JP3781175B2 - コンタクトホールの形成方法 - Google Patents
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Description
[技術分野]
本発明は、半導体装置製造の一工程として行われるコンタクトホール形成に関する。
【0002】
[背景技術]
多層配線構造の半導体装置を製造する際には、上下の配線層同士を接続するために、層間絶縁膜にコンタクトホールを形成することが行われる。従来のコンタクトホールの形成工程は、例えば以下のようにして行われている。
先ず、下側のアルミウム配線層の上に、絶縁膜としてシリコン酸化膜を形成する。次に、このシリコン酸化膜の上にレジスト膜を形成する。このレジスト膜に対して、フォトリソグラフィ技術でコンタクトホール用のマスクパターンを転写することにより、レジストパターンを形成する。次に、このレジストパターンを介して、前記シリコン酸化膜に対するドライエッチングを行う。
【0003】
このドライエッチングのエッチングガスとしては、例えばCF4 とCHF3 との混合ガスが使用されている。また、エッチング中のチャンバ内には、エッチングガスに加えて、次の目的でArガスとN2 ガスを供給している。Arガスは、エッチングガス(CF4 とCHF3 )の希釈のために添加されている。
【0004】
窒素を添加する目的は大きく二つあり、その一つは、エッチング中にレジストの後退(レジストパターンのコンタクトホール周縁部分が削られること)が生じることの防止である。もう一つは、エッチング中にコンタクトホールの側壁に、配線抵抗が高くなる原因となるポリマーが形成されることを抑制し、ポリマーが形成された場合でも有機洗浄液等によって除去し易い状態にすることである。
【0005】
このようにしてコンタクトホールを形成した後、上下の配線層を接続する導電体をコンタクトホール内へ堆積すること(例えば、タングステンプラグの形成)と、上側のアルミニウム配線層の形成とを行う。
しかしながら、上記従来技術で得られた多層配線構造の半導体装置には、配線抵抗が高い傾向にあるとともに、同一ロット内で配線抵抗にバラツキが生じるという問題点がある。
【0006】
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものであり、少なくとも下側配線層がアルミニウム配線層である多層配線構造の半導体装置において、配線抵抗を低く抑えることと、配線抵抗の同一ロット内でのばらつきを小さくすることを課題とする。
【0007】
[発明の開示]
上記課題を解決するために、本発明は、アルミニウム配線層の直上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に対して、所定のエッチングガスを用い、レジストパターンを介してプラズマエッチングを行うことにより、コンタクトホールを形成する方法において、エッチングガスに窒素を添加してエッチングを行う第1エッチング工程を、前記絶縁膜のアルミニウム配線層の上側での厚さが最も薄い部分(最小膜厚部分)が、厚さ方向で全てエッチングされるまで行った後に、エッチングガスに窒素を添加しないでエッチングを行う第2エッチング工程を行い、その後に前記レジストパターンを除去することを特徴とするコンタクトホールの形成方法を提供する。
【0008】
本発明の方法において、第1エッチング工程の処理時間は、前記絶縁膜の最小膜厚部分が厚さ方向で全てエッチングされる時間と実質的に等しい時間である。
本発明の方法で使用するエッチングガスとしては、フッ化炭素系ガスを含むガスが挙げられる。
本発明の方法で使用するアルミニウム配線層としては、銅(Cu)および/または珪素(Si)を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金層が挙げられる。
【0009】
エッチングガスに窒素を添加して行うエッチングを、エッチング深さがアルミニウム配線層の面に到達した後も続けると、コンタクトホールの底面となるアルミニウム配線層の面にAlNが形成される。これに対して、エッチングガスに窒素を添加しないで行うエッチングでは、このようなAlNの形成は生じないと推定される。そして、このAlNの存在が原因となって、エッチングガスに窒素を添加するエッチング法でコンタクトホールが形成された場合には、エッチングガスに窒素を添加しないエッチング法でコンタクトホールが形成された場合よりも、得られる多層配線構造の半導体装置の配線抵抗が高くなると考えられる。
【0010】
したがって、配線抵抗を小さくするためには、エッチングガスに窒素を添加しないエッチング法で、コンタクトホールを形成することが好ましい。しかしながら、このエッチング法では、レジストの後退を防止する作用と、コンタクトホール側壁へのポリマー形成の抑制効果が得られなくなる。その結果、コンタクトホールが設定値よりも大きく形成されるとともに、前記ポリマーの影響で配線抵抗が高くなるという問題点が生じる。
【0011】
これに対して、本発明の方法では、エッチングガスに窒素を添加するエッチング(第1エッチング工程)を所定時間行った後に、エッチングガスに窒素を添加しないエッチング(第2エッチング工程)を行う。そのため、エッチング開始から所定時間経過するまでは、前述のレジスト後退とポリマー形成を防止する作用が得られ、所定時間経過後は前述のAlN形成を防止する作用が得られる。
【0012】
したがって、第1エッチング工程の処理時間を、絶縁膜のアルミニウム配線層の上側での厚さに応じて適宜設定すれば、AlN形成を抑制しながら、前述のレジスト後退とポリマー形成を小さく抑えることができる。
【0013】
そして、第1エッチング工程の処理時間を、アルミニウム配線層上の絶縁膜の最小膜厚部分が厚さ方向で全てエッチングされる時間と、実質的に等しい時間とすることで、この第1エッチング工程は、前記絶縁膜の最小膜厚部分でのエッチング深さがアルミニウム配線層の面に到達した時点で、実質的に終了する。これにより、AlN形成はほぼ完全に防止される。
【0014】
その結果、コンタクトホールが設定値より大きく形成されることが防止されるとともに、得られる多層配線構造の半導体装置の配線抵抗は低く抑えられ、同一ロット内での配線抵抗のバラツキも低減される。
【0015】
[発明を実施するための最良の形態]
以下、本発明の実施形態について説明する。
ここでは、図1に示す配線構造の半導体装置を作製する際に、本発明のコンタクトホールの形成方法を適用した例について述べる。この半導体装置は、アルミニウム配線層を3層有する、多層配線構造の半導体装置である。
【0016】
この実施形態では、図1の半導体装置の第1配線層1と第2配線層2との間の絶縁膜3に対するコンタクトホール31の形成と、第2配線層2と第3配線層4との間の絶縁膜5に対するコンタクトホール51の形成に際し、レジストパターンを介したドライエッチングを以下のようにして行う。
【0017】
先ず、第1エッチング工程として、エッチングチャンバ内に、エッチングガスとして供給されるCF4 ガスとCHF3 ガスに加えて、ArガスとN2 ガスも同時に供給して、プラズマエッチングを行う。次に、第2エッチング工程として、エッチングチャンバ内に、エッチングガスとして供給されるCF4 ガスとCHF3 ガスに加えて、Arガスのみを同時に供給して、プラズマエッチングを行う。
【0018】
これ以外の工程に関しては、従来より公知の方法を採用できる。
実際に、図1の配線構造を有する半導体装置を、配線抵抗測定用のTEG(Test Element Group)として作製した。この半導体装置において、第1配線層1と第2配線層2、第2配線層2と第3配線層4は、それぞれ多数のタングステンプラグ8により接続されている。
【0019】
第1〜第3の各配線層1,2,4は、アルミニウム合金膜(Si含有率:1wt%、Cu含有率:0.5wt%)に対して、レジストパターンを介したドライエッチングを施すことにより形成されている。アルミニウム合金膜の膜厚は、第1および第2配線層1,2で4000Å、第3配線層4で7000Åとした。
【0020】
絶縁膜3,5としては、CVD法によりシリコン酸化膜を形成し、その表面を機械的な平坦化方法であるCMP法により平坦にした。また、絶縁膜3,5の膜厚は、下側の配線層の上部で10000〜15000Åとなるように形成した。なお、絶縁膜3,5としては、CVD法とスピンオングラス法との併用で、表面が平坦になるようにシリコン酸化膜を形成してもよい。
【0021】
これらの絶縁膜3,5に対して、レジストパターンを介したドライエッチングを、以下の条件で行うことにより、コンタクトホール31,51を形成した。
【0022】
<エッチング条件>
エッチング装置:アプライドマテリアルジャパン製のプラズマエッチング装置「P−5000MxP+」
チャンバ内の圧力:200mTorr
高周波パワー:700W
磁場:30Gaus
チャンバ内上部の温度:40℃
チャンバ内下部の温度:40℃
冷却用ヘリウムの圧力:14Torr
エッチングチャンバ内へのガスの供給量:
Ar;200sccm
CF4 ;30sccm
CHF3 ;30sccm
N2 ;第1エッチング工程では10sccm
第2エッチング工程では0(供給しない)
【0023】
第1エッチング工程の処理時間:125秒間(絶縁膜3,5が 10000Åエッチングされる時間に相当)
第2エッチング工程の処理時間:165秒間(絶縁膜3,5が 13000Åエッチングされる時間に相当)
【0024】
その後、絶縁膜3,5上に残存するレジストをプラズマアッシング法で除去した後、このウエハを有機洗浄液で洗浄した。次に、コンタクトホール31,51の壁面および底面を含むウエハ全面に、スパッタリング法によりチタン膜6を300Åの膜厚で形成した。その後、このチタン膜6の上に、窒化チタン膜7を1000Åの膜厚で形成した。
【0025】
窒化チタン膜7の上には、WF6 とH2 とSiH4 を主たる原料ガスとしたCVD法により、タングステン膜を6000Åで形成した。これにより、コンタクトホール31,51内と絶縁膜3,5上に、チタン膜6および窒化チタン膜7を介してタングステンが堆積される。その後、SF6 とArとを主たるエッチングガスとする反応性イオンエッチングで、このタングステン膜をエッチバックした。これにより、コンタクトホール31,51内にのみタングステンが埋め込まれて、タングステンプラグ8が形成される。その後、スパッタリング法によりチタン膜9を200Åの膜厚で形成した。
【0026】
このようにして作製された半導体装置、すなわち、本発明の実施例に相当する方法でコンタクトホールが形成された半導体装置について、第2配線層2と第3配線層4とこれらを接続する多数のタングステンプラグ8とで構成されるTEGのチェーン(アッパーチェーン)に一定電流を流し、このアッパーチェーンに生じる電圧を測定した。この測定は、1ロットの半導体装置全てに対して行った。その結果を図2のグラフに示す。この電圧測定値が高いほど配線抵抗が高いことを意味する。
【0027】
また、上記実施例に対する比較例1および2として、コンタクトホール31,51の形成方法のみを変え、それ以外の点は全て同じ方法により同じ構造の半導体装置を作製した。
【0028】
比較例1では、絶縁膜3,5のエッチング時に、エッチングチャンバ内にCF4 ガスとCHF3 ガスとArガスとN2 ガスを供給して、250秒間プラズマエッチングを行うことにより、コンタクトホール31,51を形成した。このエッチング時間は、絶縁膜3,5が19000Åエッチングされる時間に相当する。エッチングチャンバ内へのガスの供給量は、
Ar;200sccm
CF4 ;30sccm
CHF3 ;30sccm
N2 ;10sccm
とした。これ以外のエッチング条件は上記実施例と同じにした。
【0029】
比較例2では、絶縁膜3,5のエッチング時に、エッチングチャンバ内にCF4 ガスとCHF3 ガスとArガスを供給して、290秒間プラズマエッチングを行うことにより、コンタクトホール31,51を形成した。このエッチング時間は、絶縁膜3,5が23000Åエッチングされる時間に相当する。エッチングチャンバ内へのガスの供給量は、
Ar;200sccm
CF4 ;30sccm
CHF3 ;30sccm
とした。これ以外のエッチング条件は上記実施例と同じにした。
【0030】
比較例1および2に関しても、作製された半導体装置の1ロット全てに関し、アッパーチェーンに一定電流を流して生じる電圧を測定した。その結果を、比較例1については図3のグラフに、比較例2については図4のグラフに示す。
【0031】
比較例1では、図3に示すように、電圧測定値が0.02〜0.13Vとなったサンプルが1〜10ケずつ有り、0.2V以上のサンプルも有った。この結果から、コンタクトホール31,51形成のためのエッチングを、エッチングガス(CF4 とCHF3 )にArだけでなくN2 も添加したプラズマエッチング法だけで行うと、1ロット内での配線抵抗に大きなバラツキが生じることが分かる。
【0032】
比較例2では、図4に示すように、全てのサンプルで電圧測定値が0.025V以下となっており、比較例1よりも、配線抵抗が低いとともに、1ロット内での配線抵抗のバラツキが小さいことが分かる。しかしながら、比較例2の方法で形成されたコンタクトホール31,51の形状をSEM(走査型電子顕微鏡)で調べたところ、直径が設定値より大きく形成されていることが分かった。
【0033】
これに対して、前述の実施例では、図2に示すように、全てのサンプルで電圧測定値が0.05V以下となっており、比較例1よりも、配線抵抗が低いとともに、1ロット内での配線抵抗のバラツキが小さいことが分かる。また、実施例の方法で形成されたコンタクトホール31,51の形状をSEM(走査型電子顕微鏡)で調べたところ、直径はほぼ設定値通りに形成されていることが分かった。
【0034】
以上のように、この実施例では、コンタクトホール31,51形成時のエッチング方法として、先ず、エッチングチャンバ内にエッチングガス(CF4 とCHF3 )に加えてArとN2 を供給しながらプラズマエッチングを行った。このエッチングの処理時間を、絶縁膜3,5のアルミニウム配線層の上側での厚さが最も薄い部分(厚さ10000Åの部分)が、厚さ方向で全てエッチングされる時間とした。その後に、N2 を供給しないでプラズマエッチングを行った。
【0035】
これにより、コンタクトホールが設定値より大きく形成されることが防止されるとともに、得られる多層配線構造の半導体装置の配線抵抗は低く抑えられ、同一ロット内での配線抵抗のバラツキも低減された。
【0036】
[産業上の利用可能性]
以上説明したように、本発明の方法によれば、コンタクトホールの底面へのAlN形成が抑制され、レジストの後退が防止され、コンタクトホール側壁へのポリマー形成が防止される。その結果、コンタクトホールが設定値より大きく形成されることを防止しながら、多層配線構造の半導体装置の配線抵抗を低く抑え、同一ロット内での配線抵抗のバラツキを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明の実施形態の方法を説明するための図であって、多層配線構造の半導体装置を示す断面図である。
図2は、本発明の実施例に相当する方法でコンタクトホールが形成された半導体装置について、配線抵抗を調べるための試験結果を示す図であって、電圧測定値の1ロット内での分布を示すグラフである。
図3は、本発明の比較例(比較例1)に相当する方法でコンタクトホールが形成された半導体装置について、配線抵抗を調べるための試験結果を示す図であって、電圧測定値の1ロット内での分布を示すグラフである。
図4は、本発明の比較例(比較例2)に相当する方法でコンタクトホールが形成された半導体装置について、配線抵抗を調べるための試験結果を示す図であって、電圧測定値の1ロット内での分布を示すグラフである。
Claims (3)
- アルミニウム配線層の直上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に対して、所定のエッチングガスを用い、レジストパターンを介してプラズマエッチングを行うことにより、コンタクトホールを形成する方法において、
エッチングガスに窒素を添加してエッチングを行う第1エッチング工程を、前記絶縁膜のアルミニウム配線層の上側での厚さが最も薄い部分が、厚さ方向で全てエッチングされるまで行った後に、
エッチングガスに窒素を添加しないでエッチングを行う第2エッチング工程を行い、
その後に前記レジストパターンを除去することを特徴とするコンタクトホールの形成方法。 - 前記エッチングガスはフッ化炭素系ガスを含む請求項1記載のコンタクトホールの形成方法。
- 前記アルミニウム配線層は、銅(Cu)および/または珪素(Si)を含有するアルミニウム合金からなる請求項1記載のコンタクトホールの形成方法。
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