JP2007250873A - プラズマエッチング方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳｉＣ系膜からなるエッチングストップ層をＬｏｗ−ｋ膜に対するエッチング選択性を確保した上でアンダーカットを防止しつつエッチングすることができるプラズマエッチング方法を提供すること。
【解決手段】基板上に、配線層、ＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜およびエッチングマスクを順次形成した構造体について、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後に、エッチングストップ膜をプラズマエッチングするにあたり、第１電極および第２電極が上下に対向して設けられた処理容器内に、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後の前記構造体が配置された状態を存在させ、処理容器内にＮＦ_３を含む処理ガスを導入し、第１電極および第２電極のいずれかに高周波電力を印加してプラズマを生成し、いずれかの電極に直流電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に、配線層、ＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜およびエッチングマスクを順次形成した構造体について、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後に、引き続いてエッチングストップ膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関する。

半導体デバイスにおいては、微細化による配線間隔の減少が、配線間に大きな容量を発生させ、信号の伝播速度を低下させることにより動作速度の遅延を招く。この問題を解決するため、比誘電率の低い絶縁材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）からなる層間絶縁膜、いわゆるＬｏｗ−ｋ膜の開発ならびにそれを用いた多層配線の開発がなされている。一方、配線材料として、低抵抗かつ高いエレクトロマイグレーション耐性を有する銅が注目されており、銅の溝配線や接続孔の形成には、デュアルダマシン法が多用されている。

デュアルダマシン法により銅の多層配線を形成する場合には、下層の銅配線上にＳｉＣＮ膜等のＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜を成膜し、その上に層間絶縁膜としてＬｏｗ−ｋ膜を形成し、その上にメタルハードマスク層およびフォトレジスト膜等のエッチングマスク層を成膜した後、Ｌｏｗ−ｋ膜をエッチングしてビアを形成し、次いでトレンチエッチングを行った後、エッチングストップ膜をエッチングしてビアを貫通させ、その後埋め込み配線層を形成している。

エッチングストップ膜のエッチングにおいては、エッチングストップ膜がＬｏｗ−ｋ膜と類似した構成成分を有しているため、通常のＣＦ系のエッチングガスでは、Ｌｏｗ−ｋ膜に対する十分な選択比をとることができないという問題点がある。

これに対して、特許文献１には、ＳｉＣ系の材料をＮＦ_３ガスを用いて高エッチングレートでエッチングする技術が開示されており、この技術によりＬｏｗ−ｋ膜に対してＳｉＣ系膜からなるエッチングストップ層を高選択比でエッチングすることができる。

しかしながら、ＮＦ_３ガスを用いてＳｉＣ系膜からなるエッチングストップ層をエッチングする場合には、エッチングが等方的となりＬｏｗ−ｋ膜の直下でエッチングが横方向に進行するアンダーカットが生じてしまうという。
特開２００５−３０２７９５

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、Ｌｏｗ−ｋ膜と配線層との間のＳｉＣ系膜からなるエッチングストップ層をＬｏｗ−ｋ膜に対するエッチング選択性を確保した上でアンダーカットを防止しつつエッチングすることができるプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。
また、このようなプラズマエッチング方法を実行させるプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、基板上に、配線層、ＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜およびエッチングマスクを順次形成した構造体について、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後に、エッチングストップ膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、第１電極および第２電極が上下に対向して設けられた処理容器内に、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後の前記構造体が配置された状態を存在させる工程と、前記処理容器内にＮＦ_３を含む処理ガスを導入する工程と、前記第１電極および第２電極のいずれかに高周波電力を印加してプラズマを生成する工程と、前記いずれかの電極に直流電圧を印加する工程とを有することを特徴とするプラズマエッチング方法を提供する。

この場合に、前記直流電圧の絶対値が４００Ｖ以上であることが好ましい。また、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜としては、ＳｉＯＣ系膜を適用することができる。さらに、テスト用の被処理体について、予め、所望のエッチング形状が得られるような直流電圧値を求めておき、その際の直流電圧値を前記いずれかの電極に印加して前記所定の直流電圧を印加するようにしてよい。さらにまた、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理体を載置する下部電極であり、前記プラズマを生成するための高周波電力および前記直流電圧は前記第１の電極に印加されるようにしてよい。この場合に、前記第２電極にはイオン引き込み用の高周波電力を印加するようにしてよい。

本発明はまた、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、上記プラズマエッチング方法が行われるように、コンピュータにプラズマ処理装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供する。

本発明によれば、基板上に、配線層、ＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜およびエッチングマスクを順次形成した構造体について、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後に、エッチングストップ膜をプラズマエッチングする際に、処理容器内にＮＦ_３を含む処理ガスを導入しつつ第１電極または第２電極にプラズマ形成用の高周波電力を供給してプラズマを形成し、さらにいずれかの電極に適切な直流電圧を印加することにより、エッチング側壁へデポが形成されて側壁が保護されるとともに、プラズマが形成される際に生成された電子が直流電圧により処理空間で鉛直方向に加速されてエッチングをより異方性にすることができるので、アンダーカットを防止することができる。また、エッチングガスとして本質的にＬｏｗ−ｋ膜に対する選択性の高いＮＦ_３ガスを用いるのでデポによりエッチングストップ膜のエッチングレートが低下しても十分なエッチング選択性を確保することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の実施に用いられるプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。

このプラズマエッチング装置は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されており、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状のチャンバ（処理容器）１０を有している。このチャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上に例えばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、その上に被処理基板である半導体ウエハＷが載置される。

サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は、導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートで挟んだ構造を有するものであり、電極２０には直流電源２２が電気的に接続されている。そして、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷが静電チャック１８に吸着保持される。

静電チャック１８（半導体ウエハＷ）の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）２４が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。

サセプタ支持台１４の内部には、例えば円周上に冷媒室２８が設けられている。この冷媒室には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によってサセプタ上の半導体ウエハＷの処理温度を制御することができる。

さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

下部電極であるサセプタ１６の上方には、サセプタ１６と対向するように平行に上部電極３４が設けられている。そして、上部および下部電極３４，１６間の空間がプラズマ生成空間となる。上部電極３４は、下部電極であるサセプタ１６上の半導体ウエハＷと対向してプラズマ生成空間と接する面、つまり対向面を形成する。

この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、チャンバ１０の上部に支持されており、サセプタ１６との対向面を構成しかつ多数の吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持し、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。電極板３６は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体が好ましく、また、後述するようにレジストを強化する観点からはシリコン含有物質が好ましい。このような観点から、電極板３６はシリコンやＳｉＣで構成されるのが好ましい。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。

電極支持体３８にはガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口６２が形成されており、このガス導入口６２にはガス供給管６４が接続され、ガス供給管６４には処理ガス供給源６６が接続されている。ガス供給管６４には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６８および開閉バルブ７０が設けられている（ＭＦＣの代わりにＦＣＮでもよい）。そして、処理ガス供給源６６から、エッチングのための処理ガスとして、ＮＦ_３ガスを含むエッチングガスがガス供給管６４からガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してシャワー状にプラズマ生成空間に吐出される。すなわち、上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。

上部電極３４には、整合器４６および給電棒４４を介して、第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。第１の高周波電源４８は、１０ＭＨｚ以上の周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を出力する。整合器４６は、第１の高周波電源４８の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１の高周波電源４８の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。整合器４６の出力端子は給電棒４４の上端に接続されている。

一方、上記上部電極３４には、第１の高周波電源４８の他、可変直流電源５０が電気的に接続されている。可変直流電源５０はバイポーラ電源であってもよい。具体的には、この可変直流電源５０は、上記整合器４６および給電棒４４を介して上部電極３４に接続されており、オン・オフスイッチ５２により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源５０の極性および電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５２のオン・オフはコントローラ５１により制御されるようになっている。

整合器４６は、図２に示すように、第１の高周波電源４８の給電ライン４９から分岐して設けられた第１の可変コンデンサ５４と、給電ライン４９のその分岐点の下流側に設けられた第２の可変コンデンサ５６を有しており、これらにより上記機能を発揮する。また、整合器４６には、直流電圧電流（以下、単に直流電圧という）が上部電極３４に有効に供給可能なように、第１の高周波電源４８からの高周波（例えば６０ＭＨｚ）および後述する第２の高周波電源からの高周波（例えば２ＭＨｚ）をトラップするフィルタ５８が設けられている。すなわち、可変直流電源５０からの直流電流がフィルタ５８を介して給電ライン４９に接続される。このフィルタ５８はコイル５９とコンデンサ６０とで構成されており、これらにより第１の高周波電源４８からの高周波および後述する第２の高周波電源からの高周波がトラップされる。

チャンバ１０の側壁から上部電極３４の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１０ａが設けられており、この円筒状接地導体１０ａの天壁部分は筒状の絶縁部材４４ａにより上部給電棒４４から電気的に絶縁されている。

下部電極であるサセプタ１６には、整合器８８を介して第２の高周波電源９０が電気的に接続されている。この第２の高周波電源９０から下部電極サセプタ１６に高周波電力が供給されることにより、半導体ウエハＷ側にイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、３００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば２ＭＨｚの高周波電力を出力する。整合器８８は第２の高周波電源９０の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第２の高周波電源９０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

上部電極３４には、第１の高周波電源４８からの高周波（例えば６０ＭＨｚ）は通さずに第２の高周波電源９０からの高周波（例えば２ＭＨｚ）をグランドへ通すためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２が電気的に接続されている。このローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２は、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成されるが、１本の導線だけでも第１の高周波電源４８からの高周波（６０ＭＨｚ）に対しては十分大きなリアクタンスを与えることができるので、それで済ますこともできる。一方、下部電極であるサセプタ１６には、第１の高周波電源４８からの高周波（６０ＭＨｚ）をグランドに通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）９４が電気的に接続されている。

チャンバ１０の底部には排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内を所望の真空度まで減圧可能となっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能となっている。また、チャンバ１０の内壁に沿ってチャンバ１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するためのデポシールド１１が着脱自在に設けられている。すなわち、デポシールド１１がチャンバ壁を構成している。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。チャンバ１０の底部のチャンバ壁側のデポシールド１１と内壁部材２６側のデポシールド１１との間には排気プレート８３が設けられている。デポシールド１１および排気プレート８３としては、アルミニウム材にＹ_２Ｏ_３等のセラミックスを被覆したものを好適に用いることができる。

デポシールド１１のチャンバ内壁を構成する部分のウエハＷとほぼ同じ高さ部分には、グランドにＤＣ的に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）９１が設けられており、これにより異常放電防止効果を発揮する。

プラズマ処理装置の各構成部は、制御部（全体制御装置）９５に接続されて制御される構成となっている。また、制御部９５には、工程管理者がプラズマ処理装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース９６が接続されている。

さらに、制御部９５には、プラズマ処理装置で実行される各種処理を制御部９５の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部９７が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶部９７の所定位置にセットするようになっていてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース９６からの指示等にて任意のレシピを記憶部９７から呼び出して制御部９５に実行させることで、制御部９５の制御下で、プラズマ処理装置での所望の処理が行われる。

次に、このように構成されるプラズマエッチング装置により実施される、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。
ここでは、被処理体である半導体ウエハＷとして、図３に示すように、Ｓｉ基板１０１の上に、銅配線層１０２、エッチングストップ膜１０３、層間絶縁膜として機能するＬｏｗ−ｋ膜１０４、メタルハードマスク層１０５からなり、図示しないフォトレジスト膜等のエッチングマスクを用いてＬｏｗ−ｋ膜１０４にビア１０６を形成し、エッチングマスクをアッシングにより除去した後、メタルハードマスク層１０５をエッチングマスクとして用いてレンチ１０７を形成したものを用いる。

本実施形態におけるエッチング対象膜であるエッチングストップ膜１０３はＳｉＣＮ等のＳｉＣ系材料で構成され、その厚さは、２０〜１００ｎｍ程度である。また、Ｌｏｗ−ｋ膜１０４としては、ＳｉＣＯ系膜が例示される。ＳｉＣＯ系膜は、従来のＳｉＯ_２膜のＳｉ−Ｏ結合にメチル基（−ＣＨ_３）を導入して、Ｓｉ−ＣＨ_３結合を混合させたもので、Black Diamond（Applied Materials社）、Coral（Novellus社）、Aurora（ASM社）等がこれに該当し、緻密質のものおよびポーラス（多孔質）なものの両方存在する。これらはＣＶＤにより形成されるが、ＳＯＤ（Silicon On Dielectric）プロセスで形成されるポーラスＭＳＱ（Porous methyl-hydrogen-SilsesQuioxane）を用いることもできる。Ｌｏｗ−ｋ膜１０４の厚さは、２５０〜３７０ｎｍ程度である。メタルハードマスク層１０５を構成する材料としてはＴｉＮが例示され、その厚さは１５〜４５ｎｍ程度である。

まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介して上記構造を有する半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入し、サセプタ１６上に載置する。そして、処理ガス供給源６６からエッチングストップ膜１０３をエッチングするための処理ガスを所定の流量でガス拡散室４０へ供給し、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してチャンバ１０内へ供給しつつ、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気し、その中の圧力を例えば２．７〜２００Ｐａの範囲内の設定値とする。また、サセプタ温度は２０〜５０℃程度、例えば４０℃とし、ウエハ温度は２０〜１００℃程度、例えば６０℃程度とする。

ここで、ＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜１０３をエッチングするための処理ガスとしては、ＮＦ_３を含むものを用いる。ＮＦ_３を含む処理ガスとしては、ＮＦ_３ガスの単ガスであってもよいし、ＮＦ_３ガスにＡｒガスやＨｅガス等の希ガスを添加したものであってもよいし、ＮＦ_３ガスにＣＦ_４ガスを添加したもの、これらにさらにＡｒガス等の希ガスを添加したもの、ＮＦ_３ガスにＡｒガスおよびＣＯガスを添加したもの等を例示することができる。ＮＦ_３ガスの流量は５〜５０ｍＬ／ｍｉｎ（標準状態に換算した流量（ｓｃｃｍ））であることが好ましい。

このようにチャンバ１０内にエッチングガスを導入した状態で、第１の高周波電源４８からプラズマ生成用の高周波電力を所定のパワーで上部電極３４に印加するとともに、第２の高周波電源９０よりイオン引き込み用の高周波を所定のパワーで下部電極であるサセプタ１６に印加する。そして、可変直流電源５０から所定の直流電圧を上部電極３４に印加する。さらに、静電チャック１８のための直流電源２２から直流電圧を静電チャック１８の電極２０に印加して、半導体ウエハＷをサセプタ１６に固定する。

上部電極３４の電極板３６に形成されたガス吐出孔３７から吐出された処理ガスは、高周波電力により生じた上部電極３４と下部電極であるサセプタ１６間のグロー放電中でプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷのエッチングストップ膜１０３がエッチングされる。

上部電極３４には高い周波数領域（例えば、１０ＭＨｚ以上）の高周波電力を供給するので、プラズマを好ましい状態で高密度化することができ、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。

しかし、このように高周波電力のみを印加し、ＮＦ_３を含む処理ガスを用いてＳｉＣＮのようなＳｉＣ系材料で形成されたエッチングストップ膜をエッチングする場合には、Ｌｏｗ−ｋ膜に対して高選択比でエッチングすることが可能ではあるものの、エッチングが等方的となって、図４に示すようなアンダーカット１１０が生じる。このようなアンダーカットが生じると、配線埋め込み不良および配線抵抗のバラツキといった問題を引き起こす。

そこで、本実施形態では、このようにプラズマを形成する際に、上部電極３４に可変直流電源５０から所定の極性および大きさの直流電圧を印加する。この印加電圧を制御することによりエッチングストップ膜１０３を形状性良くエッチングすることができる。

このことをより具体的に説明する。
上部電極３４には、従前のエッチングプロセス、特に上部電極３４への高周波電力が小さいエッチングプロセスによってポリマーが付着している。そして、エッチング処理を行う際に上部電極３４に適切な直流電圧を印加すると、図５に示すように、上部電極の自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを深くすること、つまり上部電極３４表面でのＶ_ｄｃの絶対値を大きくすることができる。このため、上部電極３４に付着しているポリマーが印加された直流電圧によってスパッタされて半導体ウエハＷに供給され、エッチング対象膜であるエッチングストップ膜１０３の側壁にも付着する。これによりエッチングストップ膜１０３の側壁が保護され、エッチングされ難くなる。

また、エッチングストップ膜１０３をエッチングする際に、このように上部電極３４に直流電圧を印加すると、プラズマが形成される際に上部電極３４近傍に生成された電子が処理空間の鉛直方向へ加速され、その際の直流電圧等を適切に制御することにより、電子をビアの内部に到達させることができ、シェーディング効果を抑制してボーイングのない良好な加工形状を得ることができる。

さらに、上記図５に示すように、Ｖ_ｄｃが深くなることは、プラズマシース厚さが大きくなることを意味し、プラズマシースが厚くなると、その分だけプラズマが縮小化される。例えば、上部電極３４に直流電圧を印加しない場合には上部電極側のＶ_ｄｃが例えば−３００Ｖであり、図６の（ａ）に示すようにプラズマは薄いシース厚ｄ_０を有する状態である。しかし、上部電極３４に−９００Ｖの直流電圧を印加すると上部電極側のＶ_ｄｃが例えば−９００Ｖとなり、プラズマシースの厚さは、Ｖ_ｄｃの絶対値の３／４に比例するから、図６の（ｂ）に示すように、より厚いプラズマシースｄ_１が形成され、その分プラズマが縮小化する。このようにプラズマがシフトすることにより、バイアスパワーが変化し、エッチングの異方性がより高まる可能性がある。

以上の３つが複合的に作用して、ＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜１０３のエッチング形状を、図７に示すような、アンダーカットの存在しない良好な形状とすることができるものと考えられる。このとき、ポリマーの作用により、エッチングストップ膜１０３のエッチングレートが低下するため、Ｌｏｗ−ｋ膜１０４に対するエッチング選択比が多少低下するが、エッチングガスとして本質的にＬｏｗ−ｋ膜に対する選択性の高いＮＦ_３ガスを用いるので、２程度の十分な選択比を確保することができる。このような作用を有効に発揮させるためには、上部電極３４に印加する直流電圧の絶対値が４００Ｖ以上であることが好ましい。

本実施形態のプラズマエッチング方法を行う際には、最初にテスト用の半導体ウエハについて、図１のプラズマエッチング装置により所定の条件でエッチングストップ膜のエッチングを行った後、プラズマエッチング装置から半導体ウエハを取り出して検査装置により検査し、予め、エッチングストップ膜のエッチングの際に、エッチング選択性を確保した上でアンダーカットのない所望の形状が得られる直流電圧値を求めておき、その際に把握された直流電圧値を上部電極に印加しながらエッチングを行うようにすれば、迅速に適正な条件でエッチング処理を行うことができる。このようなテスト用のウエハとしては、ロットの最初の１枚または２枚以上のウエハを用いることもできる。

次に、実際に本発明の方法における効果を確認した結果について説明する。ここでは、図８に示すような、Ｓｉ基板２０１に形成された銅配線層２０２の上に、厚さ３５〜５０ｎｍのＳｉＣＮからなるエッチングストップ膜２０３を形成し、その上に厚さ２５０〜３７０ｎｍのＳｉＣＯ系材料からなるＬｏｗ−ｋ膜２０４を形成し、さらにその上に厚さ３０ｎｍのトレンチエッチング用にパターニングされたＴｉＮからなるハードマスク層２０５、反射防止膜（ＢＡＲＣ）２０６、フォトレジスト膜（ＰＲ）２０７を形成し、フォトレジスト膜（ＰＲ）２０７をエッチングマスクとして反射防止膜（ＢＡＲＣ）２０６およびＬｏｗ−ｋ膜２０４の途中までエッチングしてパーシャルビア２０８を形成したサンプルを作成し、フォトレジスト膜（ＰＲ）２０７および反射防止膜（ＢＡＲＣ）２０６をアッシング除去した後、図１に示す装置によりハードマスク層２０５をエッチングマスクとしてプラズマエッチングを行って図９に示すようなトレンチ２０９を形成した。また、このエッチングの際にパーシャルビア２０８がさらにエッチングされてエッチングストップ膜２０３に達するビア２１０となった。その際のエッチング条件は以下の通りとした。

圧力 ：１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）
ＲＦパワー（上部６０ＭＨｚ／下部２ＭＨｚ）
：３０／２５０Ｗ
直流電圧 ：−４００Ｖ
処理ガス
ＣＦ_４ガス ：１１２ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス ：１５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ_２ガス ： ６ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｃ_４Ｆ_８ガス：１３ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
時間 ：１１０ｓｅｃ
温度 サセプタ：４０℃
ウエハ ：６０℃

その後、以下の条件に加えて、上部電極に直流電圧をＡ：０Ｖ、Ｂ：−４００Ｖ、Ｃ：−８００Ｖと３条件変えて印加し、エッチングストップ膜２０３をエッチングした。

圧力 ： ６．０Ｐａ（４５ｍＴｏｒｒ）
ＲＦパワー（上部６０ＭＨｚ／下部２ＭＨｚ）
：４００／１０００Ｗ
直流電圧 ： ０Ｖ
処理ガス
ＮＦ_３ガス： １２ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス ：２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈｅガス ：２４０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
時間 ：１５ｓｅｃ
温度 サセプタ：４０℃
ウエハ ：６０℃

その結果、条件Ａの直流電圧を印加しない場合には、設計上のエッチング幅が６５ｎｍに対して実際のエッチング幅は８２ｎｍとなり、図１０に示すように、アンダーカットが生じた。

これに対して、直流電圧を印加した条件Ｂ、Ｃについては図１１および図１２に示すように、アンダーカットが生じておらず、条件Ｂではエッチング幅が６３ｎｍ、条件Ｃではエッチング幅が５２ｎｍであった。つまり、直流電圧の絶対値が高いほどアンダーカット防止効果が高いことがわかる。

また、エッチングレートに関しては、条件ＡではＬｏｗ−ｋ膜が４０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＣＮエッチングストップ膜が１６０ｎｍ／ｍｉｎであり、条件ＢではＬｏｗ−ｋ膜が２０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＣＮエッチングストップ膜が６８ｎｍ／ｍｉｎであり、条件ＣではＬｏｗ−ｋ膜が２０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＣＮエッチングストップ膜が４８ｎｍ／ｍｉｎであり、直流電圧の絶対値が上昇するに従ってエッチングレートが遅くなる傾向にある。また、これらエッチングレートからエッチングストップ膜のＬｏｗ−ｋ膜に対する選択比を計算すると、条件Ａでは４．０、条件Ｂでは３．４、条件Ｃでは２．４となり、直流電圧の絶対値が上昇するに従って選択比は低下するが、ＮＦ_３ガスを使用していることに起因して２以上の選択比を確保することができた。

以上のことから、ＳｉＣ系のエッチングストップ膜をＮＦ_３を含むガスでプラズマエッチングする際に、上部電極３４に直流電圧を印加することにより、比較的高い選択比を維持しつつアンダーカットを生じさせずにエッチングできることが確認された。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、エッチングストップ膜を形成する材料としてＳｉＣＮを用いた例を示したが、ＳｉＣであってもよい。また、Ｌｏｗ−ｋ膜に予めビアを形成したものに対して、トレンチを形成した後にＳｉＣ系のエッチングストップ膜をエッチングする場合について示したが、必ずしもこのようなアプリケーションに限定されるものではない。

また、本発明が適用される装置についても図１のものに限定されるものではなく、以下に示す種々のものを用いることができる。例えば、図１３に示すように、下部電極であるサセプタ１６に第１の高周波電源４８′からプラズマ生成用の例えば６０ＭＨｚの高周波電力を印加するとともに、第２の高周波電源９０′からイオン引き込み用の例えば２ＭＨｚの高周波電力を印加する下部２周波印加タイプのプラズマエッチング装置を適用することもできる。図示のように上部電極２３４に可変直流電源１６６を接続して所定の直流電圧を印加することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、この場合に、図１４に示すように、直流電源１６８を下部電極であるサセプタ１６に接続して、サセプタ１６に直流電圧を印加するようにしてもよい。

さらに、図１５に示すように、上部電極２３４′をチャンバ１０を介して接地するようにし、下部電極であるサセプタ１６に高周波電源１７０を接続し、この高周波電源１７０からプラズマ形成用の例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加するタイプのプラズマエッチング装置であっても適用することができ、この場合には、図示のように下部電極であるサセプタ１６に可変直流電源１７２を接続して所定の直流電圧を印加することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらにまた、図１６に示すように、図１５と同様の上部電極２３４′をチャンバ１０を介して接地するようにし、下部電極であるサセプタ１６に高周波電源１７０を接続し、この高周波電源１７０からプラズマ形成用の高周波電力を印加するタイプのエッチング装置において、可変直流電源１７４を上部電極２３４′に印加するようにしてもよい。

本発明の実施に用いられるプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図。 図１のプラズマエッチング装置において第１の高周波電源に接続された整合器の構造を示す図。 本発明の一実施形態の実施に用いられる半導体ウエハＷの構造を示す断面図。 エッチングストップ膜をエッチングする際にアンダーカットが生じた状態を示す模式図。 図１のプラズマ処理装置において、上部電極に直流電圧を印加した際のＶ_ｄｃおよびプラズマシース厚の変化を示す図。 図１のプラズマ処理装置において、上部電極に直流電圧を印加した場合と印加しない場合とでプラズマ状態を比較して示す図。 本実施形態によりエッチングストップ膜をエッチングした際の状態を示す模式図。 本発明の方法における効果を実際に確認する際に用いたサンプルをの構造を示す図。 図８に示すサンプルについてトレンチエッチングを行った状態を示す図。 上部電極に直流電圧を印加せずにエッチングストップ膜をエッチングした場合の状態を示す模式図。 上部電極に−４００Ｖの直流電圧を印加してエッチングストップ膜をエッチングした場合の状態を示す模式図。 上部電極に−８００Ｖの直流電圧を印加してエッチングストップ膜をエッチングした場合の状態を示す模式図。 本発明の実施に適用が可能な他のタイプのプラズマエッチング装置の例を示す概略図。 本発明の実施に適用が可能なさらに他のタイプのプラズマエッチング装置の例を示す断面図。 本発明の実施に適用が可能なさらにまた他のタイプのプラズマエッチング装置の例を示す概略図。 本発明の実施に適用が可能なさらに別のタイプのプラズマエッチング装置の例を示す断面図。

符号の説明

１０…チャンバ（処理容器）
１６…サセプタ（下部電極）
３４…上部電極
４４…給電棒
４６，８８…整合器
４８…第１の高周波電源
５０…可変直流電源
５１…コントローラ
５２…オン・オフスイッチ
６６…処理ガス供給源
８４…排気装置
９０…第２の高周波電源
９１…ＧＮＤブロック
１０１…Ｓｉ基板
１０２…銅配線層
１０３…エッチングストップ膜
１０４…Ｌｏｗ−ｋ膜
１０５…メタルハードマスク層
Ｗ…半導体ウエハ（被処理基板）

Claims (7)

1. 基板上に、配線層、ＳｉＣ系材料からなるエッチングストップ膜、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜およびエッチングマスクを順次形成した構造体について、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後に、エッチングストップ膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   第１電極および第２電極が上下に対向して設けられた処理容器内に、前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜をプラズマエッチングした後の前記構造体が配置された状態を存在させる工程と、
   前記処理容器内にＮＦ_３を含む処理ガスを導入する工程と、
   前記第１電極および第２電極のいずれかに高周波電力を印加してプラズマを生成する工程と、
   前記いずれかの電極に直流電圧を印加する工程と
   を有することを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 前記直流電圧の絶対値が４００Ｖ以上であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
3. 前記低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）膜は、ＳｉＯＣ系膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
4. テスト用の被処理体について、予め、所望のエッチング形状が得られるような直流電圧値を求めておき、その際の直流電圧値を前記いずれかの電極に印加して前記所定の直流電圧を印加する工程を実施することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法。
5. 前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理体を載置する下部電極であり、前記プラズマを生成するための高周波電力および前記直流電圧は前記第１の電極に印加されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法。
6. 前記第２電極にはイオン引き込み用の高周波電力が印加されることを特徴とする請求項５に記載のプラズマエッチング方法。
7. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
   前記制御プログラムは、実行時に、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法が行われるように、コンピュータにプラズマ処理装置を制御させることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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