(57)【要約】【課題】層間絶縁膜の上面から下面にかけて連続したテーパ形状の開口部を再現性良く形成できるようにした半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】層間絶縁膜５を挟んで積層される下層アルミ配線３と上層アルミ配線との間を電気的に接続するために、この層間絶縁膜５にビアホール１０を形成する方法であって、上層アルミ配線を形成する前に、層間絶縁膜５上にプラズマ窒化膜７を形成し、このプラズマ窒化膜７上にビアホール形成領域６の上方を開口し他の領域を覆うレジストパターン９を形成し、このレジストパターン９をマスクにプラズマ窒化膜７に等方性のドライエッチング処理を施して、ビアホール形成領域６の上方のプラズマ窒化膜７に開口部８を形成し、その後、このプラズマ窒化膜７と、開口部８から露出した層間絶縁膜５とに異方性のドライエッチング処理を同時に施して、層間絶縁膜５にビアホール１０を形成する。【選択図】  図２
2005005397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層間絶縁膜を挟んで積層される下層配線と上層配線との間を電気的に接続するために、当該層間絶縁膜に開口部を形成する方法であって、
前記上層配線を形成する前に、前記層間絶縁膜上に犠牲膜を形成する工程と、
前記犠牲膜上に開口部形成領域の上方を開口し他の領域を覆うレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクに前記犠牲膜に等方性のドライエッチング処理を施して、前記開口部形成領域の上方の前記犠牲膜に犠牲開口部を形成する工程と、
前記犠牲開口部が形成された前記犠牲膜と、当該犠牲膜開口部から露出した前記層間絶縁膜とに異方性のドライエッチング処理を同時に施して、該層間絶縁膜に前記開口部を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記犠牲膜はシリコン窒化膜であり、前記等方性のドライエッチングはフロロカーボンガスを用いたプラズマエッチング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３】
前記層間絶縁膜はシリコン酸化膜であり、前記異方性のドライエッチングはフロロカーボンガスを用いた反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、層間絶縁膜を挟んで積層される下層配線と上層配線との間を電気的に接続するための開口部の形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
多層配線構造の半導体装置の製造工程では、下層の金属配線と上層の金属配線とを電気的に接続するために、これらの金属配線を隔てている層間絶縁膜にビアホール（ｖｉａ  ｈｏｌｅ）を形成する。従来、この種のビアホールは、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すような方法により形成していた。
【０００３】
図４（Ａ）において、９１は表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板、９３は下層アルミ配線、９５はシリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜である。まず、図４（Ａ）に示すように、この層間絶縁膜９５上にフォトレジストを形成する。次に、このフォトレジストをフォトリソグラフィによってパターニングし、ビアホール形成領域９６の層間絶縁膜９５上に開口部を有するレジストパターン９７を形成する。
【０００４】
そして、図４（Ｂ）に示すように、このレジストパターン９７をマスクにして、層間絶縁膜９５にウエットエッチング処理を施し、この層間絶縁膜９５の厚さの半分程度に相当する深さまで開口部を形成する。このウエットエッチング処理で用いるエッチャントは、希フッ酸（ＤＨＦ：ｄｉｌｕｔｅｄ  ＨＦ）等である。このウエットエッチングは等方性エッチングなので、形成される開口部の側壁はテーパ形状となる。
【０００５】
続いて、図４（Ｃ）に示すように、このレジストパターン９７をマスクにして、層間絶縁膜９５に異方性のドライエッチング処理を施し、この層間絶縁膜９５に下層アルミ配線９３の一部を露出させるビアホール９９を形成する。その後、このレジストパターン９７をアッシング処理して除去し、このビアホール９９内を通って下層アルミ配線９３と接続する上層アルミ配線を層間絶縁膜９５上に形成する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−３３８５１７号公報
【特許文献２】
特開２００１−９３９７０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来例に係るビアホール９９の形成方法によれば、レジストパターン９７をマスクに層間絶縁膜９５にウエットエッチング処理を施してテーパ形状の開口部を形成し、続いて、このレジストパターンをマスクに層間絶縁膜に異方性のドライエッチング処理を施して、ビアホール９９を形成していた。
【０００８】
このため、ビアホール９９の側壁には、ウエットエッチングによって形成されたテーパ部分９８Ａと、異方性のドライエッチングによって形成された垂直部分９８Ｂとの間に角ができてしまい、図５（Ａ）に示すように、その後の工程で形成される上層アルミ配線９４のビアホール９９内での厚さが著しく不均一になってしまうという問題があった。上層アルミ配線９４のビアホール９９内での厚さが不均一だと、このビアホール９９内での上層アルミ配線９４の薄い部分に電流が集中してしまい、断線してしまうおそれがある。
【０００９】
また、従来例に係るビアホール９９の形成方法では、レジストパターン９７と層間絶縁膜９５との密着性が悪いと、図５（Ｂ）の破線矢印で示すように、このレジストパターン９７と層間絶縁膜９５との界面にエッチャントが染み込み、ビアホールの形状が異常となる場合があった。このような場合には、後工程で形成される上層アルミ配線のビアホール内での厚さはさらに不均一になってしまう。
【００１０】
そこで、この発明はこのような問題を解決したものであって、層間絶縁膜の上面から下面にかけて連続したテーパ形状の開口部を再現性良く形成できるようにした半導体装置の製造方法の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、層間絶縁膜を挟んで積層される下層配線と上層配線との間を電気的に接続するために、当該層間絶縁膜に開口部を形成する方法であって、上層配線を形成する前に、層間絶縁膜上に犠牲膜を形成する工程と、この犠牲膜上に開口部形成領域の上方を開口し他の領域を覆うレジストパターンを形成する工程と、このレジストパターンをマスクに犠牲膜に等方性のドライエッチング処理を施して、開口部形成領域の上方の犠牲膜に犠牲開口部を形成する工程と、犠牲開口部が形成された犠牲膜と、当該犠牲膜開口部から露出した層間絶縁膜とに異方性のドライエッチング処理を同時に施して、該層間絶縁膜に開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、下層配線とは、例えば、アルミ等の金属からなる配線、または、バルクのシリコン基板やＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板のシリコン層に導電型不純物が拡散されて形成される不純物拡散層、あるいは、ポリシリコンに導電型不純物が添加されパターニングされた電極等のことである。また、上層配線とは、例えば、アルミ等の金属からなる金属配線のことである。
【００１３】
本発明に係る第１の半導体装置の製造方法によれば、犠牲開口部側壁のテーパ形状を開口部形成領域の層間絶縁膜に反映させながら、この領域の層間絶縁膜に開口部を形成することができる。また、従来方式と比べて、開口部の形成過程でウエットエッチングを行わないので、ウエットエッチング特有のエッチャントの染み込みがない。
【００１４】
従って、層間絶縁膜の上面から下面にかけて側壁が連続したテーパ形状の開口部を再現性良く形成することができる。これにより、この開口部内に形成される上層配線の厚さを均一に近づけることができ、上層配線と下層配線との電気的接続の信頼性向上に寄与することができる。
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、上述した第１の半導体装置の製造方法において、犠牲膜はシリコン窒化膜であり、等方性のドライエッチングはフロロカーボンガスを用いたプラズマエッチングであることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法によれば、フロロカーボンガスを用いたプラズマエッチングによってシリコン窒化膜は等方性に良好にエッチングされる。例えば、成膜温度が３７０〜３８０［℃］のプラズマＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によってシリコン窒化膜を成膜した場合、このシリコン窒化膜（以下で、プラズマ窒化膜という）はフロロカーボンガスを用いたプラズマエッチングによって縦方向と、横方向にほぼ１：１に削られる。従って、側壁がテーパ形状の犠牲開口部を再現性良く形成することができる。
【００１６】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、上述した第１、または第２の半導体装置の製造方法において、層間絶縁膜はシリコン酸化膜であり、異方性のドライエッチングはフロロカーボンガスを用いた反応性イオンエッチングであることを特徴とするものである。
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法によれば、フロロカーボンガスを用いた反応性イオンエッチングによって、シリコン酸化膜はほとんど縦方向にのみ削られるので、犠牲開口部側壁のテーパ形状を開口部形成領域のシリコン酸化膜（層間絶縁膜）に良好に反映させることができる。
【００１７】
また、この犠牲膜がシリコン窒化膜の場合には、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との間にエッチングの選択比がある。即ち、フロロカーボンガスを用いた反応性イオンエッチングでは、シリコン酸化膜よりもシリコン窒化膜の方がエッチングされにくく、シリコン窒化膜のエッチングレートを１とすると、シリコン酸化膜のエッチングレートは１．５〜２．５程度である。従って、犠牲膜をシリコン窒化膜とすることによって、犠牲膜の膜厚を薄くすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について説明する。
図１（Ａ）〜図２（Ｃ）は、層間絶縁膜にビアホールを形成する方法を手順に沿って示した工程断面図である。図１（Ａ）において、１は表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板、３は下層アルミ配線、５はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる層間絶縁膜である。また、図示しないが、このシリコン基板１には、例えばＭＯＳトランジスタが形成されており、このＭＯＳトランジスタのソース、またはドレイン等が下層アルミ配線３に接続されている。
【００１９】
この下層アルミ配線３は、例えばスパッタリングによってシリコン基板１上にアルミ合金膜を形成し、このアルミ合金膜をフォトリソグラフィとエッチングによって配線形状にパターニングして形成したものである。また、層間絶縁膜５は、例えばＣＶＤによって下層アルミ配線３上に３０００［Å］程度の厚さに形成したものである。
【００２０】
図１（Ａ）に示すように、この層間絶縁膜５上に本発明の犠牲膜の一例として、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）を形成する。このシリコン窒化膜は、成膜温度が３７０〜３８０［℃］程度のプラズマＣＶＤによって成膜されるプラズマ窒化膜である。
後述する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いたエッチバック工程（図２（Ｂ）参照）で、ビアホール形成領域の層間絶縁膜５が完全に除去されるタイミングと、ビアホール形成領域以外の層間絶縁膜５上のプラズマ窒化膜７が完全に除去されるタイミングとが同じになるように、このプラズマ窒化膜７の厚さを設定しておく。
【００２１】
具体的には、後述するエッチバック工程でのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）のエッチングレートの比（以下で、エッチングの選択比という）は、Ｓｉ３Ｎ４を１とすると、ＳｉＯ２は１．５〜２．５程度である。また、上述したように、層間絶縁膜（ＳｉＯ２）５の厚さは例えば３０００［Å］程度である。これらの点を考慮して、プラズマ窒化膜７を層間絶縁膜の厚さの半分の１５００［Å］程度の厚さに形成する。
【００２２】
次に、図１（Ｂ）に示すように、このプラズマ窒化膜７上にビアホール形成領域６の上方を開口し、他の領域を覆うようなレジストパターン９を形成する。このレジストパターン９の形成は、フォトリソグラフィにより行う。そして、図１（Ｃ）に示すように、このレジストパターン９をマスクにプラズマ窒化膜７に等方性のドライエッチング処理を施して、ビアホール形成領域６上方のプラズマ窒化膜７に開口部８を形成する。
【００２３】
この開口部８を形成する等方性のドライエッチング処理は、例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６等のフロロカーボンガスを用いたプラズマエッチングである。この種のフロロカーボンガスを用いたプラズマエッチングでは、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）は縦方向と、横方向にほぼ１：１に等方性に削られる。そのため、図１（Ｃ）に示すように、プラズマ窒化膜７に形成される開口部８の側壁はテーパ形状となる。プラズマ窒化膜７に開口部８を形成した後、図２（Ａ）に示すように、このプラズマ窒化膜７上のレジストパターンをアッシングして除去する。
【００２４】
次に、図２（Ｂ）に示すように、このテーパ形状の開口部８が形成されたプラズマ窒化膜７と、この開口部８から露出した層間絶縁膜５に異方性のドライエッチング処理を同時に施して、層間絶縁膜５にビアホール１０を形成する。即ち、層間絶縁膜５と、プラズマ窒化膜７の両方を異方性に削るエッチング条件で、プラズマ窒化膜７をエッチバックする。
【００２５】
このエッチバックは、例えば、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６等のフロロカーボンガスを用いたＲＩＥで行う。この種のフロロカーボンガスを用いたＲＩＥでは、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）と、層間絶縁膜（ＳｉＯ２）の両方とも、ほとんど縦方向にのみ削られる。
このＲＩＥによるエッチバックでは、プラズマ窒化膜７の表面を徐々に削りながら開口部８の径を徐々に広げることができる。また、この開口部８の径の広がりに合せて、層間絶縁膜５のエッチングされる領域を徐々に広げることができる。そして、ビアホール１０の形成過程でその側壁を層間絶縁膜５の上面から下面にかけて連続したテーパ形状にすることができる。
【００２６】
ところで、この種のフロロカーボンガスを用いたＲＩＥでは、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）とシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）との間に、Ｓｉ３Ｎ４：ＳｉＯ２＝１：２．５〜３．５程度のエッチングの選択比がある。また、層間絶縁膜５の厚さは３０００［Å］程度、プラズマ窒化膜７のエッチバック前の厚さは１５００［Å］程度である。従って、図２（Ｃ）に示すように、エッチバックによって層間絶縁膜５にビアホール１０を形成するとほぼ同時に、この層間絶縁膜５上からプラズマ窒化膜を除去することができる。
【００２７】
その後、図３に示すように、層間絶縁膜５上にビアホール１０を通って下層アルミ配線３と接続する上層アルミ配線４を形成する。この上層アルミ配線４は、例えば、ビアホール１０が形成された層間絶縁膜５上にスパッタリングによってアルミ合金膜を形成し、このアルミ合金膜をフォトリソグラフィとエッチングによって配線形状にパターニングして形成する。図３に示すように、このビアホール１０内に形成される上層アルミ配線４の厚さを均一に近づけることができ、上層アルミ配線４と下層アルミ配線３との電気的接続の信頼性向上に寄与することができる。
【００２８】
このように、本発明に係る半導体装置１００の製造方法によれば、プラズマ窒化膜７の開口部８の側壁のテーパ形状をビアホール形成領域の層間絶縁膜５に反映させながら、この層間絶縁膜５にビアホール１０を形成することができる。また、従来方式と比べて、ビアホールの形成過程でウエットエッチングを行わないので、ウエットエッチング特有のＤＨＦ等の染み込みがない。
【００２９】
従って、層間絶縁膜５の上面から下面にかけて側壁が連続したテーパ形状のビアホール１０を再現性良く形成することができる。これにより、このビアホール１０内に形成される上層アルミ配線４の厚さを均一に近づけることができ、上層アルミ配線４と下層アルミ配線３との電気的接続の信頼性の向上に寄与することができる。
【００３０】
この実施形態では、層間絶縁膜５が本発明の層間絶縁膜に対応し、プラズマ窒化膜７が本発明の犠牲膜に対応している。また、ビアホール形成領域６が本発明の開口部形成領域に対応し、レジストパターン９が本発明のレジストパターンに対応している。さらに、開口部８が本発明の犠牲開口部に対応し、ビアホール１０が本発明の開口部に対応している。
【００３１】
なお、この実施形態では、本発明の犠牲膜の一例としてプラズマ窒化膜を用いる場合について説明したが、犠牲膜はプラズマ窒化膜に限られることはない。例えば、本発明の犠牲膜は、成膜温度が８００［℃］程度の熱ＣＶＤによって形成されるシリコン窒化膜（以下で、熱窒化膜という）でも良い。
また、この実施形態では、本発明の下層配線の一例として、ＭＯＳトランジスタのソース、またはドレイン等と接続するアルミ配線について説明したが、本発明の下層配線はこれに限られることはない。例えば、本発明の下層配線は、バルクのシリコン基板やＳＯＩ基板のシリコン層に形成されるＭＯＳトランジスタのソースまたはドレイン、あるいは、このＭＯＳトランジスタのゲート電極等でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ビアホール１０の形成方法（その１）を示す断面図。
【図２】ビアホール１０の形成方法（その２）を示す断面図。
【図３】上層アルミ配線４の形状を示す断面図。
【図４】従来例に係るビアホール９９の形成方法を示す断面図。
【図５】従来例の問題点を示す断面図。
【符号の説明】
１  シリコン基板、３  下層アルミ配線、４  上層アルミ配線、５  層間絶縁膜、６  ビアホール形成領域、７  プラズマ窒化膜、８  開口部、９  レジストパターン、１０  ビアホール、１００  半導体装置
【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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