JP3453996B2 - 酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高集積度半導体装置
等の製造分野で適用される酸化シリコン系絶縁膜のプラ
ズマエッチング方法に関し、更に詳しくは、導電材料等
からなる下地材料層上の酸化シリコン系絶縁膜に接続孔
を開口する場合等に用いて有用な、酸化シリコン系絶縁
膜のプラズマエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化、高
性能化が進展するに伴い、そのデザインルールはハーフ
ミクロンからサブクォータミクロンへと縮小しつつあ
る。これに伴い、酸化シリコン系絶縁膜に微細加工を施
し、接続孔等を形成するためのプラズマエッチング方法
に対する技術的要求はますます厳しさを増している。

【０００３】例えば、半導体デバイスの信号処理の高速
化や、半導体素子自体の微細化を図るため、例えばＭＯ
Ｓトランジスタにおいては不純物拡散層の接合深さが浅
くなっている。またＳＲＡＭの負荷抵抗素子として用い
られるＰＭＯＳ−ＴＦＴのソース・ドレイン領域に臨む
接続孔を開口するデバイス構造がある。このような薄い
導電材料層を下地とする酸化シリコン系絶縁膜のプラズ
マエッチングにおいては、従来以上に対下地材料層との
選択性に優れ、下地材料層のダメージが少ないプラズマ
エッチング方法が求められる。

【０００４】さらに、対レジストマスクの選択比向上も
重要な問題である。微細なデザインルールの半導体装置
を安定に製造するために、プラズマエッチング中に生じ
るレジストマスクの後退による寸法変換差の発生は、極
く僅かなレベルのものでも許容され難くなりつつあるか
らである。

【０００５】酸化シリコン系材料膜のプラズマエッチン
グは、強固なＳｉ−Ｏ結合（７０５ｋＪ／ｍｏｌ）を切
断する必要があるため、スパッタリング効果のあるイオ
ン性の強いエッチングモードが採用されている。一般的
なエッチングガスはＣＦ₄ やＣ₃ Ｆ₈ 等 を代表とする
ＣＦ系ガスを主体とするものであり、ＣＦ系ガスから解
離生成するＣＦ_x ⁺ の入射イオンエネルギによるスパッ
タリング作用と、構成元素である炭素の還元性によるＳ
ｉ−Ｏ結合の分断作用、および蒸気圧の大きい反応生成
物であるＳｉＦ_x の生成除去を利用するものである。し
かしイオンモードのプラズマエッチングの特徴として、
エッチングレートは一般に大きくはない。そこで高速エ
ッチングを指向して入射イオンエネルギを高めると、エ
ッチング反応は物理的なスパッタリングを主体とする形
となり、選択性は低下する。すなわち、ＣＦ系ガスによ
る酸化シリコン系材料層のプラズマエッチングは、高速
性と選択性は両立しがたいものであった。

【０００６】また従来技術により高い選択比を得るため
には、ＣＦ系ガスの反応生成物を主体とするフッ化炭素
系ポリマを厚く堆積する必要があり、このようなガスケ
ミストリで同一エッチングチャンバ内でプラズマエッチ
ングを重ねると、エッチングレートの低下やパーティク
ルレベルの悪化を招く。エッチングレートの低下は微細
パターンほど顕著に表れ、いわゆるマイクロローディン
グ効果による接続孔の抜け不良が発生する。

【０００７】酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチン
グにおける選択比を向上するため、ＣＦ系ガスにＨ₂ を
添加したり、分子中にＨを含むＣＨＦ₃ 等ＣＨＦ系ガス
を採用する従来技術がある。これはプラズマ中に生成す
るＨラジカル（Ｈ^* ）により、プラズマ中の過剰なＦラ
ジカル（Ｆ^* ）を捕捉し、ＨＦの形でエッチングチャン
バ外に除去し、エッチング反応系の実質的なＣ／Ｆ比
（Ｃ原子とＦ原子の割合い）を増加させる思想にもとづ
く。Ｃ／Ｆ比の増加は、エッチングと競合して堆積する
フッ化炭素系ポリマ中のＦ原子の含有量を低減し、イオ
ン入射耐性向上等の膜質強化作用があり、したがってＳ
ｉ等の下地との選択性を向上する効果がある。フッ化炭
素系ポリマは、被エッチング膜である酸化シリコン系絶
縁膜上ではその表面からスパッタアウトされるＯ原子と
反応して酸化除去されるので実質的には堆積せず、エッ
チングレートを低下することはない。しかしフッ化炭素
系ポリマは、酸化作用を有さないＳｉ等の下地上に専ら
堆積し、イオン入射から下地を保護するため実質的なエ
ッチングストッパとして機能し、このために選択比が向
上するのである。これらＣ／Ｆ比の概念や高選択性が達
成される機構については、例えばＪ．Ｖａｃ．Ｓｃｉｅ
ｎｃｅ．Ｔｅｃｈ，１６（２），３９１（１９７９）に
報告されている。

【０００８】また最近においては、イオン入射耐性とい
う物理的観点とは異なった立場からフッ化炭素系ポリマ
の膜質を見直す動向がある。すなわち、Ｆ原子リッチな
フッ化炭素系ポリマが下地材料層であるＳｉ等の露出面
に堆積した場合には、フッ化炭素系ポリマ中のＦ原子と
下地のＳｉ原子とは、単なる吸着あるいは付着にとどま
らず、イオンの入射にアシストされて化学反応および反
応生成物の脱離過程と進む。この一連の過程は、とりも
なおさずエッチング反応であり、対下地材料層の選択比
が低下する原因となる。このような観点から、フッ化炭
素系ガスにＣＯを添加し、プラズマ中の過剰なＦ^* をＣ
ＯＦ_x 等の形で捕捉してＣ／Ｆ比を増加する試みが第４
０回応用物理学関係連合講演会（１９９３年春季年会）
講演予稿集ｐ６１４、講演番号３１ａ−ＺＥ−１０に報
告されている。また同様の観点から、ＮＦ₃ 等の無機フ
ッ素系エッチングガスにＣＯを添加して余剰のＦ^* を捕
捉し、選択比を向上する提案が、例えば米国特許第４，
８０７，０１６号明細書に開示されている。

【０００９】しかしながら、フッ化炭素系ガスにＨ₂ や
ＣＯを添加して下地材料層との選択比を向上する手法に
おいては、これら添加ガスの引火性や安全性について充
分な配慮が必要である。とりわけクリーンルーム等の閉
鎖空間での取り扱いには、検討の余地が大きい。また実
用化に当たっては排気ガスの処理設備を新たに設ける必
要がある。

【００１０】一方半導体装置内での信号伝播の遅延を防
止するため、配線間の絶縁膜を低誘電率化し配線間容量
を低減する試みがロジックＬＳＩ等の高速性を要求され
る半導体デバイスを主体として鋭意検討されている。低
誘電率材料としては一般的な層間絶縁膜材料であるＳｉ
Ｏ₂ にＦを添加したＳｉＯＦが代表的であり、成膜プロ
セスにおいて従来技術と連続性があることからも注目さ
れる。一例としてＴＥＯＳ／Ｏ₂ ／ＣＦ₄ 系原料ガスを
用いたプラズマＣＶＤ方法が１９９３ ＤｒｙＰｒｏｃ
ｅｓｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ 予稿集ｐ１６３、講演番
号Ｖ−２に報告されている。この方法によればＳｉＯ₂
に６ａｔ．％程度のＦを含有させることにより、比誘電
率は４．１から３．２程度まで低減される。

【００１１】しかしながら、ＳｉＯＦやＳｉＯＮＦ等の
低誘電率酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチングに
おいては、これら被エッチング膜からエッチング中に逐
次Ｆ^* が放出され、プラズマ中のＦ^* 濃度を高める。被
エッチング膜から放出されるＦ^* も、下地材料層である
シリコンや、レジストマスクのエッチャントとなるの
で、エッチング選択比の確保はＳｉＯ₂ やＰＳＧ、ＢＳ
Ｇ、ＢＰＳＧ等の一般的な酸化シリコン系絶縁膜に比較
して一層困難なものとなる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したＳ
ｉＯＦ系絶縁膜をも含む酸化シリコン系絶縁膜のプラズ
マエッチングに関する各種問題点を解決することをその
課題としている。すなわち本発明の課題は、下地材料層
上に形成された酸化シリコン系絶縁膜をパターニングす
るに当たり、対下地材料層および対レジストマスクの選
択比に優れ、かつマイクロローディング効果が小さくパ
ーティクル汚染の少ないプラズマエッチング方法を提供
することである。

【００１３】本発明の別の課題は、エッチングガス系か
らＨ₂ やＣＯ等、使用にあたって引火性や安全性に検討
の余地のあるガスを排除し、また新たに排気ガス処理施
設等の設備投資が不要な酸化シリコン系絶縁膜のプラズ
マエッチング方法を提供することである。

【００１４】さらに本発明の別の課題は、配線間容量が
低減され信号伝播速度が向上した高集積度半導体装置を
安定に製造しうる低誘電率酸化シリコン系絶縁膜のプラ
ズマエッチング方法を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の酸化シリコン系
絶縁膜のプラズマエッチング方法は、上述した課題を達
成するために提案するものであり、その第１の発明（請
求項１）は、ＮおよびＨを構成元素として含むガスと、
ＣおよびＦを構成元素として含むガスとを含む混合ガス
を用い、下地材料層上のＦを構成元素とする低誘電率酸
化シリコン系絶縁膜をパターニングすることを特徴とす
るものである。

【００１６】また第２の発明（請求項２）は、Ｎおよび
Ｈを構成元素として含むガスと、ＣおよびＦを構成元素
として含むガスとを含む混合ガスを用い、下地材料層上
のＦを構成元素とする低誘電率酸化シリコン系絶縁膜
を、下地材料層が露出する直前までパターニングする工
程と、この混合ガス中の、ＮおよびＨを構成元素として
含むガスの混合比を高め、下地材料層上のＦを構成元素
とする低誘電率酸化シリコン系絶縁膜の膜厚方向の残部
をパターニングする工程とを、この順に施すことを特徴
とするものである。下地材料層が露出する直前までパタ
ーニングする工程（ジャストエッチング工程）において
は、エッチングレートのわずかな不均一性から、被エッ
チング基板上の一部において下地材料層が不可避的に僅
かに露出する場合もあり得るが、かかる場合も含むもの
とする。

【００１７】さらに第３の発明（請求項３）は、Ｎおよ
びＨを構成元素として含むガスと、放電解離条件下でプ
ラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化合物ガ
スとを含む混合ガスを用いるとともに、被エッチング基
板を室温以下に制御しつつ、下地材料層上のＦを構成元
素とする低誘電率酸化シリコン系絶縁膜をパターニング
することを特徴とするものである。

【００１８】本発明においてＮおよびＨを構成元素とし
て含むガスとしては、ＮＨ₃ （ｍｐ＝−７７．７℃、ｂ
ｐ＝３３．３５℃）、Ｎ₂ Ｈ₄ （ｍｐ＝２．０℃、ｂｐ
＝１１３．５℃）およびＮＨ₄ ＨＳのうちのいずれか少
なくとも１種である。このうち、ＮＨ₄ ＨＳ (Ammonium
Hydrosulfide)は、（ＮＨ₄ ）₂ Ｓ (Ammonium Sulfid
e、−１８℃以下で結晶化）の熱分解により生成する化
合物である。また本発明で採用するＣおよびＦを構成元
素として含むガスは一般式Ｃ_n Ｆ_mあるいはこれらの化
合物内のＦ原子の一部をＨで置換したＣ_n Ｈ_l Ｆ
_m-l （ｎ、ｍおよびｌはそれぞれ自然数）で表される化
合物であり、飽和化合物あるいは不飽和化合物、あるい
は鎖状、環状等の分子構造の別を問わない。さらに本発
明で用いる放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウ
を放出しうるイオウ系化合物ガスは、具体的にはＳ₂ Ｆ
₂ 、ＳＦ₂ 、ＳＦ₄ 、Ｓ₂ Ｆ₁₀、Ｓ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓ₃ Ｃｌ
₂ 、ＳＣｌ₂ 、Ｓ₂ Ｂｒ₂ 、Ｓ₃ Ｂｒ₂ 、Ｓ₂ Ｂｒ等の
ハロゲン化イオウ系ガス、およびＨ₂ Ｓが例示され、こ
れら単独または組み合わせて使用できる。室温において
液状の化合物は、公知の方法で加熱気化して用いればよ
い。ハロゲン化イオウガスとして一般的なＳＦ₆ は、放
電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出するこ
とは困難であるので、これを除外する。また室温とは通
常の半導体装置の製造プロセスに供するクリーンルーム
の室温のことであり、通常２０〜２５℃である。

【００１９】本発明でエッチングの対象とする酸化シリ
コン系絶縁膜は、ＳｉＯｘＦｚおよびＳｉＯｘＮｙＦｚ
（ＳｉＯＦおよびＳｉＯＮＦと略記）のうちのいずれか
１種である。またこれら酸化シリコン系絶縁膜に、Ｐ、
Ｂ、Ａｓ等の不純物を含むものであってもよい。またそ
の成膜方法は減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、常圧Ｃ
ＶＤ法、スパッタリング法、塗布焼成法等の別を問わな
い。

【００２０】つぎに作用の説明に移る。いずれの発明に
も共通する作用として、ＮおよびＨを構成元素として含
むガスが放電解離条件下でプラズマ中に遊離生成するＨ
原子あるいはその活性種のみならず、Ｎ原子あるいはそ
の活性種が共同してシリコン材料やレジストマスクのエ
ッチャントとなるフッ素ラジカル（Ｆ^* ）を捕捉するの
で、過剰Ｆ^* による選択比低下が防止される。またエッ
チングと競合して堆積するフッ化炭素系ポリマ中のフッ
素含有量が低下するのでカーボンリッチな組成となりそ
の膜質が強化され、入射イオンやラジカルの攻撃に対す
る耐性が高まり、この面からもシリコン材料やレジスト
マスクとの選択比が向上する。とりわけ、Ｆを構成元素
とするＳｉＯＦ等の低誘電率酸化シリコン系絶縁膜の場
合には、エッチング進行中に逐次Ｆ^* を放出するのでエ
ッチャントが過剰となり易いが、本発明の採用によりこ
れら被エッチング膜から放出されるＦ^* も捕捉されるの
で、選択比の低下は効果的に回避される。

【００２７】第２の発明においては、ジャストエッチン
グ工程に相当する下地材料層が露出する直前までパター
ニングした時点で混合ガスの混合比を変更し、その後の
オーバーエッチング工程においてはＮおよびＨを構成元
素として含むガスの混合比を高める。この２段階エッチ
ングにより、ジャストエッチング工程においては実用的
な高速エッチングレートを確保できる。さらにオーバー
エッチング工程においてはプラズマ中のＦ^* を一層低減
し、またより効果的にＦ含有量の小さいフッ化炭素系ポ
リマが生成されるので、入射イオンエネルギを低減した
条件でも高選択比エッチングが可能となる。当然これに
より下地材料層のイオン照射ダメージも低減される。

【００２４】さらに第３の発明においては、被エッチン
グ基板温度が低温制御されることによりラジカル反応が
抑制されること、およびイオウ系化合物ガスの解離生成
により、被エッチング基板上にはフッ化炭素系ポリマの
他にイオウ系材料が堆積することの相乗効果により、Ｓ
ｉ等の対下地材料選択比や対レジストマスク選択比がさ
らに向上する。一方酸化シリコン系材料層表面では、ス
パッタリングにより放出されるＯにより、ＣＦ系ポリマ
同様にイオウ系材料はＳＯやＳＯ₂ となって速やかに除
去されるので、エッチングレートの低下は事実上起こら
ない。したがって、エッチングレートを確保したまま高
選択比エッチングが可能となる。酸化シリコン系材料層
のパターニング終了後は、被エッチング基板を約１５０
℃以上に加熱すれば堆積したイオウ系材料は速やかに昇
華除去され、被エッチング基板に対するコンタミネーシ
ョンやパーティクル汚染を残す虞れはない。イオウ系材
料は、レジストアッシングの際にレジストと同時に酸化
除去することも可能である。なお、堆積するイオウ系材
料としては、元素状イオウ、およびイオウが窒化および
重合して生成するポリチアジルがある。ポリチアジルは
イオウよりさらにイオン入射耐性が大きく、選択比向上
やダメージ防止効果が高い。イオウは減圧下約９０℃以
上、ポリチアジルは約１５０℃以上で昇華除去可能であ
る。イオウおよびポリチアジルの昇華温度から明らかな
ように、被エッチング基板温度がこれら昇華温度未満で
あればイオウあるいはポリチアジルは堆積可能である。
ただし堆積膜の安定性の観点からは、被エッチング基板
温度を室温以下、例えば一般的なクリーンルーム温度で
ある２０〜２５℃以下に制御することが望ましい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を一例としてコンタクトホール
やビアホール加工に適用した具体的実施例につき、添付
図面を参照して説明する。

【００２７】実施例１ 本実施例は第１の発明を適用し、フッ化炭素系ガスであ
るＣ₃ Ｆ₈ と、ＮＨ_３との混合ガスにより、シリコン基
板上のＳｉＯ_２ からなる酸化シリコン系絶縁膜をプラ
ズマエッチングしてコンタクトホールを形成した例であ
り、これを図１（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。

【００２８】まず図１（ａ）に示すように、予め不純物
拡散層２等が形成されたＳｉ等の半導体基板１上に、Ｓ
ｉＯ₂ からなる酸化シリコン系絶縁膜３を形成する。こ
の酸化シリコン系絶縁膜は、一例としてＴＥＯＳ／Ｈ₂
Ｏ／Ｏ₂ 系のソースガスを用い、プラズマＣＶＤにより
成膜したものである。酸化シリコン系絶縁膜３の厚さは
一例として５００ｎｍである。つぎに化学増幅型レジス
トとＫｒＦエキシマレーザリソグラフィにより、０．２
５μｍの開口径を有するレジストマスク４を接続孔開口
位置にパターニングする。ここまで形成した図１（ａ）
に示すサンプルを、被エッチング基板とする。

【００２９】つぎにこの被エッチング基板を磁場を併用
したマグネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ上に載置
し、下記条件により酸化シリコン系材料層３の露出部分
をプラズマエッチングする。なお基板ステージは、アル
コール系冷媒が循環する冷却配管と抵抗加熱ヒータおよ
び温度センサ等を内蔵することにより、０℃以下に温度
制御できるものである。 Ｃ₃ Ｆ₈ ５０ ｓｃｃｍ ＮＨ₃ ２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー密度 ２．０ Ｗ／ｃｍ² （１３．５６ＭＨｚ） 磁界強度 １．５×１０^-2 Ｔ 被エッチング基板温度 ５ ℃ 被エッチング基板温度は、エッチング工程中５℃を維持
した。このプラズマエッチング工程においては、Ｆ^* に
よるラジカル反応が、主としてＣＦ_x ⁺ のイオン入射に
アシストされる形で酸化シリコン系絶縁膜３の異方性エ
ッチングが進行した。エッチングレートは８５０ｎｍ／
ｍｉｎであった。

【００３０】またプラズマ中にはＮＨ₃ の解離により生
成したＨ原子のみならず、Ｎ原子あるいはこれら原子の
活性種が、Ｃ₃ Ｆ₈ の解離や被エッチング層から放出さ
れる過剰なＦ^* を捕捉する。この結果、被エッチング基
板上に堆積するフッ化炭素系ポリマ（図示せず）は、Ｆ
成分の含有量の少ないものであり、高いイオン入射耐性
を有していた。フッ化炭素系ポリマは、プラズマエッチ
ングにより露出する下地材料層であるシリコン等の半導
体基板、正確には不純物拡散層２上やレジストマスク４
上に主として堆積する結果、高い選択比が得られる。す
なわち、下地材料層である半導体基板１が露出した段階
で、その表面にフッ化炭素系ポリマが堆積するのでエッ
チングレートは大幅に低下し、この結果高い選択比が達
成されるのである。選択比は、対下地材料層が約４０、
対レジストマスクが約７であった。被エッチング基板に
コンタクトホール５が開口された、プラズマエッチング
終了後の状態を図１（ｂ）に示す。

【００３１】本実施例によれば、Ｃ₃ Ｆ₈ とＮＨ₃ を含
む混合ガスを用いて酸化シリコン系絶縁膜をプラズマエ
ッチングすることにより、高い選択比と均一性を共に満
たすコンタクトホール開口プロセスが達成できた。

【００３２】実施例２ 本実施例は、同じく第１の発明を適用し、Ｃ₄ Ｆ₈ と、
ＮＨ₃ を含む混合ガスにより、下層配線上の低誘電率酸
化シリコン系絶縁膜をプラズマエッチングしてビアホー
ルを開口した例であり、これを図２（ａ）〜（ｂ）を参
照して説明する。

【００３３】本実施例で採用した図２（ａ）に示す被エ
ッチング基板は、下層層間絶縁膜６上に例えば不純物を
含む多結晶シリコンからなる下層配線７とＳｉＯＦから
なる低誘電率酸化シリコン系絶縁膜３０が形成され、さ
らに下層配線７に臨む、例えば０．２５μｍの開口部が
設けられたレジストマスク４を形成したものである。低
誘電率酸化シリコン系絶縁膜３０は一例としてＴＥＯＳ
／Ｃ₂ Ｆ₆ ／Ｈ₂ Ｏ／Ｏ₂ 系の原料ガスを用いたプラズ
マＣＶＤにより形成したものであり、その厚さ例えば５
００ｎｍである。このプラズマＣＶＤ法は本願出願人が
特願平６−９７６３１号明細書として出願したものであ
り、残留水酸基や有機物が少なく、またステップカバレ
ッジにも優れたものである。

【００３４】この被エッチング基板を前実施例と同じマ
グネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ上に載置し、下記
条件により低誘電率酸化シリコン系絶縁膜３０の露出部
分をプラズマエッチングする。 Ｃ₄ Ｆ₈ ５０ ｓｃｃｍ ＮＨ₃ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー密度 ２．０ Ｗ／ｃｍ² （１３．５６ＭＨｚ） 磁界強度 １．５×１０^-2 Ｔ 被エッチング基板温度 ５ ℃ 被エッチング基板温度は、エッチング工程中５℃を維持
した。このプラズマエッチング工程においては、Ｆ^* に
よるラジカル反応が、主としてＣＦ_x ⁺ のイオン入射に
アシストされる形で低誘電率酸化シリコン系絶縁膜３０
の異方性エッチングが進行した。エッチングレートは８
５０ｎｍ／ｍｉｎであった。

【００３５】またプラズマ中にはＮＨ₃ の解離により生
成したＨ原子のみならずＮ原子あるいはこれらの原子の
活性種が、Ｃ₄ Ｆ₈ の解離や被エッチング層から放出さ
れる過剰なＦ^* を捕捉するので、エッチングの選択比は
下地材料層である多結晶シリコンからなる下層配線７に
対して約４０、レジストマスク４に対し約６の値が得ら
れた。ビアホール８が開口された、プラズマエッチング
終了後の状態を図２（ｂ）に示す。本実施例によれば、
Ｃ₄ Ｆ₈ とＮＨ₃ を含む混合ガスを用いて低誘電率酸化
シリコン系絶縁膜をプラズマエッチングすることによ
り、高い選択比と均一性を共に満たすビアホール開口プ
ロセスが達成できた。

【００３６】実施例３ 本実施例は第２の発明を適用し、シリコン基板上のＳｉ
Ｏ₂ からなる酸化シリコン系絶縁膜を、フッ化炭素系ガ
スであるＣ₃ Ｆ₈ と、Ｎ₂ Ｈ₄ を含む混合ガスにより、
その混合比を変えて２段階プラズマエッチングしてコン
タクトホールを形成した例であり、これを図３（ａ）〜
（ｃ）を参照して説明する。

【００３７】図３（ａ）に示す被エッチング基板は前実
施例１で参照した図１（ａ）に示す被エッチング基板と
同様であるので重複する説明は省略する。この被エッチ
ング基板をマグネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ上に
載置し、下記条件により酸化シリコン系材料層３の露出
部分を下地材料層が露出する直前までプラズマエッチン
グする。 Ｃ₃ Ｆ₈ ５０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ Ｈ₄ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー密度 ２．２ Ｗ／ｃｍ² （１３．５６ＭＨｚ） 磁界強度 １．５×１０^-2 Ｔ 被エッチング基板温度 １５ ℃ エッチングの終点は、予め同一のエッチング条件で酸化
シリコン系絶縁膜３のエッチングレートを求めておき、
時間制御により決定した。第１段のプラズマエッチング
終了後の状態を図３（ｂ）に示す。コンタクトホール開
口予定個所の凹部底面には、酸化シリコン系絶縁膜の残
余部３ａが見られる。本エッチング工程は基本的には前
実施例１と同様の原理にもとづきエッチングが進行する
が、ＲＦ電源パワー密度と被エッチング基板温度を高め
た条件を採用したのでエッチングレートは１２００ｎｍ
／ｍｉｎとなった。

【００３８】つぎにＮ₂ Ｈ₄ の混合比を高めた下記プラ
ズマエッチング条件に切り替え、酸化シリコン系絶縁膜
の残余部３ａを除去する。 Ｃ₃ Ｆ₈ ４０ ｓｃｃｍ Ｎ₂ Ｈ₄ ２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ２．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー密度 １．２ Ｗ／ｃｍ² （１３．５６ＭＨｚ） 磁界強度 １．５×１０^-2 Ｔ 被エッチング基板温度 １５ ℃ 本オーバーエッチング工程においては、Ｎ₂ Ｈ₄ の混合
比を高めたことによりＦ^* が有効に補足されたこと、お
よびＲＦ電源パワー密度を低減したことの寄与により、
エッチング選択比は対下地材料層が約６０、対レジスト
マスクが約９であった。酸化シリコン系絶縁膜３にコン
タクトホール５が開口されたプラズマエッチング終了後
の状態を図３（ｃ）に示す。

【００３９】本実施例によれば、Ｎ₂ Ｈ₄ の混合比を変
更する２段階エッチング条件の採用により、高い選択
比、均一性および高スループットをともに満たす酸化シ
リコン系絶縁膜のプラズマエッチングが可能となる。

【００４０】実施例４ 本実施例は本願の第３の発明を適用し、ＣＦ₄ ／ＮＨ₃
／Ｓ₂ Ｆ₂ 混合ガスにより下層配線上の低誘電率酸化シ
リコン系絶縁膜をプラズマエッチングしてビアホールを
開口した例であり、これを再度図２（ａ）〜（ｂ）を参
照して説明する。

【００４１】本実施例で採用した図２（ａ）に示す被エ
ッチング基板は、先の実施例２で説明したものと同一で
あるので重複する説明は省略する。この被エッチング基
板を、基板バイアス印加型ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ
ｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置
の基板ステージ上に載置し、下記条件により低誘電率酸
化シリコン系絶縁膜３０の露出部分をプラズマエッチン
グする。このエッチング装置の基板ステージは、チラー
により冷却したアルコール系冷媒を循環することにより
被エッチング基板を−数十℃に冷却できる機構を有す
る。 ＣＦ₄ ２０ ｓｃｃｍ ＮＨ₃ ２０ ｓｃｃｍ Ｓ₂ Ｆ₂ ２０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ０．８ Ｐａ ＩＣＰ電源 １０００ Ｗ（２．０ＭＨｚ） 基板バイアス電圧 ３００ Ｖ 被エッチング基板温度 −３０ ℃ 被エッチング基板温度は、エッチング工程中−３０℃を
維持した。このプラズマエッチング工程においては、Ｃ
Ｆ₄ およびＳ₂ Ｆ₂ の解離によりプラズマ中に生じたＦ
^* によるラジカル反応が、主としてＣＦ_x ⁺ のイオン入
射にアシストされる形で低誘電率酸化シリコン系絶縁膜
３０の異方性エッチングが進行した。エッチングレート
は９５０ｎｍ／ｍｉｎであった。

【００４２】またプラズマ中にはＮＨ₃ の解離により生
成したＨ原子のみならずＮ原子、あるいはこれら原子の
活性種が過剰なＦ^* を捕捉すること、および低温冷却に
よりＦ^* 自体の活性が抑制されていること、さらにＦ含
有量の少ない強固なフッ化炭素系ポリマに加えてイオウ
系材料の堆積を併用しうること等の効果により、エッチ
ングの選択比は実施例３と比較してさらに高い値が得ら
れた。またイオウの堆積分だけフッ化炭素系ポリマの堆
積量を低減することが可能であり、この結果マイクロロ
ーディング効果も有効に低減された。プラズマエッチン
グ終了後の状態を図２（ｂ）に示す。本実施例により堆
積するイオウ系材料は、元素状イオウおよびポリチアジ
ルの混合物であった。

【００４３】本実施例によれば、ＣＦ₄ とＮＨ₃ の混合
ガスに、さらにＳ₂ Ｆ₂ を添加し、被エッチング基板を
室温以下に制御しながら低誘電率酸化シリコン系絶縁膜
をパターニングすることにより、高い選択比と下地材料
層に与える低ダメージ性をともに達成することができ
る。特に本実施例においては、プラズマエッチング終了
後、基板ステージを１５０℃以上に加熱することによ
り、被エッチング基板上や基板ステージ近傍に堆積した
イオウ系材料は容易に昇華除去でき、パーティクル汚染
やコンタミネーション汚染を惹起することがない。また
フッ化炭素系ポリマの堆積を低減でき、被エッチング基
板の処理枚数を重ねて連続処理を行っても、フッ化炭素
系ポリマ過剰なチャンバ内雰囲気が形成されることな
く、エッチングレートの低下やマイクロローディング効
果が発生することはない。またチャンバ内のパーティク
ルレベルが増加することもない。

【００４４】以上、本発明を４つの実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。

【００４５】例えば、ＮとＨを構成元素として含むガス
としてＮＨ₃ とＮ₂ Ｈ₄ を例示したが、先述したように
ＮＨ₄ ＨＳを用いることも可能である。またＣとＦを構
成元素として含むガスとしてＣ₄ Ｆ₈ とＣ₃ Ｆ₈ および
ＣＦ₄を例示したが、飽和、不飽和を問わず他のＣＦ系
ガスを単独または組み合わせて用いることができる。Ｆ
原子の一部がＨに置換されたＣＨＦ系ガスを用いてもよ
い。同じく、Ｆ原子の一部がＣｌやＢｒ等他のハロゲン
原子に置換された化合物であってもよい。

【００４６】放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオ
ウを放出しうるハロゲン化イオウ系ガスとして、Ｓ₂ Ｆ
₂ を代表としてとりあげたが、これ以外にＳＦ₂ 、ＳＦ
₄ 、Ｓ₂ Ｆ₁₀、Ｓ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓ₃ Ｃｌ₂ 、ＳＣｌ₂ 、Ｓ
₂ Ｂｒ₂ 、Ｓ₃ Ｂｒ₂ 、およびＳ₂ Ｂｒ₁₀が例示され、
これら単独または組み合わせて使用できる。Ｈ₂ Ｓは単
独ではエッチング作用はないので、ＣＦ系ガスや他のハ
ロゲン系ガスと併用する必要がある。

【００４７】低誘電率酸化シリコン系絶縁膜としてＳｉ
ＯＦを例示したが、窒素を含有するＳｉＯＮＦであって
もよい。これらにさらにＰ、ＢおよびＡｓ等の不純物を
含有していてもよい。レジストマスクを使用しないセル
フアラインコンタクトへの適用も可能である。またコン
タクトホールやビアホール加工に限らず、ＬＤＤサイド
ウォールスペーサ加工等、下地材料層との高選択比が要
求される各種プラズマエッチングにも適用可能である。

【００４８】その他、被エッチング基板の構造、プラズ
マエッチング装置、プラズマエッチング条件等、本発明
の技術的思想の範囲内で適宜選択して適用することが可
能である。

【００４９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本願の
第１〜３の発明によればプラズマ中のＦ*の制御、およ
び被エッチング基板上に堆積するフッ化炭素系ポリマ中
のＦ含有量の制御により、酸化シリコン系絶縁膜の高選
択比エッチングが可能となる。

【００５０】第２の発明によれば、混合ガスの組成比を
変えた２段階エッチングの採用により高スループット加
工に加え、上記効果を徹底できる。

【００５１】第３の発明によれば、イオウあるいはポリ
チアジルの堆積を併用することにより、一層の選択比の
向上と低ダメージに加え、マイクロローディング効果の
低減および低汚染の効果が得られる。

【００５２】以上の効果により、本発明によれば高集積
度半導体装置を安定に製造することが可能な酸化シリコ
ン系絶縁膜のプラズマエッチング方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマエッチング方法を適用した実
施例１を、その工程順に説明する概略断面図であり、
（ａ）は酸化シリコン系絶縁膜上にコンタクトホール開
口用のレジストマスクを形成した状態、（ｂ）は酸化シ
リコン系絶縁膜をパターニングしてコンタクトホールを
完成した状態である。

【図２】本発明のプラズマエッチング方法を適用した実
施例２および４を、その工程順に説明する概略断面図で
あり、（ａ）は低誘電率酸化シリコン系絶縁膜上にビア
ホール開口用のレジストマスクを形成した状態、（ｂ）
は低誘電率酸化シリコン系絶縁膜をパターニングしてビ
アホールを完成した状態である。

【図３】本発明のプラズマエッチング方法を適用した実
施例３を、その工程順に説明する概略断面図であり、
（ａ）は酸化シリコン系絶縁膜上にコンタクトホール開
口用のレジストマスクを形成した状態、（ｂ）は酸化シ
リコン系絶縁膜を下地材料層が露出する直前までパター
ニングした状態、（ｃ）は酸化シリコン系絶縁膜の膜厚
方向の残部をパターニングしてコンタクトホールを完成
した状態である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…不純物拡散層、３…酸化シリコン
系絶縁膜、３ａ…酸化シリコン系絶縁膜の残余部、４…
レジストマスク、５…コンタクトホール、６…下層層間
絶縁膜、７…下層配線、８…ビアホール、３０…低誘電
率酸化シリコン系絶縁膜

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01L 21/28 H01L 21/768

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＮおよびＨを構成元素として含むガス
   と、ＣおよびＦを構成元素として含むガスとを含む混合
   ガスを用い、下地材料層上のＦを構成元素とする低誘電
   率酸化シリコン系絶縁膜をパターニングすることを特徴
   とする酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチング方
   法。
2. 【請求項２】 ＮおよびＨを構成元素として含むガス
   と、ＣおよびＦを構成元素として含むガスとを含む混合
   ガスを用い、下地材料層上のＦを構成元素とする低誘電
   率酸化シリコン系絶縁膜を、前記下地材料層が露出する
   直前までパターニングする工程と、前記混合ガス中の、
   ＮおよびＨを構成元素として含むガスの混合比を高め、
   前記下地材料層上のＦを構成元素とする低誘電率酸化シ
   リコン系絶縁膜の膜厚方向の残部をパターニングする工
   程とを、この順に施すことを特徴とする酸化シリコン系
   絶縁膜のプラズマエッチング方法。
3. 【請求項３】 ＮおよびＨを構成元素として含むガス
   と、放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出
   しうるイオウ系化合物ガスとを含む混合ガスを用いると
   ともに、被エッチング基板を室温以下に制御しつつ、下
   地材料層上のＦを構成元素とする低誘電率酸化シリコン
   系絶縁膜をパターニングすることを特徴とする酸化シリ
   コン系絶縁膜のプラズマエッチング方法。
4. 【請求項４】 ＮおよびＨを構成元素として含むガス
   は、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４およびＮＨ_４ＨＳのうちのいずれ
   か少なくとも１種であることを特徴とする請求項１ない
   し３いずれか１項記載の酸化シリコン系絶縁膜のプラズ
   マエッチング方法。
5. 【請求項５】 酸化シリコン系絶縁膜は、ＳｉＯ_２、Ｓ
   ｉＯｘＦｚおよびＳｉＯｘＮｙＦｚのうちのいずれか１
   種であることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１
   項記載の酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチング方
   法。