JP4599212B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法および装置に関するものである。

プラズマ処理装置を用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また被処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現している。配線およびその配線間を接続するプラグを形成するダマシンプロセスでは、消費電力低減の観点から、SiOCH膜の様な低誘電率膜が層間絶縁膜として使用されるようになってきた。この層間絶縁は、非許文献１に記載のように、O₂プラズマ等の照射により、SiOC膜中の-CH₃基が引抜かれ、K値が劣化することが知られている。

K. Maex et. al. : J. Appl. Phys., Vol93(2003) p8793

そこで、O_２プラズマ等の照射によりSiOC膜中の-CH_３基が引抜かれ、K値が劣化することの対策として、O_２等のCを除去するガスを添加しない方法が検討されている。しかし、この方法は、エッチング形状との両立が難しいという問題がある。このため、エッチングプロセスにおける、エッチング形状とSiOC膜のK値劣化抑制の両立が急務である。

本発明の目的は、低誘電率膜(Low-k膜、例えばSiOCH等のSiOC系膜)において、高精度でかつ低誘電率膜の誘電率の劣化を抑制することが可能な処理条件を有するプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明による代表的な解決手段を挙げると、次のとおりである。
プラズマ処理装置において、プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することによりSiOC系膜を含む多層構造膜を有する被処理材をエッチング処理するプラズマ処理方法であって、前記SiOC系膜のエッチングにおいて、対マスク選択比の高い異方性主体のエッチングを行った後、CxHyFzガス(x、y、z=０、１、２、…)を主体としかつN_２及びO_２を含まないガスを用いた等方的なエッチングを行うプラズマ処理方法。

プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することにより被処理材をエッチング処理するプラズマ処理装置を用いて、レジストマスク、反射防止膜、キャップ膜、SiOCH膜を含む多層構造膜を有する被処理材をエッチングにて所定のエッチング加工形状に加工するプラズマ処理方法であって、前記レジストが前記所定のエッチング加工形状に対応するマスクパターンを有するものにおいて、前記多層構造膜の前記反射防止膜または該反射防止膜及び前記キャップ膜のエッチングステップにおいて、加工形状を前記マスクパターン寸法よりも細い形状に加工し、前記SiOCH膜のエッチングにおいて、第１のステップにて対マスク選択比の高い異方性主体のエッチングを行って所望の深さまで加工した後、第２のステップにてCxHyFzガス(x、y、z=０、１、２、…)を主体としかつN_２及びO_２を含まないガスを用いた等方的なエッチングを行って前記マスクパターン寸法に対応した所定のエッチング加工形状に加工することを特徴とするプラズマ処理方法。

CxHyFzガスとしては、CF4、CHF3、CH2F2、CH3F3、C4F8、C5F8、C4F6等があげられる。

また、以下の方法でも上記課題を解決可能である
第１の方法：反射防止膜(BARC)エッチングステップにてパターン寸法よりも溝又は孔を細く加工し、N_２またはO_２を含む高マスク選択比条件にてエッチングを行う。その後N_２またはO_２を含まず、基板に印加するバイアス出力を低下させて等方的なエッチングを行う。
第２の方法：パターン寸法よりも溝又は孔をやや細く加工するN_２等を含む高マスク選択比条件と、N_２またはO_２を含まず、基板に印加するバイアス出力を低下させて等方的なエッチングを周期的に行う。

本発明によれば、SiOC系膜のエッチングにおいてk値劣化のない高垂直で高精度なエッチング処理が可能である。

図１は、本発明の実施態様として、典型的なシリコン基板（ウエハ）のSiOCH膜を含む多層構造膜に対してトレンチエッチング又はビアエッチングを行うステップを示す概念図である。図１の（ａ）において、１０６はシリコン基盤(Si)であり、その上の多層構造膜として、１０１はフォトレジストマスク、１０２は反射防止膜(BARC)、１０３はキャップ膜(TEOS)、１０４は被処理材(SiOCH)、１０５はエッチングストップ膜(SiC)である。

トレンチエッチング又はビアエッチングに際しては、まず、ArFフォトレジストマスク１０１をマスクにしてBARC膜１０２をエッチングし、その後、被処理材（例えばSiOCH）膜１０３をエッチングする。

層間絶縁膜のエッチングにはフロロカーボンガスが用いられ、SiO_２表面にCF系のポリマーを堆積させ、更に基板バイアスを印加することによりイオンを入射させエッチングを行う。特にSiO_２膜等のエッチングでは余剰なカーボン(C)等をO_２を添加することにより除去し、垂直なエッチング形状を実現していた。しかし、SiOCH膜等の低誘電率膜(Low-k膜)では、O_２又はN_２を添加することにより、SiOC膜中の-CH_３基が引抜かれ誘電率(k値)が増加する。これらK値の増加が発生すると、図１(b)に示したエッチング加工後のトレンチ又はビア周辺の層間絶縁膜のk値が上昇してしまうことから、製作するデバイスにおいて所望の電気特性等が得られない等の問題がある。

実際にSiOCH膜中の-CH_３基の引抜きを調べるために２次イオン質力分析計(SIMS)を用いたカーボン(C)の深さ方向プロファイルを測定した。また同じサンプルにて水銀プローブを用いてK値測定を実施した。その結果を図２に示す。

図２の縦軸がC濃度を示すイオン強度、横軸はSiOCH膜表面からの深さである。
図中には（ａ）プラズマ処理を施していないサンプル、（ｂ）CHF３とN２の混合ガスを用いてエッチングを行ったサンプル、（ｃ）N_２およびO_２ガスを含まないCF_４ガス単体でエッチングしたサンプル、および（ｄ）CHF３とN２の混合ガスを用いてエッチングを行った後、CF_４ガス単体で約１００nm程度エッチング処理を施したサンプルの各々に関して、C濃度の深さ方向プロファイルを示す。

測定結果によれば、（ｂ）のCHF３とN２の混合ガスを用いてエッチングを行ったサンプルでは、k値が増加し更に表面のC濃度が低下しているが、（ｃ）のCF_４ガス単体でエッチングしたサンプルおよび（ｄ）のCHF３とN２の混合ガスを用いてエッチングを行った後、CF_４ガス単体で約１００nm程度エッチング処理を施したサンプルでは、k値はほぼ初期膜と同等であり、また表面近傍でのC濃度の低下は見られなかった。このことから、SiOCH膜のk値劣化を抑制するためにはN_２またはO_２を含まないガスでエッチングすることが重要であることがわかる。更に本結果より、ダメージ層は界面付近に形成されるということが分かる。

[実施例１]
本発明を用いた第２の実施例を図３を用いて説明する。図３は、基板（ウエハ）のトレンチエッチングを示す概念図である。図３(a)には所望の寸法のマスクパターン（トレンチ幅＝Ｄ０）が形成されている。まずBARC膜(１０２)エッチング工程において、デポ性の強いガス系を使用することにより、図３(b)に示すようにエッチング加工形状をマスクパターンより細く形成する（トレンチ幅＝Ｄ１、Ｄ１＜Ｄ０）。ここでCF_４ガスにCH_２F_２、CHF_３、CH_４、H_２などのHを含むガス、またはCOなどのカーボン比率の高いガスを添加することにより、マスク寸法に対してエッチング加工形状を細く形成することが可能である。

次に、図３(b)の形状をマスクにして、図３(c)に示すように、キャップ膜(１０３、 例えばTEOS膜、SiOC膜)およびLow-k膜(１０４、 例えばSiOC膜、ポーラスSiOC膜)のメインエッチング（第1のステップ）を行う。このとき、図３(b)で形成された寸法（トレンチ幅＝Ｄ１）をほぼ維持するように調整する。この場合、N_２、O_２等のガスを添加し、対マスク選択比を増加した、対マスク選択比の高いエッチング条件にてエッチングを行う。

次に、N_２、O_２ガスを添加しないガス系で等方的なメインエッチング（第２のステップ）を行い、図３(d)のように図３(a)で形成されていた寸法の形状（トレンチ幅＝Ｄ０）をほぼ維持するように調整する。この場合、N_２、O_２等のガスを添加し、対マスク選択比を形成する。

さらに、好ましくは図３(e)に示すように、フォトレジスト(１０１)も本メインエッチング（第２のステップ）で除去する。本工程では等方エッチングを実施するが、その際ウエハに印加するバイアス出力を低下させることで、より高精度な等方エッチングが可能である。この第２のステップでは、前の図３(c)のメインエッチング（第1のステップ）で形成されたトレンチ側壁のダメージ層がエッチングにより除去され、更にN_２、O_２ガスを添加しないガス系ではトレンチ側壁にダメージ層が形成されないことから、k値劣化を抑制することが可能である。

従って、BARCエッチングステップにてマスク寸法を縮小し（幅＝Ｄ１、Ｄ１＜Ｄ０）、その縮小されたマスクに対し高マスク選択比のエッチングを行い、更にバイアス出力を低下しN_２、O_２ガスを添加しないガス系で等方エッチングを行うことで、トレンチ・ビアの側壁にダメージ層が形成されず、更に所望の寸法（幅＝Ｄ０）のエッチングを行うことが可能であり、エッチング加工形状とk値劣化のないエッチングが可能であるという効果がある。

[実施例２]
次に本発明を用いた第２の実施例を図４から図６を用いて説明する。第１の実施例と同一箇所は説明を省略する
図４は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置の縦断面図である。エッチング装置は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室４０５と、この処理室内へガスを供給するガス供給装置４０７と、被処理材４１６を載置可能な基板電極４１５と、この基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜および被処理材を温調するために冷却ガス導入機構と、この基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極４０３（＝上部電極）と、基板電極へ接続された高周波電源４１３およびアンテナ電極へ接続された高周波電源４０８と、この基板電極へ接続された高周波電源４１７とこのアンテナ電極へ接続された高周波電源に印加する高周波の位相を制御する手段４２０を備えている。さらに、ガス供給装置４０７を時間的に変調するためのガス流量変調器および基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源の出力を時間変調する装置を具備している。さらに、ガス供給装置を時間的に変調するためのガス流量変調器および基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源の出力を同期して時間変調する装置を具備している。

より具体的には、上部が開放された真空容器４０１の上部に処理容器４０４、例えば石英製の誘電体窓４０２、例えばSi製のアンテナ電極（＝上部電極）４０３を設置、密封することにより処理室４０５を形成する。上部電極４０３はエッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置４０７に接続されている。また真空容器４０１には真空排気口４０６を介して真空排気装置(図示省略)が接続されている。アンテナ電極４０３の上部には同軸線路４１１、フィルター４１０及び整合器４０９、整合器４１２を介して高周波電源４０８(例えば周波数１００MHz〜４５０MHz)、アンテナバイアス電源４１３が接続されている。アンテナバイアス電源４１３(例えば周波数４００kHz〜４MHz)は外部トリガー信号により発振を制御することができる。

また、被処理材４１６を載置可能な基板電極４１５は真空容器４０１下部に設置され、整合器４１８を介して基板バイアス電源４１９に接続されている。また基板電極４１５は上部に静電吸着膜(図示省略)を有し、被処理材４１６と静電吸着膜間に冷却用ガスを供給することが可能である。これら冷却用ガスの圧力は任意の圧力に制御することが可能である。また基板バイアス電源４１９は外部トリガー信号により発振を制御可能である。また被処理材４１６を静電的に吸着させるために静電チャック(ESC)電源４２３がフィルター４１７を介して基板電極４１５に接続されている。またアンテナバイアス電源４１３と基板バイアス電源４１９は位相制御器４２０に接続されており、アンテナバイアス電源４１３と基板バイアス電源４１９より出力される高周波の位相を制御することができる。位相の設定は、位相検出プローブ４２１、４２２の信号を元に、所望の位相に制御することが可能である。ここで、その位相は主に１８０°±４５°とした。

また位相制御器４２０とガス供給装置４０７には時間変調制御器４２４が接続されており、任意の時間周期（例えば０.１Hzから１０kHzの範囲のいずれかの時間周期）にてチャンバー内に導入するガスの時間変調およびアンテナバイアス電源４１３および基板バイアス電源４１９の出力を時間変調することが可能である。またガス供給装置４０７はそれぞれのマスフローコントローラにてガス流量を時間変調することも可能であるが、２つ以上のガス系統に分類し、ピエゾバルブ等を用いて時間変調を行うことで、より高速なガス流量の時間変調が可能となる。

上記のように構成されたプラズマ処理装置において、処理室４０５内部を真空排気装置(図示省略)により減圧した後、ガス供給装置４０７によりエッチングガスを処理室４０５内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源４０８より発振された高周波電力は同軸線路４１１を伝播し、上部電極４０３および誘電体窓４０２を介して処理室４０５内に導入される。該高周波電源４０８と該同軸線路４１１との間には整合器４０９が接続され、該高周波電源４０８より出力された高周波電力を効率良く該処理室４０５内に供給するように作用する。

また、磁場発生用コイル４１４(例えばソレノイドコイル)により形成された磁場との相互作用により、処理室４０５内に高密度プラズマを生成する。特に電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度(例えば１６０G)を処理室内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また、アンテナバイアス電源４１３より高周波電力は整合器４１２、同軸線路４１１を介してアンテナ電極４０３に供給される。このとき該整合器４０９、該整合器４１２と該同軸線路４１１の間にはフィルター４１０が設置されており、該フィルター４１０は該高周波電源４０８より出力された高周波電力を、該同軸線路４１１方向へ効率良く投入すると共に、該アンテナバイアス電源４１３より出力された高周波電力を、該同軸線路４１１方向へ効率良く投入するように作用する。

また、基板電極４１５に載置された被処理材４１６は、整合器４１８を介して基板バイアス電源４１９より高周波電力が供給され、表面処理(例えばエッチング処理)される。また該基板電極４１５には静電吸着用直流電源４２３が接続されており、該被処理材４１６を吸着することが可能である。また該静電吸着用直流電源４２３と該整合器４１８の間にはフィルター４１７が接続されており、該基板電極４１９および該静電吸着用直流電源４２３から出力された電力を効率良く基板電極４１５に投入するように作用する。

図５に、ガスを２系統に分離し時間変調を行い、更にアンテナバイアス出力およびウエハバイアス出力を時間変調制御器５２４を用いて変調した場合のタイムチャートを示す。GasAはN_２、O_２ガスを添加せずSiOC膜にダメージ層を形成しないガス系で、GasBはN_２等のガスを添加し高マスク選択比となるガス系を用いる。GasAを流す時間をT１とし、GasBを流す時間をT２とする。時間T１では印加するバイアス出力を低下または出力を停止し、より等方的なエッチングを進行させる。またアンテナバイアスも同期して出力を低下または出力を停止することにより、プラズマ電位の上昇を抑制しチャンバー壁等のスパッタを低減することが可能である。時間T２ではアンテナ・基板バイアスをそれぞれ印加し、異方性エッチングを行う。これらの時間T１、T２のエッチングを繰り返し周期０.１Hz〜１０kHz程度で繰り返し実施することにより、SiOC膜のk値劣化を抑制し、更に高マスク選択比で高精度なエッチングが可能である。

そのエッチングの様子を模式的に図６に示す。図６(a)はBARCエッチング後のトレンチ・ビア形状である。この場合BARCエッチングはなるべくマスク寸法（幅＝Ｄ０）と同じになるようにエッチングを行う。次に時間T２エッチング後の形状を図６(b)に示す。トレンチ側壁はややテーパ形状となるが、このトレンチ側壁にはデポ層が形成されるので、エッチング加工形状としてはスクパターンより細く形成される（幅＝Ｄ１、Ｄ１＜Ｄ０）。ここではN_２、O_２ガスを添加した場合でもトレンチ・ビア側壁にはデポ層が形成されるため、実際のトレンチ・ビアの側壁にはダメージ層が形成されない。

次に、時間T１のエッチング後の形状を図６(c)に示す。ここではN_２、O_２ガスを添加せず等方エッチングを行い、マスク寸法どおりのトレンチ・ビア幅（＝Ｄ０）になるよう加工する。これらのステップを繰り返すことにより、図６(d)のトレンチ・ビア形状（幅＝Ｄ０）が形成される。

実際に形成されたトレンチ・ビアの側壁はエッチング加工時にN_２、O_２ガスに暴露されることが無いため、ダメージ層は形成されず、k値劣化は発生しない。更に時間T１と時間T２の比率は可変であり、その比率は時間T１でのエッチングレート、時間T２での側壁デポレートの比率により決定される。

従って、高マスク選択比のエッチングと、更にバイアス出力を低下しN_２、O_２ガスを添加しないガス系で等方エッチングを周期的に行うことで、トレンチ・ビアの側壁にダメージ層が形成されず、更に所望の寸法のエッチングを行うことが可能であり、エッチング加工形状とk値劣化のないエッチングが可能であるという効果がある。

また、本実施例では、有磁場エッチング装置について述べたが、低圧力動作が可能であるアッシング装置など他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。

以上述べたように、本発明のプラズマ処理方法及び装置では、低誘電率膜(Low-k膜、例えばSiOCH)を行う際、BARCエッチングステップにてパターン寸法よりも溝又は孔を細く加工し、N_２またはO_２を含む高マスク選択比条件にてエッチングを行う。その後N_２またはO_２を含まず、ウエハに印加するバイアス出力を低下させて等方的なエッチングを行う、又はパターン寸法よりも溝又は孔をやや細く加工するN_２等を含む高マスク選択比条件と、N_２またはO_２を含まず、ウエハに印加するバイアス出力を低下させて等方的なエッチングを周期的に行う。これらにより、エッチング形状を高精度に制御すると共に、かつ低誘電率膜の誘電率の劣化を抑制することが可能となる。

本発明の実施態様になるSiOCH膜を含む多層構造膜に対してトレンチエッチング又はビアエッチングを行うステップを示す概念図である。 SiOCH膜ダメージ層を示すカーボン(C)濃度の深さ方向分布を示す図である。 本発明の第１の実施例におけるエッチングプロセスの模式図である。 本発明の第２の実施例に用いられるエッチング装置の概略を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施例におけるガス流量およびバイアス出力の時間変化を示す特性図である。 本発明の第２の実施例におけるエッチングプロセスの模式図である。

符号の説明

１０１…フォトレジストマスク、１０２…反射防止膜(BARC)、１０３…キャップ膜(TEOS)、１０４…被処理材(SiOCH)、１０５…エッチングストップ膜(SiC)、１０６…シリコン基盤(Si)、４０１…真空容器、４０２…誘電体窓、 ４０３…アンテナ電極、４０４…処理容器、４０５…処理室、４０６…真空排気口、４０７…ガス供給装置、４０８…高周波電源、４０９…整合器、４１０…フィルター、４１１…同軸線路、４１２…整合器、４１３…アンテナバイアス電源、４１４…磁場発生コイル、４１５…基板電極、４１６…被処理材、４１７…フィルター、４１８…整合器、４１９…基板バイアス電源、４２０…位相制御器、４２１、４２２…位相検出プローブ、４２３…静電吸着用直流電源、４２４…時間変調制御器。

Claims (5)

1. プラズマ処理装置において、プラズマを生成し、被処理材に高周波電圧を印加することにより該被処理材を所定のエッチング加工形状に加工するプラズマ処理方法であって、
   前記被処理材は、レジストマスク、反射防止膜、キャップ膜、SiOCH膜を含む多層構造膜を有し、前記レジストが前記所定のエッチング加工形状に対応するマスクパターンを有し、
   前記多層構造膜の前記反射防止膜または該反射防止膜及び前記キャップ膜のエッチングを行った後、前記SiOCH膜のエッチングを行うものにおいて、
   前記多層構造膜の前記反射防止膜または該反射防止膜及び前記キャップ膜のエッチングステップにおいては、加工形状を前記マスクパターン寸法よりも細い形状に加工し、
   前記SiOCH膜のエッチングにおいては、
   第１のステップにて、フロロカーボンガスにN _２ またはO _２ を含む混合ガスを用いた対マスク選択比の高い異方性主体のエッチングを行って所望の深さまで加工した後、
   第２のステップにて、CxHyFzガス(少なくともxが１以上、yが０又は１以上、且つ、zが１以上)を主体としかつN_２及びO_２を含まないガスを用いた等方的なエッチングを行って前記マスクパターン寸法に対応した所定のエッチング加工形状に加工する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理方法であって、
   前記反射防止膜または反射防止膜およびキャップ膜のエッチングステップにおいて、CF _４ とHを含む混合ガスを用いて前記加工形状を前記マスクパターン寸法よりも細い形状に加工する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
3. プラズマ処理装置において、プラズマを生成し、被処理材に高周波電圧を印加することにより該被処理材を所定のエッチング加工形状に加工するプラズマ処理方法であって、
   前記被処理材は、レジストマスク、反射防止膜、キャップ膜、SiOCH膜を含む多層構造膜を有し、前記レジストが前記所定のエッチング加工形状に対応するマスクパターンを有し、
   前記多層構造膜の前記反射防止膜または該反射防止膜及び前記キャップ膜のエッチングを行った後、前記SiOCH膜のエッチングを行うものにおいて、
   前記多層構造膜の前記反射防止膜または該反射防止膜及び前記キャップ膜のエッチングステップにおいては、前記加工形状を前記マスクパターン寸法よりも細い形状に加工し、
   前記SiOCH膜のエッチングにおいては、
   フロロカーボンガスとN _２ またはO _２ との混合ガスを用いた対マスク選択比の高い異方性主体のエッチングを行う第１のステップと、
   CxHyFzガス(少なくともxが１以上、yが０又は１以上、且つ、zが１以上)を主体としかつN _２ 及びO _２ のガスを用いない等方的なエッチングを行う第２のステップとを周期的に繰り返す
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項３記載のプラズマ処理方法において、
   前記繰り返し周期を０.１Hz〜１０kHzとする
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
5. プラズマ処理装置において、プラズマを生成し、被処理材に高周波電圧を印加することにより、該被処理材にエッチング処理によって所定の形状のトレンチ加工を行うトレンチエッチング方法であって、
   前記被処理材が、レジストマスク、反射防止膜、キャップ膜、SiOCH膜を含む多層構造膜を有し、前記レジストが前記所定のトレンチエッチング加工形状に対応するマスクパターンを有し、
   前記多層構造膜の前記反射防止膜または該反射防止膜及び前記キャップ膜のエッチングを行った後、前記SiOCH膜のトレンチエッチングを行うものにおいて、
   前記多層構造膜の前記反射防止膜または該反射防止膜及び前記キャップ膜のエッチングステップにおいては、前記加工形状を前記マスクパターン寸法よりも細い形状に加工し、
   前記SiOCH膜のトレンチエッチングにおいては、
   第１のステップにて、フロロカーボンガスとN _２ またはO _２ との混合ガスを用いた対マスク選択比の高い異方性主体のトレンチエッチングを行って所望の深さまで加工した後、
   第２のステップにて、CxHyFz(少なくともxが１以上、yが０又は１以上、且つ、zが１以上)を主体としかつN _２ 及びO _２ を含まないガスを用いた等方的なトレンチエッチングを行って前記マスクパターン寸法に対応した所定のトレンチ形状に加工する
   ことを特徴とするトレンチエッチング方法。

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