(57)【要約】【課題】本発明は、３０ｎｍ以下のホール径のＤＣＶ構造を形成するプラズマエッチング方法において、コンタクトホール底部のＴｉＮ膜を選択的に除去できるプラズマエッチング方法を提供する。【解決手段】本発明は、穴底部または溝底部のＳｉＮ膜を選択的にエッチングするプラズマエッチング方法において、塩素原子とフッ素原子と炭素原子を含むガスを用いて前記ＳｉＮ膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
穴底部または溝底部のＳｉＮ膜を選択的にエッチングするプラズマエッチング方法において、塩素原子とフッ素原子と炭素原子を含むガスを用いて前記ＳｉＮ膜をプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
前記ガスは、Ｃｌ2ガスとフルオロカーボンガスの混合ガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
前記ガスは、Ｃｌ2ガスとＣ4Ｆ8ガスとＡｒガスの混合ガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いたエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの高集積化に伴い、コンタクトホールや配線等の微細化が顕著となってきている。微細化に伴い、配線の電気抵抗は増加してしまうことから、電気抵抗を低減するための様々な検討がなされている。その中の一つとして、Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｖｉａ構造（以下、ＤＣＶ構造と称する）が知られている。このＤＣＶ構造を形成するためには、コンタクトホール等の側壁のバリア層又は密着層を残し、且つ、コンタクトホール等の底部のバリア層又は密着層を除去する必要がある。
【０００３】
また、特許文献１には、基板のホール、溝内を含む全面に、イニシャルバリアメタル膜を、ステップカバレッジが０．５未満である厚さで形成した後、ハロゲン化窒素ガスと窒素ガス、アルゴンガス及び水素ガスの少なくとも１種のガスとの混合ガスを用いて、(ホール等の底部のエッチングレート)／(ホール等の周囲部のエッチングレート)＞（ステップカバレッジ値）の関係を満足するエッチングレートでエッチングして、選択的にボトム抜きを行う。その後、メッキ法により上層配線を形成し、ＤＣＶ構造を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３‐１７９１３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように特許文献１には、コンタクトホール等の底部のバリアメタル膜のみを選択的に除去することができるバリアメタル膜形成方法及びＤＣＶ構造の配線形成方法が記載されている。
【０００６】
しかし、コンタクトホールのホール径が小さい場合、特許文献１に記載された、２０〜４０容量％のＮＦ3と８０〜６０容量％のＮ2、Ｈ2、Ａｒから選ばれた少なくとも１種のガスとからなるエッチングガス、すなわち主たる反応物として、Ｆ原子のみを含む混合ガスを使用した方法では、コンタクトホール底部のＴｉＮ膜をエッチングにより選択的に除去することが困難であることが分かった。
【０００７】
このため、本発明は、３０ｎｍ以下のホール径のＤＣＶ構造を形成するプラズマエッチング方法において、コンタクトホール底部のＴｉＮ膜を選択的に除去できるプラズマエッチング方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、穴底部または溝底部のＳｉＮ膜を選択的にエッチングするプラズマエッチング方法において、塩素原子とフッ素原子と炭素原子を含むガスを用いて前記ＳｉＮ膜をプラズマエッチングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、３０ｎｍ以下のホール径のＤＣＶ構造を形成するプラズマエッチング方法において、コンタクトホール底部のＴｉＮ膜を選択的に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例で用いたプラズマエッチング装置の概略断面図である。
【図２】本発明を適用したウエハの断面構造図である。
【図３】本発明を実施した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る一実施例について図１ないし図３を用いて以下、説明する。
図１は、本発明に係るプラズマエッチング方法を行うためのプラズマエッチング装置の概略断面図である。このプラズマエッチング装置は、電子サイクロトロン共鳴を利用してエッチングを行うＥｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ(以下、ＥＣＲと称する）型プラズマエッチング装置である。
【００１２】
マグネトロン１により発振されたマイクロ波は、導波管２を介して処理室３に入射される。処理室３内には、処理室３の上部より石英板４を通してプラズマを生成するためのガスが供給される。このガスは、ソレノイドコイル５によって生成された磁場により効率的にプラズマ化される。試料であるウエハ６を載置する試料台７は、処理室３内に配置され、ブロッキングコンデンサ９を介して高周波電源８が接続されている。高周波電源８によって試料台７に印加された高周波電圧により、プラズマ中のイオンをウエハ６に対し垂直に入射させる。また、プラズマエッチングにより発生した反応生成物や残留ガスは、処理室３の下部に設けられた排気口（図示省略）から排気される。
【００１３】
次に、本発明のプラズマエッチング方法について説明する。最初に本発明のプラズマエッチング方法を適用するウエハ６に積層された膜の構造を図２に示す。直径１２インチの基板１０上に下から順次、金属膜１１と１５０ｎｍ厚さのＳｉＮ膜１２が積層されている。また、ＳｉＮ膜１２には、予め、リソグラフィ技術などによって２０ｎｍのホール径のコンタクトホール１３が形成されている。さらに、コンタクトホール１３の底部１４とコンタクトホール１３の側壁１５とＳｉＮ膜１２の表面に１０ｎｍ厚さのＴｉＮ膜１６が堆積されている。
【００１４】
また、本発明を適用する基板は、絶縁膜上に、金属膜、層間絶縁膜を堆積させた後、この層間絶縁膜に対してコンタクトホールや溝等を形成し、上記層間絶縁膜表面やコンタクトホールや溝等の側壁およびコンタクトホールや溝等の底部にＴｉＮ膜が形成された半導体基板であれば良い。
【００１５】
次に、Ｃｌ2ガスとＣ4Ｆ8ガスとＡｒガスの混合ガスを用い、処理圧力を３．０Ｐａ、マイクロ波パワーを８００Ｗ、試料台７に供給された高周波電力を８０Ｗ、処理時間を１５秒とするプラズマエッチング条件により図２に示すようなウエハ６をプラズマエッチングした。尚、Ｃｌ2ガスとＣ4Ｆ8ガスは、２：１のガス流量比で混合されている。また、処理圧力は、１．０Ｐａから３．０Ｐａの範囲の圧力でも良い。
【００１６】
プラズマエッチングの結果、図３に示すように、コンタクトホール１３の側壁１５とＳｉＮの表面のＴｉＮ膜１６を十分に残しながらコンタクトホール１３の底部１４のＴｉＮ膜１６を選択的に除去することができた。ここで、本発明によりコンタクトホール底部のＴｉＮ膜を選択的に除去できた理由は、以下のように考えられる。
【００１７】
Ｆ原子のみを含む混合ガスを使用した場合、プラズマ中にはＦ原子しか存在しないため、ＴｉＮ膜最表面では、Ｆ原子とＴｉ原子とＮ原子の組み合わせからなる結合や乖離、再結合が起こっている。ＴｉＦ4の蒸気圧は、エッチング中の処理室内の圧力よりも十分低いため、Ｔｉ原子と結合したＦ原子の大半は、ＴｉＮ膜表面に堆積すると考えられる。しかし、ごく少数のチタンフッ化物は揮発するため、ＴｉＮ膜のエッチングは進行する。
【００１８】
これが、Ｆ原子のみを含む混合ガスを使用した場合の主なエッチング反応である。エッチングは、Ｆ原子とＴｉ原子が衝突、結合することで進行するので、Ｆ原子の衝突確率が最も高いコンタクトホール周辺部やコンタクトホール入口部（以下、コンタクトホール上部と称する）のエッチングレートが最も高いことになる。すなわち、Ｆ原子のみからなる混合ガスでは、コンタクトホール底部のＴｉＮ膜のみを選択的にエッチングすることはできない。
【００１９】
次にＦ原子とＣｌ原子のみを含む混合ガスを使用した場合、表１に示すようにＴｉ‐Ｎ、Ｔｉ‐Ｆ、Ｔｉ‐Ｃｌの結合エネルギーを比較すると、プラズマに曝されたＴｉＮ膜最表面ではＴｉ‐ＦとＴｉ‐Ｎの乖離・（再）結合が支配的であり、そこに、低確率ではあるが、Ｔｉ‐Ｃｌの乖離・（再）結合過程が混ざっていると考えられる。ＴｉＣｌ4の蒸気圧は、エッチング中のチャンバー内圧力よりも十分高く、ＴｉＦ4の蒸気圧はエッチング中のチャンバー内圧力よりも十分低い。よって、Ｔｉ原子と結合したＦ原子は、ＴｉＮ膜最表面に堆積し、Ｔｉ原子と結合したＣｌ原子は、ＴｉＮ膜最表面からＴｉ原子を離脱させると考えられる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
ここでＦ原子に着目すると、表１に示すようにＴｉ‐Ｆ間の結合エネルギーは、Ｔｉ‐Ｃｌ間の結合エネルギーと比較し大きいことから、Ｆ原子は、Ｃｌ原子よりもＴｉＮ膜最表面のＴｉ原子に結合しやすい。つまり、最初に衝突する確率の高いコンタクトホール上部にＦ原子は吸着されやすい。一方、Ｃｌ原子に着目すると、Ｔｉ原子との結合エネルギーが小さいことに加え、Ｆ原子がＴｉ原子と結合することでＣｌ原子の結合できるＴｉ原子が減少するため、ＴｉＮ膜最表面でＣｌ原子がＴｉ原子と結合する確率は一層低くなる。
【００２２】
このため、Ｆ原子はコンタクトホール上部に吸着され、コンタクトホール底部に到達する確率は低く、Ｃｌ原子はコンタクトホール上部に吸着されにくく、コンタクトホール底部に到達する確率は高くなる。このため、コンタクトホール底部とコンタクトホール上部のＴｉＮ膜のエッチングレートを比較した場合、コンタクトホール底部のＴｉＮ膜のエッチングレートの方が高くなる。以上が、コンタクトホール上部よりもコンタクトホール底部のＴｉＮ膜をよりエッチングできる主なメカニズムである。
【００２３】
しかしながら、コンタクトホール上部では、Ｔｉ‐ＦやＴｉ‐Ｎの乖離・（再）結合が大半を占めているが、確率的にＣｌ原子がＴｉ原子と結合する過程も含まれる。その結果、少しずつコンタクトホール上部のＴｉＮ膜のエッチングが進行する。よって、上記メカニズムのみ、すなわち、エッチングガスとして、Ｃｌ原子とＦ原子のみを含む混合ガスを使用した場合では、コンタクトホール上部のエッチングレートがそれほど低くないため、コンタクトホール上部に対するコンタクトホール底部の選択比を十分大きくとれない問題が生ずる。
【００２４】
次に、Ｆ原子とＣｌ原子とＣ原子を含む混合ガスを使用した場合、表１に示すようにＴｉ‐Ｃ間の結合エネルギーは、Ｔｉ‐Ｎ間の結合エネルギーと同等であるので、ＴｉＮ膜最表面ではＴｉ‐ＦとＴｉ‐ＮおよびＴｉ‐Ｃの乖離・（再）結合が支配的であると考えられる。Ｃ原子を含まない場合では、ＴｉＮ膜最表面はＴｉ‐Ｆ結合のみで覆われることとなるが、Ｆ原子は結合手を一本しか持たないため反応はそこで終了する。一方、Ｃ原子を含む本発明の場合、ＴｉＮ膜最表面のＴｉ原子にはＣ原子も結合する。Ｃ原子は結合手を４本持つため、未結合手による他原子の吸着反応が進行する。
【００２５】
すなわち、ＴｉＮ膜最表面はＣ原子を起点としたポリマーの形成が進行して最表面からＴｉ原子を覆い隠し、Ｃｌ原子との衝突頻度を低減させる。その結果、コンタクトホール上部のエッチングレートが低下するため、コンタクトホール上部に対するコンタクトホール底部の選択比は向上する。加えて、表１に示すようにＴｉ‐Ｃ間の結合エネルギーは、Ｔｉ‐Ｃｌ間の結合エネルギーより十分に大きいことから、Ｆ原子と同様に、コンタクトホール上部で吸着されやすいことを示唆している。また、コンタクトホール底部においては、Ｃ原子を起点としたポリマーの形成が進行しづらいことも示している。上記のポリマー形成のメカニズムにより、Ｃ原子を添加することにより、コンタクトホール上部に対するコンタクトホール底部の選択比をより向上させることが可能となる。
【００２６】
以上をまとめると、ＴｉＮ膜をエッチングする際、コンタクトホール上部に対するコンタクトホール底部の選択比を向上させるには、Ｃｌ原子とＦ原子とＣ原子を含む混合ガスを使用することが望ましい。尚、上述したコンタクトホール上部に対するコンタクトホール底部の選択比を向上させる説明において、Ｎ原子やＡｒ原子などは、化学的な反応にはあまり寄与しないため、上述の説明では省略したが、Ｎ原子やＡｒ原子などが含まれたとしても上述したメカニズムは成立する。
【００２７】
また、本実施例では、Ｃｌ2ガスとＣ4Ｆ8ガスとＡｒガスの混合ガスを使用したが、上記メカニズムの観点から本発明は、Ｃｌ2ガスとＣ4Ｆ8ガスとＡｒガスの混合ガスに限られず、Ｃｌ原子とＦ原子とＣ原子を含む混合ガスを使用しても本実施例と同様の効果が得られることは容易に推察される。
【００２８】
以上、上述した通り、本発明は、コンタクトホールの底や溝等にあるＴｉＮ膜を選択的に除去するために、Ｃｌ原子とＦ原子とＣ原子を含む混合ガスを用いることを特徴とする。このため、例えば、Ｃｌ2ガスと、Ｃ4Ｆ8ガス、Ｃ5Ｆ8ガス、Ｃ4Ｆ6ガス等のフルオロカーボンガスと、を含む混合ガスを用いても本実施例と同様な効果を得ることができる。
【００２９】
また、本実施例ではコンタクトホールについて説明したが、例えば、穴や溝の底部のＴｉＮ膜を選択的に除去する工程にも適用可能である。さらに、本実施例では、２０ｎｍのホール径のコンタクトホールの例で説明したが、３０ｎｍ以下の穴径の穴の形成及び３０ｎｍ以下の溝幅の溝形成でも本実施例は適用できる。
【００３０】
また、本実施例では、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置を用いた場合について説明したが、ヘリコン波プラズマエッチング装置、誘導結合型プラズマエッチング装置または容量結合型プラズマエッチング装置等を用いても本実施例と同等の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３１】
１…マグネトロン、２…導波管、３…処理室、４…石英版、５…ソレノイドコイル、６…ウエハ、７…試料台、８…高周波電源、９…ブロッキングコンデンサ、１０…基板、１１…金属膜、１２…ＳｉＮ膜、１３…コンタクトホール、１４…底部、１５…側壁、１６…ＴｉＮ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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