JP2006135210A

JP2006135210A - 絶縁膜の加工方法

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Publication number: JP2006135210A
Application number: JP2004324643A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tatsumi; 哲也辰巳
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2006-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-09
Also published as: JP4301146B2

Abstract

【課題】ＳｉＯＣＨの組成からなる材料で形成された層間絶縁膜に、アスペクト比の高い凹部を形成する際、凹部の加工初期から加工終期にかけてＯラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止された絶縁膜の加工方法を提供する。
【解決手段】ＣＦ系ラジカルをエッチング種として用いたドライエッチングにより、基板１１上に設けられた層間絶縁膜１６に、同一のエッチング条件下で接続孔１８を形成する絶縁膜の加工方法において、層間絶縁膜１６の表面側に向かってＯ含有率が高くなるように層間絶縁膜１６の膜質を膜厚方向に変化させることで、ドライエッチングの進行により接続孔１８のアスペクト比が高くなるのにともない、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量が減少するのに合わせて、層間絶縁膜１６から放出されるＯラジカル量を減少させることを特徴とする絶縁膜の加工方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁膜の加工方法に関し、さらに詳しくは、酸化シリコンよりも誘電率の低いＳｉＯＣＨ系の材料からなる層間絶縁膜の加工方法に関する。

近年の超ＬＳＩ（Ultra Large Scale Integrated Circuit(ＵＬＳＩ))デバイスの開発においては、高速化および低消費電力化を念頭においた各社各様の検討が進められている。特に、昨今のデバイスでは、ＵＬＳＩの高速化および低消費電力化に関して、配線プロセス技術が益々重要視されてきており、配線抵抗および配線間容量の低減が検討されている。

配線抵抗の低減については、従来用いられてきたアルミニウム合金配線と比較して、低抵抗である銅（Ｃｕ）配線が検討されている。また、配線間容量の低減については、層間絶縁膜として従来用いられてきた酸化シリコン（ＳｉＯ₂）と比較して、誘電率の低い絶縁膜（低誘電率膜）が検討されており、Ｃｕ配線と低誘電率膜を用いた多層配線技術が主流となってきている。

通常、上記低誘電率膜としては、ＳｉＯＣＨ系の無機材料または有機高分子膜が多く用いられている。このＳｉＯＣＨ系低誘電率膜は、従来より層間絶縁膜として多く用いられているＳｉＯ₂膜の加工技術をそのまま応用することが可能であり、既存の設備を使用したドライエッチング技術で微細な穴（接続孔または配線溝）を形成することができるという利点がある。しかし、ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜は、ＳｉＯ₂膜の酸素（Ｏ）の一部をメチル基（−ＣＨ₃）で置換して、膜密度を低くすることで、誘電率を低下させている。このため、ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜のエッチング速度や加工形状は、ＳｉＯ₂膜と比較して反応ガスの流量や圧力などの微小な変化に対し非常に敏感に反応する。このようなＳｉＯＣＨ系低誘電率膜の加工を良好に行うことのできるプラズマ条件はピンポイントであり、所望のプラズマ特性から少しでもずれると、線幅の異常、エッチストップ、残渣等の許容しがたいトラブルの原因となる。

上述したようなＳｉＯＣＨ系低誘電率膜のエッチングには、ＳｉＯ₂膜のエッチングと同様に、フロロカーボン系ガス（ＣＦ系ガス）が用いられている。プラズマ放電域に到達したＣＦ系ガスはプラズマの作用を受けて、ＣＦ_xの組成のフロロカーボン系ラジカル（ＣＦ系ラジカル）からなる反応活性種を生成する。そして、エッチング面で、このＣＦ系ラジカルがＳｉＯＣＨ系低誘電率膜と反応することで、一酸化炭素（ＣＯ）とフッ化シリコン（ＳｉＦ）からなる揮発性生成物を生成する。その後、この揮発性生成物がエッチング面から脱離して排出されることで、絶縁膜のエッチングが進行する。

一方、エッチング面上では、上記の揮発性生成物の生成と同時に、反応ガスのプラズマ重合によってＣＦ系の高分子状化合物（ＣＦ系ポリマー）も生成されている。適正な量のＣＦ系ポリマーは、形成する接続孔の側壁やレジストパターンの表面に付着して、その部分を保護するが、過剰な量のＣＦ系ポリマーがエッチング面に堆積すると、イオンを減速させ、その部分でのエッチング反応の進行を妨げる働きをする。また、側壁側に過剰な量のＣＦ系ポリマーが堆積すると接続孔または配線溝の開口幅が狭くなり、線幅異常につながる。このＣＦ系ポリマーは、膜中から放出される酸素（Ｏ）ラジカルまたは、エッチングガス中の酸素ガスからのＯラジカルにより、ＣＯとして除去されることで、適切な厚さに保たれるように調整されている（例えば、非特許文献１参照）。

ドライプロセスシンポジウム予稿集，２０００年，ｐ．３７

ここで、上述したようなＳｉＯＣＨ系低誘電率膜からなる層間絶縁膜に、例えばアスペクト比４の接続孔を形成する場合の例について説明する。まず、図８に示すように、例えばシリコン基板からなる基板１１上に設けられた層間絶縁膜１２には配線溝１３が設けられており、配線溝１３内には例えばＣｕからなる配線１４が設けられていることとする。この配線１４上を含む層間絶縁膜１２上を覆う状態で、例えば炭化シリコン（ＳｉＣ）からなるエッチングストッパー膜１５が設けられている。そして、このエッチングストッパー膜１５上には、上述したようなＳｉＯＣＨ系低誘電率膜からなる層間絶縁膜１６が設けられており、層間絶縁膜１６上には、接続孔パターンの形成されたレジストパターン１７が設けられている。

ここで、図９に、供給するＯラジカルの量を一定とし、ＣＦ系ガスからプラズマ作用により生じるＣＦ系ラジカルの量を変化させた場合の、層間絶縁膜１６（ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜）と、エッチングストッパー膜１５（ＳｉＣ膜）のエッチングレートの変化を示したグラフを示す。

このグラフに示すように、層間絶縁膜１６（ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜）においては、ＣＦ系ラジカル量が所定値Ａになるまでは、エッチングレートは増大する。しかし、ＣＦ系ラジカルの量が所定値Ａに達したところでエッチングレートは最大となり、ＣＦ系ラジカルの量がこれよりも多くなると、ＣＦ系ラジカル量の増加によってエッチングレートはむしろ減少する。これは、Ｏラジカルに対して過剰なＣＦ系ラジカルがエッチング面に過剰な量のＣＦ系ポリマーを形成し、これがエッチングを阻害するためと考えられる。

一方、エッチングストッパー膜１５（ＳｉＣ膜）は、層間絶縁膜１６で最大のエッチングレートを示すＣＦ系ラジカル量Ａでは、十分に低いエッチングレートであることから、層間絶縁膜１６とのエッチング選択比を十分にとることができる。しかし、ＣＦ系ラジカル量Ａを供給するようなエッチング条件で、同一のエッチング条件下で、層間絶縁膜１６にアスペクト比の高い接続孔を形成すると、エッチングの進行にともないアスペクト比が高くなるにつれて、接続孔の側壁にＣＦ系ラジカルが付着する。これにより、エッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量も少なくなり、矢印Ｂ方向にシフトするため、接続孔の加工終期では、層間絶縁膜１６とエッチングストッパー膜１５とのエッチング選択比がとれ難くなる。

このため、層間絶縁膜１６に接続孔の下部を形成する加工終期でエッチングストッパー膜１５とのエッチング選択比のとれるように、上記所定値Ａよりも多いＣＦ系ラジカル量を供給するようなエッチング条件とし、加工初期から加工終期までこの一定条件下で、レジストパターン１７（前記図８参照）をマスクに用いたドライエッチングにより層間絶縁膜１６に接続孔を形成する。

しかし、上述したように、上記所定値Ａよりも多いＣＦ系ラジカル量を供給するようなエッチング条件とし、同一条件下で、層間絶縁膜１６にアスペクト比の高い接続孔を形成する場合には、図９に示すように、加工初期のＣＦ系ラジカル量が矢印Ｃ方向に移行した状態となる。このため、接続孔の加工初期にＯラジカルに対してＣＦ系ラジカルが過剰になるため、図１０に示すように、ＣＦ系ラジカルがエッチング底面に付着することで、過剰な量のＣＦ系ポリマーＰが堆積し易い。このため、エッチストップが生じ易いという問題がある。また、接続孔１８の側壁に過剰な量のＣＦ系ポリマーＰが堆積するため、加工精度が悪くなる。

また、Ｏラジカル量に対するＣＦ系ラジカル量が過剰になるのを防ぐため、接続孔１８の加工初期のエッチングガス中の酸素ガスの流量を多く設定し、加工初期から加工終期にかけて減少させるという方法も考えられるが、エッチングの進行により接続孔１８のアスペクト比が高くなるのにともない、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量が減少するため、その減少に合わせて、酸素ガスの供給量を制御することは難しいという問題があった。

以上のことから、層間絶縁膜に、加工初期から加工終期まで同一のエッチング条件下で接続孔を形成する際、Ｏラジカルに対してＣＦ系ラジカルが過剰になることが防止され、過剰な量のＣＦ系ポリマーＰがエッチング底面に堆積してエッチストップを生じることなく、加工精度の高い接続孔を形成する絶縁膜の加工方法が要望されている。

上記課題を解決するために、本発明の絶縁膜の加工方法はフロロカーボン系ラジカル（ＣＦ系ラジカル）を用いたドライエッチングにより、基板上に設けられた絶縁膜に、同一のエッチング条件下で凹部を形成する絶縁膜の加工方法において、ドライエッチングの進行により凹部のアスペクト比が高くなるのにともない、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量が減少するのに合わせて、絶縁膜から放出されるＣＦ系ラジカル除去成分が減少するように、絶縁膜の膜質を膜厚方向に変化させることを特徴としている。

このような絶縁膜の加工方法によれば、例えば、絶縁膜がＳｉＯＣＨの組成からなる材料で形成されているとともに、上記ＣＦ系ラジカル除去成分が酸素（Ｏ）である場合に、絶縁膜の表面側に向かってＯ含有率が高くなるように、絶縁膜の膜質を膜厚方向に変化させる。これにより、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量の多い凹部の加工初期では、絶縁膜から放出されるＯラジカルの量も多くなることから、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。また、絶縁膜の表面側に向かって酸素（Ｏ）含有率を高くすることで、ドライエッチングの進行により凹部のアスペクト比が高くなるのにともない、絶縁膜から放出されるＯラジカルの量は少なくなる。そして、凹部のアスペクト比が高くなるのにともないエッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量も少なくなることから、加工初期から加工終期にかけて、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。

以上、説明したように、本発明の絶縁膜の加工方法によれば、同一エッチング条件下で絶縁膜に凹部を形成したとしても、凹部の加工初期から加工終期にかけてＯラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止されることから、過剰な量のＣＦ系ポリマーがエッチング底面に堆積することが防止され、エッチストップが防止される。また、凹部の側壁に過剰な量のＣＦ系ポリマーが堆積することが防止されることから、加工精度が向上する。したがって、絶縁膜にアスペクト比の高い接続孔等を形成する場合の寸法変換差の変動や加工形状異常に対するマージンを向上させるため、信頼性の高い配線技術が実現可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の絶縁膜の加工方法に係わる実施の形態の一例を、図１、図３の工程断面図によって説明する。ここでは、ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜からなる層間絶縁膜に、ＣＦ_xの組成のＣＦ系ラジカルをエッチング種として用いたドライエッチングにより、アスペクト比の高い接続孔を形成する場合の例について説明する。ここで、アスペクト比の高い接続孔とは、アスペクト比が１より大きい接続孔を指し、ここでは、例えばアスペクト比４の接続孔を形成することとする。なお、背景技術と同様の構成には同一の番号を付して説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、例えばシリコン基板からなる基板１１上に設けられた層間絶縁膜１２には配線溝１３が設けられており、配線溝１３内には例えばＣｕからなる配線１４が設けられていることとする。この配線１４上を含む層間絶縁膜１２上を覆う状態で、例えばＳｉＣからなるエッチングストッパー膜１５が設けられている。

そして、このエッチングストッパー膜１５上に、例えば化学的気相成長（Chemical Mechanical Deposition（ＣＶＤ）法により、ＳｉＯ₂よりも誘電率の低いＳｉＯＣＨの組成からなる層間絶縁膜（ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜）１６を形成する。この層間絶縁膜１６は、ＳｉＯ₂の酸素（Ｏ）の一部をメチル（ＣＨ₃）基で置換した例えばMethyl Silsesquioxane（ＭＳＱ）であることとする。ここで、層間絶縁膜１６は、背景技術と同様の組成で形成されていることとする。すなわち、図９を用いて説明したように、層間絶縁膜１６は、ＣＦ系ラジカル量Ａで最大のエッチングレートを示し、加工初期から加工終期までＣＦ系ラジカル量Ａを供給する同一のエッチング条件下でアスペクト比の高い接続孔を形成する場合に、アスペクト比が高くなるにつれてエッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量が減少することで、加工終期でエッチングストッパー膜１５とのエッチング選択比がとれ難くなる。

そこで、本実施形態では、後工程で、層間絶縁膜１６に接続孔を形成する際に、ＣＦ系ラジカル量Ａよりも多いＣＦ系ラジカル量Ａ’を供給し、加工初期から加工終期まで同一のエッチング条件下で行うこととする。そして、層間絶縁膜１６の表面側に向かって、ＣＦ系ラジカル除去成分の含有率が高くなるように、層間絶縁膜１６の膜質を膜厚方向に変化させることで、ドライエッチングの進行により接続孔のアスペクト比が高くなるのにともない、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量が減少するのに合わせて、層間絶縁膜１６から放出されるＣＦ系ラジカル除去成分が減少するようにする。ここでは、ＣＦ系ラジカル除去成分が酸素（Ｏ）であることとし、層間絶縁膜１６の表面側に向かって、Ｏ含有率が高くなるように、層間絶縁膜１６の膜質を膜厚方向に変化させる例について説明する。

具体的には、図１（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１６上に、接続孔パターンの設けられたレジストパターン１７を形成する。次いで、このレジストパターン１７をマスクに用い、レジストパターン１７から露出された層間絶縁膜１６に、例えばＯラジカルを用いた表面処理を行うことで、変質させる。この表面処理の条件の一例としては、酸素ガス（Ｏ₂）〔流量：５ｃｍ³／ｍｉｎ〕とＡｒガス〔流量：１０００ｃｍ³／ｍｉｎ〕との混合ガスを用い、処理雰囲気の圧力を０．２７Ｐａ、プラズマ密度２×１０¹⁰ｃｍ^-3、入射イオンエネルギー４００Ｖの条件下で行うこととする。なお、ガス流量は標準状態における体積流量を示すものとし、この後の工程に示すガス流量も同様であることとする。

これにより、層間絶縁膜１６の表面側のＣＨ₃基の一部がＯに置換されることで酸化され、Ｏが導入された状態となり、酸素レジストパターン１７から露出された層間絶縁膜１６の表面側に、層間絶縁膜１６よりもＯ含有率の高い変質層１６’が形成される。上記の表面処理の条件では、変質層１６’は層間絶縁膜１６の表面から約４０ｎｍの深さまで形成されることとする。

この変質層１６’のＯ含有率は、上記層間絶縁膜１６の組成と、後工程で層間絶縁膜１６に形成する接続孔のアスペクト比とで決定される。ここで、上述したように、後工程で接続孔を形成する際に、ＣＦ系ラジカル量Ａ（前記図９参照）よりも多いＣＦ系ラジカル量Ａ’を供給し、加工初期から加工終期まで同一のエッチング条件下で行うこととすると、図２（ａ）に示すように、エッチングの進行により接続孔のアスペクト比が高くなるにつれて、ＣＦ系ラジカルが接続孔の側壁に付着するため、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量は減少していく。そして、エッチングストッパー膜１５（前記図１（ｂ）参照）が露出する加工終期では、エッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量はＡ’’となることとする。

ここで、図２（ｂ）にＣＦ系ラジカルの量を変化させた場合のエッチングストッパー膜１５、層間絶縁膜１６および変質層１６’のエッチングレートの変化（エッチングレート曲線）を示す。この図に示すように、加工終期でエッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量Ａ’’は、層間絶縁膜１６とエッチングストッパー膜１５とのエッチング選択比がとれるような入射量となることが必須である。具体的には、層間絶縁膜１６のエッチングレートがエッチングストッパー膜１５のエッチングレートの２倍以上となるようなＣＦ系ラジカル量であることとする。また、層間絶縁膜１６をエッチングレートの高い状態でエッチングするために、エッチング条件として供給するＣＦ系ラジカル量Ａ’と加工終期でエッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量Ａ’’との間に、層間絶縁膜１６で最大のエッチングレートとなるＣＦ系ラジカル量Ａが含まれることが好ましい。このため、ＣＦ系ラジカル量Ａ’’は、層間絶縁膜１６とエッチングストッパー膜１５とのエッチング選択比のとれる範囲で、上記ＣＦ系ラジカル量Ａよりも矢印Ｂ方向に、よりシフトさせた値であることが好ましい。

上述するように決定された加工終期のＣＦ系ラジカル量Ａ’’と接続孔のアスペクト比とから、エッチング条件のＣＦ系ラジカル量Ａ’が具体的に決定される。そして、変質層１６’のＯ含有率は、ＣＦ系ラジカルの供給量Ａ’のときエッチングレートが最大となるように、決定されることとする。このように形成された変質層１６’のエッチングレート曲線は層間絶縁膜１６のエッチングレート曲線よりも矢印Ｃ方向にシフトし、最大のエッチングレートの値も高くなる。これは、変質層１６’のＯ含有率が高くなることで、エッチングの際に変質層１６’から放出されるＯラジカルの量が多くなるためである。上述した変質層１６’のＯ含有率は、上記表面処理条件のうち処理雰囲気の圧力を変化させることで、調整することができる。また、この変質層１６’のＯ含有率は、変質層１６’の組成がＳｉＯ₂となるまで高くすることが可能である。

また、この変質層１６’の膜厚は、上記接続孔のアスペクト比が１以下となる深さの領域内であることが好ましい。これは、図２（ａ）を用いて説明したように、接続孔のアスペクト比が１程度の深さに達するまでに、接続孔のエッチング底面への入射ＣＦ系ラジカル量が顕著に少なくなり、その後は穏やかに低下することから、この領域のＯ含有率を高くすることで、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。この変質層１６’の膜厚は、上記表面処理条件の圧力に応じたＯ₂分子の総量、プラズマ密度に依存するこのＯ₂分子の解離度、および基板１１の温度によって変化するＯラジカルの反応確率により調整されることとする。

上述したように、層間絶縁膜１６の表面側に変質層１６’を形成した後、図３（ａ）に示すように、レジストパターン１７をマスクに用いて、表面側に変質層１６’（前記図１（ｂ）参照）が形成された状態の層間絶縁膜１６に、ＣＦ系ラジカルをエッチング種として用いたドライエッチングにより、接続孔１８を形成する。この際、エッチング条件のＣＦ系ラジカルの供給量は、ＣＦ系ラジカル量Ａ’（前記図２（ｂ）参照）となるように供給し、加工初期から加工終期まで、同一のエッチング条件で行うこととする。このＣＦ系ラジカルは、フロロカーボン系ガス（ＣＦ系ガス）をエッチングガスとして用いることで供給され、ＣＦ系ラジカルの供給量は、ＣＦ系ガスの流量で調整される。

上記エッチング条件の一例としては、一般的な平行平板方式のドライエッチング装置を用い、エッチングガスとしてＣ₅Ｆ₈〔流量：５ｃｍ³／ｍｉｎ〕からなるＣＦ系ガスと、ＣＨ₂Ｆ₂ガス〔流量：５ｃｍ³／ｍｉｎ〕とＡｒガス〔流量：６００ｃｍ³／ｍｉｎ〕とＯ₂ガス〔流量：１０ｃｍ³／ｍｉｎ〕との混合ガスを用い、処理雰囲気内の圧力を０．２７Ｐａ、プラズマ密度２×１０¹¹ｃｍ^-3、入射イオンエネルギー１０００Ｖ、基板温度を３０℃の条件下で行うこととする。

これにより、接続孔１８のアスペクト比の低い加工初期では、変質層１６’がエッチングされる。この際、変質層１６’のＯ含有率は層間絶縁膜１６よりも高いことから、変質層１６’から放出されるＯラジカルの量も多くなるため、Ｏラジカル量に対するＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。

次いで、図３（ｂ）に示すように、エッチングの進行にともない接続孔１８のアスペクト比が高くなる加工中期から加工終期では、層間絶縁膜１６がエッチングされる。この際、層間絶縁膜１６のＯ含有率は変質層１６’（前記図１（ｂ）参照）よりも低くなるが、接続孔１８のアスペクト比が高くなるのにともない、接続孔１８のエッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量が少なくなるため、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。また、接続孔１８の加工終期では、エッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量はＣＦ系ラジカル量Ａ’’（前記図２（ｂ）参照）となり、層間絶縁膜１６とエッチングストッパー膜１５との選択比も充分にとることができる。これにより、層間絶縁膜１６に、エッチングストッパー膜１５に達する状態の接続孔１８が形成される。

この後の工程は、通常の工程と同様に行い、この層間絶縁膜１６に接続孔１８と連通する配線溝（図示省略）を形成した後、エッチングストッパー膜１５を除去して下層の配線１４を露出し、接続孔１８内にヴィアプラグを形成するとともに、配線溝に配線を形成する。

このような絶縁膜の加工方法によれば、ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜からなる層間絶縁膜１６の表面側に層間絶縁膜１６よりもＯ含有率の高い変質層１６’を形成する。そして、変質層１６’で最大のエッチレートをとるＣＦ系ラジカル量Ａ’を供給するように、エッチング条件を設定し、加工初期から加工終期まで同一エッチング条件下で変質層１６’の形成された層間絶縁膜１６に接続孔１８を形成する。これにより、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量の多い接続孔１８の加工初期では、変質層１６’から放出されるＯラジカルの量も多くなる。これにより、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。また、ドライエッチングの進行により凹部のアスペクト比が高くなるのにともない、層間絶縁膜１６がエッチングされるようになるため、変質層１６’と比較して放出されるＯラジカルの量は少なくなるが、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量も少なくなる。このため、加工初期から加工終期にかけて、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。

これにより、過剰な量のフロロカーボン系ポリマー（ＣＦ系ポリマー）がエッチング底面に堆積することが防止されることから、エッチストップが防止されるとともに、過剰な量のＣＦ系ポリマーが接続孔の側壁に堆積することが防止されることから、加工精度が向上する。したがって、層間絶縁膜１６にアスペクト比の高い接続孔１８等を形成する場合の寸法変換差の変動や加工形状異常に対するマージンを向上させるため、信頼性の高い配線技術が実現可能となる。

また、本実施形態の絶縁膜の加工方法によれば、レジストパターン１７から露出された層間絶縁膜１６の表面側に形成された層間絶縁膜１６よりもＯ含有率の高い変質層１６’は、ドライエッチングにより除去されるため、層間絶縁膜１６の誘電率を低い状態で維持することができる。

（変形例１）
なお、本実施形態では、図１（ｂ）を用いて説明したように、Ｏプラズマによる表面処理を行うことで、層間絶縁膜１６の表面側のＯ含有率を高くすることとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、層間絶縁膜１６に水素プラズマによる表面処理を行った後、この状態の基板１１を大気中に暴露することで層間絶縁膜１６の表面側を酸化し、表面側のＯ含有率を高くしてもよい。

この場合の表面処理の条件の一例としては、水素ガス（Ｈ₂）〔流量：１００ｃｍ³／ｍｉｎ〕とＨｅガス〔流量：１００ｃｍ³／ｍｉｎ〕との混合ガスを用い、処理雰囲気の圧力を０．５４Ｐａ、プラズマ密度２×１０¹⁰ｃｍ^-3、入射イオンエネルギー４００Ｖの条件下で行うこととする。これにより、ＳｉＯＣＨ系低誘電率膜からなる層間絶縁膜１６中のＣＨ₃基の一部が除去されてダングリングボンド（未結合手）が露出された状態となる。その後、この状態の基板１１を大気中に暴露することにより、ダングリングボンドに酸素が結合して、酸化された状態となる。これにより、層間絶縁膜１６の表面側から約１０ｎｍの領域までが酸化されて変質層１６’が形成される。このような絶縁膜の加工方法であっても、層間絶縁膜１６の表面側に向かってＯ含有率が高くなることから、加工初期から加工終期にかけてＯラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止されるため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（変形例２）
また、第１実施形態では、レジストパターン１７から露出された層間絶縁膜１６にＯプラズマを用いた表面処理を１回行うこととしたが、ドライエッチングの間に複数回の表面処理を行ってもよい。この場合には、図３（ａ）を用いて説明したように、変質層１６’（前記図１（ｂ）参照）をエッチング除去して、未処理の層間絶縁膜１６を露出した後、図４（ａ）に示すように、この層間絶縁膜１６に、レジストパターン１７をマスクに用いて、再びＯプラズマを用いた表面処理を行い、層間絶縁膜１６の表面側に変質層１６’’を形成する。この場合には、接続孔１８の底面側だけでなく、側壁側も酸化された状態となる。

この際、接続孔１８のアスペクト比は加工初期よりも高くなるため、エッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量も加工初期よりも少なくなることから、１回目の表面処理の条件よりも処理雰囲気の圧力を低くすることで、変質層１６’’のＯ含有率は、変質層１６’よりも低くなるようにする。これにより、変質層１６’’のＯ含有率は、変質層１６’よりも低く、層間絶縁膜１６よりも高い状態となる。その後、図４（ｂ）に示すように、レジストパターン１７をマスクに用いたドライエッチングにより、接続孔１８の底面側の変質層１６’’を除去して、接続孔１８の底面側に未処理の層間絶縁膜１６を露出する。

そして、上述したようなＯプラズマを用いた表面処理工程と、ドライエッチングによる変質層の除去工程とを繰り返して、エッチングストッパー膜１５を露出する。このような、層間絶縁膜１６の加工方法によれば、接続孔１８を形成する際、層間絶縁膜１６の表面側に向かってＯ含有率が高くなることから、加工初期から加工終期にかけてＯラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止されるため、上記第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、層間絶縁膜１６のＯ含有率をより細かく制御することで、接続孔１８のアスペクト比が高くなるのにともない、エッチング底面へのＣＦ系ラジカルの入射量が減少するのに応じて、層間絶縁膜１６から放出されるＯラジカル量を多段階的に少なくすることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態の層間絶縁膜を複数の絶縁層で形成する例について説明する。なお、図１（ａ）を用いて説明したエッチングストッパー膜１５を形成する工程までは、第１実施形態と同様に行うため、省略する。

まず、図５に示すように、上記エッチングストッパー膜１５上に、例えばＣＶＤ法により成膜ガスにトリメチルシラン（３ＭＳ）と酸素（Ｏ₂）を用いてＳｉＯＣＨ系低誘電率膜からなる絶縁層１６ａを形成する。ここで、絶縁層１６ａは、第１実施形態で図１（ａ）を用いて説明した層間絶縁膜１６と同様の組成で形成されることとする。

次に、絶縁層１６ａ上に絶縁層１６ａよりもＯ含有率の高い絶縁層１６ｂを形成する。この場合には、成膜ガスに用いたＯを含有するＯ₂の流量を増やすことで、絶縁層１６ａよりもＯ含有率の高い絶縁層１６ｂを形成する。ここで、絶縁層１６ｂは第１実施形態で図１（ｂ）を用いて説明した変質層１６’と同様の組成で形成されることする。また、絶縁層１６ｂのＯ含有率は、変質層１６’のＯ含有率と同様の方法で決定され、絶縁層１６ａの組成と後工程で層間絶縁膜１６に形成する接続孔のアスペクト比で決定されることとする。これにより、絶縁層１６ａと絶縁層１６ｂとがこの順に積層された層間絶縁膜１６を形成する。

ここで、図６に、ＣＦ系ラジカル量を変化させた場合のエッチングストッパー膜１５、絶縁層１６ａおよび絶縁層１６ｂのエッチングレートの変化（エッチングレート曲線）を示すと、絶縁層１６ｂのエッチング曲線は、絶縁層１６ａのエッチング曲線よりも矢印Ｃ方向側にシフトし、絶縁層１６ｂのエッチングレートは、絶縁層１６ａで最大のエッチングレートを示すＣＦラジカル量Ａより多いＣＦ系ラジカル量Ａ’で最大となる。また、加工終期にエッチング面に入射するＣＦ系ラジカル量Ａ’’は、絶縁層１６ａとエッチングストッパー膜１５とのエッチング選択比のとれる範囲で、絶縁層１６ａで最大のエッチングレートを示すＣＦ系ラジカル量Ａよりも矢印Ｂ方向に、よりシフトさせた値となることとする。さらに、絶縁層１６ｂ（前記図５参照）の膜厚は、第１実施形態の変質層１６’と同様に、上記接続孔のアスペクト比が１以下となる深さまで形成されていることとする。

なお、ここでは、絶縁層１６ａと絶縁層１６ｂの２層からなる層間絶縁膜１６を形成することとするが、絶縁層の数は３層以上であってもよく、この場合には、層間絶縁膜１６の表面側に向かって絶縁層のＯ含有率が段階的に高くなるように、組成比を変化させた複数の絶縁層を形成することとする。これにより、接続孔のアスペクト比が高くなるのにともないエッチング底面へのＣＦラジカルの入射量が減少するのに合わせて、層間絶縁膜１６から放出されるＯラジカルの量をより細かく制御することができるため、好ましい。

上述したように絶縁層１６ａおよび絶縁層１６ｂが順に積層された層間絶縁膜１６を形成した後、図７に示すように、レジストパターン１７をマスクに用いて、層間絶縁膜１６に、ＣＦ系ラジカルをエッチング種として用いたドライエッチングにより、接続孔１８を形成する。この際、エッチング条件のＣＦ系ラジカルの供給量は、絶縁層１６ｂで最大のエッチングレートを示すＣＦ系ラジカル量Ａ’（前記図６参照）となるように供給し、加工初期から加工終期まで、同一のエッチング条件で行うこととする。このエッチング条件は、第１実施形態のエッチング条件と同一であることとする。

これにより、接続孔１８のアスペクト比の低い加工初期では、絶縁層１６ｂがエッチングされる。この際、絶縁層１６ｂのＯ含有率は絶縁層１６ａよりも高いことから、絶縁層１６ｂから放出されるＯラジカルの量も多くなるため、Ｏラジカル量に対するＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。

次いで、エッチングの進行にともない接続孔１８のアスペクト比が高くなる加工中期から加工終期では、絶縁層１６ａがエッチングされる。この際、絶縁層１６ａのＯ含有率は絶縁層１６ｂよりも低くなるが、接続孔１８のアスペクト比が高くなるにつれて、接続孔１８のエッチング底面に入射するＣＦ系ラジカル量が少なくなるため、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止される。また、接続孔１８の加工終期では、ＣＦ系ラジカル量Ａ’’（前記図６参照）となり、絶縁層１６ａとエッチングストッパー膜１５との選択比も充分にとることができる。これにより、層間絶縁膜１６に、エッチングストッパー膜１５に達する状態の接続孔１８が形成される。この後の工程は、第１実施形態と同様に行うこととする。

このような絶縁膜の加工方法であっても、絶縁層１６ａ上に絶縁層１６ａよりもＯ含有率の高い絶縁層１６ｂを形成することから、層間絶縁膜１６の表面側に向かって、Ｏ含有率が高くなる。これにより、加工初期から加工終期にかけて、Ｏラジカル量に対してＣＦ系ラジカル量が過剰になることが防止されるため、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態の絶縁膜の加工方法によれば、絶縁層１６ａおよび絶縁層１６ｂの成膜時に各層のＯ含有率を調整することから、第１実施形態の絶縁膜の加工方法と比較して、ドライエッチングの前に表面処理を行わなくてもよいため、工程の簡略化が図れる。

なお、本実施形態では、絶縁層１６ａ上に絶縁層１６ａよりもＯ含有率の高い絶縁層１６ｂを形成することで、表面側に向かってＯ含有率が段階的に高くなるように、層間絶縁膜１６を形成した例について説明したが、層間絶縁膜１６が単一層で形成されており、表面側に向かってＯ含有率が連続的に高くなるように形成されていてもよい。この場合には、成膜ガスに３ＭＳとＯ₂を用いたＣＶＤ法により、層間絶縁膜１６を形成する際、３ＭＳに対するＯ₂の流量を徐々に多くすることで、表面側に向かって連続的にＯ含有率が高くなるように層間絶縁膜１６を形成する。この際、層間絶縁膜１６中のＯ含有率が、図２（ａ）に示すアスペクト比による入射ＣＦラジカル量の変化曲線と同じような曲線を描くように、表面側に向かってＯ含有率の高い層間絶縁膜１６を形成すれば、層間絶縁膜１６から放出されるＯラジカル量に対してＣＦラジカル量がほぼ一定に維持されるため、好ましい。また、層間絶縁膜１６の表面側に向かって、Ｏ含有率が直線的に高くなるように、層間絶縁膜１６を形成してもよい。

上述したように層間絶縁膜１６を形成した後、この層間絶縁膜１６にエッチングストッパー膜１５に達する接続孔１８を形成する。このような絶縁膜の加工方法であっても、表面側に向かってＯ含有率が高くなるように、層間絶縁膜１６が形成されることから、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、層間絶縁膜１６のＯ含有率を連続的に変化させることで、接続孔１８の加工初期から加工終期にかけて、エッチング底面に入射するＣＦラジカル量に対して層間絶縁膜１６から放出されるＯラジカルの量がほぼ一定となるように、細かく制御することが可能となる。

本発明の絶縁膜の加工方法にかかる第１実施形態を説明するための工程断面図である（その１）。第１実施形態における接続孔のアスペクト比と入射ＣＦ系ラジカル量との関係を示すグラフ（ａ）とＣＦ系ラジカル量を変化させた場合のエッチングストッパー膜、層間絶縁膜および変質層のエッチングレートを示すグラフ（ｂ）である。本発明の絶縁膜の加工方法にかかる第１実施形態を説明するための工程断面図である（その２）。本発明の絶縁膜の加工方法にかかる第１実施形態の変形例２を説明するための工程断面図である。本発明の絶縁膜の加工方法にかかる第２実施形態を説明するための工程断面図である（その１）。第２実施形態におけるＣＦ系ラジカル量を変化させた場合のエッチングストッパー膜および絶縁層のエッチングレートを示すグラフである。本発明の絶縁膜の加工方法にかかる第２実施形態を説明するための工程断面図である（その２）。従来の絶縁膜の加工方法を説明するための工程断面図である。従来の絶縁膜の加工方法におけるＣＦ系ラジカル量を変化させた場合のエッチングストッパー膜および層間絶縁膜のエッチングレートを示すグラフである。従来の絶縁膜の加工方法の課題を説明するための工程断面図である。

符号の説明

１１…基板、１５…エッチングストッパー膜、１６…層間絶縁膜、１６ａ，１６ｂ…絶縁層、１８…接続孔

Claims

フロロカーボン系ラジカルをエッチング種として用いたドライエッチングにより、基板上に設けられた絶縁膜に、同一のエッチング条件下で凹部を形成する絶縁膜の加工方法において、
前記ドライエッチングの進行により前記凹部のアスペクト比が高くなるのにともない、エッチング底面への前記フロロカーボン系ラジカルの入射量が減少するのに合わせて、前記絶縁膜から放出されるフロロカーボン系ラジカル除去成分が減少するように、前記絶縁膜の膜質を膜厚方向に変化させる
ことを特徴とする絶縁膜の加工方法。
前記凹部の加工終期に、前記絶縁膜と当該絶縁膜の下地層とのエッチング選択比がとれるように、前記エッチング条件の前記フロロカーボン系ラジカルの供給量を設定する
ことを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の加工方法。
前記絶縁膜に表面処理を行うことで、前記絶縁膜の表面側に前記フロロカーボン系ラジカル除去成分を導入する
ことを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の加工方法。
前記表面処理と前記ドライエッチングとを繰り返して行うことで、前記絶縁膜に前記凹部を形成する
ことを特徴とする請求項３記載の絶縁膜の加工方法。
前記絶縁膜の表面側に向かって、前記フロロカーボン系ラジカル除去成分の含有率が連続的に高くなるように、前記絶縁膜を形成することで、当該絶縁膜の膜質を膜厚方向に変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の加工方法。
前記絶縁膜は、複数の絶縁層を積層してなり、
前記絶縁膜の表面側に向かって、前記フロロカーボン系ラジカル除去成分の含有率が段階的に高くなるように、複数の前記絶縁層を形成することで、当該絶縁膜の膜質を膜厚方向に変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の加工方法。
前記絶縁膜はＳｉＯＣＨの組成からなる材料で形成されているとともに、
前記フロロカーボン系ラジカル除去成分が酸素であり、
前記絶縁膜の表面側に向かって酸素含有率が高くなるように、前記絶縁膜の膜質を膜厚方向に変化させる
ことを特徴とする請求項１記載の絶縁膜の加工方法。