JP2005050908A - Ｌｓｉデバイスのエッチング方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕ配線と低誘電率膜とで構成されるＬＳＩデバイス構造をエッチングする際、拡散防止膜／低誘電率膜の選択比を高める。
【解決手段】プラズマ処理装置の支持台５に載置されているウエハ４の低誘電率膜（ＳｉＯＣ）１８に対して、拡散防止膜（ＳｉＣ）１７をプラズマでエッチングする。ガス６はＳＯ２とＮＦ３を１：２で混合し、μ波のパワーを８００Ｗとし、圧力やＲＦをパラメータとする。ＳＯ２は低誘電率膜１８に対し高い保護性、ＮＦ３は拡散防止膜１７に対し高いエッチング速度を実現する。拡散防止膜の低誘電率膜に対するエッチング選択比は５〜１５程度、エッチング速度は３５０ｎｍ／ｍｉｎ程度を実現できる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用してＬＳＩ素子を処理するエッチング方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ素子の微細化、高集積化が急速に進み、ゲート長０．１３μｍのデバイスは量産化へ移行し、さらに９０ｎｍや６５ｎｍのデバイスも開発されつつある。ＬＳＩの高速動作のためには、トランジスタの動作速度向上と多層金属配線の伝播遅延（いわゆるＲＣ遅延）を克服する必要があり、近年は配線の伝播遅延の影響が大きくなりつつある。
【０００３】
その解決手段として、抵抗率ρの小さいＣｕ配線とキャパシタ部の比誘電率ｋの小さい低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）の開発が進められている。Ｃｕの塩化物ＣｕＣｌｘは蒸気圧が低いため、Ｃｕの配線形成にはメッキ等が用いられ、現在は配線とビア部分を同時に形成するデュアル・ダマシン法（Ｄｕａｌ Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）が用いられている。低誘電率膜に関しては、ＨＳＱ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｓｉｌｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ）、ＭＳＱ（Ｍｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ）やポリシロキサン等の膜が開発されつつあり、ｋ＜３．０を目指している。また膜中に空孔を持つポーラスの絶縁膜も用いられるようになっている。
【０００４】
ダマシン構造のＣｕ配線と低誘電率膜とを組合せた多層配線構造では、Ｃｕの拡散を抑制するため拡散防止膜を形成することが必要となっている。拡散防止膜としては、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ＳｉＣＮ等が考えられている。Ｃｕは容易にトランジスタを構成するＳｉ（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ、真性Ｓｉ、アモルファスＳｉ、一部ＳｉＣ）やキャパシタＳｉＯ２（低誘電率膜）に拡散していく。Ｓｉ中にＣｕが拡散すると、Ｓｉのバンドギャップに影響を与え電気特性の変動要因となり、また低誘電率膜中に拡散すると、Ｃｕが分極の核となり比誘電率が増加することになる。そのため上記の拡散防止膜が重要となる。
【０００５】
Ｃｕ配線の上に低誘電率膜を形成する際には、拡散防止膜、低誘電率膜の膜種と構造に種々の組合せがある。例えば低誘電率膜１、Ｃｕ配線、拡散防止膜、低誘電率膜２の順に形成する。低誘電率膜１、２には同じものが用いられることも多い。一般に拡散防止膜の方が低誘電率膜に比べて誘電率が高いため、できる限り拡散防止膜は薄いことが望まれる。この拡散防止膜に配線のためのコンタクトホールを加工するためのエッチングをする際には、拡散防止膜と低誘電率膜とのエッチング選択比を大きくとる必要がある。なお、拡散防止膜は一方でエッチングのストッパー膜でもある。
【０００６】
上記は、Ｃｕ配線と低誘電率膜からなるダマシン構造の膜をエッチングする場合であるが、Ｓｉを含むマスク材をエッチングする場合でも、同様にマスク材と下地膜（レジストや低誘電率膜）との選択比を高くする必要がある。
【０００７】
特許文献１には、下層配線層の上にＳｉＣ層、さらに層間絶縁膜層、ビアホールと配線溝からなる多層配線構造をエッチングする際に、ＳｉＣ層のドライエッチングは、ハロゲン化合物を含むエッチングガスに窒素を含むガスを添加する方法が示されている。その例としてＮＦ３、ＳＦ６、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２ガス、あるいは酸素、窒素、アンモニア、亜酸化窒素ガスを用いる方法が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、例えばＳｉＯ２をエッチングする方法において、フロン系ガスとＦを含まないＳ（硫黄）系ガスとの混合ガスを用いる方法が記載され、ＳＯ、ＳＯ２、ＳＯ３などの例が示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１１０６４４号公報（段落００１６）
【特許文献２】
特開平７−１６９７４７号公報（段落０００９−００１０）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の技術では、ＳｉＣをエッチングする方法として、ＮＦ３やＣＦ４などのガスを用いている。ＮＦ３単独の場合はＳｉＣを高速にエッチングできるが、一方でエッチングすべきでないＳｉＯＣに代表される層間絶縁膜とのエッチング選択比が２程度と低い。ＣＦ４などのガスも同様である。Ｏ２ガスの添加量を増せば選択比は若干上昇するが、一方でエッチングすべき膜であるＳｉＣのエッチング速度が単調に減少する。エッチングレートを１００ｎｍ／ｍｉｎ以下と犠牲にしても、選択比は４程度が限界である。
【００１１】
特許文献２の技術では、対象とする膜がＳｉＯ２であり、ＳｉＣをエッチングすることやＳｉＣ／ＳｉＯＣの高選択比を実現することについての考慮がない。
【００１２】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を克服し、多層配線構造（ダマシン構造）のエッチングの際に、拡散防止膜（エッチングストップ膜）／低誘電率膜の組合せに対し、エッチング選択比を高くし（８以上が望ましい）、かつ拡散防止膜のエッチング速度を大きくする（２００ｎｍ／ｍｉｎ以上）エッチング方法や処理装置を提供することにある。
【００１３】
また、他の目的は、マスク材をエッチングする際に、下地膜（レジストや低誘電率膜）との選択比あるいはエッチング速度を大きくするエッチング方法や処理装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１の発明は、Ｃｕ配線と低誘電率膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、前記低誘電率膜にＣｕが拡散するのを防止するため、前記ＬＳＩデバイスにＳｉを含む拡散防止膜を設けてあり、前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、硫黄Ｓを含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とする。
【００１５】
前記拡散防止膜はＳｉＣ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ、ＳｉＯＣまたはＳｉＮ等で構成され、前記低誘電率膜はＳｉＯＣまたはＳｉＯＮ等で構成される。また、前記エッチングガスはＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯＦ２、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙまたはＳＨ２を用いる。
【００１６】
さらに、前記エッチングガスに、ＮとＦを含むガスを混合することを特徴とする。ＮとＦを含むガスにはＮＦ３、ＮＦ３ＯまたはＮ２Ｆ４を用いる。
【００１７】
これにより、前記低誘電率膜の保護性を高めると共に、前記低誘電率膜に対する前記拡散防止膜のエッチング選択比を向上できる。
【００１８】
前記他の目的を達成する第２の発明は、Ｓｉを含むマスク材と下地の低誘電率膜またはレジストで構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、前記マスク材を前記低誘電率膜または前記レジストに対して選択的にエッチングする際に、硫黄Ｓを含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とする。マスク材としてはＳｉＣ、ＳｉＣＮ、Ｓｉ３Ｎ４またはＳｉＯＮである。
【００１９】
また、第１及び第２の発明のエッチングガスに、炭素Ｃを含むガス、すなわちＣＯ２、ＣＯ、Ｃ３Ｏ２、Ｏ２、ＣＮＦ、ＣＮＣｌまたはＣＮＨを添加する。この添加ガスによれば、前記拡散防止膜または前記マスク材に対するエッチング性の高いＮＦ３を用いても、前記低誘電率膜に対する保護性を高めるので、選択比と加工形状の制御が可能になる。
【００２０】
また、前記エッチングガスに、窒素Ｎを含むガス、すなわちＮ２、ＮＨ３またはＮＯｘ（ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、等）を添加する。この添加ガスによれば、結合エネルギーが負の反応生成物を生成するので、付着しにくい量を可変でき、加工形状を制御できる。
【００２１】
あるいは、前記エッチングガスに、水素Ｈとハロゲンを含むガス、すなわちＨ２やハロゲン化水素またはＮＨ３を添加する。この添加ガスによれば、表面への結合エネルギーが負で、溝やホールの側壁に付着しにくい反応生成物を生成するので、溝やホールを垂直に加工できる。
【００２２】
また、前記エッチングガスに、希ガスすなわちＨｅ、Ｎｅ、ＡｒまたはＸｅ等をキャリアガスとして添加する。このキャリアガスによれば、プラズマ密度、電子温度や気相中の解離の割合を変えることができるので、保護性とエッチング性の制御が可能になる。
【００２３】
また、前記エッチングガスに、ＣとＦを含むフロロカーボンＣｘＦｙを添加する。ｘ／ｙの比は保護性には１以上、エッチング性には０．５以上で、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ６Ｆ６等のガスが有効である。
【００２４】
上記目的を達成する本発明のＬＳＩデバイスのエッチング装置は、Ｃｕ配線と低誘電率膜及び拡散防止膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする装置において、エッチングガスの導入される処理室に前記デバイスを載置する電極つきの支持台を有し、前記処理室の外部からμ波と磁場を与えて前記エッチングガスをプラズマ化し、前記電極に高周波電源を与えてプラズマ中のイオンにより前記デバイスをエッチングするプラズマ処理装置を備え、前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、前記エッチングガスとして硫黄Ｓを含むガスと窒素Ｎとフッ素Ｆを含むガスを混合することを特徴とする。
【００２５】
また、前記プラズマ処理装置は、解離種や反応生成物の付着率を変化させるために、前記支持台の温度を変化させる温度制御手段を有していることを特徴とする。設定温度としては−４０℃から１００℃の間（望ましくは４０℃〜６０℃）で変えるによって、ＳｉＯＣへの堆積やＳｉＣの側壁への堆積・化学エッチ量を変化させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。ＬＳＩの高速化のため配線遅延を低減する構造として、銅配線と低誘電率膜とを組み合わせるデバイス構造が検討されている。低誘電率膜は誘電率を下げる必要性からポーラス状の構造（材料の膜中にナノメートル単位の空孔のあるポーラス構造）をとるため、銅の拡散を防止する必要があり、その手段として拡散防止膜が用いられる。
【００２７】
図３にデバイスの断面構造を示す。デバイスには下部電極（Ｃｕ配線）とのコンタクトをとるために、低誘電率膜（ＳｉＯＣ）を残して、配線溝やビアホールを設ける。このため、図示の順序で加工して拡散防止膜（ＳｉＣ）をエッチングする。その際、拡散防止膜（エッチングストップ膜）／低誘電率膜の組合せに対して選択比を高く、かつ拡散防止膜のエッチング速度を大きくする必要がある。
【００２８】
図１は本発明のプラズマ処理装置の構成の一例を示す。ガス導入系２よりガス６が導入される処理室３と、ウエハ４を支持する電極付きの支持台５とを備えた真空容器１を有し、処理室内のガスは排気系７によって排気する。μ波発生源８で発生されたμ波９は導波路１０を通して、金属壁で囲まれた空洞部１１に導かれ、導入窓１２を介して処理室３に導かれる。導入窓の下にはガスを供給するシャワープレートが配置されている。処理室の外側には磁石・コイル１３により１ｋＧａｕｓｓ程度の磁場を発生させる。処理室内に導かれたガス６はμ波電界と磁場との相互作用によって電離・解離され、プラズマ１４や解離種（ラジカル）１５が生成される。
【００２９】
使用するガス６は拡散防止膜／低誘電率膜（たとえばＳｉＣ／ＳｉＯＣ）の組合せに対し、高選択比に、かつ高速でエッチングできるものである。このため、ガス６をプラズマ化してエッチングするが、その要点はガス６を構成するガス成分にある。そこで、はじめにガス成分の選択指針について説明する。
【００３０】
ガス選択の指針としては、表面と解離種、反応生成物との結合エネルギーの大小を基に判断する。図６に表面と生成物の結合エネルギーの関係を示す。また、図７に表面にＮ−を加えた結合エネルギーの関係を示す。
【００３１】
エッチングガスには、下地膜（低誘電率膜、レジスト）に対して保護性が大きく、拡散防止膜もしくはマスク膜に対してエッチング性が大きいガスを用いる。ここで、保護性とはガス及びその解離種及びエッチング生成物が膜の上に堆積し、プラズマからのイオン入射に対して膜を保護する程度を示す。また、エッチング性とはガス及びその解離種が膜に付着して、膜と解離種とが結合し、膜間の結合よりも膜と解離種との結合が強くなり、自発的に（化学エッチング）もしくは入射するイオンからエネルギーをもらって気化するときの気化し易さの程度を示す。
【００３２】
本発明ではこれらの指標を、分子軌道法を用いてガスや解離種と膜の結合エネルギーを評価することによって導出した。拡散防止膜にＳｉＣを、下地膜の低誘電率膜にＳｉＯＣを使用する場合を検討対象とし、表面をＳｉとＣからなるクラスターとＳｉとＯとＣからなるクラスターを用いて、表面の未結合手（ダングリングボンド）とガスやラジカルとの結合エネルギーを調べた。
【００３３】
図６の縦欄にはガス及び反応生成物種を示し、結合エネルギーはｅＶ単位である。Ｓｉ−とあるのは表面がＳｉであり、未結合手をもつことを示す。なお、未結合手を持つラジカルＦ−やＯ−、ＣＦ３については、表面の未結合手と殆どの場合に結合するので、明記しなかった。
【００３４】
ＳｉＯＣの保護性の指標としては、Ｏ−表面に付着しやすい、すなわちＯとの結合エネルギーが高いことが重要である。一方で、ＳｉＣをエッチングするためにはＣ−表面に付着しやすいことが必要である。
【００３５】
ＳｉＣ／ＳｉＯＣの選択比の指標としてΔＥ（ＳｉＯＣ）＝（Ｏ−表面結合エネルギー）−（Ｃ−表面結合エネルギー）を考えると、図６に挙げたものの中では、ＳＯ２がΔＥ＝０．８０ｅＶと最も高く、次にＣＯがΔＥ（ＳｉＯＣ）＝０．６６ｅＶ、ＣＯ２がΔＥ（ＳｉＯＣ）＝０．５６ｅＶ、以下、ＳＦ４がΔＥ（ＳｉＯＣ）＝０．３６、ＣＦ２がΔＥ（ＳｉＯＣ）＝０．２９ｅＶとなる。
【００３６】
一方、ＳｉＣをエッチングするためには、Ｓｉに付着して反応し、その生成物が付着しにくいものが望ましい。例えばＣＦ４の場合、Ｓｉ−、Ｃ−、Ｏ−表面のいずれにも付着しないが、プラズマで解離して生成するＣＦ２はそのいずれの表面にも付着する。またＳＦ６はＳｉやＣ−表面に付着するがＯ−表面には付かない。これらを勘案して、ＳｉＣのエッチング性の指標はΔＥ（ＳｉＣ）＝（Ｓｉ−表面結合エネルギー）−（Ｏ−表面結合エネルギー）と定義する。ＳＦ６ではΔＥ（ＳｉＣ）＝１．３７ｅＶ（負の値は０とする）、ＣＦ４ではΔＥ（ＳｉＣ）＝０ｅＶ、ＮＦ３ではΔＥ（ＳｉＣ）＝２．５７ｅＶである。特にＮＦ３の場合、Ｓｉに極めて付着し易いことが判る。
【００３７】
上記のＳｉＣ／ＳｉＯＣの組合せデバイスを対象に、エッチングガスを変えながら、２．４５ＧＨｚのμ波と磁場を用いたプラズマ処理装置でエッチングを実施した。
【００３８】
図８は従来使用のＣＦ４／Ｏ２の混合ガスを用いたエッチング結果を示す。Ｏ２流量増加と共にＳｉＯＣのエッチングレートが低下、ＳｉＣはあるＯ２流量までは増加し、その後は減少する。この結果について結合エネルギーの大小を基に説明する。
【００３９】
ＣＦ４／Ｏ２ガスの場合、気相中に存在するものとしてガスＣＦ４、解離種ＣＦ３、ＣＦ２、Ｆ、Ｏが、生成物としてＳｉＦ４、ＳｉＦ２、ＣＯＦ２等が挙げられる。ＣＦ４はＳｉ−と−０．０４ｅＶの結合であるので付着しにくく、Ｃ−やＯ−にも付着しない。しかし、ＣＦ２はＳｉ−、Ｃ−、Ｏ−表面に付着・堆積する。
【００４０】
また、ＣＯＦ２はＳｉＣやＳｉＯＣがＦ、Ｏを含むガスでエッチングされた時の反応生成物の１つである。この生成物の結合エネルギーはＳｉ−（０．２ｅＶ）〜Ｃ−（０．２２ｅＶ）＜Ｏ−表面（０．５６ｅＶ）であり、ＳｉやＣ表面よりもＯ−を持つ表面に付着・堆積し易い。Ｏの表面に堆積することで、表面に付着したＣＦ２をＣＯＦ２↑として気化させることにより取り去る。一方で未結合手を減少させることで、Ｆが付着するのを阻害し、エッチングの進行を止めることになる。
【００４１】
ＳｉＯＣについてはＦやＣＦ２が付着し、ＳｉはＳｉＦ４↑、ＣはＣＦ４もしくはＣＯＦ２↑、ＯはＣＦ２と結合しＣＯＦ２↑等の形となる。そのためＯ２流量の増加に伴い、ＳｉＣのエッチングレートは上昇した後、あるＯ２量を境にして減少する。また、ＯはＳｉＣ表面よりもＳｉＯＣ表面をより保護しやすいことを示し、Ｏを生成するガスＯ２の流量増加とともに、ＳｉＯＣのエッチングレートが低下することと関係している。
【００４２】
Ｓｉ−〜Ｃ表面＜Ｏ表面となる保護性のガスとしては、図６中のＣＯ２が挙げられる。一方でＦを含むガスの代表例ＳＦ６の場合は、Ｓｉ、Ｃの表面に結合しやすく、Ｏには付着しないことが判る。また、その解離種であるＳＦ４はどの表面にも付着する。
【００４３】
図９は従来使用のＳＦ６を用いたエッチング結果を示す。ＳＦ６／Ｏ２の方が先のＣＦ４／Ｏ２よりもＳｉＣのエッチングレートが高く、ΔＥ（ＳｉＣ）の指標の大小と対応していることが判る。ＳＦ６の場合はＣＦ４と異なり、気相中のＦが直接付着するだけでなく、ＳＦ６自身がＳｉやＣ、Ｏ表面に付着しＦを与えることができることを示している。またＯの代わりにＣＯ２を用いた場合はＳｉＣ、ＳｉＯＣ共にエッチングレートが低下する。
【００４４】
上記従来のエッチング結果から判断すると、ＳｉＣ／ＳｉＯＣを高選択比、高エッチングレートを実現するためには、ＳｉＯＣへの保護性が強く、ＳｉＣへのエッチング性が強いガスやラジカル種を供給すれば良いことがわかる。
【００４５】
保護性の指標としては、ΔＥ（ＳｉＯＣ）＝（Ｏ−表面結合エネルギー）−（Ｃ−表面結合エネルギー）を、エッチング性の指標としては、ΔＥ（ＳｉＣ）＝（Ｓｉ−表面結合エネルギー）−（Ｏ−表面結合エネルギー）をそれぞれ定義できる。
【００４６】
また、エッチング加工形状は、パターン側壁への付着量に関係する。先の保護性の指標は形状が太ることに、エッチング性は形状が細ることに対応する。但し加工形状を垂直にするには、堆積するものとエッチングするものとのバランスが必要になり、条件が限定されるので実現は困難である。ところが、側壁に付着しにくいものを生成あるいは添加することは容易に実現できる。つまり、結合エネルギーが負の場合は付着しないので、これに該当するガスを選択すれば良く、図６ではＮ２がこれに相当する。
【００４７】
そこで、上記指標をもとに、低誘電率膜付着性、低誘電率膜保護性、拡散防止膜エッチング性、選択比および加工形状制御性の観点からガス種を選択する。
（低誘電率膜付着性）
ガスもしくはガスから生成される解離種がＳｉＯＣに堆積・保護する必要がある。Ｓｉ、Ｃ、Ｏに付着しやすく、さらにＳｉＣがエッチングされ易いものを選ぶ指針として、表面とラジカルとのエネルギーがＳｉ表面〜Ｃ表面＜Ｏ表面となる解離種や反応生成物を選択すればよい。指標としてΔＥ（ＳｉＯＣ）＝（Ｏ−表面への結合エネルギー）−（Ｃ−表面への結合エネルギー）を導入し、ΔＥが大なるものを選択する。例としては、図６に示すように、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＯＦ２、ＳｉＦ４、ＳｉＣｌ４、ＳＦ４、ＳＯ２等がある。図にはないが、ＳＯＦ２、ＮＯＦもこの指標を満たす。
【００４８】
図２にＳｉＣ／ＳｉＯＣに対し高選択比と高速エッチング性を表わすガス成分を示す。ここでは、低誘電率膜保護性や拡散防止膜エッチング性などを効果の大きい順に並べている。低誘電率膜付着性の大きいガスとしては、ＳＯ２、ＳＯ３、ＣＯ２、ＣＯ、Ｃ３Ｏ２、フロロカーボンＣｘＦｙなどがある。
（低誘電率膜保護性）
上記のガスや解離種のうち、付着後さらに堆積性が強いものとしては、開殻の分子、スンをもつ分子、また極性をもつ分子であれば、次々に堆積することができ、より保護性が強まる。この例としてはＣＯ（ＣＯ２）、ＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯＦ２が挙げられる。その中でもＳＯ２が最もΔＥ（ＳｉＯＣ）が大きい。一方、ＳｉＦ４やＳｉＣｌ４、ＳｉＣｌｘＦｙＢｒｚなどは保護効果が弱い。また、Ｏ−はＣＦ２によりＣＯＦ２↑の形で気化しやすいので、ＣｘＦｙのうちでもＦ比率が小さく、ｙ／ｘが２より小さくなる必要がある。
（拡散防止膜エッチング性）
Ｓｉ−、Ｃ−をエッチングするためには、これらの表面に付着し、かつ気化させる必要がある。ΔＥ（ＳｉＣ）＝（Ｏ−表面への結合エネルギー）−（Ｃ−表面への結合エネルギー）が大きいことが必要で、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、ＮＦ、ＮＦ２、ＣＦｘ（ｘ＝２、３）、ＳＯｘが相当する。Ｏが存在するとＳｉＯＸの形となって気化がしにくくなる。但し、Ｏを含んでいてもＣＯやＳＯ、ＮＯ等の場合は、ＣやＳやＮがＳｉ、Ｃ表面に付着できるので、気化がし易くなる。
【００４９】
これより、拡散防止膜エッチング性の大きいガスとして、ＳＦ６、ＮＦ３、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、ＣｘＦｙ（ｙ／ｘは２以上）やＣｌ２、ＨＦ、ＨＣｌ、ＨＢｒが上げられる。一般には、ＳｉＣをエッチングするガスとしてはＦ、Ｃ、Ｎを含むガスであればよく、望ましくはＮＦ３、もしくはＦを別のハロゲン元素で置き換えたＮＦｘハロゲン化合物であればよい。（選択比）
ＳｉＯＣのエッチングを抑制し、ＳｉＣのエッチングを容易にするガスの指針としては、ΔＥ（ＳｉＯＣ）が大きいことが必要である。そのガスとして、ＳＯ２、ＳＯ３、ＣＯが挙げられる。また、ＳｉＣのエッチング性ガスとしては、ガス、解離種または生成物のΔＥ（ＳｉＣ）が大きいことが必要である。そのガスとして、ＮＦ３、ＳＦ６、ＳＦ４、ＣＦ４、ＣｘＦｙ（ｙ／ｘが２以上）がある。これより、ΔＥ（ＳｉＯＣ）の大きいガスとΔＥ（ＳｉＣ）の大きいガスを混合すれば、選択比が大になる。
（加工形状制御性）
加工形状特にホールや溝形状を制御するためには、（ａ）付着して化学エッチする（ホールや溝の側壁を細らせる）ガス、解離種、反応生成物であって、（ｂ）付着し堆積するもの（側壁を太らせる）、（ｃ）付着しにくいもの（側壁寸法一定）、の量が制御できれば良い。
【００５０】
（ｂ）については殆どの解離種・反応生成物が該当するので、（ａ）、（ｃ）のガス候補を挙げる。ＳｉＣを例にすると、（ａ）としてはＳｉ、Ｃとの結合エネルギーが正であり、かつＳｉ−Ｃの結合よりも、Ｓｉ、Ｃと解離種との結合エネルギーが大きくなるものが必要で、ＳＯ２、ＳＯ３が挙げられる。（ｃ）としては結合エネルギーが負となる解離種や反応生成物（ＳｉＣｌ４、ＳｉＦ２Ｂｒ２、Ｎ２、ＣＦ４）を生成するガスが必要で、Ｎ２、Ｎ２Ｏ、ＮＦ３、ＣｘＦｙ（ｙ／ｘ２以上）が挙げられる。
【００５１】
これより、形状制御をするガスとしては、各種表面への結合エネルギーがマイナスもしくは小さいものを選ぶ。その候補としては図６、７より、ＳｉＦ４、Ｎ２、ＣＯ２、ＳｉＦｘＣｌｙＢｒｚ（ｘ、ｙ、ｚ＝０−４）が挙げられる。これを生成するガスとしては、図２に示すＮを含むガスＮＦ３、Ｎ２、ＮＨ３など、もしくはＣｌ２、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＦ、ＨＩなどを用いればよい。
【００５２】
以上のように、ＳｉＯＣ保護性すなわちＳｉＣ／ＳｉＯＣの高選択比を実現するためには、ΔＥ（ＳｉＯＣ）の大きいガスが必要で、ＳＯ２もしくはＳＯ３など、Ｓを含むガスを用いれば良い。また、ＳＯ、ＳＯＦ２、Ｓ２Ｏ３、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙ、ＳＨ２などでも良い。
【００５３】
さらに、ＳｉＣを高速でエッチングするためには、ΔＥ（ＳｉＣ）の大きいガスが必要で、ＮＦ３ガスが相当する。ＮＦ３ガスは、ＣＦ４やＳＦ６よりも極めて付着し易く、ＳｉＣをよりエッチングし易くする。以上から、たとえばＳＯ２／ＮＦ３を混合して用いると高選択比と高エッチングレートの両立を実現することが可能である。
【００５４】
また、気相中のＦの量を制御すれば、ある範囲でエッチングレートと選択比を変えることができる。そのガスとしてはＨを含むガスＨ２や上記のハロゲン化水素、ＮＨ３などである。
【００５５】
希ガスＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等を混合すると、プラズマ密度、電子温度や気相中の解離の割合を変えることができるので、ラジカル量やラジカルの種類を制御することができる。これらのガス種を用いて、保護性とエッチング性を制御することが可能になる。
【００５６】
上記のデバイスの例はＳｉＣ／ＳｉＯＣの組合せによるものである。拡散防止膜（ストップ膜）／低誘電率膜の組み合せには、ＳｉＣ／ＳｉＯＮ、ＳｉＣＮ／ＳｉＯＣ、ＳｉＣＮ／ＳｉＯＮなどもある。表面のＮ−と上記のガス種との結合エネルギーについては、Ｓｉ−、Ｃ−表面との結合エネルギーと、Ｏ−表面との結合エネルギーの概ね間にあるので、同様に付着性、保護性、エッチング性の議論が成り立つ。
【００５７】
次に、上記ガス種を用いるプラズマエッチング装置の実施例を説明する。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例を図１のプラズマ処理装置と、図３のデバイス構造を用いて説明する。図３は被処理物のデバイス構造であり、下層配線層（Ｃｕ配線）の上に拡散防止膜（ＳｉＣ）、さらに層間絶縁膜層を構成する低誘電率膜（ＳｉＯＣ）、ビアホールと配線溝から構成される。この多層配線構造（ダマシン構造）をプラズマエッチングする。
【００５８】
この他に、低誘電率膜としてはＳｉＯＲ（Ｒ：ＣｘＦｙ、ｘ、ｙは整数）ＳｉＯＮ等があり、拡散防止膜としてはＳｉＲ（Ｒ：ＣｘＦｙ、ｘ、ｙは整数）、ＳｉＣＮなどがある。
【００５９】
プラズマ処理装置は、ＳｉＣ／ＳｉＯＣ試料を対象に、２．４５ＧＨｚのμ波と磁場を用いてエッチングを実施した。支持台５の上にはウエハ４が配置され、接続された高周波電源１６から高周波が印加される。ウエハ４の上には、拡散防止膜（エッチストップ膜）１７と低誘電率膜１８が形成されている。支持台５の電極に印加された高周波によってプラズマ中のイオンを引込み、ウエハを加工する。
【００６０】
上記においては、μ波と磁場とを用いたエッチング装置の場合を示したが、他のプラズマ生成方式による装置を用いても良い。他の方式としては、真空容器の中に平行に並べられた上下電極を持ち、上電極、下電極もしくはその両方に高周波を印加する平行平板型のＲＦ装置、平行平板型の装置に磁場コイルや磁石を設けたマグネトロン型装置でもよい。また誘電体で構成される真空容器とコイル状アンテナにＲＦを印加する誘導結合型の装置、さらにこれらの方式の周波数をＶＨＦ帯、ＵＨＦ帯の高周波を用いた装置でもよい。
【００６１】
本実施例では、ガス６をプラズマ化してエッチングする。ガス成分は、拡散防止膜（ＳｉＣ）を低誘電率膜（ＳｉＯＣ）に対して選択的にプラズマエッチングするエッチングガスとして、硫黄Ｓを含むガスＳＯ２を用いる。この他に、ＳＯ３、ＳＯＦ２、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙ、ＳＨ２を用いてもよい。これらのガスもしくはそこから生成される解離種は、低誘電率膜（ＳｉＯＣ）を保護する。
【００６２】
図４にＳＯ２を用いた実施例によるエッチング特性を示す。図１の装置で、μ波パワー８００Ｗ、ＳＯ２流量５０ｓｃｃｍでエッチングした時の結果である。横軸は電極に印加した高周波のパワーを、縦軸はＳｉＣとＳｉＯＣのエッチングレートである。ＲＦ＝０の時、ＳｉＣ、ＳｉＯＣは共に概ね０であるが、ＲＦを増やすとＳｉＣのエッチングレートは上昇し、一方でＳｉＯＣの方は負となる。つまりＳｉＯＣの上に生成物が堆積し、ＳｉＣ／ＳｉＯＣ選択比は見かけ上無限大の高選択比が実現される。
【００６３】
この結果は、先の結合エネルギーから判断した指標ΔＥの保護性評価の妥当性を示すものである。ＲＦ＝０の時でも、ＳｉＣのエッチングレートは０ではなく、ラジカルのみで削れる‘化学エッチ’であることを示す。かつ、ＳｉＣ＞ＳｉＯであることから、表面との結合エネルギーの大小で判断できることを示している。
【００６４】
第１の実施例によれば、Ｃｕ配線と低誘電率膜（ＳｉＯＣ）で構成されるＬＳＩデバイス構造をエッチングする際に、拡散防止膜またはエッチングストップ膜（ＳｉＣ）を低誘電率膜に対して選択的にエッチングする。このため、エッチングガスとしてＳＯ２を用いたので、ＳｉＣのエッチングレートは高く、ＳｉＯＣのエッチングは抑制されるので、高い選択比を実現できる。なお、エッチングガスとしては、図２に示すように、低誘電率膜保護性と拡散防止膜エッチング性を満たす各種のガスまたはその組合せがある。
〔実施例２〕
図５は第２の実施例によるデバイス構造を示す。このデバイス構造では、マスク材２１はＳｉＣ、下地の低誘電率膜１８はＳｉＯＣ、レジスト２２はＣ，Ｈ，Ｏなどから構成されている。エッチングガスとしてＳＯ２を用いているので、低誘電率膜１８またはレジスト２２に対して、実施例１のＳｉＯＣと同様に高い保護性を有し、高選択にエッチングできる。エッチングガスとして他にＳＯ３、ＳＯ、Ｓ２Ｏ３、ＳＯＦ２、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙ、ＳＨ２を用いてもよい。このように、第２の実施例によればマスク／レジストの高選択比が実現できる。
〔実施例３〕
本実施例では、実施例１のエッチングガスＳＯ２に、拡散防止膜のエッチング性が高いガスＮＦ３を混合して、エッチングレートを上げている。他に、混合するガスとしてはＮＦ３Ｏ、Ｎ２Ｆ４、ＳＦ４、ＳＦ６を用いてもよい。
【００６５】
図１のエッチング装置において、エッチングガスはＳＯ２とＮＦ３を１：２に混合してガス導入系２から供給する。また、μ波のパワーを８００Ｗとし、圧力やＲＦをパラメータとする。ＳｉＣのエッチングレートで、〜３５０ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＣ／ＳｉＯＣ選択比５〜１５が得られた。
【００６６】
これによれば、実施例１のエッチングガスによる低誘電率膜を保護する機能に加えて、本例による混合ガスを用いることで、拡散防止膜／低誘電率膜の選択比とエッチングレートをより向上できる。なお、実施例２への適用も可能で、同様の効果が得られる。
〔実施例４〕
実施例３の混合ガスに、選択比と加工形状を制御するためにＣＯ２を添加する。他に、ＣＯ、Ｃ３Ｏ２またはＯ２を添加ガスとして用いてもよい。これらの添加ガスは、表面Ｓｉ、Ｃ、Ｏとの結合エネルギーの順序関係（図６）から、ＳＯ２、ＳＯ３に次ぐガスである。この添加ガスによれば、上述したようにＳｉＯＣに対する推積性が強いので、ＳｉＣへのエッチング性が高いＮＦ３を用いてもＳｉＯＣの保護性を高めることができ、選択比と加工形状の制御が可能になる。
〔実施例５〕
実施例３の混合ガスに、加工形状を制御するために窒素Ｎを含むガスを添加する。具体的にはＮ２、ＮＨ３、ＮＯｘ（ＮＯ２、Ｎ２Ｏ）などで、解離やウエハや壁との反応でＮ２、Ｎ２Ｏ、Ｎを発生させるガスであれば良い。この添加ガスは上述した結合エネルギーが負となる反応性生物を生成するガスであり、付着しにくいものの量が制御できるので、加工形状を制御するガスとして用いられる。
〔実施例６〕
実施例３の混合ガスに、溝や穴を垂直にエッチングし易いガスを添加する。エッチングする溝や穴を垂直に加工するためには、表面への結合エネルギーが負で、溝や穴の側壁に付着しにくいものを生成するガスが選ばれる。図２に示すように、水素Ｈとハロゲンを含むガス、たとえばＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＦ、ＨＩ、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２を添加する。
〔実施例７〕
実施例３の混合ガスに、保護性、エッチング性、形状制御性を変化させるガスを添加する。この制御のためには、エッチングプロセスにおいて、化学エッチとイオン性、付着性を変化させれば良く、解離種とイオンの比、解離種の組成を変える。具体的には上記の混合ガスに、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガスを添加する。これによってプラズマの密度、温度を変え、解離度と組成（解離種／イオン）の比を変えることができる。
〔実施例８〕
実施例３の混合ガスに、低誘電率膜の保護性、拡散防止膜のエッチング性を制御するガスを添加する。このため、ＣとＦからなるフロロカーボンＣｘＦｙを用いる。保護性を増すためにはｘ／ｙの比が１以上であればよい。またエッチング性を増すためには、ｘ／ｙが０．５以上であればよいので、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ６Ｆ６等のガスが有効である。
〔実施例９〕
上記実施例４〜実施例８において、解離種や反応生成物の付着率を変化させるためには、ウエハ４を支持する支持台５の温度を温度制御手段１９により制御する。設定温度としては−４０℃から１００℃の間で制御することによって、ＳｉＯＣへの堆積やＳｉＣの側壁への堆積・化学エッチ量を変化させることができ、選択比や形状の制御が可能になる。たとえば、ＳＯ２／ＮＦ３を混合ガスとして使用する場合は、電極温度を４０〜６０℃に設定すると、垂直形状が実現される。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、拡散防止膜／低誘電率膜の組合せをエッチングする際に、低誘電率膜に対しては保護性が高く、拡散防止膜に対してはエッチング性の高いガスを用いているので、高選択比で高エッチレートのエッチングが実現できる。
【００６８】
また、各膜に対して付着性の低いガス（表面への結合エネルギーが負で、溝や穴の側壁に付着しにくいものを生成するガス）を添加することで形状の制御を実現できる。
【００６９】
また、別の付着性のガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等の希ガス）を添加することで、解離度と組成（解離種／イオン）の比を変えることができ、選択比、エッチングレート、形状が制御でき、所望の加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置の構成図。
【図２】本発明に使用可能なガス成分及びその組合せを示す説明図。
【図３】一実施例によるＣｕ配線と拡散防止膜／低誘電率膜からなるデバイスのエッチング過程を示す構造図。
【図４】ＳＯ２ガスによるＳｉＯＣの保護性とＳｉＣ／ＳｉＯＣの選択比を示す特性図。
【図５】本発明の第２の実施例によるデバイス断面の構造図。
【図６】表面（Ｓｉ− Ｃ− Ｏ−）と生成物との結合エネルギーを示す説明図。
【図７】表面（Ｓｉ− Ｃ− Ｏ− Ｎ−）と生成物との結合エネルギーを示す説明図。
【図８】従来使用のガスＣＦ４／Ｏ２を用いた時のエッチング結果を示す特性図。
【図９】従来使用のガスＳＦ６を用いた時のエッチング結果を示す特性図。
【符号の説明】
１…真空容器、２…ガス導入系、３…処理室、４…被処理物（ウエハ）、５…支持台（電極）、６…ガス、７…排気系、８…μ波発生源、９…μ波、１０…導波路、１１…空洞、１２…導入窓、１３…磁石（コイル）、１４…プラズマ、１５…ラジカル、１６…高周波電源、１７…拡散防止膜（エッチストップ膜）、１８…低誘電率膜、１９…温度制御手段、２１…マスク材、２２…レジスト。

Claims (13)

1. Ｃｕ配線と低誘電率膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、
   前記低誘電率膜にＣｕが拡散するのを防止するため、前記ＬＳＩデバイスにシリコンＳｉを含む拡散防止膜を設けてあり、前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、硫黄Ｓを含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
2. 請求項１において、
   前記エッチングガスは、ＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯＦ２、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙまたはＳＨ２を用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
3. シリコンＳｉを含むマスク材と下地の低誘電率膜またはレジストで構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、
   前記マスク材を前記低誘電率膜または前記レジストに対して選択的にエッチングする際に、硫黄Ｓを含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
4. 請求項１において、
   前記エッチングガスに、窒素Ｎとフッ素Ｆを含むガスを混合することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
5. 請求項４において、
   前記窒素Ｎとフッ素Ｆを含むガスは、ＮＦ３、ＮＦ３ＯまたはＮ２Ｆ４を用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
6. 請求項４において、
   前記エッチングガスに、炭素Ｃを含むガスを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
7. 請求項４において、
   前記エッチングガスに、Ｎ２、ＮＨ３またはＮＯｘを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
8. 請求項４において、
   前記エッチングガスに、水素Ｈとハロゲンを含むガスを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
9. 請求項４において、
   前記エッチングガスに、炭素Ｃとフッ素Ｆを含むフロロカーボンＣｘＦｙを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
10. 請求項４において、
    前記エッチングガスに、希ガスをキャリアガスとして添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
11. Ｃｕ配線とＳｉＣＯ低誘電率膜及びＳｉＣ拡散防止膜で構成されるダマシン構造のＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、
    前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、エッチングガスとしてＳＯ２とＮＦ３を混合して用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
12. Ｃｕ配線と低誘電率膜及び拡散防止膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする装置において、
    エッチングガスの導入される処理室に前記デバイスを載置する電極つきの支持台を有し、前記エッチングガスをプラズマ化すると共に前記電極に高周波電源を与えてプラズマ中のイオンにより前記デバイスをエッチングするプラズマ処理装置を備え、
    前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、前記エッチングガスとして硫黄Ｓを含むガスと窒素Ｎとフッ素Ｆを含むガスを混合することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング装置。
13. 請求項１２において、
    前記プラズマ処理装置は、解離種や反応生成物の付着率を変化させるために、前記支持台の温度を変化させる温度制御手段を有していることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング装置。

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