JP2008277812A - 水蒸気及び希釈ガスにより改善された水素アッシング - Google Patents

Abstract

【課題】水素化シリコンオキシカーバイド材料に基づく低−ｋ誘電体材料に特に有用な酸素フリーの水素プラズマアッシングプロセスを提供する。
【解決手段】メインアッシング工程は、水素（５０）及び任意の窒素（５４）、大量の水蒸気（６０）、更に大量のアルゴン（８０）又はヘリウムのプラズマ（４８）に、予めエッチングしておいた誘電体層を露出することを含む。ポーラス低−ｋ誘電体については特に、メインアッシングプラズマは、更に、メタン等の炭化水素ガス（８４）を含有する。メインアッシングは、水素及び任意の窒素等の水素含有還元ガスのプラズマにより、短い表面処理を施しておいてもよい。
【選択図】 図２

Description

発明の分野

本発明は、概して、集積回路の製造において、材料をプラズマエッチングすることに関する。特に、本発明は、フォトレジストのアッシングに関する。

プラズマエッチングは、シリコン集積回路の製造に広く用いられている。誘電体エッチングと呼ばれることの多い、そのプロセス工程の１つを用いて、誘電体層を通るホールを形成して、異なるレベルの集積回路間に垂直な電気的接続を与える。典型的なビア構造の概略を、図１の断面図に示す。ウェハ表面に形成された下部誘電体層１０は、その表面に形成された導電性フィーチャー１２を有する。上部誘電体層１４は、下部誘電体層１０およびその導電性フィーチャー１２上に堆積している。平坦なフォトレジスト層１６が、まだパターン化されていない上部誘電体層１４にスピンされ、ステッパが、放射パターンに従って、フォトリソグラフィー的にそれを露出して、フォトレジスト層１６を通してマスクアパーチャ１８を形成することにより、ビアを通して電気的に接触する導電性フィーチャー１２を覆うマスクアパーチャ１６を備えたフォトマスクが形成される。上部誘電体層１４とフォトレジスト層１６の間に、エッチングハードマスクや反射防止コーティング等の追加の層が形成されていてもよい。フォトマスクされたウェハをプラズマエッチングリアクタに入れ、上部誘電体層１４を通して、導電性フィーチャーへエッチングし、ビアホール２０を形成する。一般的に、同じエッチングリアクタで、反射防止コーティング及びハードマスクがある場合には、これを通してエッチングして、エッチングの化学物質を層間で変化させる。誘電体エッチングは、一般的に、フルオロカーボン化学物質に基づいており、例えば、ヘキサフルオロブタジエン（Ｃ_４Ｆ_６）を用いる。

誘電体エッチング後、ビアホール２０を、アルミニウムや銅等の金属で充填して、導電性フィーチャー１２に垂直な電気的接続を与える。銅メタライゼーションに一般的に用いられるデュアルダマシン構造については、ビアホール２０は、上部の水平に延在するトレンチに接続された上部誘電体層１４の下部で、これより短いビアホールに替える。両者共、同時に銅で充填される。コンタクト層メタライゼーションについては、下部誘電体層１０は、活性シリコン層に替え、導電性フィーチャー１２は同じくシリコンから構成される。ただし、ビアホール２０との界面に複雑なシリサイドとゲート酸化物があり、この場合は、適切には、コンタクトホールと呼ばれる。

誘電体エッチング完了時、フォトレジストが一部、誘電体層１４の上部に残ったり、炭素質組成物であることが多いエッチング残渣が、ビアホール１８に残る場合がある。残渣は、ビアホール２０の側部に、垂直エッチング断面を作成する支援となるポリマーコーティング２２を形成したり、ビアホール２０の下部の一部に、分離されたエッチング残渣２４を形成する。同様のポリマーコーティングで、フォトレジストの残りをカバーして、硬化した外側表面を生成してもよい。金属充填プロセスでは、バリア層、及び電気化学めっき（ＥＣＰ）により実施される銅メタライゼーションの場合には、シード層及び電気めっき電極として機能する銅層を含むコンフォーマルなライナでビアホール２０を、コートする必要がある。現在、バリア層は、一般的に、ＴａＮ／Ｔａとそれの二層であり、銅シード層は、スパッタリングの最新の形態により堆積してよい。ビアホールをライニングする層の堆積のために、フォトレジスト及びその他残渣を、構造から除去することが重要である。それらは、ビア側壁への接着を劣化させ、ビア下部での接触抵抗を増大し、いずれの場合も、デバイス収率や信頼性に影響するからである。

プラズマアッシングは、エッチング後にフォトレジスト及びその他残渣を除去するのに長いこと行われてきた。酸素プラズマは、カーボン系層をエッチング除去するのに非常に有効である。アッシングは、多数のウェハのバッチ処理用に設計されたバレルアッシャーで以前は行われていたが、最近の技術では、別個のエッチングリアクタとして、又は、誘電体エッチングに用いるのと同じプラズマエッチングリアクタで実施される別個の処理工程で、単一ウェハプラズマアッシャーを用いている。

従来のアッシングは、誘電体層が、凡そＳｉＯ_２の化学組成を有し、約３．９の誘電率ｋを有する二酸化ケイ素（シリカ）で形成されていると、有効である。しかしながら、最新の集積回路に必要とされる、より最新の低−ｋ誘電体に適用すると、アッシングには問題がある。以前の低−ｋ誘電体は、シリカにフッ素をドープして、誘電率を約３．５に減じることにより形成されていた。低−３範囲のこれより低い誘電率でも、カリフォルニア州、サンタクララのアプライドマテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）より入手可能なブラックダイヤモンド（Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ）誘電体等の水素化シリコンオキシカーバイド材料により得られる。かかる材料をポーラスにして堆積することにより、３未満のさらに低い誘電率が得られていた。これらの材料の酸素アッシングは多くの問題を生じる。酸素プラズマは、炭素質フォトレジスト残渣及びその他残渣を攻撃するばかりでなく、シリコンオキシカーバイドのカーボン含量も枯渇させる傾向があり、その誘電率が増大する。ポーラス誘電体材料は、比較的脆性で、酸素がポアに部分的に透過し、ポアが崩壊するために、酸素プラズマから、より損傷を受け易い。

従って、最新のアッシングは、酸素プラズマの酸化の化学物質から、水素と可能な場合は窒素の組み合わせ、例えば、Ｈ_２、Ｈ_２／Ｎ_２又はＮＨ_３で形成されたプラズマの還元の化学物質へとシフトしている。水素ラジカルＨ^＊に基づくアッシングは、酸素アッシングに比べ、高い性能と少ない誘電体損傷を示す。しかしながら、水素アッシングは、遅い還元反応と、還元ガスのみの環境で生成される低い水素ラジカル密度のために、非常に遅いプロセスである。酸素アッシングは、２０秒の処理を必要とするが、水素アッシングは、１０倍長い時間が必要で、明らかに経済的に不利である。従って、往々にして、少量の酸素を還元ガスに添加して、アッシング速度及びアッシング効率を増大している。しかしながら、ポーラス低−ｋ材料は、少量の酸素にも感受性があり、大量のカーボンをシリコンオキシカーバイド材料から除去し、ポア構造を崩壊して、誘電率を増大する恐れがある。

発明の概要

メインアッシングが、水素ガスと、任意の窒素ガスと、水蒸気と、アルゴンやヘリウム等のその他不活性又は希釈ガスとから形成されたプラズマを含む、酸素フリーのプラズマアッシングプロセスが実施される。アンモニアを、水素と窒素の替わりにしてもよい。プラズマは、水素ガスよりも水蒸気から、水蒸気よりも不活性ガスから形成される。

アッシングは、カーボンおよび酸化ケイ素、例えば、水素化シリコンオキシカーバイドを含有する低−ｋ誘電体材料に特に有用である。

任意で、炭化水素ガス、例えば、メタンを、メインアッシング工程のプラズマに添加してもよい。炭化水素の添加は、例えば、３未満の誘電率を有するポーラスな低−ｋ誘電体材料に特に有用である。

初期の酸素フリープラズマアッシング又は表面処理工程は、水素又はアンモニア等の水素含有還元ガスと、任意の窒素ガスとから形成された、水蒸気は含まないプラズマを含む。

好ましい実施形態の詳細な説明

水蒸気及び大量のアルゴン又はヘリウムを、水素系アッシングプラズマに添加すると、水素ラジカルの濃度が大幅に増加し、低−ｋ誘電体に対する損傷を減じて、アッシング速度が増大する。

本発明は、図２の断面図に概略を示すプラズマアッシングリアクタ３０で実施される。真空処理チャンバ３２は、真空ポンプシステム３６により低トル範囲までポンピングされる。チャンバ３２内の台座３８は、多数のアパーチャ４４からプロセスガスを供給するガスシャワーヘッド４２に対向して、アッシングされるウェハ４０をサポートする。

プロセスガスは、リモートプラズマソース４８を通して、シャワーヘッド４２の裏にあるマニホルド４６へ供給され、処理ガスがプラズマへ励起される。リモートプラズマソース４８は、真空チャンバ４８から距離を離して配置してもよいが、それでも、その補助装置と考えられる。リモートプラズマソース４８で生成されたプラズマを含有するガスが、活性プラズマ状態で真空チャンバ４８に流れるからである。主にラジカルで、比較的少ないプラズマイオンが、処理チャンバ３２へ分配されるのが好ましい。リモートプラズマソース及びマニホルドのいくつかが、２００６年２月１０日出願のフー（Ｆｕ）による米国特許出願第１１／３５１，６７６号で現在は米国特許出願公開第２００７／０１９０２６６号として公開されたものに開示されている。リモートプラズマソース４８は、低ギガヘルツ範囲、例えば、２．５４ＧＨｚで動作するマイクロ波励起ソース、またはサブギガヘルツ範囲、例えば、２７０〜６５０ｋＨｚで動作するＲＦ励起ソースを利用してもよい。リモートプラズマソース４８が、帯電した粒子フィルタを有していると、チャンバに分配されるプラズマが、中和ラジカルのみを含有していて、帯電したイオンを含有していないため、有利である。水素ガス（Ｈ_２）を主要アッシングガスとして用いる場合には、それは、リモートプラズマソース４８に、水素ガスソース５０から、マスフローコントローラ５２を通して供給される。窒素ガス（Ｎ_２）を、窒素ガスソース（５４）から、他のマスフローコントローラ５６を通して供給してもよい。窒素は、水素ラジカルエッチングのためのパッシベータとして機能する傾向がある。

水蒸気（Ｈ_２Ｏ）は、液体の水のプール６２を含む真空密閉水アンプル６０からリモートプラズマソース４８に供給される。マスフローコントローラ６４が、アンプル６０から水蒸気を計量する。室温での水の蒸気圧は、約２０トルであり、リモートプラズマソース４８が動作する通常の真空レベルより遥かに上である。従って、アンプル６０を、バックポンピングさせると、約２０トルの圧力を有する水蒸気が、アンプル６０の液体の水のプール６２の上のヘッドスペース６６に存在する。アンプル６０を、チャンバ３２に直接搭載して、管の長さを最小にしてもよく、その壁では、水が濃縮され易い。

コントローラ７０は、ＣＤＲＯＭ等の記録媒体７２において、コントローラ７０へ挿入されるレシピに従って動作し、ポンピングシステム３６、リモートプラズマソース４８及び既述したマスフローコントローラ５２、５６、６４その他をはじめとする様々なマスフローコントローラを制御する。

本発明によれば、アルゴン（Ａｒ）等のその他の不活性ガスを、マスフローコントローラ８２により計量して、アルゴンガスソース８０から供給する。アルゴンをヘリウム（Ｈｅ）に替えてもよい。アルゴンは、Ｈ_２ＯのＨ^＊及びＯＨ^＊への解離を促す。これはぺニングプロセスと考えられ、励起したアルゴンラジカルのエネルギーが、水成分へ移される。これによって、Ｈ_２のみで可能なよりも、遥かに高い密度の水素ラジカルＨ^＊が水蒸気から生成される。その結果、アルゴンとヘリウムは、通常は不活性希釈ガスと考えられるものの、実際のアッシングにおいては不活性のままであるが、高密度の活性アッシングラジカルの生成が促進されるものと考えられる。それでも、レシピに有利に含まれるＨ_２は、酸素ラジカルＯ^＊の生成を抑制する。更に、Ｎ_２を添加すると、Ｈ_２Ｏの解離を促進するばかりでなく、アッシングプロセス中のパッシベーションも行うため有利である。

表１に示した水素化シリコンオキシカーバイドのアッシングプロセスの一実施形態は、標準立方センチメートル（ｓｃｃｍ）の単位で表わされたプロセスガスフローでの表１に示した２ステッププロセスである。

第１のステップは、中程度のソフトエッチング又は表面処理であり、フォトレジスト又はポリマー側壁コーティングの表面を硬化するものではない。第１のステップは、主に、水素還元化学物質に基づくものであるため遅い。しかしながら、表面をエッチングするだけのものではない。Ｈ_２／Ｎ_２は、Ｈ_２単体やアンモニア（ＮＨ_３）等のその他還元ガスに替えてもよい。第２のステップは、フォトレジスト及び残渣の大半を即時に除去するものである。第２のステップは、メインアッシングステップであり、初期表面処理ステップよりも長い。

まとめたレシピは、本発明のプロセスの代表例に過ぎないと理解される。圧力範囲は０．５〜５トル、ＲＰＳ電源範囲は、３００ｍｍのチャンバについては、２ｋＷ〜８ｋＷ、水素フローは２００〜２０００ｓｃｃｍ、アルゴンフローは３０００〜１０，０００ｓｃｃｍ、水蒸気フローは５００〜３０００ｓｃｃｍまで容易に広げられる。上述した通り、アルゴンをヘリウムに替えてもよい。一般的な言い方をすると、第１のステップでは、主に水素が供給されるが、窒素の供給量は少ない。第２のステップでは、水よりもアルゴンが、水蒸気よりも水素が供給される。酸素ガス又はオゾンのそのラジカル形態は、いずれのステップでも供給されない。

第２のステップのメインアッシングプロセスは、第１のステップの表面前処理又はその他のタイプの前処理なしで実施される。
表１のレシピは、水素化シリコンオキシカーバイドのノンポーラスな低−ｋ誘電体に有効である。しかしながら、現在好まれている同じ一般組成のポーラスな低−ｋ誘電体には、追加のパッシベーションが望まれる。従って、メタン（ＣＨ_４）等の炭化水素を、他のマスフローコントローラ８６を通して、炭化水素ガスソース８４から供給してもよい。ただし、水素と炭素とからなる他の炭素と炭化水素に替えてもよく、例えば、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エチレン（Ｃ_２Ｈ_４）、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、高級アルカン、アルケン、アルキン等である。ポーラスな低−ｋ誘電体に好ましいレシピは、表２に示してある。

表２のレシピは、第２のステップにおいて添加されるメタンの量が他の成分より非常に少ないという以外は、表１のものに非常に近い。少量の炭化水素は、誘電体材料のポアをシーリングすることにより露出したポーラスな低−ｋ誘電体をパッシベートして、保護し、エッチングプラズマ、特に酸素成分が、ポア内に深く浸透したり、誘電体材料を劣化するのを防ぐ。

本発明は、リモートプラズマソースを用いたプラズマアッシャーに限定されず、ウェハ又はその他基板近傍の真空チャンバ内でプラズマが生成されるが、プラズマのイオン含量を最小にする必要のないプラズマダイオードエッチングリアクタで実施することができる。更に、本発明は、説明した水素化シリコンオキシカーバイドの低−ｋ誘電体に限定されず、他のタイプの誘電体材料に適用することができ、実際、金属又はシリコンエッチングプロセス後のアッシングに適用してよい。

本発明は、このように、低−ｋ誘電体材料をアッシングするのに特に有用な、迅速でありながらも、保護を与えるアッシングプロセスを提供する。

アッシングにより除去される残渣フォトレジスト、側壁ポリマーコーティング及びその他エッチング残渣を含む誘電体エッチング後のビアホールの断面図である。 本発明に有用なプラズマアッシャーの概略断面図である。

Claims (15)

1. メインアッシングガスのプラズマを基板に適用するメインアッシング工程を含むアッシングプロセスであって、前記メインアッシングガスが、水素ガス及びアンモニアガスからなる群より選択される第１の量の還元ガスと、前記第１の量より多い第２の量の水蒸気と、アルゴン及びヘリウムからなる群より選択され、有効量の酸素ガスを含有しない、前記第２の量より多い第３の量の希釈ガスとを含むアッシングプロセス。
2. 前記還元ガスが、水素ガスを含む請求項１記載のプロセス。
3. 前記還元ガスが、アンモニアガスを含む請求項１記載のプロセス。
4. 前記メインアッシングガスが、第４の量の炭化水素ガスを含む請求項２記載のプロセス。
5. 前記第４の量が、前記第１の量より少ない請求項４記載のプロセス。
6. 前記炭化水素ガスが、メタンを含む請求項４記載のプロセス。
7. 前記アッシングプロセスが施されるホールを、フォトマスクに従って、誘電体層にエッチングしておく工程を含む請求項１記載のプロセス。
8. 前記メインアッシング工程の前に実施される初期アッシング工程を含み、前記初期アッシング工程が、第４の量の水素含有還元ガスを含み、有効量の水蒸気又は炭化水素を含有しない、初期アッシングガスのプラズマを前記基板に適用する工程である請求項１〜７のいずれか１項記載のプロセス。
9. 前記水素含有還元ガスが、水素ガスを含む請求項８記載のプロセス。
10. 前記初期アッシングガスが、前記第４の量より少ない第５の量の窒素ガスを含む請求項９記載のプロセス。
11. 予めエッチングされたホールを備えた誘電体層を有する基板をアッシングするプロセスであって、前記基板が配置され、補助装置を含むプラズマエッチングチャンバにおいて、
    第１の量の水素ガスを含み、有効量の酸素及び水蒸気は含まない第１のガス混合物を、第１のプラズマへ励起させる第１の工程と、
    第２の量の水素ガスと、第３の量の水蒸気と、アルゴン及びヘリウムからなる群より選択され、有効量の酸素を含まない第４の量の不活性ガスとを含む第２のガス混合物を、第２のプラズマへ励起させる続く第２の工程とを含むプロセス。
12. 前記補助装置が、前記第１及び第２のプラズマが励起され、前記チャンバへ流れる遠隔プラズマソースを含む請求項１１記載のプロセス。
13. 前記第１のガス混合物が、窒素を含む請求項１１記載のプロセス。
14. 前記第２のガス混合物が、第５の量の炭化水素ガスを含む請求項１１〜１３のいずれか１項記載のプロセス。
15. 前記炭化水素ガスが、メタンを含む請求項１４記載のプロセス。

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