JP4500023B2 - 層間絶縁膜のドライエッチング方法 - Google Patents
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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、上面に反射防止膜を形成した比誘電率が低い層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関する。
近年、ＬＳＩの高集積化及び高速化に伴い、半導体素子の微細化と多層化とが進み、フォトリソグラフィ工程では、高精度なパターニングを行うために、例えば波長の短いＫｒＦエキシマレーザが用いられるようになってきた。このＫｒＦエキシマレーザを用いると基板反射率が高くなり、ハレーションが生じ易い。このため、図４に示すように、フォトリソグラフィ工程時の基板反射を防止する目的で層間絶縁膜上に、所定の膜厚の反射防止膜（ＢＡＲＣ（bottom Anti-Reflective coating）を形成することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。そして、反射防止膜上に、フォトリソグラフィ工程でレジストパターンを形成した後（図４（ａ）参照）、エッチング工程によって反射防止膜及び層間絶縁膜とがエッチングされる。
エッチング装置としては、第１高周波電源を介して主放電用の電力を供給すると共に、第２高周波電源を介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させる基板バイアス用の電力を供給するようにしたものが利用され、イオン入射エネルギを高めて異方性エッチングを可能にしている（例えば、特許文献２参照）。この場合、先ずエッチングガスとして、ＣＦ４とＣＨＦ３との混合ガスを用い、反射防止膜Ａ用のエッチング条件で反射防止膜Ａをエッチングし（図４（ｂ）参照）、次いで、エッチングガスとしてＣＦ４とＡｒとの混合ガスを用い、高周波電源の投入電力などのエッチング条件を層間絶縁膜Ｂ用のものに変更して層間絶縁膜Ｂをエッチングする（図４（ｃ）及び（ｄ）参照）。このようにエッチング条件を変えてエッチングを行うのではエッチング工程が複雑になるという問題がある。
ところで、一般に、異方性エッチングするには高いイオンの入射エネルギが必要になり、層間絶縁膜上に反射防止膜を形成したものでは、層間絶縁膜への入射エネルギをさらに高めてエッチングの異方性を高める必要がある。イオン入射エネルギが高いと、エッチングによるホール、トレンチの底面にはマイクロトレンチが発生するという問題がある（図４（ｃ）及び（ｄ）参照）。この場合、プロセス圧力を１Ｐａ以上に高めてプラズマ密度を上げることで実効的な入射エネルギを下げたり、または基板バイアス電力を低くしてマイクロトレンチの発生を抑制することが考えられる。
特開２００１−１７６９６３号公報（特許請求の範囲の記載）。
特開２００３−１０９９４７号公報（図１）。
しかしながら、上記のように、エッチングプロセス実行時の作動圧力を高めると、プロセス雰囲気が変化することによってエッチング特性が変化することが考えられる。その上、低誘電率の層間絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）をエッチングする場合、ホール、トレンチのサイドウォールへの反応原子や分子の衝突確率が高くなるためにサイドウォールがダメージを受ける場合がある。他方で、バイアス電力を小さくしたのでは、エッチング速度が大幅に低下してエッチング処理時間が長くなり、場合によっては完全にホール、トレンチをエッチングできない場合が生じる。
そこで、本発明は、上記点に鑑み、一回のエッチング処理で反射防止膜及び層間絶縁膜をエッチングでき、高いエッチングレートで層間絶縁膜にダメージを与えないようにエッチングしてもマイクロトレンチの発生が抑制される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に、本発明の層間絶縁膜のドライエッチング方法は、上面に反射防止膜が形成された、ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料から構成される層間絶縁膜をドライエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する層間絶縁膜のドライエッチング方法において、エッチングガスとして、直鎖フロロカーボンガスと不活性ガスとの混合ガスを用い、前記フロロカーボンガスの比率を総流量に対して６０％以上にして、反射防止膜と層間絶縁膜とを同じエッチング条件で連続してエッチングするようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、直鎖フロロカーボンガスを用いて反射防止膜及び層間絶縁膜を一括したエッチングすることで、即ち、反射防止膜をエッチングした後、同じエッチング条件で連続して層間絶縁膜をエッチングすることで、エッチングによって数ｎｍに薄化した反射防止膜が層間絶縁膜上に形成され、この反射防止膜が層間絶縁膜のエッチング表面の保護膜としての役割を果たし、マイクロトレンチの発生が抑制される。この場合、プロセス圧力を高めてプラズマ密度を上げることで実効的な入射エネルギを下げたり、または基板バイアス電力を低くしたりしないので、高いエッチングレートで層間絶縁膜にダメージを与えないようにエッチングできる。また、反射防止膜及び層間絶縁膜を一括してエッチングするため、エッチング工程が簡単になり、その上、処理時間を大幅に短縮できる。
また、前記ドライエッチングを１Ｐａ以下の作動圧力下で行うようにすれば、サイドウォールへの過剰な膜堆積と伴わなず、残渣の少ないエッチングとなって層間絶縁膜にダメージを与えることがさらに防止される。
以上説明したように、本発明の層間絶縁膜のエッチング方法は、一回のエッチング処理で反射防止膜及び層間絶縁膜をエッチングでき、高いエッチングレートで層間絶縁膜にダメージを与えないようにエッチングしてもマイクロトレンチの発生が抑制されるという効果を奏する。
図１を参照して、１は、本発明のドライエッチング方法を実行するエッチング装置であり、このエッチング装置１を用いて、上面に反射防止膜を形成した比誘電率の低い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行う。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、その下部には基板電極部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、層間絶縁膜を形成した処理基板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。
図２（ａ)を参照して、上記エッチング装置を用いてエッチングによってホール、トレンチの微細加工される低誘電率層間絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）３１としては、スピンコートによって形成されたＨＳＱやＭＳＱのような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−ｋ材料であり、多孔質材料であってもよい。塗布系のＳｉＯＣＨ系材料としては、例えば、商品名NCS／触媒化成工業社製、商品名ＬＫＤ／ＪＳＲ社製、商品名HSG／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、商品名ＩＳＭ／ＵＬＶＡＣ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／Novellf社製、商品名Black Diamond／AMAT社製がある。
この層間絶縁膜３１上には、フォトリソグラフィ工程時の基板反射を防止する目的で所定の膜厚の反射防止膜（ＢＡＲＣ）３２が形成されている。この場合、反射防止膜３２としては、酸窒化シリコンや非晶質水素化炭素被膜のような公知のものがあり（例えば、特許公報第３００４００２号参照）、例えばプラズマＣＶＤ法によって層間絶縁膜３１上に形成される。この反射防止膜３２上には、フォトリソグラフィ工程で配線用のレジストパターン３３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。そして、エッチングによって低誘電率層間絶縁膜３１にホール、トレンチ３７がエッチングされる。
ところで、反射防止膜３２を形成した層間絶縁膜３１を異方性エッチングするには、高いイオン入射エネルギが必要になる。この場合、イオン入射エネルギが高いと、エッチングによりホール、トレンチの底面にはマイクロトレンチが発生する。このため、マイクロトレンチの発生が抑制され、その上、エッチング工程を簡素化するため反射防止膜３２及び層間絶縁膜３１とを一括してエッチングできるようにするのがよい。
そこで、本実施の形態では、エッチングガスとして、直鎖フロロカーボンガスを主ガスとする混合ガスを用い、図２（ｂ）乃至（ｄ）に示すように、反射防止膜３１及び層間絶縁膜３２とを同じエッチング条件で一括してエッチングするようにした。この場合、直鎖フロロカーボンガスの比率を、混合ガスの総流量に対して６０％以上とする。また、エッチングガスに添加するガス種としては不活性ガスを用いる。これにより、反射防止膜３２をエッチングし（図２（ｂ）参照）、その後、同じエッチング条件で連続して層間絶縁膜３１をエッチングすると、エッチングによって数ｎｍに薄化した反射防止膜３２ａが層間絶縁膜３１上に形成され（図２（ｃ）参照）、この反射防止膜３２ａがホール、トレンチのエッチング表面の保護膜としての役割を果たし、マイクロトレンチの発生が抑制されると共に、異方性エッチングが可能なる（図２（ｄ）参照）。
直鎖フロロカーボンガスとしては、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ２Ｆ４、Ｃ３Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、ＨＦＥ−２１６（Ｃ３Ｆ６Ｏ（ＣＦ３ＯＣＦ＝ＣＦ２）／トリケミカル研究所製）である。また、不活性ガスとしてはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ２がある。尚、層間絶縁膜がＣ含有のＬｏｗ−ｋ材料である場合、フッ素主体のエッチングガスでは、反応性が高くなってホール、トレンチのエッチング表面が非常に荒れ易くなる。他方で、フロロカーボンガスの比率が６０％より少ないと、層間絶縁膜がＣ含有のＬｏｗ−ｋ材料の場合に膜中のＣが除去され難く、エッチングストップが発生する。
そして、エッチングする場合の作動圧力をラジカル反応を抑制する１Ｐａ以下に設定し、第１高周波電源１９を介して主放電用の電力を供給し、第２高周波電源２２を介して主放電により生成されたイオン種を処理基板Ｓへ入射させる基板バイアス用の電力を供給すると共に、上記エッチングガスをチャンバ１１内に導入して反射防止膜３２及び層間絶縁膜３１をエッチングする。その際、エッチング条件は、層間絶縁膜３１を異方性エッチングするのに最適なものに設定する。
本実施例では、ＳｉＯＣ系材料として、比誘電率（ｋ）２．５のＭＳＱを用い、スピンコータを使用して処理基板Ｓ上に５００ｎｍの膜厚で低誘電率の層間絶縁膜３１を形成した。次いで、反射防止膜３２として、非晶質水素化炭素被膜を、プラズマＣＶＤによって層間絶縁膜３１上に８０ｎｍの膜厚で形成した。この反射防止膜３２上に、スピンコータによりレジストを塗布し、フォトリソグラフィ工程で所定のレジストパターン３３を形成した。この場合、レジストとして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、ＣＦ４とＡｒとの混合ガスをエッチングガスとし、このエッチングガスを真空チャンバ１１内に導入して層間絶縁膜３１及び反射防止膜３２をエッチングした。この場合、ＣＦ４及びＡｒとの混合ガスのガス流量を４００ｓｃｃｍとし、ＣＦ４の比率を混合ガスの総流量に対して６０％とした。また、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２０に接続した基板バイアス用の高周波電源２２の出力を１００Ｗ、基板温度２５℃、真空チャンバ１１の圧力を０．７Ｐａに設定して行った。
図３（ｃ）は、上記条件で層間絶縁膜３１及び反射防止膜３２を連続してエッチングしたときのＳＥＭ写真である。これによれば、マイクロトレンチの発生は見られず、層間絶縁膜に所定の深さでホールを異方性エッチングできた。また、ボーイング形状の発生も防止できた。
尚、図３（ａ）は、エッチングガスとして、ＣＦ４とＣＨＦ３の混合ガスを用い、この混合ガスのガス流量を５０ｓｃｃｍ（ＣＦ４／ＣＨＦ３＝２５／２５ｓｃｃｍ）とし、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２０に接続した基板バイアス用の高周波電源２２の出力を１００Ｗ、真空チャンバ１１の圧力を１Ｐａに設定して一旦反射防止膜をエッチングし、次いで、ＣＦ４とＡｒの混合ガスを用い、この混合ガスのガス流量を４００ｓｃｃｍ（ＣＦ４／Ａｒ＝２５０／１５０ｓｃｃｍ）とし、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２０に接続した基板バイアス用の高周波電源２２の出力を８０Ｗ、真空チャンバ１１の圧力を０．７Ｐａに設定して層間絶縁膜をエッチングした場合のＳＥＭ写真である。これによれば、ホールの底面にマイクロトレンチが発生した。
また、図３（ｂ）は、マイクロトレンチの発生を抑制するために、ＣＨ４などの強い堆積膜を伴うエッチングガスを導入して、上記条件でエッチングしたときのＳＥＭ写真である。これによれば、ホールの幅が狭くなり、完全にエッチングできなかった。
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
３１ 層間絶縁膜
３２ 反射防止膜
３３ レジストパターン
Ｓ 処理基板
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Claims (2)
- 上面に反射防止膜が形成された、ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料から構成される層間絶縁膜をドライエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する層間絶縁膜のドライエッチング方法において、
エッチングガスとして、直鎖フロロカーボンガスと不活性ガスとの混合ガスを用い、前記フロロカーボンガスの比率を総流量に対して６０％以上にして、反射防止膜と層間絶縁膜とを同じエッチング条件で連続してエッチングするようにしたことを特徴とする層間絶縁膜のドライエッチング方法。 - 前記ドライエッチングを１Ｐａ以下の作動圧力下で行うことを特徴とする請求項１記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
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