JP2639402B2 - 酸化物層のテーパーエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、酸化物層のテーパーエッチング方法に関
し、特にエッチング領域を画定するために酸化物層上に
形成されたレジスト層を例えば反応性イオンエッチング
（RIE）によりその側壁に堆積を行ないながら該酸化物
層をエッチングすることによりテーパーエッチングを行
なう方法に関する。

［従来の技術］ 最近、半導体集積回路装置はその集積度をますます高
めつつあり、パターンルールが１ミクロン程度のものが
製造され、さらにサブミクロンルールのものも検討され
ている。このような高集積度の半導体装置の製造上重要
な技術の一つとして配線技術があげられ、特に基板と配
線材料または配線材料同士を繋ぐコンタクトホールの形
成は製品の歩留りや信頼性を向上する上で最も重要なプ
ロセス技術の一つである。

このようなコンタクトホールは、パターンルールが厳
しくなるにつれてウェットエッチング技術に替えてドラ
イエッチング技術により作成されるようになってきてい
る。ところが、ドライエッチング技術は、酸化膜などの
絶縁層を垂直にエッチングするため、例えば、第７図に
示すように、酸化物層１で画定されるコンタクトホール
が微細になってくると配線材料であるアルミニウム３の
ステップカバレッジが悪くなり断線の危険性が生じてく
る。さらに、パターンが微細になり、コンタクトホール
の縦横の比すなわちアスペクト比が１に近づいてくる
と、第８図に示すようにアルミニウム３はコンタクトホ
ール中に堆積しなくなる。

このようなステップカバレッジや堆積状態を改善する
ために、従来種々のエッチング方法が試みられている。
その代表的なものとして、まず（１）ウェットおよびド
ライ法がある。この方法は、まず、第９図（ａ）に示す
ように酸化膜５をホトレジスト７をマスクとして同図
（ｂ）に示すようにウェットエッチングし、ついで同図
（ｃ）に示すようにドライエッチングにより下部にホト
レジスト７をマスクとして垂直にエッチングを行なうも
のである。

ところが、この方法では、コンタクトホールの直径が
１ミクロン程度になるとエッチング液が入りにくくなり
使用が困難となる。

別の方法として、（２）リフロー法がある。この方法
は、第10図（ａ）に示すように、基板９上の酸化膜11を
ドライエッチングにより垂直にエッチングし、次に熱処
理によりフローさせることにより同図（ｂ）に示すよう
な形状を得るものである。この方法では、酸化膜11とし
ては例えば高濃度のボロン−リンガラスなどが使用され
る。

ところが、この方法ではコンタクトホールの口径が小
さいと該コンタクトホールの底部にまでフローが進み、
第10図（ｃ）に示すようにオーバーリフロー状態となり
ホールが埋ってしまう。このため、この方法は熱処理条
件の制御がかなり困難であるという不都合がある。

さらに別の方法として、（３）レジストの後退を用い
たドライエッチング方法がある。この方法は、ドライエ
ッチング装置のみで酸化膜にテーパーをつけようとする
ものであり、エッチング系に酸素などを添加してホトレ
ジストのエッチレートを高め、ホトレジストの横方向へ
の後退を利用しながら酸化膜をエッチングする方法であ
る。

ところが、この方法ではホトレジスト自体がエッチン
グされるため、通常より該ホトレジストを厚くしておく
必要があり、しかもコンタクトホールの口径が１ミクロ
ン程度になると高精度のエッチングが困難になってく
る。また、ホトレジスト自体もエッチングされるため、
レジストが薄くなりがちな段差部では酸化膜のエッチン
グ中にレジストが消失し不必要な領域まで酸化膜がエッ
チングされる危険もある。また、この方法では酸化膜な
どと基板のシリコンとの選択比が大きくできず、エッチ
ング時間の制御が困難であるとともに滑らかなテーパー
形状が得られないという問題点がある。

［発明が解決しようとする問題点］ 以上述べたように、前述の各方法は酸化膜のテーパー
エッチによりアルミニウム配線のステップカバレッジを
改善するものであるが、パターンサイズが例えば１ミク
ロンに近づき微細になると前述のように種々の不都合が
生じてくる。

本発明の目的は、前述の従来例の方法における問題点
に鑑みて、極めて微細な例えばサブミクロンオーダーま
でのパターンサイズにも適用可能な酸化物層のテーパー
エッチング方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、ホトレジストの膜べりが極めて
少なくかつ基板材料との選択比を高くすることが可能で
あり、従って安定して高精度のテーパーエッチングがで
きるようにすることにある。

本発明のさらに他の目的は、テーパー角の制御を自在
にかつ高精度に行なうことができるテーパーエッチング
方法を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上述の目的を達成するため、本発明に関わる酸化物層
のテーパーエッチング方法は、シリコン酸化物層上に形
成されたレジスト層をパターニングしてエッチング領域
を画定する工程と、前記エッチング領域において少なく
とも前記レジスト層の側壁にエッチングガス中の成分を
含む堆積物を堆積させながら前記シリコン酸化物層をエ
ッチングする工程と、平行平板型電極の上部電極と下部
電極の間に第３の電極を備えた３電極型エッチャーの前
記上部電極および前記第３の電極間と前記下部電極およ
び前記第３の電極間に印加される高周波電力の比率を調
節することにより堆積速度およびエッチング速度を制御
し前記シリコン酸化物層の反応性イオンエッチングにお
けるテーパー角を調節する工程とを具備する。

［作用］ 上述の方法においては、例えば、３電極方式エッチャ
ーのカソード側にウエハを配置し、アノード電極および
カソード電極に印加される電力の比率を調節することに
より、ホトレジストによって画定されるエッチング領域
の側壁にポリマーのデポジションを行ないながらかつ同
時に酸化物層のエッチングが行なわれる状態に動作条件
を設定することができる。すなわち、例えばカソード電
極側の自己バイアスを印加電力とは独立に制御すること
により、デポジションとエッチングとをある比率でバラ
ンスさせることにより、デポジションが進行するに応じ
てエッチングされるべき領域が徐々に小さくなり従って
酸化膜のテーパーエッチングが行なわれる。このような
テーパーエッチングは例えばマグネトロンなどを使用す
るECR型エッチャーにおいてウエハなどに垂直に入射す
るイオンのエネルギーを独立に制御することにより、あ
るいは２電極式の平行平板型エッチャーにおいてウエハ
などを冷却しガスの吸着効率を上げることにより行なう
こともできる。

［実施例］ 以下、図面により本発明の実施例を説明する。第２図
は、本発明に関わるテーパーエッチング方法を行うため
に使用する装置の１例としての３電極方式エッチャーの
概略を示す。同図の装置は、上部電極13と、下部電極15
と、これらの上部電極13および下部電極15の間に配置さ
れた例えば網目状の中間電極17等を具備している。中間
電極17は接地されており、上部電極13および下部電極15
にはそれぞれ可変容量19および21を介して高周波電源23
が接続されている。また、下部電極15上にはウエハ25が
載置されている。なお、上部電極13、下部電極15、そし
て中間電極17などは所定のチエンバ内に収められてお
り、このチエンバ内には後述のようにエッチング用ガス
などが導入できるよう構成されているが、それらの詳細
な図示は省略されている。

第２図の装置においては、高周波電源23の出力電力を
例えば一定とし、可変容量19および21の容量値を調節し
て上部電極13および下部電極15への印加電力の比率を調
節することにより下部電極15側に置かれたウエハ25に対
しあるレベルでエッチングとデポジションとが同時に行
なわれ、しかもデポジションはホトレジストなどの側壁
に行なわれるいわゆるサイドデポジションとすることが
できる。すなわち、下部電極15への印加電力を増大すれ
ば該下部電極15の自己バイアスが増大し酸化膜エッチン
グに必要なイオンエネルギーを増大させることができる
のでエッチング速度が増大する。これに対して、上部電
極13への印加電力を増大すれば下部電極15の自己バイア
スが減少し、また上部電極13と中間電極17の間でプラズ
マの生成が促進されデポジションに必要な活性種の濃度
が増大し、従ってデポジションの量が増大する。

上述の現象をさらに詳細に説明する。一般に、酸化膜
のエッチングガスとしては、CHF₃、CHF₃＋O₂、C₂F₆＋CH
F₃、あるいはC₂F₆＋H₂などのガス系が用いられる。これ
らのガス系がプラズマ状態になるとエッチャントが生成
されると同時にポリマー化の反応に寄与する反応種も容
易に生成され、スパッタリングの効果のない領域にカー
ボンを主鎖とするポリマーが形成される。しかし、下部
電極15への印加電力が大きい場合には下部電極15の自己
バイアスが大きいので、スパッタリング効果により、形
成されるべきポリマーは除去される。そして、一般に、
スパッタリング効率はイオンの入射角に対し角度依存性
を持っている。入射角が０゜すなわちイオンがウエハに
対して、垂直方向に入射する場合には、スパッタレート
はあまり大きくないある値を有しており、入射角が50゜
前後まで増大するに応じてスパッタレートは上昇し50゜
前後でピークを示す。さらに入射角を大きくするとスパ
ッタレートは減少し、入射角90゜でスパッタレートは０
すなわち全くスパッタリング効果が消失する。これに対
して、デポジションレートは角度依存性が小さく活性種
の濃度などにより決定される。通常の反応性イオンエッ
チングの場合にはポリマーのデボジションレートがかな
り低い状態にされており、これに対してスパッタレート
は十分大きくなっている。従って、被加工物は垂直にエ
ッチングされる。これに対して、本発明に関わる方法に
おいては、デポジションレートが比較的大きな値に設定
され、スパッタレートの大きさにも依存する程度に設定
される。従って、イオンの入射角に応じて、スパッタレ
ートが変化する際に、デポジションレートがスパッタレ
ートを越える入射角ではデポジションが認められる。こ
のため、上部電極13および下部電極15への印加電力の比
率を調節してデポジションレートとスパッタレートとの
比率を適切に選択することにより、入射角が比較的大き
い領域にデポジションが行なわれるように第２図の装置
を条件設定することができる。

このような入射角を比較的大きい領域にデポジション
が行なわれる動作条件下で、例えば第１図（ａ）に示す
ような被エッチングサンプルを考える。すなわち、同図
のサンプルにおいては、シリコン半導体基板27上にシリ
コン酸化物層（SiO₂）29が形成され、この酸化物層29上
に例えばコンタクトホールを画定するための開口部31を
有するホトレジスト33が形成されている。なお、開口部
31は、コンタクトホールに限らず種々のエッチング領域
を画定するものでよく、種々の形状とすることができ
る。このような被エッチングサンプルを前述のような動
作条件に設定したエッチャーによりエッチングすること
により、ホトレジスト33の開口部31の側壁にデポジショ
ンを行ないながら同時に酸化物層29をエッチングするこ
とができる。すなわち、エッチングイオンが例えば酸化
物層29に垂直に入射するものとすれば、このイオンの酸
化物層29に対する入射角は０゜であるが、ホトレジスト
33の開口部31の側壁部分に対する入射角はほぼ90゜とな
る。このため、ホトレジスト33の開口部31の側壁ではデ
ポジションレートがスパッタレートより大きいためポリ
マーが堆積され、一方スパッタレートがデポジションレ
ートより大きいためポリマーが堆積されない酸化物層29
ではエッチングされる。このようにして、第１図（ｂ）
に示すように、開口部31の側壁への堆積と酸化物層29の
エッチングとが同時に行なわれ、堆積物の下部領域では
エッチングイオンの入射が遮蔽される結果、ホトレジス
ト33および堆積物35によって画定されるエッチング領域
がエッチングが進むに従って徐々に狭くなり、酸化物層
29がテーパーエッチングされる。この場合、第１図
（ｂ）の斜線で示すように、堆積物はホトレジスト33の
開口31の側壁から酸化物層29のエッチングに応じて作ら
れる傾斜壁に堆積される。このようにしてエッチングが
行なわれた後、堆積物35およびホトレジスト33を除去す
れば、第１図（ｃ）に示すように、傾斜エッチングされ
た酸化物層29が得られる。テーパー角αは、上部電極13
および下部電極15への印加電力の比率を調節して、酸化
物層29のエッチング速度と堆積物35の堆積速度を制御す
ることで調整できる。

次に具体的実施例につき説明する。

（具体的実施例） 被エッチングサンプルとして、シリコンウエハ上にPS
G膜（Ｐ濃度4wt％）を6000オングストローム堆積し、次
に窒素（N₂）中で900℃にて20分間アニーリングを行な
い、ホトレジストを1.0ミクロン塗布した後、このホト
レジストに直径約1.2ミクロンのコンタクトホールを転
写したものを使用した。

また、エッチング装置としては、前述の第２図に示す
３電極方式エッチャーを使用し、高周波電源の周波数は
13.56メガヘルツとした。

エッチング−１ 下部電極15に電力を100％印加した。また、ウエハを
下部電極15側に置き、CHF₃ガスを78sccm、C₂F₆ガスを42
sccmだけ流し、チエンバ内圧力を180mTorrに制御し、次
いで高周波電力700ワットを印加してエッチングを行な
った。この結果は、通常RIEモードであるから、酸化膜
はほぼ垂直にエッチングされた。

エッチング−２ エッチング−１と同様の条件で、高周波電力を上部電
極13および下部電極15に振分け、下部電極15に約70％の
電力を印加した。この結果、約80゜のテーパー角αを得
た。この時、酸化膜のレジストに対する選択比は約3.5
でありレジストの膜べりはほぼ無視できる。

エッチング−３ 次に、下部電極15に全高周波電力の約60％を印加し
た。この結果、約65゜のテーパー角αを得た。この時の
酸化膜のホトレジストとの選択比は約3.6であり、レジ
ストの膜べりはほぼ無視できる程度であった。また、基
板シリコンとの選択比は約11であった。この場合のエッ
チングの様子を第６図（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示
す。第６図（ａ）は、エッチング前の様子を示し、ホト
レジスト層にほぼ垂直にエッチング領域を画定するため
の開口部が形成されていることを示している。第６図
（ｂ）は、エッチング後の様子を示し、ホトレジストの
開口部側壁などにおいてデポジションが横方向に進行
し、前述の第１図（ｂ）に対応する形状が示されてい
る。この場合、堆積物のテーパーもよく観察できる。ま
た、第６図（ｃ）は、ホトレジストおよび堆積物をアッ
シングにより除去した後の様子を示し、酸化膜が傾斜エ
ッチングされていることが示されている。

なお参考例として、第２図に示す３電極型エッチャー
の他に、例えば第３図に示すような他の形式の３電極型
エッチャーでもテーパーエッチングは可能である。この
場合は同図に示す２個の高周波電源35および37の出力を
変化させることによりイオンエネルギーおよびプラズマ
密度を独立に制御してテーパーエッチングを行なわせか
つテーパー角を制御することができる。なお、第３図に
おいて参照番号39はウエハである。

さらに別の参考例として、第４図に示すようないわゆ
るECR型エッチャーを用いてテーパーエッチングを行な
うこともできる。この場合は、ウエハ41が置かれた電極
43に接続された高周波電源45の出力を調節することによ
り自己バイアスを制御し、マイクロ波発振用マグネトロ
ン47の出力を調節することによりプラズマ密度を独立に
調節してデポジションレートを変化させることができ
る。なお、参照数字49はECR共鳴用マグネットを示して
いる。

さらに別の参考例として、例えば第５図に示すような
平行平板型エッチャーあるいは低周波PPEモードのエッ
チャーで基板の温度を低下させることにより、テーパー
エッチングを行なうこともできる。この場合は、例えば
第５図に示すようにカソード電極側にウエハ53を置き、
アノード電極55に高周波電源57より電力を印加するとと
もに、ウエハ53を例えばヘリウムにより冷却することに
よりデポジションに必要な活性種の吸着効率を制御す
る。

この場合、被エッチングサンプルとしては前記具体的
実施例と同様のものを用いた。エッチング装置は第５図
に示す平行平板型エッチャーを使用した。高周波電源57
の周波数は400キロヘルツであり、また基板の冷却効率
を上げるためヘリウムガスをウエハ53と下部電極51との
間に流してある。また、アノード電極55とカソード電極
51の間隔は1.0cmである。

エッチング−１ CHF₃ガスを35sccm、CF₄ガスを45sccm、Arガスを500sc
cm流し、チエンバ内圧力を2.4Torr、下部電極51を30℃
に制御し、上部電極55に450ワットの電力を印加した。
この結果、約80゜のテーパー角を得た。

エッチング−２ エッチング−１と同様の条件で下部電極51を15℃に冷
却した。この結果サイドデポジションが生じ、酸化膜の
テーパー角が約70゜となった。なお、この場合のホトレ
ジストの膜べりは無視できる程度であり、かつ基板シリ
コンとの選択比は約40であった。

このように、自己バイアスを制御するのではなく、基
板温度を制御して反応種の吸着効率を上げることによっ
てもテーパーエッチングを行なうことが可能となる。す
なわち、この場合はスパッタレートを一定として、デポ
ジションレートを制御していることに相当する。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、レジスト層などへの
サイドデポジションを利用することにより酸化膜のテー
パーエッチングを容易に行なうことが可能となり、テー
パー形状を有するコンタクトホール、スルーホールある
いはその他の部分のテーパー形状を容易に形成すること
が可能となる。また、反応系がデポジションの系に近い
ことからレジストの膜べりも少なく、基板シリコンとの
選択比も高くすることができる。このため、高精度かつ
安定にテーパーエッチングを行なうことが可能となる。
また、テーパー角を制御することも極めて容易であり、
所望の形状のコンタクトホールその他を極めて的確に開
口することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に関わるテーパーエッチング
方法の各工程を示す説明図、 第２図は、本発明に関わるテーパーエッチング方法を行
なうための装置の例を示す電気回路図、 第３図、第４図、および第５図は、テーパーエッチング
を行なうことが可能な装置の参考例を示す電気回路図、 第６図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明に関
わるテーパーエッチング方法の具体的実施例の各工程に
おける酸化膜およびホトレジスト層の形状を示す走査型
電子顕微鏡（SEM）による結晶構造写真、 第７図および第８図は、それぞれテーパー形状を有しな
いコンタクトホールへのアルミ配線の堆積状態を示す断
面図、 第９図は、従来のウェットおよびドライ法によるコンタ
クトホールの形成工程を示す説明図、そして 第10図は、従来のリフロー法によるテーパーコンタクト
ホールの形成工程を示す説明図である。 1,5,11:酸化物層、3:アルミ配線層、 7:ホトレジスト層、9:シリコン基板、 13:上部電極、15:下部電極、 17:中間電極、19,21:可変容量、 23:高周波電源、25:ウエハ、 27:シリコン基板、29:酸化物層、 31:開口部、33:ホトレジスト層、 35,37,45,57:高周波電源、 39,41,53:ウエハ、 42:基板電極、 47:マイクロ波発振用マグネトロン、 49:ECR共鳴用マグネット、 51:カソード電極、55:アノード電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−247033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−96530（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−153129（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−251628（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−65328（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン酸化物層上に形成されたレジスト
   層をパターニングしてエッチング領域を画定する工程
   と、 前記エッチング領域において少なくとも前記レジスト層
   の側壁にエッチングガス中の成分を含む堆積物を堆積さ
   せながら前記シリコン酸化物層をエッチングする工程
   と、 平行平板型電極の上部電極と下部電極の間に第３の電極
   を備えた３電極型エッチャーの前記上部電極および前記
   第３の電極間と前記下部電極および前記第３の電極間に
   印加される高周波電力の比率を調節することにより堆積
   速度およびエッチング速度を制御し前記シリコン酸化物
   層の反応性イオンエッチングにおけるテーパー角を調節
   する工程と、 を具備することを特徴とする酸化物層のテーパーエッチ
   ング方法。
2. 【請求項２】前記レジスト層により画定されるエッチン
   グ領域はテーパーコンタクトホールを形成するためのエ
   ッチング領域である特許請求の範囲第１項に記載の酸化
   物層のテーパーエッチング方法。