(57)【要約】【課題】Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜の塩素系ガスによるエッチング後に残ったフォトレジストや反射防止膜とエッチング表面に堆積した反応生成物やエッチングガスに伴う堆積物および残留した塩素を後処理装置にて、Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜にダメージを与えることなく除去する。【解決手段】Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜を塩素系ガスによりエッチングした後、酸素ガスを低圧力０．２〜１Ｐａ、低流量５〜２０ｃｃ／分で真空処理室に導入し、プラズマを生成し、かつ後処理するウェハ２を５０℃〜２００℃の温度にしつつウェハバイアス電力を５０〜２００Ｗ印加した状態で、生成したプラズマに曝すことにより、フォトレジスト成分、反射防止膜成分とハロゲン成分を同時に除去するエッチング後処理プロセスを行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜を含む積層配線構造の試料をハロゲン系ガスでエッチング処理した後、酸素ガスあるいは水素ガスを添加した酸素ガスを低圧・低流量で前記処理室内に導入し、プラズマ化し、同時に前記試料に高周波電圧を印加し、試料をプラズマに曝すことにより試料表面からフォトレジスト成分、反射防止膜成分およびハロゲン成分を除去することを特徴とするエッチング後処理方法。
【請求項２】
前記Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜は、Ｓｉ、Ｏ、Ｃ、Ｈの元素から成る膜で構成されることを特徴とする請求項１に記載のエッチング後処理方法。
【請求項３】
前記エッチングガスは、塩素ガスまたは塩素成分を含んだガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエッチング後処理方法。
【請求項４】
前記後処理ガスとして導入される酸素ガスあるいは水素ガスを添加した酸素ガスの流量が５〜２０ｃｃ／分で、かつ導入後の処理室内圧力が０．２〜１Ｐａであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のエッチング後処理方法。
【請求項５】
前記試料温度は、Ｓｉ含有低誘電率膜の劣化しない温度である５０〜２００℃の範囲であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のエッチング後処理方法。
【請求項６】
前記試料に印加する高周波電圧は、Ｓｉ含有低誘電率膜の劣化しない程度のイオンエネルギーとなるウェハバイアス電力が５０〜２００Ｗの範囲であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のエッチング後処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチング後の後処理方法に係わり、特に半導体ＬＳＩチップの配線部分に適用される低誘電率絶縁膜の塩素系エッチング処理後に行う、膜特性の劣化がなく、清浄な表面を得られる後処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ＬＳＩは、高速化に伴って微細化だけでなく、低抵抗化のために配線材料もＣｕへ移り、Ｃｕ膜のドライエッチングが技術的に困難なことから、配線周囲に配置する層間絶縁膜を先に配線形状にエッチング後、エッチングした溝あるいは穴にＣｕをメッキ処理等により埋め込み、平坦化ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により配線上部にある余分なＣｕを削りとり配線とするダマシンプロセスが実用化されはじめている。特にダマシンプロセスの応用として下層配線との接続穴を配線溝と同時に形成するデュアルダマシンプロセスが採用されはじめている。
【０００３】
さらに配線間の微細化に伴い、信号伝播遅延や周囲の配線とのクロストークをさけるために絶縁膜の比誘電率を下げて線間容量を下げる必要が出てきており、これに伴って層間絶縁膜用に多くの低誘電率の絶縁膜材料が開発されてきている。比較的多く採用されているＳｉ、Ｃ、Ｏ、Ｈの元素から構成されるＳｉ含有低誘電率絶縁膜は従来のＳｉＯ２膜にメチル基（‐ＣＨ３）を導入することにより分極を低減することで低誘電率化をしている。メチル基導入により膜密度も低下するが、従来はＳｉＯ２、酸化膜エッチングプロセスと同等のＣＦ系プロセスを用いてエッチングしていた。
【０００４】
このエッチング後には、エッチングマスクとして機能したフォトレジストやフォトレジスト露光分解能向上のための反射防止膜が残り、また選択比を向上させるためにフォトレジスト上やエッチング側面に堆積させたＣＦ系の堆積物やエッチングに伴って生成された反応生成物が付着している。
【０００５】
従来、これらの残留物は、酸素、窒素、あるいは混合したガスを用いたフォトレジスト、反射防止膜を除去する後処理プロセスにより除去し、さらに除去しきれなかった残留物は薬液を使用した洗浄プロセスにより除去していた。
【０００６】
また、塩素ガスをエッチングガスとして用いたエッチングプロセスも検討されている（例えば、非特許文献１参照）。塩素を用いたエッチングプロセスは、ＣＦ系プロセスに比べて堆積物が少ない代わりに、塩素が残留する。したがって、後処理ではフォトレジスト、反射防止膜、反応生成物および残留塩素の除去が必要となっていた。
【０００７】
もっとも一般的なＳｉ含有低誘電率膜のエッチングガスであるＣＦ系ガスを用いたエッチングプロセスは、選択比向上と側壁保護のために堆積性の強いガス系であることから、エッチング時のウェハバイアスが１〜３ｋＷと非常に高くなる傾向にあり、高出力の電源が必要となる。また、ＣＦ系ガスを用いたエッチングプロセスは、入熱を除去するためにウェハを冷却する冷却能力の高いチラーが必要になるなど、ランニングコストが増大する問題点があった。
【０００８】
一方、塩素を用いたプロセスは、堆積性が弱いプロセスであり、ウェハバイアスも１００〜２００Ｗと低く、ランニングコストを低く抑えることが可能なプロセスである。しかし、前述したようにエッチングした表面に塩素も残留する。アルミ配線をエッチングする際にも塩素系プロセスを行うと、残留塩素が腐食の原因となって問題となっていたが、水素成分と酸素成分をもつプラズマで処理することによりフォトレジストなどの残膜とともに残留塩素も低減できていた。しかし、除去レートを上げるために１８６Ｐａの圧力下、酸素流量４００ｃｃ／分、メタノール流量８０ｃｃ／分といった高圧力、大流量の条件を使用していた（例えば、特許文献１参照）。このような条件をＳｉ含有低誘電率絶縁膜に適用すると、膜の特性が劣化してしまう。
【０００９】
特に、低誘電率化の為に導入したメチル基が酸素により脱離して、ダメージ層が形成され、全体的には誘電率が上昇する。また、ダメージ層は吸湿性が増加し、これによりリーク電流が増加するといった問題が発生する。
【００１０】
【特許文献１】
特公平０７−０９３２９３号公報
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ａ２０巻  ６５１頁
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜の塩素系ガスによるエッチング後に残ったフォトレジストや反射防止膜とエッチング表面に堆積した反応生成物やエッチングガスに伴う堆積物および残留した塩素をＳｉ含有低誘電率絶縁膜にダメージを与えることなく除去できる後処理方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜を塩素系ガスによりエッチングした後、酸素ガスを低圧力０．２Ｐａ〜１Ｐａ、低流量５ｃｃ／分〜２０ｃｃ／分で処理室に導入し、プラズマを生成し、かつ後処理するウェハを５０℃〜２００℃の温度にしつつバイアスを５０Ｗ〜２００Ｗ印加した状態で、生成したプラズマに曝すことにより、フォトレジスト成分、反射防止膜成分とハロゲン成分を同時に除去する後処理プロセスを行うことにより達成される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１から図８を用いて説明する。図１は、本発明のエッチング後の後処理方法を適用する装置の概略構成を示す図である。
【００１４】
装置内には真空を保つことが可能な処理室１があり、その処理室１内には被後処理試料である半導体ＬＳＩチップを形成するためのウェハ２を設置する試料台３がある。試料台３は電圧が印加できるような電極構造となっており、また後処理中の被後処理試料の温度をヒータおよび冷媒により制御できるような温度調節機構２１がついている。後処理ガスはガスボンベ９から配管を通り流量制御バルブ１２を通過、後処理条件に合った流量で配管を通って処理室１に供給される。なお、酸素ガスに水素ガスなどを混合する場合にはガスボンベ１０に水素ガスを充填し、流量制御バルブ１３を通して供給する。また、本装置はエッチングすることも可能であり、エッチングガスをガスボンベ１１に充填し、流量制御バルブ１４を通して供給し、エッチングする。
【００１５】
供給されたガスは、処理室１内にある時間、滞在するが、その後真空ポンプ１５により処理室１外に排出される。その際、処理室１内に設置された真空計１６により処理室１内の圧力を計測して一定圧力になるように排気速度調整バルブ１７を制御する。ガス流量、圧力が所望の値になり、安定した段階で２．４５ＧＨｚのマイクロ波がマイクロ波電源１８より石英５を通して供給される。このマイクロ波電力により処理室１内のガスはプラズマ１９化する。プラズマ１９化と同時に試料台３にも８００ｋＨｚの高周波電源２０から高周波電力が投入され、被後処理試料に高周波電圧が印加される。
【００１６】
図２の断面図を用いて、被後処理試料となるエッチング処理前ウェハの一部の層構造を説明する。エッチング処理前のウェハは、シリコンウェハ２９上に下地膜２８であるＳｉＣ膜が５０ｎｍ形成され、さらにその上にはＳｉ含有低誘電率膜２７である例えばノベラスシステムズ社のＣｏｒａｌが４００ｎｍ形成されている。ＣＭＰなどの平坦化プロセスの機械的ストレスに耐えるためにハードマスク２６としてＳｉＯ２膜が５０ｎｍ形成されている。さらにトレンチパターンになっているフォトレジスト２４の露光時の解像度を向上するための反射防止膜２５が５０ｎｍ形成されている。
【００１７】
図３を用いて、Ｓｉ含有低誘電率膜２７を塩素系ガスによりエッチングした後の断面形状を説明する。装置のパラメータを適宜調整することで良好なトレンチ形状が形成されているが、フォトレジスト２４やエッチングされたＳｉ含有低誘電率膜２７の表面にＣ、Ｈ、Ｏ、Ｎ等からなる反応生成物あるいは残留塩素３０が付着している。
【００１８】
図８を用いて、Ｓｉ含有低誘電率膜２７を塩素系ガスによりエッチングした後の残留塩素イオンの量をイオンクロマト法により測定し、評価した結果を説明する。図８から分かるように、リファレンスウェハやそれを図示していないロードロックから処理室１、処理室１からアンロードロックまで装置内全体を搬送後も塩素量は増加していないのに比べ、塩素系エッチング後はウェハ上に７０μｇ以上の塩素イオンが残留していたことが分かった。
【００１９】
残存したフォトレジスト２４、反射防止膜２５、反応生成物あるいは残留塩素３０を除去するため条件を表１に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
図４を用いて、表１に示したＮｏ．１条件で後処理（Ｏ２処理（Ａ））した結果を説明する。この条件は、アルミ膜のエッチング後の後処理に使用される条件で、フォトレジスト２４、反射防止膜２５、反応生成物あるいは残留塩素３０は除去できたがダメージ層３１がＳｉ含有低誘電率膜２７の表面に形成されてしまった。このダメージ層はＳｉ含有低誘電率膜２７に導入されていたメチル基が酸素ラジカルと反応して脱離した層にあたり、比誘電率が上昇する原因となる層である。このダメージ層３１は、吸湿性が高く、リーク電流増加の原因ともなる。比誘電率を実際に測定すると図７に示すように未処理のものに比べて非常に高くなり、ＳｉＯ２の比誘電率に近い値となった。
【００２２】
このダメージ層３１を低減するための条件として表１のＮｏ．２条件のＯ２処理（Ｂ）を行った。これはメチル基脱離の原因となる酸素ラジカルの量を少なくするために酸素流量を低下させ、低圧にし、かつウェハ温度を常温に下げ、その分ウェハにバイアス電圧を印加することで除去レート低下を防ぐ条件である。結果的に図５に示すようにダメージ層はほぼなくなり、図７に示すように比誘電率の上昇も抑えることができた。しかし、図８に示すように本条件では残留塩素の量が後処理前と比べて１／５程度までしか低減できず、表面に塩素が残留した。
【００２３】
そこで、表１のＮｏ．３条件（Ｏ２処理（Ｃ））でウェハ温度を室温から８０℃まで上昇させ、残留塩素が低減できるか検討した。その結果、図８に示すように、残留塩素はエッチング処理前のレベルに低減され、図６に示すような良好な形状を得ることができた。このときの比誘電率はウェハバイアス電力を１００Ｗまで低下させたので、さらに上昇が抑制され、ダメージ層を低減することもできた。図７に示すように、比誘電率も未処理の場合とほぼ等しくすることができた。
【００２４】
なお、その他の条件として、有機膜エッチングに比較的良く使用されるＮＨ３を使ったＮｏ．４やＮ２／Ｈ２ガスを使ったＮｏ．５条件でも評価を行った。この条件では、図７に示すように比誘電率が上昇することが分かった。
【００２５】
以上のように、本発明においては、後処理ガスとして導入されるガスの流量は５〜２０ｃｃ／分で、かつ導入後の処理室内圧力が０．２〜１Ｐａであることが必要である。
【００２６】
フォトレジストや反射防止膜の除去速度はプラズマ中のイオン作用とラジカル作用のバランスにより決まるものと考えられる。イオンとラジカルの発生比率はガス流量が多い場合や処理圧力が高い場合には、ラジカルの比率が高く、低流量，低圧領域方向でイオンの比率が増加する傾向にある。
【００２７】
本発明は、イオン作用を有効に使用し、ラジカルによるフォトレジストや反射防止膜の除去作用と低誘電率膜のメチル基の脱離作用のバランスを図ろうとするものである。
【００２８】
ガスは流量を増加する方向でレジストや反射防止膜の除去速度を増加する効果が得られるが、酸素ラジカルが多くなると、前述したように酸素ラジカルにより低有電率膜のメチル基を脱離してしまい誘電率を増加させ、膜の電気的特性を悪化させてしまう。ガス流量が５ＣＣ／分の場合にはフォトレジストや反射防止膜の除去速度はガス流量が２０ＣＣ／分のときのおよそ５０％となる。ガス流量が５ＣＣ／分未満ではフォトレジストや反射防止膜の除去速度が著しく低下し好ましくない。
【００２９】
一方、処理圧力についても、ガス流量の場合と同様に処理圧力を増加することで、フォトレジストや反射防止膜の除去速度を増加する効果が得られるが、酸素ラジカル量の増加により低誘電率膜のメチル基を脱離してしまい誘電率を増加させ、膜の電気的特性を悪化させてしまう。処理圧力を低くすることにより、酸素ラジカル量を少なくすることができるが、酸素ラジカル量が少なくなるためフォトレジストや反射防止膜の除去速度は低下し、処理圧力０．２Ｐａ未満では著しく低下する。
【００３０】
本発明においては、試料の温度は、Ｓｉ含有低誘電率膜が劣化しない温度である５０℃〜２００℃の範囲であることが必要である。また、残留塩素は試料温度が高い方向で脱離が促進され、５０℃未満では充分な残留塩素除去性能が得られない。
【００３１】
さらに、本発明においては、試料に印加する高周波電力がＳｉ含有低誘電率膜が劣化しない程度のイオンエネルギーとなるウェハバイアス電力が５０Ｗ〜２００Ｗの範囲であることが必要である。
【００３２】
低誘電率膜は素子形成上、例えば凹型のような階段状構造となる場合などには低誘電率膜の表面上にイオンエネルギーが作用し、過大なエネルギーが作用すれば特性劣化を招くことになる。したがって、試料に印加する高周波電力は、Ｓｉ含有低誘電率膜が劣化しない程度のイオンエネルギーとなるウェハバイアス電力が５０Ｗ〜２００Ｗの範囲にあることが必要となる。
【００３３】
このため、本発明では前述の処理条件範囲が適切な値となる。
【００３４】
さらに、ガスボンベ１０に水素ガスを充填し、酸素ガスに加えて、水素ガスを流量制御バルブ１３を通して供給してもダメージ層を生成することなくフォトレジスト２４、反射防止膜２５、反応生成物あるいは残留塩素３０を除去することができた。酸素ガスと水素ガスを混合する代わりに、Ｈ２Ｏを気化して導入してもよい。
【００３５】
また、本実施例では、装置構成としてエッチングした後に同じ処理室で後処理できる構造となっているが、他のエッチング装置でエッチングした後に後処理専用の装置として機能させることも可能である。
【００３６】
また、記載した後処理装置の構成は、マイクロ波によるものであったが、ＲＩＥ方式など、他の方式でも良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜の塩素系ガスによるエッチング処理後に残る塩素成分を含む付着物とフォトレジストと反射防止膜を膜劣化なく除去できるので、膜の電気的特性を変えずにハードマスクと低誘電率絶縁膜からなるダマシン構造を得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング後の後処理装置を示す概略の断面図。
【図２】配線層にＳｉ含有低誘電率絶縁膜を使用したダマシンサンプルの断面図。
【図３】塩素系ガスでダマシンサンプルをエッチングした後の断面図。
【図４】酸素処理（Ａ）で後処理したダマシンサンプルの断面図。
【図５】酸素処理（Ｂ）で後処理したダマシンサンプルの断面図。
【図６】酸素処理（Ｃ）で後処理したダマシンサンプルの断面図。
【図７】各後処理条件で処理した後のＳｉ含有低誘電率絶縁膜の比誘電率を示す図。
【図８】塩素系ガスでエッチングした後の各段階でのサンプル上の残留塩素量を示す図。
【符号の説明】
１…エッチング処理室、２…ウェハ、３…試料台、５…石英、
９…酸素ガスボンベ、１２、１３、１４…流量制御バルブ、１５…真空ポンプ、
１６…真空計、１７…排気速度調整バルブ、１８…マイクロ波電源、
１９…プラズマ、２０…高周波電源、２１…温度調節機構、
２４…フォトレジスト、２５…反射防止膜、２６…ハードマスク、
２７…Ｓｉ含有低誘電率絶縁膜、２８…下地膜、２９…シリコンウェハ、
３０…反応生成物あるいは残留塩素、３１…ダメージ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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