JP2006100628A

JP2006100628A - プラズマ処理方法

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Publication number: JP2006100628A
Application number: JP2004285752A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sumiya; 誠浩角屋; Yutaka Omoto; 大本　　豊
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP4537818B2

Abstract

【課題】ＡｒＦレジストマスク対応の低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜、ＳｉＯＣＨ）において、ＡｒＦレジストダメージを発生せず、高選択比で高精度なエッチングを実現可能な処理条件を提供する。
【解決の手段】プラズマを生成し試料に高周波電圧を印加することにより被処理材をエッチングする装置を用いて、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスを用いてＡｒＦレジストマスクを用いてＳｉＯＣＨ膜のエッチングを行うエッチングプロセスにおいて、希ガス（例えばＡｒ）を用いず、２．０Ｐａ以下の低圧力でプラズマ処理を行う。
【選択図】図２

Description

本発明はプラズマ処理方法に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関するものである。

エッチング処理をプラズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また被処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現している。従来の酸化膜（ＳｉＯ_２）のプラズマ処理方法は、記載のように、エッチングガスＡｒ，Ｏ_２，ＣｘＦｙ（例えばＣ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_６等），ＣＯを用いてエッチング処理を行っている（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、配線間およびその配線間を接続するプラグを形成するダマシンプロセスでは、消費電力低減の観点から、ＳｉＯＣＨ膜の様な低誘電率膜が層間絶縁膜として使用されるようになってきたが、これらは、Ｏ_２プラズマ等の照射によりＫ値が劣化することが知られている（例えば、非特許文献２参照）。

このため、Ｏ_２ガスに替えてＮ_２ガスを添加しＣ成分を除去する方法が用いられているが、ＮラジカルはＯラジカルに比べてＣ成分の除去効率が低く、従ってよりデポの少ないプロセスが必要となる。

またデバイスの微細化に伴い、レジストマスクの露光も短波長側へシフトし、そのためレジスト厚さが薄くなり、エッチング処理を行う際に高マスク選択比を確保することが要求されてきた。特に、ＡｒＦレジストではエッチング時のプラズマ耐性が著しく低下することが知られており、そのためエッチングプロセスにおけるレジストダメージの低減が急務である。
Ｈ．Ｈａｙａｓｈｉ：１９９６ＤＰＳｐ１３５Ｋ．Ｍａｅｘｅｔ．ａｌ．：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｖｏｌ９３（２００３）ｐ８７９３

本発明の目的は、ＡｒＦレジストマスク対応の低誘電率膜（Ｌｏｗ−ｋ膜、例えばＳｉＯＣＨ）において、ＡｒＦレジストダメージを発生せず、高選択比で高精度なエッチングを実現可能な処理条件を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することにより被処理材をエッチングする装置を用いて、ＡｒＦレジストマスクを用いてＳｉＯＣＨ膜のエッチングを行うプラズマ処理方法において、希ガス（例えばＡｒ）を用いないで被処理材をエッチングする。さらに、上記プラズマ処理方法を、２．０Ｐａ以下の低圧力で行う。また、上記プラズマ処理方法を、Ｎ_２、Ｏ_２等のガスを用いないで行う。

本発明は、上記プラズマ処理方法において、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスを用いる、または、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスを用いる、もしくは、ＣＦ_４とＮ_２の混合ガスを用いて行う。

さらに、本発明は、上記プラズマ処理方法において、磁場を用いてプラズマを生成する。

本発明のプラズマ処理方法では、低圧力でエッチング処理を行うことにより、ウエハ上に堆積するデポ量を減少させると共に、その組成を制御しＡｒＦレジストダメージを低減するため、高精度で低レジストダメージの処理が可能である。

ＡｒＦレジストマスクＳｉＯＣＨ膜のエッチングにおいて希ガス（例えばＡｒ）を含まず、低圧力（例えば２Ｐａ以下）でエッチングを行うことにより、高垂直で低ＡｒＦレジストダメージなエッチング処理が可能である。

図１は、典型的なビアエッチングを施す被エッチング処理材（試料）の断面構造を示す概念図である。
試料は、シリコン基板（Ｓｉ）１０５上にエッチングストップ膜（例えば、ＳｉＣ）１０４、被処理材（例えば、ＳｉＯＣＨ：ＡＭＡＴ社製ＢｌａｃｋＤｉａｍｏｎｄ，ＡＳＭ社製Ａｕｒｏｒａ，Ｎｏｖｅｌｌｕｓ社製Ｃｏｒａｌなど多種の膜がある）１０３、反射防止膜（ＢＡＲＣ）１０２を積層し、その表面にＡｒＦフォトレジスト膜１０１を形成して構成される。

ビアエッチングに当たっては、まず、ＡｒＦフォトレジストマスク１０１をマスクにＢＡＲＣ膜１０２をエッチングし、その後、被処理材膜１０３をエッチングし、好ましくはエッチングストップ膜１０４上で選択的にエッチングを停止させる。

従来、ＳｉＯ_２の薄膜にコンタクトホールを形成する場合、マスクであるフォトレジスト（ＰＲ）に対し選択的にエッチングを行うため、エッチングガスであるＡｒ、Ｏ_２、ＣｘＦｙ（例えばＣ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８、Ｃ_３Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_６等）およびＣＯ等の比較的デポ量の多いプロセス用いてエッチングを行っている。しかし、ビア加工では比較的アスペクト比の小さいこと、Ｌｏｗ−ｋ（ＳｉＯＣＨ）膜１０３のｋ値劣化ダメージの観点から、デポ量の比較的少ないプロセスが必要である。

そこで、本発明では、Ｌｏｗ−ｋ（ＳｉＯＣＨ）膜１０３のエッチングガスとしてＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスにＮ_２を添加したガス系とした。さらに、よりデポ量を減少させる方法としては、希ガス（例えばＡｒ）によりエッチャントガスを希釈する方法と、低圧力化の方法の２種類の比較を行った。

Ａｒ希釈有無によるエッチャント分圧とエッチング特性の関係を示す特性図である図２を用いて、その結果を説明する。すなわち、Ａｒ希釈の有（○印）無（□印）によらず、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスの分圧を減少させるに伴ない、デポレートは減少する。しかし、ＳｉＯＣＨ膜のエッチングレートは、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスの分圧を減少させるに伴ない、Ａｒ希釈の場合（●印）では急激に減少し、低圧力化の場合（■印）には増加する。

この相違の原因を明らかにするため、発光分光計測を実施した結果を図３に示す。図３は、Ａｒ希釈有無によるエッチャント分圧とプラズマ組成の関係を示す特性図である。また、右軸にはガスの滞在時間をプロットした。Ａｒ希釈の場合（●印）はＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガス分圧を減少させると、ＣＦ_２／Ｃ_２比が急激に減少することから、プラズマ組成のＣ成分が過多となっていると推測できる。また、Ａｒ希釈の有（○印）無（□印）によらずガス滞在時間は同程度であることから、Ａｒ希釈をした場合には、高電子温度化し過剰乖離状態となり、エッチストップ等が発生しやすくなっていると考えられる。従って、ＳｉＯＣＨ膜のエッチングにおいて、Ａｒガスのような希ガスを添加しないこと（■印）が望ましい。

図４の等高線図を用いて、Ａｒ希釈なしでの圧力とＮ２流量比と、ＳｉＯＣＨ膜のビアエッチングのエッチングレート、ホール垂直性、フォトレジストのＣＤシフトの関係を示す。（ａ）に示すように、ＳｉＯＣＨ膜のエッチングレートは低圧力程高く、（ｂ）に示すように、ホール垂直性は低圧力・高Ｎ_２流量領域で高く、（ｃ）に示すように、フォトレジストのホールＣＤ（ＣｒｉｔｉｃａｌＤｉｍｅｎｓｉｏｎ）シフトは低圧領域ほど少ないことが分かり、特に２Ｐａ以下の低圧力領域が形状制御性の点で効果的であることが分かる。

本実験では、実験装置として絶縁膜用ＵＨＦ−ＥＣＲ（ＵｌｔｒａＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ−ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ装置を用いたが、本プラズマ源では磁場を用いているため、低圧力領域での放電安定性に優れており、このようなプラズマ源を用いることにより低圧力での高精度エッチングを行うことが可能である。

図５に、エッチング後のＡｒＦレジスト１０１表面のＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）像を示す。高圧力・高Ｎ_２流量領域ほどレジスト表面のグレインサイズが小さく、ＡｒＦレジストダメージ（ストライエーション）に対する耐性が弱く、低圧力・低Ｎ_２流量領域ほどレジスト表面のグレインサイズが大きく、ＡｒＦレジストダメージに対する耐性が強い。

この違いを解明するため、バイアスを印加せず堆積させたデポ膜をＥＤＸ（ＥｎｅｒｇｙＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＸ−ｒａｙＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）を用いて表面組成分析を行った結果を図６に示す。図６は、放電条件とデポ膜組成の関係を示す特性図であり、左軸はＦ／Ｃ比（棒グラフ）、右軸にはデポレート（●印）を示す。それぞれ、条件（ａ）６Ｐａ、（ｂ）２Ｐａ、（ｃ）０．７Ｐａ、（ｄ）０．４Ｐａとした。その結果、低圧力ほどＦ成分の多い膜が堆積していることが分かる。従って、ＡｒＦレジストダメージを低減するためには、Ｃ成分比率が少なくＦ成分比率の高いデポ膜を形成することが必要であると言える。

次に、実際にバイアスを印加しエッチングを行った際のレジスト表面組成をＸＰＳ（Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いて分析を行った結果を図７に示す。図７は、放電条件とレジスト表面組成の関係を示す特性図であり、それぞれ条件（ａ）６Ｐａ、（ｂ）０．４Ｐａ、（ｃ）０．４Ｐａ＋高電圧とした。低圧力ほどＣ成分比率が低いことが分かる。また、一般にウエハバイアス出力を増加させＶｐｐ（ピークトゥピーク）電圧を増加させると、加工性能の垂直性が向上するが、Ｖｐｐの増加によりＣ成分比率が増加していることが分かる。

したがって、垂直性加工性とＡｒＦレジストダメージはトレードオフの関係にあることが分かるが、低圧力化することによりＦ成分比率の高いデポ膜を形成することが可能であるため、低ＡｒＦレジストダメージで、高垂直・高精度なエッチングを行うことが可能であるという効果がある。

また、上記実施例では、エッチングガスとしてＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスにＮ_２を添加したガス系を使用したが、圧力およびガス流量およびＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガス比率を調整することによりＮ_２を添加しないことも可能であり、Ｌｏｗ−ｋ（ＳｉＯＣＨ）膜のｋ値劣化抑制が可能であるという効果がある。また、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガス比率を調整することによりエッチング形状を制御できるという効果もある。

また、上記の説明では、エッチングガスとして、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスを用いたが、ＣＦ_４とＮ_２の混合ガス、または、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスを用いることができる。

また、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合比については、ＣＨＦ_３比率が高いほど対レジスト選択比が向上するが、エッチングを阻害する傾向が強いため、バイアス出力の増加、または圧力を低下することにより高精度なエッチングが可能となる。

さらに、本実施例では有磁場エッチング装置について述べたが、低圧力動作が可能であるアッシング装置、プラズマＣＶＤ装置など他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。

被エッチング処理材（試料）の構造を説明する断面図。Ａｒ希釈有無によるエッチャント分圧とエッチング特性の関係を示す特性図。Ａｒ希釈有無によるエッチャント分圧とプラズマ組成の関係を示す特性図。圧力とＮ_２流量によるエッチング特性への影響を示す等高線図。ＡｒＦレジストのエッチング後表面ＳＥＭ像。放電条件とデポ膜組成の関係を示す特性図。放電条件とレジスト表面組成の関係を示す特性図。

符号の説明

１０１…フォトレジストマスク、１０２…反射防止膜（ＢＡＲＣ）、１０３…被処理材、１０４…エッチングストップ膜、１０５…シリコン基盤。

Claims

プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することにより被処理材をエッチングする装置を用いて、ＡｒＦレジストマスクを用いてＳｉＯＣＨ膜のエッチングを行うエッチングプロセスにおいて、希ガス（例えばＡｒ）を用いないことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１記載のプラズマ処理方法において、低圧力（２．０Ｐａ以下）の圧力でプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、Ｎ_２、Ｏ_２等のガスを用いないことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、ＣＦ_４とＣＨＦ_３の混合ガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、ＣＨＦ_３とＮ_２の混合ガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、ＣＦ_４とＮ_２の混合ガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理方法において、磁場を用いてプラズマを生成することを特徴とするプラズマ処理方法。