JP2005033027A

JP2005033027A - 低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法

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Publication number: JP2005033027A
Application number: JP2003271253A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Morikawa; 泰宏森川; Toshio Hayashi; 俊雄林; Kouko Suu; 紅コウ鄒
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2003-07-07
Filing date: 2003-07-07
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料で多孔室材料を含む低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングする場合に、エッチングストップ現象や残渣が生じることがなく、層間絶縁膜にダメージを与えることがないと共に、処理基板に対する面積依存性が小さくできるドライエッチングプロセスを提供する。
【解決手段】窒素を主ガスとし、この窒素にフロロカーボンを添加した混合ガスによってエッチングを行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関し、特に、炭素を含有し、低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関する。

一般に、ＳｉＯ_２から構成される層間絶縁膜をプラズマ雰囲気中でドライエッチングして、配線用のホールを微細加工する場合、ＣＦ系ガスを含む混合ガスが使用される（特許文献１参照）。この場合、ＣＦ系ガスのみによってエッチングを行うと、エッチング処理中に分解生成したガス同士が再結合して気相中でクラスタリングが生じてＣＦ系の膜堆積が発生する。このため、エッチングガスとして、アルゴンを主ガスとして用い、このアルゴンにフルオロカーボンガスを添加した混合ガスを使用し、クラスタリングの発生を防止することが考えられている（非特許文献１）。

ところで、近年の半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜として、例えば比誘電率（ｋ）が２．６以下の多孔質材を含むＳｉＯＣＨ系の低誘電率層間絶縁膜が開発されている。この低誘電率層間絶縁膜を、上記した化学反応性の低いアルゴンを主ガスとする混合ガスを用いてエッチングすると、ＳｉＯＣＨ系膜の構成材に炭素が含まれているため、層間絶縁膜をエッチングしたときのイオン衝撃によって例えば膜中のＨがなくなり、ホール底部に、−Ｃ−Ｃ−やＳｉ−Ｃ−の層が形成されてエッチングストップ現象が生じたり、残渣が生じる。このことから、酸素を多く添加させた混合ガスを使用してエッチング処理を行うことが提案される。

特開平１１−３１６７８号公報（例えば、特許請求の範囲の記載参照）。 W. Chen, M. Itoh, T. Hayashi and T. Uchid, J. Vac. Sci. Technol., A16(1998) 1594

しかしながら、酸素を多く添加させた混合ガスを使用すると、膜中の炭素を効果的に除去できるものの、酸素そのものの高い反応性によって層間絶縁膜中のＣＨｘ基が引抜かれて層間絶縁膜（特に、ホールのサイドウォール）がダメージを受ける。また、エッチングによるＳｉＯ−ＣＨｘとの反応生成物が存在するために、処理基板に対する面積依存性が大きくなるという問題が生じる。

そこで、本発明は、上記点に鑑み、比誘電率が２．０〜３．０の低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングする場合に、エッチングストップ現象や残渣が生じることがなく、層間絶縁膜にダメージを与えることがないと共に、処理基板に対する面積依存性が小さい低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法は、
比誘電率２．０〜３．０のＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料から構成される低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法において、窒素を主ガスとし、この窒素にフロロカーボンを添加した混合ガスによってエッチングすることを特徴とする。

本発明によれば、アルゴンと比較して、化学反応性は高いが、エッチング時のスパッタ効果の少ない窒素を用いるため、例えば膜中に炭素を含有する多孔質な低誘電率層間絶縁膜をエッチングする場合に、炭素がーＣＮガスとして除去されるので、−Ｃ−Ｃ−やＳｉ−Ｃ−の層が形成されてエッチストップ現象が生じたり、残渣が生じることが防止されて、配線用のホールの微細加工が可能になると共に、エッチングレートも向上する。他方で、酸素と比較して化学反応性が低いため、エッチング中に層間絶縁膜中のＣＨｘ基が引抜かれず、層間絶縁膜がダメージを受けるのが防止されると共に、反応生成物が生じないため処理基板に対する面積依存性が小さい。

尚、前記層間絶縁膜は、多孔質材料を含むものである。

また、前記窒素とフロロカーボンとの混合比として、例えば総流量に対して窒素の比率を３０〜９０％とすればよい。

さらに、前記混合ガスの総流量に対して５〜１０％の流量のＣ_ｘＨ_２ｘ＋２を（ｘ＝１〜５である）を添加すれば、高い対レジスト選択比が得られる。

前記エッチングを、例えば１Ｐａ以下の圧力範囲であってプラズマ雰囲気で行うのがよい。

これにより、本発明の低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法は、比誘電率が２．０〜３．０の低誘電率層間絶縁膜をエッチングする場合に、エッチングストップ現象や残渣が生じることがなく、層間絶縁膜にダメージを与えることがないと共に、処理基板に対する面積依存性が小さいという効果を奏する。

図１を参照して、１は、本発明の低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングして配線用のホールの微細加工を実行するエッチング装置を示す。このエッチング装置１は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段１１ａを備えた真空チャンバー１１を有する。その上部には、誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部１２が、その下部には基板電極部１３が設けられている。プラズマ発生部１２を区画する壁（誘電体側壁）１４の外側には、三つの磁場コイル１５、１６、１７が設けられ、この磁場コイル１５，１６、１７によって、プラズマ発生部１２内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。中間の磁場コイル１６と誘電体側壁１４の外側との間にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル１９が配置され、この高周波アンテナコイル１８は、高周波電源１９に接続され、三つの磁場コイル１５、１６、１７によって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。

磁気中性線の作る面と対向させて基板電極部１３内には、処理基板Ｓが載置される基板電極２０が絶縁体２０ａを介して設けられている。この基板電極２０は、コンデンサー２１を介して高周波電源２２に接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となる。また、プラズマ発生部１２の天板２３は、誘電体側壁１４の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態とし対向電極を形成する。この天板２３の内面には、真空チャンバ１１内にエッチングガスを導入するガス導入ノズル２４が設けられ、このガス導入ノズル２４が、ガス流量制御手段（図示せず）を介してガス源に接続されている。

上記エッチング装置を用いて、処理基板Ｓ上に形成され、配線用ホールの微細加工される低誘電率層間絶縁膜としては、ＨＳＱやＭＳＱのようにスピンコートによって形成されたＳｉＯＣＨ系材料、或いはＣＶＤによって形成されるＳｉＯＣ系材料で比誘電率２．０〜３．０のＬｏｗーｋ材料であり、多孔質材料を含む。ＳｉＯＣＨ系材料としては、例えば、商品名ＬＫＤ５１０９ｒ５／ＪＳＲ社製、商品名HSG−７０００／日立化成社製、商品名HOSP／Honeywell Electric Materials社製、商品名Nanoglass／Honeywell Electric Materials社製、商品名OCD T−１２／東京応化社製、商品名OCD T−３２／東京応化社製、商品名IPS２．４／触媒化成工業社製、商品名IPS２．２／触媒化成工業社製、商品名ALCAP−S５１００／旭化成社製がある。

ＳｉＯＣ系材料としては、例えば、商品名Aurola２．７／日本ＡＳＭ社製、商品名Aurola２．４／日本ＡＳＭ社製、商品名Orion２．７／TRIKON社製、商品名Coral／Novellf社製、商品名NCS／触媒化成工業社製、商品名Black Diamond／AMAT社製がある。また、商品名SiLK／Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK／Dow Chemical社製、商品名FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 Porous FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 GX‐3P／Honeywell Electric Materials社製などの有機系の低誘電率層間絶縁膜でもでもよい。尚、低誘電率層間絶縁膜上には、レジストを塗布した後、フォトリソグラフ法で所定のパターンが形成される。レジストとしては、公知のものが用いられる。

ドライエッチングプロセスに用いるエッチングガスとしては、窒素を主ガスとし、この窒素にフロロカーボン、例えばＣ_３Ｆ_８を添加した混合ガスを用いる。フロロカーボンとしては、ＣＦ_４やＣ_２Ｆ_６を用いてもよい。この場合、窒素とフロロカーボンとの混合比として、総流量に対して窒素の比率を３０〜９０％、好ましくは５０〜９０％とする。これにより、アルゴンと比較して、化学反応性は高いが、エッチング時のスパッタ効果の少ない窒素を用いことで、例えば膜中に炭素を含有する多孔質な低誘電率層間絶縁膜をエッチングする場合に、炭素が−ＣＮガスとして除去されるので、−Ｃ−Ｃ−やＳｉ−Ｃ−の層が形成されてエッチストップ現象が生じたり、残渣が生じることが防止されて微細加工が可能になると共に、エッチングレートも向上する。他方で、酸素と比較して化学反応性が低いため、エッチング中に層間絶縁膜中のＣＨｘ基が引抜かれず、層間絶縁膜がダメージを受けるのが防止されると共に、反応生成物が生じないため処理基板に対する面積依存性が小さい。

この場合、対レジスト選択比の向上を図るために、上記混合ガスに、この混合ガスの総流量に対して２〜１０％の流量で、好ましくは５〜１０％の流量でＣ_ｘＨ_２ｘ＋２（ｘ＝１〜５である）、例えばＣＨ_４を添加してもよい。Ｃ_ｘＨ_２ｘ＋２としては、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｃ_５Ｈ_１２を用いてもよい。Ｃ_ｘＨ_２ｘ＋２の流量が２％より少ないと、対レジスト選択比の向上を図ることができず、また、Ｃ_ｘＨ_２ｘ＋２の流量が１０％を超えると、エッチングストップ現象が生じる。

低誘電率層間絶縁膜を、窒素を主ガスとする混合ガスを真空チャンバ１１に導入してエッチングする場合、真空チャンバ１１の圧力は、プラズマ放電が可能な範囲に設定する。この場合、真空チャンバ１１の圧力を１Ｐａを越えて設定すると、ホールのサイドウォールにＮ_２やＮが衝突してダメージを受けるため、真空チャンバー１１の圧力を１Ｐａ以下、好ましくは、プラズマ放電が安定する０．４〜１Ｐａの圧力範囲で行う。

本実施例では、比誘電率（ｋ）２．５、ＭＳＱのＳｉＯＣＨ系材料を用い、スピンコータを使用して基板上に、５００ｎｍの膜厚で低誘電率層間絶縁膜を形成した。そして、この低誘電率層間絶縁膜上に、スピンコータによりレジストを塗布し、フォトリソグラフ法で所定のパターンを形成した。この場合、レジストとしては、例えばＵＶ−IIを使用し、レジスト層の厚さを５００ｎｍとした。

次に、図１に示すエッチング装置１を用いて、窒素を主ガスとする窒素とＣ_３Ｆ_８との混合ガスを、窒素の比率を０〜１００％の間で変化させて真空チャンバ１１内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。この場合、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ＫＷ、基板電極２１に接続した高周波電源２２の出力を３００Ｗ、基板設定温度１０℃、真空チャンバ１１の圧力を０．６７Ｐａに設定した。

図２には、窒素とＣ_３Ｆ_８との混合ガスを用い、総流量に対して窒素の比率の変化に対するMSG（低誘電率層間絶縁膜）のエッチングレートを線ａで示す。この場合の比較例として、アルゴンとＣ_３Ｆ_８との混合ガスを、アルゴンの比率を０〜１００％の間で変化させて真空チャンバ１１内に導入してエッチングしたときのエッチングレートが線ｂで示す。また、ＳｉＯ_２の層間絶縁膜上に所定のレジストを塗布したものを、エッチング装置１を用いて、同じ条件で窒素またはアルゴンとＣ_３Ｆ_８との混合ガスを、窒素またはアルゴンの比率を変化させて真空チャンバ１１に導入したときのエッチングレートを線ｃ（アルゴン）及び線ｄ（窒素）で示す。

これによれば、ＳｉＯ_２の層間絶縁膜をエッチングする場合、窒素とアルゴンとではエッチングレートがほぼ同じであるが、低誘電率層間絶縁膜をエッチングした場合、窒素の比率が２０〜９０％、好ましくは３０％から９０％の範囲で、アルゴンを主ガスとするものより、４０〜１７０ｎｍ／ｍｉｎの範囲でエッチングレートが高くなった。この場合、窒素の比率が９０％の近傍では、エッチングレートが遅くなるが、近年、層間絶縁膜が薄化していることから、エッチングレートの遅いプロセスで有利になる。

また、図３には、窒素の比率の変化に対する対レジスト選択性が線ｅで示されている。この場合の比較例として、アルゴンの比率の変化に対する対レジスト選択性が線ｆで示されている。これによれば、窒素の比率を２０％より高めていくと高い対レジスト選択性が得られた。

図１に示すエッチング装置１を用いて、窒素を２２０ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｆ_８を２５ｓｃｃｍで真空チャンバ１１内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。基板として、公知のレジストを塗布したＳｉウェハー上に、低誘電率層間絶縁膜を形成した１個のチップを貼付けたもの（チップはウェハーの略中央部に貼付けられ、この場合、全面積の約１％の開口率となる）と、レジストを塗布したＳｉウェハー上に、低誘電率層間絶縁膜を形成した４０個のチップ（フルチップ状態）を貼付けたものを用いた。そして、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ＫＷ、基板電極２１に接続した高周波電源２２の出力を３００Ｗ、基板設定温度１０℃、真空チャンバ１１の圧力を０．６７Ｐａに設定して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。

図４には、各基板におけるエッチングレートが線ｇで示されている。比較例として、アルゴンを２２０ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｆ_８を２５ｓｃｃｍで真空チャンバ１１内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした場合のエッチングレートが線ｈで示されている。これによれば、アルゴンを主ガスとした場合、フルチップ状態にするとエッチングレートが約１００ｎｍ／ｍｉｎ低下したが、窒素を主ガスとして用いた場合、エッチングレートに変化は見られなかった。これにより、窒素を主ガスとするエッチングは、処理基板に対する面積依存性が極めて小さいことがわかる。また、図５（ａ）乃至図５（ｃ）には、低誘電率層間絶縁膜を上記条件でエッチングを行ったときのＳＥＭ写真を、アルゴンを主ガスとしてエッチングした場合の断面写真と比較して示す。これによれば、エッチストップ現象および残渣が生じず、低誘電率層間絶縁膜をエッチングできた。図５（ａ）は、Ａｒ：２２０ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｆ_８：２５ｓｃｃｍの条件でエッチングした時の形状を示し、図５（ｂ）は、Ａｒ（８０〜１００％）＋Ｎ_２（０〜２０％）＝２２０ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｆ_８：２５ｓｃｃｍの条件でエッチングした時の形状を示し、そして図５（ｃ）は、Ｎ_２：２２０ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｆ_８：２５ｓｃｃｍの条件でエッチングした時の形状を示す。図５から明らかなように、窒素を添加することによりエッチ速度が高くなり、Ａｒを全く用いないで窒素ベースのガス混合比にするとエッチ速度はさらに高くなる。

図１に示すエッチング装置１を用いて、窒素を２２０ｓｃｃｍ、Ｃ_３Ｆ_８を２５ｓｃｃｍ、ＣＨ_４を２７ｓｃｃｍ（窒素とＣ_３Ｆ_８の混合ガスの総流量に対して約１０％の流量）で真空チャンバ１１内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。そして、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ＫＷ、基板電極２１に接続した高周波電源２２の出力を３００Ｗ、基板設定温度１０℃、真空チャンバ１１の圧力を０．６７Ｐａに設定して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。図６に、エッチングした後の低誘電率層間絶縁膜の断面写真を示す。これによれば、ホールのサイドウォールがダメージを受けず、また、エッチングストップ現象も生じながった。

本発明の低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法を実施するエッチング装置を概略的に示す図。窒素の流量を変化させたときのエッチングレートを示すグラフ。窒素の流量を変化させたときの対レジスト選択比を示すグラフ。エッチングの面積依存性を示すグラフ。（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の方法を実施してエッチングをした場合の低誘電率層間絶縁膜の断面写真。混合ガスにＣＨ４を添加してエッチングを行った場合の低誘電率層間絶縁膜の断面写真。

符号の説明

１エッチング装置
１１真空チャンバ
１２プラズマ発生部
１３基板電極部
Ｓ基板

Claims

ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料から構成される低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法において、
窒素を主ガスとし、この窒素にフロロカーボンを添加した混合ガスによってエッチングすることを特徴とする低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。
前記層間絶縁膜は、多孔質材料を含むことを特徴とする請求項１記載の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。
前記窒素とフロロカーボンとの混合比として、混合ガスの総流量に対して窒素の比率を３０〜９０％としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。
前記混合ガスの総流量に対して５〜１０％の流量のＣ_ｘＨ_２ｘ＋２（ｘ＝１〜５である）を添加したことを特徴とする請求項３記載の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。
前記エッチングを、１Ｐａ以下の圧力であってプラズマ雰囲気で行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。