JP5165306B2 - 多孔質低ｋ誘電体層内に特徴を形成するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスの形成に関するものである。

半導体ウエハ処理では、周知のパターン形成プロセスおよびエッチングプロセスを使用して、ウエハ内に半導体デバイスの特徴が定められる。これらのプロセスでは、フォトレジスト（ＰＲ）材料が、ウエハ上に堆積され、次いで、レチクルによるフィルタ処理を経た光に暴露される。レチクルは、一般に、光の伝播を阻止する代表的な特徴形状を有するパターンを形成されたガラス板である。

レチクルを通過した光は、フォトレジスト材料の表面に接触する。光は、フォトレジスト材料の化学組成を変化させ、フォトレジスト材料の一部を現像液で除去可能にする。ポジ型フォトレジスト材料の場合は、露光領域が除去され、ネガ型フォトレジスト材料の場合は、非露光領域が除去される。その後は、フォトレジスト材料による保護を離れた部分の下層材料を除去することによって、ウエハ内に所望の特徴を定めるために、ウエハのエッチングが行われる。

フォトレジストパターンは、最小特徴の幅である限界寸法（ＣＤ）を有する。特徴ＣＤを低減させることが望まれている。

本発明の上記の目的を達成するため、本発明の上記の目的にしたがって、多孔質低ｋ（低誘電率）誘電体層内にデュアルダマシン特徴を形成する方法が提供される。多孔質低ｋ誘電体層内に、ビアが形成される。多孔質低ｋ誘電体層の上に、有機平坦化層が形成され、該有機層は、ビアを満たす。有機平坦化層の上に、フォトレジストマスクが形成される。次いで、ＣＯ₂ 含有エッチングガスの提供と、該ＣＯ₂ 含有エッチングガスから、有機平坦化層をエッチングするプラズマの形成とを含むプロセスによって、有機平坦化層内に、特徴がエッチングされる。有機平坦化層をマスクとして使用し、多孔質低ｋ誘電体層内に、トレンチがエッチングされる。有機平坦化層は、剥ぎ取られる。

本発明の別の一態様では、多孔質低ｋ誘電体層内にデュアルダマシン特徴を形成する方法が提供される。多孔質低ｋ誘電体層内に、ビアが形成される。多孔質低ｋ誘電体層の上に、有機平坦化層が形成され、該有機層は、ビアを満たす。有機平坦化層の上に、フォトレジストマスクが形成される。低ｋ誘電体層を部分的に露出させる方式で、有機平坦化層内に、低ｋ誘電体層を損傷させることなく特徴がエッチングされる。有機平坦化層をマスクとして使用し、多孔質低ｋ誘電体層内に、トレンチがエッチングされる。有機平坦化層は、剥ぎ取られる。

本発明の別の一態様では、誘電体層内にトレンチを形成するための装置が提供される。誘電体層内には、ビアが形成され、誘電体層上には、ビアを満たすと共に平坦化表面を形成するために有機平坦化層が形成され、平坦化表面上には、酸化物キャップ、ＢＡＲＣ、およびトレンチマスクが形成される。また、プラズマ処理チャンバが提供される。該プラズマ処理チャンバは、プラズマ処理チャンバエンクロージャを形成するチャンバ壁と、プラズマ処理チャンバエンクロージャ内で基板を支えるための基板サポートと、プラズマ処理チャンバエンクロージャ内の圧力を調整するための圧力レギュレータと、プラズマを維持するためにプラズマ処理チャンバエンクロージャに電力を提供するための少なくとも１つの電極と、プラズマ処理チャンバエンクロージャにガスを提供するためのガス注入口と、プラズマ処理チャンバエンクロージャからガスを排出させるためのガス排出口とを備える。ガス注入口には、ガス源が流体接続され、該ガス源は、ＣＯ₂ ガス源とフッ素含有ガス源とを含む。ガス源および少なくとも１つの電極には、可制御式にコントローラが接続され、該コントローラは、少なくとも１つのプロセッサとコンピュータ可読媒体とを含む。コンピュータ可読媒体は、ＢＡＲＣおよび酸化物キャップ層をエッチングするためのコンピュータ可読コードと、有機平坦化層をエッチングするためのコンピュータ可読コードと、有機平坦化層を通して誘電体層内にトレンチをエッチングするためのコンピュータ可読コードと、を備え、ＢＡＲＣおよび酸化物キャップをエッチングするためのコンピュータ可読コードは、フッ素含有ガス源からプラズマ処理チャンバの内部へとフッ素含有ガスを提供するためのコンピュータ可読コードと、フッ素含有ガスをプラズマに変換するためのコンピュータ可読コードと、フッ素含有ガスを停止するためのコンピュータ可読コードと、を含み、有機平坦化層をエッチングするためのコンピュータ可読コードは、ＣＯ₂ ガス源からＣＯ₂ 含有ガスを提供するためのコンピュータ可読コードと、ＣＯ₂ 含有ガスからプラズマを形成するためのコンピュータ可読コードと、ＣＯ₂ 含有ガスを停止するためのコンピュータ可読コードと、を含み、有機平坦化層を通して誘電体層内にトレンチをエッチングするためのコンピュータ可読コードは、フッ素含有ガス源からプラズマ処理チャンバの内部へとフッ素含有ガスを提供するためのコンピュータ可読コードと、フッ素含有ガスをプラズマに変換するためのコンピュータ可読コードと、を含む。

本発明のこれらのおよびその他の特徴は、添付の図面と関連させつつ、本発明の詳細な説明において、後ほど詳述される。

以下では、限定ではなく例示を目的として、添付の図面を参照にしつつ、本発明が説明される。図中、類似の参照符号は、類似の要素を指すものとする。

添付の図面に例示された幾つかの好ましい実施形態を参照にしつつ、本発明の詳細な説明が行われる。以下の説明では、本発明の完全な理解を可能にするために、多くの詳細が特定されている。しかしながら、当業者ならば明らかなように、本発明は、これらの一部または全部の詳細を特定しなくても実施可能である。また、本発明が不必要に不明瞭になるのを避けるため、周知のプロセス工程および／または構造の詳細な説明は省略される。

理解を容易にするため、図１は、本発明の一実施形態で使用され得るプロセスのフローチャートを示している。多孔質低ｋ誘電体層内に、ビアが形成された（工程１０４）。図２Ａは、ウエハ基板２０４のＭ−１層の各部の断面図である。この例では、ウエハ基板は、導電性相互接続２０６を有する。ウエハ基板２０４および相互接続２０６の上には、障壁層２０８が配置され得る。そして、障壁層２０８およびウエハ基板２０４の上に、多孔質低ｋ誘電体層２１０が配置され、多孔質低ｋ誘電体層２１０の上に、ＴＥＯＳ酸化物からなるキャップ層２１２が配置される。多孔質低ｋ誘電体層２１０内には、ビア２１４が形成されている。

図２Ｂに示されるように、多孔質低ｋ誘電体層２１０の上に、有機平坦化層（ＯＰＬ）２１６が形成された（工程１０８）。有機平坦化層２１６は、ポリマ等の有機材料からなり、ＤＵＶフォトレジストまたはＩ線フォトレジストであってよく、これは、ビアを満たすと共に滑らかな（平坦化）上面を提供するプロセスによって施される。

ＯＰＬ２１６の上に、酸化物キャップ２２０が形成された（工程１１２）。酸化物キャップ２２０は、ＴＥＯＳ等の酸化ケイ素材料で形成される。酸化物キャップ２２０の上に、底面反射防止膜（ＢＡＲＣ）２２４が形成される（工程１１６）。ＢＡＲＣ２２４の上に、フォトレジストマスク２２８が形成された（工程１２０）。もし、ＯＰＬ２１６がＤＵＶまたはＩ線等のフォトレジスト材料からなるならば、好ましい実施形態において、フォトレジストマスクは、ＯＰＬ２１６よりも次世代のフォトレジストで形成されるので、フォトレジストマスク用のフォトレジストの暴露中、ＯＰＬは、ＯＰＬのパターン形成を生じる周波数では露光されない。

基板ウエハ２０４は、プラズマ処理チャンバ内に配された（工程１２２）。図４は、本実施形態で使用され得る処理チャンバ４００の概略図である。プラズマ処理チャンバ４００は、閉じ込めリング４０２と、上部電極４０４と、下部電極４０８と、ガス源４１０と、排気ポンプ４２０とを備える。ガス源は、同一チャンバ内でのエッチング、剥ぎ取り、およびその他のプロセスの実施を可能にするために、ＯＰＬエッチングガス源４１２、誘電体エッチングガス源４１６、および剥ぎ取りガス源４１８を含む。プラズマ処理チャンバ４００内において、基板２０４は、下部電極４０８の上に配置される。下部電極４０８は、基板２０４を保持するための適切な基板チャック機構（例えば静電クランプおよび機械クランプ等など）を内蔵する。リアクタの上部４２８は、下部電極４０８の真反対に配置された上部電極４０４を内蔵する。上部電極４０４、下部電極４０８、および閉じ込めリング４０２は、閉じ込めプラズマ体積４４０を定める。閉じ込めプラズマ体積には、ガス源４１０によってガスが提供され、排気ポンプ４２０によって、閉じ込めリング４０２および排出口を通って排出される。上部電極４０４には、第１のＲＦ源４４４が電気的に接続される。下部電極４０８には、第２のＲＦ源４４８が電気的に接続される。閉じ込めリング４０２、上部電極４０４、および下部電極４０８は、チャンバ壁４５２によって取り囲まれる。第１のＲＦ源４４４および第２のＲＦ源４４８は、ともに、６０ＭＨｚ電源、２７ＭＨｚ電源、および２ＭＨｚ電源を含み得る。電極に対するＲＦ電力の接続は、異なる組み合わせでも可能である。本発明の好ましい一実施形態で使用され得るカリフォルニア州フリーモント所在のラム・リサーチ社（登録商標）によって作成された２３００Ｅｘｅｌａｎ Ｆｌｅｘ４５の場合は、下部電極に接続される第２のＲＦ電源４４８を６０ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、および２ＭＨｚの電源で構成し、上部電極は接地される。他の実施形態では、ＲＦ電源は、３００ＭＨｚ以下の周波数を有し得る。ＲＦ源４４４，４４８、排気ポンプ４２０、およびガス源４１０には、可制御式にコントローラ４３５が接続される。

図５Ａよび図５Ｂは、本発明の実施形態で使用されるコントローラ４３５を実現するのに適したコンピュータシステム１３００を例示している。図５Ａは、コンピュータシステムとして考えられる一物理的形態を示している。もちろん、コンピュータシステムは、集積回路、プリント回路基板、および小型携帯端末から巨大なスーパーコンピュータに至る多くの物理的形態をとり得る。コンピュータシステム１３００は、モニタ１３０２、ディスプレイ１３０４、筐体１３０６、ディスクドライブ１３０８、キーボード１３１０、およびマウス１３１２を含む。ディスク１３１４は、コンピュータシステム１３００とデータのやり取りを行うために使用されるコンピュータ可読媒体である。

図５Ｂは、コンピュータシステム１３００のブロック図の一例である。システムバス１３２０には、種々様々なサブシステムが取り付けられる。プロセッサ１３２２（中央演算処理装置、すなわちＣＰＵとも称される）は、メモリ１３２４を含む記憶装置に接続される。メモリ１３２４は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）を含む。当該分野で知られているように、ＲＯＭは、ＣＰＵに対してデータおよび命令を単方向的に伝送する働きをし、ＲＡＭは、一般に、データおよび命令を双方向的に伝送するために使用される。これらのメモリは、いずれのタイプも、後述される任意の適切なコンピュータ可読媒体を含み得る。ＣＰＵ１３２２には、固定ディスク１３２６も双方向的に接続され、これは、追加のデータ記憶容量を提供し、やはり、後述される任意のコンピュータ可読媒体を含み得る。固定ディスク１３２６は、プログラムやデータ等を格納するために使用されてよく、一般に、一次記憶より低速な二次記憶媒体（ハードディスク等）である。なお、固定ディスク１３２６内に保持される情報は、もし適切であれば、メモリ１３２４内の仮想メモリとして標準的な形で組み入れ可能である点が理解される。取り外し可能ディスク１３１４は、後述される任意のコンピュータ可読媒体の形態をとり得る。

ＣＰＵ１３２２は、ディスプレイ１３０４、キーボード１３１０、マウス１３１２、およびスピーカ１３３０等の様々な入出力装置にも接続される。概して、入出力装置は、ビデオディスプレイ、トラックボール、マウス、キーボード、マイクロフォン、タッチセンサ式ディスプレイ、トランスデューサカード読み取り装置、磁気テープもしくは紙テープ読み取り装置、タブレット、スタイラス、音声もしくは手書き文字認識装置、バイオメトリック読み取り装置、または他のコンピュータのうちの任意であり得る。ＣＰＵ１３２２は、ネットワークインターフェース１３４０を使用して、別のコンピュータまたは通信ネットワークに随意に接続され得る。このようなネットワークインターフェースがあれば、ＣＰＵは、上述された方法の工程を実施する過程で、ネットワークから情報を受信するまたはネットワークに情報を出力するであろうと考えられる。更に、本発明の方法の実施形態は、ＣＰＵ１３２２上のみで実行されてもよいし、あるいは処理の一部を共有するリモートＣＰＵと連携してインターネット等のネットワークを通じて実行されてもよい。

また、本発明の実施形態は、更に、コンピュータによって実行される様々な操作を実施するためのコンピュータコードを記録されたコンピュータ可読媒体を伴うコンピュータストレージ製品に関する。媒体およびコンピュータコードは、本発明の目的のために特別に設計および構成されたものであってもよいし、あるいはコンピュータソフトウェアの分野の当業者にとって周知で且つ利用可能なものであってもよい。コンピュータ可読媒体の例は、ハードディスク、フロッピィディスク、および磁気テープ等の磁気媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、およびホログラフィック装置等の光媒体、フロプティカルディスク等の光磁気媒体、ならびに特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能論理装置（ＰＬＤ）、ＲＯＭ装置、およびＲＡＭ装置など、プログラムコードの格納および実行のために特別に構成されたハードウェアデバイスを、非限定的に含む。コンピュータコードの例は、コンパイラによって生成される等のマシンコード、およびインタープリタを使用してコンピュータによって実行される高水準コードを含むファイルを含む。コンピュータ可読媒体は、搬送波に組み込まれたコンピュータデータ信号によって伝送され且つプロセッサによって実行可能な一連の命令を表すコンピュータコードでもあり得る。

ＢＡＲＣ２２４および酸化物キャップ２２０は、エッチングされ開口される（工程１２４）。これは、例えばプラズマ状態にされるＣＦ₄ ベースのエッチングガスのように、フッ化炭素等のフッ素含有ガスを使用して実施され得る。この単一のＣＦ₄ をベースにしたエッチングは、ＢＡＲＣ２２４および酸化物キャップ２２０の両方をエッチングするために使用され得る。

ＯＰＬ２１６に、特徴がエッチングされた（工程１２６）。図３は、本発明の好ましい一実施形態で使用される、ＯＰＬ内に特徴をエッチングするための更なる工程を、より詳細に示したフローチャートである。

チャンバの内部４４０に、ＣＯ₂ エッチングガスが提供された（工程３０８）。ＣＯ₂ エッチングガスは、純粋なまたはほぼ純粋なＣＯ₂ 、およびＣＯとＣＯ₂ とからなる混合のうちの少なくとも１つである。したがって、ＣＯ₂ エッチングガスは、Ｏ₂およびＯ₃を含有しない。ＣＯ₂ エッチングガスから、プラズマが生成される（工程３１２）。レシピの一例では、１０ミリトールの圧力が提供される。６０ＭＨｚで８００ワットが提供される。基本的に１５０ｓｃｃｍのＣＯ₂ からなるＣＯ₂ エッチングガスが提供される。ＲＦ電力は、ＣＯ₂ エッチングガスを、ＯＰＬをエッチングするのに十分な力を有するプラズマに変換する。

図２Ｃに示されるように、ＯＰＬのエッチングが完了すると、ＣＯ₂ エッチングガスは停止される（工程３１６）。この例では、ＯＰＬのエッチング中に、フォトレジストマスクおよびＢＡＲＣがエッチングによって除去される。ＯＰＬ層と同様に、フォトレジストマスクおよびＢＡＲＣは有機質であるので、好ましい実施形態では、フォトレジストマスク２２８およびＢＡＲＣ２２４はいずれもエッチングによって除去され、酸化物キャップ２２０のみが残留する。酸化物キャップ２２０は、ＯＰＬエッチングのための新たなマスク層として機能する。ＯＰＬエッチング中は、ビア内にあるＯＰＬがエッチングによって部分的に除去されるので、多孔質低ｋ誘電体が部分的に露出される。これは、フェンシングの阻止を促進するのに好ましい。

図２Ｄに示されるように、ＯＰＬ２１６をエッチングマスクとして使用して、多孔質低ｋ誘電体層２１０内に、特徴がエッチングされた（工程１２８）。好ましい実施形態では、多孔質低ｋ誘電体層２１０内にエッチングされるこれらの特徴は、前もって形成されたビア用のトレンチである。このエッチングのためのレシピの一例は、８０ミリトールの圧力を提供する。６０ＭＨｚで４００ワットが提供される。１５０ｓｃｃｍのＣＦ₄ と５０ｓｃｃｍのＣＨＦ₃ とを含む多孔質低ｋ誘電体エッチングガスが提供される。なお、多孔質低ｋ誘電体エッチングガスは、ＣＯ₂ 、またはＣＯ₂ とＣＯとの混合のいずれかからなるガスではなく、したがって、ＯＰＬエッチングガスとは異なる点に注意するべきである。他の実施形態では、多孔質低ｋ誘電体のエッチングに、他のフッ素含有ガスが使用される。より一般的には、多孔質低ｋ誘電体のエッチングに、ハロゲン含有ガスが使用される。この工程中は、エッチングによって酸化物キャップ層が除去される。

次いで、図２Ｅに示されるように、ＯＰＬが剥ぎ取られた（工程１３２）。ＯＰＬの剥ぎ取りには、ＣＯ₂ 含有ガスが使用され得る。障壁層２０８が開口された（工程１３６）。その結果、ビア２１４およびトレンチ２５６を伴うデュアルダマシン構造が形成された。このとき、トレンチ２５６は、ＯＰＬをマスクとして使用してエッチングされた。次いで、エッチングチャンバから基板が取り除かれた。この実施形態では、ＢＡＲＣおよび酸化物キャップのエッチング、ＯＰＬ層のエッチング、低ｋ誘電体層のエッチング、ＯＰＬの剥ぎ取り、ならびに障壁層の開口に、同一のエッチングチャンバが使用される。

従来技術によるプロセスは、多孔質低ｋ誘電体層に損傷を与え、ｋの値を増大させた。低ｋ誘電体層には、構造を完成させるために複数の工程が実施されるので、どの工程が低ｋ誘電体層に損傷を与えるのかが不明であった。この損傷は、ＯＰＬエッチング中に生じるかどうかは明らかでないと考えられる。本発明は、ＯＰＬエッチング中に暴露される多孔質低ｋ誘電体層を損傷させる可能性があるエッチャントを避けるために、ＣＯ₂ を使用してＯＰＬをエッチングする。

以上では、好ましい実施形態の観点から本発明の説明が行われてきたが、そのほかにも、代替、変更、置換、および各種の代わりとなる等価が本発明の範囲内に含まれる。なお、本発明の方法および装置は、様々な代替方法によって実現され得る点に注意すべきである。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲に含まれる、このようなあらゆる代替、変更、置換、および各種の代わりとなる等価を含むものと解釈される。

本発明の一実施形態で使用され得るプロセスのフローチャートである。 本発明の一実施形態にしたがって処理されるウエハの概略断面図である。 本発明の一実施形態にしたがって処理されるウエハの概略断面図であ 本発明の一実施形態にしたがって処理されるウエハの概略断面図である。 本発明の一実施形態にしたがって処理されるウエハの概略断面図である。る。 本発明の一実施形態にしたがって処理されるウエハの概略断面図である。 本発明の一実施形態にしたがって処理されるウエハの概略断面図である。 有機層内に特徴をエッチングする工程の詳細なフローチャートである。 本発明の実施に使用され得るプラズマ処理チャンバの概略図である。 本発明の実施形態で使用されるコントローラを実現するのに適したコンピュータシステムの概略構成図である。 本発明の実施形態で使用されるコントローラを実現するのに適したコンピュータシステムの内部構成を示す概略構成図である。

Claims (1)

1. 誘電体層内にトレンチを形成するための装置であって、前記誘電体層内には、ビアが形成され、前記誘電体層の上には、前記ビアを満たすと共に平坦化表面を形成するために有機平坦化層が形成され、前記平坦表面の上には、酸化物キャップ、ＢＡＲＣ、およびトレンチマスクが形成されており、前記装置は、
   プラズマ処理チャンバであって、
   プラズマ処理チャンバエンクロージャを形成するチャンバ壁と、
   前記プラズマ処理チャンバエンクロージャ内で基板を支えるための基板サポートと、
   前記プラズマ処理チャンバエンクロージャ内の圧力を調整するための圧力レギュレータと、
   プラズマを維持するために前記プラズマ処理チャンバエンクロージャに電力を提供するための少なくとも１つの電極と、
   前記プラズマ処理チャンバエンクロージャにガスを提供するためのガス注入口と、
   前記プラズマ処理チャンバエンクロージャからガスを排出させるためのガス排出口と、を含むプラズマ処理チャンバと、
   ＣＯ₂ ガス源とフッ素含有ガス源とを含み、前記ガス注入口に流体接続されたガス源と、
   前記ガス源および前記少なくとも１つの電極に可制御式に接続されたコントローラであって、少なくとも１つのプロセッサおよびコンピュータ可読媒体を含むコントローラと、
   を備え、
   前記コンピュータ可読媒体は、
   前記ＢＡＲＣおよび前記酸化物キャップ層をエッチングするためのコンピュータ可読コードであって、
   前記フッ素含有ガス源から前記プラズマ処理チャンバの内部へとフッ素含有ガスを提供するためのコンピュータ可読コードと、
   前記フッ素含有ガスをプラズマに変換するためのコンピュータ可読コードと、
   前記フッ素含有ガスを停止するためのコンピュータ可読コードと
   を含むコンピュータ可読コードと、
   前記有機平坦化層をエッチングするためのコンピュータ可読コードであって、
   前記ＣＯ₂ ガス源からＣＯ₂ 含有ガスを提供するためのコンピュータ可読コードと、
   前記ＣＯ₂ 含有ガスからプラズマを形成するためのコンピュータ可読コードと、
   前記ＣＯ₂ 含有ガスを停止するためのコンピュータ可読コードと
   を含む、コンピュータ可読コードと、
   前記有機平坦化層を通して前記誘電体層内にトレンチをエッチングし、該トレンチのエッチングの後に、前記ビア内に前記有機平坦化層が残存するように前記トレンチをエッチングするためのコンピュータ可読コードであって、
   前記フッ素含有ガス源から前記プラズマ処理チャンバの内部へとフッ素含有ガスを提供するためのコンピュータ可読コードと、
   前記フッ素含有ガスをプラズマに変換するためのコンピュータ可読コードと
   を含むコンピュータ可読コードと、
   前記有機平坦化層を剥ぎ取るためのコンピュータ可読コードであって、前記ＣＯ₂ ガス源から前記プラズマ処理チャンバの内部へと前記ＣＯ₂ 含有ガスを提供し、前記ビア内に残存していた前記有機平坦化層を剥ぎ取るためのコンピュータ可読コードと
   を含む装置。

Images