(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上方に第１のＳｉＯ2膜を形成する工程と、
この第１のＳｉＯ2膜の上に有機系低誘電率膜を形成する工程と、
この有機系低誘電率膜の上に第２のＳｉＯ2膜を形成する工程と、
この第２のＳｉＯ2膜をエッチングする工程と、
該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該有機系低誘電率膜をフォーミングガスを用いてエッチングする工程と、
該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該第１のＳｉＯ2膜をエッチングすることにより、該第１、第２のＳｉＯ2膜及び該有機系低誘電率膜に接続孔の少なくとも一部又は溝の少なくとも一部を形成する工程とを具備し、
上記第２のＳｉＯ2膜が該第１のＳｉＯ2膜の厚さより厚く形成される
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板の上方に第１のＳｉＯ2膜を形成する工程と、
この第１のＳｉＯ2膜の上に有機系低誘電率膜を形成する工程と、
この有機系低誘電率膜の上に第２のＳｉＯ2膜を形成する工程と、
この第２のＳｉＯ2膜をエッチングする工程と、
該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該有機系低誘電率膜の一部をＯ2系のガスを用いてエッチングし、該有機系低誘電率膜の残りの部分をフォーミングガスを用いてエッチングする工程と、
該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該第１のＳｉＯ2膜をエッチングすることにより、該第１、第２のＳｉＯ2膜及び該有機系低誘電率膜に接続孔の少なくとも一部又は溝の少なくとも一部を形成する工程とを具備し、
上記第２のＳｉＯ2膜が該第１のＳｉＯ2膜の厚さより厚く形成される
ことを特徴とする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、酸素プラズマ耐性の弱い有機系低誘電率膜自身に接続孔及び溝配線用の溝を形成する際のエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の超ＬＳＩデバイスでは、数ｍｍ角のチップに数百万個以上の素子を集積する必要があるため、従来のような平面的な素子の微細化でこれを実現するのは困難である。従って、配線を２重３重に積み上げる多層配線技術を採用することが不可欠である。従来の多層配線技術では、配線と配線との層間膜としてＳｉＯ2膜が用いられている。
【０００３】
一方、素子の高機能化、デバイスの動作速度の高速化のニーズはとどまるところを知らず、これを満たすプロセス技術の整備が急がれている。その中でも、多層配線構造の採用によって層間容量の低減が重要な課題となる。これは層間容量の低減が信号遅延時間の低減につながるからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような背景から、層間容量低減のための低誘電率層間絶縁膜が注目されている。低誘電率層間絶縁膜には、大別して有機系と無機系があり、無機系の代表であるＳｉＯＦ膜等は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）による成膜の容易さ等もあって、実用化の近い技術として注目されている。一方、有機系材料は、比誘電率εが２〜２．５と低い材料が多く、次世代以降の層間絶縁膜としての実用化の期待も大きい。
【０００５】
このように、半導体装置において低誘電率膜を層間絶縁膜として用いる要望が高まっている。この場合は、有機系低誘電率膜（比誘電率が３．０以下のもの）を回転塗布によって成膜し、この有機系低誘電率膜上に保護膜としてのＳｉＯ2膜をＣＶＤ成膜するのが一般的なプロセスであると考えられる。低誘電率膜を層間絶縁膜として用いることに伴い、有機系低誘電率膜に接続孔や溝配線用の溝を形成する技術が必要となる。
【０００６】
ところで、有機系材料は酸素プラズマに対する耐性に問題のあるものが多い。このため、有機系低誘電率膜に接続孔や溝配線用の溝を形成するためのエッチング工程で、有機系の膜に通常用いられる酸素プラズマを含むプラズマを用いてエッチングをすると、有機系低誘電率膜にエッチング不良が生じることがある。即ち、有機系低誘電率膜が大きく等方的にエッチングされてしまい、接続孔の形状がボーイング形状になったり、部分的に酸素活性種にアタックされて膜質が劣化してしまうことがある。
【０００７】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、層間膜として有機系低誘電率膜を用いた場合、この層間膜におけるエッチング不良を防止できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に第１のＳｉＯ2膜を形成する工程と、この第１のＳｉＯ2膜の上に有機系低誘電率膜を形成する工程と、この有機系低誘電率膜の上に第２のＳｉＯ2膜を形成する工程と、この第２のＳｉＯ2膜をエッチングする工程と、該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該有機系低誘電率膜をフォーミングガスを用いてエッチングする工程と、該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該第１のＳｉＯ2膜をエッチングすることにより、該第１、第２のＳｉＯ2膜及び該有機系低誘電率膜に接続孔の少なくとも一部又は溝の少なくとも一部を形成する工程とを具備し、上記第２のＳｉＯ2膜が該第１のＳｉＯ2膜の厚さより厚く形成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る半導体装置の製造方法では、有機系低誘電率膜をフォーミングガスを用いてエッチングするため、有機系低誘電率膜との反応が進み過ぎることがなく、有機系低誘電率膜に良好な形状の接続孔又は溝の少なくとも一部を形成することができる。
【００１０】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の上方に第１のＳｉＯ2膜を形成する工程と、この第１のＳｉＯ2膜の上に有機系低誘電率膜を形成する工程と、この有機系低誘電率膜の上に第２のＳｉＯ2膜を形成する工程と、この第２のＳｉＯ2膜をエッチングする工程と、該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該有機系低誘電率膜の一部をＯ2系のガスを用いてエッチングし、該有機系低誘電率膜の残りの部分をフォーミングガスを用いてエッチングする工程と、該第２のＳｉＯ2膜をマスクとして該第１のＳｉＯ2膜をエッチングすることにより、該第１、第２のＳｉＯ2膜及び該有機系低誘電率膜に接続孔の少なくとも一部又は溝の少なくとも一部を形成する工程とを具備し、上記第２のＳｉＯ2膜が該第１のＳｉＯ2膜の厚さより厚く形成されることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法では、有機系低誘電率膜のエッチング工程を２ステップ化し、まず有機系低誘電率膜の一部をエッチレートの速いＯ2系のガスを用いてエッチングを行い、この後、有機系低誘電率膜の残りの部分をエッチレートは遅いが良好なエッチング形状を得ることが可能なフォーミングガスを用いてエッチングしている。Ｏ2系のガスを用いたエッチングによりフォーミングガス使用によるスループットの低下をカバーでき、フォーミングガスを用いてエッチングする場合と比べて有機系低誘電率膜のエッチング処理時間を短縮することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図４は、本発明の第１の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【００１３】
先ず、図１に示すように、図示せぬ半導体基板の上にはＡｌ配線１０が形成され、このＡｌ配線１０の上には例えばＣＶＤ法により保護膜としてＳｉＯ2膜１１が堆積される。この後、このＳｉＯ2膜１１の上には例えば回転塗布によってポリアリールエーテル（商品名FLARE1.0X:アライドシグナル社製）等の有機系低誘電率膜１２が成膜される。次に、この有機系低誘電率膜１２の上には例えばＣＶＤ法により保護膜としてＳｉＯ2膜１３が堆積され、このＳｉＯ2膜１３の膜厚はＳｉＯ2膜１１のそれより厚く形成される。この結果、Ａｌ配線１０の上には層間絶縁膜が形成される。この層間絶縁膜は、上層がＳｉＯ2膜１１、中層が有機系低誘電率膜１２、下層がＳｉＯ2膜１３からなる積層構造を有する。尚、ポリアリールエーテルの構造式は以下の通りである。
【００１４】
【化１】
0003959790.tif 000002
【００１５】
次に、このＳｉＯ2膜１３の上にはフォトレジスト（ＰＲ）膜１４が設けられ、このフォトレジスト膜１４にはビアホールを形成するためのパターンが形成される。
【００１６】
この後、図２に示すように、上層のＳｉＯ2膜１３が図示せぬマグネトロンエッチャーを用いてフォトレジスト膜１４をマスクとして以下の条件でエッチングされる。
Ｇas：  Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2      12／150／200／5sccm
Ｐressure ：  ４０ｍＴorr
ＲＦ  Ｐower：  １７００Ｗ
基板設置電極温度：  ２０℃
【００１７】
次に、図３に示すように、ポリアリールエーテルからなる有機系低誘電率膜１２が図示せぬＥＣＲプラズマエッチャーを用いてＳｉＯ2膜１３をマスクとして以下の条件でフォーミングガスによりエッチングされる。この時のエッチングによりレジスト膜１４も同時にエッチング除去される。これはレジスト膜１４が有機系材料で形成されているからである。尚、フォーミングガスとは、Ａｒ又はＮ2にＨ2が含まれたガスをいう。
Ｇas：  Ｎ2／５％Ｈ2      ２０００sccm
Ｐressure ：  ７ｍＴorr
μ波  Ｐower：  １２００Ｗ
基板設置電極温度：  ２５０℃
【００１８】
この後、図４に示すように、下層のＳｉＯ2膜１１がマグネトロンエッチャーを用いて上層のＳｉＯ2膜１３をマスクとして以下の条件でエッチングされる。この時、上層のＳｉＯ2膜１３も下層のＳｉＯ2膜１１と同程度の厚さだけ同時にエッチングされるが、下層のＳｉＯ2膜１１より上層のＳｉＯ2膜１３の方が膜厚を厚く形成しているため、有機系低誘電率膜１２上にＳｉＯ2膜１３は残される。この結果、ＳｉＯ2膜１１、有機系低誘電率膜１２、ＳｉＯ2膜１３からなる層間絶縁膜にはビアホールが形成される。
Ｇas：  Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2 12／150／200／5sccm
Ｐressure ：  ４０ｍＴorr
ＲＦ  Ｐower：  １７００Ｗ
基板設置電極温度：  ２０℃
【００１９】
上記第１の実施の形態によれば、有機系低誘電率膜１２をエッチング加工するためのエッチングガスにフォーミングガスであるＮ2／５％Ｈ2ガスを用いている。このようにＮ2とＨ2成分のエッチングガスを用いると、このガスと有機系低誘電率膜１２との反応が進み過ぎることがなく、ＣＨxやＣＮという形でエッチング反応が進むので、図４に示すように良好な形状のビアホールを形成することができる。
【００２０】
すなわち、有機系の膜に通常用いられる酸素プラズマを含むプラズマを用いて有機系低誘電率膜１２をエッチング（Ｏ2エッチング）すると、酸素による燃焼反応によりエッチング反応が進み過ぎてしまい、図６に示すように、酸素ラジカルによるアタックで有機系低誘電率膜１２の部分が大きく等方的にエッチングされて、ビアホールの形状がボーイング形状になる、部分的に酸素活性種にアタックされて有機系低誘電率膜１２の膜質が劣化するなどのエッチング不良が生じることとなる。しかし、上記のように有機系低誘電率膜１２のエッチングガスとしてフォーミングガスを用いることにより、有機系低誘電率膜１２にエッチング不良を生じることを防止できる。
【００２１】
また、有機系低誘電率膜１２のエッチングガスとしてフォーミングガスを用いることにより、フォトレジスト膜１４も同時にエッチング除去することができる。このため、その後のアッシング工程（フォトレジスト膜１４を気相中で除去する工程）が必要でなくなる。これは工程数を減らすことにつながり、製造コストの低減という効果を生む。
【００２２】
図５は、本発明の第２の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【００２３】
先ず、第１の実施例と同様に、図１に示すように、図示せぬ半導体基板の上にはＡｌ配線１０が形成され、このＡｌ配線１０の上にはＳｉＯ2膜１１が堆積される。この後、このＳｉＯ2膜１１の上にはポリアリールエーテル等の有機系低誘電率膜１２が成膜され、この有機系低誘電率膜１２の上にはＳｉＯ2膜１３が堆積される。次に、このＳｉＯ2膜１３の上にはフォトレジスト膜１４が設けられ、このフォトレジスト膜１４にはビアホール（又はコンタクトホール）を形成するためのパターンが形成される。
【００２４】
次に、図２に示すように、フォトレジスト膜１４をマスクとしてＳｉＯ2膜１３が図示せぬマグネトロンエッチャーを用いて以下の条件でエッチングされる。
Ｇas：    Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2 12／150／200／5sccm
Ｐressure ：  ４０ｍＴorr
ＲＦ  Ｐower：  １７００Ｗ
基板設置電極温度：  ２０℃
【００２５】
この後、有機系低誘電率膜１２が図示せぬＥＣＲプラズマエッチャーを用いて以下のような２ステップのエッチング工程によりエッチングされる。
【００２６】
まず、有機系低誘電率膜１２にステップ１のエッチング工程を施す。
すなわち、図５に示すように、上層のＳｉＯ2膜１３をマスクとして、有機系低誘電率膜１２が以下の条件でＯ2／Ｎ2ガスによりエッチングされる。この時のエッチングは、有機系低誘電率膜１２が下層のＳｉＯ2膜１１に接触する接触面に達する直前に終了させる。つまり、ＳｉＯ2膜１１が露出するまでエッチングするのではなく、有機系低誘電率膜１２を少し残したところでＳＴＥＰ１のエッチングは終了させる。
Ｇas：  Ｏ2／Ｎ2      ２０００／１００sccm
Ｐressure ：  ７ｍＴorr
μ波  Ｐower：  １２００Ｗ
基板設置電極温度：  ２５０℃
【００２７】
次に、有機系低誘電率膜１２にステップ２のエッチング工程を施す。
すなわち、図５に示すような有機系低誘電率膜１２のエッチングのエンドポイント直前の状態でエッチング条件を以下のものに切り替えて、有機系低誘電率膜１２がオーバーエッチングされるまでフォーミングガスによりエッチングを行う。その結果、有機系低誘電率膜１２が図３に示すようにエッチングされる。
Ｇas：  Ｎ2／５％Ｈ2      ２０００sccm
Ｐressure ：  ７ｍＴorr
μ波  Ｐower：  １２００Ｗ
基板設置電極温度：  ２５０℃
【００２８】
この後は、第１の実施の形態と同様に、図４に示すように、下層のＳｉＯ2膜１１がマグネトロンエッチャーを用いて以下の条件でエッチングされる。この結果、ＳｉＯ2膜１１、有機系低誘電率膜１２、ＳｉＯ2膜１３からなる層間絶縁膜にはビアホール（又はコンタクトホール）が形成される。
Ｇas：    Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2        12／150／200／5sccm
Ｐressure ：  ４０ｍＴorr
ＲＦ  Ｐower：  １１００Ｗ
基板設置電極温度：  ２０℃
【００２９】
上記第２の実施の形態では以下のような効果を得ることができる。
【００３０】
有機系低誘電率膜１２のエッチング工程を２ステップ化し、ステップ１で有機系の膜に通常用いられるＯ2エッチングを行い、ステップ２で有機系低誘電率膜１２の残りの部分のエッチングとオーバーエッチングをフォーミングガスにより行っている。このため、有機系低誘電率膜１２のエッチングの際のスループットの低下を防ぐことができる。
【００３１】
すなわち、有機系低誘電率膜１２をフォーミングガスによりエッチングすると、ボーイング形状等のエッチング不良の発生は防止できるが、フォーミングガスプロセスはＯ2エッチングに比べて反応性が低い分、エッチングレートが遅いので、スループットが低下してしまう。具体的には、同じ量の有機系低誘電率膜１２をエッチングするのに、フォーミングガスエッチングではＯ2エッチングの５倍以上の時間を必要とする。しかし、上記のように２ステップ化し、ステップ１でＯ2エッチングにより有機系低誘電率膜１２のエッチングのエンドポイント直前までを短時間でエッチングし、ステップ２で残りの部分をフォーミングガスによりエッチングすることにより、有機系低誘電率膜１２のエッチング処理時間を第１の実施の形態の場合と比較して１／４以下に短縮することができる。したがって、高スループットで且つボーイング形状ではない良好な形状のビアホール又はコンタクトホール（接続孔）を形成することができる。
【００３２】
しかも、ステップ２で、有機系低誘電率膜１２をエッチング加工するためのエッチングガスにフォーミングガスであるＮ2／５％Ｈ2ガスを用いている。このようにＮ2とＨ2成分のエッチングガスを用いると、このガスと有機系低誘電率膜１２との反応が進み過ぎることがなく、ＣＨxやＣＮという形でエッチング反応が進むので、図４に示すように良好な形状のビアホールを形成することができる。
【００３３】
すなわち、有機系の膜に通常用いられる酸素プラズマを含むプラズマを用いて有機系低誘電率膜１２をエッチング（Ｏ2エッチング）すると、酸素による燃焼反応によりエッチング反応が進み過ぎてしまい、図６に示すように、酸素ラジカルによるアタックで有機系低誘電率膜１２の部分が大きく等方的にエッチングされて、ビアホールの形状がボーイング形状になる、部分的に酸素活性種にアタックされて有機系低誘電率膜１２の膜質が劣化するなどのエッチング不良が生じることとなる。しかし、上記のように有機系低誘電率膜１２のエッチングガスとしてフォーミングガスを用いることにより、有機系低誘電率膜１２にエッチング不良を生じることを防止できる。
【００３４】
また、有機系低誘電率膜１２のエッチングガスとしてフォーミングガスを用いることにより、フォトレジスト膜１４も同時にエッチング除去することができる。このため、その後のアッシング工程（フォトレジスト膜１４を気相中で除去する工程）が必要でなくなる。これは工程数を減らすことにつながり、製造コストの低減という効果を生む。
【００３５】
尚、有機系低誘電率膜１２のオーバーエッチングの際に等方的なエッチングがされてボーイング形状が生じると考えられるので、ステップ１でエッチングエンドポイントの直前までのエッチングにＯ2エッチングを用いても接続孔にボーイング形状を生じることはない。
【００３６】
上記第１、第２の実施の形態では、有機系低誘電率膜１２を含む層間絶縁膜にビアホール又はコンタクトホール（接続孔）を形成することに本発明を用いているが、これに限られず、有機系低誘電率膜１２を含む層間絶縁膜をエッチング加工する工程であれば本発明を用いることが可能である。例えば、有機系低誘電率膜１２を含む層間絶縁膜に溝配線用の溝を形成することに本発明を用いることも可能である。
【００３７】
また、上述したエッチング装置、エッチング条件等は一例であるので、本発明の主旨を逸脱しない範囲において適宜変更することも可能である。
【００３８】
また、上記有機系低誘電率膜１２をフォーミングガスを用いてエッチングする際、基板設置電極温度を２５０℃としているが、２５０℃以下の温度であれば他の温度に適宜変更することも可能である。
【００３９】
また、上記有機系低誘電率膜１２をフォーミングガスを用いてエッチングする際、Ｈ2濃度５％のフォーミングガスを用いているが、Ｈ2濃度が５％以上であれば他のＨ2濃度に適宜変更することも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、有機系低誘電率膜を用いた層間膜に高速且つエッチング不良を防止して接続孔又は溝を形成することができ、また、有機系低誘電率膜を第１のＳｉＯ2膜と第２のＳｉＯ2膜とで挟んだ構造に接続孔又は溝を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図２】  本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するものであり、図１の次の工程を示す断面図である。
【図３】  本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するものであり、図２の次の工程を示す断面図である。
【図４】  本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明するものであり、図３の次の工程を示す断面図である。
【図５】  本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
【図６】  有機系低誘電率膜をＯ2エッチングした場合、有機系低誘電率膜にボーイング形状等のエッチング不良が生じることを示す断面図である。
【符号の説明】
１０…Ａｌ配線、１１…ＳｉＯ2膜、１２‥・有機系低誘電率膜（ポリアリールエーテル）、１３…ＳｉＯ2膜、１４…フォトレジスト膜。
【図１】
0003959790.tif 000003
【図２】
0003959790.tif 000004
【図３】
0003959790.tif 000005
【図４】
0003959790.tif 000006
【図５】
0003959790.tif 000007
【図６】
0003959790.tif 000008