(57)【要約】【課題】半導体装置のビアを形成する際に、上部電極からの異物がなく、ビア形状が所望の形状を有し、さらに層間絶縁膜の開口性がよい半導体装置の製造方法を得ること。【解決手段】第１の層配線上に層間・配線絶縁膜とビア形成用レジストを形成する工程と、ＣxＦyガスとＨ2ガスに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加したエッチングガスで、ビア形成用レジストをマスクとして層間・配線絶縁膜を貫通するようにエッチングしてビアを形成する工程と、ビア内にレジストを埋め込み、層間・配線絶縁膜に第２の層配線の配線溝形成用レジストを形成する工程と、配線溝形成用レジストをマスクとして層間・配線絶縁膜を所定の深さまでエッチングして配線用溝を形成する工程と、を含む。【選択図】        図２−４
2007158018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に第１の層配線と層間・配線絶縁膜とが順に積層され、前記層間・配線絶縁膜に前記第１の層配線と接続するプラグと第２の層配線が一体に形成された半導体装置の製造方法において、
前記第１の層配線上に層間・配線絶縁膜を形成し、該層間・配線絶縁膜にビア形成用レジストを形成する第１の工程と、
ＣxＦy（ｘ，ｙは自然数）ガスとＨ2ガスに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加したエッチングガスで、前記ビア形成用レジストをマスクとして前記層間・配線絶縁膜を貫通するようにエッチングしてビアを形成する第２の工程と、
前記ビア内にレジストを埋め込み、前記層間・配線絶縁膜に前記第２の層配線の配線溝形成用レジストを形成する第３の工程と、
前記配線溝形成用レジストをマスクとして前記層間・配線絶縁膜を所定の深さまでエッチングして配線用溝を形成する第４の工程と、
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】
前記第４の工程では、ＣxＦy（ｘ，ｙは自然数）ガスとＨ2ガスに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加したエッチングガスを用いて、前記配線用溝のエッチングを行う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】
半導体基板上の第１の層間絶縁膜上に形成された第１の層配線と、この第１の層配線上に第２の層間絶縁膜を介して形成される第２の層配線を有する半導体装置の製造方法において、
前記第１の層配線上に前記第２の層間絶縁膜を形成し、前記第２の層間絶縁膜にビアを形成するためのレジストを形成した後、ＣxＦy（ｘ，ｙは自然数）ガスとＨ2ガスに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加したエッチングガスで、前記レジストをマスクとして前記第２の層間絶縁膜をエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記エッチングガスは、ＣxＦyガスとＨ2ガスの流量に対して、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを２０％以下の流量で添加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記エッチングガスは、Ｈ2ガスに対するＣxＦyガスの流量比が０．５以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つ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】
この発明は、フロロカーボン系ガス（ＣxＦy）と水素（Ｈ2）を含むガスでビアホールのエッチングを行う工程を含む半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化に伴って、配線層間を接続するビアホールも微細化している。このビアホールは、たとえば、層間絶縁膜上にレジストを形成し、ビアを形成する位置をパターニングした後に、ドライエッチングによって、レジストで覆われていない部分の層間絶縁膜を除去することによって形成される。ところで、半導体装置の微細化によってビアのテーパが大きくなってビアボトム径が縮小したりパターン側壁のストライエーション（ホール変形）が発生したり、また、パターンでないレジストにレジスト下の層間絶縁膜まで局所的な穴があいてしまうレジスト突き抜けが生じたりする問題がある。そこで、ホール変形およびレジスト突き抜けの抑制のために、従来、ＣＦ4（四フッ化炭素）／Ｈ2（水素）ガスによるエッチングが提案されている。このＣＦ4／Ｈ2ガスによるエッチング技術では、Ｈ2のスカベンジ効果によってレジスト上にカーボンリッチなフロロカーボン系膜を堆積させながらエッチングを行う。これにより、レジスト上にフロロカーボン系膜が堆積されるので、ビアエッチ時のレジスト突き抜けやホール変形が抑制される。このＣＦ4／Ｈ2ガスにより堆積したフロロカーボン膜質に関する研究が従来報告されている（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
【非特許文献１】N. Takada, T. Iida, K. Shibagaki, and K. Sasaki, "Chemical bonds of fluorocarbon films which can be a source of CFx radicals", J. Vac. Sci. Technol. A, Vol 22, No.2, Mar/Apr 2004, American Vacuum Society, p.413-418
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図７〜図８は、従来のＣＦ4／Ｈ2のガスを用いたビアエッチングの状態を模式的に示す断面図であり、図７は、ＣＦ4／Ｈ2のガスの比率が０．５〜１．２よりも大きい場合のビアエッチングの様子を示す図であり、図８は、ＣＦ4／Ｈ2のガスの流量の比率が０．５〜１．２よりも小さい場合のビアエッチングの様子を示す図である。これらの図には、ビアエッチングを行う半導体装置の一部と、プラズマエッチングを行うための上部電極４１１が示されている。なお、半導体装置は保持部材を介して図示しない下部電極上に固定されている。半導体装置は、基板上に形成された複数の配線層中の一部であり、絶縁層３２４にパターン形成されたＣｕからなる配線３２５を含む配線層と、この配線層上に形成されるバリア膜３３１、層間絶縁膜３３２、キャップ膜３４１、反射防止層（以下、ＡＲＣ層という）３４２、ビアホール形成位置がパターニングされたレジスト３４３と、を有する。このとき、上部電極４１１と下部電極との間にＣＦ4／Ｈ2ガスを導入し、上部電極４１１と下部電極に所定の高周波電圧を印加することでエッチングガスをプラズマ化し、このエッチングガスを用いてエッチングを行う。
【０００５】
まず、ＣＦ4／Ｈ2ガスの流量の比率が、０．５〜１．２よりも大きい場合には、図７に示されるように、上部電極４１１へのフロロカーボン膜３４４の堆積量は少なくなるが、半導体装置のレジスト３４３上への堆積量が大きくなる。レジスト３４３上へのフロロカーボン膜３４４の堆積量が厚くなると、ビア間口にもフロロカーボン膜３４４が堆積し、ビア間口がその上部付近で狭くなってしまう。そのために、ビア形状（ビアの断面形状）はテーパが大きくなり、ビアボトム径が縮小してしまうという問題点があった。また、ビアホールが１μｍよりも広いピッチパターンでは、溝内部に過剰なフロロカーボン膜３４４が付着し、このフロロカーボン膜３４４が被エッチング膜である層間絶縁膜３３２（シリコン酸化膜）のエッチングを妨げることで、層間絶縁膜３３２（シリコン酸化膜）のエッチングが停止するエッチストップが発生するという問題点もあった。
【０００６】
つぎに、ＣＦ4／Ｈ2ガスの流量の比率が０．５〜１．２よりも小さい場合には、図８に示されるように、フロロカーボン膜３４４が上部電極４１１に堆積する。このために、上部電極４１１に堆積したフロロカーボン膜３４４がはがれて半導体装置上に異物として付着し、歩留まりを低下させるという問題点があった。その反面、半導体装置上へのフロロカーボン膜３４４の堆積は薄くなるが、カーボンリッチな膜が堆積するので、エッチング時においてもレジストの後退を抑えてエッチングすることが可能になるという利点も有する。
【０００７】
なお、ＣＦ4／Ｈ2ガスの流量の比率が０．５以上１．２以下の場合には、上部電極と下部電極の間の距離や、両電極間に印加する高周波電力の大きさによって、図７や図８に示されるような状態となる。
【０００８】
図９は、ＣＦ4／Ｈ2ガスの流量の比率の違いによるエッチングの特性の違いを示す図である。この図で、「○」は問題があることを示し、「△」は多少問題があることを示し、「×」は問題がないことを示している。この図９に示すように、ＣＦ4／Ｈ2のガス系のみを用いたドライエッチングでは、ＣＦ4／Ｈ2ガスの流量の比率の大小に応じて、上部電極から剥がれる異物（上部電極へのフロロカーボン膜の堆積量）、ビア形状、層間絶縁膜の開口性がトレードオフの関係にあるため、同時に良好なエッチング特性を満たす解（条件）を見出すことは非常に困難であるという問題点があった。
【０００９】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、半導体装置のビアを形成する際に、上部電極からの異物がなく、ビア形状が所望の形状を有し、さらに層間絶縁膜の開口性がよい半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１の層配線と層間・配線絶縁膜とが順に積層され、前記層間・配線絶縁膜に前記第１の層配線と接続するプラグと第２の層配線が一体に形成された半導体装置の製造方法において、前記第１の層配線上に層間・配線絶縁膜を形成し、該層間・配線絶縁膜にビア形成用レジストを形成する第１の工程と、ＣxＦy（ｘ，ｙは自然数）ガスとＨ2ガスに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加したエッチングガスで、前記ビア形成用レジストをマスクとして前記層間・配線絶縁膜を貫通するようにエッチングしてビアを形成する第２の工程と、前記ビア内にレジストを埋め込み、前記層間・配線絶縁膜に前記第２の層配線の配線溝形成用レジストを形成する第３の工程と、前記配線溝形成用レジストをマスクとして前記層間・配線絶縁膜を所定の深さまでエッチングして配線用溝を形成する第４の工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、ＣxＦyガスとＨ2ガスに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加することで、プラズマエッチング装置の上部電極へのフロロカーボン系膜が堆積しない状態を維持したまま、被処理物である半導体装置上へのフロロカーボン系膜の堆積量を調整することができる。そして、ビア間口へのフロロカーボン系膜の堆積量を減らすことでビアの断面形状の低テーパ化が可能となりビアホール径を拡大することができる。さらに、広ピッチパターンにおいてもエッチストップが発生しなくなり、開口性がよい半導体装置を得ることができる。また、プラズマエッチング装置の上部電極へのフロロカーボン系膜の堆積を抑えることができるので、被処理物である半導体装置上に上部電極から剥離したフロロカーボン系膜の落下を防止し、任意のビア径を有するビアホールを容易に作製することができ、半導体装置の歩留まりおよび電気特性や信頼性などの半導体特性が向上するという効果も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明が適用される半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図である。シリコンなどの基板１の上面内には、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜２が形成されている。素子形成領域上の素子分離絶縁膜２によって規定される領域内には、ＭＯＳ（Metal-OxideSemiconductor）トランジスタが形成されている。ＭＯＳトランジスタは、ゲート酸化膜３、ゲート電極４、およびサイドウォール５からなるゲート構造と、ゲート構造の下方のチャネル領域を挟んで対を成すソース／ドレイン領域６とを有している。
【００１４】
基板１上には、ＭＯＳトランジスタを覆って、シリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜１１が形成されている。層間絶縁膜１１内には、ＭＯＳトランジスタのソース／ドレイン領域６に接続された複数のプラグ１２がコンタクトホール中に形成されている。層間絶縁膜１１上には、絶縁膜１４と、この絶縁膜１４内に所定の形状にパターン形成されたＣｕまたはＣｕを含む導電性材料からなる第１層配線１５とを有する第１の配線層１３が形成される。第１層配線１５は、層間絶縁膜１１に形成されたプラグ１２に接続され、下層のソース／ドレイン領域６と電気的に接続されている。この図１では、第１の配線層１３上に、さらに第２の配線層２２が形成される場合が示されている。
【００１５】
第１の配線層１３上には、配線に使用されるＣｕが層間・配線絶縁膜２３へ染み出すのを防ぐためのバリア膜２１が形成され、その上に第２の配線層２２が形成される。第２の配線層２２は、低誘電率の絶縁材料からなる層間・配線絶縁膜２３と、この層間・配線絶縁膜２３内に所定の形状にパターン形成されたＣｕ（銅）またはＣｕを含む導電性材料からなる第２層配線２４と、第２層配線２４と第１層配線１５とを接続するプラグ２５と、を有する。プラグ２５は、層間・配線絶縁膜２３の所定の位置に設けられたビアホール（以下、ビアともいう）にＣｕなどの導電性材料が埋め込まれて形成され、第１層配線１５と第２層配線２４とを電気的に接続する。この第２層配線２４とプラグ２５とは、デュアルダマシン法によって一体的に形成される。なお、図１では、配線層が２層構造となっているが、２層に限られることなく、第２の配線層２２上にさらに１層以上の配線層が形成されていてもよい。
【００１６】
つぎに、このような構造を有する半導体装置のビアと配線溝をデュアルダマシン法を用いて形成する手順について説明する。なお、他の部分は、従来公知の方法によって製造することができるので、その説明を省略する。図２−１〜図２−１０は、図１の層間・配線絶縁膜にデュアルダマシン法によってビアと配線溝を形成する手順を模式的に示す断面図である。まず、従来公知の方法によって、シリコンなどの半導体の基板１上の素子形成領域上の素子分離絶縁膜２で区切られた領域に、ＭＯＳトランジスタなどの素子を形成する。所定の位置にコンタクトホールを形成した層間絶縁膜１１を、素子が形成された基板１上に形成し、コンタクトホールにプラグ１２を形成した後、層間絶縁膜１１上に第１の配線層１３を形成する。また、第１の配線層１３上に、バリア膜２１、層間・配線絶縁膜２３、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane）を原料としたＳｉＯ2膜からなるキャップ膜（Ｃａｐ膜）４１、露光時の意図しない光の反射を防止するＡＲＣ膜（反射防止膜）４２を順次積層させる。図２−１は、このようにして作製された半導体装置の第１の配線層１３以上の断面の一部を模式的に示す図である。
【００１７】
ついで、図２−２に示されるように、ＡＲＣ膜４２上にレジスト４３を塗布し、ビアを形成する位置のレジストを除去して、ビア形成用マスク（特許請求の範囲におけるビア形成用レジストに対応する）を形成する。このとき、ビアの径と同じ径となるようにレジスト４３上に孔があけられる。その後、ＡＲＣ膜４２をＡＲＣ膜４２の材料に応じたガスを用いてエッチングする。これにより、ＡＲＣ膜４２とキャップ膜４１の上部の一部が除去される。
【００１８】
ついで、半導体装置をプラズマエッチング装置に搬送する。このプラズマエッチング装置として、たとえば、平行平板型のプラズマエッチング装置を用いることができる。図３は、プラズマエッチング装置の構成の一例を模式的に示す図である。このプラズマエッチング装置１００は、保安接地された反応室１０１と、この反応室１０１内で昇降可能に配設され、被処理基板である半導体装置を保持する機能を有する下部電極１０２と、反応室１０１内で下部電極１０２の上方に下部電極１０２と平行に配置され、エッチングガスの供給口１０４を有する上部電極１０３と、下部電極１０２と上部電極１０３に高周波電力を印加する高周波電源１０５Ａ，１０５Ｂと、反応室１０１内を所定の真空度にする排気系１０７と、反応室１０１内にエッチングガスを供給するガス供給系１１０と、を備える。ガス供給系１１０は、導入するガスの種類ごとにガス供給源１１１が設けられる。この実施の形態１では、フロロカーボン系ガス（ＣxＦy（ｘ，ｙは自然数）ガス）を供給するＣxＦyガス供給源１１１Ａ、Ｈ2ガスを供給するＨ2ガス供給源１１１Ｂのほかに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスを含むガス供給源１１１Ｃ〜１１１Ｆが設けられる。各ガス供給源１１１には、流量調整バルブ１１２と開閉バルブ１１３が設けられている。
【００１９】
このプラズマエッチング装置１００の反応室１０１内の下部電極１０２に図２−３で作製した半導体装置を載置し、排気系１０７で反応室１０１内を所定の真空度にする。その後、ガス供給系１１０から所定の流量比率のＣxＦyガスとＨ2ガスと、これらのＣxＦyガスとＨ2ガスの流量の２０％以下のＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスをガス供給源の開閉バルブ１１３と流量調整バルブ１１２を開くことによって、反応室１０１内に供給する。そして、高周波電源１０５Ａから所定の周波数の高周波電力が整合器１０６Ａを介して下部電極１０２に印加され、また高周波電源１０５Ｂから所定の周波数の高周波電力が整合器１０６Ｂを介して上部電極１０３に印加され、上部電極１０３と下部電極１０２との間でエッチングガスのプラズマを発生させて、下部電極１０２上の半導体装置をエッチングする。これにより、図２−４に示されるように、キャップ膜４１と層間・配線絶縁膜２３がエッチングされるとともに、レジスト４３上にはフロロカーボン系膜４４が堆積する。このフロロカーボン系膜４４によって、レジスト４３のエッチングが抑えられる。
【００２０】
なお、実験によれば、プラズマエッチング装置１００の上部電極１０３へのフロロカーボン系膜４４の堆積を抑える条件として、ＣxＦyガスとＨ2ガスと、これらのＣxＦyガスとＨ2ガスの流量の２０％以下のＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスを混ぜることが望ましい。図４は、ＣxＦyガスとＨ2ガスにＮ2ガスを加えた場合のビアホールの直径とＮ2ガスと（ＣxＦyガス＋Ｈ2ガス）の流量比との関係を示す図である。この図の横軸はＮ2／（ＣxＦy＋Ｈ2）の流量比を示しており、縦軸は横軸で示されるガスの流量比でプラズマエッチングを行った場合のビアホールの直径を示している。この図４に示されるように、（ＣxＦyガス＋Ｈ2ガス）に対するＮ2ガスの流量比を約２０％までの範囲で変化させると、ビアホールの直径を約９０〜１５０ｎｍの範囲で変えることができる。つまり、所望のビア径を得るためには、ＣxＦy＋Ｈ2の混合ガスに対して混合するＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスの流量比を調整すればよい。以上のようにして、層間・配線絶縁膜内にビア２５ａが形成される。
【００２１】
ついで、図２−５に示されるように、ビア２５ａ内にレジストを埋め込んで、埋め込み層４５を形成する。この埋め込み層４５の厚さ（高さ）は、層間・配線絶縁膜２３に形成するビアの高さとほぼ同じである。その後、図２−６に示されるように、配線層を形成する位置のフロロカーボン系膜４４と埋め込み層４５を除去して、配線溝（トレンチ）形成用のマスク（特許請求の範囲における配線溝形成用レジストに対応する）をパターニングする。そして、図２−７に示されるように、ＡＲＣ膜４２をＡＲＣ膜４２の材料に応じたガスを用いてエッチングする。これにより、ＡＲＣ膜４２とキャップ膜４１の上部の一部が除去される。
【００２２】
その後、図３に示されるプラズマエッチング装置１００に図２−７で作製した半導体装置を導入し、図２−４で説明したように所定の流量比率のＣxＦyガスとＨ2ガスと、これらのＣxＦyガスとＨ2ガスの流量の２０％以下のＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスを混ぜたガスを用いてキャップ膜４１と層間・配線絶縁膜２３のエッチングを行う。これにより、図２−８に示されるように、層間・配線絶縁膜２３内のビア２５ａ内の埋め込み層４５上に配線溝２４ａが形成される。なお、この配線溝２４ａ（トレンチ）のエッチングは、所定の流量比率のＣxＦyガスとＨ2ガスと、これらのＣxＦyガスとＨ2ガスの流量の２０％以下のＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスを混ぜたガスを用いたエッチングでなく、通常のガスを用いたエッチングで行ってもよい。
【００２３】
その後、図２−９に示されるように、埋め込み層４５を除去した後、図２−１０に示されるように、バリア膜２１の材料に応じたエッチング処理を行ってバリア膜２１を除去する。これによって、ビア２５ａの底部にＣｕまたはＣｕを含む導電性材料からなる第１層配線１５が露出され、ビア２５ａと配線溝２４ａが形成される。
【００２４】
その後、フロロカーボン系膜４４、レジスト４３、ＡＲＣ膜４２およびキャップ膜４１を除去し、作製したビア２５ａと配線溝２４ａの側壁部と底部にシード層を形成し、電解メッキ法などによりＣｕやＣｕを含む合金などからなる導電性材料層をビア２５ａと配線溝２４ａ内に形成する。そして、埋め込んだ導電性材料層の表面が層間・配線絶縁膜２３の高さと同じ高さになるように研磨する。これによって、配線溝２４ａには第２層配線２４が形成され、ビア２５ａにはプラグ２５が形成される。以上によって、図１に示される半導体装置が製造される。
【００２５】
なお、上述した説明では、ＣxＦy／Ｈ2の流量の比率を限定しない状態で、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加する場合を説明したが、発明が解決しようとする課題で示したＣxＦy／Ｈ2の流量の比率が１．２以上の場合、または０．５以上でプラズマエッチング装置１００の上部電極１０３と下部電極１０２との間の距離や上部電極１０３と下部電極１０２に印加する高周波電力などのパラメータが所定の条件にある場合に、上部電極１０３にフロロカーボン系膜４４を堆積させないで、エッチングを行うことができる。したがって、ＣxＦy／Ｈ2の流量の比率を０．５以上、より望ましくは１．２以上としてＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加すると、プラズマエッチング装置１００の上部電極１０３へのフロロカーボン系膜４４の堆積を抑えながら、半導体装置上へのフロロカーボン系膜４４の堆積を抑えるので、断面形状が低テーパ化した配線溝（トレンチ）を作製することが可能となる。また、上述した説明では、層間・配線絶縁膜２３上にキャップ膜４１およびＡＲＣ膜４２を形成した場合を例に挙げているが、これらの層をプロセス中で形成しない場合でもこの実施の形態１の製造方法を適用することができる。
【００２６】
この実施の形態１によれば、ＣxＦyガスとＨ2ガスに、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１種類のガスを添加することで、プラズマエッチング装置１００の上部電極１０３へのフロロカーボン系膜４４が堆積しない状態を維持したまま、被処理物である半導体装置上へのフロロカーボン系膜４４の堆積量を調整することができる。特に、ＣxＦy／Ｈ2の流量の比率が０．５〜１．２以上の場合に、半導体装置上へのフロロカーボン系膜４４の堆積量を減少させることができる。これにより、ビア間口へのフロロカーボン系膜４４の堆積量が減るのでビア２５ａの断面形状の低テーパ化が可能となりビアホール径を拡大することができる。さらに、広ピッチパターンにおいてもエッチストップが発生しなくなる。また、プラズマエッチング装置１００の上部電極１０３へのフロロカーボン系膜４４の堆積を抑えることができるので、被処理物である半導体装置上に上部電極１０３から剥離したフロロカーボン系膜４４の落下を防止し、任意のビア径を有するビアホールを容易に作製することができ、半導体装置の歩留まりおよび電気特性や信頼性などの半導体特性が向上するという効果も有する。
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態１では、デュアルダマシン法で配線とプラグを埋め込む配線溝とビアを形成する場合を説明したが、シングルダマシン法でプラグを形成する場合にもこの発明を適用することができる。そこで、この実施の形態２では、シングルダマシン法でビアを形成する場合について説明する。
【００２８】
図５は、この発明が適用される半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図である。シリコンなどの基板２０１の上面内には、シリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜２０２が形成されている。素子形成領域上の素子分離絶縁膜２によって規定される領域内には、ＭＯＳトランジスタが形成されている。ＭＯＳトランジスタは、ゲート酸化膜２０３、ゲート電極２０４、およびサイドウォール５からなるゲート構造と、ゲート構造の下方のチャネル領域を挟んで対を成すソース／ドレイン領域２０６とを有している。
【００２９】
基板２０１上には、ＭＯＳトランジスタを覆って、シリコン酸化膜などからなる第１の層間絶縁膜２１１が形成されている。第１の層間絶縁膜２１１内には、ＭＯＳトランジスタのソース／ドレイン領域２０６に接続された複数のプラグ２１２がコンタクトホール中に形成されている。第１の層間絶縁膜２１１上には、絶縁膜２１４と、この絶縁膜２１４内に所定の形状にパターン形成された第１層配線２１５とを有する第１の配線層２１３が形成される。第１層配線２１５は、第１の層間絶縁膜２１１に形成されたプラグ２１２に接続され、下層のソース／ドレイン領域２０６と電気的に接続されている。この図５では、第１の配線層２１３上に、第２の配線層２２３および第３の配線層２３４がそれぞれ第２と第３の層間絶縁膜２２１，２３２を介して順に形成される場合が示されている。
【００３０】
第２の配線層２２３は、第２の層間絶縁膜２２１上に形成される絶縁膜２２４と、この絶縁膜２２４内に所定の形状にパターン形成されたＣｕ（銅）またはＣｕを含む導電性材料からなる第２層配線２２５とを有する。また、第２の層間絶縁膜２２１の所定の位置には、ビアが設けられ、ビアに埋め込まれるプラグ２２２によって第１層配線２１５と第２層配線２２５とが電気的に接続される。
【００３１】
第２の配線層２２３上には、配線に使用されるＣｕが第３の層間絶縁膜２３２へ染み出すのを防ぐためのバリア膜２３１、第３の層間絶縁膜２３２が順に積層され、その上に第３の配線層２３４が形成される。第３の配線層２３４は、第３の層間絶縁膜２３２上に形成される絶縁膜２３５と、この絶縁膜２３５内に所定の形状にパターン形成されたＣｕまたはＣｕを含む導電性材料からなる第３層配線２３６とを有する。また、第３の層間絶縁膜２３２とバリア膜２３１の所定の位置には、ビア２３３Ａが設けられ、ビア２３３Ａに埋め込まれるプラグ２３３によって第２層配線２２５と第３層配線２３６とが電気的に接続される。ここで、この第３の配線層２３４のプラグ２３３は、シングルダマシンによって形成される。
【００３２】
つぎに、このような構造を有する半導体装置のビアの製造手順について説明する。なお、他の部分は、従来公知の方法によって製造することができるので、その説明を省略する。図６−１〜図６−５は、図５の第３の層間絶縁膜にシングルダマシンでビアを形成する手順を模式的に示す断面図である。まず、従来公知の方法によって、シリコンなどの半導体の基板２０１上の素子形成領域上の素子分離絶縁膜２で区切られた領域に、ＭＯＳトランジスタなどの素子を形成する。所定の位置にコンタクトホールを形成した第１の層間絶縁膜２１１を、素子が形成された基板２０１上に形成し、その上に第１の配線層を形成する。また、所定の位置にビアを形成した第２の層間絶縁膜２２１と第２の配線層２２３を形成する。なお、第２の配線層２２３の第２層配線２２５は、ダマシン法によって作製されるものとする。さらに、第２の配線層２２３上に、バリア膜２３１、第３の層間絶縁膜２３２、ＴＥＯＳを原料としたＳｉＯ2膜からなるキャップ膜２４１、露光時の意図しない光の反射を防止するＡＲＣ膜２４２を順次積層させる。図６−１は、このようにして作製された半導体装置の第２の配線層２２３以上の断面の一部を模式的に示す図である。
【００３３】
ついで、図６−２に示されるように、ＡＲＣ膜２４２上にレジスト２４３を塗布し、ビアを形成する位置を除去して、マスクを形成する。その後、ＡＲＣ膜２４２をＡＲＣ膜２４２の材料に応じたガスを用いてエッチングする。これにより、ＡＲＣ膜２４２とキャップ膜２４１の上部の一部が除去される。
【００３４】
ついで、半導体装置を図３に示されるプラズマエッチング装置に導入し、実施の形態１で説明したように、所定の流量比率のＣxＦyガスとＨ2ガスと、これらのＣxＦyガスとＨ2ガスの流量の２０％以下のＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスを混ぜたガスを用いてキャップ膜２４１と第２の層間絶縁膜２２１のエッチングを行う。これにより、図６−４に示されるように、キャップ膜２４１と第２の層間絶縁膜２２１内の所定の位置がエッチングされ、穴が形成される。なお、このとき、レジスト２４３上にはフロロカーボン系膜２４４が堆積し、このフロロカーボン系膜２４４によって、レジスト２４３のエッチングが抑えられる。また、ＣxＦyガスとＨ2ガスと、これらのＣxＦyガスとＨ2ガスの流量の２０％以下のＮ2ガス、Ｏ2ガス、ＮＨ3ガス、ＣＯガスのうち少なくとも１つのガスを混ぜることによって、プラズマエッチング装置１００の上部電極１０３にはフロロカーボン系膜２４４の堆積が抑えられる。
【００３５】
その後、バリア膜２３１の材料に応じたエッチング処理を行って、図６−４で形成された穴の底部のバリア膜２３１を除去して、図６−５に示されるように、ＣｕまたはＣｕを含む導電性材料からなる第２層配線２２５を底部に露出させて、ビア２５０を形成する。
【００３６】
その後、フロロカーボン系膜２４４、レジスト２４３、ＡＲＣ膜２４２およびキャップ膜２４１を除去し、作製したビア２５０内にタングステンやＣｕなどの導電性材料を埋め込み、埋め込んだ導電性材料の表面が第３の層間絶縁膜２３２の高さと同じ高さになるように研磨して、絶縁膜２３５を形成し、通常のダマシンプロセスによってＣｕで第３層配線２３６を形成する。以上によって、図５に示される半導体装置が製造される。
【００３７】
なお、この実施の形態２でも、実施の形態１の図４で示したように、（ＣxＦyガス＋Ｈ2ガス）に対するＮ2ガスの流量比を約２０％までの範囲で変化させることで、ビアの直径を約９０〜１５０ｎｍの範囲で変えることができる。また、この実施の形態２によっても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、層間絶縁膜にビアを形成する場合に有用であり、特に、ダマシンプロセスで配線を作製する場合に適している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明が適用される半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図である。
【図２−１】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その１）。
【図２−２】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その２）。
【図２−３】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その３）。
【図２−４】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その４）。
【図２−５】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その５）。
【図２−６】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その６）。
【図２−７】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その７）。
【図２−８】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その８）。
【図２−９】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その９）。
【図２−１０】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その１０）。
【図３】プラズマエッチング装置の構成の一例を模式的に示す図である。
【図４】ＣxＦyガスとＨ2ガスにＮ2ガスを加えた場合のビアの直径とＮ2ガスと（ＣxＦyガス＋Ｈ2ガス）の流量比との関係を示す図である。
【図５】この発明が適用される半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図である。
【図６−１】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その１）。
【図６−２】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その２）。
【図６−３】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その３）。
【図６−４】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その４）。
【図６−５】図１の第３の層間絶縁膜にビアを形成する手順を模式的に示す断面図である（その５）。
【図７】ＣＦ4／Ｈ2のガスの比率が０．５〜１．２よりも大きい場合のビアエッチングの様子を示す図である。
【図８】ＣＦ4／Ｈ2のガスの流量の比率が０．５〜１．２よりも小さい場合のビアエッチングの様子を示す図である。
【図９】ＣＦ4／Ｈ2ガスの流量の比率の違いによるエッチングの特性の違いを示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１，２０１  基板
２，２０２  素子分離絶縁膜
３，２０３  ゲート絶縁膜
４，２０４  ゲート電極
５，２０５  サイドウォール
６，２０６  ソース／ドレイン領域
１１  層間絶縁膜
１２，２２，２１２，２２２，２３３  プラグ
１３，２１３  第１の配線層
１４，２４，２１４，２２４，２３５  絶縁膜
１５，２１５  第１層配線
２１，２３１  バリア膜
２２，２２３  第２の配線層
２３  層間・配線絶縁膜
２４，２２５  第２層配線
２４ａ  配線溝
２５ａ  ビア
４１，２４１  キャップ膜
４２，２４２  ＡＲＣ膜
４３，２４３  レジスト
４４  フロロカーボン系膜
４５  埋め込み材
２１１  第１の層間絶縁膜
２２１  第２の層間絶縁膜
２３２  第３の層間絶縁膜
２３３Ａ  ビア
２３４  第３の配線層
２３６  第３層配線
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図２−４】
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【図２−５】
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【図２−６】
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【図２−７】
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【図２−８】
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【図２−９】
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【図２−１０】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図６−４】
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【図６−５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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