JP4431402B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
技 術 分 野
本発明は、半導体ウエハ等の被処理基板に形成された低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）等の有機系材料膜を、当該膜の途中までプラズマエッチングするプラズマエッチング方法に関する。
背 景 技 術
半導体デバイスの配線形成工程では、配線層を導通させるために配線層間に形成された層間絶縁膜がエッチングされる。層間絶縁膜としては、近時、半導体デバイスのさらなる高速化を実現するために、より低誘電率の膜が求められている。そして、そのような低誘電率の膜として、有機系材料膜が用いられつつある。
有機系材料膜のエッチングは、プラズマエッチングにより行われている。具体的には、チャンバー内に上下に対向する一対の対向電極を設け、下部電極に半導体ウエハ（以下、単にウエハと記載する）を載置して、当該下部電極に１３．５６〜４０ＭＨｚ程度の高周波電力を供給して、エッチングが行われている。
しかしながら、有機系材料膜に対するトレンチエッチングにおいて、例えばストップレイヤーなしのシングルダマシン構造あるいはデュアルダマシン構造のように、膜の途中でエッチングを停止してエッチングにより形成された溝の底部を平坦部とする場合には、当該溝の底部のエッジ部分にマイクロトレンチングが発生するという問題がある。マイクロトレンチングが発生すると、その後の埋め込み層形成の際に、埋め込み不良が生じたり電荷の集中が生じるといった不都合がある。
発明の要旨
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、有機系材料膜をその膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングする際に、マイクロトレンチングの発生を抑制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。
本発明者らの検討結果によれば、有機系材料膜のエッチングでは、プラズマ密度が支配的であって、イオンエネルギーの寄与が小さいことが判明している。一方、マイクロトレンチングは、イオンの垂直方向のエネルギーが大きいと発生する。したがって、マイクロトレンチングを抑制して、かつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングするためには、プラズマ密度が高く、かつ、イオンエネルギーがある程度低いことが必要である。この場合、プラズマのイオンエネルギーは、エッチングの際における電極の自己バイアス電圧と間接的に対応する。従って、マイクロトレンチングを抑制しつつ有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングするためには、結局、高プラズマ密度かつ低バイアスの条件でエッチングすることが必要である。本発明者らのさらなる検討結果によれば、電極に印加する高周波電力の周波数が高ければ、よりプラズマ密度が高くかつ自己バイアス電圧が小さい状態を実現することができることが判明した。
本発明は、チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングするエッチング工程と、を備え、前記エッチング工程において、前記少なくとも一方の電極に印加する高周波電力の周波数が、５０〜１５０ＭＨｚであることを特徴とするプラズマエッチング方法である。
本発明によれば、電極に印加される高周波電力の周波数が５０〜１５０ＭＨｚであって従来よりも高いため、高密度のプラズマでありながら、低い自己バイアス電圧を実現することができる。これにより、マイクロトレンチングを抑制しつつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングすることができる。
好ましくは、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力は１．３３〜１３．３Ｐａである。
また、好ましくは、前記エッチング工程において、前記チャンバー内のプラズマ密度は５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３である。
また、前記高周波電力は、前記被処理基板を支持する電極に印加されることが好ましい。この場合に、被処理基板を支持する電極に、前記高周波電力に重畳させて５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚの第２高周波電力が印加されてもよい。このように、より低い周波数の第２高周波電力を重畳させることにより、エッチングレートをより上昇させることが可能である。
しかし一方で、第２高周波電力を重畳させると、そのイオン引き込み効果によって、マイクロトレンチングがより発生し易くなる。これに対しては、前記チャンバー内の圧力を５３Ｐａ以上の高い値とすることで対応できる。このようにチャンバー内の圧力を高くすることにより、イオン同士が衝突して散乱するので、マイクロトレンチングを有効に抑制することができる。
勿論、第２高周波電力を重畳させない場合にも、チャンバー内圧力を５３Ｐａ以上の高い値に設定することにより、より有効にマイクロトレンチングを抑制することができる。ただし、チャンバー内の圧力が１３３Ｐａを越えるとＣＤシフトが大きくなる。従って、チャンバー内の圧力は５３〜１３３Ｐａが好ましい。
また、第２高周波電力を重畳させるには、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下であることが好ましい。
また、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の処理ガスの滞在時間は、７０〜１８０ｍｓｅｃであることが好ましい。
あるいは、被処理基板の面積に電極間距離を掛けて求めた有効チャンバー体積をＶ（ｍ３）とし、排気速度をＳ（ｍ３／ｓｅｃ）とした場合に、Ｖ／Ｓの値が７０〜１８０ｍｓｅｃであることが好ましい。
また、本発明は、チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングするエッチング工程と、を備え、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が１．３３〜１３．３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が３００Ｖ以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法である。
本発明によれば、前記チャンバー内の圧力が１．３３〜１３．３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が３００Ｖ以下であるという条件でプラズマが形成されるため、マイクロトレンチングを抑制しつつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングすることができる。
また、本発明は、チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングするエッチング工程と、を備え、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が５３〜１３３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が１×１０１１〜２×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法である。
本発明によれば、前記チャンバー内の圧力が５３〜１３３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が１×１０１１〜２×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下であるという条件でプラズマが形成されるため、マイクロトレンチングを抑制しつつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングすることができる。
以上において、前記処理ガスは、例えば、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＯガス、ＮＨ３ガス、ＣｘＨｙで表されるガス（ｘ、ｙは自然数）、及び、希ガスの中から選択された少なくとも１種である。
また、前記有機系材料膜は、Ｏ、Ｃ、及び、Ｈを含み得る。あるいは、前記有機系材料膜は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、及び、Ｈを含み得る。典型的には、前記有機系材料膜は、低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）である。
なお、マイクロトレンチングは、溝幅が広いほど発生し易い。従って、本発明は、前記平坦部の幅が０．５μｍ以上である場合に特に有効である。
ところで、パッシェンの法則（Ｐａｓｃｈｅｎ’ｓ ｌａｗ）より、放電開始電圧Ｖｓは、ガス圧力ｐと電極間距離ｄの積ｐｄがある値の時に極小値（パッシェン最小値）をとり、パッシェン最小値をとる積ｐｄの値は、高周波電力の周波数が大きいほど小さくなる。従って、高周波電力の周波数が大きい場合に、放電開始電圧Ｖｓを小さくして放電を容易にして安定させるためには、ガス圧力ｐが一定であれば電極間距離ｄを小さくする必要がある。そのため、本発明では、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることが好ましい。また、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることで、チャンバー内でのガスのレジデンスタイムを短くすることができる。これにより、反応生成物が効率的に排出され、エッチングストップを低減することができるという効果も得られる。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
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を示す断面図である。このエッチング装置は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状のチャンバー１を備えている。チャンバー１の壁部は、例えばアルミニウム製である。
チャンバー１内には、被処理基板であるウエハＷを水平に支持する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は例えばアルミニウムで構成され、絶縁板３を介して導体の支持台４上に支持されている。また、支持テーブル２の上方の外周には、導電性材料または絶縁性材料で形成されたフォーカスリング５が設けられている。ウエハＷの直径が２００ｍｍφの場合、フォーカスリング５は２４０〜２８０ｍｍφであることが好ましい。支持テーブル２、絶縁板３、支持台４及びフォーカスリング５は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっている。支持台４の下方の昇降駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。チャンバー１は接地されている。また、支持テーブル２の中には冷媒流路（図示せず）が設けられて支持テーブル２を冷却可能となっている。また、ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。
支持テーブル２のほぼ中央には、高周波電力を供給するための給電線１２が接続されている。この給電線１２には、マッチングボックス１１を介して高周波電源１０が接続されている。高周波電源１０からは、所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。一方、支持テーブル２の上方には、後述するシャワーヘッド１６が互いに平行に対向するように設けられている。シャワーヘッド１６は、接地されている。したがって、支持テーブル２は下部電極として機能し、シャワーヘッド１６は上部電極として機能して、すなわち、支持テーブル２とシャワーヘッド１６とは一対の平板電極を構成している。
なお、これらの電極間の距離は、５０ｍｍ未満に設定されることが好ましい。その理由は以下のとおりである。
パッシェンの法則（Ｐａｓｃｈｅｎ’ｓ ｌａｗ）により、放電開始電圧Ｖｓは、ガス圧力ｐと電極間距離ｄの積ｐｄがある値の時に極小値（パッシェン最小値）をとり、パッシェン最小値をとる積ｐｄの値は、高周波電力の周波数が大きいほど小さくなる。従って、本実施形態のように高周波電力の周波数が大きい場合に、放電開始電圧Ｖｓを小さくして放電を容易にして安定させるためには、ガス圧力ｐが一定であれば電極間距離ｄを小さくする必要がある。そのため、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることが好ましい。また、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることで、チャンバー内でのガスのレジデンスタイムを短くすることができる。これにより、反応生成物が効率的に排出され、エッチングストップを低減することができるという効果も得られる。
しかし、電極間距離を小さくしすぎると、被処理基板であるウエハＷの表面の圧力分布（中心部と周辺部の圧力差）が大きくなる。この場合、エッチング均一性の低下等の問題が生じ得る。ガス流量によらず、圧力差を０．２７Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）より小さくするためには、電極間距離は３５ｍｍ以上であることが好ましい。
支持テーブル２の表面上には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は、絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されている。電極６ａには直流電源１３が接続されている。そして、電極６ａに直流電源１３から電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるようになっている。
支持テーブル２の内部には、図示しない冷媒流路が形成されている。その中に適宜の冷媒を循環させることによって、ウエハＷを所定の温度に制御可能となっている。また、冷媒からの冷熱を効率よくウエハＷに伝達するために、ウエハＷの裏面にＨｅガスを供給するガス導入機構（図示せず）が設けられている。さらに、フォーカスリング５の外側にはバッフル板１４が設けられている。バッフル板１４は、支持台４及びベローズ８を通して、チャンバー１と導通している。
チャンバー１の天井壁部分には、支持テーブル２に対向するようにシャワーヘッド１６が設けられている。シャワーヘッド１６は、その下面に多数のガス吐出孔１８が設けられており、かつその上部にガス導入部１６ａを有している。そして、その内部には空間１７が形成されている。ガス導入部１６ａにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、エッチング処理を行うための処理ガスを供給する処理ガス供給系１５が接続されている。この処理ガスとしては、通常この分野で使用されるものを適用することができ、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＯガス、ＮＨ３ガス、ＣｘＨｙ（ただし、ｘ、ｙは自然数である）で表されるガス、及び、希ガス、の中から選択された少なくとも１種を用いることができる。
このような処理ガスが、処理ガス供給系１５からガス供給配管１５ａ及びガス導入部１６ａを介してシャワーヘッド１６の空間１７に至り、ガス吐出孔１８から吐出され、ウエハＷに形成された膜がエッチングされる。
チャンバー１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１９が形成されており、この排気ポート１９には真空ポンプを有する排気系２０が接続されている。そして真空ポンプを作動させることにより、チャンバー１内は所定の真空度まで減圧され得るようになっている。一方、処理室１の下部１ｂの側壁上側には、ウエハＷの搬入出口と、当該搬入出口を開閉するゲートバルブ２４と、が設けられている。
一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、リング磁石２１が配置されており、支持テーブル２とシャワーヘッド１６との間の処理空間の周囲に磁界を形成するようになっている。このリング磁石２１は、回転機構２５により配置の中心軸周りに（周方向に）回転可能となっている。
リング磁石２１は、図２の水平断面図に示すように、永久磁石からなる複数のセグメント磁石２２が図示しない支持部材により支持された状態でリング状に配置されて構成されている。この例では、１６個のセグメント磁石２２がリング状（同心円状）にマルチポール状態で配置されている。すなわち、リング磁石２１においては、隣接するセグメント磁石２２同士の磁極の向きが互いに逆向きになるように配置されている。したがって、磁力線は図示のように隣接するセグメント磁石２２間に形成され、処理空間の周辺部のみに例えば０．０２〜０．２Ｔ（２００〜２０００Ｇａｕｓｓ）、好ましくは０．０３〜０．０４５Ｔ（３００〜４５０Ｇａｕｓｓ）の磁場が形成される。一方、ウエハ配置領域は、実質的に無磁場状態となる。前記のような磁場強度が規定されるのは、磁場が強すぎると洩れ磁場の原因となり得るし、磁場が弱すぎるとプラズマ閉じこめ効果が得られなくなるためである。もっとも、適正な磁場強度は、装置構造等にも依存する。すなわち、適正な磁場強度の範囲は、装置によって異なり得る。
また、処理空間の周辺部に前記のような磁場が形成される場合、フォーカスリング５上の磁場強度は０．００１Ｔ（１０Ｇａｕｓｓ）以上となることが望ましい。この場合、フォーカスリング上に電子のドリフト運動（Ｅ×Ｂドリフト）が生じて、ウエハ周辺部のプラズマ密度が上昇してプラズマ密度が均一化される。一方、ウエハＷのチャージアップダメージを防止する観点から、ウエハＷの存在部分の磁場強度は０．００１Ｔ（１０Ｇａｕｓｓ）以下となることが望ましい。
ここで、ウエハ配置領域における実質的に無磁場とは、ウエハ配置領域におけるエッチング処理に影響を与える磁場が形成されていないことをいう。すなわち、実質的にウエハ処理に影響を与えない磁場が存在する場合も含まれる。
図２に示す状態では、ウエハ周辺部に、例えば磁場強度０．４２ｍＴ（４．２Ｇａｕｓｓ）以下の磁場が印加されている。これにより、プラズマを閉じ込める機能が発揮される。
このようなマルチポール状態のリング磁石によって磁場が形成されると、チャンバー１の壁部の磁極に対応する部分（例えば図２にＰで示す部分）が局部的に削られる現象が生じるおそれがある。従って、上記回転機構２５によりリング磁石２１がチャンバーの円周方向に沿って回転させられる。これにより、チャンバー壁に対して局部的に磁極が当接する（位置する）ことが回避され、チャンバー壁が局部的に削られることが防止される。
上記各セグメント磁石２２は、図示しないセグメント磁石回転機構により、垂直方向の軸を中心に回転自在に構成されている。このようにセグメント磁石２２を回転させることにより、実質的にマルチポール磁場が形成される状態とマルチポール磁場が形成されない状態との間での切替が可能となっている。条件によっては、ウエハ処理にマルチポール磁場が有効に作用する場合と作用しない場合とがある。従って、このようにマルチポール磁場が形成される状態と形成されない状態とを切替可能とすることにより、条件に応じて適切な状態を選択することができる。
磁場の状態はセグメント磁石の配置に応じて変化するから、セグメント磁石の配置を種々変化させることにより、種々の磁場強度プロファイルを形成することができる。従って、必要な磁場強度プロファイルが得られるように、セグメント磁石を配置することが好ましい。
なお、セグメント磁石の数はこの例に限定されるものではない。また、その断面形状もこの例のように長方形に限らず、円、正方形、台形等、任意の形状を採用することができる。セグメント磁石２２を構成する磁石材料も特に限定されるものではなく、例えば、希土類系磁石、フェライト系磁石、アルニコ磁石等、公知の磁石材料を適用することができる。
プラズマ密度およびイオン引き込み作用を調整するために、プラズマ生成用の前記高周波とプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波とを重畳させてもよい。具体的には、図３に示すように、プラズマ生成用の高周波電源１０の他に、イオン引き込み用の第２高周波電源２６がマッチングボックス１１に接続されて、これらが重畳される。この場合に、イオン引き込み用の第２高周波電源２６の周波数は、５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚが好ましい。これにより、イオンエネルギーを制御して、有機系材料膜のエッチングレートをより上昇させることができる。
次に、以上のように構成されるプラズマエッチング装置によって、有機系材料膜である低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）をエッチングする際の処理動作について説明する。
この場合に、エッチング前のウエハＷにおいては、図４に示すように、シリコン基板３１の上に層間絶縁層としてｌｏｗ−ｋ膜である有機系材料膜３２が形成されている。そして、当該有機系材料膜３２の上に、ハードマスクとして所定のパターンの無機系材料膜３３が形成されている。さらにその上に、ＢＡＲＣ層３４が形成され、その上に所定パターンのレジスト膜３５が形成されている。
無機系材料膜３３は、一般的にハードマスクとして用いられる材料で構成されている。シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物等が、好適な例として挙げられ得る。
エッチング対象膜である有機系材料膜３２は、典型的には上述のように、層間絶縁膜として用いられるｌｏｗ−ｋ膜である。従って、有機系材料膜４２の比誘電率は、従来の層間絶縁層材料であるシリコン酸化物よりも極めて小さい。このような有機系材料のｌｏｗ−ｋ膜としては、例えば、ポリオルガノシロキサン架橋ビスベンゾシクロブテン樹脂（ＢＣＢ）やＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌ社製のＳｉＬＫ（商品名）やＦＬＡＲＥ（商品名）等のポリアリーレンエーテル樹脂（ＰＡＥ）、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）等の有機ポリシロキサン樹脂、等がある。ここで、有機ポリシロキサンとは、以下に示すように、シリコン酸化膜の結合構造中にＣ、Ｈを含む官能基を含む構造を有するものをいう。以下に示す構造中、Ｒはメチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基もしくはその誘導体、またはフェニル基等のアリール基もしくはその誘導体を示す。
このような構造のウエハＷについて、まず、レジスト膜３５がマスクとして利用されて、ＢＡＲＣ層３４および無機系材料膜３３がエッチングされる。この状態が図５Ａに示されている。この際、レジスト膜３５は、エッチングにより厚さが減少している。
次に、有機系材料膜３２が、レジスト膜３５および無機系材料膜３３をマスクとしてトレンチエッチングされる。まず、図１の装置のゲートバルブ２４が開けられて、搬送アームにて図５Ａに示す構造のウエハＷがチャンバー１内に搬入され、支持テーブル２上に載置される。その後、搬送アームが退避されてゲートバルブ２４が閉じられ、支持テーブル２が図１に示す位置まで上昇される。また、排気系２０の真空ポンプにより、排気ポート１９を介してチャンバー１内が所定の真空度とされる。
その後、チャンバー１内に処理ガス供給系１５から所定の処理ガス、例えばＮ２ガスおよびＯ２ガス、が例えば０．１〜１Ｌ／ｍｉｎ（１００〜１０００ｓｃｃｍ）で導入され、チャンバー１内が例えば１３３Ｐａ（１０００ｍＴ０ｒｒ）以下の所定の圧力に維持される。この状態で、高周波電源１０から支持テーブル２に、周波数が５０〜１５０ＭＨｚの高周波電力が供給される。この際の単位面積当たりのパワーは、約０．５〜約１０Ｗ／ｃｍ２の範囲であることが好ましい。このとき、直流電源１３から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加され、ウエハＷは例えばクーロン力により静電チャック６に吸着される。
このように下部電極である支持テーブル２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１６と下部電極である支持テーブル２との間の処理空間に高周波電界が形成される。これにより、処理空間に供給された処理ガスがプラズマ化され、そのプラズマにより有機系材料膜３２がエッチングされる。
このエッチング工程の際に、マルチポール状態のリング磁石２１により、処理空間の周囲に図２に示すような磁場が形成され得る。この場合、プラズマ閉じこめ効果が発揮され、本実施形態のようにプラズマの不均一が生じやすい高周波数の場合でも、ウエハＷのエッチングレートが均一化され得る。また、膜の種類によっては、このような磁場の効果がない場合もある。その場合には、セグメント磁石２２を回転させて、処理空間の周囲に実質的に磁場が形成されない状態にして処理を行ってもよい。
上記磁場が形成された場合には、支持テーブル２上のウエハＷの周囲に設けられた導電性または絶縁性のフォーカスリング５により、プラズマ処理の均一化効果を一層高めることができる。すなわち、ウエハ周辺部のプラズマ密度が高く、ウエハ周辺部のエッチングレートがウエハ中心部のエッチングレートに比べて大きい場合は、シリコンやＳｉＣ等の導電性材料で形成されたフォーカスリングを用いることによって、フォーカスリング領域までが下部電極として機能するため、プラズマ形成領域がフォーカスリング５上まで広がり、ウエハＷの周辺部におけるプラズマ処理が促進されエッチングレートの均一性が向上される。一方、ウエハ周辺部のプラズマ密度が低く、ウエハ周辺部のエッチングレートがウエハ中心部のエッチングレートに比べて小さい場合は、石英等の絶縁性材料で形成されたフォーカスリングを用いることによって、フォーカスリング５とプラズマ中の電子やイオンとの間で電荷が授受され得ないので、プラズマを閉じこめる作用が増大され得てエッチングレートの均一性が向上される。
また、必要に応じて、図３に示すイオン引き込み用の高周波電源２６から５００ＫＨｚ〜２７ＭＨｚの範囲の高周波電力を支持テーブル２に印加して、イオンエネルギーを制御して有機系材料膜３２のエッチングレートをより上昇させるようにしてもよい。
本実施形態においては、図５Ｂに示すように、トレンチ３６を形成する際に、エッチングを有機系材料膜３２の途中で停止させて、トレンチ３６の底部に平坦部３７を形成する。この場合に、イオンの垂直方向のエネルギーが大きいと、平坦部３７のエッジ部分に、図６に示すように、さらに下方に伸びる微小な溝であるマイクロトレンチング３８が発生することがある。このようなマイクロトレンチングは、埋め込み不良や電荷の集中の原因となるため、極力抑制する必要がある。そこで、本実施形態においては、マイクロトレンチングを生じ難くするため、高周波電源１０から支持テーブル２に供給する高周波電力の周波数を５０〜１５０ＭＨｚとしている。
以下、その理由について説明する。
本発明者等の検討結果によると、有機系材料膜のエッチングでは、プラズマ密度が支配的であってイオンエネルギーの寄与が小さいことが判明している。一方、マイクロトレンチングは、イオンの垂直方向のエネルギーが大きいと発生する。したがって、上記有機系材料膜３２のトレンチエッチングを行う際に、マイクロトレンチングを抑制して有機系材料膜３２を高エッチングレートでエッチングするためには、プラズマ密度が高く、かつ、イオンエネルギーが小さい条件でエッチングを行えばよい。この場合に、プラズマのイオンエネルギーは、エッチングの際における電極の自己バイアス電圧と間接的に対応するから、マイクロトレンチングを抑制しつつ高エッチングレートで有機材料膜３２をエッチングするためには、結局、高プラズマ密度かつ低バイアスの条件でエッチングすることが必要である。そして、以下に説明する図７から明らかなように、高周波電力の周波数を従来よりも高くすることにより、高プラズマ密度かつ低バイアスの条件でエッチングすることができる。
図７は、高周波電力の周波数が４０ＭＨｚ、１００ＭＨｚにおける自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示す図である。横軸が自己バイアス電圧Ｖｄｃであり、縦軸がプラズマ密度Ｎｅである。ここで、プラズマガスとしては、実際のエッチングガスではなく、評価用にＡｒが用いられた。なお、各周波数において、印加する高周波パワーを変化させることにより、プラズマ密度Ｎｅおよび自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜が変化された。つまり、各周波数とも、印加する高周波パワーが大きくなるほど、プラズマ密度Ｎｅおよび自己バイアス電圧｜Ｖｄｃ｜はともに大きくなる。また、プラズマ密度は、マイクロ波干渉計により測定された。
図７に示すように、高周波電力の周波数が従来の４０ＭＨｚの場合には、有機系材料膜のエッチングレートを高くすべくプラズマ密度を上昇させると、｜Ｖｄｃ｜も大きく上昇し、高プラズマ密度かつ低自己バイアス電圧を実現することが困難であった。一方、高周波電力の周波数が従来よりも高い１００ＭＨｚの場合には、プラズマ密度を上昇させても｜Ｖｄｃ｜はあまり上昇せず、ほぼ１００Ｖ以下に抑えられた。すなわち、高プラズマ密度および低自己バイアス電圧が実現可能であることが見出された。
このような結果に基づいて、高周波電源１０から支持テーブル２に供給される高周波電力の周波数を従来よりも高い５０ＭＨｚとした。ただし、プラズマ形成用の高周波電力の周波数が１５０ＭＨｚを超えると、プラズマの均一性が損なわれ得る。このため、プラズマ形成用の高周波電力の周波数は１５０ＭＨｚ以下とすることが好ましい。特に上記効果を有効に発揮させるためには、プラズマ形成用の高周波電力の周波数は７０〜１００ＭＨｚが好ましい。
この場合に、さらなるエッチングレートの上昇を目的として、上述のように、高周波電源２６から５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚの高周波電力が重畳して印加されると、そのイオン引き込み効果によりマイクロトレンチングが発生しやすくなる。
これに対しては、チャンバー１内の圧力を５３Ｐａ以上の高い値に設定する。これにより、イオン同士が衝突して散乱するので、マイクロトレンチングが有効に抑制され得る。ただし、チャンバー１内の圧力が１３３Ｐａを超えると、ＣＤシフトが大きくなる。したがって、高周波電源２６からの高周波電力を重畳させて大きなエッチングレートを得つつ、マイクロトレンチングを有効に抑制し、かつ、ＣＤシフトを所望の範囲に維持するためには、チャンバー内の圧力は５３〜１３３Ｐａが好ましい。もちろん、高周波電源２６からの高周波電力を重畳させない場合にも、チャンバー１内の圧力を５３Ｐａ以上と高い値に設定すれば、より有効にマイクロトレンチングを抑制することができる。
また、エッチングの際の処理ガスのチャンバー内滞在時間いわゆるレジデンスタイムは、７０〜１８０ｍｓｅｃであることが好ましい。この時間範囲が、ほぼ上記圧力範囲に対応する。なお、レジデンスタイムとは、処理ガスのチャンバー１内のエッチングに寄与する部分における滞留時間をいう。具体的には、ウエハＷ面積に電極間距離を掛けて求めた有効チャンバー体積をＶ（ｍ３）（ウエハ外側のガスはエッチングに寄与しないから、エッチングに寄与するガスが存在する部分の体積を用いる）、排気速度をＳ（ｍ３／ｓｅｃ）、チャンバー内圧力をｐ（Ｐａ）、総流量をＱ（Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ）とすると、レジデンスタイムτは、以下の式で求めることができる。
τ＝Ｖ／Ｓ＝ｐＶ／Ｑ（ｓｅｃ）
なお、上記マイクロトレンチングは、トレンチ３６の平坦部３７の幅が０．５μｍのときに発生しやすい。従って、本発明は、平坦部３７の幅が０．５μｍ以上のときに大きな効果を発揮する。
次に、有機系材料膜に実際にトレンチを形成した実験結果について説明する。ここでは、図１の装置が用いられ、ウエハＷとして３００ｍｍウエハが用いられ、エッチングガスとして、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスが用いられ、電極間ギャップが４０ｍｍとされ、１００ＭＨｚおよび３．２ＭＨｚの２周波数の高周波電力が重畳されて印加された。ここで、高周波電力のトータルのパワーが２４００Ｗとされ、３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーが８００Ｗとされて、エッチングレートが高められた。そして、チャンバー内圧力は１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、６０Ｐａ（４５０ｍＴｏｒｒ）、１０６．５Ｐａ（８００ｍＴｏｒｒ）と変化され、それぞれの圧力条件でトレンチエッチングが行われた。なお、圧力１３．３Ｐａの際には、ガス流量がＮ２ガス：０．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガス：０．５Ｌ／ｍｉｎとされ、圧力６０Ｐａ、１０６．５Ｐａの際には、ガス流量がＮ２ガス：０．６５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガス：０．６５Ｌ／ｍｉｎとされた。また、圧力が１３．３Ｐａ、６０Ｐａ、１０６．５Ｐａの時のレジデンスタイムは、それぞれ、２２．３ｍｓｅｃ、７７．３ｍｓｅｃ、１３７．５ｍｓｅｃであった。用いられたウエハＷは、図４に示すものと同様で、シリコン基板上に有機系材料膜３２としてＳｉＬＫ（商品名）が形成され、その上にハードマスクとして機能する無機系材料膜３３としてＳｉＯ２が形成され、さらにその上にＢＡＲＣ層３４及びレジスト膜３５が形成された構造であった。
レジスト膜３５をマスクとしてＢＡＲＣ層３４および無機系材料膜３３がエッチングされた後、上記各条件にてトレンチが形成された。その後、各圧力条件毎のＳｉＬＫ（商品名）のエッチングレート、マイクロトレンチ指数及びＣＤシフトの値が測定された。
マイクロトレンチ指数は、図８に示すように、０．５μｍ幅のトレンチのエッジの長さＥに対する中央の長さＣの比であるＣ／Ｅの値に１００を掛けて％表示されている。この値が１００％に近ければ、マイクロトレンチがなく良好なエッチング状態であり、９０％以上あれば良好である。
また、ＣＤシフトは、エッチング後にハードマスク（ＳｉＯ２膜）の上方から見たときのトップのトレンチ幅（ここでは、０．２５μｍ）からのずれ量を示すものである。ＣＤシフトは、トップより狭くなっている場合にはマイナス、広くなっている場合はプラスの値となる。その絶対値が小さければ、良好なエッチング状態であり、絶対値が１０ｎｍ以下であれば良好である。
実験結果を図９及び図１０に示す。図９に示すように、チャンバー内圧力が上昇するにつれてエッチングレートが低下していることがわかる。
一方、図１０に示すように、チャンバー内圧力が上昇するにつれてマイクロトレンチ指数が上昇していることがわかる。そして、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）ではマイクロトレンチ指数が好ましい値９０％よりも低い８８％であったのに対し、６０Ｐａ（４５０ｍＴｏｒｒ）では９１％（＞９０％）、１０６．５Ｐａ（８００ｍＴｏｒｒ）では９３％（＞９０％）であった。したがって、チャンバー内圧力が５３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）以上であれば、マイクロトレンチが極めて発生し難いことが確認された。
また、図１０に示すように、チャンバー内圧力が上昇するにしたがってＣＤシフトの絶対値が小さくなる傾向にある一方、チャンバー内圧力が１３３Ｐａ（１０００ｍＴｏｒｒ）を超えるとＣＤシフトがプラス側の大きな値となることが予想される。したがって、エッチングレート上昇を目的として３．２ＭＨｚの高周波電力が重畳された場合、チャンバー内圧力は約５３〜約１３３Ｐａ（約４００〜約１０００ｍＴｏｒｒ）が好ましいことが確認された。この時、レジデンスタイムは、約７０〜約１８０ｍｓｅｃである。なお、詳細については省略するが、１００ＭＨｚの場合が５０ＭＨｚ未満の場合よりもマイクロトレンチ指数が高いことも確認された。
次に、有機系材料膜に実際にトレンチを形成した他の実験結果について説明する。ここでも、図１の装置が用いられ、ウエハＷとして３００ｍｍウエハが用いられたが、エッチングガスとして、ＮＨ３ガスが用いられ、電極間ギャップが２０ｍｍとされ、１００ＭＨｚおよび３．２ＭＨｚの２周波数の高周波電力が重畳されて印加された。
トレンチ形成の実験結果を示す前に、上記条件下で各パラメータを変化させた場合の特性について、図１１乃至図１４を用いて示す。
図１１は、前記条件下での、チャンバー内圧力とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示している。図１２は、当該条件下での、チャンバー内圧力と自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示している。図１１及び図１２に示されたプロットデータは、ガス流量を１００ｓｃｃｍとしてチャンバー内圧力を１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）近傍に調整した圧力条件、ガス流量を２００ｓｃｃｍとしてチャンバー内圧力を１０（１．３３Ｐａ）〜約１００ｍＴｏｒｒ（約１３．３Ｐａ）に調整した圧力条件、更に、ガス流量を６００ｓｃｃｍとしてチャンバー内圧力を１００ｍＴｏｒｒ（約１３．３Ｐａ）以上とした圧力条件、に対応している。
また、図１１及び図１２のデータについては、３．２ＭＨｚの高周波電力は重畳されず、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは２４００Ｗとされた。
図１３は、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとして、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示している。
図１４は、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとし、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーを２４００Ｗとして、３．２ＭＨｚの高周波電力を重畳した場合の当該高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示している。
図１１乃至図１４の特性から、以下のような知見が得られる。
形状制御性を高めるため等の理由で、１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）〜１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）のような低圧範囲を使用する場合、イオン同士の衝突・散乱の程度が小さい。このため、３．２ＭＨｚの高周波電力は重畳されるべきでなく、また、マイクロトレンチング抑制のためにプラズマのイオンエネルギーを抑制すべく自己バイアス電圧を比較的低くしておくべきである。また、ハードマスクとなるシリコン酸化膜などのスパッタレートを許容範囲に抑えるためには、自己バイアス電圧の上限値は３００Ｖ程度とすることが好ましい。このような条件において好適な１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは、１０００Ｗ（１．４２Ｗ／ｃｍ２）〜５０００（７．０８Ｗ／ｃｍ２）Ｗであり、対応するチャンバー内のプラズマ密度は、５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３である。
一方、エッチングレートを高めるため等の理由で、４００ｍＴｏｒｒ（５３Ｐａ）〜１０００ｍＴｏｒｒ（１３３Ｐａ）のような高圧範囲を使用する場合、イオン同士の衝突・散乱の程度が大さい。このため、エッチングレートの更なる上昇を目的として３．２ＭＨｚの高周波電力が重畳されることが、許容される。また、自己バイアス電圧の上限値についても、低圧の場合よりも高く、ハードマスクとなるシリコン酸化膜などのスパッタレートを許容範囲に抑えるためには、６００Ｖ程度とすることが好ましい。このような条件において好適な１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは、１０００Ｗ（１．４２Ｗ／ｃｍ２）〜５０００（７．０８Ｗ／ｃｍ２）Ｗであり、好適な３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーは、８００Ｗ（１．１３Ｗ／ｃｍ２）以下であり、対応するチャンバー内のプラズマ密度は、１×１０１１〜２×１０１１ｃｍ−３である。
さて、前記条件下でのトレンチ形成の実験に用いられたウエハＷは、図４に示すものと同様で、シリコン基板上に有機系材料膜３２としてＳｉＬＫ（商品名）が形成され、その上にハードマスクとして機能する無機系材料膜３３としてＳｉＯ２が形成され、さらにその上にＢＡＲＣ層３４及びレジスト膜３５が形成された構造であった。
レジスト膜３５をマスクとしてＢＡＲＣ層３４および無機系材料膜３３がエッチングされた後、トレンチが形成された。この時、チャンバー内圧力は３０ｍＴｏｒｒであり、３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーは重畳されず、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは、２４００Ｗであった。トレンチは、ウエハ中央部で２０９ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートで、０．１２μｍの幅に形成され、マイクロトレンチ指数は極めて良好であった。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、何も形成されていない有機系材料膜にトレンチエッチングにより平坦な溝を形成する場合が示されているが、図１５Ａに示すような下層４３に繁がる層間配線のためのホール４１を予め有する有機系材料膜４２に対し図１５Ｂに示すような平坦部４７を有するトレンチ４６を形成する場合にも本発明は適用することができる。
また、上記実施形態では、磁場形成手段として永久磁石からなる複数のセグメント磁石がチャンバーの周囲にリング状に配置されてなるマルチポール状態のリング磁石が用いられたが、処理空間の周囲に磁場を形成してプラズマを閉じこめることができれば、この態様に限定されるものではない。また、このようなプラズマ閉じこめ用の周辺磁場は、必ずしも必要ではない。つまり、磁場が存在しない状態でエッチングを行ってもよい。また、処理空間に水平磁場を印加して直交電磁界中でプラズマエッチングを行うプラズマエッチング処理にも本発明は適用可能である。
さらに、上記実施形態では下部電極にプラズマ形成用の高周波電力が印加されているが、これに限らず、上部電極に印加されてもよい。さらにまた、上記実施形態では有機系材料膜としてｌｏｗ−ｋ膜を用いたが、これに限定されることなく、Ｏ、Ｃ、Ｈを含む他の膜やＳｉ、Ｏ、Ｃ、Ｈを含む他の膜であってもよい。また、層構造も、図４に示すものに限定されない。更には、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、これに限らず、ＬＣＤ基板等の他の被処理基板の有機系材料膜のプラズマ処理にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施の形態のプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。
図２は、図１のプラズマエッチング装置のチャンバーの周囲に配置されたリング磁石を模式的に示す水平断面図である。
図３は、プラズマ生成用の高周波電源とイオン引き込み用の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置を部分的に示す概略断面図である。
図４は、本発明のプラズマエッチングが適用されるウエハの構造例を示す断面図である。
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明のプラズマエッチングのエッチング状態を説明するための図である。
図６は、マイクロトレンチングを説明するための模式図である。
図７は、アルゴンガスのプラズマにおいて、高周波電力の周波数が４０ＭＨｚと１００ＭＨｚとの場合の、自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示す図である。
図８は、マイクロトレンチ指数を説明するための模式図である。
図９は、チャンバー内圧力とエッチングレートとの関係を説明するための図である。
図１０は、チャンバー内圧力とマイクロトレンチ指数との関係、及び、チャンバー内圧力とＣＤシフトとの関係を説明するための図である。
図１１は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示す図である。
図１２は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力と自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示す図である。
図１３は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとした場合の、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示す図である。
図１４は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとし、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーを２４００Ｗとして、３．２ＭＨｚの高周波電力を重畳した場合において、３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示す図である。
図１５Ａは、本発明のプラズマエッチングが適用されるウエハの他の構造例を示す断面図である。
図１５Ｂは、図１５Ａのウエハに対するエッチング状態を説明するための図である。
本発明は、半導体ウエハ等の被処理基板に形成された低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）等の有機系材料膜を、当該膜の途中までプラズマエッチングするプラズマエッチング方法に関する。
背 景 技 術
半導体デバイスの配線形成工程では、配線層を導通させるために配線層間に形成された層間絶縁膜がエッチングされる。層間絶縁膜としては、近時、半導体デバイスのさらなる高速化を実現するために、より低誘電率の膜が求められている。そして、そのような低誘電率の膜として、有機系材料膜が用いられつつある。
有機系材料膜のエッチングは、プラズマエッチングにより行われている。具体的には、チャンバー内に上下に対向する一対の対向電極を設け、下部電極に半導体ウエハ（以下、単にウエハと記載する）を載置して、当該下部電極に１３．５６〜４０ＭＨｚ程度の高周波電力を供給して、エッチングが行われている。
しかしながら、有機系材料膜に対するトレンチエッチングにおいて、例えばストップレイヤーなしのシングルダマシン構造あるいはデュアルダマシン構造のように、膜の途中でエッチングを停止してエッチングにより形成された溝の底部を平坦部とする場合には、当該溝の底部のエッジ部分にマイクロトレンチングが発生するという問題がある。マイクロトレンチングが発生すると、その後の埋め込み層形成の際に、埋め込み不良が生じたり電荷の集中が生じるといった不都合がある。
発明の要旨
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、有機系材料膜をその膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングする際に、マイクロトレンチングの発生を抑制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。
本発明者らの検討結果によれば、有機系材料膜のエッチングでは、プラズマ密度が支配的であって、イオンエネルギーの寄与が小さいことが判明している。一方、マイクロトレンチングは、イオンの垂直方向のエネルギーが大きいと発生する。したがって、マイクロトレンチングを抑制して、かつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングするためには、プラズマ密度が高く、かつ、イオンエネルギーがある程度低いことが必要である。この場合、プラズマのイオンエネルギーは、エッチングの際における電極の自己バイアス電圧と間接的に対応する。従って、マイクロトレンチングを抑制しつつ有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングするためには、結局、高プラズマ密度かつ低バイアスの条件でエッチングすることが必要である。本発明者らのさらなる検討結果によれば、電極に印加する高周波電力の周波数が高ければ、よりプラズマ密度が高くかつ自己バイアス電圧が小さい状態を実現することができることが判明した。
本発明は、チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングするエッチング工程と、を備え、前記エッチング工程において、前記少なくとも一方の電極に印加する高周波電力の周波数が、５０〜１５０ＭＨｚであることを特徴とするプラズマエッチング方法である。
本発明によれば、電極に印加される高周波電力の周波数が５０〜１５０ＭＨｚであって従来よりも高いため、高密度のプラズマでありながら、低い自己バイアス電圧を実現することができる。これにより、マイクロトレンチングを抑制しつつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングすることができる。
好ましくは、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力は１．３３〜１３．３Ｐａである。
また、好ましくは、前記エッチング工程において、前記チャンバー内のプラズマ密度は５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３である。
また、前記高周波電力は、前記被処理基板を支持する電極に印加されることが好ましい。この場合に、被処理基板を支持する電極に、前記高周波電力に重畳させて５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚの第２高周波電力が印加されてもよい。このように、より低い周波数の第２高周波電力を重畳させることにより、エッチングレートをより上昇させることが可能である。
しかし一方で、第２高周波電力を重畳させると、そのイオン引き込み効果によって、マイクロトレンチングがより発生し易くなる。これに対しては、前記チャンバー内の圧力を５３Ｐａ以上の高い値とすることで対応できる。このようにチャンバー内の圧力を高くすることにより、イオン同士が衝突して散乱するので、マイクロトレンチングを有効に抑制することができる。
勿論、第２高周波電力を重畳させない場合にも、チャンバー内圧力を５３Ｐａ以上の高い値に設定することにより、より有効にマイクロトレンチングを抑制することができる。ただし、チャンバー内の圧力が１３３Ｐａを越えるとＣＤシフトが大きくなる。従って、チャンバー内の圧力は５３〜１３３Ｐａが好ましい。
また、第２高周波電力を重畳させるには、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下であることが好ましい。
また、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の処理ガスの滞在時間は、７０〜１８０ｍｓｅｃであることが好ましい。
あるいは、被処理基板の面積に電極間距離を掛けて求めた有効チャンバー体積をＶ（ｍ３）とし、排気速度をＳ（ｍ３／ｓｅｃ）とした場合に、Ｖ／Ｓの値が７０〜１８０ｍｓｅｃであることが好ましい。
また、本発明は、チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングするエッチング工程と、を備え、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が１．３３〜１３．３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が３００Ｖ以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法である。
本発明によれば、前記チャンバー内の圧力が１．３３〜１３．３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が３００Ｖ以下であるという条件でプラズマが形成されるため、マイクロトレンチングを抑制しつつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングすることができる。
また、本発明は、チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるようにプラズマエッチングするエッチング工程と、を備え、前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が５３〜１３３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が１×１０１１〜２×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法である。
本発明によれば、前記チャンバー内の圧力が５３〜１３３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が１×１０１１〜２×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下であるという条件でプラズマが形成されるため、マイクロトレンチングを抑制しつつ、有機系材料膜を高エッチングレートでエッチングすることができる。
以上において、前記処理ガスは、例えば、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＯガス、ＮＨ３ガス、ＣｘＨｙで表されるガス（ｘ、ｙは自然数）、及び、希ガスの中から選択された少なくとも１種である。
また、前記有機系材料膜は、Ｏ、Ｃ、及び、Ｈを含み得る。あるいは、前記有機系材料膜は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、及び、Ｈを含み得る。典型的には、前記有機系材料膜は、低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）である。
なお、マイクロトレンチングは、溝幅が広いほど発生し易い。従って、本発明は、前記平坦部の幅が０．５μｍ以上である場合に特に有効である。
ところで、パッシェンの法則（Ｐａｓｃｈｅｎ’ｓ ｌａｗ）より、放電開始電圧Ｖｓは、ガス圧力ｐと電極間距離ｄの積ｐｄがある値の時に極小値（パッシェン最小値）をとり、パッシェン最小値をとる積ｐｄの値は、高周波電力の周波数が大きいほど小さくなる。従って、高周波電力の周波数が大きい場合に、放電開始電圧Ｖｓを小さくして放電を容易にして安定させるためには、ガス圧力ｐが一定であれば電極間距離ｄを小さくする必要がある。そのため、本発明では、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることが好ましい。また、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることで、チャンバー内でのガスのレジデンスタイムを短くすることができる。これにより、反応生成物が効率的に排出され、エッチングストップを低減することができるという効果も得られる。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
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を示す断面図である。このエッチング装置は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状のチャンバー１を備えている。チャンバー１の壁部は、例えばアルミニウム製である。
チャンバー１内には、被処理基板であるウエハＷを水平に支持する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は例えばアルミニウムで構成され、絶縁板３を介して導体の支持台４上に支持されている。また、支持テーブル２の上方の外周には、導電性材料または絶縁性材料で形成されたフォーカスリング５が設けられている。ウエハＷの直径が２００ｍｍφの場合、フォーカスリング５は２４０〜２８０ｍｍφであることが好ましい。支持テーブル２、絶縁板３、支持台４及びフォーカスリング５は、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっている。支持台４の下方の昇降駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。チャンバー１は接地されている。また、支持テーブル２の中には冷媒流路（図示せず）が設けられて支持テーブル２を冷却可能となっている。また、ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。
支持テーブル２のほぼ中央には、高周波電力を供給するための給電線１２が接続されている。この給電線１２には、マッチングボックス１１を介して高周波電源１０が接続されている。高周波電源１０からは、所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。一方、支持テーブル２の上方には、後述するシャワーヘッド１６が互いに平行に対向するように設けられている。シャワーヘッド１６は、接地されている。したがって、支持テーブル２は下部電極として機能し、シャワーヘッド１６は上部電極として機能して、すなわち、支持テーブル２とシャワーヘッド１６とは一対の平板電極を構成している。
なお、これらの電極間の距離は、５０ｍｍ未満に設定されることが好ましい。その理由は以下のとおりである。
パッシェンの法則（Ｐａｓｃｈｅｎ’ｓ ｌａｗ）により、放電開始電圧Ｖｓは、ガス圧力ｐと電極間距離ｄの積ｐｄがある値の時に極小値（パッシェン最小値）をとり、パッシェン最小値をとる積ｐｄの値は、高周波電力の周波数が大きいほど小さくなる。従って、本実施形態のように高周波電力の周波数が大きい場合に、放電開始電圧Ｖｓを小さくして放電を容易にして安定させるためには、ガス圧力ｐが一定であれば電極間距離ｄを小さくする必要がある。そのため、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることが好ましい。また、電極間距離を５０ｍｍ未満とすることで、チャンバー内でのガスのレジデンスタイムを短くすることができる。これにより、反応生成物が効率的に排出され、エッチングストップを低減することができるという効果も得られる。
しかし、電極間距離を小さくしすぎると、被処理基板であるウエハＷの表面の圧力分布（中心部と周辺部の圧力差）が大きくなる。この場合、エッチング均一性の低下等の問題が生じ得る。ガス流量によらず、圧力差を０．２７Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）より小さくするためには、電極間距離は３５ｍｍ以上であることが好ましい。
支持テーブル２の表面上には、ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は、絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されている。電極６ａには直流電源１３が接続されている。そして、電極６ａに直流電源１３から電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるようになっている。
支持テーブル２の内部には、図示しない冷媒流路が形成されている。その中に適宜の冷媒を循環させることによって、ウエハＷを所定の温度に制御可能となっている。また、冷媒からの冷熱を効率よくウエハＷに伝達するために、ウエハＷの裏面にＨｅガスを供給するガス導入機構（図示せず）が設けられている。さらに、フォーカスリング５の外側にはバッフル板１４が設けられている。バッフル板１４は、支持台４及びベローズ８を通して、チャンバー１と導通している。
チャンバー１の天井壁部分には、支持テーブル２に対向するようにシャワーヘッド１６が設けられている。シャワーヘッド１６は、その下面に多数のガス吐出孔１８が設けられており、かつその上部にガス導入部１６ａを有している。そして、その内部には空間１７が形成されている。ガス導入部１６ａにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、エッチング処理を行うための処理ガスを供給する処理ガス供給系１５が接続されている。この処理ガスとしては、通常この分野で使用されるものを適用することができ、Ｎ２ガス、Ｈ２ガス、Ｏ２ガス、ＣＯガス、ＮＨ３ガス、ＣｘＨｙ（ただし、ｘ、ｙは自然数である）で表されるガス、及び、希ガス、の中から選択された少なくとも１種を用いることができる。
このような処理ガスが、処理ガス供給系１５からガス供給配管１５ａ及びガス導入部１６ａを介してシャワーヘッド１６の空間１７に至り、ガス吐出孔１８から吐出され、ウエハＷに形成された膜がエッチングされる。
チャンバー１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１９が形成されており、この排気ポート１９には真空ポンプを有する排気系２０が接続されている。そして真空ポンプを作動させることにより、チャンバー１内は所定の真空度まで減圧され得るようになっている。一方、処理室１の下部１ｂの側壁上側には、ウエハＷの搬入出口と、当該搬入出口を開閉するゲートバルブ２４と、が設けられている。
一方、チャンバー１の上部１ａの周囲には、同心状に、リング磁石２１が配置されており、支持テーブル２とシャワーヘッド１６との間の処理空間の周囲に磁界を形成するようになっている。このリング磁石２１は、回転機構２５により配置の中心軸周りに（周方向に）回転可能となっている。
リング磁石２１は、図２の水平断面図に示すように、永久磁石からなる複数のセグメント磁石２２が図示しない支持部材により支持された状態でリング状に配置されて構成されている。この例では、１６個のセグメント磁石２２がリング状（同心円状）にマルチポール状態で配置されている。すなわち、リング磁石２１においては、隣接するセグメント磁石２２同士の磁極の向きが互いに逆向きになるように配置されている。したがって、磁力線は図示のように隣接するセグメント磁石２２間に形成され、処理空間の周辺部のみに例えば０．０２〜０．２Ｔ（２００〜２０００Ｇａｕｓｓ）、好ましくは０．０３〜０．０４５Ｔ（３００〜４５０Ｇａｕｓｓ）の磁場が形成される。一方、ウエハ配置領域は、実質的に無磁場状態となる。前記のような磁場強度が規定されるのは、磁場が強すぎると洩れ磁場の原因となり得るし、磁場が弱すぎるとプラズマ閉じこめ効果が得られなくなるためである。もっとも、適正な磁場強度は、装置構造等にも依存する。すなわち、適正な磁場強度の範囲は、装置によって異なり得る。
また、処理空間の周辺部に前記のような磁場が形成される場合、フォーカスリング５上の磁場強度は０．００１Ｔ（１０Ｇａｕｓｓ）以上となることが望ましい。この場合、フォーカスリング上に電子のドリフト運動（Ｅ×Ｂドリフト）が生じて、ウエハ周辺部のプラズマ密度が上昇してプラズマ密度が均一化される。一方、ウエハＷのチャージアップダメージを防止する観点から、ウエハＷの存在部分の磁場強度は０．００１Ｔ（１０Ｇａｕｓｓ）以下となることが望ましい。
ここで、ウエハ配置領域における実質的に無磁場とは、ウエハ配置領域におけるエッチング処理に影響を与える磁場が形成されていないことをいう。すなわち、実質的にウエハ処理に影響を与えない磁場が存在する場合も含まれる。
図２に示す状態では、ウエハ周辺部に、例えば磁場強度０．４２ｍＴ（４．２Ｇａｕｓｓ）以下の磁場が印加されている。これにより、プラズマを閉じ込める機能が発揮される。
このようなマルチポール状態のリング磁石によって磁場が形成されると、チャンバー１の壁部の磁極に対応する部分（例えば図２にＰで示す部分）が局部的に削られる現象が生じるおそれがある。従って、上記回転機構２５によりリング磁石２１がチャンバーの円周方向に沿って回転させられる。これにより、チャンバー壁に対して局部的に磁極が当接する（位置する）ことが回避され、チャンバー壁が局部的に削られることが防止される。
上記各セグメント磁石２２は、図示しないセグメント磁石回転機構により、垂直方向の軸を中心に回転自在に構成されている。このようにセグメント磁石２２を回転させることにより、実質的にマルチポール磁場が形成される状態とマルチポール磁場が形成されない状態との間での切替が可能となっている。条件によっては、ウエハ処理にマルチポール磁場が有効に作用する場合と作用しない場合とがある。従って、このようにマルチポール磁場が形成される状態と形成されない状態とを切替可能とすることにより、条件に応じて適切な状態を選択することができる。
磁場の状態はセグメント磁石の配置に応じて変化するから、セグメント磁石の配置を種々変化させることにより、種々の磁場強度プロファイルを形成することができる。従って、必要な磁場強度プロファイルが得られるように、セグメント磁石を配置することが好ましい。
なお、セグメント磁石の数はこの例に限定されるものではない。また、その断面形状もこの例のように長方形に限らず、円、正方形、台形等、任意の形状を採用することができる。セグメント磁石２２を構成する磁石材料も特に限定されるものではなく、例えば、希土類系磁石、フェライト系磁石、アルニコ磁石等、公知の磁石材料を適用することができる。
プラズマ密度およびイオン引き込み作用を調整するために、プラズマ生成用の前記高周波とプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波とを重畳させてもよい。具体的には、図３に示すように、プラズマ生成用の高周波電源１０の他に、イオン引き込み用の第２高周波電源２６がマッチングボックス１１に接続されて、これらが重畳される。この場合に、イオン引き込み用の第２高周波電源２６の周波数は、５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚが好ましい。これにより、イオンエネルギーを制御して、有機系材料膜のエッチングレートをより上昇させることができる。
次に、以上のように構成されるプラズマエッチング装置によって、有機系材料膜である低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）をエッチングする際の処理動作について説明する。
この場合に、エッチング前のウエハＷにおいては、図４に示すように、シリコン基板３１の上に層間絶縁層としてｌｏｗ−ｋ膜である有機系材料膜３２が形成されている。そして、当該有機系材料膜３２の上に、ハードマスクとして所定のパターンの無機系材料膜３３が形成されている。さらにその上に、ＢＡＲＣ層３４が形成され、その上に所定パターンのレジスト膜３５が形成されている。
無機系材料膜３３は、一般的にハードマスクとして用いられる材料で構成されている。シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物等が、好適な例として挙げられ得る。
エッチング対象膜である有機系材料膜３２は、典型的には上述のように、層間絶縁膜として用いられるｌｏｗ−ｋ膜である。従って、有機系材料膜４２の比誘電率は、従来の層間絶縁層材料であるシリコン酸化物よりも極めて小さい。このような有機系材料のｌｏｗ−ｋ膜としては、例えば、ポリオルガノシロキサン架橋ビスベンゾシクロブテン樹脂（ＢＣＢ）やＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌ社製のＳｉＬＫ（商品名）やＦＬＡＲＥ（商品名）等のポリアリーレンエーテル樹脂（ＰＡＥ）、メチルシルセスキオキサン（ＭＳＱ）等の有機ポリシロキサン樹脂、等がある。ここで、有機ポリシロキサンとは、以下に示すように、シリコン酸化膜の結合構造中にＣ、Ｈを含む官能基を含む構造を有するものをいう。以下に示す構造中、Ｒはメチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基もしくはその誘導体、またはフェニル基等のアリール基もしくはその誘導体を示す。
次に、有機系材料膜３２が、レジスト膜３５および無機系材料膜３３をマスクとしてトレンチエッチングされる。まず、図１の装置のゲートバルブ２４が開けられて、搬送アームにて図５Ａに示す構造のウエハＷがチャンバー１内に搬入され、支持テーブル２上に載置される。その後、搬送アームが退避されてゲートバルブ２４が閉じられ、支持テーブル２が図１に示す位置まで上昇される。また、排気系２０の真空ポンプにより、排気ポート１９を介してチャンバー１内が所定の真空度とされる。
その後、チャンバー１内に処理ガス供給系１５から所定の処理ガス、例えばＮ２ガスおよびＯ２ガス、が例えば０．１〜１Ｌ／ｍｉｎ（１００〜１０００ｓｃｃｍ）で導入され、チャンバー１内が例えば１３３Ｐａ（１０００ｍＴ０ｒｒ）以下の所定の圧力に維持される。この状態で、高周波電源１０から支持テーブル２に、周波数が５０〜１５０ＭＨｚの高周波電力が供給される。この際の単位面積当たりのパワーは、約０．５〜約１０Ｗ／ｃｍ２の範囲であることが好ましい。このとき、直流電源１３から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加され、ウエハＷは例えばクーロン力により静電チャック６に吸着される。
このように下部電極である支持テーブル２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１６と下部電極である支持テーブル２との間の処理空間に高周波電界が形成される。これにより、処理空間に供給された処理ガスがプラズマ化され、そのプラズマにより有機系材料膜３２がエッチングされる。
このエッチング工程の際に、マルチポール状態のリング磁石２１により、処理空間の周囲に図２に示すような磁場が形成され得る。この場合、プラズマ閉じこめ効果が発揮され、本実施形態のようにプラズマの不均一が生じやすい高周波数の場合でも、ウエハＷのエッチングレートが均一化され得る。また、膜の種類によっては、このような磁場の効果がない場合もある。その場合には、セグメント磁石２２を回転させて、処理空間の周囲に実質的に磁場が形成されない状態にして処理を行ってもよい。
上記磁場が形成された場合には、支持テーブル２上のウエハＷの周囲に設けられた導電性または絶縁性のフォーカスリング５により、プラズマ処理の均一化効果を一層高めることができる。すなわち、ウエハ周辺部のプラズマ密度が高く、ウエハ周辺部のエッチングレートがウエハ中心部のエッチングレートに比べて大きい場合は、シリコンやＳｉＣ等の導電性材料で形成されたフォーカスリングを用いることによって、フォーカスリング領域までが下部電極として機能するため、プラズマ形成領域がフォーカスリング５上まで広がり、ウエハＷの周辺部におけるプラズマ処理が促進されエッチングレートの均一性が向上される。一方、ウエハ周辺部のプラズマ密度が低く、ウエハ周辺部のエッチングレートがウエハ中心部のエッチングレートに比べて小さい場合は、石英等の絶縁性材料で形成されたフォーカスリングを用いることによって、フォーカスリング５とプラズマ中の電子やイオンとの間で電荷が授受され得ないので、プラズマを閉じこめる作用が増大され得てエッチングレートの均一性が向上される。
また、必要に応じて、図３に示すイオン引き込み用の高周波電源２６から５００ＫＨｚ〜２７ＭＨｚの範囲の高周波電力を支持テーブル２に印加して、イオンエネルギーを制御して有機系材料膜３２のエッチングレートをより上昇させるようにしてもよい。
本実施形態においては、図５Ｂに示すように、トレンチ３６を形成する際に、エッチングを有機系材料膜３２の途中で停止させて、トレンチ３６の底部に平坦部３７を形成する。この場合に、イオンの垂直方向のエネルギーが大きいと、平坦部３７のエッジ部分に、図６に示すように、さらに下方に伸びる微小な溝であるマイクロトレンチング３８が発生することがある。このようなマイクロトレンチングは、埋め込み不良や電荷の集中の原因となるため、極力抑制する必要がある。そこで、本実施形態においては、マイクロトレンチングを生じ難くするため、高周波電源１０から支持テーブル２に供給する高周波電力の周波数を５０〜１５０ＭＨｚとしている。
以下、その理由について説明する。
本発明者等の検討結果によると、有機系材料膜のエッチングでは、プラズマ密度が支配的であってイオンエネルギーの寄与が小さいことが判明している。一方、マイクロトレンチングは、イオンの垂直方向のエネルギーが大きいと発生する。したがって、上記有機系材料膜３２のトレンチエッチングを行う際に、マイクロトレンチングを抑制して有機系材料膜３２を高エッチングレートでエッチングするためには、プラズマ密度が高く、かつ、イオンエネルギーが小さい条件でエッチングを行えばよい。この場合に、プラズマのイオンエネルギーは、エッチングの際における電極の自己バイアス電圧と間接的に対応するから、マイクロトレンチングを抑制しつつ高エッチングレートで有機材料膜３２をエッチングするためには、結局、高プラズマ密度かつ低バイアスの条件でエッチングすることが必要である。そして、以下に説明する図７から明らかなように、高周波電力の周波数を従来よりも高くすることにより、高プラズマ密度かつ低バイアスの条件でエッチングすることができる。
図７は、高周波電力の周波数が４０ＭＨｚ、１００ＭＨｚにおける自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示す図である。横軸が自己バイアス電圧Ｖｄｃであり、縦軸がプラズマ密度Ｎｅである。ここで、プラズマガスとしては、実際のエッチングガスではなく、評価用にＡｒが用いられた。なお、各周波数において、印加する高周波パワーを変化させることにより、プラズマ密度Ｎｅおよび自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜が変化された。つまり、各周波数とも、印加する高周波パワーが大きくなるほど、プラズマ密度Ｎｅおよび自己バイアス電圧｜Ｖｄｃ｜はともに大きくなる。また、プラズマ密度は、マイクロ波干渉計により測定された。
図７に示すように、高周波電力の周波数が従来の４０ＭＨｚの場合には、有機系材料膜のエッチングレートを高くすべくプラズマ密度を上昇させると、｜Ｖｄｃ｜も大きく上昇し、高プラズマ密度かつ低自己バイアス電圧を実現することが困難であった。一方、高周波電力の周波数が従来よりも高い１００ＭＨｚの場合には、プラズマ密度を上昇させても｜Ｖｄｃ｜はあまり上昇せず、ほぼ１００Ｖ以下に抑えられた。すなわち、高プラズマ密度および低自己バイアス電圧が実現可能であることが見出された。
このような結果に基づいて、高周波電源１０から支持テーブル２に供給される高周波電力の周波数を従来よりも高い５０ＭＨｚとした。ただし、プラズマ形成用の高周波電力の周波数が１５０ＭＨｚを超えると、プラズマの均一性が損なわれ得る。このため、プラズマ形成用の高周波電力の周波数は１５０ＭＨｚ以下とすることが好ましい。特に上記効果を有効に発揮させるためには、プラズマ形成用の高周波電力の周波数は７０〜１００ＭＨｚが好ましい。
この場合に、さらなるエッチングレートの上昇を目的として、上述のように、高周波電源２６から５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚの高周波電力が重畳して印加されると、そのイオン引き込み効果によりマイクロトレンチングが発生しやすくなる。
これに対しては、チャンバー１内の圧力を５３Ｐａ以上の高い値に設定する。これにより、イオン同士が衝突して散乱するので、マイクロトレンチングが有効に抑制され得る。ただし、チャンバー１内の圧力が１３３Ｐａを超えると、ＣＤシフトが大きくなる。したがって、高周波電源２６からの高周波電力を重畳させて大きなエッチングレートを得つつ、マイクロトレンチングを有効に抑制し、かつ、ＣＤシフトを所望の範囲に維持するためには、チャンバー内の圧力は５３〜１３３Ｐａが好ましい。もちろん、高周波電源２６からの高周波電力を重畳させない場合にも、チャンバー１内の圧力を５３Ｐａ以上と高い値に設定すれば、より有効にマイクロトレンチングを抑制することができる。
また、エッチングの際の処理ガスのチャンバー内滞在時間いわゆるレジデンスタイムは、７０〜１８０ｍｓｅｃであることが好ましい。この時間範囲が、ほぼ上記圧力範囲に対応する。なお、レジデンスタイムとは、処理ガスのチャンバー１内のエッチングに寄与する部分における滞留時間をいう。具体的には、ウエハＷ面積に電極間距離を掛けて求めた有効チャンバー体積をＶ（ｍ３）（ウエハ外側のガスはエッチングに寄与しないから、エッチングに寄与するガスが存在する部分の体積を用いる）、排気速度をＳ（ｍ３／ｓｅｃ）、チャンバー内圧力をｐ（Ｐａ）、総流量をＱ（Ｐａ・ｍ３／ｓｅｃ）とすると、レジデンスタイムτは、以下の式で求めることができる。
τ＝Ｖ／Ｓ＝ｐＶ／Ｑ（ｓｅｃ）
なお、上記マイクロトレンチングは、トレンチ３６の平坦部３７の幅が０．５μｍのときに発生しやすい。従って、本発明は、平坦部３７の幅が０．５μｍ以上のときに大きな効果を発揮する。
次に、有機系材料膜に実際にトレンチを形成した実験結果について説明する。ここでは、図１の装置が用いられ、ウエハＷとして３００ｍｍウエハが用いられ、エッチングガスとして、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスが用いられ、電極間ギャップが４０ｍｍとされ、１００ＭＨｚおよび３．２ＭＨｚの２周波数の高周波電力が重畳されて印加された。ここで、高周波電力のトータルのパワーが２４００Ｗとされ、３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーが８００Ｗとされて、エッチングレートが高められた。そして、チャンバー内圧力は１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）、６０Ｐａ（４５０ｍＴｏｒｒ）、１０６．５Ｐａ（８００ｍＴｏｒｒ）と変化され、それぞれの圧力条件でトレンチエッチングが行われた。なお、圧力１３．３Ｐａの際には、ガス流量がＮ２ガス：０．５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガス：０．５Ｌ／ｍｉｎとされ、圧力６０Ｐａ、１０６．５Ｐａの際には、ガス流量がＮ２ガス：０．６５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガス：０．６５Ｌ／ｍｉｎとされた。また、圧力が１３．３Ｐａ、６０Ｐａ、１０６．５Ｐａの時のレジデンスタイムは、それぞれ、２２．３ｍｓｅｃ、７７．３ｍｓｅｃ、１３７．５ｍｓｅｃであった。用いられたウエハＷは、図４に示すものと同様で、シリコン基板上に有機系材料膜３２としてＳｉＬＫ（商品名）が形成され、その上にハードマスクとして機能する無機系材料膜３３としてＳｉＯ２が形成され、さらにその上にＢＡＲＣ層３４及びレジスト膜３５が形成された構造であった。
レジスト膜３５をマスクとしてＢＡＲＣ層３４および無機系材料膜３３がエッチングされた後、上記各条件にてトレンチが形成された。その後、各圧力条件毎のＳｉＬＫ（商品名）のエッチングレート、マイクロトレンチ指数及びＣＤシフトの値が測定された。
マイクロトレンチ指数は、図８に示すように、０．５μｍ幅のトレンチのエッジの長さＥに対する中央の長さＣの比であるＣ／Ｅの値に１００を掛けて％表示されている。この値が１００％に近ければ、マイクロトレンチがなく良好なエッチング状態であり、９０％以上あれば良好である。
また、ＣＤシフトは、エッチング後にハードマスク（ＳｉＯ２膜）の上方から見たときのトップのトレンチ幅（ここでは、０．２５μｍ）からのずれ量を示すものである。ＣＤシフトは、トップより狭くなっている場合にはマイナス、広くなっている場合はプラスの値となる。その絶対値が小さければ、良好なエッチング状態であり、絶対値が１０ｎｍ以下であれば良好である。
実験結果を図９及び図１０に示す。図９に示すように、チャンバー内圧力が上昇するにつれてエッチングレートが低下していることがわかる。
一方、図１０に示すように、チャンバー内圧力が上昇するにつれてマイクロトレンチ指数が上昇していることがわかる。そして、１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）ではマイクロトレンチ指数が好ましい値９０％よりも低い８８％であったのに対し、６０Ｐａ（４５０ｍＴｏｒｒ）では９１％（＞９０％）、１０６．５Ｐａ（８００ｍＴｏｒｒ）では９３％（＞９０％）であった。したがって、チャンバー内圧力が５３Ｐａ（４００ｍＴｏｒｒ）以上であれば、マイクロトレンチが極めて発生し難いことが確認された。
また、図１０に示すように、チャンバー内圧力が上昇するにしたがってＣＤシフトの絶対値が小さくなる傾向にある一方、チャンバー内圧力が１３３Ｐａ（１０００ｍＴｏｒｒ）を超えるとＣＤシフトがプラス側の大きな値となることが予想される。したがって、エッチングレート上昇を目的として３．２ＭＨｚの高周波電力が重畳された場合、チャンバー内圧力は約５３〜約１３３Ｐａ（約４００〜約１０００ｍＴｏｒｒ）が好ましいことが確認された。この時、レジデンスタイムは、約７０〜約１８０ｍｓｅｃである。なお、詳細については省略するが、１００ＭＨｚの場合が５０ＭＨｚ未満の場合よりもマイクロトレンチ指数が高いことも確認された。
次に、有機系材料膜に実際にトレンチを形成した他の実験結果について説明する。ここでも、図１の装置が用いられ、ウエハＷとして３００ｍｍウエハが用いられたが、エッチングガスとして、ＮＨ３ガスが用いられ、電極間ギャップが２０ｍｍとされ、１００ＭＨｚおよび３．２ＭＨｚの２周波数の高周波電力が重畳されて印加された。
トレンチ形成の実験結果を示す前に、上記条件下で各パラメータを変化させた場合の特性について、図１１乃至図１４を用いて示す。
図１１は、前記条件下での、チャンバー内圧力とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示している。図１２は、当該条件下での、チャンバー内圧力と自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示している。図１１及び図１２に示されたプロットデータは、ガス流量を１００ｓｃｃｍとしてチャンバー内圧力を１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）近傍に調整した圧力条件、ガス流量を２００ｓｃｃｍとしてチャンバー内圧力を１０（１．３３Ｐａ）〜約１００ｍＴｏｒｒ（約１３．３Ｐａ）に調整した圧力条件、更に、ガス流量を６００ｓｃｃｍとしてチャンバー内圧力を１００ｍＴｏｒｒ（約１３．３Ｐａ）以上とした圧力条件、に対応している。
また、図１１及び図１２のデータについては、３．２ＭＨｚの高周波電力は重畳されず、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは２４００Ｗとされた。
図１３は、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとして、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示している。
図１４は、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとし、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーを２４００Ｗとして、３．２ＭＨｚの高周波電力を重畳した場合の当該高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示している。
図１１乃至図１４の特性から、以下のような知見が得られる。
形状制御性を高めるため等の理由で、１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）〜１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）のような低圧範囲を使用する場合、イオン同士の衝突・散乱の程度が小さい。このため、３．２ＭＨｚの高周波電力は重畳されるべきでなく、また、マイクロトレンチング抑制のためにプラズマのイオンエネルギーを抑制すべく自己バイアス電圧を比較的低くしておくべきである。また、ハードマスクとなるシリコン酸化膜などのスパッタレートを許容範囲に抑えるためには、自己バイアス電圧の上限値は３００Ｖ程度とすることが好ましい。このような条件において好適な１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは、１０００Ｗ（１．４２Ｗ／ｃｍ２）〜５０００（７．０８Ｗ／ｃｍ２）Ｗであり、対応するチャンバー内のプラズマ密度は、５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３である。
一方、エッチングレートを高めるため等の理由で、４００ｍＴｏｒｒ（５３Ｐａ）〜１０００ｍＴｏｒｒ（１３３Ｐａ）のような高圧範囲を使用する場合、イオン同士の衝突・散乱の程度が大さい。このため、エッチングレートの更なる上昇を目的として３．２ＭＨｚの高周波電力が重畳されることが、許容される。また、自己バイアス電圧の上限値についても、低圧の場合よりも高く、ハードマスクとなるシリコン酸化膜などのスパッタレートを許容範囲に抑えるためには、６００Ｖ程度とすることが好ましい。このような条件において好適な１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは、１０００Ｗ（１．４２Ｗ／ｃｍ２）〜５０００（７．０８Ｗ／ｃｍ２）Ｗであり、好適な３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーは、８００Ｗ（１．１３Ｗ／ｃｍ２）以下であり、対応するチャンバー内のプラズマ密度は、１×１０１１〜２×１０１１ｃｍ−３である。
さて、前記条件下でのトレンチ形成の実験に用いられたウエハＷは、図４に示すものと同様で、シリコン基板上に有機系材料膜３２としてＳｉＬＫ（商品名）が形成され、その上にハードマスクとして機能する無機系材料膜３３としてＳｉＯ２が形成され、さらにその上にＢＡＲＣ層３４及びレジスト膜３５が形成された構造であった。
レジスト膜３５をマスクとしてＢＡＲＣ層３４および無機系材料膜３３がエッチングされた後、トレンチが形成された。この時、チャンバー内圧力は３０ｍＴｏｒｒであり、３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーは重畳されず、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーは、２４００Ｗであった。トレンチは、ウエハ中央部で２０９ｎｍ／ｍｉｎのエッチングレートで、０．１２μｍの幅に形成され、マイクロトレンチ指数は極めて良好であった。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々変更可能である。例えば、上記実施形態では、何も形成されていない有機系材料膜にトレンチエッチングにより平坦な溝を形成する場合が示されているが、図１５Ａに示すような下層４３に繁がる層間配線のためのホール４１を予め有する有機系材料膜４２に対し図１５Ｂに示すような平坦部４７を有するトレンチ４６を形成する場合にも本発明は適用することができる。
また、上記実施形態では、磁場形成手段として永久磁石からなる複数のセグメント磁石がチャンバーの周囲にリング状に配置されてなるマルチポール状態のリング磁石が用いられたが、処理空間の周囲に磁場を形成してプラズマを閉じこめることができれば、この態様に限定されるものではない。また、このようなプラズマ閉じこめ用の周辺磁場は、必ずしも必要ではない。つまり、磁場が存在しない状態でエッチングを行ってもよい。また、処理空間に水平磁場を印加して直交電磁界中でプラズマエッチングを行うプラズマエッチング処理にも本発明は適用可能である。
さらに、上記実施形態では下部電極にプラズマ形成用の高周波電力が印加されているが、これに限らず、上部電極に印加されてもよい。さらにまた、上記実施形態では有機系材料膜としてｌｏｗ−ｋ膜を用いたが、これに限定されることなく、Ｏ、Ｃ、Ｈを含む他の膜やＳｉ、Ｏ、Ｃ、Ｈを含む他の膜であってもよい。また、層構造も、図４に示すものに限定されない。更には、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、これに限らず、ＬＣＤ基板等の他の被処理基板の有機系材料膜のプラズマ処理にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施の形態のプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。
図２は、図１のプラズマエッチング装置のチャンバーの周囲に配置されたリング磁石を模式的に示す水平断面図である。
図３は、プラズマ生成用の高周波電源とイオン引き込み用の高周波電源とを備えたプラズマ処理装置を部分的に示す概略断面図である。
図４は、本発明のプラズマエッチングが適用されるウエハの構造例を示す断面図である。
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明のプラズマエッチングのエッチング状態を説明するための図である。
図６は、マイクロトレンチングを説明するための模式図である。
図７は、アルゴンガスのプラズマにおいて、高周波電力の周波数が４０ＭＨｚと１００ＭＨｚとの場合の、自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示す図である。
図８は、マイクロトレンチ指数を説明するための模式図である。
図９は、チャンバー内圧力とエッチングレートとの関係を説明するための図である。
図１０は、チャンバー内圧力とマイクロトレンチ指数との関係、及び、チャンバー内圧力とＣＤシフトとの関係を説明するための図である。
図１１は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力とプラズマ密度Ｎｅとの関係を示す図である。
図１２は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力と自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示す図である。
図１３は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとした場合の、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示す図である。
図１４は、ＮＨ３ガスのプラズマにおいて、チャンバー内圧力を３０ｍＴｏｒｒとし、１００ＭＨｚの高周波電力のパワーを２４００Ｗとして、３．２ＭＨｚの高周波電力を重畳した場合において、３．２ＭＨｚの高周波電力のパワーと自己バイアス電圧の絶対値｜Ｖｄｃ｜との関係を示す図である。
図１５Ａは、本発明のプラズマエッチングが適用されるウエハの他の構造例を示す断面図である。
図１５Ｂは、図１５Ａのウエハに対するエッチング状態を説明するための図である。
Claims (13)
- チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する一枚の被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、
少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるように前記一枚の被処理基板をプラズマエッチングするエッチング工程と、
を備え、
前記エッチング工程において、前記少なくとも一方の電極に印加する高周波電力の周波数が、５０〜１５０ＭＨｚであり、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が、１．３３〜１３．３Ｐａであり、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の処理ガスの滞在時間は、７０〜１８０ｍｓｅｃである
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 前記エッチング工程において、前記チャンバー内のプラズマ密度が、５×１０１０〜１×１０１１ｃｍ−３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。 - チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する一枚の被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、
少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるように前記一枚の被処理基板をプラズマエッチングするエッチング工程と、
を備え、
前記エッチング工程において、前記少なくとも一方の電極に印加する高周波電力の周波数が、５０〜１５０ＭＨｚであり、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が、５３〜１３３Ｐａであり、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の処理ガスの滞在時間は、７０〜１８０ｍｓｅｃである
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 前記エッチング工程において、前記被処理基板を支持する電極に前記高周波電力が印加されると共に、前記被処理基板を支持する電極に前記高周波電力に重畳させて５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚの第２高周波電力が印加される
ことを特徴とする請求項３に記載のプラズマエッチング方法。 - 前記エッチング工程において、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下である
ことを特徴とする請求項３または４に記載のプラズマエッチング方法。 - 前記処理ガスは、Ｎ２ ガス、Ｈ２ ガス、Ｏ２ ガス、ＣＯガス、ＮＨ３ ガス、Ｃｘ Ｈｙ で表されるガス（ｘ、ｙは自然数）、及び、希ガスの中から選択された少なくとも１種である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。 - 前記有機系材料膜は、Ｏ、Ｃ、及び、Ｈを含む
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。 - 前記有機系材料膜は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、及び、Ｈを含む
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。 - 前記有機系材料膜は、低誘電率膜である
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。 - 前記平坦部の幅は、０．５μｍ以上である
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。 - 前記一対の電極の電極間距離は、５０ｍｍ未満である
ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。 - チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する一枚の被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、
少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるように前記一枚の被処理基板をプラズマエッチングするエッチング工程と、
を備え、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が１．３３〜１３．３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が５×１０１０ 〜１×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が３００Ｖ以下であり、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の処理ガスの滞在時間は、７０〜１８０ｍｓｅｃである
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - チャンバー内に一対の電極を対向して配置し、両電極の間に有機系材料膜を有する一枚の被処理基板が配置されるように、一方の電極によって当該被処理基板を支持させる配置工程と、
少なくとも一方の電極に高周波電力を印加して前記一対の電極間に高周波電界を形成するとともに、チャンバー内に処理ガスを供給し、前記電界により処理ガスのプラズマを形成し、該プラズマにより前記被処理基板の前記有機系材料膜を当該膜の途中まで平坦な底部を有する溝が形成されるように前記一枚の被処理基板をプラズマエッチングするエッチング工程と、
を備え、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の圧力が５３〜１３３Ｐａであり、前記チャンバー内のプラズマ密度が１×１０１１ 〜２×１０１１ｃｍ−３であって、かつ、電極の自己バイアス電圧が６００Ｖ以下であり、
前記エッチング工程において、前記チャンバー内の処理ガスの滞在時間は、７０〜１８０ｍｓｅｃである
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
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