JPH10223756A - コンタクトホールの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リソグラフィー解像度を超える微細または高
アスペクト比のコンタクトホールを好適に形成できるコ
ンタクトホールの形成方法を提供する。 【解決手段】 所望のコンタクトホール径よりも大きな
開口部を有する多結晶シリコン膜３をシリコン酸化膜２
上に形成し、この開口部の内壁面に多結晶シリコン膜か
らなるサイドウォール８を形成する。次に、全面にアル
ゴン等をイオン注入してエッチング耐性の小さいダメー
ジ層９を形成する。このダメージ層９の膜厚は所望のコ
ンタクトホールの大きさに応じて定める。次に、ダメー
ジ層９を含むサイドウォール８および多結晶シリコン膜
３をマスクとしてシリコン酸化膜２をエッチングする。
このとき、シリコン酸化膜２のエッチング進行と共にダ
メージ層９も徐々にエッチングされてマスク領域が後退
するため、良好な順テーパ形状のコンタクトホール１０
が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造に
用いられるコンタクトホールの形成方法に係り、特に、
ULSI（Ultra Large Scale Integrated Circuit）等の半
導体装置において、微細なコンタクトホールを形成する
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置のデザインルールが益
々微細化するに伴い、シリコン酸化膜等の層間絶縁膜に
コンタクトホールを形成する際のパターンサイズも非常
に小さくなってきており、特にULSIの分野においては、
リソグラフィー工程における解像度を超えるような微細
なサイズのコンタクトホール（例えば、数μｍの開口）
の形成が要求されている。

【０００３】このような微細加工には、通常、RIE(Reac
tive Ion Etching）等の異方性ドライエッチングが使わ
れているが、最近のコンタクトホールの加工において
は、開口径が微細化すると同時に深さもより深くなって
きていることから、より高いアスペクト比が要求される
に至っている。このアスペクト比が高くなると、コンタ
クトホールの形状を適切に制御することが今まで以上に
困難となってくる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ドライエッチングを用
いてコンタクトホールを形成する場合、その形状が逆テ
ーパ状（上部が狭く下部が広い形状）となるのは好まし
くない。逆テーパ状のコンタクトホールを形成した場合
には、これを後に金属プラグなどで埋め込んだときにボ
イドと呼ばれるスリット状の埋め込み不良が発生し、半
導体装置の特性が劣化したり、信頼性上の不良になるこ
とが考えられるからである。一方、順テーパ形状（上部
が広く下部が狭い形状）を形成した場合には、上記のよ
うな埋め込み不良は発生せず、良好な金属プラグが形成
されるものの、テーパの程度が大きすぎると、今度はコ
ンタクトホール底部の面積が小さくなってコンタクト抵
抗が大きくなるという別の問題が発生する。従って、コ
ンタクトホールの内壁面は、なるべく垂直に近く、か
つ、わずかに順テーパとなるように形成するのが望まし
い。

【０００５】コンタクトホールを順テーパ状に形成する
技術としては、エッチングとデポジション（堆積）の競
合反応を用いることが多く、デポジションが生ずる雰囲
気下でエッチングを行うことによって容易に順テーパ形
状を得ることができる。しかしながら、デポジション雰
囲気のエッチング条件では、マイクロローディング効果
と呼ばれる現象が顕著となり、特にコンタクトホールの
アスペクト比が高くなるとエッチングが停止するという
問題が発生する。したがって、エッチングとデポジショ
ン（堆積）の競合反応を利用して高アスペクト比のコン
タクトホールを加工することは困難である。

【０００６】一方、フォトレジスト等のマスク材料がエ
ッチングにより後退することを利用し、コンタクトホー
ル上部の開口がより広がるようにして順テーパ形状を形
成する方法もあるが、開口の開き方のコントロールが難
しく、制御性が問題になる。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、リソグラフィーの解像度を超える微
細なサイズのコンタクトホールを精度よく形成すること
ができ、しかも高アスペクト比のコンタクトホールであ
っても良好な形状を確保することができるコンタクトホ
ールの形成方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るコンタクト
ホールの形成方法は、被コンタクト領域を覆うように形
成された絶縁膜に、前記被コンタクト領域に達するコン
タクトホールを形成するための方法であって、絶縁膜の
上に、形成しようとするコンタクトホールよりも大きな
開口部を有すると共に前記絶縁膜よりもエッチング耐性
の大きい薄膜を形成する工程と、薄膜の開口部の内壁面
にサイドウォールを形成する工程と、薄膜および前記サ
イドウォールをマスクとして前記絶縁膜のエッチングを
行うことによりコンタクトホールを形成する工程とを含
んでいる。この場合において、サイドウォールの形成
後、絶縁膜のエッチングの前に、少なくともサイドウォ
ールの所定深さの表層部分のエッチング耐性を、絶縁膜
よりも大きくかつ表層部分以外のサイドウォール部分よ
りも小さくなるように改質するように構成することも可
能である。このサイドウォールの表層部分の改質は、例
えば所定の不純物のイオン注入によって行うことが可能
である。また、サイドウォールの形成後、絶縁膜のエッ
チングの前に、少なくともサイドウォールの表面を、エ
ッチング耐性が絶縁膜よりも大きくかつサイドウォール
よりも小さい被膜によって被覆する工程を含むように構
成することも可能である。

【０００９】本発明に係るコンタクトホールの形成方法
では、絶縁膜の上に、形成予定のコンタクトホールより
も大きな開口部を有しエッチング耐性が絶縁膜より大き
い薄膜が形成されると共に、この薄膜の開口部の内壁面
にサイドウォールが形成される。このサイドウォールの
存在により、エッチング対象である絶縁膜が露出してい
る実質的な開口部が元の開口部よりも小さくなる。この
ため、薄膜およびサイドウォールをマスクとして絶縁膜
のエッチングを行うことにより、最初に薄膜に形成した
開口部よりも微細なサイズのコンタクトホールの形成が
可能となる。特に、サイドウォールの所定深さの表層部
分のエッチング耐性を、絶縁膜よりも大きくかつ表層部
分以外のサイドウォール部分よりも小さくなるように改
質し、あるいは、サイドウォールの表面を、エッチング
耐性が絶縁膜よりも大きくかつサイドウォールよりも小
さい被膜によって被覆したうえでエッチングを行うよう
にした場合には、絶縁膜のエッチングの進行に伴ってマ
スク領域が後退（マスクの開口部が拡大）するため、良
好な順テーパ形状のコンタクトホールの形成が可能とな
る。このマスク領域の後退量は、サイドウォールの表層
の改質層の厚さ、あるいはサイドウォールを被覆する被
膜の厚さによって調整可能である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について詳細に説明する。

【００１１】図１ないし図３は本発明の一実施の形態に
係るコンタクトホールの形成方法を説明するための工程
ごとの素子断面図である。図１（ａ）に示したように、
シリコン基板１の表層近傍には、例えば不純物を導入し
て形成された被コンタクト領域６が形成されている。シ
リコン基板１の上には、埋込領域６を覆うようにして、
本発明における絶縁膜としてのシリコン酸化膜２が形成
されている。本実施の形態では、このシリコン酸化膜２
の上に多結晶シリコン膜３を形成する。この多結晶シリ
コン膜３は、シリコン酸化膜２よりもドライエッチング
耐性の高い（エッチングされにくい）素材であり、本発
明における薄膜に対応する。この多結晶シリコン膜３上
にリソグラフィー法によってレジストパターンニングを
行い、図示のように、予定のコンタクトホール径より大
きい開口部５を有するレジスト膜４を形成する。

【００１２】次に、図１（ｂ）に示したように、このレ
ジスト膜４をマスクとして多結晶シリコン膜３のエッチ
ングを行い、予定しているコンタクトホール径より大き
い開口部７を形成する。このエッチングは、例えばＥＣ
Ｒ(Electron Cyclotron Resonance)タイプのドライエッ
チング装置を用いて、塩素系ガス雰囲気下で行う。その
後、レジスト膜４を除去する。

【００１３】次に、図２（ａ）に示したように、開口部
７の内部をも覆うようにして全面に多結晶シリコン膜１
６を形成する。この多結晶シリコン膜１６の膜厚は目的
とするコンタクトホール径に応じて調整する。次に、Ｅ
ＣＲタイプのドライエッチング装置により、塩素系ガス
を用いた異方性エッチングを全面に行い、開口部７の内
壁面に、多結晶シリコン膜からなるサイドウォール８を
形成する。これにより、シリコン酸化膜２が露出してい
る実質的な開口部７′は、元の開口部７よりも小さいサ
イズとなる。したがって、元の開口部７のサイズが現状
のリソグラフィー技術の解像度限界となるようにしたと
すると、実際のエッチングの際のマスク径（開口部７′
の径）は、その解像度限界を超える微細なサイズとな
る。

【００１４】次に、図３（ａ）に示したように、イオン
インプランテーション（イオン注入）法により、全面に
例えばアルゴンイオン（Ａｒ⁺ ）を打ち込む。このとき
の条件は、例えば次のように設定する。 打ち込みエネルギー：５０ｋｅＶ ドーズ量：１×１０¹⁵個／ｃｍ²

【００１５】このようなイオン注入処理により、多結晶
シリコン膜３およびサイドウォール８の表面から約５０
ｎｍ程度の深さまでの結晶構造にダメージが生じ、図示
のようなダメージ層９が形成される。ダメージ層９の厚
さはイオン注入のエネルギーによって調整できる。ま
た、ダメージ層８の厚さは目的とするコンタクトホール
径に応じて定める。このダメージ層９のエッチング耐性
は、シリコン酸化膜２よりは大きいが、ダメージを受け
ていない元の多結晶シリコン膜（サイドウォール８）よ
りは小さくなる。

【００１６】次に、図３（ｂ）に示したように、ダメー
ジ層９を含むサイドウォール８および多結晶シリコン膜
３をマスクとして、例えばマグネトロンタイプのエッチ
ング装置により全面エッチングを行う。このときの条件
は、マイクロローディング効果によるエッチストップが
生じにくいように、例えば次のように設定する。 ガス流量：Ｃ₄ Ｆ₈ ／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ₂ ＝１４／１５０
／２００／５ｓｃｃｍ 圧力 ：５．３Ｐａ ＲＦパワー：１６００Ｗ

【００１７】この場合、シリコン酸化膜２とダメージ層
９とのエッチレート比は例えば約７となる。したがっ
て、まず、ダメージ層９を含む多結晶シリコン膜３およ
びサイドウォール８をマスクとして、最もエッチング耐
性の小さい開口部７′底部のシリコン酸化膜２のエッチ
ングが進行するが、それと同時に、エッチング耐性が元
の多結晶シリコン膜よりも小さくなっているダメージ層
９のエッチングもまた徐々にではあるが進行する。すな
わち、マスク（ダメージ層９を含むサイドウォール８）
が徐々に後退してマスク開口径（開口部７′の径）が拡
がっていく。そして、ダメージ層９が完全にスパッタエ
ッチングされて下地のサイドウォール８が露出すると、
マスクの耐プラズマ性（エッチング耐性）が本来のレベ
ル（ダメージを受けていない多結晶シリコン膜の耐プラ
ズマ性レベル）にまで回復するので、それ以降はマスク
開口径は拡大しない。そして、その後もエッチングを続
行することにより、図３（ｂ）に示したように、シリコ
ン酸化膜２には、被コンタクト領域６に達する順テーパ
形状のコンタクトホール１０が形成される。しかも、こ
の場合、上記したようにマスクの開口径はダメージ層９
がなくなるところまで拡大するので、その間にシリコン
酸化膜２のエッチングは縦横方向に十分に進行する。こ
のため、最終的に形成されるコンタクトホール１０の形
状が極端な順テーパ状になることはなく、比較的垂直に
近い順テーパ状となる。このため、コンタクトホール１
０の底部における面積、すなわち被コンタクト領域６と
のコンタクト面積が極端に小さくなるという事態が回避
され、コンタクト抵抗の増大を防止することができる。

【００１８】なお、本実施の形態では、イオン注入に用
いるイオン種をアルゴン（Ａｒ⁺ ）としたが、本発明は
これに限定されるものではなく、マスク材料としての多
結晶シリコン膜（サイドウォール８）にダメージを与え
得るものであれば他のイオン種であってもよく、例えば
ボロン（Ｂ⁺ ）、フッ化ボロン（ＢＦ₂ ⁺ ）、リン（Ｐ
⁺ ）、ヒ素（Ａｓ⁺ ）等の不純物や、他の希ガスも採用
することができる。

【００１９】このように本実施の形態では、被エッチン
グ層であるシリコン酸化膜２の上に予定のコンタクトホ
ール径よりも大きい開口部７をもつ多結晶シリコン膜３
を形成すると共に、その開口部７の内壁面に多結晶シリ
コン膜からなるサイドウォール８を形成し、しかるの
ち、多結晶シリコン膜３およびサイドウォール８をマス
クとしてシリコン酸化膜２のエッチングを行うようにし
たので、現状のリソグラフィー技術における解像度を超
える微細なサイズ（０．１μｍ程度）のコンタクトホー
ルを形成することが可能となる。

【００２０】さらに、本実施の形態では、マスクである
サイドウォール８の表層部分を改質してエッチング耐性
の小さいダメージ層９を形成したうえでエッチングを行
うようにしたので、マスクのエッチング耐性が２段階に
変化するように制御することができる。すなわち、マス
クであるサイドウォール８のダメージ層９の厚さを適宜
設定することでマスクのエッチング後退量を調整するこ
とができ、制御性よく、かつ、高精度に、順テーパ状の
コンタクトホールを形成することができる。

【００２１】なお、マスクのエッチング耐性は２段階の
みならず、それ以上の段階で制御するようにしてもよ
い。そのためには、例えば、図３（ａ）に示したイオン
注入の際に、打ち込みエネルギーとドーズ量とを段階的
に変化させてダメージの度合いを深さ方向で異ならせれ
ばよい。

【００２２】また、本実施の形態によれば、マイクロロ
ーディング効果の生じにくいエッチング条件の採用によ
り、エッチング途中でエッチングが停止するというエッ
チストップ現象を避けることができる。

【００２３】次に、図１，図２，図４および図５を参照
して本発明の他の実施の形態を説明する。

【００２４】図１及び図２に示した形成工程は上記の実
施の形態の前半部分と同じであり、その説明は省略す
る。また、上記の実施の形態における構成要素と同一構
成要素には同一の符号を付す。以下、図４からの工程を
説明する。

【００２５】本実施の形態では、図２（ｂ）に示したよ
うに、多結晶シリコン膜３の開口部７に多結晶シリコン
膜からなるサイドウォール８を形成して、より小さい開
口部７′を形成したのち、図４（ａ）に示したように、
全面にシリコン窒化膜１１を薄く形成する。このシリコ
ン窒化膜１１は、一般にＳｉ_X Ｎ_Y （Ｘ，Ｙは整数）の
形で表されるものである。

【００２６】次に、図４（ｂ）に示したように、異方性
エッチングを行うことにより、サイドウォール８の表面
にのみ、シリコン窒化膜からなるサイドウォール被膜１
２を形成する。このサイドウォール被膜１２は、本発明
における被膜に対応するもので、そのエッチング耐性
は、多結晶シリコン膜３より小さく、シリコン酸化膜２
より大きい。このサイドウォール被膜１２の膜厚は、目
的とするコンタクトホールの大きさに応じて定める。

【００２７】次に、図５に示したように、サイドウォー
ル被膜１２で覆われたサイドウォール８および多結晶シ
リコン膜３をマスクとして、例えばマグネトロンタイプ
のエッチング装置を用いてエッチングを行う。このとき
の条件は、マイクロローディング効果によるエッチスト
ップが生じにくいように、上記実施の形態と同様に例え
ば次のように設定する。 ガス流量 ：Ｃ₄ Ｆ₈ ／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ₂ ＝１４／１５
０／２００／５ｓｃｃｍ 圧力 ：５．３Ｐａ ＲＦパワー：１６００Ｗ

【００２８】この場合、シリコン酸化膜２とシリコン窒
化膜（サイドウォール被膜１２）とのエッチレート比は
約５である。このため、シリコン酸化膜２がエッチング
されると同時に、サイドウォール被膜１２も徐々にエッ
チングされて後退し、上記の実施の形態（図３）の場合
と同様のメカニズムにより、被コンタクト領域６に達す
る良好な順テーパ状のコンタクトホール１３が形成され
る。

【００２９】このように、本実施の形態によれば、被エ
ッチング層であるシリコン酸化膜２の上に予定のコンタ
クトホール径よりも大きい開口部７をもつ多結晶シリコ
ン膜３を形成し、その開口部７の内壁面に多結晶シリコ
ン膜からなるサイドウォール８を形成すると共に、この
サイドウォール８の表面を、エッチング耐性がサイドウ
ォール８６より小さくかつシリコン酸化膜２より大きい
サイドウォール被膜１２で被覆したうえでシリコン酸化
膜２のエッチングを行うようにしたので、スクのエッチ
ング耐性が２段階に変化するように制御することができ
る。そして、サイドウォール被膜１２の厚さを適宜設定
することでマスクのエッチング後退量を調整することが
でき、高アスペクト比のコンタクトホールであっても、
制御性よく、かつ、高精度に、良好な順テーパ形状を形
成することができる。

【００３０】なお、現状のリソグラフィー技術における
解像度を超えるような微細なサイズのコンタクトホール
が得られる点、および、マイクロローディング効果が生
じにくいエッチング条件の採用によりエッチストップを
避けることができる点は、上記の実施の形態と同様であ
る。

【００３１】以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発
明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものでは
なく、その均等の範囲内において適宜変更可能である。
例えば、上記の実施の形態では、サイドウォール被膜１
２としてシリコン窒化膜を用いたが、本発明はこれに限
定されるものではなく、被エッチング材料（ここではシ
リコン酸化膜２）よりもエッチレート比が小さく（エッ
チング耐性が大きく）、かつ本来のマスク材料である多
結晶シリコン膜よりもエッチレートが大きい（エッチン
グ耐性が小さい）材料であれば他の材料でもよく、例え
ば、酸素と窒素とを含有するシリコン膜（ＳｉＯＮ）等
を採用することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし請
求項６のいずれか１に記載のコンタクトホールの形成方
法によれば、絶縁膜の上に、形成予定のコンタクトホー
ルよりも大きな開口部を有しエッチング耐性が絶縁膜よ
り大きい薄膜を形成すると共に、この薄膜の開口部の内
壁面にサイドウォールを形成したうえで絶縁膜をエッチ
ングするようにしたので、実際にエッチングに供される
マスク径が、リソグラフィーによって形成されたマスク
径よりも小さくなる。このため、現状のリソグラフィー
技術における解像度を超える微細なサイズのコンタクト
ホールを形成することが可能となる。

【００３３】特に、請求項２または請求項３に記載のコ
ンタクトホールの形成方法によれば、サイドウォールの
所定深さの表層部分のエッチング耐性を、絶縁膜よりも
大きくかつ表層部分以外のサイドウォール部分よりも小
さくなるように改質し、あるいは、サイドウォールの表
面を、エッチング耐性が絶縁膜よりも大きくかつサイド
ウォールよりも小さい被膜によって被覆したうえでエッ
チングを行うようにしたので、絶縁膜のエッチングの進
行に伴ってマスク領域が後退し、良好な順テーパ形状の
コンタクトホールの形成が可能となる。しかも、マスク
領域の後退量は、サイドウォールの表層の改質層の厚
さ、あるいはサイドウォールを被覆する被膜の厚さによ
って調整可能なので、コンタクトホールのテーパ形状を
適切に制御することが可能である。したがって、特に微
細なコンタクトホールや高アスペクト比のコンタクトホ
ールの形成に好適であり、安定した高品質の半導体装置
の製造を実現できるという効果を奏する。また、本発明
に係るコンタクトホールの形成方法は従来のようなエッ
チングと堆積との競合反応を利用したものではないた
め、マイクロローディング効果に起因したエッチストッ
プを回避できるという効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るコンタクトホール
の形成方法における一部工程を説明するための素子断面
図である。

【図２】図１に続く工程を説明するための素子断面図で
ある。

【図３】図２に続く工程を説明するための素子断面図で
ある。

【図４】本発明の他の実施の形態に係るコンタクトホー
ルの形成方法の一部工程を説明するための素子断面図で
ある。

【図５】図４に続く工程を説明するための素子断面図で
ある。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…シリコン酸化膜、３…多結晶シ
リコン膜、４…レジスト膜、６…被コンタクト領域、
７，７′，７″…開口部、８…サイドウォール、９…ダ
メージ層、１０…コンタクトホール、１１…シリコン窒
化膜、１２…サイドウォール被膜、１３…コンタクトホ
ール、１６…多結晶シリコン膜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被コンタクト領域を覆うように形成され
   た絶縁膜に、前記被コンタクト領域に達するコンタクト
   ホールを形成するための方法であって、 前記絶縁膜の上に、形成しようとするコンタクトホール
   よりも大きな開口部を有すると共に前記絶縁膜よりもエ
   ッチング耐性の大きい薄膜を形成する工程と、 前記薄膜の開口部の内壁面にサイドウォールを形成する
   工程と、 前記薄膜および前記サイドウォールをマスクとして前記
   絶縁膜のエッチングを行うことによりコンタクトホール
   を形成する工程とを含む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】 前記サイドウォールの形成後、前記絶縁
   膜のエッチングの前に、少なくとも前記サイドウォール
   の所定深さの表層部分のエッチング耐性を、前記絶縁膜
   よりも大きく、かつ前記表層部分以外のサイドウォール
   部分よりも小さくなるように改質する工程を含むことを
   特徴とする請求項１記載のコンタクトホールの形成方
   法。
3. 【請求項３】 前記サイドウォールの形成後、前記絶縁
   膜のエッチングの前に、少なくとも前記サイドウォール
   の表面を、エッチング耐性が前記絶縁膜よりも大きくか
   つ前記サイドウォールよりも小さい被膜によって被覆す
   る工程を含むことを特徴とする請求項１記載のコンタク
   トホールの形成方法。
4. 【請求項４】 前記絶縁膜をシリコン酸化膜で形成する
   場合においては、前記薄膜およびサイドウォールは、多
   結晶シリコンによって形成することを特徴とする請求項
   １記載のコンタクトホールの形成方法。
5. 【請求項５】 前記サイドウォールの表層部分の改質
   は、所定の不純物のイオン注入によって行うことを特徴
   とする請求項４記載のコンタクトホールの形成方法。
6. 【請求項６】 前記被膜は、シリコン窒化膜によって形
   成することを特徴とする請求項３記載のコンタクトホー
   ルの形成方法。