JP2708018B2

JP2708018B2 - コンタクトホール形成方法

Info

Publication number: JP2708018B2
Application number: JP7158960A
Authority: JP
Inventors: 徳彦玉置
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1998-02-04
Anticipated expiration: 2013-02-04
Also published as: JPH0845915A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンタクトホール形成
方法に関し、特に、金属層と該金属層を覆う絶縁層を備
えた半導体装置の製造工程中に、該金属層に達するコン
タクトホールを該絶縁層に形成するコンタクトホール形
成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路装置は、半導体基板上に
形成されたトランジスタ等の回路素子を電気的に接続す
るための金属層からなる配線を有している。

【０００３】半導体基板上に集積される回路素子の数が
増加するに伴い、回路素子の寸法、及び回路素子間の距
離は、益々縮小してきている。このような、高密度に形
成された回路素子を接続するために、多層配線構造を有
する半導体装置が開発されている。

【０００４】図５は、２層配線構造を有する半導体装置
の断面の一部を示している。本半導体装置は、シリコン
基板30と、シリコン基板30の表面の所定領域に形成され
た素子分離酸化膜31と、シリコン基板30の素子分離酸化
膜31が形成されていない領域（素子領域）に形成された
MOSFET36ａ及び36ｂと、MOSFET36ａ及び36ｂを覆う第１
の絶縁層32と、複数のMOSFET36ａ及び36ｂを互いに電気
的に接続するための第１層目金属層33と、第１層目金属
層33を覆う第２の絶縁層34と、第２の絶縁層34上に形成
された第２層目金属層34を有している。

【０００５】MOSFET36ａ及び36ｂは、シリコン基板30の
素子領域の所定部分に形成された不純物拡散層（ソース
／ドレインとして機能する）38と、素子領域上に形成さ
れたゲート酸化膜39と、ゲート酸化膜39上に形成された
ゲート電極41とを有している。

【０００６】第１及び第２の絶縁層32及び34は、層間絶
縁膜とも呼ばれ、MOSFET36ａ及び36ｂのゲート電極41、
第１層目金属層33及び第２層目金属層35等を互いに電気
的に分離する。

【０００７】第１層目金属層33と第２層目金属層35と
は、第１層目金属層33を覆う第２絶縁層34の所定部分に
形成されたコンタクトホール40を介して、コンタクトし
ている。

【０００８】第２絶縁層34にコンタクトホール40を形成
する従来技術の方法は、以下の通りである。

【０００９】まず、第２絶縁層34が、第１層目金属層33
を覆うようにして、シリコン基板30上に堆積される。堆
積方法としては、ＣＶＤ法が用いられる。エッチングマ
スクとして機能するフォトレジスト（不図示）が第２絶
縁層34上に堆積され、その後、絶縁層34に於いてコンタ
クトホール40が形成されるべき領域（コンタクトホール
領域）上のフォトレジストが、通常のフォトリソグラフ
ィ法により除去される。この後、エッチングガスを用い
て、第２絶縁層34のコンタクトホール領域がエッチング
される。このとき、第２絶縁層34のうちフォトレジスト
に覆われている部分は、フォトレジストの存在により、
エッチングガスとの接触が起こらないので、エッチング
されない。

【００１０】エッチング工程について、さらに詳しく説
明する。エッチング工程に用いられるエッチングガス
は、エッチングされるべき絶縁層34の材料に応じて、選
択される。例えば、絶縁層34が二酸化珪素からなる場
合、エッチングガスとしては、CHF₃、C₂F₆、O₂及びHe等
を含有する混合ガスが選択される。

【００１１】エッチングは、ＲＩＥ装置等のエッチング
装置内で行われる。異方性の高いエッチングを行う場
合、エッチング装置内に導入されたエッチングガスは、
エッチング装置内の電極間での放電によりイオン化さ
れ、プラズマ状態となる。

【００１２】図６は、エッチングにより、第２絶縁層34
にコンタクトホール40が形成される様子を模式的に示し
ている。

【００１３】少なくとも一部がイオン化されたプラズマ
状態のエッチングガスから、シリコン基板30に向かって
イオンが加速され、シリコン基板30上のフォトレジスト
37及び第２絶縁層34にイオンが入射する。このイオンの
加速は、プラズマ中に於いてシリコン基板30の表面近傍
の部分に形成されるシース電場により生じる。

【００１４】第２絶縁層34のコンタクトホール領域は、
これらのイオンのアシストにより、効率的にエッチング
される。エッチングの進行に伴い、コンタクトホール40
及びフォトレジスト37の側壁部には、炭素を含むポリマ
ー状の膜が堆積される。この膜（堆積物38）の存在によ
り、コンタクトホール40の側壁部の第２絶縁層34のエッ
チングは阻止される。こうして、第２絶縁層34のエッチ
ングは、シリコン基板30の主面に対して垂直方向に進行
し、アスペクト比の高いコンタクトホール40の形成が可
能となる。第２絶縁層34がＴＥＯＳ層である場合、ＴＥ
ＯＳ層が炭素を多く含有するため、厚い堆積物38が形成
される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
コンタクトホール形成方法は、エッチングの進行により
第１層目金属層33の表面がコンタクトホール40を介して
露出した後、第１層目金属層33の表面がプラズマ中のイ
オンによりスパッタされてしまうという問題を有してい
る。この第１層目金属層33の表面からスパッタされた金
属又は金属化合物は、コンタクトホール40の近傍のフォ
トレジスト37又はコンタクトホール40の側壁部に形成さ
れた堆積物38に、打ち込まれる。金属又は金属化合物が
打ち込まれたフォトレジスト37又は堆積物38の表面は、
硬化する。表面が硬化したフォトレジスト37又は堆積物
38は、除去することが困難である。従って、コンタクト
ホール形成工程の後に、フォトレジスト37をO₂プラズマ
を用いて除去する工程や、シリコン基板30の洗浄工程等
を経た後も、硬化したフォトレジスト37又は堆積物38
は、コンタクトホール40の近傍に残されたままとなる。

【００１６】図４は、コンタクトホール40の近傍に残さ
れた堆積物38を示している。この図は、走査型電子顕微
鏡写真に基づいて描かれた斜視図である。

【００１７】図４のコンタクトホール40は、A1からなる
第１層目配線層33を覆うＴＥＯＳ層からなる第２絶縁層
34に形成されたコンタクトホールである。ＴＥＯＳ層か
らなる第２絶縁層34のエッチングは、CHF₃、O₂及びHeの
混合されたエッチングガスを用いドライエッチング法に
より行われた。CHF₂、O₂及びHeの流量比は、それぞれ、
90sccm、10sccm及び100sccmである。

【００１８】エッチング装置は、通常のＲＩＥ（リアク
ティブイオンエッチング）装置が用いられた。エッチン
グは、エッチングの対象である第２絶縁層34の厚さの1.
5倍の厚さの絶縁層をエッチングできるだけの時間をも
って行われた。このようなエッチングは、50％オーバエ
ッチングと称される。

【００１９】図４に示されるように、コンタクトホール
40の内部及び周辺部には、硬化した堆積物38が残存して
いる。このような堆積物38は、コンタクトホール40を介
して行われるべき第２層目配線層35と第１層目配線層33
の接続状態を劣化させる。これは、第２層目配線層35の
断線又は第２層目配線層35同士の短絡などによるコンタ
クト不良を招き、ひいては半導体装置の製造歩留りを低
下させ、半導体装置の信頼性を劣化させる。

【００２０】本発明の目的は、コンタクトホール形成の
ためのエッチング工程により形成された堆積物が、その
工程後、容易に除去されるコンタクトホール形成方法を
提供することにある。

【００２１】本発明の他の目的は、配線の断線及び短絡
が生じにくく、信頼性に優れたコンタクトが実現される
コンタクトホールを形成できるコンタクトホール形成方
法を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板、
該半導体基板上に形成された金属層、及び該金属層を覆
う絶縁層を備えた半導体装置の製造工程中に、該金属層
に達するコンタクトホールを該絶縁層に形成するコンタ
クトホール形成方法であって、窒素原子を含むガスが添
加されたエッチングガスを用いて該絶縁層の所定部分を
エッチングすることにより該コンタクトホールを形成す
るコンタクトホール形成方法であり、特に、前記窒素原
子を含むガスの量を、前記エッチングガスの内、希釈ガ
スを除いた部分の量の約4.5％以上とするものである。

【００２３】また、前記エッチングガスの少なくとも一
部をイオン化し、イオン化された該エッチングガスを用
いて前記絶縁層の前記所定部分をエッチングしてもよ
い。

【００２４】また、前記絶縁層をエッチングするとき、
少なくとも前記金属層の表面が露出した後に於いては、
前記イオン化されたエッチングガスのイオンエネルギ
を、約250eV以下としてもよい。

【００２５】また、高圧ナローギャップ方式のＲＩＥ装
置、プラズマエッチング装置、ＥＣＲエッチング装置か
らなる群から選ばれた装置内で、前記エッチングガスの
イオン化、及び前記絶縁層のエッチングを行ってもよ
い。

【００２６】また、前記絶縁層をエッチングするとき、
前記金属層が露出するまでは窒素原子を含むガスが添加
されていないエッチングガスを用いて該絶縁層を用い、
該金属層の表面が露出した後に於いては、前記窒素原子
を含むガスを含有するエッチングガスを用いてもよい。

【００２７】

【作用】本発明は上述の構成により、コンタクトホール
底部の金属表面を窒化しながらイオンでたたくことにな
る。窒化された金属表面は窒化しない場合に比べてイオ
ンに対するスパッタ率が減少し、レジスト側壁及び層間
絶縁層の側壁に形成された堆積物はほとんど硬化されな
い。そのため、これらの堆積物はO₂プラズマや洗浄工程
により容易に除去され、コンタクトホール部の金属配線
の信頼性を大幅に向上させることができる。また、イオ
ンエネルギを低下させると金属のスパッタ率を低減させ
ることが可能であり、堆積物の硬化を防ぐことに役立
つ。

【００２８】

【実施例】図１を参照して、本実施例のコンタクトホー
ル形成方法を説明する。

【００２９】まず、シリコン基板１上に第１絶縁層２が
形成された後、第１絶縁層２上に金属層３が形成され
た。この後、金属層３を覆うように第２絶縁層４が第１
絶縁層２上に形成された。本実施例では、金属層３の材
料は、２％のSiを含有するA1合金である。金属層３の材
料としては、この他に、A1を主成分とする他の合金、純
A1、及び高融点金属等が用いられ得る。金属層３は、ス
パッタによりA1合金がウェハ上一面に堆積された後、リ
ソグラフィ技術により所望の配線形状にパターニングさ
れることにより、形成された。絶縁層４の材料は、ＴＥ
ＯＳ層である。絶縁層４は、ＴＥＯＳを堆積ガスとして
用いたＣＶＤ法により形成された。

【００３０】以下の説明に於いて、シリコン基板１と、
シリコン基板１上に形成された金属層３及び絶縁層２及
び４等の全ての物を総称して、ウェハと称することとす
る。

【００３１】次に、コンタクトホール形成のためのエッ
チングに対してマスクとして機能するフォトレジスト７
が、絶縁層４上に形成された。フォトレジスト７は、露
光及び現像により、所定のパターンにパターニングさ
れ、絶縁層２のコンタクトホール領域を定める開口部を
有するエッチングマスクが形成された。

【００３２】ウェハがＲＩＥ装置内に導入された後、装
置のエッチング室内にエッチングガスが導入された。エ
ッチングガスとしては、CHF₃、O₂及びHeを含有する混合
ガスにN₂が添加されたエッチングガスが用いられた。CH
F₃、O₂及びHeの流量は、各々、90sccm、10sccm及び100s
ccmである。本実施例では、N₂の流量は、５sccmであ
る。Heは希釈ガスである。

【００３３】ＲＩＥ装置内の電極間にＲＦ電圧を印加す
ることにより、装置内のエッチングガスは放電し、エッ
チングガスの一部がイオン化された。ＲＦパワーは、30
0Wとした。放電により一部がイオン化されたエッチング
ガスは、プラズマ状態となった。プラズマ状態のエッチ
ングガスは、ＲＩＥ装置内に導入されたウェハと接触
し、ウェハ上の絶縁層４の内フォトレジスト７に覆われ
ていない部分を、高い異方性をもってエッチングした。

【００３４】エッチングは、50％オーバエッチングの条
件で行われた。このため、コンタクトホールの底部に於
いて金属層３の表面が露出した後も、しばらくの間、ウ
ェハとプラズマ状態のエッチングガスとの接触が維持さ
れた。より具体的には、この間、コンタクトホールを介
して、金属層３とプラズマとの相互作用が行われた。本
実施例で用いたエッチングガスにはN₂が添加されている
ため、上記接触（相互作用）により金属層３の表面３ａ
は窒化された。この窒化は、エッチングガス中に窒素原
子を含むガスが添加されていれば、生じる。従って、窒
素原子を含むガスとして、N₂の代わりに、例えばNH₄及
びNF₃等が用いられても、金属層３の表面３ａは窒化さ
れる。

【００３５】窒化された金属層３の表面３ａはスパッタ
されにくい。従って、窒化された金属層３の表面３ａに
対して、プラズマ状態のエッチングガスからイオンが衝
突しても、金属層３は、ほとんどスパッタされない。従
って、コンタクトホールの側面部の堆積物８に対して、
金属層３を構成する金属又はその金属の化合物が打ち込
まれることが抑制された。このため、堆積物は、ほとん
ど硬化されず、後述するように、エッチング工程後の洗
浄などにより容易に除去されることになった。

【００３６】上記エッチング工程後に、O₂プラズマによ
るレジスト除去工程とウェハの洗浄が行われた。洗浄
は、硝酸により５分間行われ、さらに、純水により１０
分間行われた。

【００３７】図２は、上記洗浄後のウェハの表面を示し
ている。レジスト除去工程及び洗浄により、フォトレジ
スト７は除去され、第２絶縁層４が露出している。コン
タクトホールの側面部の堆積物８も、ほとんど残存して
いない。わずかに残存している堆積物８は、もう一度、
上記洗浄を繰り返すことにより完全に除去された。

【００３８】このように、上記洗浄を繰り返せば、硬化
の程度の低い残存堆積物８は、完全に除去され得る。し
かし、洗浄の時間又は回数が増加する程、金属層３の腐
食が生じやすくなることがわかっている。金属層３の腐
食は、半導体装置の製造歩留り低下、及び信頼性の劣化
を招くので、洗浄の時間又は回数を増加することなく、
堆積物８は完全に除去されることが好ましい。

【００３９】図３は、N₂の量をさらに増加したエッチン
グガスを用いた本発明の第２の実施例により形成したコ
ンタクトホールを示している。これらのコンタクトホー
ルは、N₂の流量が10sccmである点を除いて、前述のコン
タクトホール形成方法と同様の方法で形成されたもので
ある。O₂プラズマによるレジスト除去工程の後にウェハ
洗浄が行われた。

【００４０】洗浄は、硝酸により５分間行われ、さら
に、純水により１０分間行われた。この洗浄を１回行う
だけで、図３に示されるように、堆積物８は完全に除去
された。

【００４１】実験によれば、窒素原子を含むガスの量が
エッチングガスのうち希釈ガスを除いた部分の量の4.5
％以上であるならば、堆積物８は容易に除去された。窒
素原子を含むガスの量が、エッチングガスのうち希釈ガ
スを除いた部分の量の約4.5％以下であると、金属層３
の表面３ａの窒化が充分に行われないので、金属層３の
スパッタを充分に防止することができない。従って、窒
素原子を含むガスの量は、エッチングガスのうち希釈ガ
スを除いた部分の量の約4.5％以上であることが好まし
い。

【００４２】窒素分子は大気中に多量に含まれるため、
窒素が添加されていないエッチングガスが、微量の窒素
を不純物として不可避的に含有していることがあるかも
しれない。しかし、このようなエッチングガスは、窒素
原子を含むガスが添加されたエッチングガスではない。
このようなエッチングガスを用いても、金属層３のスパ
ッタを抑制しうる程に、金属層３の表面３ａを窒化する
ことはない。

【００４３】上述のように、本実施例のコンタクトホー
ル形成方法によれば、エッチング中に金属層３の表面３
ａが窒化されることにより、イオンにより金属層３がス
パッタされる割合（スパッタ率）が低下する。金属層３
のスパッタ率を更に低下させると、堆積物８の硬化は一
層抑制される。スパッタ率を低下させるためには、エッ
チング時の放電のためのＲＦパワーを低減し、金属層３
に衝突するイオンのエネルギを低下すればよい。スパッ
タ率は、入射イオンのエネルギに強く依存するからであ
る。

【００４４】実験によれば、ＲＦパワーを増加すること
により、プラズマ状態のエッチングガスからウェハに入
射するイオンのエネルギを約250eV以上に増加させる
と、洗浄後も残存する堆積物が増加した。従って、イオ
ンエネルギが約250eV以下となる条件でエッチングを行
うことが好ましい。

【００４５】図７は、コンタクトチェーンの信頼性につ
いての実験結果を示している。図７に於いて、Ａで示さ
れるデータ群は、CHF₃（流量90sccm）及びO₂（流量10sc
cm）を含有するエッチングガスを用いて形成されたコン
タクトホールを介して接続されたコンタクトチェーンの
信頼性を表している。一方、Ｂで示されるデータ群は、
CHF₃（流量90sccm）及びO₂（流量10sccm）を含有する混
合ガスにN₂（流量10sccm）が添加されたエッチングガス
を用いて形成されたコンタクトホールを介して接続され
たコンタクトチェーンの信頼性を示している。金属層の
材料は、２％のSiを含んだA1である。

【００４６】何れのコンタクトホールも、高圧ナローギ
ャップ方式のＲＩＥ装置を用いてエッチングされること
により、形成された。また、何れのエッチングも、ＲＦ
パワー350W、エッチングガス圧力150Pa、50％オーバエ
ッチの条件で行われた。コンタクトホール形成後の洗浄
は、何れのコンタクトホールについても、硝酸により５
分間行われ、さらに、純水により10分間行われた。

【００４７】コンタクトチェーンのコンタクトホールの
直径は1.2μm、その数は500コンタクトホールである。
実験は、電流28.8mA、温度150℃の条件下で行われた。

【００４８】図７のＡで示されるデータ群から、N₂が添
加されていないエッチングガスを用いて形成されたコン
タクトホールを有するコンタクトチェーンの平均故障時
間は0.3年であることがわかる。一方、Ｂで示されるデ
ータ群から、N₂が添加されたエッチングガスを用いて形
成されたコンタクトホールを有するコンタクトチェーン
の平均故障時間は1.8年であることがわかった。

【００４９】このように、N₂が添加されたエッチングガ
スを用いて作成されたコンタクトホールを有するコンタ
クトチェーンは、高い信頼性を呈した。

【００５０】前述の何れの実施例に於いても、第２絶縁
層４のエッチングの開始時点から、既にN₂が添加された
エッチングガスを用いてエッチングを行った。しかし、
このような方法以外に、金属層３が露出するまでは窒素
原子を含むガスが添加されていない通常のエッチングガ
スを用いてエッチングを行い、その後、金属層３の表面
が露出した後に於いて、そのエッチングガスに窒素原子
を含むガスを添加してエッチングを行っても良い。金属
層３の窒化は、金属層３の表面３ａがコンタクトホール
の底部に於いて露出した後に、始めて可能となるからで
ある。

【００５１】また、前述の何れの実施例に於いても、第
２絶縁層４をエッチングするとき、エッチング開始時点
から、前述のイオンエネルギを約250eV以下とする必要
はない。金属層３のスパッタが生じるのは、金属層３の
表面３ａがコンタクトホールの底部に於いて露出した後
である。従って、金属層３の表面３ａがコンタクトホー
ルの底部に於いて露出する迄は、イオンエネルギが約25
0eV以上となっても、金属層３の表面３ａがコンタクト
ホールの底部に於いて露出した後、イオンエネルギが約
250eV以下に低下すれば、金属層３のスパッタによる堆
積物８の硬化は抑制される。

【００５２】ＲＦパワーを低減することにより、イオン
のエネルギを約250eV以下としながらも、エッチング工
程のスループットを向上させるためには、エッチング装
置として、高圧ナローギャップ方式のＲＩＥ装置、プラ
ズマエッチング装置、ＥＣＲエッチング装置を用いるこ
とが好ましい。これらの装置によれば、比較的低いエネ
ルギを有するイオンによって、エッチングレートの高い
エッチングが実現される。

【００５３】例えば、高圧ナローギャップ方式のＲＩＥ
装置によれば、ＲＦパワー350W、イオンエネルギ150eV
の条件で、200nm/分のエッチングレートが得られる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コンタクトホール形成のためのエッチング工程により形
成された堆積物が、その工程後、容易に除去される。ま
た、配線の断線及び短絡が生じにくく、信頼性に優れた
コンタクトが実現されるコンタクトホールが形成され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のコンタクトホール形成方法に於けるエ
ッチング工程を示す模式図

【図２】本発明の第１の実施例であるコンタクトホール
形成方法により形成されたコンタクトホールを示す斜視
図

【図３】本発明の第２の実施例であるコンタクトホール
形成方法により形成されたコンタクトホールを示す斜視
図

【図４】従来技術のコンタクトホール形成方法により形
成されたコンタクトホールを示す斜視図

【図５】２層配線構造を有する半導体装置を示す断面図

【図６】コンタクトホール形成のためのエッチング工程
を示す模式図

【図７】コンタクトチェーンの信頼性についての実験結
果を示す特性図

【符号の説明】

１シリコン基板２第１絶縁層３金属層４第２絶縁層７フェトレジスト８堆積物

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板と、前記半導体基板上に形成
された金属層と、前記金属層を覆う絶縁層とを備えた半
導体装置に対し、前記絶縁層をドライエッチングして前
記金属層表面に達するコンタクトホールを形成するコン
タクトホール形成方法であって、前記金属層が前記ドラ
イエッチングの際に用いるエッチングガスの反応により
生じた化合物が前記コンタクトホールの側壁に形成され
る金属であり、前記金属層は純Ａｌ、Ａｌを主成分とす
る合金または高融点金属であり、前記エッチングガスに
窒素原子を含有するガスを添加し、かつ、前記窒素原子
を含有するガスの量が前記エッチングガスのうちの希釈
ガスを除いた部分の量の約４．５％以上である、コンタ
クトホールの形成方法。
【請求項２】窒素原子を含有するガスとして、Ｎ₂、
ＮＨ₄またはＮＦ₃を用いる、請求項１に記載のコンタク
トホール形成方法。
【請求項３】ドライエッチングを行って金属が露出し
ている際のイオン化されたエッチングガスのイオンエネ
ルギーが約２５０ｅＶ以下である、請求項１に記載のコ
ンタクトホール形成方法。
【請求項４】絶縁層をドライエッチングして前記金属
層表面に達するコンタクトホールを形成する際に、前記
金属層が露出するまでは窒素原子を含有するガスが添加
されていないエッチングガスを用い、前記金属層が露出
した後に窒素原子を含有するガスが添加されているエッ
チングガスを用いる、請求項１に記載のコンタクトホー
ル形成方法。