(57)【要約】【課題】有機系低誘電率層間絶縁膜を垂直形状に加工することができ、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）の大容量・高速動作を実現するための絶縁膜を実現することを可能とする。【解決手段】原料ガスをプラズマ化して有機系低誘電率層間絶縁膜をエッチング処理する際に、プラズマ化した前記ガスに対して、光源から真空紫外光を放射し、吸収された光強度を測定して、プラズマ中における原子状ラジカル密度を計測しつつエッチング加工する方法であって、プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を、前記計測値に基づきフィードバック制御して所定範囲に維持することにより、前記有機系低誘電率層間絶縁膜を垂直形状に加工する。【選択図】              図２
2004228173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスをプラズマ化して有機系低誘電率層間絶縁膜をエッチング処理する際に、プラズマ化した前記ガスに対して、光源から真空紫外光を放射し、吸収された光強度を測定して、プラズマ中における原子状ラジカル密度を計測しつつエッチング加工する方法であって、プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を、前記計測値に基づきフィードバック制御して所定範囲に維持することにより、前記有機系低誘電率層間絶縁膜を垂直形状に加工することを特徴とする有機系低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法。
【請求項２】
原料ガスをプラズマ化して有機系低誘電率層間絶縁膜をエッチング処理する際に、プラズマ化した前記ガスに対して光源から真空紫外光を放射し、吸収された光強度を測定して、プラズマ中における原子状ラジカル密度を計測しつつ加工する装置であって、プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を、前記計測値に基づきフィードバック制御して所定範囲にコントロールできるように構成したことを特徴とする有機系低誘電率層間絶縁膜のエッチング装置。
【請求項３】
前記原料ガスが、Ｎ２  ／Ｈ２  ガスおよび／またはＮ２  ／ＮＨ３  ガスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機系低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法および装置。
【請求項４】
前記プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を０．６〜０．８の範囲内に制御することを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３に記載の有機系低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法および装置。
【請求項５】
エッチング加工時の有機系低誘電率層間絶縁膜の温度を２０度程度に設定したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３または請求項４に記載の有機系低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法および装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）を大容量・高速化するための有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜を加工するエッチング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）を大容量・高速化するために、低抵抗配線材料としてはＣｕの使用が検討されている。また一方、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜では、様々な材料が候補に挙げられているが、これらの材料の中で、有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜であるＦＬＡＲＥ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  社製商品名）は、耐熱性や密着性に優れ、低い誘電率（ｋ＝２．８）を有することから注目を集めている。
また、有機系低誘電率層間絶縁膜は、フッ素で処理されていない有機膜であり、地球温暖化の可能性の高いペルフルオロカーボン・ガスを使用せずに製造できる利点がある。
また、近年では、超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）など、素子密度の増加に伴い、金属配線間隔の小スペース化が必要であり、より低い誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）を備えた絶縁材料の開発が急がれている。
なお、これら有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜を加工するエッチングでは、Ｎ２  ／Ｈ２  やＮＨ３  プラズマの使用が報告されている。
【０００３】
なお、従来の、有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチング加工では、深さ方向でのエッチング速度のバラツキ等により、直線的で且つ垂直な形状はコンスタントに成形できなかった。これは、装置の環境条件により垂直形状とならず、条件合わせのための調整作業は多くの不良品を出しながら行なわなければならず、時間とコストの無駄が発生していた。
即ち、従来のプラズマを用いたエッチング加工プロセスでは、プラズマ中のガス圧力やプラズマ生成電力などの調整を外部パラメーター（装置パラメーター）による情報により行なっていた。しかしながら、従来の外部パラメーターを使用して得られた結果は、共通情報（各装置毎に異なるため共通のパラメーターではない）ではないのである。
【０００４】
なお、特許参考文献１には、プラズマ中のＨ・Ｎラジカルの測定方法および装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１２３９９６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチングを、プラズマ中のラジカル密度および温度（外部パラメーターを使用しないラジカルやイオン密度）のような内部プラズマ・パラメーターの使用で実行しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１では、原料ガスをプラズマ化して有機系低誘電率層間絶縁膜をエッチング処理する際に、プラズマ化した前記ガスに対して、光源から真空紫外光を放射し、吸収された光強度を測定して、プラズマ中における原子状ラジカル密度を計測しつつエッチング加工する方法であって、プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を、前記計測値に基づきフィードバック制御して所定範囲に維持することにより、前記有機系低誘電率層間絶縁膜を垂直形状に加工することである。
【０００８】
また、請求項２では、原料ガスをプラズマ化して有機系低誘電率層間絶縁膜をエッチング処理する際に、プラズマ化した前記ガスに対して光源から真空紫外光を放射し、吸収された光強度を測定して、プラズマ中における原子状ラジカル密度を計測しつつ加工する装置であって、プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を、前記計測値に基づきフィードバック制御して所定範囲にコントロールできるように装置を構成することである。
【０００９】
また、請求項３では、前記原料ガスとして、Ｎ２  ／Ｈ２  ガスおよび／またはＮ２  ／ＮＨ３  ガスを使用することである。
また、請求項４では、前記プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を０．６〜０．８の範囲内に制御することである。
また、請求項５では、エッチング加工時の有機系低誘電率層間絶縁膜の温度を２０度程度に設定することである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）の大容量・高速動作を実現するための有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチング方法および装置を、実験例に基づいて説明する。
【００１１】
実験結果
有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜であるＦＬＡＲＥ（商品名、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  社製）を、Ｎ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  ガスを使用して、１３．５６ＭＨｚに作動するプラズマ（ＩＣＰ）の中でエッチングした。
エッチングするプラズマは、四重極質量分光法（ＱＭＳ）によって評価され、光源としてマイクロプラズマを使用する真空紫外線吸収分光法（ＶＵＶＡＳ）で評価した。
【００１２】
これらの結果から、有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜の加工速度や形状は良く、Ｎ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  プラズマの中のＨラジカル密度の振る舞いに一致した。これによりＨラジカルは、有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチングに重要であることが分かる。
一方、Ｎラジカルは、イオン衝撃のないところでは、有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜をエッチングすることができなかった。他方では、Ｎラジカルは、Ｈラジカルの化学的エッチングを抑制する働きがあることが分かった。
【００１３】
さらに、有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチングを、Ｎ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  ガスを使用する超高周波（ＵＨＦ：５００ＭＨｚ）プラズマの中で実験し、Ｎラジカルの振る舞いとＨラジカルおよびＵＨＦプラズマ中のＮＨ３  分子の間の相関性、および有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜をエッチングする特性を、１３．５６ＭＨｚに作動するＩＣＰの結果と比較して実験した結果、形状や加工速度の特性、ＨおよびＮラジカル密度の比率の新しい関係が分かった。
【００１４】
実験例
図１の平面図で、また図２の側面図では、マイクロホローカソードランプ（ＭＨＣＬ）を使用する真空紫外吸収分光法（ＶＵＶＡＳ）や赤外半導体レーザ吸収分光法システムを装備した、８インチウエハー用量産型（ＡＮＥＬＶＡ：Ｉ−４１００）のＵＨＦプラズマ・エッチング装置１の概要を示す。
【００１５】
チャンバー２内の上部には放電室が設けられ、高周波電源９に接続された高周波アンテナ３が設けられ、この高周波アンテナ３は高周波電源９から印加される高周波電力により、放電室およびチャンバー２内にプラズマを生成させる。
チャンバー２には、原料ガス（Ｎ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  ガス）の導入口が設けられている。また、チャンバー２内には、電極としての載置台６が設けられ、載置台６上に静電チャック等の保持部材を介して被処理体４（有機系低誘導率層間絶縁膜）が載置される。
【００１６】
なお、載置台６には、冷却手段あるいは加熱手段が設けられ、被処理体４を所望の温度に調整することができる。
載置台６には排気管が設けられ、導入口から原料ガスを導入しながら排気管から排気して、チャンバー２内および放電室内を所定のガス圧に保つことができる。
チャンバー２の側壁には、ラジカル計測用電源１０が接続されたラジカル計測用光源７と、ラジカル計測用システムを構成するラジカル計測用分光器８が対向して設けられている。
【００１７】
導入口から原料ガスを導入してチャンバー２内を所定の圧力にした状態で、高周波アンテナ３に高周波電力を印加して、高周波電界により原料ガスを反応性プラズマ化させ、その状態で、載置台６にバイヤス電圧を印加させ、反応性プラズマ中から陽イオンを飛び出させて被処理体４に衝突させることにより、被処理体４をエッチング処理する。
なお、チャンバー２内のラジカル密度を測定し、この測定結果により、高周波アンテナ３に印加される高周波電力等の放電パラメーターを制御したり、載置台６に印加されるバイヤス電圧を制御したり、さらに、原子ラジカル源（図示せず）によりＨラジカル，Ｎラジカルをチャンバー２内に注入することにより、反応性プラズマ中のＨラジカル，Ｎラジカル密度を制御することで、エッチングの加工精度を調整することができる。
【００１８】
ＵＨＦプラズマチャンバー２（加工を行なう場所）は、直径が３０ｃｍおよび高さが４０ｃｍで、１つのリングと６本のスポークアンテナからなる３０ｃｍの直径を備えたアンテナ３は、チャンバー２内の一番上の石英板５上でセットし、５００ＭＨｚの高周波をアンテナに印加し、プラズマを生成した。
加工サンプル（被処理体）４と上部石英板５の間のギャップは１００ｍｍに固定した。
ガス入口パイプは８つの穴で輪形に作られ、チャンバー２の上部の横にインストールされた。加工サンプル（被処理体）４は静電チャックにより電極（載置台６）に貼り付けた。
載置台６の温度は、０〜８０度の範囲の中でコントロールされた溶剤を備え、これにより制御した。
プラズマ・パラメーターおよび根本的なラジカル種の測定は石英板５の４０ｍｍ以下で行なった。
【００１９】
ＨおよびＮラジカルの絶対密度はＶＵＶＡＳ技術を使用して測定した。
ＭＨＣＬ（ラジカル計測用光源）７から放出された真空紫外（ＶＵＶ）光はＭｇＦ２  レンズによって平行にして、チャンバー２へ導入した。
チャンバー２を通り抜けたＶＵＶ光が載置台６の６０ｍｍ上を通過し、プラズマ中のラジカルにより吸収を受けた光が、ＭｇＦ２  レンズによってＶＵＶ分光器８（アクトンＲｅｓｅａｒｃｈ社およびＡＲＣＶＭ−５２０）のスリットに集中し、光電子増倍管チューブ（ＰＭＴ）によって検知され、信号はディジタル・オシロスコープによって平均されて、パソコンに記録されるように装置を構成した。
【００２０】
吸収測定のために使用された遷移線は、Ｈラジカル密度計測では１２１．６ｎｍ、Ｎラジカル密度計測では、４Ｐ５／２−４Ｓ０３／２，４Ｐ３／２−４Ｓ０３／２  ａｎｄ  ４Ｐ１／２−４Ｓ０３／２    ａｔ    １２０．０ｎｍを使用した。
高い精度で、ＶＵＶＡＳ測定での絶対的な密度を計算するために、プラズマに生成した他の分子およびラジカルにより背景吸収を評価することは必要であり、背景吸収は１２２．５ｎｍにＡｒエキシマーの広いピークによって評価した。
なお、ＨとＮのラジカルの絶対的な密度は、吸収強度の合計から背景吸収を引くことにより推定した。
また、ＮＨ３  の分子の密度はＩＲ−ＬＡＳ技術を使用して測定した。また、この実験の中で使用されるＮＨ３  分子の吸収ラインは１０７５．８２８８ｃｍ−１を使用した。
エッチング条件は、２Ｐａの圧力、および１００ｓｃｃｍの流量の合計で維持され、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）は、ＲＦバイアス（１．６ＭＨｚ）の調節により−５００Ｖに決められ、断面加工形状は、操作型電子顕微鏡により観測した。
【００２１】
図３は、ＵＨＦ    Ｎ２  ／Ｈ２  とＮ２  ／ＮＨ３  プラズマ中に含まれるＨ原子の要素比率に対する３５ＧＨｚのマイクロ波干渉計によって測定した電子密度を示す。
なお、Ｎ２  ／Ｈ２  の化学構造に含まれるＮ原子およびＮ２  ／ＮＨ３  は、ガス状態で供給し、例えば、Ｎ２  ／ＮＨ３  ＝０／１００ｓｃｃｍの条件の下では、ガス中に含まれるＨ原子は７５％を示す。図の中のプロットは、５つの測定の平均を示す。
【００２２】
Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマの場合には、導入ガス中のＨ原子が０％、つまり純粋なＮ２  プラズマ中の電子密度が最も高く、導入ガス中のＨ原子が増加するとともに、電子密度は殆ど一定であった。
電子密度は、徹底的にＨ２  プラズマにおいて減少した。これはＨ２  （それはＮ２  のそれより約２．５倍低い）の小さな電離断面積によるものである。他方では、Ｎ２  の電離断面積およびＮＨ３  の電離断面積と殆ど同じであるので、電子密度はＮ２  ／ＮＨ３  プラズマが殆ど同じである。
【００２３】
図４は、導入したガス中に含まれるＨ原子割合に対するエッチング速度を示す。
エッチングは有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のＦＬＡＲＥ（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  社製商品名）上で、基板（載置台６）温度は２０度で行なった。
図４では、三角形（△）が、Ｈ２  ／Ｈ２  プラズマを使用したエッチング速度を表わし、また、円（●）は、Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマを使用したエッチング速度を表わす。
【００２４】
Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマの中で、材料ガス中のＨ原子が増加するとともに、エッチング速度は増加し、導入するガスのＨ原子割合＝０．７（Ｎ２  ／Ｈ２  ＝３０／７０ｓｃｃｍ）で、エッチング速度は、最大４００ｎｍ／ｍｉｎまでに達して、その後、減少した。
Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマの中では、原料ガス中のＨ原子が増加すると、エッチング速度は増加し、導入したガスのＨ原子割合＝０．７５（Ｎ２  ／ＮＨ３  ＝０／１００ｓｃｃｍ）で最大４５０ｎｍ／ｍｉｎまでに達した。
Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマのエッチング速度は、一定の電子密度の条件にも係わらず、Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマのそれより約１０％高かった。
この実験で、エッチング速度が、材料ガス中のＨ原子の比率に依存し、ガスの種類に依存しないことを確認した。
【００２５】
図５は、高密度，低電子温度ブラズマとして知られているＵＨＦプラズマの中に導入したガス中のＨ原子の割合に対する、ＶＵＶＡＳ技術を使用して測定したＮとＨのラジカル密度を示し、図６は、ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）の中に導入したガス中のＨ原子の割合に対するラジカル密度を示す。
図中（○、△）が、Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマの中でのＨとＮのラジカル密度を表わし、また、図中（●、▲）は、Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマの中でのＨとＮのラジカル密度を表わす。
【００２６】
ＵＨＦ    Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマの場合には、図５の中で示されるように、導入ガス中のＨ原子が増加するとともに、絶対的なＨラジカル密度が最高１．３ｘ１０１３ｃｍ−３、その後、純粋なＨ２  プラズマで減少した。この減少は、図３の中で示されるような純粋なＨ２  プラズマの１桁より低い電子密度によるものである。
【００２７】
ＩＣＰの中の結果と比較して、図６の中で示されるように、ＵＨＦ    Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマ中のＨラジカル密度は、ＩＣＰ    Ｎ２  ／Ｈ２  のものと殆ど同じであった。
他方では、Ｎラジカル密度は、導入したガス中のＨ原子を減少させるにつれて徐々に増加した。ＵＨＦ    Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマ中のＮラジカル密度が、ＩＣＰ    Ｎ２  ／Ｈ２  のものより２倍高かったことは注目すべきことである。
【００２８】
ＵＨＦ    Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマの場合には、図５の中で示されるように、材料ガス中のＨ原子が増加するとともに、純粋なＮＨ３  プラズマにおいて、絶対的なＨラジカル密度が最高５．０ｘ１０１３ｃｍ−３に達した。
図６のＩＣＰ    Ｎ２  ／Ｈ２  及びＮ２  ／ＮＨ３  プラズマを用いた時は、導入するガスによらず、導入されるガス中に含まれるＨ原子の割合によって、プラズマが生成するＨ原子やＮ原子密度が決定されていた（図６の白印と黒印）。
しかし、ＵＨＦ    Ｎ２  ／Ｈ２  及びＮ２  ／ＮＨ３  プラズマでは、導入されるガス中に含まれるＨ原子の割合によってプラズマが生成するＨ原子密度は依存していなかった。
【００２９】
そしてＵＨＦ    Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマ中のＨラジカル密度がＩＣＰのものよりはるかに高かったことは注意される。
ＵＨＦプラズマ中のＨとＮのラジカルのこれらの振る舞いは、ＩＣＰとＵＨＦのプラズマの中でＥＥＤＦの違いによって説明される。
ＥＥＤＦとは、プラズマ中の電子のエネルギー分布を示し、このＥＥＤＦは励起周波数に大きく依存するので、ＩＣＰ（励起周波数１３．５６ＭＨｚ）とＵＨＦ（励起周波数５００ＭＨｚ）では、電子エネルギー分布は大きく異なる。
【００３０】
電子衝突によるＮ２  ガスの解離断面積、Ｎ２  ガスの解離は１０ｅＶ以上のより高い電子エネルギーを必要とする。より低い電子エネルギーのＮＨ３  分子の解離断面積は、Ｈ２  とＮ２  のガスのものより大きいと思われる。
ＵＨＦプラズマの場合には、非Ｍａｘｗｅｌｌｉａｎ    ＥＥＤＦは形成することができる。即ち、ＥＥＤＦ（電子エネルギー分布）は、１３．５６ＭＨｚでは、おおよそマクセル分布となる。しかし、５００ＭＨｚでは、マクセル分布から外れた非Ｍａｘｗｅｌｌｉａｎ    ＥＥＤＦになる。
【００３１】
数ｅＶから１０ｅＶまでの範囲の中で大量の電子が分配されることは既に知られている。
さらに、電子人口は、１０ｅＶ以上の［１２］の高い後部で比較的大きくなる。従って、１０ｅＶ以上の高いエネルギー後部中の電子の分配は、ＵＨＦプラズマに、Ｎ２  ガスから根本的なＮの効率的な生成に帰着する。さらに、ＮＨ３  から根本的なＨの効率的な生成はより高いエネルギーの電子と一緒に、大多数の比較的低エネルギーの電子（それらはＵＨＦプラズマの特定のＥＥＤＦによる）に起因する。
【００３２】
図７は、ＩＲ−ＬＡＳ技術を使用する原料ガス中のＨ原子に対するＵＨＦプラズマの中でＮＨ３  の分子の密度を示すものである。
Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマの中で、原料ガス中のＨ原子が増加するとともに、分子の密度を増加させた絶対的なＮＨ３  は、７０％の原料ガス中のＨ原子（それはＮ２  ／Ｈ２  ＝３０／７０ｓｃｃｍで、次に、減少した）で最大に達した。
Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマの中で、原料ガス中のＨ原子が増加するとともに、分子の密度を増加させたＮＨ３  は、原料ガスのＨ原子割合＝７５％（即ち純粋なＮＨ３プラズマ）で最高に達した。
【００３３】
これらの条件のＮＨ３  の分子の密度は、ＮＨ３  分子のガス温度が３００Ｋであると仮定される時に、２ＰａにＮＨ３  ガスから計算されたラインの強度を、１０１３ｃｍ−３で推定された。
大量のＮＨ３  分子がＮ２  ／Ｈ２  プラズマの中で合成されたことが分かった。
これらの結果から、Ｎ２  ／Ｈ２  プラズマでは、Ｈ２  だけでなく電子インパクト解離によってプラズマの中で生産されたＮＨ３  分子からも生成されることが分かった。
他方では、Ｎラジカルは、現在の状況の電子インパクト解離を備えたＮＨ３  分子から殆ど生成されなかった。
加工形状と加工速度の新しいパラメータＦＬＡＲＥの加工速度は、図４の中で示されるようなＵＨＦプラズマを使用した時、原料ガス中のＨ原子（Ｈ    ａｔｏｍ    ｉｎ    ｆｅｅｄ    ｇａｓｅｓ）に依存しなかった。
【００３４】
図８は、ＨおよびＮラジカル密度の比率｛ＵＨＦプラズマの中でＶＵＶＡＳ技術によって測定した［Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）］｝に対する加工速度の変化を示す。
ＨおよびＮラジカル密度の比率は、加工される表面を覆うＨやＮラジカルの比に関係する最も重要な値であることが分かった。
この図では、三角形（△）がＮ２  ／Ｈ２  プラズマの中での加工速度を表わし、また、円（●）は、Ｎ２  ／ＮＨ３  プラズマの中での加工速度を表わす。
【００３５】
Ｎ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  プラズマの両方の中で、図３の中で示されるような一定の電子密度の条件下で、プラズマ中のＨおよびＮラジカル密度の比率が増加するとともに、加工速度は直線的に増加した。純粋なＨ２  プラズマの加工速度がラインから大きく外れているのは、他の条件に比べＨ２  プラズマの電子密度が約１桁小さいことに起因する。なぜならば、電子密度は、エッチングする表面での反応を引き起こすイオン密度と殆ど等しいからである。
【００３６】
その結果、Ｎ２  ／Ｈ２  の異なる混合ガスおよびＮ２  ／ＮＨ３  が使用された時さえ、明白な量的関係が、ＨおよびＮラジカル密度の比率と加工速度の間に存在することが分かった。
従って、有機系低誘導率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜の加工速度は、ガスの種類と無関係に、一定の電子密度の条件下では、ＨおよびＮラジカル密度の比率によって決定することができる。この事実は、Ｎラジカルによる加工抑制効果とＨラジカルによるエッチング促進の反応のバランスで、加工速度が決定されることにほかならない。
【００３７】
次に、ＵＨＦプラズマの加工形状を異なる基板温度で調査した。
サンプルは、２Ｐａの圧力、および１００ｓｃｃｍの流量および−５００Ｖの自己バイアス電圧で、Ｎ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  プラズマにて１分間エッチングし、加工したサンプルは３００ｎｍのライン＆スペース構造のものを使用し、上で述べたのと同じ条件の下でエッチングを行なった。
この実験の中で使用されるサンプルは、レジスト／ＳｉＯ２  ／ＦＬＡＲＥ／ＳｉＯ２  構造のものを使用した。硬いマスクの厚さ（ＳｉＯ２  ）は２００ｎｍで、ＦＬＡＲＥの５００ｎｍのものを使用した。
【００３８】
図９は、ＶＵＶＡＳ技術によって測定したＮ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  プラズマの中のＨおよびＮラジカル密度の比率に対するパターンの側壁でのボーイング量（ゆがみ度）を示す。
ボーイング量は、図９の中で示されるようなライン・トップ「Ａ」の幅とボーイング量「Ｂ」の幅との差（Ｂ−Ａ）として定義される。
基板温度＝０度、ＨおよびＮラジカル密度の比率＝０．６以下では、テーパー形状（先細り形状）が観察された。垂直形状は０．６以上のＨおよびＮラジカル密度の比率で得られた。
基板温度＝２０度の条件では、ボーイング量は、ＨおよびＮラジカル密度の比率の変化には一定で、無視して良いほどに小さかった。垂直形状は、ＨとＮのラジカル密度の比率が０．５〜０．８と広い範囲で得られた。
２０度以上の基板温度の条件では、Ｈラジカル密度比率を増加させると、ボーイング量は、ＨとＮラジカル密度比＝０．６まで殆ど一定だったが、その後、増加した。
【００３９】
これらの結果から、加工特性、速度および形状は、プラズマ中のＨラジカルによるエッチングとエッチング生成物（それは基板温度に非常に依存する）の堆積や、Ｎラジカルによる保護層形成のバランスによって決定されるので、ＨおよびＮラジカル密度の比率によってコントロールすることができた。
さらに、基板温度のコントロールにより垂直形状を得ることができる領域（プロセスウィンドウ）が拡張されるものである。
実験結果から明らかなように、内部プラズマ・パラメーターを最適化する条件によって、プラズマ中のＨとＮのラジカル密度＝０．８（Ｎ２  ／ＮＨ３  ＝５０／５０ｓｃｃｍ）の比率および基板温度２０度とした時、その垂直異方性形状が、高い加工速度で約４００ｎｍ／ｍｉｎ得られた。その結果を図１０（エッチング加工断面ＳＥＭ像を示す図）に示す。図１０中のＰの部分が垂直形状のエッチング面である。
【００４０】
図１１は、有機系Ｌｏｗ−ｋ膜のエッチング速度のｎｅ  ×Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）依存性を示す。
ｎｅ  ×Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）は、プラズマ中の電子密度〔ｎｅ  〕に真空紫外吸収分光法により計測したＨ原子密度比〔Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）〕をかけ合わせたものである。
電子密度は、プラズマ中のイオン密度に関係するので、エッチング速度を決定する重要なパラメータである。また、Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）は、図８で説明したように有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチング表面におけるＨ原子の被覆率を示し、有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチングを制御する非常に重要なパラメータである。この２つのパラメータをかけ合わせた値と基板温度で制御することで、導入するガス（Ｎ２  ／Ｈ２  ，Ｎ２  ／ＮＨ３  ガス）に依存せず、有機系低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）層間絶縁膜のエッチング速度を制御することが可能となる。
【００４１】
なお、図８では、Ｈ２  （１００％）の点だけが直線上にのっていないが、これは電子密度が低くなるために生じている。これを補正するためには、ｎｅ  （電子密度）×Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）で全てを予想することができる。
実際、Ｈ２  （１００％）ではプロセスに使用しないが、正確に全ての場合を予想するためには、ｎｅ  ×Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）が必要となる。
【００４２】
なお、原料ガスとしては、Ｎ２  ／Ｈ２  ，Ｎ２  ／ＮＨ３  ガスに限らず、以下の原料ガスの使用が予想される。
ＮＨ３  （アンモニア、沸点３３．４２℃），ＣＨ３  ＮＨ２  ／Ｎ２  （メチルアミン、沸点−６℃），ＣＨ４  ／Ｎ２  ，ＨＣＮ（シアン化水素、沸点２５．７℃），（ＣＮ）２  （シアン〔ジシアン〕、沸点−２０．７℃），ＨＮ３  （アジ化水素、沸点３５．７℃），ＣＨ３  Ｎ３  （メチルアジド、沸点２０℃），ＣＨ３  ＣＮ（アセトニトリル、沸点８１．６℃），ＣＨ３  （ＣＨ２  ）２ＣＮ（プチロニトリル、沸点１１８℃），Ｃ６  Ｈ５  ＣＮ（ベンゾニトリル、沸点１９１℃），（ＣＨ３  ＣＨ２  ＣＨ２  ）２ＮＨ（ジプロピルアミン、沸点１０９．２℃），（Ｃ２  Ｈ５  ）２ＮＨ（ジエチルアミン、沸点５５．５℃），Ｃ８  Ｈ１１Ｎ（ジメチルアニリン、沸点１９４℃），Ｃ６  Ｈ７  Ｎ（アニリン、沸点１８４℃），（ＣＨ３  ＣＨ２  ）ＮＨ（エチルアミン、沸点１６．６℃），（ＣＨ３  ）２ＮＨ（ジメチルアミン、沸点６．９℃），ＣＨ３  ＣＨ２  ＣＮ（プロピオノニトリル、沸点９７．３５℃），（ＣＨ３  ＣＨ２  −ＣＨ２  ）ＮＨ２  （プロピルアミン、沸点４９．７℃），（Ｃ２  Ｈ５  ）３Ｎ（トリエチルアミン、沸点８９．４℃），（ＣＨ３  ）３Ｎ（トリメチルアミン、沸点４℃），ＮＨ２  （ＣＨ２  ）ＮＨ２  （トリメチルジアミン、沸点１４０℃）。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は、原料ガスをプラズマ化して有機系低誘電率層間絶縁膜をエッチング処理する際に、プラズマ化した前記ガスに対して、光源から真空紫外光を放射し、吸収された光強度を測定して、プラズマ中における原子状ラジカル密度を計測しつつエッチング加工する方法であって、プラズマ中のＨラジカルとＮラジカル密度の比率を、前記計測値に基づきフィードバック制御して所定範囲に維持することにより、前記有機系低誘電率層間絶縁膜を垂直形状に加工することができ、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）の大容量・高速動作を実現するための絶縁膜を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロホローカソードランプ（ＭＨＣＬ）を使用する真空紫外吸収分光法（ＶＵＶＡＳ）や赤外半導体レーザ吸収分光法システムを装備した、８インチウエハー用量産型（ＡＮＥＬＶＡ：Ｉ−４１００）のＵＨＦプラズマ・エッチング装置の平面概要図である。
【図２】マイクロホローカソードランプ（ＭＨＣＬ）を使用する真空紫外吸収分光法（ＶＵＶＡＳ）や赤外半導体レーザ吸収分光法システムを装備した、８インチウエハー用量産型（ＡＮＥＬＶＡ：Ｉ−４１００）のＵＨＦプラズマ・エッチング装置の側面概要図である。
【図３】ガス中に含まれるＨ原子の要素比率に対する３５ＧＨｚのマイクロ波干渉計によって測定した電子密度を示す図である。
【図４】導入したガス中に含まれるＨ原子割合に対するエッチング速度を示す図である。
【図５】ＵＨＦプラズマの中に導入したガス中のＨ原子の割合に対する、ＶＵＶＡＳ技術を使用して測定したＮとＨのラジカル密度を示す図である。
【図６】ＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）の中に導入したガス中のＨ原子の割合に対するＮとＨのラジカル密度を示す図である。
【図７】ＩＲ−ＬＡＳ技術を使用する原料ガス中のＨ原子に対するＵＨＦプラズマの中でＮＨ３  の分子の密度を示す図である。
【図８】ＨおよびＮラジカル密度の比率｛ＵＨＦプラズマの中でＶＵＶＡＳ技術によって測定した［Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）］｝に対するエッチング加工速度の変化を示す図である。
【図９】ＶＵＶＡＳ技術によって測定したＮ２  ／Ｈ２  およびＮ２  ／ＮＨ３  プラズマの中のＨおよびＮラジカル密度の比率に対するパターンの側壁でのボーイング量（ゆがみ度）を示す図である。
【図１０】エッチング加工の断面ＳＥＭ像を示す図である。
【図１１】有機系Ｌｏｗ−ｋ膜のエッチング速度のｎｅ  ×Ｈ／（Ｈ＋Ｎ）依存性を示す図である。
【符号の説明】
１  プラズマ・エッチング装置
２  チャンバー
３  （プラズマ生成）アンテナ
４  加工用サンプル（被処理体）
５  石英板
６  載置台（基板）
７  ラジカル計測用光源
８  ラジカル計測用分光器
９  プラズマ生成電源
１０  ラジカル計測用光源電源
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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