JPH08199377A - プラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸化シリコン系の層間絶縁膜に開口する接続
孔側壁のテーパー角度を任意にしかも高精度に制御する
ことが可能な、プラズマエッチング装置およびプラズマ
エッチング方法を提供する。 【構成】 排気速度が可変のターボ分子ポンプ８等を用
い、ガス導入孔６からのエッチングガス供給量と排気速
度を共に制御しつつプラズマエッチングする。 【効果】 チャンバ４内のエッチングガス滞留時間を制
御し、主として側壁保護膜の堆積量を制御する。これに
より接続孔側壁のテーパー角度を自在に制御することが
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置等の製造分野
で適用されるプラズマエッチング装置およびプラズマエ
ッチング方法に関し、更に詳しくは酸化シリコン系材料
層からなる層間絶縁膜に接続孔を開口する際に、接続孔
側壁のテーパ角度を制御しつつ開口することが可能なプ
ラズマエッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体装置の高集積度化、高
性能化が進展するに伴い、そのデザインルールはハーフ
ミクロンからクォータミクロンへと縮小し、接続孔の開
口径も微細化している。一方、多層配線層の層間耐圧を
確保するため、層間絶縁膜の膜厚はほとんど変わってい
ないので、接続孔のアスペクト比は増大する傾向にある
のが現状である。このため、Ａｌ系金属のスパッタリン
グや電子ビーム蒸着、さらにはＷ等の高融点金属のＣＶ
Ｄによりコンタクトプラグや上層配線を形成する場合に
は、アスペクト比の大きな接続孔をステップカバレッジ
よく充填することが困難となりつつある。このため，マ
イグレーション耐性の低下やオーミック性の低下あるい
は導通不良を生じ、半導体装置の信頼性が低下する虞れ
がある。この問題を図６（ａ）〜（ｃ）を参照して説明
する。

【０００３】図６（ａ）〜（ｃ）は側壁が垂直に形成さ
れた高アスペクト比の接続孔に、Ａｌ系金属をスパッタ
リングにより埋め込むプロセスの問題点を示す概略断面
図である。すなわち、シリコン等の半導体基板１１上の
層間絶縁膜１２に、不純物拡散層（図示せず）に臨む接
続孔１４を開口した状態が図６（ａ）である。接続孔１
３の側壁と半導体基板１がなす角度θは９０°である。
つぎに上層配線層１５としてＡｌ系金属をスパッタリン
グにより堆積する。スパッタリング初期の状態を図６
（ｂ）に示す。上層配線層１５は接続孔１４の肩部に厚
くオーバーハング状に堆積し、接続孔１４の側壁下部へ
の堆積は少ない。これは接続孔１４部分に入射するスパ
ッタリング粒子の入射角度が分布を有し、このため接続
孔１４の側壁下部は入射粒子の影となり、堆積確率が小
さいためである。

【０００４】さらにＡｌ系金属のスパッタリングを継続
し、上層配線１４を所定の厚さに堆積した状態が図６
（ｃ）である。接続孔１４肩部のオーバーハングがさら
に成長し、対向するオーバーハング部分とブリッジを形
成する結果、接続孔１４上の上層配線１５にはボイド１
６が形成される。このボイド１６が形成される過程は、
ＣＶＤによりＷ等の高融点金属を堆積する場合も同様で
ある。この結果上層配線１５のバルク抵抗の増加やマイ
グレーション耐性の劣化が問題となってくる。さらに上
層配線１５をエッチバックしてコンタクトプラグを形成
する場合には、ボイド１６が露出することとなり、さら
にこの上に形成する配線層のステップカバレッジを著し
く劣化することとなる。

【０００５】上層配線層１５のオーバーハングと、これ
によるボイド１６の発生を防止する最も確実な方法は、
接続孔１４の側壁を順テーパ形状に開口することによ
り、上層配線層１５のステップカバレッジを向上するこ
とである。すなわち、接続孔１４側壁と半導体基板１１
とのなす角度θを９０°以下とすればよい。しかしなが
ら、接続孔開口用のレジストマスクの開口幅を一定とし
た状態で接続孔テーパ角度θを例えば８０°未満に設定
した場合には、当然のことながら接続孔３底部の開口径
が狭まり、コンタクト抵抗が増大する。逆に、接続孔１
４底部の開口径を一定とした状態で角度θを例えば８０
°未満と小さくすると、接続孔１４上部の開口径を拡げ
ざるを得ず、デザインルールの微細化にそぐわない結果
となる。そこで上層配線１５の良好なステップカバレッ
ジを満たす範囲内であれば、角度θはなるべく９０°に
近い値に制御することが望ましい。

【０００６】従来よりＳｉＯ₂ 系の層間絶縁膜に接続孔
を形成するプラズマエッチングにおいては、ＣＦ系ない
しＣＨＦ系のフルオロカーボンガス、あるいはこれらの
混合ガスを用いたイオンアシスト反応が広く用いられて
てきた。これは、フルオロカーボンガスの構成原子であ
る炭素により、ＳｉＯ₂ 中の酸素を引き抜いたりＳｉ−
Ｏ結合を弱めたりするとともに、フルオロカーボンガス
の解離により生成するメインエッチャントであるＦ
^* （Ｆラジカル）の反応をＣＦ_x ⁺ イオンの入射エネル
ギでアシストすることのより、高速かつ異方性の高いパ
ターニングが可能なためである。さらに、フルオロカー
ボンガスのプラズマ重合により、フルオロカーボンポリ
マを被エッチング基板上に堆積し、パターニングされた
接続孔の側面にフルオロカーボンポリマの側壁保護膜を
形成することにより、接続孔のサイドエッチングを防止
したり、あるいはテーパ角度等の形状をある程度まで制
御することも可能である。

【０００７】テーパー角度の制御は、エッチング性の強
いＣＦ₄ 等のＣＦ系ガスと、堆積性の強いＣＨＦ₃ 等の
ＣＨＦ系ガスとの混合比の制御によっても可能である。
すなわち、ＣＦ系ガスの混合比が少なく、ＣＨＦ系ガス
が多ければ側壁保護膜の効果が高く、接続孔のテーパー
角度θは小さくなる。逆にＣＦ系ガスの混合比が多く、
ＣＨＦ系ガスが少なければ側壁保護膜の形成は少なくな
るので接続孔のテーパー角度θは大きくなり、垂直に近
くなる。テーパー角度は、堆積性ガスに起因する側壁保
護膜の形成と、エッチング性ガスによるエッチングとの
競合反応により決定されるので、堆積性ガスが多けれ
ば、テーパー角度は小さくなり、いわゆる順テーパ形状
となるのである。

【０００８】しかしながら、接続孔のテーパ角度の制御
をエッチングガスの混合比に依存する従来の方法では、
２種類以上のエッチングガスの混合比の制御性に難点が
あり、高精度のテーパ角度制御には不向きであった。そ
こでエッチング装置側でもテーパ角度を制御しうる解決
法が求められる。しかし、従来のプラズマエッチング装
置においては、接続孔のテーパ角度を決定する重要な因
子である側壁保護膜の堆積量を、装置側で直接的に制御
できる機能を有するものは実在しないのが現状であっ
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、半導体基板や下層配線上に形成された層間絶縁膜に
接続孔を開口する場合に、接続孔側壁のテーパー角度を
所望の角度に制御しうるプラズマエッチング装置および
プラズマエッチング方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のプラズマエッチ
ング装置は、上記課題を達成するために提案するもので
あり、エッチングガス供給手段、プラズマ発生手段、真
空排気手段およびエッチングチャンバを具備してなるプ
ラズマエッチング装置であって、この真空排気手段は排
気速度が可変であるとともに、エッチングガス供給手段
からのエッチングガス供給量と、真空排気手段の排気速
度をともに制御することにより、エッチングチャンバ内
圧力を制御する圧力制御手段を有することを特徴とする
プラズマエッチング装置である。

【００１１】真空排気手段としてはターボ分子ポンプを
有しており、このターボ分子ポンプの回転速度を制御す
ることにより排気速度を制御することを特徴とするもの
である。

【００１２】あるいは真空排気手段は複数の真空ポンプ
を有しており、この複数の真空ポンプの運転台数を選択
することにより排気速度を制御することを特徴とするも
のである。

【００１３】また本発明のプラズマエッチング方法は、
上述したプラズマエッチング装置を用い、下層配線上の
層間絶縁膜に接続孔を開口するプラズマエッチング方法
であって、このエッチングガス供給手段からのエッチン
グガス供給量と、真空排気手段の排気速度を共に制御す
ることにより、接続孔の側壁のテーパ角度を制御するこ
とを特徴とするものである。

【００１４】この際、エッチングガス供給手段からのエ
ッチングガス供給量と、真空排気手段の排気速度を共に
大とすることにより、接続孔の側壁のテーパ角度は大と
することができる。また逆にエッチングガス供給手段か
らのエッチングガス供給量と、真空排気手段の排気速度
を共に小とすることにより、接続孔の側壁のテーパ角度
は小とすることが可能である。

【００１５】エッチングガスはＣＦ系ガスおよびＣＨＦ
系ガスのいずれか１種を少なくとも含み、被エッチング
基板上にカーボン系ポリマを堆積しながらエッチングす
ることが望ましい。

【００１６】あるいはエッチングガスは放電解離条件下
でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるハロゲン化イ
オウガスを含み、被エッチング基板上にイオウ系材料を
堆積しながらエッチングすることが望ましい。このよう
なハロゲン化イオウ系ガスとしてはＳ₂ Ｆ₂ 、ＳＦ₂ 、
ＳＦ₄ 、Ｓ₂ Ｆ₁₀、Ｓ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓ₃ Ｃｌ₂ 、ＳＣ
ｌ₂ 、Ｓ₂ Ｂｒ₂ 、Ｓ₃ Ｂｒ₂ およびＳＢｒ₂ 等を例示
できる。ハロゲン化イオウガスとして一般的なＳＦ₆ は
放電解離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出する
ことはないので除外する。

【００１７】

【作用】本発明の骨子は、エッチングチャンバ内におけ
るエッチングガスの滞留時間を制御することにある。こ
れにより、プラズマと被エッチング基板との表面反応は
もとより、被エッチング基板上に堆積する反応生成物、
ないしは反応生成物の前駆物質の滞留時間を制御し、側
壁保護膜の形成を精密に制御することが可能となる。

【００１８】すなわち、エッチングガス供給手段からの
エッチングガス供給量と、真空排気手段の排気速度を共
に大とすることにより、エッチングチャンバ内における
エッチングガスの滞留時間は短くなる。これにより被エ
ッチング基板上に堆積する反応生成物ないし解離生成物
の前駆物質の滞留時間も短くなり、側壁保護膜の形成は
少なくなる。すなわち、接続孔のテーパー角度θは大と
なり、垂直にきり立った形状となる。

【００１９】逆にエッチングガス供給手段からのエッチ
ングガス供給量と、真空排気手段の排気速度を共に小と
することにより、エッチングチャンバ内におけるエッチ
ングガスの滞留時間は長くなる。これにより被エッチン
グ基板上に堆積する反応生成物ないし反応生成物の前駆
物質等の滞留時間も長くなり、側壁保護膜の形成は多く
なる。すなわち、接続孔のテーパー角度は小となり、上
層配線のステップカバレッジには有利な形状となる。

【００２０】従来のプラズマエッチング装置において
は、真空排気手段の排気速度の調整はエッチングチャン
バと真空ポンプ間に設けたコンダクタンスバルブの開閉
によりラフに制御することは可能であった。かかる制御
法は例えば特開平５−２６７２２６号公報に開示されて
いる。しかしながら、コンダクタンスバルブの開閉によ
り排気速度を精密に制御することは困難であり、本発明
のプラズマエッチング方法のように高アスペクト比の接
続孔の側壁のテーパ角度の微妙にして精密な制御の目的
には不向きである。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき、図面を
参照して説明する。

【００２２】実施例１ 本実施例は、タービンの回転速度が可変のターボ分子ポ
ンプを採用したマグネトロンＲＩＥ装置により、シリコ
ン等の半導体基板上のＳｉＯ₂ 系の層間絶縁膜に接続孔
を開口した例である。まず本実施例のプラズマエッチン
グ装置の概略構成例を図１を参照して説明する。

【００２３】符号４は対向接地電極を兼用するエッチン
グチャンバであり、エッチングチャンバ４内には被エッ
チング基板１をセッティングするとともにＲＦ電源３を
接続した基板ステージ２を配設する。被エッチング基板
１に対向するエッチングチャンバ４の上面の回転マグネ
ット５は、プラズマ中の電子のマグネトロン運動によ
り、マスフローコントローラ７を介しガス導入孔６から
導入されるエッチングガスの解離を促進するものであ
る。以上はマグネトロンＲＩＥ装置の通常の構成部分で
ある。本実施例のプラズマエッチング装置の特徴部分
は、大排気量のターボ分子ポンプ８およびこのターボ分
子ポンプ８を駆動する回転速度可変のモータ９、および
この回転速度を制御する制御手段１０である。マイクロ
コンピュータを有する制御手段１０はターボ分子ポンプ
８の回転速度と共に、これに連動してマスフローコント
ローラ７をも制御してエッチングガスの供給量を制御
し、エッチングチャンバ４内の圧力測定装置（図示せ
ず）からの圧力情報値にに基づきエッチングチャンバ４
内の圧力を所定値に保つ。制御手段１０には、被エッチ
ング基板１の被エッチング層のレジストマスクからの開
口露出面積、所望のテーパ角度およびエッチングガス種
等のパラメータと、エッチングガス供給量および排気速
度の相関を予め実験により求めておき、これらの情報を
インプットしておけばエッチングの自動化が可能であ
る。本実施例ではターボ分子ポンプ８は最大実効排気速
度５０００ ｌ／ｓｅｃの大排気量のものを用いた。な
お基板ステージ２の温度制御手段等の細部は図示を省略
する。

【００２４】つぎに本発明のプラズマエッチング方法に
つき詳細に説明する。本実施例では上述したプラズマエ
ッチング装置を用い、シリコン等の半導体基板上のＳｉ
Ｏ₂系の層間絶縁膜に接続孔を開口した例である。接続
孔側面のテーパー角度θは、上層配線のステップカバレ
ッジと高集積化の両立を意図し、８７°に設定した。こ
の工程を図３（ａ）〜（ｂ）を参照して説明する。本実
施例で用いたエッチング試料は、シリコン等の半導体基
板１１上に一例として８００ｎｍの厚さにＳｉＯ₂ やＰ
ＳＧ等の酸化シリコン系材料からなる層間絶縁膜１２を
ＣＶＤにより形成し、さらに半導体基板１上に形成され
た不図示の不純物拡散層に臨む接続孔を形成するために
レジストマスク１３を形成したものである。図３（ａ）
に示すこのエッチング試料を被エッチング基板とする。
なおレジストマスク１３は、化学増幅型レジストとＫｒ
Ｆエキシマレーザステッパにより０．３５μｍの開口径
に形成した。

【００２５】つぎにこの被エッチング基板１を上述した
マグネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ２上に載置し、
下記条件により層間絶縁膜３の露出部分をプラズマエッ
チングする。 Ｃ₄ Ｆ₈ ６０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 ７００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ エッチング終了後の被エッチング基板の状態を図３
（ｂ）に示す。本エッチング工程では、エッチングガス
供給量および排気速度を共に低めに設定したことによ
り、エッチングガスのチャンバ内滞留時間は比較的長
く、このため側壁保護膜（図示せず）の付着量が多めで
あった。このため形成された接続孔１４の側面と半導体
基板１１上面のなす角度は、目的とする８７°の値が得
られた。このため、この後の工程で形成する上層配線
は、スパッタリングにしろＣＶＤにしろ、その形成方法
に特殊なプロセスを採用することなしにボイドやオーバ
ーハングのないステップカバレッジのよい成膜が可能で
あった。

【００２６】実施例２ 本実施例は実施例１で採用したマグネトロンＲＩＥ装置
を用い、ＳｉＯ₂ 等からなる層間絶縁膜に垂直な接続孔
を開口した例であり、これを図３（ａ）および図４を参
照して説明する。

【００２７】本実施例で用いた図３（ａ）に示すエッチ
ング試料は、実施例１と同様の構成であるので重複する
説明は省略する。この被エッチング基板１を図１に示す
マグネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ２上に載置し、
一例として下記条件によりレジストマスク１３から露出
する層間絶縁膜１２をプラズマエッチングした。 Ｃ₄ Ｆ₈ １５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 ３０００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ エッチング終了後の被エッチング基板の状態を図４に示
す。本エッチング工程では、エッチングガス供給量およ
び排気速度を共に実施例１のプラズマエッチング条件よ
り多めに設定したことにより、エッチングガスのチャン
バ内滞留時間は比較的短く、このため側壁保護膜（図示
せず）の付着量が少なめであった。この結果、形成され
た接続孔１４の側面と半導体基板１１上面のなす角度
は、目的とする９０°の値が得られた。

【００２８】本実施例によれば、レジストマスク１３の
開口径と接続孔１４下部の半導体基板１１の露出部分の
径は同等であり、半導体装置の高集積化とコンタクト抵
抗値の低下に寄与することができる。ただしこの場合、
上層配線（図示せず）の形成時のステップカバレッジに
は充分な配慮が必要であり、コリメーションスパッタリ
ング等の成膜手段を採用することが望ましい。

【００２９】実施例３ 本実施例はプラズマエッチングを２段階化し、接続孔の
上部のみを順テーパ形状とし、下部は垂直に形成した例
であり、これを図５（ａ）〜（ｃ）を参照して説明す
る。

【００３０】本実施例で用いた図５（ａ）に示すエッチ
ング試料は、実施例１で採用した図３（ａ）に示すエッ
チング試料と同様のものであり、重複する説明は省略す
る。この被エッチング基板を先に説明したマグネトロン
ＲＩＥ装置の基板ステージ２にセッティングし、レジス
トマスク１３から露出する層間絶縁膜１２の厚さ方向の
１／３ないし１／２程度を一例として下記条件によりプ
ラズマエッチングした。 Ｃ₄ Ｆ₈ ６０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 ７００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ 本プラズマエッチング条件でのエッチング終了後の被エ
ッチング基板の状態を図５（ｂ）に示す。本エッチング
工程では、エッチングガス供給量および排気速度を共に
低めに設定したことにより、エッチングガスのチャンバ
内滞留時間は比較的長く、このため側壁保護膜（図示せ
ず）の付着量が多めであった。したがって、中途迄形成
された接続孔１４の上部の側面と半導体基板１１上面の
なす角度は、８７°の値が得られ、順テーパ形状となっ
た。

【００３１】次にエッチングガス供給量および排気速度
を共に変更し、一例として下記プラズマエッチング条件
によりレジストマスク１３から露出する層間絶縁膜１２
の厚さ方向の残部をプラズマエッチングした。 Ｃ₄ Ｆ₈ １５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 ３０００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ エッチング終了後の被エッチング基板の状態を図５
（ｃ）に示す。本エッチング工程では、エッチングガス
供給量および排気速度を共に前半のプラズマエッチング
条件より多めに設定したことにより、エッチングガスの
チャンバ内滞留時間は比較的短くなり、このため側壁保
護膜（図示せず）の付着量が少なめであった。したがっ
て形成された接続孔１４の下部側面と半導体基板１１上
面のなす角度は、９０°の垂直形状が得られた。

【００３２】本実施例によれば、上層配線の形成時のス
テップカバレッジに最も影響の大きい接続孔１４の肩部
分をテーパ形状としたことと、接続孔１４肩部以外は垂
直形状にしたことにより、ステップカバレッジと、高集
積化を共に満たすプラズマエッチング方法を提供するこ
とが可能である。なお、本実施例ではプラズマエッチン
グを２段階化したが、３段階以上に多段階化してもよ
い。またエッチングガス供給量および排気速度を共に連
続的に滑らかに変化させてゆけば、接続孔１４の形状も
これにしたがって滑らかな形状がえられる。このような
プラズマエッチング条件の切り替えは、プラズマエッチ
ング装置の制御手段１０にエッチング条件を予め入力し
ておくことにより、自動的かつ安定して達成することが
可能である。

【００３３】実施例４ 以下の実施例はプラズマエッチング装置として複数の真
空ポンプを有するマグネトロンＲＩＥ装置を採用した例
である。図２に示す本プラズマエッチング装置の主要構
成部分は、前実施例で採用した回転速度可変のターボ分
子ポンプを用いたマグネトロンＲＩＥ装置と同じである
ので重複する説明は省略し、本プラズマエッチング装置
の特長部分のみを説明する。

【００３４】本プラズマエッチング装置の特徴部分は、
真空排気手段として複数のターボ分子ポンプ８ａ、８ｂ
を並列して用い、これらのタービンを駆動するモータ９
ａ、９ｂのＯＮ／ＯＦＦを制御する制御手段１０を有し
ている点にある。マイクロコンピュータを有する制御手
段１０は、またこれに連動してエッチングガス供給量を
可変とするマスフローコントローラ７を同時に制御し、
チャンバ４内の圧力測定装置（図示せず）からの圧力情
報値にに基づきチャンバ４内の圧力を所定値に保つ。制
御手段１０には、被エッチング基板１の被エッチング層
のレジストマスクからの開口露出面積、所望のテーパ角
度およびエッチングガス種等のパラメータと、エッチン
グガス供給量および排気速度の相関を予め実験により求
めておき、これらの情報をインプットしておけばエッチ
ングの自動化が可能である。本実施例ではターボ分子ポ
ンプ８ａ、８ｂは共に実効最大実効排気速度２５００
ｌ／ｓｅｃの排気量のものを用いた。

【００３５】つぎに本発明のプラズマエッチング方法に
つき詳細に説明する。本実施例では上述したプラズマエ
ッチング装置を用い、シリコン等の半導体基板上のＳｉ
Ｏ₂系の層間絶縁膜に順テーパ形状の接続孔を開口した
例である。接続孔側面のテーパー角度θは、上層配線の
ステップカバレッジと高集積化の両立を意図し、８７°
に設定した。この工程を再び図３（ａ）〜（ｂ）を参照
して説明する。本実施例で用いたエッチング試料は、実
施例１で用いたエッチング試料と同様であるので重複す
る説明は省略する。

【００３６】つぎにこの被エッチング基板１を上述した
マグネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ２上に載置し、
下記条件により層間絶縁膜３の露出部分をプラズマエッ
チングする。この際、ターボ分子ポンプ８ａは最大回転
数で定常運転し、ターボ分子ポンプ８ｂは停止状態とし
た。 Ｃ₂ Ｆ₆ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 １０００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ エッチング終了後の被エッチング基板の状態を図３
（ｂ）に示す。本エッチング工程では、エッチングガス
供給量および排気速度を共に低めに設定したことによ
り、エッチングガスのチャンバ内滞留時間は比較的長
く、このため側壁保護膜（図示せず）の付着量が多めで
あった。このため形成された接続孔１４の側面と半導体
基板１１上面のなす角度は、目的とする８７°の値が得
られた。このため、この後の工程で形成する上層配線
は、スパッタリングあるいはＣＶＤにおいて、その形成
方法に特殊なプロセスを採用することなしにステップカ
バレッジのよい成膜が可能であった。

【００３７】実施例５ 本実施例は実施例４で採用したマグネトロンＲＩＥ装置
を用い、ＳｉＯ₂ 等からなる層間絶縁膜に垂直な接続孔
を開口した例であり、これを図３（ａ）および図４を参
照して説明する。

【００３８】本実施例で用いた図３（ａ）に示すエッチ
ング試料は実施例１と同様の構成であるので重複する説
明は省略する。この被エッチング基板１を図２に示すマ
グネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ２上に載置し、一
例として下記条件によりレジストマスク１３から露出す
る層間絶縁膜１２をプラズマエッチングした。なお本実
施例ではターボ分子ポンプ８ａ、８ｂ共に最大回転数で
定常運転した。 Ｃ₂ Ｆ₆ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 ３５００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ エッチング終了後の被エッチング基板の状態を図４に示
す。本エッチング工程では、エッチングガス供給量およ
び排気速度を共に実施例４のプラズマエッチング条件よ
り多めに設定したことにより、エッチングガスのチャン
バ内滞留時間は比較的短く、このため側壁保護膜（図示
せず）の付着量が少なめであった。このため形成された
接続孔１４の側面と半導体基板１１上面のなす角度は、
目的とする９０°の値が得られた。

【００３９】本実施例によれば、レジストマスク１３の
開口径と接続孔１４下部の半導体基板１１の露出部分の
径は同等であり、半導体装置の高集積化とコンタクト抵
抗値の低下に寄与することができる。この場合、上層配
線（図示せず）形成時ののステップカバレッジには充分
な配慮が必要であり、コリメーションスパッタリング等
の成膜手段を採用することが望ましい。

【００４０】実施例６ 本実施例はプラズマエッチングを２段階化し、接続孔の
上部を順テーパ形状に、接続孔の下部は垂直形状に形成
した例であり、エッチングガスとしてハロゲン化イオウ
ガスであるＳ₂ Ｆ₂ を採用したものである。これを再度
図５（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

【００４１】本実施例で用いた図５（ａ）に示すエッチ
ング試料は、実施例１で採用した図３（ａ）に示すエッ
チング試料と同様のものであり、重複する説明は省略す
る。この被エッチング基板を先に説明した図２に示すマ
グネトロンＲＩＥ装置の基板ステージ２にセッティング
し、レジストマスク１３から露出する層間絶縁膜１２の
厚さ方向の１／３ないし１／２程度を一例として下記条
件によりプラズマエッチングした。この際、ターボ分子
ポンプ８ａは最大回転数で定常運転し、ターボ分子ポン
プ８ｂは停止状態とした。 Ｓ₂ Ｆ₂ ５０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 １０００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ 本プラズマエッチング条件でのエッチング終了後の被エ
ッチング基板の状態を図５（ｂ）に示す。本エッチング
工程では、エッチングガス供給量および排気速度を共に
低めに設定したことにより、エッチングガスのチャンバ
内滞留時間は比較的長く、このためＳ₂ Ｆ₂ がプラズマ
中で解離生成する遊離のイオウが冷却された被エッチン
グ基板上に堆積して形成される側壁保護膜（図示せず）
の付着量は多めであった。したがって、形成された接続
孔１４の上部の側面と半導体基板１１上面のなす角度
は、８６°の値が得られ、順テーパ形状となった。

【００４２】次にエッチングガス供給量および排気速度
を共に変更し、一例として下記プラズマエッチング条件
によりレジストマスク１３から露出する層間絶縁膜１２
の厚さ方向の残部をプラズマエッチングした。この２段
階目のプラズマエッチング工程においては、ターボ分子
ポンプ８ａ、８ｂ共に最大回転数で定常運転した。 Ｓ₂ Ｆ₂ １００ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４ Ｐａ 実効排気速度 ３５００ ｌ／ｓｅｃ ＲＦ電源パワー ７００ Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ） 磁界強度 １５×１０^-3 Ｔ 被エッチング基板温度 −１０ ℃ エッチング終了後の被エッチング基板の状態を図５
（ｃ）に示す。本エッチング工程では、エッチングガス
供給量および排気速度を共に前半のプラズマエッチング
条件より多めに設定したことにより、エッチングガスの
チャンバ内滞留時間は比較的短くなり、このためイオウ
からなる側壁保護膜（図示せず）の付着量が少なめであ
った。したがって形成された接続孔１４の下部側面と半
導体基板１１上面のなす角度は、９０°の垂直形状が得
られた。

【００４３】プラズマエッチング終了後、イオウからな
る側壁保護膜は被エッチング基板を約９０℃以上に加熱
すれば昇華除去することができ、被エッチング基板上に
何らコンタミネーションを残すことはない。逆に言え
ば、イオウからなる側壁保護膜は、被エッチング基板を
約９０℃未満に制御しておけば、被エッチング基板上に
堆積し、側壁保護膜として利用することが可能である。

【００４４】本実施例によれば、上層配線のステップカ
バレッジに最も影響の大きい接続孔１４の肩部分をテー
パ形状としたことと、接続孔１４肩部以外は垂直形状に
したことにより、ステップカバレッジと、高集積化を共
に満たすプラズマエッチング方法を提供することが可能
である。なお、本実施例ではプラズマエッチングを２段
階化したが、ターボ分子ポンプを３台並列して用いれば
３段階以上の多段階エッチングも可能である。またター
ボ分子ポンプの内の１台は定常運転しておき、他の１台
は停止状態から定常運転状態へと連続的に回転数を上げ
てゆけば、接続孔１４の形状もこれにしたがって滑らか
な形状がえられる。このようなプラズマエッチング条件
の切り替えは、プラズマエッチング装置の制御手段１０
にエッチング条件を予め入力しておくことにより、自動
的かつ安定して達成することが可能である。

【００４５】以上、本発明を６例の実施例により説明し
たが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものでは
ない。

【００４６】例えば、プラズマエッチング装置として平
行平板型マグネトロンＲＩＥ装置を例示して説明した
が、磁界を用いないＲＩＥ装置やＥＣＲプラズマエッチ
ング装置、ヘリコン波プラズマエッチング装置、ＩＣＰ
（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓ
ｍａ）エッチング装置、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅ
ｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）エッチング装置等
のプラズマエッチング装置に回転数可変のターボ分子ポ
ンプや複数の真空ポンプを組み合わせて用いてもよい。

【００４７】複数の真空ポンプとしてターボ分子ポンプ
を用いる実施例を説明したが、この場合にはターボ分子
ポンプに限定されず、ディフュージョンポンプとロータ
リポンプの組み合わせ等、他の形式の真空ポンプを任意
に用いてよい。

【００４８】エッチングガスとしてＣ₄ Ｆ₈ およびＣ₂
Ｆ₆ を例示したが、ＣＦ₄ 、Ｃ₃ Ｆ₈ 等他のＣＦ系ガス
を用いてもよい。またＣＨＦ₃ 、ＣＨ₂ Ｆ₂ やＣ₂ Ｈ₂
Ｆ₄等のＣＨＦ系ガスを用いてもよい。この場合はカー
ボン系ポリマの堆積効果がＣＦ系ガスより大きいので、
真空排気速度もＣＦ系ガスより大きくする必要がある。
勿論ＣＦ系ガスとＣＨＦ系ガスを混合して用いたり、希
ガス等の添加ガスを加えてもよい。

【００４９】ハロゲン化イオウガスとしてＳ₂ Ｆ₂ を例
示したが、先述したようにＳＦ₂ 、ＳＦ₄ 、Ｓ₂ Ｆ₁₀、
Ｓ₂ Ｃｌ₂ 、Ｓ₃ Ｃｌ₂ 、ＳＣｌ₂ 、Ｓ₂ Ｂｒ₂ 、Ｓ₃
Ｂｒ₂ およびＳＢｒ₂ 等、ＳＦ₆ 以外の化合物を用いる
ことが可能である。これらはいずれもプラズマ中で解離
し遊離のイオウを生成しうる化合物である。なお、これ
らハロゲン化イオウガスとともにＮ₂ やＮ₂ Ｈ₂ 等のＮ
系ガスを添加すればプラズマ中でチアジル（ＳＮ）が形
成され、このものは重合してポリチアジルとなり被エッ
チング基板上に堆積する。ポリチアジルはイオウよりさ
らに強固な側壁保護膜を形成するので、少量の堆積であ
っても異方性加工が可能である。このポリチアジルは被
エッチング基板温度が約１５０℃未満で堆積し、また逆
に被エッチング基板が約１５０℃以上では昇華除去さ
れ、被エッチング基板上に汚染を残すことがない。

【００５０】さらに、エッチング試料としてＳｉ等の半
導体基板上のＳｉＯ₂ からなる層間絶縁膜に接続孔を開
口する場合を例にとったが、多結晶シリコンやポリサイ
ド、Ａｌ系金属等による下層配線上の層間絶縁膜にヴァ
イアホールを形成する場合であってもよい。また層間絶
縁膜としてＳｉＯ₂ 以外にもＰＳＧやＢＰＳＧ等の不純
物含有酸化シリコン系材料やＳｉＯＮ、あるいはこれら
の積層構造であってもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば下層配線上に形成された層間絶縁膜に接続孔を
開口する場合に、接続孔側壁のテーパー角度を所望の角
度に高精度に制御しうるプラズマエッチング装置および
プラズマエッチング方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプラズマエッチング装置の１例の概略
構成例を示す図である。

【図２】本発明のプラズマエッチング装置の他の例の概
略構成例を示す図である。

【図３】本発明のプラズマエッチング方法を示す概略断
面図であり、（ａ）は半導体基板上の層間絶縁膜に接続
孔開口用のレジストマスクを形成した状態、（ｂ）は所
定のテーパ角度の側壁を有する接続孔を開口した状態で
ある。

【図４】本発明のプラズマエッチング方法を示す概略断
面図であり、垂直な側壁を有する接続孔を開口した状態
である。

【図５】本発明のプラズマエッチング方法を示す概略断
面図であり、（ａ）は半導体基板上の層間絶縁膜に接続
孔開口用のレジストマスクを形成した状態、（ｂ）は所
定のテーパ角度の側壁を有する接続孔の上部をパターニ
ングした状態、（ｃ）は垂直な側壁を有する接続孔の下
部をパターニングし接続孔が完成した状態である。

【図６】従来のプラズマエッチング方法による接続孔部
分に上層配線を形成する場合の問題点を示す概略断面図
であり、（ａ）は半導体基板上の層間絶縁膜に垂直な側
壁を有する接続孔を形成した状態、（ｂ）はＡｌ系金属
をスパッタリングにより堆積した初期の状態、（ｃ）は
Ａｌ系金属をスパッタリングにより所定の厚さに堆積し
て上層配線内にボイドが形成された状態である。

【符号の説明】

１ 被エッチング基板 ２ 基板ステージ ４ エッチングチャンバ ６ ガス導入孔 ７ マスフローコントローラ ８、８ａ、８ｂ ターボ分子ポンプ ９、９ａ、９ｂ モータ １０ 制御手段 １１ 半導体基板 １２ 層間絶縁膜 １３ レジストマスク １４ 接続孔 １５ 上層配線 １６ ボイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/31 Ｃ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エッチングガス供給手段、プラズマ発生
   手段、真空排気手段およびエッチングチャンバを具備し
   てなるプラズマエッチング装置であって、 該真空排気手段は排気速度が可変であるとともに、 前記エッチングガス供給手段からのエッチングガス供給
   量と、該真空排気手段の排気速度を共に制御することに
   より、 前記エッチングチャンバ内圧力を制御する圧力制御手段
   を有することを特徴とするプラズマエッチング装置。
2. 【請求項２】 真空排気手段はターボ分子ポンプを有し
   て成り、前記ターボ分子ポンプの回転速度を制御するこ
   とにより排気速度を制御することを特徴とする、請求項
   １記載のプラズマエッチング装置。
3. 【請求項３】 真空排気手段は複数の真空ポンプを有し
   て成り、前記複数の真空ポンプの運転台数を選択するこ
   とにより排気速度を制御することを特徴とする、請求項
   １記載のプラズマエッチング装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載のプラズマエッチング装置
   を用い、下層配線上の層間絶縁膜に接続孔を開口するプ
   ラズマエッチング方法であって、 エッチングガス供給手段からのエッチングガス供給量
   と、真空排気手段の排気速度を共に制御することによ
   り、前記接続孔の側壁のテーパ角度を制御することを特
   徴とする、プラズマエッチング方法。
5. 【請求項５】 真空排気手段の排気速度を大とすること
   により、前記接続孔の側壁のテーパ角度を大とすること
   を特徴とする、請求項４記載のプラズマエッチング方
   法。
6. 【請求項６】 真空排気手段の排気速度を小とすること
   により、前記接続孔の側壁のテーパ角度を小とすること
   を特徴とする、請求項４記載のプラズマエッチング方
   法。
7. 【請求項７】 エッチングガスはＣＦ系ガスおよびＣＨ
   Ｆ系ガスのいれか１種を少なくとも含み、被エッチング
   基板上にカーボン系ポリマを堆積しながらエッチングす
   ることを特徴とする、請求項４、５または６記載のプラ
   ズマエッチング方法。
8. 【請求項８】 エッチングガスは放電解離条件下でプラ
   ズマ中に遊離のイオウを放出しうるハロゲン化イオウガ
   スを含み、被エッチング基板上にイオウ系材料を堆積し
   ながらエッチングすることを特徴とする、請求項４、５
   または６記載のプラズマエッチング方法。