(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素化合物を主たる成分とする絶縁物を材料として用いた被エッチング膜上のレジスト膜をパターニングし、該レジスト膜に開口を形成する工程と、
CHF3、CF2+H2、CF4+CHF3、C2F6、C3F8、C4F8、又はCH2F2をプラズマ化し、反応させて、該レジスト膜の表面上にポリマ膜を形成する工程と、
少なくとも前記レジスト膜の開口の側壁に前記ポリマ膜が残るように、アルゴンガスのプラズマを用いたエッチングにより該開口の底部の表面上の該ポリマ膜を除去する工程と、
フッ素含有ガスを用い、該レジスト膜の開口を通して該被エッチング膜を全膜厚の途中まで等方性エッチングする工程と、
該レジスト膜の開口を通して該被エッチング膜の残りの膜厚を異方性エッチングする工程とを有することを特徴とするエッチング方法。
【請求項２】
前記ポリマ膜の除去は、平行平板型反応性イオンエッチング装置を用いることを特徴とする請求項1に記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記ポリマ膜は、１０nm以下の膜厚であって、フッ素が透過しないような膜厚を有することを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記等方性エッチングは、ダウンフローエッチング装置を用いることを特徴とする請求項1乃至請求項３のいずれかに記載のエッチング方法。
【請求項５】
前記異方性エッチングは、平行平板型反応性イオンエッチング装置を用いることを特徴とする請求項1乃至請求項４のいずれかに記載のエッチング方法。
【請求項６】
前記フッ素含有ガスは、NF3、CF4＋CHF3、CF4＋O2、又はSF6＋O2であることを特徴とする請求項1乃至請求項５のいずれかに記載のエッチング方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のエッチング方法により半導体基板上の絶縁膜にコンタクトホールを形成し、又は配線層上の層間絶縁膜にビアホールを形成す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、エッチング方法及び半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、被エッチング体上に形成されたレジスト膜の開口を通してフッ素含有ガスを用いた等方性エッチングを行い、引き続き同じ開口を通して異方性エッチングを行って被エッチング体にテーパを有する開口を形成するエッチング方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体装置の製造方法において層間絶縁膜にコンタクトホールやビアホールを形成する場合、図９（ａ）〜（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜３上に形成したレジスト膜４の開口５を通して、例えばＣＦ4 ＋Ｏ2 やＮＦ3 を用いたダウンフロードライエッチングにより等方性エッチングを行ってシリコン酸化膜３の全膜厚の約半分の膜厚を除去し、凹部６ａを形成した後、さらに同じレジスト膜４の開口５を通して反応性イオンエッチングによりシリコン酸化膜３の残りの膜厚を異方性エッチングし、凹部６ａの下で凹部６ａに繋がり、かつ凹部６ａより幅の狭い開口６ｂを形成する。これにより、開口縁部にテーパ６ａを有するコンタクトホール６が形成される。なお、１は半導体基板、２は拡散層である。
【０００３】
このようなコンタクトホール６では、等方性エッチングによりコンタクトホール５の開口縁部にテーパ６ａが形成されるため、Ａｌ配線６の段差被覆率（ステップカバレージ）が良い。図１０（ａ），（ｂ）は、反応性イオンエッチングのみによる異方性エッチングを行ってコンタクトホール８を形成し、そのコンタクトホール８を被覆するＡｌ配線７ａを形成する方法を示す断面図である。図９（ｄ）と図１０（ｂ）を比較するとＡｌ配線６の段差被覆率の改善効果は顕著である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図９（ａ）〜（ｄ）に示すドライエッチング方法では、コンタクトホール６（６ｂ）の内径が大きくなってしまう。一例として等方性エッチング前のレジスト膜の開口の内径が０．６μｍであったものが、異方性エッチング後に形成されたコンタクトホール６（６ｂ）の内径は０．９μｍとなった。このため、微細なコンタクトホールを形成する場合に問題となる。これは、図３（ｂ）に示すように、等方性エッチングの際にレジスト膜４の表面に物理的強度の弱いフッ化レジスト層が形成され、その後同じレジスト膜４の開口５ａを通して異方性エッチングを行った場合、イオン照射による物理的衝撃によってフッ化レジスト層が剥がれ落ちてしまい、その結果広がったレジスト膜４の開口５ａの内径に従ってシリコン酸化膜３の開口６ｂが形成されるためである。
【０００５】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、フッ素含有ガスを用い、レジストマスクに従ってエッチングを行う際、エッチングによるレジストマスクの開口の拡大を抑制することが可能なエッチング方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、第１の発明である、珪素化合物を主たる成分とする絶縁物を材料として用いた被エッチング膜上のレジスト膜をパターニングし、該レジスト膜に開口を形成する工程と、CHF3、CF2+H2、CF4+CHF3、C2F6、C3F8、C4F8、又はCH2F2をプラズマ化し、反応させて、該レジスト膜の表面上にポリマ膜を形成する工程と、少なくとも前記レジスト膜の開口の側壁に前記ポリマ膜が残るように、アルゴンガスのプラズマを用いたエッチングにより該開口の底部の表面上の該ポリマ膜を除去する工程と、フッ素含有ガスを用い、該レジスト膜の開口を通して該被エッチング膜を全膜厚の途中まで等方性エッチングする工程と、該レジスト膜の開口を通して該被エッチング膜の残りの膜厚を異方性エッチングする工程とを有することを特徴とするエッチング方法によって解決され、
第２の発明である、前記ポリマ膜の除去は、平行平板型反応性イオンエッチング装置を用いることを特徴とする第１の発明に記載のエッチング方法によって解決され、
第３の発明である、前記ポリマ膜は、１０nm以下の膜厚であって、フッ素が透過しないような膜厚を有することを特徴とする第１の発明又は第２の発明のいずれかのエッチング方法によって解決され、
第４の発明である、前記等方性エッチングは、ダウンフローエッチング装置を用いることを特徴とする第１の発明乃至第３の発明のいずれかに記載のエッチング方法によって解決され、
第５の発明である、前記異方性エッチングは、平行平板型反応性イオンエッチング装置を用いることを特徴とする第１の発明乃至第４の発明のいずれかに記載のエッチング方法によって解決され、
第６の発明である、前記フッ素含有ガスは、NF3、CF4＋CHF3、CF4＋O2、又はSF6＋O2であることを特徴とする第１の発明乃至第５の発明のいずれかに記載のエッチング方法によって解決され、
第７の発明である、第１の発明乃至第６の発明のいずれかに記載のエッチング方法により半導体基板上の絶縁膜にコンタクトホールを形成し、又は配線層上の層間絶縁膜にビアホールを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決される。
【０００７】
本願発明者は、従来例において異方性エッチングの後にレジスト膜の開口の内径が広がってしまう原因について調査した。それによれば、フッ素含有ガスを用いた等方性ドライエッチング、特にダウンフローエッチングを行うと、レジスト膜の表層にフッ化したレジスト層が形成される。このフッ化したレジスト層はフッ化していないレジスト層に比べて反応性イオンエッチングに対する耐性が弱い。このため、反応性イオンエッチングを行っている途中で、活性化した反応ガスによる物理的な衝撃或いは化学的な反応によって、フッ化したレジスト層が除去されてしまい、レジスト膜の開口の内径が広がってしまうからであると考えられる。
【０００８】
本発明のドライエッチング方法においては、絶縁膜、特に珪素化合物を主成分とする被エッチング材料からなる絶縁膜にテーパを有する開口を形成するためフッ素含有ガスを用いた等方性エッチングとそれに続く異方性エッチングの２段階エッチングが必要な場合、等方性エッチングの前にレジスト膜の開口の側壁にポリマ膜を形成している。従って、フッ素含有ガスによりレジスト膜の開口を通して被エッチング体を等方性エッチングしてもレジスト膜の開口の側壁にフッ化したレジスト層が形成されず、これにより、続く異方性エッチングの際エッチングによるレジスト膜の開口の拡大を抑制することができる。
【０００９】
更に、ポリマ膜の膜厚を１０ｎｍ以下であってフッ素を透過させないような膜厚としているので、レジスト膜の開口は当初と比べて殆ど狭くならず、レジスト膜の開口を通して被エッチング体を精度良くエッチングすることができる。
また、フッ素含有ガスを用いたエッチングを行う前にレジスト膜の開口の側壁にポリマ膜を形成している。従って、レジスト膜の表層にフッ化したレジスト層が形成されるのを防止し、エッチングによりレジスト膜の開口が広がるのを抑制することができる。
【００１０】
更に、ポリマ膜の膜厚を１０ｎｍ以下としているので、レジスト膜の開口は当初と比べて殆ど狭くならず、レジスト膜の開口を通して被エッチング体を精度良くエッチングすることができる。開口幅の縮小率は、例えば、０．６μｍ、即ち６００ｎｍの開口幅の場合３％程度に止まり、０．３μｍ、即ち３００ｎｍの開口幅の場合７％弱の縮小率に止まる。実際には、続く異方性エッチングの際に若干開口径が広がる傾向にあるので、実用上の開口幅の変化は殆どなく、パターン精度は極めて良いといえる。
【００１１】
また、半導体基板上の絶縁膜にコンタクトホールを形成し、又は配線層を被覆する層間絶縁膜にビアホールを形成する半導体装置の製造方法に本発明のドライエッチング方法を適用することにより、コンタクトホールやビアホールの拡大を抑制してパターンの微細化を図り、半導体装置の高密度化を図ることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、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。
（１）第１の実施の形態
図１（ａ）〜（ｄ），図２（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係るドライエッチング方法を示す断面図である。図７は本発明で用いたダウンフローエッチング装置の概略を示す側面図であり、図８は本発明で用いた平行平板型反応性イオンエッチング装置の概略を示す側面図である。
【００１３】
図１（ａ）は、被エッチング体としてのシリコン酸化膜１３上にパターニングされたレジストマスク１４が形成された後の状態を示す。レジストマスク１４にはコンタクトホールを形成すべき領域に開口１５が形成されている。
即ち、シリコン基板１１に拡散層１２を形成した後、シリコン基板１１表面に熱酸化により膜厚約８００ｎｍのシリコン酸化膜１３を形成する。
【００１４】
次に、シリコン酸化膜１３の上に回転塗布法によりレジストを塗布し、膜厚約１．２μｍのレジスト膜を形成する。
次いで、コンタクトホールを形成すべき領域に開口を形成するため、ホトマスクを用いてレジスト膜を露光する。続いて、有機溶剤により現像すると、コンタクトホールを形成すべき領域に直径０．６μｍの開口１５を有するレジストマスク１４が形成される。
【００１５】
次に、レジスト膜を温度１７０℃でベーキングし、硬化させる。なお、レジスト膜の種類により、ベーキング温度は異なってくる。例えば、ディープＵＶレジストの場合１１０℃，ｉ線用レジストの場合１７０℃，ｇ線用レジストの場合１１０℃，電子線用レジストの場合１１０℃，Ｘ線用レジストの場合１１０〜１５０℃である。上記レジストは、必要に応じてＵＶキュアをかけながら２００℃程度までベーキングされる。
【００１６】
次いで、図７のマイクロ波ダウンフローエッチング装置のエッチング室３５内にレジストマスク１４が形成されたシリコン基板１１を入れ、温調試料台３７に載せた後、プラズマ生成室３４内及びエッチング室３５内を減圧する。同時にシリコン基板１１を加熱し、温度１５０℃に保持する。
所定の圧力に達した後、流量７００ＳＣＣＭのＣＨＦ3 ガスを導入し、圧力を１Ｔｏｒｒに保持する。
【００１７】
次に、マイクロ波電源３１からマイクロ波導波管３２及びマイクロ波透過窓３３を介してプラズマ生成室３４内に電力１．４ｋＷのマイクロ波を供給してＣＨＦ3 ガスをプラズマ化する。このとき、マイクロ波ダウンフローエッチング装置を用いているため、生成されるプラズマ密度が比較的低く、ポリマの形成に好適である。プラズマ密度が高くなると、ガスの解離が進み、ポリマが形成されにくくなるためである。なお、他に容量結合型のイオンエッチング装置も生成されるプラズマ密度が比較的低く、ポリマの形成に好適な装置である。
【００１８】
この状態を６０秒間保持すると、図１（ｂ）に示すように、レジストマスクの上面及び開口の側壁に膜厚約５ｎｍのポリマ膜１６が形成される。このとき、同時にレジストマスク１４の開口１５の底部のシリコン酸化膜１３表面にもポリマ膜１６が堆積する。なお、ポリマ膜１６の形成の際、チャンバ壁等にもポリマ膜が堆積される。ポリマが繰り返し堆積され、膜厚が厚くなってくると剥がれてパーティクルの発生原因となるので、定期的にチャンバ内で酸素プラズマを生成してチャンバ壁等に付着したポリマを灰化し、除去することが必要である。従って、ポリマ膜を形成する装置は酸素プラズマを発生させる手段を備えていることが望ましい。
【００１９】
次に、以下に説明する方法により、図１（ｃ）に示すように、レジストマスク１４の開口１５の底部のポリマ膜１６をＡｒガスのプラズマを用いて物理的に除去する。化学的な反応を起こさないＡｒガスを用いるのは、折角被着した開口１５の側壁のポリマ膜１６がエッチングガスとの反応により除去されないようにするためである。従って、エッチングガスとしてＡｒに限らず、他の不活性ガスを用いてもよい。
【００２０】
この場合、図８に示す平行平板型反応性イオンエッチング装置のエッチング室４５内にシリコン基板１１を入れ、電極４３上に載せた後、エッチング室４５内を減圧する。所定の圧力に達した後、エッチング室４５内に流量５００ＳＣＣＭのＡｒガスを導入し、圧力を０．１Ｔｏｒｒに保持する。
次いで、電力６００Ｗ（３．４Ｗ／ｃｍ2 ）の高周波を対向電極４４に印加してＡｒガスをプラズマ化する。この状態を１５秒間保持すると、レジストマスク１４の開口１５の底部のポリマ膜１６が除去され、シリコン酸化膜１３が表出する。このとき、同時にレジストマスク１４の上面のポリマ膜１６も除去されるが、少なくともレジストマスク１４の開口１５の側壁にはポリマ膜１６ａが残るので、問題はない。
【００２１】
次に、ダウンフローエッチング装置のエッチング室３５内にシリコン基板１１を入れて、減圧し、シリコン基板１１の温度を１５０℃に保持する。続いて、流量４００ｓｃｃｍのＣＦ4 ガスと流量１００ｓｃｃｍのＯ2 ガスの混合ガスをエッチング室３５の上流にあるプラズマ生成室３４内に導入する。エッチング室３５内の圧力を１Ｔｏｒｒに保持し、マイクロ波パワー１．４ｋＷをプラズマ生成室３４のＣＦ4 ＋Ｏ2 の混合ガスに印加する。マイクロ波の導入によりＯ2 ガス及びＣＦ4 ガスが活性化し、フッ素ラジカルが生成される。生成されたフッ素ラジカルにより、図１（ｄ）に示すように、レジストマスク１４の開口を通してシリコン酸化膜１３が等方性エッチングされる。このとき、シリコン酸化膜１３のエッチング量を全膜厚の約半分程度約４００ｎｍとし、その膜厚をエッチングするためこの状態を６０秒間保持する。これにより、シリコン酸化膜１３には開口１５の縁がレジストマスク１４の下まで広がった直径約１．４μｍの凹部１７ａが形成される。なお、レジストマスク１４の開口１５の側壁にはポリマ膜１６ａが形成されているので、レジストマスク１４の開口１５の側壁にフッ化したレジスト層が形成されない。但し、レジストマスク１４の上面はポリマ膜で被覆されていないので、その表層がフッ化することは避けられないが、問題はない。図中、１８はレジストマスク１４の上面表層に形成されたフッ化したレジスト層を示す。
【００２２】
次いで、平行平板型反応性イオンエッチング装置のチャンバ内の対向電極の一方の電極上に、レジストマスク１４がそのまま残されたシリコン基板１１を載せて、減圧し、シリコン基板１１の温度を２５℃に保持する。続いて、流量４４ｓｃｃｍのＣＦ4 と流量５７ｓｃｃｍのＣＨＦ3 の混合ガスをチャンバ内に導入し、圧力０．１Ｔｏｒｒに保持する。
【００２３】
次いで、対向電極間にＲＦパワー６００Ｗ（３．４Ｗ／ｃｍ2 ）を印加して混合ガスをプラズマ化する。このプラズマガスにより、図２（ａ）に示すように、レジストマスク１４の開口１５を通してシリコン酸化膜１３の残りの膜厚を異方性エッチングする。
このとき、レジストマスク１４の開口１５の側壁にはポリマ膜１６ａが形成されてレジストマスク１４の耐性が改善されているため、図３（ａ）に示すように、ＣＦ4 ＋ＣＨＦ3 によりレジストマスク１４の開口１５の側壁はエッチングされない。但し、レジストマスク１４の上面の表層にはフッ化したレジスト層１８が形成されているので、その表層は多少エッチングされるが、問題はない。
【００２４】
また、レジストマスク１４の開口１５の幅はポリマ膜１６ａの膜厚により直径で約１０ｎｍ狭く、約０．５９μｍとなっているが、当初の開口幅０．６μｍと比べて殆ど変化がない。その開口１５を通して異方性エッチングすることにより、凹部１７ａの下でその凹部１７ａと繋がり、かつ凹部１７ａの幅よりも狭い直径約０．５９μｍの開口１７ｂが形成される。
【００２５】
これにより、開口１７ｂの縁部にテーパを有するコンタクトホール１７が形成される。図３（ｂ）に示す従来の場合当初と比べて直径で約＋０．３μｍの開口の拡大があったのと比較して、大幅にパターン精度の向上を図ることができ、パターンのより微細化を図ることができた。
その後、図２（ｂ）に示すように、Ａｌ膜を形成した後、パターニングし、コンタクトホール１７を通して拡散層１２と接続する配線層１９を形成する。
【００２６】
以上のように、第１の実施の形態のドライエッチング方法においては、フッ素含有ガスを用いた等方性エッチングの前にレジストマスク１４の開口１５の側壁にフッ素を透過させないような膜厚５ｎｍのポリマ膜１６を形成している。
従って、フッ素含有ガスを用い、レジストマスク１４の開口１５を通してシリコン酸化膜１３を等方性エッチングしてもレジストマスク１４の開口１５の側壁にフッ化したレジスト層が形成されず、これにより、続く異方性エッチングの際エッチングによるレジストマスク１４の開口１５の拡大を抑制することができる。
【００２７】
また、ポリマ膜１６ａの膜厚が５ｎｍと薄いので、レジストマスク１４の開口１５は当初と比べて殆ど狭くならず、その開口１５を通してシリコン酸化膜１３を精度良くエッチングすることができる。
更に、上記ドライエッチング方法によりシリコン基板１１上のシリコン酸化膜１３にコンタクトホール１７を形成しているので、コンタクトホール１７の拡大を防止してパターンの微細化を図り、半導体装置の高密度化を図ることが可能となる。
【００２８】
（２）第２の実施の形態
第１の実施の形態と異なるところは、ポリマ膜を形成するためＣＨＦ3 ガスの代わりにＣＦ4 ＋ＣＨＦ3 ガスを用いていることであり、また、ポリマ膜の形成と、Ａｒガスによるレジストマスクの開口の底部のポリマ膜の除去とを別々の方法・装置により行う代わりに、両方の処理をともに反応性イオンエッチング装置を用いて連続的に行っていることである。
【００２９】
第２の実施の形態について図４（ａ），（ｂ）を参照しながら以下に説明する。
第１の実施の形態における図１（ａ）の工程の後、まず、平行平板型反応性イオンエッチング装置のエッチング室４５内に開口１５を有するレジストマスク１４が形成されたシリコン基板１１を入れた後、減圧する。このとき、シリコン基板１１を加熱しない。
【００３０】
所定の圧力に達した後、流量４４ｓｃｃｍのＣＦ4 と流量５７ｓｃｃｍのＣＨＦ3 の混合ガスを導入し、圧力を０．３Ｔｏｒｒに保持する。次いで、電力５００Ｗ（２．８Ｗ／ｃｍ2 ）の高周波を印加してＣＦ4 ＋ＣＨＦ3 ガスをプラズマ化する。
この状態を６０秒間保持すると、図４（ａ）に示すように、レジストマスク１４の上面及び開口１５の側壁に膜厚約５ｎｍのポリマ膜１６ｂが形成される。なお、このときレジストマスク１４の開口１５の底部のシリコン酸化膜１３表面にもポリマ膜１６ｂが堆積する。
【００３１】
次いで、図４（ｂ）に示すように、引き続き、平行平板型反応性イオンエッチング装置のエッチング室４５内にシリコン基板１１を入れたままレジストマスク１４の開口１５の底部のポリマ膜１６をＡｒガスのプラズマを用いて物理的に除去する。
即ち、エッチング室４５内を減圧して所定の圧力に達した後、流量５００ＳＣＣＭのＡｒガスを導入し、圧力を０．１Ｔｏｒｒに保持する。
【００３２】
次に、電力６００Ｗ（３．４Ｗ／ｃｍ2 ）の高周波を印加してＡｒガスをプラズマ化する。この状態を１５秒間保持すると、レジストマスク１４の開口１５の底部のポリマ膜１６が除去され、シリコン酸化膜１３が表出する。このとき、レジストマスク１４の開口１５の側壁にはポリマ膜１６ｃが残る。
その後、第１の実施の形態と同様な工程を経て、テーパ１７ａを有するコンタクトホール１７を形成し、更に配線層１９を形成し、コンタクトホール１７を通して拡散層１２と接続する。
【００３３】
以上のように、第２の実施の形態によれば、ＣＦ4 ＋ＣＨＦ3 ガスを用いてレジストマスク１４の開口１５の側壁にポリマ膜１６ｃを形成している。
この場合にも、第１の実施の形態と同様に、レジストマスク１４の開口１５の側壁にポリマ膜１６ｃが形成されているので、等方性エッチングの際フッ化したレジスト層の形成を抑制することができる。このため、異方性エッチングの際プラズマ中のイオンによる物理的な衝撃或いは化学的な反応に起因するレジストマスク１４の開口１５の内径の拡大が抑制される。
【００３４】
しかも、ポリマ膜１６ｃの膜厚が５ｎｍと薄いので、レジストマスク１４の開口１５は殆ど狭くならず、その開口１５を通してコンタクトホール１７を精度良くパターニングすることができる。これにより、パターンの微細化を図り、半導体装置の高密度化を図ることが可能となる。
（３）第３の実施の形態
上記第１及び第２の実施の形態では、レジストマスク１４の開口１５の側壁にポリマ膜１６ａ，１６ｃを形成する際、レジストマスク１４の開口１５の底部にポリマ膜１６が形成されたが、第３の実施の形態ではポリマ膜１６ｄの堆積条件の調整によりレジストマスク１４の開口１５の底部にポリマ膜が形成されないようにしている。この場合、レジストマスク１４の上面及び開口１５の側壁にのみポリマ膜１６ｄが形成される。
【００３５】
第３の実施の形態について図５（ａ），（ｂ）を参照しながら説明する。
図１（ａ）の工程を経た後、図５（ａ）に示すように、マイクロ波ダウンフローエッチング装置のエッチング室３５内に開口１５を有するレジストマスク１４が形成されたシリコン基板１１を入れた後、減圧する。同時にシリコン基板１１を加熱し、温度１５０℃に保持する。
【００３６】
所定の圧力に達した後、流量７００ＳＣＣＭのＣＨＦ3 ガスを導入し、圧力を０．８Ｔｏｒｒに保持する。次いで、電力１．４ｋＷのマイクロ波を印加してＣＨＦ3 ガスをプラズマ化する。
この状態を４５秒間保持すると、レジストマスク１４の上面及び開口１５の側壁に膜厚約３ｎｍのポリマ膜１６ｄが形成される。なお、このときレジストマスク１４の開口１５の底部のシリコン酸化膜１３表面にはポリマ膜が堆積しない。
【００３７】
この場合はレジストマスク１４の開口１５の底部のポリマ膜を除去する必要はないので、マイクロ波ダウンフローエッチング装置のエッチング室３５内にシリコン基板１１を入れたまま直ちに開口１５を通してシリコン酸化膜１３を等方性エッチングする。即ち、シリコン基板１１を加熱し、温度１５０℃に保持する。続いて、流量４００ＳＣＣＭのＣＦ4 ガスと流量１００ＳＣＣＭのＯ2 ガスとをエッチング室３５の上流にあるプラズマ生成室３４内に導入する。エッチング室３５内の圧力を１Ｔｏｒｒに保持し、マイクロ波パワー１．４ｋＷをプラズマ生成室３４のＣＦ4 ＋Ｏ2 の混合ガスに印加する。マイクロ波の導入によりＯ2 ガス及びＣＦ4 ガスが活性化し、フッ素ラジカルが生成される。生成されたフッ素ラジカルにより、図５（ｂ）に示すように、レジストマスク１４の開口１５を通してシリコン酸化膜１３が等方性エッチングされる。このとき、シリコン酸化膜１３のエッチング量を全膜厚の約半分程度約４００ｎｍとし、その膜厚をエッチングするためこの状態を６０秒間保持する。これにより、シリコン酸化膜１３には開口１５の縁がレジストマスク１４の下まで広がった直径約１．４μｍの凹部１７ａが形成される。なお、レジストマスク１４の開口１５の側壁にはポリマ膜１６ｄが形成されているので、レジストマスク１４の開口１５の側壁にフッ化したレジスト層が形成されるのを抑制することができる。
【００３８】
その後、第１の実施の形態と同様な工程を経て、コンタクトホール１７を形成し、さらに配線層１９を形成し、コンタクトホール１７を通して拡散層１２と接続する。
以上のように、第３の実施の形態によれば、レジストマスク１４の開口１５の底部にポリマ膜が形成されないので、第１及び第２の実施の形態で説明したような不活性ガスによるエッチングを省略することができ、工程の簡略化を図ることができる。
【００３９】
また、ＣＦ4 ＋Ｏ2 を用いた等方性エッチング工程の前にレジストマスク１４の開口１５の側壁にポリマ膜１６ｄを形成しているので、フッ素含有ガスを用いた等方性エッチングの際、レジストマスク１４の開口１５の側壁にフッ化したレジスト層が形成されるのを抑制することができる。これにより、異方性エッチングの際プラズマ中のイオンによる物理的な衝撃或いは化学的な反応に起因するレジストマスク１４の開口１５の側壁のエッチングが抑えられ、レジストマスク１４の開口１５の内径の拡大が抑制される。
【００４０】
また、ポリマ膜の膜厚が３ｎｍと薄いので、レジストマスク１４の開口１５は当初と比べて殆ど狭くならない。このため、その開口１５を通してコンタクトホール１７を精度良く形成することができ、パターンの微細化を図ることができる。
（４）第４の実施の形態
上記第１乃至第３の実施の形態では、シリコン基板１１上のシリコン酸化膜１３にコンタクトホール１７を形成する場合に本発明を適用しているが、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、下部配線層２３を被覆する層間絶縁膜２４にビアホール２８を形成する場合にも適用することができる。
【００４１】
図６（ａ）は層間絶縁膜２４のエッチングの前であって、ポリマ膜２７を形成した後の状態を示す断面図である。同図に示すように、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜からなる下地絶縁膜２２が形成され、下部配線層２３が形成されている。さらにＡｌ膜からなる下部配線層２３を被覆してシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜２４がＣＶＤ法等により形成されている。また、下部配線層２３上のビアホールを形成すべき領域に開口２６を有するレジストマスク２５が層間絶縁膜２４上に形成されている。更に、第１の実施の形態の場合と同様な方法及び条件でポリマ膜２７を形成する。これにより、レジストマスク２５の上面及び開口２６の側壁、そして開口２６の底部の層間絶縁膜２４の表面はポリマ膜２７で被覆される。
【００４２】
この様な状態で、図６（ｂ）に示すように、レジストマスク２５の開口２６の底部のポリマ膜２７をＡｒガスのプラズマを用いて物理的に除去する。即ち、平行平板型反応性イオンエッチング装置のエッチング室４５内にシリコン基板２１を入れて減圧する。所定の圧力に達した後、流量５００ＳＣＣＭのＡｒガスを導入し、圧力を０．１Ｔｏｒｒに保持する。
【００４３】
次いで、電力６００Ｗ（３．４Ｗ／ｃｍ2 ）の高周波を印加してＡｒガスをプラズマ化する。この状態を１５秒間保持すると、レジストマスク２５の開口２６の底部のポリマ膜２７が除去され、層間絶縁膜２４が表出する。このとき、同時にレジストマスク２５の上面のポリマ膜２７も除去されるが、少なくともレジストマスク２５の開口２６の側壁にはポリマ膜２７ａが残っているので、問題はない。
【００４４】
次に、ダウンフローエッチング装置のエッチング室３５内にシリコン基板２１を入れて、減圧し、シリコン基板２１の温度を１５０℃に保持する。続いて、流量４００ＳＣＣＭのＣＦ4 ガスと流量１００ＳＣＣＭのＯ2 ガスとの混合ガスをエッチング室３５の上流にあるプラズマ生成室３４内に導入する。エッチング室３４内の圧力を１Ｔｏｒｒに保持し、マイクロ波パワー１．４ｋＷをプラズマ生成室３４のＣＦ4 ＋Ｏ2 の混合ガスに印加する。マイクロ波の導入によりＯ2 ガス及びＣＦ4 ガスが活性化し、フッ素ラジカルが生成される。生成されたフッ素ラジカルにより、図６（ｃ）に示すように、レジストマスク２５の開口２６を通して層間絶縁膜２４が等方性エッチングされる。このとき、層間絶縁膜２４のエッチング量を全膜厚の約半分程度約４００ｎｍとするためこの状態を６０秒間保持する。これにより、層間絶縁膜２４には開口２６の縁がレジストマスク２５の下まで広がった直径約１．４μｍの凹部２８ａが形成される。なお、レジストマスク２５の開口２６の側壁にはポリマ膜２７ａが形成されているので、レジストマスク２５の開口２６の側壁にフッ化したレジスト層が形成されるのを防止することができる。但し、レジストマスク２５の上面はポリマ膜で被覆されていないので、その表層にフッ化したレジスト層２９が形成されるが、問題はない。
【００４５】
次いで、平行平板型反応性イオンエッチング装置のエッチング室４５内の電極４３の上に、レジストマスク２５がそのまま残されたシリコン基板２１を載せて、減圧する。同時に、シリコン基板２１を加熱して温度２５℃に保持する。
続いて、流量４４ｓｃｃｍのＣＦ4 と流量５７ｓｃｃｍのＣＨＦ3 の混合ガスをエッチング室４５内に導入し、圧力０．１Ｔｏｒｒに保持する。
【００４６】
次いで、電極４３と対向電極４４の間にＲＦパワー６００Ｗ（３．４Ｗ／ｃｍ2 ）を印加して混合ガスをプラズマ化する。このプラズマガスにより、図６（ｄ）に示すように、レジストマスク２５の開口２６を通して層間絶縁膜２４の残りの膜厚を異方性エッチングする。
このとき、レジストマスク２５の開口２６の側壁にはポリマ膜２７ａが形成されてレジストマスク２５の耐性が改善されているため、ＣＦ4 ＋ＣＨＦ3 によりレジストマスク２５の開口２６の側壁はエッチングされない。但し、レジストマスク２５の上面の表層はフッ化したレジスト層２９が形成されているので、多少エッチングされるが、問題はない。
【００４７】
また、レジストマスク２５の開口２６の幅はポリマ膜２７ａの膜厚により直径で約１０ｎｍ狭く、約０．５９μｍとなっているが、当初の開口幅０．６μｍと比べて殆ど変化がない。その開口２６を通して異方性エッチングすることにより、凹部２８ａの下でその凹部２８ａと繋がり、かつ凹部２８ａの幅よりも狭い直径約０．５９μｍの開口２８ｂが形成される。
【００４８】
これにより、開口２８ｂの縁部にテーパを有するビアホール２８が形成される。従来の場合と比べて、大幅にパターン精度の向上を図ることができ、パターンのより微細化を図ることができた。
その後、第１の実施の形態と同様な工程を経て、上部配線層を形成し、ビアホール２８を通して下部配線層２３と接続する。
【００４９】
以上のように、第４の実施の形態によれば、ＣＦ4 ＋Ｏ2 ガスを用いた等方性エッチングの前に、レジストマスク２５の開口２６の側壁にフッ素を透過させないような膜厚のポリマ膜２７ａを形成している。
従って、レジストマスク２５の開口２６の側壁の反応性イオンエッチングに対する耐性が改善されるので、異方性エッチングの際プラズマ中のイオン衝撃等による開口２６の側壁の後退が抑えられ、レジストマスク２５の開口２６の内径の拡大が抑制される。これにより、レジストマスク２５に従ってコンタクトホール２７を精度良くパターニングすることができ、パターンの微細化を図ることができる。
【００５０】
なお、被エッチング体として、第１乃至第３の実施の形態では熱酸化によるシリコン酸化膜１３を用い、第４の実施の形態ではＣＶＤ法によるシリコン酸化膜２４を用いているが、他の種類の絶縁膜を用いてもよい。この場合、エッチングのためのマスクとしてレジストマスクを用い、かつ等方性エッチングのエッチングガスとしてフッ素含有ガスを用いるものであればよい。
【００５１】
また、ポリマ膜を形成するための反応ガスとしてＣＨＦ3 、ＣＦ4 ＋ＣＨＦ3 を用いているが、ＣＦ4 ＋Ｈ2 、Ｃ2 Ｆ6 、Ｃ3 Ｆ8 、Ｃ4 Ｆ10、又はＣＨ2 Ｆ2 を用いてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明のエッチング方法においては、テーパを有する開口を形成するために等方性及び異方性エッチングの２段階エッチングが必要な場合に、等方性エッチングの前にレジスト膜の開口の側壁にポリマ膜を形成している。従って、フッ素含有ガスを用い、レジスト膜の開口を通して被エッチング体を等方性エッチングした場合、レジスト膜の開口の側壁にフッ化したレジスト層が形成されるのを防止することができ、これにより、続く異方性エッチングの際エッチングによるレジスト膜の開口の拡大を抑制することができる。
【００５３】
また、ポリマ膜の膜厚が１０ｎｍ以下と薄いので、レジスト膜の開口は当初と比べて殆ど狭くならず、レジスト膜の開口を通して被エッチング体を精度良くエッチングすることができる。
更に、半導体基板上の絶縁膜にコンタクトホールを形成し、又は配線層を被覆する層間絶縁膜にビアホールを形成する半導体装置の製造方法に本発明のエッチング方法を適用することにより、コンタクトホールやビアホールの拡大を防止してパターンの微細化を図り、半導体装置の高密度化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るドライエッチング方法について示す断面図（その１）である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るドライエッチング方法について示す断面図（その２）である。
【図３】本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法と従来のドライエッチング方法によるレジストマスクの断面形状の比較について示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るドライエッチング方法について示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係るドライエッチング方法について示す断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係るドライエッチング方法について示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法に用いられるダウンフローエッチング装置について示す側面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係るドライエッチング方法に用いられる平行平板ＲＩＥ装置について示す側面図である。
【図９】従来例に係るドライエッチング方法について示す断面図である。
【図１０】他の従来例に係るドライエッチング方法について示す断面図である。
【符号の説明】
１１，２１  シリコン基板、
１２  拡散層、
１３，２２，２４  シリコン酸化膜、
１４，２５  レジストマスク、
１５，１７ｂ，２６，２８ｂ  開口、
１７ａ，２８ａ  凹部、
１９  配線層、
１６，１６ａ〜１６ｄ，２７，２７ａ  ポリマ膜、
１７  コンタクトホール、
２２  下地絶縁膜、
２３  下部配線層、
２４  層間絶縁膜、
２８  ビアホール、
３１  マイクロ波電源、
３２  マイクロ波導波管、
３３  マイクロ波透過窓、
３４  プラズマ生成室、
３５，４５  エッチング室、
３６  グリッド、
３７  温調試料台、
４１  高周波電源、
４２  ブロッキングコンデンサ、
４３  電極、
４４  対向電極。
【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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