JP2009530871A - 誘電性バリア層を高い選択性でエッチングする方法 - Google Patents

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Abstract

誘電性バリア層を誘電性バルク絶縁層に対して高い選択性でもってエッチングするための方法を提供する。一実施形態において、本方法は、誘電性バルク絶縁層を介してその一部が露出している誘電性バリア層を有する基板をリアクタ内に配置し、Hガス、フッ素含有ガス、少なくともインサートガスを含有するガス混合物をリアクタ内に流し、誘電性バリア層の露出部位を誘電性バルク絶縁層に対して選択的にエッチングすることを含む。

Description

発明の背景
(発明の分野)
本発明は、概して、半導体加工技術、より具体的には半導体処理において誘電性バリア層を誘電性バルク絶縁層に対して高い選択性でもってエッチングするための方法に関する。
(関連技術の説明)
集積回路は、1枚のチップ上に何百万もの構成要素(例えば、トランジスタ、キャパシタ及び抵抗)を含み得る複雑なデバイスへと進化してきた。チップ設計の進化は、常に、より速い回路とより高い回路密度を要求している。より高い回路密度への需要により、集積回路構成要素の寸法の縮小が必要とされている。
集積回路構成要素の寸法が縮小されるにつれ(例えば、サブミクロン寸法)、このような構成要素の作製に使用される材料が、その電気的性能に関わってくる。例えば、抵抗の低い金属配線(例えば、銅及びアルミニウム)が、集積回路上の構成要素間の導電路となる。
典型的には、金属配線は、誘電性バルク絶縁材料によって互いに電気的に絶縁されている。隣り合う金属配線間の距離及び/又は誘電性バルク絶縁材料の厚みがサブミクロン寸法であると、このような配線間で容量結合が起こる可能性がある。隣り合う金属配線間での容量結合によりクロストーク及び/又は抵抗・キャパシタンス(RC)遅延が起こり、これにより集積回路の全体としての性能が低下する場合がある。
隣り合う金属配線間での容量結合を最小限に抑えるため、低誘電率のバルク絶縁材料(例えば、約4.0より低い誘電率)が必要とされている。低誘電率のバルク絶縁材料の例には、とりわけ二酸化ケイ素(SiO)、ケイ酸塩ガラス、フッ化ケイ酸塩ガラス(FSG)、及び炭素ドープ酸化ケイ素(SiOC)が含まれる。
加えて、誘電性バリア層が、金属配線を誘電性バルク絶縁材料から隔てていることが多い。誘電性バリア層により、誘電性バルク絶縁材料への金属の拡散が最小限に抑えられる。誘電性バルク絶縁材料への金属の拡散は望ましくなく、これはこのような拡散が集積回路の電気的性能に影響を与える、又は集積回路を動作不能とする場合があるからである。誘電性層は、導電線間の誘電性積層体の低k特性を維持するために低誘電率を有する必要がある。誘電性バリア層は、誘電性バルク絶縁層エッチング処理におけるエッチング停止層としても機能するため、その下の金属がエッチング環境に曝露されない。誘電性バリア層は、約5.5以下の誘電率を有している。誘電性バリア層の例は、とりわけ炭化ケイ素(SiC)及び窒素含有炭化ケイ素(SiCN)である。
多層配線構造(例えば、デュアルダマシン構造)を含む集積回路構成要素もある。多層配線構造は、互いに積層された2つ以上のバルク絶縁層と、低誘電性バリア層と、金属層を有し得る。図1Aに図示のデュアルダマシン構造例として、その下に誘電性バリア層106を備えた誘電性バルク絶縁層108が、別の誘電性バルク絶縁層102に導電層104が埋設された、別の前もって形成された配線上に積層されている。ビア/トレンチエッチング処理が完了し、ビア/トレンチ110が誘電性バルク絶縁層108上に画成されたら、ビア/トレンチ110によって画成される誘電性バリア層106の露出部位を続いて除去してその下の導電層104を露出させ、図1Bに図示されるように、ビア/トレンチを介して、続いて堆積される導電層116を接続及び接合することが可能である。しかしながら、バルク絶縁層108及び誘電性バリア層106として選択される材料は類似していることから、これらの層のエッチング性は同じようなものとなり、エッチング中の選択性が不良となる。図1Cに図示されるように、誘電性バリア層106がエッチングされるにつれ、同時に誘電性バルク絶縁層108も反応性エッチャント種による攻撃を受け、層114の最上部及び/又は側壁が不均一又は先細りの形状となる場合がある。図1Dに図示されるように、誘電性バリア層の下の導電層104がトレンチ開口部110と揃っていない実施形態においては、その下の誘電性バルク絶縁層102に対しての選択性の悪さから、誘電性バルク絶縁層102が誘電性バリア層106のエッチング中に攻撃されてしまうことがある(112)。
従って、誘電性バリア層を誘電性バルク絶縁層に対して高い選択性でもってエッチングするための方法が必要とされる。
発明の概要
誘電性バリア層を誘電性バルク絶縁層に対して高い選択性でもってエッチングするための方法を本発明にて提供する。一実施形態において、誘電性バリア層をエッチングするための方法は、誘電性バルク絶縁層を介してその一部が露出している誘電性バリア層を有する基板をリアクタ内に配置し、Hガスを含有するガス混合物をリアクタ内に流し、誘電性バリア層の露出部位を誘電性バルク絶縁層に対して選択的にエッチングすることを含む。
別の実施形態において、誘電性バリア層をエッチングするための方法は、誘電性バルク絶縁層を介してその一部が露出している誘電性バリア層を有する基板をリアクタ内に配置し、Hガス及びフッ素含有ガスを含有するガス混合物をリアクタ内に流し、誘電性バリア層の露出部位を、ガス混合物から生成したプラズマの存在下でエッチングすることを含む。
更に別の実施形態において、誘電性バリア層をエッチングするための方法は、誘電性バルク絶縁層を介してその一部が露出している誘電性バリア層を有する基板をリアクタ内に配置することを含み、誘電性バリア層は炭素含有ケイ素膜であり、本方法は更にHガス、フッ素含有ガス及び少なくとも1つのインサートガスを含有するガス混合物をリアクタ内に流し、誘電性バリア層の露出部位を誘電性バルク絶縁層に対して選択的にエッチングすることを含む。
詳細な説明
本発明の実施形態は、誘電性バリア層を誘電性バルク絶縁層に対して高い選択性でもってエッチングするための方法を含む。本方法により、基板上に形成された特徴部のプロファイルと寸法が保たれ、誘電性バリア層は、隣り合う誘電性バルク絶縁層及び/又はその下の導電層と誘電性バルク絶縁層を実質的に攻撃することなく選択的にエッチングされる。この高いエッチング選択性は、水素ガス(H)を含有するガス混合物を用いて誘電性バリア層をエッチングすることで達成される。
図2は本発明による誘電性バリア層のエッチングの実行に適したプラズマソースエッチングリアクタ202の一実施形態の概略断面図である。本発明を実行するのに適したこのようなエッチングリアクタの1つは、カリフォルニア州サンタクララのアプライドマテリアル社から入手可能なイネーブラ(ENABLER(商標名))処理チャンバである。本明細書に記載の誘電性バリア層エッチング処理は、その他の製造業者からのものを含め、その他のエッチングリアクタで実行することも考えられる。
一実施形態において、リアクタ202は、導電性チャンバ壁部230を有する処理チャンバ210を含む。チャンバ壁部230の温度は、壁部230内及び/又はその周囲に設置された液体含有導管(図示せず)を用いて制御される。
チャンバ210は高真空容器であり、絞り弁227を介して真空ポンプ236に連結されている。チャンバ壁部230は、アース234に接続されている。ライナ231がチャンバ210内に配置され、壁部230の内面を被覆している。ライナ231によりチャンバ210のその場での自己洗浄能が向上し、ライナ231上に堆積した副生成物及び残留物をライナ231から容易に除去することが可能である。
処理チャンバ210は、支持台座部216とシャワーヘッド232も含む。支持台座部216は、シャワーヘッド232の下に離間関係で配置されている。支持台座部216は、処理の間、基板200を保持するための静電チャック226を含んでいてもよい。静電チャック226への電力は、DC電源220によって制御される。
支持台座部216は、整合回路224を介して高周波(RF)バイアス電源222に連結されている。バイアス電源222は、通常、約50kHzから約60MHzの調節可能な周波数と約0から5000ワットのバイアス電力を有するRF信号を発生可能である。任意で、バイアス電源222はDC又はパルスDC電源であってもよい。
支持台座部216上で支持されている基板200の温度は、支持台座部216の温度を調節することで少なくとも部分的に制御される。一実施形態において、支持台座部216は、冷却液を流すための流路がその内部に形成されている冷却板(図示せず)を含む。加えて、ガス供給源248からのヘリウム(He)ガス等の背面ガスを基板200の裏面と静電チャック226の表面に形成された溝部(図示せず)との間に配置された流路に供給する。背面Heガスにより、台座部216と基板200との間で効率的な熱伝達が行われる。静電チャック226は、チャック本体内にチャック226を処理中に熱するための抵抗ヒータ(図示せず)も含んでいてよい。一実施形態において、基板200は温度約10℃から約500℃で維持される。
シャワーヘッド232は、処理チャンバ210の蓋部213に取り付けられる。ガスパネル238は、シャワーヘッド232と蓋部213との間に画成されたプレナム(図示せず)に流体的に連結されている。シャワーヘッド232は、ガスパネル238からプレナムへと供給されたガスの処理チャンバ210への進入を可能にする複数の孔を含む。シャワーヘッド232の複数の孔を別々のゾーンに配列し、各種ガスを異なる体積流量でもってチャンバ210内へと放出可能としてもよい。
シャワーヘッド232及び/又はシャワーヘッドに近接して位置決めされた上部電極228は、インピーダンス変成器219(例えば、1/4波長整合スタブ)を介してRFソース電力218に連結されている。RFソース電力218は、通常、約160MHzの調節可能な周波数と、約0から5000ワットのソース電力を有するRF信号を発生可能である。
リアクタ202は、チャンバ壁部230の外部の、チャンバ蓋部213付近に位置決めされた1つ以上のコイルセグメント又は磁石212も含んでいてよい。コイルセグメント212への電力は、DC電源又は低周波AC電源254によって制御される。
基板の処理中、チャンバ210内部のガス圧は、ガスパネル238及び絞り弁227を用いて制御される。一実施形態において、チャンバ210内部のガス圧は、約0.1から999mTorrで維持される。
中央演算処理装置(CPU)244、メモリ242及びサポート回路246を含む制御装置240がリアクタ202の各種構成要素に連結され、本発明の処理の制御を円滑に行っている。メモリ242はいずれのコンピュータ可読性媒体であってもよく、例えばランダムアクセスメモリ(RAM)、読み出し専用メモリ(ROM)、フロッピー(商標名)ディスク、ハードディスク、又はリアクタ202又はCPU244に対してローカル又はリモートであるその他の形態のデジタルストレージである。サポート回路246はCPU244に連結され、慣用のやり方でCPU244をサポートする。これらの回路はキャッシュ、電源、クロック回路、入力/出力回路、サブシステム等を含む。メモリ242内に保存されたソフトウェアルーチン又は一連のプログラム命令は、CPU244によって実行されると、リアクタ202に本発明のエッチング処理を実行させる。
図2は、本発明の実施に使用可能な様々なタイプのプラズマリアクタの一構成例を図示しているにすぎない。例えば、異なるタイプのソース電力とバイアス電力を、異なる結合機構を用いてプラズマチャンバに結合することが可能である。ソース電力とバイアス電力の双方を用いることで、プラズマ密度とプラズマに対しての基板のバイアス電圧を独立して制御することが可能となる。応用例によってはソース電力は必要なく、プラズマはバイアス電力だけで維持される。プラズマ密度は、低周波(例えば、0.1―0.5ヘルツ)のAC電流源又はDC電流源で駆動される電磁石を用いて、真空チャンバに磁場を印加することで増強することが可能である。その他の応用例においては、プラズマを、その中に基板が配置されているチャンバとは別のチャンバ、例えば遠隔プラズマ源で発生させ、続いて業界で既知の技法を用いてプラズマをチャンバに誘導することができる。
図3は、本発明の一実施形態による、誘電性バリア層除去処理300の一実施形態のフロー図を示す。図4A−4Bは、誘電性バリア層除去処理300の一連の工程を示す概略断面図である。処理300は命令としてメモリ242に保存することができ、制御装置240によって実行されると、処理300がリアクタ202内で実行される。
処理300は工程302から始まり、配線構造において誘電性バリア層を有する基板400をリアクタ202内に設置する。図4Aに図示されるように、誘電性積層体412は、銅線等の少なくとも1つの導電層404が埋設された層402の上に配置される。誘電性積層体412は、誘電性バルク絶縁層408を誘電性バリア層406上に含む。トレンチ/ビア410は、デュアルダマシンエッチング法等の慣用のエッチング方法を用いて誘電性バルク絶縁層408に形成される。一実施形態において、誘電性バルク絶縁層408は、4.0未満の誘電率を有する誘電体である(低k材料)。適した材料の例には、アプライドマテリアル社から入手可能なブラックダイヤモンド(商標名)誘電体等の炭素含有酸化ケイ素(SiOC)及びポリアミド等のその他の低k重合体が含まれる。
誘電性バリア層406は、約5.5以下の誘電率を有している。一実施形態において、誘電性バリア層406は炭素含有ケイ素層(SiC)、窒素ドープ炭素含有ケイ素層(SiCN)等である。図4Aに図示の実施形態において、誘電性バリア層はSiCN膜である。誘電性バリア層材料の例はブロック(BLOK(商標名))誘電体であり、アプライドマテリアル社から入手可能である。
図4Aに図示の実施形態において、誘電性積層体410は開口部を介してエッチングされ、トレンチ又はビア等の特徴部410が誘電性バリア層406上の誘電性バルク絶縁層408に画成される。誘電性バルク絶縁層408の一部を除去して誘電性バリア層406の表面414を露出させる。層402内に存在する導電層404は誘電性バリア層406に形成された特徴部410の下にある。一実施形態において、誘電性バルク絶縁層408は、フッ素と炭素から生成されたプラズマを用いてエッチングされる。誘電性バルク絶縁層408は、図2に図示のリアクタ202等のエッチングチャンバ又はその他の適したリアクタ内でエッチングすることができる。
一実施形態において、エッチング処理は、四フッ化炭素(CF)等の炭素・フッ素含有ガスを流量約5から約250sccmで供給し、約50ワットから約2000ワットの電力を印加し、温度を約0℃から約50℃に維持し、リアクタ内の処理圧力を約5mTorrから約200mTorrに制御することで行うことができる。別の実施形態においては、アルゴン(Ar)等の少なくともキャリアガスも、炭素・フッ素含有ガスと共にリアクタに供給することができる。キャリアガスは、流量約50から約500sccmで供給することができる。
工程304で、Hガスを含有するガス混合物をリアクタ202に供給し、誘電性バルク絶縁層408に形成された特徴部410によって画成された誘電性バリア層406の露出部をエッチングする。ガス混合物と共に供給されるHガスは、誘電性バリア層406の窒素及び炭素成分と反応する遊離水素ラジカルを発生させることで誘電性バリア層406のエッチングを促進し、実質的に誘電性バルク絶縁層408をエッチングすることなく、誘電性バリア層406を選択的に分解する。一実施形態において、ガス混合物はHガス及びフッ素含有ガスを含み得るが、これらに限定されるものではない。フッ素含有ガスの適切な例には、CH、CHF、CHF、C、CF、C、C、C等が含まれ得るが、これらに限定されるものではない。別の実施形態において、ガス混合物はHガス、フッ素含有ガス及び少なくとも1つのインサートガスを含み得る。インサートガスは、アルゴンガス(Ar)、ヘリウムガス(He)、一酸化窒素(NO)、一酸化炭素(CO)、亜酸化窒素(NO)、酸素ガス(O)、窒素ガス(N)等から成る群から選択することができる。下層である導電層404のエッチング中の酸化を防止する実施形態においては、ガス混合物は酸素を含有するいかなるガスも含まない。
ガス混合物をエッチングリアクタに供給しながら、幾つかの処理パラメータを工程304で調節する。一実施形態において、エッチングリアクタ内のガス混合物の圧力は、約10mTorrから約200mTorr、例えば約20mTorrから約60mTorrに調節され、基板温度は約0℃から約50℃、例えば約0℃から約25℃に維持される。
工程306で、ガス混合物からプラズマを生成して露出した誘電性バリア層406をエッチングし、図4Bに図示されるように、誘電性バルク絶縁層408のトレンチ410によって画成された誘電性バリア層406を基板上の導電層402から除去する。一実施形態において、RFソース電力を電力約100ワットから約800ワットで印加して、ガス混合物からプラズマを得ることができる。Hガスは、流量約5sccmから約100sccm、例えば約20sccmから約60sccmで供給することができる。CH等のフッ素含有ガスは、流量約0sccmから約80sccm、例えば、約10sccmから約30sccmで供給することができる。Ar又はO等のインサートガスは、流量約50sccmから約500sccm、例えば、約100sccmから約200sccmで供給することができる。エッチング時間は、約10秒から約80秒であってもよい。
ガス含有ガス混合物を用いたエッチング処理により、誘電性バリア層406を、隣接する及び/又はその下の誘電性バルク絶縁層408を攻撃することのないやり方で選択的にエッチングすることが可能になる。誘電性バリア層406をエッチングするためのエッチングガス混合物は、誘電性バリア層406に含まれる窒素及び炭素結合と主に反応する水素フリーラジカルを発生させることで誘電性バルク絶縁層408に対しての高い選択性を生み出し、トレンチ410によって画成された誘電性バリア層406の露出部の均一なエッチングを可能にしている。一実施形態において、誘電性バリア層406のバルク絶縁層408に対しての選択性は、少なくとも5、例えば15である。
誘電性バリア層406のエッチング処理は、その下の導電層404が露出されたと知らせる終点に達した後に終了となる。終点は、いずれの適した方法によっても求めることができる。例えば、終点は、光学放射を監視すること、所定の時間が経過すること又はエッチング対象である誘電性バリア層406が十分に除去されたことを判定するための別の指標によって求めることができる。
従って、本発明により、誘電性バリア層を誘電性バルク絶縁層に対して高い選択性でもってエッチングするための改善された方法が得られる。本発明は、誘電性バルク絶縁層内のトレンチによって画成された誘電性バリア層を選択的にエッチングすることで、配線構造における特徴部のプロファイルと寸法を向上させており、有利である。
上記は本発明の実施形態を対象としているが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明のその他及び更に別の実施形態を創作することができ、本発明の範囲は特許請求の範囲に基づいて定められる。
本発明の上述した構成が得られ、詳細に理解されるように、上記で簡単に要約された本発明のより具体的な説明が実施形態を参照して行われ、これらは添付図面に示されている。
配線構造例の断面図である。 本発明の一実施形態で使用のプラズマリアクタの概略断面図である。 本発明の一実施形態による配線構造上での誘電性バリア層の除去処理の一実施形態のフロー図である。 露出した誘電性バリア層を基板上に有する配線構造の一実施形態の断面図である。
円滑な理解のために、可能な限り、図面で共通する同一要素は同一参照番号を用いて表した。一実施形態における要素と構成は、特に記載することなくその他の実施形態にて有利に利用可能である。
しかしながら、添付図面は本発明の例示的な実施形態だけを図示しており、本発明はその他の同等に効果的な実施形態も含み得るため、本発明の範囲を制限すると解釈されないことに留意すべきである。

Claims (23)

  1. 配線構造において誘電性バリア層をエッチングするための方法であり、
    誘電性バルク絶縁層を介してその一部が露出している誘電性バリア層を有する基板をリアクタ内に配置し、
    少なくともHガスを含有するガス混合物をリアクタ内に流し、
    誘電性バリア層の露出部位を誘電性バルク絶縁層に対して選択的にエッチングすることを含む方法。
  2. ガス混合物を流す工程が、フッ素含有ガスをHガスと共にリアクタ内に流すことを更に含む請求項1記載の方法。
  3. ガス混合物を流す工程が、少なくとも1つのインサートガスをリアクタ内に流すことを更に含む請求項1記載の方法。
  4. ガス混合物を流す工程が、Hを流量5sccmから約100sccmで流すことを更に含む請求項1記載の方法。
  5. エッチング工程が、
    処理圧力を約10mTorrから約200mTorrに維持し、
    基板温度を約0℃から約50℃に制御し、
    約100ワットから約800ワットのプラズマ電力を印加することを更に含む請求項1記載の方法。
  6. フッ素含有ガスを流す工程が、フッ素含有ガスを流量約0sccmから約80sccmで流すことを更に含む請求項2記載の方法。
  7. フッ素含有ガスがCH、CHF、CHF、C、CF及びCから成る群から選択される請求項2記載の方法。
  8. インサートガスを流す工程が、インサートガスを流量50sccmから約500sccmで流すことを更に含む請求項3記載の方法。
  9. インサートガスがAr、O、CO、NO、NO、He及びNから成る群から選択される請求項3記載の方法。
  10. 誘電性バリア層が5.5未満の誘電率を有しており、誘電性絶縁層が4未満の誘電率を有している請求項1記載の方法。
  11. 誘電性層が炭素含有ケイ素膜である請求項1記載の方法。
  12. 露出した誘電性バリア層を除去し、
    誘電性バリア層の下に配置された、基板上の下層である導電層を露出させることを更に含む請求項1記載の方法。
  13. 配線構造において誘電性バリア層をエッチングするための方法であり、
    誘電性バルク絶縁層を介してその一部が露出している誘電性バリア層を有する基板をリアクタ内に配置し、
    ガス及びフッ素含有ガスを含有するガス混合物をリアクタ内に流し、
    誘電性バリア層の露出部位をガス混合物から生成されたプラズマの存在下でエッチングすることを含む方法。
  14. ガス混合物を流す工程が、
    水素ガス(H)を流量5sccmから約100sccmで流し、
    フッ素含有ガスを流量約0sccmから約80sccmで流すことを更に含む、請求項13記載の方法。
  15. ガス混合物を流す工程が、少なくとも1つのインサートガスをリアクタ内に流すことを更に含み、インサートガスが流量約50sccmから約500sccmで流される請求項13記載の方法。
  16. フッ素含有ガスがCH、CHF、CHF、C、CF及びCから成る群から選択される請求項13記載の方法。
  17. インサートガスがAr、O、CO、NO、NO、He及びNから成る群から選択される請求項15記載の方法。
  18. ガス混合物を流す工程が、
    処理圧力を約10mTorrから約200mTorrに維持し、
    基板温度を約0℃から約50℃に制御し、
    約100ワットから約800ワットのプラズマを印加することを更に含む請求項13記載の方法。
  19. 誘電性バリア層が5.5未満の誘電率を有している請求項13記載の方法。
  20. 誘電性バリア層が炭素含有ケイ素膜である請求項13記載の方法。
  21. 配線構造において誘電性バリア層をエッチングするための方法であり、
    誘電性バルク絶縁層を介してその一部が露出している誘電性バリア層を有する基板をリアクタ内に配置することを含み、誘電性バリア層が炭素含有ケイ素膜であり、
    ガス、フッ素含有ガス及び少なくとも1つのインサートガスを含有するガス混合物をリアクタ内に流し、
    誘電性層の露出部位を誘電性バルク絶縁層に対して選択的にエッチングすることを含む方法。
  22. ガス混合物を流す工程が、
    ガスを流量約5sccmから約100sccmで流し、
    フッ素含有ガスを流量約0sccmから約80sccmで流すことを含み、フッ素含有ガスがCH、CHF、CHF、C、CF及びCから成る群から選択され、
    インサートガスを流量約50sccmから500sccmで流すことを含み、インサートガスがAr、O、CO、NO、NO、He及びNから成る群から選択される請求項21記載の方法。
  23. ガス混合物を流す工程が、
    処理圧力を約10mTorrから約200mTorrに維持し、
    基板温度を約0℃から約50℃に制御し、
    約100ワットから約800ワットのプラズマ力を印加することを更に含む請求項21記載の方法。
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