JP3764858B2 - Fsg膜のエッチング方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造分野等において適用されるFSG膜(フッ素含有シリコン酸化膜)のエッチング方法に関し、特にビアホールエッチングにおけるホールの形状不良やそれによる電気抵抗の増加を抑制することが可能なFSG膜のエッチング方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば半導体素子の代表的な絶縁材料であるシリコン酸化膜にビアホールをプラズマ雰囲気中でエッチングする場合、使用するエッチングガスとして、H2を添加したCF4+H2の混合ガスや、CHF3+COの混合ガスなどのH結合を有するCHxFy系ガスとCO2、COとの混合ガスが多く用いられている。
【0003】
例えば、CHF3+COの混合ガスを用いた場合、対Siにおける選択比(Si基板のエッチングレートに対するその上に形成されたSiO2膜のエッチングレート比)は、50という高い値が得られている。また、対多結晶シリコン膜(例えばポリSi基板)における選択比でも約50という高い値が得られている。
【0004】
しかしながら、このようなガスを用いた場合、対SiやポリSiにおける選択比は高いものの、下地がそれ以外の材質、例えばSiN(シリコンナイトライド)や金属(例えばAl、TiNなど)である場合には選択比が極端に低下してしまうという問題があった。
【0005】
例えばエッチングガスとしてCHF3+COの混合ガスを使用した場合、対SiNにおける選択比はわずかに1.0程度しか得られず、対Alにおける選択比でも4.0程度しか得られなかった。すなわち、Hを含むエッチングガスを使用し、下地がSiNで、フッ素ガス系のプラズマ雰囲気中でエッチングを行った場合、
SiN+CFX++H+→SiFX↑+NHX↑+HCN↑+NHXF↑
という反応を起こし、下地のSiNに対してもエッチングが進行してしまい、対SiNにおける選択比の低下を招いていた。
【0006】
一方、半導体素子のさらなる微細化に伴い、隣接するゲート(ポリシリコン)どうしの間隔が近年益々小さくなってきている。このため、コンタクトホール開口形成によるリソグラフィーの寸法精度がますます要求されるようになってきているが、従来のエッチングガスを用いる場合では、その精度に限界があった。
【0007】
すなわち、従来のエッチングガスでは、微細な間隔のゲートに関連してセルファラインコンタクトホールをエッチングにより形成するときに、酸化膜(SiO2)と、ポリシリコンゲートを覆う窒化膜(Si3N4)とを厳密に選択してエッチングを行うことが難しかった。また、エッチング後の反応生成物、例えばフッ化アルミニウム系化合物(AIFx系)がコンタクトホール側壁に付着するため、エッチング処理後の工程、例えばアッシング処理や洗浄処理等の工程において付着物(フェンスやクラウンと一般に呼ばれている)を除去する必要があり、しかもそれを除去することは非常に困難であった。
【0008】
このような問題に対して、特開平6−338479号公報では、処理室内に処理ガスを導入して、処理室内の被処理体に対してエッチングを行う方法において、処理ガスとして、Hを含まない少なくとも4族と7族の元素を含有するガスとCOとを含むエッチングガスを用いる方法が提案されている[図5(c)]。この方法によれば、Hを含まないエッチングガスを使用しているので、上記反応式のようなNHXを生成する反応は起こらない。すなわち、SiN膜のNと反応するHがないので、酸化膜と下地との選択比が向上する。また、エッチングガスはCOを含んでいるから、下地には下地とは反応しないカーボンリッチな保護膜が形成される。その結果、例えばエッチングガス成分として7族の元素とフッ素(F)を用いた場合、保護膜がフッ素等の下地への付着を防止し、そのブロッキング効果によって下地のエッチングレートを低下させることにより、酸化膜と下地との選択比が大幅に向上する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、酸化膜と下地との選択比を確保するという点では、改善がなされてきているが、ビアホールの形状不良やそれによる電気抵抗の増加に関してはまだ問題が残っている。すなわち、半導体集積回路の微細化によるプラズマの高密度化や、層間絶縁膜材料としての酸化膜の多様化によって、プロセスに固有の問題が生じている。例えば、フッ素を含有するシリコン酸化膜(以下、「FSG膜」という)にビアホールを形成する場合には、ホール底部において急激にホール径が減少するような形状不良が発生し、得られる半導体装置の電気抵抗が増大するという問題があった。また、下地に対する酸化膜の選択比が低くなるため下地もエッチングされてしまうという問題があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
以上のような問題に対して、本発明者は、エッチングガスにC5F8ガス及びCOガスを含み、COガスの流量を特定することにより、低エネルギーフッ素成分がホール側壁に付着するのを抑制し、かつFSG膜とTiNからなる下地層との選択比を高く維持できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0011】
かくして本発明によれば、TiNからなる下地層上のフッ素含有シリコン酸化膜であるFSG膜をエッチングするに際して、C5F8ガスとCOガスとO2ガスとArガスとを含むエッチングガスをプラズマ状態にし、かつ、エッチングガス中のCOガスの量を5〜20容量%、COガスの流量を20〜90sccmとすることを特徴とするFSG膜のエッチング方法が提供される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図1を用いて実施態様を挙げて説明するが、本発明はこれにより限定されるものではない。
【0013】
実施態様
<被エッチング体の製作>
先ず、予め素子分離膜2、ソース・ドレイン領域3及びゲート電極4が形成された基板1上に層間絶縁膜5を形成する。
なお、基板は、通常、半導体装置を製造するために使用される全ての基板を用いることができ、例えばSi、Ge等の元素半導体基板、GaAs、ZnSe、シリコンゲルマニウム等の化合物半導体基板、ガラス基板、プラスチック基板等が挙げられる。中でも本発明の効果が顕著であることから、Si基板が好ましい。
【0014】
また、層間絶縁膜5としては、例えばSiN膜、SiO2膜、SiOF系膜、SiOC系膜等が挙げられる。
層間絶縁膜5の形成方法は、その材料に併せて適宜選択されるが、例えば熱酸化法、CVD法、スパッタリング法、蒸着法等が挙げられる。
【0015】
次に、層間絶縁膜5上の所定の位置に配線層7を形成する。配線層7は、例えばCVD法、スパッタリング法、蒸着法等によって層間絶縁膜5上全面に導電性膜を形成し、次いでフォトリソグラフィー及びエッチング工程によって所望の形状にパターニングすることで形成される。導電性膜を構成する材料としては、例えば、金、白金、銀、銅、アルミニウム等の金属や、チタン、TiN、タンタル、タングステン等の高融点金属や、高融点金属とのシリサイド又はポリサイドや、ITO、SnO2、ZnO等の透明性導電体等などが挙げられる。中でも本発明の効果が顕著であることから、TiNが好ましい。なお、配線層7の下には適宜コンタクトプラグ6が形成される。
【0016】
次に、配線層7(下地層)上に酸化膜8を形成する。酸化膜8としては、シリコン酸化膜、フッ素を含有するシリコン酸化膜(FSG膜)、リンを含有するシリコン酸化膜(PSG膜)、ボロンを含有するシリコン酸化膜(BSG)、ボロンとリンを含有するシリコン酸化物(BPSG膜)等が挙げられる。中でも本発明の効果が顕著であることからFSG膜が好ましい。
次に、酸化膜8上にレジスト層9を形成し、フォトリソグラフィーにより所定の位置にビアホールパターン10を形成する。
【0017】
<酸化膜のエッチング>
次に、上記の工程で得られたウエーハを2周波式容量結合プラズマエッチング装置の電極上にセットする。この電極は冷却配管を内蔵し、装置外部に設置されるチラー等の冷却設備から冷却配管へ適当な冷媒を供給循環させることにより、装置中のウエーハを所定の温度に維持できるようになっている。この実施態様では、電極が20℃に推持されるようにする。なお、エッチング装置としては、2周波式容量結合プラズマエッチング装置に限定されることなく、他にもマグネトロンRIE装置、平行平板型プラズマ装置、平行平板型RIE装置、ECR型プラズマ装置などを用いることができる。中でも本発明の効果が顕著であることから、2周波式容量結合プラズマエッチング装置を用いるのが好ましい。
【0018】
次に、C5F8、CO、O2及びArを含むエッチングガスを用いて、ビアホールパターン10に基づいて酸化膜8をドライエッチングし、所定の個所にビアホール11を形成する。
エッチングガスは、少なくともC5F8ガス及びCOガスが含まれていれば特に限定されないが、例えば、CF4、C2F6、C4F8等のフルオロカーボン系ガスや、Ar、Kr、Xe等の不活性ガスや、O2などが含まれていてもよい。
【0019】
COガスの流量は、20〜90sccmであり、好ましくは30〜70sccmである。COガスの流量が20sccmを下回ると、ホール側壁に付着するフッ素成分を充分に除去できず、垂直形状のビアホールを形成することができない。また、COガスの流量が90sccmを上回ると、配線層7(TiN)に対する酸化膜8(FSG)の選択比が極端に低くなり、配線層7までもエッチングされてしまうことになる。
【0020】
また、COガスの流量は、エッチングガス流量の5〜20容量%が好ましく、7.5〜16容量%がさらに好ましい。COガスの流量が、エッチングガス流量の5容量%を下回ると、ホール側壁に付着するフッ素成分を充分に除去できず、垂直形状のビアホールを形成することができないという点で好ましくない。また、20容量%を上回ると、配線層7(TiN)に対する酸化膜8(FSG)の選択比が極端に低くなるという点で好ましくない。
【0021】
エッチングガスにO2ガスを含ませる場合、O2ガスの流量は、特に限定されないが、カーボン系の堆積物を効果的に取り除き、ビアホールが垂直状に形成されやすいことから、例えば10〜20sccm程度が好ましい。
【0022】
この実施態様でのエッチング条件は、C5F8流量を16sccm、CO流量を50sccm、O2流量を17sccm、Ar流量を330sccm、ガス圧を15mTorr、上部電極パワーを1800W、下部電極パワーを1800Wにする。
なお、各ガスの流量及びガス混合比率は、制御装置及びマスフロー・コントローラにより調整される。
【0023】
上記エッチングでは、C5F8の放電解離によりプラズマ中に生成するFラジカルによるラジカル反応がCFx+、C+等のイオンによりアシストされる機構でエッチングが進行し、FSG膜はSiFx、CO2、COFなどの形で除去される。このときのエッチング速度は約600nm/分程度である。
【0024】
エッチング終了後、ウエーハをプラズマアッシング装置に移設し、通常のO2プラズマ・アッシングの条件にてレジストパターンを除去する。除去の機構は主として、燃焼及び加熱による分解によるものである。
【0025】
以上の工程により、酸化膜8に、垂直形状のビアホール11を形成することができる。なお、下地の配線層7(TiN)に対する酸化膜8(FSG)の選択比は50という高い値が得られる。
【0026】
図3は、上記のエッチング条件のうち、COガスの流量のみを0sccmから100sccmまで変化させた場合の、配線層7(TiN)に対する酸化膜8(FSG)の選択比の変化をプロットしたグラフを示したものである。このグラフによれば、COガス流量が0sccmの場合は選択比は約20と低く、かつホール形状は図2(b)に示すように垂直形状ではなくホールボトム付近で急激にホール径が減少するような形状となる。COガスを添加することによってホールの形状は改善され[図2(a)]、COガスの流量が約50sccmのときに選択比は50程度となり、極大値を示す。さらにCOガスの流量が増えると、選択比は減少し、100sccmに達した場合は選択比は10以下となり、配線層7もエッチングされてしまうことになる。
【0027】
図4は、COガスの流量変化に対する処理室内での元素の発光分光スペクトルを測定し、C(516.5nm)、F(687.5nm)及びCO(483nm)の発光強度、並びにカーボン(C)とフッ素(F)との発光強度の比(C/F)についてプロットしたものである。
【0028】
COガス流量が30〜70sccmでは、Cの発光強度は0.6〜0.66程度であり、Fの発光強度は0.105〜0.108程度であり、COの発光強度は0.28〜0.4程度であり、C/F比は、6〜6.3である。各発光強度は、COガス流量の増加に伴い減少し、C/F比もわずかに減少している。なお、COガス流量が増加しているにもかかわらずCOの発光強度が減少しているのは、プラズマ中ではCOガスの一部がCとOとに解離し、そこで生成されるOが酸化膜と下地との選択比を下げることが原因であると考えられる。
【0029】
以上のように、C5F8ガスとCOガスとO2ガスとArガスとを含み、エッチングガス中のCOガスの量が5〜20容量%、COガスの流量が20〜90sccmであるエッチングガスを用いることによって、基板上の酸化膜を高い選択比で良好にエッチングすることができ、酸化膜に垂直形状のビアホールを形成することができる。
【0030】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上の酸化膜を高い選択比で良好にエッチングすることができ、酸化膜に垂直形状のビアホールを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ビアホールを形成する前のウエーハを示す模式断面図である。
【図2】本発明の方法及び従来の方法で形成されたビアホールを示す模式断面図である。
【図3】エッチングガス中のCOガス流量と下地(TiN)に対する酸化膜(FSG)のエッチング選択比との関係を示すグラフである。
【図4】エッチングガス中のCOガス流量と、C、F及びCOの発光強度、並びにCとFとの発光強度の比(C/F)との関係を示すグラフである。
【図5】従来技術における高選択比達成メカニズムを示す図である。
【符号の説明】
1 基板
2 素子分離膜
3 ソース/ドレイン領域
4 ゲート電極
5 層間絶縁膜
6 コンタクトプラグ
7 配線層
8 酸化膜
9 レジスト層
10 ビアホールパターン
11 ビアホール
Claims (4)
- TiNからなる下地層上のフッ素含有シリコン酸化膜であるFSG膜をエッチングするに際して、
C5F8ガスとCOガスとO2ガスとArガスとを含むエッチングガスをプラズマ状態にし、かつ、エッチングガス中のCOガスの量を5〜20容量%、COガスの流量を20〜90sccmとすることを特徴とするFSG膜のエッチング方法。 - COガスの量がエッチングガス中7.5〜16容量%であり、エッチングガスのプラズマ状態における発光分光スペクトルにおいてカーボンとフッ素との発光強度の比(C/F)が6〜6.3である請求項1に記載のFSG膜のエッチング方法。
- エッチングによりFSG膜にビアホールを形成する請求項1または2に記載のFSG膜のエッチング方法。
- 下地層が配線層である請求項1〜3のいずれかに記載のFSG膜のエッチング方法。
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