JPH1197414A - 酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸化シリコン系絶縁膜に微細パターン、例え
ば微細な開口径を有する接続孔等をパターニングする際
の、ボウイング形状の発生や、接続孔の抜け不良、エッ
チング停止等を防止しうるプラズマエッチング方法を提
供する。 【解決手段】 少なくともＳｉＦ₄ を含むエッチングガ
スを用いるとともに、パターニングされつつある接続孔
９の側壁に、Ｓｉを含むあるいはＳｉ−Ｃ結合を含む側
壁保護膜１１を薄く形成しつつプラズマエッチングす
る。接続孔の他に、ゲート電極上のオフセット絶縁膜等
のラインアンドスペースパターンであってもよい。 【効果】 Ｓｉを含むあるいはＳｉ−Ｃ結合を含む側壁
保護膜はエッチング耐性が大きく、ラジカル等の攻撃か
ら接続孔側面を効果的に保護し、異方性エッチングに寄
与する。また側壁保護膜の堆積膜厚は比較的薄いので、
マイクロローディング効果によるエッチングレート低下
が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高集積度半導体装置
等の製造分野で適用される酸化シリコン系絶縁膜のプラ
ズマエッチング方法に関し、更に詳しくは、半導体装置
の層間絶縁膜に微細な接続孔を高精度にパターニングし
たり、微細長のゲート電極上にオフセット絶縁膜を高精
度にパターニングする際等に適用される、酸化シリコン
系絶縁膜の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
ミクロンからサブクォータミクロンへと縮小しつつあ
る。多層配線構造の半導体装置の層間絶縁膜に形成す
る、コンタクトホールやヴァイアホール等の接続孔につ
いても例外ではなく、すでに０．１μｍφの接続孔の形
成技術の開発段階に入っている。層間絶縁膜の厚さは、
絶縁耐圧や、配線間容量の低減を保証しなければならな
いので、通常１μｍ程度は必要とされている。したがっ
て、接続孔のアスペクト比は１０にも達し、かかる微細
で高アスペクト比の接続孔を形成するためのプラズマエ
ッチング方法に対する技術的要求は、ますます厳しさを
増している。

【０００３】一方、ＭＯＳトランジスタのゲート電極長
の微細化にともない発生する、ホットキャリアによる閾
値電圧の変化を防止するために、ＬＤＤ(Lightly Doped
Drain) 構造が採用される。ＬＤＤ構造においては、サ
イドウォールスペーサの幅を制御するために、微細幅の
ゲート電極上にオフセット絶縁膜を形成する工程が採用
されるが、このオフセット絶縁膜のパターニングにおい
ても高精度の異方性プラズマエッチングが望まれる。

【０００４】レジスト膜の露光に用いられる現在のステ
ッパでは、０．１μｍφ程度の開口径や、ラインアンド
スペースパターンを有するレジストマスクを形成するこ
とは、露光光の分解能やレジスト材料の関係から極めて
困難である。このため、位相シフト露光法や電子ビーム
露光法あるいはＸ線露光法が開発されているが、特殊な
露光マスクや露光装置が必要である。

【０００５】現在のステッパの分解能により０．１μｍ
φ程度の開口径のマスクパターンを形成する方法とし
て、多結晶シリコン(Polycrystalline Silicon) をマス
ク材料とし、さらにサイドウォールにより開口径を縮小
したＰＳＣ(Poly Shrunken Contact) 法が知られてい
る。このＰＳＣ法を図１２を参照して説明する。

【０００６】図１２（ａ）〜（ｄ）は、ＰＳＣ法によ
り、現在のステッパの解像度を超える０．１μｍφ程度
の開口径を有する接続孔を形成する工程を説明する概略
断面図である。まず図１２（ａ）に示すように、シリコ
ン等の半導体基板１上に、層間絶縁膜となる酸化シリコ
ン膜２を形成し、さらに多結晶シリコン膜６を形成して
これをパターニングして開口を形成する。多結晶シリコ
ン膜６はエッチングマスクの一部となるものであり、そ
の開口幅は現在のステッパの解像度で十分に形成するこ
とができる幅が選ばれる。

【０００７】つぎに図１２（ｂ）に示すように、同じく
多結晶シリコンからなるサイドウォール形成膜６ａを、
薄くコンフォーマルに形成する。

【０００８】さらに図１２（ｃ）に示すようにサイドウ
ォール形成膜６ａをエッチバックし、多結晶シリコン膜
６パターンの側面にサイドウォールとして残して多結晶
シリコンマスク８を形成する。多結晶シリコンマスク８
の開口径は、サイドウォール形成膜６ａのエッチバック
により形成されたサイドウォールの幅により自己整合的
に縮小され、ステッパの解像限界以下の微細幅となる。
すなわち、多結晶シリコンマスク８の開口径は、サイド
ウォール形成膜６ａの成膜厚さにより制御することがで
きる。

【０００９】最後に、図１２（ｄ）に示すように多結晶
シリコンマスク８をエッチングマスクとしてプラズマエ
ッチングし、酸化シリコン膜２をパターニングして接続
孔９を形成する。接続孔９の開口径は、多結晶シリコン
マスク８の開口径が転写され、０．１μｍφ程度の微細
径が得られる。

【００１０】ところで、酸化シリコン系絶縁体膜プラズ
マエッチングは、強固なＳｉ−Ｏ結合（７０５ｋＪ／ｍ
ｏｌ）を切断する必要があるため、スパッタリング効果
のあるイオン性の強いエッチングモードが採用される。
一般的なエッチングガスは、ＣＦ₄ やＣ₃ Ｆ₈ あるいは
ＣＨＦ₃ 等を代表とするフルオロカーボン系ガスを主体
とし、これにＣＯ、Ｏ₂ あるいはＡｒ等を添加した混合
ガスが用いられる。これは、フルオロカーボン系ガスか
ら解離生成するＣＦ_x ⁺ の入射イオンエネルギによるス
パッタリング作用と、構成元素である炭素の還元性によ
るＳｉ−Ｏ結合の切断作用、および蒸気圧の大きい反応
生成物であるＳｉＦ_x の生成除去を利用するものであ
る。しかしイオンモードのプラズマエッチングの一般的
特徴として、エッチングレートは大きくはない。

【００１１】そこで高速エッチングを指向して入射イオ
ンエネルギを高めると、エッチング反応は物理的なスパ
ッタリングを主体とする形となり、エッチングマスクや
下地の半導体基板等とのエッチング選択性は低下する。
またエッチングレートを高める他の方法として、フッ素
ラジカル（Ｆ^* ）を主体とする、ラジカル反応の割合を
高めたエッチング条件の採用が考えられる。しかしなが
らこの方法では、開口される接続孔にボウイング（Bowi
ng) 形状と呼ばれる形状異常が発生する。

【００１２】図１１（ａ）〜（ｂ）はこのボウイング形
状を説明する概略断面図であり、図１１（ａ）は正常な
接続孔を、図１１（ｂ）はボウイング形状の接続孔をそ
れぞれ示す。図１１（ａ）の接続孔は、その断面側壁部
が極くゆるい順テーパ形状をなしており、後工程におい
てプラグ材料を埋め込むことが容易である。一方図１１
（ｂ）に示すボウイング形状の接続孔では、接続孔９の
断面側壁部にサイドエッチングが入り、後工程において
プラグ材料を埋め込む際に鬆 (Void) が発生する虞れが
多く、低抵抗のコンタクトプラグが得られない。これ
は、エッチング反応が等方的なラジカルモードのエッチ
ングに特有の形状である。

【００１３】このサイドエッチングないしはアンダカッ
トを防止するためには、フルオロカーボン系ガスの反応
生成物を主体とするフッ化炭素系ポリマを厚く堆積する
必要がある。しかしながら、このようなガスケミストリ
で同一エッチングチャンバ内でプラズマエッチングを重
ねると、過剰な堆積物によりエッチングレートの低下や
パーティクルレベルの悪化を招く。エッチングレートの
低下は微細パターンほど顕著に表れ、いわゆるマイクロ
ローディング効果による接続孔の抜け不良や、甚だしい
場合にはエッチング中途でのエッチング停止が発生す
る。これらの現象は、微細幅のラインアンドスペースパ
ターンのプラズマエッチングにおいても同様に発生す
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来技術の問題点を解決することをその課題としている。
すなわち本発明の課題は、酸化シリコン系絶縁膜に微細
で高アスペクト比の接続孔やラインアンドスペースパタ
ーン等を形成するプラズマエッチング方法において、サ
イドエッチング等の形状異常やエッチング停止等が発生
することのない、酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッ
チング方法を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の酸化シリコン系
絶縁膜のプラズマエッチング方法は、上述した課題を達
成するために提案するものであり、酸化シリコン系絶縁
膜上に形成されたエッチングマスクを用い、かつ、少な
くともＳｉＦ₄ を含むエッチングガスを用いるととも
に、パターニングされつつあるパターン側壁に、少なく
ともＳｉを含む側壁保護膜を堆積しつつ、この酸化シリ
コン系絶縁膜をパターニングすることを特徴とする。

【００１６】本発明に用いるエッチングマスクは、フォ
トレジストマスク、あるいはＰＳＣ法に代表される、多
結晶シリコンのようなシリコン系材料等によるハードマ
スクのいずれでもよい。

【００１７】エッチングガスとして、ＳｉＦ₄ 単独でも
酸化シリコン系絶縁膜をエッチングすることは可能であ
るが、フルオロカーボン系ガスあるいはＣＯやＯ₂ 等の
添加ガスとの混合ガスとして用いることが望ましい。

【００１８】本発明のプラズマエッチング方法で、異方
性を達成するために重要な役割を果たす側壁保護膜は、
Ｓｉをその構成成分とすることが望ましく、さらにはＳ
ｉ−Ｃ結合を有することが望ましい。

【００１９】本発明が対象とする被エッチング膜である
酸化シリコン系絶縁膜は、単一組成のＳｉＯ₂ 膜の他
に、酸化窒化シリコン（ＳｉＯＮ）膜や、ＰＳＧ(Phosp
ho Silicate Glass)等の不純物を含む酸化シリコン膜で
あってもよく、これらの積層絶縁膜にも、好適に適用す
ることができる。また、ＳｉＯＦ等の低誘電率酸化シリ
コン膜であってもよい。

【００２０】つぎに作用の説明に移る。本発明のポイン
トは、酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチングに用
いるエッチングガスの主要構成成分として、ＳｉＦ₄ を
用いる点にある。ＳｉＦ₄ はプラズマ中で解離すること
によりＳｉ原子を放出し、Ｓｉをその構成成分とする堆
積物を被エッチング基板上に形成する。エッチングマス
クとしてフォトレジストマスクを用いる場合には、フォ
トレジストのスパッタリングにより供給される炭素成分
と結合し、Ｓｉ−Ｃ結合を有する堆積物を被エッチング
基板上に形成する。エッチングガスとしてフルオロカー
ボン系ガスを併用する場合にも、プラズマ中でこのフル
オロカーボン系ガスから供給される炭素成分と結合し
て、Ｓｉ−Ｃ結合を有する堆積物を被エッチング基板上
に形成する。

【００２１】これらの堆積物は、パターニングされつつ
ある酸化シリコン系絶縁膜のパターン側壁に選択的に残
留し、ＳｉあるいはＳｉ−Ｃ結合を含む側壁保護膜を形
成する。これらの側壁保護膜、特にＳｉ−Ｃ結合を含む
側壁保護膜は強固な結合を有するので、酸素やフッ素等
のラジカルやイオンに対する耐性が大きい。したがっ
て、サイドエッチングやボウイング形状のない、垂直な
いし緩やかな順テーパ形状の側壁を有する接続孔やライ
ンアンドスペースパターンを形成することが可能とな
る。

【００２２】また、従来より酸化シリコン系絶縁膜のプ
ラズマエッチングの主エッチングガスとして用いられて
きたフルオロカーボン系ガスの場合のように、フッ化炭
素系の側壁保護膜を厚く形成する必要がなくなるので、
微細な接続孔エッチングにおけるマイクロローディング
効果による抜け不良、エッチング停止が防止される。ま
たエッチングチャンバ内や被エッチング基板のパーティ
クル汚染の低減にも有効である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態例を図
面を参照して説明する。

【００２４】図１は本発明のプラズマエッチング方法を
採用し、シリコン等の半導体基板１上に形成された層間
絶縁膜である酸化シリコン膜２に、接続孔９をパターニ
ングしつつある状態を示す概略断面図である。エッチン
グマスクとしては多結晶シリコンマスク８を採用してい
る。パターニングされつつある接続孔９の側面には、Ｓ
ｉを含む、あるいはＳｉ−Ｃ結合を含む側壁保護膜１１
が薄く形成されている。この側壁保護膜１１は、従来の
ＣＦ系ポリマによる側壁保護膜に比してその厚さは薄い
ものの、酸素やフッ素等のラジカルやイオンに対する耐
性が大きい。したがって、接続孔９の側面に対するサイ
ドエッチングが防止され、ボウイング形状の無い、垂直
ないし緩やかな順テーパ形状の側壁を有する接続孔９が
形成される。また、マイクロローディング効果による接
続孔の抜け不良や、エッチング停止等が発生することも
ない。

【００２５】図示の例は、半導体基板１に形成された不
純物拡散層（不図示）に臨む接続孔９すなわちコンタク
トホールの例であるが、不純物を含む多結晶シリコン等
による下層配線に臨むヴァイアホールのパターニングで
あってもよい。また層間絶縁膜として単一組成のＳｉＯ
₂ からなる酸化シリコン膜を例示しているが、ＰＳＧ等
不純物を有する酸化シリコンや、ＳＯＧ(Spin On Glas
s) 、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＦ、あるいはこれらの積層構造
であってもよい。またその形成方法も、ＣＶＤ法、スパ
ッタリング法、蒸着法あるいは塗布法等の種別を問わな
い。

【００２６】またエッチングマスクとして多結晶シリコ
ンマスク８を採用しているが、この多結晶シリコンマス
ク８には不純物を有していてもいなくてもよい。金属膜
や他のシリコン化合物等のハードマスクや、レジストマ
スクであってもよい。

【００２７】図２は半導体基板１上にゲート絶縁膜１
２、ゲート電極膜１３、ＰＳＧ膜４およびＳｉＯＮ膜５
を順次形成し、ＰＳＧ膜４およびＳｉＯＮ膜５の積層酸
化シリコン系絶縁膜からなるオフセット絶縁膜を形成す
る工程に、本発明のプラズマエッチング方法を採用して
いる状態を示す概略断面図である。エッチングマスクと
してはフォトレジストマスク７を採用している。パター
ニングされつつあるオフセット絶縁膜の側面には、Ｓｉ
を含む、あるいはＳｉ−Ｃ結合を含む側壁保護膜１１が
薄く形成され、図１における側壁保護膜と同様の理由に
より、オフセット絶縁膜のサイドエッチングを防止する
ことができる。

【００２８】このオフセット絶縁膜は、後にサイドウォ
ールスペーサを形成後のＬＤＤイオン注入工程後に除去
されることが多い。ＰＳＧ等の不純物を含む酸化シリコ
ンは、希フッ酸等のウェットエッチングによるエッチン
グレートが大きく、容易に除去できることから、好んで
オフセット絶縁膜の下層に採用される。しかしながら、
このＰＳＧ等の不純物を含む酸化シリコンは、プラズマ
エッチングにおけるエッチングレートも大きく、フルオ
ロカーボン系ガスによるエッチングではサイドエッチン
グが入り易いので、本発明のＳｉＦ₄ を含むエッチング
ガスによるプラズマエッチング方法は極めて有効であ
る。すなわち、オフセット絶縁膜の上層のＳｉＯＮ膜５
およびＰＳＧ膜４をエッチングマスクとしてゲート電極
膜１３をパターニングする際には、サイドエッチングの
ないハードマスクをエッチングマスクとして利用できる
ため、ゲート電極長の厳密な制御が可能となる。また、
ＬＤＤ領域長やチャネル長の制御も精度高く施すことが
できる。

【００２９】本発明のプラズマエッチング方法で採用す
るプラズマエッチング装置としては、通常の平行平板型
ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)装置でよいが、磁界を併
用したマグネトロンＲＩＥ装置の他に、ＥＣＲ(Erectro
n Cyclotron Resonance)プラズマエッチング装置、ＩＣ
Ｐ(Inductively Coupled Prasma)エッチング装置、ヘリ
コン波プラズマエッチング装置等の高密度プラズマエッ
チング装置を好適に用いることができる。これらプラズ
マエッチング装置のチャンバ内壁にＳｉあるいはＳｉ−
Ｃ結合を含む堆積物が形成される場合には、一回、ある
いは複数回のプラズマエッチング終了後、ＮＦ₃ やＸｅ
Ｆ₂ 等、非堆積性のフッ素系ガスによりチャンバクリー
ニングを施すことがパーティクル汚染低減に有効であ
る。

【００３０】本発明のプラズマエッチング方法は、Ｓｉ
Ｆ₄ を含むエッチングガスで１段階でパターニングして
もよいし、ＳｉＦ₄ をパターニングの前半あるいは後半
のみに用いる多段階エッチング、あるいはＳｉＦ₄ の混
合割合を経時的に変化させてゆく多段階エッチングを採
用してもよい。

【００３１】

【実施例】以下、本発明を一例として半導体装置の層間
絶縁膜への接続孔パターニングに適用した具体的実施
例、およびＭＯＳ型半導体装置のゲート電極上のオフセ
ット絶縁膜のパターニングに適用した具体的実施例につ
き、適宜比較例を挙げながら添付図面を参照してさらに
詳しく説明する。ただし本発明は以下の実施例になんら
限定されるものではない。

【００３２】実施例１ 本実施例は層間絶縁膜として単層の酸化シリコン膜を採
用し、またエッチングマスクとしてＰＳＣ法による多結
晶シリコンマスクを用いた例であり、図３〜図４を参照
してこの工程を説明する。

【００３３】図３（ａ）〜（ｃ）および図４（ｄ）〜
（ｆ）は、先述したＰＳＣ法により、現在のステッパの
解像度を超える０．１μｍφの接続孔を形成する工程を
説明する概略断面図である。まず図３（ａ）に示すよう
に、ＭＯＳトランジスタ等の素子が作り込まれたシリコ
ン等の半導体基板１上に、層間絶縁膜となる酸化シリコ
ン膜２、エッチングマスクとなる多結晶シリコン膜６を
それぞれＣＶＤ法により形成する。酸化シリコン膜２の
厚さは例えば１．０μｍ、多結晶シリコン膜６の厚さは
例えば０．２５μｍとする。この後、フォトレジストと
してＳＡＬ−６０１（シプレー社製）を例えば０．８μ
ｍの厚さにスピンコーティングし、ＫｒＦエキシマレー
ザステッパにより露光および現像の工程を経てフォトレ
ジストマスク７を形成する。フォトレジストマスク７の
開口径は例えば０．３２μｍであり、現在のＫｒＦエキ
シマレーザステッパの解像度で十分に形成することが可
能である。

【００３４】つぎに図３（ｂ）に示すように、多結晶シ
リコン膜６を平行平板型ＲＩＥ装置により異方性エッチ
ングし、フォトレジストマスク７の開口形状を多結晶シ
リコン膜６に転写する。この後、図３（ｃ）に示すよう
にフォトレジストマスク７を剥離する。パターニングさ
れた多結晶シリコン膜６の開口径は、同じく０．３２μ
ｍである。

【００３５】この後、図４（ｄ）に示すように同じく多
結晶シリコンからなるサイドウォール形成膜６ａを、例
えば０．１μｍの厚さにＣＶＤ法によりコンフォーマル
に形成する。

【００３６】さらに図４（ｅ）に示すようにサイドウォ
ール形成膜６ａをエッチバックし、多結晶シリコン膜６
パターンの側面にサイドウォールとして残して、多結晶
シリコンマスク８を形成する。エッチバックは、例えば
平行平板型ＲＩＥ装置による異方性エッチング条件でお
こなう。多結晶シリコンマスク８の開口径は、サイドウ
ォール形成膜６ａにより形成されたサイドウォールの厚
さにより自己整合的に縮小され、０．１μｍφとなる。
なお、この多結晶シリコンマスク８の開口径は、サイド
ウォール形成膜６ａの成膜厚さやオーバーエッチング時
間により制御することができる。

【００３７】つぎに、図４（ｆ）に示すように多結晶シ
リコンマスク８をエッチングマスクとしてＳｉＦ₄ を含
むエッチングガスを用いてプラズマエッチングし、酸化
シリコン膜２をパターニングして接続孔９を形成する。
接続孔９の開口径は、多結晶シリコンマスク８の開口径
が転写され、０．１μｍφの微細径が得られる。平行平
板型ＲＩＥ装置を用いたプラズマエッチング条件の一例
を示す。 ＣＨＦ₃ ５０ ｓｃｃｍ ＳｉＦ₄ ５０ ｓｃｃｍ ＣＯ １２０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ６．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー １７００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 基板載置電極温度 ２０ ℃ 基板載置電極温度は、エッチング工程中２０℃を維持し
た。

【００３８】このプラズマエッチング工程においては、
Ｆ^* によるラジカル反応が、主としてＣＦ_x ⁺ 等のイオ
ン入射にアシストされる形で酸化シリコン膜２のエッチ
ングが進行した。その一方で、ＳｉＦ₄ の解離により生
成するＳｉ原子と、ＣＨＦ_３の解離により生成するＣ原
子とが再結合して得られるＳｉ−Ｃ結合を有する堆積物
が被エッチング基板上に堆積する。このＳｉ−Ｃ結合を
有する堆積物は、生成量は少ないながら、イオン入射の
少ないパターン側壁に残留して薄い側壁保護膜（不図
示）を形成し、厚さは薄いものの、ラジカルの攻撃によ
る等方的エッチング反応を効果的に防止する。また堆積
物の生成量が少ないので、接続孔の抜けが悪化したり、
エッチング停止が発生することもない。したがって、無
機マスクを用いたエッチングプロセスではあっても、サ
イドエッチングは防止され、先に図１１（ａ）に示した
ように、垂直ないし緩やかな順テーパ形状の側壁を有す
る接続孔９が信頼性高く形成される。エッチングレート
は５００ｎｍ／ｍｉｎであった。

【００３９】本実施例によれば、ＳｉＦ_４ を含むエッ
チングガスと多結晶シリコンマスクを用いて酸化シリコ
ンからなる層間絶縁膜をプラズマエッチングすることに
より、リソグラフィの解像度を超える微細な接続孔を形
状よく、また信頼性高く形成することができる。なお、
多結晶シリコン以外の無機マスクや、レジストマスクを
用いても本実施例に準じる、異方性のよいパターニング
が可能であった。

【００４０】比較例１ 前実施例１と同様の工程により、サイドウォール付きの
多結晶シリコンマスク８を形成した図４（ｅ）に示す被
エッチング基板を、同じ平行平板型ＲＩＥ装置により、
ＳｉＦ₄ を含まないフルオロカーボン系ガスを主体とす
るエッチングガスを用いてプラズマエッチングした。プ
ラズマエッチング条件の一例を示す。 ＣＨＦ₃ ４０ ｓｃｃｍ ＣＯ １５０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ６．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー １７００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 基板載置電極温度 ２０ ℃ 基板載置電極温度は、エッチング工程中２０℃を維持し
た。

【００４１】この比較例１のプラズマエッチング工程に
おいては、ＣＨＦ₃ の解離、再結合により生成するフッ
化炭素系ポリマが被エッチング基板上に堆積し、側壁保
護膜を形成する。しかしながら、このフッ化炭素系ポリ
マはイオン入射耐性やラジカル耐性が小さく、接続孔の
側壁に容易にサイドエッチングを発生して、先に図１１
（ｂ）で示したボウイング形状となる。また、サイドエ
ッチングの防止のため、このフッ化炭素系ポリマを厚く
堆積すると、接続孔の抜け不良やエッチングの停止が発
生して望ましくない。なお、多結晶シリコン以外の無機
マスクや、レジストマスクを用いても本比較例と同様の
ボウイング形状や、接続孔の抜け不良あるいはエッチン
グ停止が発生した。

【００４２】堆積物の分析 平行平板型ＲＩＥ装置の基板載置電極上に、ダミーのシ
リコン基板をセッティングし、実施例１および比較例１
のプラズマエッチング条件によりエッチング処理を施し
た。いずれのプラズマエッチング条件によっても、シリ
コン基板のエッチングは極く僅かであり、シリコン基板
表面には堆積物が形成された。この堆積物をＸＰＳ(X-r
ay Photoelectron Spectroscopy)により元素分析したと
ころ、実施例１のプラズマエッチング条件による堆積物
はＳｉ−Ｃ結合を有することが判った。一方の、比較例
１によるプラズマエッチング条件による堆積物はフルオ
ロカーボン系ポリマであった。この分析結果から、Ｓｉ
−Ｃ結合を有する堆積物が接続孔の側面に側壁保護膜と
して形成されることにより、サイドエッチングが防止さ
れたことが明らかである。

【００４３】実施例２ 本実施例は、ＳｉＦ₄ とフルオロカーボン系ガスを含む
混合ガス中のＳｉＦ₄の流量比を変化させ、酸化シリコ
ン系絶縁膜に接続孔を形成した場合の、接続孔の形状変
化を評価したものである。本実施例で採用した被エッチ
ング基板は、前実施例１においてサイドウォール付きの
多結晶シリコンマスク８を形成した図４（ｅ）に示すも
のに準じるものであり、同じ平行平板型ＲＩＥ装置によ
り、一例として下記プラズマエッチング条件を用いて接
続孔のパターニングをおこなった。 ＣＨＦ₃ ５０ ｓｃｃｍ ＳｉＦ₄ ０，２５，５０ ｓｃｃｍ ＣＯ １２０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ６．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー １７００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 基板載置電極温度 ２０ ℃ 基板載置電極温度は、エッチング工程中２０℃を維持し
た。

【００４４】実施例２においては、ＳｉＦ₄ の流量を
０，２５，５０ｓｃｃｍの３段階に設定し、他のプラズ
マエッチング条件は同一にして、同じ被エッチング基板
を用いて接続孔のパターニングをおこなった。形成され
た接続孔の概略断面図を図５（ａ）〜（ｃ）に示す。こ
れらのうち、図５（ａ）はＳｉＦ₄ 流量が０ｓｃｃｍ、
図５（ｂ）は２５ｓｃｃｍ、そして図５（ｃ）は５０ｓ
ｃｃｍのプラズマエッチング条件に対応するものであ
る。図５から明らかなように、ＳｉＦ₄ の流量が増加す
るに従い、接続孔側壁のボウイング形状が修正され、緩
やかな順テーパ形状ないし垂直形状となることがわか
る。なお、多結晶シリコンマスクに替えて、フォトレジ
ストマスクを用いた場合にも同様の傾向が得られた。

【００４５】実施例３ 本実施例は、多結晶シリコンからなる下層配線上に形成
されたＰＳＧおよびＳｉＯＮからなる積層酸化シリコン
系絶縁膜を、フォトレジストマスクを用いてプラズマエ
ッチングした例であり、図６〜図７を参照してこの工程
を説明する。

【００４６】本実施例で採用した被エッチング基板は、
図６にその概略断面図を示すように、シリコン等の半導
体基板１上に、下層層間絶縁膜である酸化シリコン膜
２、不純物を含む多結晶シリコンからなる下層配線３、
ＰＳＧ膜４およびＳｉＯＮ膜５からなる上層層間絶縁
膜、そして０．２５μｍの開口径を有するフォトレジス
トマスク７が形成されたものである。ＰＳＧ膜４の厚さ
は一例として１６０ｎｍ、ＳｉＯＮ膜５の厚さはこれも
一例として３０ｎｍであり、いずれもＣＶＤ法により形
成した。またフォトレジストマスク７は、フォトレジス
トとしてＳＡＬ−６０１（シプレー社製）を例えば０．
８μｍの厚さにスピンコーティングし、位相シフトマス
クおよびＫｒＦエキシマレーザステッパにより露光およ
び現像の工程を経て形成した。

【００４７】この被エッチング基板を、平行平板型ＲＩ
Ｅ装置の基板載置電極上にセッティングし、一例として
下記プラズマエッチング条件により、ＰＳＧ膜４および
ＳｉＯＮ膜５からなる上層層間絶縁膜をパターニングし
て接続孔（ヴァイアホール）を形成する。 ＣＨＦ₃ ５０ ｓｃｃｍ ＳｉＦ₄ ３０ ｓｃｃｍ ＣＯ ５０ ｓｃｃｍ Ａｒ １５０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー １５００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 基板載置電極温度 ２０ ℃ 基板載置電極温度は、エッチング工程中２０℃を維持し
た。

【００４８】この結果、図７に示すように緩やかな順テ
ーパ形状の側壁を有する接続孔９が実施例１と同様に形
成された。

【００４９】本実施例によれば、ＳｉＦ₄ を含むエッチ
ングガスとフォトレジストマスクを用いて、特にサイド
エッチングを受けやすいＰＳＧ膜とＳｉＯＮ膜からなる
層間絶縁膜をプラズマエッチングすることにより、微細
な接続孔を形状よく、また信頼性高く形成することがで
きる。なお、フォトレジストマスク以外の無機マスクを
用いても本実施例に準じる、異方性のよいパターニング
が可能であった。

【００５０】比較例２ 前実施例３と同様の工程により、フォトレジストマスク
７を形成した図６に示す被エッチング基板を、同じ平行
平板型ＲＩＥ装置により、ＳｉＦ₄ を含まないフルオロ
カーボン系ガスを主体とするエッチングガスを用いてプ
ラズマエッチングした。プラズマエッチング条件の一例
を示す。 ＣＨＦ₃ ４５ ｓｃｃｍ ＣＯ ５０ ｓｃｃｍ Ａｒ １５０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ ８ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー １５００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 基板載置電極温度 ２０ ℃基板載置電極温度は、
エッチング工程中２０℃を維持した。

【００５１】この比較例２のプラズマエッチング工程に
おいては、ＣＨＦ₃ の解離、再結合により生成するフッ
化炭素系ポリマが被エッチング基板上に堆積し、側壁保
護膜を形成する。しかしながら、このフッ化炭素系ポリ
マはラジカル耐性が小さく、接続孔の側壁、特にＰＳＧ
膜４の側壁に容易にサイドエッチングを発生して、図８
に示したボウイング形状の接続孔９が形成される。ま
た、サイドエッチングの防止のため、このフッ化炭素系
ポリマを厚く堆積すると、接続孔の抜け不良やエッチン
グの停止が発生する。なお、フォトレジストマスク以外
の無機マスクを用いても本比較例２と同様のボウイング
形状や、接続孔の抜け不良あるいはエッチング停止が発
生した。

【００５２】実施例４ 本実施例は、微細長ゲート電極上のオフセット絶縁膜の
パターニングに本発明のプラズマエッチング方法を適用
した例であり、この工程を図９〜図１０を参照して説明
する。

【００５３】本実施例で採用した試料は、図９（ａ）に
示すようにシリコン等の半導体基板１上に、ゲート絶縁
膜１２、多結晶シリコン等からなるゲート電極膜１３、
ＰＳＧ膜４、ＳｉＯＮ膜５およびフォトレジストマスク
７が順次形成されたものである。このフォトレジストマ
スク７のライン幅は０．１８μｍであり、フォトレジス
トとしてＳＡＬ−６０１（シプレー社製）を例えば０．
８μｍの厚さにスピンコーティングし、位相シフトマス
クおよびＫｒＦエキシマレーザステッパにより露光およ
び現像の工程を経て形成した。

【００５４】図９（ａ）に示す被エッチング基板を、平
行平板型ＲＩＥ装置の基板載置電極上にセッティング
し、一例として下記プラズマエッチング条件によりＰＳ
Ｇ膜４およびＳｉＯＮ膜５をパターニングした。 ＣＨＦ₃ ５０ ｓｃｃｍ ＳｉＦ₄ ３０ ｓｃｃｍ ＣＯ ５０ ｓｃｃｍ Ａｒ １５０ ｓｃｃｍ Ｏ₂ １０ ｓｃｃｍ ガス圧力 ４．０ Ｐａ ＲＦ電源パワー １５００ Ｗ（１３．５６ＭＨｚ） 基板載置電極温度 ２０ ℃ 基板載置電極温度は、エッチング工程中２０℃を維持し
た。

【００５５】このプラズマエッチング工程においては、
図９（ｂ）に示すように、Ｓｉ−Ｃ結合を有する堆積物
からなる側壁保護膜１１が形成され、特にサイドエッチ
ングを受けやすいＰＳＧ膜４パターン側壁を保護しなが
らパターニングが進行する。この結果、ＰＳＧ膜４およ
びＳｉＯＮ膜５の積層酸化シリコン系絶縁膜からなり、
略垂直な側壁を有するオフセット絶縁膜が形成された。
オフセット絶縁膜のパターン幅はフォトレジストマスク
７の幅が忠実に転写された結果、０．１８μｍであっ
た。

【００５６】つぎに図９（ｃ）に示すようにフォトレジ
ストマスク７および側壁保護膜１１をアッシング等によ
り除去し、ＳｉＯＮ膜５パターンおよびＰＳＧ膜４パタ
ーンからなるオフセット絶縁膜をエッチングマスクとし
てゲート電極膜１３をエッチングする。このエッチング
工程においては、エッチングマスクすなわちオフセット
絶縁膜にサイドエッチングが入っていないので、最初の
フォトレジストマスク７の幅が忠実にゲート電極１３ａ
に転写され、０．１８μｍの微細電極長を有するゲート
電極１３ａが得られる。なおフォトレジストマスク７
は、除去せずにそのままゲート電極膜１３のパターニン
グ用マスクとして用いてもよい。

【００５７】この後、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等よりなるサイドウォ
ール形成膜１４を全面に形成し図１０（ｄ）の状態とす
る。この後サイドウォール形成膜１４を、対酸化シリコ
ン系絶縁膜との選択比の大きい条件を用いて全面エッチ
バックして、ＳｉＯＮ膜５パターンおよびＰＳＧ膜４パ
ターンからなるオフセット絶縁膜およびゲート電極１３
ａの側面にサイドウォールスペーサ１４ａを残置形成す
る。サイドウォールスペーサ１４ａの下端がゲート絶縁
膜１２と接する部分の幅は、ＬＤＤ領域の幅を決定する
重要な意味をもつ。本実施例によればＳｉＯＮ膜５パタ
ーンおよびＰＳＧ膜４パターンからなるオフセット絶縁
膜にパターン変換差が発生しておらず、サイドエッチン
グもないので、設計通りの下端幅を有するサイドウォー
ルスペーサ１４ａが形成される。

【００５８】この後の工程は図示を省略するが、常法に
準じ、ＬＤＤ形成用のイオン注入等を施した後、酸化シ
リコン系絶縁膜に対する選択比の大きいウェットエッチ
ング条件でサイドウォールスペーサ１４ａを除去する。
続けてＳｉＯＮ膜５パターンおよびＰＳＧ膜４パターン
からなるオフセット絶縁膜も希フッ酸等を用いてウェッ
トエッチング除去する。このウェットエッチング工程で
は、ＰＳＧ膜４パターンのエッチングレートが大きいの
で、エッチングレートの小さいＳｉＯＮ膜５パターンは
リフトオフの形で容易に除去される。したがって、過度
のオーバーエッチングにより、薄いゲート絶縁膜１２に
ダメージが入る虞れがない。

【００５９】本実施例によれば、ＳｉＦ₄ を含むエッチ
ングガスによりＰＳＧ膜とＳｉＯＮ膜からなる積層酸化
シリコン系絶縁膜をプラズマエッチングすることによ
り、微細なオフセット絶縁膜を形状制御性よく形成する
ことができる。このため、ＭＯＳトランジスタのＬＤＤ
領域の形状制御が高精度になされ、またオフセット絶縁
膜の除去も容易である。

【００６０】以上、本発明を４つの実施例により詳細に
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。

【００６１】例えば、酸化シリコン系絶縁膜として、Ｓ
ｉＯ₂ 、ＰＳＧやＳｉＯＮの他にＢＳＧ(Boro Silicate
Glass) 、ＢＰＳＧ(Boro Phospho Silicate Glass) や
ＡｓＳＧ(Arseno Silicate Glass) 等の不純物を含む酸
化シリコンや、ＳｉＯＦ等の低誘電率酸化シリコン、あ
るいはＳＯＧ等の塗布酸化シリコンであってもよい。こ
れらは、単層あるいは積層構造として用いることができ
る。

【００６２】また酸化シリコン系絶縁膜が形成されてい
る被エッチング基板の構造も任意である。ゲート電極上
のオフセット絶縁膜は、ＬＤＤサイドウォールスペーサ
の形成の他に、セルフアラインコンタクトのサイドウォ
ール形成に用いることもできる。さらに、接続孔やオフ
セット絶縁膜のパターニングの他に、酸化シリコン系絶
縁膜にラインアンドスペースパターンや孤立パターン等
の各種微細加工を施す場合に好適に本発明を採用するこ
とができる。

【００６３】ＳｉＦ₄ を含むエッチングガスに添加する
フルオロカーボン系ガスとして、ＣＨＦ₃ を例示した
が、ＣＦ₄ 、Ｃ₂ Ｆ₆ あるいはＣ₃ Ｆ₈ 等、他のＣＦ
系、ＣＨＦ系ガス等のフッ素系ガスやＨＢｒ等の臭素系
ガスを用いることができる。また希釈ガス等、各種添加
ガスを加えてもよい。

【００６４】エッチングマスクとして、レジストマスク
や多結晶シリコンマスクの他に、非晶質シリコンマスク
や他のハードマスクを用いることもできる。

【００６５】プラズマエッチング装置は、例示した平行
平板型ＲＩＥ装置をはじめ、各種プラズマエッチング装
置が採用でき、その場合のエッチング条件も適宜変更し
てよい。

【００６６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば酸化シリコン系絶縁膜に微細で高アスペクト比
のパターニングを施す際に、サイドエッチングやアンダ
カットを防止し、パターン変換差のない酸化シリコン系
絶縁膜パターンを得ることができる。また過剰の側壁保
護膜の堆積によるエッチングレートの低下やパーティク
ル汚染の虞れがない。

【００６７】したがって、高アスペクト比の接続孔等を
開口するプラズマエッチング方法において、ボウイング
形状等の形状異常や、接続孔の抜け不良あるいはエッチ
ング停止が発生することがない。またオフセット絶縁膜
等のラインアンドスペース状のパターンのプラズマエッ
チングにおいても、サイドエッチングやパターン変換差
がないので、ＬＤＤサイドウォールスペーサの形状制御
が容易であり、信頼性の高い高集積度半導体装置を提供
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方法を採用し、酸
化シリコン膜に接続孔をパターニングしつつある状態を
示す概略断面図である。

【図２】本発明のプラズマエッチング方法を採用し、Ｐ
ＳＧ膜およびＳｉＯＮ膜からなる積層酸化シリコン系絶
縁膜をパターニングしてオフセット絶縁膜を形成しつつ
ある状態を示す概略断面図である。

【図３】本発明のプラズマエッチング方法を採用し、Ｐ
ＳＣ法により酸化シリコン膜に接続孔をパターニングす
る工程の前半を示す概略断面図である。

【図４】本発明のプラズマエッチング方法を採用し、Ｐ
ＳＣ法により酸化シリコン膜に接続孔をパターニングす
る工程の後半を示す概略断面図である。

【図５】ＳｉＦ₄ の流量比を変化させ、酸化シリコン膜
に接続孔をパターニングした場合の、接続孔の形状変化
を示す概略断面図である。

【図６】本発明のプラズマエッチング方法を採用し、Ｐ
ＳＧおよびＳｉＯＮからなる積層酸化シリコン系絶縁膜
に接続孔をパターニングする工程で採用した被エッチン
グ基板を示す概略断面図である。

【図７】本発明のプラズマエッチング方法を採用し、Ｐ
ＳＧおよびＳｉＯＮからなる積層酸化シリコン系絶縁膜
に接続孔をパターニングした場合の形状を示す概略断面
図である。

【図８】従来のプラズマエッチング方法を採用し、ＰＳ
ＧおよびＳｉＯＮからなる積層酸化シリコン系絶縁膜に
接続孔をパターニングした場合の形状を示す概略断面図
である。

【図９】本発明のプラズマエッチング方法を採用し、Ｐ
ＳＧおよびＳｉＯＮからなる積層酸化シリコン系絶縁膜
をパターニングして、オフセット絶縁膜を形成する工程
の前半を示す概略断面図である。

【図１０】本発明のプラズマエッチング方法を採用し、
ＰＳＧおよびＳｉＯＮからなる積層酸化シリコン系絶縁
膜をパターニングして、オフセット絶縁膜を形成する工
程の後半を示す概略断面図である。

【図１１】ボウイング形状を説明する概略断面図であ
る。

【図１２】ＰＳＣ法により、現在のステッパの解像度を
超える微細径の接続孔を形成する工程を示す概略断面図
である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…酸化シリコン膜、３…下層配線、
４…ＰＳＧ膜、５…ＳｉＯＮ膜、６…多結晶シリコン
膜、６ａ…サイドウォール形成膜、７…フォトレジスト
マスク、８…多結晶シリコンマスク、９…接続孔、１０
…エッチングマスク、１１…側壁保護膜、１２…ゲート
絶縁膜、１３…ゲート電極膜、１３ａ…ゲート電極、１
４…サイドウォール形成膜、１４ａ…サイドウォールス
ペーサ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化シリコン系絶縁膜上に形成されたエ
   ッチングマスクを用い、かつ、少なくともＳｉＦ₄ を含
   むエッチングガスを用いるとともに、 パターニングされつつあるパターン側壁に少なくともＳ
   ｉを含む側壁保護膜を堆積しつつ、 前記酸化シリコン系絶縁膜をパターニングすることを特
   徴とする、酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチング
   方法。
2. 【請求項２】 前記エッチングマスクは、フォトレジス
   トおよびシリコン系材料のうちのいずれか少なくとも一
   方からなることを特徴とする、請求項１記載の酸化シリ
   コン系絶縁膜のプラズマエッチング方法。
3. 【請求項３】 前記シリコン系材料は多結晶シリコンで
   あることを特徴とする、請求項２記載の酸化シリコン系
   絶縁膜のプラズマエッチング方法。
4. 【請求項４】 前記エッチングガスは、さらにフルオロ
   カーボン系ガスを含むことを特徴とする、請求項１記載
   の酸化シリコン系絶縁膜のプラズマエッチング方法。
5. 【請求項５】 前記Ｓｉを含む側壁保護膜は、Ｓｉ−Ｃ
   結合を有することを特徴とする、請求項１記載の酸化シ
   リコン系絶縁膜のプラズマエッチング方法。
6. 【請求項６】 前記酸化シリコン系絶縁膜は、酸化窒化
   シリコン膜と不純物を含む酸化シリコン膜との積層絶縁
   膜であることを特徴とする、請求項１記載の酸化シリコ
   ン系絶縁膜のプラズマエッチング方法。