JP4144795B2 - 低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関し、特に、炭素を含有する低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関する。

一般に、ＳｉＯ_２から構成される層間絶縁膜をプラズマ雰囲気中でドライエッチングして配線用のホール、トレンチを微細加工する場合、ＣＦ系ガスを含む混合ガスが使用される（特許文献１）。この場合、ＣＦ系ガスのみによってエッチングを行うと、エッチング処理中に分解生成したガス同士が再結合して気相中でクラスタリングが生じてＣＦ系の膜堆積が発生する。このため、エッチングガスとして、アルゴンを主ガスとして用い、このアルゴンにフルオロカーボンガスを添加した混合ガスを使用し、クラスタリングの発生を防止することが考えられている（非特許文献１）。

ところで、近年の半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜として、例えば比誘電率（ｋ）が２．６以下の、ＳｉＯＣＨ系の低誘電率層間絶縁膜（多孔質材であってもよい）が開発されている。この場合、レジストマスクで覆われた低誘電率層間絶縁膜を、上記した化学反応性のないアルゴンを主ガスとする混合ガスを用いてエッチングすると、ＳｉＯＣＨ系膜の構成材に炭素が含まれているため、層間絶縁膜をエッチングしたときのイオン衝撃によって例えば膜中のＨがなくなり、ホール底部に、−Ｃ−Ｃ−やＳｉ−Ｃ−の層が形成されてエッチングストップ現象が生じる。このことから、酸素やフッ素を多く添加させた混合ガスを使用してエッチングしたり、フッ素の発生を促進させる方法が提案されている。

特開平１１−３１６７８号公報（例えば、特許請求の範囲の記載）。 W. chen, M. Itoh, T. Hayashi and T. Uchid, J. Vac. Sci. Technol., A16(1998) 1594

しかしながら、上記方法では、レジストマスクが酸素やフッ素によってエッチングされることで、レジストのエッチング速度が急激に増加して対レジスト選択比が低下するという問題がある。また、上記方法では、例えば酸素そのものの高い反応性によって層間絶縁膜中のＣＨｘ基が引抜かれて層間絶縁膜（特に、ホールのサイドウォール）がダメージを受けるという問題が生じる。

そこで、本発明は、上記点に鑑み、レジストマスクで覆われた低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングする場合に、対レジスト選択比が低下することを防止でき、その上、層間絶縁膜にダメージを与えることがない低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、本発明の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法は、ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料からなる低誘電率層間絶縁膜をエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法において、Ｃ _２ Ｆ _６ ガスまたはＣ _３ Ｆ _８ ガスに、総流量に対して２０〜５０％の比率でＣＨ _３ ＣＨＦ _２ ガスを添加した混合ガスをエッチングガスとし、１Ｐａ以下の作動圧力下でこのエッチングガスを導入してエッチングすることを特徴とする。

本発明によれば、例えば膜中に炭素を含有する多孔質な低誘電率層間絶縁膜をエッチングする場合に、所定流量のＣＨ _３ ＣＨＦ _２ ガスを添加したため、レジストのエッチング速度が大きく減少し、対レジスト選択比が低下することが防止できる。また、例えばエッチングによる配線用のホールを微細加工する間、ホールのサイドウォールにＨ−Ｃ−Ｆ膜がデポジションされて保護されるため、エッチングによる反応性粒子の層間絶縁膜への侵入が防止され、層間絶縁膜がダメージを受けることはない。この場合、２０％より少ない比率でＣＨ _３ ＣＨＦ _２ ガスを添加すると、レジスト高選択比が得られず、５０％を越えた比率でＣＨ _３ ＣＨＦ _２ ガスを添加すると、エッチングストップとなる。

また、前記混合ガスに希ガスを添加してもよい。

これにより、本発明の低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法は、例えばレジストマスクで覆われた低誘電率層間絶縁膜をエッチングする場合に、対レジスト選択比が低下することを防止でき、その上、エッチングストップ現象が生じることがないと共に層間絶縁膜にダメージを与えることがないという効果を奏する。

図１を参照して、１は、本発明の低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングして配線用のホール、トレンチの微細加工を実行するエッチング装置を示す。このエッチング装置１は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段１１ａを備えた真空チャンバー１１を有する。その上部には、誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部１２がその下部は基板電極部１３が設けられている。プラズマ発生部１２を区画する壁（誘電体側壁）１４の外側には、三つの磁場コイル１５、１６、１７が設けられ、この磁場コイル１５，１６、１７によって、プラズマ発生部１２内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。中間の磁場コイル１６と誘電体側壁１４の外側との間にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル１８が配置され、この高周波アンテナコイル１８は、高周波電源１９に接続され、三つの磁場コイル１５、１６、１７によって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。

磁気中性線の作る面と対向させて基板電極部１３内には、処理基板Ｓが載置される基板電極２０が絶縁体２０ａを介して設けられている。この基板電極２０は、コンデンサー２１を介して高周波電源２２に接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となる。また、プラズマ発生部１２の天板２３は、誘電体側壁１４の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態とし対向電極を形成する。この天板２３の内面には、真空チャンバ１１内にエッチングガスを導入するガス導入ノズル２４が設けられ、このガス導入ノズル２４が、ガス流量制御手段（図示せず）を介してガス源に接続されている。

上記エッチング装置を用いて、処理基板Ｓ上に形成され、配線用のホール、トレンチの微細加工される低誘電率層間絶縁膜としては、ＨＳＱやＭＳＱのようにスピンコートによって形成されたＳｉＯＣＨ系材料、或いはＣＶＤによって形成されるＳｉＯＣ系材料で比誘電率２．０〜３．０のＬｏｗーｋ材料であり、多孔質材料を含む。ＳｉＯＣＨ系材料としては、例えば、商品名ＬＫＤ５１０９ｒ５／ＪＳＲ社製、商品名HSG−７０００／日立化成社製、商品名HOSP／Honeywell Electric Materials社製、商品名Nanoglass／Honeywell Electric Materials社製、商品名OCD T−１２／東京応化社製、商品名OCD T−３２／東京応化社製、商品名IPS２．４／触媒化成工業社製、商品名IPS２．２／触媒化成工業社製、商品名ALCAP−S５１００／旭化成社製がある。

ＳｉＯＣ系材料としては、例えば、商品名Aurola２．７／日本ＡＳＭ社製、商品名Aurola２．４／日本ＡＳＭ社製、商品名Orion２．７／TRIKON社製、商品名Coral／Novellaf社製、商品名NCS／触媒化成工業社製、商品名Black Diamond／AMAT社製がある。また、商品名SiLK／Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK／Dow Chemical社製、商品名FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名Porous FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名Porous-FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名GX‐3P／Honeywell Electric Materials社製などの有機系の低誘電率層間絶縁膜でもでもよい。尚、低誘電率層間絶縁膜上には、レジストを塗布した後、フォトリソグラフ法で所定のパターンが形成される。レジストとしては、公知のものが用いられる。

ドライエッチングプロセスに用いるエッチングガスとしては、過フッ化炭素ガス（ＣｎＦｍ）に、総流量に対して２０〜５０％の比率でＣの数が１〜４のＣｘＨｙまたはＣの数が１〜３のＨＦＣガスを添加した混合ガスを用いる。過フッ化ガスとしては、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、及びＣ_５Ｆ_８から選択する。Ｃの数が１〜４のＣｘＨｙとしては、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６の中から選択される。また、Ｃの数が１〜３のＨＦＣガスとしては、ＣＨ_３ＣＨＦ_２（ＨＦＣ−１５２ａ）、ＣＨ_２Ｆ_２（ＨＦＣ−３２）、Ｃ_２ＨＦ_５（ＨＦＣ−１２５）、ＣＨ_２ＦＣＦ_３（ＨＦＣ−１３４ａ）、ＣＨＦ_３（ＨＦＣ−２３）の中から選択される。

この混合ガスを、１Ｐａ以下の作動圧力下で導入してエッチングすれば、例えば膜中に炭素を含有する多孔質な低誘電率層間絶縁膜をエッチングする場合に、レジストのエッチング速度が大きく減少し、対レジスト選択比が低下することが防止できる。この場合、図２には、本発明の混合ガスを用いてエッチングした場合と、酸素またはフッ素を多く添加した混合ガスを用いてエッチングした場合との相違を模式的に示す。即ち、酸素またはフッ素を多く添加した混合ガスでは、（ａ）に示すように、対レジスト選択比が低いためにレジストマスクＭの後退によって層間絶縁膜Ｉに、配線のショートにつながるファセッチィングが発生するが、本発明の混合ガスでは、（ｂ）に示すように、対レジスト選択比が高いために層間絶縁膜Ｉにファセッチィングが発生しない。尚、図２に示すＳは基板である。

また、エッチングによる配線用のホール、トレンチを微細加工する間、ホール、トレンチのサイドウォールにＨ−Ｃ−Ｆ膜がデポジションされて保護されるため、エッチングによる反応性粒子の層間絶縁膜への侵入が防止され、層間絶縁膜がダメージを受けることはない。尚、ＨＦＣガスとして、ＣＨ_３ＣＨＦ_２、ＣＨ_２Ｆ_２のいずれかが望ましく、また、ＣｘＨｙガスとして、ＣＨ_４ガス、Ｃ_２Ｈ_６ガスのいずれかが望ましい。さらに、この混合ガスに、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの希ガスを添加してもよい。この場合、混合ガスの主成分は、（希ガス＋ＣｎＦｍ＋Ｏ_２＋ＨＦＣ）または（希ガス＋ＣｎＦｍ＋Ｏ_２＋ＣｘＨｙ）とすればよい。

本実施例では、比誘電率（ｋ）２．５のＭＳＱのＳｉＯＣＨ系材料を用い、スピンコータを使用して基板上に、５００ｎｍの膜厚で低誘電率層間絶縁膜を形成した。そして、この低誘電率層間絶縁膜上に、スピンコータによりレジストを塗布し、フォトリソグラフ法で所定のパターンを形成した。この場合、レジストとしては、ＵＶ−ＩＩを使用し、レジスト層の厚さを５００ｎｍとした。

次に、図１に示すエッチング装置１を用いて、Ｃ_３Ｆ_８を主ガスとし、ＣＨ_４のを添加した混合ガスを、総流量に対してＣＨ_４の混合比を変えて真空チャンバ１１内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。尚、混合比は、（Ｃ_３Ｆ_８＋ＣＨ_４）を１００％とした場合の値である。この場合、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ＫＷ、基板電極２１に接続した高周波電源２２の出力を４００Ｗ、基板設定温度１０℃、真空チャンバ１１の圧力を１Ｐａに設定した。

図２は、上記条件で低誘電率層間絶縁膜及びレジストマスクをエッチングしたときのエッチングレートを線ａ及び線ｂで示す。これによれば、ＣＨ_４の添加率が０から約５０％の範囲では低誘電率層間絶縁膜のエッチングレートは殆ど減少せず、レジストのエッチングレートのみが大きく減少している。従って、線ｃで示すように高い対レジスト選択比が得られる。このことから、１Ｐａ以下の低圧プロセスの特徴である膜堆積効果の弱いことに起因して、多孔質の構造を有する低誘電率層間絶縁膜であってもエッチングストップ減少が生じずに、対レジスト選択比のみが向上していると考えられる。

図１に示すエッチング装置１を用いて、混合ガスとして、Ｃ_３Ｆ_８（２５ｓｃｃｍ）＋Ａｒ（２２０ｓｃｃｍ）＋Ｏ_２（２０ｓｃｃｍ）＋ＣＨ_４（３０ｓｃｃｍ）を用い、この混合ガスを真空チャンバ１１内に導入して上記基板Ｓをエッチングした。この場合、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ＫＷ、基板電極２１に接続した高周波電源２２の出力を４００Ｗ、基板設定温度１０℃、真空チャンバ１１の圧力を１Ｐａに設定した。

図４（ｂ）は、上記条件でエッチングした場合のＳＥＭ写真である。これによれば、エッチングストップ現象を生じることなく、ホールのサイドウォールにダメージを与えることなくエッチングできた。尚、図４（ａ）は、ＣＨ_４を８０％の比率で添加してエッチングした場合のＳＥＭ写真である。これによれば、エッチングストップ現象が発生している。また、図４（ｃ）は、ＣＨ_４を添加せずにエッチングした場合のＳＥＭ写真である。これによれば、レジスト層が多く残ったのが確認できる。

図１に示すエッチング装置１を用いて、上記と同じ条件下で、Ｘ線露光された５０ｎｍホールパターンをエッチングした。図５は、そのときのＳＥＭ写真である。これによれば、エッチングストップ現象を生じることなく、５０ｎｍのホールを８００ｎｍの深さまでエッチングできた。

本発明の低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法を実施するエッチング装置を概略的に示す図。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の方法と従来の方法との相違を模式的に示す図。 低誘電率層間絶縁膜及びレジストマスクのエッチングレートを示すグラフ。 本発明の方法を実施してエッチングをした場合のＳＥＭ写真。 本発明の方法を実施してエッチングをした場合のＳＥＭ写真。

符号の説明

１ エッチング装置
１１ 真空チャンバ
１２ プラズマ発生部
１３ 基板電極部
Ｓ 基板

Claims (2)

1. ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料からなる低誘電率層間絶縁膜をエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法において、
   Ｃ _２ Ｆ _６ ガスまたはＣ _３ Ｆ _８ ガスに、総流量に対して２０〜５０％の比率でＣＨ _３ ＣＨＦ _２ ガスを添加した混合ガスをエッチングガスとし、１Ｐａ以下の作動圧力下でこのエッチングガスを導入してエッチングすることを特徴とする低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。
2. 前記混合ガスに希ガスを添加することを特徴とする請求項１記載の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。

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