JP2007234991A

JP2007234991A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP2007234991A
Application number: JP2006056812A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Nakazono; 晋輔中園
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-13

Abstract

【課題】ドライエッチングでパターンを形成する際、基板周辺の側壁部やベベル部へのポリマーの付着を抑制する事が可能なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】内部の真空度を所定の状態に維持することが可能な容器３と、容器内に設けられ、表面に下層より被エッチング膜およびレジストパターンが形成された基板１を設置可能な保持台２と、容器内にガスを導入し、容器内で放電によるプラズマを発生させて、プラズマにより、レジストパターンを用いて被エッチング膜をパターニングするエッチング処理を行うことが可能なプラズマ処理部２〜９とを備え、保持台またはその近傍に、基板の周辺部を局所的に加熱する加熱部１１を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、被処理基体の表面に対してプラズマ処理を施すためのプラズマ処理技術に関し、特に、パターンを形成するドライエッチング等に供されるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

近年、半導体装置の微細化、高速化にともない、配線間の寄生容量の増大がデバイスの速度に与える影響が無視できなくなっている。この寄生容量を低減するため、層間絶縁膜に誘電率の低い低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）が用いられるようになっている。

一方、半導体装置の配線形成工程においては、層間絶縁膜上にレジストでパターンを形成した後、ドライエッチングによって層間絶縁膜の加工を行い、その後、アッシングによって残ったレジストを除去する方法が一般的である。

層間絶縁膜として低誘電率膜を用いる場合、このアッシング工程において、従来用いられてきた酸素プラズマによる高温、ダウンフローの方式では、酸素ラジカルによってレジスト開口部に露出した低誘電率膜が容易に酸化されてしまい、低誘電率膜の誘電率が増加してしまう問題が発生する。

そこで、層間絶縁膜として低誘電率膜を用いる場合は、低温化によってラジカルの反応性を低下させ、イオンのエネルギーを利用してアッシングを行うＲＩＥ（Reactive Ion Etching）方式が主流となっている。ＲＩＥ方式では、イオンの高い異方性によってレジスト開口部から低誘電率膜内部への酸素ラジカルの拡散を防ぐ効果もある。

他方、微細化に伴い、ドライエッチングでパターンの加工を行う際に寸法を制御良く加工するため、レジスト開口部の側壁にポリマーを付着させることによりエッチングが等方的に進行するのを防ぐ側壁保護膜を形成する技術が重要になっている
しかし、このポリマーはレジスト開口部の側壁だけではなく、プラズマの回り込みによって、基板周辺の側壁部やベベル部にも付着する。図６Ａに、エッチング後の基板３０周辺の側壁、ベベル部へのポリマー３１の付着の状態を示す。基板３０は、下部電極３２上に載置されている。３３はチラーを示す。このように、ポリマー３１は、レジスト開口部の側壁（図示せず）だけではなく、プラズマの回り込みによって、基板３０周辺の側壁部やベベル部にも付着する。

図６Ｂは、低温ＲＩＥアッシング装置によるアッシング後の、基板３０周辺部へのポリマー３１の付着の状態を示す。特に、上記した低温ＲＩＥ方式のアッシングでは、ラジカル３４の反応性が低く、またイオン３５の異方性が大きいために、この基板周辺の側壁部やベベル部に付着したポリマー３１はほとんど除去できない。このポリマー３１は、後工程において剥がれることで、パーティクルの原因となる、またプラズマ処理装置などの処理時に基板３０を保持台に吸着させる装置において、吸着エラーの原因となるなどの問題が発生する。

なお、上述の問題は層間絶縁膜として低誘電率膜を用いた場合に起こりやすい問題ではあるが、必ずしもこの場合に限定されるものではなく、低誘電率膜以外の層間絶縁膜を用いた場合にも起こりうる問題である。

従来、この基板周辺の側壁部やベベル部に付着したポリマー３１を除去する手段として、プラズマ化されたガスを基板周辺部のみに吹き付けることで除去する手法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４２３６８号公報

しかしながら、上記した従来の方法では、基板３０周辺部以外のレジストマスクを同時に除去することはできないため、通常のアッシング工程とは別に、上記の基板３０周辺の側壁部やベベル部に付着したポリマー３１を除去する工程を設ける必要があり、製造工程数およびコストが増加するという課題が発生する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ドライエッチングでパターンを形成する際、基板周辺の側壁部やベベル部へポリマーの付着を抑制することが可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、内部の真空度を所定の状態に維持することが可能な容器と、前記容器内に設けられ、表面に下層より被エッチング膜およびレジストパターンが形成された基板を設置可能な保持台と、前記容器内にガスを導入し、前記容器内で放電によるプラズマを発生させて、前記プラズマにより、前記レジストパターンを用いて前記被エッチング膜をパターニングするエッチング処理を行うことが可能なプラズマ処理部とを備え、前記保持台またはその近傍に、前記基板の周辺部を局所的に加熱する加熱部を備えたことを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理方法は、表面に下層より被エッチング膜およびレジストパターンが形成された基板を容器内の保持台上に設置する工程と、前記容器内にガスを導入し、前記容器内で放電によるプラズマを発生させる工程と、前記プラズマにより、前記レジストパターンを用いて前記被エッチング膜をパターニングするエッチング工程とを備え、前記エッチング工程では前記基板の周辺部を局所的に加熱することを特徴とする。

本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法によれば、レジストパターンを有する被処理基体に対してプラズマ処理を施してパターンをドライエッチングする際、基板の周辺部を局所的に加熱することにより、被処理基体の基板周辺の側壁部やベベル部にポリマーが付着することを抑制できる。したがって、製造工程数およびコストの増加を発生することなく、ポリマー付着の低減されたドライエッチングを行うことができる。この結果、ポリマーの剥がれによる歩留り低下を防ぎ、製品の品質を向上することが可能となる。

上記構成の本発明のプラズマ処理装置において、前記加熱部は、前記基板の周辺部に対向するように前記保持台に配置された電熱線からなるヒーターにより構成することができる。

あるいは前記加熱部は、前記基板の周辺部に対向するように前記保持台とは別体として配置され、加熱されたエッチングガスを前記基板に向かって吹き付けるガス導入管により構成することができる。

あるいは前記加熱部は、前記基板の周辺部に対向するように前記保持台とは別体として配置されたランプヒーターにより構成することができる。

また、前記加熱部の動作により、前記基板の周辺部と前記基板の中央部との温度差を６０℃以上とすることが可能であることが好ましい。

また、前記加熱部の動作により、前記基板の周辺部のみを８０℃以上に加熱することが可能であることが好ましい。

また前記基板における局所的に加熱される周辺部は、前記基板の端面から中心に向かって３ｍｍ以内であることが好ましい。

また、前記保持台が、前記基板の中央部を冷却する冷却部を備えることが好ましい。

上記構成の本発明のプラズマ処理方法において、前記基板の周辺部を局所的に加熱することにより、前記基板の周辺部とそれ以外の前記基板の中央部との温度差を６０℃以上にすることが好ましい。

また、前記基板の周辺部を局所的に加熱することにより、前記基板の周辺部のみを８０℃以上に加熱することが好ましい。

また、前記局所的に加熱する対象となる基板周辺部は、前記基板の端面から中心に向かって３ｍｍ以内であることが好ましい。

また、前記エッチング工程では前記基板の中央部を冷却することが好ましい。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態におけるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法について、図１Ａ〜１Ｃ、図２、図３を参照しながら説明する。図１Ａは、本実施形態に用いるドライエッチング装置の概略構成を示す断面図、図１Ｂは基板１を搭載した下部電極２の周辺部断面を拡大した断面図、図１Ｃは基板１を搭載した下部電極２を上方から見た平面図である。

図１Ａにおいて、容器３は、内部の真空度を所定の状態に維持することが可能であり、その底部に、基板１を支持する下部電極（保持台）２が配置されている。容器３の上部には、上部電極４が配置されている。容器３の側部には、排気口５が設けられている。上部電極４にはガス導入口６が配置されている。また、下部電極２には、下部ＲＦ電源７がコンデンサ８を介して接続され、上部電極４には上部ＲＦ電源９がそれぞれ接続され、２周波励起の容量結合型のプラズマエッチング装置が構成されて、下部電極２と上部電極４との間に高周波電力を印加することによりプラズマを発生させる。

図１Ａ〜１Ｃに示すように、下部電極２には、基板１を一定温度に保つためのチラー１０が設けられている。また、基板１外周部のみを局所的に加熱するための電熱線からなるヒーター１１が、基板１外周近傍に対向するように、下部電極２の外周に沿って配置されている。ヒーター１１は、基板１の周辺部から例えば約３ｍｍ外側に位置するように配置されている。また、チラー１０とヒーター１１との間には断熱材１２が設けられている。断熱材１２は、基板１最外周端から内側に向かって、例えば約１ｍｍから約３ｍｍまでの約２ｍｍの同心円状に配置されている。これにより、基板１中央部を低温に保ったままで、基板１最外周端から１〜２ｍｍの外周領域のみを加熱することが可能となる。

以下に、本実施形態におけるプラズマ処理装置による処理の効果について、実際の加工の実施例に基づいて説明する。図２に、実際にエッチングによって加工を行った層間絶縁膜構造の一例を示す。

図２に示すように、層間絶縁膜は上方から順に、酸化膜１３、低誘電率膜１４、ストッパー膜１５の３層の積層膜として、下層配線１６を覆って形成されている。この積層膜上に反射防止膜１７を塗布し、さらにその上にＡｒＦレジスト１８を塗布した後、ビアホール１９の開口パターンを形成した。

この層間絶縁膜のエッチングに、図１Ａに示したプラズマエッチング装置を用いた。エッチングは３ステップ構成で実施した。第１ステップでは反射防止膜１７を開口し、第２ステップでは酸化膜１３を全て開口するとともに低誘電率膜１４を途中まで開口し、第３ステップでは残存する低誘電率膜１４を開口するとともにストッパー膜１５でエッチングを止めた。

ここで、第１ステップでは、容器３内の圧力は１３Ｐａに制御し、上部電極４のＲＦパワーは５００Ｗ、下部電極２のＲＦパワーは６００Ｗとした。エッチングガスの流量はＣＦ₄＝２００ｍｌ／ｍｉｎとした。第２ステップでは、容器３内の圧力は６．０Ｐａに制御し、上部電極４のＲＦパワーは２０００Ｗ、下部電極２のＲＦパワーは３５００Ｗとした。エッチングガスの流量はＣＦ₄／ＣＨＦ₃／Ｎ₂／Ａｒ＝３０／３０／２００／１０００ｍｌ／ｍｉｎとした。第３のステップでは、容器３内の圧力は４．０Ｐａに制御し、上部電極４のＲＦパワーは２０００Ｗ、下部電極２のＲＦパワーは２０００Ｗとした。エッチングガスの流量はＣＦ₄／Ｎ₂／Ａｒ＝３０／６０／１２００ｍｌ／ｍｉｎとした。なお、全ステップにおいて下部電極２の温度は２０℃に制御し、基板１周辺部のみヒーター１１で８０℃に加熱制御した。以上の条件を用いてビアホール１９のエッチングを行った。

この条件でエッチングを行った後、基板１周辺の側壁部やベベル部でのポリマー堆積膜厚を測定したところ、ポリマー堆積膜厚はほぼ１０ｎｍであった。一方、従来の周辺部を加熱しない場合の堆積膜厚は３００ｎｍ程度であり、加熱することで大幅にポリマーの堆積を抑制できることを確認できた。

図３に、エッチング時における基板周辺温度とポリマー堆積膜厚の関係のグラフを示す。横軸が基板周辺部の温度、縦軸がそのときの基板周辺部へのポリマー堆積膜厚である。図３から明らかなように、基板周辺温度を８０℃以上に加熱するか、あるいは基板中央部の温度と基板周辺部との温度差を６０℃以上にすることによって、基板周辺部へのポリマーの堆積を抑制できる。

ポリマーの被処理基板等への付着確率は、温度が高い方が小さく、温度が低い方が大きくなるため、以上のように、基板周辺のみ局所的に加熱して温度を上げることで、パターン形成部への側壁保護膜のためのポリマーの付着はそのままで、基板周辺部へのポリマーの付着を抑制することができる。

以上のとおり、本実施形態のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を用いて、基板周辺部のみを局所的に加熱することで、パターンをドライエッチングにより形成する際に、基板周辺の側壁部やベベル部へのポリマーの付着を効率的に抑制することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態におけるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法ついて、図４Ａ〜４Ｃを参照しながら説明する。図４Ａは、本実施形態に用いるドライエッチング装置の概略構成を示す断面図である。図４Ｂは、基板１を搭載した下部電極２０の周辺を拡大して示した断面図である。図４Ｃは、基板１を搭載した下部電極２０を上方から見た平面図である。なお、図１Ａ〜１Ｃに示した第１の実施の形態と同一の要素については、同一の参照符号を付して説明の繰り返しを省略する。

図４Ａ〜４Ｃに示すように、下部電極２０には、基板１を一定温度に保つためのチラー２１が設けられている。また、基板１外周部に高温に加熱したＯ₂ガスを吹き付けるためのガス導入管２２が、基板１外周部に沿って配置されている。これにより、基板１中央部を低温に保ったままで基板１外周部周辺のみを加熱することが可能となる。

本実施形態におけるプラズマ処理装置による処理の効果について、実際の加工の実施例に基づいて説明する。第１の実施形態と同様、図２に示したような層間絶縁膜構造に対してエッチング加工を行った。エッチング加工の際のエッチング条件は、以下に説明する点を除いて、第１の実施形態の場合と同様の条件とした。

すなわち、第１の実施形態では基板１周辺部をヒーター１１で加熱した状態でエッチングを行なったが、本実施形態ではエッチングガスそのものを１００℃に加熱し、ガス導入管２２のガス吹き出し口からエッチングチャンバー内に導入する。この条件を用いてビアホール１９のエッチングを行った。

上述の条件でエッチングを行った後、基板１周辺の側壁部やベベル部でのポリマー堆積膜厚を測定したところ、ポリマー堆積膜厚はほぼ１０ｎｍであり、第１の実施形態の説明に記載した、従来の周辺部を加熱しない場合の堆積膜厚が３００ｎｍ程度であることと比較すると、基板周辺部から加熱したエッチングガスを導入することで大幅にポリマーの堆積を抑制できることを確認できた。

ポリマーの被処理基板等への付着確率は温度が高い方が小さく、温度が低い方が大きくなるため、以上のように、基板周辺のみ局所的に加熱して温度を上げることで、パターン形成部への側壁保護膜のためのポリマーの付着はそのままで、基板周辺部へのポリマーの付着を抑制することができる。

以上のとおり、本実施形態のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を用いて、基板周辺部から加熱したエッチングガスを導入することで、パターンをドライエッチングにより形成する際に、基板周辺の側壁部やベベル部へのポリマーの付着を効率的に抑制することができる。

また、本実施形態においては、高温のガスを吹き付けることで、加熱によるポリマー付着抑制の効果に加えて、ガスの流れによってポリマーの付着を抑制する効果も得られる。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態におけるプラズマ処理装置ついて、図５Ａ〜５Ｃを参照しながら説明する。図５Ａは、本実施形態に用いるエッチング装置の概略構成を示す断面図である。図５Ｂは、基板１を搭載した下部電極２０の周辺を拡大して示した断面図である。図５Ｃは、基板１を搭載した下部電極２０を上方から見た平面図である。なお、上述の実施の形態と同一の要素については、同一の参照符号を付して説明の繰り返しを省略する。

図５Ａ〜５Ｃに示すように、基板１を支持する下部電極２０は、基板１を一定温度に保つためのチラー２１を備える。また、基板１周辺部のみを加熱するためのランプヒーター２３が、基板１外周部に沿って配置されている。これにより、基板１中央部を低温に保ったままで、基板１外周部周辺のみを加熱することが可能となる。

本実施形態におけるプラズマ処理装置による処理の効果について、実際の加工の実施例に基づいて説明する。まず、第１の実施形態と同様、図２に示したような層間絶縁膜構造に対してエッチング加工を行った。エッチング加工の際のエッチング条件は、以下に説明する点を除いて、第１の実施形態の場合と同様の条件とした。

すなわち、第１の実施形態では基板１周辺部をヒーター１１で８０℃に加熱制御した状態でエッチングを行なったが、本実施形態では、基板１周辺部をランプヒーター２３によって８０℃に加熱制御した。この条件を用いてビアホール１９のエッチングを行った。

以上の条件でエッチングを行った後、基板１周辺の側壁部やベベル部でのポリマー堆積膜厚を測定したところ、ポリマー堆積膜厚はほぼ１０ｎｍであった。一方、従来の周辺部を加熱しない場合の堆積膜厚は３００ｎｍ程度であり、加熱することで大幅にポリマーの堆積を抑制できることが確認できた。

また、本実施形態においては、加熱にランプヒーター２３を用いることで、第１の実施形態と比較して下部電極にヒーターを埋め込む必要がなく、下部電極の構造を単純化できるという利点がある。

本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法は、ドライエッチングでパターンを形成する際、基板周辺の側壁部やベベル部へポリマーの付着を抑制することを可能にするものであり、特に、パターンを形成するドライエッチング等に供されるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法等に有用である。

第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図同プラズマ処理装置の基板周辺部の拡大断面図同プラズマ処理装置の基板部の平面図第１〜３の実施形態における被処理基板膜構造を示す断面図基板外周部の温度と基板周辺部に堆積したポリマー膜厚の関係を示す図第２の実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図同プラズマ処理装置の基板周辺部の拡大断面図同プラズマ処理装置の基板部の平面図第３の実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図同プラズマ処理装置の基板周辺部の拡大断面図同プラズマ処理装置の基板部の平面図従来例におけるエッチング後の基板周辺の側壁、ベベル部へのポリマーの付着状態を示す断面図従来例の低温ＲＩＥアッシング装置によるアッシング後の基板周辺部のポリマーの付着状態を示す断面図

符号の説明

１基板
２、２０下部電極
３容器
４上部電極
５排気口
６ガス導入口
７下部ＲＦ電源
８コンデンサ
９上部ＲＦ電源
１０、２１チラー
１１ヒーター
１２断熱材
１３酸化膜
１４低誘電率膜
１５ストッパー膜
１６下層配線
１７反射防止膜
１８ＡｒＦレジスト
１９ビアホール
２２ガス導入管
２３ランプヒーター
３０基板
３１ポリマー
３２下部電極
３３チラー
３４ラジカル
３５イオン

Claims

内部の真空度を所定の状態に維持することが可能な容器と、
前記容器内に設けられ、表面に下層より被エッチング膜およびレジストパターンが形成された基板を設置可能な保持台と、
前記容器内にガスを導入し、前記容器内で放電によるプラズマを発生させて、前記プラズマにより、前記レジストパターンを用いて前記被エッチング膜をパターニングするエッチング処理を行うことが可能なプラズマ処理部とを備えたプラズマ処理装置において、
前記保持台またはその近傍に、前記基板の周辺部を局所的に加熱する加熱部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
前記加熱部は、前記基板の周辺部に対向するように前記保持台に配置された電熱線からなるヒーターにより構成された請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記加熱部は、前記基板の周辺部に対向するように前記保持台とは別体として配置され、加熱されたエッチングガスを前記基板に向かって吹き付けるガス導入管により構成された請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記加熱部は、前記基板の周辺部に対向するように前記保持台とは別体として配置されたランプヒーターにより構成された請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記加熱部の動作により、前記基板の周辺部と前記基板の中央部との温度差を６０℃以上とすることが可能である請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記加熱部の動作により、前記基板の周辺部のみを８０℃以上に加熱することが可能である請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記基板における局所的に加熱される周辺部は、前記基板の端面から中心に向かって３ｍｍ以内である請求項１〜６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記保持台が、前記基板の中央部を冷却する冷却部を備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
表面に下層より被エッチング膜およびレジストパターンが形成された基板を容器内の保持台上に設置する工程と、
前記容器内にガスを導入し、前記容器内で放電によるプラズマを発生させる工程と、
前記プラズマにより、前記レジストパターンを用いて前記被エッチング膜をパターニングするエッチング工程とを備えたプラズマ処理方法において、
前記エッチング工程では前記基板の周辺部を局所的に加熱することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記基板の周辺部を局所的に加熱することにより、前記基板の周辺部とそれ以外の前記基板の中央部との温度差を６０℃以上にする請求項８に記載のプラズマ処理方法。
前記基板の周辺部を局所的に加熱することにより、前記基板の周辺部のみを８０℃以上に加熱する請求項８または９に記載のプラズマ処理方法。
前記局所的に加熱する対象となる基板周辺部は、前記基板の端面から中心に向かって３ｍｍ以内である請求項８〜１０のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
前記エッチング工程では前記基板の中央部を冷却する請求項８〜１２のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。