JP4001837B2

JP4001837B2 - コンタクトホールのエッチング方法

Info

Publication number: JP4001837B2
Application number: JP2003107167A
Authority: JP
Inventors: 充弘大國
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP2004319541A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に形成された絶縁膜に高アスペクト比のコンタクトホールを形成するための、コンタクトホールの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】
近年、半導体集積回路を構成する半導体素子は寸法の微細化が進んでおり、それに有利なＭＯＳ電界効果トランジスタが主流となっている。またメタル多層配線はますます多層化の一途を辿っており、配線材料はアルミニウムを主成分とする合金から銅へ移行しつつあるとともに、配線間の層間絶縁膜にもさらなる低誘電率を有する材料の導入が盛んになってきている。
【０００３】
一方、デバイスのデザインルールのさらなる微細化に伴い、コンタクトホール径も縮小され、層間絶縁膜の微細加工におけるアスペクト比も著しく大きくなってきている。微細で高アスペクト比を有するコンタクトホールを形成することで、多層配線部の集積度が高くなり、半導体集積回路のチップ面積を縮小することが可能となる。それによりウエハ上の単位面積当たりの半導体チップの採れ数も多くなり、生産性を高めることになる。
【０００４】
絶縁膜にコンタクトホールを形成するためのドライエッチングには、プラズマ源として平行平板型のＲＩＥ装置及びＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）に代表される高密度プラズマ装置が盛んに用いられている。そのためのドライエッチングには主に、ＣＨＦ_３，ＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_６，Ｃ_５Ｆ_８等のフロロカーボン系ガスが用いられている。
【０００５】
しかし、高アスペクト比のコンタクトホールのドライエッチングにおいては、層間絶縁膜のエッチングが途中でストップしてしまい、それ以上進まないという問題が発生することがある。これは、高アスペクト比のコンタクトホールを異方性の高いドライエッチング手法でエッチングすると、コンタクトホールの底にポリマー状の堆積物が溜まり、エッチングによっては除去できなくなるためと考えられる。
【０００６】
このようなエッチングストップを防止する対策として従来、
（１）フロロカーボン系ガスにＡｒを添加することにより、コンタクトホール内部に入射するエッチングガスのイオンエネルギーを高め、そのスパッタ成分により堆積成分を除去する、
（２）同じくフロロカーボン系ガスにＯ_２を添加することにより、堆積成分と反応させ、強制的に除去する、
等のエッチング方法が提案実施されてきた（例えば非特許文献１参照）。
【０００７】
特に（１）の方法では、Ａｒガスの添加によってウエハ上のセルフバイアスポテンシャルが上昇し、エッチング効果が増強するといわれている。
図５は、コンタクトホールのドライエッチングに用いられる従来のエッチング装置の概略構成を示す。図中、１は減圧可能なチャンバー、２は上部電極、３は上部電極に印加される高周波電源（２７．１２ＭＨｚ）、４は下部電極、５は下部電極に印加される高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）である。６はチャンバー１内部を減圧するための排気口で、図示しない真空ポンプが接続されている。７は圧力計、８は被処理ウエハーである。
【０００８】
図６は、高アスペクト比のコンタクトホールを形成する従来のエッチング方法を説明する工程断面図である。
図６（ａ）はエッチング前の被処理ウエハー８の断面を示す。図中、１１はシリコン基板、１２は絶縁膜としてのシリコン酸化膜、１３はレジスト膜である。この被処理ウエハー８に対して、表１に示すエッチング条件、つまりＣ_５Ｆ_８、Ａｒ、酸素の混合ガスを用い、上部電極２と下部電極４に高周波電力を印加して、シリコン酸化膜１２のコンタクトホールエッチングを開始する。表１に示されているエッチング条件での各膜のエッチング速度は表２に示す通りである。
【０００９】
【表１】

【００１０】
【表２】

図６（ｂ）はエッチング途中の状態を示す。１４は形成されつつあるコンタクトホールである。
【００１１】
図６（ｃ）はエッチングがさらに進行した状態を示す。深くなったコンタクトホール１４の底にポリマー膜１５が堆積している。このポリマー膜１５を除去できないため、エッチングが途中でストップしてしまい、コンタクトホール１４がシリコン基板１１に到達しない、という不具合が時々発生するのである。
【００１２】
【非特許文献１】
平下，池上著、「ＳｉＯ２ホール内でのエッチング表面反応」、第４４回半導体専門講習会予稿集、工業調査会、１９９９年８月、Ｐ１４９
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のコンタクトホールのエッチング方法では、上記したようにエッチングストップ現象に対する対策をとったＡｒ添加ガスを用いても、形成されつつあるコンタクトホール１４の底に堆積してくるポリマー膜１５を十分に除去できず、エッチングストップを十分に回避することはできなかった。その結果、コンタクトホール１４がシリコン基板１１に到達せず、最終的にはコンタクト不良となり、半導体集積回路の歩留まりが低下する、という不具合が生じていた。
【００１４】
これは、エッチングが進行するにつれてコンタクトホール１４が深くなり、アスペクト比が増すに伴って、コンタクトホール１４内を流れるガスのコンダクタンスが低下して、エッチングガスやエッチングで生じたシリコン酸化膜などの絶縁膜とのガス状反応生成物がコンタクトホール１４外に排出されずに滞留し、特に底部付近の圧力が設定圧力よりも高くなることが原因であると考えられる。つまり、フロロカーボン系の反応生成物のコンタクトホール１４からの排気が不充分となり、そのため新たなエッチングガスがコンタクトホール１４内に入りにくくなり、その結果、エッチングストップが引き起こされるものと考えられる。
【００１５】
本発明は上記問題を解決するもので、アスペクト比の高いコンタクトホールを形成する際もエッチングストップが生じにくく、良好な形状を確保できるコンタクトホールのエッチング方法を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、減圧可能な反応容器内に基板を設置し、前記基板上に成膜された絶縁膜にエッチングガスのプラズマを用いてコンタクトホールをエッチングするに際し、前記エッチングガスの供給流量を変化させずに、かつ前記エッチングガスのプラズマの圧力を、エッチング開始時の前記プラズマの圧力からエッチングの進行につれてエッチング途中のコンタクトホール内のガス圧力に近づけるように上昇させることを特徴とする。
【００１８】
エッチングガスのプラズマの圧力は、段階的に上昇させてもよいし、連続的に上昇させてもよい。上記したエッチング方法によれば、エッチングが進行するにつれてコンタクトホールが深くなり、アスペクト比が増すに伴い、コンタクトホール内のガスのコンダクタンスが劣化し、反応生成物を含むガスが増加する一方でガス排出能力が低下して、コンタクトホール内の圧力が経時的に上昇しても、それを補うようにプラズマガスの圧力を上昇させるので、コンタクトホール内に新たなエッチングガスが入り易くなり、エッチングがストップせず最後まで進行する。
【００１９】
前記エッチングガスのプラズマの圧力を、エッチングの進行につれてエッチング途中のコンタクトホール内のガス圧力に近づけるためには、予め絶縁膜のエッチングのプロセスシミュレーションによりエッチング時間の関数として求めたガス圧力を前記エッチングガスのプラズマの圧力の設定値とすることができる。
【００２０】
コンタクトホール内のガス圧力は、コンタクトホール内の底部のガス圧力を用いるのが望ましい。
エッチングガスのプラズマの圧力の上昇は、反応容器からエッチングガスを排気する排気速度を低減させることにより行なうのが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明のエッチング方法を実現するために使用するドライエッチング装置の一例の概略構成を示す断面図、図２は本発明のコンタクトホールのエッチング方法を説明する断面図である。
【００２２】
図１に示す平行平板型プラズマエッチング装置において、１は減圧可能なチャンバー、２は上部電極、３は上部電極に印加される高周波電源（２７．１２ＭＨｚ）、４は下部電極、５は下部電極に印加される高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）であり、２，３，４，５でエッチングガスのプラズマ発生手段を構築している。６はチャンバー１内部を減圧するための排気口で、図示しない真空ポンプが接続されている。７は圧力計、８は被処理ウエハーである。
【００２３】
９は、排気口６におけるチャンバー１との連通部付近に取り付けられ、排気速度（あるいは排気量）を調節する調節弁である。１０は調節弁制御装置であり、圧力計７で測定される圧力値を参照しつつ、後述するように調節弁９の開度を制御する。
【００２４】
以下、図２をも参照しながらコンタクトホールのエッチング方法を説明する。図２に示す被処理ウエハー８において、１１はシリコン基板、１２は絶縁膜としてのシリコン酸化膜、１３は微細なコンタクトパターンが形成されたレジスト膜である。
【００２５】
この被処理ウエハー８の被エッチング膜であるシリコン酸化膜１２に、エッチングガスのプラズマを用いてコンタクトホール１４をエッチングする。
エッチング条件は以下の表３に示すようなものであり、エッチングガスとしてＣ_５Ｆ_８、Ａｒ、酸素の混合ガスを用い、上部電極２と下部電極４に高周波電力を印加する。
【００２６】
ただしエッチング中に、チャンバー１内のエッチングガスのプラズマの圧力（以下、プラズマ圧力という）を、圧力計７による測定値を参照しつつ、コンタクトホール１４内のガス圧力に近づけるように段階的に上昇させる。プラズマ圧力以外のプロセス条件、たとえばエッチングガス種、エッチングガス供給流量、高周波電力、下部電極温度は一切変化させない。
【００２７】
【表３】

このコンタクトホールエッチングを詳細に説明する。
【００２８】
図２（ａ）に示すシリコン酸化膜１２の表面でのエッチング前の圧力（ａ点での圧力）を１Ｐａと設定し、その設定圧力に近づくようにチャンバー１内のエッチングガスのプラズマ圧力を制御してシリコン酸化膜１２のドライエッチングを開始する。（表３の▲１▼参照）
図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の１／３の深さ（＝ｂ点）までエッチングが進んだ時点で、設定圧力を１．５Ｐａに変更する。（表３の▲２▼参照）
図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の２／３の深さ（＝ｃ点）までエッチングが進んだ時点で、設定圧力を２Ｐａに変更する。（表３の▲３▼参照）
図２（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜１２を貫通する深さ（＝ｄ点）までエッチングを進行させて、エッチングを完了する。
【００２９】
続いて設定圧力を２．５Ｐａに変更し、所望のオーバーエッチを施す。この間はシリコン酸化膜１２のエッチングを進行させないために圧力は一定とする。（表３の▲４▼参照）
以上のようにして、エッチングの進行につれてコンタクトホール１４のアスペクト比が増加し、コンタクトホール１４内のエッチングガスとエッチングによるシリコン酸化膜１２との反応生成物による圧力が上昇するのに応じて、コンタクトホール１４内の圧力、具体的にはその時点での底部付近の圧力に近づくように、チャンバ１内のプラズマ圧力を変更しながらエッチングするのである。
【００３０】
このようにすることにより、エッチングが進行してもエッチング初期とほぼ同じ状態、すなわちコンタクトホール１４内外の圧力がほぼ等しい状態となり、ガス圧力が高まったコンタクトホール１４外のフロロカーボン系のエッチングガスがコンタクトホール１４内に入射しやすくなる一方で、コンタクトホール１４内の反応生成物が充分に排気されることになり、その結果、エッチストップを生じることなく、図３に示すような良好な形状のコンタクトホール１４が形成される。
【００３１】
しかし、このようにしてエッチング中に意図的にチャンバー１内のプラズマ圧力を増加させるに伴って、エッチング特性に影響が及ぶことが予想される。そこで、プラズマ圧力に対するコンタクトホールのエッチングレート（シリコン酸化膜１２のエッチング速度）依存性を調べた。
【００３２】
結果は図４に示すとおりであり、１Ｐａから３Ｐａの範囲内ではエッチング速度はほとんど変化しない。エッチング条件は表▲３▼と同様、C_５F_８/Ar/O_２=25/300/10(sccm)、上部電極/下部電極=1000(W)/1000(W)、下部電極温度=100℃とした。この結果は、コンタクトホール１４を完全にエッチングするためのエッチング時間を制御しやすいことを意味するものである。
【００３３】
なお、コンタクトホール１４の内部、特にその時点での底面部分のガス圧力の変化に応じて、それに近い値にチャンバ１内のプラズマ圧力を変化させるには、プロセスシミュレーションを利用するのが好都合である。最近ではプロセスシミュレーションによって、実際のプロセスに非常に近い状態を再現できるようになってきている。
【００３４】
具体的には、シミュレーションを用いて、実施しようとするコンタクトエッチングプロセスの境界条件及び初期条件から、コンタクトホール内の底面付近のガス圧力のエッチング時間依存性、すなわちエッチング時間の関数としてのガス圧力を計算し、その計算値を設定圧力とするのである。境界条件、初期条件としては、コンタクトホール径、深さ、絶縁膜材料の種類とその密度、エッチング速度、プラズマの初期圧力等が利用できる。
【００３５】
このようにして決定された設定圧力を図１に示すドライエッチング装置の調節弁制御装置１０に記憶させておくと、調節弁制御装置１０が、所定のエッチング時間に圧力計７で計測されたチャンバー内のプラズマ圧力の実測値と設定圧力とを比較し、実測値が設定圧力に一致するように調節弁９の開度を調節する。
【００３６】
プラズマ圧力を段階的に増加させるためには、調節弁９の開度を段階的に小さくすることで排気速度（排気量）を低減させればよい。エッチングガスの圧力を変化させる他の方法として、エッチングガスの供給流量を変化させることも考えられるが、エッチング特性に影響を及ぼすので、排気速度（排気量）を変化させるのが好ましい。
(実施の形態２)
本発明の実施の形態２におけるコンタクトホールのエッチング方法は、上記実施の形態１と同様の装置を用いて、ほぼ同様の工程を辿って実施できるので、図１および図２を援用して説明する。
【００３７】
この実施の形態２のエッチング方法が実施の形態１のエッチング方法と相違するのは、エッチング中にチャンバー１内のエッチングガスのプラズマ圧力を連続的に上昇させる点である。その間、プラズマ圧力以外のプロセス条件、たとえばエッチングガス種、エッチングガス供給流量、高周波電力、下部電極温度は一切変化させない。
【００３８】
図２を参照しながら説明する。
図２（ａ）に示すシリコン酸化膜１２の表面でのエッチング前の圧力（ａ点での圧力）を１Ｐａと設定し、その設定圧力に近づくようにチャンバー１内のエッチングガスのプラズマ圧力を制御してシリコン酸化膜１２のドライエッチングを開始する。
【００３９】
そして設定圧力を連続的に、たとえば、０．０２５（Ｐａ／ｓｅｃ）の割合で上昇させながらエッチングを進行させる。
このことにより、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の１／３の深さ（＝ｂ点）までエッチングが進んだ時点では、設定圧力は１．５Ｐａになる。
【００４０】
図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜１２の膜厚の２／３の深さ（＝ｃ点）までエッチングが進んだ時点では、設定圧力は２．０Ｐａになる。
図２（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜１２を貫通する深さ（＝ｄ点）までエッチングが進み、エッチングが完了する時点では、設定圧力は２．５Ｐａになる。
【００４１】
エッチングの完了後には所望のオーバーエッチを施す。このオーバーエッチの間は、シリコン酸化膜１２のエッチングを進行させないために設定圧力２．５Ｐａに維持する。
【００４２】
この実施の形態２のエッチング方法でも、実施の形態１と同様に、エッチストップを引き起こすことなく、良好な形状のコンタクトホール１４を形成できる。エッチングガスの圧力制御も、調節弁９の開度を連続的に小さくする以外は実施の形態１と同様に行なえる。
【００４３】
なお、上記した各実施の形態では、シリコン酸化膜１２のエッチングにレジストマスク１３を用いたが、塗布型有機系反射防止膜を用いた場合も、同様にして良好にコンタクトホール１４をドライエッチングできるのは言うまでもない。
【００４４】
また、エッチング装置として反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたが、誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ）、マイクロ波磁場印加プラズマ（ＥＣＲ）装置等を用いても、同様にして良好にコンタクトホール１４をドライエッチングできるのは言うまでもない。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、微細かつアスペクト比の高いコンタクトホールをも、エッチングストップを引き起こすことなく、良好な形状にてドライエッチングできる。その結果、半導体デバイスにおける多層配線間のコンタクト形成不良が大幅に低減することになり、高性能多層配線デバイスにおける半導体製造工程において大変重要で価値ある技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング方法を実施するために使用するドライエッチング装置の一例の概略構成を示す断面図
【図２】本発明のコンタクトホールのエッチング方法を説明する断面図
【図３】図２に示したエッチング方法により形成される良好な形状のコンタクトホール
【図４】プラズマ圧力に対するコンタクトホールのエッチングレート依存性を示すグラフ
【図５】従来のエッチング装置の概略構成を示す断面図
【図６】従来のエッチング方法を説明する工程断面図
【符号の説明】
１チャンバー
２上部電極
４下部電極
６排気口
７圧力計
８被処理ウエハー
９調節弁
10 調節弁制御装置
11 シリコン基板
12 シリコン酸化膜
14 コンタクトホール

Claims

減圧可能な反応容器内に基板を設置し、前記基板上に成膜された絶縁膜にエッチングガスのプラズマを用いてコンタクトホールをエッチングするに際し、
前記エッチングガスの供給流量を変化させずに、
かつ前記エッチングガスのプラズマの圧力を、エッチング開始時の前記プラズマの圧力からエッチングの進行につれてエッチング途中のコンタクトホール内のガス圧力に近づけるように上昇させていきながら、
エッチングを行い、前記コンタクトホールを形成するコンタクトホールのエッチング方法。
エッチング途中のコンタクトホール内のガス圧力は、絶縁膜のエッチングのプロセスシミュレーションによりエッチング時間の関数として求めたガス圧力を用いる請求項１記載のコンタクトホールのエッチング方法。
前記絶縁膜のエッチングのプロセスシミュレーションによりエッチング時間の関数として求めたガス圧力を前記エッチングガスのプラズマの圧力の設定値とする請求項２記載のコンタクトホールのエッチング方法。
前記コンタクトホール内のガス圧力は、前記コンタクトホール内の底部のガス圧力である請求項１〜３のいずれかに記載のコンタクトホールのエッチング方法。
前記エッチングガスのプラズマの圧力の上昇は、反応容器からエッチングガスを排気する排気速度を低減させることにより行なう請求項１記載のコンタクトホールのエッチング方法。
前記エッチングガスは、フロロカーボン系のガスと、Ａｒおよびまたは酸素との混合ガスである請求項１〜５のいずれかに記載のコンタクトホールのエッチング方法。