(57)【要約】【課題】低誘電率層を低コストでエッチング処理することのできるエッチング処理方法を提供する。【解決手段】真空容器、該真空容器内に配置した試料載置電極３、前記真空容器内に反応ガスを導入するガス導入手段１０、前記真空容器内にプラズマを生成するためのアンテナ６及び前記試料載置電極上に載置した試料にバイアス電力を供給する高周波電源５を備えたエッチング処理装置を用いたエッチング処理方法であって、前記試料に供給するバイアス電力は３Ｗ／ｃｍ２以下であり、かつ前記ガス導入手段１０は塩素原子あるいは臭素原子を含むガスを導入して前記載置台上に載置した低誘電率無機絶縁材料をエッチング処理する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器、該真空容器内に配置した試料載置電極、前記真空容器内に反応ガスを導入するガス導入手段、前記真空容器内にプラズマを生成するためのアンテナ及び前記試料載置電極上に載置した試料にバイアス電力を供給する高周波電源とを備えたエッチング処理装置を用いたエッチング処理方法であって、
前記試料に供給するバイアス電力は３Ｗ／ｃｍ２以下であり、かつ前記ガス導入手段は塩素原子あるいは臭素原子を含むガスを導入して前記載置台上に載置した低誘電率無機絶縁材料をエッチング処理することを特徴とするエッチング処理方法。
【請求項２】
真空容器、該真空容器内に配置した試料載置電極、前記真空容器内に反応ガスを導入するガス導入手段、前記真空容器内にプラズマを生成するためのアンテナ及び前記試料載置電極上に載置した試料にバイアス電力を供給する高周波電源とを備えたエッチング処理装置を用いたエッチング処理方法であって、
前記試料に供給するバイアス電力は３Ｗ／ｃｍ２以下であり、かつ前記ガス導入手段は少なくとも塩素化合物ガスを導入して前記載置台上に載置したメチル基をドープした低誘電率無機絶縁材料をエッチング処理することを特徴とするエッチング処理方法。
【請求項３】
請求項１ないし請求項２の何れか１の記載において、前記導入ガスはＣＨ４ガスとＢＣｌ３ガスの混合ガスであり、ＢＣｌ３ガスの流量はエッチング初期に高く、エッチング終期に低く設定したことを特徴とするエッチング処理方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか１の記載において、前記低誘電率無機絶縁材料の下地層はＳｉＣであることを特徴とするエッチング処理方法。
【請求項５】
真空容器、該真空容器内に配置した試料載置電極、前記真空容器内に反応ガスを導入するガス導入手段、前記真空容器内にプラズマを生成するためのアンテナ及び前記試料載置電極上に載置した試料にバイアス電力を供給する高周波電源とを備えたエッチング処理装置を用いたエッチング処理方法であって、
前記試料に供給するバイアス電力は３Ｗ／ｃｍ２以下であり、かつ前記ガス導入手段は少なくとも臭素化合物ガスを導入して前記載置台上に載置したメチル基をドープした低誘電率無機絶縁材料をエッチング処理することを特徴とするエッチング処理方法。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の何れか１の記載において、前記導入ガスとして、メタンをアルゴンで希釈したガス、ＣＨ２ＣＬ２ガスの少なくとも何れか一方を導入したことを特徴とするエッチング処理方法。
【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処理方法に係り、特にパーティクル発生量を低減し生産コストを低減することのできるエッチング処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低誘電率絶縁材料、例えばメチル基をドープした低誘電率無機絶縁材料であるＯＳＧ（Ｏｒｇａｎｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅ　ｇｌａｓｓ）のエッチング加工に対しては、酸化膜エッチング技術を応用した技術として、例えば米国特許６３６２１０９号に、フロロカーボンを主体とした反応ガスを利用したエッチング方法が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記フロロカーボンを主体とした反応ガスを利用してエッチング処理を行う場合においては、反応ガスに含まれるカーボンの比率が高く、これに伴いウエハに印加すべきバイアス電力が大きくなること等に起因して生産コストの低減が阻害されていた。
【０００４】
すなわち、ウエハに高バイアス電力を印加するため、高出力の電源を必要とする。また、高バイアス電力の印加に伴う大きな入熱を除去するため冷却能力の高いチラーが必要となる。更に、エッチング装置を構成する構成部材の耐電圧を高める必要があるなど初期コストが嵩み、エッチング装置の価格を増大させていた。　また、直径３００ｍｍの大口径のウエハなどを処理する場合には、アースとなるチャンバ壁面積が相対的に小さくなるため、バイアスによるプラズマポテンシャルの変動が大きくなり、チャンバ壁がスパッタリングされて消耗する。このためチャンバ壁を頻繁に交換する必要があり、ランニングコストの増加を招いていた。
【０００５】
さらに、チャンバ壁の材料として広く用いられる安価なアルマイト加工されたアルミニウムなどを用いた場合においては、前記スパッタ作用によるアルマイトの減耗でアルミ材が露出し、このアルミとフッ素との反応から生成したフッ化アルミがスパッタ作用によってパーティクルとなって、処理の歩留まりを低下させる原因となっていた。
【０００６】
また、前述のようにカーボンの比率が高いガスを用いる場合には、プラズマのスパッタリングが弱いチャンバ領域でデポジションが生じる。このため、チャンバのプラズマクリーニング、あるいは大気開放を伴なうウエットクリーニングなどを頻繁に必要とし、スループットを低下させていた。
【０００７】
また、前記反応ガスを利用したエッチング処理においては、カーボン比率の高いＣ５Ｆ８等のフロロカーボンを用いることが多いが、このガスは特殊なガスであるため製造コストが高く、ランニングコストの増大を招いていた。
【０００８】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、低誘電率膜を低コストでエッチング処理することのできるエッチング処理方法を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１０】
真空容器、該真空容器内に配置した試料載置電極、前記真空容器内に反応ガスを導入するガス導入手段、前記真空容器内にプラズマを生成するためのアンテナ及び前記試料載置電極上に載置した試料にバイアス電力を供給する高周波電源を備えたエッチング処理装置を用いたエッチング処理方法であって、前記試料に供給するバイアス電力は３Ｗ／ｃｍ２以下であり、かつ前記ガス導入手段は塩素原子あるいは臭素原子を含むガスを導入して前記載置台上に載置した低誘電率無機絶縁材料をエッチング処理する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施例にかかるエッチング処理装置を説明する図である。図において、１００はＵＨＦ帯の高周波電源を用いた反応性イオンエッチング装置、１は真空処理室、２は真空処理室１内にＵＨＦ帯の電磁界を導入するための石英窓である。３は前記石英窓に対向して配置した載置電極であり、該電極上には半導体集積回路を形成すべきウエハ４を載置する。５は前記載置電極３にバイアス電力を供給するための高周波電源、６は石英窓２に連結され高周波（ＵＨＦ）電源９から供給されるＵＨＦ帯の電磁界を真空処理室１に導入するためのアンテナ、７は真空処理室１内に磁場を形成するソレノイドコイルである。８はガス分散板であり、エッチングレシピにしたがってマスフローコントローラ１０から供給されるガスを均一に真空処理室１に導入する。
【００１２】
処理に際しては、まず真空処理室１内にレシピにしたがってマスフローコントローラ１０を介して所定の反応ガスを導入して、真空処理室１を所定の圧力に調圧する。次いで、ソレノイドコイル７に給電して真空処理室１内に所定の磁場を形成し、更に、高周波（ＵＨＦ）電源９により電磁界を導入して、真空処理室１内にプラズマを発生させる。その後、高周波電源５により載置電極３を介してウエハ４に所定のバイアス電力を印加する。
【００１３】
次に、この装置を用いた本発明の第１の実施例を説明する。なお、処理条件としては、前記高周波（ＵＨＦ）電源９から供給する高周波電力は８００Ｗ、真空処理室１内の処理圧力は４Ｐａである。また、ガスレシピは、塩素（以下Ｃｌ２）流量が２００ｃｃ／ｍｉｎ、三塩化ホウ素（以下ＢＣｌ３）流量が２０ｃｃ／ｍｉｎ、メタンをアルゴンで濃度４％に希釈した予混合ガス（以下ＮＲ）流量が３００ｃｃ／ｍｉｎである。
【００１４】
図２は、試料として用いたウエハの膜構造を示す図である。なお、ウエハの口径は２００ｍｍである。図に示すように下地にはエッチング停止層２０１としてＳｉＣ膜を形成し、該エッチング停止層２０１上に、ＯＳＧ層２０２及びフォトレジスト層２０３が順次形成される。また、前記フォトレジスト層２０３に形成したマスクのパターン２０４は配線層間の接続に用いられるビアの穴加工等に用いる。
【００１５】
図３は、エッチング速度のバイアス電力依存性を示す図である。図に示すように、バイアス電力の増減に伴いエッチング速度は略比例して増減し、バイアス電力２５０Ｗにおいて、略４００ｎｍ／ｍｉｎのエッチング速度が得られていることがわかる。
【００１６】
すなわち、前記フロロカーボンを用いた場合の１／２〜１／５程度のバイアス電力で、同程度のエッチング速度が得られることが分かる。これは導入したフロロカーボンに起因するＦラジカルと、導入した塩素ガスに起因するＣｌラジカルのラジカル反応確率の違いによるもので、反応ガスとして塩素ガスを使用する場合は、カーボン成分による側壁保護効果が少なくてもボーイング形状が発生しにくいことによる。
【００１７】
このため従来技術では、側壁が加工されることによるボーイング形状発生防止のため、導入ガスの元素構成比で４０％程度以上のカーボン導入が必要であったのに対し、本実施形態では１０％以下の導入量でよい。このため、過剰なデポジションが発生しにくく低バイアス電力でエッチング処理することができる。
【００１８】
図４は、バイアス電力２５０Ｗ時に得られた加工形状を示す図である。図に示すように、後工程における膜付けに有利なように適度なテーパ形状に穴空け加工されている。
【００１９】
図５は、エッチングが停止するアスペクト比のバイアスパワー密度依存性を示す図である。前記実施例に示すような穴加工では、穴のアスペクト比（（フォトレジスト層高さ＋加工穴深さ）／穴径）がある値以上になるとエッチングが停止するという現象が生じる。図５はエッチングが停止するアスペクト比のバイアス電力密度依存性を従来技術（フロロカーボン系ガス）と比較して示す。どちらもバイアス電力を低下させるとエッチングが停止するアスペクト比は小さくなるが，本実施例の場合は従来技術に比較して特性曲線が上側にある。すなわち、あるアスペクト比で見た場合，本実施例の場合の必要パワー密度は従来技術の１／２〜１／３でよいことがわかる。
【００２０】
図６は、ウエハの処理枚数（累積）に対するウエハ上の異物検出数の推移を示す図である。なお、処理設定条件は図１で説明した条件と同じである。図に示すように、従来のフロロカーボン系のガスを用いたレシピでは処理枚数の増加に伴って異物（パーティクル）検出数が著しく増加するのに対し、本実施例の塩素系ガスを用いたレシピでは増加量が少ない。このため真空処理室を大気に開放して行うクリーニングの必要頻度が少なくてすみ、結果として単位時間当たりの処理枚数を大幅に増加することができる。
【００２１】
図７は、穴空け加工（ホール加工）の後の穴加工部のテーパ角の面内分布を示す図である。ウエハに供給するバイアス電力を低下することによるな効果として、３００ｍｍウエハに代表される大口径ウエハの面内処理の均一性向上が上げられる。従来の技術では高いバイアス印加に伴うプラズマ拡散に起因するパーティクル発生防止のため、例えばシールド板などを前記図１における載置電極を取り囲むよう設けて、これによりプラズマの拡散を抑制していた。しかしながら、このようなシールド板は、導入ガスの排気を妨げ、処理室のウエハ処理部におけるガス圧力を高める（例えば１０Ｐａに達する）。このためウエハ面内での入射フラックス量に差が生じやすく、特に大口径ウエハの処理時には図７（ｂ）に示すように面内差が大きくなり、例えば、エッチング後に埋めこまれた膜の被覆に困難を生じデバイス歩留まりを劣化させていた。
【００２２】
これに対して、本実施例においては、必要なバイアス電力は低電力（２００ｍｍウエハの場合の必要電力は６００Ｗ、この値はフロロカーボン系のプロセスに比較し１／２ないし１／５である）であり、しかも導入ガスである塩素と処理室の側壁材料であるアルミ材の反応生成物はパーティクルを生じにくい。このため本実施例の場合はシールドを必要としない。
【００２３】
従って、本実施例によれば、図７（ａ）に示すように均一なテーパ角を有する穴をウエハ全面に均一に加工することができる。これによりエッチング後工程での膜の被覆が容易となり、高い歩留まりかつ高い生産性でデバイスを量産することができる。
【００２４】
さらにプロセスガスのカーボン含有量の多い従来技術では、チャンバー壁材料だけでなく，チャンバーの一部に付着したフロロカーボン膜が、チャンバーの温度変化にともなって剥離し微細な断片となってパーティクルになる。このため頻繁にクリーニングが必要であり、多い場合には１枚の処理毎に酸素によるクリーニングを必要としていた。これに対し本実施例ではカーボン量が１０％以下であり、ロット（２５枚）毎のクリーニングだけで剥離とそれによるパーティクルの発生が抑制できた。
【００２５】
次に、本実施例のエッチング装置における、対フォトレジスト及び下地膜との選択比、及び加工形状の制御方法について説明する。低誘電率の絶縁膜を必要とする高密度・高速のデバイスでは当然ながら微細な加工が要求され，その最小加工寸法は１００ｎｍ以下にもなる。本実施例におけるＢＣｌ３ガスの添加はその微細加工精度に大きな効果をもたらす。
【００２６】
図８は、ＯＳＧ膜の対フォトレジスト膜エッチング速度選択性のＢＣｌ３添加量依存性を示す図である。なお、他の条件は前述と同じである。ＢＣｌ３添加量の増加にともなって対フォトレジスト選択性が高くなっていることが分かる。これはＢＣｌ３の重合促進作用によるもので，主にＣＨ４ガスをフォトレジスト表面で重合させることによりフォトレジストのエッチング速度が抑制される。一方、ＯＳＧ膜の下地のＳｉＣに対するエッチング速度選択比を高めるためにはカーボン系の堆積物を穴底部に堆積させる必要がある。この場合にはＢＣｌ３の流量を低下させＣＨ４の重合速度を抑制し、ＣＨ４が穴底部まで輸送されるようにする。
【００２７】
図９は、穴底のＳｉＣに対する選択比のＢＣｌ３流量依存性を示す図である。ＢＣｌ３流量を低下させるにしたがって選択比が高くなっていることが分かる。対フォトレジスト選択比と対下地ＳｉＣ選択比をさらに高めるため、エッチング初期にはＢＣｌ３流量を１００ｃｃ／ｍｉｎと高くし、下地が出始める前にＢＣｌ３流量を２５ｃ／ｍｉｎまで低下させる２ステップエッチングを行った。この結果両者の選択比がそれぞれ２０％アップした。ステップの切り替えには膜厚モニタの信号を用いたが、時間制御でも同様の結果が得られることは言うまでもない。
【００２８】
図１０は、本発明の第２の実施例を示す図である。低誘電率膜を用いるデバイスでは配線層間に貫通孔を用いて配線を形成するだけではなく、埋めこみで配線を形成する場合が多い（いわゆるデュアルダマシン構造）。この場合には低誘電率膜に溝をエッチング加工する必要がある。本実施例としてこの溝加工を取り上げる。
【００２９】
図に示すようにエッチング停止層２０１（中間層ストッパ膜）としてＳｉＣ膜を用いている。溝加工の場合の処理条件は、高周波（ＵＨＦ）電力８００Ｗ、処理圧力２Ｐａ、バイアス電力２００Ｗである。また、ガスレシピは、Ｃｌ２流量２００ｃｃ／ｍｉｎ、ＢＣｌ３流量２５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＲ流量４００ｃｃ／ｍｉｎである。穴加工時に比べＮＲガスの流量とＢＣｌ３流量が少ないが、これは穴加工に比べてデポ種の輸送が容易であるためである。これにより中間層ストッパに対して十分な選択比を得ることができた。
【００３０】
上記中間層ストッパ膜は実効的な誘電率を上昇させ、また工程コストも高いのでこれを省略するプロセスも望まれている。
【００３１】
図１１は、第３の実施例を示す図である。この場合の処理条件は高周波（ＵＨＦ）電力８００Ｗ、処理圧力２Ｐａ、バイアス電力４００Ｗ、ガスレシピとしてＣｌ２流量２００ｃｃ／ｍｉｎ，ＢＣｌ３流量１０ｃｃ／ｍｉｎ，ＮＲ流量４００ｃｃ／ｍｉｎである。ＮＲガス量は上記溝加工時より多くしている。これは側壁への堆積物付着を少なくし、溝底面でのサブトレンチ現象を低減するためである。この結果、図１１に示すようにサブトレンチのない良好な形状が得られた。また、中間ストッパのない構造で要求される疎密間およびウエハ面内均一性も実用レベルに十分な結果が得られた。これは本実施例のプロセスが基本的に側壁保護のための堆積物が少なくて良いこと、および低圧で運用可能であることによる。
【００３２】
また、前記各実施例に共通するその他の利点として、膜材料の電気的性質に対する劣化を発生させにくい点が挙げられる。従来のエッチング技術では、例えば穴加工において穴底のエッチング停止を防止するために酸素の添加が必要である。しかし、酸素の添加はＯＳＧ膜中のカーボンを選択的に引き抜き、膜構造を変化させ誘電率を上昇させる。しかし、前記各実施例のレシピを用いた場合においては、エッチング後にＯＳＧ膜の誘電率評価を行ったが、成膜時の初期誘電率から増加することはなかった。
【００３３】
また、これまでの各実施例では塩素化合物ガスを中心に開示説明してきた。しかしこの考え方の延長として臭素化合物ガスを用いても同様の効果が期待できる。
【００３４】
本発明の第４の実施例として臭素化合物ガスとの混合ガスを用いたエッチングについて説明する。処理条件は、高周波（ＵＨＦ）電力１０００Ｗ、処理圧力２Ｐａであり、ガスレシピは、臭化水素（ＨＢｒ）流量２００ｃｃ／ｍｉｎ、ＢＣｌ３流量５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＲ流量１５０ｃｃ／ｍｉｎであり、サンプルは第１の実施例で用いたものと同じである。
【００３５】
臭素系ガスの場合は反応性が低いため、エッチング速度はバイアス電力２５０Ｗで３２０ｎｍ／ｍｉｎに低下したが、低反応性のため第１の実施例のエッチング結果である図４と同様の結果を得るためには第１の実施例に比較しＮＲガス流量は１／２でよく、カーボン起因の堆積物はさらに少なくなり、クリーニング周期を更に２倍にすることができた。
【００３６】
添加ガスとしては、ＮＲガス以外にもカーボン系ガスであれば適度な調合により同様の結果を得ることができる。
【００３７】
本発明の第５の実施例として、ＣＨ２Ｃｌ２ガスを用いた場合について説明する。ＣＨ２Ｃｌ２ガスは可燃性が低くＮＲガスと同等の設備で用いることができる。このためＡｒガスなどの不活性ガスによる希釈を必要としない分、さらに低圧で処理することができる。処理条件は高周波（ＵＨＦ）電力８００Ｗ、バイアス電力１８０Ｗ、処理圧力０．６Ｐａである。ガスレシピとしてはＣｌ２流量２００ｃｃ／ｍｉｎ、ＢＣｌ３流量５０ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＨ２Ｃｌ２流量８ｃｃ／ｍｉｎであり、サンプルは第１の実施例で用いたものと同じものである。処理圧力を低くすることで、加工形状のテーパ角度の面内の偏差は図１２に示す様にさらに低くすることができた。
【００３８】
次に添加ガスとして窒素（以下Ｎ２）を用いた場合について第６の実施例として説明する。Ｎ２ガスはレジスト現像に対して影響（レジストポイズニングと呼ばれるフォトレジスト露光不良）を及ぼす場合がある。このため前記影響のないデュアルダマシンのビア先加工でのトレンチ加工工程を対象として実施した。サンプルは実施例２で用いた図１０に示すものと同じものである。処理条件は高周波（ＵＨＦ）電力８００Ｗ、バイアス電力２５０Ｗ、処理圧力１Ｐａであり、ガスレシピはＣｌ２流量２００ｃｃ／ｍｉｎ、ＢＣｌ３流量５０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｎ２流量１００ｃｃ／ｍｉｎである。エッチング結果は実施例２と同様に、中間ストッパ層のＳｉＣに対して十分な選択比を得ることができた。
【００３９】
これまでの説明からも明らかなように、上記実施例はフッ素以外のハロゲン原子を主体としたエッチングを行うものである。本発明の実施に際し、フッ素原子を含むガスを少量添加することは試料の形態によっては発明の効果を損なうことなく付加的な効果をもたらす。
【００４０】
例えば本発明の第３の実施例に対して、溝幅の狭いサンプルを加工する際には、他の処理条件は同じ状態でＣＦ４ガスを１０ｃｃ／ｍｉｎ添加することによって、第３の実施例同様の良好な加工形状を得ることができ、かつカーボン量の微少な増加に伴うパーティクル発生などのマイナスの効果は見られなかった。
【００４１】
なお、前記実施例において、加工対象とするＯＳＧとしては、例えばノベラス社製の商品名コーラル、アプライドマテリアルズ社製の商品名ブラックダイアモンド、ＡＳＭ社製の製品名オーロラなどをあげることができる。またこれらのＣＶＤ成膜によるものだけではなく、元素構成がＳｉＯＣあるいはＳｉＯＣＨであるものを用いることができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、低誘電率層を低コストでエッチング処理することのできるエッチング処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるエッチング処理装置を説明する図である。
【図２】ウエハの膜構造を示す図である。
【図３】エッチング速度のバイアス電力依存性を示す図である。
【図４】バイアス電力２５０Ｗ時に得られた加工形状を示す図である。
【図５】エッチングが停止するアスペクト比のバイアス電力密度依存性を示す図である
【図６】ウエハの処理枚数（累積）に対するウエハ上の異物検出数の推移を示す図である。
【図７】穴空け加工後の穴加工部のテーパ角の面内分布を示す図である。
【図８】ＯＳＧ層の対フォトレジスト膜エッチング速度選択性のＢＣｌ３添加量依存性を示す図である。
【図９】ＯＳＧ層に形成される穴底部のＳｉＣに対する選択比のＢＣｌ３流量依存性を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例を説明する図である。
【図１１】本発明の第３の実施例を説明する図である。
【図１２】穴空け加工後の穴加工部のテーパ角の面内分布を示す図である。
【符号の説明】
１　真空処理室
２　石英窓
３　載置電極
４　ウエハ
５　高周波電源
６　アンテナ
７　ソレノイドコイル
８　ガス分散板
９　高周波（ＵＨＦ）電源
１０　マスフローコントローラ
【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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【図１２】
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