JP2733410B2

JP2733410B2 - 接続孔の形成方法

Info

Publication number: JP2733410B2
Application number: JP4130876A
Authority: JP
Inventors: 義昭三村; 眞二青山; 正勝君塚
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 1998-03-30
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: JPH05326357A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造プロセスに
於いて、金属配線間を接続させるコンタクトホールやス
ルーホール等の接続孔の形成方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】層間絶縁膜に形成するコンタクトホール
やスルーホールの断面形状は、孔径が２〜３μm と大き
い従来の場合は、垂直に形成するだけで十分であった。
しかし、素子寸法の微細化に伴って、最近当該孔径を
０．５〜１μm と小さくする必要性が生じてきている。
ところが、この様な小さな孔径の断面形状を従来通り垂
直のままとすると、孔の深さと孔径の比、即ちホールの
アスペクト比が１を越えることとなり、ホール形成工程
に続いて形成される上部配線形成工程に於いて、該ホー
ル側壁に配線素材が付着しにくくなる傾向があるため、
アルミニウム等の金属配線間の接続が不十分となり、こ
の結果、半導体装置の歩留まりが著しく低下する。微細
ホールでのこの様な不都合を回避するには、ホールの断
面形状を、通常表面側の孔径が徐々に広がったテーパ状
あるいは、２段階ないし３段階に広げたステップ状のホ
ール形状に加工すればよいことが一般に知られている。

【０００３】この様な形状のコンタクトホールやスルー
ホールを得る加工方法として、これまで、（１）ＲＩＥ
加工法とウェットエッチ法（或いはプラズマエッチ法）
の組合わせ、（２）ＲＩＥ加工時のレジストマスクの後
退を利用したテーパないしステップ加工法、が考案され
ている。加工法（１）では、被加工層の１／２〜２／３
程度の深さまでＲＩＥ加工法で垂直に加工した後、残り
をウェットエッチ法或いはプラズマエッチ法で等方的に
加工することにより、被加工層の表面側の孔径が広がっ
たテーパ状のホール形状を得るものであり、加工順序を
逆転させてもほぼ同様の結果を得ることが出来ることが
知られている。この方法は、レジストパタンの断面形状
に特段の工夫を必要としないことから、テーパ状のホー
ル形状を得るにもっとも簡便な方法と言えるが、ウェッ
トエッチ法等の等方性エッチ法を使用するため、ホール
の寸法や断面形状を精密にコントロールすることが原理
的に不得意であり、従って、高精度の寸法制御性を必要
とする孔径１μm 以下のコンタクトホールないしスルー
ホールの加工に適用するのが困難である欠点を有する。

【０００４】他方、上記の加工法（２）の範疇に含まれ
る方法として、（Ａ）レジストパタンの断面形状を特段
に制御しない方法、と制御する方法として、（Ｂ）全面
露光法や、（Ｃ）熱フロー法等に大別される。（Ａ）の
方法は、通常の方法でレジスト膜にホールパタンを形成
した後、レジスト膜下の層間絶縁膜をＲＩＥ加工する。
この際、（イ）絶縁膜が効率よくエッチングされ、レジ
スト膜は殆どエッチングされないガス組成で（例えば、
ＣＨＦ₃）、まず絶縁膜の途中の深さまで垂直にエッチ
ング加工した後、（ロ）絶縁膜とレジスト膜の両方が効
率よくエッチングされるＣＨＦ₃とＯ₂の混合ガス雰囲
気で残りの深さ分の絶縁膜をＲＩＥ加工する。以上の工
程で絶縁膜表面側の開口径が広がったテーパ状の断面形
状を有するコンタクトホールが完成する。上記（ロ）の
ステップにおいて、テーパ状に加工される理由は、絶縁
膜と同時にレジスト膜をエッチングする過程において、
レジストパタンエッジが徐々に後退するためである。こ
のエッジの後退量：△Ｔは、レジストパタン断面の傾斜
角：θR とレジスト膜のエッチング量：ＥR との間にお
およそ△Ｔ＝ＥR ／tan θR の関係が成り立つ。したが
って、短時間で所望のエッジ後退量を得、寸法精度並び
によく制御されたテーパ状の断面プロファイルを安定に
得るためには、レジスト膜上のホール径を所望の値に精
密に保持しつつ、かつレジストパタン傾斜角θR を適切
な値に制御する必要があることが分かる。

【０００５】上記（Ａ）の方法では、寸法精度は良好に
維持できる半面、レジストパタンの傾斜角θR が一般に
８０〜８５゜と大きいため、典型的なエッジ後退量０．
２μm を得るためには、レジスト膜のエッチ量ＥR が
１．１〜２．３μm とかなり厚くなるため、レジスト塗
布膜厚を２．５μm 以上に設定する必要がある。この様
な厚いレジスト膜に孔径１μm 以下のコンタクトホール
を高精度に形成することは容易ではない上、レジスト後
退量０．２μm を加工するために長時間を必要とし、か
つθR の僅かな変動で△Ｔの値が大きく変動することか
ら、高精度のコンタクトホールを再現性よく加工するの
が困難である欠点がある。

【０００６】それに対し、（Ｂ）の全面露光法はパタン
の露光に先立ち、予めレジスト全面にパタン露光の露光
量の数分の１の少量の露光量で露光することにより、レ
ジスト表層部の現像液に対する溶解速度を高めることに
よって、現像後のホールの断面形状をテーパ状にしよう
とするものである。この方法は、比較的簡単な工程で理
想に近いホール形状を得ることが可能である反面、全面
露光工程により、レジスト塗布膜の膜べりを原理的に防
止することは出来ない。しかも表面に凹凸があり、かつ
反射率の高いアルミ配線部と反射率の低い非アルミ配線
部が混在している実際のＬＳＩウェハに本方法を適用し
た場合、ウェハの局部的な状態に対応した反射光強度の
局部的な片よりにより、レジスト膜べりに局部的な片よ
りが生じ、この結果レジスト膜厚が次工程のエッチング
加工のマスクとして耐えられないほど薄い箇所が発生す
る恐れがある。この方法は、現像過程で生ずるレジスト
膜べりを考慮して、（Ａ）法と同様に予め厚いレジスト
膜厚が必要である上、上述したようにホール形状やレジ
スト膜厚が下地基板によって影響され易く、寸法精度が
出しにくい等の難点が指摘されている。

【０００７】（Ｃ）の熱フロー法は、通常の露光方法で
断面形状が円筒状のレジストホールパタンを形成した
後、ホットプレート等の加熱装置により、ウェハをレジ
スト材料の主成分であるクレゾールノボラック樹脂の熱
変形温度以上の１４０〜１８０℃程度に加熱して、レジ
ストパタンを熱変形させることによって、レジストパタ
ン断面形状を円筒状からテーパ状に変形させることを基
本としている。この方法は、工程が簡単である反面、レ
ジストの熱変形を利用しているため、下地段差やホール
径、レジスト膜厚等の僅かな違いによって、熱変形の状
態が大きく影響されるため、一般に制御性に乏しく、孔
径や孔のテーパ形状制御に再現性の良好な結果は期待で
きない。このため、ホール径が１．５μm 以上の比較的
大きなホール形成法としては使用できるが、ホール径の
厳密な制御性が要求される１μm 以下の微細なホール形
成法としては実用困難である。

【０００８】他方、本発明の露光方法と類似した露光法
としてＦＬＥＸ法が知られている（特開昭５８−１７４
４６号、特開昭６３−４２１２２号、特開昭６３−１７
７４２０号）。この露光方法は焦点を変えながら露光す
る点に関しては、本発明の非焦点露光／焦点露光を行う
点類似しているが、上記ＦＬＥＸ法はその特許出願明細
書に明記してあるように、その発明の目的は「実効的焦
点裕度」の拡大であり、本発明の目的とはまったく異な
っている。

【０００９】図４は従来技術の代表例である全面露光法
の工程を説明するための図であり、工程順に順次説明す
る。図４中、１は基板、２は層間絶縁膜、３はレジスト
膜、２１はＲＩＥ加工で層間膜に膜減りが生ずる全面露
光法で形成した層間絶縁膜、２３はレジスト膜厚不足に
よって生じた層間膜の膜減り量、３１は全面露光膜減り
が生じたホール形成後のレジスト膜、４１は全面露光法
で形成したレジスト膜減りが大きいホールレジストパタ
ンである。

【００１０】即ち、図４（ａ）に示すように、半導体基
板１上に層間絶縁膜２が被覆されているウェハ上にホト
レジスト膜３を塗布した被加工基板に、図４（ｂ）に示
すようにレジスト膜３全面にこの後で実施されるコンタ
クトホール形成時の露光量の数分の１の弱い露光量で露
光した後、上記コンタクトホール形成のための本露光を
行い、既知の方法により、現像を行い、所望のコンタク
トホールレジストパタン４１を形成する。この方法では
原理的にレジスト膜３に大きな膜減り△ＴB が生じる。
この膜減り量は全面露光量に大きく依存し、かつ、コン
タクトホールレジストパタン４１の側壁傾斜角θR を所
望の角度である６０゜程度に調節すると、当該膜べり量
がレジスト塗布膜厚の５０％程度に達し、コンタクトホ
ールレジストパタン４１形成後のレジスト膜３１の膜厚
が半減してしまい、以後の層間膜加工工程でレジスト膜
厚不足という当該方法の本質的な欠点が生じてしまう。

【００１１】層間絶縁膜２をＲＩＥ加工する前に、図４
（ｃ）に示すような特別なＵＶキュア条件によるレジス
トパタンの熱フローと光硬化反応のバランスを旨く利用
して、レジストテーパ角の制御と側壁の平滑化処理を実
施することにより、層間絶縁膜のテーパ加工をより確実
に、かつ制御性よく実施することが出来る。

【００１２】以上説明した工程により、コンタクトホー
ルレジストパタン４１を形成した後、図４（ｄ）に示す
ようにＲＩＥ加工装置により、層間絶縁膜２をエッチン
グし、所望のテーパ形状のコンタクトホールないしスル
ーホールを得ることに依って、一連の工程が完了する。
図４（ｄ）に示す従来の全面露光方式の場合、レジスト
膜減りが原理的に避けられないために、層間絶縁膜のＲ
ＩＥ加工の工程で、レジスト膜３１の厚さ不足により、
ＲＩＥ加工中にレジスト膜を消失し、その結果、露出し
た層間絶縁膜２１が削られて薄くなり、層間絶縁不良を
発生させる恐れが増大すると言う致命的な欠点を生じや
すい。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来技術の最大の欠点である全面露光によるレジスト膜減
りの問題を解決し、かつ、従来技術法の最大の欠点であ
るレジストパタン熱変形の制御性不良の問題を解決し
た、新規な接続孔テーパ加工用レジストプロファイル制
御技術を用いた接続孔の形成方法を提供することを目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、半導体装置の製造プロセスにおける、層間
絶縁膜に孔をあけて金属配線間を接続させる接続孔の形
成方法において、ポジ型レジスト膜を、同一箇所で、非
焦点位置で露光するとともに焦点位置で露光した後現像
する第１の工程と、この第１の工程に引続き、加熱した
基板ホルダーに基板を載せて基板温度を徐々に上げなが
らＵＶ光を照射してホールレジストパタンの断面形状を
テーパ状に制御する第２の工程と、この第２の工程に引
続き、ＲＩＥ加工により層間絶縁膜をエッチングして接
続孔を形成する第３の工程とを有することを特徴とする
ものである。

【００１５】

【作用】本発明による接続孔の形成方法を使用すること
により、サブミクロンサイズの当該ホールを精度良く、
かつホール側壁角をおおよそ５０゜〜８５゜程度の範囲
内の任意の角度に調節することが可能である。従って、
通常ＬＳＩのメタル層間の接続に使用されるコンタクト
ホールやスルーホールの側壁に傾斜をつけたいわゆるテ
ーパ状のホールを広いプロセスマージンをもって、安定
して形成することが可能であり、これによって、コンタ
クトホールまたはスルーホール内部への配線金属の被覆
性が向上して、当該ホールの接続抵抗が低減して、接続
の信頼性が向上すると共に接続歩留まりが大幅に改善さ
れる結果、ＬＳＩの製造歩留まりが大幅に改善される利
点がある。

【００１６】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

【００１７】図１は本発明の原理と工程を説明するため
の断面図であり、工程順に順次説明する。図１中、１は
基板、２は層間絶縁膜、３はレジスト膜、５は非焦点露
光時の光の強度分布、２２は膜減りが生じていない本発
明による層間絶縁膜加工後の層間絶縁膜、３２はレジス
ト膜減りが原理的に生じていない本発明によってホール
を形成した後のレジスト膜、４２は本発明で形成したレ
ジスト膜減りのないホールレジストパタンである。

【００１８】即ち、図１（ａ）に示すように、半導体基
板１上に層間絶縁膜２が被覆されているウェハ上にホト
レジスト膜３を塗布した被加工基板のコンタクトホール
を形成する部分のみに、光の強度分布５を有する非焦点
露光を行った後、所望のコンタクトホールパタンを露光
したのに引続き、従来技術で説明したと同様の条件で現
像処理を行い、所望のコンタクトホールレジストパタン
４２を得る。この方法では、コンタクトホール回りのレ
ジスト膜のみしか露光されていないので、図１（ｂ）の
レジスト現像後のレジスト膜厚は、原理的に塗布膜厚に
ほぼ等しく、図４（ｂ）で説明したようなレジスト膜減
りを生じない。図１（ａ）において、コンタクトホール
をホトレジスト膜上に露光する方法には、通常ステッパ
とよばれる縮少投影露光装置を使用する。とくに、本発
明において、コンタクトホール露光に先だってなされ、
かつ本発明の根幹をなす非焦点露光の実施方法及びその
条件について以下に詳細に説明する。

【００１９】図２にコンタクトホールレジストパタンの
テーパ形状を制御するための非焦点露光の相対露光量と
当該レジストパタンの側壁傾斜角θR の関係を示す。こ
こで、相対露光量とは、ポジ型ホトレジスト膜に所定の
現像条件で開孔するに必要な最小の露光量で定義される
閾値露光量を１としたときの相対露光量である。この場
合の設計値０．５〜１μm 径のコンタクトホールに対す
る非焦点露光の後で実施される焦点露光の相対露光量は
約３倍が適正である。また、レジストパタンにテーパを
つけるために必要な非焦点露光の範囲は、コンタクトホ
ールの設計上の寸法の３倍程度の直径になるよう露光条
件を定めるのがよい。ＮＡ０．５４のｇ線ステッパで非
焦点露光を実施した場合、当該露光位置は−１．５〜−
２．５μm （被露光基板から遠ざかる側に焦点を結ばせ
る方向がマイナス側の焦点位置である）が適当である。
図２は上記条件に於いて、非焦点露光の露光量と、それ
によって得られたコンタクトホールレジストパタンの側
壁傾斜角θR の関係を示したものである。非焦点露光の
露光量が２以下の場合は、θR は約８５゜一定であり、
それ以上の露光量で、露光量に依存して、θR が低減し
始め、相対露光量４にすると、テーパ角は約７０゜に出
来る。それ以上に非焦点露光量を増やすと、側壁角を徐
々に低下（より大きなテーパ角が得られる）出来るが、
（１）スループットが低下する。（２）コンタクトホー
ル径が大きくなり成りすぎ、かつ寸法精度の劣化が顕著
になる。等の欠点が目だつようになるため、４前後の値
が一般にもっとも合理的結果が得られる。

【００２０】この状態から、図１（ｄ）に示すように層
間絶縁膜３をＲＩＥ加工して、テーパ状コンタクトホー
ルを得ることが出来るが、この場合、側壁角θE が所望
の値まで小さく制御するのが難しい。テーパ状ホールの
側壁が滑らかでない。等の欠点があるため、層間絶縁膜
２をＲＩＥ加工する前に、図１（ｃ）に示すような特別
なＵＶキュア条件によるレジストパタンの熱フローと光
硬化反応のバランスを旨く利用して、レジストテーパ角
の制御と側壁の平滑化処理を実施することにより、層間
絶縁膜のテーパ加工をより確実に、かつ制御性よく実施
することが出来る。

【００２１】そこで、上記ＵＶキュア条件の処理条件依
存性について、実測データを基に説明する。図３−
（ａ）はＵＶキュア処理条件のチャート図の代表例を示
したものである。ＵＶキュア処理の標準的な処理条件は
以下の通りである。

【００２２】当該基板を１１０℃に加熱されている基板
ホルダに載せ、１８０℃まで一定の速度で徐々に基板ホ
ルダを昇温させ、最後に１８０℃で４０ｓ間保持する。
この際の基板昇温レートとして、０．５、１．０及び
１．５℃／ｓの３水準を選んだ。この間、空気雰囲気中
で、ＵＶ光を照射する。ＵＶ光源には２．５ＫＷの高圧
水銀灯２灯を使用し、最初の１０ｓ間は無照射、次のス
テップで弱い光Ｉ₁（照度：約３０ｍＷ／ｃｍ²）、続
いて１０ｓ間中間強度Ｉ₂（照度：３００ｍＷ／ｃ
ｍ²）の光照射、最後に強い光Ｉ₃（照度：６００ｍＷ
／ｃｍ²）を照射した後、基板を冷却してから当該基板
を取り出して処理を終了する。この際、弱い光Ｉ₁での
処理時間は１１０℃から１８０℃迄の温度差７０℃に各
昇温レートを乗じた値である。

【００２３】ここで、上記ＵＶキュア条件により、キュ
ア処理したコンタクトホールレジストパタンの側壁角θ
R の前記昇温レート依存性の実験データを図３（ｂ）に
示す。この場合のレジスト膜にはクレゾールノボラック
樹脂とｏ−ナフトキノンジアジド感光剤から成るポジ型
ホトレジスト：ＴＳＭＲ−Ｖ３（東京応化製、商品名）
を厚さ２μm に塗布したものを使用した。図３（ｂ）に
おいて、曲線ｂ１は非焦点露光／焦点露光によって、テ
ーパ状のレジストパタンを形成せずに、焦点露光のみに
依って、ホール側壁の傾斜角θR が８５゜と殆どテーパ
がついていない場合の例で、この場合は、ＵＶキュア処
理を実施しても、側壁角は殆ど変化しない。それに対
し、曲線ｂ２に示す非焦点露光（相対露光量：３）／焦
点露光（相対露光量：３）によって、現像後のホールレ
ジストパタンの側壁角θR が７０゜とした水準（図２参
照）では、上記ＵＶ処理によって、更にレジストパタン
にテーパがつきやすく（θR が小）なる傾向を示す。と
くに、昇温レートを１または、１．５℃／ｓと速くする
に従って、θR は小さくなり、よりテーパがつきやすく
なることが分かる。一方、上記ＵＶキュア処理条件に対
するコンタクトホール径（基板と接するレジストパタン
の直径）の変化量は、図３（ｃ）に示すような関係にあ
る。ここで、曲線ｃ−１はＵＶキュア処理前、ｃ−２は
昇温レート０．５℃／ｓ、ｃ−３は１℃／ｓ、ｃ−４は
１．５℃／ｓの昇温レートの場合である。昇温レートが
０．５℃／ｓと遅くすると、孔径の変化がほとんどない
状態で、レジストが硬化されるのに対し、昇温レートを
１℃／ｓ、１．５℃／ｓと速くするにつれて、コンタク
トホール径の縮少が生じている。その、縮少量は、ホー
ル径に依らずほぼ一定であり、１℃／ｓで約０．２μm
、１．５℃／ｓでは約０．３μm である。従って、こ
の方法は、露光段階で少し大きめのコンタクトホールを
開け、その後のＵＶキュア処理時の昇温レートを変える
ことに依って、コンタクトホールのレジストパタン径を
より小さい方に調節する方法として利用できる。これ
は、小さい孔径のコンタクトホール形成が技術的に困難
であることに鑑み、従来の光露光技術で形成困難な微小
なコンタクトホールを形成する方法として極めて有効な
方法と言える。この様に、ＵＶキュア時の昇温レートを
変えることに依って、孔径並びに側壁傾斜角が調節でき
るのは、ＵＶ光照射によるレジスト膜表層部の架橋反応
による硬化と基板加熱によるレジスト材料の熱変形のバ
ランスの結果として生ずるものであり、昇温レートを遅
くすれば、硬化反応が優勢となって熱フローが少なくな
り、昇温レートを速くすれば、熱フローが優先して、熱
変形しやすくなるためである。なお、本ＵＶキュア処理
で、上述した昇温レートとともに、昇温時のＵＶ照射強
度（図３（ａ）におけるＩ₁）の制御が重要である。上
記結果は３０ｍＷ／ｃｍ²の照射強度の場合の例であ
り、２０ｍＷ／ｃｍ²の場合は、昇温レートを２０％程
度小さく、４０ｍＷ／ｃｍ²の場合は同様に２０％程度
大きくすることで、同様の結果が得られる。また、ＵＶ
キュア反応の速度と熱変形温度は、レジストの種類に依
って若干相違するので、レジストの種類を変える場合
は、同様に処理条件の微調整が必要である。なお、２ス
テップ及び３ステップ目のＵＶ照射Ｉ₂及びＩ₃は、コ
ンタクトホールレジストパタンの側壁角と孔径を制御し
た後に、レジスト膜を確実に硬化させ、耐熱性及び耐ド
ライエッチ性を改善するために実施するものであり、引
き続いて実施する層間絶縁膜ＲＩＥ条件が穏やかでエッ
チング加工中に基板温度がおおよそ１２０℃以上に昇温
しなければ、省略可能である。

【００２４】以上説明した工程により、コンタクトホー
ルレジストパタン４２を形成した後、図１（ｄ）に示す
ようにＲＩＥ加工装置により、層間絶縁膜２をエッチン
グし、所望のテーパ形状のコンタクトホールないしスル
ーホールを得ることに依って、一連の工程が完了する。
ここで層間絶縁膜２は一般に厚さ０．５〜１．５μm程
度のＰＳＧ、ＢＰＳＧ、プラズマＴＥＯＳ、オゾンＴＥ
ＯＳ、ＳＯＧ等のシリコン酸化膜から構成されている。

【００２５】上記材料からなる層間絶縁膜のエッチング
条件の選択において、レジスト膜のエッチ速度ＥR と層
間絶縁膜のエッチ速度ＥS 、及びレジストパタンの傾斜
角θR が定まれば、層間絶縁膜ＲＩＥ加工後のコンタク
トホール側壁の傾斜角θE はおおよそ；tan θR ＝ＥS
・tan θR ／ＥR によって定まる。即ち、厚さ１μmの
層間膜をレジストとのエッチング選択比；１（ＥS ／Ｅ
R ＝１）の条件でＲＩＥ加工した場合、ＲＩＥ加工後の
コンタクトホール側壁の傾斜角θE はレジストパタンの
傾斜角θR と等しくなり、レジスト膜の膜減り量も１μ
m であることが分かる。また、上式から選択比を下げれ
ば、ＲＩＥ加工後の側壁傾斜角θE を小さくできる点で
好ましい結果が得られる反面、レジストの膜べり量が増
大すると言う不都合な結果をもたらすので、両者はトレ
ードオフの関係にある。したがって、この工程ではレジ
スト膜の損失が原理的に避けられないため、一般に厚い
レジスト膜を必要とする。

【００２６】それでは、以下に具体的実施例について説
明する。

【００２７】（具体的実施例１）第１メタル配線層上に
第２層間絶縁膜を被覆した被加工ＬＳＩウェハ基板上に
ポジ型ホトレジストＴＳＭＲ−Ｖ３を２μm の厚さに塗
布し、ステッパと呼ばれる１／５倍ｇ線（露光波長４３
６ｎｍ）縮少投影露光装置を用い、所望のスルーホール
用レチクル（パタン原画）像を、当該基板上のレジスト
膜に既に形成されている第１メタル層のパタンに正確に
重ね合わせながらスルーホールパタンを焼き付けて行
く。この際、レチクル像の結像位置をレジスト表面から
離れる方向（マイナス）約２μm の位置に合わせ、露光
量１４００ｍｓ（７００ｍＪ／ｃｍ²）で非焦点露光を
行ったのに引き続き、レチクル像の結像位置のみをレジ
スト面表面付近に合わせ直し（焦点位置０μm ）露光量
９５０ｍｓ（４５０ｍＪ／ｃｍ²）で焦点露光を行う。
その後、濃度２．３８％のテトラメチルアンモニウムハ
イドロオキサイド水溶液からなるレジスト現像液を当該
基板上に滴下し、静止パドル現像法として知られている
方法で、１１０℃・９０ｓ間ポストイクスポージャベー
ク、約９０秒間現像処理、純水リンス、乾燥、ポストベ
ーク処理を順次行う。ここで、使用したスルーホールの
設計寸法（マスク寸法）は０．６μm 径であるが、本条
件で形成されたスルーホールレジストパタンの出来上り
寸法は、おおよそ０．８μm 、側壁傾斜角θR 約７０゜
である。次に、ＵＶキュア装置により、前記図３（ａ）
で説明した処理条件の内、基板の昇温レートは１℃／ｓ
とした。この処理後のレジストパタンの直径は約０．６
μm 、傾斜角θR は約６０℃となった。

【００２８】続いて、ＲＩＥ装置により、層間絶縁膜に
スルーホールを加工する。層間膜は平均膜厚約０．８μ
m で、プラズマＴＥＯＳ、オゾンＴＥＯＳ、ＥＣＲ推積
膜、ＳＯＧ等のシリコン酸化物系複合膜から構成されて
いる。上記エッチング工程は、通常以下の２ステップに
て実施する。第１ステップは以下の条件により、層間絶
縁膜を約４００ｎｍ相当エッチングする。主な加工条件
は以下の通りである。エッチングガス組成比；ＣＨＦ3
／Ｏ2 ＝１００／２０SCCM、圧力；５０ｍＴｏｒｒ、高
周波出力；１２００Ｗ。本条件でのエッチング速度は、
層間膜：２５ｎｍ／ｍｉｎ、レジスト：９ｎｍ／ｍｉｎ
であり、４００ｎｍエッチングした後のスルーホール側
壁の傾斜角はほぼ垂直である。次に、第２ステップとし
て以下の条件で、層間膜を約７００ｎｍ相当量エッチン
グ加工する。主な加工条件は以下の通りである。エッチ
ングガス組成比；ＣＨＦ3 ／Ｏ2 ＝５０／５０SCCM、圧
力；：５０ｍＴｏｒｒ、高周波出力；１２００Ｗ。本条
件でのエッチング速度は、層間膜：３０ｎｍ／ｍｉｎ、
レジスト：３０ｎｍ／ｍｉｎである。また、本エッチン
グ加工によるレジスト膜減り量は、約９００ｎｍであ
る。この後、残存するレジスト膜をＯ2 プラズマアッシ
ング並びにレジスト剥離液を用いて除去し、スルーホー
ル加工工程が完了する。層間絶縁膜に加工されたスルー
ホールの大きさは、レジストパタンとほぼ等しい約０．
６μm であり、側壁の傾斜角はほぼ正確に６０℃であ
る。

【００２９】（具体的実施例２）以下に説明する露光条
件を除いて、具体的実施例１と同じである。まず、フォ
ーカス位置−２μm にて露光量７００ｍｓ、続いて−
１．５μm にフォーカス位置を変えて露光量７００ｍｓ
と非焦点露光を２分割して露光する。更にフォーカス位
置−０．２μm で露光量４５０ｍｓで露光し、次にフォ
ーカス位置を＋０．３μm に変えて露光量４５０ｍｓで
露光と、焦点位置露光を２分割する。この場合、最終的
に得られるスルーホールの形状は、具体的実施例１と大
差ないが、全体にフォーカス余裕度が改善され、より安
定なパタン形成が出来る。即ち、第１メタル層と第２メ
タル層を接続するための第２層間膜へのスルーホール形
成時の基板段差より、第２メタル層と第３メタル層間を
接続する第３層間膜へのスルーホール形成時の基板段差
の方が通常大きくなる。この様にＬＳＩの製造工程が進
むに連れて一般に基板段差が激しくなる。従って、非焦
点露光及び焦点露光をそれぞれ焦点位置を変えながら２
度あるいはそれ以上に分割して露光するには、上述した
ような基板段差が激しい基板上にテーパ形状のコンタク
トホールないしスルーホールを形成するのにとくに効果
を発揮する。本実施例では、それぞれ２回分割露光、合
計４回露光を実施したが、基板段差の状況に依っては、
５回ないし６回以上に分割露光することにより、更に安
定したパタン形成が可能である。

【００３０】更にまた、非焦点露光と焦点露光の順序に
関しては、これまで非焦点露光を先に実施する方法につ
いて説明してきたが、露光順序を入れ換えても基本的に
大きな差異は生じない。但し、この場合注意を要するこ
とは、露光順序を入れ換えて、非焦点露光を後で実施し
た場合、図２に示した実施例に比べて、得られるレジス
トパタン側壁角度が若干大きくなる傾向にある。従っ
て、他に不都合が生じない限り、非焦点露光を先に実施
することが望ましい。

【００３１】（具体的実施例３）レジストパタン形成ま
では具体的実施例１と同一条件で処理した後、ＵＶキュ
ア処理を実施せずに、直接、ＲＩＥ加工を行う。即ち、
レジストパタンの側壁傾斜角をパタン形成直後の７０゜
のままＲＩＥ加工を行うことを意味する。この際のＲＩ
Ｅ加工では、第１ステップは具体的実施例１と同一と
し、第２ステップのエッチング加工条件中、エッチング
ガスの組成比のみを以下のように変更して層間絶縁膜を
加工する。即ち、ＣＨＦ3 ／Ｏ2 ＝４０／６０SCCMとす
ると、層間膜のエッチ速度３０ｎｍ／ｍｉｎに対し、レ
ジスト膜のエッチ速度は４０ｎｍ／ｍｉｎになる。この
条件で加工した場合、上記具体的実施例と同様加工後の
スルーホール径は約０．６μm 、側壁角も約６０゜に出
来、工程短縮が可能である。但し、レジスト膜減り量が
約１．１μm に増大し、かつＵＶキュアによるレジスト
パタン側壁の熱フロー処理を省略したため、具体的実施
例１及び２の結果に比べ、ＲＩＥ加工後のスルーホール
側壁の平滑性が若干見劣りすることに注意する必要があ
る。なお、絶縁膜のリエ条件を上記具体的実施例と同一
にした場合、絶縁膜に加工されたスルーホールパタンの
側壁傾斜角が約７０゜とやや急になる。この様に、所望
の側壁傾斜角に調節する方法として、（１）非焦点露光
の露光量を調節する、（２）ＵＶキュア時の基板昇温レ
ートを調節する、（３）ＲＩＥ加工条件中第２ステップ
のエッチングガスの組成比を変えて、層間絶縁膜とレジ
ストのエッチ速度比を調節する、の３つの方法がある。
本発明をＬＳＩの製造プロセスに使用する場合は、前記
３条件の内の１条件以上を適宜調節して所望の側壁角度
に調節出来るため、広い範囲で側壁傾斜角を調節するこ
とが可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
サブミクロンサイズの当該ホールを精度良く、かつホー
ル側壁角をおおよそ５０゜〜８５゜程度の範囲内の任意
の角度に調節することが可能である。従って、通常ＬＳ
Ｉのメタル層間の接続に使用されるコンタクトホールや
スルーホールの側壁に傾斜をつけたいわゆるテーパ状の
ホールを広いプロセスマージンをもって、安定して形成
することが可能であり、これによって、コンタクトホー
ルまたはスルーホール内部への配線金属の被覆性が向上
して、当該ホールの接続抵抗が低減して、接続の信頼性
が向上すると共に接続歩留まりが大幅に改善される結
果、ＬＳＩの製造歩留まりが大幅に改善される利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理と工程を説明するための主要工程
での試料断面図である。

【図２】本発明の根幹をなす非焦点露光の相対露光量と
コンタクトホールないしスルーホールレジストパタン側
壁の傾斜角の関係を示した特性図である。

【図３】（ａ）は本発明に関わるＵＶキュア処理条件
を説明するための特性図である。（ｂ）ＵＶキュア時
の基板昇温レートとレジストパタン傾斜角の関係を示す
特性図（パラメータはＵＶキュア処理前のレジストパタ
ンの側壁傾斜角）である。（ｃ）は当該昇温レートを
パラメータとし、コンタクトホール或いはスルーホール
パタンのマスク上寸法とレジストパタン上の出来上り寸
法の関係を実測した特性図である。

【図４】従来技術である全面露光法の工程を説明するた
めの断面図である。

【符号の説明】

１…基板、２…層間絶縁膜、３…レジスト膜、５…非焦
点露光時の光の強度分布、２１…ＲＩＥ加工で層間膜に
膜減りが生ずる全面露光法で形成した層間絶縁膜、２２
…膜減りが生じていない本発明による層間絶縁膜加工後
の当該膜、２３…レジスト膜厚不足によって生じた層間
膜の膜減り量、３１…全面露光膜減りが生じたホール
形成後のレジスト膜、３２…レジスト膜減りが原理的に
生じていない本発明によってホールを形成した後のレジ
スト膜、４１…全面露光法で形成したレジスト膜減りが
大きいホールレジストパタン、４２…本発明で形成した
レジスト膜減りのないホールレジストパタン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/90 Ｂ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体装置の製造プロセスにおける、層
間絶縁膜に孔をあけて金属配線間を接続させる接続孔の
形成方法において、ポジ型レジスト膜を、同一箇所で、非焦点位置で露光す
るとともに焦点位置で露光した後現像する第１の工程
と、この第１の工程に引続き、加熱した基板ホルダーに基板
を載せて基板温度を徐々に上げながらＵＶ光を照射して
ホールレジストパタンの断面形状をテーパ状に制御する
第２の工程と、この第２の工程に引続き、ＲＩＥ加工により層間絶縁膜
をエッチングして接続孔を形成する第３の工程とを有す
ることを特徴とする接続孔の形成方法。