(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜厚測定手段により被エッチング材のエッチング深さを検出しつつ、第１の深さまでエッチングする第１のステップと、引き続いて、前記第１のステップのエッチング速度より小さい速度で所定の深さまでエッチングする第２のステップからなり、
前記第２のステップのエッチング速度は、前記第１のステップのエッチング速度の５０％以下であることを特徴とするデュアルダマシン用のエッチング処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のデュアルダマシン用のエッチング処理方法において、
第２のステップにおけるエッチング処理では、水素ガスのみによるエッチング処理を行うことを特徴とするデュアルダマシン用のエッチング処理方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のデュアルダマシン用のエッチング処理方法において、
前記第１のステップにおけるエッチング処理では、水素成分と窒素成分を含むガスによるエッチング処理を行い、前記第２のステップにおけるエッチング処理では、水素ガスのみによるエッチング処理を行うことを特徴とするデュアルダマシン用の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、デュアルダマシン用のエッチング処理方法に関し、とくに、エッチングストッパ膜を用いないで層間絶縁膜としての低誘電率膜のエッチングを行なうのに適したエッチング処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体素子の高集積度化が進展するに伴い、多層配線構造においては同一配線層内の隣り合う配線間の層間絶縁膜の幅が狭まるとともに、異なる配線層間の層間絶縁膜の厚さも薄くなっている。このように配線間隔の縮小により、配線間容量が上昇すれば半導体装置の実動作速度は１／Ｋ（Ｋは縮小率）のスケーリング則に合致しなくなり、高集積化のメリットを十分に享受することができなくなる。高集積度半導体素子の高速動作、低消費電力および低発熱等の諸要請に応えるために、配線間容量の増加防止は是非とも解決しなければならない要素技術の１つである。
【０００３】
この問題を解決するために、従来より層間絶縁膜に採用されていた比誘電率がほぼ４のＳｉＯ2、比誘電率約４〜６のＳｉＯＮ、比誘電率がほぼ６のＳｉ3Ｎ4等の無機系材料に替わって、例えば、特開昭６３−７６５０号公報に開示されているように、有機系低誘電率材料が注目されている。この有機系低誘電率の層間絶縁膜材料としては、炭化水素系樹脂、とくに、ポリイミド、全芳香族エーテルポリマ等の高分子材料が知られている。これらの材料は、炭素原子を含有することで密度を低減し、また分子（モノマ）自身の分極率を小さくすることで低誘電率を達成している。
【０００４】
一方、微細化するデバイスの配線遅延を低減するために、配線抵抗の小さい材料であるＣｕが採用され始めており、近年では、低誘電率の層間絶縁膜とＣｕ配線を組み合わせたデュアルダマシンと呼ばれる加工法が開発されている。すなわち、層間絶縁膜をエッチングすることにより、溝部（トレンチ）と穴部（ビア）を形成して段差形状とし、この溝部（トレンチ）と穴部（ビア）にＣｕを埋め込むことにより、溝配線とビアプラグを同時に形成するというものである。このデュアルダマシンプロセスにおいては、通常、層間絶縁膜内にエッチングストッパ膜と呼ばれる膜が挿入されている。図４にエッチングストッパ膜を用いて、デュアルダマシンプロセスを行った例を示す。層間絶縁膜である有機系低誘電率膜２０２ａ，２０２ｂ間にエッチングストッパ膜（ＳｉＮ膜）２０３ａを設けることにより、有機系低誘電率膜２０２ｂのエッチング深さのばらつきを低減することができると共に、所望のエッチング形状が形成できるのである。このような膜構成は、月刊Semiconductor World 1998.1 p.109の図３デュアルダマシンプロセスフロー（ビア→トレンチ）に記載されている。しかし、このエッチングストッパ膜に使用される材料も誘電率が高く、配線間容量を増す要因となっている。このため、エッチングストッパ膜を用いないデュアルダマシンプロセスが切望されている。
【０００５】
しかしながら、エッチングストッパ膜を用いない、いわゆるエッチングストッパレス構造ではエッチング深さの均一性を確保するが難しいことなど、新たな問題が起きてくる。図５に、エッチング時間を制御することによってエッチング深さの制御を行う従来のエッチング方法によって、エッチングストッパレス構造をエッチング処理した場合のエッチング形状の例を示す。この場合、エッチング深さが溝部２０６の中心部で４００ｎｍ、端部で４４０ｎｍとなっており、いわゆるサブトレンチと呼ばれる現象が発生している。
【０００６】
この他にも、有機系低誘電率膜の元々の膜厚にもばらつきがあるため、エッチング速度を基にしたエッチング時間制御だけでは、そのばらつき分を補正できず、正確な深さを持つ溝を形成し、正確な段差形状を得ることは非常に困難である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、デュアルダマシンプロセスにおける層間絶縁膜のエッチング処理に際して、層間絶縁膜内にエッチングストッパ膜を設けることなしに、正確な段差形状を得るためのエッチング処理方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、膜厚測定手段により被エッチング材のエッチング深さを検出しつつ、第１の深さまでエッチング処理する第１のステップと、引き続いて、前記第１のステップの処理速度より小さい処理速度で所定の深さまでエッチング処理する第２のステップからなるデュアルダマシン用のエッチング処理方法である。
【０００９】
第１のステップにおけるエッチング深さは、所定のエッチング深さの８５％から９５％までの深さであり、第２ステップのエッチング処理速度は第１ステップのエッチング処理速度の５０％以下であることが、最も正確なエッチング深さを効率的に得ることができる。
【００１０】
本願出願人が先に出願した特願２００１−０７７４３１号には、エッチング深さをリアルタイムで正確に測定する方法を開示している。この被エッチング材の膜厚測定法は、複数の波長の各々についてその干渉波形の時間微分の波形を求め、それに基づいて、干渉波形の微分値の波長依存性を示すパターンを求め、そのパターンを用いて膜厚の測定を可能にしたものである。本発明のエッチング処理方法におけるエッチング深さの測定は、この測定法を利用するのが効果的である。言うまでもなく、リアルタイムで被エッチング材の膜厚を測定できるものであれば、この方法に限ることはない。
【００１１】
第１のステップと第２のステップのエッチング速度の調整は、前記膜厚測定法を適用して判断し、その判断結果に基づいてリアルタイムにプラズマを制御することで達成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例により説明する。
【００１３】
図１は、本発明に使用するプラズマエッチング装置の全体構成図である。プラズマ発生装置としてのマグネトロン１０１から、自動整合器１０６と導波管１０２と導入窓１０３を介して、エッチング処理室１０４内にマイクロ波が導入される。一方、エッチング処理室１０４には、ガス導入手段１００を介して窒素成分と水素成分を含むエッチングガスが導入され、マイクロ波の導入に伴いプラズマ１１５が発生する。エッチング処理室１０４は図示しない真空排気装置により減圧可能とされている。導入窓１０３の材質は、石英、セラミックスなどマイクロ波(電磁波)を透過する物質である。
【００１４】
エッチング処理室１０４の周りには、電磁石１０５が設置されている。電磁石１０５による磁場強度は、マイクロ波の周波数と共鳴を起こすように設定されている。たとえば、周波数が２.４５ＧＨｚならば、磁場強度は０．０８７５Ｔである。
【００１５】
この磁場強度で、プラズマ中の電子のサイクロトロン運動が電磁波の周波数と共鳴するために、効率よくマイクロ波のエネルギーがプラズマに供給され、高密度のプラズマができる。
【００１６】
被エッチング材１０７は、試料台１０８の上に設置される。被エッチング材１０７に入射するイオンを加速するために、ｒｆ（radio frequency）バイアスを印加する高周波電源１０９が、マッチングボックス１１１を介して試料台１０８に接続されている。
【００１７】
また、ローパスフィルター１１３を介して直流電源１１２を接続し、試料台１０８に直流電圧を印加することで、被エッチング材１０７を試料台１０８に静電力により保持する。
【００１８】
のぞき窓１２０は膜厚測定手段１２１による被エッチング材１０７の膜厚測定のための光透過窓である。この膜厚測定手段１２１は、上述のとおり、複数の波長の各々についてその干渉波形の時間微分の波形を求め、それに基づいて、干渉波形の微分値の波長依存性を示すパターンを求め、そのパターンを用いて膜厚の測定を可能としている。この膜厚測定手段１２１からの、膜厚データは、制御用コンピュータ３００に送られる。そして、この膜厚データに基づき、制御用コンピュータ３００からガス導入手段１００、マグネトロン１０１に電力を供給する図示しないマイクロ波電源、電磁石１０５および高周波電源１０９に制御信号が送られ、エッチング処理条件を所定のプログラムに基づき制御するようにしている。
【００１９】
図２は本発明のエッチング処理方法のプロセスフローの一例を示す。この図２では、穴部（ビア）形成→溝部（トレンチ）形成の順序にエッチングする例を示すが、この他にも、溝部（トレンチ）形成→穴部（ビア）形成の順序であってもよい。
【００２０】
図２（ａ）はエッチング処理前の状態であり、ホトレジスト２００により穴部（ビア）パターンが形成されている。図２（ｂ）は、ＳｉＯ２膜２０１、有機系低誘電率膜２０２がエッチング処理された後の図であり、穴部（ビア）２０５が形成されている。次いで図２（ｃ）に示すようにホトレジスト２００により溝部（トレンチ）パターンを形成し、本発明によるエッチング処理を行った後の形状を図２（ d ）に示す。
【００２１】
以下、本発明による、デュアルダマシンプロセスにおける有機系低誘電率膜のエッチング処理方法について、図３を用いて詳述する。膜厚測定手段１２１によりエッチング深さをリアルタイムで検出しつつ、第１のステップでは高速でエッチング可能なエッチング条件（水素35cc/min、窒素35cc/min、圧力1.0Pa、プラズマ発生用高周波出力1000Ｗ、ウエハに印加する高周波出力0.64W/cm2  ）でエッチング処理を行い、エッチング深さが所定深さのほぼ９５％に達したところ (図３中に点線で形状表示)で、形状制御性に優れた第２のステップのエッチング条件（水素70cc/min、圧力1.0Ｐａ、プラズマ発生用高周波出力1000Ｗ、ウエハに印加する高周波出力0.64W/cm2  ）に切り換え、エッチング深さが所定深さに達したところ (図３中に実線で形状表示)でエッチング処理を終了した。これにより、溝部（トレンチ）２０６が形成された。この場合、第２のステップのエッチング速度は約３０ｎｍ／ｍｉｎであり、１秒間あたりでは０．５ｎｍのエッチング量となり、第１のステップの約７分の１のエッチング速度とした。
【００２２】
このように、第２のステップでは第１のステップに比べて、単位時間あたりのエッチング量が少なく、エッチングストッパ膜を用いなくてもエッチング深さの制御性が向上しエッチング形状を精度良く形成できた。
【００２３】
また、有機系低誘電率膜をアンモニアや窒素、水素混合ガスでエッチングする場合、エッチング速度は大きいが条件によってはサブトレンチが発生しやすい。
これに対し、水素ガスでエッチングすると、エッチング速度は小さいがサブトレンチは発生することはない。したがって、第２ステップにおいて水素ガスでエッチングすることによりサブトレンチを抑制することができる。また、第１ステップで窒素、水素混合ガスを用い、第２ステップに水素ガスを使用することにより、エッチング速度が大きく、かつサブトレンチの発生を抑制することができる。
【００２４】
以上の実施例では、エッチング深さが所定深さのほぼ９５％に達したところで、第２のステップのエッチング条件へ変更したが、形状制御性を重視するエッチング処理の場合は、８５％に達したところで、変更すると良い結果が得られる。
【００２５】
以上の実施例では、第２のステップのエッチング速度を第１のステップの約７分の１としたが、エッチング速度を重視するエッチング処理の場合は、約２分の１のエッチング速度で行うと良い結果が得られる。
【００２６】
以上の実施例では、有磁場マイクロ波放電を利用したドライエッチング装置を例に説明したが、他の放電すなわちＵＨＦ−ＥＣＲ放電、容量結合型放電、誘導結合型放電（TCP放電含む）、マグネトロン放電、表面波励起放電を利用したドライエッチング装置においてもほぼ同様の作用効果を奏する。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によればデュアルダマシンプロセスにおいて、エッチングストッパ膜を用いなくともエッチング深さを精度良く形成でき、素子特性のバラツキを少なくすることができる。とくに本発明は、有機系低誘電率膜を段差状にエッチングするときに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に使用するエッチング装置の全体構成図である。
【図２】本発明のエッチング処理方法のプロセスフローである。
【図３】本発明のエッチング処理方法によるエッチング形状図である。
【図４】エッチングストッパ膜を用いて処理したエッチング形状図である。
【図５】エッチングストッパレス構造を処理したエッチング形状図である。
【符号の説明】
１００…ガス導入手段、１０１…マグネトロン、１０２…導波管、１０３…導入窓、１０４…エッチング処理室、１０５…磁石、１０６…自動整合器、１０７…被エッチング材、１０８…試料台、１０９…高周波電源、１１１…マッチングボックス、１１２…直流電源、１１３…ローパスフィルタ、１１５…プラズマ、１２０…のぞき窓、１２１…膜厚測定手段、２００…ホトレジスト、２０１…ＳｉＯ２膜、２０２，２０２ａ，２０２ｂ…有機系低誘電率膜、２０３，２０３ａ，２０３ｂ…エッチングストッパ膜（ＳｉＮ膜）、２０４…基板、２０５…穴部（ビア）、２０６…溝部（トレンチ）、３００…制御コンピュータ
【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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