JP3764858B2

JP3764858B2 - Ｆｓｇ膜のエッチング方法

Info

Publication number: JP3764858B2
Application number: JP2001244350A
Authority: JP
Inventors: 博史山内
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP2003059908A

Description

【０００１】
【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ＣＨ_xＦ_y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

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。