JP5580844B2

JP5580844B2 - エッチング方法

Info

Publication number: JP5580844B2
Application number: JP2012049271A
Authority: JP
Inventors: 暁志布瀬; 究藤本
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2012114463A

Description

本発明は、ＳｉＣ部分またはＳｉＮ部分を有する被処理体、例えば、バリア層としてのＳｉＣ膜またはＳｉＮ膜とその上に形成された層間絶縁膜とを有する半導体ウエハを処理容器内に収容し、被処理体のＳｉＣ部分またはＳｉＮ部分をエッチングガスのプラズマによりエッチングするエッチング方法に関する。

半導体デバイスの配線工程では、配線層間には層間絶縁膜が形成されており、配線層を導通させるために層間絶縁膜をエッチングする。この場合に、層間絶縁層の下にはバリア層としてＳｉＣ膜やＳｉＮ膜が形成される。そして、配線パターンを形成するために、層間絶縁膜に引き続いてＳｉＣ膜やＳｉＮ膜をエッチングする場合には、これらは層間絶縁膜をマスクとしてエッチングされることとなる。

一方、半導体デバイスにおいては、さらなる高速化の要求から、層間絶縁膜として低誘電率材料が用いられつつある。このような低誘電率材料としては有機Ｓｉ系のものが知られている。

ところで、ＳｉＣ膜をエッチングする技術としては、特許文献１にはＣＦ_４およびＯ_２を用いる技術が開示されており、特許文献２にはＣＦ_４、ＣＨＦ_３およびＯ_２を用いる技術が開示されており、特許文献３にはＣＨＦ_３およびＡｒを用いる技術が開示されているが、これらの技術ではエッチングレートがいずれも１０ｎｍ／ｍｉｎ程度であり必ずしも十分とはいえない。また、これらの技術で有機Ｓｉ系低誘電率膜をマスクとしてＳｉＣ膜をエッチングする場合には、エッチングレートが小さいことに加えて上層の有機Ｓｉ系低誘電率膜に対する選択比が十分ではないという問題がある。

また、ＳｉＮ膜についても十分なエッチングレートを維持しつつ有機Ｓｉ系低誘電率膜に対するエッチング選択比を高くしてエッチングする技術は未だ得られていない。

特開昭５７−１２４４３８号公報特開昭６２−２１６３３５号公報特開平４−２９３２３４号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、十分なエッチングレートで被処理体のＳｉＣ部分をエッチングすることができるエッチング方法を提供することを目的とする。また、有機Ｓｉ系低誘電率膜をマスクとして被処理体のＳｉＣ部分をエッチングする場合に、エッチングレートおよび有機Ｓｉ系低誘電率膜に対するエッチング選択比を高くしてエッチングすることができるエッチング方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ＳｉＣ膜等のＳｉＣ部分を含む被処理体を処理容器に収容し、そのＳｉＣ部分をエッチングガスのプラズマによりエッチングする際に、高いエッチングレートでＳｉＣ部分をエッチングすることができるエッチングガスについて検討を重ねた結果、ＣＨ_２Ｆ_２を含むガス、ＣＨ_３Ｆを含むガスが有効であることを見出した。また、ＣＨ_２Ｆ_２を含むガス、ＣＨ_３Ｆを含むガスはＳｉＣの有機Ｓｉ系低誘電率膜に対するエッチング選択比を高める作用があることを見出した。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、本発明の一観点によれば、ＳｉＣ部分を含む被処理体を処理容器内に収容し、被処理体のＳｉＣ部分をエッチングガスのプラズマによりエッチングするエッチング方法であって、エッチングガスとしてＣＨ_３ＦとＣＦ _４とを含むガスを用いることを特徴とするエッチング方法が提供される。

上記本発明の一観点において、前記ガスとしてさらにＯ_２を含むものを用いることができる。また、Ｏ_２に代えてまたはＯ_２に加えてＡｒを含むものを用いることができる。

上記一観点において、被処理体のＳｉＣ部分を有機Ｓｉ系低誘電率膜をマスクとしてＳｉＣのエッチングを行うことにより、上述のように有機Ｓｉ系低誘電率膜に対するエッチング選択比を高くすることができる。

本発明によれば、ＣＨ_３ＦとＣＦ _４とを含むガスでＳｉＣをエッチングすることにより、高いエッチングレートを得ることができる。また、ＣＨ_３ＦとＣＦ _４とを含むガスで有機Ｓｉ系低誘電率膜をマスクとしてＳｉＣをエッチングすれば、エッチングレートおよび有機Ｓｉ系低誘電率膜に対するエッチング選択比を高くしてエッチングすることができる。

本発明のエッチング方法を実施するためのドライエッチング装置の一例を示す概略断面図。配線層の上にＳｉＣ膜が形成され、さらにその上に有機Ｓｉ系低誘電率膜が形成された構造体、およびその構造体において有機Ｓｉ系低誘電率膜に引き続いてＳｉＣ膜をエッチングする状態を示す断面図。配線層の上にＳｉＮ膜が形成され、さらにその上に有機Ｓｉ系低誘電率膜が形成された構造体、およびその構造体において有機Ｓｉ系低誘電率膜に引き続いてＳｉＮ膜をエッチングする状態を示す断面図。ＳｉＮ膜のエッチングにおいて、Ａｒ量およびガス圧力と、ＳｉＮ膜のエッチングレートおよびＳｉＮ膜の有機Ｓｉ系低誘電率膜に対するエッチング選択比との関係を示すグラフ。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明を実施するためのドライエッチング装置を示す概略断面図である。

このエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板エッチング装置として構成されている。

このエッチング処理装置１は、例えば表面がセラミック溶射処理されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は保安接地されている。前記チャンバー２内には例えばシリコンからなり、その上に所定の膜が形成された半導体ウエハ（以下単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に載置し、下部電極として機能するサセプタ３が支持部材４に支持された状態で設けられている。この支持部材４はセラミックなどの絶縁板５を介して、図示しない昇降装置の支持台６により支持されており、この昇降機構によってサセプタ３が昇降可能となっている。支持台６の下方中央の大気部分は、ベローズ７で覆われており、チャンバー２内と大気部分とが分離されている。

前記支持部材４の内部には、冷媒室８が設けられており、この冷媒室８には、例えばガルデンなどの冷媒が冷媒導入管８ａを介して導入されて循環し、その冷熱が前記サセプタ３を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。また、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路９が設けられており、この伝熱媒体を介してサセプタ３の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持される。

前記サセプタ３は、その***部が凸状の円板状に成形され、その上に絶縁材の間に電極１２が介在されてなる静電チャック１１が設けられており、電極１２に接続された直流電源１３から直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。前記サセプタ３の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、エッチングの均一性を向上させるための環状のフォーカスリング１５が配置されている。

前記サセプタ３の上方には、このサセプタ３と平行に対向して上部電極として機能するシャワーヘッド２１が設けられている。このシャワーヘッド２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ３との対向面２４には多数の吐出孔２３を有している。なお、サセプタ３とシャワーヘッド２１とは、例えば２５〜５５ｍｍ程度離間され、この距離は前記昇降機構により調節可能である。

前記シャワーヘッド２１の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８を介して、エッチングガス供給源３０が接続されている。そして、エッチングガス供給源３０から、所定のエッチングガスが供給される。

このエッチングガス供給源３０は、ＳｉＣ膜をエッチングする場合には、ＣＨ_３ＦまたはＣＨ_２Ｆ_２ガス源、ＣＦ_４ガス源、Ｏ_２ガス源、およびＡｒガス源から、それぞれＣＨ_３ＦガスまたはＣＨ_２Ｆ_２ガス、ＣＦ_４ガス、Ｏ_２ガス、およびＡｒガスを供給するような構成にされる。一方、ＳｉＮ膜をエッチングする場合には、ＣＨ_２Ｆ_２ガス源、Ｏ_２ガス源、およびＡｒガス源から、それぞれＣＨ_２Ｆ_２ガス、Ｏ_２ガス、およびＡｒガスを供給するような構成にされる。

前記チャンバー２の側壁底部近傍には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。

上部電極として機能するシャワーヘッド２１には、高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介在されている。この高周波電源４０は、例えば６０ＭＨｚの周波数の高周波を供給する。また、シャワーヘッド２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。

下部電極として機能するサセプタ３には、高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この高周波電源５０は、例えば２ＭＨｚの周波数の高周波を供給する。また、このサセプタ３にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）１６が接続されている。

次に、上記エッチング装置を用いてＳｉＣ膜をエッチングする方法について説明する。ここでは、図２の（ａ）に示すように、例えばＣｕからなる配線層６０上にバリア層としてのＳｉＣ膜６１を形成し、その上に有機Ｓｉ系低誘電率膜からなる層間絶縁膜６２を形成した構造体において、レジスト層６３をマスクとして層間絶縁膜６２をエッチングして図２の（ｂ）に示す構造を作成した後、層間絶縁膜６２をマスクとしてＳｉＣ膜をエッチングする。

ここで、有機Ｓｉ系低誘電率膜を構成する材料の典型例としては、以下に示す化学式を有するポリオルガノシロキサンを挙げることができる。

ただし、化学式中、Ｒは、メチル基、エチル基、プロピル基等のアルキル基、もしくはそれらの誘導体、またはフェニル基等のアリル基、もしくはその誘導体である。

このエッチングに際しては、上記エッチング装置１のサセプタ３とシャワーヘッド２１とのギャップを例えば８０ｍｍに設定し、ゲートバルブ３２を開放して、図２の（ｂ）に示すＳｉＣ膜６１上に所定パターンにエッチングされた有機Ｓｉ系低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）からなる層間絶縁膜６２を有するウエハＷをチャンバー２内へ搬入し、サセプタ３上に載置する。そして、直流電源１３からウエハＷに直流電圧を印加してウエハＷを静電チャック１１によって静電吸着させる。次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気装置３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引きする。

この状態でエッチングガス供給源３０から所定のエッチングガスをチャンバー２内へ供給する。ここではＳｉＣ膜６１をエッチングするために、エッチングガス供給源３０は、ＣＨ_３ＦまたはＣＨ_２Ｆ_２ガス源、ＣＦ_４ガス源、Ｏ_２ガス源、およびＡｒガス源を有しており、これらから、それぞれＣＨ_３ＦガスまたはＣＨ_２Ｆ_２ガス、ＣＦ_４ガス、Ｏ_２ガス、およびＡｒガスをチャンバー２内へ供給する。そして、高周波電源４０からシャワーヘッド２１に所定の周波数の高周波電力を印加し、これにより、上部電極としてのシャワーヘッド２１と下部電極としてのサセプタ３との間に高周波電界を生じさせ、上記ＣＨ_３ＦガスまたはＣＨ_２Ｆ_２ガス、ＣＦ_４ガス、Ｏ_２ガス、およびＡｒガスをプラズマ化し、図２の（ｃ）に示すように、これらをＳｉＣ膜６１に作用させてＳｉＣ膜６１のエッチングを進行させる。このとき、高周波電源５０から下部電極であるサセプタ３に所定の周波数の高周波電力を印加してプラズマ中のイオンをサセプタ３側へ引き込むようにする。

この際に、ＣＨ_３Ｆを用いた場合にはＣＨ_３Ｆ、ＣＦ_４、Ｏ_２、およびＡｒの相乗効果により高いエッチングレートが得られるとともに、主にＣＨ_３ＦおよびＡｒの作用により、ＳｉＣ膜６１のｌｏｗ−ｋ膜６２に対するエッチング選択比を高いものとすることができる。具体的には、ＳｉＣ膜のエッチングレートを２０ｎｍ／ｍｉｎ以上、ｌｏｗ−ｋ膜に対するエッチング選択比を１０以上とすることができる。また、ＣＨ_３Ｆの代わりにＣＨ_２Ｆ_２を用いた場合には、ＣＨ_３Ｆを用いた場合よりもエッチング選択比は多少劣るが、同様に高いエッチングレートを得ることができる。これらのガスの中で、ＣＨ_３ＦはＳｉＣ膜を選択的にエッチングしてエッチング選択比を高める効果を有する。ＣＨ_２Ｆ_２はＣＨ_３Ｆと同様の作用を及ぼすが、ＣＨ_３Ｆよりもエッチング選択比を高める効果は多少劣る。また、Ａｒもショルダー部分のエッチング選択比を高める効果を有する。

次に、実際にポリメチルシロキサンを主成分とするｌｏｗ−ｋ膜をマスクとしてＳｉＣ膜をエッチングした結果について説明する。まず、図１に示した装置を用い、チャンバー内の圧力を６．６５Ｐａとし、シャワーヘッドにプラズマ形成用の６０ＭＨｚの高周波電力を供給し、サセプタにイオン引き込み用の２ＭＨｚの高周波電力を供給し、エッチングガス組成および流量、ならびに高周波電力を表１のように種々変化させてエッチングを行った。なお、サセプタとシャワーヘッドとのギャップは３５ｍｍとした。

その結果、表１に示すように、エッチングガスとしてＣＨ_２Ｆ_２またはＣＨ_３Ｆを含むものを用いることにより、エッチングレートが２０ｎｍ／ｍｉｎ以上となることが確認された。また、これらはいずれもｌｏｗ−ｋ膜に対するエッチング選択比がｌｏｗ−ｋ膜のショルダー部分で１０以上であった。

次いで、エッチング装置として、図１とは異なり、サセプタのみに高周波電力を供給し、サセプタとシャワーヘッドとの間の空間に水平磁界を形成するダイポールリングマグネットを具備し、マグネトロンプラズマエッチングを行う装置を用い、チャンバー内の圧力を９．９８Ｐａとし、サセプタに１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給し、エッチングガスを表１のＮｏ．５と同様にＣＨ_３ＦおよびＯ_２ガスのみとし、これらガスの流量および高周波電力を表２のように変化させてエッチングを行った。なお、サセプタとシャワーヘッドとのギャップは２７ｍｍとした。

その結果、表２に示すように、エッチングレートが１３０ｎｍ／ｍｉｎ以上、エッチング選択比が１０．７以上という値が得られた。

次に、上記エッチング装置を用いてＳｉＮ膜をエッチングする方法について説明する。ここでは、上記ＳｉＣ膜の代わりにＳｉＮ膜を設けた構造、すなわち図３の（ａ）に示すように、例えばＣｕからなる配線層６０上にバリア層としてのＳｉＮ膜６４を形成し、その上に有機Ｓｉ系低誘電率膜からなる層間絶縁膜６２を形成した構造体において、レジスト層６３をマスクとして層間絶縁膜６２をエッチングして図３の（ｂ）に示す構造を作成した後、層間絶縁膜６２をマスクとしてＳｉＮ膜をエッチングする。

このエッチングに際しては、上記エッチング装置１のサセプタ３とシャワーヘッド２１とのギャップを例えば８０ｍｍに設定し、ゲートバルブ３２を開放して、図３の（ｂ）に示すＳｉＮ膜６４上に所定パターンにエッチングされた有機Ｓｉ系低誘電率膜（ｌｏｗ−ｋ膜）からなる層間絶縁膜６２を有するウエハＷをチャンバー２内へ搬入し、サセプタ３上に載置し、静電チャック１１にて静電吸着させた後、ゲートバルブ３２を閉じ、排気装置３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引きする。

この状態でエッチングガス供給源３０から所定のエッチングガスをチャンバー２内へ供給する。ここではＳｉＮ膜６４をエッチングするために、エッチングガス供給源３０は、ＣＨ_２Ｆ_２ガス源、Ｏ_２ガス源、およびＡｒガス源を有しており、これらから、それぞれＣＨ_２Ｆ_２ガス、Ｏ_２ガス、およびＡｒガスをチャンバー２内へ供給する。そして、高周波電源４０からシャワーヘッド２１に所定の周波数の高周波電力を印加し、これにより、上部電極としてのシャワーヘッド２１と下部電極としてのサセプタ３との間に高周波電界を生じさせ、上記ＣＨ_２Ｆ_２ガス、Ｏ_２ガス、およびＡｒガスをプラズマ化し、図３の（ｃ）に示すように、これらをＳｉＮ膜６４に作用させてＳｉＮ膜６４のエッチングを進行させる。このとき、高周波電源５０から下部電極であるサセプタ３に所定の周波数の高周波電力を印加してプラズマ中のイオンをサセプタ３側へ引き込むようにする。この際に、Ａｒ量に応じてチャンバー２内のガス圧力を調整してエッチングを行う。

このようにエッチングガスとしてＣＨ_２Ｆ_２およびＯ_２を上記所定比率で導入し、Ａｒ量に応じてチャンバー２内のガス圧力を調整することにより、エッチングレートを高く維持したまま、ＳｉＮ膜のｌｏｗ−ｋ膜に対するエッチング選択比を上昇させることができる。

具体的には、図４に示すような関係が得られる。図４は、ＣＨ_２Ｆ_２を０．０１Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ_２を０．０１Ｌ／ｍｉｎの流量に固定し、Ａｒ流量をＡｒ／（ＣＨ_２Ｆ_２＋Ｏ_２）が０〜１５に対応する０〜０．３Ｌ／ｍｉｎの範囲、チャンバー内ガス圧力を好ましい範囲である１．３〜１２．０Ｐａの間で変化させてＳｉＮ膜をエッチングした結果を示す図である。ここでは、シャワーヘッドに６０ＭＨｚ、１５００Ｗの高周波電力を印加し、サセプタに２ＭＨｚ、１００Ｗの高周波電力を印加した。この図に示すように、図４の斜線の領域でＳｉＮ膜のエッチングレートが１００ｎｍ／ｍｉｎ以上でｌｏｗ−ｋ膜に対するエッチング選択比が１０以上となった。すなわち、Ａｒ流量が０〜０．３Ｌ／ｍｉｎ、チャンバー内ガス圧力が１．３〜１２．０Ｐａの範囲において、Ａｒ流量に応じて適正なガス圧力があることがわかる。

また、上部電極であるシャワーヘッド２１における高周波電圧のピークトゥピーク（peak to peak）値Ｖppの値が３００Ｖ以下であることが好ましい。このようにＶppを規定することによりｌｏｗ−ｋ膜に対するエッチング選択比３０以上という高い値を得ることができる。

次に、好ましい条件の範囲内で実際にｌｏｗ−ｋ膜をマスクとしてＳｉＮ膜をエッチングした結果について説明する。ここでは、ｌｏｗ−ｋ膜としてポリメチルシロキサンを主成分とするものを用い、エッチングガスとして、ＣＨ_２Ｆ_２を０．０１Ｌ／ｍｉｎ、Ｏ_２を０．０１Ｌ／ｍｉｎ、Ａｒを０．１Ｌ／ｍｉｎの流量でチャンバー内に導入し、チャンバー内の圧力を６．６５Ｐａとし、シャワーヘッドにプラズマ形成用の６０ＭＨｚ、１５００Ｗの高周波電力を供給し、サセプタにイオン引き込み用の２ＭＨｚ、１００Ｗの高周波電力を供給してエッチングを行った。なお、サセプタとシャワーヘッドとのギャップは３５ｍｍとした。その結果、エッチングレートは、センターで２３２．５ｎｍ／ｍｉｎ、エッジで２５０．０ｎｍ／ｍｉｎであり、エッチング選択比はｌｏｗ−ｋ膜のショルダー部分で１０以上であった。この際のＶppの値は２５２Ｖであった。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々変形が可能である。例えば上記実施の形態ではＳｉＣ膜のエッチングについて有機Ｓｉ系低誘電率膜の下層に形成されたもののエッチングについて示したが、これに限るものではない。また、有機Ｓｉ系低誘電率膜としてポリオルガノシロキサンを用いたがこれに限るものではない。さらに、上記実施形態では、エッチング装置として、チャンバー内に上部電極としてのシャワーヘッドおよび下部電極としてのサセプタを対向するように設け、サセプタにウエハを支持させた状態で、エッチングガスを導入しつつ、シャワーヘッドにプラズマ形成用の高周波電力を印加し、サセプタにイオン引き込み用の高周波電力を印加する構成のものを用いたが、これに限るものではなく、例えば、上部電極および下部電極のいずれか一方に高周波電力を印加する構造のものであってもよいし、また、磁界を重畳させたマグネトロンプラズマエッチングを行うものであってもよい。

１；エッチング装置
２；チャンバー
３；サセプタ
２１；シャワーヘッド
３０；エッチングガス供給源
４０，５０；高周波電源
６１；ＳｉＣ膜
６２；層間絶縁膜（有機Ｓｉ系低誘電率膜）
６４；ＳｉＮ膜
Ｗ；半導体ウエハ

Claims

ＳｉＣ部分を含む被処理体を処理容器内に収容し、被処理体のＳｉＣ部分をエッチングガスのプラズマによりエッチングするエッチング方法であって、エッチングガスとしてＣＨ_３ＦとＣＦ _４とを含むガスを用いることを特徴とするエッチング方法。
前記ガスはさらにＯ_２を含むことを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
前記ガスはさらにＡｒを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエッチング方法。
有機Ｓｉ系低誘電率膜をマスクとして被処理体のＳｉＣ部分をエッチングすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエッチング方法。