(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電層をエッチングする方法であって、
誘電層の上にマスキング層を有し、前記誘電層の下に導電層または半導電層を有する半導体基板を、高密度プラズマ・エッチング・リアクタの中に導入する段階と、
フルオロカーボン反応物Ｃ４Ｆ８およびＣＨ２Ｆ２ならびに一酸化炭素から成るエッチング・ガスを前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給し、前記エッチング・ガスにエネルギーを与えて高密度プラズマ状態にする段階と、
前記マスキング層および前記誘電層の露出部分を前記高密度プラズマに暴露して、前記高密度プラズマで前記誘電層中に開口がエッチングされるようにする段階と、
を含み、
前記マスキング層のエッチング速度に対する前記誘電層のエッチング速度の比が少なくとも５であり、
前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給されるフルオロカーボン反応物に対する一酸化炭素の体積流量比は２．１５：１から５：１の範囲であり、
前記フルオロカーボン反応物および一酸化炭素の流量は、それぞれ２５から１５０ｓｃｃｍおよび５０から２５０ｓｃｃｍであり、
前記誘電層は、ドープまたは無ドープ酸化シリコン膜を含み、
前記高密度プラズマは、ＲＦエネルギーを前記プラズマ・エッチング・リアクタに誘導結合することによって形成される、
方法。
【請求項２】
前記開口が、少なくとも３：１のアスペクト比を与えるのに十分な深さまでエッチングされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記導電層または半導電層が、ドープまたは無ドープ多結晶または単結晶シリコン、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデン、これらの合金、窒化チタン、ケイ化チタン、ケイ化タングステン、ケイ化コバルトおよびケイ化モリブデンから成るグループから選択された金属含有層を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記開口が、０．２５ミクロン以下のサイズの開口である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅおよびこれらの混合物から成るグループから選択されたキャリヤ・ガスをプラズマ・エッチング・リアクタに供給する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記一酸化炭素が、１５０から２５０ｓｃｃｍの流量で前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エッチング段階中にＲＦバイアスを前記半導体基板に印加する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記エッチング段階後に前記開口に金属を充てんする段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記エッチング段階が、ダマシン構造を製造するプロセスの一部として実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記マスキング層としてフォトレジスト層を形成する段階と、前記フォトレジスト層をパターニングして複数の前記開口を形成する段階をさらに含み、前記エッチング段階が、前記酸化シリコン中にヴィアまたはコンタクト開口を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記開口が、少なくとも５：１のアスペクト比で形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記エッチング段階中の前記プラズマ・エッチング・リアクタの圧力が１０ｍＴｏｒｒ未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記半導体基板がシリコン・ウェーハを含み、前記ウェーハの温度が前記エッチング段階中、１３０℃以下に維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記エッチングは、前記開口が前記誘電層を貫通して前記導電層または半導電層に達するまで実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記高密度プラズマによって前記一酸化炭素を遊離炭素および遊離酸素に瞬間的に解離させる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給されるフルオロカーボン反応物に対する一酸化炭素の体積流量比は３：１から５：１の範囲である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記エッチング・ガスに２５００−４０００ワットの範囲のレベルの電力を与えて高密度プラズマ状態にする、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
ＲＦエネルギーが１３００ワット以上の電力で前記プラズマ・エッチング・リアクタに誘導結合され、ＲＦバイアスが１５００ワット以上の電力で半導体基板に適用される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記一酸化炭素は高分子付着物を分解し、それによって前記誘電層中の前記開口の側壁に高分子が付着するのを低減する、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記フルオロカーボン反応物が２５から１００ｓｃｃｍの流量で前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給され、前記一酸化炭素が１５０から２５０ｓｃｃｍの流量で前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記フルオロカーボン反応物が４０から７０ｓｃｃｍの流量で前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給され、前記一酸化炭素が１５０から２５０ｓｃｃｍの流量で前記プラズマ・エッチング・リアクタに供給される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ＣＨ２Ｆ２のＣ４Ｆ８に対する体積流量比が１：１から１．５：１の範囲である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、集積回路の製造において酸化シリコンなどの誘電材料をプラズマ・エッチングするための改良された方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
集積回路製造における共通した要求は、コンタクト、ヴィアなどの開口を誘電材料中にエッチングすることである。誘電材料には、フッ素化酸化シリコン（ＦＳＧ）などのドープされた酸化シリコン（ドープ酸化シリコン）、二酸化シリコンなどの無ドープの酸化シリコン（無ドープ酸化シリコン）、リン酸ケイ酸ホウ素ガラス（ＢＰＳＧ）、リン酸ケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）などのケイ酸塩ガラス、熱成長させたドープまたは無ドープ酸化シリコン、ドープまたは無ドープＴＥＯＳが堆積された酸化シリコンなどが含まれる。誘電体ドーパントはホウ素、リンおよび／またはヒ素を含む。誘電体は、多結晶シリコン、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデンなどの金属、これらの合金、窒化チタンなどの窒化物、ケイ化チタン、ケイ化コバルト、ケイ化タングステン、ケイ化モリブデンなどの金属ケイ化物といった導電層または半導電層の上に置かれることがある。
【０００３】
酸化シリコン中に開口をエッチングするさまざまなプラズマ・エッチング技法が、米国特許第５０１３３９８号、第５０１３４００号、第５０２１１２１号、第５０２２９５８号、第５２６９８７９号、第５５２９６５７号、第５５９５６２７号、第５６１１８８８号、および第５７８０３３８号に開示されている。プラズマ・エッチングは、前記５０１３３９８号特許に記載の平行平板型プラズマ・リアクタ・チャンバ、前記５０１３４００号特許に記載のトライオード型リアクタなどの中密度リアクタ、または前記５５２９６５７号特許に記載の誘導結合リアクタなどの高密度リアクタ中で実施することができる。エッチング・ガス・ケミストリには、前記５０２１１２１号および５０２２９５８号特許に記載の無酸素Ａｒ／ＣＨＦ３／ＣＦ４（任意選択）ガス混合物、前記５２６９８７９号特許に記載の無酸素含フッ素窒素ガス混合物、前記５５９５６２７号特許に記載のＣ４Ｆ８／ＣＯガス混合物、前記５０１３４００号特許に記載の酸素／ＣＦ４ガス混合物、前記５５２９６５７号特許に記載の酸素／ＣＦ４／ＣＨ４ガス混合物、前記５６１１８８８号特許に記載のフレオン／ネオン・ガス混合物などがある。
【０００４】
米国特許第５７３６４５７号には、シングルおよびデュアル「ダマシン」メタライゼーション・プロセスが記載されている。「シングル・ダマシン」法では、ヴィアと導体が別々の段階で形成される。これらのそれぞれの段階で、導体またはヴィア用のメタライゼーション・パターンを誘電層中にエッチングし、エッチングした誘電層中の溝またはヴィア・ホールの中に金属層を充てんし、過剰の金属を、化学機械平坦化（ＣＭＰ）またはエッチ・バック・プロセスによって除去する。「デュアル・ダマシン」法では、ヴィアおよび導体用のメタライゼーション・パターンを誘電層中にエッチングし、エッチングした溝およびヴィア開口に、単一の金属充てん／過剰金属除去プロセスで金属を充てんする。
【０００５】
中密度プラズマ・リアクタは、高密度プラズマ・リアクタよりも高いチャンバ圧で動作し、エッチング・ガス・ケミストリの解離の程度が高密度プラズマ・リアクタよりも低い。例えば、中密度プラズマ・リアクタ内では、Ｃ４Ｆ８などのエッチング・ガスが、Ｃ４Ｆ８→Ｃ２Ｆ８→ＣＦ２→ＣＦ＋Ｆというように段階的に解離する。このような段階的解離のため、誘電層のエッチング速度を高くし、フォトレジストなどのその上の層またはエッチング・ストップ層などのその下の層のエッチング速度を低くすることができる。このようなエッチング速度の比は、「エッチング選択比」と呼ばれ、中密度プラズマ・リアクタで得られる高い選択比は、コンタクト、ヴィアおよび導体パターンの完全なエッチングを促進する。対照的に、高密度リアクタでは、エッチング・ガスが瞬間的に解離することにより、マスキング層およびエッチング・ストップ層のエッチング速度がより高くなるため、選択比が低くなる。例えば、高密度プラズマ・リアクタ内では、Ｃ４Ｆ８が直接的に遊離Ｆに解離し、この高い遊離Ｆ含量によって、マスキング層および／またはエッチング・ストップ層のエッチングが急速に進み、そのため、エッチング選択比が許容できないほど低くなる。
【０００６】
デバイスの幾何形状がますます小さくなるにつれ、酸化シリコンなどの誘電層中に深く幅の狭い開口をプラズマ・エッチングするための高エッチング選択比の必要性はよりいっそう高まっている。そのため、高いエッチング選択比を提供し、かつ／または深く幅の狭い開口を達成する高密度プラズマ・エッチング技法が当技術分野で求められている。さらに、このような開口幾何形状を、開口の側壁のボーイング(bowing)を生じることなく達成できれば非常に望ましいと言えよう。
【０００７】
（発明の概要）
本発明は、誘電層をプラズマ・エッチングする方法を提供する。この方法は、マスキング層および誘電層の下に導電層または半導電層を含む半導体基板を、高密度プラズマ・エッチング・リアクタ中に導入する段階を含む。誘電層を単一の段階でエッチングして、導電層または半導電層を露出させ、誘電層を貫通して導電層または半導電層まで延びる開口を形成することができる。エッチングは、高密度プラズマ・エッチング・リアクタ中で、フルオロカーボン反応物、一酸化炭素および任意選択の不活性キャリヤ・ガスを含むイオン化した状態のエッチング・ガスに誘電層を暴露することによって実施される。この方法では、高密度プラズマによってフルオロカーボンが遊離のＦと遊離のＣに瞬間的に解離し、一酸化炭素が、マスキング層のエッチング速度に対する誘電層のエッチング速度の選択性を増大させる効果を有する量だけ存在する。
【０００８】
本発明の一態様によれば、誘電層が、ドープまたは無ドープ二酸化シリコン、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＴＥＯＳ、熱酸化シリコンなどの酸化シリコンを含み、開口が、導体パターン、ヴィア開口またはコンタクト開口に対応する溝を含む。本発明の他の態様によれば、アスペクト比が少なくとも３：１となるように開口をエッチングすることができる。エッチング・ガスは、ＣｘＦｙＨｚによって表される含水素および／または無水素フルオロカーボン反応物を含むことができる。上式で、ｘは少なくとも１、ｙは少なくとも１、ｚは０かまたは０よりも大きい。例えば、フルオロカーボン反応物は、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ８、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、ＣＨ３Ｆ、Ｃ２ＨＦ５、および／またはＣＨ２Ｆ２から成るグループから選択することができる。導電層または半導電層は、Ａｌ、Ａｌ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金、Ｔｉ、Ｔｉ合金、ドープまたは無ドープ多結晶または単結晶シリコン、ＴｉＮ、ＴｉＷ、および／またはＴｉ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏのケイ化物などから成るグループから選択された含金属層を含むことができる。
【０００９】
本発明のプロセスは、少なくとも１．８μｍの深さを有する０．３０μｍ、特に０．２５μｍ以下のサイズの開口を、ｘが１から５、ｙが１から８、ｚが０から３のＣｘＦｙＨｚを含むフルオロカーボン反応物を使用してエッチングすることができる。一例として、フルオロカーボン反応物は、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ８およびこれらの混合物から選択された１種または数種のガスを含むことができる。任意選択のキャリヤ・ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｘｅおよびこれらの混合物から成るグループから選択することができる。ＣＯは、２５から２５０ｓｃｃｍの流量でプラズマ・リアクタに供給することができ、フルオロカーボンは、５から１００ｓｃｃｍの流量でプラズマ・リアクタに供給することができ、任意選択のキャリヤ・ガスは、１０から３００ｓｃｃｍの流量でプラズマ・リアクタに供給することができる。一例として、ＣＯ、フルオロカーボンおよびＡｒをそれぞれ、５０から２００ｓｃｃｍ、４０から７０ｓｃｃｍ、５０から１５０ｓｃｃｍの流量でプラズマ・リアクタに供給することができる。エッチング段階の間、高密度プラズマ・リアクタは、１０ｍＴｏｒｒ未満の真空圧力に維持されることが好ましい。エッチング段階後に、開口に金属を充てんすることができる。本発明の方法はさらに、誘電層上にフォトレジスト層を形成する段階、およびフォトレジスト層をパターニングして複数の開口を形成する段階を含むことができ、エッチング段階が、導線、ヴィア開口またはコンタクト開口のメタライゼーション・パターンを誘電層中に形成する。この方法を用いて、少なくとも５：１のアスペクト比を有する開口を形成することができる。この方法では、フルオロカーボンの解離によって自由になった遊離のＦが一酸化炭素と反応して、マスキング層を攻撃する遊離Ｆの効果が低減する。
【００１０】
したがって、本発明の方法は、ドープおよび無ドープ酸化シリコンなどの誘電材料中に深く幅の狭い１／４ミクロン以下の開口をプラズマ・エッチングすることができる半導体製造プロセスを提供する。プラズマ・ガス・ケミストリは、協力して誘電材料をエッチングし、一方で、マスキング層およびストップ層に関する所望の選択性を提供するフルオロカーボンおよびＣＯを含む。
【００１１】
（発明の詳細な説明）
本発明は、集積回路製造において酸化層などの誘電材料中にコンタクト、ヴィア、導線などのフィーチャを高密度プラズマ・エッチングするプロセスを提供する。本発明は、誘電体のエッチング速度とマスキング層およびストップ層のエッチング速度との間の選択性が、商業的に応用するには低すぎるという、従来のエッチング技法の問題を克服する。本発明では、このような選択性の問題が、マスキング層および／またはストップ層のエッチング速度を低下させるエッチング・ガス・ケミストリを利用することによって解決される。
【００１２】
本発明の一態様によれば、５：１を超える酸化物：フォトレジスト・エッチング選択性で、ドープおよび無ドープ酸化膜（ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＴＥＯＳ）を０．２５μｍ以下の幾何形状で少なくとも１．８μｍのエッチング深さにエッチングすることができる、シングルまたはデュアル・ダマシン・エッチング・プロセスが提供される。このプロセスは、ＲＩＥラグを低下または逆転させ、これによって、マルチレベル誘電体エッチング応用およびデュアル・ダマシン・デバイスの製造を可能にする。
【００１３】
図１ａ〜ｄに、ヴィア・ファースト・デュアル・ダマシン構造をエッチングする本発明に基づく方法の概略図を示す。図１ａは、酸化シリコンなどの第１の誘電層１４、窒化シリコンなどの第１のストップ層１６、酸化シリコンなどの第２の誘電層１８、窒化シリコンなどの第２のストップ層２０およびシリコン・ウェーハなどの基板２２の積層の上のフォトレジスト・マスキング層１２に、ヴィアに対応する開口１０が形成された、エッチング前の状態を示す。図１ｂは、開口１０が誘電層１４、１８および第１のストップ層１６を貫通して第２のストップ層２０まで延びた、エッチング後の構造を示す。図１ｃは、トレンチ２４用のマスキング層を再パターニングした後の構造を示す。図１ｄは、第１の誘電層１４が第１のストップ層１６までエッチングされたエッチング後の構造を示す。
【００１４】
図２ａ〜ｄに、トレンチ・ファースト・デュアル・ダマシン構造をエッチングする本発明に基づく方法の概略図を示す。図２ａは、酸化シリコンなどの第１の誘電層３４、窒化シリコンなどの第１のストップ層３６、酸化シリコンなどの第２の誘電層３８、窒化シリコンなどの第２のストップ層４０およびシリコン・ウェーハなどの基板４２の積層の上のフォトレジスト・マスキング層３２に、トレンチに対応する開口３０が形成された、エッチング前の状態を示す。図２ｂは、開口３０が誘電層３４を貫通して第１のストップ層３６まで延びた、エッチング後の構造を示す。図２ｃは、ヴィア４４用のマスキング層を再パターニングした後の構造を示す。図２ｄは、第２の誘電層３８が第２のストップ層４０までエッチングされたエッチング後の構造を示す。
【００１５】
図３ａ〜ｂに、単一の段階でデュアル・ダマシン構造をエッチングする本発明に基づく方法の概略図を示す。図３ａは、酸化シリコンなどの第１の誘電層５４、窒化シリコンなどの第１のストップ層５６、酸化シリコンなどの第２の誘電層５８、窒化シリコンなどの第２のストップ層６０およびシリコン・ウェーハなどの基板６２の積層の上のフォトレジスト・マスキング層５２に、トレンチに対応する開口５０が形成された、エッチング前の状態を示す。単一のエッチング段階で第１のストップ層５６を貫通するヴィアをエッチングするため、第１のストップ層５６は開口６４を含む。図２ｂは、開口５０が誘電層５４を貫通して第１のストップ層５６まで延び、開口６４が第２の誘電体５８を貫通して第２のストップ層６０まで延びた、エッチング後の構造を示す。このようなアレンジメントを、「自己整合デュアル・ダマシン」構造と呼ぶことができる。
【００１６】
本発明のプロセスは、フッ素化酸化シリコン（ＦＳＧ）などのドープ酸化シリコン、二酸化シリコンなどの無ドープ酸化シリコン、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、リン酸ケイ酸ホウ素ガラス（ＢＰＳＧ）、リン酸ケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）などのケイ酸塩ガラス、熱成長させたドープまたは無ドープ酸化シリコン、ドープまたは無ドープのＴＥＯＳが堆積された酸化シリコンなど、様々な誘電層のエッチングに適用可能である。誘電体ドーパントは、ホウ素、リンおよび／またはヒ素を含む。誘電体は、多結晶シリコン、アルミニウム、銅、チタン、タングステン、モリブデンなどの金属、これらの合金、窒化チタンなどの窒化物、ケイ化チタン、ケイ化コバルト、ケイ化タングステン、ケイ化モリブデンなどの金属ケイ化物などの導電層または半導電層の上に置くことができる。
【００１７】
高密度プラズマは、様々なタイプのプラズマ・リアクタで作り出すことができる。このようなプラズマ・リアクタは、一般に、ＲＦエネルギー、マイクロ波エネルギー、磁場などを使用して高密度プラズマを作り出す高エネルギー源を有する。例えば、高密度プラズマは、誘導結合プラズマ・リアクタとも呼ばれるトランスフォーマ・カップルド・プラズマ（ＴＣＰＴＭ）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ・リアクタ、ヘリコン・プラズマ・リアクタなどで発生させることができる。高密度プラズマを作り出すことができる高フロー・プラズマ・リアクタの一例が、本出願と同一人が所有する米国特許出願第０８／６５８２６１号に開示されている。その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００１８】
本発明のプロセスは、図４に示すリアクタ１００などの誘導結合プラズマ・リアクタ中で実施することができる。リアクタ１００は、リアクタの下壁の出口１０４に接続された真空ポンプによって所望の真空圧力に維持された内部１０２を含む。エッチング・ガスは、ガス供給源１０６から誘電体窓１１０の下面の周囲に延びるプレナム１０８にガスを供給するシャワーヘッド・アレンジメントに供給することができる。リアクタの上の誘電体窓１１０の外側の１回または数回のターンを有する平面らせんコイルなどの外部ＲＦアンテナ１１４に、ＲＦ源１１２からＲＦエネルギーを供給することによって、リアクタ内に高密度プラズマを発生させることができる。このプラズマ発生源を、リアクタの上端に真空気密式かつ取外し可能に取り付けられたモジュール式取付けアレンジメントの一部とすることができる。
【００１９】
リアクタ内部の基板支持体１１８の上、例えばリアクタの側壁からモジュール式取付けアレンジメントによって取外し可能に支持された片持ばりチャック・アレンジメントなどの上に、ウェーハなどの半導体基板１１６が支持される。基板支持体１１８は、片持ばり式に取り付けられた支持アームの一端にあり、リアクタの側壁の開口を通すことによって、基板支持体／支持アーム・アセンブリ全体をリアクタから取り外すことができる。基板支持体１１８は、静電チャック１２０などのチャッキング器具を含むことができ、基板の周囲を、誘電体フォーカス・リング１２２で取り囲むことができる。チャックは、エッチング・プロセス中に基板にＲＦバイアスを印加するためのＲＦバイアシング電極を含むことができる。ガス供給源１０６によって供給されたエッチング・ガスは、窓１１０とその下のガス分配プレート１２４との間のチャネルを流れ、プレート１２４のガス吐出口を通って内部１０２に入ることができる。リアクタはさらに、プレート１２４から円錐形に延びる被加熱ライナ１２６を含むことができる。
【００２０】
一実施形態では、本発明が、自己整合コンタクト（ＳＡＣ）を含むコンタクト、導線、ヴィアなどの０．３μｍ以下の高アスペクト比フィーチャを半導体基板の誘電層中にプラズマ・エッチングするプロセスを提供する。このプロセスでは、高密度プラズマ・リアクタ内で、フルオロカーボン、一酸化炭素および任意選択のガス、例えばキャリヤ・ガス（例えばアルゴン）を含むガス混合物にエネルギーを与えて、フルオロカーボンが遊離Ｆと遊離Ｃに瞬間的に解離するようなプラズマ状態とする。このエッチング・プロセス中に、一酸化炭素は、高密度プラズマによって遊離Ｃと遊離酸素とに瞬間的に解離し、この遊離Ｃが遊離Ｆの一部と反応して、マスキング層および／またはエッチング・ストップ層のエッチング速度を低下させる。結果的に、ＣＯは、エッチング中の誘電材料のエッチング速度と窒化シリコンなどの下層および／またはフォトレジストなどの上層のエッチング速度との間の選択性を所望のレベルにし、同時に、ポリマーのビルドアップの釣り合いをとって、エッチングされたフィーチャの側壁を保護し、一方で過度のポリマー・ビルドアップによるピンチオフおよびエッチ・ストップの問題を回避する効果を有する。エッチ・ストップは特に、大量のポリマーを形成するガス・ケミストリを使用して酸化シリコンなどの誘電材料中に深く幅の狭い開口をプラズマ・エッチングする際に問題となる。すなわち、開口内でのポリマー・ビルドアップが、酸化シリコンのさらなるエッチングを妨げる。本発明のプロセスでは、エッチング・ガス混合物中の一酸化炭素でポリマーを分解する相乗効果によって、ポリマー・ビルドアップを低減させることができる。さらに、エッチングされたフィーチャの微小寸法（ＣＤ）を維持するため、ＣＯは、エッチングされた開口の側壁から十分な量のポリマー・ビルドアップを除去して、エッチングされた開口の「ピンチオフ」の原因となり、開口を所望の深さまで完全にエッチングするのを妨げる、側壁の過度のポリマー・ビルドアップを回避する。
【００２１】
本発明によれば、エッチング・ガス・ケミストリのエッチング速度選択比を制御するのに有効な量の一酸化炭素が加えられる。すなわち、ＣＯおよび１種または数種のフルオロカーボン・ガスを含むエッチング・ガスを使用するときには、ＣＯが、フルオロカーボンから解離した高密度プラズマ中の遊離Ｆを捕捉する効果を有する。このような遊離Ｆは、マスキング層、エッチング・ストップ層などの層を攻撃し、その結果、エッチング速度選択性が低下する。しかし、適当なレベルのＣＯを供給することによって、選択比を増大させるのに十分な量の遊離Ｆを捕捉することが可能である。プラズマ・エッチング・リアクタに供給するＣＯの量は、遊離Ｆを捕捉し、エッチングされた開口の底のポリマーと反応することによってエッチ・ストップを防ぐのに有効な量とすることが好ましい。平面コイル・アンテナを使用してＲＦエネルギーをリアクタに誘導結合する高密度プラズマ・リアクタでは、流量５０から２５０ｓｃｃｍのＣＯをリアクタに供給することによって、本発明の有利な効果が達成される。
【００２２】
エッチング・ガス混合物は任意選択で、窒素および／または不活性キャリヤ・ガスなどのその他のガスを含むことができる。アルゴンは、フッ素が酸化シリコンなどの誘電材料を攻撃するのを助ける特に有用な不活性キャリヤ・ガスである。しかし、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒおよび／またはＸｅなどのその他の不活性ガスを不活性キャリヤ・ガスとして使用することもできる。プラズマ・エッチング・リアクタの圧力を低く維持するため、リアクタに導入するキャリヤ・ガスの流量を小さくすることができる。例えば、高密度プラズマ・リアクタでは、リアクタに供給するアルゴンの量を２５から３００ｓｃｃｍとすることができる。このキャリヤ・ガスは、誘電体のエッチング速度、例えば酸化物のエッチング速度の増大を、酸化物をスパッタリングすることによって助ける。
【００２３】
フルオロカーボンが、ｘが少なくとも１、ｙが少なくとも１、ｚが０かまたは０よりも大きいＣｘＦｙＨｚ、例えば、ＣＦ４、Ｃ３Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ２Ｆ６、ＣＨ２Ｆ５、Ｃ２ＨＦ５、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ２Ｆ２を含むことが好ましい。水素を含むフルオロカーボンはかなり重合性であるが、エッチ・ストップ現象を回避するため、無水素フルオロカーボン・ガスを、相乗効果的なＣＯ追加と組み合わせて使用して、深く幅の狭い開口が達成されるよう重合度を制御することができる。プラズマ・リアクタに供給するフルオロカーボン・ガスの量は、所望の重合度を十分に達成するものでなければならない。一例として、リアクタにＲＦエネルギーを誘導結合する高密度プラズマ・リアクタでは、流量５０から２５０ｓｃｃｍのＣＯを供給することができ、総量２５から１５０ｓｃｃｍ、好ましくは４０から１００ｓｃｃｍ、より好ましくは６０から７０ｓｃｃｍのフルオロカーボン・ガスを供給することができる。一例として、直径０．２５μｍのコンタクト開口に対しては、４０〜７０ｓｃｃｍのＣｘＦｙＨｚＺを供給するときにＣＯ流量を５０から２００ｓｃｃｍとすることができ、アルゴンを供給する場合には、これを５０から１５０ｓｃｃｍとすることができる。当業者には明白なことだが、これらの各種ガスの流量は、プラズマ・リアクタのタイプ、電力設定、リアクタ中の真空圧力、プラズマ源の解離速度などの因子によって決まる。
【００２４】
本発明のプロセスは、少なくとも５：１という極めて高いアスペクト比を得る目的に有用であり、特に、０．３μｍ未満、好ましくは０．１８μｍ以下の開口について最大１０：１のアスペクト比を達成するのに有用である。例えば、２．１μｍを超える深さの直径０．２５μｍの開口に対して、実質的にまっすぐな壁を得ることができる。異方性エッチングを提供するため、基板支持体によって半導体基板にＲＦバイアスを供給すると有利である。例えば、６、８または１２インチ・ウェーハを十分にＲＦバイアスするためには、基板支持体中のＲＦバイアシング電極に５００から３０００ワット程度の電力を供給すればよい。
【００２５】
リアクタの圧力は可能な限り低く維持することが好ましい。一般に、リアクタの圧力が低すぎるとプラズマの消滅につながり、リアクタの圧力が高すぎるとエッチ・ストップの問題が生じる可能性がある。高密度プラズマ・リアクタでは、リアクタの圧力が３０ｍＴｏｒｒ未満であることが好ましく、１０ｍＴｏｒｒ未満であるとさらに好ましい。エッチングを受けている半導体基板のところにプラズマが閉じ込められるため、基板表面の真空圧力がリアクタの真空圧力設定よりも高くなる可能性がある。
【００２６】
エッチングを受けている半導体基板を支持している基板支持体が、基板上のフォトレジストの焼損を防ぐ（例えば、基板を１４０℃未満に維持する）ために基板を十分に冷却することが好ましい。高密度プラズマ・リアクタでは、基板支持体を２０から４０℃に冷却すれば十分である。基板支持体は、ＥＳＣなどの下部電極を含むことができ、その上に、シリコン・ウェーハなどの基板を静電的にクランプし、ウェーハとＥＳＣの上面との間に所望の圧力のヘリウムを供給することによって基板を冷却する。ウェーハを所望の温度、例えば０から１００℃に維持するためには、ウェーハとチャックの間の空間のＨｅの圧力を１０から３０Ｔｏｒｒに維持すればよい。
【００２７】
図４に示したような誘導結合プラズマ・リアクタを用いて本発明を実施するときには、平面コイル・アンテナに、周波数１３．４６ＭＨｚ、電力レベル１０００から４０００ワットのＲＦエネルギーを供給することができる。この電力は、フルオロカーボンを遊離Ｆおよび遊離Ｃに瞬間的に解離させるのに十分なものでなければならない。以前に説明したとおり、このような強いプラズマは、ドープまたは無ドープ酸化シリコン、例えば、無ドープ・ケイ酸塩ガラス（ＵＳＧ）、ケイ酸ホウ素リン・ガラス（ＢＰＳＧ）、ケイ酸リン・ガラス（ＰＳＧ）、スピン・オン・ガラス（ＳＯＧ）、ドープまたは無ドープＴＥＯＳ、フッ素化酸化シリコン（ＳｉＯＦ）、熱酸化物などの誘電材料のエッチング中に選択性の問題を引き起こす。
【００２８】
本発明のプロセスは、酸化シリコンを貫通してその下の導電層または半導電層に達する深く幅の狭い開口をエッチングするのに特によく適している。この層は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｏなどの金属、これらの合金、窒化チタンなどの金属窒化物、ドープまたは無ドープ多結晶または単結晶シリコン、ケイ化チタン、ケイ化タングステン、ケイ化コバルト、ケイ化モリブデンなどの金属ケイ化物などである。エッチング・ガス混合物に酸素を追加する場合には、この下層導電材料が、酸素によって攻撃される窒化シリコンなどの材料を含まないことが好ましい。
【００２９】
本発明に基づく高密度エッチング・プロセスの一例を以下に示す。ＬＡＭ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから販売されている９１００ＰＴＸＴＭなどの誘導結合高密度プラズマ・エッチング・リアクタを使用するときには、真空圧力を５ｍＴｏｒｒ、リアクタの外側の平面コイル・アンテナへの電力を１３００ワット、静電チャック中のＲＦバイアシング電極への電力を１７００ワット、ウェーハとチャックの間に供給するヘリウムを２０Ｔｏｒｒにそれぞれ設定することができる。図５は、エッチング・ガス混合物：ＣＯ  ２００ｓｃｃｍ、ＣＨ２Ｆ２  ３５ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８  ２５ｓｃｃｍを用いてエッチングした構造のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【００３０】
図６〜９は、エッチングしたコンタクトのＳＥＭ顕微鏡写真である。フォトレジスト層は取り除かれている。図６および７はそれぞれ、Ｓｉストップ層の上のＴＥＯＳ誘電層中の約５０％オーバーエッチングされた直径０．２５μｍ、深さ１．８μｍのコンタクト開口の中央および縁部における断面を示す。図８および９はそれぞれ、Ｓｉ３Ｎ４ストップ層の上のＰＳＧ誘電層中の約５０％オーバーエッチングされた直径０．２５μｍ、深さ１．８μｍのコンタクト開口の中央および縁部における断面を示す。
【００３１】
下の表１に、さまざまなリアクタ圧力およびＣＨ２Ｆ２、Ｃ４Ｆ８、ＣＯガス流量を使用した、デュアル・ダマシン構造のエッチング結果を示す。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
下の表２に、さまざまなサイズの開口についてのエッチング速度およびフォトレジスト・マスキング層のエッチング速度を含む、上の表１のラン番号１〜１０に対する試験結果を示す。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
上記試験を実施した結果によれば、本発明のプロセスに基づく誘電体エッチングの最適レジメは次のとおりである。高ＣＯ流量でのエッチ・ストップを防ぐためには、チャンバの圧力を１０ｍＴｏｒｒ以下に設定すると有利である。下層の高いエッチング速度選択性を得るためにも、チャンバの圧力を１０ｍＴｏｒｒ以下に維持することが望ましい。しかし、フォトレジスト選択性は、これよりも高いチャンバ圧力設定で高くなるように見える。最適ＣＯ流量は、５０から２００ｓｃｃｍであるようだ。ＣＯ流量が２５０ｓｃｃｍ以上のときには、チャンバの圧力設定に関係なくエッチ・ストップが起こる。断面および選択性の目的から最適なエッチング・ガス混合物は、比１：１から１．５：１のＣＨ２Ｆ２／Ｃ４Ｆ８である。さらに、ＲＩＥラグの逆転は、低い圧力設定の方が起こりそうである。
【００３６】
本発明に基づくプロセスは、以下の構造を有するウェーハに対して実施した以下の測定の結果として開発されたものである。上から順に１１６００Ａ  Ｉライン・フォトレジスト、２００００Ａ  ＴＥＯＳ、Ｓｉ基板を有するウェーハに対するＴＥＯＳエッチング速度およびＲＩＥラグの測定、上から順に１００００Ａ  Ｉライン・フォトレジスト、３０００Ａ  Ｓｉ３Ｎ４、１０００Ａ熱酸化物、Ｓｉ基板を有するウェーハに対するＳｉ３Ｎ４エッチング速度および選択性の測定、上から順に８２５０Ａ  ＤＵＶレジスト、１７０００Ａ  ＰＳＧ、１０００Ａ  Ｓｉ３Ｎ４、シリコン基板を有するウェーハに対する０．２５μｍおよび０．３５μｍＰＳＧエッチング速度および選択性の測定、上から順に１００００Ａ  ＤＵＶレジスト、１８０００Ａ  ＴＥＯＳ、シリコン基板を有するウェーハ、および６０００Ａ  ＤＵＶレジスト、７０００Ａ  ＴＥＯＳトレンチ（ＣＤ０．３μｍから１．０μｍ）、１５００Ａ  Ｓｉ３Ｎ４、１００００Ａ  ＴＥＯＳバイア（ＣＤ０．３５μｍから０．６０μｍ）、１５００Ａ  Ｓｉ３Ｎ４、シリコン基板を有する酸化物デュアル・ダマシン構造ウェーハに対する０．２５μｍおよび０．３５μｍＴＥＯＳエッチング速度および選択性の測定。深さ１．２μｍの０．４μｍコンタクトのＲＩＥラグをＳＥＭ顕微鏡写真から次式を使用して計算した：ＲＩＥラグ＝１００×（オープン領域のエッチング速度−０．４μｍコンタクトのエッチング速度）／オープン領域のエッチング速度。酸化物エッチング速度の均一性の値をＳＥＭから次式を使用して決定した：均一性（％）＝（中央フィーチャ・サイズ−縁部フィーチャ・サイズ）×１００／（中央フィーチャ・サイズ＋縁部フィーチャ・サイズ）。
【００３７】
実施した実験の結果、ＬＡＭ９１００ＰＴＸＴＭリアクタを使用した好ましい中央点誘電体エッチング・プロセスは次のとおりである。チャンバ圧力１０ｍＴｏｒｒ、上部電極（ＴＣＰコイル）電力１３００ワット、下部電極（ＥＳＣ）電力１５００ワット、ＣＨ２Ｆ２  ３５ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８  ２５ｓｃｃｍ、ＣＯ  ２００ｓｃｃｍ。一般に、チャンバ圧力は５から１５ｍＴｏｒｒ、下部電極温度は約＋２０℃、ウェーハとＥＳＣの間に供給するヘリウムは約２０Ｔｏｒｒ、ＣＨ２Ｆ２流量は３０から４０ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８流量は２０から３０ｓｃｃｍ、ＣＯ流量は１５０から２５０ｓｃｃｍとすることができる。以上のリアクタ設定によって、高密度プラズマ・リアクタ内でのダマシン構造のエッチングでこれまで得られなかったエッチング速度選択性が達成されたが、最適なリアクタ設定が、リアクタおよびガス・ケミストリの選択によって変化することは当業者には明白であろう。
【００３８】
比較実験として、下表３に示すエッチング・ガス・ケミストリを評価した。
【００３９】
【表３】
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【００４０】
さまざまなパラメータに対する異なるＣＯ流量の影響を下表４に示す。リアクタは、圧力４ｍＴｏｒｒ、上部電極電力１３００ワット、下部電極電力１６００ワット、ＣＨ２Ｆ２  ３６ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ８  ２４ｓｃｃｍ、Ａｒ  １００ｓｃｃｍ、ウェーハ裏面冷却用Ｈｅ  ２０Ｔｏｒｒで動作させた。
【００４１】
【表４】
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【００４２】
本発明に基づくプロセスによって達成された追加の結果を図１０〜１３に示す。図１０は、ＣＯ流量に対するＴＥＯＳエッチング速度のグラフである。◆はオープン領域のエッチング速度を指示し、■は０．４μｍ開口のエッチング速度を指示する。このグラフに示すとおり、開口のエッチング速度は意外にも、５０ｓｃｃｍまではＣＯ流量の増大とともに急速に増大し、ＣＯ流量５０〜２００ｓｃｃｍではまずまず一定である。一方、オープン領域のエッチング速度はＣＯを追加しないときに最大であり、ＣＯ流量が２００ｓｃｃｍまで増大するにつれ０近くまで低下する。
【００４３】
図１１は、ＣＯ流量に対するＴＥＯＳエッチング深度のグラフである。◆は０．４μｍ開口のエッチング深度を指示する。このグラフに示すとおり、開口のエッチング深度は、ＣＯ流量２００ｓｃｃｍまで徐々に増大する。
【００４４】
図１２は、ＣＯ流量に対する選択性のグラフである。◆はＴＥＯＳ：Ｓｉ３Ｎ４選択性を指示し、■はＴＥＯＳ：フォトレジスト（ＰＲ）選択性を指示する。このグラフに示すとおり、エッチング・ガスがＣＯを含まないときのＴＥＯＳ：ＰＲ選択性は３未満であり、ＣＯ流量が５０ｓｃｃｍまで増大するにつれ５に近づく。一方、ＴＥＯＳ：Ｓｉ３Ｎ４選択性は、ＣＯを追加しないと１０未満であり、ＣＯ流量が２００ｓｃｃｍまで増大すると１５に増大する。
【００４５】
図１３は、ＣＯ流量に対するＲＩＥラグのグラフである。◆は、ＣＯを０から２００ｓｃｃｍまで増大させたときのオープン領域と比較した０．４μｍ開口のエッチング速度比を指示する。このグラフに示すとおり、５０ｓｃｃｍ以上のＣＯではＲＩＥラグが負となり、オープン領域がコンタクト開口よりもゆっくりとエッチングされることを指示している。
【００４６】
本発明の原理、好ましい実施形態および動作モードを以上に説明した。しかし、本発明を、以上に論じた特定の実施形態に限定されると解釈してはならない。以上に記載した実施形態は例示的なものと考えるべきであって、限定的なものと考えるべきではなく、請求項によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に当業者が変更を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ〜ｄ】  本発明のプロセスに基づいてエッチングすることができるバイア・ファースト・デュアル・ダマシン構造の概略図である。図１ａはエッチング前の状態、図１ｂは、バイアが既にエッチングされたエッチング後の状態、図１ｃは、トレンチ・エッチング用に再パターニングされた構造、図１ｄは、トレンチが既にエッチングされたエッチング後の状態をそれぞれ示す。
【図２ａ〜ｄ】  本発明のプロセスに基づいてエッチングすることができるトレンチ・ファースト・デュアル・ダマシン構造の概略図である。図２ａはエッチング前の状態、図２ｂは、トレンチが既にエッチングされたエッチング後の状態、図２ｃは、バイア・エッチング用に再パターニングされた構造、図２ｄは、バイアが既にエッチングされたエッチング後の状態をそれぞれ示す。
【図３ａ〜ｂ】  本発明のプロセスに基づいてエッチングすることができる自己整合デュアル・ダマシン構造の概略図である。図３ａはエッチング前の状態、図３ｂは、トレンチおよびバイアが既にエッチングされたエッチング後の状態をそれぞれ示す。
【図４】  本発明のプロセスを実施する目的に使用することができる誘導結合高密度プラズマ・リアクタの概略図である。
【図５】  本発明に基づいてエッチングされたデュアル・ダマシン構造のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図６】  本発明に基づいてエッチングされたウェーハの中央のＴＥＯＳ／Ｓｉ構造のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図７】  本発明に基づいてエッチングされたウェーハの縁部のＴＥＯＳ／Ｓｉ構造のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図８】  本発明に基づいてエッチングされたウェーハの中央のＰＳＧ／Ｓｉ３Ｎ４構造のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図９】  本発明に基づいてエッチングされたウェーハの縁部のＰＳＧ／Ｓｉ３Ｎ４構造のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図１０】  ＴＥＯＳのエッチング速度に対するＣＯ流量の影響を示すグラフである。エッチング速度は５０ｓｃｃｍＣＯまで着実に増大した。
【図１１】  ＴＥＯＳのエッチング深度に対するＣＯ流量の影響を示すグラフである。エッチング速度は２００ｓｃｃｍＣＯまで着実に増大した。
【図１２】  ＣＯ流量に対する選択性のグラフである。
【図１３】  ＣＯ流量に対するＲＩＥラグのグラフである。５０ｓｃｃｍを超えるＣＯ流量に対してはＲＩＥラグが負数となった。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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