JP2005101289A - プラズマアッシング方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 チャンバ102内に発生するOラジカルは,Low−k膜を変質させ,Low−k膜の誘電率(k値)を上昇させてしまう。チャンバ102内の圧力を低下させ,O2ガスと不活性ガス(特に,Arガス,N2ガス)の混合ガスを処理ガスとして採用することによって,チャンバ内のOラジカル密度が小さくなる。この結果,プラズマアッシング工程においてLow−k膜の膜質を良好な状態に保つことが可能となる。
【選択図】 図5
Description
(プラズマ処理装置)
第1の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の一例として,平行平板型のプラズマ処理装置101の概略構成を図1に示す。
次に,図1に示したプラズマ処理装置101によって,エッチング処理およびアッシング処理される被処理体の2つの例を図2および図3を参照しながら説明する。
Diamond(登録商標)またはCoral(登録商標)をLow−k膜208の構成材料として採用している。なお,ここでのLow−k膜208の膜厚は1000nmである。
ここで,代表的に,図2に示した被処理体200に対するプラズマ処理装置101を用いたプラズマエッチング処理およびプラズマアッシング処理について説明する。
以下,本実施の形態にかかるプラズマ処理装置101を用いて各種パラメータを変えながら図2と図3に示した被処理体200,300に対してプラズマアッシング処理を施した実験結果を参照しながら,Low−k膜208,308の膜質を良好な状態に保つために最適な(または最適範囲の)アッシングプロセス条件について説明する。
初めに,第1アッシング工程における最適なプロセス条件について図5〜図15に示した実験結果を踏まえて考察する。
続いて,Low−k膜の膜質劣化の主な要因と考えられているOラジカルの密度とチャンバ102内の圧力との関係を実験によって確認した。この実験では,上部電極121とサセプタ105との間隔を40mmに調整し,上部電極121に印加する高周波電力を500W,サセプタ105に印加する高周波電力を0W(すなわち,サセプタ105には高周波電力を印加しない)とした。また,処理ガスとして,ArとO2の混合ガスを用い,Ar/O2のガス流量比(Arのガス流量/O2のガス流量)を400sccm/100sccmとした。図8に示すように,チャンバ102内の圧力が20mTorr以下(または未満)のとき,Oラジカルの密度が十分に小さくなる。しかも,圧力が低下するに従って,さらにOラジカルの密度が小さくなっていくことが分かる。したがって,Low−k膜の劣化を防止するためには,防止チャンバ102内をより低圧に,具体的には20mTorr以下(または未満)に調整することが好ましいと言える。
次に,第2アッシング工程における最適なプロセス条件について図16〜図29に示した実験結果を踏まえて考察する。なお,以下特別な記載がない限り,第2アッシング工程の最適プロセス条件を見出すための実験は,クリーニングされたプラズマ処理装置101に,ビアホールが形成されている被処理体200またはトレンチが形成されている被処理体300をセットして実施したものである。これは,実験結果に,第1アッシング工程の影響が含まれないようにするためである。
ここまでは,クリーニングされたプラズマ処理装置101に,ビアホールが形成されている被処理体200をセットして,第2アッシング工程を実施することによって得られた結果について説明してきた。これに対して,プラズマ処理装置101を用いて,第1アッシング工程と第2アッシング工程を連続的に行った場合の実験結果を図21〜図23に示す。
続いて,第2アッシング工程におけるプラズマ計測実験を行い,良好なプロセス条件の検証を行った。
図2に示した被処理体200に対するプラズマアッシング処理の好ましいプロセス条件の一例については既述しているが,ここでは他の例を示す。なお,この被処理体が備えるLow−k膜はCoral(登録商標)である。
次に本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。被処理体に対するプラズマ処理工程において,上記の第1の実施の形態にかかるプラズマ処理装置101とは別タイプのプラズマ処理装置,具体的には被処理体が設置される下部電極に,例えば40MHzの比較的高い周波数を有する第1高周波電力と,例えば3.2MHzの比較的低い周波数を有する第2高周波電力を重畳して印加するプラズマ処理装置が用いられる場合がある。このタイプのプラズマ処理装置およびこの装置を用いたプラズマ処理方法によれば,プラズマ密度とバイアス電圧を独立して制御することができる。そして,下部電極にのみ高周波電力を印加して,上部電極に高周波電力を印加する必要がないため,装置構造が複雑にならないという利点がある。
第2の実施の形態にかかるプラズマ処理装置400の概略構成を図30に示す。図30に示すように,プラズマ処理装置400は,接地された気密なチャンバ(処理容器)404を有している。処理室402は,チャンバ404内部に形成されている。処理室402には,被処理体の例えばウェハWを載置する載置台を兼ねた導電性の下部電極406が上下動可能に配置されている。下部電極406は,温度調節機構(図示せず)により所定温度に維持され,ウェハWと下部電極406との間には伝熱ガス供給機構(図示せず)から伝熱ガスが所定の圧力で供給される。下部電極406の載置面に対向する位置には,上部電極408が形成されている。
以上のように構成された本実施の形態にかかるプラズマ処理装置400は,図1に示した第1の実施の形態にかかるプラズマ処理装置101と同様に,例えば,図2に示した被処理体200または図3に示した被処理体300に対してエッチング処理およびアッシング処理を行う。
ここで,代表的に,図2に示した被処理体200に対するプラズマ処理装置400を用いたプラズマエッチング処理およびプラズマアッシング処理について説明する。
以下,本実施の形態にかかるプラズマ処理装置400を用いて各種パラメータを変えながら図2と図3に示した被処理体200,300に対してプラズマアッシング処理を施した実験結果を参照しながら,Low−k膜208の膜質を良好な状態に保ち,かつ下地膜としてのエッチングストップ膜210がエッチングされないようにするための最適な(または最適範囲の)アッシングプロセス条件について説明する。なお,下記の各実験は,プラズマアッシング条件の好ましい範囲を見出すためのものであり,各実験結果は,Low−k膜208のCDシフト量(Δd1t,Δd1m,Δd1b)およびエッチングストップ膜210のエッチング量(ΔE)の変化の傾向を示している。すなわち,各実験結果は,本実施の形態にかかるプラズマアッシング処理方法の実力(限界値)を示すものではない。最適な(または最適範囲の)アッシングプロセス条件については,各実験結果を踏まえて後述する。
まず,図2に示したビアホールを有する被処理体200(Low−k膜208はCoral(登録商標)である)を用いて,アッシング工程を実施した。この実験では,第1高周波電力を100MHz,2500Wに設定し,第2高周波電力を3.2MHz,0Wに設定した(すなわち,第2電源428は第2高周波電力を出力しない)。また,処理ガスとして,O2単ガスを用いた。さらに,被処理体200の裏面冷却ガス圧力をセンタ部10Torr,エッジ部50Torrとした。また,チャンバ404内の設定温度については,上部電極408を60℃,下部電極406を60℃とした。なお,ここではレジスト膜202を完全に除去するために,通常レジスト膜202の除去に要する時間の2倍の時間をかけてアッシング処理を行った(100%オーバーアッシング)。この条件下で,チャンバ404内の圧力をパラメータに設定し(1mTorr〜20mTorr),Low−k膜208のCDシフト量(Δd1t,Δd1m,Δd1b)およびエッチングストップ膜210のエッチング量(ΔE)を測定した。この実験1の結果を表1に示す。
次に,実験1の条件に対して,処理ガスをO2単ガスからO2とHeの混合ガスに代えて,実験1と同様のプラズマアッシング処理を行った。この実験2の結果を表2に示す。
本実験では,実験1の条件に対して,チャンバ404内の圧力を20mTorrに固定し,処理ガス(O2単ガス)の流量(レジデンス時間)をパラメータに設定し,実験1と同様のプラズマアッシング処理を行った。この実験3の結果を表3に示す。
本実験では,実験1の条件に対して,チャンバ404内の圧力を5mTorrに固定し,第1高周波電力(100MHz)をパラメータに設定し,実験1と同様のプラズマアッシング処理を行った。この実験4の結果を表4に示す。なお,第2高周波電力(3.2MHz)は0Wに設定する(すなわち,第2電源428は第2高周波電力を出力しない)。
本実験では,実験4に対して,第1高周波電力(100MHz)を2500Wに固定し,第1高周波電力(100MHz)の電力をパラメータに設定し,実験4と同様のプラズマアッシング処理を行った。この実験5の結果を表5に示す。なお,本実験では,チャンバ404内の圧力を20mTorrに維持し,処理ガスとして,O2ガスとArガスの混合ガス(流量一定)を用いた。
本実験では,実験1に対して,チャンバ404内の圧力を20mTorrに固定し,また,処理ガスをO2単ガスからO2ガスとArガスの混合ガスに代えて,そのO2ガスとArガスの流量比をパラメータに設定し,実験1と同様のプラズマアッシング処理を行った。この実験6の結果を表6に示す。
上記の実験6の結果から,処理ガスとして,O2ガスとArガスの混合ガスを用いることが好ましいという知見が得られる。O2ガスのみを処理ガスとして用いた場合,高いアッシングレートが得られるものの,Low−k膜208のCDシフト量(Δd1t,Δd1m,Δd1b)が大きくなってしまう。O2ガスにArガス等を添加することによって,処理ガス中においてO2ガスが希釈され,結果的に,O2ガスからLow−k膜208に及ぶダメージが緩和される。ただし,スループットの面からも,アッシングレートは高く維持されることが好ましい。そこで,処理ガスがO2単ガスである場合のアッシングレートに最も近い混合ガス種を見出す実験を行った。具体的には,Arガス,N2ガス,COガス,Heガスをそれぞれ同じ流量比でO2ガスと混合して処理ガス(混合ガス)を生成し,各処理ガス(混合ガス,O2単ガス)を用いてPRブランケットサンプルをアッシングしたときのアッシングレートを測定した。この実験7の結果を表7に示す。なお,本実験において,処理ガスに含まれるガス種以外のプロセス条件は,実験6と同じである。
ところで,上で説明したように,プラズマ処理装置400において,被処理体200に対するプラズマエッチング処理が行われると,処理ガスに含まれているフッ素がチャンバ404の内壁に付着し,徐々にフッ素ポリマとして堆積していく。このエッチング処理に続いて行われるレジスト膜202のアッシング処理中に,エッチングストップ膜210が削れてしまう直接的な原因は,エッチング処理中にチャンバ404の内壁に堆積したフッ素ポリマが再解離し,ここで発生したフッ素が,被処理体に印加されるバイアス電圧によって被処理体方向へ加速し,エッチングストップ膜210をたたいてしまうことにある。
まず,図2に示したビアホールを有する被処理体200(Low−k膜208はCoral(登録商標)である)を用いて,第1アッシング工程を実施した。この実験では,第1高周波電力を100MHz,300Wと低く設定し,第2高周波電力を3.2MHz,0Wに設定した(すなわち,第2電源428は第2高周波電力を出力しない)。また,処理ガスとして,O2ガスとArガスの混合ガスを用いた。さらに,被処理体200の裏面冷却ガス圧力をセンタ部10Torr,エッジ部50Torrとした。また,チャンバ404内の設定温度については,上部電極408を60℃,下部電極406を60℃とした。この条件下で,チャンバ404内の圧力をパラメータに設定し(5mTorr〜20mTorr),Low−k膜208のCDシフト量(Δd1t,Δd1m,Δd1b)およびエッチングストップ膜210のエッチング量(ΔE)を測定した。この実験8の結果を表8に示す。
本実験では,実験8の条件に対して,チャンバ404内の圧力を5mTorrに固定し,処理ガス(O2単ガス)の流量(レジデンス時間)をパラメータに設定し,実験8と同様のプラズマアッシング処理を行った。この実験9の結果を表9に示す。
本実験では,PRブランケットサンプルとウェハ全面にSiO2膜を有するサンプル(以下,「SiO2ブランケットサンプル」という)を用いた。上記したように,被処理体200が有するLow−k膜208の下地膜であるエッチングストップ膜210は,SiC材によって形成されているが,ここではSiC膜のアッシングレートの傾向をみるために,代替としてSiO2ブランケットサンプルを用いた。
本実験では,チャンバ404内の圧力を5mTorrに固定し,第1高周波電力(100MHz)を300Wに設定し,処理ガスとして,O2単ガス(流量200sccm)を用いた。さらに,被処理体200の裏面冷却ガス圧力をセンタ部10Torr,エッジ部50Torrとした。また,チャンバ404内の設定温度については,上部電極408を60℃,下部電極406を60℃とした。この条件下で,第2高周波電力(3.2MHz)をパラメータに設定し,Low−k膜208のCDシフト量(Δd1t,Δd1m,Δd1b)およびエッチングストップ膜210のエッチング量(ΔE)を測定した。この実験11の結果を表11に示す。
以上の実験1〜11の結果から導かれる最適なプロセス条件を表12に示す。
102 チャンバ
105 サセプタ
121 上部電極
140 第1の高周波電源
141 第1の整合器
150 第2の高周波電源
151 第2の整合器
200 被処理体
202 フォトレジスト膜
204 反射防止膜
208 Low−k膜
210 エッチングストップ膜
300 被処理体
302 フォトレジスト膜
304 反射防止膜
306 シリコン酸化膜
308 Low−k膜
310 エッチングストップ膜
400 エッチング装置
402 処理室
404 チャンバ
406 下部電極
408 上部電極
409 ガス吐出孔
412 電力供給装置
414 第1電力供給機構
416 第2電力供給機構
418 第1フィルタ
424 第2フィルタ
420 第1整合器
426 第2整合器
422 第1電源
428 第2電源
Claims (34)
- 処理容器内において,パターニングされたレジスト膜をマスクとして用いて低誘電率膜の一部をエッチングした後に,前記処理容器内において,前記レジスト膜を除去する,被処理体のプラズマアッシング方法であって,
前記処理室内の圧力を20mTorr以下に調整し,少なくともO2ガスを含む第1処理ガスを用いて,前記処理容器の内壁の堆積物を除去する第1アッシング工程と,
少なくともO2ガスを含む第2処理ガスを用いて,前記レジスト膜を除去する第2アッシング工程と,
を有することを特徴とする,プラズマアッシング方法。 - 前記第2アッシング工程において,前記処理室内の圧力を20mTorr以下に調整することを特徴とする,請求項1に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1処理ガスは少なくとも,O2ガスと第1不活性ガスを含むことを特徴とする,請求項1または2に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1処理ガスに含まれる前記第1不活性ガスの流量は,前記O2ガスと前記第1不活性ガスの合計流量に対して,50〜90%の範囲であることを特徴とする,請求項3に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1不活性ガスは,Arガス,N2ガス,Heガス,またはXeガスのいずれかであることを特徴とする,請求項1〜4のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第2処理ガスは少なくとも,O2ガスと第2不活性ガスを含むことを特徴とする,請求項1〜5のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第2処理ガスに含まれる前記第2不活性ガスの流量は,前記O2ガスと前記第2不活性ガスの合計流量に対して,50〜90%の範囲であることを特徴とする,請求項6に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第2不活性ガスは,Arガス,N2ガス,Heガス,またはXeガスのいずれかであることを特徴とする,請求項1〜7のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 処理容器内において,パターニングされたレジスト膜をマスクとして用いて低誘電率膜の一部をエッチングした後に,前記処理容器内において,前記レジスト膜を除去する,被処理体のプラズマアッシング方法であって,
少なくともO2ガスと第1不活性ガスを含む第1処理ガスを用いて,前記処理容器の内壁の堆積物を除去する第1アッシング工程と,
少なくともO2ガスと第2不活性ガスを含む第2処理ガスを用いて,前記レジスト膜を除去する第2アッシング工程と,
を有することを特徴とする,プラズマアッシング方法。 - 前記第1アッシング工程において,前記処理室内の圧力を20mTorr以下に調整することを特徴とする,請求項9に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第2アッシング工程において,前記処理室内の圧力を20mTorr以下に調整することを特徴とする,請求項9または10に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1処理ガスに含まれる前記第1不活性ガスの流量は,前記O2ガスと前記第1不活性ガスの合計流量に対して,50〜90%の範囲であることを特徴とする,請求項9〜11のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1不活性ガスは,Arガス,N2ガス,Heガス,またはXeガスのいずれかであることを特徴とする,請求項9〜12のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第2処理ガスに含まれる前記第2不活性ガスの流量は,前記O2ガスと前記第2不活性ガスの合計流量に対して,50〜90%の範囲であることを特徴とする,請求項9〜13のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第2不活性ガスは,Arガス,N2ガス,Heガス,またはXeガスのいずれかであることを特徴とする,請求項9〜14のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1アッシング工程において,前記被処理体には電力が印加されないことを特徴とする,請求項1〜15のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1アッシング工程において,前記被処理体には0.19W/cm2以下の電力が印加されることを特徴とする,請求項1〜15のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第2アッシング工程において,前記被処理体には0.19W/cm2以上の電力が印加されることを特徴とする,請求項1〜17のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 処理容器内において,パターニングされたレジスト膜をマスクとして用いて低誘電率膜の一部をエッチングした後に,前記処理容器内において,前記レジスト膜を除去する,被処理体のプラズマアッシング方法であって,
前記処理室内の圧力を20mTorr以下に調整し,少なくともO2ガスを含む処理ガスを用いて,前記レジスト膜を除去するアッシング工程を有することを特徴とする,プラズマアッシング方法。 - 前記アッシング工程において,前記処理室内の圧力を3mTorr以上に調整することを特徴とする,請求項19に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記処理ガスは,O2ガスであることを特徴とする,請求項19または20に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記処理ガスは少なくとも,O2ガスと不活性ガスを含むことを特徴とする,請求項19または20に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記処理ガスに含まれる前記不活性ガスの流量は,前記O2ガスと前記不活性ガスの合計流量に対して,75〜87.5%の範囲であることを特徴とする,請求項22に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記不活性ガスは,HeガスまたはArガスであることを特徴とする,請求項22または23に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記低誘電率膜は少なくとも,Si,O,C,およびHを含む材料から成ることを特徴とする,請求項19〜24のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記アッシング工程は,第1アッシング工程と,当該第1アッシング工程の後に行われる第2アッシング工程を含み,
前記被処理体は,第1周波数を有する第1電力と,当該第1周波数よりも低い第2周波数を有する第2電力を同時に印加することが可能な電極に載置され,
前記第1アッシング工程において,少なくとも,第1電力レベルに調整された前記第1電力を前記電極に印加し,
前記第2アッシング工程において,少なくとも,前記第1電力レベルよりも高い第2電力レベルに調整された前記第1電力を前記電極に印加する,
ことを特徴とする,請求項19〜25のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。 - 前記第1周波数は,100MHzであり,前記第2周波数は,3.2MHzであることを特徴とする,請求項26に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1電力レベルに調整された前記第1電力によって,前記電極には0.18〜0.44W/cm2の電力が印加され,
前記第2電力レベルに調整された前記第1電力によって,前記電極には0.88〜2.20W/cm2の電力が印加される,
ことを特徴とする,請求項26または27に記載のプラズマアッシング方法。 - 前記第1アッシング工程と前記第2アッシング工程において,前記第2電力を前記電極に印加しないことを特徴とする,請求項26〜28のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1アッシング工程において,前記第2電力を前記電極に印加せず,
前記第2アッシング工程において,前記第2電力を前記電極に印加する,
ことを特徴とする,請求項26〜28のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。 - 前記第2電力によって,前記電極には0.44W/cm2以下の電力が印加されることを特徴とする,請求項30に記載のプラズマアッシング方法。
- 前記第1アッシング工程において,第3電力レベルに調整された前記第2電力を前記電極に印加し,
前記第2アッシング工程において,前記第3電力レベルよりも高い第4電力レベルに調整された前記第2電力を前記電極に印加する,
ことを特徴とする,請求項26〜28のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。 - 前記第3電力レベルに調整された前記第2電力によって,前記電極には0.18W/cm2以下の電力が印加され,
前記第4電力レベルに調整された前記第2電力によって,前記電極には0.44W/cm2以下の電力が印加される,
ことを特徴とする,請求項32に記載のプラズマアッシング方法。 - 前記アッシング工程は,第1アッシング工程と,当該第1アッシング工程の後に行われる第2アッシング工程を含み,
前記第1アッシング工程において,前記処理ガスの流量を100〜800sccmに調整し,
前記第2アッシング工程において,前記処理ガスの流量を100〜800sccmに調整する,
ことを特徴とする,請求項19〜33のいずれかに記載のプラズマアッシング方法。
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