(57)【要約】【課題】低誘電率絶縁膜にダメージを与えずにレジスト膜を除去するエッチング方法を提供する。【解決手段】本発明によれば、電極６への投入電力や、真空槽２内の圧力等のエッチング条件を変えた場合の、レジスト膜１８と積層膜１２の選択比の変化を予め求めておき、レジスト膜１８が除去されるときに所望膜厚の低誘電率絶縁膜１５が残るようなエッチング条件でエッチングを行ない、積層膜１２をエッチングするときにレジスト膜１８が除去されるので、エッチング後にレジスト膜１８を除去するアッシング工程が必要なく、低誘電率絶縁膜１５がダメージを受けることがない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
比誘電率が２．６未満の低誘電率絶縁膜と、前記低誘電率絶縁膜の表面に配置されたキャップ層とからなる積層膜を有し、
前記キャップ層の表面に、開口を有するレジスト膜が配置されたエッチング対象物を、真空槽内に配置された電極上に配置し、
前記真空槽内にエッチングガスを導入し、
前記真空槽内に前記エッチングガスのプラズマを発生させ、
前記電極に高周波電圧を印加して、前記エッチングガスのプラズマを前記エッチング対象物に入射させ、
前記開口内に位置する前記積層膜を、前記キャップ層の表面から所定のエッチング深さまでエッチングし、前記開口の底面に所定膜厚の前記低誘電率絶縁膜を残し、層間絶縁膜を構成するエッチング工程を有するエッチング方法であって、前記エッチングガスとして、前記積層膜と前記レジスト膜とをエッチング可能なガスを用い、
前記電極に投入される電力と前記真空槽内の圧力を含むエッチング条件を変えた場合の、前記レジスト膜のエッチング速度と前記積層膜のエッチング速度との比である選択比を予め求めておき、
前記選択比と、前記レジスト膜の膜厚と、前記積層膜の膜厚とから、前記レジスト膜がなくなるときに、前記開口底面に所望膜厚の前記低誘電率絶縁膜が残るような前記エッチング条件でエッチングを行なうエッチング方法。
【請求項２】
前記エッチングガスはハイドロフルオロカーボンを主成分とし、前記レジスト膜は感光性樹脂を主成分とし、前記低誘電率絶縁膜は二酸化ケイ素を主成分とし、前記低誘電率絶縁膜はシロキサン結合の繰り返しを有し、少なくとも１つの前記シロキサン結合に有機官能基が結合した重合体を主成分とする請求項１記載のエッチング方法。
【請求項３】
前記エッチングガスは、ハイドロフルオロカーボンとして、ＣＨＦ３と、ＣＨ２Ｆ２のうち少なくとも１種類のハイドロフルオロカーボンを含有する請求項２記載のエッチング方法。
【請求項４】
前記エッチング工程の後に、前記エッチング対象物を真空雰囲気中に配置し、
前記真空雰囲気中に前記低誘電率絶縁膜と反応し、前記低誘電率絶縁膜を親水化する活性化ガスを導入し、
前記真空雰囲気中に前記活性化ガスのプラズマを発生させ、前記開口内に残る前記低誘電率絶縁膜の表面を親水化させる活性化工程を有する請求項２又は請求項３のいずれか１項記載のエッチング方法。
【請求項５】
前記活性化ガスは、窒素ガスと、水素ガスと、酸素ガスと、一酸化炭素ガスと、二酸化炭素ガスと、アンモニアガスと、水蒸気のうちいずれか１種類のガスを含有する請求項４記載のエッチング方法。
【請求項６】
前記活性化ガスは希ガスを含有する請求項４記載のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電プラズマを利用したエッチング方法に関し、特に、半導体装置のキャップ層と層間絶縁膜をエッチングする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術においては、多孔質性の絶縁材料からなり、比誘電率（ｋ）が２．６未満の層間絶縁膜をエッチングを行った後に、層間絶縁膜上に残るレジスト膜を除去するため、アッシングが行われる。
【０００３】
しかし、従来のアッシング方法では、殆どの条件下において層間絶縁膜の比誘電率（ｋ）が増加すると言う膜ダメージが発生し、来る超高密度デバイス作成の大きな障害となっている。
【０００４】
比誘電率（ｋ）　２．６以上の層間絶縁膜加工では全く問題になっていなかったが、比誘電率（ｋ）　２．６未満の低誘電率層間絶縁膜で問題として浮上してきた。比誘電率（ｋ）　２．６以上の層間絶縁膜は緻密な膜であったのが、２．６未満の絶縁膜では膜自体の密度が低く、且つ膜内に有機物質が含まれているためである。
【０００５】
一方アッシングのプロセスに着目すると、従来のアッシングプロセスは１Ｐａ以上の圧力領域で行うため、多量のラジカルの存在下でのプロセスになっており、ダメージ発生に至っていると考えられる。
つまり、多数の細孔を含む層間絶縁膜中に多量のラジカルが入り込み、膜内部で反応が進行するため、膜全体の比誘電率が増加する。
【０００６】
また、１Ｐａ以上の圧力下で行われる従来のエッチングにおいても同様に、比誘電率（ｋ）　２．６未満のポーラス材を含む低誘電率層間絶縁膜に対するダメージ発生が起こっている。
【０００７】
これは、１Ｐａ以上のプロセスでは、パターン側壁へのラジカルアタックが頻繁に起こるので、ラジカルが層間絶縁膜中に入り込み、層間絶縁膜の比誘電率が増加するためと考えられる。
【０００８】
また、ラジカルは層間絶縁膜中に入り込んでダメージを与えるだけではなく、パターン側壁そのものにも物理的ダメージを与えたり、ボイド発生の原因ともなる。
【０００９】
更に、アッシングに用いられる反応ガスに着目すると、従来のアッシング方法では、アッシングガスとして酸素ガス（Ｏ２）等が用いられるが、このようなアッシングガスがアッシング工程でプラズマ化すると、プラズマ中で生成されるラジカル（Ｏ）と、層間絶縁膜が反応して比誘電率が増加するだけではなく、そのラジカルが層間絶縁膜の表面に結合すると、−ＯＨ基等の親水基が形成されるため、層間絶縁膜の表面が親水性になり、膜ダメージにつながるだけではなく、エッチング後に低誘電率絶縁膜が大気に晒されると、大気中の水分を吸収し比誘電率が増加する原因にもなる。
【００１０】
特にトレンチとビアの間に中間層（ストップ層）の無いデユアルダマシン構造の場合は低誘電率層間絶縁膜表面がアッシングガスに直接晒されため、ダメージや、表面の荒れの問題が深刻である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、低誘電率絶縁膜にダメージを与えずにレジスト膜を除去する技術を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、比誘電率が２．６未満の低誘電率絶縁膜と、前記低誘電率絶縁膜の表面に配置されたキャップ層とからなる積層膜を有し、前記キャップ層の表面に、開口を有するレジスト膜が配置されたエッチング対象物を、真空槽内に配置された電極上に配置し、前記真空槽内にエッチングガスを導入し、前記真空槽内に前記エッチングガスのプラズマを発生させ、前記電極に高周波電圧を印加して、前記エッチングガスのプラズマを前記エッチング対象物に入射させ、前記開口内に位置する前記積層膜を、前記キャップ層の表面から所定のエッチング深さまでエッチングし、前記開口の底面に所定膜厚の前記低誘電率絶縁膜を残し、層間絶縁膜を構成するエッチング工程を有するエッチング方法であって、前記エッチングガスとして、前記積層膜と前記レジスト膜とをエッチング可能なガスを用い、前記電極に投入される電力と前記真空槽内の圧力を含むエッチング条件を変えた場合の、前記レジスト膜のエッチング速度と前記積層膜のエッチング速度との比である選択比を予め求めておき、前記選択比と、前記レジスト膜の膜厚と、前記積層膜の膜厚とから、前記レジスト膜がなくなるときに、前記開口底面に所望膜厚の前記低誘電率絶縁膜が残るような前記エッチング条件でエッチングを行なうエッチング方法である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のエッチング方法であって、前記エッチングガスはハイドロフルオロカーボンを主成分とし、前記レジスト膜は感光性樹脂を主成分とし、前記低誘電率絶縁膜は二酸化ケイ素を主成分とし、前記低誘電率絶縁膜はシロキサン結合の繰り返しを有し、少なくとも１つの前記シロキサン結合に有機官能基が結合した重合体を主成分とするエッチング方法である。
請求項３記載の発明は、請求項２記載のエッチング方法であって、前記エッチングガスは、ハイドロフルオロカーボンとして、ＣＨＦ３と、ＣＨ２Ｆ２のうち少なくとも１種類のハイドロフルオロカーボンを含有するエッチング方法である。
請求項４記載の発明は、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載のエッチング方法であって、前記エッチング工程の後に、前記エッチング対象物を真空雰囲気中に配置し、前記真空雰囲気中に前記低誘電率絶縁膜と反応し、前記低誘電率絶縁膜を親水化する活性化ガスを導入し、前記真空雰囲気中に前記活性化ガスのプラズマを発生させ、前記開口内に残る前記低誘電率絶縁膜の表面を親水化させる活性化工程を有するエッチング方法である。
請求項５記載の発明は請求項４記載のエッチング方法であって、前記活性化ガスは、窒素ガスと、水素ガスと、酸素ガスと、一酸化炭素ガスと、二酸化炭素ガスと、アンモニアガスと、水蒸気のうちいずれか１種類のガスを含有するエッチング方法である。
請求項６記載の発明は請求項４記載のエッチング方法であって、前記活性化ガスは希ガスを含有するエッチング方法である。
【００１３】
一般に、積層膜をエッチングするエッチングガスは、レジスト膜も一緒にエッチングしてしまい、積層膜に孔を形成する場合、レジスト膜の膜厚も、孔の深さに応じて減少してしまう。
【００１４】
レジスト膜と積層膜の選択比は、電極への投入電力や、真空槽内の圧力や、エッチングガスの種類や、エッチング対象物の温度等のエッチング条件が異なると異なる値になる。
【００１５】
本発明は、電極への投入電力や、真空槽内の圧力や、エッチング対象物の温度を含むいろいろなエッチング条件下での、レジスト膜のエッチング速度と積層膜のエッチングの比を予め求めておき、形成する層間絶縁膜の膜厚が決まっており、レジスト膜の膜厚が分かっていれば、積層膜の膜厚が変わった場合であっても、エッチング条件を変えてエッチング深さを変えることで、所望の膜厚の層間絶縁膜を得ることができる。
【００１６】
例えば、積層膜の膜厚が大きくなった場合にはレジスト膜と積層膜の選択比が小さくなるエッチング条件でエッチングを行い、積層膜の膜厚が小さくなった場合にはレジスト膜と積層膜の選択比が大きくなるエッチング条件でエッチングを行えばよい。
【００１７】
逆にレジスト膜の膜厚が変わった場合でも、エッチング条件を変え、レジスト膜のエッチング量に対する積層膜のエッチング量を変更し、適切な深さの孔を形成することで、所望の膜厚の層間絶縁膜を形成することができる。
【００１８】
例えば、レジスト膜の膜厚が大きくなった場合にはレジスト膜と積層膜の選択比が大きくなるエッチング条件でエッチングを行い、レジスト膜の膜厚が小さくなった場合にはレジスト膜と積層膜の選択比が小さくなるエッチング条件でエッチングを行えばよい。
【００１９】
ハイドロフルオロカーボンのように、低誘電率絶縁膜と結合し、その表面に疎水基を形成するエッチングガスを用いた場合、エッチング工程後に積層膜の表面にバリアメタル膜を形成すると、孔内に露出する低誘電率絶縁膜と、バリアメタル膜との密着性が悪くなるので、エッチング工程後、バリアメタル膜を形成する前に、活性化処理を行ない、低誘電率絶縁膜の表面を親水化する必要がある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図２（ａ）の符号１０は本発明のエッチング方法によりエッチングされるエッチング対象物の一例を示している。
このエッチング対象物１０は、シリコンウェハ１１と、積層膜１２とを有している。
【００２１】
積層膜１２は、それぞれ所定膜厚の低誘電率絶縁膜１５と、キャップ層１６とを有している。
シリコンウェハ１１の表面には下地層１４が形成されており、低誘電率絶縁膜１５はシリコンウェハ１１の表面に配置されている。
【００２２】
キャップ層１６は低誘電率絶縁膜１５の表面に配置されており、キャップ層１６の表面には所定膜厚のレジスト膜１８が配置されている。レジスト膜１８は所定パターンにパターニングされ、細長の開口１９が複数形成されており、各開口１９の底面にはそれぞれキャップ層１６の表面が露出している。
【００２３】
図１の符号１は本発明のエッチング方法に用いられるエッチング装置の一例を示している。
エッチング装置１は真空槽２を有している。真空槽２内の底壁側には電極６が配置されており、上述したエッチング対象物１０を真空槽２内に搬入し、レジスト膜１８が形成された面を天井側に向けて電極６表面に載置する。
【００２４】
次いで、真空槽２に接続された真空排気系８を起動し、真空槽２内を所定圧力まで真空排気する。
真空槽２外にはエッチングガス供給系２１と、活性化ガス供給系２２が配置されており、活性化ガス供給系２２のバルブを閉じた状態で、エッチングガス供給系２１のバルブを開け、エッチングガス供給系２１のタンクに充填されたエッチングガスを真空槽２内の天井側に設置されたシャワーヘッド７に所定流量（ここでは５０ｓｃｃｍ）で供給し、シャワーヘッド７から真空槽２内にエッチングガスを導入し、真空槽２内の圧力を上昇させる。
【００２５】
真空槽２内の圧力が１Ｐａ以下の所定圧力（ここでは０．１３Ｐａ）で安定したところで、コイル用高周波電源２４を起動し、真空槽２の外壁に巻きつけられたコイル９に高周波電流を流すと共に、電極用高周波電源２３を起動し、電極６に高周波電圧を印加すると、コイルの高周波電流によって真空槽２内に誘導電場が形成されてエッチングガスがプラズマ化し、エッチングガスのラジカルが発生し、そのラジカルが高周波電圧が印加された電極６に向かって加速され、レジスト膜１８の表面と、開口１９底面に露出するキャップ層１６の表面に垂直に入射する。
【００２６】
ここではレジスト膜１８は、例えば、感光性のノボラック樹脂で構成され、キャップ層１６は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）で構成され、低誘電率絶縁膜１５はメチルシルセスキオキサン（以下ＭＳＱと略記する）のように、シロキサン結合の繰り返し単位を有するポリシロキサンで構成され、その膜内には比誘電率が２．６以下になる程度の細孔が形成されている。
【００２７】
エッチングガスとしてはハイドロフルオロカーボンのガス（ここではＣＨＦ３ガス）が用いられており、このエッチングガスを用いて上述したレジスト膜１８と、積層膜１２をエッチングする場合の、レジスト膜１８と積層膜１２の選択比と、電極６の投入電力と真空槽２内の圧力等エッチング条件との関係を予め調べておく。
【００２８】
残すべき低誘電率絶縁膜１５の要求膜厚Ｗと、積層膜１２の膜厚が分かっている場合、積層膜１２に形成すべき孔の形成深さＤが分かる。
レジスト膜１８の膜厚が分かってとすると、上述した選択比とエッチング条件との関係から、積層膜１２上からレジスト膜１８がなくなるときに積層膜１２が形成深さＤまでエッチングされるエッチング条件を求めておき、その条件でエッチングを行う。
【００２９】
図２（ｂ）はレジスト膜１８がなくなった時点でエッチングを停止した直後の状態を示しており、図２（ｂ）の符号１３は積層膜１２が形成深さＤからレジスト膜１８の厚みを引いた分掘削されて形成された孔を示している。
【００３０】
孔１３の側壁及び底面には低誘電率絶縁膜１５が露出しており、その表面にはエッチングガスのラジカル（Ｆ、Ｈ）が結合し、−Ｆや−Ｈのような疎水性基が形成されているため、低誘電率絶縁膜１５の疎水性が高くなっている。
【００３１】
エッチング工程終了後、エッチングガスの供給を停止し、真空排気を続け、真空槽２内からエッチングガスを除去する。
活性化ガス供給系２２のタンクには、予め活性化ガスとして希ガスであるアルゴンガスが充填されており、活性化ガス供給系２２のバルブを開けて活性化ガスを導入する。
【００３２】
真空槽２内の圧力が安定したところで、コイル用高周波電源２４のみを起動し、コイル９に高周波電流を流して誘導結合放電により活性化ガスのプラズマを発生させ、電極６に電圧を印加せずに、１０秒以下の間エッチング対象物１０をそのプラズマに晒すと、積層膜１２の膜厚は減少しないが、孔１３の側壁及び底面に露出する低誘電率絶縁膜１５の表面部分のみがエッチングされ、その表面から疎水基（−Ｆ、−Ｈ）が除去され、親水化される（活性化工程）。
【００３３】
エッチング対象物１０のキャップ層１６が配置された側の面に窒化チタン（ＴｉＮ）薄膜のようなバリアメタル膜を形成すると、孔１３内に露出する低誘電率絶縁膜１５にバリアメタル膜が密着形成され、次いで各孔１３内に銅等の導電性材料をそれぞれ充填すると、配線が形成される。
【００３４】
図２（ｃ）の符号３０はバリアメタル膜３３と配線３５が形成された状態の半導体装置を示している。
この半導体装置３０では、孔１３の底面に残った低誘電率絶縁膜１５によって層間絶縁膜２５が構成され、該層間絶縁膜２５によって配線３５とシリコンウェハ１１が互いに絶縁されている。
【００３５】
上述したように、孔１３の内壁及び側壁に露出する低誘電率絶縁膜１５は、活性化工程で親水化されており、そのような低誘電率絶縁膜１５とバリアメタル膜３３との密着性が高いので、この半導体装置１０の信頼性は高い。
【００３６】
尚、電極６の内部又は電極６近傍に温度制御手段を設置しておき、上述したエッチング工程でエッチング対象物１０を所定温度に維持するようにすれば、エッチング工程で発生する熱により、エッチング工程中にエッチング速度が変化することがない。
【００３７】
以上は、ハイドロフルオロカーボンのガスとしてＣＨＦ３ガスを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ３ＣＦ３、ＣＨ３ＣＦ２Ｈ、ＣＨ３ＣＦＨ２、ＣＨ２ＦＣＦ３、ＣＨ２ＦＣＦ２Ｈ、ＣＨ２ＦＣＦＨ２、ＣＨＦ２ＣＦ３、ＣＨＦ２ＣＦ２Ｈ、ＣＨＦ２ＣＦＨ２、ＣＦ３ＣＦＨ２等多様なハイドロフルオロカーボンのガスを用いることができる。これらのガスは１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上のガスを混合して用いてもよい。
【００３８】
また、エッチングガスに、積層膜１２やレジスト膜１８に対して化学的に不活性なガスを希釈ガスとして添加すれば、エッチングガス中のハイドロフルオロカーボンのガス濃度を調整することができる。
そのような希釈ガスとしては、ヘリウム、アルゴン、キセノンのような希ガスや、窒素ガス（Ｎ２）等を用いることができる。
【００３９】
以上は、低誘電率絶縁膜１５の構成材料として、ＭＳＱを用いる場合について説明したが、低誘電率絶縁膜１５の構成材料としては、シロキサン結合の繰り返し単位を有し、少なくとも一つのシロキサンに有機官能基が結合したものであれば、例えば、ＯＳＧ、ＳｉＯＣ、ａ−ＳｉＣＯ：Ｈ、ＭＳＸ、ＭＨＳＱ、ＨＳＱ、Ｏｒｇａｎｉｃ−ＳＯＧ、ＬＫＤＴＭ、Ｂｌａｃｋ　ＤｉａｍｏｎｄＴＭ、ＦｌｏｗｆｉｌｌＴＭ、ＣｏｒａｌＴＭ、ＡｕｒｏｒａＴＭ、ＮａｎｏｇｌａｓｓＥＴＭ、ＦＯｘＴＭ、ＯＣＤ　ＴＭ、Ａｃｃｕｓｐｉｎ　ＴＭ、ＨＯＳＰ　ＴＭ、Ａｅｒｏｇｅｌ、Ｘｅｌｏｇｅｌ、Ｐｏｒｏｕｓ　Ｓｉｌｉｃａ：ＩＳＭ−１．５等を用いることができる。
【００４０】
以上はレジスト膜１８を感光性のノボラック樹脂で構成する場合について説明したが、ノボラック樹脂以外にもナフトキノンジアジド化合物等、種々の感光性物質を用いることができる。
【００４１】
以上は、活性化ガスとしてアルゴンを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルゴン以外にもキセノン等の他の種類の希ガスや、窒素ガス（Ｎ２）、水素ガス（Ｈ２）、酸素ガス（Ｏ２）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、二酸化炭素ガス（ＣＯ２）、アンモニアガス（ＮＨ３）、水蒸気等を用いることができる。これらのガスは単独で用いてもよいし、２種類以上を混合して用いてもよい。
【００４２】
以上は、エッチング工程に引き続いて同じ真空槽２内で活性化工程を行なう場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、エッチング工程終了後に、エッチング対象物１０を一旦真空槽２から取出し、バリアメタル膜を形成する直前に、上述したようなエッチング装置１に再びエッチング対象物１０を搬入し、活性化工程を行なってもよい。
【００４３】
上述したように、エッチング工程の終了後は孔１３内に露出する低誘電率絶縁膜１５の表面が疎水性になっており、低誘電率絶縁膜１５は大気中の水分を吸収し難く、電気的特性が劣化しないので、バリアメタル膜を形成する直前までエッチング対象物１０を大気中で保存することができる。
【００４４】
また、活性化工程において、エッチング対象物１０をプラズマに晒す時間が１０秒を超えると、低誘電率絶縁膜１５の誘電率が上昇する原因となるので、その処理時間は１０秒以下が好ましい。
【００４５】
真空槽２内の圧力は特に限定されないが、真空槽２内の圧力が１Ｐａを超えた状態でエッチング工程又は活性化工程を行なうと、低誘電率絶縁膜１５にダメージが発生することがあるので、エッチング工程と活性化工程のいずれの場合も真空槽２内の圧力は１Ｐａ以下であることが好ましい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、積層膜がエッチングされるときに、レジスト膜もエッチング除去されるので、エッチングの後にレジスト膜を除去するためのアッシング工程が必要なく、低誘電率絶縁膜がダメージを受けない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いるエッチング装置の一例を説明する図
【図２】（ａ）〜（ｃ）：本発明のエッチング方法を用いて半導体装置を製造する工程を説明するための断面図
【符号の説明】
２……真空槽　　６……電極　　１０……エッチング対象物　　１２……積層膜　　１５……低誘電率絶縁膜　　１６……キャップ層　　１８……レジスト膜
１９……開口　　２５・・・・・・層間絶縁膜
【図１】
2004071732.tif 000003
【図２】
2004071732.tif 000004