JP4940722B2 - 半導体装置の製造方法及びプラズマ処理装置並びに記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、二酸化炭素を含む処理ガスをプラズマ化して得たプラズマによりエッチングする技術に関するものである。

半導体装置の層間絶縁膜の代表的なものとして二酸化シリコン膜（ＳｉＯ_２膜）があるが、近年デバイスの動作についてより一層の高速化を図るために層間絶縁膜の比誘電率を低くすることが要求されている。このような要請により、多孔質なシリコン、炭素、酸素及び水素を含む膜（以下「ＳｉＣＯＨ膜」という）が注目されている。このＳｉＣＯＨ膜は、ＳｉＯ_２膜の比誘電率が４付近であるのに対して、比誘電率が２．７以下であり、十分な機械的強度を有することから、層間絶縁膜として極めて有効な膜である。

ところでメタル配線の形成方法として、三層構造のレジスト膜を用い、デュアルダマシン法にて、埋め込み配線とコンタクトホールやビアホールを同時に形成する手法が知られている。前記三層構造のレジスト膜は、例えば有機膜とＳＯＧ膜とフォトレジスト膜とを下からこの順序で積層した膜であり、前記有機膜は、絶縁膜に形成された前記配線やビアホール用の凹部に、犠牲膜として埋め込まれている。

そしてこの凹部に埋め込まれた犠牲膜はエッチング及びアッシングにより除去されるが、この際先ず処理チャンバ内にＳＯＧ膜のエッチングガスを導入して、このプラズマによりＳＯＧ膜をエッチングして除去する。次いで処理チャンバ内に有機膜のエッチングガスを導入して、このプラズマにより有機系の膜であるフォトレジスト膜と有機膜とを同時にエッチングすることが行われ、こうして例えば図８（ａ）に示すような膜構造が形成される。ここで図８（ａ）では、１０が絶縁膜、１１が絶縁膜に埋め込まれた有機膜であり、有機膜１１の大部分がエッチングにより除去された状態を示している。また図中１２は銅配線層、１３はストッパ膜、１４は密着膜、１５はハードマスク、１６は三層構造のレジスト膜を構成するＳＯＧ膜である。この状態では前記レジスト膜の最上層のフォトレジスト膜１７は有機膜１１のエッチングの際、同時にエッチングされ、除去されている。

従来では、有機膜１１のエッチングガスとしては、酸素（Ｏ_２）系ガスやアンモニア（ＮＨ_３）系ガスが用いられている。しかしながら、絶縁膜１０として既述の多孔質のＳｉＣＯＨ膜を用いる場合には、酸素ガスでエッチングを行うと、酸素のプラズマによるダメージが大きく、さらには多孔質であるため膜の内部まで酸素のプラズマが入り込み、図８（ｂ）に示すように、絶縁膜１０の表面にダメージ層１８が形成され、このダメージ層１８の厚さが大きくなるという問題がある。

またアンモニア系ガスを用いるとパーティクルが発生してしまうという問題がある。ＳＯＧ膜１６のエッチングガスにはフッ素（Ｆ）が含まれているが、このエッチングガスが処理チャンバ内の壁等に付着し、ここにアンモニア系ガスが導入されると、前記フッ素と反応してフッ化アンモニウム（ＮＨ_４Ｆ）を生成し、これがパーティクルとなるからである。同じ処理チャンバにて、ＳＯＧ膜１６と有機膜１１のエッチングとを繰り返して行うと、チャンバ内に付着するフッ素が多くなるので、パーティクル発生量が増えてしまう。

そこで本発明者らは、多孔質のＳｉＣＯＨ膜に埋め込まれた有機膜１１のエッチングガスとして最適なガスについて種々検討した結果、二酸化炭素を含むガスが適していることを見出した。ところで、特許文献１には、マスクへのダメージを最小限に抑えつつ、有機膜をエッチングする際に二酸化炭素ガスのプラズマを用いる技術が記載されている。しかしながらこの文献１には、多孔質のＳｉＣＯＨ膜に埋め込まれた、複数層レジスト構造の最下層膜である有機膜をエッチングすることや、前記多孔質のＳｉＣＯＨ膜のダメージを抑えながら有機膜をエッチングすることについては何ら記載されていない。

特開２０００−３５３３０５号公報

本発明は、このような事情の下になされたものであり、その目的は、基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、前記低誘電率膜へのダメージを抑えてエッチングする技術を提供することにある。

このため本発明の半導体装置の製造方法は、基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、シリコン酸化膜をマスクとして、総流量に対する二酸化炭素ガスの流量比が２／３以上である処理ガスをプラズマ化して得たプラズマによりエッチングする工程を含むことを特徴とする。ここで前記有機膜は、低誘電率膜に形成された電極埋め込み用の凹部に埋め込まれている犠牲膜であり、前記凹部は多層配線構造における上層と下層との配線同士を接続する電極を埋め込むためのビアホールであり、前記有機膜は、複数層レジスト構造の最下層をなすものである。前記処理ガスは、更に窒素ガスを含むものであってもよい。前記低誘電率膜の比誘電率は２．７以下であることが望ましい。

更に本発明のプラズマ処理装置は、処理室内に設けられ、基板の載置台を兼用する下部電極と、この下部電極に対向する上部電極と、基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、シリコン酸化膜をマスクとしてエッチングするために、総流量に対する二酸化炭素ガスの流量比が２／３以上である処理ガスを処理室内に供給する手段と、
前記処理ガスをプラズマ化するために前記上部電極及び下部電極間に高周波電力を印加するための高周波電源と、
請求項１ないし５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれているコンピュータプログラムを有する制御部と、を備えたことを特徴とする。

前記有機膜は、例えば低誘電率膜に形成された電極埋め込み用の凹部に埋め込まれている犠牲膜であり、前記凹部は多層配線構造の上層と下層との配線同士を接続する電極を埋め込むためのビアホールであり、前記有機膜は、複数層レジスト構造の最下層をなすものである。また前記処理ガスに更に窒素ガスを添加するための手段を備えるようにしてもよい。

このようなプラズマ処理装置に用いられる記憶媒体は、コンピュータ上で動作し、前記半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれているコンピュータプログラムを格納したものである。

本発明によれば、基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、二酸化炭素を含む処理ガスのプラズマによりエッチングしているので、前記有機膜を、前記低誘電率膜へのダメージを抑えながらエッチングすることができる。つまり前記二酸化炭素を含む処理ガスをプラズマ化すると、二酸化炭素イオンが生成し、この二酸化炭素イオンは有機膜中の炭素と反応するので、当該有機膜をエッチングすることができる。一方、二酸化炭素イオンは、前記低誘電率膜とは反応しにくく、このため当該低誘電率膜中のシリコンと炭素との結合が切断されにくいので、結果として二酸化炭素を含む処理ガスのプラズマにより有機膜のエッチングを行っても、前記低誘電率膜へのダメージを抑えることができる。

本発明は、シリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜を絶縁膜として備えた半導体装置を製造するにあたり、基板例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗに形成された前記低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、二酸化炭素を含む処理ガスをプラズマ化して得たプラズマによりエッチングする工程を実施するものである。前記低誘電率膜としては、例えば比誘電率が２．７以下の多孔質のシリコン、炭素、酸素及び水素を含む膜（以下「多孔質ＳｉＣＯＨ膜」という）を用いることができる。なおこのＳｉＣＯＨ膜では空隙率が大きい程、低誘電率となる。

前記半導体装置の多孔質ＳｉＣＯＨ膜に埋め込められた有機膜をエッチングする例として、複数層レジスト構造を用いてデュアルダマシン法にて配線を形成する場合を例にして説明する。先ず図１に、前記多孔質ＳｉＣＯＨ膜に埋め込められた有機膜を備える膜構造を示す。図中２１は下層側の金属例えば銅の配線層、２２は、銅配線層２１がエッチングされることを防ぐためのストッパ膜であり、例えば厚さ３５ｎｍに形成されたＳｉＣＮ膜又はＳｉＣ膜等より構成される。２３は例えば厚さ３０ｎｍに形成された、ストッパ膜２２との密着性を高めるための密着膜であり、例えばＳｉＯ_２膜やＴｉＮ膜等より構成され、前記ストッパ膜２２の補助的機能も有している。

図中２４は例えば厚さが５４０ｎｍに形成された絶縁膜をなす多孔質ＳｉＣＯＨ膜であり、２５は例えば厚さが３５ｎｍに形成された、高密度なＳｉＣＯＨ膜よりなるハードマスクである。ここで高密度ＳｉＣＯＨ膜２５とは、例えば比誘電率ｋが２．７＜ｋ≦３．５程度の膜をいう。また図中２６は例えば厚さが５０ｎｍに形成された例えばＳｉＯ_２膜よりなるハードマスクである。これら高密度ＳｉＣＯＨ膜２５やハードマスク２６は、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４のキャップ膜として機能するものであり、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４が保護できれば、高密度ＳｉＣＯＨ膜２５、ハードマスク２６のどちらか一層であってもよい。

さらに図中３１は例えば厚さが３００ｎｍに形成された有機膜であり、３２は例えば厚さが８０ｎｍに形成されたＳＯＧ膜であって、ハードマスクとして機能するものである。ここでＳＯＧ膜とは、ＳＯＧ（Spin On Grass）法より形成されたＳｉＯ_２膜をいう。また図中３３は例えば厚さが９０ｎｍに形成された反射防止膜（ＡＲＣ膜）であり、有機膜よりなる。さらに図中３４は例えば厚さが２５０ｎｍに形成されたフォトレジスト膜であり、この例では、有機膜３１、ＳＯＧ膜３２、反射防止膜３３、フォトレジスト膜３４により複数層レジスト構造３が形成され、有機膜３１が複数層レジスト構造３の最下層膜を成している。前記複数層レジスト構造３としては、有機膜３１、ＳＯＧ膜３２、フォトレジスト膜３４が下層側からこの順序で積層されていればよく、ＳＯＧ膜３２の反射防止膜としての機能が十分であれば、反射防止膜３３は無くてもよい。

ここで前記有機膜３１は有機物からなる膜であり、例えばＣＴ（Carbon Toshiba：ＪＳＲ社製）等からなり、二酸化炭素を含む処理ガスのプラズマによりエッチングされるエッチング対象となるものである。この有機膜３１は、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に形成された電極埋め込み用の凹部３５に犠牲膜として埋め込まれている。この例では、前記凹部３５は、後の工程にて金属（例えば銅）が埋め込まれたときに、多層配線構造における上層の銅配線層を埋め込むための溝部（トレンチ）と、この上層の銅配線層と下層の銅配線層２１とを接続する電極を埋め込むためのビアホールと、を構成するものである。

このような膜構造は、例えば図２（ａ）に示すように、銅配線層２１と、ストッパ膜２２と、密着膜２３と、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４と、高密度ＳｉＣＯＨ膜２５と、ハードマスク２６とを、下側からこの順序で各々所定の厚さで積層して形成した後、ビアホール等となる凹部３５をエッチングにより形成し、次いで図２（ｂ）に示すように、この凹部３５内に有機膜３１を埋め込み、続いて有機膜３１の上にＳＯＧ膜３２と反射防止膜３３とを下側からこの順序で形成し、最後に所定形状のフォトレジスト膜３４を形成することにより得られる。

続いて本発明の半導体装置の製造方法を実施するプラズマ処理装置の一例について、図３を参照しながら説明する。図３に示したプラズマ処理装置４は、例えば内部が密閉空間となっている真空チャンバからなる処理室４１と、この処理室４１内の底面中央に配設された載置台５と、載置台５の上方に当該載置台５と対向するように設けられた上部電極６とを備えている。

前記処理室４１は電気的に接地されており、また処理室４１の底面の排気口４２には排気管４４を介して排気装置４３が接続されている。この排気装置４３には図示しない圧力調整部が接続されており、この圧力調整部は後述の制御部４Ａからの信号によって処理室４１内を真空排気して所望の真空度に維持するように構成されている。処理室４１の壁面にはウエハＷの搬送口４５が設けられており、この搬送口４５はゲートバルブ４６によって開閉可能となっている。

載置台５は、下部電極５１とこの下部電極５１を下方から支持する支持体５２とからなり、処理室４１の底面に絶縁部材５３を介して配設されている。載置台５の上部には静電チャック５４が設けられ、この静電チャック５４を介して載置台５上にウエハＷが載置される。静電チャック５４は絶縁材料からなり、この静電チャック５４の内部には高圧直流電源５５に接続された電極箔５６が設けられている。高圧直流電源５５からこの電極箔５６に電圧が印加されることによって静電チャック５４表面に静電気が発生して、載置台５に載置されたウエハＷは静電チャック５４に静電吸着されるように構成されている。静電チャック５４には後述するバックサイドガスをこの静電チャック５４の上部に放出するための貫通孔５４ａが設けられている。

載置台５内には所定の冷媒（例えば、従来公知のフッ素系流体、水等）が通る冷媒流路５７が形成されており、冷媒がこの冷媒流路５７を流れることで載置台５が冷却され、この載置台５を介して載置台５上に載置されたウエハＷが所望の温度に冷却されるように構成されている。また、下部電極５１には図示しない温度センサーが装着されており、この温度センサーによって下部電極５１上のウエハＷの温度が常時監視されている。

また載置台５の内部にはＨｅ（ヘリウム）ガス等の熱伝導性ガスをバックサイドガスとして供給するガス流路５８が形成されており、このガス流路５８は載置台５の上面の複数箇所で開口している。これらの開口部は静電チャック５４に設けられた前記貫通孔５４ａと連通しており、ガス流路５８にバックサイドガスを供給すると、このバックサイドガスは貫通孔５４ａを介して静電チャック５４の上部へ流出する。このバックサイドガスが静電チャック５４と静電チャック５４上に載置されたウエハＷとの隙間全体に均等に拡散することにより、この隙間における熱伝導性が高まるようになっている。

前記下部電極５１はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）５ａを介して接地され、また下部電極５１には高周波例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源５１ａが整合器５１ｂを介して接続されている。また下部電極５１の外周縁には静電チャック５４を囲むようにフォーカスリング５９が配置され、プラズマ発生時にこのフォーカスリング５９を介してプラズマが載置台５上のウエハＷに集束するように構成されている。

上部電極６は中空状に形成され、その下面には処理室４１内へ処理ガスを分散供給するための多数の孔６１が例えば均等に分散して形成されてガスシャワーヘッドを構成している。また上部電極６の上面中央にはガス導入管６２が設けられ、このガス導入管６２は絶縁部材４７を介して処理室４１の上面中央を貫通している。そしてこのガス導入管６２は上流側において、例えば３本に分岐して分岐管６２Ａ〜６２Ｃを形成し、夫々バルブ６３Ａ〜６３Ｃと流量制御部６４Ａ〜６４Ｃとを介してガス供給源６５Ａ〜６５Ｃに接続されている。このバルブ６３Ａ〜６３Ｃ、流量制御部６４Ａ〜６４Ｃはガス供給系６６を構成して後述の制御部４Ａからの制御信号によって各ガス供給源６５Ａ〜６５Ｃのガス流量及び給断の制御を行うことができる。なおこの例ではガス供給源６５Ａ、ガス供給源６５Ｂ、ガス供給源６５Ｃは、夫々ＣＦ_４ガス、ＣＯ_２ガス、Ｎ_２ガスの供給源であり、ガス供給源６５Ｂ、バルブ６３Ｂ、流量制御部６４Ｂは、二酸化炭素を含む処理ガスを処理室４１内に供給する手段に相当し、ガス供給源６５Ｃ、バルブ６３Ｃ、流量制御部６４Ｃは、処理ガスに窒素ガスを添加するための手段に相当する。

上部電極６はローパスフィルタ（ＬＰＦ）６７を介して接地されており、またこの上部電極６には高周波電源５１ａよりも周波数の高い高周波例えば６０ＭＨｚの高周波電源６ａが整合器６ｂを介して接続されている。上部電極６に接続された高周波電源６ａからの高周波は、処理ガスをプラズマ化するためのものであり、下部電極５１に接続された高周波電源５１ａからの高周波は、ウエハＷにバイアス電力を印加することでプラズマ中のイオンをウエハＷ表面に引き込むものである。尚、高周波電源６ａ，５１ａは夫々制御部４Ａに接続されており、制御信号に従って上部電極６及び下部電極５１に供給される電力が制御される。

また、このプラズマ処理装置４には例えばコンピュータからなる制御部４Ａが設けられており、この制御部４Ａはプログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部４Ａからプラズマ処理装置４の各部に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることでウエハＷに対してプラズマ処理を施すように命令が組み込まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理時間、ガス流量、電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこのプラズマ処理装置４の各部位に送られることになる。このプログラム（処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む）は、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などの記憶部４Ｂに格納されて制御部４Ａにインストールされる。

次に、前記プラズマ処理装置４を用いた本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態について、図４及び図５を用いて説明する。まずゲートバルブ４６を開いて処理室４１内へ図示しない搬送機構により３００ｍｍ（１２インチ）ウエハＷを搬入する。当該ウエハＷは、図１及び図４（ａ）に示す膜構造を備えたものである。そしてこのウエハＷを載置台５上に水平に載置した後、ウエハＷを載置台５に静電吸着させる。その後搬送機構を処理室４１から退去させてゲートバルブ４６を閉じる。引き続きガス流路５８からバックサイドガスを供給して、ウエハＷを所定の温度に冷却する。その後例えば以下のステップを行う。

（ステップ１：反射防止膜３３とＳＯＧ膜３２のエッチング）
排気装置４３により排気管４４を介して処理室４１内の排気を行い、こうして処理室４１内を所定の真空度例えば１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）に維持した後、ガス供給系６６より例えばＣＦ_４ガスを１５０ｓｃｃｍの流量で９０秒間供給する。一方周波数が６０ＭＨｚの高周波を、電力を例えば基板の表面積で除した大きさが３００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２（３００ｍｍウェハＷの面積）として上部電極６に供給して、前記処理ガスをプラズマ化すると共に、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波を、電力を例えば５００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として下部電極５１に供給する。

このプラズマ中には、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）との化合物の活性種が含まれており、反射防止膜３３やＳＯＧ膜３２を構成するＳｉＯ２膜がこれら活性種雰囲気に曝されると、これらの膜中の原子と反応した化合物が生成され、これにより図４（ｂ）に示すように、反射防止膜３３とＳＯＧ膜３２とが相次いでエッチングされる。そして処理ガスの供給量や、エッチング時間等のエッチング条件を調整することによって、反射防止膜３３、ＳＯＧ膜３２のエッチングが終了した段階でエッチングを終了する。

この際有機物の膜である反射防止膜３３とフォトレジスト膜３４や有機膜３１は、この炭素とフッ素との化合物の活性種に対してはエッチング選択比が高く、ＳＯＧ膜３２に比べてエッチング速度が遅い。またフォトレジスト膜３４は厚さが２５０ｎｍ、反射防止膜３３は厚さが９０ｎｍ、ＳＯＧ膜３２は厚さが８０ｎｍであるので、反射防止膜３３、ＳＯＧ膜３２のエッチングが終了した段階で、エッチングを終了すると、フォトレジスト膜３４は残った状態にある。

（ステップ２：フォトレジスト膜３４と反射防止膜３３と有機膜３１のエッチング）
続いて排気装置４３により処理室４１内を排気して残存するＣＦ_４ガスを除去すると共に、処理室４１内を所定の真空度例えば１．９９５Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）に維持した後、ガス供給系６６より例えばＣＯ_２ガスとＮ_２ガスとを、夫々４００ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍの流量で５５秒間供給する。一方周波数が６０ＭＨｚの高周波を、電力を例えば基板の表面積で除した大きさが１０００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２（３００ｍｍウェハＷの面積）として上部電極６に供給して、前記二酸化炭素ガスと窒素ガスとを含む処理ガスをプラズマ化すると共に、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波を、電力を例えば７５０Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として下部電極５１に供給する。

このプラズマの大部分は二酸化炭素イオン（ＣＯ_２ ^＋）であり、フォトレジスト膜３４や反射防止膜３３、有機膜３１を構成する有機物の膜に対しては、次の（１）式の反応が進行してエッチングが行われ、これにより図４（ｃ）に示すようにフォトレジスト膜３４と反射防止膜３３と有機膜３１とがエッチングされる。この場合、処理ガスの供給量や、エッチング時間等のエッチング条件を調整することによって、凹部３５に埋め込まれた有機膜３１については、全てをエッチングせずに残しておく。

ＣＯ_２ ^＋ ＋ Ｃ → ２ＣＯ ・・・（１）
なおこの二酸化炭素イオンはＳｉＯ_２膜とは反応しにくく、このＣＯ_２ガスのプラズマによってはＳｉＯ_２膜のエッチングは進行しにくいので、反射防止膜３３の下層であるＳＯＧ膜（ＳｉＯ_２膜）３２や、有機膜３１の下層であるハードマスク（ＳｉＯ_２膜）２６はマスクとして機能する。
（ステップ３：ハードマスク２６と高密度ＳｉＣＯＨ膜２５と多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４のエッチング）
続いて排気装置４３により処理室４１内を排気して残存するＣＯ_２ガスとＮ_２ガスとを除去すると共に、処理室４１内を所定の真空度に維持した後、例えばＣＦ_４ガスを所定の流量で供給する。一方周波数が６０ＭＨｚの高周波を上部電極６に供給して、前記処理ガスをプラズマ化すると共に、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波を下部電極５１に供給する。

こうしてＣＦ_４ガスのプラズマにより、図５（ａ）に示すように、ハードマスク２６を構成するＳｉＯ_２膜と、高密度ＳｉＣＯＨ膜２５と、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４と反応させて、これらの膜のエッチングを行う。この際多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４のエッチング深さが所定の深さになるように、処理ガスの供給量や、エッチング時間等のエッチング条件を調整しておく。

またこのＣＦ_４ガスのプラズマによりＳＯＧ膜３２も同時にエッチングされ、除去される。なおこのＣＦ_４ガスのプラズマは、既述のように有機物の膜とは反応しにくいので、ＳＯＧ膜３２の下層の有機膜３１や、凹部３５に埋め込まれた有機膜３１はエッチング速度が極めて遅く、これによりマスクとして機能する。
（ステップ４：有機膜３１のアッシング）
続いて排気装置４３により処理室４１内を排気して残存するＣＦ_４ガスを除去すると共に、処理室４１内を所定の真空度に維持した後、例えばＣＯ_２ガスを所定の流量で供給する。一方周波数が６０ＭＨｚの高周波を上部電極６に供給して、前記処理ガスをプラズマ化すると共に、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波を下部電極５１に供給する。こうしてＣＯ_２ガスのプラズマを発生させ、このプラズマによりアッシングを行い、図５（ｂ）に示すように、ハードマスク２６の上層の有機膜３１と、凹部３５に埋め込まれた有機膜３１を灰化して除去する。この際、既述のように、ＣＯ_２ガスのプラズマにより生成した二酸化炭素イオンにより、フォトレジスト膜３４や有機膜３１を構成する有機物の膜に対しては、前記（１）式の反応が進行し、これによりこれらの膜のアッシングが行われる。一方二酸化炭素イオンによってはＳｉＯ_２膜のエッチングは進行しにくいので、有機膜３１の下層であるハードマスク（ＳｉＯ_２膜）２６は残存する。なおこのアッシング処理は、図示しないアッシング装置にて行なうようにしてもよい。
（ステップ５：ストッパ膜２２のエッチング）
続いてステップ４の工程が行われたウエハＷを、図示しないアッシング装置から例えば図３に示すプラズマ処理装置に搬送し、当該装置において、処理室４１内を所定の真空度に保持した後、図示しないガス供給系６６より例えばＣＦ _４ ガスを所定の流量で供給する。一方周波数が６０ＭＨｚの高周波を上部電極６に供給して、前記処理ガスをプラズマ化すると共に、周波数が１３．５６ＭＨｚの高周波を下部電極５１に供給する。

こうしてＣＦ_４ガスのプラズマにより、図５（ｃ）に示すように、ストッパ膜２２を構成するＳｉＣ膜（又はＳｉＣＮ膜）とを反応させて、この膜のエッチングを行う。なおこのストッパ膜２２は厚さが３５ｎｍであるのに対し、ハードマスク（ＳｉＯ_２膜）２６の厚さは５０ｎｍであるので、このＣＦ_４ガスのプラズマによりハードマスク２６もエッチングされるが、ストッパ膜２２がエッチングされた時点でエッチングを終了するように、処理ガスの供給量や、エッチング時間等のエッチング条件を調整しておくことにより、ハードマスク２６を残すことができる。このステップ５の工程は、ステップ１とステップ２を実施するプラズマ処理装置とは別個のエッチング装置にて実施してもよい。

以上のステップＳ１〜Ｓ５の工程を実施することによって、図５（ｃ）に示す膜構成が得られ、こうして形成された凹部３６に金属例えば銅が埋め込まれ、次いで埋め込まれた銅を高密度ＳｉＣＯＨ膜２５の厚さが半分程度になるまでＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）処理により平坦化することによって、図５（ｄ）に示すように、上層の配線層３６ａと、この配線層３６ａと下層の配線層２１とを接続するビアホール３６ｂとが同時に形成される。

このような方法では、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に埋め込まれた有機膜３１のエッチングを、二酸化炭素ガスを含む処理ガスのプラズマにより行っているので、当該エッチングの際の多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４へのダメージを抑えながら有機膜３１のエッチングを行うことができる。この理由について以下に説明すると、ＳｉＣＯＨ膜の主たる成分は、図６（ａ）に示すような化学構造を備えており、シリコンにはメチル基（−ＣＨ_３）が結合している。

ところで二酸化炭素ガスをプラズマ化すると、既述のように二酸化炭素ガスの大部分は二酸化炭素イオン（ＣＯ_２ ^＋）となるが、この二酸化炭素イオンは、前記シリコンに結合したメチル基とは反応しにくく、このためシリコンとメチル基の炭素との間のＳｉ−Ｃ結合は切断されにくい。従って二酸化炭素のプラズマは多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４と反応しにくいので、結果として多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に対してダメージを与えにくく、このＳｉＣＯＨ膜２４に埋めまれた有機膜３１のみを選択的にエッチングすることができる。既述のアッシング工程においても同様である。

一方、従来エッチングガスとして用いられていた酸素ガスは、プラズマ化すると酸素ラジカル（Ｏ^＊）を発生させるが、例えば図６（ｂ）に示すように、この酸素ラジカルは前記シリコンに結合したメチル基とは反応しやすく、前記Ｓｉ−Ｃ結合を切断してしまう。このため酸素のプラズマは多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４を変質させてしまうので、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に埋め込まれた有機膜３１をエッチングする際に、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４も変質されてしまい、当該ＳｉＣＯＨ膜２４へのダメージが大きくなってしまう。

ここでＳｉＣＯＨ膜２４がダメージを受けると、比誘電率が高くなり、デバイスの電気的特性が悪化してしまう。またＳｉＣＯＨ膜２４は、既述のようにシリコンにメチル基が結合しており、メチル基は疎水性であるので、膜としても疎水性であるが、酸素ラジカルによりシリコンとメチル基との結合が切断されると、このシリコンに水酸基（−ＯＨ）が結合しやすく、この水酸基は親水性であるので、膜が吸湿しやすくなってしまう。このようにＳｉＣＯＨ膜２４が吸湿すると、絶縁破壊を起こしやすく、歩留まりが低下してしまうので、ＳｉＣＯＨ膜２４のダメージはできるだけ抑えることが好ましい。

また多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に埋め込まれた有機膜３１のエッチングに用いる処理ガスに窒素ガスを添加すると、現像線幅の調整を行なうことができる。つまり添加する窒素ガスの量が適量の場合、窒素ガスが側壁保護の役割を果たし、現像線幅が小さくなる傾向になる。一方窒素ガスの添加量が多いと、有機膜３１の上層のＳＯＧ膜３２とのエッチング選択性が低下してしまう傾向がある。ここで窒素ガスの添加量は、流量比で二酸化炭素ガスの１／２程度までは添加できるが、有機膜３１の炭素成分が多くなると、窒素ガスが不要になるので、凹部３５の形状や、有機膜３１の成分等の個々のケースにおいて、適宜窒素ガスの添加量が決定され、必ずしも窒素ガスを添加する必要はない。

さらにまた上述のプロセスでは、パーティクルが発生する虞もない。つまり従来の技術の欄でも説明したように、パーティクルを構成する物質は、従来有機膜３１のエッチングに用いられていたアンモニアガスと、ＳＯＧ膜３２と反射防止膜３３のエッチングに用いられていたＣＦ_４ガス中のフッ素とが反応して生成したフッ化アンモニウムであるが、上述のプロセスでは、有機膜３１のエッチングに二酸化炭素のプラズマを用いており、この二酸化炭素のプラズマにより得られる二酸化炭素イオンは、ＣＦ_４ガスのプラズマにより発生する炭素やフッ素と反応して固体を生成しないので、パーティクルの発生が抑えられる。

以上に記載したように、本発明は、ダマシンプロセスにおいて、低誘電率の多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４の凹部３５に犠牲膜として埋め込まれ、複数層レジスト構造の最下層の膜である有機膜３１をエッチングする場合に、特に有効である。つまり上述のダマシンプロセスでは、層間絶縁膜をなす多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に形成された凹部３５に埋め込まれた有機膜３１をエッチングする工程があるが、この工程では有機膜３１のエッチングが進むと、前記凹部３５と隣接する多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４は露出してしまう。このため当該多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４がエッチングの雰囲気に晒されてしまうので、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４と反応しにくいエッチング用の処理ガスを選択する必要があり、この点から既述のように、二酸化炭素を含む処理ガスを用いることは有効である。

また低誘電率の多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４は、比誘電率を低くするためには、空隙率の大きいＳｉＣＯＨ膜２４を用いることが必要であり、このように空隙率が大きいと、有機膜３１のエッチングの際に、処理ガスのプラズマがＳｉＣＯＨ膜２４の内部まで入り込みやすく、ダメージ層が大きくなってしまうことから、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４と反応しにくい二酸化炭素を含む処理ガスをエッチングガスとして用いることによって、ＳｉＣＯＨ膜２４へのダメージの発生を抑えることは、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４を層間絶縁膜として用いる場合には特に有効である。

さらに複数層レジスト構造では、有機物により構成された有機膜であるフォトレジスト膜３４、反射防止膜３３と有機膜３１との間に、無機物により構成された無機膜であるＳＯＧ膜３２を備えており、これら有機膜と無機膜とが交互に連続してエッチングされる。つまり無機膜であるＳＯＧ膜３２のエッチングでは、有機膜（フォトレジスト膜３４、反射防止膜３３、有機膜３１）がマスクとして作用し、有機膜であるフォトレジスト膜３４、反射防止膜３３、有機膜３１のエッチングでは、無機膜（ＳＯＧ膜３２）がマスクとして作用する。

このため有機膜のエッチングに用いられる処理ガスとしては、無機膜のＳＯＧ膜３２と反応しにくいガスであって、無機膜のエッチングに用いられる処理ガスとの反応により固体（パーティクル）を発生しないガスを選択する必要があり、この点からも有機膜３１のエッチングに二酸化炭素を含む処理ガスを用いることは有効である。

以上において、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に埋め込まれた有機膜３１のエッチングに用いられる処理ガスは、二酸化炭素を含むものであればよく、二酸化炭素ガスのみを用いてもよいし、二酸化炭素ガスに窒素ガスを添加したガスであってもよいし、二酸化炭素ガスと、一酸化炭素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスとを組み合わせたものであってもよい。
また本発明は、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に埋め込まれた有機膜３１のエッチングを行う工程を含む半導体装置の製造方法に適用でき、前記有機膜３１が多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に形成された電極埋め込み用の凹部３５に埋め込まれている場合には、この凹部３５は、多層配線構造における上層の配線層と下層の配線層同士を接続する電極を埋め込むためのビアホールであればよく、必ずしもデュアルダマシン法により配線とビアホールとを同時に形成しなくてもよい。

<実施例１>
ウエハＷ上に、図１に示す膜構造を形成し、次いで上述の図３に示すプラズマ処理装置を用いて、上述のステップ１とステップ２の条件に従い、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に埋め込まれた有機膜３１に対してエッチングを行った。図７は、ステップ１とステップ２のエッチング処理後のウエハＷに対してＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により撮像した断層写真をトレースしたものである。図７（ａ）はビアホール近傍領域を、ウエハＷの中央部と周縁部との位置について夫々示し、図７（ｂ）はビアホールがない領域を、ウエハＷの中央部と周縁部との位置について夫々示している。

この結果、ウエハＷの中央部と周縁部とに形成されたビアホールはほぼ同じ形状であることが認められ、これによって二酸化炭素ガスを含む処理ガスのプラズマにより、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に埋め込まれた有機膜３１のエッチングを、設定した形状で行うことができることが確認された。これにより多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に形成された電極埋め込み用の凹部３５に犠牲膜として埋め込まれた有機膜３１を、二酸化炭素ガスを含む処理ガスのプラズマにより所定の形状でエッチングすることにより、前記凹部３５を予め設定した形状で形成することができることが理解される。

<実験例２>
続いて多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４の二酸化炭素のプラズマによるダメージの有無を確認するための実験を行った。この実験では、例えば図３のプラズマ処理装置において二酸化炭素のプラズマを発生させ、このプラズマを厚さ６２５ｎｍの多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４に対して５０秒間照射したものを、１重量％のフッ酸溶液（ＨＦ）に３０秒間浸漬し、フッ酸溶液の浸漬前後の多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４の削り量を測定することにより行った。この実験では、前記削り量が少ない程、ダメージの程度が小さいことを意味している。この際、比較例として、例えば図３のプラズマ処理装置において酸素のプラズマを発生させ、このプラズマを厚さ６２５ｎｍの多孔質ＳｉＣＯＨ膜に対して４０秒間照射したものに対しても、同様のフッ酸溶液への浸漬試験を行った。

この結果、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４においては、二酸化炭素のプラズマを照射した場合には、酸素のプラズマを照射した場合に比べて、前記削り量がかなり少なく、二酸化炭素のプラズマによっては、多孔質ＳｉＣＯＨ膜２４はほとんどダメージを受けないことが確認された。

本発明の半導体装置の製造方法が実施される基板に形成された膜構造を説明するための断面図である。 前記膜構造を形成するプロセスを説明するための工程図である。 本発明のプラズマ処理装置の一実施の形態を示す断面図である。 本発明の半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 本発明の半導体装置の製造方法を説明するための工程図である。 本発明の作用を説明するための説明図である。 本発明の効果を確認するために撮影した断層写真のトレース図である。 三層レジスト膜を用いて絶縁膜に電極配線用の凹部を形成するエッチングを行なう例を示す工程図である。

符号の説明

２１ 銅配線層
２４ 多孔質ＳｉＣＯＨ膜
３ 複数層レジスト構造
３１ 有機膜
３２ ＳＯＧ膜
３３ 反射防止膜
３４ フォトレジスト膜
３５ 凹部
４ プラズマ処理装置
４Ａ 制御部
４１ 処理室
５ 載置台
６ 上部電極
６６ ガス供給系
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (10)

1. 基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、シリコン酸化膜をマスクとして、総流量に対する二酸化炭素ガスの流量比が２／３以上である処理ガスをプラズマ化して得たプラズマによりエッチングする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記有機膜は、低誘電率膜に形成された電極埋め込み用の凹部に埋め込まれている犠牲膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記凹部は多層配線構造における上層と下層との配線同士を接続する電極を埋め込むためのビアホールであり、
   前記有機膜は、複数層レジスト構造の最下層をなすものであることを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記処理ガスは、更に窒素ガスを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記低誘電率膜の比誘電率は２．７以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
6. 処理室内に設けられ、基板の載置台を兼用する下部電極と、
   この下部電極に対向する上部電極と、
   基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれた有機膜を、シリコン酸化膜をマスクとしてエッチングするために、総流量に対する二酸化炭素ガスの流量比が２／３以上である処理ガスを処理室内に供給する手段と、
   前記処理ガスをプラズマ化するために前記上部電極及び下部電極間に高周波電力を印加するための高周波電源と、
   請求項１ないし５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれているコンピュータプログラムを有する制御部と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 前記有機膜は、低誘電率膜に形成された電極埋め込み用の凹部に埋め込まれている犠牲膜であることを特徴とする請求項６記載のプラズマ処理装置。
8. 前記凹部は多層配線構造の上層と下層との配線同士を接続する電極を埋め込むためのビアホールであり、
   前記有機膜は、複数層レジスト構造の最下層をなすものであることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理装置。
9. 前記処理ガスに更に窒素ガスを添加するための手段を含むことを特徴とする請求項６ないし８のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
10. プラズマ処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
    前記コンピュータプログラムは、請求項１ないし５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。

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