JPH08195380A - コンタクトホールの形成方法 - Google Patents

コンタクトホールの形成方法

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JPH08195380A
JPH08195380A JP372495A JP372495A JPH08195380A JP H08195380 A JPH08195380 A JP H08195380A JP 372495 A JP372495 A JP 372495A JP 372495 A JP372495 A JP 372495A JP H08195380 A JPH08195380 A JP H08195380A
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hole
contact hole
plasma
mask
diameter
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Tetsuya Tatsumi
哲也 辰巳
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 径が0.2μmクラスまたはそれ以下と微細
で、しかも配線材料の埋込み特性を向上できるコンタク
トホールの形成方法を提供すること。 【構成】 図1(a)に示す第1工程では、基体として
のSiの基板1表面に設けた下地層としてのSiO2
2上にレジストマスク3を形成した後、レジストマスク
3に孔3aを設ける。次いで、図1(b)に示す第2工
程ではC4 8 ガスらなる堆積性ガスのプラズマを用
い、孔3aの直下に位置するSiO2 層2をそのプラズ
マでエッチングすることなく、プラズマから生成される
CF系ポリマーを孔3aの側壁に堆積させてこの堆積物
4により孔3aの径を狭める。そして図1(c)に示す
第3工程では、レジストマスク3と堆積物4とをエッチ
ングマスク6にしたエッチングにより、孔3aの直下の
SiO2 層2にコンタクトホール5を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、SRAM、DRAM、
ASICなどの半導体装置の製造プロセスで用いられる
微細なコンタクトホールの形成方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】LSIの高集積化が進むにしたがって、
微細加工技術への要求は益々厳しいものとなってきてい
る。ドライエッチング工程においても、高精度の加工を
目指して種々の検討が行われている。そのような流れの
中で、酸化シリコン(SiO2 )などの層間絶縁膜にコ
ンタクトホールを形成する加工では、マグネトロン、誘
導結合またはヘリコンなどの高密度プラズマ源と、例え
ばフルオロカーボン(CF)系ガスからなる堆積性ガス
とによって発生させたプラズマを用いる方法が一般的と
なっている。
【0003】また現在、コンタクトホールの径が0.3
μmレベルまでは、エキシマレーザリソグラフィにより
コンタクトホール加工用のマスクに孔をパターニング
し、これを用いてエッチング加工することで、図5
(a)に示すごとく層間絶縁膜51に、基体50と反対
の側に向かって拡径するように若干のテーパ(〜86
°)角をつけた所望の径のコンタクトホール52を得る
ことができている。またその後、コンタクトホール52
内へのブランケット−タングステン(W)などの配線材
料の埋込み、つまりW−プラグの形成なども支障なく行
うことが可能である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記した従
来の方法を用いて径が0.2μmクラスまたはそれ以下
の微細なコンタクトホールを形成するには、以下に述べ
るような二つの大きな問題がある。
【0005】一つは、現在のリソグラフィ技術では、マ
スクに0.2μmの径の孔を安定して形成することが困
難であるという問題である。すなわち、波長が248n
mの解像力が高いエキシマレーザを用いたリソグラフィ
においても0.3μmの径の孔の形成が限界であり、解
像力の向上を図るべく位相シフト法や、変形照明などの
技術の開発がなされているものの実用レベルに達するに
はまだ時間が必要である。なお、位相シフト法とは、露
光用マスクのパターン近傍に屈折率の異なる層を設け、
位相の異なる2つの光の干渉によって信号強度を強くす
る技術であり、変形照明とは、光源の光強度分布を変化
させる技術である。
【0006】また、より短波長の光を用いるフッ化アル
ゴン(ArF)エキシマレーザや電子線(EB)などを
使用するリソグラフィ法も検討されているが、前者は実
用機が未だなく、後者はスループットが遅いという問題
が解決できていないため、これらを使用することは難し
い。したがって、現在、実用レベルにあるマスクには、
径が0.2μmクラスまたはそれ以下の孔が形成されて
いるものはないと言える。
【0007】もう一つの問題は、仮にマスクに0.2μ
mの径の孔を形成できても、従来通りのエッチング加工
によって図5(a)に示すようにコンタクトホール52
の側壁に例えば86°のテーパ角をつけた場合には、コ
ンタクトホール52の基板50側の径が0.1μmと小
さくなってしまい、コンタクト抵抗が増大することであ
る。これを防ぐためには、図5(b)に示すように側壁
のテーパ角を例えば89°以上とより垂直に近い角度に
加工する必要があるが、その場合には、コンタクトホー
ル53内に埋込もうとするブランケット−Wなどの配線
材料のカバレッジ性の問題からプラグの形成が困難にな
る可能性がある。
【0008】すなわち図5(c)に示すように、アスペ
クト比が高くかつ側壁が垂直に近いコンタクトホール5
4では、例えばブランケット−W56がその側壁上部付
近に先に堆積してしまいコンタクトホール54をふさい
でしまうため、ブランケット−W56のそれ以上の埋込
みができなくなるのである。
【0009】埋込み特性を改善するには、図5(d)に
示すように、コンタクトホール55の側壁上部側をテー
パ状にすれば良いが、径が0.2μmクラスのコンタク
トホール55の側壁上部側をこのように制御良く加工す
る技術は開発されていない。本発明は上記課題を解決す
るためになされたものであり、径が0.2μmクラスま
たはそれ以下と微細で、しかも後の埋込み工程における
配線材料の埋込み特性を向上できるコンタクトホールの
形成方法を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明者は、以下に述べる報告に着目し、マスクの孔
の径を現在のリソグラフィ技術で安定して得られる寸法
に形成して、このマスクの孔の径を狭めることを検討し
た。
【0011】すなわち、「1994 Micro Process Confere
nce 予稿集」の報告によれば、誘導結合プラズマ(IC
P)をプラズマ源として使用し、堆積性ガスであるオク
タフルオロブテン(C4 8 )ガスを単独で用いた場
合、イオンエネルギーを低く抑えると、プラズマ中に生
成する高解離の反応生成物の付着確率が高くなって、図
4(a)に示すようにSiO2 層40に形成されている
コンタクトホール41の側壁上部側に厚くCF系ポリマ
ー42が堆積する。一方、C4 8 ガスに水素(H2
ガスを添加したガス系を採用した場合には、堆積するC
F系ポリマー42表面のラジカル移動度がH2 ガスの添
加により増大するため、図4(b)に示すようにコンタ
クトホール41の側壁に堆積するCF系ポリマー42の
厚みはほぼ均一になる。そして本発明者は、上記報告を
着目し鋭意研究した結果、本発明を完成させたのであ
る。
【0012】すなわち本発明のコンタクトホールの形成
方法は、まず第1工程で基体表面に設けた下地層上にマ
スクを形成した後、マスクに孔を設ける。次いで、第2
工程では堆積性ガスのプラズマを用い、孔の直下に位置
する下地層をそのプラズマでエッチングすることなく、
プラズマから生成される生成物を上記孔の側壁に堆積さ
せて孔の径を決定する。そして第3工程では、このよう
なマスクを用いたエッチングにより、上記孔の直下の下
地層にコンタクトホールを形成する。
【0013】また本発明の他のコンタクトホールの形成
方法は、まず第1工程で基体表面に設けた下地層上にマ
スクを形成した後、マスクに孔を設ける。次いで、第2
工程では堆積性ガスのプラズマを用い、このプラズマか
ら生成される生成物を上記孔の側壁に堆積させて孔の径
を決定するとともに、孔の直下の下地層に上方に向かっ
て拡径するテーパ状の凹部を形成してコンタクトホール
の上部側を形成する。そして第3工程では、マスクを用
いたエッチングにより、上記凹部底面の直下の下地層に
開孔を設けてコンタクトホールの下部側を形成する。
【0014】なお、本発明における堆積性のガスには、
例えばフルオロカーボン系ガスが用いられる。また上記
プラズマから生成される生成物は、例えばフルオロカー
ボン系ガスを高密度プラズマで解離させることによって
生成されるものからなる。また、上記プラズマはイオン
エネルギーを発生させるプラズマからなり、このイオン
エネルギーを調整することによって、上記孔の側壁に堆
積させる堆積物の厚みを制御するとともにその孔の底部
に堆積される堆積物を除去することが可能である。さら
に上記堆積性のガスに水素ガスを添加することによっ
て、上記堆積物の厚み方向の方向性を制御することがで
きる。
【0015】
【作用】本発明方法では、堆積性ガスのプラズマから生
成される生成物を、マスクの孔の側壁に堆積させて孔の
径を狭めることにより該径を決定し、次いで、この堆積
物と上記マスクをエッチングマスクにしてエッチングす
るため、該エッチングの際は、孔の直下の下地層に入射
するプラズマが堆積物に規制されて、下地層には上記決
定された孔の径にほぼ等しい、すなわち上記マスクの元
の孔の径よりも小さい径のコンタクトホールが形成され
る。
【0016】また本発明の他の方法では、堆積性ガスの
プラズマから生成される生成物を、マスクの孔の側壁に
堆積させて孔の径を狭めることにより該径を決定すると
ともに、孔の直下の下地層に上方に向かって拡径するテ
ーパ状の凹部を形成してコンタクトホールの上部側を形
成した後、マスクの孔の側壁に堆積させた堆積物と上記
マスクをエッチングマスクにしてエッチングするため、
凹部底面の直下の下地層に入射するプラズマが堆積物に
規制されて、下地層にはコンタクトホールの上部側に続
いて、上記決定された孔の径にほぼ等しいコンタクトホ
ールの下部側が形成される。つまり、上部側にテーパが
つけられておりかつ下部側が元のマスクの孔の径よりも
小さい径のコンタクトホールが形成される。
【0017】
【実施例】以下、本発明のコンタクトホールの形成方法
の実施例を説明するが、これに先立ち、本発明の第2お
よび第3工程で使用する装置の一例を図3に示す概略構
成図を用いて説明する。
【0018】この装置はいわゆるICP装置30であ
り、チャンバー31の外周にはアンテナコイル32が巻
かれている。アンテナコイル32にはソースパワー電源
33が接続されており、また基板1を設置するための電
極34には、高周波(RF)バイアス電源35が接続さ
れている。さらにチャンバー31には堆積性ガスの導入
管と真空ポンプ(いずれも図示せず)とがそれぞれ接続
されている。
【0019】このように構成されるICP装置30で
は、チャンバー31内を所定の減圧状態にして堆積性ガ
スをチャンバー31内に導入するとともに、アンテナコ
イル32に所定の電力を供給することで放電が開始さ
れ、チャンバー31内において堆積性ガスの1011〜1
12/cm3 の高密度プラズマが発生する機構となって
いる。またRFバイアス電源35から電極34に印加さ
れるRFバイアスの印加によって、電極34(基板1)
表面に形成されるイオン加速電界(Vdc)を制御でき
るようになっており、このことによって、チャンバー3
1内で発生させるプラズマとは独立して基板1に入射す
るイオンのエネルギー(以下、イオンエネルギーと記
す)を調整できるようになっている。
【0020】次に、このような装置を用いて行う本発明
の一実施例を図1に示す工程図を用いて説明する。な
お、ここでは、本発明における基体としてシリコン(S
i)の基板を用いるとともに、本発明における下地層と
して1μmの厚みのSiO2 層を使用し、さらにマスク
としてレジストマスクを用いた場合について述べる。
【0021】まず図1(a)に示す第1工程では、Si
の基板1表面に設けたSiO2 層2上にレジストマスク
3を形成した後、リソグラフィおよびエッチングによっ
てこのレジストマスク3に0.3μmの径の孔3aを形
成する。
【0022】次いで図1(b)に示す第2工程では、前
述した図3に示すICP装置30を用い、C4 8 ガス
からなる堆積性ガスをチャンバー31内に100scc
mの流量で導入するとともに、チャンバー31内の圧力
を1.3Pa、ソースパワーを1200Wに設定してC
4 8 ガスのプラズマを発生させる。そして、このプラ
ズマの解離反応から生成される生成物を孔3aの側壁に
堆積させて孔3aの径を狭め、孔3aの径を決定する。
なお、この孔部3aの側壁に堆積させる堆積物4は、X
PS(X線光電子分光法)分析によって、炭素(C)と
フッ素(F)とからなるCF系ポリマーであることが確
認されている。
【0023】またCF系ポリマーからなる堆積物4を堆
積する際は、孔3aの直下に位置するSiO2 層2をC
4 8 ガスのプラズマでエッチングしないようにする。
それには、上記のSiO2 層2のエッチングレートが0
になるイオンエネルギーが得られるときの加速電圧(V
dcφ)を基準とし、これから例えば±50Vの範囲に加
速電圧(Vdcφ)を制御してCF系ポリマーの堆積を行
う。さらに上記イオンエネルギーを調整することによっ
て、孔3aの側壁に堆積される堆積物の厚みを制御する
とともに、孔3aの底部に堆積される堆積物4、つまり
CF系ポリマーを除去するようにする。ここでは、電極
34に5WのRFバイアス電力を供給することにより、
Vdc<0、Vdc=Vdcφ=±50Vに設定してい
る。
【0024】そして図1(c)に示す第3工程では、上
記のICP装置30を使用し、孔3aの径が狭められた
レジストマスク3と堆積物4とをエッチングマスク6に
したエッチングにより、孔3aの直下のSiO2 層2
に、Si基板1に到達するコンタクトホール5を形成す
る。ここではエッチングガスとして、C4 8 ガスにH
2 ガスを添加したガスを用い、C4 8 ガスの流量を7
0sccm、H2 ガスの流量を30sccmとする。ま
た、チャンバー31内の圧力を1.3Pa、ソースパワ
ーを1200Wに設定するとともに、RFバイアス電力
を60W(Vdc<0、Vdc=Vdcφ=−250
V)に設定しコンタクトホール5を形成する。
【0025】上記した方法では、C4 8 ガスのプラズ
マから生成されるCF系ポリマーを、0.3μmの径の
孔3aの側壁に堆積させて孔3aの径を狭めるので、実
質的には0.2μmの径の孔3aが形成されることにな
る。そして、このようなレジストマスク3と堆積物4を
エッチングマスク6にしたエッチングでは、孔3aの直
下のSiO2 層2に入射するプラズマが堆積物4に規制
されるため、SiO2層2には狭められた孔3aの径と
ほぼ等しい、すなわち元の孔3aの径よりも小さい0.
2μm径の微細なコンタクトホール5が形成されること
になる。
【0026】実際に、上記した条件でコンタクトホール
5の形成を行ったところ、0.2μmの微細な径を有
し、かつ側壁のテーパ角が89°と配線材料を良好に埋
込むことができるテーパ角のコンタクトホール5を形成
することができた。したがってこの実施例によれば、既
存の0.3μmのリソグラフィ技術を用いても0.2μ
mクラスまたはそれ以下の微細な径を有し、かつ後の埋
込み工程における配線材料の埋込み特性を向上できるコ
ンタクトホール5を形成することができる。
【0027】次に、本発明の他の実施例を図2に示す工
程図を用いて説明する。この実施例において、上記実施
例と相異するのは、第2工程において孔3aの側壁にC
F系ポリマーを堆積させるとともに、孔3aの直下のS
iO2 層2をエッチングしてコンタクトホール15の上
部側を形成する点である。
【0028】すなわち、図2(a)に示す第1工程で、
SiO2 層2上のレジストマスク3に0.3μmの径の
孔3aを設けた後、図2(b)に示す第2工程では、前
述した図3に示すICP装置30を用いるとともに、電
極34に供給するRFバイアス電力を60W(Vdc<
0、Vdc=Vdcφ=−50V〜−150V)とする
以外は堆積ガス種、流量などを上記実施例の第2工程と
同じ条件に設定してC 4 8 ガスのプラズマを発生させ
る。そして、このプラズマの解離反応から生成されるC
F系ポリマーを孔3aの側壁に堆積させ、このCF系ポ
リマーからなる堆積物4によって孔3aの径を狭める。
また同時に、上記のC4 8 ガスのプラズマにより、孔
3a直下のSiO2 層2に、上方に向かって漸次拡径す
るテーパ状の凹部15aを形成してコンタクトホール1
5の上部側を形成する。なお、この工程ではC4 8
スのプラズマ放電を30秒間行う。
【0029】そして図2(c)に示す第3工程では、前
述の実施例の第3工程と同じ条件でレジストマスク3と
堆積物4とをエッチングマスク6にしたエッチングによ
り、凹部15a底面の直下のSiO2 層2に、Si基板
1に到達する開孔15bを設けてコンタクトホール15
の下部側を形成する。
【0030】上記した方法では、前述の実施例と同様
に、CF系ポリマーを0.3μmの径の孔3aの側壁に
堆積させて孔3aの径を狭めるので、実質的には0.2
μmの径の孔3aが形成される。また、このとき電極2
3に印加する加速電圧Vdcを、前述の実施例の第2工
程で設定した加速電圧Vdcφより高くしてイオンエネ
ルギーを大きくしているので、孔3a直下のSiO2
2が弱いイオン衝撃を受けていわゆるスパッタリング効
果によりエッチングされ、上方に向かって漸次拡径する
テーパ状の凹部15a、つまりコンタクトホール15の
上部側が形成される。
【0031】そして、孔3aの径が0.2μmに狭めら
れたレジストマスク3と堆積物4とをエッチングマスク
6にしたエッチングでは、凹部15a底面の直下のSi
2層2に入射するプラズマが堆積物4に規制されるた
め、SiO2 層2には狭められた孔3aの径とほぼ等し
い、すなわち元の孔3aの径よりも小さい0.2μmの
径のコンタクトホール15の下部側が形成される。
【0032】実際に、上記した条件でコンタクトホール
15の形成を行ったところ、上端の径が0.3μm、下
端の径が0.2μmのテーパ状のコンタクトホール15
の上部側と、径が0.2μmのコンタクトホール15の
下部側とから構成される微細なコンタクトホール15を
形成することができた。
【0033】このようなコンタクトホール15は、下部
側の径が微細でありながら上部側にはテーパがついてい
るので、後の埋込み工程では配線材料を良好に埋込むこ
とができるものとなる。したがってこの実施例によって
も、既存の0.3μmのリソグラフィ技術を用いて、
0.2μmクラスまたはそれ以下の微細な径を有し、し
かも配線材料の埋込み特性を一層向上できるコンタクト
ホール15を形成することができる。
【0034】なお、本実施例では、C4 8 ガスからな
る堆積性ガスを単独で用いて本発明における第2工程を
行ったが、このC4 8 ガスにさらにH2 ガスを添加し
て第2工程を行うことも可能である。この場合には、前
述した課題を解決する手段で記載した理由により、孔の
側壁に堆積させる堆積物の厚み方向の方向性を制御する
ことができる。また本実施例はいずれも、通常のSiO
2 のエッチングに準じる形のプロセスのみで構成されて
いるため、再現性または均一性に関しても何等心配のな
い安定したプロセスである。
【0035】さらに本実施例では、本発明における堆積
性ガスとしてC4 8 ガスを例にとって説明したが、本
発明の下地層としてSiO2 を用いる場合にはその他に
テトラクロロシラン(SiCl4 )ガスやテトラフルオ
ロシラン(SiF4 )ガスなどを用いることができる。
また、ヘキサフルオロエタン(C2 6 )ガスやオクタ
フルオロプロパン(C3 8 )ガスなどのガス系を用い
ても同様の効果が得られるのはもちろんである。その
他、本発明の主旨に反しない限り、反応条件、装置構成
など、適宜変更可能であるのは言うまでもない。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように本発明のコンタクト
ホールの形成方法は、堆積性ガスのプラズマからの生成
物をマスクの孔の側壁に堆積させてその径を狭めること
によって該径を決定し、この後にその堆積物と上記マス
クとをエッチングマスクにしてエッチングすることか
ら、下地層には狭めた孔の径にほぼ等しいコンタクトホ
ールを形成できるので、マスクの孔の形成に既存の0.
3μmのリソグラフィ技術を用いても、0.2μmクラ
スまたはそれ以下の径を有する微細なコンタクトホール
を形成することができる。
【0037】また本発明の他のコンタクトホールの形成
方法は、堆積性ガスのプラズマからの生成物をマスクの
孔の側壁に堆積させてその径を狭めることによって該径
を決定するとともに、孔の直下の下地層に上方に向かっ
て拡径するテーパ状のコンタクトホールの上部側を形成
した後、このマスクを用いてエッチングすることから、
下地層にはテーパ状のコンタクトホールの上部側に続い
て、狭められた孔の径にほぼ等しいタクトホールの下部
側を形成できる。よって、マスクの孔の形成に既存の
0.3μmのリソグラフィ技術を用いても、0.2μm
クラスまたはそれ以下の径に形成することができるとと
もに、後の埋込み工程において配線材料の埋込み特性を
向上できるコンタクトホールを得ることができる。した
がって本発明を用いれば、0.2μmクラスまたはそれ
以下のデザインルールを有するMOS LSIなどの半
導体装置の製造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す工程図である。
【図2】本発明の他の方法の一実施例を示す工程図であ
る。
【図3】本発明で使用する装置の一例を示す概略構成図
である。
【図4】CF系ポリマーの堆積状態を説明する図であ
る。
【図5】本発明の課題を説明する図である。
【符号の説明】
1 基板(基体) 2 SiO2 層(下地層) 3 レジストマスク 3a 孔 4 堆積物 5、15 コンタクトホール 6 エッチングマスク 15a 凹部 15b 開孔

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基体表面に設けた下地層上にマスクを形
    成した後、該マスクに孔を設ける第1工程と、 堆積性ガスのプラズマを用い、前記孔の直下に位置する
    下地層を該プラズマでエッチングすることなく、前記プ
    ラズマから生成される生成物を前記孔の側壁に堆積させ
    て前記孔の径を決定する第2工程と、 前記マスクと前記堆積物とをエッチングマスクにしたエ
    ッチングにより、前記孔の直下の下地層にコンタクトホ
    ールを形成する第3工程とを有していることを特徴とす
    るコンタクトホールの形成方法。
  2. 【請求項2】 基体表面に設けた下地層上にマスクを形
    成した後、該マスクに孔を設ける第1工程と、 堆積性ガスのプラズマを用い、該プラズマから生成され
    る生成物を前記孔の側壁に堆積させて前記孔の径を決定
    するとともに、前記孔の直下の下地層に上方に向かって
    拡径するテーパ状の凹部を形成してコンタクトホールの
    上部側を形成する第2工程と、 前記マスクと前記堆積物とをエッチングマスクにしたエ
    ッチングにより、前記凹部底面の直下の下地層に開孔を
    設けて前記コンタクトホールの下部側を形成する第3工
    程とを有することを特徴とするコンタクトホールの形成
    方法。
  3. 【請求項3】 前記堆積性のガスには、フルオロカーボ
    ン系ガスを用いることを特徴とする請求項1または2記
    載のコンタクトホールの形成方法。
  4. 【請求項4】 前記生成物は、フルオロカーボン系ガス
    を高密度プラズマで解離させることによって生成される
    ものであることを特徴とする請求項1ないし3いずれか
    1項に記載のコンタクトホールの形成方法。
  5. 【請求項5】 前記プラズマは、イオンエネルギーを発
    生させるプラズマからなり、前記イオンエネルギーを調
    整することによって、前記堆積物の厚みを制御するとと
    もに前記孔の底部に堆積される堆積物を除去することを
    特徴とする請求項1ないし4いずれか1項に記載のコン
    タクトホールの形成方法。
  6. 【請求項6】 前記堆積性のガスに、水素ガスを添加す
    ることによって、前記堆積物の厚み方向の方向性を制御
    することを特徴とする請求項1ないし5記載のコンタク
    トホールの形成方法。
JP372495A 1995-01-13 1995-01-13 コンタクトホールの形成方法 Pending JPH08195380A (ja)

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