JP2006073562A

JP2006073562A - コンタクトホールの形成方法及びドライエッチング装置

Info

Publication number: JP2006073562A
Application number: JP2004251492A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Watabe; 剛渡部
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】微細なコンタクトホールを精度良く形成することができるようにしたコンタクトホールの形成方法及びドライエッチング装置を提供する。
【解決手段】半導体基板２０表面のＳ／Ｄ領域２５上を覆う層間絶縁膜４０にＳ／Ｄ領域２５に至るコンタクトホールを形成する方法であって、層間絶縁膜４０上にＳ／Ｄ領域２５の上方を開口するレジストパターン５０を形成する。次に、このレジスパターン５０をマスクに層間絶縁膜４０を半導体基板２０表面に対して垂直にドライエッチングして、層間絶縁膜４０にＳ／Ｄ領域２５に至る開口部１００´を形成する。そして、このレジストパターン５０をマスクに、開口部１００´が形成された層間絶縁膜４０を半導体基板２０表面に対して斜めにドライエッチングする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンタクトホールの形成方法及びドライエッチング装置に関する。

近年、半導体装置の高集積化に伴い、半導体装置は多層配線構造になってきている。多層配線構造とは、層間絶縁膜を挟んで複数の配線が積み重ねられた構造のことである。また、このような多層配線構造では、基板と配線との間や、階層の異なる配線間で電気的接続を得るために、通常、層間絶縁膜にはコンタクトホールやビアホールが形成される。
図４（Ａ）〜（Ｃ）は従来例に係るコンタクトホール２００の形成方法を示す工程図である。図４（Ａ）に示すように、ＭＯＳトランジスタ２３０が形成された半導体基板２２０上に層間絶縁膜２４０を形成した後、フォトリソグラフィによって、この層間絶縁膜２４０上にレジストパターン２５０を形成する。このレジストパターン２５０は、フォトレジストがパターニングされたものであり、ＭＯＳトランジスタ２３０のソース又はドレイン（以下、「Ｓ／Ｄ」という。）領域２２５上を開口し、その他の領域上を覆うものである。

次に、図４（Ｂ）に示すように、このレジストパターン２５０をマスクにして層間絶縁膜２４０にウエットエッチングを行い、層間絶縁膜２４０の厚さの半分に相当する深さまで開口部２００´を形成する。そして、図４（Ｃ）に示すように、ウエットエッチングを行った時と同一のレジストパターン２５０をマスクにして、層間絶縁膜２４０に異方性のドライエッチングを行う。この異方性のドライエッチングには、ＣＦ_３ ^＋等を用いる。これにより、層間絶縁膜２４０に、Ｓ／Ｄ領域２２５上に至るコンタクトホール２００を形成する。
特開２０００−７０６６２号公報

ところで、従来例に係るコンタクトホール２００の形成方法によれば、図５（Ａ）に示すように、層間絶縁膜２４０をウエットエッチングする過程で、層間絶縁膜２４０とレジストパターン２５０との界面にエッチング用の薬液（以下、単に「薬液」という。）が染み込み、この界面付近でウエットエッチングが横方向に進行し易いという問題があった。つまり、層間絶縁膜２４０とレジストパターン２５０との密着性を保持することは困難であり、ウエットエッチングが横方向に大きく進んでしまうことがあった。

このように、ウエットエッチングが横方向に大きく進んでしまうと、層間絶縁膜２４０とレジストパターン２５０との接触面積が少なくなり、レジストパターン２５０は層間絶縁膜２４０から剥れ易くなってしまう。

図６（Ａ）及び（Ｂ）は、多数のコンタクトホールが密集したマルチコンタクト３００を形成する際のウエットエッチング工程を示す平面図と、Ｘ−Ｘ´矢視断面図である。特に、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すようなマルチコンタクト３００では、そのウエットエッチング時に、それぞれのコンタクトホールで、図６（Ｂ）の矢印で示すように、薬液が横方向に染み込んでしまう。そのため、層間絶縁膜３４０とレジストパターン３５０との接点がなくなってしまい、レジストパターン３５０が層間絶縁膜３４０上から完全に浮いてしまうおそれがあった。浮いてしまったレジストパターン３５０はその形状を正しく保持することができず、この後に続くドライエッチング工程でコンタクトホールを正しく形成できないおそれがある。

一方、このような課題を解決する方法として、特許文献１がある。特許文献１には、半導体ウエーハ（半導体基板）上に形成された薄膜（層間絶縁膜）をエッチングする際に、半導体ウエーハを水平方向に対して予め傾けておき、この傾きを維持したまま半導体ウエーハを回転させてドライエッチングを行う方法が開示されている。
このような方法であれば、ウエットエッチングを行わないので、薬液の横方向への染み込みもなく、レジストパターンと層間絶縁膜との密着性を良好に維持することができる。

しかしながら、この特許文献１の方法では、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に対して、ＣＦ_３ ^＋等が最初から最後まで斜めに供給されるので、レジストパターンの開口部は削られて広がってしまう。その結果、図５（Ｂ）の破線で示すように、コンタクトホール２００の内壁はその上側から下側（底側）までテーパ状となってしまい、コンタクトホール２００の内壁と、ＭＯＳトランジスタ２３０のゲート電極２３２との間の距離が狭まってしまうという問題があった。

このように、コンタクトホール２００の内壁と、ゲート電極２３２との間の距離が狭まってしまうと、その後の工程でコンタクトホール２００内に形成される配線とゲート電極２３２とが短絡してしまう可能性が高まり、半導体装置の歩留りや信頼性を低下させてしまうおそれがある。また、配線とゲート電極２３２との短絡を防ぐために、コンタクトホール２００とゲート電極２３２との間の距離を広げると、ＭＯＳトランジスタ２３０を高密度に配置できなくなるので、半導体装置の集積度が低下してしまう。

そこで、この発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、微細なコンタクトホールを精度良く形成することができるようにしたコンタクトホールの形成方法及びドライエッチング装置の提供を目的とする。

〔発明１〕上記目的を達成するために、発明１のコンタクトホールの形成方法は、基板表面の導電部上又は当該基板上に設けられた導電部上を覆う層間絶縁膜にドライエッチングを行い、前記層間絶縁膜に前記導電部に至るコンタクトホールを形成する方法であって、前記層間絶縁膜上に前記導電部の上方を開口するマスクパターンを形成する工程と、前記マスクパターンをマスクに前記層間絶縁膜を前記基板表面に対して垂直にドライエッチングし、前記層間絶縁膜に前記導電部に至る開口部を形成する工程と、前記マスクパターンをマスクに、前記開口部が形成された前記層間絶縁膜を前記基板表面に対して斜めにドライエッチングする工程と、を含むことを特徴とするものである。

ここで、本発明の「コンタクトホール」とは、基板表面に設けられた不純物拡散層や、基板上に形成されたゲート電極を第１層目の層間絶縁膜上に引き出すためのコンタクトホール（狭義）だけを意味するものではない。本発明の「コンタクトホール」とは、狭義に解釈されるコンタクトホールだけでなく、例えば、層間絶縁膜を介して少なくとも２層以上積層された多層配線間を接続するためのビアホールをも含むものである。

また、「層間絶縁膜を基板表面に対して垂直にドライエッチングする」とは、基板表面に対して垂直な方向から層間絶縁膜に向けてエッチングガスを供給してドライエッチングすることである。「層間絶縁膜を基板表面に対して斜めにドライエッチングする」とは、基板表面に対して斜めの方向から層間絶縁膜に向けてエッチングガスを供給してドライエッチングすることである。

発明１のコンタクトホールの形成方法によれば、前記層間絶縁膜に形成された開口部の上側の内壁を斜めにエッチングすることができ、コンタクトホールの上側の内壁をテーパ状にすることができる。従って、ウエットエッチングを行う必要はないので、マスクパターンと層間絶縁膜との界面への薬液の染み込みは発生しない。これにより、マスクパターンと層間絶縁膜との密着性を良好に保持することができ、コンタクトホールをより精度良く形成することが可能である。

また、特許文献１と比べて、コンタクトホールの下側（底側）の内壁を基板表面に対して略垂直とすることができる。従って、例えば、このコンタクトホール近傍の基板上にゲート電極等がある場合でも、このコンタクトホールとゲート電極とを離すことが容易である。

〔発明２〕発明２のコンタクトホールの形成方法は、発明１のコンタクトホールの形成方法において、前記層間絶縁膜を斜めにドライエッチングする工程では、前記基板を当該基板表面を通る垂線を軸に回転させることを特徴とするものである。

このような構成であれば、コンタクトホールの上側の内壁全てを斜めにドライエッチングすることができ、コンタクトホールの上側の内壁全てをテーパ状にすることができる。

〔発明３〕発明３のドライエッチング装置は、チャンバと、基板を支持するために前記チャンバ内に設けられた導電性の支持台と、前記支持台の前記基板を支持する面と向い合うように前記チャンバ内に配置された電極板と、前記電極板と前記支持台との間に所定の電位差を生じさせる電位差発生手段と、前記チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、前記ガス導入手段によって前記チャンバ内に導入されたエッチングガスをイオン化するイオン化手段と、前記支持台の前記基板を支持する面を通る垂線を軸に当該支持台を回転させる回転手段と、前記電極板に対して前記支持台を所定の角度だけ傾ける傾斜手段と、を備え、前記回転手段による回転動作と前記傾斜手段による傾斜動作は、前記チャンバ内でエッチングプロセスが行われている最中に所定のタイミングで実行されることを特徴とするものである。

ここで、所定のタイミングとしては、例えば、チャンバ内でのエッチングプロセスを開始してから所定時間経過した時や、終点検出装置等によってエッチングの終点を検出した時などが挙げられる。
発明３のドライエッチング装置によれば、例えば、マスクパターンをマスクに層間絶縁膜を基板表面に対して垂直にドライエッチングし、この層間絶縁膜に導電部に至る開口部を形成することが可能である。そして、この層間絶縁膜に形成された開口部の内壁のうち、上側の内壁だけを斜めにドライエッチングすることが可能である。

〔発明４〕発明４のドライエッチング装置は、発明３のドライエッチング装置において、前記回転手段は、前記支持台の前記基板を支持する面の中心を通る垂線を軸に当該支持台を回転させることを特徴とするものである。

このような構成であれば、支持台が回転移動する範囲を必要最小限に抑えることができるので、チャンバの小型化に寄与することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るコンタクトホールの形成方法及びドライエッチング装置について説明する。
図３は、本発明の実施形態に係るドライエッチング装置１０の構成例を示す概念図である。まず始めに、このドライエッチング装置１０について説明する。図３に示すように、このドライエッチング装置１０は、例えば、半導体基板（ウエーハ）２０上に形成された層間絶縁膜等をエッチングするＲＩＥ（ｒｅａｃｔｉｖｅｉｏｎｅｔｃｈｉｎｇ）装置である。

このドライエッチング装置１０は、チャンバ９と、金属製のステージ（カソード）５と、アノード４と、高周波電源１１と、ガス導入管７と、ガス排気管８と、コイル６と、回転モータ２と、傾き駆動モータ３と、図示しない終点検出装置等を有する。
図３に示すように、このチャンバ９内には、ウエーハ２０を支持するためのステージ５と、アノード４とが配置されている。アノード４は、ステージ５のウエーハ２０を支持する面と向い合う位置に配置されており、その電位はアース電位となっている。また、ステージ５には、高周波電源１１が接続されている。この高周波電源１１によって、ステージ５には負電圧が印加される。

また、このチャンバ９内にはガス導入管７とガス排気管８とが接続されている。ガス導入管７によって、チャンバ９内には例えばＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_８等のフルオロカーボンガス等が導入される。また、ガス排気管８によって、チャンバ９内からガスが排気される。
図３に示すように、コイル６は、チャンバ９の外側に設けられており、このチャンバ９を外側から囲んでいる。このコイル６によって、チャンバ９内のＣＦ_４等のフルオロカーボンガスは、ＣＦ_３ ^＋等にイオン化される。また、イオン化されたＣＦ_３ ^＋等は、負電圧を印加されたステージ５に引き寄せられる。

回転モータ２は、ステージ５をその中心を通る垂線を軸に回転させるものである。また、傾き駆動モータ３は、アノード４と平行に向い合うステージ５を、アノード４に対して所定の角度だけ傾けるものである。ステージ５はその中心を通る垂線を軸に回転するので、その中心以外の垂線を軸に回転する場合と比べて、ステージ５が回転移動する範囲は必要最小限に抑えられており、チャンバ９の小型化に寄与している。

次に、このドライエッチング装置１０を用いてコンタクトホール１００を形成する方法について説明する。
図１（Ａ）〜図２（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るコンタクトホール１００の形成方法を示す工程図である。まず始めに、半導体基板２０上にＭＯＳトランジスタ３０を形成し、このＭＯＳトランジスタ３０上に層間絶縁膜４０を形成する。この層間絶縁膜４０の形成は、例えばＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって行う。次に、フォトリソグラフィによって、この層間絶縁膜４０上にレジストパターン５０を形成する。図１（Ａ）に示すように、このレジストパターン５０は、ＭＯＳトランジスタ３０のソース又はドレイン（Ｓ／Ｄ）領域２５の上方を開口し、その他の領域を覆うものである。

次に、このレジストパターン５０が形成された半導体基板（ウエーハ）２０を、図３に示したドライエッチング装置１０のチャンバ９内に入れる。そして、半導体基板２０の層間絶縁膜４０が形成された側（表面側）をアノード４に向け、半導体基板２０（ウエーハ）の中心をステージ５の中心と重ね合わせた状態で、この半導体基板２０をステージ５上に固定する。

次に、図１（Ｂ）に示すように、レジストパターン５０をマスクに層間絶縁膜４０に異方性のドライエッチングを行い、この層間絶縁膜４０にＳ／Ｄ領域２５に至る開口部１００´を形成する。この図１（Ｂ）のエッチング工程では、図３において、アノード４とステージ５とを平行に向い合わせた状態でチャンバ９内のエッチングガス、例えばＣＦ_４等をＣＦ_３ ^＋等にイオン化する。このイオン化は、コイル６によって行う。また、ステージ５に負電圧を印加して、アノード４とステージ（カソード）５との間に電位差を生じさせる。

これにより、ＣＦ_３ ^＋等の半導体基板２０表面への進行方向は、この半導体基板２０表面の垂線方向と一致し、ＣＦ_３ ^＋等は層間絶縁膜４０に垂直に供給されるので、この層間絶縁膜４０は垂直にドライエッチングされる。そのため、開口部１００´の上側から下側（底側）までその内壁は半導体基板２０表面に対してほぼ垂直となる。この図１（Ｂ）のエッチング工程の終点は、エッチングプロセスを開始してからの経過時間、又は終点検出装置等で検出する。

次に、図１（Ｃ）に示すように、レジストパターン５０をマスクに、開口部１００´が形成された層間絶縁膜４０に斜めに異方性のドライエッチングを行う。この図１（Ｃ）のエッチング工程では、図３において、傾き駆動モータ３を動作させて、アノード４と平行に向い合った状態のステージ５を、アノード４表面に対して角度θだけ傾ける。ここで、角度θは例えば３０〜４０［°］程度である。

これにより、図１（Ｃ）に示すように、ＣＦ_３ ^＋等の半導体基板２０表面への進行方向は、この半導体基板２０表面の垂線に対して相対的に角度θだけ傾き、半導体基板２０上の層間絶縁膜４０にはＣＦ_３ ^＋等が斜め方向から供給されるので、この開口部１００´の上側の内壁は斜めにエッチングされる。
また、この図１（Ｃ）のエッチング工程では、図３に示した回転モータ２を動作させて、半導体基板２０を支持するステージ５を、このステージ５の中心を通る垂線を軸に回転させる。これにより、半導体基板（ウエーハ）２０はステージ５と共に自転し、図１（Ｄ）に示すように、図１（Ｃ）ではエッチングされなかった開口部１００´の上側の内壁も、ＣＦ_３ ^＋等によって斜めにエッチングされる。

図１（Ｃ）及び図１（Ｄ）のエッチング工程では、図３に示すように、ステージ５をアノード４表面に対して角度θだけ傾けた状態で、このステージ５をその中心を通る垂線を軸に、例えば一定の角速度で一定時間が経過するまで連続的に回転させる。このようにして、図２（Ａ）に示すように、上側の内壁全てがテーパ状で、かつ、下側（底側）の内壁全てが半導体基板２０表面に対して垂直であるコンタクトホール１００を完成させる。

その後、レジストパターン５０をアッシングして除去し、コンタクトホール１００が形成された層間絶縁膜４０上の全面に導電膜を形成し、この導電膜を所定形状にパターニングする。これにより、図２（Ｂ）に示すように、層間絶縁膜４０上にコンタクトホール１００を通ってＳ／Ｄ領域２５に接続する配線パターン７０を形成することが可能である。
このように、本発明の実施形態に係るコンタクトホール１００の形成方法によれば、層間絶縁膜４０に形成された開口部１００´の上側の内壁を斜めにエッチングすることができ、コンタクトホール１００の上側の内壁をテーパ状にすることができる。従って、ウエットエッチングを行う必要はないので、レジストパターン５０と層間絶縁膜４０との界面への薬液の染み込みは発生しない。これにより、レジストパターン５０と層間絶縁膜４０との密着性を良好に保持することができ、コンタクトホール１００をより精度良く形成することが可能である。

また、特許文献１と比べて、コンタクトホール１００の下側（底側）の内壁を半導体基板２０表面に対して略垂直とすることができる。このため、コンタクトホール１００とゲート電極３２との距離を大きくとることが容易であり、半導体装置の歩留りと信頼性の向上、及び、半導体装置の微細化を進める点で有利である。
この実施形態では、半導体基板２０が本発明の基板に対応し、Ｓ／Ｄ領域２５が本発明の導電部に対応している。また、レジストパターン５０が本発明のマスクパターンに対応している。さらに、ステージ５が本発明の支持台に対応し、アノード４が本発明の電極板に対応している。また、高周波電源１１が本発明の電位差発生手段に対応し、ガス導入管７が本発明のガス導入手段に対応している。さらに、コイル６が本発明のイオン化手段に対応し、回転モータ２が本発明の回転手段に対応している。また、傾き駆動モータ３が本発明の傾斜手段に対応している。

なお、この実施形態では、半導体基板２０の表面に設けられたＳ／Ｄ領域２５を層間絶縁膜４０上に引き出すためのコンタクトホール１００を形成する場合について説明したが、このコンタクトホール１００をＳ／Ｄ領域２５上だけでなく、ゲート電極３２上の層間絶縁膜４０にも形成しても良い。この場合には、Ｓ／Ｄ領域２５の他に、ゲート電極３２が本発明の導電部に対応する。

また、この実施形態では、Ｓ／Ｄ領域２５を第１層目の層間絶縁膜４０上に引き出すための（狭義の）コンタクトホールを形成する場合について説明したが、本発明はこれに限られることはない。本発明は、例えば、層間絶縁膜を介して少なくとも２層以上積層された多層配線間を接続するためのビアホールの形成にも適用可能であり、その場合には、多層配線のうち下層配線が本発明の導電部に対応する。

また、この実施形態では、角度θが例えば３０〜４０［°］程度である場合について説明したが、角度θはこの範囲に限定されるものではない。レジストパターン５０の厚さや、レジストパターン５０のＳ／Ｄ領域２５上の開口径等に応じて、角度θの値を３０［°］以下、又は４０［°］以上に設定しても良い。

実施形態に係るコンタクトホール１００の形成方法（その１）を示す工程図。実施形態に係るコンタクトホール１００の形成方法（その２）を示す工程図。実施形態に係るドライエッチング装置１０の構成例を示す概念図。従来例に係るコンタクトホール２００の形成方法を示す工程図。従来例の問題点を示す図。マルチコンタクト３００を形成する際のウエットエッチング工程を示す図。

符号の説明

２回転モータ、３傾き駆動モータ、４アノード、５ステージ（カソード）、６コイル、７ガス導入管、８ガス排気管、９チャンバ、１０ドライエッチング装置、１１高周波電源、２０半導体基板（ウエーハ）、２５Ｓ／Ｄ領域、３０ＭＯＳトランジスタ、３２ゲート電極、４０層間絶縁膜、５０レジストパターン、７０配線パターン、１００コンタクトホール、１００´ 開口部

Claims

基板表面の導電部上又は当該基板上に設けられた導電部上を覆う層間絶縁膜にドライエッチングを行い、前記層間絶縁膜に前記導電部に至るコンタクトホールを形成する方法であって、
前記層間絶縁膜上に前記導電部の上方を開口するマスクパターンを形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクに前記層間絶縁膜を前記基板表面に対して垂直にドライエッチングし、前記層間絶縁膜に前記導電部に至る開口部を形成する工程と、
前記マスクパターンをマスクに、前記開口部が形成された前記層間絶縁膜を前記基板表面に対して斜めにドライエッチングする工程と、を含むことを特徴とするコンタクトホールの形成方法。
前記層間絶縁膜を斜めにドライエッチングする工程では、
前記基板を当該基板表面を通る垂線を軸に回転させることを特徴とする請求項１に記載のコンタクトホールの形成方法。
チャンバと、
基板を支持するために前記チャンバ内に設けられた導電性の支持台と、
前記支持台の前記基板を支持する面と向い合うように前記チャンバ内に配置された電極板と、
前記電極板と前記支持台との間に所定の電位差を生じさせる電位差発生手段と、
前記チャンバ内にエッチングガスを導入するガス導入手段と、
前記ガス導入手段によって前記チャンバ内に導入されたエッチングガスをイオン化するイオン化手段と、
前記支持台の前記基板を支持する面を通る垂線を軸に当該支持台を回転させる回転手段と、
前記電極板に対して前記支持台を所定の角度だけ傾ける傾斜手段と、を備え、
前記回転手段による回転動作と前記傾斜手段による傾斜動作は、前記チャンバ内でエッチングプロセスが行われている最中に所定のタイミングで実行されることを特徴とするドライエッチング装置。
前記回転手段は、
前記支持台の前記基板を支持する面の中心を通る垂線を軸に当該支持台を回転させることを特徴とする請求項３に記載のドライエッチング装置。