JP4825911B2 - 介在チャンバでの脱フッ素化及びウェハ脱フッ素化ステップによるプラズマエッチング及びフォトレジストストリッププロセス - Google Patents
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Description
デバイス切換速度を増大し、相互接続密度を増大し、金属間誘電体（ＩＭＤ）層により分離された近接する導体間のクロストークを減少することにより、集積回路性能は、改善され続けている。多孔性オルガノシリケートガラス等の低誘電率（「低ｋ材料」を有するＩＭＤとして、新たな誘電体薄膜材料を用いることにより、切り替え速度は増大し、クロストークは減少されている。相互接続導電性層の数を増やし、フィーチャーサイズ（例えば、線幅、ホール直径）を減じることにより、相互接続は増大している。異なる導体間の接続は、低ｋ材料を通る高アスペクト比（深く狭い）の開口部又は「ビア」を必要とする。かかる微細フィーチャー（例えば、約４５ｎｍのフィーチャーサイズ）は、高波長に適合可能なフォトレジスト（フォトリソグラフィーのために）を必要とする。かかるフォトレジストは、より薄くなり、誘電体エッチングプロセス中、ピンホールやストライエーション等の欠陥が形成されやすい傾向がある。この問題には、低ｋ誘電体フィルムを通る狭いビアのプラズマエッチング形成中に、フルオロカーボン化学物質を用いることにより対処されている。フルオロカーボンエッチング化学物質は、保護フルオロカーボンポリマーを、フォトレジスト上に堆積する。エッチングプロセスは、一般的に、銅相互接続線を覆う下部誘電体層に達したら停止しなければならない。この下部誘電体層は、一般的に、銅原子が、導体線から拡散するのを防ぐバリア層として機能し、それ自体が、窒素ドープ炭化ケイ素等の低ｋ誘電体材料であり、一般的に非常に薄い（約数百オングストローム）。バリア層が露出した後、エッチングプロセスを停止し、深く狭い（高アスペクト比）開口部又はビアが形成される。次のプロセス工程のための準備として、フォトレジストをウェハからストリップする。このフォトレジストストリッププロセスは、ウェハにバイアス電力を印加して、アンモニア系プラズマ中で行うことができ、前のエッチングプロセスを実施した同チャンバで実施されて、不必要なウェハ搬送工程を防いで、生産性を最大とする。問題は、フォトレジストストリッププロセスによって、貴重な低ｋ材料からなる薄いバリア層がビア下部からなくなることである。
この問題を回避する１つの方法は、フォトレジストアッシング工程を行う前に、ウェハを専用フォトレジストアッシングチャンバに搬送するものである。残念ながら、このようなやり方だと生産性が減じる。リアクタチャンバ間でウェハを搬送するのに伴う遅延によるものである。
従って、ビア下部の薄いバリアが維持されるビアエッチングとフォトレジストストリッププロセスの組み合わせが求められている。
プラズマエッチング方法は、重合エッチングプロセスガスを用いて、ワークピース上のフォトレジストマスクにプラズマエッチング工程を実施するものであり、重合エッチングプロセスガスは、エッチング工程中に該フォトレジストマスクの表面に保護ポリマー層として堆積するプラズマ重合種を生成するものであり、エッチング工程後及びフォトレジストマスク除去前に、ＲＦプラズマソース電力をチャンバに結合し、一方で、ＲＦプラズマバイアス電力をチャンバに実質的に結合しないことにより、ポリマー材料を含む種類の残渣を、該チャンバの天井を含むチャンバ表面から除去し、該残渣がチャンバ表面から除去されるまで、水素含有ガスをチャンバに導入し、ＲＦプラズマバイアス電力をチャンバに結合し、一方で、ＲＦプラズマソース電力をチャンバに実質的に結合しないことにより、保護ポリマー層を、フォトレジストマスクの表面から除去し、ポリマー層が、フォトレジストマスクの表面から除去されるまで、酸素及び一酸化炭素を含むプロセスガスをチャンバに導入する工程と含む。
フォトレジストストリッププロセスにより、低ｋビア下部バリア層を除去する際の問題は、本発明のプラズマエッチング及びフォトレジストストリッププロセスにより解決される。本発明は、フォトレジストストリップ中のバリア層除去の問題は、ポストエッチングフォトレジスト除去工程の開始時に、チャンバ内部表面と、ウェハ自体の両方に、フッ素含有残渣が存在することにより生じるという本発明者らによる認識に基づいている。フォトレジストストリッププロセスにより、エッチングプロセス中に堆積した残渣からフッ素化合物（及びフリーのフッ素）が遊離される。フォトレジストをストリップするのに用いるアンモニアベースのプラズマ中に存在する水素が、遊離したフッ素化合物と共に、低ｋバリア層の高反応性プラズマエッチングを行う。本発明のプロセスは、この問題を排除するものである。
図１を参照すると、フォトレジストマスクが、薄膜構造の上部表面でフォトリソグラフィーにより画定されている（図１のブロック１０）。プロセスのこの段階でのこの薄膜構造を図２Ａに示す。図２Ａの薄膜構造は、反射防止コーティング１２からなり、これは、図１のブロック１０の工程で堆積されたフォトレジスト層１４によりカバーされている。アパーチャ１４ａが、フォトレジスト層１４にフォトリソグラフィーにより画定されている。二酸化ケイ素含有誘電体層１６が、反射防止コーティング１２の下にあり、オルガノシリケートガラス層１８が、誘電体層１６の下にあり、厚い多孔性オルガノシリケートガラス層２０（低ｋ誘電体材料）がオルガノシリケートガラス層１８の下にある。薄い拡散バリア層２２が、多孔性オルガノシリケートガラス２０の下にあり、銅原子の拡散に抗する、又はブロックすることのできる低ｋ誘電体材料、例えば、窒素ドープ炭化ケイ素からなる。酸化物層２６に囲まれた銅導体線２４が、バリア層２２の下にある。
次の工程（図１のブロック３０）で、フルオロカーボン又はフルオロ−ハイドロカーボンプロセスガスをリアクタチャンバに流し、プラズマＲＦソース電力及びプラズマＲＦバイアス電力を印加して、比較的低チャンバ圧（例えば、略ミリトル）でプラズマを形成する。ビア開口部３２が、図２Ｂの薄膜構造を通して、バリア層２２の上部表面に開くまで、この条件をチャンバ内で維持する。図２Ｂに、図１のブロック３０の工程完了時の薄膜構造を示す。図１のブロック３０のエッチング工程中、プロセスガスの一部が、ビア開口部３２（図２Ｂ）の形成を実行する単純な（高フッ素含量）フルオロカーボンエッチング液種を形成する。同時に、他の炭素リッチなフルオロカーボン種が形成され、フォトレジスト層１４の上部表面にポリマー層３４（図２Ｂ）として、そして、リアクタチャンバの内部表面のポリマー層（図２Ｂには図示せず）として堆積する。
図１のブロック４０で、フォトレジスト層１４の除去前に、貴重な薄いバリア層２２に悪影響を与えたり、除去することなく、フッ素含有ポリマーを、リアクタチャンバ内部表面から除去する工程を実施する。これは、ウェハのバイアス電力を除去し、リアクタチャンバ中のフルオロカーボン又はフルオロ−ハイドロカーボンプロセスガスを、アンモニアガスと交換することによりなされる。プラズマＲＦソース電力が、アンモニアを十分に解離して、アンモニアプロセスガスからの水素を、内部チャンバ表面のポリマー中のフッ素及び炭素原子と反応させ、ポリマーをこれらの表面から除去する。ウェハのＲＦバイアス電力をゼロ（又は十分にゼロ近く）にセットして、アンモニアガスから生成されたプラズマが、狭いビア開口部に達して、薄いバリア層２２を攻撃しないようにする。その結果、この工程を十分な時間にわたって実行すると、堆積したポリマーが、確実に、内部チャンバ表面から除去される。
図１のブロック４２で、フォトレジスト層１４の除去の前に、ビア３２の下部にある貴重な薄いバリア層２２に悪影響を与えたり、除去することなく、フッ素含有ポリマー層３４を、フォトレジスト層１４の上部表面から除去する他の工程を実施する。これは、ＲＦソース電力を除去し、ウェハに、ＲＦバイアス電力を印加することによりなされる。又、酸素と一酸化炭素からなり、水素含有又はフッ素含有化合物のないリアクタチャンバ内に、プロセスガス環境が確立される。例えば、ブロック４０と４２の工程を行うのを逆にし、ブロック４２の工程を、ブロック４０の工程の後に行う場合、アンモニアプロセスガスを完全に除去し、ＲＦプラズマソース電力を除去し、酸素及び一酸化炭素をリアクタチャンバに流し、ＲＦプラズマバイアス電力をウェハに印加することにより、適正なガス環境が確立される。ＲＦプラズマソース電力がないと、酸素分子の解離が制限（又は妨害）される。解離しなかった酸素は、薄いバリア層２２を攻撃しないが、フォトレジスト層１４の表面のポリマー層３４を攻撃する。酸素とポリマー層３４の反応により、ポリマー層３４が除去されて、図２Ｃに示す構造が生成され、高反応性（低炭素含量）のフルオロカーボン含有種が、プラズマ中に生成され、傷つきやすいバリア層２２を攻撃する恐れがある。プロセスガス中に一酸化炭素原子があると、かかる攻撃を防ぐ。一酸化炭素原子は、この工程で生成された低炭素含量反応種と共に即時に反応して、かかる反応種を、貴重なバリア層２２を攻撃しない、より不活性な炭素リッチなフルオロカーボン種とする。
最後の工程（図１のブロック４６）で、フォトレジスト層１４を同じリアクタチャンバで除去する。ブロック４６のレジストストリップ又は除去は、典型的に、酸素及び一酸化炭素プロセスガスを除去し、アンモニアガスを導入し、ＲＦプラズマソース電力を、リアクタ-オーバーヘッド電極に印加し、ＲＦプラズマバイアス電力をウェハに印加することによりなされる。全てのフッ素含有堆積物が、チャンバ内部表面と、ウェハ自体の両方から除去されるため、プラズマ環境にはフッ素がなくなり、この最後の工程（フォトレジスト除去）中に遊離した水素は、露出したバリア層２２を損傷しない。この工程はまた、反射防止コーティング又は層１２も除去する。ブロック４６のフォトレジスト除去工程を十分な時間にわたって実施して、確実にフォトレジストを除去すると、図２Ｄに示す薄膜構造が得られる。
図１のプロセスで本発明者が実施した試験で、バリア層２２から失われた材料は２ｎｍ以下で、無視できる量であるため、ウェハのフィーチャーサイズの減少は４５ｎｍまでとなることが分かった。
図３に、図１のプロセスを実行するためのプラズマリアクタを示す。図３のリアクタは、円筒形側壁１０５とディスク形天井電極１１０により画定された真空チャンバ１００を有する。ウェハ１２０をサポートする静電チャック１１５は、直流チャッキング電圧源１３５に結合された内部電極１３０を有する絶縁層１２５を含む。ＲＦプラズマバイアス電力生成器１４０は、インピーダンス整合エレメント１４５と絶縁キャパシタ１５０を通して、電極１３０に結合されている。ＶＦＨ（例えば、１６２ＭＨｚ）ＲＦソース電力生成器１５５は、インピーダンス整合エレメント１６２を通して、天井電極１１０に結合されている。インピーダンス整合エレメントは、ＶＦＨ生成器１５５の周波数近くで共鳴する同軸調製スタブであってよい。電極１１０は、ＶＨＦ生成器１５５の周波数近くで、チャンバ１００においてプラズマと共鳴するリアクタンスを有する。これは、その開示内容が参考文献として組み込まれる、２００３年３月４日発行の米国特許第６，５２８，７５１号、「プラズマに対して調整されたオーバーヘッドＲＦ電極を備えたプラズマリアクタ」、ダニエルホフマンら、に開示されている。天井電極１１０はまた、ガス分配シャワーヘッドである。プロセスガスは、天井電極１１０のガス分配オリフィスの内側ゾーン１６０と、ガス分配オリフィスの外側ゾーン１６５を通して、チャンバ１００に流れる。ガスパネル１７０は、選択したプロセスガスを提供し、内側ゾーン１６０と外側ゾーン１６５の間のガスフローを割り当てる。内側及び外側電磁石１８０、１８５は、直流電流供給源１９０から印加された直流電流に従って、チャンバ１００内のプラズマイオン密度分布を制御する。スロットルバルブ２０５により調節された真空ポンプ２００が、チャンバ１００内の所望の真空チャンバ圧を確立する。マスターコントローラ１９５は、一組の命令１９６により、図１に示したタイプのプロセスシーケンスを実施するようプログラムされており、そのために、ガスパネル１７０、直流磁石電流供給源１９０、ＶＨＦソース電力生成器１５５、ＲＦバイアス電力生成器１４０及びスロットルバルブ２０５の操作を制御する。この場合、マスターコントローラ１９５がプログラムされる命令セット１９６は次の通りである。（１）ガスパネル１７０からフルオロカーボンプロセスガスを供給し、バイアス及びソース電力を印加して、低ｋ誘電層を通してビア開口部をエッチングし、（２）ソース電力を印加し、バイアス電力をオフにし、チャンバを、ガスパネル１７０からのアンモニアガスで充填して、堆積したポリマーを、内部チャンバ表面から除去し、（３）バイアス電力を印加し、ソース電力をオフにし、チャンバを、ガスパネル１７０からの酸素と一酸化炭素プロセスガスで充填して、堆積したポリマーをウェハから除去し、（４）フォトレジストをウェハから除去する。
実施例において、図１のブロック４０の工程を、シャワーヘッド又は天井電極１１０に対するアンモニアのフローレート３００ｓｃｃｍ、ＶＦＨ生成器からのソース電力４００ワット、チャンバ圧１０ｍＴ、内側ゾーン１６０対外側ゾーン１６５のフローレート比が１．３５、内側電磁石のみに印加される直流電流１４アンペア、そして、この工程のプロセス時間３０秒で、実施する。ブロック４２の工程は、酸素ガスのフローレート１００ｓｃｃｍ、一酸化炭素ガス５０ｓｃｃｍ、ソース電力ゼロ、２ＭＨｚと１３．５６ＭＨｚのソースでＲＦバイアス電力１００ワット、チャンバ圧５ｍＴ、内側ゾーンと外側ゾーンのフローレート比が１．３５、内側磁石のみに印加される直流電流１４アンペア、そして、この工程のプロセス時間６０秒で、実施した。
本発明を、好ましい実施形態を具体的に参照して詳細に説明してきたが、その変形及び修正は、本発明の技術思想及び範囲から逸脱することなく行えるものと考えられる。
Claims (19)
- エッチングプロセス中、露出される低誘電率の薄膜を有するワークピースのプラズマエッチング方法であって、
前記ワークピースの上面にフォトレジストマスクを形成する工程であって、前記マスクが、エッチングされるホール位置を画定するアパーチャを含む工程と、
前記ワークピースを、プラズマリアクタチャンバに配置する工程と、
前記チャンバに、フルオロカーボン又はフルオロ−ハイドロカーボン種を含む種類の重合エッチングプロセスガスを導入し、ＲＦプラズマソース電力及びＲＦプラズマバイアス電力をチャンバに結合することによりエッチング工程を実施して、（ａ）前記フォトレジストマスクの前記アパーチャと位置合わせして、前記ワークピースにホールをエッチングするエッチング種と、（ｂ）前記エッチング工程中、前記フォトレジストマスクの前記表面にポリマー層として堆積する重合種とのプラズマを生成する工程と、
前記フォトレジストマスクを除去する前に、
（ａ）ＲＦプラズマソース電力を前記チャンバに結合し、一方で、ＲＦプラズマバイアス電力を前記チャンバに実質的に結合しないことにより、ポリマー材料を含む種類の残渣を、前記チャンバの天井を含むチャンバ表面から除去し、前記残渣が前記チャンバ表面から除去されるまで、水素含有ガスを前記チャンバに導入し、
（ｂ）ＲＦプラズマバイアス電力を前記チャンバに結合し、一方で、ＲＦプラズマソース電力を前記チャンバに実質的に結合しないことにより、前記ポリマー層を、前記フォトレジストマスクの前記表面から除去し、前記ポリマー層が、前記フォトレジストマスクの表面から除去されるまで、酸素及び一酸化炭素を含むプロセスガスをチャンバに導入する工程と、
前記ワークピースの前記フォトレジストをストリッピングオフする工程とを含む方法。 - 残渣をチャンバ表面から除去する工程において、前記水素含有ガスがアンモニアである請求項１記載の方法。
- 前記エッチング工程及び残渣をチャンバ表面から除去する工程において、ＲＦプラズマソース電力を前記チャンバに結合する工程が、前記ワークピースを覆う前記チャンバの天井電極を通して、ＲＦ電力を容量結合する工程を含む請求項１記載の方法。
- 前記エッチング工程及び前記ポリマー層を前記フォトレジストマスクから除去する工程において、ＲＦプラズマバイアス電力を印加する工程が、ＨＦ及びＬＦ電力のうち少なくとも１つを、前記ワークピースに結合する工程を含む請求項３記載の方法。
- 前記ＲＦプラズマソース電力が、約５０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚのＶＨＦ周波数である請求項３記載の方法。
- 前記ＲＦプラズマソース電力が約１６２ＭＨｚである請求項５記載の方法。
- 前記ＲＦプラズマバイアス電力が、約１３．５６ＭＨｚのＨＦコンポーネントと、約２ＭＨｚのＬＦコンポーネントとを含む請求項４記載の方法。
- 前記フォトレジストをストリッピングする工程が、ＲＦプラズマソース電力とＲＦプラズマバイアス電力を、前記チャンバに結合し、前記レジストが前記ワークピースから除去されるまで、水素含有ガスを前記チャンバに導入する工程を含む請求項１記載の方法。
- 前記フォトレジストをストリッピングする工程の前記水素含有ガスが、アンモニアである請求項８記載の方法。
- チャンバ表面から残渣を除去する工程において、前記エッチング工程により形成された前記ワークピースにおける開口部の下部に、プラズマイオンが指向されないよう、前記ＲＦプラズマバイアス電力が十分に低いレベルである請求項１記載の方法。
- 前記十分に低いレベルがゼロである請求項１０記載の方法。
- 前記ポリマー層を、前記フォトレジストマスクから除去する工程において、前記チャンバにおける酸素種が解離しないよう、前記ＲＦプラズマソース電力が十分に小さい大きさである請求項１記載の方法。
- 前記十分に小さい大きさがゼロである請求項１２記載の方法。
- 残渣をチャンバ表面から除去する工程が、約１０ｍＴの低チャンバ圧及び約３００ｓｃｃｍの前記窒素含有プロセスガスの高フローレートを維持する工程を含む請求項１記載の方法。
- 前記ポリマー層を前記フォトレジストから除去する工程が、約５ｍＴの低チャンバ圧及び夫々約１００ｓｃｃｍと５０ｓｃｃｍの酸素と一酸化炭素のフローレートを維持する工程を含む請求項１記載の方法。
- 前記低誘電率薄膜が、前記ワークピースの他の薄膜層の下にある拡散バリア層であり、前記プロセスが、前記拡散バリア層が露出した際に、前記エッチング工程を停止する工程を含む請求項１記載の方法。
- 前記他の薄膜層が、多孔性オルガノシリケートガラスを含む種類の低誘電率材料を含む請求項１６記載の方法。
- 前記拡散バリア層が、前記ワークピースの金属線を覆い、前記拡散バリア層が、窒素ドープ炭化ケイ素を含む種類の前記金属線からの材料の拡散をブロックすることのできる低誘電率材料を含む請求項１７記載の方法。
- 重合エッチングプロセスガスを用いて、ワークピース上のフォトレジストマスクにプラズマエッチング工程を実施するプラズマエッチング方法であって、前記重合エッチングプロセスガスは、前記エッチング工程中に前記フォトレジストマスクの表面にポリマー層として堆積するプラズマ重合種を生成するものであり、前記エッチング工程後及び前記フォトレジストマスク除去前に、
（ａ）ＲＦプラズマソース電力を前記チャンバに結合し、一方で、ＲＦプラズマバイアス電力を前記チャンバに実質的に結合しないことにより、ポリマー材料を含む種類の残渣を、前記チャンバの天井を含むチャンバ表面から除去し、前記残渣が前記チャンバ表面から除去されるまで、水素含有ガスを前記チャンバに導入し、
（ｂ）ＲＦプラズマバイアス電力を前記チャンバに結合し、一方で、ＲＦプラズマソース電力を前記チャンバに実質的に結合しないことにより、前記ポリマー層を、前記フォトレジストマスクの前記表面から除去し、前記ポリマー層が、前記フォトレジストマスクの表面から除去されるまで、酸素及び一酸化炭素を含むプロセスガスをチャンバに導入する工程とを含む方法。
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