JP2007214588A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、イオンエネルギーおよびO2流量を、エッチング深さの進行と伴に低減するエッチング工程によりコンタクトホール形成し、下地に形成されるダメージ層を抑制する。そして、水素もしくは水素を含有するガスプラズマを用いた高抵抗層除去工程を導入することで低コンタクト抵抗が図れる。
【選択図】 図4
Description
ドライエッチング技術は、真空容器内に導入されたエッチングガスを外部から印加された高周波電力によりプラズマ化し、プラズマ中で生成された反応性ラジカルやイオンをウエハ上で高精度に反応させることで、被エッチング膜(層間絶縁膜)を選択的にエッチングする技術である。
半導体装置の微細化、高速化に伴い、ドライエッチング技術により形成されたコンタクトホール内での下地半導体層あるいは下地配線と充填された金属とのコンタクト抵抗を低減することは重要な課題である。
(1) 特開平4-286115 号公報(先行技術1):
この先行技術1には、コンタクトホール内の異物除去及び低抵抗化のため、エッチング後に、加熱された水素を含む雰囲気若しくは水素プラズマを含む雰囲気、または水素プラズマと塩素プラズマを含む雰囲気に晒してコンタクトホール内に堆積した堆積物を除去する技術が開示されている。
(2)特開平11-251294号公報(先行技術2):
この先行技術2には、下地に金属シリサイドがある場合を前提にした低抵抗コンタクトの形成技術が開示されている。この先行技術2によれば、コンタクトホール形成後のレジストマスクをアッシングにより除去する場合、金属シリサイドの酸化を防止するため、窒素系活性種を用いる。
(3)特開平11-145282号公報(先行技術3):
この先行技術3には、スルーホール底面でのAl配線等の腐食を発生させず、スルーホール側壁に付着しているAl等の金属を含む堆積膜を除去する技術が開示されている。この先行技術3によれば、還元性ガスであるBCl3プラズマにてスルーホール内の堆積物を除去した後、HおよびOを含むプラズマにてレジストアッシングを行う。
また、VLSI、ULSI等の半導体装置の製造にはスループットの向上が要求されている。スループットの向上を図るための製造設備として、以下のマルチチャンバー方式の処理システムが知られている。
(4)米国特許第5292393号明細書(先行技術4):
この先行技術4には、エッチ(etch)、成膜(deposition)、スパッタリング(sputtering)そしてRTA(rapid thermal annealing)室から成るマルチチャンバー方式の処理システムが開示されている。
(1) アスペクト比(コンタクトホールの深さ/コンタクトホールの直径)が15以上である。
(2) ボーイングのない形状(bowing-free etched shape)の高選択コンタクトホールエッチングを成す。
(3) コンタクトホール内におけるコンタクト抵抗の低減を図る。
なお、ボーイングについては、2000 Dry Process Symposium、根岸等”High-Aspect-Ratio Contact hole etching in UHF-ECR plasma” pp31-36に開示されている。
このような要求を実現するために、発明者等によりコンタクトホール内におけるコンタクト抵抗の低減を図る技術が検討された。以下にその検討内容を説明する。
コンタクトホール加工はUHF-ECRプラズマエッチング装置の使用により行われた。例えば、真空容器内にCF4、CHF3、C2F6、C3F6O、C4F8、C5F8、C4F6等のフロロカーボンガス、Arに代表される希ガスおよび酸素ガスを導入し、0.5Paから10Paの圧力領域でプラズマを形成し、ウエハに入射するイオンエネルギーを0.5kVから2.5kVまで加速することにより層間絶縁膜の選択的なエッチングを行った。
アスペクト比の高いコンタクトホールを形成する場合、エッチング停止を抑制し、且つスループットに影響を及ぼすエッチング速度を高めることが必要とされる。このため、エッチング開始からエッチング終了までイオンエネルギーを比較的高く一定に保ちエッチングを行った。
また、ウエハ面内でエッチング速度の不均一性がある。これに起因したウエハ面内における一部のコンタクトホールの非開孔を防止することが必要とされる。このため、エッチング時間をコンタクトホール深さに対し120から130%程度とするオーバーエッチングを行った。なお、ウエハ面内でのエッチング速度の不均一性とは、ウエハの中心部と外周部とでエッチング速度に差ができることを言う。
オーバーエッチングは、一部のコンタクトホールにおいて、そのコンタクトホールの底面にある能動領域あるいは配線層の表面は、ちょうど露出したエッチング時間に対し、さらに20%から30%程度の時間、高いイオンエネルギーによるイオン衝撃に晒されることになる。すなわち、その衝撃により能動領域内あるいはその表面にダメージを与えてしまう。この能動領域とは、具体的には、MOS素子として機能する単結晶シリコン基板内に形成されたMOSトランジスタのソース・ドレイン領域を言う。
さらに、フロロカーボンガスの解離により、プラズマ中で生成されたCラジカルやOラジカルが入射イオンにより能動領域内に打ち込まれる。このため、能動領域内にはSiCやSiOxを含有する高抵抗層が数nm深さに形成される。この高抵抗層がコンタクト抵抗を増大させる原因となっていた。コンタクト抵抗の増大は、ULSI等の半導体装置の高速化を阻害する。
この高抵抗層によるコンタクト抵抗の増大を抑えるため、コンタクトホール形成工程の後、フッ素含有量が多いガス、例えば、CF4にArやO2ガスを混合したガス系でプラズマを形成し、500V以下の比較的低いイオンエネルギーで高抵抗層を除去する工程を導入することが考えられた。
しかしながら、ガス中に、多量のC(カーボン元素)やO(酸素元素)を含んでいるため、コンタクトホール内の能動領域表面には高抵抗層が残ってしまう。このため、フッ酸水溶液を含有する溶液を用いたウエット処理工程により、高抵抗層を除去する必要があった。
ウエット処理工程では等方的なエッチングが進行するため、コンタクトホール側壁の絶縁膜も同時に削れてしまう。したがって、設計寸法に対して、仕上がり寸法が広がってしまう新たな問題が発生する。特に、1Gビット以上のDRAM(Dynamic Random Access Memory)の製造プロセスでは、微細化を阻害する要因の一つとなる。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろう。
主面に半導体層または導体層を有する基板に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に、前記半導体層または導体層上に位置して開口を有するマスクを形成する工程と、フロロカーボンガスおよび酸素ガスを含むガスをプラズマ状態に励起した雰囲気内において前記マスクの開口を通して前記絶縁膜を選択的にエッチングし、前記半導体層または導体層の表面が露出する絶縁膜の開口を形成する工程と、還元性ガスをプラズマ状態に励起した雰囲気内において、前記基板に該雰囲気内のイオンを加速させるバイアスを印加し、前記開口内の露出した半導体層または導体層の表面を処理する工程と、前記開口内に半導体または導体を埋め込む工程とから成る。
(実施例1)
本発明の実施に用いるUHF−ECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマエッチング装置の概略図を図1に示す。
まず、エッチング装置の全体構成を簡単に説明する。本実施例では真空容器1の周囲に空心コイル2が設置されている。真空容器1内にはガス流量計13、ガス導入管3そしてガス導入口3a、3bを通して原料ガス(GAS)が導入される。同軸線路4、整合器5を介して電磁波放射アンテナにUHF電源(450MHz)6にて発生した電磁波を供給する。そして、前記空心コイル2により発生した磁場と電磁波との相互作用により真空容器1内にプラズマを発生させる。また、前記電磁波放射アンテナにはRFバイアス電源(13.56MHz)8が設置されており、プロセスにより印加バイアスが変更可能である。
真空容器1内には下部電極9があり、この上に被加工試料である半導体基板(半導体ウエハ)10を設置する。この下部電極9には、高周波バイアス電源(800KHz)11がブロッキングコンデンサ12を介して接続されている。高周波バイアス電源11で発生するピークツピーク(peak to peak)電圧Vppは、およそ0.5kV〜2kVである。このVppによりプラズマ中のイオンを半導体基板に引き込み、イオン衝撃により半導体基板表面に形成された層間絶縁膜(酸化膜)の異方性エッチングを促進させる。
本実施例では原料ガスとして、C5F8とAr等の混合ガスを用いられる。真空容器1内は、真空排気系14と真空容器1との間に設置されたコンダクタンスバルブ15にて5〜40mTorrになるように調整される。
円板状導体板18表面には微小孔が少なくとも10個以上設けられたシリコン円板19が固定されている。シリコン円板19は、プラズマ中で発生した、レジスト、多結晶シリコン等のマスク材料やシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との選択比を低下させる原因となるフッ素ラジカルを、消費できる構造となっている。この円板状導体板18には適当な温度に調整された冷媒を冷媒導入管(図示せず)を介して導入可能である。これにより、シリコン円板19の表面を所望の温度に制御可能となる。
なお、このウエハ保持機構は、クランプ部材により機械的にクランプするメカニカルチャックでも良い。また、この静電チャックには図示しない伝熱ガス供給孔が設けられており、たとえばヘリウムガスを供給することによって、下部電極からウエハへの熱伝導効率を向上させることが可能である。
さらに、下部電極9の周辺部には円環状部材21(以下、フォーカスリングと呼ぶ。)が配置されている。このフォーカスリングは、導体もしくは絶縁体でできており、高周波バイアス電力の印加、表面の温度調整機能を有して、プラズマ中のラジカル分布を均一にする作用を有している。すなわち、フォーカスリングはウエハ中心部と周辺部におけるラジカル分布を均一にする。
下部電極9の静電チャックに印加する高周波バイアス電力をコンデンサ22にて分割し、フォーカスリング21に供給している。この場合、電力の分割比は、ウエハ前面のシース容量と、前述のコンデンサ容量の比率で決定されるので、フォーカスリング21へ印加する高周波バイアス電力を変更するには、コンデンサ22を可変としておくのがよい。また、図示しないインピーダンス整合器を介して高周波バイアス電力を印加しても同様の効果がある。また、上記フォーカスリング21は、下部電極9と同電位の電極外周部にアルミナ等からなる誘電体のリングを介して設置しても良い。この場合、誘電体が前記コンデンサ22に相当し、厚さを変更することで容量を変更でき、フォーカスリング21へ印加する高周波バイアス電力を変更できる。
次に、図1に示したプラズマエッチング装置を用いた半導体装置の製造過程を図2(a)(b)を参照し説明する。
被加工試料として単結晶シリコンより成る半導体基板(シリコンウエハ:直径8インチ)がエッチング装置の真空処理室内に搬送される。図2(a)は層間絶縁膜に開口部(コンタクトホール)を形成する段階におけるシリコンウエハ主面上の要部断面図を示す。
図2(a)において、半導体基板23内には、深さが70nmもしくはそれ以下のソース・ドレイン領域23a、23bが形成されている。半導体基板23の主面上には、例えば厚さ2nmのゲート酸化膜24が形成されている。そのゲート酸化膜24上に多結晶シリコンとタングステンとが積層形成された厚さ200nm幅100nmのゲート電極25が形成されている。そして、ゲート電極25の上面にはキャップ層26aが、ゲート電極25の両側面には側壁層26bがそれぞれ形成されている。このキャップ層26a、側壁層26bはそれぞれシリコン窒化膜より成る。これにより、露光時にマスク合せがずれた場合でも、シリコン窒化膜に対する酸化膜(層間絶縁膜)の選択比が高いエッチング条件を選択することにより、ゲート電極の露出を回避している。このため、そのゲート電極と酸化膜のスルーホール内に埋め込まれる導体層との間の電気的ショートを避けることができる。ゲート電極24上には層間絶縁膜として厚さ2000nmの酸化膜(SiO2)27が形成されている。さらに、酸化膜27の上部には厚さ80nmの反射防止膜28および厚さ500nmのレジストマスク29が形成されている。レジストマスク29には直径120nmのホールパターンが露光現像されている。そして、反射防止膜28は、図1に示したエッチング装置の真空容器1内でたとえばN2とCF4混合ガスにより、すでにレジストマスク29のホールパターンに対応して選択エッチングされている。
図1に示したエッチング装置の真空容器1内に、たとえば、Arを500ml/min、C5F8を15ml/min、O2を18ml/min導入する。また、真空容器1内の圧力が15mTorrとなる様にコンダクタンスバルブで調整する。450MHzの高周波電力400Wによりプラズマを生成し、そして下部電極9に800kHzの高周波電力を2000W(2.83W/cm2)印加し、酸化膜27をエッチングする。この場合、イオンエネルギーの目安であるVppは約1.8kVである。また、ウエハ表面からウエハ対向面であるアンテナ表面までの距離が30mmとなるように下部電極9の高さを調整し、アンテナには13.56MHzの高周波電力を600W印加する。
このような処理条件では、直径120nmのホールエッチング速度が約700nm/minであるため、約170秒(S1)でスルーホールがソース・ドレイン領域(能動領域)まで到達し、その能動領域表面を露出することになる。しかしながら、ウエハ面におけるエッチング速度の差を考慮し、ウエハ全面におけるすべてのスルーホールの開口を確実なものとするため、図5(a)に示すようにエッチング時間を190秒(S2)とした。この時の断面形状を図2(b)に示す。そして、図3(a)〜図3(d)はその断面形状を詳しく図示した断面図である。なお、図3(a)〜図3(d)においては、図2に示したゲート酸化膜、ゲート電極および側壁層は省略した。
ウエハ面内の位置によっては、下地の能動領域まで到達してから、エッチングが終了するまでの時間である約20秒(S2−S1)の間、約1.8kVの高いイオンエネルギーで、能動領域(ソース・ドレイン領域)が衝撃されることになる。
このため、図3(a)に示すように、能動領域には結晶欠陥が生じているダメージ層30が約50nmの厚さで形成される。また、能動領域の表面(ダメージ層30の上部)にはSiC、SiOxを含有する高抵抗層31が数nm形成される。さらに、ホール内面にはフロロカーボン膜32が堆積する。前記高抵抗層31は、以下のメカニズムにより形成されると考えられる。
プラズマ中のCラジカル、Oラジカルがエネルギーをもったイオンによって能動領域(単結晶シリコン)中に叩き込まれる、もしくは、炭素(C)や酸素(O)自体がC+やO+のようにイオンとなって、それらが能動領域中に叩き込まれる。そして、炭素(C)や酸素(O)とシリコンとが結合することにより高抵抗層31が形成される。
図5(b)に示すように、コンタクトホールエッチング開始時(1st stage)では下部電極9に印加する800kHzの高周波電力を2000W(2.83W/cm2)とした。そして、エッチングが150秒進行した後(2nd stage)に、850W(1.20W/cm2)に切替える。この条件でエッチングを行うとエッチング開始時から150秒までは、イオンエネルギーの目安であるVppは約1.8kVであるが、150秒後からは約1.0kVまで低減する。高周波電力850Wによるスルーホールのエッチング速度は約400nmに低減する。オーバーエッチング量を一定にするため、トータルエッチング時間を220秒と設定する。これにより、下地シリコン表面が露出してから約30秒間はVpp=約1.0kVである比較的低イオンエネルギーで能動領域のシリコン表面を衝撃することとなる。
したがって、図3(a)に比べて図4(a)に示すようにダメージ層30(深さ
)が低減される。また、図4(a)に示すようにダメージ層30の上部に形成されている高抵抗層31も打ち込まれるCやOの量が減少するために低減できる。
なお、図4(a)〜図4(d)においても、図2に示したゲート酸化膜、ゲート電極および側壁層は省略した。
図5(b)で示すエッチングの初期段階(1st stage)での下部電極に印加する800kHzの高周波電力は、1000W(1.42W/cm2)から3000W(4.25W/cm2)の範囲とし、切替え時(2nd stage)に、それを1/2以下に低減しても同様の効果が得られる。
さらに、ダメージ層の低減のために、アスペクト比との関係でイオンエネルギー制御が考慮される。
図6はエッチングが進行している状態での正味の側壁堆積量とアスペクト比の関係を求めた概念図である。堆積性ラジカルであるC、CF2からFやOによる堆積膜のエッチング量を差し引いた値である。ホール上部ではCに比べFやOのラジカル量が多いため堆積量は少ないが、アスペクト比3から4付近でピークを持つ。さらにアスペクト比が高くなると堆積量は減少し、再度アスペクト比7から8程度で再度増加する。
そこで、入射イオンエネルギーをステップ制御(図5(b) )、すなわち下部電極に印加する高周波電力をステップ状(デジタル)に印加する代わりに、エッチング開始はイオンエネルギーを低く抑え、エッチングの進行とともにイオンエネルギーを増加させる。そして、アスペクト比3から4付近で最大とした後、再度低下させる連続制御、すなわちVppをリニア制御することで、マスク選択比の向上とダメージ層の低減をより効果的に実現可能となる。
したがって、ホールエッチングの進行状況を、たとえば光学干渉計を用いてリアルタイムに観測し、ある最適なアスペクト比まで到達した後、イオンエネルギーを低減する。これにより、エッチング装置の状態が多少変化してもエッチング停止の問題なく、安定したエッチング結果が得られる。ここで、エッチング装置の状態とは、真空容器内の堆積膜の厚さ、長時間使用後の状態、装置間の微妙な差を言う。
また、酸化膜エッチングの場合、図7に示すように、エッチング停止に寄与するラジカル種の一つであるC2(516nm付近)と、堆積膜を除去するラジカル種の一つであるO(777nm付近)との比(C2/O)がエッチング停止するアスペクト比と良い相関にある。したがって、光学干渉計でエッチング深さを直接計測する代わりに、このC2/O比をモニターし、イオンエネルギー、すなわちVppを制御する。これにより、エッチング装置の状態が多少変化してもエッチング停止の問題なく、安定したエッチング結果が得られる。
まず、図3(b)に示したように、ホールエッチング後にAr、CF4、O2混合ガスにてプラズマを形成し、Vppが500V以下の低バイアス条件で高抵抗層除去が行なわれた。この結果、数nmあった高抵抗層は除去されたが、ガス中にCやOの元素を含有するため、若干ではあるが高抵抗層は残存してしまうことが明らかとなった。
そこで、本実施例では、図4(b)に示すように、まずO2ガスを主体とするアッシング工程により、レジストマスク、反射防止膜、フロロカーボン膜を除去する。
その後、図4(c)に示すようにAr、H2の混合ガスプラズマに晒し、Vppが500V以下の低バイアス条件で処理を行う。例えば、Arを100ml/min、H2を200ml/minでガス圧力を4Paとし、450MHzの高周波電力800Wにてプラズマを発生させ、下部電極に800kHz高周波電力を10〜300W(0.014〜0.42W/cm2)印加する。この場合、ウエハ表面からウエハ対向面であるアンテナ表面までの距離は90mmであり、アンテナには13.56MHzの高周波電力を100W印加する。特に、800kHz高周波電力を200W印加してVppが約350Vの場合、水素ラジカルの還元作用によるC、Oの引き抜き、もしくは高抵抗層自体のエッチングにより、高抵抗層は効率的に除去される。
ArとH2の混合ガスの代わりに、例えばNH3、H2、N2H4の少なくとも1種類か、もしくはNH3、H2、N2H4の少なくとも1種類と、Ar、He、Xe、Ne、Krの少なくとも1種類の混合ガスでも良く、特に、NH3の混合比が10〜80%とすることで、高抵抗層中に含有されるCがCNやCHの揮発性ガスとして効率的に脱離、除去される。
また、本実施例ではガス圧力を4Paとしたが、0.3〜300Paの圧力範囲でも同様の効果が得られる。これらのガス中には、CやOが含まれていないため、再度コンタクトホール底にSiCやSiOxを含有する高抵抗層を形成することなく、効率的な洗浄が可能である。
図3に戻って、図3(b)に示す残存する高抵抗層31を完全に除去するために、O2ガス主体のアッシング工程の後、たとえばHF水溶液に代表されるウエット洗浄が考えられる。この場合、図3(c)に示すように等方的なエッチングが進行しパターンが設計寸法よりも太る傾向にあった。また、プラズマガス中に多量のFを含有しているため、下地シリコン(30)を削ってしまう。そして、コンタクトホール形成後に多結晶シリコンのプラグ33を埋め込んだ場合、パターン寸法の太りのために、図3(d)に示すようにプラグに隙間34が入り、埋め込み異常が生じる。
本実施例では、上述のエッチング方法により高抵抗層除去工程(図4(c)参照)で完全に高抵抗層が除去できる。このため、アッシング工程後の前記ウエット洗浄への負担が軽減され、等方的なエッチングが抑制できる。このため、スルーホール径の広がりを抑制し、半導体装置の微細化に貢献できる。
また、本実施例では、プラズマガス中に多量のFを含有していないために、図3(c)に示すような下地シリコンを削ってしまうことが解消できる。
さらに、図3(d)、図4(d)にそれぞれ対比したように、多結晶シリコンのプラグ33の形状に差が見られた。すなわち、ウエット洗浄を導入したコンタクトホールに多結晶シリコンのプラグ33を埋め込んだ場合、パターン寸法の太りのために、図3(d)に示すように、プラグに隙間34が入り、埋め込み異常が生じる場合があった。一方、本実施例ではパターン寸法の太りが解消され、図4(d)に示すように正常な埋め込みが行われた。但し、この場合、Hを含むガスを用いるため、Hがシリコン基板中へ深く進入するが、適温のアニール処理を施すことにより回復できる。従って、高抵抗層除去工程後にアニール処理工程を入れれば半導体装置の性能として問題はない。また、高抵抗層除去工程後にアニール処理工程が含まれていれば、あえて別途アニール工程を入れる必要が無く、工程数を増加させずに高抵抗層除去を行うことが可能である。
本実施例は図1のUHF−ECRエッチング装置に限らず、ICP、μ波−ECR、2周波励起平行平板型の各種エッチング装置でも同様な効果が期待できる。
(実施例2)
実施例1のコンタクトホールエッチング工程におけるイオンエネルギー制御代わりに、プラズマ中のラジカル量を制御する実施例を以下に説明する。
先に述べたように、エッチング停止はホール底面に堆積するフロロカーボン膜厚とイオンエネルギーの関係で決定される。ArとC5F8ガスを用いた酸化膜エッチングの場合、プラズマ中での解離により、CF2、F、OおよびCが主に生じる(これら原子や分子の名称にラジカルを付す場合もある)。これ以外にも、CF3、CF、C2F4、C3F7等が生じるがコンタクトホールエッチング工程で大きな影響を与えないため、ここでは省略する。
CF2、F、OおよびCそれぞれのホール側面における側壁付着係数Sの関係は、次式で表される。
SC>SF=SO>SCF2 … 式
便宜上、FやOについても付着係数で表したが、この付着係数は堆積膜のエッチング確率と対応する。上記付着係数の関係を用い、Ar、C5F8、O2混合ガスプロセスにおける各ラジカルの側壁付着量のホールアスペクト比依存性を求めた概念図を図8に示す。
図8において、曲線35はC(カーボン)の側壁堆積量を示す。Cは付着係数が高いため、ホール上部で堆積が多くマスクに対する保護膜となり得るが、アスペクト比が高くなるに従い急激に堆積量が低下する。一方、CF2は曲線36に示すように、付着係数が小さいためにアスペクト比が高くなってもほとんど減少しない。これらに対し、F(フッ素)およびO(酸素)は付着係数がCとCF2の中間であるため、曲線37に示すように、アスペクト比が高いホールの場合底面への到達量は減少する。
図6に示した側壁堆積量とアスペクト比の関係に基づき、アスペクト比3から4程度まで、エッチング停止が発生しない十分なO2流量を導入すれば、それ以降ではO2流量を低減してもエッチング停止は発生しない。図9は本実施例のO2流量の制御方法である。エッチング開始時にO2流量を18ml/minとし、50秒後、エッチング深さが600nm(アスペクト比5)に到達した段階で1ml/minに変更する。この制御により、エッチング開始から終了まで一定のO2流量を導入するプロセスに比べ、下地シリコン層(領域)が露出した段階において、ホール底部の堆積膜厚を厚く保てる。従って、イオンエネルギーの衝撃を緩和することが可能であり、ダメージ層の厚さを低減できる。
ここでは図示しないが、本実施例ではステップで切替える代わりに、連続的にO2流量を制御することも含む。また、前記実施例1で説明したイオンエネルギー制御と前記O2流量制御を組合わせても効果が期待できる。
さらに、アンテナに印加する13.56MHzの電力をエッチングの進行と伴に調節し、アンテナ表面で消費されるFラジカルの量を制御しても、同様の効果がある。
そしてさらに、前記実施例1と同様に、エッチング深さを計測手段により測定し、その結果を反映させてO2流量を制御してもよい。
(実施例3)
実施例1で説明した本発明の高抵抗除去層工程をセルフアラインコンタクトホール加工に適用した場合について図10を参照し説明する。
まず、図10(a)に示したように、半導体基板(シリコンウエハ)23上には厚さ2nmのゲート酸化膜24、その上の一部に多結晶シリコンとタングステンで形成された厚さ200nm幅100nmのゲート電極25が形成されている。
ゲート電極外周部にはシリコン窒化膜から成るキャップ層26が形成されている。その上部には厚さ500nmの酸化膜27、厚さ80nmの反射防止膜28、直径200nmのホールパターンが形成されている厚さ500nmのレジストマスク29が形成されており、反射防止膜はN2とCF4混合ガスによりすでにエッチングされている。なお、図示していないが、半導体基板23内にはソース・ドレイン領域が形成されている。
続いて、図10(b)に示すように、酸化膜27をエッチングする。シリコンウエハ23は図1に示したエッチング装置のチャック部20上に置かれる。そして、たとえば、Arを1000ml/min、C5F8を15ml/min、O2を21ml/min導入し、圧力が15mTorrとなる様にコンダクタンスバルブで調整する。450MHzの高周波電力400Wによりプラズマを生成し、下部電極に800kHzの高周波電力を1300W(1.84W/cm2)印加することで、酸化膜27はプラズマエッチングされる。この場合のイオンエネルギーの目安であるVppは約1.3kVである。また、ウエハ表面からウエハ対向面であるアンテナ表面までの距離が50mmとなるように下部電極の高さを調整し、アンテナには13.56MHzの高周波電力を200W印加する。この処理条件はシリコン窒化膜に対する酸化膜の選択比が肩部でも約30程度と高く、図10(b)に示すように、下地のシリコン窒化膜を十分に残しエッチングが終了する。
次に、図10(c)に示すように、下地のシリコン窒化膜26をエッチングする。エッチング条件は、たとえば、Arを200ml/min、CHF3を30ml/min、O2を20ml/min導入し、圧力を30mTorrとする。ウエハ表面からウエハ対向面であるアンテナ表面までの距離が90mmとなるように下部電極の高さを調整し、450MHzの高周波電力を400W、アンテナには13.56MHzの高周波電力を200W、下部電極に800kHzの高周波電力を400W(0.57W/cm2)印加することで、プラズマを形成し、シリコン窒化膜をエッチングする。この場合、酸化膜に対するシリコン窒化膜26bの選択比が高く、ゲート酸化膜24が残るため、再度、図10(b)の時と同様な酸化膜エッチング条件に切替えてゲート酸化膜をエッチングする。この条件はシリコンとの選択比が高く、半導体基板23内に形成されたソース・ドレイン領域(能動領域)をエッチングしてしまうことはない。なお、ゲート酸化膜24が非常に薄い場合、もしくは既に存在しない場合は、前記ゲート酸化膜エッチング工程は導入する必要がない場合がある。
続いて、実施例1で説明した高抵抗層除去工程を導入する。実施例1の酸化膜エッチング条件に比べ、本実施例の窒化膜エッチング条件もしくはゲート酸化膜エッチング条件ではイオンエネルギーが小さいために、エッチングにより下地シリコン基板に導入されるダメージ層、高抵抗層である酸化抑制層は薄く、高抵抗層除去工程によりコンタクト抵抗は十分に低く抑えることが可能である。
(実施例4)
浅溝素子分離であるSTI(Shallow Trench Isolation)付近にコンタクトホールを形成する場合について図11および図15を参照し説明する。
まず、図15に示すように、リソグラフィーのマスクずれによりSTI49上にコンタクトホールがかかってしまう場合、酸化膜27およびゲート酸化膜24のオーバーエッチング時にSTI49を突き抜けてエッチングが進行する。従って、ソース・ドレイン領域(能動領域)50を突き抜けて下地シリコン23を露出させることがある。このため、コンタクトホール内に埋め込まれた導体層(金属もしくは多結晶シリコン)により、ソース・ドレイン領域50と下地シリコン23とのPN接合をショートさせてしまう。このため、電流リークが発生して、メモリー(DRAM)等の場合にはリフレッシュ不良につながる。
これを防ぐために、図11に示すように、ゲート酸化膜24上に酸化膜に対して選択比が確保できるストッパー膜としてシリコン窒化膜26を形成する。そして、前記実施例3に記載のプロセスに従えば、STI49を突き抜けるようなエッチングが回避できる。したがって、電流リークの問題は解消される。
(実施例5)
イオンエネルギー制御およびラジカル量制御によるコンタクトホールエッチング工程の適用例を図12を参照し、以下に説明する。
図12は半導体装置の製造過程の断面図、特にバイレベルサンプル(深さの異なるコンタクトホールを一括エッチングするサンプル)を示す。なお、図12において、シリコンウエハ38内のソース・ドレイン領域(能動領域)は省略されている。
図12に示すように、シリコンウエハ38上には厚さ2nmのゲート酸化膜39、その上の一部に多結晶シリコンとタングステンで形成された厚さ200nm幅100nmのゲート電極40が形成されている。ゲート電極外周部にはシリコン窒化膜より成るキャップ層41aおよびサイドウオール41bが形成されている。
ゲート電極40とゲート酸化膜39上には厚さ500nmの酸化膜43が形成されている。そして、酸化膜43にはセルフアラインコンタクト(SAC)技術によりコンタクトホールが形成されている。すなわち、シリコン窒化膜(41b)に対する酸化膜43の選択比が高い条件でエッチングすることによりコンタクトホールが形成される。そして、そのコンタクトホール内には多結晶シリコンから成るプラグ42が形成されている。
プラグ42が形成された酸化膜43の上部には、厚さ200nmの酸化膜44、厚さ80nmの反射防止膜45、直径200nmのホールパターンが露光現像された厚さ500nmのレジストマスク46が形成されている。反射防止膜はN2とCF4混合ガスによりすでにエッチングされている。この場合、コンタクトホール(スルーホール)47は多結晶シリコンから成るプラグ42にコンタクトを取るためのものでエッチング深さは200nmであるのに対し、コンタクトホール48は下地シリコン基板とコンタクトを取るためのものであり、エッチング深さは700nmである。
このようなエッチング深さが異なるホールを一括でエッチングを行う場合、いままでイオンエネルギー、O2流量を一定でエッチングしていた。このため、深いコンタクトホールがエッチング終了するまでに、浅いコンタクトホールの下地膜である多結晶シリコン等が削れてしまい、選択比が低減するという問題があった。
本実施例によれば、バイレベルサンプルのエッチングを実行するために、エッチング深さの進展と伴に、図5(a)に示したようにイオンエネルギーを低減する制御および図9に示したようにO2流量を低減する制御を行う。
したがって、本実施例によれば、深いコンタクトホール48での下地膜選択比向上とダメージ低減だけでなく、浅いコンタクトホール47でも下地膜選択比の向上およびダメージ低減が実現できる。
また、このサンプルに対しても、前記実施例1で説明した還元性ガスを用いた高抵抗層除去工程を導入することで、効率的な高抵抗層除去およびウエット洗浄処理工程が不要もしくはその負担が軽減できるプロセスを構築できる。
(実施例6)
コンタクトホールエッチング工程、アッシング工程、高抵抗層除去工程に要する半導体処理装置をモジュール化した実施例を以下に説明する。
図13は本実施例のマルチチャンバー方式の半導体処理システムを示す。この半導体処理システムは、ロードロック室51、ウエハ搬送ロボット(搬送室)52、エッチング室53、アッシング室54、高抵抗層除去室55およびアンロードロック室56で構成されている。図から明らかなように、エッチング室53、アッシング室54および高抵抗層除去室55は、ウエハ搬送ロボット52を中心とし、その周囲に配置されている。
このような半導体処理システムを用いたコンタクトホールエッチングプロセスを以下に説明する。
図13に示すように、ロードロック室51から投入されたウエハWはウエハ搬送ロボット52にてエッチング室53に導入される。エッチング室53内でウエハは前記実施例1もしくは前記実施例2で説明したコンタクトホールエッチングプロセスにより処理される。
続いて、ウエハはアッシング室54に導入される。ここで、レジストマスク、ホール内に堆積しているフロロカーボン膜を除去する。
続いて、ウエハは高抵抗層除去室55に導入される。そして、実施例1で説明した方法にてコンタクトホール底部の高抵抗層を除去する。
アンロードロック室56からウエハを取り出す。本実施例では、エッチング、アッシング、高抵抗層除去という順番で処理を行うこととなっているが、アッシング室と高抵抗層除去室を入れ替えること、もしくは、ウエハの搬送順番を変更することにより、エッチング、高抵抗層除去、アッシングという順番で処理を行うことも可能である。
(実施例7)
本実施例は前記実施例5にドライ洗浄室をさらに備えたマルチチャンバー方式の半導体処理システムを提供する。
図14に示すように、高抵抗層除去室55の後段にドライ洗浄室57を配置させている。このドライ洗浄室57内でのウエハに対するドライ洗浄方法は、一例として本願出願人により出願された特願2001−007158号(2001年1月16日出願)明細書に開示の技術が採用される。すなわち、ドライ洗浄室57内を減圧状態に保ち、ウエハ主面に付着している異物をその主面に高速ガス流を与えて除去する。この時、Arガスのような不活性ガスが使用される。
本実施例によれば、ドライ一貫プロセスで、ホールエッチングから洗浄まで行うことが可能となり、スループットを向上することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を上記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
(1)本発明の実施態様の一つは、真空排気手段により真空排気される真空容器と真空容器に原料ガスを導入するためのガス導入手段と被加工試料設置手段と高周波電力導入手段とを有する半導体処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記被加工試料設置手段に主面に絶縁膜を有する半導体基板を配置する工程と、ガス導入手段により真空容器内に導入されたガスを高周波電力でプラズマ化し、プラズマにより前記絶縁膜を選択的にエッチングし、前記絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、しかる後、
前記半導体基板に高周波バイアスを印加させ、前記コンタクトホールが形成された半導体基板を還元性ガスを用いて洗浄もしくは加工する工程を含む。
(2)本発明の実施態様の一つは、真空排気手段により真空排気される真空容器と真空容器に原料ガスを導入するためのガス導入手段と被加工試料設置手段と高周波電力導入手段とを有する半導体処理装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
前記被加工試料設置手段に主面に絶縁膜を有する半導体基板を配置する工程と、ガス導入手段により真空容器内に導入されたガスを高周波電力でプラズマ化し、プラズマにより前記絶縁膜を選択的にエッチングし、そのエッチングの過程でイオンのエネルギーを低減させる前記絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程とを含む。
イオンのエネルギーを低減は、エッチング時にコンタクトホール底部に存在している絶縁膜の膜厚がイオンのエネルギーのトータル進入距離(初期の絶縁膜厚さ)に対し1/3より薄くなったところで実行される。
上記実施態様によれば、コンタクトホール底部に存在している絶縁膜の膜厚がイオンのエネルギーの進入距離に対し1/3より薄くなったところでイオンのエネルギーを低減してもエッチング停止は発生せず、能動領域表面のダメージを低減できると同時にイオンのエネルギーに律速されるマスク肩部の選択比を向上することが可能となる。
(3)本発明の実施態様の一つは、上記(2)において、絶縁膜のエッチング深さが600nm以上のところでイオンのエネルギーを低減させる。
上記実施態様によれば、エッチング深さが600nmよりも深くなったところでは、ホール底部に堆積する堆積膜厚がイオンのエネルギーが進入する深さに比べ十分薄くなるため、イオンのエネルギーを低減してもエッチング停止は発生せず、下地ダメージを低減できると同時にイオンのエネルギーに律速されるマスク肩部の選択比を向上することが可能となる。
(4)本発明の実施態様の一つは、上記(1)において、絶縁膜を選択的にエッチングする工程、続いて、酸素を主体とするガスによるアッシング工程、そして還元性ガスを用いて前記絶縁膜を洗浄もしくは加工する工程を含む。
(5)本発明の実施態様の一つは、上記(1)において、選択的なエッチングにより前記絶縁膜にスルーホールを形成する期間に、前記基板に印加する高周波バイアス電力を処理時間の進行と伴に変化させることにより、前記絶縁膜に入射するイオンエネルギーを調節することを特徴としている。
(6)本発明の実施態様の一つは、上記(1)において、選択的なエッチングにより絶縁膜をエッチングする際に処理時間の進行と伴にプラズマ中のラジカル量を調節する。
(7)本発明の実施態様の一つは、上記(1)において、高周波電力導入手段として電極もしくはアンテナを有し、前記電極もしくはアンテナに第2の高周波を印加する手段を有し、選択的なエッチングにより被加工試料をエッチングする際に、第2の高周波バイアス電力を処理時間と伴に変化させることによりプラズマ中のラジカル量を調節する。
(8)本発明の実施態様の一つは、上記(1)において、プラズマを生成する高周波の周波数が10MHzから900MHzで、電極もしくはアンテナを用いて導入する。
上記実施態様によれば、プラズマを生成する高周波電力の周波数を10MHzから900MHzとすることで、プラズマ中の電子温度を低減しプラズマ中で解離生成されるラジカル量、例えばOやFの量を抑制することが可能となり、ラジカル量の制御範囲が拡大できる。
同軸線路、5…整合器、6…450MHz電源、8…13.56MHz電源、9
…下部電極、10…被加工試料、11…高周波バイアス電源、12…ブロッキン
グコンデンサ、13…ガス流量計、14…真空排気系、15…コンダクタンスバ
ルブ、16…アース電位導体板、17…誘電体、18…円板状導体板、19…シ
リコン円板、20…チャック部、21…フォーカスリング、22…コンデンサ、
23…シリコンウエハ、24…ゲート酸化膜、25…ゲート電極、26…キャッ
プ層、27…酸化膜、28…反射防止膜、29…レジストマスク、30…ダメー
ジ層、31…高抵抗層、32…フロロカーボン膜、33. 多結晶シリコン、34
…隙間、35…曲線、36…曲線、37…曲線、38…シリコンウエハ、39…
ゲート酸化膜、40…ゲート電極、41…キャップ層、42…プラグ、43…酸
化膜、44…酸化膜、45…反射防止膜、46…レジストマスク、47. コンタ
クトホール、48. コンタクトホール、49. STI(浅溝素子分離)、50…
能動領域、51…ロードロック室、52…ウエハ搬送ロボット、53…エッチン
グ室、54…アッシング室、55…高抵抗層除去室、56…アンロードロック室
、57…ドライ洗浄室。
Claims (10)
- 半導体基板主面上設けられた絶縁膜に対して、所定のエッチングガスをプラズマ化し、当該プラズマによりコンタクトホールを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記エッチングガスとしてC5F8を含むエッチングガスを用いて、前記プラズマのエネルギーを第1のエネルギーに設定し、該第1のエネルギーのプラズマを用いたドライエッチングにより前記絶縁膜にコンタクトホールを形成し、
前記ドライエッチングの進行と共に該コンタクトホールの底に形成される堆積膜の膜厚が所定の厚みになった時点で、前記堆積膜の堆積膜厚に対してもエッチングが進行しかつ前記第1のエネルギーよりも低い第2のエネルギーに前記プラズマのエネルギーを設定し、
該第2のエネルギーのプラズマでエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
前記基板に印加するバイアス電力を変えることにより、前記プラズマのエネルギーを第1のエネルギーから第2のエネルギーに低減することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板主面上設けられた絶縁膜に対して、C5F8と酸素を含む混合ガスをエッチングガスとして用い、当該混合ガスををプラズマ化し、該プラズマによりコンタクトホールを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記混合ガス中の酸素流量を第1の流量に設定し、該第1の酸素流量の混合ガスを用いたドライエッチングにより前記絶縁膜にコンタクトホールを形成し、
前記ドライエッチングの進行と共に該コンタクトホールの底に形成される堆積膜の膜厚が所定の厚みになった時点で、前記混合ガス中の酸素流量のみを前記第1の流量よりも低い第2の流量に設定し、該第2の酸素流量の混合ガスを用いてプラズマエッチングを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項3に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の酸素流量の混合ガスによるエッチングと、前記第2の酸素流量の混合ガスによるエッチングで、プラズマ中のラジカル量を変えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記堆積膜の膜厚がイオンの進入距離に対し1/3より薄くなったところで、前記プラズマのエネルギーまたは前記酸素流量の切換を実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記コンタクトホールのアスペクト比が5に到達した段階で、前記プラズマのエネルギーまたは前記酸素流量の切換を実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2のエネルギーのプラズマによるエッチングないし前記第2の酸素流量の混合ガスを用いたプラズマエッチングの後に、還元性ガスを用いて前記コンタクトホール内を洗浄することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
前記還元性ガスとして、NH3、H2、N2H4からなる群に含まれるいずれか1つのガス、もしくは、前記NH3、H2、N2H4からなる群に含まれる少なくとも1つのガスと、Ar、He、Xe、Ne、Krからなる群に含まれる少なくとも1つのガスとの混合ガスを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
前記還元性ガスとして、NH3を含む混合ガスを用い、かつ当該のNH3混合比を10から80%にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項7から9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記コンタクトホールの形成工程と、前記還元性ガスによるコンタクトホールの洗浄工程との間に、前記コンタクトホールのパターン形成のためのレジストを除去するアッシング工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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