JP2695689B2

JP2695689B2 - 多層層間絶縁膜のエッチング方法

Info

Publication number: JP2695689B2
Application number: JP2281469A
Authority: JP
Inventors: 雅彦斎藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-10-18
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1998-01-14
Anticipated expiration: 2013-01-14
Also published as: JPH04155834A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は半導体装置の製造方法に関し、特には多層配
線の上層配線と下層配線を互いに接続するスルーホール
の形成に関する。

＜従来の技術＞一般に半導体装置が高密度化するのに伴って、電極配
線の多層化，パターン幅の微細化が要求されている。

このような状況に対応するため、多層層間絶縁膜の形
成方法も多様化している。この種の絶縁膜としては、プ
ロセス（平坦化，微細化）又はデバイス特性上、複数種
類の絶縁膜を積層した複合膜を用いることが多い。例え
ば最近のデバイスとしては、層間絶縁膜にプラズマCVD
法で形成したＰ−SiN膜と、ポリイミド膜を重ねて２層
構造にしたものが多く用いられている。この種の複合膜
の主な特徴として、（１）Ｐ−SiN膜を下層に用いるこ
とにより、ポリイミド膜の吸湿による水分及び膜中の不
純物がシリコン基板に到達することを防ぐことができ
る。（２）ポリイミド膜の分極によるシリコン基板の表
面反転や,MOSトランジスタのスレッシュホールド電圧を
変化させるという悪影響をＰ−SiN膜によって減少でき
る。（３）Ｐ−SiN膜の段差被覆性の悪さ，クラック発
生等を上層のポリイミド膜により平坦化し、層間絶縁膜
としての信頼性をより完全なものにすることができる、
等が挙げられる。

このような積層した複合膜に対するスルーホールの形
成方法については、上層のポリイミド膜はウェットエッ
チング（ヒドラジン液，アルカリ現像液），ドライエッ
チング，感光性ポリイミドの利用等により開口を形成し
ている。

一方、下層のＰ−SiN膜についてはドライエッチング
処理により開口を形成しているが、上記複合膜にエッチ
ングを施すと、ポリイミド膜とＰ−SiN膜の境界におい
てＰ−SiN膜に対しポリイミド膜がオーバーハング構造
になり易い。第２図にオーバーハング構造の例を示す。

同図において、下層配線１上に積層されたＰ−SiN膜
２及びポリイミド膜３は、ホトレジスト４をマスクとし
て開口が形成されているが、Ｐ−SiN膜２の開口面積
が、ポリイミド膜３の開口面積に比べて大きくなってお
り、オーバーハング構造を呈する。

このような場合、開口部に上層配線５を被着すると、
第３図のように突出したポリイミド膜２のために陰にな
る部分が生じ、段差被覆性が著しく悪くなり、断線する
場合もある。そのため第４図に示すように、上層のポリ
イミド膜３をエッチング後、下層のＰ−SiN膜２を異方
性エッチングするか、第５図に示すような、下層のＰ−
SiN膜２の開口面積をポリイミド膜３のそれより小さく
するために、Ｐ−SiN膜２上をマスク材料で被って一旦
開口を形成し、マスク材料４を除去した後、その上に上
層のポリイミド膜２を被って開口を形成するといった、
それぞれにマスク材料を形成し、エッチングするか、オ
ーバーハング構造を防止するために、ポリイミド膜3,P
−SiN膜２のエッチング後、上層のポリイミド膜３のみ
を更にエッチングするか、第６図に示すように、マスク
材料４のテーパー角と、マスク材料４とポリイミド膜３
との選択比（エッチング速度比）によって上層のポリイ
ミド膜３のテーパー角を制御し、更に上層のポリイミド
膜３のテーパー角と、上層のポリイミド膜３及び下層の
Ｐ−SiN膜２の選択比により下層のＰ−SiN膜のテーパー
角を制御して、段差被覆性の優れた開口を、RIEにより
形成すること等により対処してきた。

＜発明が解決しようとする問題点＞上記従来のプロセスにおいて、第４図に示すように、
下層Ｐ−SiN膜２を異方性エッチングする方法は、異方
性が不完全であったり、異方性を達成しても、近年の微
細化に伴う開口部のアスペクト比（開口部の幅に対する
深さ比）の上昇により、配線材料の段差被覆性が悪くな
る。

第５図に示すように、２度に分けてマスクを形成し、
エッチングする方法は、工程が複雑である、マスク形成
の際に合わせ精度が要求される、及び開口部の寸法が拡
大する。またマスク形成の際にズレを生じていると実際
の開口部の寸法が小さくなり過ぎ、導通が確保できなく
なる場合も生じる。更に、一旦開口を形成した後上層の
ポリイミド膜３のみをエッチングし、オーバーハング構
造を防止する方法は、下層のＰ−SiN膜２のオーバーハ
ング状態に左右される。このため上層のポリイミド膜３
のみの後退量を充分にとる必要があり、開口の寸法が拡
大する。

また第６図に示すように、マスク材料４及び上層ポリ
イミド膜３のテーパー角と、マスク材料と絶縁膜及び絶
縁膜同士の選択比により開口部のテーパー角を制御する
方法は、エッチング面積比の変化、絶縁膜自身の膜質の
変化により、テーパー角の制御性が悪くなる。

また最初からテーパー角を考慮したエッチングを行っ
ているため、オーバーエッチングに対して後退量が大き
くなり、開口部の寸法が拡大する。更に最適エッチング
までは、良好なテーパーが形成できても、オーバーエッ
チングにより結局垂直形状になってしまう等、不安定要
因が多い。

本発明は上記従来方法の問題点に鑑みてなされたもの
で、開口寸法の微細化と配線材料の段差被覆性を満足さ
せるエッチング方法を提供する。

＜問題点を解決するための手段＞上層下層配線間に、異なる種類の層間絶縁膜を複数層
積層してなる半導体装置の、上層下層配線間を接続する
ためのスルーホールを形成する方法において、上層のポ
リイミド膜をエッチングした後、下層Ｐ−SiN膜をCHF₃
とO₂の混合ガスで異方性エッチングし、続いてCHF₃とO₂
の混合ガスにおいてＰ−SiN膜とは異なるエッチング条
件で、ポリイミド膜の開口側壁面とＰ−SiN膜の開口上
端を同時に後退させ、テーパーをもつスルーホールを形
成する。

＜実施例＞第１図（ａ）〜（ｆ）は、本発明の１実施例を説明す
るための半導体基板の断面図で、特に２層に積層した絶
縁膜上をホトレジストで被った後、マスク材料のパター
ニング工程からエッチング工程及び配線材料の被着工程
を示す。

第１図（ａ）において、下層配線１上にプラズマCVD
技術により、Ｐ−SiN膜２を形成し、続いてその上にポ
リイミド膜３を形成し、２層の複合層間絶縁膜とする。
次に上記複合層間絶縁膜の所望の位置に開口を形成する
ために、上層絶縁膜３上にホトレジスト４を塗布し、こ
れに所定のパターンを形成する。ここでホトレジスト４
のテーパー角は露光，現像及びベーク条件等を選択する
ことにより、約80度に設定した。

次に第１図（ｂ）に示すように、ホトレジストの開口
部に露出したポリイミド膜３をエッチングするために、
まずポリイミド膜３をO₂を主体とするリアクティブイオ
ンエッチング（RIE）により開口を形成する。続いて第
１図（ｃ）に示すように、Ｐ−SiN膜２をCHF₃とO₂の混
合ガスを用いて、平行平板型ドライエッチング装置によ
り異方性エッチングする。ここでエッチングの条件は、
第７図から第９図に示す実験結果に基づいて設定した条
件で実施する。即ち、上記Ｐ−SiN膜２の完全異方性形
状を得る条件としては、CHF₃とO₂の混合ガスについて、
O₂の混合割合を10〜30％（第７図）望ましくは約20％，
ガス圧をほぼ0.03〜0.1Torr（第８図），高周波電力密
度を0.2w/cm²以上（第９図）に設定する。上記異方性エ
ッチングの条件に設定することにより、ほぼ垂直な側壁
をもつ良好なエッチング形状が得られた。なおＰ−SiN
膜２の膜質によってエッチング速度に変化は見られる
が、形状については非常に安定しており、またエッチン
グ後更にオーバーエッチングを最大50％まで行ったがオ
ーバーエッチング構造にはならないことが確められ、製
造時の工程管理を行ないやすくなる。

続いて上記Ｐ−SiN膜２に完全異方性エッチングがさ
れた半導体基板に、第１図（ｄ）に示すように、再びCH
F₃とO₂の混合ガスを用いてエッチングする。ただし、こ
の工程では微細化を損なうことなく被覆性を高めるため
に、エッチング条件は上記完全異方性エッチングとは異
なる条件に設定する。即ちO₂の混合割合はほぼ50％（第
７図），ガス圧は0.05Torr（第８図），高周波電力密度
は0.2w/cm²以上（第９図）としてエッチングする。上記
エッチング条件で行うことにより、ポリイミド膜３の側
面がエッチングされると共に、Ｐ−SiN膜２の開口下端
の垂直状態をほぼ維持しながら、上端部が後退し良好な
テーパーを形成する。

第１図（ｅ）は上記工程を終えた半導体基板に対し
て、ホトレジスト４を除去した表面にスパッタリング等
により、例えばAl−Siからなる上層配線５を被着し、開
口部に露出した下層配線１との間を電気的接続する。上
記工程により、スルーホール部において、ポリイミド膜
３の側壁からＰ−SiN膜２側壁の上端部にほぼ連続する
テーパーを形成することができ、上層配線５の段差被覆
性は大幅に改善され、被覆性の極めて優れた上層配線が
得られ、極めて安定した接続が得られる。

上記エッチング工程は、コンタクト抵抗，ダメージ等
半導体回路素子としての特性に影響することもほとんど
ないことが確認されている。

また本実施例のエッチング工程は、開口底部では垂直
なＰ−SiN側壁が形成されるため、微細な開口が形成さ
れ、それにもかかわらず段差被覆性の改善が図れ、また
同一のリアクティブイオンエッチング装置内で連続的に
加工することができ、工程の短縮が図れる。

＜発明の効果＞以上のように、本発明によれば、１回のマスク形成に
より開口部にオーバーハングを生じることなく、側壁に
所望のテーパーをつけ、配線材料の段差被覆性を良く
し、かつ複合膜を連続的にエッチングすることができ
る。また複合膜の下層絶縁膜は、異方性エッチングがも
つ微細加工を利用していることから、多数の半導体装置
（ウエハー）を同時処理した際に、ウエハー間の膜厚等
の不均一性によるバラツキを解消するため必要になるオ
ーバーエッチングに対しても、開口部の寸法の拡大が極
めて少く、寸法精度の優れた高密度半導体集積回路装置
を製造することができる。またエッチング面積の大小、
Ｐ−SiN膜自身の膜質の変化に強く、再現性の良い開口
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）乃至（ｅ）は、本発明の実施例を説明する
ための半導体基板断面図、第２図は、オーバーハングを
有する２層絶縁膜の断面図、第３図はオーバーハングを
もつ２層絶縁膜に配線材料を被着した半導体断面図、第
４図は２層絶縁膜の下層Ｐ−SiN膜に異方性エッチング
を施した半導体断面図、第５図は２層絶縁膜をもつ半導
体のオーバーハング構造を防止するための従来方法を説
明する半導体断面図、第６図はエッチングの選択比によ
り開口部のテーパー角を制御した半導体の断面図、第７
図乃至第９図は本発明のエッチング条件を導くための測
定図である。 1:下層配線、2:P−SiN膜、3:ポリイミド、4:マスク材
料、5:上層配線

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多層配線間を電気的に分離する絶縁膜にス
ルーホールを形成する方法において、下層配線が形成された半導体基板上に、SiN膜及び有機
膜を含む複合絶縁膜を形成し、 O₂を含む雰囲気中でのドライエッチングにより上記有機
膜に開口を形成し、上記有機膜をマスクに、CHF₃とO₂の混合ガス雰囲気中で
上記SiN膜に異方性エッチングにより開口を形成し、上記SiN膜のエッチング条件よりO₂濃度を高く設定したC
HF₃とO₂の混合ガス雰囲気中で上記SiN膜の開口上端部と
上記有機膜の開口側壁とを同時にエッチングして後退さ
せることにより、スルーホールを形成することを特徴と
する、多層層間絶縁膜のエッチング方法。
【請求項２】請求項１に記載の多層層間絶縁膜のエッチ
ング方法において、上記有機膜はポリイミド膜であり、
上記SiN膜を異方性エッチングするためのCHF₃とO₂混合
ガスのO₂の濃度は、10〜30％に、圧力は、0.03〜0.1Tor
rに、高周波電力密度は、0.2W/cm²以上に設定されてな
ることを特徴とする、多層層間絶縁膜のエッチング方
法。
【請求項３】請求項２に記載の多層層間絶縁膜のエッチ
ング方法において、上記SiN膜の開口上端部と上記有機
膜の開口側壁とを同時にエッチングして後退させるため
のCHF₃とO₂混合ガスのO₂の濃度は、50％に、圧力は、0.
05Torrに、高周波電力密度は、0.2W/cm²以上に設定され
てなることを特徴とする、多層層間絶縁膜のエッチング
方法。