JP2006295088A

JP2006295088A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

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Publication number: JP2006295088A
Application number: JP2005117664A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sumiya; 誠浩角屋; Yutaka Omoto; 大本　　豊; Mamoru Yakushiji; 守薬師寺
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】低誘電率膜(Low-k膜、例えばSiOCH)において、膜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。
【解決手段】 CxHyFzガスを用い、低圧力(1.0Pa以下)にてエッチングを行う。
【選択図】図２

Description

本発明はプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に係わり、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及びプラズマ処理装置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。配線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。例えば、特許文献１には、SiOCH膜を層間絶縁膜として用いる半導体装置の例が記載されている。この層間絶縁は、非許文献１に記載のように、O₂プラズマ等の照射により、SiOC膜中の-CH₃基が引抜かれ、K値が劣化することが知られている。

特開２００４−７２０９６号公報 K. Maex et. al. : J. Appl. Phys., Vol93(2003) p8793

O₂プラズマ等の照射によりSiOC膜中の-CH₃基が引抜かれ、K値が劣化することの対策として、O₂等のCを除去するガスを添加しないエッチング方法が検討されている。しかし、エッチング形状とK値劣化抑制の両立が難しいという問題がある。
このため、エッチングプロセスにおける、エッチング形状とSiOC膜のK値劣化抑制の両立が急務である。

本発明の目的は、低誘電率膜(Low-k膜、例えばSiOCH)において、高精度でかつ低誘電率膜の誘電率の劣化を抑制することが可能な処理条件を満たすプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供することにある。

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、低誘電率膜(Low-k膜)のエッチングを行うエッチングプロセスにおいて、CxHyFzガス(x、y、z=０、１、２、…)を用いてエッチングを行うことを特徴とする。

より好ましくは、低圧力(２.０Pa以下)にてエッチングを行う。これにより、上記課題を解決可能である。

本発明によれば、N₂、O₂等を含まないCxHyFzガスを用いてエッチングを行うことにより、上記課題を解決することが可能となる。さらに、低圧力(２.０Pa以下)にてエッチングを行うことにより、低誘電率膜(Low-k膜、例えばSiOCH膜のエッチングにおいてk値劣化のない高垂直で高精度なエッチング処理が可能である。

図１から図５を用いて本発明の第１の実施例を説明する。図１は、典型的なトレンチエッチング又はビアエッチングを示す概念図である。
図１(ａ)に示す被エッチング処理材（試料）の断面構造において、101はフォトレジストマスク、102は反射防止膜(BARC)、103はキャップ膜(TEOS)、104は被処理材としての層間絶縁膜である低誘電率膜(SiOCH)、105はエッチングストップ膜(SiC)、106はシリコン基盤(Si)を示している。

トレンチエッチング又はビアエッチングでは、ArFフォトレジストマスク101をマスクにBARC膜（反射防止膜）102をエッチングし、その後、被処理材（例えばSiOCH）膜103をエッチングする。層間絶縁膜である低誘電率膜104のエッチングには、フロロカーボンガスが用いられ、SiO₂表面にCF系のポリマーを堆積させ、更にウエハバイアスを印加することによりイオンを入射させエッチングを行う。

図1(b)は、エッチング加工後の層間絶縁膜104を含むトレンチ又はビア周辺の断面構造を示す図である。

図４に、本発明を適用したプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置の縦断面図を示す。エッチング装置は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室４０５と、この処理室内へガスを供給するガス供給装置４０７と、被処理材であるウエハ４１６を載置可能な基板電極４１５と、この基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜および被処理材を温調するために冷却ガス導入機構と、この基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極４０３（＝上部電極）と、基板電極へ接続された高周波電源４１３およびアンテナ電極へ接続された高周波電源４０８と、この基板電極へ接続された高周波電源４１７とこのアンテナ電極へ接続された高周波電源に印加する高周波の位相を制御する手段４２０を備えている。さらに、ガス供給装置４０７を時間的に変調するためのガス流量変調器および基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源の出力を時間変調する装置を具備している。さらに、ガス供給装置を時間的に変調するためのガス流量変調器および基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源の出力を同期して時間変調する装置を具備している。

より具体的には、上部が開放された真空容器４０１の上部に処理容器４０４、例えば石英製の誘電体窓４０２、例えば、Si製のアンテナ電極（＝上部電極）４０３を設置、密封することにより処理室４０５を形成する。上部電極４０３はエッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置４０７に接続されている。また真空容器４０１には真空排気口４０６を介して真空排気装置(図示省略)が接続されている。アンテナ電極４０３の上部には同軸線路４１１、フィルター４１０及び整合器４０９、整合器４１２を介して高周波電源４０８(例えば周波数１００MHz〜４５０MHz)、アンテナバイアス電源４１３が接続されている。アンテナバイアス電源４１３(例えば周波数４００kHz〜４MHz)は外部トリガー信号により発振を制御することができる。

また、被処理材４１６を載置可能な基板電極４１５は真空容器４０１下部に設置され、整合器４１８を介して基板バイアス電源４１９に接続されている。また基板電極４１５は上部に静電吸着膜(図示省略)を有し、被処理材４１６と静電吸着膜間に冷却用ガスを供給することが可能である。これら冷却用ガスの圧力は任意の圧力に制御することが可能である。また基板バイアス電源４１９は外部トリガー信号により発振を制御可能である。また被処理材４１６を静電的に吸着させるために静電チャック(ESC)電源４２３がフィルター４１７を介して基板電極４１５に接続されている。またアンテナバイアス電源４１３と基板バイアス電源４１９は位相制御器４２０に接続されており、アンテナバイアス電源４１３と基板バイアス電源４１９より出力される高周波の位相を制御することができる。位相の設定は、位相検出プローブ４２１、４２２の信号を元に、所望の位相に制御することが可能である。ここで、その位相は主に１８０°±４５°とした。

また位相制御器４２０とガス供給装置４０７には時間変調制御器４２４が接続されており、任意の時間周期（例えば０.１Hzから１０kHzの範囲のいずれかの時間周期）にてチャンバー内に導入するガスの時間変調およびアンテナバイアス電源４１３および基板バイアス電源４１９の出力を時間変調することが可能である。またガス供給装置４０７はそれぞれのマスフローコントローラにてガス流量を時間変調することも可能であるが、２つ以上のガス系統に分類し、ピエゾバルブ等を用いて時間変調を行うことで、より高速なガス流量の時間変調が可能となる。

上記のように構成されたプラズマ処理装置において、処理室４０５内部を真空排気装置(図示省略)により減圧した後、ガス供給装置４０７によりエッチングガスを処理室４０５内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源４０８より発振された高周波電力は同軸線路４１１を伝播し、上部電極４０３および誘電体窓４０２を介して処理室４０５内に導入される。該高周波電源４０８と該同軸線路４１１との間には整合器４０９が接続され、該高周波電源４０８より出力された高周波電力を効率良く該処理室４０５内に供給するように作用する。

また、磁場発生用コイル４１４(例えばソレノイドコイル)により形成された磁場との相互作用により、処理室４０５内に高密度プラズマを生成する。特に電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度(例えば１６０ガウス)を処理室内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また、アンテナバイアス電源４１３より高周波電力は整合器４１２、同軸線路４１１を介してアンテナ電極４０３に供給される。このとき該整合器４０９、該整合器４１２と該同軸線路４１１の間にはフィルタ４１０が設置されており、該フィルタ４１０は該高周波電源４０８より出力された高周波電力を、該同軸線路４１１方向へ効率良く投入すると共に、該アンテナバイアス電源４１３より出力された高周波電力を、該同軸線路４１１方向へ効率良く投入するように作用する。

また、基板電極４１５に載置された被処理材４１６は、整合器４１８を介して基板バイアス電源４１９より高周波電力が供給され、表面処理(例えばエッチング処理)される。また該基板電極４１５には静電吸着用直流電源４２３が接続されており、該被処理材４１６を吸着することが可能である。また該静電吸着用直流電源４２３と該整合器４１８の間にはフィルタ４１７が接続されており、該基板電極４１９および該静電吸着用直流電源４２３から出力された電力を効率良く基板電極４１５に投入するように作用する。

図５に、ガスを２系統に分離し時間変調を行い、更にアンテナバイアス出力およびウエハバイアス出力を時間変調制御器５２４を用いて変調した場合のタイムチャートを示す。GasAはN_２、O_２ガスを添加せずSiOC膜にダメージ層を形成しないガス系で、GasBはN_２等のガスを添加し高マスク選択比となるガス系を用いる。GasAを流す時間をT１とし、GasBを流す時間をT２とする。時間T１では印加するバイアス出力を低下または出力を停止し、より等方的なエッチングを進行させる。またアンテナバイアスも同期して出力を低下または出力を停止することにより、プラズマ電位の上昇を抑制しチャンバー壁等のスパッタを低減することが可能である。時間T２ではアンテナ・基板バイアスをそれぞれ印加し、異方性エッチングを行う。これらの時間T１、T２のエッチングを繰り返し周期０.１Hz〜１０kHz程度で繰り返し実施する。

従来は、SiO₂膜等の低誘電率膜(Low-k膜)のエッチングでは、余剰なカーボン(C)等をO₂を添加することにより除去し、垂直なエッチング形状を実現していた。しかし、SiOCH膜等の低誘電率膜では、O₂又はN₂を添加することにより、SiOC膜等に含まれる-CH₃基が引抜かれ誘電率(k値)が増加する。これらK値の増加が発生すると、エッチング加工後のトレンチ又はビア周辺の層間絶縁膜のk値が上昇してしまうことから、製作するデバイスにおいて所望の電気特性等が得られない等の問題がある。

本発明によれば、低誘電率膜(Low-k膜、例えばSiOCH膜のエッチングにおいてk値劣化のない高垂直で高精度なエッチング処理が可能である。本発明と従来技術との差を確認するために、実験を行った。すなわち、SiOCH膜中の-CH₃基の引抜きを調べるために、本発明で得られたサンプルと従来技術によるサンプルに関して、２次イオン質力分析計(SIMS)を用いたカーボン(C)の深さ方向プロファイルを測定した。また同じサンプルにて水銀プローブを用いてK値測定を実施した。

その結果を図２に示す。縦軸がC濃度を示すイオン強度、横軸はSiOCH膜表面からの深さである。図中にはプラズマ処理を施していないサンプル、CHF₃とN₂の混合ガスを用いてエッチングを行ったサンプル、N₂およびO₂ガスを含まないCF₄ガス単体でエッチングしたサンプル、およびCHF₃とN₂の混合ガスを用いてエッチングを行った後、CF₄ガス単体で約100nm程度エッチング処理を施したサンプルでのC濃度の深さ方向プロファイルを示す。

図２に示すように、従来技術に相当するCHF3とN2の混合ガスを用いてエッチングを行ったサンプルでは、k値が増加し更に表面のC濃度が低下しているが、本発明に相当する、CF₄ガス単体でエッチングしたサンプルおよびCHF3とN2の混合ガスを用いてエッチングを行った後、CF₄ガス単体で約100nm程度エッチング処理を施したサンプルではk値はほぼ初期膜と同等であり、また表面近傍でのC濃度の低下は見られなかった。

このことから、SiOCH膜のk値劣化を抑制するためには、N₂またはO₂を含まないCxHyFzガス(x、y、z=０、１、２、…)でエッチングすることが重要であることがわかる。
CxHyFzガスとしては、CF4、CHF3、CH2F2、CH3F3、C4F8、C5F8、C4F6等があげられる。

しかし、冒頭でも述べたように、N₂またはO₂は余剰なCを取り除き垂直なエッチング加工を行うという点で重要であり、このトレードオフの解消が重要な課題である。

図３に、N₂またはO₂を含まないCxHyFzガスを用いてエッチングを行った場合のSiOCエッチレート（破線表示、左目盛り）およびデポレート（実線表示、右目盛り）の圧力依存性を示す。

図３から明らかな通り、圧力を低下させることにより、ウエハ上に堆積するデポレートが減少し、SiOCエッチレートが増加する。特に、圧力を２.０Pa以下とすることにより、SiOCのエッチレートを５００nm/min以上に維持しつつデポレートを抑えて処理できるので、垂直加工が可能となる。より好ましくは、圧力を１.０Pa以下とすることで、高いエッチレートを維持しつつデポレートを低く抑えられるので、垂直加工が容易となる。

従って、N₂およびO₂ガスを含まないCxHyFzガスを用い、約２.０Pa以下の低圧力でエッチングを行うことにより、SiOCH膜中の-CH₃基を引抜かず、更に余剰なC成分が減少するため、高垂直でk値劣化のないエッチングが可能であるという効果がある。

また、本実施例ではエッチングについて述べたが、エッチング処理の後工程のレジスト除去のためのアッシング処理にも使用できる。低圧力にすることで、Ｏ2ラジカルの濃度を低下させる効果がある。低圧力動作が可能であるアッシング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。

本発明の対象となる被エッチング処理材の構造を示す図である。 SiOCH膜ダメージ層を示すカーボン(C)濃度の、深さ方向分布を示す図である。 k値劣化の処理圧力とSiOCレートおよび垂直性をパラメータとした特性図を示す図である。本発明を適用したプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置の縦断面図である。本発明の実施例におけるガス流量およびバイアス出力の時間変化を示す特性図である。

符号の説明

101…フォトレジストマスク、 102…反射防止膜(BARC)、 103…キャップ膜(TEOS)、 104…被処理材(SiOCH)、 105…エッチングストップ膜(SiC)、 106…シリコン基盤(Si)。

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、低誘電率膜のエッチングを行うエッチングプロセスにおいて、CxHyFzガス(x、y、z=０、１、２、…)であってかつN_２及びO_２を含まないガスを用いてエッチングを行う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、２.０Pa以下の低圧力で前記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記載のプラズマ処理方法において、前記低誘電率膜がSiOC系膜であることを特徴とするプラズマ処理方法。
真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室、該処理室内へガスを供給するガス供給装置、被処理材を載置可能な基板電極、該基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極、該基板電極へ接続された高周波電源および該アンテナ電極へ接続された高周波電源を備えたプラズマ処理装置において、
前記ガス供給装置から前記処理室にCxHyFzガス(x、y、z=０、１、２、…)であってかつN_２及びO_２を含まないガスを供給し、前記処理室を２.０Pa以下の低圧力で前記プラズマを発生させ、前記基板電極に載置された被処理材のSiOC系膜のエッチングを行うように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。