JP2007227529A - 半導体装置の製造方法、プラズマ処理装置、及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングによって凹部の形成されたＳｉＯＣＨ膜を有するウェハに対してＳｉＯＣＨ膜の上方のレジスト膜のアッシングを行うにあたり、アッシングに用いられるプラズマによって前記凹部の露出面から炭素を脱離させないこと。
【解決手段】アッシングを行う前にＣＨ４ガスをプラズマ化し、そのプラズマによりＳｉＯＣＨ膜の凹部の露出部に堆積物を堆積させて、アッシングにおいて用いられるプラズマから前記ＳｉＯＣＨ膜の凹部の露出部を保護する保護膜を堆積させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜に対してプラズマ処理を行う半導体装置の製造方法及びこの半導体装置の製造方法を実行するためのプラズマ処理装置に関するものであり、またこの半導体装置の製造方法を実行するためのコンピュータプログラムを格納した記憶媒体に関する。

半導体デバイスは年々高集積化する傾向にあり、半導体ウェハ（以下ウェハという）等の基板に形成されるパターンの微細化に応えるためにレジスト材料や露光技術の改善が進み、レジストマスクの開口寸法も相当小さくなってきている。

一方高集積化を図るためにデバイス構造が多層化されているが、動作速度を向上させるためには寄生容量を小さくすることが必要であることから、絶縁膜例えば層間絶縁膜についても低誘電率膜の材料の開発が進められている。この低誘電率膜の一つとして、例えば炭素含有シリコン酸化膜などと呼ばれているＳｉＯＣＨ膜が挙げられる。

このＳｉＯＣＨ膜は、例えば銅配線が埋め込まれるため、フォトマスク及びハードマスクをエッチングのためのマスクとして用いて、例えばＣＦ４ガスによりエッチングが行われ、次いで酸素ガスをプラズマ化したプラズマによりアッシング（灰化処理）が行われる。図８はこの様子を模式的に示しており、１００はＳｉＯＣＨ膜、１０１はレジストマスク、１０２はハードマスクである。

ところでレジストマスク１０１のアッシングを行う場合、ＳｉＯＣＨ膜１００のエッチングにより露出した露出面、即ち凹部の側壁及び底面がアッシングにおいて用いられる酸素のプラズマに曝されると、ＳｉＯＣＨ膜１００の成分である炭素がプラズマの成分である酸素と反応して膜中から脱離し、ＳｉＯＣＨがＳｉＯＨになってしまう。

このためエッチングにより露出した露出面の表面部には、炭素が脱離したＳｉＯＨである言わばダメージ１０３を含むダメージ層が形成されてしまうが、このダメージ層は炭素の含有量が低下していることから、誘電率が低下してしまう。配線パターンの線幅の微細化及び配線層や絶縁膜等の薄膜化が進んでいることから、ウェハＷ全体に対して表面部の与える影響の割合が大きくなっており、表面部といえどもその誘電率の低下により半導体装置の特性が設計値から外れてしまう要因の一つになる。

一方、このような問題を解決する方法として、特許文献１、２に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の技術は、シリコン−水素結合を有する絶縁膜（（ＨＳｉＯ１．５）２ｎ（ｎ＝２〜８））において、エッチングによって形成された露出部を、水酸基の中性活性種を含むプラズマにより処理することによって酸化して、その後のアッシング工程において用いられるＯ２ガスのプラズマに耐性を有する改質層を露出部の表面に形成するものである。一方ＳｉＯＣＨ膜は酸化によって炭素の脱離を起こすため、この技術を適用することはできない。

また、特許文献２に記載の技術は、Ｓｉ−Ｈ結合を有する絶縁膜はアッシング工程において用いられる、Ｏ２ガスをプラズマ化したプラズマによって酸化してＳｉ−ＯＨ結合となり不具合の原因となっていることから、このＳｉ−ＯＨ結合をＨ２ガスのプラズマによって還元してＳｉ−Ｈ結合に戻すことを特徴としている。既述の通りＳｉＯＣＨ膜はプラズマの成分である酸素によって膜中の元素（Ｃ）が脱離するため、その反応は不可逆反応でありＨ２ガスのプラズマによってＳｉＯＣＨ膜中から脱離した炭素を戻すことができないことから、この特許文献２の技術を適用できない。

特開２０００−２４３７４９（２ページ目右欄２７行目〜２９行目、４ページ目左欄３行目〜８行目） 特開平１１−８７３３２（（０００９）、（００１５））

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、シリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜をエッチングした後のアッシング工程において、当該低誘電率膜からの炭素の脱離を抑制できる半導体装置の製造方法を提供することにある。また本発明の他の目的は、このような半導体装置の製造方法を実施できるプラズマ処理装置と、半導体装置の製造方法を制御するためのコンピュータプログラムを格納した記憶媒体とを提供することにある。

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をレジストマスクを用いてエッチングを行うエッチング工程と、
次いでエッチングにより形成された凹部の露出面を保護するために基板の表面に保護膜を堆積する堆積工程と、
その後酸素を含むプラズマによりアッシングを行うことでレジストマスクを除去するアッシング工程と、を含むことを特徴とする。

前記堆積工程において使用される処理ガスは炭素及び水素の化合物からなるガスであることが好ましく、更にＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４及びＣ２Ｈ６から選択されるガスであることが好ましい。

前記堆積工程は、基板が載置される下部電極とこの下部電極に対向する上部電極との間に供給される第１の高周波により処理ガスをプラズマ化すると共に、第１の高周波よりも周波数の低い第２の高周波をバイアス用の高周波電源により下部電極に供給することにより行われ、
前記バイアス用の高周波電源による供給電力を基板の表面積で除した大きさが１００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以上、１０００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以下であることが好ましい。

前記堆積工程は、処理雰囲気の圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下に設定してＣＨ４をプラズマ化することにより行われることが好ましい。

また、エッチング工程、堆積工程及びアッシング工程は、同一処理室内で連続して行われることが好ましい。

前記アッシング工程は、基板が載置される下部電極とこの下部電極に対向する上部電極との間に供給される第３の高周波によりアッシング用のガスをプラズマ化すると共に、第３の高周波よりも周波数の低い第４の高周波をバイアス用の高周波電源により下部電極に供給することにより行われ、
前記バイアス用の高周波電源による供給電力を基板の表面積で除した大きさが１００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以上、５００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以下であることが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置は、
シリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜が形成された基板をプラズマにより処理するプラズマ処理装置において、
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、
前記下部電極または上部電極に接続され、ガスをプラズマ化するためのプラズマ発生用の高周波を供給するためのプラズマ発生用の高周波電源と、
前記下部電極に接続され、プラズマ発生用の高周波よりも周波数の低いバイアス用の高周波を供給するためのバイアス用の高周波電源と、
前記低誘電率膜をエッチングするためのエッチングガスを処理室内に供給する手段と、
前記エッチングにより形成された凹部の露出面を保護するための保護膜の原料となるガスを処理室内に供給する手段と、
レジストマスクをアッシングにより除去するための酸素を含むアッシングガスを処理室内に供給する手段と、
前記半導体装置の製造方法を実行するための制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明の記憶媒体は、
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、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ことを特徴とする。

本発明は、シリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜からなる絶縁膜例えばＳｉＯＣＨ膜の上にレジストマスクが積層された基板に対してエッチング及びアッシングを行うにあたって、アッシングを行う前に、エッチングにより形成されたＳｉＯＣＨ膜の凹部の露出面を保護するために基板の表面に保護膜を堆積することにより、その後のアッシングによって炭素の脱離を抑制することができ、膜質の低下を抑えることができる。

次に、図１を用いて本発明におけるプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置の一例について説明する。図１に示したプラズマ処理装置２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２１と、この処理室２１内の底面中央に配設された載置台３と、載置台３の上方に当該載置台３と対向するように設けられた上部電極４とを備えている。

前記処理室２１は電気的に接地されており、また処理室２１の底面の排気口２２には排気管２４を介して排気装置２３が接続されている。この排気装置２３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２Ａからの信号によって処理室２１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２１の壁面にはウェハＷの搬送口２５が設けられており、この搬送口２５はゲートバルブ２６によって開閉可能となっている。

載置台３は、下部電極３１とこの下部電極３１を下方から支持する支持体３２とからなり、処理室２１の底面に絶縁部材３３を介して配設されている。載置台３の上部には静電チャック３４が設けられ、この静電チャック３４を介して載置台３上にウェハＷが載置される。静電チャック３４は絶縁材料からなり、この静電チャック３４の内部には高圧直流電源３５に接続された電極箔３６が設けられている。高圧直流電源３５からこの電極箔３６に電圧が印加されることによって静電チャック３４表面に静電気が発生して、載置台３に載置されたウェハＷは静電チャック３４に静電吸着されるように構成されている。静電チャック３４には後述するバックサイドガスをこの静電チャック３４の上部に放出するための貫通孔３４ａが設けられている。

載置台３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３７が形成されており、冷媒がこの冷媒流路３７を流れることで載置台３が冷却され、この載置台３を介して載置台３上に載置されたウェハ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３１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３１上のウェハＷの温度が常時監視されている。

また載置台３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３８が形成されており、このガス流路３８は載置台３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３４に設けられた前記貫通孔３４ａと連通しており、ガス流路３８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３４ａを介して静電チャック３４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３４と静電チャック３４上に載置されたウェハ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３１はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３ａを介して接地され、また下部電極３１には第２及び第４の高周波に対応する高周波例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源３１ａが整合器３１ｂを介して接続されている。この例では第２及び第４の高周波として、同じ１３．５６ＭＨｚの高周波を供給するようにしているが、周波数の異なる２種類の高周波を例えば２ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数から選択して第２及び第４の高周波として供給するようにしてもよい。

また下部電極３１の外周縁には静電チャック３４を囲むようにフォーカスリング３９が配置され、プラズマ発生時にこのフォーカスリング３９を介してプラズマが載置台３上のウェハＷに集束するように構成されている。

上部電極４は中空状に形成され、その下面には処理室２１内へ処理ガスを分散供給するための多数の孔４１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４の上面中央にはガス導入管４２が設けられ、このガス導入管４２は絶縁部材２７を介して処理室２１の上面中央を貫通している。そしてこのガス導入管４２は上流側において５本に分岐して分岐管４２Ａ〜４２Ｅを形成し、バルブ４３Ａ〜４３Ｅと流量制御部４４Ａ〜４４Ｅとを介してガス供給源４５Ａ〜４５Ｅに接続されている。このバルブ４３Ａ〜４３Ｅ、流量制御部４４Ａ〜４４Ｅはガス供給系４６を構成して後述の制御部２Ａからの制御信号によって各ガス供給源４５Ａ〜４５Ｅのガス流量及び給断の制御を行うことができる。

上部電極４はローパスフィルタ（ＬＰＦ）４７を介して接地されており、またこの上部電極４には第１及び第３の高周波として、第２及び第４の高周波電源３１ａよりも周波数の高い高周波例えば６０ＭＨｚの高周波電源４ａが整合器４ｂを介して接続されている。この例では第１及び第３の高周波として、同じ６０ＭＨｚの高周波を供給するようにしているが、周波数の異なる２種類の高周波を例えば５０ＭＨｚ〜１５０ＭＨｚの周波数から選択して第１及び第３の高周波として供給するようにしてもよい。

上部電極４に接続された高周波電源４ａからの高周波は、第１及び第３の高周波に相当するものであって、処理ガスをプラズマ化するためのものであり、下部電極３１に接続された高周波電源３１ａからの高周波は、第２及び第４の高周波に相当するものであって、ウェハ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ェハＷ表面に引き込むものである。尚、高周波電源４ａ及び３１ａは制御部２Ａに接続されており、制御信号に従って上部電極４及び下部電極３１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２には例えばコンピュータからなる制御部２Ａが設けられており、この制御部２Ａ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２Ａからプラズマ処理装置２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ェハ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２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２Ｂに格納されて制御部２Ａにインストールされる。

次に、前記プラズマ処理装置２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説明する。まずゲートバルブ２６を開いて処理室２１内へ図示しない搬送機構により３００ｍｍ（１２インチ）ウェハＷを搬入する。このウェハＷを載置台３上に水平に載置した後、ウェハＷを載置台３に静電吸着する。その後搬送機構を処理室２１から退去させてゲートバルブ２６を閉じる。引き続きガス流路３８からバックサイドガスを供給して、ウェハＷを所定の温度に冷却する。その後以下のステップを行う。

ここで、ウェハＷの表面部の構造を図２（ａ）に示しておく。尚、この例では銅配線をデュアルダマシンで形成する工程の一部を表している。図２（ａ）において、５６はＣｕ配線、５３はエッチストッパであるＳｉＣ膜、５４は層間絶縁膜であるＳｉＯＣＨ膜、５９はハードマスクであるＳｉＯ２膜、５１はレジストマスク、５５は開口部である。

（ステップ１：エッチング）
排気装置２３により排気管２４を介して処理室２１内の排気を行い処理室２１内を所定の真空度に保持した後、ガス供給系４６より例えばＣＦ４ガス、Ｏ２ガス及びＡｒガスを供給する。続いて周波数が６０ＭＨｚの第１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４に供給して前記ガスの混合ガスである処理ガスをプラズマ化すると共に、周波数が１３．５６ＭＨｚの第２の高周波を電力を例えば３００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として下部電極３１に供給する。

このプラズマ中には、炭素とフッ素との化合物の活性種が含まれており、ＳｉＯ２膜５９及びＳｉＯＣＨ膜５４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２（ｂ）に示すようにＳｉＯ２膜５９及びＳｉＯＣＨ膜５４がエッチングされて凹部５７が形成される。

（ステップ２：堆積工程）
エッチング終了後、高周波電源４ａ、３１ａからの給電を止めて処理室２１内におけるプラズマの発生を停止した後、ガス供給系４６からのガスの供給を止める。次に排気装置２３により処理室２１内を排気して残存しているガスを除去して処理室２１内を所定の真空度に保持する。

ガス供給系４６より例えば炭素と水素との化合物からなるガス例えばＣＨ４ガスを供給して処理室２１内を例えば６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下の圧力に保持した後、周波数が６０ＭＨｚの第１の高周波を電力を例えば７５０Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として上部電極４に供給して前記ガスの混合ガスである処理ガスをプラズマ化すると共に、バイアス用の高周波として、周波数が１３．５６ＭＨｚの第２の高周波を電力を例えば５００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として下部電極３１に供給する。

このプラズマにより図２（ｃ）に示すようにレジストマスク５１の表面、開口部５５の壁面、凹部５７の壁面及び底面に炭素または炭素及び水素からなる保護膜６１が堆積する。この保護膜６１は前述のエッチング工程において生成したＳｉＯＣＨ膜５４の露出面を保護して、後述のアッシング工程において使用されるプラズマによる炭素の脱離を抑制するためのものである。

この時下部電極３１に高周波を供給しない場合には、プラズマはウェハＷに強く引き込まれないため、ウェハＷの表面側に堆積する保護膜６１の量が多くなる。つまり、レジストマスク５１の表面及び開口部５５の壁面に堆積する保護膜６１の量が多くなり、凹部５７の壁面及び底面に堆積する量が少なくなる。そのような場合、凹部５７の壁面及び底面に所望の厚さの保護膜６１を堆積させるためには長い時間が必要となり、生産性の低下に繋がる。また、後述のアッシング工程においてアッシングに要する時間が長くなると共に、アッシングによって炭素の残渣が多く生成されてパーティクルの原因となることが予測される。そこで、前述の通り下部電極３１に例えば１００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２から１０００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２のバイアス電力を印加して、上部電極４に供給される高周波によりプラズマ化されるプラズマをウェハＷに強く引き込むことによって、レジストマスク５１の表面、開口部５５の壁面、凹部５７の壁面及び底面に均一に保護膜６１を堆積させることができ、更に凹部５７の壁面に優先的に保護膜６１を堆積させることも可能である。

保護膜６１を堆積させるためのガスとしては例えばＣＨ４を使用することができるが、これに限られずＣ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６等の炭素と水素との化合物からなるガスの１種類以上を用いることができる。また、例えばＡｒなどの希ガスやＮ２などを希釈ガスとして上記のガスと共に使用することができる。保護膜６１を堆積させるときの処理圧力としては、凹部５７の底面まで均等にプラズマを行き渡らせるために、処理ガスとしてＣＨ４を用いる場合には後述の実施例からも６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下であることが好ましいが、この処理圧力の範囲は前述のガスの種類によって最適化する必要があると考えられる。

（ステップ３：アッシング工程）
保護膜６１の堆積後、高周波電源４ａ、３１ａからの給電を止めて処理室２１内におけるプラズマの発生を停止した後、ガス供給系４６からのガスの供給を止める。次に排気装置２３により処理室２１内を排気して残存しているガスを除去して処理室２１内を所定の真空度に保持する。

ガス供給系４６より例えばＣＯ２ガスを供給して、周波数が６０ＭＨｚの第３の高周波を電力を例えば２００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として上部電極４に供給して前記ガスをプラズマ化すると共に、周波数が１３．５６ＭＨｚの第４の高周波を電力を例えば４００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として下部電極３１に供給する。

このプラズマにより図２（ｄ）に示すようにレジストマスク５１がアッシングされ、保護膜６１も有機膜であるためアッシングによって除去される。

このアッシング工程においては、下部電極３１に第４の高周波を電力を例えば１００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２から５００Ｗ／７０６８５．８ｍｍ^２として供給することが好ましい。この場合、上部電極４に供給される第３の高周波によってプラズマ化される前記ガスのプラズマはウェハＷに強く引き込まれ、レジストマスク５１のアッシングを選択的に行うことができる。

プラズマを生成するガスとしては、前述のＣＯ２ガスに限定されることなく、例えばＯ２ガスなどを使用することができる。ＣＯ２ガスを用いた場合には、ＣＯ２ガスは安定であり、Ｏ２ガスと比較してＳｉＯＣＨ膜５４膜中の炭素と反応を起こす活性種の生成量が極めて少ないため、ＳｉＯＣＨ膜５４からの炭素の脱離をより一層抑制することができる利点がある。また、例えばＡｒなどの希ガスやＮ２などを希釈ガスとして上記のガスと共に使用することができる。

上部電極４及び下部電極３１に供給する第３及び第４の高周波の周波数は、この場合は夫々第１及び第２の高周波と同じ周波数としたが、第３の高周波の周波数よりも第４の高周波の周波数が低ければこれに限られることなく、例えば第３の高周波として５０ＭＨｚ、第４の高周波として２ＭＨｚの高周波を供給するようにしても構わない。

尚、この後例えば凹部５７に犠牲膜となる有機膜を埋め込み、この有機膜を利用して凹部５７を加工してＣｕを埋め込み、配線構造を形成する。

上述の実施の形態によれば、ＳｉＯＣＨ膜５４をエッチングした後、アッシング前に保護膜６１を堆積しているので、アッシング時にＳｉＯＣＨ膜５４の露出面が酸素の活性種による反応から保護されるので、ＳｉＯＣＨ膜５４からの炭素の脱離を低減することができ、このためＳｉＯＣＨ膜５４の誘電率の低下が抑えられるので、予定としている電気的特性を有する半導体装置を得ることができる。

ＣＨ４ガスを用いる場合には、後述の実験例からも分かる通り、処理圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下とすることで、凹部５７の底面まで均等にプラズマを行き渡らせてＳｉＯＣＨ膜５４の露出面への保護膜６１の堆積を速やかに行うことができるため、レジストマスク５１の表面への保護膜６１の堆積を減少させ、アッシング工程に要する時間を短くすることができる。この処理圧力の条件は、使用するガスごとに実験によって最適値を求めることができる。

また本発明のプラズマ処理装置２は、ウェハＷを処理室２１内から搬入出することなく、ＳｉＯＣＨ膜５４のエッチング工程、堆積工程及びアッシング工程を同じ処理室２１内において、使用ガスや処理圧力などのプロセス条件を変更することによって行うことができるため、ウェハＷの搬入出の時間や複数の処理室２１を設置する場所を省くことができる。

本発明においてプラズマ処理を行うウェハＷは、ＳｉＯＣＨ膜５４等の絶縁膜の上に直接レジストマスク５１が形成されていても良いし、ＳｉＯＣＨ膜５４等の絶縁膜の上に形成されたＳｉＯ２膜５９などのハードマスクとレジストマスク５１との間に例えば露光時の反射を防止するための反射防止膜が形成されていても構わない。

本発明に用いるプラズマ処理装置２として、処理ガスをプラズマ化するための第１及び第３の高周波は上部電極４の代わりに下部電極３１に供給するようにし、いわゆる下部２周波の構成の装置を採用してもよい。

次に本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。

以下の実験においては、図３に示すように、直径３００ｍｍのベアシリコンウェハ上に、エッチストッパとしての役割を果たすＳｉＣ膜５３、低誘電率膜であるＳｉＯＣＨ膜５４、ハードマスクとして用いられるＳｉＯ２膜５９、パターンの形成されているレジストマスク５１がこの順に積層されたテスト用のウェハＷを用い、既述の（ステップ１）に記載したエッチングを以下のプロセス条件において行ったウェハＷを用いた。

（エッチング工程）
上部電極４の周波数 ：６０ＭＨｚ
上部電極４の電力 ：１０００Ｗ
下部電極３１の周波数：１３．５６ＭＨｚ
下部電極３１の電力 ：３００Ｗ
処理圧力 ：１０Ｐａ（７５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス ：ＣＦ４／Ｏ２／Ａｒ＝５０／１００／１００ｓｃｃｍ
処理時間 ：７０ｓｅｃ
このエッチングを行う際、図３に示したように、ＳｉＯＣＨ膜５４には凹部５７としてライン状の溝部５８を形成し、この溝部５８の底面におけるダメージ層６０（炭素の脱離した層の膜厚）及び保護膜６１の評価を行うため、ＳｉＣ膜５３の表面までエッチングが達しないように、すなわち溝部５８の底面がＳｉＯＣＨ膜５４の中央付近となるように、エッチング条件を調整した。

表１に示す通り、実験に供する前のウェハＷについて、切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察して、上記の各層の膜厚、開口部５５の底部（レジストマスク５１とＳｉＯ２膜５９との界面）における線幅及びＳｉＯＣＨ膜５４に形成された溝部５８の深さＤ１を求めた。
（表１） 単位：ｎｍ

ＳｉＯＣＨ膜５４に形成された溝部５８の深さＤ１は、図３に示した通り、ＳｉＯ２膜５９とＳｉＯＣＨ膜５４との界面から溝部５８の底面までの深さとして測定した。尚、同表のデータのウェハＷと以下の実験に用いられたウェハＷとは異なるものであるが、ウェハＷ内、及びウェハＷ間における各値の均一性が極めて高いため、評価を行う上で影響はないと考えられる。各実験においてウェハＷに対してプラズマ処理を行う装置として図１に示すプラズマ処理装置２を用いた。

（実験例１：アッシング工程前に保護膜６１を堆積した場合としない場合とのダメージ層６０の比較）

Ａ．実施例１
前述の通り、図３に示したウェハＷに対して保護膜６１を堆積した後、アッシングを行った。保護膜６１の堆積工程及びアッシング工程におけるプロセス条件は以下の通りである。
（堆積工程）
上部電極４の周波数 ：６０ＭＨｚ
上部電極４の電力 ：７５０Ｗ
下部電極３１の周波数：１３．５６ＭＨｚ
下部電極３１の電力 ：５００Ｗ
処理圧力 ：１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス ：ＣＨ４／Ａｒ＝１００／１００ｓｃｃｍ
処理時間 ：１０ｓｅｃ
（アッシング工程）
上部電極４の周波数 ：６０ＭＨｚ
上部電極４の電力 ：２００Ｗ
下部電極３１の周波数：１３．５６ＭＨｚ
下部電極３１の電力 ：４００Ｗ
処理圧力 ：２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス ：ＣＯ２＝１５００ｓｃｃｍ
処理時間 ：６０ｓｅｃ
このようにして処理されたウェハＷについて、ＳｉＯＣＨ膜５４のダメージ層６０の量を評価するため、ウェハＷを１重量％のＨＦ水溶液に３０秒浸漬した後溝部５８の線幅ＣＤ２を測定した。次いで図４（ａ）に示した通り、ＨＦ水溶液に浸漬する前の溝部５８の線幅ＣＤ１と比較して、ＳｉＯＣＨ膜５４がＨＦ水溶液に溶解して増加した溝部５８の線幅ΔＣＤ（ΔＣＤ＝ＣＤ２−ＣＤ１）を求めた。即ちＳｉＯＣＨ膜５４の表面部から炭素の脱離したダメージ層６０はＨＦ水溶液に溶解する一方、炭素の脱離していないＳｉＯＣＨ膜５４はＨＦ水溶液に溶解しないことから、溝部５８の側壁におけるダメージ層６０をΔＣＤを用いて評価した。この結果を図５の右端に示した。

尚、この実験例１においては、再現性を確認するために同じ実験を複数回繰り返し、ウェハＷの中央部における溝部５８についてΔＣＤを求め、その数点をプロットしている。

Ｂ．比較例
比較例１−１
堆積工程を行わなかった他は実施例１と同様にウェハＷに対してアッシング工程及びＨＦ水溶液への浸漬を行い、ΔＣＤを求めた。この結果を図５の左から２番目に示した。
比較例１−２
実施例１及び比較例１−１のアッシング工程におけるプロセス条件を以下の通り変更した以外は比較例１−１と同様にウェハＷに対してアッシング工程及びＨＦ水溶液への浸漬を行い、ΔＣＤを求めた。この結果を図５の右から２番目に示した。

上部電極４の電力 ：１０００Ｗ
下部電極３１の電力：２００Ｗ
処理圧力 ：１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス ：Ｏ２＝３００ｓｃｃｍ
処理時間 ：２７ｓｅｃ
尚、このときアッシング工程における処理ガスがＣＯ２の場合（実施例１及び比較例１−１）とＯ２の場合（比較例１−２）とにおいて、それぞれの処理ガスによるプラズマではアッシングの効果が異なる（ＣＯ２ガスによるプラズマよりもＯ２ガスによるプラズマのアッシング効果が強い）ため、ほぼ同程度のアッシングの強さとなるように処理ガスの流量及び処理時間を調整した。

Ｃ．参考例１
エッチング後のウェハＷに対してアッシング工程及び堆積工程などの処理を行わずにＨＦ水溶液に浸漬してΔＣＤを求めた。この結果を図５の左端に示した。
Ｄ．結果と考察
実施例１及び比較例１−１の結果から、ΔＣＤは実施例１における保護膜６１の堆積工程を行うことによって減少しているため、ＳｉＯＣＨ膜５４の側壁は保護膜６１によってアッシング工程におけるＣＯ２ガスのプラズマから保護されて炭素の脱離が抑えられていることが分かる。

比較例１−２の結果から、ΔＣＤは従来のＯ２ガスのプラズマを用いてアッシングした場合に最も大きくなっているため、ダメージ層６０の生成は既述の通り、炭素と反応を起こしやすいプラズマの生成によって、ＳｉＯＣＨ膜５４中の炭素が脱離しているものと考えられる。

一方参考例１の結果から、ダメージ層６０はエッチング後においてすでに生成していることがわかった。これは、ＳｉＯＣＨ膜５４がエッチングされていく際、脱離しやすい炭素が優先的にエッチングされているからではないかと考えられる。このときのΔＣＤは実施例１の値とほぼ同じ値を示していることから、実施例１におけるダメージ層６０はアッシング工程において生成したものではなく、エッチング工程において生成したものであることが分かる。

（実験例２：元素分析）
実験例１におけるダメージ層６０の評価方法（１重量％のＨＦ水溶液に３０秒浸漬してΔＣＤを測定）が適正な評価方法であるかを検証するため、実施例１及び比較例１−１において処理を施したウェハＷの元素分析を行った。分析には電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）を用いて、実験例１における溝部５８の線幅の測定位置に対応する位置を測定した。この測定結果を図６（ａ）及び（ｂ）に示した。尚、ＳｉＯＣＨ膜５４中の平均的な組成を表すため、これらの図は同図（ｃ）に示したように、図の中央に溝部５８同士の間のＳｉＯＣＨ膜５４、左右に溝部５８の壁面が配置されるように表した。

その結果、実施例１及び比較例１−１の双方について、溝部５８の側壁に、実験例１において確認されたΔＣＤに対応した炭素の量の少ない層が確認された。同図（ａ）及び（ｂ）から、実施例１におけるダメージ層６０はおよそ８ｎｍ、比較例１−１におけるダメージ層６０はおよそ１２ｎｍと読み取れ、これらの値は図５にプロットした各データの範囲に収まっていたため、実験例１におけるダメージ層６０の評価方法は妥当なものであることが確認された。

実験例１と同様に、炭素の減少量については、実施例１及び比較例１−１の間で顕著な差異が見られ、実施例１では比較例１−１よりも良好な結果となっていた。この分析では、炭素の減少に伴って酸素が増加していることから、ＳｉＯＣＨ膜５４からの炭素の脱離に伴ってＳｉＯＣＨ膜５４中に価数バランスのために酸素が取り込まれていると考えられる。

（実験例３：堆積工程）
次に、以下のプロセス条件で図３に示したウェハＷに対して保護膜６１の堆積を行った。
上部電極４の周波数 ：６０ＭＨｚ
上部電極４の電力 ：７５０Ｗ
下部電極３１の周波数：１３．５６ＭＨｚ
下部電極３１の電力 ：５００Ｗ
処理圧力 ：別記
処理ガス ：ＣＨ４／Ａｒ＝１００／１００ｓｃｃｍ
処理時間 ：１０ｓｅｃ
処理圧力は以下に示す各例毎に設定した。
実施例３−１
上記のプロセス条件において、処理圧力を１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）とした。
実施例３−２
上記のプロセス条件において、処理圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）とした。
実施例３−３
上記のプロセス条件において、処理圧力を２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）とした。

実験結果
保護膜６１を堆積した後、レジストマスク５１の膜厚及び溝部５８の深さと、ＳｉＯ２膜５９とＳｉＯＣＨ膜５４との界面における溝部５８の線幅及び溝部５８の底面近傍における溝部５８の線幅と、を測定した。次いで保護膜６１を堆積する前の各膜厚と溝部５８の線幅から、レジストマスク５１の表面及び溝部５８の底面に堆積した保護膜６１の膜厚と、ＳｉＯ２膜５９とＳｉＯＣＨ膜５４との界面における溝部５８の線幅及び溝部５８の底面近傍における、溝部５８の線幅の増加量と、を求めて表２及び図７に示した。
（表２） 単位：ｎｍ

処理圧力を高くする程、各部位における保護膜６１の膜厚の増加する傾向が見受けられ、処理圧力によって保護膜６１の膜厚を制御できることが分かった。尚、表２の結果については次の実施例４の結果と合わせて考察する。

（実験例４：保護膜６１堆積後のアッシング工程）
次に、実験例３において保護膜６１の堆積を行った各ウェハＷに対して、以下のプロセス条件においてアッシングを行った。
上部電極４の周波数 ：６０ＭＨｚ
上部電極４の電力 ：０Ｗ
下部電極３１の周波数：１３．５６ＭＨｚ
下部電極３１の電力 ：１１００Ｗ
処理圧力 ：２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス ：ＣＯ２＝７００ｓｃｃｍ
処理時間 ：２１ｓｅｃ
尚、通常上部電極４の電力は０Ｗではプラズマは発生しないが、この例では下部電極３１に１１００Ｗの電力を印加しているため、この条件においてもプラズマは発生した。
実施例４−１
実施例３−１のプロセス条件にて保護膜６１が堆積したウェハＷに対してアッシング処理を行った。
実施例４−２
実施例３−２のプロセス条件にて保護膜６１が堆積したウェハＷに対してアッシング処理を行った。
実施例４−３
実施例３−３のプロセス条件にて保護膜６１が堆積したウェハＷに対してアッシング処理を行った。

実験結果
上記の各処理を施したウェハＷを実験例１と同様に１重量％のＨＦ水溶液に３０秒浸漬した。次いで実験例１において求めた溝部５８の線幅の増加量ΔＣＤについて、ＳｉＯ２膜５９とＳｉＯＣＨ膜５４との界面における値及び溝部５８の底面近傍における値の測定を行った。つまり、図４（ｂ）に示すように、ＨＦ水溶液に浸漬後のウェハＷについて、ＳｉＯ２膜５９とＳｉＯＣＨ膜５４との界面における溝部５８の線幅ＣＤ４及び溝部５８の底面近傍における溝部５８の線幅ＣＤ６を測定して、夫々の実験例３における保護膜６１を堆積する前の各値ＣＤ３及びＣＤ５と比較し、ΔＣＤ１（ΔＣＤ１＝ＣＤ４−ＣＤ３）及びΔＣＤ２（ΔＣＤ２＝ＣＤ６−ＣＤ５）を求めた。また、ＨＦ水溶液に浸漬した後のＳｉＯＣＨ膜５４に形成された溝部５８の深さＤ２を測定して、保護膜６１を形成する前の値Ｄ１と比較して溝部５８に形成された深さの増加量を示すΔＤ（ΔＤ＝Ｄ２−Ｄ１）を求めた。尚、この実験例４ではウェハＷの中央部及びウェハＷの端部におけるダメージ層６０の差異を確認するため、ウェハＷの中央部及びウェハＷの端部（ウェハＷの周縁部から１０ｍｍ）の位置における値を測定した。この結果を表３に示す。
（表３） 単位：ｎｍ

この結果から、実験例３の堆積工程における処理圧力が高くなる程、ΔＣＤ１、ΔＣＤ２及びΔＤの各値は概ね増加する傾向にある。表２と対比しながら表３を考察すると、堆積工程における処理圧力が１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）の場合には２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）の場合に比べて保護膜６１の厚さが小さいが、ダメージ層６０は薄くなっている（ΔＣＤ１、ΔＣＤ２、ΔＤが小さくなっている）。この現象は、処理圧力が１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）の場合には保護膜６１内のＣ−Ｃ結合が強く、あるいはＣ−Ｃ結合量が多くなっていて酸素の活性種のアタックに対して耐性が大きいのではないかと推測される。また、堆積工程における処理圧力が６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）の場合には２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）の場合に比べて保護膜６１の膜厚が大きく、この膜厚の大小に対応して前者の場合のダメージ層６０の厚さが後者の場合に比べて小さくなっていると考えられる。このように保護膜６１は、処理圧力が小さい領域では耐酸素プラズマ性という点において保護膜６１の膜質が良好なものになっていることが伺え、結果として、堆積工程における処理圧力は、６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下であることが好ましいと言える。

本発明のプラズマ処理装置の一例を示す平面図である。 本発明のプラズマ処理に用いられるウェハＷの構成及び各プラズマ処理を示す図である。 本発明の実験に供したウェハＷの概念図である。 本発明の実験例１及び実験例４において測定したウェハＷの位置を示す図である。 本発明における実験例１の結果を示す図である。 本発明における実験例２の結果を示す図である。 本発明における実験例３の結果を示す図である。 従来のプラズマ処理におけるウェハＷの模式図である。

符号の説明

２ プラズマ処理装置
２１ 処理室
３ 載置台
３１ 下部電極
４ 上部電極
５４ ＳｉＯＣＨ膜
５５ 開口部
５７ 凹部
５８ 溝部
５９ ＳｉＯ２膜
６０ ダメージ層
６１ 保護膜

Claims (14)

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をレジストマスクを用いてエッチングを行うエッチング工程と、
   次いでエッチングにより形成された凹部の露出面を保護するために基板の表面に保護膜を堆積する堆積工程と、
   その後酸素を含むプラズマによりアッシングを行うことでレジストマスクを除去するアッシング工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記堆積工程において使用される処理ガスは炭素及び水素の化合物からなるガスであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記化合物は、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４及びＣ２Ｈ６から選択されるものであることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記堆積工程は、基板が載置される下部電極とこの下部電極に対向する上部電極との間に供給される第１の高周波により処理ガスをプラズマ化すると共に、第１の高周波よりも周波数の低い第２の高周波をバイアス用の高周波電源により下部電極に供給することにより行われ、
   前記バイアス用の高周波電源による供給電力を基板の表面積で除した大きさが１００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以上、１０００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以下である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. 前記堆積工程は、処理雰囲気の圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下に設定してＣＨ４をプラズマ化することにより行われ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. エッチング工程、堆積工程及びアッシング工程は、同一処理室内で連続して行われることを特徴とする請求項１または５のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記アッシング工程は、基板が載置される下部電極とこの下部電極に対向する上部電極との間に供給される第３の高周波によりアッシング用のガスをプラズマ化すると共に、第３の高周波よりも周波数の低い第４の高周波をバイアス用の高周波電源により下部電極に供給することにより行われ、
   前記バイアス用の高周波電源による供給電力を基板の表面積で除した大きさが１００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以上、５００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
8. シリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜が形成された基板をプラズマにより処理するプラズマ処理装置において、
   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、
   前記下部電極または上部電極に接続され、ガスをプラズマ化するためのプラズマ発生用の高周波を供給するためのプラズマ発生用の高周波電源と、
   前記下部電極に接続され、プラズマ発生用の高周波よりも周波数の低いバイアス用の高周波を供給するためのバイアス用の高周波電源と、
   前記低誘電率膜をエッチングするためのエッチングガスを処理室内に供給する手段と、
   前記エッチングにより形成された凹部の露出面を保護するための保護膜の原料となる処理ガスを処理室内に供給する手段と、
   レジストマスクをアッシングにより除去するための酸素を含むアッシングガスを処理室内に供給する手段と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
9. 前記保護膜の原料となる処理ガスは炭素及び水素の化合物からなるガスであることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記化合物は、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ４及びＣ２Ｈ６から選択されるものであることを特徴とする請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記凹部の露出面を保護するために前記処理ガスを処理室内に供給するときには、前記バイアス用の高周波電源による供給電力を基板の表面積で除した大きさが１００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以上、１０００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以下となるように制御動作する制御部と、を備えたことを特徴とする請求項８ないし１０のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
12. 保護膜の原料となる処理ガスはＣＨ４ガスであり、前記凹部の露出面を保護するためにＣＨ４ガスを処理室内に供給するときには、処理雰囲気の圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）以下となるように制御動作する制御部を備えた請求項８ないし１１のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
13. レジストマスクをアッシングにより除去するためにアッシングガスを処理室内に供給するときには、前記バイアス用の高周波電源による供給電力を基板の表面積で除した大きさが１００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以上、５００Ｗ/７０６８５．８ｍｍ^２以下となるように制御動作する制御部を備えた請求項８ないし１２のいずれか一つに記載のプラズマ処理装置。
14. 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７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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