JP2008198659A - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】メインエッチングの後のオーバーエッチングを行う際に、炭素とフッ素とを含む処理ガスをプラズマ化して、更に基板に対向するように設けられた上部電極に負の直流電圧を印加する。
【選択図】図6
Description
この低誘電率膜に銅配線を形成するデュアルダマシン法においては、例えば図9(a)に示すように、基板100に下層配線101を形成した後、この下層配線101から上層側の低誘電率膜である層間絶縁膜104に銅が拡散しないように、バリア膜としてSi及びCを含む材料例えばSiCN膜103が積層され、その上に層間絶縁膜104が積層される。このSiCN膜103は、層間絶縁膜104にビアホール106を形成するときのエッチストップ膜としての役割を果たす。
上部電極と下部電極との間にプラズマ生成用の高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化すると共に、下部電極にバイアス用の高周波電力を印加する平行平板型のプラズマエッチング装置を用い、
シリコンと炭素とを含む下地膜、シリコンと炭素とを含む被エッチング膜である絶縁膜及びパターンの形成されたレジストマスクが下からこの順番で積層された基板に対して、ホールの配列密度が高い密の領域とホールの配列密度が低い疎の領域とを含むホール群を前記絶縁膜にプラズマエッチングにより形成するプラズマエッチング方法において、
前記基板を処理容器内の下部電極をなす載置台に載置する工程と、
前記処理容器内に炭素及びフッ素を含む第1の処理ガスを供給して、プラズマエッチングにより前記下地膜に近い深さまで前記絶縁膜にホールを形成する第1のエッチング工程と、
次いで、前記処理容器内に炭素及びフッ素を含むガスと不活性ガスとを含む第2の処理ガスを供給し、上部電極に負の直流電圧を印加した状態でプラズマエッチングにより前記ホールを下地膜まで到達させる第2のエッチング工程と、を含むことを特徴とする。
前記密の領域は、前記開口部の端部同士の距離が0.1μm以下であることが好ましい。
前記疎の領域は、前記開口部の端部同士の距離が10μm以上であることが好ましい。
前記下地膜は、シリコン、炭素及び窒素からなる膜であり、前記絶縁膜は、シリコン、酸素、炭素及び水素からなる膜であることが好ましい。
前記第2の処理ガスは、Arガスと、窒素ガスまたはO2ガスと、を含み、更にC4F8ガス、C4F6ガス及びC5F8ガスのうち少なくとも1種を含み、
前記絶縁膜は、比誘電率が2.5以下の多孔質膜であっても良い。
前記第1の処理ガスは、更にO2ガスを含んでいても良い。
前記第2の処理ガスは、Arガスと、窒素ガスまたはO2ガスと、を含み、更にC4F8ガス、C4F6ガス及びC5F8ガスのうち少なくとも1種を含み、
前記絶縁膜は、比誘電率が2.7以上3.0以下の高密度膜であっても良い。
前記第1の処理ガスは、更にC4F8ガス、C4F6ガス及びC5F8ガスのうち少なくとも1種を含んでいても良い。
処理容器21は電気的に接地されており、また処理容器21の底面の排気口22には排気管24を介して真空ポンプ等を含む排気装置23が接続されている。処理容器21の壁面にはウェハ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内には所定の温調媒体が通る温調流路37が形成されており、温調媒体によってウェハWの温度が所望の温度に調整されるように構成されている。
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。
SiCN膜73、SiCOH膜74、酸化シリコン膜75、TiN膜76、SiON膜77、反射防止膜79及びレジストマスク78の膜厚は、それぞれ例えば600Å、3400Å、500Å、300Å、300Å、1000Å、2600Åとなっている。
排気装置23により排気管24を介して処理容器21内の真空排気を行い、処理容器21内を所定の真空度例えば20Pa(150mTorr)に保持した後、ガス供給系46より処理ガスとして例えばCF4ガスを例えば200sccmの流量で供給する。続いて周波数が60MHz、電力が例えば1000Wの高周波を上部電極4に供給して、前記処理ガスをプラズマ化すると共に、バイアス用の高周波として周波数が13.56MHz、電力が例えば600Wの高周波を下部電極31に供給する。
酸化シリコン膜75のエッチング終了後、高周波電源4a、31aからの給電を止めて処理容器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により処理容器21内を排気して残存しているガスを除去して処理容器21内を所定の真空度例えば9.3Pa(70mTorr)に保持して、以下の第1のエッチング工程であるメインエッチングを行う。
このプラズマによって、図4(b)に示すように、SiCOH膜74の大部分がエッチングされて、面内に亘ってビアホール81の底とSiCN膜73の表面との距離が例えば30nm程度となる。
尚、この例では処理ガスとしてCF4ガス、CH2F2ガス、N2ガス及びO2ガスを用いたが、CH2F2ガスの代わりにCHF3ガスを用いても良く、更にこれらのガスにC4F8ガス、C4F6ガスまたはC5F8ガスなどの炭素とフッ素とを含むガスを添加しても良い。また、N2ガスの代わりにArガスを用いても良い。
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容器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により処理容器21内を排気して残存しているガスを除去して処理容器21内を所定の真空度例えば5.3Pa(40mTorr)に保持して、以下の第2のエッチング工程であるオーバーエッチングを行う。
ビアホール81の底面に堆積する堆積物の量を増やして、エッチングレートを遅くするために、ガス供給系46から第2の処理ガスとして例えばC4F8ガス、Arガス及びN2ガスを所定の流量例えばそれぞれ10、1000、180sccmとして処理容器21内に供給する。そして、周波数が60MHz、電力が400Wの高周波を上部電極4に供給して、前記処理ガスをプラズマ化すると共に、バイアス用の高周波として、周波数が13.56MHz、電力が1700Wの高周波を下部電極31に供給する。更に、スイッチ4dを閉じて、直流電源48から負の直流電圧を例えば900Vとして上部電極4に供給する。
この工程の後、レジストマスク78と反射防止膜79とがアッシングされて、SiON膜77とTiN膜76とをハードマスクとしてトレンチの溝が形成される。
また、上部電極4に負の電圧を印加したが、下部電極31に正の電圧を印加して、プラズマ(イオン)を引き込むようにしても良い。更に、下部電極31にプラズマ発生用の高周波を供給して、下部2周波タイプの装置を用いても良い。
次に、本発明の基板処理方法について行った実験について説明する。実験には、既述の図2に示したウェハWを用いて、以下に示す処理条件に従って既述のステップ1及びステップ2のエッチングを行った後、各例毎に示す条件によってオーバーエッチングを行い、ビアホール81を形成した。その後、ビアホール81の密領域(ビアホール81同士の間隔Lが0.1μm程度)及び疎領域(ビアホール81同士の間隔Lが2μm程度)についてはウェハWに加重を加えて割り、その断面のSEM観察を行った。また、超疎領域(ビアホール81同士の間隔Lが10μm以上)については、同様の手法では評価できなかったため、ビアホール81内に樹脂を流し込み、硬化後にビアホール81の切断面をSEM観察した。
(処理条件)
(ステップ1:酸化シリコン膜75のエッチング)
処理圧力 :20Pa(150mTorr)
処理ガス :CF4=200sccm
上部電極4の高周波の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :1000W
上部電極4の負の直流電圧 :0V
下部電極31の高周波の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :600W
処理時間 :60秒
(ステップ2:メインエッチング)
処理圧力 :9.3Pa(70mTorr)
処理ガス :CF4/CH2F2/N2/O2=50/25/350/10sccm
上部電極4の高周波の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :600W
上部電極4の負の直流電圧 :0V
下部電極31の高周波の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :1000W
処理時間 :13秒
(ステップ3:オーバーエッチング)
(実験例1−1)
処理圧力 :5.3Pa(40mTorr)
処理ガス :C4F8/Ar/N2=10/1000/180sccm
上部電極4の高周波の周波数 :60MHz
上部電極4の電力 :400W
上部電極4の負の直流電圧 :900V
下部電極31の高周波の周波数:13.56MHz
下部電極31の電力 :1700W
処理時間 :42秒
(実験例1−2)
処理ガス :C4F8/CF4/Ar/N2=10/30/1000/180sccm
処理時間 :34秒
その他の条件は、実験例1−1と同じ条件とした。
(比較例1)
上部電極4の負の直流電圧 :0V
その他の条件は、実験例1−1と同じ条件とした。
実験例1−1において得られたビアホール81の密領域及び疎領域についてのSEM写真に基づいて作成した模式図を図7に示す。測定は、各々ウェハWの中央付近(図7(a))と周縁部(同図(b))とにおいて行った。その結果、ビアホール81の密領域及び疎領域の双方において、更に面内において、SiCN膜73の上端面までビアホール81が形成されており、SiCN膜73のエッチング量は10nm程度と少なく、良好な状態であった。実験例1−2及び比較例1についても同様の結果が得られた。尚、SEM写真上ではSiCN膜73とSiCOH膜74との境界の判別が困難だったため、図中に点線で示してある。
しかし、図8に示すように、ビアホール81の間隔が超疎の領域では、実験例1−1(同図(a))及び実験例1−2(同図(b))では、密領域及び疎領域と同様にSiCN膜73の上端面までビアホール81が形成されていたが、比較例1(同図(c))では、エッチングが途中で止まっており、ビアホール81の底面とSiCN膜73の上端面との間には28nmのエッチング残りが確認された。
尚、メインエッチング終了時には、ビアホール81の底面とSiCN膜73の上端面との間の距離(SiCOH膜74の残膜厚)は、およそ30nmであった。また、図示は省略しているが、個々のデバイスを囲むように形成されたシールドリングについても測定を行ったが、既述の結果と同様に良好な結果が得られた。
次に、メインエッチングとオーバーエッチングとによって形成されるビアホール81の深さを単純に評価するために、SiCOH膜74の下方にSiCN膜73やSiCOH膜72を形成せずに作成したウェハWに対して、以下の条件以外は上述の実験例1−1と同じ処理条件でエッチングを行い、その後ビアホール81の深さを測定した。
(処理条件)
(ステップ2:メインエッチング)
処理時間 :11秒
(ステップ3:オーバーエッチング)
処理時間 :34秒
エッチング後のビアホール81の深さとレジストマスク78の残膜厚とから、それぞれの膜におけるエッチングレートを求めた。この結果を以下の表1に示す。
尚、上記の処理ガスを用いることによって、レジストマスク78との選択比が高い状態(つまり、レジストマスク78及びSiCOH膜74のエッチングレートが大きく異なる状態)でSiCOH膜74をエッチングできることが分かった。
オーバーエッチングにおいて上部電極4に負の直流電圧を印加せずに、処理条件を変えることで本発明の効果と同様の効果が得られるかを確認するため、既述の実験例1と同様のウェハWに対して、以下の処理条件で実験を行った。尚、実験は、既述のビアホール81同士の間隔Lが10μm以上の超疎の領域において、ビアホール81がSiCN膜73の上面まで形成される条件に設定して、その上でビアホール81の密の領域及び疎の領域において、ビアホール81がSiCN膜73を貫通しない条件となるように行い、その時のビアホール81の密領域及び疎領域の観察を行った。また、既述の実験例1−1と同じ条件については記載を省略する。
(処理条件)
(比較例3−1)
(ステップ2:メインエッチング)
処理時間 :11秒
(ステップ3:オーバーエッチング)
処理ガス :C4F8/Ar/N2=6/250/180sccm
上部電極4の負の直流電圧 :0V
処理時間 :32秒
(比較例3−2)
(ステップ2:メインエッチング)
処理時間 :11秒
(ステップ3:オーバーエッチング)
処理圧力 :6.7Pa(50mTorr)
処理ガス :C4F8/Ar/N2/O2=6/250/180/10sccm
上部電極4の負の直流電圧 :0V
処理時間 :40秒
その結果、比較例3−1では、ウェハWの中央及び周縁において、密領域及び疎領域のビアホール81がSiCN膜73を貫通していた。また、これらのビアホール81を囲むように形成された既述のシールドリングについても同様の結果となっていた。
比較例3−2では、密領域及び疎領域ではSiCN膜73が残っていたが、シールドリングについては、SiCN膜73がエッチングされてしまっていた。また、ウェハW上にはレジストマスク78が無くなっている場所も確認された。
この結果から、ビアホール81の間隔Lに大きな差があるウェハWでは、オーバーエッチングを行う際の処理条件を変えただけでは、均等な深さのビアホール81を形成することは非常に困難であることが分かった。
31 下部電極
4 上部電極
48 直流電源
51 プラズマ処理装置
71 金属配線
72 SiCOH膜
73 SiON膜
74 SiCOH膜
78 レジストマスク
80 開口部
81 ビアホール
82 堆積物
Claims (9)
- 上部電極と下部電極との間にプラズマ生成用の高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化すると共に、下部電極にバイアス用の高周波電力を印加する平行平板型のプラズマエッチング装置を用い、
シリコンと炭素とを含む下地膜、シリコンと炭素とを含む被エッチング膜である絶縁膜及びパターンの形成されたレジストマスクが下からこの順番で積層された基板に対して、ホールの配列密度が高い密の領域とホールの配列密度が低い疎の領域とを含むホール群を前記絶縁膜にプラズマエッチングにより形成するプラズマエッチング方法において、
前記基板を処理容器内の下部電極をなす載置台に載置する工程と、
前記処理容器内に炭素及びフッ素を含む第1の処理ガスを供給して、プラズマエッチングにより前記下地膜に近い深さまで前記絶縁膜にホールを形成する第1のエッチング工程と、
次いで、前記処理容器内に炭素及びフッ素を含むガスと不活性ガスとを含む第2の処理ガスを供給し、上部電極に負の直流電圧を印加した状態でプラズマエッチングにより前記ホールを下地膜まで到達させる第2のエッチング工程と、を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 前記ホールは、下層配線と上層配線とを接続する電極部あるいは接続部を埋め込むためのビアホール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。
- 前記密の領域は、前記開口部の端部同士の距離が0.1μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記疎の領域は、前記開口部の端部同士の距離が10μm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エッチング方法。
- 前記下地膜は、シリコン、炭素及び窒素からなる膜であり、前記絶縁膜は、シリコン、酸素、炭素及び水素からなる膜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エッチング方法。
- 前記第1の処理ガスは、CF4ガスと不活性ガスとを含み、更にC4F8ガス、C4F6ガス及びC5F8ガスのうち少なくとも1種を含み、
前記第2の処理ガスは、Arガスと、窒素ガスまたはO2ガスと、を含み、更にC4F8ガス、C4F6ガス及びC5F8ガスのうち少なくとも1種を含み、
前記絶縁膜は、比誘電率が2.5以下の多孔質膜であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一つに記載のプラズマエッチング方法。 - 前記第1の処理ガスは、更にO2ガスを含むことを特徴とする請求項6に記載のプラズマエッチング方法。
- 前記第1の処理ガスは、CF4ガス、不活性ガス及びO2ガスを含み、更にCH2F2ガス及びCHF3ガスのうち少なくとも1種を含み、
前記第2の処理ガスは、Arガスと、窒素ガスまたはO2ガスと、を含み、更にC4F8ガス、C4F6ガス及びC5F8ガスのうち少なくとも1種を含み、
前記絶縁膜は、比誘電率が2.7以上3.0以下の高密度膜であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか一つに記載のプラズマエッチング方法。 - 前記第1の処理ガスは、更にC4F8ガス、C4F6ガス及びC5F8ガスのうち少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項8に記載のプラズマエッチング方法。
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