程において前記基板上に堆積された、フッ素および炭素を含有した反応生成物及び前記絶縁膜の構成元素を含有した反応生成物並びに前記レジスト膜の少なくとも一部を、プラズマ化された酸素ガスを主成分としたエッチングガスにより、前記基板にバイアス電力を印加しながら除去して、前記レジスト膜の少なくとも一部を前記絶縁膜上に残した状態とする反応生成物除去工程と、
   前記反応生成物除去工程の後に、前記絶縁膜上に残された前記レジスト膜を完全に除去するレジスト膜除去工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記反応生成物除去工程は、前記ホールの寸法あるいは前記溝の寸法を所望の値とするように、前記バイアス電力を設定する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記反応生成物除去工程は、前記ホールの寸法あるいは前記溝の寸法を所望の値とするように、前記反応室内に発生する酸素ガスプラズマあるいは前記フッ素および炭素を含有した反応生成物から脱離するガスプラズマの発光強度を観測し、前記発光強度が所定の強度になった段階で前記反応生成物除去工程を終了させる工程を含むことを特徴とする請求項１記載あるいは請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記絶縁膜エッチング工程における前記プラズマの密度は、１０¹¹〜１０¹²ｃｍ^-3の範囲であることを特徴とする請求項１から３記載の半導体装置の製造方法。

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