(57)【要約】【課題】  所望の形状を有するホールを的確に形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  下地領域１１上に、下層有機絶縁膜１２を形成する工程と、下層有機絶縁膜上に無機絶縁膜１３を形成する工程と、無機絶縁膜上に上層有機絶縁膜１４を形成する工程と、上層有機絶縁膜を貫通する第１の貫通部分及び無機絶縁膜を貫通する第２の貫通部分を有する第１のホール２３を形成する工程と、酸素ガス及び窒素ガスの少なくとも一方を含んだエッチングガスを用いて上層有機絶縁膜及び第１のホール下の下層有機絶縁膜に対してドライエッチングを行い、第２の貫通部分及び下層有機絶縁膜を貫通する第３の貫通部分を有する第２のホールを形成するとともに、上層有機絶縁膜を除去する工程とを備え、ドライエッチングは、ドライエッチングが行われるチャンバー内におけるエッチングガスのレジデンスタイムが０．２５秒以上となる条件で行われる。【選択図】      図３
2006351862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地領域上に、下層有機絶縁膜を形成する工程と、
前記下層有機絶縁膜上に無機絶縁膜を形成する工程と、
前記無機絶縁膜上に上層有機絶縁膜を形成する工程と、
前記上層有機絶縁膜を貫通する第１の貫通部分及び前記無機絶縁膜を貫通する第２の貫通部分を有する第１のホールを形成する工程と、
酸素ガス及び窒素ガスの少なくとも一方を含んだエッチングガスを用いて前記上層有機絶縁膜及び前記第１のホール下の下層有機絶縁膜に対してドライエッチングを行い、前記第２の貫通部分及び前記下層有機絶縁膜を貫通する第３の貫通部分を有する第２のホールを形成するとともに、前記上層有機絶縁膜を除去する工程と、
を備え、
前記ドライエッチングの際、前記ドライエッチングが行われるチャンバー内における前記エッチングガスのレジデンスタイムが０．２５秒以上となる条件で前記上層有機絶縁膜の少なくとも一部を除去する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記上層有機絶縁膜は、前記下層有機絶縁膜よりも厚く形成される
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記下層有機絶縁膜に用いる第１の有機絶縁膜及び前記上層有機絶縁膜に用いる第２の有機絶縁膜をそれぞれ単独で平坦面上に形成した場合には、前記エッチングガスによる前記第１の有機絶縁膜のエッチングレートは、前記エッチングガスによる前記第２の有機絶縁膜のエッチングレートよりも大きい
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第２のホールのアスペクト比は３以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ドライエッチングの際、前記第３の貫通部分によって前記下地領域が露出する前に、前記上層有機絶縁膜全体が除去される
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造工程では、層間絶縁膜となる有機絶縁膜と無機絶縁膜の積層膜に対してホールを形成する場合がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、下地領域上に下層有機絶縁膜、無機絶縁膜及び上層有機絶縁膜を順次形成し、上層有機絶縁膜をマスクとして用いて、無機絶縁膜及び下層有機絶縁膜にホールパターンを形成する場合を考える。このような場合、上層有機絶縁膜と下層有機絶縁膜とのエッチング選択比を制御することが難しく、下層有機絶縁膜が過剰にオーバーエッチングされてしまうといった問題がある。その結果、所望の形状を有するホールを形成することが困難となる。
【０００４】
このように、有機絶縁膜と無機絶縁膜の積層膜に対してホールパターンを形成する場合、エッチングレートを制御することが難しく、所望の形状を有するホールを的確に形成することが困難であった。
【特許文献１】特開２００３−４５９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、所望の形状を有するホールを的確に形成することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一視点に係る半導体装置の製造方法は、下地領域上に、下層有機絶縁膜を形成する工程と、前記下層有機絶縁膜上に無機絶縁膜を形成する工程と、前記無機絶縁膜上に上層有機絶縁膜を形成する工程と、前記上層有機絶縁膜を貫通する第１の貫通部分及び前記無機絶縁膜を貫通する第２の貫通部分を有する第１のホールを形成する工程と、酸素ガス及び窒素ガスの少なくとも一方を含んだエッチングガスを用いて前記上層有機絶縁膜及び前記第１のホール下の下層有機絶縁膜に対してドライエッチングを行い、前記第２の貫通部分及び前記下層有機絶縁膜を貫通する第３の貫通部分を有する第２のホールを形成するとともに、前記上層有機絶縁膜を除去する工程と、を備え、前記ドライエッチングの際、前記ドライエッチングが行われるチャンバー内における前記エッチングガスのレジデンスタイムが０．２５秒以上となる条件で前記上層有機絶縁膜の少なくとも一部を除去する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、チャンバー内におけるエッチングガスのレジデンスタイムが０．２５秒以上となる条件でドライエッチングを行うことにより、所望の形状を有するホールを的確に形成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【０００９】
図１〜図５は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。
【００１０】
まず、図１に示すように、半導体基板上に所望の構造が形成された下地領域１１上に、塗布法によって厚さ８０ｎｍ程度の下層有機絶縁膜１２を形成する。続いて、下層有機絶縁膜１２上に、無機絶縁膜１３として厚さ２６０ｎｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）を、ＣＶＤ法によって形成する。続いて、無機絶縁膜１３上に、塗布法によって、厚さ３００ｎｍ程度の上層有機絶縁膜１４を形成する。続いて、上層有機絶縁膜１４上に、厚さ１１０ｎｍ程度のＳＯＧ（spin on glass）膜１５を形成する。さらに、通常のフォトリソグラフィによって、ＳＯＧ膜１５上に、ホールパターン２１を有するレジストパターン１６を形成する。レジストパターン１６には、例えばＡｒＦ光（波長１９３ｎｍ）用のフォトレジストを用いる。
【００１１】
次に、図２に示すように、レジストパターン１６をマスクとして用い、ドライエッチング法によってＳＯＧ膜１５をエッチングする。さらに、エッチングされたＳＯＧ膜１５をマスクとして用い、ドライエッチング法によって上層有機絶縁膜１４をエッチングする。この工程により、ＳＯＧ膜１５及び上層有機絶縁膜１４に、無機絶縁膜１３の表面に達するホール２２が形成される。
【００１２】
次に、図３に示すように、ホール２２が形成されたＳＯＧ膜１５及び上層有機絶縁膜１４をマスクとして用い、ドライエッチング法によって、無機絶縁膜１３をエッチングする。ＳＯＧ膜１５はエッチングの途中でなくなり、その後は上層有機絶縁膜１４がエッチングマスクとして機能する。この工程により、上層有機絶縁膜１４及び無機絶縁膜１３に下層有機絶縁膜１２の表面に達するホール（第１のホール）２３が形成される。すなわち、上層有機絶縁膜１４を貫通する部分（第１の貫通部分）及び無機絶縁膜１３を貫通する部分（第２の貫通部分）を有するホール２３が形成される。この工程において、上層有機絶縁膜１４の上部分がエッチングされ、上層有機絶縁膜１４の厚さは２５０ｎｍ程度となる。また、このときに得られるホール２３の直径は、９０ｎｍ程度である。
【００１３】
次に、図４及び図５に示すように、ホール２３が形成された上層有機絶縁膜１４及び無機絶縁膜１３をマスクとして用い、ドライエッチング法によってホール２３下の下層有機絶縁膜１２をエッチングする。このドライエッチングにより、無機絶縁膜１３及び下層有機絶縁膜１２に下地領域１１の表面に達するホール（第２のホール）２５が形成される。すなわち、無機絶縁膜１３を貫通する部分（第２の貫通部分）及び下層有機絶縁膜１２を貫通する部分（第３の貫通部分）を有するホール２５が形成される。また、このドライエッチングにより、上層有機絶縁膜１４が除去される。エッチングガスには、酸素ガス（Ｏ2 ガス）及び窒素ガス（Ｎ2 ガス）の混合ガスを用いる。なお、形成されたホール２５内には、金属等の導電物（図示せず）が埋められる。以下、図４及び図５に示したエッチング工程の詳細を説明する。
【００１４】
図１〜図５に示したような工程によってホール２５を形成する場合、通常は、マスクとなる上層有機絶縁膜１４は、層間絶縁膜となる下層有機絶縁膜１２よりも厚く形成される。図３の工程が終了した段階においても、すでに述べたように、下層有機絶縁膜１２の厚さは８０ｎｍ程度、上層有機絶縁膜１４の厚さは２５０ｎｍ程度であり、上層有機絶縁膜１４は下層有機絶縁膜１２よりも厚くなっている。
【００１５】
また、通常、上層有機絶縁膜１４には、炭素を主成分とする一般的な有機絶縁膜が用いられる。これに対し、下層有機絶縁膜１２には、通常、比誘電率が３．３以下程度の有機絶縁膜を用いることができ、さらなる層間絶縁膜の低誘電率化のため、密度を低くしたポーラスな有機絶縁膜も多用される傾向にある。ここで、下層有機絶縁膜１２と上層有機絶縁膜１４とのエッチングレート（図４及び図５の工程で用いるエッチングガスに対するエッチングレート）を比べると、通常の状態では、下層有機絶縁膜１２に用いる有機絶縁膜（第１の有機絶縁膜）のエッチングレートの方が、上層有機絶縁膜１４に用いる有機絶縁膜（第２の有機絶縁膜）のエッチングレートよりも大きい。すなわち、第１の有機絶縁膜を単独で平坦面上に形成した場合のエッチングレートの方が、第２の有機絶縁膜を単独で平坦面上に形成した場合のエッチングレートよりも大きい。さらに、下層有機絶縁膜１２に密度が小さいポーラスな膜が用いられると、このようなエッチングレートの大小関係は特に顕著となる。
【００１６】
したがって、図４及び図５の工程でエッチングを行う場合、通常のエッチング条件でエッチングを行うと、上層有機絶縁膜１４が完全に除去される段階よりもかなり前の段階で、下地領域１１の表面が露出してしまう。そのため、下地領域１１の表面が露出した後は、下層有機絶縁膜１２が過剰にオーバーエッチングされてしまう。その結果、下層有機絶縁膜１２のサイドエッチングが進行し、垂直な所望の形状を有するホール２５を形成することが困難となる。
【００１７】
本実施形態では、チャンバー内におけるエッチングガスのレジデンスタイムが０．２５秒以上となる条件で、上述したドライエッチングを行う。レジデンスタイムは、チャンバーの容積及びチャンバー内の圧力に比例し、エッチングガスの流量に反比例する。チャンバーの容積をＶ（リットル）、チャンバー内の圧力をＰ（Torr）、エッチングガスの流量をＦ（sccm）とすると、レジデンスタイムＴ（秒）は、
Ｔ＝（Ｖ×Ｐ）／（１．２７×１０-2×Ｆ）                  （１）
と表される。チャンバーの容積Ｖは予めわかっており、チャンバー内の圧力Ｐ及びエッチングガスの流量Ｆも、それぞれ圧力計及び流量計によって容易に測定することができる。したがって、式（１）により、レジデンスタイムＴを算出することができる。
【００１８】
上記のように、レジデンスタイムが０．２５秒以上となる条件でドライエッチングを行う、すなわち通常よりもレジデンスタイムが長い条件でドライエッチングを行うことにより、上述したような問題を回避することが可能である。
【００１９】
レジデンスタイムを長くすると、チャンバー内にガスがとどまりやすくなるため、図３及び図４に示したホール２３及び２４内にもガスがとどまりやすくなる。そのため、ホール２３及び２４内へエッチングガスを供給し難くなり、また、エッチングによって生成されたガスをホール２３及び２４外へ排出し難くなる。そのため、下層有機絶縁膜１２がエッチングされ難くなり、下層有機絶縁膜１２のエッチングレートを大幅に下げることができる。その結果、図３の段階から図５の段階に至る過程において、上層有機絶縁膜１４のエッチングレートを下層有機絶縁膜１２のエッチングレートよりも十分に大きくすることができ、下地領域１１の表面が露出するよりも前に、上層有機絶縁膜１４全体を完全に除去することが可能である。したがって、下層有機絶縁膜１２が過剰にオーバーエッチングされるという上述した問題を回避することができ、垂直な所望の形状を有するホール２５を的確に形成することが可能となる。
【００２０】
なお、上層有機絶縁膜１４全体が除去された後、下地領域１１の表面が露出するまで引き続いての下層有機絶縁膜１２のドライエッチングを行う際は、エッチングガスのレジデンスタイムを特に０．２５以上に設定する必要はない。さらに、エッチングガスのレジデンスタイムが０．２５以上となる条件で、上層有機絶縁膜１４の厚さが十分薄くなるまでドライエッチングが行われれば、以降のドライエッチングはエッチングガスのレジデンスタイムが０．２５以上となる条件で行われなくてもよく、必ずしも上層有機絶縁膜１４の全部をエッチングガスのレジデンスタイムが０．２５以上となる条件でエッチングしなくてもよい。
【００２１】
図６は、レジデンスタイムに対するエッチングレート（下層有機絶縁膜１２及び上層有機絶縁膜１４のエッチングレート）及びエッチング選択比（上層有機絶縁膜１４のエッチングレート／下層有機絶縁膜１２のエッチングレート）の測定結果を示したものである。このとき、下層有機絶縁膜１２にはＳｉＬＫ（ダウケミカル社製）、上層有機絶縁膜１４には塗布型炭素膜をそれぞれ用い、図３と同様のものを測定試料とした。すなわち、下層有機絶縁膜１２の厚さは８０ｎｍ程度、無機絶縁膜１３の厚さは２６０ｎｍ程度、上層有機絶縁膜１４の厚さは２５０ｎｍ程度、ホール２３の直径は９０ｎｍ程度である。これらの寸法は、一般的に用いられている典型的な値である。各試料のレジデンスタイムはそれぞれ、０．１２５秒、０．２５秒及び０．５秒に設定している。
【００２２】
ドライエッチングの条件は、チャンバー内の圧力を５０ｍＴｏｒｒ、チャンバーの電極に供給される高周波電力を３００Ｗとし、エッチング時間は３分とした。エッチングガスの流量は、レジデンスタイムを０．１２５秒に設定した試料ではＯ2／Ｎ2＝２０ｓｃｃｍ／４００ｓｃｃｍ、レジデンスタイムを０．２５秒に設定した試料ではＯ2／Ｎ2＝１０ｓｃｃｍ／２００ｓｃｃｍ、レジデンスタイムを０．５秒に設定した試料ではＯ2／Ｎ2＝５ｓｃｃｍ／１００ｓｃｃｍとした。すなわち、エッチングガスの流量を変えることで、レジデンスタイムを変えるようにしている。３分間のドライエッチングでは、いずれの試料もエッチング工程は完了しておらず、図４に示すような形状が得られる。
【００２３】
３分間のドライエッチングを行った後、各試料の測定を行った。その結果、レジデンスタイムが０．１２５秒の試料では、
上層有機絶縁膜１４のエッチング量  ：  １３３ｎｍ
上層有機絶縁膜１４の平均エッチングレート  ：  ４４．３ｎｍ／分
下層有機絶縁膜１２のエッチング量  ：  ７２ｎｍ
下層有機絶縁膜１２の平均エッチングレート  ：  ２４ｎｍ／分
エッチング選択比  ：  １．８５
であった。
【００２４】
レジデンスタイムが０．２５秒の試料では、
上層有機絶縁膜１４のエッチング量  ：  １８０ｎｍ
上層有機絶縁膜１４の平均エッチングレート  ：  ６０ｎｍ／分
下層有機絶縁膜１２のエッチング量  ：  ４２ｎｍ
下層有機絶縁膜１２の平均エッチングレート  ：  １４ｎｍ／分
エッチング選択比  ：  ４．２９
であった。
【００２５】
レジデンスタイムが０．５秒の試料では、
上層有機絶縁膜１４のエッチング量  ：  １５１ｎｍ
上層有機絶縁膜１４の平均エッチングレート  ：  ５０．３ｎｍ／分
下層有機絶縁膜１２のエッチング量  ：  ４０ｎｍ
下層有機絶縁膜１２の平均エッチングレート  ：  １３．３ｎｍ／分
エッチング選択比  ：  ３．７８
であった。
【００２６】
上記の測定結果が、図６に示されている。図６からわかるように、レジデンスタイムを０．１２５秒に設定した試料では、エッチング選択比が１．８５であるのに対して、レジデンスタイムを０．２５秒及び０．５秒に設定した試料では、エッチング選択比がそれぞれ４．２９及び３．７８であり、エッチング選択比（上層有機絶縁膜１４のエッチングレート／下層有機絶縁膜１２のエッチングレート）が格段に増加している。したがって、レジデンスタイムを０．２５秒以上に設定することにより、下層有機絶縁膜１２に対して上層有機絶縁膜１４を高エッチング選択比でエッチングすることができる。その結果、下層有機絶縁膜１２に貫通部分が形成されて、下地領域１１の表面が露出するよりも前に、上層有機絶縁膜１４全体を完全に除去することが可能となる。したがって、下層有機絶縁膜１２が過剰にオーバーエッチングされることなく、垂直な所望の形状を有するホール２５を形成することが可能となる。
【００２７】
図７は、上述したレジデンスタイムが０．２５秒の試料について、エッチング時間とエッチング量（下層有機絶縁膜１２及び上層有機絶縁膜１４のエッチング量）との関係を示した図である。
【００２８】
図７からわかるように、下層有機絶縁膜１２は、エッチング時間が１．５分程度まではほとんどエッチングされておらず、エッチング時間が３分経過した段階でようやく４０ｎｍ程度エッチングされている。これは、エッチング時間が短い間は、上層有機絶縁膜１４の残膜厚が厚いため、下層有機絶縁膜１２へのエッチングガスの供給及びエッチングによって生成されたガスの排出が困難であるためと考えられる。したがって、図７の結果から、少なくともエッチング時間が３分程度までは、下層有機絶縁膜１２に対して上層有機絶縁膜１４を高エッチング選択比でエッチングできることがわかる。
【００２９】
すでに述べたように、エッチング時間が３分のときの試料は、図４に示したような形状を有している。無機絶縁膜１３の厚さは２６０ｎｍ程度、下層有機絶縁膜１２のエッチング量は４０ｎｍ程度、ホール２４（無機絶縁膜１３及び下層有機絶縁膜１２に形成されたホール）の直径は９０ｎｍ程度であることから、エッチング時間が３分のときのホール２４のアスペクト比は概ね３程度（（２６０＋４０）／９０）である。すなわち、アスペクト比が３程度であっても、レジデンスタイムを０．２５秒以上とすることで、十分なエッチング選択比が得られることがわかる。すでに述べたことから明らかなように、アスペクト比が大きくなるほど、エッチング選択比は増大する。したがって、少なくともアスペクト比が３以上のホールを形成する場合であれば、レジデンスタイムを０．２５秒以上に設定することにより、十分なエッチング選択比でエッチングを行うことができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態によれば、チャンバー内におけるエッチングガスのレジデンスタイムが０．２５秒以上となる条件でドライエッチングを行うことにより、下層有機絶縁膜１２に対して上層有機絶縁膜１４を高エッチング選択比でエッチングすることができる。したがって、下層有機絶縁膜１２及び無機絶縁膜１３にホール２５を形成する際に、下層有機絶縁膜１２を過剰にオーバーエッチングすることなく、垂直な所望の形状を有するホール２５を的確に形成することが可能となる。
【００３１】
なお、上述した実施形態では、図４及び図５の工程でドライエッチングを行う際に、エッチングガスとして酸素ガス（Ｏ2 ガス）及び窒素ガス（Ｎ2 ガス）を含んだガスを用いたが、酸素ガス及び窒素ガスの少なくとも一方を含んだエッチングガスを用いるようにしてもよい。
【００３２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図６】レジデンスタイムとエッチングレート及びエッチング選択比との関係を示した図である。
【図７】エッチング時間とエッチング量との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１…下地領域      １２…下層有機絶縁膜
１３…無機絶縁膜      １４…上層有機絶縁膜
１５…ＳＯＧ膜      １６…レジストパターン
２１…ホールパターン      ２２〜２５…ホール
【図１】
2006351862.tif 000003
【図２】
2006351862.tif 000004
【図３】
2006351862.tif 000005
【図４】
2006351862.tif 000006
【図５】
2006351862.tif 000007
【図６】
2006351862.tif 000008
【図７】
2006351862.tif 000009