JP4378234B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマエッチング技術に係り、特に反応生成物による加工形状の変動を抑制することのできるエッチング技術に関する。

半導体デバイスの高速化に伴って、使用される配線幅は微細化している。また、配線の低抵抗化のため、配線材料はＣｕ（銅）に移行している。配線材料としてＣｕを採用する場合には、Ｃｕのドライエッチングが技術的に困難なことから、まず、Ｃｕ配線を配置する位置の層間絶縁膜にエッチングにより溝を形成した後、この溝にメッキ処理等によりＣｕを埋め込み、更に、余分なＣｕを平坦化CMP (Chemical Mechanical Polishing）処理により削りとって配線パターンとして形成する方法（ダマシン（Damascene）技術）が採用されている。

ところで、半導体デバイスの製造工程では、たとえば成膜、エッチング、アッシングなどの微細加工プロセスにプラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理によるプロセスは、処理室内部に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体ウエハ表面で反応させて微細加工を行うとともに、揮発性の反応生成物を排気することにより、所定の処理を行うものである。

このプラズマ処理プロセスでは、処理室内部の材料、ウエハの温度、あるいは処理室内部材への反応生成物の堆積状態がプロセスに大きな影響を及ぼす。このため、プラズマ処理装置においては、プロセスを安定に保つために、処理室内部の温度や表面への反応生成物の堆積を制御し、迅速に排気することが重要である。

たとえば、特許文献１には、平行平板型のプラズマ処理装置において、プラズマ処理により生じる反応生成物の付着を抑制するために、処理室内壁部にＹ_２Ｏ_３溶射被膜を設けることが記載されている（特許文献１参照）。

また、特許文献２には、第１エッチングガスで第２膜をエッチングするによって第１膜上に堆積した反応生成物を、第２エッチングガスで除去して第１膜を露出させること、および第１膜を第３エッチングガスでエッチングする第３工程によって基板上に堆積した反応生成物を第４エッチングガスで除去する第４工程とを備え、これにより反応生成物を効率よく除去することのできるエッチング方法が示されている。
特開２００３−２６４１６９号公報 特開２００２−１５８２１３号公報

前述のダマシン法等を用いた微細加工の対象となる基板（被処理基板）は、例えば後述する図２に示すように複数の薄膜で構成されている。また、これらの薄膜に最適な処理条件で処理を行なうためには、相互に悪影響を及ぼさない処理条件で処理を施すことが重要となる。

例えば、エッチングマスクとなるホトレジスト膜１直下の反射防止膜２やシリコン酸化膜３にはＣＦ_４などのエッチングガスを用いてプラス間処理を施す。この場合、このプラズマ処理による装置内への反応生成物の堆積性は比較的弱い。

一方、有機系シリコン酸化膜４（ＳｉＯＣ膜など）のエッチングにおいては、エッチングマスクとなるレジスト１、反射防止膜２やシリコン酸化膜３あるいは下地膜であるＳｉＣ膜５との選択性エッチングを確保するため、堆積性の強いプラズマ処理条件、例えばＡｒ、ＣＨＦ系、ＣＦ系、Ｎ_２等から選択構成される混合ガスによるプラズマ処理が用いられる。このプラズマ処理条件は、堆積性が強く処理室内に反応生成物がより堆積しやすい。

このように、反射防止膜、シリコン酸化膜、有機系シリコン酸化膜を含む処理基板にエッチング処理を施す場合には、堆積性の比較的弱いプラズマ処理と堆積性の比較的強いプラズマ処理とが混在することになる。

図６は、従来のエッチング処理（連続処理時）フローの一例を示す図である。エッチング処理は、まず堆積性の弱いプラズマ処理を８０秒実施した。この際、シリコン膜のエッチング残りが発生しないよう、下層膜である有機系シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜など）の一部まで充分にエッチング処理を行う。その後、堆積性の強いプラズマ処理を６０秒実施した。この際も、有機系シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜など）のエッチング残りが発生しないよう、下層膜であるＳｉＣ膜の一部まで充分にエッチング処理を行う。

図７は、図６に示すエッチング処理を、図６（ａ）、（ｂ）に示すように繰り返し実施した場合に得られるエッチング形状を示す図である。図に示すように、エッチング断面の形状は階段状に形成されており好ましい形状ではない。

図８は、装置安定化プラズマ処理を含むエッチング処理フローを説明する図である。 エッチング処理を行なう際には、まず、図８（ａ）に示すＳｉ基板（ダミー基板）を用いた装置安定化プラズマ処理を行い、次いで、図８（ｂ）に示す通常のエッチング処理を行う。図８（ａ）に示す装置安定化プラズマ処理は、処理装置の状態を安定化し、エッチング性能の変動を抑制するためにＳｉ基板（ダミー基板）を載置した状態で行なわれる。このプラズマ処理には図８（ｂ）に示す通常のエッチング処理条件と同様な条件が用いられる。

図８に示すように、この例の場合もエッチング処理前に行うＣＦ_４ガスを含む堆積性の比較的弱いプラズマ処理と、堆積性の強いプラズマ処理が混在する。このため、装置安定化プラズマ処理に引き続き、被処理基板を用いたエッチング処理を施すと、図７に示す場合と同様に階段状のエッチング形状が得られる。

前記階段状のエッチング形状の発生原因について、本願発明者らは、堆積性の強いプラズマ処理により処理装置内に堆積した反応生成物が、ＣＦ_４ガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理時に再度化学反応し、この反応生成物が被処理基板の側壁部に再付着することに起因するものであることを見出した。すなわち、前記再付着により加工寸法が狭小化し、引き続き実施する堆積性の強いプラズマ処理時には狭小化した被処理基板の最下層部の寸法を基準にして、より下層側がエッチング処理されることになる。このため、レジストマスク直下に比較して、堆積性の強いエッチング処理を施した後のより下層側の加工寸法はより狭小化し、エッチングの断面形状は図７に示したような階段状（実際には多段階の斜面状になる）になるものである。

本発明は、これらの点に鑑みてなされたもので、反応生成物の付着による加工形状の変動を抑制することのできるエッチング処理技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

シリコン基板上にＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ２膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を、処理室内に配置された試料載置台に載置し、前記処理室内に生成した処理ガスのプラズマを利用して、前記フォトレジスト層をマスクとして前記ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ２膜および反射防止膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱いＣＦ４ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程と、処理ガスとして反応生成物の堆積性の強いＡｒ、ＣＨＦ３、Ｎ２の混合ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程と、処理ガスとして前記反応生成物の堆積性の弱いＣＦ４ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングする後処理工程を備え、前記後処理工程は、前記反応生成物の堆積性の強いＡｒ、ＣＨＦ３、Ｎ２の混合ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程である。

本発明は、以上の構成を備えるため、反応生成物の付着による加工形状の変動を抑制することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明のエッチング処理に使用するプラズマエッチング装置を説明する図である。この例ではエッチング装置としてＵＨＦ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を採用したが、他のプラズマエッチング装置を用いることができる。

図１において、１００は処理室、１０１は上部アンテナ、１０２は高周波電源、１０３はマッチングフィルタ、１０４はコイル、１０５はプラズマ、１０６は側壁スリーブ、１０７は被処理基板である試料を載置する試料載置台、１０８は被処理基板（試料）、１０９マッチングフィルタ、１１０はＲＦバイアス電源、１１１は試料台リング、１１２はリング、１１３はターボ分子ポンプである。

図１に示すプラズマエッチング装置において、真空排気した処理室１００内には、エッチングガスであるＡｒ（アルゴン）、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、Ｎ_２（窒素）等のガスを選択し、図示しないガスボンベからガス配管、マスフローコントローラを介して上部アンテナ１０１の表面に設けた微細な孔を通して処理室１００内にシャワー状に供給する。このとき、可変バルブにより、処理室内を所望の圧力に調整する。

また、高周波電源１０２（例えば、周波数４５０ＭＨｚのＵＨＦ電源および周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源）から発生した高周波をマッチングフィルタ１０３、上部アンテナ１０１を介して処理室１００内に導入する。また、処理室１００の周辺に配置したコイル１０４により磁場を形成する。これにより、前記磁場とＵＨＦ波との相互作用によりＥＣＲ放電が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ１０５が生成される。

処理室１００の下方に設けられた載置台１０７上には、例えば直径２００ｍｍの被処理基板１０８を載置する。載置台１０７には、例えば８００ＫＨｚのＲＦバイアス電源１１０がマッチングフィルタ１０９を介して供給されている。これにより、プラズマ中のイオンを被処理基板１０８上に引き込み、表面に吸着したラジカルとの相互作用によるイオンアシスト反応により、異方性エッチングが進行する。エッチング中に生成した反応生成物は、ターボ分子ポンプ１１３により排気される。

図２は、被処理基板の構成を説明する図である。図２に示すように、Ｓｉ基板６上に順次、ＳｉＣ膜５を５０ｎｍ、ＳｉＯＣ膜４を４００ｎｍ、ＳｉＯ２膜３を５０ｎｍ成膜し、その上に反射防止膜２を６０ｎｍ形成し、最上部には６００ｎｍのフォトレジスト１がパターニングされている。

図３は、図２に示す被処理基板にエッチング処理を施す際の処理フロー（連続処理）を説明する図である。処理に際しては、まず、図３（ａ）に示すように、反射防止膜２、ＳｉＯ_２膜３に対してＣＦ_４ガスを用い、プラズマソース電力８００Ｗ、基板バイアス電力（被処理基板に印加する電力）１００Ｗで堆積性の弱いプラズマ処理（生成する反応生成物の堆積性が弱い処理ガスを用いたプラズマ処理）を８０秒実施した。その後、Ａｒ／ＣＨＦ_３／Ｎ_２の混合ガスを用い、プラズマソース電力２００Ｗ、基板バイアス電力６００Ｗで堆積性の強いプラズマ処理（生成する反応生成物の堆積性が強い処理ガスを用いたプラズマ処理）を６０秒実施した。なお、前記堆積性の弱いプラズマ処理に際しては、ＳｉＯ_２膜３のエッチング残りが発生しないように、下層膜である有機系シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜４など）の一部まで充分にエッチング処理を行う。

その後、前記堆積性の強いプラズマ処理により発生し処理室内に堆積した反応生成物を大幅に低減するため、ＣＦ_４ガスを用い、プラズマソース電力８００Ｗ、基板バイアス電力０Ｗでプラズマ処理（後処理）を３０秒実施した（第１枚目の被処理基板の処理）。

このＣＦ_４ガスを用いた後処理では、下地膜であるＳｉＣ膜５のエッチングを避けるため、基板バイアス電力を印加しない状態で行う。このため、被処理基板に対するイオンの作用は非常に弱く、プラズマ処理により処理室内壁部の堆積物と化学反応した反応生成物は被処理基板の上面近傍に堆積しても溝の底部までは到達することができない。このため、溝の底部においても良好なエッチング形状を得ることができる。なお、反応生成物の被処理基板の上面近傍への堆積が好ましくない場合は、前記後処理時に被処理基板を搬出し、代わりにダミー基板（Ｓｉ基板）を載置しても良い。

次いで、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す第１枚目の被処理基板の処理と同じ条件で第２枚目以降の被処理基板を処理する。

なお、図３（ａ）に示す堆積性の弱いプラズマ処理に先立つ前処理として、通常の慣らし処理（エージング処理）を施すことが望ましい。慣らし処理としては、例えば、前記後処理と同じ処理をダミー基板を載置した状態で行うとよい。

図４は、処理後の被処理基板を示す図である。図４に示すように、処理した被処理基板を検査したところ、図４に示すように直線状の良好な加工形状を得られることが確認できた。

図４より明らかなように、プラズマエッチング処理のガス構成を含む処理手順を最適化するにより、処理装置内のプラズマ処理による反応生成物の試料側壁部への再付着を抑制でき、連続エッチング処理後のエッチング形状を改善することができた。

この例では、堆積性の強いプラズマ処理の後に、被処理基板を装置内に留置した状態でＣＦ_４を含むガスを用いた堆積性の弱いプラズマ処理工程（後処理）を付加している。

一般に、被処理基板のプラズマ処理では、構成材料であるレジスト１の成分である炭素、水素、酸素、ＳｉＯ_２膜３中のＳｉ成分、装置構成材料であるＳｉ成分、あるいはエッチングガスを構成するＣＦ系、Ｎ系の成分を含む反応生成物が処理装置内に堆積する。しかしながら、上記処理を付加することにより、処理装置内に堆積した反応生成物をＣＮ系あるいはＳｉＦ系の成分として装置内壁から除去することができる。

このため、次の被処理基板に基板バイアス電力を印加した状態でＣＦ_４ガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理を施す際には、このバイアス電力によるイオン吸引作用と相まって、装置内に堆積残留した反応生成物が化学反応して被処理基板側壁部に再付着する影響を大幅に減少させることができる。したがって、反応生成物の再付着に起因する階段状のエッチング形状を改善することが可能となる。

図５は、他の実施形態を説明する図である。まず、図１に示すプラズマエッチング装置の載置台１０７上にＳｉ基板（ダミー基板）を載置する。その後、図５（ａ）に示すように、堆積性の弱いプラズマ処理（前処理）を施す。このプラズマ処理では、装置安定化プラズマ処理としてＣＦ_４ガスを用い、プラズマソース電力８００Ｗ、基板バイアス電力１００Ｗで堆積性の弱いプラズマ処理を１２０秒実施した。

この場合、堆積性の強いＡｒ／ＣＨＦ_３／Ｎ_２の混合ガスを用いたプラズマ処理が行われていないため、装置内構成材料であるＳｉ成分との反応生成物であるＳｉＮ系の反応生成物あるいはＣＨＦ系の反応生成物に起因する堆積物の発生は極めて少ない。

その後、図２に示す構造の被処理基板を載置台１０７上に載置した後、図５（ｂ）に示すように、反射防止膜２、ＳｉＯ_２膜２に対してＣＦ_４ガスを用い、プラズマソース電力８００Ｗ、基板バイアス電力１００Ｗで堆積性の弱いプラズマ処理を８０秒実施した。その後、Ａｒ／ＣＨＦ_３／Ｎ_２の混合ガスを用い、プラズマソース電力２００Ｗ、基板バイアス電力６００Ｗで堆積性の強いプラズマ処理を６０秒実施した。なお、前記堆積性の弱いプラズマ処理に際しては、ＳｉＯ_２膜３のエッチング残りが発生しないよう、下層膜である有機系シリコン酸化膜（ＳｉＯＣ膜４など）の一部まで充分にエッチング処理を行う。

その後、前記堆積性の強いプラズマ処理により発生し処理室内に堆積した反応生成物を大幅に低減するため、ＣＦ_４ガスを用い、プラズマソース電力８００Ｗ、基板バイアス電力０Ｗでプラズマ処理（後処理）を３０秒実施した（第１枚目の被処理基板の処理）。

次いで、図５（ｂ）に示す第１枚目被処理基板の処理と同じ条件で第２枚目以降の被処理基板を処理する。

処理した被処理基板を検査したところ、図４に示すような階段状の形状が見られない直線状の良好な加工形状が得られた。

このように、本実施形態ではエッチング前の装置安定化プラズマ処理のガス構成を含む処理手順を最適化するにより、プラズマ処理による処理装置内への反応生成物の再付着を抑制できた。このため、引き続き行われるエッチング処理時の被処理基板側壁部への反応生成物の再付着が抑制され、エッチング処理後のエッチング形状を改善することができた。

この例では、被処理基板のエッチング前に実施する装置安定化プラズマ処理にＣＦ_４ガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理を用いている。この結果、このプラズマ処理後の処理装置内に堆積する反応生成物の量を大幅に低減できる。したがって、引き続き処理を行なう被処理基板のＣＦ_４ガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理の際に、装置内に堆積残留した反応生成物が化学反応して被処理基板側壁部に再付着する影響が大幅に減少する。このため、反応生成物の再付着に起因すると思われる階段状のエッチング形状を改善することが可能となる。

以上説明したように、堆積性の強いプラズマ処理後に処理室内に堆積した反応生成物を大幅に低減するＣＦ_４ガスを含むプラズマ処理工程を付加することにより、次の被処理基板のＣＦ_４ガスを含む堆積性の弱いプラズマエッチング処理時における基板側壁面への反応生成物の再付着を抑制し、被処理基板のエッチング処理後の階段状エッチング形状を改善することができる。また、エッチング処理前のプラズマ処理（前処理）についても、ＣＦ_４ガスを含む堆積性の弱いプラズマを用いた処理により処理室内への反応性生物の堆積を抑制し、プラズマエッチング処理時における処理基板側壁面への反応生成物の再付着を抑制することにより、従来発生していたエッチング処理直後の被処理基板の階段状エッチング形状を改善することができる。

本発明のエッチング処理に使用するプラズマエッチング装置を説明する図である。 被処理基板の構成を説明する図である。 図２に示す被処理基板にエッチング処理を施す際の処理フローを説明する図である。 処理後の被処理基板を示す図である。 他の実施形態を説明する図である。 従来のエッチング処理フローの一例を示す図である。 図６に示すエッチング処理を繰り返し実施した場合に得られるエッチング形状を示す図である。 装置安定化プラズマ処理を含むエッチング処理フローを説明する図である。

符号の説明

１００ 処理室
１０１ 上部アンテナ
１０２ 高周波電源
１０３，１０９ マッチングフィルタ
１０４ コイル
１０５ プラズマ
１０６ 側壁スリーブ
１０７ 載置台
１０８ 被処理基板
１１０ ＲＦバイアス電源
１１１ 試料台リング
１１２ リング
１１３ ターボ分子ポンプ

Claims (3)

1. シリコン基板上にＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ２膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を、処理室内に配置された試料載置台に載置し、前記処理室内に生成した処理ガスのプラズマを利用して、前記フォトレジスト層をマスクとして前記ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ２膜および反射防止膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、
   処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱いＣＦ４ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程と、
   処理ガスとして反応生成物の堆積性の強いＡｒ、ＣＨＦ３、Ｎ２の混合ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程と、
   処理ガスとして前記反応生成物の堆積性の弱いＣＦ４ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングする後処理工程を備え、
   前記後処理工程は、前記反応生成物の堆積性の強いＡｒ、ＣＨＦ３、Ｎ２の混合ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程であることを特徴とするエッチング方法。
2. 複数枚の試料の連続エッチング処理に先立って、処理室にダミー基板を搬入し、反応生成物の堆積性の弱いＣＦ４ガスを用いてダミー基板を処理する工程と、
   複数枚の試料のエッチングに際して、シリコン基板上にＳｉＣ膜、ＳｉＯＣ膜、ＳｉＯ２膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を処理室内に搬入し、
   処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱いＣＦ４ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程と、
   処理ガスとして反応生成物の堆積性の強いＡｒ、ＣＨＦ３、Ｎ２の混合ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程と、
   処理ガスとして前記反応生成物の堆積性の弱いＣＦ４ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングする後処理工程を備え、
   前記後処理工程は、前記反応生成物の堆積性の強いＡｒ、ＣＨＦ３、Ｎ２の混合ガスを用いて前記積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程であることを特徴とするエッチング方法。
3. 請求項１または２記載のエッチング方法において、前記エッチングする工程は前記複数の試料に対して順次施すことを特徴とするエッチング方法。

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