JP2009530851A - 低誘電率材料のイン・サイチュの裏側ポリマー除去を含むプラズマ誘電エッチング方法 - Google Patents
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Abstract
イン・サイチュでの裏側ポリマー除去のプラズマエッチングプロセスは、多孔性又は非多孔性カーボンドープされた酸化ケイ素誘電体層とフォトレジストマスクを表面に有するワークピースで開始される。ワークピースは、エッチングリアクタチャンバにおいて静電チャック上にクランプされる。このプロセスには、フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを導入し、ＲＦバイアス電力を静電チャックに、ＲＦソース電力をオーバーヘッド電極に印加して、誘電体層の露出した部分をエッチングし、一方で、保護フルオロ−カーボンポリマーをフォトレジストマスク上に堆積することが含まれる。このプロセスには、フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを除去し、水素ベースのプロセスガスを導入し、ＲＦソース電力をオーバーヘッド電極に印加することが更に含まれる。静電チャックのリフトピンを伸ばして、静電チャックの上にワークピースを上昇し、ワークピースの裏側をリアクタチャンバのプラズマに露出して、ポリマーが裏側から除去されるまで、裏側に以前に堆積したポリマーを還元する。
Description
集積回路の性能は、デバイス切り替え速度を増大し、相互接続密度を増大し、近接する導体間のクロストークを減少することにより、絶えず改良されている。低誘電率の新しい誘電性薄膜材料、例えば、多孔性カーボンドープ二酸化ケイ素を用いることにより、切り替え速度は増大し、クロストークは減少している。相互接続された導電性層の数を増やし、フィーチャーサイズ（例えば、線幅、穴直径）を減らすことにより、相互接続は増大している。かかる深い層間の接続には、高アスペクト比（深く狭い）の導体開口部又は「ビア」が必要である。かかる微細なフィーチャーには、短い波長に適合できるフォトレジスト（フォトリソグラフィー用）が必要である。かかるフォトレジストは、より薄くなる傾向があり、誘電エッチングプロセス中、ピンホールやストライエーションといった欠陥が形成される傾向がある。この問題は、誘電体内層絶縁フィルムのプラズマエッチング中、フルオロ−カーボン化学物質を用いて、保護フルオロ−カーボンポリマーを、フォトレジスト上に堆積することにより対処されている。エッチングプロセス後、ウェハに実施しなければならない後のプロセスを汚染するのを避けるために、ポリマーは、ウェハから除去されなければならない。従って、ポストエッチングポリマー除去ステップが実施される。しかしながら、ポストエッチングポリマー除去ステップにおいては、堆積したポリマーの全てを除去するのは難しい。これは、ポリマーの一部が、ウェハ端部と、ウェハ台座周囲のリングカラープロセスキットの間の間隙を通って、周囲でウェハ裏側に堆積するからである。かかる間隙は、静電チャック（ＥＳＣ）への妨害を避けるのに必要である。静電チャックは、ウェハを冷却表面に強制的にクランプして、プラズマエッチングプロセスの温度制御要件に適合するものである。ウェハ端部とリングカラーの間隙は、ポストエッチングポリマー除去ステップ中、ポリマーをウェハ裏側に通し、そこから除去するには、プラズマには狭すぎる。従って、この問題に対する従来のやり方では、ポストエッチングポリマーの除去ステップにおいて酸素プラズマを用い、カーボン含有材料（ポリマー及びフォトレジスト等）を酸化した後、ウェハを液体ＨＦ酸に浸漬するものである。このステップでは、単純なリモートプラズマ源による比較的高いウェハ温度（例えば、３００度以上）が可能な加熱ウェハサポート台座を有する別個の比較的安価な「アッシング」チャンバを用いる。このプロセスは、強固な材料である二酸化ケイ素のような従来の誘電体材料に悪影響を及ぼすものではない。しかしながら、かかる酸化プロセスは、多孔性カーボンドープ二酸化ケイ素のような新しい低誘電率絶縁材料には、大変な悪影響を及ぼす。ポストエッチングクリーニングステップの酸化化学物質は、カーボンをカーボンドープ二酸化ケイ素誘電体材料から除去し、最終的に、カーボンは大気中の水と入れ替わる。これによって、絶縁体の誘電率が増大し、主たる利点が失われる。かかる損傷は、断面画像で見ると、誘電体層側壁のアンダーカットとして明白である。このアンダーカットは、ポストエッチングクリーニングステップ後に、ウェハを希釈酸に浸漬することにより明らかになる。他の問題は、我々の調査によれば、かかる酸化プロセスでは、６０秒後でも、裏側ポリマーが完全に除去されないことである。
従って、余計なプロセス時間を必要とせずに、低誘電率絶縁材料に損傷を与えない、ウェハ裏側からポリマーを完全且つ迅速に除去する方法が求められている。
イン・サイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ：その場で）での裏側ポリマー除去のプラズマエッチングプロセスは、多孔性カーボンドープ二酸化ケイ素誘電体層を有するワークピースと、ワークピース表面のフォトレジストマスクで開始される。ワークピースは、エッチングリアクタチャンバにおいて、静電チャックにクランプされる。このプロセスには、フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを導入し、ＲＦバイアス電力を静電チャックに、且つ／又は、ＲＦソース電力をオーバーヘッド電極に印加して、誘電体層の露出した部分をエッチングし、一方で、保護フルオロ−カーボンポリマーをフォトレジストマスク上に堆積することが含まれる。このプロセスには、フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを除去し、水素ベースのプロセスガスを導入し、ＲＦソース電力をオーバーヘッド電極に印加することが更に含まれる。静電チャックのリフトピンを伸ばして、静電チャックの上にワークピースを上昇し、ワークピースの裏側をリアクタチャンバのプラズマに露出して、ポリマーが裏側から除去されるまで、裏側に以前に堆積したポリマーを除去する。
本発明は、ポストエッチングポリマー除去ステップを含む、低誘電率材料のエッチングプロセスの知見に基づくものであり、低誘電率絶縁層（例えば、多孔性カーボンドープ二酸化ケイ素）を損傷せずに、裏側ポリマーを、６０秒未満以内に完全に除去するものである。本発明を具体化するエッチングプロセスを図１に示す。図２には、図１のプロセスを用いて形成することのできる薄膜構造の一例を示す。図２に示すフォトレジストマスク１０は、誘電体層１２上に堆積されており、マスク１０は、誘電体層１２にエッチングされるフィーチャー１８に対応するアパーチャ１０ａを有している。これは、図１のブロック７０のステップに対応する。フィーチャーは、狭いビア１８でよい。ビア１８は、誘電体層１２及びバリア層２０を通して延在していて、銅線２２の上部表面を露出している。誘電体層は、低誘電率材料、例えば、多孔性カーボンドープ二酸化ケイ素や多孔性有機シリケート材料である。バリア層２０は、薄膜構造を通して金属（銅）原子の拡散をブロックできる低誘電率材料、例えば、窒素ドープ炭化ケイ素である。図１のブロック７２のステップでは、フルオロ−カーボン含有プロセスガスのプラズマを用いて、フォトレジスト層１０の開口部下にある誘電体材料１２の部分をエッチングして除去することにより、図２のビア１８が形成される。このステップは、プラズマエッチングリアクタ、例えば、ウェハ２８を処理するための、図３に図示したタイプの容量結合プラズマエッチングリアクタで実施される。図３のエッチングリアクタは、側壁３０、インピーダンス整合３３ｂを通して、ＲＦプラズマソース電力生成器３３ａにより、ガスパネル３２ａ及びＲＦ駆動により供給されるオーバーヘッド電極／ガスシャワーヘッド３２、直流チャッキング電圧コントローラ３６ａにより制御され、インピーダンス整合３７ｂを通して、ＲＦバイアス生成器３７ａにより駆動される内部電極３６を備えた静電チャック３４、及びチャック３４の下に延在するウェハ２８の周囲部分の下にあるリングカラー３８又はプロセスキットを有している。ウェハ２８は、通常のリフトピン５８により、静電チャック３４に上げ（図３の点線ウェハ２８）下げ（図３の実線ウェハ２８）される。直流チャッキング電圧が電極３６に印加された時の静電チャック３４のウェハクランプ機能により、ウェハ２８が、静電チャック３４にクランプされている間、カラー３８とウェハ２８の裏側の間の間隙３９が、カラー３８による妨害を防ぐ。図１のブロック７２のエッチングステップ中、フルオロ−カーボンプロセスガスは、単純なフルオロ−カーボンエッチング種と、重い、カーボンリッチなポリマー形成種に解離されて、図２のフォトレジスト１０に保護層１１を形成する。ポリマー形成種は、ウェハ−カラー間隙を通って移動して、ウェハ２８の裏側に環形裏側ポリマー層４０を形成する。
次のステップ、図１のブロック７４で、フルオロ−カーボンプロセスガスを、エッチングリアクタチャンバから除去し、水蒸気の割合の少ない水素プロセスガスと置換する。プラズマソース電力（例えば、１６２ＭＨｚ ＲＦ電力）を、天井電極３２に印加する（図１のブロック７６）。ソース電力を印加する前に、リフトピン５８を伸ばして、ウェハ２８を静電チャック３４の上に上げて、ウェハ裏側を露出する（図１のブロック７８）。（或いは、ブロック７６と７８のステップの順番は逆にしてもよい。）その結果、還元プラズマが、チャンバに生成されて、裏側ポリマーフィルム４０のカーボンを還元して、このフィルムを除去する。還元剤は水素である。水素プロセスガスに、水蒸気を含めるのが好ましい。水素を更に添加するよりも、水を添加した方が、チャンバ中のフリー水素の数が増えることが分かったからである。この現象は、発光分析により観察した。それによれば、水素線は、水蒸気の添加に逆比例して増大しているのが示されている。エッチングリアクタチャンバにおける水素のこの増大により、ポリマーが還元される速度が増大する。
ウェハ２８は、非常に短い時間（例えば、６０秒）、還元プラズマ中で、リフトピン５８により持ち上げられた位置に保持される。その間に、全ての裏側ポリマーフィルム４０が完全に除去される。
還元化学物質（即ち、水素プロセスガス）を用いると、６０秒以内に、裏側ポリマーが完全に除去されることが、本発明により知見された。明らかに、プロセスガス中の水素は、ハイドロ−カーボン化合物を形成することにより、ポリマー中のカーボンを還元するが、多孔性カーボンドープ二酸化ケイ素誘電体材料中のカーボンは殆ど、又は全く還元しない（図２の絶縁層１２）。
図４の急な曲線は、ウェハ裏側の初期の状態に対応しており、大量の裏側ポリマーを示している。図４の平坦な曲線は、ポリマー除去ステップ後に得られたものであり、還元化学物質を、図３のエッチングリアクタで用い、ウェハ２８をエッチングリアクタから移動することなく、全ての裏側ポリマーの完全な除去を示している。このように、還元化学物質が、外部熱源（加熱基板等）なしで、効率的に作用することは、意外な結果である。還元化学物質によって、低誘電率絶縁材料１２への損傷が観察されないことは他の意外な結果である（これに対し、酸化化学物質だと、低誘電率絶縁材料に大きな損傷を与える）。カーボンドープ二酸化ケイ素薄膜に対する損傷は、誘電体エッチングステップを実施し、裏側ポリマー除去ステップを実施し、最後に、希釈ＨＦにウェハを浸漬することにより、我々の調査で確認された。その後、各断面の走査電子顕微鏡画像を得た。従来の酸化ポスト−エッチングポリマー除去技術を用いて処理されたウェハについては、エッチング断面画像から、エッチングされた構造に大きなアンダーカットがあることが分かった。しかしながら、ポストエッチング裏側ポリマー除去ステップで還元化学物質を用いたウェハについては、多孔性カーボンドープ二酸化ケイ素のアンダーカット又は損傷は、エッチング断面のＳＥＭ画像から、アンダーカットは２ｎｍ以下（無視できる量）と非常に少なかった。水素ガス及び水蒸気を用いたポリマー除去プロセスは、全ての裏側ポリマー層４０を、比較的低温で、効率的に除去することは（例えば、４０〜６０秒以内に）、最も意外な結果である。ゲラルドＡ．デルガディーノらにより「低誘電率材料のエクス・サイチュの裏側ポリマー除去を含むプラズマ誘電体エッチングプロセス」の名称で出願され、本譲渡人に譲渡された、関連する同時係属中の米国特許出願（本出願と同時に出願したため、出願番号は不明）では、高温が必要であることが予測されるように、ウェハを高温（例えば、１００〜４００℃）まで加熱した後、裏側ポリマーを除去するのに、水素及び水蒸気プロセスガスを用いて実施されている。しかしながら、本発明では、低誘電率絶縁体フィルムを、前のステップでエッチングしておき、エッチングリアクタにおいて、水素及び水蒸気の化学反応によりポリマー裏側除去ステップを実施する。かかるエッチングリアクタは、低温（例えば、６０〜１００℃）でバルクウェハ温度を維持できなければならない。従って、その静電チャック３４は、６０度より高くウェハを加熱できず、実際は、ウェハを冷却するのが好適である。従って、図１のブロック７８のリフトピンを上げるステップを行って、ウェハを静電チャック３４の上に上げる時、ウェハは比較的低温である。従来の予想では、水素と水蒸気のプラズマの化学反応には、裏側ポリマーフィルム４０を除去するのに長い時間が必要か、それを完全に除去することはできないというものであった。我々の知見によれば、プロセスは非常に効率的であり、僅か４０〜６０秒以内で、全ての裏側ポリマーフィルム４０が除去されるという意外な結果が得られる。１つの理由は、ポリマー還元（水素ベース）の化学反応が、低ウェハ温度であるにも関わらず、効率的で、図３のオーバーヘッド電極３２に印加されたＲＦソース電力が、非常に高い周波数（ＶＨＦ）範囲、即ち、２７ＭＨｚ〜４００ＭＨｚ、本実施例において、具体的には、１６２ＭＨｚであり、その電力の大部分（約９０％）が、プラズマ中のイオン解離に寄与する傾向があり、従って、極めて高度なプラズマイオン解離及び大量のフリー水素が得られるからである。他の理由は、裏側ポリマー除去ステップを、後述するように、比較的低圧（例えば、５００ｍＴ）で実施して、低圧と高解離の組み合わせによって、プロセスが促進され、ウェハを加熱する必要が排除されるからである。従来のポリマー除去プロセスでは、非常に高いチャンバ圧（例えば、２トル）と共に、非常に高いウェハ温度が用いられてきた。このように、従来のやり方とは異なる我々のプロセスによれば、低チャンバ圧及び比較的低いウェハ温度で操作することにより、意外な成果が得られた。
ブロック７４、７６及び７８の裏側ポリマー除去ステップの一例において、２０００ワットのＲＦソース電力（例えば、１６２ＭＨｚ）を、図３のエッチングリアクタの天井電極３２に印加し、２０００ｓｃｃｍの水素ガス及び１００ｓｃｃｍの水蒸気を、５００ｍＴのチャンバ圧で、ガスパネル３２ａにより供給した。このプロセスにより、全ての裏側ポリマーフィルム（図３）が、６０秒で除去された。フィルム４０の除去前の厚さは４００オングストロームあった。我々は、３００ｍＴが理想的な圧力（我々の実験によれば、低圧だと解離が増大することが示されているため）であり、チャンバ圧を９００ｍＴと高く上げたり、３０ｍＴ未満に減じると、悪い結果となることを見出した。通常、プロセスガスは、主に、純粋な水素ガスであり、その大部分がフリー水素へと解離する。水蒸気含量は、プロセスガスの水素含量の一部であり、発光分析により示されるガスのフリー水素含量が最大となるように調節する。水蒸気フローレートは、典型的に、水素ガスフローレートの僅か一部であり、水素フローレートの１０分の一又は１２分の一と少ない（上記の実施例のように）。水蒸気をプロセスガスから排除することができるが、かかる選択は好ましくない。
図３の全ての裏側ポリマーフィルム４０が除去された後（例えば、約４０〜６０秒後）、リフトピン５８を縮めてウェハ２８を静電チャック３４に戻し、ウェハ２８を静電的にチャック３４にクランプする（図１のブロック８０）。プロセスステップを更に実施して、裏側ポリマー除去ステップ中に除去されなかったフォトレジストを除去する。水素−水プロセスガスを、アンモニアプロセスガスと交換し、ＲＦバイアス電力を、図３のＲＦバイアス電力生成器３７ａにより静電チャック３４に印加する（図１のブロック８２）。このステップを、全てのフォトレジストが除去されるまで続ける（図１のブロック８４）このステップにより、ウェハから残ったフォトレジストを除去する。図１のブロック７４、７６及び７８の裏側ポリマー除去ステップにより、裏側ポリマー４０とフォトレジスト１０の両方が除去されたことが分かった場合には、ブロック８０、８２及び８４のフォトレジスト除去ステップを省いてもよい。
本発明のプロセスは、多孔性と非多孔性の両方をエッチングするのに有用である。本発明のプロセスは、多孔性と非多孔性のカーボンドープ材料（例えば、カーボン−ドープケイ素）の両方をエッチングするのに有用である。多孔性酸化物（例えば、多孔性二酸化ケイ素）のような他の低ｋ誘電性材料をエッチングするのにも有用である。エッチングプロセスは、ビア、トレンチ又はこの２つの組み合わせを形成するものであってもよい。
Claims (20)
- イン・サイチュの裏側ポリマー除去を含むプラズマエッチング方法であって、
カーボンドープされた酸化ケイ素誘電体層を有するワークピースを提供する工程と、
前記ワークピースの表面にフォトレジストマスクを画定する工程と、
前記ワークピースを、エッチングリアクタチャンバにおいて静電チャック上にクランプする工程と、
フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを導入し、ＲＦバイアス電力を前記静電チャックへ、ＲＦソース電力をオーバーヘッド電極へ印加して、前記誘電体層の露出した部分をエッチングし、一方で、保護フルオロ−カーボンポリマーを前記フォトレジストマスクに堆積する工程と、
前記フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを除去し、水素ベースのプロセスガスを導入し、前記静電チャックのリフトピンを伸ばして、前記静電チャック上に前記ワークピースを上昇し、前記ワークピースの裏側をリアクタチャンバのプラズマに露出し、ポリマーが前記裏側から除去されるまで、ＲＦソース電力を前記オーバーヘッド電極に適用して、前記裏側に以前に堆積したポリマーを還元する工程とを含む方法。 - 前記水素ベースのプロセスガスの導入の際に、前記オーバーヘッド電極に印加された前記ＲＦソース電力がＶＨＦ周波数である請求項１記載の方法。
- 前記ＶＨＦ周波数が約１６２ＭＨｚである請求項２記載の方法。
- 約数百ミリトルの低チャンバ圧で前記裏側から前記ポリマーを除去する間、チャンバ圧を維持する工程を含む請求項２記載の方法。
- 前記チャンバ圧が約５００ミリトルである請求項４記載の方法。
- 前記リフトピンを伸ばす工程の直前に、約６０〜１００℃より低いウェハ温度を設定する工程を含む請求項４記載の方法。
- 前記水素ベースのプロセスガスを除去してフォトレジスト除去プロセスガスを導入する工程と、ＲＦバイアス電力を前記静電チャックに印加して、全てのフォトレジストを前記ワークピースから除去する工程を含む請求項１記載の方法。
- 前記水素プロセスガスが純粋な水素を含有する請求項１記載の方法。
- 前記水素プロセスガスが水素ガスと水蒸気の両方を含有する請求項１記載の方法。
- 水素ベースのプロセスガスを導入する工程が、水素ガスを第１の速度で、水蒸気を第２の速度で、プラズマ生成領域に流す工程を含み、前記第１の速度が前記第２の速度より早い請求項１記載の方法。
- 前記第１の速度が前記第２の速度の１０倍以上である請求項１０記載の方法。
- 前記第１の速度が前記第２の速度の２０倍以上である請求項１０記載の方法。
- 前記ワークピースの前記裏側からポリマーを除去している間に印加される前記ＲＦソース電力が、約２０００ワットである請求項２記載の方法。
- イン・サイチュの裏側ポリマー除去を含むプラズマエッチング方法であって、
カーボンドープされた酸化ケイ素誘電体層を有するワークピースを提供する工程と、
前記ワークピースの表面にフォトレジストマスクを画定する工程と、
前記ワークピースを、エッチングリアクタチャンバにおいて静電チャック上にクランプする工程と、
フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを導入し、ＲＦバイアス電力を前記静電チャックへ、ＲＦソース電力をオーバーヘッド電極へ印加して、前記誘電体層の露出した部分をエッチングし、一方で、保護フルオロ−カーボンポリマーを前記フォトレジストマスクに堆積する工程と、
前記フルオロ−カーボンベースのプロセスガスを除去し、水素ガスと少量の水蒸気の水素ベースのプロセスガスを導入し、前記静電チャックのリフトピンを伸ばして、前記静電チャック上に前記ワークピースを上昇し、前記ワークピースの裏側をリアクタチャンバのプラズマに露出し、ポリマーが前記裏側から除去されるまで、ＶＨＦ周波数および数千ワットの電力レベルのＲＦソース電力を前記オーバーヘッド電極に適用し、約数百ミリトルの低チャンバ圧を維持し、一方で、バルクウェハ温度を約６０〜１００℃未満に設定して、前記裏側に以前に堆積したポリマーを還元する工程とを含む方法。 - 前記水素ベースのプロセスガスを除去してフォトレジスト除去プロセスガスを導入する工程と、ＲＦバイアス電力を前記静電チャックに印加して、全てのフォトレジストを前記ワークピースから除去する工程を含む請求項１４記載の方法。
- 前記フォトレジスト除去プロセスガスがアンモニアである請求項１５記載の方法。
- 水素ベースのプロセスガスを導入する工程が、水素ガスを第１の速度で、水蒸気を第２の速度でプラズマ生成領域に流す工程を含み、前記第１の速度が前記第２の速度より早い請求項１４記載の方法。
- 前記第１の速度が前記第２の速度の１０倍以上である請求項１７記載の方法。
- 前記第１の速度が前記第２の速度の２０倍以上である請求項１７記載の方法。
- 前記ワークピースの前記裏側からポリマーを除去している間に印加される前記ＲＦソース電力が約２０００ワットであり、前記ＶＨＦ周波数が約１６２ＭＨｚである請求項１４記載の方法。
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