JP2001217224A

JP2001217224A - 試料の表面処理方法および装置

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Publication number: JP2001217224A
Application number: JP2000028882A
Authority: JP
Inventors: Muneo Furuse; 宗雄古瀬; Makoto Nawata; 誠縄田; Katsuya Watanabe; 克哉渡辺; Tasuku Yano; 資矢野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体素子の高速化の要求に応えるために、有
機低誘電率材料にエッチング等の処理を施す際、効率良
く加工寸法処理を行う目的で、試料表面に紫外線を照射
する表面処理方法および装置を提供する。【解決手段】プラズマエッチングによる微細パタンの加
工を行うための試料の表面処理装置であって、真空容器
中に設けられ、表面処理される試料を載置する試料台
と、プラズマの生成用の処理ガスを前記真空容器中に連
続的に供給する処理ガス供給手段と、前記真空容器中に
プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記プラズマ
生成とは独立に、バイアス電圧を前記試料台に印可する
バイアス電源と、試料に紫外線を照射するプラズマもし
くは紫外線発生装置からなる装置で、前記試料台に載置
された試料に対して、エッチング等の処理を効率的に施
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は試料の表面処理方法
および装置にかかわり、特にプラズマを用いて有機絶縁
膜のエッチングを行なうのに適した表面処理方法および
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子の表面を処理する手段
として、半導体素子をプラズマ中でエッチングする装置
が知られている。ここでは、ＥＣＲ（電子サイクロトロ
ン共鳴）方式と呼ばれる装置を例に、従来技術を説明す
る。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中
でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電
子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の
周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生でき
る。半導体素子等の試料に入射するイオンを加速するた
めに、試料には高周波電圧が印加される。プラズマとな
るガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられ
る。

【０００３】このような従来の装置において、主に加工
の高精度化および高速化をはかる目的で、特開平６−１
５１３６０号公報（対応米国特許５,３５２,３２４号明
細書）に記載された発明が知られている。この発明で
は、試料に印加する高周波電圧をオンオフと間欠的に制
御することにより、エッチングしたい物質であるシリコ
ン（Ｓｉ）と下地酸化膜との選択比を高くでき、かつア
スペクト比依存性を低減できる。また、生成するプラズ
マの密度を高くして、エッチング速度を上昇しようとい
う報告もある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体素子
の微細化に伴い、配線や電極に相当するラインとスペー
スの加工寸法は１μm以下、好ましくは０.５μm以下の
領域に入っている。有機低誘電率膜をエッチングする
際、このよう微細パタンの加工では、ラインが次第に太
くなり、パタンが設計寸法に加工できない問題が顕著に
なる。さらに微細な溝内と比較的広い部分でのエッチン
グ速度の差に加えて、形状の差、いわいる形状マイクロ
ローディングが顕著になり、加工の障害となる。

【０００５】上記従来技術の多くは、素子の最小加工寸
法が１μｍ以上の時代に発明されたもので、エッチング
の材料も配線用のメタル材料、多結晶シリコン等の材料
であった。従来のエッチング技術では、より微細な素子
の加工への対応が困難になってきている。また、有機低
誘電率膜の加工では、エッチング特性はマスク材として
使用しているレジストとほぼ等しく、選択比を大きくす
る事は困難である。その結果、プラズマの物理量とエッ
チング特性の関係の解析に基ずく、緻密なプロセス条件
の組立が必要であり、現在多くのメーカーがここに多く
の労力を費やしている。

【０００６】本発明の目的は、特に有機低誘電率膜のエ
ッチングに掛かるものであり、試料の表面処理方法およ
び装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、有機低
誘電率膜のエッチングプロセスにおいて、処理室内にプ
ラズマを生成するとともに、エッチング処理を行うウエ
ハ表面に紫外線を照射することである。これによって、
有機低誘電率膜の主な構成材料である炭素と水素はベン
ゼン環構造で構成されている。本発明の特徴である、紫
外線をウエハ表面の有機低誘電率膜に照射することで、
照射されたところのベンゼン環の結合手は切り離され
る。切り離された結合手に、例えば水素等の元素が結合
して除去される事により、エッチングは進行する。ま
た、ベンゼン環の結合手を切る手段として紫外線を用い
ているため、レジストの間の溝に入った紫外線は直進
し、有機低誘電率膜の側面のベンゼン環の結合手を切る
事はない。さらに、紫外線はベンゼン環の結合手のみを
切るため、本方法でエッチング処理を行うと、他の材料
（例えばレジスト）のエッチング速度は低下する。その
結果、有機低誘電率膜とレジストのエッチングの選択比
を向上する事が可能である。

【０００８】本発明によれば、微細パタンの加工におい
て、試料に紫外線を照射する事で、有機低誘電率膜のベ
ンゼン環の結合手を容易に切る事が可能である。これに
より、印加する高周波電圧を繰返しオンオフ制御し、か
つ高周波電圧の周波数とその繰返し周波数の組合わせを
工夫することにより、エッチングの異方性を高めると同
時に選択比を高くすることができる。これにより、加工
寸法が１μｍ以下好ましくは０.５μｍ以下の素子の加
工を可能にした。具体的には、イオンのエネルギー分布
の狭帯域により、微細素子加工の課題である、加工異方
性と選択比のトレードオフを解消できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図により
説明する。最初に、図１により、本発明の第一の実施例
を説明する。図１は、本発明を適用したプラズマエッチ
ング装置の全体構成図である。マグネトロン１０１か
ら、自動整合器１０６と導波管１０２と導入窓１０３を
介して、真空容器１０４内にマイクロ波が導入される。
一方、真空容器１０４には、ガス導入手段１００を介し
てハロゲンなどのエッチングガスが導入され、マイクロ
波の導入に伴いこのガスのプラズマが発生する。導入窓
１０３の材質は、石英、セラミックなどマイクロ波(電
磁波)を透過する物質である。

【００１０】真空容器１０４の回りには、電磁石１０５
が設置されている。電磁石１０５による磁場強度は、マ
イクロ波の周波数と共鳴を起こすように設定されてい
る。たとえば、周波数が２.４５ＧＨｚならば、磁場強
度は８７５Ｇａｕｓｓである。

【００１１】この磁場強度で、プラズマ中の電子のサイ
クロトロン運動が電磁波の周波数と共鳴するために、効
率よくマイクロ波のエネルギーがプラズマに供給され、
高密度のプラズマができる。

【００１２】試料１０７は、試料台１０８の上に設置さ
れる。試料に入射するイオンを加速するために、高周波
電源であるｒｆ（radio frequency)バイアス電源１０９
が、ハイパスフィルター１１１を介して試料台１０８に
接続されている。試料台の表面には、セラミックあるい
はポリマ膜のような絶縁膜１１０が設けられている。

【００１３】また、ローパスフィルター１１３を介して
直流電源１１２を接続し、試料台１０８に電圧を印加す
ることで、試料を試料台に静電力により保持する。

【００１４】図において、生成するプラズマには紫外線
を発生させるガスを含んでいる。その結果、エッチング
等の処理を行う試料１０７に紫外線を照射する事が可能
となる。試料１０７において、紫外線が照射された部分
の有機低誘電率膜のベンゼン環の結合手は切り離され
る。その後、水素等と反応してＣＨ系化合物として取り
除かれる（エッチングされる）。有機低誘電率膜の上に
レジスト等の膜がある場合は紫外線が照射されないため
にエッチングは進行しない。また、プラズマの生成領域
はエッチング等の処理を行う試料１０７から隔てられて
いる。その結果、紫外線は試料１０７に対して垂直に入
射するため、有機低誘電率膜がエッチングされる過程
で、側壁部がエッチングされる事はほとんど無い。

【００１５】図２から図５に、紫外線の照射方法の例を
示す。図２はエッチングプロセスで使用するガスに希ガ
ス（例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等）を混入しプラズ
マ自体が紫外線を放出するようにしたものである。この
方法を用いるとエッチング等の処理を行う試料１０７に
紫外線を照射する事が可能である。また、プラズマの生
成領域はエッチング等の処理を行う試料１０７より大き
く、試料全体をカバーする事が可能である。試料１０７
に照射される紫外線には、垂直に入射するものと斜めに
入射するものがある。しかし、有機低誘電率膜の上に一
定の厚さを有するマスク材が配置されているため、斜め
に入射した紫外線のほとんどはマスク材に吸収されてし
まう。従って、有機低誘電率膜に照射される紫外線はほ
ぼ垂直に入射されるもののみとなる。その結果、試料１
０７にエッチング等の処理を行う際は効率良く行う事が
可能である。

【００１６】図３はエッチング処理室上部に紫外線ラン
プを取りつけた例である。この場合、水銀ランプから照
射される紫外線を、エッチング等の処理を行う試料１０
７全面に照射するために、紫外線ランプを複数設置した
場合の例である。これによって、試料１０７の有機低誘
電率膜に紫外線を垂直に照射することが可能となり、効
率良くエッチング等の処理を行う事が出来る。

【００１７】図４は、エッチング処理室上部に紫外線ラ
ンプを取りつけた第２の例である。この場合、水銀ラン
プから照射される紫外線を、エッチング等の処理を行う
試料１０７全面に照射するために、反射鏡１１４を用い
ている。これによって、試料１０７の有機低誘電率膜に
紫外線を垂直に照射することが可能となり、効率良くエ
ッチング等の処理を行う事が出来る。

【００１８】図５は、エッチング等の処理を行う試料１
０７より下部に紫外線ランプを取りつけた例である。こ
の方法では試料１０７と対向した面に紫外線の反射鏡を
設置する事で、試料１０７の有機低誘電率膜に紫外線を
垂直に照射することが可能となり、効率良くエッチング
等の処理を行う事が出来る。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば有機
低誘電率膜に効率良くエッチング等の処理を施すことが
可能となり、半導体素子の表面処理方法を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例になるエッチング装置の
全体構成図。

【図２】本発明の第２の実施例になるエッチング装置に
おいて、希ガスを添加した全体構成図。

【図３】本発明の第３の実施例になるエッチング装置に
おいて、紫外線を照射するランプを配置した全体構成
図。

【図４】本発明の第４の実施例になるエッチング装置に
おいて、紫外線を照射するランプを配置した全体構成
図。

【図５】本発明の第５の実施例になるエッチング装置に
おいて、紫外線を照射するランプを配置した全体構成
図。

【符号の説明】

１００…ガス導入管、１０１…マイクロ波電源、１０２
…導波管、１０３…導入窓、１０４…真空容器、１０５
…磁石、１０６…スタブチューナー、１０７…試料、１
０８…試料台、１０９…高周波電圧電源、１１０…絶縁
膜、１１１…マッチングボックス、１１２…直流電源、
１１３…ローパスフィルタ、１１４…紫外線反射鏡。

フロントページの続き (72)発明者渡辺克哉茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者矢野資茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内Ｆターム(参考） 5F004 AA05 BA14 DA24 DB23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ発生装置と、減圧可能なエッチ
ング処理室と、エッチング処理室にガスを供給するガス
供給装置と、プラズマ処理を施すウエハを保持する試料
台と、試料台上に支持されたウエハに高周波を印加する
装置と、真空排気装置より成るプラズマ処理装置におい
て、有機低誘電率膜をエッチングする際に、エッチング
処理を行うウエハに紫外線を照射する事を特徴とする試
料の表面処理方法。
【請求項２】請求項１において、エッチングするウエ
ハ表面に照射する紫外線の波長を300nm以下としたこと
を特徴とする試料の表面処理方法。
【請求項３】請求項２において、エッチングプロセス
ガスに紫外線を発生するガスを添加し、ウエハ表面に紫
外線を照射する事を特徴とする試料の表面処理方法。
【請求項４】請求項２において、ウエハに対向した位
置に紫外線ランプを配置し、ウエハ表面に紫外線を照射
する事を特徴とする試料の表面処理方法。
【請求項５】請求項２において、ウエハに対向した位
置に意外に紫外線ランプを配置した場合、反射レンズや
反射鏡等で制御し、ウエハ表面に紫外線を照射する事を
特徴とする試料の表面処理方法。