JP4316322B2 - 層間絶縁膜のドライエッチング方法 - Google Patents
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Description
本発明は、層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関し、特に、比誘電率が低い層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関する。
一般に、例えば層間絶縁膜を構成するＳｉＯ２を異方性エッチングするには、イオンの注入エネルギが必要となる。このため、第１高周波電源を介して主放電用の電力を供給すると共に、第２高周波電源を介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させる基板バイアス用の電力を供給するようにした装置が利用される（特許文献１）。この場合、層間絶縁膜へのイオン入射エネルギが高いと、エッチングによってトレンチ底面にはマイクロトレンチが発生する。このマイクロトレンチの発生はオーバーエッチングを行うことで解消できるものの、トレンチとビアとの間の中間層を有しないデュアルダマシン構造の場合、トレンチをエッチングするとき層間絶縁膜の途中でエッチングを止める必要がある。このため、マイクロトレンチを伴うエッチングでは、バリメタ成膜や電気特性に大きな影響が生じ得る。他方で、一旦マイクロトレンチが発生すると、深さ方向にエッチングを行っても解消は困難である。
このような問題を解決する目的で、エッチングプロセス実行時の作動圧力を高めてプラズマ密度を高めることによって、実行的なイオン入射エネルギを下げる方法や、第２高周波電源を介して供給される基板バイアスに供給される電力を低くしてマイクロトレンチの発生を抑制する方法が考えられる。
しかしながら、上記のように、エッチングプロセス実行時の作動圧力を高めると、プロセス雰囲気が変化することによって、電気特性などのエッチング特性が変化することが考えられる。その上、低誘電率の層間絶縁膜（Low-K）をエッチングする場合、トレンチのサイドウォールへの反応原子や分子の衝突確立が高くなるためにサイドウォールがダメージを受ける場合がある。他方で、バイアス用の電力を小さくしたのでは、エッチング速度が大幅に低下してエッチング処理時間が長くなり、場合によっては完全にトレンチをエッチングできない場合が生じる。
そこで、本発明は、上記点に鑑み、層間絶縁膜をドライエッチングする場合に、エッチング特性が変化することなく高いエッチングレートが得られ、層間絶縁膜にダメージを与えることがないようにした層間絶縁膜のドライエッチング方法を提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために、本発明の層間絶縁膜のドライエッチング方法は、第１高周波電源を介して主放電用の電力を供給し、第２高周波電源を介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させる基板バイアス用の電力を供給すると共に、エッチングガスを導入して層間絶縁膜をドライエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する層間絶縁膜のドライエッチング方法であって、前記第２高周波電源の周波数を３ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲内の所定値に設定して前記ドライエッチングを行うようにしたものにおいて、前記第２高周波電源の周波数を所定周波数に設定して層間絶縁膜を一旦エッチングし、マイクロトレンチの発生を抑制するのに最適な層間絶縁膜へのイオン入射エネルギ分布となるエッチング条件を見出し、このエッチング条件で、前記第２高周波電源の周波数を前記所定値に変更することを特徴とする。
本発明によれば、前記第２高周波電源の周波数を３ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲内の所定値に設定することで、基板上でのプラズマ生成に寄与する割合を大きくなってエッチャントがより多く生成されることで、エッチング特性を変化させることなく、エッチング速度を高めることができる。尚、前記第２高周波電源の周波数が３ＭＨｚより低いか、または６ＭＨｚより高いと、従来のものと比較して高いエッチングレート及び高度な形状制御性が得られない。
また、前記ドライエッチングを１．５Pa以下の作動圧力下で行うようにすれば、ラジカル反応が抑制されて層間絶縁膜にダメージを与えることが防止できる。
尚、前記層間絶縁膜には、比誘電率の低い低誘電率層間絶縁膜を含まれる。
これにより、本発明の層間絶縁膜のエッチング方法は、、層間絶縁膜をドライエッチングする場合に、エッチング特性が変化することなく高いエッチングレートが得られ、層間絶縁膜にダメージを与えることがないという効果を奏する。
図１を参照して、１は、本発明の低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングして配線用のホール、トレンチの微細加工を実行するエッチング装置を示す。このエッチング装置１は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段１１ａを備えた真空チャンバー１１を有する。その上部には、誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部１２が、その下部には基板電極部１３が設けられている。プラズマ発生部１２を区画する壁（誘電体側壁）１４の外側には、三つの磁場コイル１５、１６、１７が設けられ、この磁場コイル１５，１６、１７によって、プラズマ発生部１２内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。中間の磁場コイル１６と誘電体側壁１４の外側との間にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル１９が配置され、この高周波アンテナコイル１８は、第１高周波電源１９に接続され、三つの磁場コイル１５、１６、１７によって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。
磁気中性線の作る面と対向させて基板電極部１３内には、処理基板Ｓが載置される基板電極２０が絶縁体２０ａを介して設けられている。この基板電極２０は、コンデンサー２１を介して第２高周波電源２２に接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となる。また、プラズマ発生部１２の天板２３は、誘電体側壁１４の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態とし対向電極を形成する。この天板２３の内面には、真空チャンバ１１内にエッチングガスを導入するガス導入ノズル２４が設けられ、このガス導入ノズル２４が、ガス流量制御手段（図示せず）を介してガス源に接続されている。
上記エッチング装置を用いて、処理基板Ｓ上に形成され、トレンチの微細加工される低誘電率層間絶縁膜としては、スピンコートによって形成されたＨＳＱやＭＳＱのようなＳｉＯＣＨ系材料、或いはＣＶＤによって形成されるＳｉＯＣ系材料で比誘電率２．０〜３．０のＬｏｗーｋ材料であり、多孔質材料であってもよい。塗布系であってＳｉＯＣＨ系材料としては、例えば、商品名NCS／触媒化成工業社製、商品名ＬＫＤ５１０９ｒ５／ＪＳＲ社製、商品名HSG−７０００／日立化成社製、商品名HOSP／Honeywell Electric Materials社製、商品名Nanoglass／Honeywell Electric Materials社製、商品名OCD T−１２／東京応化社製、商品名OCD T−３２／東京応化社製、商品名IPS２．４／触媒化成工業社製、商品名IPS２．２／触媒化成工業社製、商品名ALCAP−S５１００／旭化成社製、商品名ＩＳＭ／ＵＬＶＡＣ社製がある。
ＳｉＯＣ系材料としては、例えば、商品名Aurola２．７／日本ＡＳＭ社製、商品名Aurola２．４／日本ＡＳＭ社製、商品名Orion２．７／TRIKON社製、商品名Coral／Novellf社製、商品名Black Diamond／AMAT社製がある。また、商品名SiLK／Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK／Dow Chemical社製、商品名FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 Porous FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 GX‐3P／Honeywell Electric Materials社製などの有機系の低誘電率層間絶縁膜でもでもよい。尚、低誘電率層間絶縁膜上には、レジストを塗布した後、フォトリソグラフ法で所定のパターンが形成される。レジストとしては、公知のものが用いられる。
ドライエッチングプロセスに用いるエッチングガスとしては、フッ化炭素ガスをエッチングガスとし、このフッ化炭素ガスに希ガスを添加した混合ガスを用いる。この場合、フッ化炭素ガスとして、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、ＣＦ３Ｉ、Ｃ３Ｆ７Ｉなどを用い、希ガスとして、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどを用いる。また、エッチングする場合の作動圧力は、ラジカル反応を抑制するため１．５Ｐａ以下に設定する。
そして、第１高周波電源１９を介して主放電用の電力を供給し、第２高周波電源２２を介して主放電により生成されたイオン種を処理基板Ｓへ入射させる基板バイアス用の電力を供給すると共に、エッチングガスを導入して層間絶縁膜のドライエッチングを行う。第２高周波電源２２の周波数は、３ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲内の所定値、好ましくは４ＭＨｚに設定する。この場合、第２高周波電源２２の周波数を従来のエッチング処理で使用されていた周波数（例えば、２ＭＨｚ）に設定して層間絶縁膜を一旦エッチングし、その際、マイクロトレンチの発生を抑制するのに最適な層間絶縁膜へのイオン入射エネルギ分布となるように、例えば第２高周波電源２２の投入電力などを変化させてＳｉＯ２またはＬｏｗ−Ｋ材料の異方性エッチング条件を見出す。次に、処理基板Ｓ上でのプラズマ生成に寄与する割合を大きくしてエッチャントが多く生成されるように、上記範囲で第２高周波電源２２の周波数を変更し、同じエッチング条件の下で層間絶縁膜をエッチングする。これにより、マイクロトレンチの発生及びエッチング特性の変化が防止されると共に、高いエッチングレートが得られる。
本実施例では、ＳｉＯＣＨ系材料として、比誘電率（ｋ）２．５のＭＳＱを用い、スピンコータを使用して処理基板Ｓ上に、５００ｎｍの膜厚で低誘電率層間絶縁膜を形成した。そして、この低誘電率層間絶縁膜上に、スピンコータによりレジストを塗布し、フォトリソグラフ法で所定のパターンを形成した。この場合、レジストとしては、例えばＵＶ−IIを使用し、レジスト層の厚さを５００ｎｍとした。
次に、図１に示すエッチング装置１を用いて、ＣＦ４をエッチングガスとし、ＣＦ４にアルゴンを添加した混合ガスを真空チャンバ１１内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。この場合、ＣＦ４とアルゴンとの混合ガスのガス流量を４００ｓｃｃｍとした。また、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を１．２ＫＷ（周波数１３．５６ＭＨｚ）、基板電極２１に接続した基板バイアス用の高周波電源２２の出力を８０Ｗ、基板温度０℃、真空チャンバ１１の圧力を０．７Ｐａに設定して行った。尚、基板バイアス用の第２高周波電源２２の周波数について２ＭＨz、４ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ及び２７ＭＨｚにそれぞれ設定してエッチングを行った。
図２は、上記条件での各トレンチパターンサイズに対するエッチング深さを示し、図３は、そのときの各周波数でエッチングした場合のエッチングレートを示す。図４は、上記条件で低誘電率層間絶縁膜及びレジストマスクをエッチングしたときのＳＥＭ写真である。これによれば、２ＭＨｚ及び４ＭＨｚでは、入射イオンエネルギの分布が適切になってそれぞれマイクロトレンチの発生が抑制されていることが判る（図４参照）。また、第２高周波電源２２の周波数を４ＭＨｚに設定すると、２ＭＨｚに設定したときより、エッチングレートが約３０％向上している。これは、処理基板Ｓ上でのプラズマ生成に寄与する割合が最適になることでエッチャントがより多く生成されるためである。尚、第２高周波電源２２の周波数を１３．５６ＭＨｚ及び２７ＭＨｚに設定すれば、２ＭＨｚに設定した場合と比較してエッチングレートが低下し、実用的でなく、また、マイクロローディングが発生した。
１ エッチング装置
１１ 真空チャンバ
１２ プラズマ発生部
１３ 基板電極部
Ｓ 処理基板
１１ 真空チャンバ
１２ プラズマ発生部
１３ 基板電極部
Ｓ 処理基板
Claims (3)
- 第１高周波電源を介して主放電用の電力を供給し、第２高周波電源を介して主放電により生成されたイオン種を基板へ入射させる基板バイアス用の電力を供給すると共に、エッチングガスを導入して層間絶縁膜をドライエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する層間絶縁膜のドライエッチング方法であって、前記第２高周波電源の周波数を３ＭＨｚから６ＭＨｚの範囲内の所定値に設定して前記ドライエッチングを行うようにしたものにおいて、
前記第２高周波電源の周波数を所定周波数に設定して層間絶縁膜を一旦エッチングし、マイクロトレンチの発生を抑制するのに最適な層間絶縁膜へのイオン入射エネルギ分布となるエッチング条件を見出し、このエッチング条件で、前記第２高周波電源の周波数を前記所定値に変更することを特徴とする層間絶縁膜のドライエッチング方法。 - 前記ドライエッチングを１．５Pa以下の作動圧力下で行うことを特徴とする請求項１記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
- 前記層間絶縁膜が、ＳｉＯ２または比誘電率の低い層間絶縁膜を含むことを特徴とする請求項１または請求項２記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
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