JPH04155834A - 多層層間絶縁膜のエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特には多層配線
の上層配線と下層配線を互いに接続するスルーホールの
形成に関する。

〈従来の技術〉 一般に半導体装置が高密度化するのに伴って、電極配線
の多層化、パターン幅の微細化が要求されている。

このような状況に対応するため、多層層間絶縁膜の形成
方法も多様化している。この種の絶縁膜としては、プロ
セス（平坦化、微細化）又はデバイス特性上、複数種類
の絶縁膜を積層した複合膜を用いることが多い。例えば
最近のデバイスとしては、層間絶縁膜にプラズマＣＶＤ
法で形成したＰ−３ｉＮ膜と、ポリイミド膜を重ねて２
層構造にしたものが多く用いられている。この種の複合
膜の生な特徴として、（１）Ｐ−３ｉＮ膜を下層に用い
ることにより、ポリイミド膜の吸湿による水分及び膜中
の不純物かシリコン基板に到達することを防くことかで
きる。（２）ポリイミド膜の分極によるシリコン基板の
表面反転や、ＭＯＳトランジスタのスレッシュホールド
電圧を変化させるという悪影響をＰ−３ｉＮ膜によって
減少できる。

（３）Ｐ−３ｉＮ膜の段差被覆性の悪さ、クラック発生
等を上層のポリイミド膜により平坦化し、層間絶縁膜と
しての信頼性をより完全なものにすることができる、等
が挙げられる。

このような積層した複合膜に対するスルーホールの形成
方法については、上層のポリイミド膜はウニ、トエノチ
ング（ヒドラジン液、アルカリ現像液）、トライエツチ
ング、感光性ポリイミドの利用等により開口を形成して
いる。

一方、下ＳのＰ−３ｉＮ膜についてはドライエツチング
処理により開口を形成しているが、上記複合膜にエツチ
ングを施すと、ポリイミド膜とＰ−３ｉＮ膜の境界にお
いてＰ−３ｉＮ膜に対しポリイミド膜かオーツ＼−ノ・
ング構造になり易い。第２図にオーバーハング構造の例
を示す。

同図において、下層配線１上に積層されたＰ−３ｉＮ＠
２及びポリイミド膜３は、ホトレンスト４をマスクとし
て開口か形成されているか、Ｐ−８ｉＮ膜２の開口面積
か、ポリイミド膜３の開口面積に比へて大きくなってお
り、オー／＜−／＼ソング造を呈する。

このような場合、開口部に上層配線５を被着すると、第
３図のように突出したポリイミド膜２のために陰になる
部分が生じ、段差被覆性が著しく悪くなり、断線する場
合もある。そのため第４図に示すように、上層のポリイ
ミド膜３を工・ノチング後、下層のＰ−３ｉＮ膜２を異
方性工・ノチングするか、第５図に示すような、下層の
Ｐ−３ｉＮ膜２の開口面積をポリイミド膜３のそれより
小さくするために、Ｐ−３ｉＮ膜２上をマスク材料で被
って一旦開口を形成し、マスク材料４を除去した後、そ
の上に上層のポリイミド膜２を被って開口を形成すると
いった、それぞれにマスク材料を形成し、エツチングす
るか、オーバーハング構造を防止するために、ポリイミ
ド膜３．Ｐ−３ｉＮ膜２のエツチング後、上層のポリイ
ミド膜３のみを更にエツチングするか、第６図に示すよ
うに、マスク材料４のテーパー角と、マスク材料４とポ
リイミド膜３との選択比（エンチング速度比）によって
上層のポリイミド膜３のテーパー角を制御し、更に上層
のポリイミド膜３のテーパー角と、上層のポリイミド膜
３及び下層のＰ−３ｉＮ膜２の選択比により下層のＰ−
３ｉＮ膜のテーパー角を制御して、段差被覆性の優れた
開口を、ＲＩＢにより形成すること等により対処してき
た。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記従来のプロセスにおいて、第４図に示すように、下
層Ｐ−３ｉＮ膜２を異方性エツチングする方法は、異方
性が完全であったり、異方性を達成しても、近年の微細
化に伴う開口部のアスペクト比（開口部の幅に対する深
さの比）の上昇により、配線材料の段差被覆性が悪くな
る。

第５図に示すように、２度に分けてマスクを形成し、エ
ツチングする方法は、工程が複雑である、マスク形成の
際に合わせ精度か要求される、及び開口部の寸法か拡大
する。またマスク形成の際にズレを生じていると実際の
開口部の寸法が小さくなり過ぎ、導通が確保できなくな
る場合も生じる。

更に、−旦開口を形成した後上層のポリイミド膜３のみ
をエツチングし、オーバーハング構造を防止する方法は
、下層のＰ−３ｉＮ膜２のオーバーハング状態に左右さ
れる。このため上層のポリイミド膜３のみの後退量を充
分にとる必要があり、開口の寸法か拡大する。

また第６図に示すように、マスク材料４及び上層ポリイ
ミド膜３のテーパー角と、マスク材料と絶縁膜及び絶縁
膜同士の選択比により開口部のテーパー角を制御する方
法は、エツチング面積比の変化、絶縁膜自身の膜質の変
化により、テーパー角の制御性が悪くなる。

また最初からテーパー角を考慮したエツチングを行って
いるため、オーバーエツチングに対して後退量が大きく
なり、開口部の寸法か拡大する。

更に最適エツチングまでは、良好なテーパーが形成でき
ても、オーバーエツチングにより結局垂直形状になって
しまう等、不安定要因が多い。

本発明は上記従来方法の問題点に鑑みてなされたもので
、開口寸法の微細化と配線材料の段差被覆性を満足させ
るエツチング方法を提供する。

く問題点を解決するための手段〉 上層下層配線間に、異なる種類の層間絶縁膜を複数層積
層してなる半導体装置の、上層下層配線間を接続するた
めのスルーホールを形成する方法において、上層のポリ
イミド膜をエツチングした後、下層Ｐ−３ｉＮ膜をＣＨ
Ｆ３とＯ３の混合ガスで異方性エツチングし、続いてＣ
ＨＦ３と○、の混合ガスにおいてＰ−３ｉＮ膜とは異な
るエツチング条件で、ポリイミド膜の開口側壁面とＰ−
３ｉＮ膜の開口上端を同時に後退させ、テーパーをもつ
スルーホールヲ形成スル。

〈実施例〉 第１図（ａ）〜（ｆ）は、本発明の１実施例を説明する
ための半導体基板の断面図で、特に２層に積層した絶縁
膜上をホトレジストで被った後、マスク材料のパターニ
ング工程からエツチング工程及び配線材料の被着工程を
示す。

第１図（ａ）において、下層配線１上にプラズマＣＶＤ
技術により、Ｐ−３ｉＮ膜２を形成し、続いてその上に
ポリイミド膜３を形成し、２層の複合層間絶縁膜とする
。次に上記複合層間絶縁膜の所望の位置に開口を形成す
るために、上層絶縁膜３上にホトレジスト４を塗布し、
これに所定のパターンを形成する。ここヌホトレジスト
４のテーパー角は露光、現像及びベーク条件等を選択す
ることにより、約８０度に設定した。

次に第１図（ｂ）に示すように、ホトレジストの開口部
に露出したポリイミド膜３をエツチングするために、ま
ずポリイミド膜３をＯｌを主体とするりアクティブイオ
ンエツチング（ＲＩ　Ｅ）により開口を形成する。続い
て第１図（Ｃ）に示すように、Ｐ−３ｉＮ膜２をＣＨＦ
、と○、の混合ガスを用いて、平行平板型ドライエツチ
ング装置により異方性エツチングする。ここでエツチン
グの条件は、第７図から第９図に示す実験結果に基つい
て設定した条件で実施する。即ち、上記Ｐ−３ｉＮ膜２
の完全異方性形状を得る条件としては、ＣＨＦ３と○、
の混合ガスについて、０２の混合割合を１０〜３０％（
第７図）望ましくは約２０％。

ガス圧をほぼ０．　０３〜０．　　Ｉ　Ｔｏｒｒ　（第
８図）。

高周波電力密度を０．２ｗ／ｃｍ’以上（第９図）に設
定する。上記異方性エツチングの条件に設定することに
より、ほぼ垂直な側壁をもつ良好なエツチング形状が得
られた。なおＰ−３ｉＮ膜２の膜質によってエツチング
速度に変化は見られるが、形状については非常に安定し
ており、またエツチング後更にオーバーエツチングを最
大５０％まで行ったがオーバーハング構造にはならない
ことが確かめられ、製造時の工程管理が行ないやすくな
る。

続いて上記Ｐ−３ｉＮ膜２に完全異方性エツチングがさ
れた半導体基板に、第１図（ｄ）に示すように、再びＣ
ＨＦ、とＯ７の混合ガスを用いてエツチングする。ただ
し、この工程では微細化を損なうことなく被覆性を高め
るために、エツチング条件は上記完全異方性エツチング
とは異なる条件に設定する。即ち０．の混合割合はほぼ
５０％（第７図）、ガス圧は０．０５Ｔｏｒｒ（第８図
）、高周波電力密度はＱ、　　２ｗ／ｃｍ”以上（第９
図）としてエツチングする。上記エツチング条件で行う
ことにより、ポリイミド膜３の側面がエツチングされる
と共に、Ｐ−３ｉＮ膜２の開口下端の垂直状態をほぼ維
持しながら、上端部が後退し良好なテーパーを形成する
。

第１図（ｅ）は上記工程を終えた半導体基板に対して、
ホトレジスト４を除去した表面にスパッタリング等によ
り、例えばＡｌ−８ｉからなる上層配線５を被着し、開
口部に露出した下層配線ｌとの間を電気的接続する。上
記工程により、スルーホール部において、ポリイミド膜
３の側壁からＰ−３ｉＮ膜２側壁の上端部にほぼ連続す
るテーパーを形成することができ、上層配線５の段差被
覆性は大幅に改善され、被覆性の極めて優れた上層配線
が得られ、極めて安定した接続が得られる。

上記エツチング工程は、コンタクト抵抗、タメーシ等半
導体回路素子としての特性に影響することもほとんとな
いことか確認されている。

また本実施例のエツチング工程は、開口底部では垂直な
Ｐ−３ｉＮ側壁が形成されるため、微細な開口が形成さ
れ、それにもかかわらず段差被覆性の改善が図れ、また
同一のりアクティブイオンエツチング装置内で連続的に
加工することができ、工程の短縮が図れる。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明によれば、１回のマスク形成によ
り開口部にオーバーハングを生じることなく、側壁に所
望のテーパーをつけ、配線材料の段差被覆性を良くし、
かつ複合膜を連続的に工・ノチングすることができる。

また複合膜の下層絶縁膜は、異方性エツチングがもつ微
細加工を利用していることから、多数の半導体装置（ウ
ェハー）を同時処理した際に、ウェハー間の膜厚等の不
均一性によるバラツキを解消するため必要になるオーバ
ーエツチングに対しても、開口部の寸法の拡大か極めて
少く、寸法精度の優れた高密度半導体集積回路装置を製
造することかできる。またエツチング面積の大小、Ｐ−
８ｉＮ膜自身の膜質の変化に強く、再現性の良い開口が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（ｅ）は、本発明の詳細な説明するた
めの半導体基板断面図、第２図は、オーバーハングを有
する２層絶縁膜の断面図、第３図はオーバーハングをも
つ２層絶縁膜に配線材料を被着した半導体断面図、第４
図は２層絶縁膜の下層Ｐ−３ｉＮ膜に異方性エツチング
を施した半導体断面図、第５図は２層絶縁膜をもつ半導
体のオーバーハング構造を防止するための従来方法を説
明する半導体断面図、第６図はエツチングの選択比によ
り開口部のテーパー角を制御した半導体の断面図、第７
図乃至第９図は本発明のエツチング条件を導くための測
定図である。 １、下層配線　２・Ｐ−３ｉＮ膜　３．ポリイミド膜　
４：マスク材料　５．上層配線 代理人　　弁理士　　梅１）勝（他２名）＠１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）多層配線間を電気的に分離する絶縁膜にスルーホー
   ルを形成する方法において、 下層配線が形成された半導体基板上にＳｉＮ膜及び有機
   膜を含む複合絶縁膜を形成し、 Ｏ＿２を含む雰囲気中でのドライエッチングにより上記
   有機膜に開口を形成し、 上記有機膜をマスクに、ＣＨＦ＿３とＯ＿２の混合ガス
   雰囲気中でＳｉＮ膜に異方性エッチングにより開口を形
   成し、 上記ＳｉＮ膜のエッチング条件よりＯ＿２濃度を高く設
   定したＣＨＦ＿３とＯ＿２の混合ガス雰囲気中で上記複
   合絶縁膜の開口壁を後退させる工程とにより、スルーホ
   ールを形成することを特徴とする多層層間絶縁膜のエッ
   チング方法。 ２）請求の範囲第１項の記載において、有機膜はポリイ
   ミド膜であり、ポリイミド膜を異方性エッチングするた
   めのＣＨＦ＿３とＯ＿２混合ガスのＯ＿２の濃度は、ほ
   ぼ１０〜３０％に設定されてなることを特徴とする多層
   層間絶縁膜のエッチング方法。