(57)【要約】【課題】コンタクトホールをドライエッチングする際に、エッチングが進行してアスペクト比が増加してもエッチストップが生じないコンタクトホールのエッチング方法を提供する。【解決手段】減圧可能なチャンバー内でシリコン基板１０上の絶縁膜１１をプラズマドライエッチング処理してコンタクトホール１３を形成する際に、前記チャンバー内（ａ点）の圧力を、形成されつつあるコンタクトホール１３の内部（ｂ，ｃ，ｄ，ｅ点）との圧力差が小さくなるように上昇させる。これによれば、コンタクトホール１３の内外の圧力差が小さいため反応生成物はガス流によって容易に排出され、エッチストップを引き起こす堆積物が溜まることはない。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
減圧可能なチャンバー内で半導体基板上の絶縁膜をプラズマドライエッチング処理してコンタクトホールを形成する際に、
前記絶縁膜のエッチングの進行に伴って、形成されつつあるコンタクトホールの内部との圧力差が小さくなるように前記チャンバー内の圧力を上昇させることを特徴とするコンタクトホールのエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上の絶縁膜に形成するコンタクトホールのエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路を構成する素子は、微細化に有利であるという理由からＭＯＳ電界効果トランジスタが主流となっている。一方、メタル多層配線はますます多層化の一途を辿っており、その配線材料は従来のアルミニウムから銅へ移行しつつあるとともに、絶縁膜に、より低誘電率の材料の導入が盛んになってきている。また、デバイスのデザインルールのさらなる微細化に伴ってコンタクトホール径も縮小され、絶縁膜の微細加工におけるアスペクト比も著しく大きくなってきている。微細で高アスペクト比を有するコンタクトホールを形成すると、多層配線部の集積度が高くなり、半導体デバイスのチップ面積の縮小が可能となる。それにより、単位面積当たりの半導体チップの採れ数も多くなり、コスト生産性を高めることになる。
【０００３】
多層配線の層間絶縁膜などに形成するコンタクトホールのドライエッチングには、平行平板型の反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）や誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ）に代表される高密度プラズマ装置が盛んに用いられている。また絶縁膜ドライエッチングガスには主に、ＣＨＦ３，ＣＦ４，Ｃ２Ｆ６，Ｃ４Ｆ８，Ｃ５Ｆ８等のフルオロカーボン系ガスが用いられている。
【０００４】
図４は、平行平板型の反応性イオンエッチング装置の概略構成を示す断面図である。図中、１はチャンバー、２は上部電極、３は上部電極に印加するための高周波電源（２７．１２ＭＨｚ）、４は上部電極に対向配置された下部電極、５は下部電極に印加するための高周波電源（１３．５６ＭＨｚ）、６は給気口、７は排気口、８は圧力計、９は下部電極４の上に設置された処理対象のウエハーである。
【０００５】
このようなエッチング装置においては、予め真空引きしたチャンバー１に給気口６を通じて反応性ガスを供給しつつ排気口７を通じて排気することにより、チャンバー１内を所望の圧力に調節する。そしてその状態で、高周波電源３，５より上部電極２，下部電極４にそれぞれ高周波電力を供給することにより、上部電極２，下部電極４の間にプラズマを発生させ、このプラズマガス中の電子やラジカルやイオンをウエハー９の表面に衝突させてドライエッチングを行なう。
【０００６】
この時のエッチング条件を表１に示す。Ｃ４Ｆ８＋Ａｒ＋Ｏ２の混合ガスをエッチングガスとし、上部電極２と下部電極４の両方にプラズマを発生可能な高周波電圧を印加するとともに、図示を省略した温度調節機構によって、上部電極２を２０゜Ｃ、下部電極４を０゜Ｃ、チャンバー１の側壁を６０゜Ｃに保持する。
【０００７】
【表１】
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図５は、上記した表１のエッチング条件におけるコンタクトホールのエッチングを説明する工程断面図である。
【０００８】
図５（ａ）　に示すように、エッチング前のウエハー９においては、シリコン基板１０の絶縁膜（酸化膜）１１の上にレジスト膜１２が形成されている。このウエハー９に対して上記エッチング条件で絶縁膜１１にコンタクトホールエッチングを施すと、図５（ｂ）　に示すように、レジスト膜１２の開口部１２ａに対応するコンタクトホール１３が次第に形成される。この時のエッチング特性は、エッチングレート６００ｎｍ／ｍｉｎで、その均一性は±３％となる。ところが、上記エッチング条件では、絶縁膜１１にシリコン基板１０に到達するように完全にコンタクトホールエッチングを施そうとしても、図５（ｃ）　に示すようにコンタクトホール１３の底にポリマー状堆積物１４が溜まり、エッチングが途中で停止してしまう。
【０００９】
これは、エッチングが進行するにつれてコンタクトホール１３のアスペクト比が増加し、それに伴なってコンタクトホール１３のコンダクタンスが低下してガスの流れが悪くなり、それによりコンタクトホール１３内の圧力が上昇して、コンタクトホール１３底部の圧力がエッチングガスの設定圧力よりも高い状態となるからである。そしてその結果、絶縁膜１１とエッチングガスとの反応で生じるフルオロカーボン系の反応生成物の排出が不充分となり、ポリマー状堆積物１４が溜まり、エッチストップを引き起こすのである。
【００１０】
このため、エッチングが途中でストップしないように、
１）フルオロカーボン系ガスにＡｒを添加することによりイオンエネルギーを高め、そのスパッタ成分によって堆積物１４を除去する、
２）フルオロカーボン系ガスにＯ２を添加し、このＯ２と反応させることによって堆積物１４を除去する、
等のエッチング方法が提案され実施されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したようなエッチストップ防止策をとっても、コンタクトホールのアスペクト比が増加した時にエッチストップが発生しているのが現状であり、いまなおエッチストップ防止が課題となっている。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するもので、エッチングが進行してコンタクトホールのアスペクト比が増加してもエッチストップが生じないコンタクトホールのエッチング方法を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、減圧可能なチャンバー内で半導体基板上の絶縁膜をプラズマドライエッチング処理してコンタクトホールを形成する際に、前記絶縁膜のエッチングの進行に伴って、形成されつつあるコンタクトホールの内部との圧力差が小さくなるように前記チャンバー内の圧力を上昇させることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、エッチングの進行につれてコンタクトホールのアスペクト比が増加してもコンタクトホールの内外の圧力差が小さいため、反応生成物はガス流によって容易に排出される。よって、エッチストップを引き起こす堆積物が溜まることはなく、所望のアスペクト比を有するコンタクトホールを良好に形成できる。
【００１５】
なおその際、チャンバー内の圧力は段階的に上昇させてもよいし連続的に上昇させてもよいが、形成されつつあるコンタクトホールの内部の圧力変化と実質的に等価になるように上昇させるのが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
この実施の形態１におけるコンタクトホールのエッチング方法は、先に図４を用いて説明した平行平板型の反応性イオンエッチング装置で実施するものとして、図４を援用して説明する。
【００１７】
予め真空引きしたチャンバー１に給気口６を通じて反応性ガスを供給しつつ排気口７を通じて排気することにより、チャンバー１内を所望の圧力に調節する。この時の圧力調節は、圧力計８でモニターしながら図示を省略した制御機構を介して行なう。そしてその状態で、高周波電源３，５より上部電極２，下部電極４にそれぞれ高周波電力を供給することにより、上部電極２，下部電極４の間にプラズマを発生させ、このプラズマガス中の電子やラジカルやイオンをウエハー９の表面に衝突させてドライエッチングを行なう。
【００１８】
この時のエッチング条件を表２に示す。従来と同様に、Ｃ４Ｆ８＋Ａｒ＋Ｏ２の混合ガスをエッチングガスとし、上部電極２と下部電極４の両方にプラズマを発生可能な高周波電圧を印加するとともに、図示を省略した温度調節機構によって、上部電極２を２０゜Ｃ、下部電極４を０゜Ｃ、チャンバー１の側壁を６０゜Ｃに保持する。
【００１９】
ただし、エッチングの進行に応じてチャンバー１内の設定圧力を段階的に上昇させる点が従来と相違する。その間、圧力以外の条件、たとえば高周波電力、ガス種、ガス流量、下部電極などの温度は、一定に制御する。
【００２０】
【表２】
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図１は、このようなエッチング条件におけるコンタクトホールのエッチングを説明する工程断面図である。
【００２１】
チェンバー１内を設定圧力５ｍ　Ｔｏｒｒに制御して、図１（ａ）　に示すように、シリコン基板１０の絶縁膜（酸化膜）１１上に形成されたレジスト膜１２の開口部１２ａの外部（ａ点）および内部（ｂ点）とも前記設定圧力になった状態で、ドライエッチングを開始する。
【００２２】
そして、図１（ｂ）　に示すように、絶縁膜１１の膜厚の１／３の点（Ｃ点）までエッチングが進行した時点で、つまり絶縁膜１１の膜厚とエッチング速度とに基き予め設定された所定時間の後に、チャンバー１内の設定圧力を１０ｍ　Ｔｏｒｒに変更し、その状態でさらにエッチングを続ける。
【００２３】
そして、図１（ｃ）　に示すように、絶縁膜１１の膜厚の２／３の点（ｄ点）までエッチングが進行した時点で設定圧力を１５ｍ　Ｔｏｒｒに変更し、その状態でさらにエッチングを続ける。
【００２４】
そして、図１（ｄ）　に示すように、絶縁膜１１の底（ｅ点）まで完全にエッチングした後に設定圧力を２０ｍ　Ｔｏｒｒに変更し、所望の時間だけオーバーエッチを施して、コンタクトホール１３を完成する。この間は絶縁膜１１をエッチングする意図ではないので圧力一定とする。
【００２５】
ここで、上記したチェンバー１内の設定圧力は、形成途中のコンタクトホール１３の内部、特にその底面付近の圧力に近い圧力となるように予め決定するものである。この設定圧力は、絶対値として、またはエッチング初期のプラズマ圧力（チャンバー１内の設定圧力）に対する任意のエッチング段階でのプラズマ圧力の比として、例えばプロセスシミュレーションなどを用いて見積もることができる。
【００２６】
このようなエッチング方法によれば、エッチングが進行するにつれてコンタクトホール１３のアスペクト比が増加しても、図２にも示すようにコンタクトホール１３の底面付近とほぼ同圧になるようにチャンバー１内の設定圧力を変化させるので、絶縁膜１１とエッチングガスとの反応による反応生成物はコンタクトホール１３内に溜まることなく排気され、堆積することはない。よって、エッチング途中でエッチストップが引き起こされることはなく、シリコン基板１０に到達する良好なコンタクトホール１３が形成される。
【００２７】
図３に、上記したエッチング方法におけるチャンバー１内の設定圧力と絶縁膜１１のエッチングレートとの関係を示す。設定圧力５ｍ　Ｔｏｒｒ，１０ｍ　Ｔｏｒｒ，１５ｍ　Ｔｏｒｒ，２０ｍ　Ｔｏｒｒのいずれでも、エッチングレートは約６００（ｎｍ／ｍｉｎ）と一定であり、その均一性は±３％程度で、エッチング制御性としては全く問題がないといえる。
（実施の形態２）
この実施の形態２では、チャンバー１内の設定圧力を連続的に上昇させながらエッチングする。
【００２８】
この時のエッチング条件を表３に示す。従来と同様に、Ｃ４Ｆ８＋Ａｒ＋Ｏ２の混合ガスをエッチングガスとし、上部電極２と下部電極４の両方にプラズマを発生可能な高周波電圧を印加するとともに、図示を省略した温度調節機構によって、上部電極２を２０゜Ｃ、下部電極４を０゜Ｃ、チャンバー１の側壁を６０゜Ｃに保持する。
【００２９】
ただし、エッチング途中でチャンバー内の設定圧力を０．２５ｍ　Ｔｏｒｒ／ｓｅｃの割合で連続的に上昇させる点が従来と相違する。その間、圧力以外の条件、たとえば高周波電力、ガス種、ガス流量、下部電極などの温度は、一定に制御する。
【００３０】
【表３】
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このようなエッチング条件におけるコンタクトホールエッチングを、再び図１および図２を参照しながら説明する。
【００３１】
チェンバー１内を設定圧力５ｍ　Ｔｏｒｒに制御して、図１（ａ）　に示すように、シリコン基板１０の絶縁膜（酸化膜）１１上に形成されたレジスト膜１２の開口部１２ａの外部（ａ点）および内部（ｂ点）とも前記設定圧力になった状態で、ドライエッチングを開始する。
【００３２】
そして、設定圧力を連続的に上昇させながら、ここでは０．２５ｍ　Ｔｏｒｒ／ｓｅｃの割合で上昇させながら、エッチングを続ける。このことにより、図１（ｂ）　に示すように絶縁膜１１の膜厚の１／３の点（Ｃ点）までエッチングが進行した時点では設定圧力１０ｍ　Ｔｏｒｒになる。
【００３３】
そして、設定圧力をさらに連続的に上昇させながらエッチングを続ける。このことにより、図１（ｃ）　に示すように、絶縁膜１１の膜厚の２／３の点（ｄ点）までエッチングが進行した時点では設定圧力１５ｍ　Ｔｏｒｒになる。
【００３４】
そして、設定圧力をさらに連続的に上昇させながらエッチングを続けることにより、図１（ｄ）に示すように絶縁膜２２の底（ｅ点）まで完全にエッチングする。この時には設定圧力２０ｍ　Ｔｏｒｒに達している。
【００３５】
その後、その状態で所望の時間（あるいは所望の量）だけオーバーエッチを施してコンタクトホール１３を完成する。この間は絶縁膜１１をエッチングする意図ではないので圧力一定とする。
【００３６】
このエッチング方法でも上記したエッチング方法と同様に、チャンバー１内の設定圧力をコンタクトホールの内部底面付近とほぼ同圧になるように変化させているので、絶縁膜１１とドライエッチングガスとの反応による反応生成物はコンタクトホール１３内に溜まることなく排気され、堆積することはない。よって、エッチング途中でエッチストップが引き起こされることはなく、シリコン基板１０に到達する良好なコンタクトホール１３が形成される。エッチングレートの均一性も図３に示したものと同様になる。
【００３７】
なお、上記した各実施の形態ではレジスト膜をマスクとして用いたが、これに代えて塗布型有機系反射防止膜を用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。また、上記した各実施の形態では反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）を用いたが、これに代えて誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ）やマイクロ波磁場印加プラズマ装置（ＥＣＲ）などを用いても同様の効果が得られるのは言うまでもない。また、上記した各実施の形態ではシリコン基板１０の直上の絶縁膜１１にドライエッチングを施したが、シリコン基板１０やその他の半導体基板の上で金属膜どうしの間に配置された絶縁膜にも同様にして良好にドライエッチングを施すことができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明のコンタクトホールのエッチング方法は、エッチングの進行に伴ってコンタクトホール内部との圧力差が小さくなるようにチャンバー内の圧力を上昇させるようにしたため、エッチストップを引き起こすことなく所望のアスペクト比を有するコンタクトホールを形成できる。よって、半導体デバイスにおける多層配線間のコンタクト形成不良を大幅に低減することができ、高性能多層配線デバイスの製造工程において大変重要で価値あるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコンタクトホールエッチング方法を説明するための工程断面図
【図２】図１のコンタクトホールエッチング方法における設定圧力を説明する断面図
【図３】図１のコンタクトホールエッチング方法における設定圧力とエッチレートとの関係を示すグラフ
【図４】従来よりある平行平板型のプラズマエッチング装置の概略構成図
【図５】従来のコンタクトホールエッチング方法を説明するための工程断面図
【符号の説明】
１　チャンバー
２　上部電極
３　高周波電源
４　下部電極
５　高周波電源
６　給気口
７　排気口
８　圧力計
９　ウエハー
１０　シリコン基板
１１　絶縁膜
１２　レジスト膜
１３　コンタクトホール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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