(57)【要約】【課題】コンタクトホールにおける開口部の歪みやＴｗｉｓｔｉｎｇを発生させずに、超微細に深穴コンタクトを形成する半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体装置の製造方法は、（ａ）Ｘｅガスを含む第１エッチングガスを用いたドライエッチングにより、酸化シリコンを含む絶縁層３内の上部にコンタクトホール（６）を形成する工程と、（ｂ）Ｘｅガスを含まない第２エッチングガスを用いたドライエッチングにより、絶縁層３内でコンタクトホール７をより深くする工程とを具備する。第１エッチングガスは、エッチングガスをＸｅガス又はＸｅガスとＡｒガスとの混合ガスで希釈したガスを含むことが好ましい。第２エッチングガスは、エッチングガスをＡｒガスで希釈したガスを含むことが好ましい。エッチングガスは、フロロカーボンガスとＯ２ガスとの混合ガスを含むことが好ましい。【選択図】図３
2008047810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）Ｘｅガスを含む第１エッチングガスを用いたドライエッチングにより、酸化シリコンを含む絶縁層内の上部にコンタクトホールを形成する工程と、
（ｂ）Ｘｅガスを含まない第２エッチングガスを用いたドライエッチングにより、前記絶縁層内で前記コンタクトホールをより深くする工程と
を具備する
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第１エッチングガスは、エッチングガスをＸｅガス又はＸｅガスとＡｒガスとの混合ガスで希釈したガスを含む
半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、
第２エッチングガスは、エッチングガスをＡｒガスで希釈したガスを含む
半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の半導体装置の製造方法において、
前記エッチングガスは、フロロカーボンガスとＯ２ガスとの混合ガスを含む
半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ａ）工程と前記（ｂ）工程とは、同一のドライエッチング用チャンバ内で行われる
半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ａ）工程と前記（ｂ）工程との間で前記第１エッチングガスを前記第２エッチングガスに変更するとき、ガス組成を連続的に変化させて行う
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し、特に絶縁層内に開口部を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＲＡＭのような半導体装置において、下層の配線層と上層の配線層とを接続するコンタクト用のコンタクトホールを形成する工程として、ドライエッチング工程が知られている。酸化シリコン膜にコンタクトホールを開口するドライエッチング工程の場合、垂直加工性と半導体ウェハ面内の均一性向上のため、希釈ガスとしてＡｒが使用されている。
【０００３】
ここで、近年のＤＲＡＭでは、コンタクトの直径が極微細となり、コンタクトが互いに極近接した密集状態で配置されるようになってきている。さらに、デバイスの特性維持のため深穴化による高アスペクト比化が進んでいる。図１は、従来技術により高アスペクト比のコンタクトホールを形成された半導体装置の断面図である。層間絶縁膜１０１、コンタクト１０２、層間絶縁膜１０３、マスク１０４、コンタクトホール１０８を示している。前述の状況における高アスペクト比のコンタクトホール１０８の形成では、ドライエッチング工程におけるエッチング時間が必然的に長くなり、またマスク１０４の膜厚を十分に厚く出来ないという制約がある。そのため、図に示すように、層間絶縁膜１０３（酸化シリコン膜）エッチング後のマスク１０４の残膜を十分に確保出来ず、コンタクトホール１０８の開口部が歪む現象が起こる。さらに、エッチング中にマスク１０４の断面形状が矩形を維持できずに段状になることやマスク１０４自体が歪むという現象が起き、開口部の歪みを助長する。
【０００４】
マスクの残膜の低下や歪みは、即、コンタクトホール同士のショートにつながり、歩留まりの低下を引き起こす。そのため、従来の有機膜を用いたフォトレジストを材料とするマスクから、よりマスク選択比の高いポリシリコン、さらには、剥離工程がポリシリコンより簡略化が可能なアモルファスカーボン等のハードマスクが導入されてきている。それと同時に非常に高価であるが、ドライエッチング時に発生するマスクの変形を劇的に改善することができるＸｅガスが導入されてきている。すなわち、希釈ガスとしてＸｅガス、またはＡｒ／Ｘｅの混合ガスを用いることで、マスクの歪み無くエッチングすることが可能である。
【０００５】
しかし、９０ｎｍ世代以降の超微細・高アスペクト構造では、それらを単独に使用しているだけでは、高歩留まりで安定的に加工するのが困難になってきている。それは、今までにないＴｗｉｓｔｉｎｇと呼ばれる現象が起きることが顕在化してきたからである。図２は、他の従来技術により高アスペクト比のコンタクトホールを形成された半導体装置の断面図である。層間絶縁膜１０１、コンタクト１０２、層間絶縁膜１０３、マスク１０４、コンタクトホール１０９を示している。図に示すように、コンタクトホール１０９自体が垂直に加工できず曲がってしまうＴｗｉｓｔｉｎｇと呼ばれる現象が起きている。このＴｗｉｓｔｉｎｇが起きると、下層のコンタクト１０２と上層の配線層との導通が不良になってしまう。このＴｗｉｓｔｉｎｇは、コンタクトホール１０９の深い所で発生し易く、ＡｒガスよりＸｅガスを使用したときの方が発生しやすい。
【０００６】
すなわち、希釈ガスとしてＡｒガスのみを用いた場合、開口部の歪みに起因するコンタクトホール同士のショートが発生してしまう。それを改善するためにＸｅを含んだ希釈ガスのみを用いた場合、Ｔｗｉｓｔｉｎｇを発生してしまう。このように、近年の高アスペクト比の微細密集コンタクトホールの加工は非常に困難になってきている。開口部の歪みやＴｗｉｓｔｉｎｇを発生させない超微細深穴コンタクト形成技術が望まれる。
【０００７】
関連する技術として特開平１０−９８０２１号公報に半導体装置の製造方法が開示されている。この半導体装置の製造方法は、一般式がＣｍＦｎ（ただしｍ、ｎは原子数を示す自然数であり、ｍ≧２、ｎ≦２ｍの条件を満足する。）で表されるフルオロカーボン化合物と、酸素と不活性ガスを含むエッチングガスを用いてシリコン化合物層をエッチングすることを特徴とする。すなわち、この方法では、エッチングの途中で、Ａｒ等の希ガス量を前ステップより減じることを特徴としている。下地へのダメージを減らすことが目的である。しかし、前ステップよりＡｒ等の希ガスを減じる方法では、マスクの歪みを抑制することは出来ない。そのため、開口部の歪みを改善出来ない。また、深穴部でのＴｗｉｓｔｉｎｇを回避することは出来ない。
【０００８】
関連する技術として特開２００２−３０５１７１号公報にシリコン系基板の表面処理方法が開示されている。このシリコン系基板の表面処理方法は、シリコン系基板の処理対象面のエッチング処理をプラズマ処理によって行う方法である。前記処理対象面に微細な凹凸を形成する第１のプラズマエッチング工程と、第１のプラズマエッチング工程後にフッ素系ガスを含むプラズマ発生用ガスを用いたプラズマ処理によって処理対象面を更にエッチングすることにより均一な白濁状のエッチング面を得る第２のプラズマエッチング工程とを含むことを特徴とする。すなわち、この方法では、Ａｒ等の希ガスのみを用いた第1ステップとＣＦ４やＳＦ６等のフッ素を含むガスのみを用いることが特徴である。希ガスのみを用いたエッチングでは、対マスク選択比を高い状態に維持出来ず、マスクのエッチレートが速くなる。また、ＣＦ４やＳＦ６のみを用いたエッチングは、垂直に加工できないため、高アスペクトの加工には適さない。
【０００９】
関連する技術として、特開２００２−１１０６４７号公報に半導体集積回路装置の製造方法が開示されている。この半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板上に堆積された酸化シリコン系の絶縁膜に対して、フロロカーボン系のガスおよび酸素を有するエッチングガスを用いプラズマエッチング処理を施すことにより、前記酸化シリコン系の絶縁膜を選択的にエッチング加工する。その際に、第１，第２のステップを順に行う工程を有する。前記第１ステップでは、ポリマー層のデポジション性が前記第２ステップ時よりも弱い条件でエッチング処理を行い、続く第２ステップでは、ポリマー層のデポジション性が前記第１ステップ時よりも強い条件に切り換えてエッチング処理を行うことを特徴とする。すなわち、この方法では、デポジション性の低い第１ステップとそれに連続し第1ステップよりデポジション性の低い第２ステップにより構成されていることが特徴である。この方法では、酸化シリコンのエッチング時にマスクの歪み形成を抑制出来ないため、開口部の歪みを改善出来ない。
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−９８０２１号公報
【特許文献２】特開２００２−３０５１７１号公報
【特許文献３】特開２００２−１１０６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、コンタクトホールにおける開口部の歪みやＴｗｉｓｔｉｎｇを発生させずに、超微細に深穴コンタクトを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である。
【００１２】
また、本発明の他の目的は、コンタクトホール形成に伴う歩留まりの低下を抑制し、信頼性の高い半導体装置を製造可能な半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、（ａ）Ｘｅガスを含む第１エッチングガスを用いたドライエッチングにより、酸化シリコンを含む絶縁層（３）内の上部にコンタクトホール（６）を形成する工程と、（ｂ）Ｘｅガスを含まない第２エッチングガスを用いたドライエッチングにより、絶縁層（３）内でコンタクトホール（７）をより深くする工程とを具備する。
本発明では、酸化シリコンを含む層に深穴コンタクトを形成するとき、（ａ）工程において、Ｘｅガスを含む第１エッチングガスを用いてドライエッチングを行う。Ｘｅガスを添加することにより、コンタクトホール形成用のマスク表面に段差が発生せず、マスク表面がスムーズな状態でエッチングを行うことが出来る。それにより、コンタクトホール開口部の歪みを防止できる。次に、（ｂ）工程において、Ｘｅを含まない第２エッチングガスを用いている。Ｘｅガスを添加しないことにより、コンタクトホールをより深く形成したときでも、Ｔｗｉｓｔｉｎｇと呼ばれるコンタクトホールの曲がりを回避することが出来る。このように、エッチングの前半と後半とでエッチングガスの種類を変えることで、コンタクトホールにおける開口部の歪みとＴｗｉｓｔｉｎｇとを抑制し、高アスペクト比のコンタクトホールを形成するこことが可能となる。
【００１５】
上記の半導体装置の製造方法において、第１エッチングガスは、エッチングガスをＸｅガス又はＸｅガスとＡｒガスとの混合ガスで希釈したガスを含むことが好ましい。
本発明では、このようなガスを用いることで、コンタクトホール形成用のマスク表面に段差が発生せず、マスク表面がスムーズな状態でエッチングを行うことが出来る。
【００１６】
上記の半導体装置の製造方法において、第２エッチングガスは、エッチングガスをＡｒガスで希釈したガスを含むことが好ましい。
本発明では、コンタクトホールをより深く形成したときでも、Ｔｗｉｓｔｉｎｇと呼ばれるコンタクトホールの曲がりを回避することが出来る。
【００１７】
上記の半導体装置の製造方法において、エッチングガスは、フロロカーボンガスとＯ２ガスとの混合ガスを含むことが好ましい。
本発明において、フルオロカーボンガスは、Ｃ４Ｆ８，Ｃ５Ｆ８，Ｃ４Ｆ６のそれぞれ単独、これらの二種類以上を組み合わせた混合ガス例示される。
【００１８】
上記の半導体装置の製造方法において、（ａ）工程と（ｂ）工程とは、同一のドライエッチング用チャンバ内で行われることが好ましい。
本発明において、二つの工程を有するドライエッチングを同一チャンバ内で行うことで、エッチング工程の時間延長を抑制することが出来る。
【００１９】
上記の半導体装置の製造方法において、（ａ）工程と（ｂ）工程との間で第１エッチングガスを第２エッチングガスに変更するとき、ガス組成を連続的に変化させて行うことが好ましい。
本発明において、二つの工程におけるガス組成の変化を連続的に行うことで、エッチング工程間の移行をスムーズに行うことが出来る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、コンタクトホールにおける開口部の歪みやＴｗｉｓｔｉｎｇを発生させずに、超微細に深穴コンタクトを形成することができる。そして、コンタクトホール形成に伴う歩留まりの低下を抑制し、信頼性の高い半導体装置を製造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】
【００２１】
以下、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。図３〜図６は、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態における各工程での半導体装置を示す断面図である。
【００２２】
図３の工程での半導体装置は、層間絶縁膜１、コンタクト２、及び層間絶縁膜３を備え、層間絶縁膜３上にマスク４及びマスク加工用絶縁膜５が形成されている。すなわち、図３は、この半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜１を成膜する工程、層間絶縁膜１内にコンタクト２を形成する工程、層間絶縁膜３を成膜する工程、及び層間絶縁膜３にコンタクトホールを形成するためのマスク４及びマスク加工用絶縁膜５を形成する工程が実施された状態を示している。これらの工程は、従来知られた方法で実施することが出来る。
【００２３】
コンタクト２は、層間絶縁膜１内に埋設されている。コンタクト２は、層間絶縁膜１より下部の基板上の半導体回路（図示されず）と層間絶縁層３に形成予定のコンタクト（図示されず）とを接続する。層間絶縁膜３は、層間絶縁膜１及びコンタクト２の表面を覆うように設けられている。マスク４及びマスク加工用絶縁膜５は、層間絶縁膜３上に設けられている。マスク４及びマスク加工用絶縁膜５には、層間絶縁膜３内にコンタクトホール（６、７：後述）を形成するためのパターンが形成されている。そのコンタクトホール内に形成予定のコンタクト（図示されず）は、コンタクト２と層間絶縁膜３より上部の配線層とを接続する。
【００２４】
ここで、典型的には、層間絶縁膜１の膜厚は７００ｎｍ、コンタクト２の直径は１００ｎｍ、層間絶縁膜３の膜厚は３μｍ、マスク４の膜厚は８００ｎｍ、マスク４の材質はアモルファスカーボン、マスク加工用絶縁膜５の膜厚は８０ｎｍ、マスク加工用絶縁膜５の材質は酸化シリコンと酸窒化シリコンの積層、マスク４及びマスク加工用絶縁膜５における加工後のコンタクトホール用の穴径は１５０ｎｍである。すなわち、コンタクトホール（６、７）の直径は、概ね１５０ｎｍである。
【００２５】
図３の状態において、コンタクト２と層間絶縁膜３の上層の配線層とを接続するコンタクト（以下、「第１コンタクト」（図示されず）が必要である。すなわち、第１コンタクトは、層間絶縁層３を貫通する。その第１コンタクトは、マスク４の形通りに直下のコンタクト２にのみ接続し、それ以外のコンタクト２（例示：隣のコンタクト２）とは接触してはならないことが要求される。加えて、その第１コンタクトは、互いに接触してはならないことが要求される。
【００２６】
図３の状態の半導体装置に対して、第１ドライエッチング工程を実行する。ドライエッチング装置としては、上部のグラウンド電極と半導体ウェハが乗る下部電極とにＲＦ電力を印加する２周波ＲＩＥ装置を使用する。ここでは、エッチングガスとして、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｏ２、Ａｒ、Ｘｅを用いている。それぞれのガス流量は、例えば、Ｃ４Ｆ６＝５ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８＝２０ｓｃｃｍ、Ｏ２＝１６ｓｃｃｍ、Ａｒ＝１１０ｓｃｃｍ、Ｘｅ＝１１０ｓｃｃｍである。また、典型的には、エッチングの圧力は３０ｍＴｏｒｒであり、下部電極に印加する２周波ＲＦ電力はそれぞれ２０００Ｗ及び３０００Ｗであり、エッチング時間は２分である。第１ドライエッチング工程の終了後、マスク４の形状は、スムーズで段差の無い形状が要求される。第１ドライエッチング工程により形成されるコンタクトホール６の深さは、Ｔｗｉｓｔｉｎｇが発生する深さより浅くなくてはならない。Ｔｗｉｓｔｉｎｇが発生する深さは、例えば、１．４μｍ以上の深さである。ここでは、第１ドライエッチング工程により形成されるコンタクトホール６の深さとして、Ｔｗｉｓｔｉｎｇが発生する深さよりも浅い約１．２μｍを使用した。第１ドライエッチング工程後の半導体装置の状態を示したのが図４である。
【００２７】
図４において、第１ドライエッチング工程により形成されるコンタクトホール６が、３μｍの膜厚を有する層間絶縁膜３の上側の表面から約１．２μｍの深さで形成されている。この深さでは、Ｔｗｉｓｔｉｎｇは発生することはない。また、第１ドライエッチング工程により、マスク加工用絶縁膜５がエッチングされるが、Ｘｅ含有ガスを用いているので、マスク４表面に段差が発生せず、マスク４表面がスムーズな状態でエッチングを行うことが出来る。それにより、コンタクトホール６開口部の歪みを防止できる。
【００２８】
図４の状態の半導体装置に対して、第２ドライエッチング工程を実行する。第２ドライエッチング工程は、同じドライエッチング装置の同一チャンバ内で行われることが好ましい。同一チャンバ内で行うことで、エッチング工程の時間延長を抑制することが出来る。ここでは、エッチングガスとして、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｏ２、Ａｒを用いている。Ｘｅガスは使用しない。それぞれのガス流量は、例えば、Ｃ４Ｆ６＝１０ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８＝１５ｓｃｃｍ、Ｏ２＝１７ｓｃｃｍ、Ａｒ＝１６０ｓｃｃｍである。また、典型的には、エッチングの圧力＝３０ｍＴｏｒｒであり、下部電極に印加する２周波ＲＦ電力はそれぞれ２０００Ｗ、２５００Ｗであり、エッチング時間は４分３０秒である。これにより、コンタクトホール６が更にドライエッチングされて、コンタクトホール６をより深くしたコンタクトホール７が形成される。コンタクトホール７は、層間絶縁膜３を貫通して、コンタクト２の上部表面に達している。この状態を示したのが図５である。
【００２９】
図５において、希釈ガスとしてＡｒガスのみを使用しているので、マスク４に段が形成される。しかし、本発明では希釈ガスとしてＡｒガスのみを使用する時間（第２ドライエッチング工程の時間）が従来の場合よりも短時間なので、第２ドライエッチング工程の終了までマスク４を確実に残すことが出来る。したがって、マスク４に段が形成されても、コンタクトホール４の開口径の過剰な広がりを防止することが出来る。また、希釈ガスとしてＡｒガスのみを使用しているので、コンタクトホール７の深さが深いにもかかわらず、Ｔｗｉｓｔｉｎｇの発生を防止することが出来る。ここで、第１ドライエッチング工程と第２ドライエッチング工程とを続けて行い、両工程間に関係のない他の工程を含まないようにすることが好ましい。それにより、より確実に前述の効果を得ることが出来ると共に、コンタクトホールの形状をスムースにすることが出来る。
【００３０】
図５の状態の半導体装置に対して、マスク４を除去する。この状態を示したのが図６である。図６の状態において、従来知られた方法により、コンタクトホール７内に第１コンタクト（図示されず）を形成する。
【００３１】
このような工程により、半導体装置の製造工程において、層間絶縁膜３中に、直径が極微細の深穴コンタクトを、互いに極近接した密集状態で配置された状態においても形成することが出来る。すなわち、第１エッチング工程で段形成のようなマスク４の変形を防止し、第２エッチング工程でＴｗｉｓｔｉｎｇを抑制することが出来る。それにより、第１コンタクト同士のショート（コンタクトホール７同士の接触）の抑制と、コンタクトホール７に形成される第１コンタクトとコンタクト２との確実な接触が可能となる。
【００３２】
なお、ここで、極微細の直径とは、約２００ｎｍ以下の直径である。また、深穴とは、深さが約２μｍ以上の穴である。互いに極近接した密集状態とは、直径程度（約２００ｎｍ以下）の距離で互いに近接している場合である。このような状態のコンタクトを形成する場合、本発明は、特に、よりその効果を発揮することが出来る。
【００３３】
また、第１、第２ドライエッチング工程により使用されるフルオロカーボンガスとしては、上記例だけではなく、Ｃ４Ｆ８，Ｃ５Ｆ８，Ｃ４Ｆ６のそれぞれ単独、これらの二種類以上を組み合わせた混合ガスであっても良い。更に、他のフルオロカーボンガスを用いることも可能である。
【００３４】
また、第１ドライエッチング工程により使用されるＸｅガスは、ＸｅガスとＡｒガスとの混合ガスであっても良い。それにより、コストを削減することが出来る。また、それらに更に本ドライエッチングに対して不活性なガスを混合したガスであっても良い。
【００３５】
更に、第１、第２ドライエッチング工程との間で、エッチングガスをＣ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｏ２、Ａｒ、Ｘｅから、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｏ２、Ａｒに変更するとき、以下のように行っても良い。すなわち、その変更期間において、各ガスの流量を連続的に変化させることで、エッチングガスのガス組成を連続的に変化させても良い。二つの工程におけるガス組成の変化を連続的に行うことで、エッチング工程間の移行をスムーズに行うことが出来る。
【００３６】
上記ドライエッチング工程において、Ａｒガスだけ又はＸｅガスだけを用い、ガス流量の変更だけで対応しようとしても、開口部の異常な変形抑制とＴｗｉｓｔｉｎｇ抑制の両立は不可能である。本発明では、マスク４の変形を抑制するＸｅガスを含む第１エッチング工程とＴｗｉｓｔｉｎｇを抑制する第２エッチング工程とを連続して処理することで、コンタクトホール７開口部の異常な変形と、それに伴う第１コンタクト同士の接触抑制と、コンタクト２と第１コンタクトとの確実な接触が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、従来技術により高アスペクト比のコンタクトホールを形成された半導体装置の断面図である。
【図２】図２は、他の従来技術により高アスペクト比のコンタクトホールを形成された半導体装置の断面図である。
【図３】図３は、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態における一工程での半導体装置を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態における一工程での半導体装置を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態における一工程での半導体装置を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態における一工程での半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、１０１    層間絶縁膜
２、１０２    コンタクト
３、１０３    層間絶縁膜
４、１０４    マスク
５    マスク加工用絶縁膜
６    上部コンタクトホール
７、１０８、１０９    コンタクトホール
【図１】
2008047810.tif 000003
【図２】
2008047810.tif 000004
【図３】
2008047810.tif 000005
【図４】
2008047810.tif 000006
【図５】
2008047810.tif 000007
【図６】
2008047810.tif 000008