JP3383939B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents
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Description
法に係わり、特に半導体ウエハに半導体デバイス構造を
形成する際のドライエッチング方法に関するものであ
る。
用いられている材料はSiO2 である。特に層間膜とし
て使用されているため、コンタクトホール(ビアホー
ル)や溝配線用の溝の形成など半導体デバイスのドライ
エッチング工程の中で最も用途が多い。
に用いられるストッパー膜(エッチングの進行を選択的
にそこで止めるための膜)としてはSi3 N4 (窒化シ
リコン膜)が最も多く用いられる。それは、膜としての
安定性、SiO2 膜との相性、耐熱性、絶縁性等、総合
的に見て絶縁膜のエッチングストッパ膜として最も優れ
た膜であるからである。
で用いられているガスはCxFy(x、yは正の整数)
主体のガスである。またこの主体のガスに、必要に応じ
てアルゴン(Ar)、酸素(O2 )、一酸化炭素(C
O)等が加えられる。
エッチングストッパとして最も多く用いられているのが
Si3 N4 であるが、現在一般的に行われているSiO
2 エッチングプロセスでは十分な高選択性が得られてい
ない。
2点が挙げられる。第1の理由は、最近用いられている
コンタクトホールはアスペクト比が極めて高いため、ホ
ール底部ではデポジション成分が侵入しにくく、十分な
保護効果が得られないことである。第2の理由は、Si
3 N4 が絶縁性といってもSiO2 に比べると誘電率が
高いために、コンタクトホールの外側では絶縁膜の一部
となるSi3 N4 はできるだけ薄く成膜される(50n
m程度)からである。そのため要求される選択性は50
〜100程度の極めて高い数字になる。これらの理由か
ら、絶縁膜エッチングにおけるSi3 N4 との選択比は
ほぼ無限大に近い選択比が要求されるが、現状のエッチ
ング方法では達成することが極めて困難である。
Si3 N4 に対して高選択性が得られなかったのは、主
要なガスとしてCxFyガスを用いるためにその活性種
がSi3 N4 に触れると表面ではまずCがNを引き抜
き、フリーになったSiにFが攻撃するというパターン
でエッチングが進んでしまうからであると考えられる。
(CN)xもSiF4 も高蒸気圧物質であるので反応が
起これば、エッチングは進んでしまう。
技術の問題点を解決した有効なドライエッチング方法を
提供することである。
ングストッパとしてSi3 N4 を有する半導体デバ
イス構造の酸化シリコン膜、フッ素を含有した酸化シリ
コン膜、又は有機SOG膜等の酸化シリコン系の絶縁膜
をエッチングしてコンタクトホールを形成するドライエ
ッチング方法において、前記絶縁膜の表面からヨウ素、
塩素、臭素を含まない第1のエッチングガスでエンチン
グを行って前記コンタクトホールの上部分を形成し、そ
の後、前記Si 3 N 4 に達するまで分子中にヨウ素
を含むガスを添加した第2のエッチングガスでエッチン
グを行って前記コンタクトホールの下部分を形成する2
段階エッチング方法を用いるドライエッチング方法にあ
る。但し、含有量としてはエッチングガス中のヨウ素と
炭素の比(I/C)が0.3≦(I/C)≦1.5であ
るような混合比とする。ここで、前記ヨウ素を含むガス
は、HIガス、若しくはCxHyIz(x、y、zは正
の整数)の構成を有するガスであることができる。
としてSi3 N4 を有する半導体デバイス構造の酸
化シリコン膜、フッ素を含有した酸化シリコン膜、又は
有機SOG膜等の酸化シリコン系の絶縁膜をエッチング
してコンタクトホールを形成するドライエッチング方法
において、前記絶縁膜の表面からヨウ素、塩素、臭素を
含まない第1のエッチングガスでエンチングを行って前
記コンタクトホールの上部分を形成し、その後、前記S
i 3 N 4 に達するまで分子中に塩素、又は臭素を含
むガスを添加した第2のエッチングガスでエッチングを
行って前記コンタクトホールの下部分を形成する2段階
エッチング方法を用いるドライエッチング方法にある。
但し、含有量としてはエッチングガス中の塩素、又は臭
素と炭素の比(Cl(又はBr)/C)が0.3≦(C
l(又はBr)/C)≦1.5であるような混合比とす
る。ここで、前記塩素、又は臭素を含むガスは、Cl2
ガス、HClガス、Br2 ガス、若しくはHBrガス
であることができる。
比が20以下のコンタクトホールを形成するときに用い
ることが好ましい。
によれば、エッチングガス中に含まれるヨウ素がSi3
N4 上でCNIという低蒸気圧物質を形成し、エッチン
グを抑止する。また、塩素或いは臭素を含むガスを用い
た場合にはCNCl或いはCNBrという比較的低蒸気
圧な物質を形成しエッチングを抑止する。
であるSiO2 や酸化シリコンにフッ素を含有させて誘
電率を低下させたSiOF、或いは有機SOG上では低
蒸気圧物質を生成しないため、高エッチングレートを得
ることができる。
yFz(x、y、zは正の整数)ガスを加える系では更
に蒸気圧の高いNH3 が生成するため、Si3 N4 に対
して高選択性を保つことは極めて困難であるが、ヨウ素
を含むガスを用いた場合にはこの系においても蒸気圧の
低いNH4 Iを形成しエッチングを抑止する。
炭素の比(I/C)が0.3≦(I/C)≦1.5であ
るという範囲を設定した理由は、その効果にアスペクト
比依存性があり、アスペクト比が大きいものほどI/C
比を高く設定する必要があることによる。すなわち、本
発明の発明者の種々の実験・調査によれば、パッドパタ
ーンのような平坦で大きなパターンをエッチングする際
にはI/C=0.3で十分なエッチング抑止効果を得た
が、現在用いられている半導体デバイスにおいて最も大
きいアスペクト比であるアスペクト比20(例えば、ホ
ール径0.15μm/深さ3.0μm)のコンタクトホ
ール底部のSi3 N4 で十分なエッチング抑止効果を得
るにはI/C=1.5が必要であった。そして、上記エ
ッチング抑止効果はホール径よりもアスペクト比に依存
していることも実験で確認した。このことは実施の形態
において説明する。
ロゲン元素である塩素或いは臭素を含むガスを用いても
同様の作用効果を有することを確認した。
図面を参照して説明する。第1の実施の形態のサンプル
の断面図を図1(A)に示す。すなわち図1(A)は半
導体基板上の下層配線層11上にSi3 N4 12、Si
O2 13を形成し、PR(フォトレジスト)14のパタ
ーンをマスクにし、Si3 N4 12をエッチングストッ
パとして、下層配線層に達するコンタクトホールを形成
するためにSiO2 13に異方性エッチングのドライエ
ッチングを施すサンプルである。
は1500nm、Si3 N4 の膜厚は50nmである。
した場合のプロセスガスのI/C比とSi3 N4 エッチ
レートについて調査した。本サンプルはKrF露光によ
りホール径0.3μmに解像しているので、エッチング
後のアスペクト比は5ということになる。
部のSi3 N4 エッチングレートを測定すると、I/C
比を増加させるほどホール底部のSi3 N4 エッチング
レートは低下し、本構造においてはI/C比0.65で
エッチングが全く進行しなくなった。プロセスガスのI
/C比とSi3 N4 エッチングレートの関係は図1
(B)のようになった。ここで、ホール底部のSi3 N
4 のエッチレートが0(ゼロ)になるI/C比をS値と
定義する。
て、アスペクト比と先述のS値との関係を調べると図1
(C)に示すように、ほぼ正比例の関係(S値=0.0
6×アスペクト比+0.3)にある事が分かった。ここ
で、半導体デバイスで実質的に必要となるアスペクト比
は20以下であるから、対Si3 N4 高選択エッチング
に有効なI/C比を0.3以上1.5以下であることが
判明した。
形態について説明する。PR(レジストマスク)14に
て幅0.3μm溝配線用の溝を形成する場合を示す。エ
ッチング前の形状を図2(A)に示す。
i3 N4が形成され、その上に層間膜として膜厚150
0nmのSiO2 が形成されている。
0nmで、KrF露光により幅0.3μmに解像した。
フォトレジストは現像処理後のベークで120℃の処理
を行った。
平行平板RIE装置であり、エッチング条件はC4 F8
/CO/Ar/HI=30/70/300/120(s
ccm)、圧力20mTorr, ステージ温度20℃
にて行った。本条件におけるI/C比は0.63であ
る。本条件によればSiO2 エッチレート:620nm
/min、SiO2 /PR選択比は12である。
50%としてエッチング時間を設定した。
示す。ホール底部のSi3 N4 削れは確認されず、デポ
ジションが18nm堆積していた。オーバーエッチ量を
100%としてエッチング時間を設定しても堆積するデ
ポジション膜厚が増加するだけで、ホール底部のSi3
N4 削れは確認されなかった。また、エッチング後の寸
法変化量を示すCD(Critical Dimens
ion)差も±4nm以内と良好であった。尚この後、
底部に露出するSi3 N4 をウエットエッチング等で除
去して下層配線層11に達するコンタクトホールが完成
する。
形態について説明する。この第3の実施の形態は、レジ
ストマスクにてホール寸法が0.20μmのSAC(S
elf Aligned Contact)を形成する
場合である。エッチング前の形状を図3(A)に示す。
ゲート絶縁膜17を介して、一対のゲート電極が膜厚2
00nmのPoly−Siを下膜18とし、その上の膜
厚200nmのWSiを上膜19として形成され、ゲー
ト電極間の半導体基板の部分にソース・ドレイン領域1
6が形成されている。
直上で250nm、側壁部で50nm程度の膜厚があ
る。SiO2 は1200nmの膜厚に形成されている。
フォトレジストマスクは膜厚600nmで、KrF露光
により径0.20μmに解像した。
板RIE装置であり、異方性エッチングであるドライエ
ッチング条件は、C4 F8 /Ar/O2 /CH2 F2 /
HI=30/200/3/5/60(scccm)、圧
力20mTorr、ステージ温度20℃にて行った。本
条件におけるI/C比は0.48である。
60nm/min、SiO2 /PR選択比は15であ
る。オーバーエッチ量をSiO2 膜厚に対して50%と
してエッチング時間を設定した。エッチング後形状の模
式図を図3(B)に示す。ゲート電極肩部のSi3 N4
削れは10nm程度確認された。そこで添加するHI流
量を72sccmとし、I/C比を0.58としたとこ
ろ、ゲート電極肩部のSi3 N4 削れ量は全く確認され
なくなった。
ッタ効率が高く、イオンの物理的作用によりエッチング
されやすいため、エッチング抑止物の生成効率を上げる
必要がある。実験によればHI流量を図1(C)のS値
に対し、少なくとも20%増加させることによりSi3
N4 エッチングを完全に抑止することができる。尚この
後、ソース・ドレイン領域16上のSi3 N4 をCHF
3 /O2 /Arの3元素ガスを用いたドライエッチング
で除去してソース・ドレイン領域16に達するコンタク
トホールが完成する。
ガスとしてHIガスを例示したが、CxHyIz(x、
y、zは正の整数)の構成を有するガスの場合も同様で
あった。
ではエッチングガスとして分子中にヨウ素を含むガスの
場合を例示したが、Cl2 ガス、HClガス、Br2 ガ
ス、若しくはHBrガスにより、エッチングガスとして
分子中に塩素、又は臭素を含むガスとした場合も同様で
あった。この場合は、図1(B)の横軸のI/CがCl
(又はBr)/Cとなる。
してSiO2 を例示したが、ドライエッチングをされる
絶縁膜がSiOFの場合も上記実施の形態と同様であっ
た。さらに、ドライエッチングをされる絶縁膜が酸化シ
リコンにメチル基等がついただけの有機SOGの場合も
エッチングメカニズムが酸化シリコンとほぼ同じである
から、上記実施の形態と同様であった。尚、有機SOG
は、MSQ(Metyle Silsesquioxa
ne)、HOSP(Hydride Organo S
iloxane Polymer)等である。
からSi3 N4 12に達するまで実施の形態に示した本
発明のエッチングガスによるエッチングを行った。
グすることとSi3 N4 との選択性をとることとの両立
が困難の場合は、前半のエッチングに、従来より用いら
れているC4 F8 /CO/Ar/O2 の4元素ガス等、
ヨウ素、塩素、臭素を含まないエッチングガスを用い、
後半のエッチング、すなわちSi3 N4 との選択性が問
題となるエッチングに本発明のエッチングガスを用いる
こともできる。
膜のエッチングガスとして分子中にヨウ素を含むガス
(HI,或いはCxHyIzの構成を持つガス)をエッ
チングガス中のヨウ素と炭素の比(I/C)が0.3≦
(I/C)≦1.5になるような混合比で添加し、ドラ
イエッチングを施すことにより、Si3 N4 に対してほ
ぼ無限大に近い選択比を有する絶縁膜エッチングが可能
になる。ここでヨウ素を含むガスの代わりに同じハロゲ
ン元素である塩素或いは臭素を含むガスを用いても同様
の効果が得られる。
れるヨウ素がSi3 N4 上でCNIという低蒸気圧物質
を形成することでエッチングを抑止する。また、塩素或
いは臭素を含むガスを用いた場合にはCNCl或いはC
NBrという比較的低蒸気圧な物質を形成しエッチング
を抑止する。
yFzガスを加える系では更に蒸気圧の高いNH3 が生
成するため、Si3 N4 に対して高選択性を保つことは
極めて困難であるが、ヨウ素を含むガスを用いた場合に
はこの系においても蒸気圧の低いNH4 Iを形成しエッ
チングを抑止する。
(A)はサンプル構造の断面図、(B)はI/C比とS
i3 N4 エッチングレートとの関係を示す図、(C)は
アスペクト比とS値との関係を示す図である。
(A)はプラズマエッチング前の断面図、(B)はプラ
ズマエッチング後の断面図である。
(A)はプラズマエッチング前の断面図、(B)はプラ
ズマエッチング後の断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 エッチングストッパとしてSi3 N4
を有する半導体デバイス構造の絶縁膜をエッチングし
てコンタクトホールを形成するドライエッチング方法に
おいて、前記絶縁膜の表面からヨウ素、塩素、臭素を含
まない第1のエッチングガスでエンチングを行って前記
コンタクトホールの上部分を形成し、その後、前記Si
3 N 4 に達するまで分子中にヨウ素を含むガスを添
加した第2のエッチングガスでエッチングを行って前記
コンタクトホールの下部分を形成する2段階エッチング
方法を用いることを特徴とするドライエッチング方法。
但し、含有量としてはエッチングガス中のヨウ素と炭素
の比(I/C)が0.3≦(I/C)≦1.5であるよ
うな混合比とする。 - 【請求項2】 前記ヨウ素を含むガスは、HIガス、若
しくはCxHyIz(x、y、zは正の整数)の構成を
有するガスであることを特徴とする請求項1記載のドラ
イエッチング方法。 - 【請求項3】 エッチングストッパとしてSi3 N4
を有する半導体デバイス構造の絶縁膜をエッチングし
てコンタクトホールを形成するドライエッチング方法に
おいて、前記絶縁膜の表面からヨウ素、塩素、臭素を含
まない第1のエッチングガスでエンチングを行って前記
コンタクトホールの上部分を形成し、その後、前記Si
3 N 4 に達するまで分子中に塩素、又は臭素を含む
ガスを添加した第2のエッチングガスでエッチングを行
って前記コンタクトホールの下部分を形成する2段階エ
ッチング方法を用いることを特徴とするドライエッチン
グ方法。但し、含有量としてはエッチングガス中の塩
素、又は臭素と炭素の比(Cl(又はBr)/C)が
0.3≦(Cl(又はBr)/C)≦1.5であるよう
な混合比とする。 - 【請求項4】 前記塩素、又は臭素を含むガスは、Cl
2 ガス、HClガス、Br2 ガス、若しくはHBr
ガスであることを特徴とする請求項3記載のドライエッ
チング方法。 - 【請求項5】 前記絶縁膜は酸化シリコン膜、フッ素を
含有した酸化シリコン膜、又は、有機SOG膜であるこ
とを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載
のドライエッチング方法。
Priority Applications (2)
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