JP3739586B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造過程において有機絶縁膜をエッチングするドライエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン基板上の微細な半導体素子間の配線において、回路の大規模集積化、微細化に伴い配線長が長くなるために配線間容量や信号遅延の増大が問題になってきている。そこで長距離配線による問題を解決するために、多層化をすることにより配線自由度を増加させて総配線長を低減させてきた。層間絶縁膜にはシリコン酸化膜が用いられており、その比誘電率が約４．２程度である。
【０００３】
しかしながら、近年の半導体素子の高集積化に伴い、従来のシリコン酸化膜では誘電率が高く、配線のＲＣ遅延を抑制することは非常に困難であった。このＲＣ遅延を引き起こす配線間容量の低減には、層間絶縁膜の低誘電率化が有効となる。そのため、酸化膜中にフッ素を添加することにより、誘電率を約３程度まで低減させることができるが、無機系材料により層間絶縁膜の誘電率をこれ以上下げることは難しい。そこで、有機系材料による層間絶縁膜としてポリアリールエーテル（poly-arylether）、ポリイミド、ポリパラキシレンやポリナフタレンなどを用いることでさらに比誘電率を２．０〜２．８に低減させることが提案されている。有機絶縁膜のエッチングには酸素が必要であり、従来、有機絶縁膜にコンタクトホール等の接続孔を形成するためのエッチングガスとして、酸素のみを用いたエッチングが行なわれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸素のみを用いたエッチングを行なうと、プラズマ中で過剰に酸素ラジカルが生成され、有機絶縁膜と酸素ラジカルとの反応確率が大きくなる。そのため、図３に示すように、接続孔７の形状がボウイング状になるなど形状を制御できないという問題が生じる。また、図４に示すように、形成される接続孔７に面した有機絶縁膜２の側壁にダメージ（ダメージ部分６）を与える問題が起こる。すなわち、有機絶縁膜２の過剰な酸化や末端基の不安定化、たとえば不安定カルボニル基などのために有機絶縁膜２の側壁の膜質が変化してしまうことになる。さらに、有機絶縁膜２の側壁の膜質が変化するとデュアルダマシンを用いた際のバリアメタルの密着性が悪くなり、バリアメタル剥離などの問題も生じることになる。なお、図３では、半導体基板１上に、有機絶縁膜２，シリコン酸化膜３を形成した後、所望のパターンのレジスト（図示せず）をマスクにしてシリコン酸化膜３をエッチングし、さらに酸素を用いたドライエッチングにより有機絶縁膜２をエッチングして接続孔７を形成している。また、図４も図３と同様にして接続孔７を形成しているが、ここでは、異なる問題点を示すものとして便宜上異なる図面を用いている。
【０００５】
本発明の目的は、有機絶縁膜へのダメージを抑えながら良好な異方性形状にエッチングできるドライエッチング方法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のドライエッチング方法は、基板上に堆積された有機絶縁膜をエッチングして、接続孔又は配線溝の少なくとも一方を形成するドライエッチング方法において、有機絶縁膜は不飽和炭素結合を有する化合物を含み、アルコール、エーテル、ケトン、アルデヒド、カルボン酸のうち少なくとも１種を主成分とするエッチングガスを用いて有機絶縁膜をエッチングすることを特徴とする。
請求項２記載のドライエッチング方法は、基板上に堆積された有機絶縁膜をエッチングして、接続孔又は配線溝の少なくとも一方を形成するドライエッチング方法において、
有機絶縁膜は不飽和炭素結合を有する化合物を含み、酸化窒素を主成分とするエッチングガスを用いて有機絶縁膜をエッチングす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は、請求項１又は２記載のドライエッチング方法において、不飽和炭素結合を有する化合物は、芳香環、又は炭素の２重結合、又は炭素の３重結合のうち少なくとも１種類を有する化合物であることを特徴とする。
請求項４記載のドライエッチング方法は、請求項１又は２記載のドライエッチング方法において、エッチング工程において、基板は冷却されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明のドライエッチング方法によれば、上記のエッチングガスを用いることにより、プラズマ中で過剰な酸素ラジカルが発生せず、接続孔や配線溝に面した有機絶縁膜の側壁の過剰酸化を抑えたエッチングが可能になり、有機絶縁膜へのダメージを抑え、かつ良好な異方性形状が得られる。また、エッチングガスから発生する炭素ラジカルにより有機絶縁膜の側壁に高分子側壁保護膜を形成しながらエッチングが進行するため、有機絶縁膜へのダメージを抑え、かつ、良好な異方性形状を形成するうえで、より効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態におけるドライエッチング方法を適用した半導体装置の製造方法の工程断面図を示すものである。図１において、１は半導体基板、２は有機絶縁膜、３はシリコン酸化膜、４はレジスト、５は高分子側壁保護膜、７は接続孔である。有機絶縁膜２には、芳香環であるベンゼン環を含むものを用いている。
【００１４】
まず図１（ａ）に示すように、半導体基板１上に、有機絶縁膜２を５００ｎｍの厚さに成膜する。次に図１（ｂ）に示すように、有機絶縁膜２上にシリコン酸化膜３を形成する。次に図１（ｃ）に示すように、リソグラフィーにより接続孔の形成領域を開口したパターンのレジスト４を形成する。次に図１（ｄ）に示すように、レジスト４をマスクにしてシリコン酸化膜３をエッチングする。
【００１５】
次に、図１（ｄ）の状態の被エッチング基板をＲＩＥエッチング装置にセッティングし、一例として下記エッチング条件により有機絶縁膜２のプラズマエッチングを行なった。ここで用いたＲＩＥ装置はカソードに１３．５６ＭＨｚの電力を印加している。
【００１６】
エッチング条件
メタノール １００ｓｃｃｍ
ガス圧力 ３Ｐａ
ＲＦパワー ２５０Ｗ
基板温度 １０℃
ここで、従来の酸素のみによるプラズマエッチングにおいては、図３のように異方性形状が得られなかったが、本実施の形態におけるエッチングでは、酸素比率の小さいエッチャントとしてメタノールを用いているため、プラズマ中の酸素ラジカルの生成を少なくでき、有機絶縁膜２の側壁の過剰酸化を抑えたエッチングが可能になり、有機絶縁膜２へのダメージを抑え、かつ良好な異方性形状が得られる。
【００１７】
また、メタノール中に炭素を含んでいるため、図１（ｅ）に示すように、形成される接続孔７に面した有機絶縁膜２の側壁に高分子側壁保護膜５を形成しながらエッチングが進行し、有機絶縁膜２へのダメージを抑え、かつ、良好な異方性形状を形成するうえで、より効果がある。
【００１８】
さらに、有機絶縁膜２のドライエッチングではエッチング基板の温度を低く保ってラジカルによる等方的な反応を抑制する必要があり、本実施の形態では、被エッチング基板を低温に冷却していることから、ラジカルによる等方的な反応を抑え、図１（ｆ）のようにサイドエッチングが入らないエッチング形状となる。なお、図１（ｅ）は有機絶縁膜２のエッチング途中を示し、図１（ｆ）は接続孔７が形成されてエッチングが終了し、レジスト４を除去した状態を示す。また、図１（ｅ）に示される高分子側壁保護膜５は形成されると同時に除去もされ、エッチング終了時にはほとんど残らず、少し残ってもエッチング後の洗浄によって除去される。
【００１９】
以上のように本実施の形態によれば、有機絶縁膜２にダメージが少なく、かつ良好な異方性エッチングを行うことができ、有機絶縁膜２の微細加工が可能になる。
【００２０】
なお、本実施の形態では、有機絶縁膜２のエッチングガスとしてメタノールを用いたがこれは一例であり、アルコール、エーテル、ケトン、アルデヒド、カルボン酸のうち少なくとも１種を主成分（５０％以上）とするエッチングガスを用いることにより同様の効果を得ることができる。そして、アルコールとしては、前述のメタノールの他、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、エチレングリコールのいずれかを用いてもよい。また、エーテルとしては、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレンオキシドのいずれかを用いてもよい。ケトンとしては、アセトン、メチルエチルケトンのいずれかを用いてもよい。アルデヒドとしては、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドのいずれかを用いてもよい。カルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸のいずれかを用いてもよい。
【００２１】
また、有機絶縁膜２は芳香環としてベンゼン環を含むものを用いたが、それにかえて、炭素の２重結合、３重結合を有する炭素化合物を用いてもよい。これは有機絶縁膜２の耐熱性を上げるためである。芳香環もしくは炭素の多重結合を有することで、Ｃ−Ｈの結合が強くなる。例えば、Ｃ−Ｈ結合解離エネルギーは、ベンゼン環のＣ−Ｈで４６５ｋＪ／ｍｏｌ、シクロヘキサンのＣ−Ｈで４００ｋＪ／ｍｏｌとなり、π結合を有するベンゼン環のＣ−Ｈ結合の方が安定となっている。Ｃ−Ｈの結合が強くなると、有機絶縁膜２のガラス転移点が上昇し、耐熱性が良くなる。
【００２２】
なお、本実施の形態では、図示していないが、接続孔７は、導電層上に形成されるものであり、導電層としては、半導体基板１に形成された拡散層、金属配線やポリシリコン配線等がある。このことは、第２，第３の実施の形態においても同様である。
【００２３】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態におけるドライエッチング方法を適用した半導体装置の製造方法の工程断面図を示すものである。図２において、１は半導体基板、２は有機絶縁膜、３はシリコン酸化膜、４はレジスト、７は接続孔である。有機絶縁膜２には、第１の実施の形態同様、耐熱性を高めるため、不飽和炭素結合を有するものを用い、ここでも芳香環であるベンゼン環を含むものを用いている。
【００２４】
まず図２（ａ）に示すように、半導体基板１上に、有機絶縁膜２を５００ｎｍの厚さに成膜する。次に図２（ｂ）に示すように、有機絶縁膜２上にシリコン酸化膜３を形成する。次に図２（ｃ）に示すように、リソグラフィーにより接続孔の形成領域を開口したパターンのレジスト４を形成する。次に図２（ｄ）に示すように、レジスト４をマスクにしてシリコン酸化膜３をエッチングする。
【００２５】
次に、図２（ｄ）の状態の被エッチング基板をＲＩＥエッチング装置にセッティングし、一例として下記エッチング条件により有機絶縁膜２のプラズマエッチングを行なった。ここで用いたＲＩＥ装置はカソードに１３．５６ＭＨｚの電力を印加している。ここで、本実施の形態では、エッチングガスとして酸化窒素（下記の例では一酸化二窒素）を用いることが特徴である。
【００２６】
エッチング条件
一酸化二窒素 １００ｓｃｃｍ
ガス圧力 ３Ｐａ
ＲＦパワー ２５０Ｗ
基板温度 １０℃
ここで、従来の酸素のみによるプラズマエッチングにおいては、図３のように異方性形状が得られなかったが、本実施の形態におけるエッチングでは、酸化窒素を用いているため、プラズマ中の酸素ラジカルの生成を少なくでき、有機絶縁膜２の側壁の過剰酸化を抑えたエッチングが可能になり、有機絶縁膜２へのダメージを抑え、かつ良好な異方性形状が得られる。
【００２７】
さらに、有機絶縁膜２のドライエッチングではエッチング基板の温度を低く保ってラジカルによる等方的な反応を抑制する必要があり、本実施の形態では、被エッチング基板を低温に冷却していることから、ラジカルによる等方的な反応を抑え、図２（ｅ）のようにサイドエッチングが入らないエッチング形状となる。なお、図２（ｅ）は接続孔７が形成されてエッチングが終了し、レジスト４を除去した状態を示す。
【００２８】
以上のように本実施の形態によれば、有機絶縁膜２にダメージが少なく、かつ良好な異方性エッチングを行うことができ、有機絶縁膜２の微細加工が可能になる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、有機絶縁膜２のエッチングガスとして一酸化二窒素を用いたがこれは酸化窒素の一例であり、その他、一酸化窒素、二酸化窒素を用いても同様の効果が得られる。また、これらの酸化窒素を主たるエッチングガスとして用いればよい。
【００３０】
（参考例）
本発明の参考例におけるドライエッチング方法を適用した半導体装置の製造方法の工程断面図として、第２の実施の形態と同じ図２を用いる。有機絶縁膜２には、第１，第２の実施の形態同様、耐熱性を高めるため、不飽和炭素結合を有するものを用い、ここでも芳香環であるベンゼン環を含むものを用いている。
【００３１】
まず図２（ａ）に示すように、半導体基板１上に、有機絶縁膜２を５００ｎｍの厚さに成膜する。次に図２（ｂ）に示すように、有機絶縁膜２上にシリコン酸化膜３を形成する。次に図２（ｃ）に示すように、リソグラフィーにより接続孔の形成領域を開口したパターンのレジスト４を形成する。次に図２（ｄ）に示すように、レジスト４をマスクにしてシリコン酸化膜３をエッチングする。
【００３２】
次に、図２（ｄ）の状態の被エッチング基板をＲＩＥエッチング装置にセッティングし、一例として下記エッチング条件により有機絶縁膜２のプラズマエッチングを行なった。ここで用いたＲＩＥ装置はカソードに１３．５６ＭＨｚの電力を印加している。
【００３３】
エッチング条件
酸素 ５０ｓｃｃｍ
アンモニア ５０ｓｃｃｍ
ガス圧力 ３Ｐａ
ＲＦパワー ２５０Ｗ
基板温度 １０℃
ここで、従来の酸素のみによるプラズマエッチングにおいては、図３のように異方性形状が得られなかったが、本参考例におけるエッチングでは、酸素にアンモニアを混合しているため、プラズマ中の酸素ラジカルの生成を少なくでき、有機絶縁膜２の側壁の過剰酸化を抑えたエッチングが可能になり、有機絶縁膜２へのダメージを抑え、かつ良好な異方性形状が得られる。
【００３４】
さらに、有機絶縁膜２のドライエッチングではエッチング基板の温度を低く保ってラジカルによる等方的な反応を抑制する必要があり、本参考例では、被エッチング基板を低温に冷却していることから、ラジカルによる等方的な反応を抑え、図２（ｅ）のようにサイドエッチングが入らないエッチング形状となる。なお、図２（ｅ）は接続孔７が形成されてエッチングが終了し、レジスト４を除去した状態を示す。
【００３５】
以上のように本参考例によれば、有機絶縁膜２にダメージが少なく、かつ良好な異方性エッチングを行うことができ、有機絶縁膜２の微細加工が可能になる。
【００３６】
なお、本参考例では、有機絶縁膜２のエッチングガスとして酸素とアンモニアによる混合気体を用いたが、これは酸素と，窒素または窒素系化合物との混合物を主成分とするエッチングガスの一例である。また、酸素系化合物と，窒素または窒素系化合物との混合物を主成分とするエッチングガス、または、酸素系化合物を主成分とするエッチングガスを用いても同様の効果が得られる。なお、窒素系化合物としては、アンモニア、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミンのいずれかを用いることができ、酸素系化合物としては、Ｈ₂ Ｏ、過酸化水素、一酸化炭素、二酸化炭素のいずれかを用いることができる。
【００３７】
なお、第２の実施の形態で用いている酸化窒素は取り扱いが難しいという難点があるが、上記のようなエッチングガスを用いると取り扱いが比較的容易になるという利点がある。
【００３８】
また、上記第１，第２の実施の形態、参考例によれば、接続孔７に面した有機絶縁膜２の側壁はエッチングによるダメージが少ない（膜質の変化が少ない）ため、接続孔７に導電材料を埋め込んだ際に、有機絶縁膜２と導電材料との良好な密着性が得られる。そのため、デュアルダマシンを用いた際でもバリアメタルの剥離を防止することができる。
【００３９】
また、上記第１，第２の実施の形態、参考例では、シリコン酸化膜３および有機絶縁膜２により層間絶縁膜を構成し、その層間絶縁膜に接続孔７を形成しているが、この構成に限られるものではなく、有機絶縁膜２が層間絶縁膜として形成され、有機絶縁膜２に接続孔を形成する際に、本発明のドライエッチング方法を適用することができる。また、接続孔に限らず、有機絶縁膜２に配線溝を形成する際にも本発明のドライエッチング方法を適用することができる。さらには、有機絶縁膜２に接続孔および配線溝を形成する際にも本発明のドライエッチング方法を適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、有機絶縁膜のエッチングに際して、アルコール、エーテル、ケトン、アルデヒド、カルボン酸のうち少なくとも１種を主成分とするエッチングガスを用いることにより、プラズマ中で過剰な酸素ラジカルが発生せず、接続孔に面した有機絶縁膜の側壁の過剰酸化を抑えたエッチングが可能になり、有機絶縁膜へのダメージを抑え、かつ良好な異方性形状が得られる。また、酸化窒素を主成分とするエッチングガスを用いることでも同様の効果が得られる。その結果、有機絶縁膜の微細加工を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるドライエッチング方法を適用した半導体装置の製造方法の工程断面図。
【図２】 本発明の第２の実施形態、参考例におけるドライエッチング方法を適用した半導体装置の製造方法の工程断面図。
【図３】従来の問題点（エッチングによるボウイング形状）を示したエッチング後の断面図。
【図４】従来の問題点（エッチングによる有機絶縁膜側壁へのダメージ）を示したエッチング後の断面図。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 有機絶縁膜
３ シリコン酸化膜
４ レジスト
５ 高分子側壁保護膜
６ 有機絶縁膜のダメージ部分
７ 接続孔

Claims (4)

1. 基板上に堆積された有機絶縁膜をエッチングして、接続孔又は配線溝の少なくとも一方を形成するドライエッチング方法において、
   前記有機絶縁膜は不飽和炭素結合を有する化合物を含み、
   アルコール、エーテル、ケトン、アルデヒド、カルボン酸のうち少なくとも１種を主成分とするエッチングガスを用いて前記有機絶縁膜をエッチングすることを特徴とする、ドライエッチング方法。
2. 基板上に堆積された有機絶縁膜をエッチングして、接続孔又は配線溝の少なくとも一方を形成するドライエッチング方法において、
   前記有機絶縁膜は不飽和炭素結合を有する化合物を含み、
   酸化窒素を主成分とするエッチングガスを用いて前記有機絶縁膜をエッチングすることを特徴とする、ドライエッチング方法。
3. 前記不飽和炭素結合を有する化合物は、芳香環、又は炭素の２重結合、又は炭素の３重結合のうち少なくとも１種類を有する化合物であることを特徴とする、請求項１又は２記載のドライエッチング方法。
4. 前記エッチング工程において、前記基板は冷却されていることを特徴とする、請求項１又は２記載のドライエッチング方法。

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