JP4684924B2 - プラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びコンピュータ記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＯＣＨ層に対してＳｉＣＮ層を選択的にプラズマエッチングするプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びコンピュータ記憶媒体に関する。

従来から半導体装置の製造工程においては、エッチングガスのプラズマを発生させ、このプラズマの作用によってエッチングを行うプラズマエッチングが多用されている。このようなプラズマエッチングにより、低誘電率膜からなる層間絶縁膜にビアホールやトレンチを形成する場合等に、下層にＳｉＣＮ層を形成しておき、このＳｉＣＮ層をエッチストッパー層として使用する技術が知られている。また、このようなＳｉＣＮ層を、ＣＦ₄単ガスからなるエッチングガスを使用して、プラズマエッチングすることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−３３１６８号公報

上記したエッチストッパー層としてのＳｉＣＮ層を、プラズマエッチングにより除去する工程（ＬＲＭ（Ｌｉｎｅｒ Ｒｅｍｏｖａｌ Ｓｔｅｐ））では、層間絶縁膜としてのＳｉＯＣＨ層に対して選択的にＳｉＣＮ層をプラズマエッチングすることが望ましい。

しかしながら、上記のＣＦ₄の単ガスからなるエッチングガスを使用したプラズマエッチングでは、ＳｉＯＣＨ層のエッチングレートに対するＳｉＣＮ層のエッチングレートの比（選択比）は、０．８程度であり、ＳｉＣＮ層のエッチング中に、不所望に多くのＳｉＯＣＨ層がエッチングされてしまうという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来に比べてＳｉＯＣＨに対するＳｉＣＮの選択比を向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びコンピュータ記憶媒体を提供することを目的とする。

請求項１記載のプラズマエッチング方法は、ＳｉＯＣＨ層とＳｉＣＮ層が形成された被処理基板の前記ＳｉＣＮ層を、エッチングガスのプラズマを発生させてプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスとして、ＣＦ_４ ガスとＮＦ_３ ガスの混合ガスを用い、前記ＳｉＯＣＨ層に対して前記ＳｉＣＮ層を選択的にプラズマエッチングすることを特徴とする。

請求項２記載のプラズマエッチング方法は、トレンチとビアホールが形成されたＳｉＯＣＨ層の下層にエッチストッパー層としてＳｉＣＮ層が形成された被処理基板の前記ＳｉＣＮ層を、エッチングガスのプラズマを発生させてプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスとして、ＣＦ_４ ガスとＮＦ_３ ガスの混合ガスを用い、前記ＳｉＯＣＨ層に対して前記ＳｉＣＮ層を選択的にプラズマエッチングすることを特徴とする。

請求項３記載のプラズマエッチング方法は、請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法であって、ＳｉＯＣＨに対するＳｉＣＮの選択比（ＳｉＣＮのエッチングレート／ＳｉＯＣＨのエッチングレート）が１．１以上であることを特徴とする。

請求項４記載のプラズマエッチング方法は、請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスのＣＦ_４ ガス流量に対するＮＦ_３ ガス流量が６％以上であることを特徴とする。

請求項５記載のプラズマエッチング方法は、 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、処理チャンバー内に上部電極と下部電極とが対向配置され、前記下部電極上に前記被処理基板が配置されて、前記上部電極又は前記下部電極にプラズマ発生用の第１の高周波電力が印加されるとともに、前記下部電極に前記第１の高周波電力より周波数の低いイオン引き込み用の第２の高周波電力が印加されるプラズマエッチング装置を使用し、前記下部電極に印加される第２の高周波電力が、１平方センチメートルあたり０．４２Ｗ以下であることを特徴とする。

請求項６記載のプラズマエッチング装置は、半導体基板を収容する処理チャンバーと、 前記処理チャンバー内にエッチングガスを供給する処理ガス供給手段と、前記処理ガス供給手段から供給された前記エッチングガスをプラズマ化して前記半導体基板をプラズマ処理するプラズマ生成手段と、前記処理チャンバー内で請求項１から請求項５いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるように制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

請求項７記載のコンピュータ記憶媒体は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に請求項１から請求項５いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマエッチング装置を制御することを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べてＳｉＯＣＨに対するＳｉＣＮの選択比を向上させることのできるプラズマエッチング方法、プラズマエッチング装置及びコンピュータ記憶媒体を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマエッチング方法における半導体ウエハ（半導体基板）Ｗの断面構成を拡大して示すものであり、図２は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成を示すものである。まず、図２を参照してプラズマエッチング装置の構成について説明する。

プラズマエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。

プラズマエッチング装置１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に成形された処理チャンバー（処理容器）２を有しており、この処理チャンバー２は接地されている。処理チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理物、例えば半導体ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられている。さらに、このサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５には、ハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。

サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し冷媒排出管９から排出される。そして、その冷熱がサセプタ５を介して半導体ウエハＷに対して伝熱され、これにより半導体ウエハＷが所望の温度に制御される。

サセプタ５は、その上側中央部が凸状の円板状に成形され、その上に半導体ウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２を配置して構成されている。そして、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流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を静電吸着する。

絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、静電チャック１１には、半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガス等）を供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱が半導体ウエハＷに伝達され半導体ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。

サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置された半導体ウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５は、例えば、シリコンなどの導電性材料から構成されており、エッチングの均一性を向上させる作用を有する。

サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、処理チャンバー２の上部に支持されている。上部電極２１は、電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料からなる電極支持体２５とによって構成されている。電極板２４は、例えば、ＳｉやＳｉＣ等の導電体または半導体で構成され、多数の吐出孔２３を有する。この電極板２４は、サセプタ５との対向面を形成する。

上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８、並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続されている。処理ガス供給源３０から、プラズマエッチング処理のためのエッチングガスが供給される。

処理チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、処理チャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、処理チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態で半導体ウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。

上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介挿されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このように高い周波数を印加することにより処理チャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができる。

下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、第１の高周波電源４０より低い周波数の範囲を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体である半導体ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は１〜２０ＭＨｚの範囲が好ましい。

上記構成のプラズマエッチング装置１は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置１の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインタフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。

ユーザインタフェース６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置１を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部６３には、プラズマエッチング装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインタフェース６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置１での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

上記構成のプラズマエッチング装置１によって、半導体ウエハＷのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室から処理チャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、半導体ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、処理チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給源３０から所定のエッチングガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図２の矢印に示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出される。

そして、処理チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。その後、第１の高周波電源４０から所定の周波数の高周波電力が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。

他方、第２の高周波電源５０から、上記の第１の高周波電源４０より低い周波数の高周波電力が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。

そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー２内から搬出される。

次に、図１を参照して、本実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。図１（ａ）に示すように、被処理基板としての半導体ウエハＷの表面には、下側から順に、銅等の金属からなる導体層１０１、エッチストッパー層としてのＳｉＣＮ層１０２、層間絶縁膜としてのＳｉＯＣＨ層１０３が形成されている。また、ＳｉＯＣＨ層１０３には、ビアホール１１１とトレンチ１１０が形成されている。そして、この状態から、ＳｉＣＮ層１０２をプラズマエッチングにより除去し、図１（ｂ）に示す状態とする。

実施例１として、図２に示したプラズマエッチング装置１を使用し、図１に示した構造の半導体ウエハＷ（直径３０ｃｍ）に、プラズマエッチングを、以下に示すようなレシピにより実施した。

なお、以下に示される各実施例の処理レシピは、制御部６０の記憶部６３から読み出されて、プロセスコントローラ６１に取り込まれ、プロセスコントローラ６１がプラズマエッチング装置１の各部を制御プログラムに基づいて制御することにより、読み出された処理レシピ通りのプラズマエッチング工程が実行される。

エッチングガス：ＣＦ₄ ／ＮＦ₃＝１５０／５０ｓｃｃｍ、圧力１３．３Ｐａ（１００ｍTorr）、電力（上部／下部）＝４５０／３００Ｗ、温度（下部／上部／側壁部）＝４０／６０／６０℃、電極間距離＝３５ｍｍ、冷却用ヘリウム圧力（中央部／周辺部）＝１９９５／５３２０Ｐａ（１５／４０Torr）、エッチング時間＝１５秒。

上記のプラズマエッチングにおけるＳｉＣＮのエッチングレートは、２９２ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯＣＨのエッチングレートは、１６０ｎｍ／ｍｉｎ、選択比（ＳｉＣＮのエッチングレート／ＳｉＯＣＨのエッチングレート）は、１．８であった。

次に、比較例１として、上記のエッチングガス中のＮＦ₃を除き、ＣＦ₄単ガスとした点以外は上記の実施例と同じ条件として、プラズマエッチングを行った。このプラズマエッチングにおけるＳｉＣＮのエッチングレートは、１３０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯＣＨのエッチングレートは、１６０ｎｍ／ｍｉｎ、選択比（ＳｉＣＮのエッチングレート／ＳｉＯＣＨのエッチングレート）は、０．８であった。したがって、上記実施例では、比較例１に比べて２倍以上の選択比であった。

次に、実施例２，３として、ＮＦ₃の流量を２０ｓｃｃｍ、１０ｓｃｃｍに減少させた以外は、上記の実施例１と同じ条件としてプラズマエッチングを行った。この結果、実施例２（ＮＦ₃流量＝２０ｓｃｃｍ）では、ＳｉＣＮのエッチングレートは、２３８ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯＣＨのエッチングレートは、１６０ｎｍ／ｍｉｎ、選択比（ＳｉＣＮのエッチングレート／ＳｉＯＣＨのエッチングレート）は、１．５であった。また、実施例３（ＮＦ₃流量＝１０ｓｃｃｍ）では、ＳｉＣＮのエッチングレートは、１６２ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯＣＨのエッチングレートは、１３２ｎｍ／ｍｉｎ、選択比（ＳｉＣＮのエッチングレート／ＳｉＯＣＨのエッチングレート）は、１．２であった。

図３のグラフは、縦軸を選択比、横軸をＮＦ₃の流量として、上記の実施例１〜３と、比較例の選択比の結果をプロットしたものである。このグラフに示されるように、上記の範囲においては、ＮＦ₃の流量を増大させるに従って、選択比が向上する。また、選択比が１よりも大きくなり、選択性が発揮されて選択比が１．１以上となるためには、ＮＦ₃の流量を９ｓｃｃｍ以上とすれば良く、ＣＦ₄ 流量（１５０ｓｃｃｍ）に対する流量比で表せば６％以上となる。したがって、ＮＦ₃の流量は、ＣＦ₄ 流量に対して流量比で６％以上とすることが好ましい。また、７％以上とすると、選択比を１．２以上とすることができるのでさらに好ましい。

比較例２，３，４として、上記実施例１におけるＮＦ₃の代わりに、Ｎ₂（流量＝１５０ｓｃｃｍ）を添加した比較例２、ＣＨ₂Ｆ₂（流量＝１０ｓｃｃｍ）を添加した比較例３、ＣＯ（流量＝１００ｓｃｃｍ）を添加した比較例３について同様なプラズマエッチングを行った。この結果、これらの比較例２，３，４では、いずれも選択比が１．０となり、選択比を１．１以上とすることができなかった。

次に、実施例４として、以下の条件でプラズマエッチングを行った。エッチングガス：ＣＦ₄ ／ＮＦ₃＝１５０／５０ｓｃｃｍ、圧力１３．３Ｐａ（１００ｍTorr）、電力（上部／下部）＝４５０／２００Ｗ、温度（下部／上部／側壁部）＝４０／６０／６０℃、電極間距離＝３５ｍｍ、冷却用ヘリウム圧力（中央部／周辺部）＝１９９５／５３２０Ｐａ（１５／４０Torr）、エッチング時間＝１５秒。

すなわち、上記の実施例４では、実施例１に比べて下部電極の電力を３００Ｗから２００Ｗに低下させたもので、他の条件については、実施例１と同一である。この結果、ＳｉＣＮのエッチングレートは、１９０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯＣＨのエッチングレートは、６０ｎｍ／ｍｉｎ、選択比（ＳｉＣＮのエッチングレート／ＳｉＯＣＨのエッチングレート）は、３．２であった。この結果から、下部電極の電力は、ある程度低い方が選択比は向上することが分かった。このため下部電極の電力は、直径３０ｃｍの半導体ウエハＷについて、３００Ｗ以下（１平方センチメートルあたり０．４２Ｗ以下）とすることが好ましく、さらには、２００Ｗ以下（１平方センチメートルあたり０．２８Ｗ以下）とすることが好ましい。

以上説明したとおり、本実施形態によれば、従来に比べてＳｉＯＣＨに対するＳｉＣＮの選択比を向上させることができた。なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。例えば、プラズマエッチング装置は、図２に示した平行平板型の上下部高周波印加型に限らず、各種のプラズマエッチング装置を使用することができる。

本発明の実施形態のエッチング方法に係る半導体ウエハの断面構成を示す図。 本発明の実施形態に係るエッチング装置の概略構成を示す図。 ＮＦ₃の流量と選択比の関係を示すグラフ。

符号の説明

１０１……導体層、１０２……ＳｉＣＮ層、１０３……ＳｉＯＣＨ層、１１０……トレンチ、１１１……ビアホール。

Claims (7)

1. ＳｉＯＣＨ層とＳｉＣＮ層が形成された被処理基板の前記ＳｉＣＮ層を、エッチングガスのプラズマを発生させてプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングガスとして、ＣＦ_４ ガスとＮＦ_３ ガスの混合ガスを用い、前記ＳｉＯＣＨ層に対して前記ＳｉＣＮ層を選択的にプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. トレンチとビアホールが形成されたＳｉＯＣＨ層の下層にエッチストッパー層としてＳｉＣＮ層が形成された被処理基板の前記ＳｉＣＮ層を、エッチングガスのプラズマを発生させてプラズマエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングガスとして、ＣＦ_４ ガスとＮＦ_３ ガスの混合ガスを用い、前記ＳｉＯＣＨ層に対して前記ＳｉＣＮ層を選択的にプラズマエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
3. 請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法であって、
   ＳｉＯＣＨに対するＳｉＣＮの選択比（ＳｉＣＮのエッチングレート／ＳｉＯＣＨのエッチングレート）が１．１以上であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記エッチングガスのＣＦ_４ ガス流量に対するＮＦ_３ ガス流量が６％以上であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   処理チャンバー内に上部電極と下部電極とが対向配置され、前記下部電極上に前記被処理基板が配置されて、前記上部電極又は前記下部電極にプラズマ発生用の第１の高周波電力が印加されるとともに、前記下部電極に前記第１の高周波電力より周波数の低いイオン引き込み用の第２の高周波電力が印加されるプラズマエッチング装置を使用し、前記下部電極に印加される第２の高周波電力が、１平方センチメートルあたり０．４２Ｗ以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
6. 半導体基板を収容する処理チャンバーと、
   前記処理チャンバー内にエッチングガスを供給する処理ガス供給手段と、
   前記処理ガス供給手段から供給された前記エッチングガスをプラズマ化して前記半導体基板をプラズマ処理するプラズマ生成手段と、
   前記処理チャンバー内で請求項１から請求項５いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるように制御する制御部と
   を備えたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
7. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
   前記制御プログラムは、実行時に請求項１から請求項５いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマエッチング装置を制御することを特徴とするコンピュータ記憶媒体。

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