JP2531173B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えばLSIにおいて形成される多層配線
構造の上層の配線層と下層の配線層との間を接続するヴ
ィアホール、あるいは半導体基板に形成される回路素子
の電極部を取り出すコンタクトホールのような開口を形
成する手段を改良した半導体装置の製造方法に関する。

［従来の技術］ 例えば、超LSIデパイスにおいて用いられる多層配線
構造にあっては、複数の金属配線層が層間絶縁層をそれ
ぞれ介して積層されるようになっているものであり、そ
の各配線層の相互間は適宜電気的に接続されるようにな
っている。この積層設定されるようになる金属配線層を
接続する手段としては、その配線層の相互間に設定され
る層間絶縁層に、上層配線層と下層配線層とを結ぶヴィ
アホールを形成し、このヴィアホール内に配線材料を充
填して、上下配線層の相互間が電気的に接続されるよう
にしている。

この場合、上記ヴィアホールの部分で、特に上層の配
線層の括れが生ずるようになるものであり、この括れ部
分で上層配線層に断線等の事故が発生するおそれがあ
る。このような断線を防止するためには、上記ヴィアホ
ールの部分で、上層配線層に急激な段差が形成されるよ
うな括れが生じないようにすればよいものであり、この
ためにヴィアホールの側面に適当な傾斜を形成するよう
に、ヴィアホールを上層配線層方向に向けて開くように
したテーパ状の形状とすればよい。

このようなテーパ状の開口を形成するような手段とし
ては、アルミニウムのテーパエッチングについては知ら
れているものであるが、アルミニウムは化学反応のみに
よってエッチングが進行するのに対して、窒化膜あるい
は酸化膜等の絶縁膜は、そのエッチングのためにイオン
による衝撃が必要となる。したがって、上記アルミニウ
ムに対するテーパエッチングの技術を層間絶縁層のエッ
チングに適用することはできない。

層間絶縁層のような絶縁層に、テーパ状の開口するヴ
ィアホールを形成するためには、例えばウェットエッチ
ングによる加工手段が用いられる。しかし、このような
方法でヴィアホールを形成したのでは、この形成された
ヴィアホールの上部開口部分の径が広がるような形状と
なり、集積化を向上させるために微細化することが困難
である。したがって、例えば設計基準で２μｍに微細化
するような場合にあっては、ドライエッチング技術によ
って、層間絶縁層にヴィアホールを形成させるようにし
なければならない。

ドライエッチングとしては、例えば反応成イオンエッ
チングが用いられるものであり、ヴィアホールの傾斜部
分の加工には、レジストの後退を利用する方法がある。
しかし、この方法では層間絶縁層の形状、例えば段差の
存在や膜厚の相違によって、ヴィアホールの径や角度に
相違がでるものであり、均一な径で且つ均一な傾斜角の
設定されるヴィアホールを形成することが困難となる。

また、特開昭59−181030号公報に示されるように、反
応性イオンエッチング装置を用いて、異方性エッチング
によってヴィアホールの開口部に傾斜角を形成させるよ
うにする加工手段が考えられている。この場合反応ガス
としては、「CF₄＋水素」の混合ガス、あるいは「C₃F₆
＋水素」の混合ガスを使用するようにした例が示されて
いるものであるが、この場合のエッチング時間は30分以
上必要となる。しかも、このような長時間のエッチング
を行っても、テーパ部分の形状は不十分であった。さら
に水素との混合ガスを反応ガスとして使用するものであ
るため、その含有水素量の状態によって、面内分布さら
にエッチング速度が影響されるようになり、また安全性
の面で問題を有するものである。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、例
えば層間絶縁層の形状、さらに膜厚に関係することな
く、一様な状態で適正な傾斜角度が設定されたヴィアホ
ール等の開口を上記絶縁層に形成することができ、例え
ば超LSIの多層配線構造の部分の加工が非常に容易に且
つ信頼性の得られる状態で行ない得るようにする半導体
装置の製造方法を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る半導体装置の製造方法にあ
っては、半導体基板上に形成された層間絶縁膜等の絶縁
層上に、レジストパターンを形成し、上記絶縁層に上記
パターンに対応して垂直の開口を形成すると共に、この
開口部の周部に磁場を設定することによりマグネトロン
放電を起こす反応性イオンエッチング装置によってエッ
チングするものであり、この場合マグネトロン放電によ
ってポリマーが生成されるようにし、このポリマーの堆
積速度とこのポリマーのエッチング速度との比ｒ、およ
び上記ポリマーのエッチング速度と絶縁層のエッチング
速度との比Ｒが、それぞれ“ｒ＜１“および“Ｒ＞1"と
されるようにエッチング条件を設定させるようにするも
のである。

［作用］ 上記のように半導体装置の製造方法にあっては、例え
ば回路素子の形成された半導体基板の上に下層の金属配
線層が形成され、この金属配線層部分を含む半導体基板
上に層間絶縁層が形成されるようになるものであり、こ
の層間絶縁層に上記配線層部分に対応して垂直状態の開
口が形成される。そして、この層間絶縁層の開口部分が
マグネトロン装置によって磁場の設定された反応性イオ
ンエッチング装置によってエッチングされるようにな
る。この反応性イオンエッチング装置にあっては、上記
磁場の効果によってマグネトロン放電を起こすようにな
るものであり、プラズマ密度の極めて大きい雰囲気とさ
れ、マグネトロン放電による反応活性種の増大によっ
て、エッチング速度が効果的に向上されるようになる。
また、例えば反応性ガスとしてC₂F₆を用いるようにした
場合、プラズマ中にCF₂等の不飽和フッ素化炭素が容易
に生成されるようになり、エッチングされる絶縁層の表
面にポリマーが効果的に堆積されるようになる。このポ
リマーの量はエッチング−堆積の競争反応バランスによ
って決定され、エッチング条件の設定によってエッチン
グ形状が制御されるようになり、上記絶縁層に形成され
た開口部分に適正なテーパが効率的に形成されるように
なるものである。

［発明の実施例］ 以下、この発明の実施例につき説明する。この実施例
では超LSIデバイスにおいて、多層配線を行う場合につ
いて説明するもので、まず第１図の（Ａ）で示すように
回路素子が形成されるようになったシリコン等の半導体
基板11の表面上には酸化膜等による絶縁膜12が形成さ
れ、この絶縁膜12上にアルミニウム等の金属配線層13が
形成されるようになる。そして、この配線層13部分を含
むようにして、半導体基板11の全面に、例えばプラズマ
CVD法によって形成された窒化膜等による層間絶縁層14
が形成される。そして、この層間絶縁層14上には、上記
金属配線層13の位置に対応して開口を形成したレジスト
パターン15を形成するものである。

このようにしてレジストパターン15が形成されたなら
ば、反応性イオンエッチングによる第１のエッチング工
程によって、第１図の（Ｂ）で示すように層間絶縁層14
に、垂直の側面を有する開口16を形成し、レジストパタ
ーン15を除去するものである。

このようにして、層間絶縁層14に垂直状態の開口16が
形成されたならば、この層間絶縁層14の特に開口16部分
を第２のエッチング工程によってエッチングし、第１図
の（Ｃ）で示すように開口16の周囲をテーパ面としたヴ
ィアホール17を形成させるようにする。

ここで、上記テーパ面を形成する第２のエッチング工
程は、第２図で示すようなエッチング装置21を用いる。
このエッチング装置21は、通常の反応性イオンエッチン
グ装置に電極221、222を設定し、高周波電源23から高周
波電力を供給するようにすると共に、マグネット24によ
り直行する磁場を設定するようにしているもので、上記
電極221上にエッチングしようとする半導体ウエハ25が
設定されるようにしている。そして、このエッチング装
置21内には、例えばC₂F₆でなる反応性ガスが充填される
ようにしている。この場合、水素を含むガスや水素を添
加したガスを用いる必要のないものであり、水素フリー
の条件でエッチングさせるようにする。

そして、例えば800ガウスの磁場を設定し、高周波電
源23から500〜1000Wの高周波電力が印加設定され、マグ
ネトロン放電が発生されるようにしているもので、エッ
チング圧力数Paから30Paの範囲でエッチングが行われる
ようにする。

このような条件のもとに第１図の（Ｂ）で示したよう
な試料ウエハ25を、約30秒〜２分エッチングを行うと、
第１図の（Ｃ）で示したように緩やかなテーパ傾斜面を
有するヴィアホール17が形成されるようになる。

このようなマグネトロン放電を用いた反応性イオンエ
ッチングにあっては、マグネトロン放電による活性種の
増大によってエッチング速度が効果的に増大されるもの
であり、極めて短時間に上記テーパ傾斜面を形成するエ
ッチングが行われるようになり、従来の通常の反応性イ
オンエッチングに比較して1/10〜1/60以下の状態とされ
る。そして、通常の反応性イオンエッチングによって
は、ヴィアホールの開口部にテーパ傾斜面を形成するよ
うなエッチングを行うことができない。

上記のようなマグネトロン装置を用いるような反応性
イオンエッチングにあっては、マグネトロン放電によっ
てプラズマが発生され、このプラズマ中にCF₂等の不飽
和フッ化炭素が容易に生成できるようになり、C_XF_Yなる
組成のポリマーが効果的に発生されるようになる。した
がって、そのエッチング過程において、第３図に示すよ
うにヴィアホール17の表面に上記ポリマー30が堆積付着
し、その量はエッチング−堆積の競争反応のバランスに
よって決定される。したがって、エッチング条件によっ
てこのバランスを可変制御できるものであり、これによ
りエッチング形状が制御できるようになる。

上記マグネトロン放電によるエッチング反応は、ポリ
マー30の堆積速度V1とこのポリマーのエッチング速度V2
との比「V1/V2＝ｒ」、およびポリマー30のエッチング
速度V2と層間絶縁層14のエッチング速度V3との比「V2/V
3＝Ｒ」によって支配されるもので、実験の結果“Ｒ＞
1"および“ｒ＜1"の状態で、上記のようなテーパ面を有
するヴィアホール17が形成されることが判明した。

このようなエッチング条件を満足させるためには、次
のような条件が必要である。

ａ）ポリマー生成速度が大である。

ｂ）ポリマーエッチング速度が大である。

ｃ）絶縁層のエッチング速度が大である。

ｄ）“ｒ＜1"および“Ｒ＞1"である。

このような条件を満足させるためには、実施例で示し
たようなマグネトロン放電が必要となるものであり、且
つ適正な反応ガスおよびエッチング圧力の設定が必要で
ある。

前述したように、通常の反応性イオンエッチングを行
う場合には、水素を含む混合ガスを反応ガスとして用い
るものであり、且つそのエッチング時間は非常に大きな
ものであった。

しかし、上記マグネトロン放電を用いる反応性イオン
エッチングにあっては、例えばC₂F₆の水素を含まない単
体ガスのみでエッチングが行われるものであり、水素混
合ガスを使用する場合の問題点が発生することがない。
反応性イオンエッチングは、イオンの入射角依存性によ
るものであるが、マグネトロン放電が存在する場合、イ
オン入射角依存性はあまりないものであり、前記エッチ
ング速度比ｒおよびＲによって支配されるようになる。

ここで、ポリマーを効果的に発生させるためには、ウ
エハーをセットする電極上にポリイミドあるいはテフロ
ン等の絶縁板を設定すると効果的である。

第１図の（Ｄ）は、上記のようにヴィアホール17が形
成された状態で、さらに層間絶縁層14上に上層の金属配
線層18を形成した状態を示すもので、この金属配線層18
はヴィアホール17内に充填される配線材料によって、下
層の金属配線層13と電気的に接続されるようになる。そ
して、この上層の配線層18上には、さらに層間絶縁層19
が積層形成されるようになる。

すなわち、上層金属配線層18にあっては、緩やかなテ
ーパ断面のヴィアホール17を介して下層配線層13に接続
されるようになるものであり、その相互の接続部分にあ
っては、急激な段差部分が存在せず、上層配線層18に括
れ等が生ずることがない。したがって、上層配線層18に
断線等が生ずることがなく、その信頼性が充分に得られ
るようになるものである。

以下に、具体的な実施例を説明する。

［実施例１］ 第１図の（Ｂ）で示すようにして層間絶縁層14をプラ
ズマCVD法により製作した1.3μｍのプラズマ窒化膜で構
成し、これを800ガウスの磁場が設定されたマグネトロ
ン反応性イオンエッチング装置でエッチングした。この
ときのエッチング条件は、エッチング圧力13Pa、反応ガ
スはC₂F₆を30SCCM、高周波電力は13.56MHzで600W、エッ
チング時間は70秒とした。その結果、ヴィアホールの傾
斜角度は60゜となり、第３図で破線で示すような断面形
状となった。

［実施例２］ 上記実施例１と同様の構造で、層間絶縁層14が昇圧CV
DによるPSG膜によって構成されるようにする。そして、
実施例１と同一の条件でエッチングした結果、ヴィアホ
ールは垂直状態のままで、テーパ形状とはならなかっ
た。そこで、プラズマ中の状態をプラズマ発光分析法に
よって分析してみたところ、層間絶縁層をPSG膜で構成
した場合、反応生成物であるCOのピークが増大している
ことが判明した。すなわち、PSG中の酸素がエッチング
中に蒸発し、ポリマーの生成を抑制しているものであっ
た。

そこで、ポイマーを多く発生させるために、エッチン
グ圧力を13Paから30Paにしたところ、第３図の破線のよ
うな形状のヴィアホールが得られた。

プラズマ窒化膜とPSG膜について、それぞれエッチン
グ条件を変えてテーパエッチングした結果を第１表およ
び第２表に示す。

上記表において、「本発明」マグネトロン反応性イオ
ンエッチングを使用した場合であり、「従来」は通常の
反応性イオンエッチングを使用した場合である。

また、○は良好を示し、△は効果は認められる場合を
示し、さらにＸは効果無しを示している。

すなわち、上記第１表から明らかなように、“ｒ＜1"
および“Ｒ＞1"となるようにして絶縁層（プラズマ窒化
膜）の開口部に傾斜角を設定するための具体的な条件
は、800ガウスの磁場が設定されたマグネトロン反応性
イオンエッチング装置を使用し、反応ガスとしてCF₄を
供給する場合にはエッチング圧力が13〜20Paの範囲とな
り、反応ガスとしてC₂F₆を供給する場合にはエッチング
圧力が６〜20Paの範囲となる。

同様に、上記第２表から明らかなように、“ｒ＜１
“および“Ｒ＞1"となるようにして絶縁層（PSG:酸化
膜）の開口部に傾斜角を設定するための具体的な条件
は、800ガウスの磁場が設定されたマグネトロン反応性
イオンエッチング装置を使用し、反応ガスとしてCF₄を
供給する場合にはエッチング圧力が30Paとなり、反応ガ
スとしてC₂F₆を供給する場合にはエッチング圧力が20〜
30Paの範囲となる。

［比較例］ 上記実施例との対比のための比較例を示す。この比較
例にあっては、通常の反応性イオンエッチング装置によ
って、実施例で示したと同様の実験を行った。しかし、
どの条件のもとであってもヴィアホールに適正なテーパ
傾斜角は得られなかった。但し、この実験においては高
周波電力を100W、エッチング時間を20分とした。また、
「C₃F₈＋H₂」の混合ガスにおいて実験を行ったが、若干
の面取りは認められたものの、ヴィアホールの深さの1/
10程度の範囲でのみしかエッチングされない状態であっ
た。さらにエッチング時間を長くしてみても、層間絶縁
層の膜厚が減少するのみで、ヴィアホールの断面形状を
テーパ状に整形することはできなかった。

これまでの実施例にあっては、多層配線構造とする場
合の下層配線層と上層配線層とを接続するヴィアホール
を形成する場合について説明してきたが、第４図で示す
ように半導体基板11に形成される回路素子部に設定され
る端子（図示せず）を導出するコンタクトホール20を絶
縁層14に形成する場合でも、上記ヴィアホールと同様な
方法で形成できるものである。このコンタクトホールを
形成する際に、前記表に示されたような反応ガス条件で
エッチング圧力20Paに設定し、30秒エッチングしたとこ
ろ、テーパ傾斜角65゜の良好なコンタクトホールが形成
された。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る半導体装置の製造方法に
よれば、層間絶縁層のような窒化膜あるいは酸化膜等で
構成される絶縁層に対して、適正なテーパ傾斜角度の設
定されるヴィアホールのような開口を簡単に形成できる
ようになるものであり、特に絶縁層の形状および膜厚に
関係することなく、上記傾斜角度が一様な状態で形成さ
れるようになる。したがって、例えば超LSIデバイス等
において多層配線構造を実施しようとするような場合に
おいて、多層の配線層の相互間の接続構造が信頼性の得
られる状態で容易に構成できるようになり、また回路素
子からの電極導出部を構成するコンタクトホール等にお
いて、信頼性の高い状態で金属配線が行われるようにな
って、高集積化と共に信頼性の高い半導体装置が容易且
つ確実に製造できるようになるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図の（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれこの発明の一実施例
に係る半導体の製造過程を順次説明する図、第２図は上
記実施例で使用されるマグネトロン放電を利用した反応
性イオンエッチング装置を説明する図、第３図は上記製
造方法において形成されるポリマーの堆積状態を説明す
る図、第４図はこの発明の他の応用例を説明する図であ
る。 11……半導体基板、13金属配線層、14……層間絶縁層、
15……レジストパターン、16……開口（垂直状態）、17
……ヴィアホール（テーパ傾斜面）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤松 和夫 刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電装株 式会社内 (72)発明者 樋口 安史 刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電装株 式会社内

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極部あるいは配線層部等が形成された半
   導体基板上に絶縁層を形成する工程と、 上記絶縁層上に上記電極部あるいは配線層部に対応して
   開口を形成したレジストパターンを形成する工程と、 上記レジストパターンの開口に対応して、上記絶縁層に
   上記電極部あるいは配線層部に至る略垂直状態の開口を
   形成する第１のエッチング工程と、 上記絶縁層に形成された開口の周囲をテーパー状にエッ
   チングする、マグネトロン放電によるマグネトロン放電
   雰囲気で行なわれる反応成イオンエッチングによる第２
   のエッチング工程とを具備し、 この第２のエッチング工程では、上記マグネトロン放電
   によって、ポリマーが上記絶縁層に直接に堆積形成され
   ると共に上記絶縁層がエッチングされるようにし、この
   ポリマーの堆積速度とこのポリマーのエッチング素度と
   の比“r"、および上記ポリマーのエッチング速度と上記
   絶縁層のエッチング速度との比“R"が、それぞれ“ｒ＜
   1"および“Ｒ＞1"とされるように上記第２のエッチング
   の条件が設定されるようにすることによって、上記絶縁
   層の開口部に傾斜角を設定するようにしたことを特徴と
   する半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】前記絶縁層が窒化膜であり、前記第２のエ
   ッチング工程が、800ガウスの磁場の下で反応ガスとし
   てCF₄を供給し、エッチング圧力が13〜20Paの範囲で行
   なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】前記絶縁層が窒化膜であり、前記第２のエ
   ッチング工程が、800ガウスの磁場の下で反応ガスとし
   てC₂F₆を供給し、エッチング圧力が６〜20Paの範囲で行
   なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】前記絶縁層が酸化膜であり、前記第２のエ
   ッチング工程が、800ガウスの磁場の下で反応ガスとし
   てCF₄を供給し、エッチング圧力が30Paで行なわれるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体装
   置の製造方法。
5. 【請求項５】前記絶縁層が酸化膜であり、前記第２のエ
   ッチング工程が、800ガウスの磁場の下で反応ガスとし
   てC₂F₆を供給し、エッチング圧力が20〜30Paの範囲で行
   なわれることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   の半導体装置の製造方法。