JP2007194284A - プラズマ処理方法、プラズマ処理装置、及び記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【課題】SiOC膜等の絶縁膜をエッチングするにあたり、ホールの口径や溝の幅を小さく抑えること。
【解決手段】エッチングを行う前に、CF4ガスとCH3Fガスとを含む処理ガスをプラズマ化し、そのプラズマによりレジストマスクの開口部の側壁に堆積物を付着させて開口寸法を減少させる前処理を行う。また、SiOC膜をエッチングするときには、CF4ガス、CH3Fガス及び窒素ガスを含む処理ガスをプラズマ化し、プラズマ化するための第1の高周波を、基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2(300mmウェハの表面積)以上となるように電力を処理雰囲気に供給し、SiOC膜をエッチングする。
【選択図】図2
【解決手段】エッチングを行う前に、CF4ガスとCH3Fガスとを含む処理ガスをプラズマ化し、そのプラズマによりレジストマスクの開口部の側壁に堆積物を付着させて開口寸法を減少させる前処理を行う。また、SiOC膜をエッチングするときには、CF4ガス、CH3Fガス及び窒素ガスを含む処理ガスをプラズマ化し、プラズマ化するための第1の高周波を、基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2(300mmウェハの表面積)以上となるように電力を処理雰囲気に供給し、SiOC膜をエッチングする。
【選択図】図2
Description
本発明は、シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜に対してプラズマにより処理を行う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り、またその方法を実行するためのコンピュータプログラムを格納した記憶媒体に関する。
半導体デバイスは年々高集積化する傾向にあり、ウェハに形成されるパターンの微細化に応えるためにレジスト材料や露光技術の改善が進み、レジストマスクの開口寸法も相当小さくなってきている。
一方高集積化を図るためにデバイス構造が多層化されているが、動作速度を向上させるためには寄生容量を小さくすることが必要であることから、絶縁膜例えば層間絶縁膜についても低誘電率膜の材料の開発が進められている。この低誘電率膜の一つとして、例えば炭素含有シリコン酸化膜などと呼ばれているSiOC膜が挙げられる。
このようにレジストマスクの形成技術と低誘電率膜との組み合わせにより、高集積化、動作速度の高速化を図ることができるが、こうした一連のプロセスにおける課題の一つとして、エッチングプロセスにおける凹部の拡大化がある。即ち、プラズマによりエッチングを行う場合、レジストマスクの開口寸法が広がったり、エッチング対象の膜の凹部の側壁のエッチングが進みすぎてホールや溝が設計値よりも広がってしまい、設計通りのデバイス特性が得られないという問題がある。また今後電極埋め込み用のビアホールやコンタクトホールにおいて、互いに隣接するホール同士が接近してくると、ホール間で短絡する懸念もある。このことから、レジストマスクの形成技術の限界も見えつつあるため、レジストマスクの開口寸法よりも小さい寸法の開口部をエッチング対象の膜に形成する技術も求められている。
こうした課題に対応するために特許文献1及び2の技術が知られている。特許文献1においては、シリコン窒化膜について第1のエッチングガスとしてSF6ガスを用い、第2のエッチングガスとしてCF4ガス、CHF3ガス、CH2F2ガス及びCH4ガスの少なくとも一種から選ばれるガスを用い、これら混合ガスによりエッチングすることでパターン寸法を制御できることが記載されているが、シリコンと酸素とを含む例えばSiOC膜をエッチングする場合において、適正なプロセスといえるものではない。また、特許文献2には少なくともCF4ガス、CHF3ガス、N2ガス、及び不活性ガスを含む混合ガス用いてSiOC膜をエッチングする方法が記載されているが、処理ガスに供給する電力については着眼されておらず、このためホールや溝等の凹部の拡大化抑制には十分でない。
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜をエッチングするにあたり、開口寸法の小さい凹部を半導体ウェハ(以下ウェハという)等の基板に形成することであり、更にはレジストマスクに形成された開口部の開口寸法よりも小さな寸法の凹部を基板に形成することができるプラズマ処理方法ないしプラズマ処理装置を提供することにある。また本発明の他の目的は、このようなプラズマ処理を実施できるコンピュータプログラムを格納した記憶媒体を提供することにある。
本発明のプラズマ処理方法は、
互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源を備えたプラズマ処理装置を用いて基板を処理する方法において、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板を下部電極上に載置する工程と、
炭素及びフッ素からなる化合物であるCF系ガスとCHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガスとを含む処理ガスを処理雰囲気に供給する工程と、
第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成し、レジストマスクの開口部の側壁に堆積物を付着させて開口寸法を減少させる工程と、
その後前記絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程と、を備えたことを特徴とする。
互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源を備えたプラズマ処理装置を用いて基板を処理する方法において、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板を下部電極上に載置する工程と、
炭素及びフッ素からなる化合物であるCF系ガスとCHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガスとを含む処理ガスを処理雰囲気に供給する工程と、
第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成し、レジストマスクの開口部の側壁に堆積物を付着させて開口寸法を減少させる工程と、
その後前記絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程と、を備えたことを特徴とする。
前記第1の高周波電源は上部電極に接続され、
前記開口寸法を減少させる工程は、下部電極に接続された第2の高周波電源から第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給しながら行われることが好ましい。
前記開口寸法を減少させる工程は、下部電極に接続された第2の高周波電源から第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給しながら行われることが好ましい。
前記レジストマスクは前記絶縁膜の上に直接形成されていることに限られず、前記絶縁膜の上に例えば露光時の反射を防止するための反射防止膜や、更に前記絶縁膜と前記反射防止膜との間に形成されたSiO2などの酸化膜等を介して形成されていても構わない。前記絶縁膜としてはSiOC膜、SiOCH膜、SiO2膜などの酸化膜であることが好ましい。
前記上部電極または前記下部電極に供給する第1の高周波の電力は、基板の表面積で除した大きさが1000W/70685.8mm2以上であることが好ましい。また、CF系ガスに対するCHxFyガスの流量比は0.05以上であることが好ましい。
本発明の他のプラズマ処理方法は、
互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置を用いて基板を処理する方法において、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板を下部電極上に載置する工程と、
CF4ガス、CHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガス及び窒素ガスを含む処理ガスを処理雰囲気に供給する工程と、
第1の高周波を、上部電極または下部電極に供給する電力を基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2以上となるように処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に第2の高周波を処理雰囲気に供給し、前記絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程と、を備えたことを特徴とする。レジストマスクの開口寸法を減少させる先の発明において、絶縁膜をエッチングする工程としてこの発明に用いたプロセス条件を適用すること、つまり両発明を組み合わせることが好ましい。前記CF系ガスに対するCHxFyガスの流量比は、0.2以上で2以下であることが好ましい。
互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置を用いて基板を処理する方法において、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板を下部電極上に載置する工程と、
CF4ガス、CHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガス及び窒素ガスを含む処理ガスを処理雰囲気に供給する工程と、
第1の高周波を、上部電極または下部電極に供給する電力を基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2以上となるように処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に第2の高周波を処理雰囲気に供給し、前記絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程と、を備えたことを特徴とする。レジストマスクの開口寸法を減少させる先の発明において、絶縁膜をエッチングする工程としてこの発明に用いたプロセス条件を適用すること、つまり両発明を組み合わせることが好ましい。前記CF系ガスに対するCHxFyガスの流量比は、0.2以上で2以下であることが好ましい。
本発明のプラズマ処理装置は、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板について前記絶縁膜をエッチングするための装置において、
処理室と、
処理室内に設けられ、互いに対向する上部電極及び下部電極と、
前記上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、
炭素及びフッ素からなる化合物であるCF系ガスとCHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガスとを含む処理ガスを処理室内に供給するための手段と、
プラズマ処理方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とする。
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板について前記絶縁膜をエッチングするための装置において、
処理室と、
処理室内に設けられ、互いに対向する上部電極及び下部電極と、
前記上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、
炭素及びフッ素からなる化合物であるCF系ガスとCHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガスとを含む処理ガスを処理室内に供給するための手段と、
プラズマ処理方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とする。
また、前記プラズマ処理装置は、CF4ガスを処理室内に供給するための手段を備え、前記制御手段は、前記プラズマ処理方法を実行するように構成されていることを特徴とする。
更に、前記プラズマ処理装置は、
前記上部電極に接続された前記第1の高周波電源と、
前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えていることが好ましい。
前記上部電極に接続された前記第1の高周波電源と、
前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えていることが好ましい。
本発明の他のプラズマ処理装置は、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板について前記絶縁膜をエッチングするための装置において、
処理室と、
処理室内に設けられ、互いに対向する上部電極及び下部電極と、
前記上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、
前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、
CF4ガス、CHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガス及び窒素ガスを含む処理ガスを処理室内に供給するための手段と、
プラズマ処理方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とする。
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板について前記絶縁膜をエッチングするための装置において、
処理室と、
処理室内に設けられ、互いに対向する上部電極及び下部電極と、
前記上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、
前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、
CF4ガス、CHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガス及び窒素ガスを含む処理ガスを処理室内に供給するための手段と、
プラズマ処理方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の記憶媒体は、
互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納していることを特徴とする。前記コンピュータプログラムは、前記プラズマ処理方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。前記コンピュータプログラムとは、命令からなるステップ群のみならず、データベースも含まれる。
互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納していることを特徴とする。前記コンピュータプログラムは、前記プラズマ処理方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。前記コンピュータプログラムとは、命令からなるステップ群のみならず、データベースも含まれる。
本発明は、シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜例えばSiOC膜の上にレジストマスクが積層された基板に対してエッチングを行うにあたって、エッチングを行う前に、CF系ガスとCHxFyガスとを含む処理ガスをプラズマ化し、そのプラズマによりレジストマスクの開口部の側壁に堆積物を付着させて開口寸法を減少させる前処理を行っている。このため絶縁膜をエッチングしているときに凹部が広がっても、レジストマスクの開口部が狭いことから、ホール径の小さいあるいは線幅の小さい凹部を形成することができる。従ってレジストマスクの形成技術においてパターンである開口部の開口寸法を減少させることが困難な微細なパターンの寸法領域であっても、設計通りあるいは極めて設計に近い素子特性が得られる。また、レジストマスクの開口寸法よりも小さい寸法の開口部をエッチング対象の膜に形成することも可能であり、互いに隣接する凹部例えばビアホールやコンタクトホールの距離が接近した場合にも、その凹部に埋め込まれた電極同士が短絡するおそれもない。
また他の発明は、CF4ガス、CHxFyガス及び窒素ガスを含む処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波を、上部電極または下部電極に供給する電力を基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2以上となるように処理雰囲気に供給し、絶縁膜をエッチングしている。このため実験結果からも分かるようにエッチングにより形成された絶縁膜の凹部の広がりを抑えることができ、設計通りあるいは極めて設計に近い素子特性が得られ、また互いに隣接する凹部の距離が接近した場合にも、その凹部に埋め込まれた電極や配線同士が短絡するおそれもない。
更にまた上記の前処理に続いて上記のエッチングを行うようにすれば、レジストマスクが形成されたときの開口部の開口寸法よりも小さい寸法の凹部を得ることができ、パターンの微細化により一層対応することができる。
次に、図1を用いて本発明におけるプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置の一例について説明する。図1に示したプラズマ処理装置2は、例えば内部が密閉空間となっている真空チャンバーからなる処理室21と、この処理室21内の底面中央に配設された載置台3と、載置台3の上方に当該載置台3と対向するように設けられた上部電極4とを備えている。
前記処理室21は電気的に接地されており、また処理室21の底面の排気口22には排気管24を介して排気装置23が接続されている。この排気装置23には図示しない圧力調整部が接続されており、この圧力調整部は後述の制御部2Aからの信号によって処理室21内を真空排気して所望の真空度に維持するように構成されている。処理室21の側面にはウェハWの搬送口25が設けられており、この搬送口25はゲートバルブ26によって開閉可能となっている。
載置台3は、下部電極31とこの下部電極31を下方から支持する支持体32とからなり、処理室21の底面に絶縁部材33を介して配設されている。載置台3の上部には静電チャック34が設けられ、この静電チャック34を介して載置台3上にウェハWが載置される。静電チャック34は絶縁材料からなり、この静電チャック34の内部には高圧直流電源35に接続された電極箔36が設けられている。高圧直流電源35からこの電極箔36に電圧が印加されることによって静電チャック34表面に静電気が発生して、載置台3に載置されたウェハWは静電チャック34に静電吸着されるように構成されている。静電チャック34には後述するバックサイドガスをこの静電チャック34の上部に放出するための貫通孔34aが設けられている。
載置台3内には所定の冷媒(例えば、従来公知のフッ素系流体、水等)が通る冷媒流路37が形成されており、冷媒がこの冷媒流路37を流れることで載置台3が冷却され、この載置台3を介して載置台3上に載置されたウェハWが所望の温度に冷却されるように構成されている。また、下部電極31には図示しない温度センサーが装着されており、この温度センサーによって下部電極31上のウェハWの温度が常時監視されている。
また載置台3の内部にはHe(ヘリウム)ガス等の熱伝導性ガスをバックサイドガスとして供給するガス流路38が形成されており、このガス流路38は載置台3の上面の複数箇所で開口している。これらの開口部は静電チャック34に設けられた前記貫通孔34aと連通しており、ガス流路38にバックサイドガスを供給すると、このバックサイドガスは貫通孔34aを介して静電チャック34の上部へ流出する。このバックサイドガスが静電チャック34と静電チャック34上に載置されたウェハWとの隙間全体に均等に拡散することにより、この隙間における熱伝導性が高まるようになっている。
前記下部電極31はハイパスフィルタ(HPF)3aを介して接地され、また下部電極31には第2の高周波電源として例えば13.56MHzの高周波電源31aが整合器31bを介して接続されている。また下部電極31の外周縁には静電チャック34を囲むようにフォーカスリング39が配置され、プラズマ発生時にこのフォーカスリング39を介してプラズマが載置台3上のウェハWに集束するように構成されている。
上部電極4は中空状に形成され、その下面には処理室21内へ処理ガスを分散供給するための多数の孔41が例えば均等に分散して形成されてガスシャワーヘッドを構成している。また上部電極4の上面中央にはガス導入管42が設けられ、このガス導入管42は絶縁部材27を介して処理室21の上面中央を貫通している。そしてこのガス導入管42は上流に向かうと5本に分岐して分岐管42A〜42Eを形成し、バルブ43A〜43Eと流量制御部44A〜44Eとを介してガス供給源45A〜45Eに接続されている。このバルブ43A〜43E、流量制御部44A〜44Eはガス供給系46を構成して後述の制御部2Aからの制御信号によって各ガス供給源45A〜45Eのガス流量及び給断の制御を行うことができる。
上部電極4はローパスフィルタ(LPF)47を介して接地されており、またこの上部電極4には第1の高周波電源として、第2の高周波電源31aよりも周波数の高い例えば60MHzの高周波電源4aが整合器4bを介して接続されている。上部電極4に接続された高周波電源4aからの高周波は、第1の高周波に相当するものであって、処理ガスをプラズマ化するためのものであり、下部電極31に接続された高周波電源31aからの高周波は、第2の高周波に相当するものであって、ウェハWにバイアス電力を印加することでプラズマ中のイオンをウェハW表面に引き込むものである。尚、高周波電源4a及び31aは制御部2Aに接続されており、制御信号に従って上部電極4及び下部電極31に供給される電力が制御される。
また、このプラズマ処理装置2には例えばコンピュータからなる制御部2Aが設けられており、この制御部2Aはプログラム、メモリ、CPUからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部2Aからプラズマ処理装置2の各部に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることでウェハWに対してプラズマ処理を施すように命令が組み込まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理時間、ガス流量、電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、CPUがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこのプラズマ処理装置2の各部位に送られることになる。このプログラム(処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む)は、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、MO(光磁気ディスク)などの記憶部2Bに格納されて制御部2Aにインストールされる。
次に、前記プラズマ処理装置2を用いた本発明のプラズマ処理方法の実施の形態について説明する。まずゲートバルブ26を開いて処理室21内へ図示しない搬送機構により例えば300mm(12インチ)ウェハWを搬入する。このウェハWを載置台3上に水平に載置した後、ウェハWを載置台3に静電吸着する。その後搬送機構を処理室21から退去させてゲートバルブ26を閉じる。引き続きガス流路38からバックサイドガスを供給して、ウェハWを所定の温度に冷却する。その後以下のステップを行う。
ここで、ウェハWの表面部は、この例ではn層目の回路の上に層間絶縁膜が形成され、更にその上に有機物を主成分とするレジストマスク51が形成されたものであり、その構造を図2(a)に示しておく。52はn層目のCu配線、53はエッチストッパであるSiC膜、54は層間絶縁膜であるSiOC膜、51はレジストマスクである。レジストマスク51にはSiOC膜54にコンタクトホールを形成するための開口部(ホール55)が形成されており、このホール55の底部の口径は例えば86nmである。各膜の膜厚については、例えばレジストマスク51は200nm、SiC膜53は50nm、SiOC膜54は250nmである。
(ステップ1:前処理)
排気装置23により排気管24を介して処理室21内の排気を行い処理室21内を所定の真空度に保持した後、処理室21内にガス供給系46から例えばCF4ガスの流量に対するCH3Fガスの流量比CH3F/CF4を例えば0.05〜0.2に制御した状態でCF4ガスとCH3Fガスとを供給する。続いて上部電極4に第1の高周波である60MHz、1000W以上の電力を印加すると共に、下部電極31に第2の高周波である13.56MHz、300Wの電力を印加して前記ガスの混合ガスである処理ガスをプラズマ化する。この状態を所定の時間保持することで図2(b)に示すようにウェハWに対して前処理が行われる。
排気装置23により排気管24を介して処理室21内の排気を行い処理室21内を所定の真空度に保持した後、処理室21内にガス供給系46から例えばCF4ガスの流量に対するCH3Fガスの流量比CH3F/CF4を例えば0.05〜0.2に制御した状態でCF4ガスとCH3Fガスとを供給する。続いて上部電極4に第1の高周波である60MHz、1000W以上の電力を印加すると共に、下部電極31に第2の高周波である13.56MHz、300Wの電力を印加して前記ガスの混合ガスである処理ガスをプラズマ化する。この状態を所定の時間保持することで図2(b)に示すようにウェハWに対して前処理が行われる。
この前処理を行うことにより、レジストマスク51の開口部の開口寸法、この例ではホール55の口径が後述の実験例から明らかなように減少する。CH3Fガスは主として堆積物を生成するプラズマを発生させ、またCF4ガスは主として生成した堆積物をエッチングするプラズマを発生させる。これらのガスの流量比や上部電極4に供給される第1の高周波の電力の大きさや、バイアス電力の大きさ(下部電極31へ供給される第2の高周波の電力の大きさ)等によって、堆積物の堆積速度と堆積物のエッチング速度との比率を制御することができ、そしてこの比率はホール55内の鉛直面と水平面とにおいて異なるため、ホール55の側壁に選択的に堆積物を生成させることができると考えられる。例えば、バイアス電力を大きくすれば、ウェハWに対してフッ素を含む活性種であるイオンの引き込みが強くなるので、ホール55の側壁に対するエッチング作用よりもホール55の底面に対するエッチング作用が強くなるが、このバイアス電力を調整することにより、ホール55の底面つまりSiOC膜54の表面への堆積物の堆積を抑え且つSiOC膜54のエッチングを回避あるいは抑制することができる。即ち、バイアス電力を程良い大きさに設定することにより、言い換えればSiOC膜54をエッチングしない程度の大きさ(例えば300mmウェハWに対して300W以下)に設定することによりホール55の側壁に堆積物を堆積させて開口寸法の減少化が図られる。
一方下部電極31に第1の高周波を供給して処理ガスをプラズマ化するいわゆる下部2周波の構成の装置を用いる場合には、第1の高周波によってフッ素を含む活性種であるイオンはウェハWに引き込まれるため、必ずしも第2の高周波に電力を印加する必要は無く、第1の高周波に印加する電力を制御することでホール55の底面への堆積物の堆積を抑え且つSiOC膜54のエッチングを回避あるいは抑制することができる。
前処理に用いるガス種としては、CF4ガスやCH3Fガスに限定されるものではなく、例えば生成した堆積物を選択的にエッチング可能なガスとしてはC2F6ガス、C3F8ガス、C4F8ガス等のCF系ガスを用いることができる。また、堆積物を生成するガスとしては、CH2F2ガス、CHF3ガスを使用することができる。更に、例えばN2ガスを希釈ガスとして用いることができる。
(ステップ2:メインエッチング)
前処理の終了後、高周波電源4a、31aからの給電を止めて処理室21内におけるプラズマの発生を停止した後、ガス供給系46からのガスの供給を止める。次に排気装置23により処理室21内を排気して残存しているガスを除去して処理室21内を所定の真空度に保持した後、ガス供給系46より例えばCF4ガスの流量に対するCH3Fガスの流量比CH3F/CF4を例えば0.2〜2に制御した状態でCF4ガス、CH3Fガス、N2ガス及びO2ガスを供給する。続いて上部電極4に第1の高周波である60MHz、1500W以上の電力を印加すると共に、下部電極31に第2の高周波である13.56MHz、600Wの電力を印加して前記ガスの混合ガスである処理ガスをプラズマ化する。
前処理の終了後、高周波電源4a、31aからの給電を止めて処理室21内におけるプラズマの発生を停止した後、ガス供給系46からのガスの供給を止める。次に排気装置23により処理室21内を排気して残存しているガスを除去して処理室21内を所定の真空度に保持した後、ガス供給系46より例えばCF4ガスの流量に対するCH3Fガスの流量比CH3F/CF4を例えば0.2〜2に制御した状態でCF4ガス、CH3Fガス、N2ガス及びO2ガスを供給する。続いて上部電極4に第1の高周波である60MHz、1500W以上の電力を印加すると共に、下部電極31に第2の高周波である13.56MHz、600Wの電力を印加して前記ガスの混合ガスである処理ガスをプラズマ化する。
このプラズマ中には、炭素とフッ素との化合物の活性種(CFZ1)、炭素、水素、及びフッ素の化合物の活性種(CHZ2FZ3)、窒素の活性種及び酸素の活性種が含まれ、SiOC膜54がこれら活性種雰囲気に曝されると、SiFZ4、CO、CHZ5及びCNZ6が生成され、これによりSiOC膜54が除去されていく。なおZ1からZ6は自然数である。この時O2ガスによってホール55の口径は若干増加する一方エッチングレートは大きく向上するが、O2ガスが存在しなくともSiOC膜54のエッチング(メインエッチング)は進行する。このようにして図2(c)に示すようにSiOC膜54がエッチングされていくが、一方においてCHZ2FZ3の活性種に基づいて、SiOC膜54の凹部の壁面に対して堆積物の堆積作用も起こっており、エッチングと堆積作用とのバランスにより凹部の広がりが抑えられながらエッチングが進行していく。そしてこの凹部の広がりを抑える効果は後述の実験例からも明らかなように上部電極4への供給電力が1500W以上であると大きくなる。この理由は、CH3Fガスの活性化の程度と堆積作用とが密接に関係しており、第1の高周波の電力を大きく設定しないと凹部の広がりが抑えきれないためと推察される。このSiOC膜54のエッチングにおけるメインエッチングは、例えば下地のエッチングストッパであるSiC膜53がウェハWの一部領域において僅かに露出したときにあるいはSiC膜53への到達寸前にて停止するように予めシーケンスが組まれている。尚、堆積物を発生させるガスとしてCH3Fガスを使用しているが、これに限定されるものではなく、CH2F2ガス、CHF3ガスを使用することができる。
(ステップ3:オーバーエッチング)
メインエッチング終了後、高周波電源4a、31aからの給電を止めて処理室21内におけるプラズマの発生を停止した後、ガス供給系46からのガスの供給を止める。次に排気装置23により処理室21内を排気して残存しているガスを除去して処理室21内を所定の真空度に保持した後、オーバーエッチングと呼ばれるエッチングを行う。
メインエッチング終了後、高周波電源4a、31aからの給電を止めて処理室21内におけるプラズマの発生を停止した後、ガス供給系46からのガスの供給を止める。次に排気装置23により処理室21内を排気して残存しているガスを除去して処理室21内を所定の真空度に保持した後、オーバーエッチングと呼ばれるエッチングを行う。
このオーバーエッチングはウェハWの中央部と周縁部との間において同じ深さにエッチングを行うために設けられた工程である。つまり、メインエッチングでは下側のSiOC膜54を若干量例えば5nm残して停止して、その後メインエッチングにおいて用いたガスよりもSiOC膜54とその下側のSiC膜53との間での選択比の高いガスを使用してエッチングを行い、全てのパターンにおいて均等にSiC膜53の上面までエッチングが進行させることができる。
以後の工程において、従来の工程と同様レジストマスク51のアッシングや洗浄、外観検査などが行われる。
上述の実施の形態によれば、図2(b)のようにしてレジストマスク51の開口寸法を減少させる前処理を行っている。この時レジストマスク51の開口部であるホール55の側壁に生成した堆積物は耐エッチング性を有しており、エッチング時にエッチングされないため、レジストマスク51に設けられたパターンよりも小さな寸法のパターンをSiOC膜54に形成することも可能である。
更に続いてCF4ガス、CHF3ガス、窒素ガス及び酸素ガスの混合ガスをプラズマ化し、プラズマ化するための第1の高周波を、上部電極4または下部電極31に対する供給電力を基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2以上となるように処理雰囲気に供給してSiOC膜54をエッチングするようにしている。このためコンタクトホールやビアホールなどのホール55について良好なエッチング形状を確保しつつその口径や配線の埋め込み溝などの幅を小さく抑えることができ、またレジストマスク51の形成時における開口部の開口寸法よりも凹部の寸法(口径あるいは溝の幅の寸法)を小さくすることもできる。従ってレジストマスク51の形成技術においてパターンの開口部の開口寸法を減少させることが困難な微細なパターンの寸法領域であっても、設計通りあるいは極めて設計に近い凹部の寸法を確保することができ、予定している素子特性が得られる。また、レジストマスクの開口寸法よりも小さい寸法の開口部をエッチング対象の膜に形成することも可能であり、互いに隣接する例えばコンタクトホールやビアホールなどの距離が接近した場合にも、そのホール55に埋め込まれた電極同士が短絡するおそれもない。
本発明では、既述の前処理を施したウェハWのエッチングを行うことによって、この前処理を施さずにエッチングを行った場合と比較して小さな寸法のパターンをウェハWに形成することができることから、SiOC膜54のエッチングプロセスは従来行われているプロセスであっても良い。このエッチングには、例えばC4F8ガス、COガス及びN2ガスの混合ガスを用いても良い。
また、CF4ガス、CHF3ガス、窒素ガス及び酸素ガスの混合ガスを用いた既述のエッチングを行うにあたっては、レジストマスク51に対して本発明の前処理を行わなくても良い。
本発明においてプラズマ処理を行うウェハWは、SiOC膜54等の絶縁膜の上に直接レジストマスク51が形成されていても良いし、SiOC膜54とレジストマスク51との間に例えば露光時の反射を防止するための反射防止膜や、更に絶縁膜と反射防止膜との間に形成されたSiO2などの酸化膜等を介して形成されていても構わない。また、低誘電率の絶縁膜としてはSiOC膜54に限定されること無く、半導体ウェハ等に形成された膜例えばSiOCH膜、SiO2膜等の酸化膜やSiON膜等の窒化膜など本発明のプラズマ処理方法によってエッチング可能な膜に対して行うことができる。
本発明に用いるプラズマ処理装置2として、処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波は上部電極4の代わりに下部電極31に供給するようにし、いわゆる下部2周波の構成の装置を採用してもよい。
実施例
次に本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。
次に本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。
以下の実験においては、直径300mmのベアシリコン上にエッチングストッパとしての役割を果たす膜厚50nmのSiC膜53、その上に膜厚250nmのSiOC膜54を積層し、更にその上に膜厚200nmのレジスト膜を用いてレジストマスク51を形成したウェハWを用いている。図3に示す様に、レジストマスク51には、各絶縁層の配線間の接続用の電極を埋め込むホールを形成するためのパターン55と、各チップデバイス領域を囲むガードリングと呼ばれる溝に対応するパターン56とが形成されている。説明の便宜上、レジストマスク51のパターンについてもホール(55)及びガードリングの溝(56)と呼ぶことにする。あらかじめこの実験に用いるウェハWの切断面をSEM(走査型電子顕微鏡)により観察して、レジストマスク51のホール55の底部(レジストマスク51とSiOC膜54との界面)の口径d1及びレジストマスク51の溝56の底部の幅d2を測定したところ、d1は86nm、d2は142nmであった。以下の実験例においても同じ手法にてd1及びd2を測定した。また、各実験においてウェハWに対してプラズマ処理を行う装置として図1に示す装置を用いた。
(実験例1:前処理の評価試験)
以下のプロセス条件でウェハWに対して前処理を行った。
上部電極4の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :別記
下部電極31の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :300W
処理圧力 :6.7Pa(50mTorr)
処理ガス :CF4/CH3F=200/10sccm
処理時間: :15sec
上部電極4の電力は以下に示す各例毎に設定した。
実施例1−1
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を1000Wとした。
実施例1−2
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を1500Wとした。
実施例1−3
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を2000Wとした。
実施例1−4
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を2500Wとした。
実施例1−5
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を3000Wとした。
比較例1
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を500Wとした。
以下のプロセス条件でウェハWに対して前処理を行った。
上部電極4の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :別記
下部電極31の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :300W
処理圧力 :6.7Pa(50mTorr)
処理ガス :CF4/CH3F=200/10sccm
処理時間: :15sec
上部電極4の電力は以下に示す各例毎に設定した。
実施例1−1
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を1000Wとした。
実施例1−2
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を1500Wとした。
実施例1−3
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を2000Wとした。
実施例1−4
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を2500Wとした。
実施例1−5
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を3000Wとした。
比較例1
上記のプロセス条件において、上部電極4の電力を500Wとした。
実験結果
前処理を行った後の各ウェハWにおけるレジストマスク51のホール55の底部の口径d3及びレジストマスク51の溝56の底部の幅d4を測定した。
前処理を行った後の各ウェハWにおけるレジストマスク51のホール55の底部の口径d3及びレジストマスク51の溝56の底部の幅d4を測定した。
この結果を図4に示した。この実験では全ての条件においてSiOC膜54に対してエッチングは起こらず、ホール55の側壁及び溝56の側壁に堆積物を形成して、ホール55の底部の口径d1及び溝56の底部の幅d2を減少させる効果が認められた。上部電極4の電力が1000Wの条件ではホール55の底部の口径d3についてはあまり変化は見られないが、溝56の底部の幅d4については前処理を行う前の142nmから127nmと減少しており、従って1000W以上において顕著な効果があると言える。尚、前処理を行う前のSEM写真のウェハWと前処理を行った後のSEM写真のウェハWとは異なるものであるが、ウェハW内、及びウェハW間におけるレジストマスク51のパターンの均一性が極めて高いため、評価を行う上で影響はない。ホール55の側壁及び溝56の側壁に生成した堆積物は、ホール55の底及び溝56の底にも生成しているものと考えられるが、ホール55の底及び溝56の底において、堆積物を生成する速度とこの堆積物をエッチングする速度とが程良くバランスされていて、ホール55の底及び溝56の底に生成した堆積物は取り除かれていると推察される。この前処理は下部電極31の電力をSiOC膜54のエッチングが進行しない程度の弱い電力に設定して行っており、更にエッチング効果の大きいO2ガスなどを使用していないため、SiOC膜54はエッチングされなかったと考えられる。ホール55の底部の口径d3及び溝56の底部の幅d4は共に上部電極4の電力を増やす程減少しており、その効果は上部電極4の電力を1000W以上とした時に顕著であった。尚、この実験においてレジストマスク51に設けられたホール55及び溝56の側壁には、レジストマスク51の表面とSiOC膜54との間において均等に堆積物が生成し、前処理を行う前に穿たれていた形状と同様ウェハWに対して垂直なホール55及び溝56となっていた。
(実験例2:前処理の評価試験)
次に、上部電極4の電力を2000Wに、またCF4ガスの流量を200sccmに設定し、CH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4が0〜0.2となるようにCH3Fガスの流量を変化させた以外は、実験1と同じ条件においてウェハWの前処理を行った。ここでCH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4をパラメータとして用いたのは次の理由による。前述の通りCF4ガスは主としてレジストマスク51に設けられたホール55及び溝56の側壁に生成した堆積物のエッチングを行うためのエッチャントであり、CH3Fガスは主としてCF4ガスによるエッチング作用からその側壁を保護する堆積物を生成するガスであるため、それらの流量比が堆積物の形成作用に影響を及ぼすと考えられるからである。
実施例2−1
流量比CH3F/CF4が0.05となるようにCH3Fの流量を10sccmとした。
実施例2−2
流量比CH3F/CF4が0.1となるようにCH3Fの流量を20sccmとした。
実施例2−3
流量比CH3F/CF4が0.15となるようにCH3Fの流量を30sccmとした。
実施例2−4
流量比CH3F/CF4が0.2となるようにCH3Fの流量を40sccmとした。
比較例2
流量比CH3F/CF4が0となるようにCH3Fの流量を0sccmとした。
次に、上部電極4の電力を2000Wに、またCF4ガスの流量を200sccmに設定し、CH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4が0〜0.2となるようにCH3Fガスの流量を変化させた以外は、実験1と同じ条件においてウェハWの前処理を行った。ここでCH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4をパラメータとして用いたのは次の理由による。前述の通りCF4ガスは主としてレジストマスク51に設けられたホール55及び溝56の側壁に生成した堆積物のエッチングを行うためのエッチャントであり、CH3Fガスは主としてCF4ガスによるエッチング作用からその側壁を保護する堆積物を生成するガスであるため、それらの流量比が堆積物の形成作用に影響を及ぼすと考えられるからである。
実施例2−1
流量比CH3F/CF4が0.05となるようにCH3Fの流量を10sccmとした。
実施例2−2
流量比CH3F/CF4が0.1となるようにCH3Fの流量を20sccmとした。
実施例2−3
流量比CH3F/CF4が0.15となるようにCH3Fの流量を30sccmとした。
実施例2−4
流量比CH3F/CF4が0.2となるようにCH3Fの流量を40sccmとした。
比較例2
流量比CH3F/CF4が0となるようにCH3Fの流量を0sccmとした。
実験結果
各プロセス条件毎に前処理後のレジストマスク51のホール55の底部の口径d3及びレジストマスク51の溝56の底部の幅d4を測定した。この結果を図5に示した。ホール55の底部の口径d3と溝56の底部の幅d4とは共に、CH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4が0.05(CH3Fガスの流量が10sccm)以上となるようにCH3Fガスの流量を増やした場合に減少するが、流量比CH3F/CF4を、ホール55の処理においては0.2(CH3Fガスの流量を40sccm)、溝56の処理においては0.15(CH3Fガスの流量を30sccm)に夫々増やした場合において、ホール55及び溝56の側壁だけでなく、ホール55の底及び溝56の底にも堆積物が生成していた。これは、ホール55の底及び溝56の底において、堆積物をエッチングする速度よりも堆積物を生成する速度が速かったためだと考えられる。このことからも、CF4ガスは主としてエッチャントとして堆積物に作用してエッチングを行うガスであり、CH3Fガスは主として堆積物を生成するガスであることがわかる。ホール55の底及び溝56の底に堆積物が生成した場合、その後にSiOC膜54のエッチングを行う際は堆積物によりSiOC膜54のエッチングが停止したり、あるいは進行が阻害されたりして粗悪な形状のパターンとなることが予想され、このデータにおいては、流量比CH3F/CF4の使用可能な範囲は、ホール55については0.15(CH3Fガスの流量は30sccm)以下、溝56については0.1(CH3Fガスの流量は20sccm)以下であるといえる。
各プロセス条件毎に前処理後のレジストマスク51のホール55の底部の口径d3及びレジストマスク51の溝56の底部の幅d4を測定した。この結果を図5に示した。ホール55の底部の口径d3と溝56の底部の幅d4とは共に、CH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4が0.05(CH3Fガスの流量が10sccm)以上となるようにCH3Fガスの流量を増やした場合に減少するが、流量比CH3F/CF4を、ホール55の処理においては0.2(CH3Fガスの流量を40sccm)、溝56の処理においては0.15(CH3Fガスの流量を30sccm)に夫々増やした場合において、ホール55及び溝56の側壁だけでなく、ホール55の底及び溝56の底にも堆積物が生成していた。これは、ホール55の底及び溝56の底において、堆積物をエッチングする速度よりも堆積物を生成する速度が速かったためだと考えられる。このことからも、CF4ガスは主としてエッチャントとして堆積物に作用してエッチングを行うガスであり、CH3Fガスは主として堆積物を生成するガスであることがわかる。ホール55の底及び溝56の底に堆積物が生成した場合、その後にSiOC膜54のエッチングを行う際は堆積物によりSiOC膜54のエッチングが停止したり、あるいは進行が阻害されたりして粗悪な形状のパターンとなることが予想され、このデータにおいては、流量比CH3F/CF4の使用可能な範囲は、ホール55については0.15(CH3Fガスの流量は30sccm)以下、溝56については0.1(CH3Fガスの流量は20sccm)以下であるといえる。
(実験例3:前処理の評価試験)
前処理に続いてSiOC膜54のエッチングを行い、前処理に用いた処理ガスを変更することによってエッチングの状態がどのようになるかを調べる実験を行った。プロセス条件は以下の通りである。
前処理
上部電極4の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :2000W
下部電極31の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :300W
処理圧力 :6.7Pa(50mTorr)
処理ガス :別記
メインエッチング
上部電極4の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :2000W
下部電極31の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :600W
処理圧力 :4.0Pa(30mTorr)
処理ガス :CF4/CH3F/N2/O2=50/40/330/10sccm
オーバーエッチング
上部電極4、下部電極31の周波数:メインエッチングと同じ
上部電極4の電力 :400W
下部電極31の電力 :1700W
処理圧力 :6.7Pa(50mTorr)
処理ガス :C4F8/Ar/N2=10/1000/120sccm
実施例3
前処理の処理ガス:CF4/CH3F=200/10sccm
比較例3
前処理の処理ガス:C4F8/N2=10/300sccm
前処理に続いてSiOC膜54のエッチングを行い、前処理に用いた処理ガスを変更することによってエッチングの状態がどのようになるかを調べる実験を行った。プロセス条件は以下の通りである。
前処理
上部電極4の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :2000W
下部電極31の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :300W
処理圧力 :6.7Pa(50mTorr)
処理ガス :別記
メインエッチング
上部電極4の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :2000W
下部電極31の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :600W
処理圧力 :4.0Pa(30mTorr)
処理ガス :CF4/CH3F/N2/O2=50/40/330/10sccm
オーバーエッチング
上部電極4、下部電極31の周波数:メインエッチングと同じ
上部電極4の電力 :400W
下部電極31の電力 :1700W
処理圧力 :6.7Pa(50mTorr)
処理ガス :C4F8/Ar/N2=10/1000/120sccm
実施例3
前処理の処理ガス:CF4/CH3F=200/10sccm
比較例3
前処理の処理ガス:C4F8/N2=10/300sccm
実験結果
エッチング後のSiOC膜54に形成されたホール55及び溝56の断面形状をSEMにより観察した。
エッチング後のSiOC膜54に形成されたホール55及び溝56の断面形状をSEMにより観察した。
その結果、実施例3のプロセス条件にて前処理を行い、エッチングした後のSiOC膜54のホール及び溝の断面は良好な形状となっていたが、比較例3のプロセス条件にて前処理を行いエッチングを行ったSiOC膜54のホール及び溝の断面は段差を生じていた。つまり、ホール(あるいは溝)の上部側が広く、下に向かう途中段差が生じて狭くなっていた。比較例3におけるプロセス条件ではレジストマスク51のホール55及び溝56の側壁に堆積物が生成されないので、SiOC膜54のエッチング時にレジストマスク51がエッチングされ、このためSiOC膜54のエッチング形状が乱れると考えられる。
(実験例4:エッチングの評価試験)
前処理を行う前のウェハWを使用し、以下のプロセス条件でSiOC膜54をエッチングした。
メインエッチング
処理ガス :別記
その他の条件:実験3と同じ
オーバーエッチング
各条件 :実験3と同じ
実施例4−1
メインエッチングの処理ガス:CF4/CH2F2/N2/O2=50/40/330/10sccm
実施例4−2
メインエッチングの処理ガス:CF4/CH3F/N2/O2=50/40/330/10sccm
比較例4
メインエッチングの処理ガス:C4F8/CO/N2=10/90/330sccm
前処理を行う前のウェハWを使用し、以下のプロセス条件でSiOC膜54をエッチングした。
メインエッチング
処理ガス :別記
その他の条件:実験3と同じ
オーバーエッチング
各条件 :実験3と同じ
実施例4−1
メインエッチングの処理ガス:CF4/CH2F2/N2/O2=50/40/330/10sccm
実施例4−2
メインエッチングの処理ガス:CF4/CH3F/N2/O2=50/40/330/10sccm
比較例4
メインエッチングの処理ガス:C4F8/CO/N2=10/90/330sccm
実験結果
ウェハWのエッチング後、レジストマスク51をアッシング処理により除去し、SEMによりSiOC膜54に形成されたホール及び溝の断面形状を観察して、図3(c)に示すようにSiOC膜54のホール57の上端の口径d5及びSiOC膜54の溝58の上端の幅d6を測定した。この時形成されたSiOC膜54のホール57の表面からの深さ及びSiOC膜54の溝58の表面からの深さには各プロセス条件による差異は確認されなかったため、後述のようなホール57の口径の増加量及び溝58の幅の増加量を規格化せずに評価した。
ウェハWのエッチング後、レジストマスク51をアッシング処理により除去し、SEMによりSiOC膜54に形成されたホール及び溝の断面形状を観察して、図3(c)に示すようにSiOC膜54のホール57の上端の口径d5及びSiOC膜54の溝58の上端の幅d6を測定した。この時形成されたSiOC膜54のホール57の表面からの深さ及びSiOC膜54の溝58の表面からの深さには各プロセス条件による差異は確認されなかったため、後述のようなホール57の口径の増加量及び溝58の幅の増加量を規格化せずに評価した。
比較例4のプロセス条件にてエッチングを行ったウェハWのSiOC膜54のホール57の上端の口径d5は143nm、SiOC膜54の溝58の上端の幅d6は207nmとなっていた。一方、実験例4−1のプロセス条件にてSiOC膜54のエッチングを行った場合、SiOC膜54のホール57の上端の口径d5は123nm、SiOC膜54の溝58の上端の幅d6は188nmとなっており、ホール57及び溝58の狭小化が確認された。実施例4−2のプロセス条件でのエッチングにおいてもSiOC膜54のホール57の上端の口径d5は114nm、SiOC膜54の溝58の上端の幅d6は188nmとなっており、ホール57及び溝58の狭小化が確認された。実施例4−1及び実施例4−2のプロセス条件にて用いた処理ガスには、レジストマスク51を侵食する作用を及ぼす酸素ガスが含まれているが、これらの実施例ではホール57及び溝58の狭小化作用が確認されたことから、メインエッチングの際、処理ガスに含まれるガスがプラズマ化してレジストマスク51の表面とレジストマスク51のホール55の側壁及びレジストマスク51の溝56の側壁とを保護する堆積物を形成しているものと推察される。
(実験例5:前処理+エッチングの評価試験)
実験例4の実施例4−2において、SiOC膜54のエッチングを行う前に実験例1における実験例1−3の条件でレジストマスク51に対して前処理を行った。その結果前処理及びエッチングの効果が重なり合い、エッチング後のSiOC膜54のホール57の上端の口径は91nm、SiOC膜54の溝58の上端の幅は165nmとなっていた。このことから、この前処理とこのエッチングとはお互いの効果を阻害することなく、連続したプロセスとしてウェハWを処理できることが分かった。
実験例4の実施例4−2において、SiOC膜54のエッチングを行う前に実験例1における実験例1−3の条件でレジストマスク51に対して前処理を行った。その結果前処理及びエッチングの効果が重なり合い、エッチング後のSiOC膜54のホール57の上端の口径は91nm、SiOC膜54の溝58の上端の幅は165nmとなっていた。このことから、この前処理とこのエッチングとはお互いの効果を阻害することなく、連続したプロセスとしてウェハWを処理できることが分かった。
(実験例6:エッチングの評価試験)
前処理を行う前のウェハWを用いて、SiOC膜54に対して実験例4における実施例4−2と同様の条件でメインエッチングを行うと共に上部電極4の電力については以下のように種々変更し、上部電極4の電力がSiOC膜54の凹部の拡大化抑制に及ぼす影響について調べた。
実施例6−1
上部電極4の電力を1000Wとした。
実施例6−2
上部電極4の電力を1500Wとした。
実施例6−3
上部電極4の電力を2000Wとした。
実施例6−4
上部電極4の電力を2500Wとした。
実施例6−5
上部電極4の電力を3000Wとした。
比較例6−1
上部電極4の電力を0Wとした。通常0Wではプラズマは発生しないが、この例では下部電極31に600Wの電力を印加しているため、この条件においてもプラズマは発生してSiOC膜54はエッチングされる。
比較例6−2
上部電極4の電力を500Wとした。
前処理を行う前のウェハWを用いて、SiOC膜54に対して実験例4における実施例4−2と同様の条件でメインエッチングを行うと共に上部電極4の電力については以下のように種々変更し、上部電極4の電力がSiOC膜54の凹部の拡大化抑制に及ぼす影響について調べた。
実施例6−1
上部電極4の電力を1000Wとした。
実施例6−2
上部電極4の電力を1500Wとした。
実施例6−3
上部電極4の電力を2000Wとした。
実施例6−4
上部電極4の電力を2500Wとした。
実施例6−5
上部電極4の電力を3000Wとした。
比較例6−1
上部電極4の電力を0Wとした。通常0Wではプラズマは発生しないが、この例では下部電極31に600Wの電力を印加しているため、この条件においてもプラズマは発生してSiOC膜54はエッチングされる。
比較例6−2
上部電極4の電力を500Wとした。
実験結果
SiOC膜54のエッチング後、SEMによりSiOC膜54のホール57及び溝58の断面形状を観察して、ホール57の上端の口径d5及び溝58の上端の幅d6と、ホール57の表面からの深さh1及び溝58の表面からの深さh2と、を測定した。この実験例6では、上部電極4の電力を増やす程SiOC膜54は深くエッチングされており、各プロセスにおけるSiOC膜54のホール57の上端の口径d5やSiOC膜54の溝58の上端の幅d6を単純に比較しただけでは適切な評価といえるか疑問であると考えた。そこで、各プロセス条件において得られたエッチングの結果を相対的に比較するため、エッチングによって増加したホール57の口径及び溝58の幅をそれぞれのエッチング後の深さで除して、単位深さ当たりのホール57の口径の増加量をr1(r1=(d5−d1)/h1)、単位深さ当たりの溝58の幅の増加量をr2(r2=(d6−d2)/h2)と規格化して評価した。つまりこの値はSiOC膜54に形成されたホール57や溝58のテーパーの度合いを示す値となっており、この値が小さい程、拡大化抑制の効果が大きいことを示している。
SiOC膜54のエッチング後、SEMによりSiOC膜54のホール57及び溝58の断面形状を観察して、ホール57の上端の口径d5及び溝58の上端の幅d6と、ホール57の表面からの深さh1及び溝58の表面からの深さh2と、を測定した。この実験例6では、上部電極4の電力を増やす程SiOC膜54は深くエッチングされており、各プロセスにおけるSiOC膜54のホール57の上端の口径d5やSiOC膜54の溝58の上端の幅d6を単純に比較しただけでは適切な評価といえるか疑問であると考えた。そこで、各プロセス条件において得られたエッチングの結果を相対的に比較するため、エッチングによって増加したホール57の口径及び溝58の幅をそれぞれのエッチング後の深さで除して、単位深さ当たりのホール57の口径の増加量をr1(r1=(d5−d1)/h1)、単位深さ当たりの溝58の幅の増加量をr2(r2=(d6−d2)/h2)と規格化して評価した。つまりこの値はSiOC膜54に形成されたホール57や溝58のテーパーの度合いを示す値となっており、この値が小さい程、拡大化抑制の効果が大きいことを示している。
図6にこの結果を示した。単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1と単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2とは共に上部電極4の電力を増やす程減少しており、その減少量は上部電極4の電力を1500W以上に増やした場合に顕著である。更に、3000Wでは単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1と単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2とはほとんど0となっており、つまりエッチング後にホール57の口径及び溝58の幅が増加していないことを示している。ウェハWは直径300mmであるため、ウェハWの単位面積当たりにおける上部電極4から供給される電力は、0.021W/mm2(1500W/70685.8mm2)以上であればSiOC膜54をエッチングする際に凹部(ホール57や溝58)の広がりを抑える効果が大きいと言える。
(実験例7:エッチングの評価試験)
実験例6と同様前処理を行う前のウェハWを用いて、SiOC膜54に対して実験例6における実施例6−3と同様の条件でメインエッチングを行うと共にCH3Fガスの流量についてはCH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4が0〜1.2となるように種々変化させて、流量比CH3F/CF4がSiOC膜54の凹部の狭小化に及ぼす影響について調べた。
実施例7−1
流量比CH3F/CF4が0.2となるようにCH3Fの流量を10sccmとした。
実施例7−2
流量比CH3F/CF4が0.4となるようにCH3Fの流量を20sccmとした。
実施例7−3
流量比CH3F/CF4が0.6となるようにCH3Fの流量を30sccmとした。
実施例7−4
流量比CH3F/CF4が0.8となるようにCH3Fの流量を40sccmとした。
実施例7−5
流量比CH3F/CF4が1となるようにCH3Fの流量を50sccmとした。
実施例7−6
流量比CH3F/CF4が1.2となるようにCH3Fの流量を60sccmとした。
比較例7
流量比CH3F/CF4が0となるようにCH3Fの流量を0sccmとした。
実験例6と同様前処理を行う前のウェハWを用いて、SiOC膜54に対して実験例6における実施例6−3と同様の条件でメインエッチングを行うと共にCH3Fガスの流量についてはCH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4が0〜1.2となるように種々変化させて、流量比CH3F/CF4がSiOC膜54の凹部の狭小化に及ぼす影響について調べた。
実施例7−1
流量比CH3F/CF4が0.2となるようにCH3Fの流量を10sccmとした。
実施例7−2
流量比CH3F/CF4が0.4となるようにCH3Fの流量を20sccmとした。
実施例7−3
流量比CH3F/CF4が0.6となるようにCH3Fの流量を30sccmとした。
実施例7−4
流量比CH3F/CF4が0.8となるようにCH3Fの流量を40sccmとした。
実施例7−5
流量比CH3F/CF4が1となるようにCH3Fの流量を50sccmとした。
実施例7−6
流量比CH3F/CF4が1.2となるようにCH3Fの流量を60sccmとした。
比較例7
流量比CH3F/CF4が0となるようにCH3Fの流量を0sccmとした。
実験結果
実験6と同様にSiOC膜54のエッチングを行い、単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1及び単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2を求めた。
実験6と同様にSiOC膜54のエッチングを行い、単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1及び単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2を求めた。
この結果を図7に示した。単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1及び単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2とは共に、CH3FガスとCF4ガスとの流量比CH3F/CF4が0.2(CH3Fガスの流量が10sccm)以上となるようにCH3Fガスの流量を増やした場合に減少するが、流量比CH3F/CF4が0.4(CH3Fガスの流量が20sccm)程度においてその減少は止まり、流量比CH3F/CF4が1(CH3Fガスの流量が50sccm)以上では若干増加傾向を示していた。このエッチングでは、レジストマスク51のホール55の側壁及びレジストマスク51の溝56の側壁への耐エッチング性を有する堆積物の形成とSiOC膜54のエッチングとが同時に進行するため、その反応機構は複雑であり正確な原因はつかめていないが、CH3Fガスの量を増やした場合、SiOC膜54のホール57の上部及びSiOC膜54の溝58の上部にSiOC膜54との密着強度が弱く耐エッチング性の低い堆積物が形成されているのではないかと推察される。しかしその生成量はごくわずかであり、CH3Fガスを使用しない比較例7に対してSiOC膜54のホール57及び溝58の拡大化抑制の効果が認められる。この効果はホール57及び溝58の両方において流量比CH3F/CF4が2(CH3Fガスの流量が100sccm)程度まで確認されたため、流量比CH3F/CF4の使用可能範囲の上限は2であることが分かった。
(実験例8:前処理+エッチングの評価試験)
実験例1の実施例1−1、実施例1−3及び実施例1−5のプロセス条件において前処理を行った各々のウェハWに対して、実験例6の実施例6−1、実施例6−3、実施例6−5のプロセス条件においてエッチングを行った。つまり、前処理及びエッチングにおいて、それぞれ上部電極4の電力を種々変えて実験を行った。以下に前処理のプロセス条件とエッチングのプロセス条件との組み合わせを示す。
実施例8−1
実施例1−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)で前処理をした後、実施例6−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)でエッチングを行った。
実施例8−2
実施例1−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)で前処理をした後、実施例6−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)でエッチングを行った。
実施例8−3
実施例1−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)で前処理をした後、実施例6−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)でエッチングを行った。
実施例8−4
実施例1−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)で前処理をした後、実施例6−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)でエッチングを行った。
実施例8−5
実施例1−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)で前処理をした後、実施例6−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)でエッチングを行った。
実施例8−6
実施例1−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)で前処理をした後、実施例6−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)でエッチングを行った。
実施例8−7
実施例1−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)で前処理をした後、実施例6−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)でエッチングを行った。
実施例8−8
実施例1−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)で前処理をした後、実施例6−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)でエッチングを行った。
実施例8−9
実施例1−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)で前処理をした後、実施例6−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)でエッチングを行った。
実験例1の実施例1−1、実施例1−3及び実施例1−5のプロセス条件において前処理を行った各々のウェハWに対して、実験例6の実施例6−1、実施例6−3、実施例6−5のプロセス条件においてエッチングを行った。つまり、前処理及びエッチングにおいて、それぞれ上部電極4の電力を種々変えて実験を行った。以下に前処理のプロセス条件とエッチングのプロセス条件との組み合わせを示す。
実施例8−1
実施例1−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)で前処理をした後、実施例6−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)でエッチングを行った。
実施例8−2
実施例1−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)で前処理をした後、実施例6−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)でエッチングを行った。
実施例8−3
実施例1−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)で前処理をした後、実施例6−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)でエッチングを行った。
実施例8−4
実施例1−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)で前処理をした後、実施例6−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)でエッチングを行った。
実施例8−5
実施例1−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)で前処理をした後、実施例6−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)でエッチングを行った。
実施例8−6
実施例1−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)で前処理をした後、実施例6−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)でエッチングを行った。
実施例8−7
実施例1−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)で前処理をした後、実施例6−1のプロセス条件(上部電極4の電力1000W)でエッチングを行った。
実施例8−8
実施例1−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)で前処理をした後、実施例6−3のプロセス条件(上部電極4の電力2000W)でエッチングを行った。
実施例8−9
実施例1−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)で前処理をした後、実施例6−5のプロセス条件(上部電極4の電力3000W)でエッチングを行った。
実験結果
上記の通り各例毎にSiOC膜54の前処理及びエッチングを行い、単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1及び単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2を求めた。
上記の通り各例毎にSiOC膜54の前処理及びエッチングを行い、単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1及び単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2を求めた。
この結果を表1に示した。実験例1において確認された効果(前処理における上部電極4の電力を増加させるとレジストマスク51のホール55の底部の口径d1及びレジストマスク51の溝56の底部の幅d2は減少する)と、実験例6において確認された効果(エッチングにおける上部電極4の電力を増加させると単位深さ当たりのホール57の口径の増加量r1と単位深さ当たりの溝58の幅の増加量r2は減少する)とは、お互いの効果を阻害することなく重なり合い、SiOC膜54のホール57の口径d5及び溝58の幅d6を減少させることが分かった。このことから、前処理によって減少したホール55の口径d3及び溝56の幅d4は、その後のエッチングにおいても維持されてエッチングされることがわかった。尚、この表におけるデータはマイナスの値を示しているが、これは前処理を行う前のレジストマスク51のパターン(ホール55または溝56)の底部の寸法(d1またはd2)と比較して、エッチングを行った後のSiOC膜54のパターン(ホール57または溝58)の寸法(d5またはd6)が減少していることを示している。
2 プラズマ処理装置
21 処理室
3 載置台
31 下部電極
31a 高周波電源
4 上部電極
4a 高周波電源
51 レジストマスク
54 SiOC膜
55 ホール
56 溝
21 処理室
3 載置台
31 下部電極
31a 高周波電源
4 上部電極
4a 高周波電源
51 レジストマスク
54 SiOC膜
55 ホール
56 溝
Claims (12)
- 互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源を備えたプラズマ処理装置を用いて基板を処理する方法において、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板を下部電極上に載置する工程と、
炭素及びフッ素からなる化合物であるCF系ガスとCHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガスとを含む処理ガスを処理雰囲気に供給する工程と、
第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成し、レジストマスクの開口部の側壁に堆積物を付着させて開口寸法を減少させる工程と、
その後前記絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 第1の高周波電源は上部電極に接続され、
前記開口寸法を減少させる工程は、下部電極に接続された第2の高周波電源から第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給しながら行われることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ処理方法。 - 上部電極または下部電極に供給する第1の高周波の電力を基板の表面積で除した大きさが1000W/70685.8mm2以上であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
- CF系ガスに対するCHxFyガスの流量比が0.05以上であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一つに記載のプラズマ処理方法。
- 絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程は、CF4ガス、CHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガス及び窒素ガスを含む処理ガスを処理雰囲気に供給する工程と、
第1の高周波を、上部電極または下部電極に供給する電力を基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2以上となるように処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に、下部電極に接続された第2の高周波電源から第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給しながら前記絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載のプラズマ処理方法。 - 互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置を用いて基板を処理する方法において、
シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板を下部電極上に載置する工程と、
CF4ガス、CHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガス及び窒素ガスを含む処理ガスを処理雰囲気に供給する工程と、
第1の高周波を、上部電極または下部電極に供給する電力を基板の表面積で除した大きさが1500W/70685.8mm2以上となるように処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に第2の高周波を処理雰囲気に供給し、前記絶縁膜をプラズマによりエッチングする工程と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理方法。 - CF4ガスに対するCHxFyガスの流量比が0.2以上で2以下であることを特徴とする請求項5または6のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
- シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板について前記絶縁膜をエッチングするための装置において、
処理室と、
処理室内に設けられ、互いに対向する上部電極及び下部電極と、
前記上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、
炭素及びフッ素からなる化合物であるCF系ガスとCHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガスとを含む処理ガスを処理室内に供給するための手段と、
請求項1、3または4のいずれか一つに記載のプラズマ処理方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。 - シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板について前記絶縁膜をエッチングするための装置において、
処理室と、
処理室内に設けられ、互いに対向する上部電極及び下部電極と、
前記上部電極に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、
前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、
炭素及びフッ素からなる化合物であるCF系ガスとCHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガスとを含む処理ガスを処理室内に供給するための手段と、
請求項2ないし4のいずれか一つに記載のプラズマ処理方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。 - CF4ガスを処理室内に供給するための手段を備え、前記制御手段は、請求項5に記載のプラズマ処理方法を実行するように構成されていることを特徴とする請求項8または9のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
- シリコン及び酸素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜の上にレジストマスクが積層された基板について前記絶縁膜をエッチングするための装置において、
処理室と、
処理室内に設けられ、互いに対向する上部電極及び下部電極と、
前記上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、
前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、
CF4ガス、CHxFy(x、yは合計が4になる自然数)ガス及び窒素ガスを含む処理ガスを処理室内に供給するための手段と、
請求項6または7に記載のプラズマ処理方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 互いに対向する上部電極及び下部電極の一方に接続され、第1の高周波を処理雰囲気に供給して処理ガスをプラズマ化するための第1の高周波電源と、前記下部電極に接続され、第1の高周波よりも周波数の低い第2の高周波を処理雰囲気に供給して、下部電極上に載置された基板にバイアス電力を供給するための第2の高周波電源と、を備えたプラズマ処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、請求項1ないし7のいずれか一つに記載のプラズマ処理方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。
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