JP2004071731A - エッチング方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明によれば、第一のエッチング工程でキャップ層16を除去するときに、低誘電率絶縁膜15の表面が荒れたとしても、第一のエッチング工程の後に、第二の反応ガスとしてハイドロフルオロカーボン(HFC)のガスを真空雰囲気中に導入し、100nm/分以下の速度でゆっくりエッチングを行うことで、低誘電率絶縁膜15の表面に薄膜が形成され、凹部が埋められる反応と、表面がエッチングされる反応とが同時に進行し、低誘電率絶縁膜15の表面が平坦化される。
【選択図】図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電プラズマを利用したエッチング方法に関し、特に、半導体装置のキャップ層と低誘電率絶縁膜をエッチングする技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に二酸化ケイ素(SiO2)のエッチングには、主たるエッチングガスとしてフルオロカ―ボン(CF4、C2F6、C3F8、C4F8等)が、添加ガスとしてArやO2、CO等が用いられる。
【0003】
しかし、ポーラス材からなる多孔質膜であって、比誘電率(k)が2.6以下の低誘電率絶縁膜のエッチングに対して、従来の二酸化ケイ素のエッチング技術をそのまま適用するといくつかの問題が発生する。
その中の一つとして、低誘電率絶縁膜の表面に形成されたキャップ層と、低誘電率絶縁膜との選択性(エッチング速度比)の問題がある。
【0004】
低誘電率膜に用いられるキャップ層としてはSiN,SiO2,SiON,SiC,SOG(Spin on Glass),或いはOSG,SiOC,a−SiCO:H,MSX,MSQ,MHSQ,HSQ,Organic−SOG,Black DiamondTM 等のハイブリッド膜等による単層構造もしくは各種組み合わせによる2層構造(デュアルハードマスク構成)が主である。
【0005】
低誘電率絶縁膜は、二酸化ケイ素からなる絶縁膜に比べて低膜密度であるため、エッチング速度が高く、上述したようなキャップ層のエッチング速度と比較してもエッチング速度が高い。
従ってエッチングがキャップ層の下地である低誘電率膜に達するや否や低誘電率膜が即時にエッチングされてしまう。
【0006】
低誘電率膜の高エッチ速度は、従来のSiO2に比べて膜自体の密度が低く、且つ膜構造も異なることが主たる原因である。
特に、トレンチとビアの中間層(ストップ層)の無いデュアルダマシン構造の場合、キャップ層をエッチングする際に僅かでも下地の低誘電率絶縁膜がオーバーエッチされると、その時の面内分布を補うためのきわめて高度な低誘電率膜トレンチエッチング技術が必要になる。
【0007】
これは、低誘電率絶縁膜をエッチングする時の面内分布がたとえ良くても初期の分布を強調して反映してしまうからである。
通常この問題解消には、キャップ層のエッチングと低誘電率絶縁膜のエッチングの両方ともに高精度のエッチ面内均一性が必要となる。
【0008】
しかし、そのためには、エッチング条件に強い制約を持たせることを意味し、逆に総合的なプロセスマージンを狭くする。本発明はこれらの問題を解消するためのエッチング法を提案するものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の要求に応じるために創作されたものであり、その目的は、総合的なプロセスマージンを狭くすることなく、低誘電率膜の膜厚の面内均一性を向上させる技術を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、シロキサン結合の繰り返し単位を有し、少なくとも一つのシロキサン結合に有機官能基が結合した重合体で構成され、比誘電率が2.6以下の低誘電率絶縁膜と、誘電材料を主成分とし、前記低誘電率絶縁膜表面に配置されたキャップ層とを有するエッチング対象物を真空雰囲気中に配置し、二重結合を有するフルオロカーボンガスを主成分とする第一の反応ガスを、前記真空雰囲気中に導入し、該第一の反応ガスのプラズマを発生させ、前記キャップ層をエッチングし、前記低誘電率絶縁膜を露出させた後、二重結合を有しないフルオロカーボンガスを主成分とする第二の反応ガスを、前記真空雰囲気中に導入し、前記第二の反応ガスのプラズマを発生させ、前記低誘電率絶縁膜をエッチングするエッチング方法である。
請求項2記載の発明は、請求項1記載のエッチング方法であって、前記キャップ層は、SiNと、SiO2と、SiONと、SiCと、SOGと、OSGと、SiOCと、a−SiCO:Hと、MSXと、MSQと、MHSQと、HSQと、Organic−SOGと、Black DiamondTM とからなる郡より選択されるいずれか1種類の誘電材料を主成分とするエッチング方法である。
請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のエッチング方法であって、前記第一の反応ガスは、フルオロカーボンとして、C2F4と、C3F6と、C4F6のうち少なくとも1種類のフルオロカーボンガスを含有するエッチング方法である。
請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のエッチング方法であって、前記第二の反応ガスは、フルオロカーボンのガスとして、CF4と、C3F8と、C3F7Iと、C3F6O(CF3OCF=CF2)のうち、少なくとも1種類のフルオロカーボンガスを含有するエッチング方法である。
【0011】
先ず、本発明に用いた第一、第二の反応ガスによるエッチングの原理を説明する。
図5は、反応ガスとしてCF4ガスと、C3F8ガスと、C4F6ガスとをそれぞれ用いて、レジスト層と、キャップ層と、低誘電率絶縁膜をエッチングした場合のエッチング速度(nm/分)を示すグラフである。図5の符号SRはレジスト層のエッチング速度を示し、図5の符号SCはキャップ層のエッチング速度を示し、図5の符号SLは低誘電率絶縁膜のエッチング速度をそれぞれ示している。
【0012】
ここでは、レジスト層としてノボラック樹脂系の感光材料を用い、キャップ層として二酸化ケイ素からなるものを用い、低誘電率絶縁膜としてメチルシルセスキオキサン(以下MSQと略記する)からなり、比誘電率が2.6以下のものを用いた。
【0013】
図6は、上記各ガスに対する、低誘電率絶縁膜とレジスト層との選択比と、低誘電率絶縁膜とキャップ層との選択比と、キャップ層とレジスト層との選択比を表すグラフであり、低誘電率絶縁膜とレジスト層との選択比の値と、低誘電率絶縁膜とキャップ層との選択比の値と、キャップ層とレジスト層の選択比の値は、図5のエッチング速度SL、SR、SCを用い、SL/SR、SL/SC、SC/SRで算出した。
【0014】
図5から分かるように、CF4と、C3F8を用いてエッチングを行なった場合には低誘電率絶縁膜のエッチング速度SLがキャップ層のエッチング速度SCよりも速いので、図6に示すように、低誘電率絶縁膜とキャップ層との選択比(SL/SC)は1を超えている。
【0015】
これに対し、C4F6を用いた場合は低誘電率絶縁膜のエッチング速度SLがキャップ層Scよりも遅いので、低誘電率絶縁膜とキャップ層との選択比(SL/SC)が1未満になっている。
【0016】
C4F6を用いた場合に、低誘電率絶縁膜のエッチング速度SLがキャップ層のエッチング速度SCよりも遅くなったのは、C4F6のように二重結合を有するフルオロカーボンがプラズマ化すると、ポリマー前駆体が多数形成され、キャップ層のように膜密度が緻密なものはそのポリマー前駆体によってエッチングされるが、低誘電率絶縁膜のようにその膜中に多孔質構造を有するものは、細孔内にポリマー前駆体が入り込むことで、エッチングが停止するためである。
【0017】
本発明によりエッチングされるエッチング対象物は、低誘電率絶縁膜とキャップ層の積層膜を有しており、そのキャップ層は、例えばCVD法等により成膜された二酸化ケイ素薄膜からなるため、低誘電率絶縁膜よりも膜密度が高くなっている。
これに対し、低誘電率絶縁膜は、例えば、下記構造式(1)
【0018】
【化1】
【0019】
に示されるような重合体で構成されており、例えば、スピンコート法のような成膜方法で成膜することでその膜中に多孔質構造を形成し、比誘電率を2.6以下にすることができる。このような低誘電率絶縁膜は、微細構造の半導体装置の層間絶縁膜として用いることができる。
【0020】
上述したエッチング対象物をエッチングするには、ノボラック樹脂のような樹脂膜がパターニングされたレジスト層をキャップ層表面に配置しておき、二重結合を有するフルオロカーボンのガスのプラズマを発生させてエッチングを行なうと、キャップ層とレジスト層との選択比は1を超えるので、レジスト層のエッチング量が小さく、レジスト層の開口底面に露出するキャップ層が精度良くエッチングされる。
【0021】
しかも、その反応ガスを用いた場合には、低誘電率絶縁膜とキャップ層との選択比が1未満になるので、キャップ層がエッチング除去され、開口底面に低誘電率絶縁膜が露出しても、低誘電率絶縁膜のエッチング量が小さく、エッチングが停止する。
【0022】
開口底面に露出するキャップ層がエッチング除去されたところで、第一の反応ガスのプラズマを消滅させると共に、第一の反応ガスの導入を停止した後、真空排気すれば、第一の反応ガスが除去されるので、引き続き行われる第二のエッチング工程で、第二の反応ガスを真空雰囲気中に導入しても、第一の反応ガスと第二の反応ガスとが混合されない。
【0023】
【発明の実施の形態】
図2(a)の符号10は本発明のエッチング方法によりエッチングされるエッチング対象物の一例を示している。
このエッチング対象物10は、シリコンウェハ11と、低誘電率絶縁膜15と、キャップ層16とを有している。
【0024】
シリコンウェハ11の片面には下地層14が形成されており、低誘電率絶縁膜15は下地層14の表面に配置されている。
キャップ層16は低誘電率絶縁膜15の表面に形成されており、キャップ層16の表面には所定パターンにパターニングされたレジスト層18が配置されている。レジスト層18には、パターニングによって細長の開口19が複数本形成されており、各開口19の底面にはそれぞれキャップ層16の表面が露出している。
【0025】
図1の符号1は上述したエッチング対象物10のエッチングに用いられるエッチング装置の一例を示している。
エッチング装置1は真空槽2を有している。真空槽2内の底壁側には電極6が配置されており、上述したエッチング対象物10を真空槽2内に搬入し、レジスト層18が形成された面を天井側に向けて電極6表面に載置する。
【0026】
次いで、真空槽2に接続された真空排気系5を起動し、真空槽2内を所定圧力まで真空排気する。
真空槽2外には第一、第二のガス供給系21、22が配置されており、第二のガス供給系22のバルブを閉じた状態で、第一のガス供給系21のバルブ21を開け、第一のガス供給系21のガスタンクに充填された第一の反応ガスを、真空槽2内の天井側に設置されたシャワーヘッド7に所定流量で供給すると、第一の反応ガスがシャワーヘッド7から真空槽2内に導入される。
【0027】
真空槽2内の圧力が所定圧力で安定したところで、コイル用高周波電源24を起動し、真空槽2の外壁に巻きつけられたコイル9に高周波電流を流すと共に、電極用高周波電源23を起動し、電極6に高周波電圧を印加すると、高周波電流によって真空槽2内に誘導電場が形成されて第一の反応ガスがプラズマ化し、第一の反応ガスのイオンが発生し、そのイオンが高周波電圧が印加された電極6に引き付けられ、エッチング対象物10のレジスト層18が形成された面に垂直に入射する。
【0028】
ここでは、キャップ層16は二酸化ケイ素(SiO2)で構成されており、第一の反応ガスとして、C4F6のように二重結合を有するフルオロカーボンのガスが導入されている。
【0029】
レジスト層18はノボラック樹脂を主成分とし、キャップ層16は二重結合を有するフルオロカーボンのガスのプラズマでエッチングされやすいのに対し、レジスト層18はエッチングされ難いので、第一の反応ガスのイオンがレジスト層18が形成された面に入射すると、レジスト層18はエッチングされずに残り、開口19底面に露出するキャップ層16が精度良くエッチングされる。
【0030】
キャップ層16の膜厚分布やエッチングむら等により、開口19によってキャップ層16が除去されるまでの時間が異なるので、全ての開口19の底面に露出するキャップ層16を除去するようにエッチングを行なうと、短時間ではあるが、低誘電率絶縁膜15の表面が第一の反応ガスのプラズマに曝される。
【0031】
低誘電率絶縁膜15はMSQのように、シロキサン結合の繰り返し単位を有し、少なくとも一つのシロキサン結合に有機官能基が結合した重合体で構成されており、その膜中には多孔質構造が形成され、比誘電率が2.6以下と小さくなっている。
【0032】
上述したように、このような低誘電率絶縁膜15は、キャップ層16に比べて第一の反応ガスのプラズマによるエッチング速度が遅いので、第一の反応ガスのプラズマに曝されてもエッチングされず、キャップ層16が除去され、低誘電率絶縁膜15が開口19内に露出すると、エッチングが停止する。
【0033】
全ての開口19の底面のキャップ層16が除去されたところで、電極用高周波電源23を停止してエッチング対象物10へのプラズマ入射を停止させ、コイル用高周波電源24を停止してプラズマを消滅させ、第一のガス供給系21のバルブを閉じて第一の反応ガスの導入を停止して、第一のエッチング工程を終了する。
【0034】
図2(b)はその状態を示しており、各開口19の底面には低誘電率絶縁膜15の表面が露出している。
上述したように、低誘電率絶縁膜15はエッチングされないので、開口19毎に膜厚が変化することがなく、その面内分布は一定になっている。
【0035】
第一のエッチング工程終了後、第一の反応ガスの導入を停止した状態で真空排気を続け、真空槽2内から第一の反応ガスを排出し、真空槽2内の圧力が所定圧力まで低下したところで、第二のガス供給系22のバルブを開け、第二の反応ガスをシャワーヘッド7から真空槽2内に導入する。
【0036】
真空槽2内の圧力が所定圧力で安定したところで、コイル9に高周波電流を流すと共に、電極6に高周波電圧を印加すると、高周波電流によって真空槽2内に誘導電場が形成され、第二の反応ガスがプラズマ化してイオンが発生し、それらのイオンが高周波電圧が印加された電極6に引きつけられ、開口19の底面に露出する低誘電率絶縁膜15の表面に垂直に入射する。
【0037】
ここでは、第二の反応ガスはCF4と、C3F8のように二重結合を有しないフルオロカーボンのガスで構成されており、上述した低誘電率絶縁膜15に対するエッチング性が高いので、第二の反応ガスのイオンが入射すると、低誘電率絶縁膜15は膜厚方向にエッチングされる。
【0038】
このとき、開口19の内壁にキャップ層16が露出しているが、二重結合を有するフルオロカーボンはキャップ層16に対するエッチング性が低いので、開口19内でキャップ層16が横方向にエッチングされない。
【0039】
低誘電率絶縁膜15が所定深さまでエッチングされたところで、コイル用高周波電源24と電極用高周波電源23とを停止し、第二のエッチング工程を終了させる。
図2(c)はその状態を示しており、エッチングによって低誘電率絶縁膜15にはレジスト層18の開口19と同じ平面形状の開口が形成されている。
【0040】
上述したように、第二のエッチング工程の前には、低誘電率絶縁膜15の膜厚の面内分布は一定になっているので、低誘電率絶縁膜15に形成された開口の底面から、シリコンウェハ11までの距離は一定になっている。
【0041】
次に、レジスト層18を除去し、エッチング対象物10の開口19が形成された面にバリア膜を形成すると、開口19の底面と側壁がバリア膜で覆われる。その開口19に銅のような導電性材料を充填して配線を形成すれば、半導体装置が作製される。
【0042】
上述したように、低誘電率絶縁膜15に形成された開口の底面から、シリコンウェハまでの距離は一定になっているので、配線からシリコンウェハまでの距離も一定になっている。
尚、第一のエッチング工程と、第二のエッチング工程の際に、不図示の温度制御手段によってエッチング対象物10を所定温度に維持すれば、エッチング速度が設定速度よりも上昇したり、エッチング対象物10が熱損傷を受けることがない。
【0043】
【実施例】
上述したエッチング対象物10を用い、真空槽2内の圧力を変えてキャップ層16のエッチングを行なったところ、真空槽2内の圧力が1Pa以下であれば、各開口19内にキャップ層16の残渣が残らずにエッチングされることがわかった。
【0044】
その条件を基に、キャップ層16と低誘電率絶縁膜15のエッチングを行ない、低誘電率絶縁膜15がエッチングされず、かつ、キャップ層16のエッチング速度がさほど低下しない最適パラメータを求めた。
<実施例>
最適パラメータの一例として、C4F6からなる第一の反応ガスの流量を50sccmにして真空槽2内の圧力を0.65Paとし、エッチング対象物10の温度を20℃、コイル9への印加電力を1000W、電極6への印加電力が300Wの条件でキャップ層16をエッチング除去し、その状態のエッチング対象物10の電子顕微鏡写真を撮影した。
【0045】
<比較例>
第一の反応ガスとしてCF4を用いた以外は上記実施例と同じ条件で第一のエッチング工程を行い、エッチング対象物10の電子顕微鏡写真を撮影した。
【0046】
<評価>
図3は本発明によりエッチングされたエッチング対象物10の電子顕微鏡写真であり、図4は比較例によりエッチングされたエッチング対象物の電子顕微鏡写真であり、図3、図4の符号Cはそれぞれキャップ層16を示している。
【0047】
図3、4から明かなように、本発明のエッチング方法によれば、第一のエッチング工程でキャップ層16のみがエッチングされたのに対し、比較例のエッチング方法では、キャップ層16と共に低誘電率絶縁膜15もエッチングされてしまった。
これらのことから、二重結合を有するフルオロカーボンを用いてエッチングを行えば、キャップ層16のみをエッチング除去することが可能なことが確認された。
【0048】
<その他の例>
以上は、二重結合を有するフルオロカーボンとしてC4F6を用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、C2F4、C3F6等を用いることができる。
【0049】
また、キャップ層16や低誘電率絶縁膜15に対して化学的に不活性なガスを希釈ガスとして第一の反応ガスに添加すれば、フルオロカーボンガスの濃度を低くし、エッチング速度を遅くすることができる。
そのような希釈ガスとしては、アルゴンやキセノンのような希ガスや、窒素ガス(N2)等を用いることができる。
【0050】
二重結合を有しないフルオロカーボンは、CF4とC3F8に限定されるものではなく、C2F6、C3F7Iや、C3F6O(商品名HFE216)のようなフルオロエーテルを用いることができる。
また、第二の反応ガスに、低誘電率絶縁膜15やキャップ層16に対して化学的に不活性なガスを希釈ガスとして添加することもできる。
【0051】
以上は、低誘電率絶縁膜15として、MSQを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、OSG、SiOC、a−SiCO:H、MSX、MHSQ、HSQ、Organic−SOG、LKDTM、Black DiamondTM、FlowfillTM、CoralTM、AuroraTM、NanoglassETM、FOxTM、OCD TM、Accuspin TM、HOSP TM、Aerogel、Xelogel、Porous Silica:ISM−1.5等を用いることができる。
【0052】
第二の反応ガスに酸素ガスを添加すると、低誘電率絶縁膜15のエッチング速度が速くなるが、低誘電率絶縁膜15が酸素ガスのプラズマに曝されると、その電気的特性が劣化する原因となるので、第二の反応ガス中の酸素濃度は5%以下が好ましい。
【0053】
以上はレジスト層にノボラック樹脂を用いる場合について説明したが、ノボラック樹脂以外にもナフトキノンジアジド化合物やその他の感光性樹脂を用いることができる。
【0054】
【発明の効果】
本発明によれば、キャップ層を除去する第一のエッチング工程で低誘電率絶縁膜がエッチングされず、低誘電率絶縁膜をエッチングするときには、その膜厚の面内分布が一定になっているので、低誘電率絶縁膜に形成される開口の底面からシリコンウェハまでの距離が一定になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いるエッチング装置の一例を説明する図
【図2】(a)〜(c):本発明のエッチング方法を説明するための断面図
【図3】本発明のエッチング方法によりキャップ層がエッチングされた状態の断面電子顕微鏡写真
【図4】従来技術のエッチング方法によりキャップ層がエッチングされた状態の断面電子顕微鏡写真
【図5】エッチング速度と反応ガスの種類との関係を説明するためのグラフ
【図6】選択比と反応ガスの種類との関係を説明するためのグラフ
【符号の説明】
1……エッチング装置 2……真空槽 10……エッチング対象物 15……低誘電率絶縁膜 6……電極 7……シャワーヘッド 9……コイル 16……キャップ層 18……レジスト層 19……開口 21……第一のガス供給系 22……第二のガス供給系 23……電極用高周波電源 24……コイル用高周波電源
Claims (4)
- シロキサン結合の繰り返し単位を有し、少なくとも一つのシロキサン結合に有機官能基が結合した重合体で構成され、比誘電率が2.6以下の低誘電率絶縁膜と、
誘電材料を主成分とし、前記低誘電率絶縁膜表面に配置されたキャップ層とを有するエッチング対象物を真空雰囲気中に配置し、
二重結合を有するフルオロカーボンガスを主成分とする第一の反応ガスを、前記真空雰囲気中に導入し、該第一の反応ガスのプラズマを発生させ、前記キャップ層をエッチングし、前記低誘電率絶縁膜を露出させた後、
二重結合を有しないフルオロカーボンガスを主成分とする第二の反応ガスを、前記真空雰囲気中に導入し、前記第二の反応ガスのプラズマを発生させ、前記低誘電率絶縁膜をエッチングするエッチング方法。 - 前記キャップ層は、SiNと、SiO2と、SiONと、SiCと、SOGと、OSGと、SiOCと、a−SiCO:Hと、MSXと、MSQと、MHSQと、HSQと、Organic−SOGと、Black DiamondTM とからなる郡より選択されるいずれか1種類の誘電材料を主成分とする請求項1記載のエッチング方法。
- 前記第一の反応ガスは、フルオロカーボンとして、C2F4と、C3F6と、C4F6のうち少なくとも1種類のフルオロカーボンガスを含有する請求項1又は請求項2のいずれか1項記載のエッチング方法。
- 前記第二の反応ガスは、フルオロカーボンのガスとして、CF4と、C3F8と、C3F7Iと、C3F6Oのうち、少なくとも1種類のフルオロカーボンガスを含有する請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のエッチング方法。
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