JP2006339281A

JP2006339281A - ホール形成方法

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Publication number: JP2006339281A
Application number: JP2005160108A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Takase; 瀬明浩高; Hisataka Hayashi; 久貴林; Akihiro Kojima; 島章弘小; Katsumi Yamamoto; 本克美山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満のビア径をもつビアホールを径ばらつきを少なくして形成する。
【解決手段】 SiO₂膜１０上に形成されるカーボン膜２と、カーボン膜２上に形成されるSOG３と、SOG３上に形成されるレジスト４とからなる積層膜を備えたサンプル基板を用いて、ビアホール５を形成する。サンプル基板のレジスト４を露光処理によりパターニングしてビアパターン部６を形成し、このビアパターン部６に斜めにシリコンイオンを注入して、レジスト４およびSOG３の一部にSOG３やカーボン膜２との選択比を十分に取れるイオン注入領域１７を形成した後にエッチングを行ってSOG３とカーボン膜２を選択的に除去するため、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満の微細なビア径をもつビアホールを形成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板上にホールを形成するホール形成方法に関する。

従来のビアホール形成方法は、半導体基板上に下地膜を形成し、その下地膜上にレジストを形成して露光処理によりパターニングし、パターニングされたレジストをマスクとして下地膜を加工してビアホールを形成するのが一般的であった。

その際、下地膜のレジスト選択比が十分でなく、所望の加工ができない場合、下地膜上に、レジスト選択比に優れた膜を形成し、その膜上にレジストを形成する方法が提案されている（特許文献１参照）。

上記のいずれの場合も、フォトリソグラフィプロセスの解像限界により、ビア径が制限されてしまう。このため、ビア径の大きさが制限となって、半導体デバイスの集積度を上げられないおそれがある。

また、上述した従来のビアホール形成方法では、下地膜を加工して得られる最終的なビア径は、露光処理後のレジストのビアパターン径に依存する。レジストのビアパターンに沿って完全な垂直加工を行ったとすると、最終的なビア径はレジストのビアパターン径に一致するが、実際には、ウエハ内の位置やレジストパターンの密度等により、ビアパターン径はばらついてしまう。この場合、最終的なビア径も同様にばらついてしまい、所望のサイズのビア径が得られないという問題がある。
特開2001-284209公報

本発明は、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満の径をもつホールを径ばらつきを少なくして形成可能なホール形成方法を提供するものである。

本発明の一態様によれば、半導体基板上の被処理膜の表面に形成される第１の膜と、前記第１の膜の上方に形成された第２の膜とを有する積層膜に対して露光処理を行って、前記第２の膜を選択的に除去する工程と、前記半導体基板を回転させながら、前記半導体基板の法線方向から所定角度だけ傾斜した角度で前記第２の膜が選択的に除去された積層膜にイオンを注入して、前記積層膜の一部を改質したイオン注入領域を形成する工程と、前記イオン注入領域をマスクとして前記積層膜を選択的に除去して、前記第１の膜にホールパターンを形成する工程と、前記ホールパターンを被処理膜に転写して、前記被処理膜にホールを形成する工程と、を備えることを特徴とするホール形成方法を提供するものである。

本発明によれば、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満の径をもつホールを径ばらつきを少なくして形成することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るビアホール形成方法の製造工程図である。図１は、半導体基板上のSiO₂膜１０（被処理膜）に、ビアホールを形成するビアホール形成方法を示している。図１では、SiO₂膜１０上に形成されるカーボン膜２と、カーボン膜２上に形成されるSOG（Spin On Glass）３と、SOG３上に形成されるレジスト４とからなる積層膜を備えたサンプル基板を用いて、ビアホール５を形成する。

例えば、このサンプル基板は、図示しない半導体素子等が形成されたシリコン基板１上のSiO₂膜１０の表面に、塗布装置を用いてカーボン膜２を約300nm塗布し、次に、カーボン膜２上にSOG（Spin On Glass）３を約110nmの膜厚で形成し、次に、ArF（193nm波長）用のレジスト４を200nm塗布して形成される。以下、このサンプル基板中のSiO₂膜１０にビアホール５を形成する方法について説明する。

まず、サンプル基板上のレジスト４に対して露光処理を行い、レジストパターンを形成する（図１（ａ））。これにより、レジスト４の一部が除去されてなる開口部としてのビアパターン部６が形成される。このビアパターン部６のサイズを以下ではビアパターン径と呼ぶ。

次に、サンプル基板を回転させながら、同基板の法線方向に対して所定の角度θだけ傾斜した方向からシリコンイオンを注入する（図１（ｂ））。シリコンイオンは、イオン注入装置を用いて、SOG３中のビアパターン部９の形成領域にシリコンイオンが注入されないような傾斜角度θで注入される。シリコンイオンを注入する具体的な角度については後述する。

図２はイオン注入装置の概略構成の一例を示すブロック図である。図示のように、イオンを生成するイオン源１１と、イオンを加速させる加速装置１２と、イオンの焦点調節を行うイオンレンズ１３と、イオンの方向制御を行う偏向電極１４とを有する。図１のサンプル基板に相当するウエハ１５は、中心軸の周りを回転可能なステージ１６に載置されて回転駆動される。その状態で、ウエハ１５に偏向電極１４を通過したイオンが照射される。

シリコンイオンは、図１（ｂ）に示すように、レジスト４の上面、ビアパターン部６の側壁、およびSOG３上に注入される。シリコンイオンが注入された領域（イオン注入領域１７）は周囲の領域とは異なる性質を持つように改質される。具体的には、特定のガスでドライエッチングを行った場合に、イオン注入領域１７とその周囲の領域とで十分に選択比が取れるようになる。

次に、イオン注入領域１７をマスクとしてSOG３を選択的に除去する（図１（ｃ））。上述したように、SOG３の一部に形成されたイオン注入領域１７は、特定のガスに対する選択比がSOG３とは異なるため、イオン注入領域１７で囲まれたSOG３だけを選択的にエッチング除去することができる。SOG３をエッチング除去する際に用いるガスは例えば、CF₄やCHF₃等で代表されるCF系のガスである。

次に、SOG３をマスクとして、ビアパターン部９がSiO₂膜１０に達するまでカーボン膜２を選択的に除去する（図１（ｄ））。ここでは、SOG３のビアパターン部９の周囲に形成されたイオン注入領域１７とカーボン膜２との間で十分な選択比の取れるガスを用いてドライエッチングを行う。この場合に用いるガスは、例えば、Ｏ₂、NH₃、Ｎ₂、CH₄およびCOの少なくとも一つを含むガスである。図１（ｄ）の工程により、カーボン膜２にビアパターン部９のホールパターンが形成される。

次に、エッチング等により、カーボン膜２上のSOG3とレジスト４を除去した後、ビアパターン部９の形成されたカーボン膜２をマスクとして、SiO₂膜１０にビアホール５を形成する（図１（ｅ））。図１（ｄ）に示すように、レジスト４の上面やビアパターン部６の側壁部分にはイオン注入による改質領域１７が形成されているが、レジスト４と改質領域１７は選択比が小さいため、同一のエッチング工程にて除去可能である。また、カーボン膜２とレジスト４の選択比も小さいため、図１（ｅ）に示すように、カーボン膜２のエッジ部分６ａが一部欠ける可能性がある。ただし、その場合でも、SiO₂膜１０には、カーボン膜２のホールパターンが精度よく転写されて、所望の径サイズのビアホール５が形成される。その後、カーボン膜２をエッチング除去して最終的なビアホール５を得る（図１（ｆ））。

図３はレジスト４に形成されるビアパターン径が大きい場合のビアパターン径を示している。この場合、SOG３の一部にシリコンイオンが注入されて改質され、このイオン注入による改質領域１７をマスクとしてカーボン膜２にビアパターン部９が形成される。一方、図４はレジスト４に形成されたビアパターン径が小さい場合のホールパターン径を示している。この場合、SOG３にはシリコンイオンは注入されず（図４（ａ））、レジスト４のビアパターン部６の内壁に沿って、カーボン膜２にビアパターン部９が形成される（図４（ｂ））。

本実施形態は、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満の微細なビア径をもつビアホールを形成できるという特徴（以下、第１の特徴）と、ビア径の径ばらつきを抑制できるという特徴（以下、第２の特徴）を有する。以下、これらの特徴を順に説明する。

以下では、レジスト４に対する露光処理で形成されるべきビアパターン部６のビアパターン径（中心値）をＷ０とし、このビアパターン径がウェハ上の位置やパターン密度に応じて±Ａnmばらつくものとする。したがって、最小ビアパターン径Ｗ１＝Ｗ０−Ａで、最大ビアパターン径Ｗ２＝Ｗ０＋Ａとなる。

最小ビアパターン径Ｗ１と最大ビアパターン径Ｗ２の値は、イオン注入を行う前に光学検査装置で測定してもよいし、過去に形成したビアパターン径の履歴をデータベース化する等したうえで予測値として取得してもよい。

まず、第１の特徴について説明する。図５は最大ビアパターン径Ｗ２のビアパターン部６について、レジスト４の上方から斜め方向にシリコンイオンを注入する様子を示している。微細なビア径をもつビアホールを形成するには、最大ビアパターン径Ｗ２の周縁よりも内側のSOG3にシリコンイオンを注入する必要がある。したがって、そのための注入角度θの条件は、図５から明らかなように（１）式で表される。Ｈは、レジスト４の膜厚（シリコンイオンの注入により改質したイオン注入領域１７の厚さも含む）、すなわちビアパターン部（開口部）６の深さを表す。
tanθ＜Ｗ２／Ｈ …（１）
この（１）式の条件は、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満のビア径をもつビアホールを形成するための必須要件である。

また、仮にビアパターン径にばらつきがなく、すべてのビアパターン部６のビアパターン径がＷ０であったとすると、このビアパターン径Ｗ０の周縁よりも内側のSOG3にシリコンイオンを注入することがW0未満のビア径をもつビアホールを形成するための条件となるため、注入角度θは（２）式の条件を満たすことがより好ましい。
tanθ≦Ｗ０／Ｈ …（２）

（１）式および（２）式により、シリコンイオンの注入角度θの上限が定められる。注入角度θの下限は、シリコンイオンの注入による影響を最も強く受ける最大ビアパターン径Ｗ２において、レジスト４のビアパターン部６を通過してSOG３の表面の広い範囲にシリコンイオンが注入され、結果として十分なビア径が確保できずにビアホールの形成が困難になる限界範囲に基づいて決定すればよい。ただし、後述する第２の特徴をも満足させることを考慮すると、最小ビアパターン径Ｗ１のときにシリコンイオンがビアパターン部６の周縁の内側のSOG3に入射されるしきい値の注入角度が下限の角度として現実的である。すなわち、図６は最小ビアパターン径Ｗ１のビアパターン部６について、レジスト４の上方から斜め方向にシリコンイオンを注入する様子を示している。この図６から明らかなように、（３）式の条件を満たすように注入角度θを設定するのが望ましい。
tanθ＞Ｗ１／Ｈ …（３）

フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満のビア径をもつビアホールを形成するにあたって、上述した（１）式は必須要件であるが、（２）と（３）式は必ずしも必須要件ではない。必要に応じて、（２）式または（３）式を満たすようにすればよい。

例えば、Ｗ０＝100nm、Ａ＝20nmとすると、最小ビアパターン径Ｗ１＝100-20＝80nm、最大ビアパターン径Ｗ２＝100+20＝120nmとなり、H=200nmであるから、（１）〜（３）式はそれぞれ（４）〜（６）式で表される。
tanθ＜0.6 …（４）
tanθ≦0.5 …（５）
tanθ＞0.4 …（６）

次に、第２の特徴について説明する。上述したように、レジスト４に形成されるビアパターン径は必ずしも一定ではなく、ある範囲のばらつきをもつ。そこで、最小ビアパターン径Ｗ１と最大ビアパターン径Ｗ２の間のビアパターン径Ｗ３のビアパターン部６においてビアホールを形成する場合について検討する。

ビアパターン径Ｗ３は、ある実数Δを用いると、（７）式で表される。
Ｗ３＝Ｗ２−Δ …（７）
ここで、実数Δは（８）式の範囲内の値を取る。
０＜Δ＜Ｗ２−Ｗ１ …（８）

図７（ａ）は最大ビアパターン径Ｗ２のビアパターン部６が形成されたレジスト４を示し、図７（ｂ）は上述した中間のビアパターン径Ｗ３のビアパターン部６が形成されたレジスト４を示している。

図７より、シリコンイオンを注入しても、同イオンが注入されない領域のビア径Ｗ３’は、（９）式で表される。
Ｗ３’＝Ｗ３−２（Ａ−Δ） …（９）
ここで、Ａは、シリコンイオンの注入領域の幅を示しており、このＡとシリコンイオンの注入角度θは（１０）式で表される。
tanθ＝（Ｗ２−Ａ）／Ｈ …（１０）
この（１０）式を変形すると、（１１）式が得られる。
Ａ＝Ｗ2−Ｈtanθ …（１１）
この（１１）式を（９）式に代入すると、（１２）式が得られる。
Ｗ３’＝−Ｗ３＋２Ｈtanθ …（１２）

図８は、（１２）式において、ビアパターン径Ｗ３を種々変化させた場合に、シリコンイオンの注入角度θによって最終的なビア径Ｗ３’が変化する様子を示す図である。図８では、最小ビアパターン径Ｗ１＝80nm、最大ビアパターン径Ｗ２＝120nm、レジスト４の膜厚Ｈ＝200nmとし、シリコンイオンの注入角度θを上述した（１）式および（３）式に対応して、tanθ＝0.4〜0.6の範囲内で変化させた例を示している。

図８からわかるように、tanθ＝0.5のときに、ビア径Ｗ３’のばらつきが最小になる。このとき、最小ビアパターン径Ｗ１から形成されたビア径Ｗ１’と最大ビアパターン径Ｗ２から形成されたビア径Ｗ２’とは一致する。すなわち、レジスト４の最小ビアパターン径Ｗ１のビアパターン部６において得られるビア径Ｗ１’と最大ビアパターン径のビアパターン部６において得られるビア径Ｗ２’とが一致するときに、ビア径のばらつきが最小になる。

また、実際上は、tanθ＝0.4〜0.6の範囲内であればtanθ＝0.5から多少注入角度がずれても、ビア径のばらつきは抑制できることもわかる。ただし好ましくは、図８の矢印ｙで示すように、tanθの値は、最適角度であるtanθ＝0.5を中心値としてビア径のばらつき抑制可能なtanθ＝0.4〜0.6の範囲に対し上下で各々10％までの変化幅の範囲内（0.49≦tanθ≦0.51）とすれば、ビア径Ｗ３’のばらつきはほぼtanθ＝0.5の場合と同等であり、ビア径のばらつきを大きく低減することができる。

一般的に、最小ビアパターン径Ｗ１から形成されたビア径Ｗ１’と最大ビアパターン径Ｗ２から形成されたビア径Ｗ２’とが一致する場合のシリコンイオンの注入角度θは、以下のように与えられる。

図７より、最大ビアパターン径Ｗ２から形成されるビア径Ｗ２’は、（１３）式で表される。
Ｗ２’＝Ｗ２−２Ａ …（１３）
また、図４より、Ｗ１’＝Ｗ１と考えられる。
したがって、Ｗ１’＝Ｗ２’が成り立つためには、（１４）式を満たさなければならない。
Ｗ１＝Ｗ２−２Ａ …（１４）
（１４）式のＡに、（１１）式を代入すると、（１５）式が得られる。
Ｗ1＝２Ｈtanθ−Ｗ2 …（１５）
（１５）式を変形すると、シリコンイオンの注入角度θは（１６）式で表される。

この（１６）式に示す注入角度θがビア径のばらつきを最小にする最適角度である。ただし、実際には、この最適角度からtanθが、上述した（１）式および（３）式で定められるビア径のばらつき抑制可能な範囲に対し上下とも10％までの変化幅となる範囲内の注入角度であれば、同様にばらつきを低減することができる。

このように、第１の実施形態では、レジスト４／SOG３／カーボン膜２からなる積層膜が形成されたサンプル基板のレジスト４を露光処理によりパターニングしてビアパターン部６を形成した後、このビアパターン部６に斜めにシリコンイオンを注入する。こうして、レジスト４およびSOG３の一部にSOG３やカーボン膜２との選択比を十分に取れるイオン注入領域１７を形成した後にエッチングを行ってSOG３とカーボン膜２を選択的に除去して、カーボン膜２に所望のホールパターン径のビアパターン部９を形成するため、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満の微細なビア径をもつビアホールを形成できる。また、シリコンイオンの注入角度θを適切に選択することで、レジスト４のビアパターン径がばらついたとしても、寸法ばらつきの少ないビアホール５を形成できる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、シリコンイオンを注入した後にSOG３を選択的に除去する例を説明したが、SOG３を選択的に除去した後にシリコンイオンを注入してもよい。

図９は本発明の第２の実施形態に係るビアホール５の形成方法を示す製造工程図である。まず、露光処理によりレジストパターンを形成し（図９（ａ））、その後にレジストパターンをマスクとして、SOG３を選択的に除去する（図９（ｂ））。

次に、イオン注入装置を用いてシリコンイオンを斜めに注入する（図９（ｃ））。このとき、ビアパターン部（開口部）６の深さHをSOG3とレジスト４の合計膜厚として、上述した（１６）式の角度の近辺の注入角度θでシリコンイオンを注入する。これにより、レジスト４、SOG３およびカーボン膜２の一部を改質したイオン注入領域１７が形成される。図１（ｂ）との違いは、カーボン膜２中にもイオン注入領域１７が形成される点である。

次に、カーボン膜２中のイオン注入領域１７をマスクとして、カーボン膜２とイオン注入領域１７とで十分な選択比の取れる上述したガスを用いて、カーボン膜２をドライエッチングし、カーボン膜２中にビアパターン部９を形成する（図９（ｄ））。その後、図１（ｅ）および図１（ｆ）と同様の工程を経て、所望のビア径を有する最終的なビアホール５が形成される。

このように、第２の実施形態においても、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満のビア径をもつビアホールを形成できるとともに、露光処理により形成されたレジスト４中のビアパターン部６のサイズのばらつきに影響されずに、略等しいビア径のビアホール５を形成できる。

（第３の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態では、レジスト４／SOG３／カーボン膜２からなる積層膜を用いる例を説明したが、積層膜の材料は上述したものに限定されない。例えば、SOG３を省略してもよい。

図１０はSOG３を持たない積層膜（レジスト４／カーボン膜２）を用いてSiO₂膜（被処理膜）１０にビアホール５を形成する例を示す工程図である。レジストパターンを形成した後、イオン注入装置を用いて上述した（１６）式の角度の近辺の注入角度θでシリコンイオンを斜めに注入する（図１０（ａ））。これにより、レジスト４の上面および側壁と、カーボン膜２の一部とが改質して、イオン注入領域１７が形成される。

次に、カーボン膜２中のイオン注入領域１７をマスクとして、カーボン膜２とイオン注入領域１７とで十分な選択比の取れるガスを用いて、カーボン膜２をドライエッチングする（図１０（ｂ））。次に、カーボン膜２上のレジスト４と改質領域１７をエッチング除去した後、カーボン膜２に形成されたビアパターン部９のホールパターンをSiO₂膜１０に転写する（図１０（ｃ））。その後、カーボン膜２をエッチング除去して最終的なビアホール５を形成する（図１０（ｄ））。

このように、SOG３がない積層膜に対しても、フォトリソグラフィプロセスの解像限界未満のビア径をもつビアホールを形成できるとともに、レジスト４中のビアパターン部６のサイズのばらつきに関係なく、略等しいビア径のビアホール５を形成できる。

上述した第１〜第３の実施形態では、シリコンイオンを注入する例を説明したが、エッチングの際に十分に選択比が取れるイオンであれば、シリコンイオン以外のイオンを用いても構わない。

上述した第１〜第３の実施形態において、SiO₂膜１０に形成されるホールは、ソース領域やドレイン領域等の拡散層の上方に形成される電極接続用のコンタクトホールや、複数の配線層間を接続するためのビア形成用のビアホールのいずれにも適用可能である。

また、ホールを形成する被処理膜は、必ずしもSiO2膜１０に限らず、他の材料からなる絶縁層や半導体層等でもよい。

（ａ）〜（ｆ）は本発明の第１の実施形態に係るビアホール形成方法の製造工程を示す工程図。イオン注入装置の概略構成の一例を示すブロック図。レジスト４のビアパターン部６の径が図１（ｄ）よりも大きい場合のホールパターン径を示す図。（ａ）〜（ｂ）はレジスト４のビアパターン部６の径が図１（ｄ）よりも小さい場合のホールパターンの製造工程を示す図。レジスト４のビアパターン径が大きい場合を示す図。レジスト４のビアパターン径が小さい場合を示す図。（ａ）は最大ビアパターン径Ｗ２のビアパターン部６が形成されたレジスト４を示し、（ｂ）は中間のビアパターン径Ｗ３のビアパターン部６が形成されたレジスト４を示す図。ビアパターン径Ｗ３とビア径Ｗ３’との関係を示す図。（ａ）〜（ｄ）は本発明の第２の実施形態に係るビアホール５形成方法の製造工程を示す工程図。（ａ）〜（ｄ）はSOG３を持たない積層膜（レジスト４／カーボン膜２）にビアホール５を形成する場合における製造工程の一例を示す工程図。

符号の説明

１シリコン基板
２カーボン膜
３ SOG
４レジスト
５ビアホール
６，９ビアパターン部
１１イオン源
１２加速装置
１３イオンレンズ
１４偏向電極
１５ウエハ
１６ステージ
１７イオン注入領域

Claims

半導体基板上の被処理膜の表面に形成される第１の膜と、前記第１の膜の上方に形成された第２の膜とを有する積層膜に対して露光処理を行って、前記第２の膜を選択的に除去する工程と、
前記半導体基板を回転させながら、前記半導体基板の法線方向から所定角度だけ傾斜した角度で前記第２の膜が選択的に除去された積層膜にイオンを注入して、前記積層膜の一部を改質したイオン注入領域を形成する工程と、
前記イオン注入領域をマスクとして前記積層膜を選択的に除去して、前記第１の膜にホールパターンを形成する工程と、
前記ホールパターンを被処理膜に転写して、前記被処理膜にホールを形成する工程と、を備えることを特徴とするホール形成方法。
前記所定角度は、前記第２の膜を選択的に除去することにより得られる開口部の径および深さと、最終的に形成するホールの径とにより決定されることを特徴とする請求項１に記載のホール形成方法。
前記積層膜は、前記第１および第２の膜の間に形成される第３の膜を有し、
前記ホールパターンを形成する工程は、前記積層膜に前記イオンを注入することにより、前記第３の膜の一部に形成された前記イオン注入領域をマスクとして前記第３の膜を選択的に除去し、選択的に除去された前記第３の膜をマスクとして前記第１の膜を選択的に除去して、前記ホールパターンを形成することを特徴とする請求項１または２に記載のホール形成方法。
前記積層膜は、前記第１および第２の膜の間に形成される第３の膜を有し、
選択的に除去された前記第２の膜をマスクとして前記第３の膜を選択的に除去する工程を備え、
前記イオン注入領域を形成する工程は、前記第３の膜を選択的に除去した後に行われることを特徴とする請求項１または２に記載のホール形成方法。
前記イオンは、シリコンイオンであり、
前記イオン注入領域をマスクとして前記積層膜を選択的に除去する際、前記イオン注入領域と前記１の膜とで選択比の取れるガスを用いてドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のホール形成方法。