JP2004336038A - 多孔質誘電体薄膜のエッチング方法及び該薄膜を備えたデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】 多孔質誘電体薄膜の改良されたエッチング方法を提供すること。
【解決手段】 カーボンをドーピングした二酸化ケイ素型の多孔質誘電体薄膜をエッチングする際に、その薄膜を、プラズマエッチング室内で、ＣＦ4、Ｈ2及び希ガスを用いてプラズマエッチングし、その際、ＣＦ4：Ｈ2のガス流量比を１．３３：１〜２．７：１の範囲とし、かつ希ガスの流量を、プラズマエッチング室に対する全ガス流量の約４２％よりも大きくするように構成する。
【選択図】 なし
【解決手段】 カーボンをドーピングした二酸化ケイ素型の多孔質誘電体薄膜をエッチングする際に、その薄膜を、プラズマエッチング室内で、ＣＦ4、Ｈ2及び希ガスを用いてプラズマエッチングし、その際、ＣＦ4：Ｈ2のガス流量比を１．３３：１〜２．７：１の範囲とし、かつ希ガスの流量を、プラズマエッチング室に対する全ガス流量の約４２％よりも大きくするように構成する。
【選択図】 なし
Description
本発明は、例えばウエハ又はマルチチップモジュールのような基板上で多孔質誘電体薄膜をエッチングして相互接続構造体の一部を形成する方法に関する。特に本発明は、下記のものに限定されるわけではないけれども、多孔質誘電体薄膜をエッチングしてデュアルダマシン構造体の一部を形成する方法に関する。さらに詳しく述べると、本発明は、デュアルダマシン構造体の上部をエッチングする方法に関する。
相互接続層におけるＲＣ積を低減させるため、隣接した導体間における静電容量を低下させる必要性が存在している。そのために、誘電率（ｋ）が低い材料が望ましく、また、真空ギャップは最低のｋ値である１を有することが知られている。バルク状態にある絶縁体のｋ値を低下させるために公知な方法としては、マトリックスの材料と空隙が存在するように多孔度を導入して、ｋ値をマトリックスのものよりも小さくすることがある。
しかし、このような多孔質の材料の場合、実使用のデバイスに一体化する際に多数の問題を引き起こし、また、より小型化された構造体を作製する必要性があるため、複雑度がさらに追加される。現在のところ、多孔質の誘電体であって、現行のデバイスに一体化するのに成功し、一般的な販売のために大量生産を可能としたものは存在していない。
例えば６５ｎｍテクノロジーノードでは一体化策についての可能性があるが、それによると、デュアルダマシン誘電体の全厚がその内部にエッチング停止層を設けることなく堆積される。次いで、タイミングをはかった時間で誘電体にトレンチ（溝）をエッチングし、その誘電体の厚さ方向にエッチング終端部分を形成する。さらに加えて、これらの公知で望ましい面の異方性エッチングはすべて、エッチングによって形成された溝のベース（基底）が平滑であるという追加の要求が存在している。ここで、もしも誘電体が多孔質であるとすると（すなわち、空隙を含有する）、明らかなように１つの課題が発生してくる。もしも空隙が非常に小さいのであるならば、それらの空隙に対してある程度の「修復(healing)」を行うことも望ましいかもしれないけれども、空隙を有する誘電体内においてエッチングを停止させることが許容可能である。
この出願の出願人は、すでに提出したいろいろな特許出願において記載しているけれども（例えば、特許文献１を参照されたい）、OrionTMとして知られた多孔質の誘電体を開発した。この誘電体材料は、１．８〜２．６のｋ値を有し、また、現時点において、２．２〜２．５のｋ値でもって６５ｎｍ（及び６５ｎｍ未満）デザインルールの論理回路に一体化できることが評価されている。本発明でエッチングされるのがこの材料であり、ただし、本発明はまた、カーボンをドーピングした任意の二酸化ケイ素型の低ｋ値多孔質誘電体材料、例えばＳｉＣＯＨ型の誘電体材料に関する。典型的には、このようなカーボンをドーピングした酸化物は、それらの酸化物の内部に含まれるメチル基を有している。炭素（及びしたがって水素）の濃度は、いろいろに変動してよく、より高い濃度の場合、特定の環境下において多孔度が導かれる。
ここで明らかにしておかなければならないことは、この出願はエッチングされた後のサイドウオール（側壁）に関するものではないということである。よく知られているように、異方性（方向性をもった）エッチングを達成するため、化学的攻撃から側壁を保護するためにそれらの側壁上にポリマーが堆積せしめられ、一方、エッチングフロント（溝の基底）の攻撃によってその保護層を除去し、下方向のエッチングを可能としている。エッチングの完了後、フォトレジストや任意の残留ポリマーを除去する。
いまひとつ理解されなければならないことは、ほとんどすべてのケースについて言えることであるが、相互接続層を形成する材料の層は完全にエッチングされるので、「エッチング停止」層又は、被エッチング層よりもより緩やかにエッチング液中でエッチングされ得る任意のその他の層のところでエッチングプロセスが停止されるということである。１つの層を貫通する途中でエッチング部分を終端させることは多少異常なところがあり、デバイスのエッチング停止層をなくすることが非常に有望である。なぜなら、そのようにした場合、構造体の有効ｋ値が低下せしめられ、かつ層間の界面の数が減らされるからである。論文等の形でまだ発表してはいないけれども、出願人が見い出したところによると、おそらくは驚くべきことではないのかもしれないけれども、このような部分的なエッチングを多孔質の誘電体において実行した場合には、溝において粗い基底が形成せしめられる。この状態は、図１（ａ）及び図１（ｂ）において認めることができる。
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、出願人が供給しているＭＯＲＩTMプロセスチャンバ内でＣＦ4及びＣＨ2Ｆ2ガスを使用して部分エッチングを行った後に得られた誘電体薄膜の粗いエッチングフロントを示す電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。適用された条件は、ヘリコンソースに由来するプラズマの電力が１２５０Ｗ、プラテン（ウエハ）のバイアス電力が４００Ｗ、圧力が２mTorr、そしてウエハのヘリウム背圧が１５Torr（温度感知ラベルで指示されたところによると、約９０〜１００℃のウエハ表面温度を与える）であった。
図１（ａ）は、デュアルダマシン構造を示している。図中、参照番号１は、エッチング後の多孔質酸化物表面を指している。
上記の説明から理解されるように、カーボンをドーピングしたシリコン酸化物型の多孔質誘電体薄膜内に形成されたエッチング後の形態部分(features)に対して平滑な基底を提供するための改良されたエッチング方法の必要性が存在している。
本発明は、その１つの面において、カーボンをドーピングした二酸化ケイ素型の多孔質誘電体薄膜をエッチングするためのものであって、
前記薄膜を、プラズマエッチング室内で、ＣＦ4、Ｈ2及び希ガスを用いてプラズマエッチングすることを含み、その際、ＣＦ4：Ｈ2のガス流量比を１．３３：１〜２．７：１の範囲とし、かつ希ガスの流量を、プラズマエッチング室に対する全ガス流量の約４２％よりも大きくすることを特徴とする多孔質誘電体薄膜のエッチング方法にある。
前記薄膜を、プラズマエッチング室内で、ＣＦ4、Ｈ2及び希ガスを用いてプラズマエッチングすることを含み、その際、ＣＦ4：Ｈ2のガス流量比を１．３３：１〜２．７：１の範囲とし、かつ希ガスの流量を、プラズマエッチング室に対する全ガス流量の約４２％よりも大きくすることを特徴とする多孔質誘電体薄膜のエッチング方法にある。
もう１つの面において、本発明は、例えばＳｉＣＯＨ材料のようなカーボンをドーピングしたシリコン酸化物材料の多孔質誘電体薄膜をプラズマエッチングして、次のような望ましい特性を得る方法を提供する。
特 性 目的とする結果
エッチング深さ 薄膜の膜厚の４０〜７０％
エッチング速度 ２００〜５００ｎｍ／分
フォトレジストに対する選択性 ５：１よりも大
ＡＲＤＥ*パーセント ５％未満
*ＡＲＤＥ：Aspect Ratio Dependent Etching rate（異なるアスペクト比をもった形態部分におけるエッチング速度の差）
側壁の角度 ９０度
微細溝加工 電子顕微鏡で不可視
粗さ 表面を平面もしくは４５度の視射角で観察した場 合に、電子顕微鏡で不可視
（最小拡大率、×２０，０００で）
エッチング深さ 薄膜の膜厚の４０〜７０％
エッチング速度 ２００〜５００ｎｍ／分
フォトレジストに対する選択性 ５：１よりも大
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*ＡＲＤＥ：Aspect Ratio Dependent Etching rate（異なるアスペクト比をもった形態部分におけるエッチング速度の差）
側壁の角度 ９０度
微細溝加工 電子顕微鏡で不可視
粗さ 表面を平面もしくは４５度の視射角で観察した場 合に、電子顕微鏡で不可視
（最小拡大率、×２０，０００で）
さらにもう１つの面において、本発明は、本発明による多孔質誘電体薄膜のエッチング方法によってエッチングされた薄膜を備えたデバイスを提供する。
本発明は、上記したようなものであるけれども、上記及び下記の説明に示される特徴的事項の任意の発明的組み合わせを包含することができる。
本発明は、いろいろな方法で実施することができる。以下においては、添付の図面を参照して特定の態様を説明することにする。
図５（ａ）及び図（ｂ）に示される粗いエッチングフロント１は、薄膜の多孔度に明らかに起因すると考えられるけれども、観察されたところによれば、表面の粗さは、１〜４ｎｍである平均空隙サイズよりも大であった。したがって、このことから提案されることは、エッチングフロントの厚さは単純に空隙の露出の結果としてあるものではないということであり、したがって、エッチングプロセスを改良することで、溝のエッチングフロント及び基底をより平滑にすることができるということが仮定された。
出願人が最初に確認したことは、図２の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように、例えばアルゴンのような希ガスを添加することによってエッチングフロントの平滑性を改良できるということである。
図２に示したプロセスのそれぞれを先に参照したＭＯＲＩTMチャンバ内で実施し、その際、チャンバの圧力は１１０ｍＴ、ウエハプラテンのみに対して印加したプラズマ電力は７００Ｗ、そしてウエハのヘリウム背圧は１５Ｔ（すなわち、ウエハ温度は約９０〜１００℃）であった。
図２の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すサンプルの場合、それぞれのサンプルについてのガス流量（ｓｃｃｍ）を次のように設定した。
ガス サンプル（ａ） サンプル（ｂ） サンプル（ｃ）
ＣＦ4 ８０ ６０ ６０
Ｈ2 ３０ ３０ ３０
Ａｒ ０ ９０ １２０
ＣＦ4 ８０ ６０ ６０
Ｈ2 ３０ ３０ ３０
Ａｒ ０ ９０ １２０
図２において、多孔質酸化物のエッチングフロント／基底面を参照番号１で観察することができ、また、図中、サンプル（ａ）ではＣＦ4＋Ｈ2の反応性イオンエッチングプロセスに対するアルゴンの添加がなく、サンプル（ｂ）ではアルゴンを添加し、そしてサンプル（ｃ）では最も多量にアルゴンを添加した。アルゴンの添加によってより平滑なエッチングフロント１が得られ、また、サンプル（ｃ）の場合に最も平滑な面が得られることがわかるであろう。このことは、重い希ガスを添加することによって物理的スパッタエッチングの成分を増加させた場合には、不均一な密度をもった材料のエッチングフロントの粗さが増大せしめられるであろうと予想されていたこととは、反対の結果である。
また、図２の（ｃ）に示すプロセスは、許容し得るものではなく、例えば目立った微細溝形成が参照番号２で認められる。
ここで、出願人は、すべての場合について、エッチングガスとしてより一般的に使用されているＣＦ4／Ｏ2を使用するのではなくて、ＣＦ4とＨ2の混合物を選択したことに気が付くであろう。混合物使用には、次のような理由がある。
ＣＦ4は、よく知られておりかつ容易に入手可能なフッ素源であり、また、そのポリマー生成度が低いため、その他の公知のフッ素含有エッチングガスに比較してより低いレベルのウエハバイアス電力でもってエッチングに供することができる。二酸化ケイ素の薄膜はＣＦ4＋酸素ガス混合物中でエッチングを行うのが一般的であるけれども、エッチングガスから酸素を排除すべきであるということが決定された。これは、出願人の予想によれば、薄膜内においてメチル基が形成され得るところ、このメチル基が酸素によって薄膜から脱離されるからである。
次いで、追加のプロセスガスとして水素を選択した。水素の選択は、二酸化ケイ素又は炭化ケイ素に比較してシリコンのエッチング速度を低下させた場合にはフッ素を掃去し、選択性を増大させる能力を水素が有していることに基づいている。出願人の名義である英国特許出願（ＧＢ−Ａ−００２０ ５０９）から、低ｋ材料が水素プラズマによって硬化又は処理され得ることが公知である。水素レベルを増大させた場合、二酸化ケイ素のエッチング速度に対してのみ限定的な効果があり、かつ重合が増大せしめられるということが知られている。そのために、プラズマを使用すると、ＣＨ2Ｆ2ガスからよりもむしろ、水素ガスから直接的に水素ラジカルが与えられるであろう。
イオン化効率を増大させる能力を備えているため、アルゴンを重い希ガスとして選択した（例えばクリプトン又はキセノンのようなその他のガスを選択してもよい）。
次いで、かなりの数のＤＯＥ（実験計画）に基づいて実験を行い、この出願の発明の場合にはＣＦ4：Ｈ2の比が２：１である場合が最良であり、ＣＦ4：Ｈ2のガス流量比が１．３３：１〜２．７：１の範囲である場合が許容可能であるという結論を得た。
これから、水素濃度が異常に高いと言うことができる。一般的に考えられているところによると、ＣＦ4＋水素ガスの混合物において、二酸化ケイ素及びシリコンの両方のエッチング速度は、重合のレベルによるのであるけれども、ＣＦ4＋Ｈ2ガス混合物中の水素が約４０％の時にほぼゼロに到達する。
さらに発見されたところによると、ＣＦ4及びＨ2の流量を使用する場合に、アルゴンの流量は、少なくとも９０ｓｃｃｍとすべきであり、好ましくは全ガス流量の約７７％とすべきである。８０ｓｃｃｍのＣＦ4及び４０ｓｃｃｍの水素を使用したプロセスの場合、アルゴンガスの流量は好ましくは４００ｓｃｃｍであり、かつ少なくとも９０ｓｃｃｍであった。
別の非最適化プロセスは、図３（ａ）に示す通りである。図は、２．２のｋ値を有する多孔質ＳｉＣＯＨ材料Orionにおいて約８０％のエッチングを完了した後のものであり、参照番号１でエッチングフロントを認めることができ、例えば参照番号４でいくつかの表面粗さが示され、かつ例えば参照番号２で微細溝形成が示される。ＡＲＤＥは２％未満であり（０．２５ｎｍ／１．２５μｍ構造体）、フォトレジスト３に対する選択性は６：１よりも大であり、そしてエッチング速度は３００ｎｍ／分よりも大である。次いで、図３（ａ）に示したものと同じ構造体を部分酸素に基づくレジストストリップにさらしたところ、図３（ｂ）に示すような結果が得られた。図から認めることができるように、エッチングによって得られた溝の基底において厳しい粗面化が発生している。
発見されたところによると、多孔質のカーボンドーピング酸化物の厚さ方向内でエッチングを停止させる効果をさらに改良するため、２つの別の変更策が必要である。第１に、多孔質のＳｉＣＯＨ材料は、小さな空隙を有し、かつそれらの空隙の分布が緻密にコントロールされているべきである。平均的な空隙のサイズが１〜４ｎｍの範囲にある材料の場合、例えば４〜５ｎｍのより大きな平均空隙サイズを有する多孔質誘電体や、空隙のサイズが２〜１２ｎｍの範囲にある多孔質誘電体に比較して、よりスムースにエッチングを行うことができる。また、エッチング中におけるウエハの温度は、エッチングフロントの表面粗さに対して影響を及ぼすということも判明した。
ウエハの温度が上昇すればするほど、より平滑なエッチングフロントを得ることができる。しかし、フォトレジストの網状構造によって最高温度が制限されている。
周知の通り、実際に測定することが不可能であるので、エッチング（あるいは、堆積）プロセス中における薄膜の温度を特定することは困難である。温度を見積もる試みとして、温度表示ステッカーである「SensarrayTM」（熱電対を埋め込んだウエハ）を使用することを行い得るけれども、概算値が得られるにすぎない。しかし、ここで判明したところによると、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、静電気的に固定されたウエハの背面に対するヘリウムの圧力を低下させた場合（よって、冷却された静電チャックに対するウエハの熱的結合を低下させた場合）、エッチングフロントの平滑性が改良された。図に示されているものはどちらも、静電チャック冷却材の温度を−１５℃に設定して、Orion薄膜の厚さを８６％までエッチングすることで得られたサブミクロンの構造体である。図４（ａ）は、１５Torrのヘリウム圧力（チャックに対するウエハの熱的結合を小さな熱勾配で行うのに十分な圧力）を適用した時のエッチングの結果であり、また、図４（ｂ）の場合のヘリウム圧力は２Torrである。図からわかるように、図４（ｂ）のエッチングフロント１は、図４（ａ）のそれよりも平滑である。
ウエハ表面の温度検知ステッカーが示したところによると、１５Torrの圧力及び−１５℃の冷却材温度の時でウエハ表面の温度は９３〜９９℃であり、また、２Torrのヘリウム背圧及び−１５℃の冷却材温度の時で１４３〜１４９℃である。
したがって、本発明方法の場合、許容し得るウエハ表面温度は１００℃超と見積もられ、好ましくは１３０〜２２０℃の範囲であり、さらに好ましくは１３０〜１７０℃の範囲であり、最も好ましくは約１５０℃である（上限温度はフォトレジストによって制限され、さもなければ、より高い温度であることが、少なくとも潜在的には同等に有利である）。
このプロセスに好ましい最低の圧力は、８０mTorrである。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ガス流量が７０ｓｃｃｍＣＦ4、３０ｓｃｃｍＨ2及び９０ｓｃｃｍＡｒであり、７００Ｗであり、かつウエハのヘリウム背圧が１５Ｔ（ウエハ“冷”）である場合の、エッチングフロント１における表面粗さ４の兆候を示している。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、より高いウエハ表面温度（１３０〜１７０℃）でエッチングを実施した後における平滑なエッチングフロント１を示している。これが達成されたのは、ヘリウムの背圧を２Torrに低下させ、ウエハに対するプラテンの熱的結合を低下させたことに基づいている。その他、プロセス条件の変更点は、ＣＦ4−８４ｓｃｃｍ、Ｈ2−４２ｓｃｃｍ、Ａｒ−４００ｓｃｃｍ、圧力２００mT、そして電力１０００Ｗであった。
図７は、ヘリウムの背圧が１５Torrの時により低いウエハ表面温度（−１０〜＋９９℃）で処理を行った後におけるより粗いエッチングフロントを示している。ここで、プロセス条件は、図６のものに実質的に同じであるけれども、ＣＦ4及びＨ2の流量を、それぞれ、８２．５５ｓｃｃｍ及び３７．５ｓｃｃｍというように、僅かに変化させた。
本発明により得られた平滑なエッチングフロント表面が、エッチングフロント／基底を被覆したポリマー残渣に由来するものではないことを立証するため、フォトレジストのポストエッチ成分を除去するためにＮ2＋Ｈ2プラズマストリップを使用した。図８（ａ）は、熱時にエッチングを行った後の、所定の位置に配置された平滑なエッチングフロント１とフォトレジスト３を示している。図８（ｂ）は、フォトレジストを除去するためにＮ2＋Ｈ2プラズマストリップを施した後の、同じように平滑なエッチングフロント表面１を示している。可視のポリマー残渣は残留していない。
それぞれの個々のファクタについて、一次的な主たるレスポンスをまとめると、次の通りである。
多孔質のＳｉＣＯＨ型の誘電体を部分的にエッチングして平滑なエッチングフロントを得るための最良の公知なプロセス条件は、したがって、次の通りである。
エッチングガス：８０ｓｃｃｍＣＦ4、４０ｓｃｃｍＨ2、４００ｓｃｃｍＡｒ、ＣＦ4及びＨ2における５％の変動では、ＣＦ4：Ｈ2比が約２：１に保たれている限り、同様な結果が得られるであろう。
エッチングプロセスの圧力：２００mTorr
プラズマの電力：１０００Ｗ；ウエハプレートに対して１３．５６ＭＨｚが与えられる（ＲＩＥ）。（「ウエハレンズ効果」を避けるため、圧力が増加した時に電力を増加させる必要がある。）
ウエハ表面の温度：１００〜１７０℃（例えば、プラテン温度及び（又は）ヘリウムによるウエハ背圧の熱的結合の制御による）
エッチングプロセスの圧力：２００mTorr
プラズマの電力：１０００Ｗ；ウエハプレートに対して１３．５６ＭＨｚが与えられる（ＲＩＥ）。（「ウエハレンズ効果」を避けるため、圧力が増加した時に電力を増加させる必要がある。）
ウエハ表面の温度：１００〜１７０℃（例えば、プラテン温度及び（又は）ヘリウムによるウエハ背圧の熱的結合の制御による）
１…エッチング後の多孔質酸化物薄膜の表面
２…微細溝形成
３…フォトレジスト
４…表面粗さ
２…微細溝形成
３…フォトレジスト
４…表面粗さ
Claims (11)
- カーボンをドーピングした二酸化ケイ素型の多孔質誘電体薄膜をエッチングするためのものであって、
前記薄膜を、プラズマエッチング室内で、ＣＦ4、Ｈ2及び希ガスを用いてプラズマエッチングすることを含み、その際、ＣＦ4：Ｈ2のガス流量比を１．３３：１〜２．７：１の範囲とし、かつ希ガスの流量を、プラズマエッチング室に対する全ガス流量の約４２％よりも大きくすることを特徴とする多孔質誘電体薄膜のエッチング方法。 - ＣＦ4：Ｈ2の比が約２：１であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 希ガスがアルゴンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
- プラズマエッチング室に対する全ガス流量の約７７％までの量でアルゴンを存在させることを特徴とする請求項３に記載の方法。
- 前記薄膜の温度が１００〜１７０℃の範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記エッチング室の圧力が９０〜３００ｍＴの範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
- プラズマに対して供給される電力が７００〜１０００ワットの範囲であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
- 前記薄膜内でエッチングを終了させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
- 前記薄膜が相互接続構造体内にあることを特徴とする請求項８に記載の方法。
- プラズマエッチングでもって、前記薄膜内において相互接続構造体もしくはその他の関連した構造体を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
- 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法によってエッチングされた薄膜を備えたデバイス。
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-
2004
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