(57)【要約】【課題】有機膜をエッチングするプラズマ処理において、エッチング特性および加工形状を劣化させることなく、被処理基板への異物の付着を抑制可能とすること。【解決手段】有機膜のエッチングを行なうプラズマエッチング装置において、被処理基板の外周部に半導体のリングを設置し、リングにバイアス電圧を印加する。【選択図】        図１
2005039004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機膜のエッチングを行なうプラズマエッチング装置において、
被処理基板の外周部に半導体のリングを設置し、該リングにバイアス電圧を印加するようにしたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマエッチング装置において、
処理室の内壁面にカーボン材料の樹脂層を設けたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマエッチング装置において、
エッチングガスに一酸化炭素ガスを添加することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項４】
請求項１記載のプラズマエッチング装置において、
エッチングガスにメタンガスを添加することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項５】
請求項１記載のプラズマエッチング装置において、
前記被処理基板の被エッチング面積に応じて、前記リングと電極との間に配設されるサセプター部材の材質または寸法の少なくとも何れか一方を調整することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項６】
有機膜のエッチングを行なうプラズマエッチング方法において、
被処理基板の外周部に半導体のリングを設置して、該リングにバイアス電圧を印加し、この印加するバイアス電圧を制御することで、前記リング上へのシリコン系反応生成物の堆積度合いを制御することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマエッチング方法において、
処理室の内壁面にカーボン材料の樹脂層を設けたことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項８】
請求項６記載のプラズマエッチング方法において、
エッチングガスに炭素を含んだガスを添加することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法に係り、特に、低誘電率の配線層絶縁膜材料の加工に好適なプラズマ処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの高速化に伴って、微細化だけでなく、低抵抗化のために配線材料もＣｕへ移行している。しかし、配線材料としてＣｕを採用した場合には、Ｃｕのドライエッチングが技術的に困難なことから、Ｃｕ配線の周囲に配置する層間絶縁膜を先にエッチングした後、メッキ処理等によりＣｕを埋め込み、平坦化ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉ−ｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）処理により、余分なＣｕを削りとって配線パターンとして形成する、ダマシン（Ｄａｍａｓｃｅｎｅ）技術が採用されている。
【０００３】
ところで、半導体デバイス製造工程では、たとえば成膜、エッチング、アッシングなどの微細加工プロセスで、プラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理によるプロセスは、真空チャンバー（リアクタ）内部に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体ウエハ表面で反応させて微細加工を行なうとともに、揮発性の反応生成物を排気することにより、所定の処理を行なうものである。
【０００４】
このプラズマ処理プロセスでは、リアクタ内壁やウエハの温度、あるいは内壁への反応生成物の堆積状態が、プロセスに大きな影響を及ぼす。また、リアクタ内部に堆積した反応生成物が剥離すると、発塵の原因となって、素子特性の劣化や歩留まりの低下につながる。このため、プラズマ処理装置においては、プロセスを安定に保ちかつ異物の発生を抑制するために、リアクタ内部の温度や表面への反応生成物の堆積を制御し、迅速に排気することが重要である。
【０００５】
たとえば、平行平板型のプラズマ処理装置において、クランプリング（被処理体保持手段）、フォーカスリング（プラズマ集中手段）の少なくとも一方に、プラズマ処理により生じる反応生成物が付着しない温度に昇温・維持させる加熱手段を設けた装置が知られている（特許文献１参照）。この加熱手段としては抵抗発熱体を用いており、加熱により反応生成物の付着が防止できるので、反応生成物の剥離や、被処理基板への異物の付着が低減される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２７５３８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、プラズマ処理装置では、エッチングにより発生する反応生成物を迅速に排気し、かつチャンバー内壁面への反応生成物の堆積を制御する必要がある。
【０００８】
しかしながら、ハードマスク（例えばＳｉＯ２）構造の有機膜のエッチングにおいては、シリコン（Ｓｉ）系反応生成物が起因と推定される異物の発生が問題となっている。シリコン系異物の発生原因は、ハードマスクおよびチャンバーを構成する部材がエッチングあるいはスパッタリングされて発生すると考えられている。発生したシリコン系異物は、チャンバーを構成する部材に一定量堆積し、その後剥離することで、ウエハ基板へ付着する。また、極微小な異物が被エッチング膜に付着することで、マイクロマスクを形成し残渣が発生する。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、有機膜をエッチングするプラズマ処理において、エッチング特性および加工形状を劣化させることなく、被処理基板への異物の付着を抑制可能とすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本願による代表的な１つの発明では、有機膜のエッチングを行なうプラズマエッチング装置において、被処理基板の外周部に半導体（例えばシリコン材）のリングを設置し、このリングにバイアス電圧を印加するように、構成する。このように、被処理基板の外周部に半導体からなるリングを設置し、リングにバイアス電圧を印加することで、プラズマ処理で発生するＳｉ系反応生成物とリング表面との反応を適応的に制御でき、プラズマ処理で発生するＳｉ系反応生成物を同材質のリングの上に安定的に堆積でき、これにより、被処理基板での異物の発生を抑制できる。さらに、このようにリングにバイアス電圧を印加することで表面での反応を制御し、反応生成物の堆積速度を抑制する。堆積を抑制された反応生成物は、再び気相中に入り、排気される確率を高めることができるので、結果として被処理基板へ付着する異物量を低減できる。
【００１１】
さらに、プラズマ処理室の内壁面に、カーボン材質の樹脂層を設ける。これにより、樹脂の一部や全体がエッチングあるいはスパッタされ、プラズマ中にその成分が放出される場合、樹脂はカーボン（Ｃ）が主成分であるため、ハードマスクおよびチャンバーを構成する部材がエッチングあるいはスパッタリングされて発生するシリコン（Ｓｉ）と結合エネルギーが高いため、容易に反応し排気される。また、樹脂表面に堆積する場合においても、同様に、結合エネルギーが高いため、他のチャンバーを構成する部材と比較して、より厚く、かつ、安定的に堆積する。
【００１２】
さらに、一酸化炭素（ＣＯ）、またはメタンガス（ＣＨ４）、またはガス取扱い容易なアルゴンガス（Ａｒ）によって希釈したＡｒ＋ＣＨ４ガスなどの、カーボン成分を含むガスを、エッチングガスである窒素（Ｎ２）と水素（Ｈ２）の混合ガス、あるいは、アンモニア（ＮＨ３）などに添加し、処理室（チャンバー）内に供給する。これにより、シリコンが容易にカーボンと結合し排気され、異物量が低減できる。
【００１３】
さらに、被処理基板の被エッチング面積に応じて、半導体のリングと電極との間に配設される部材の、材質または寸法の少なくとも何れか一方を調整する。これにより、リングに印加されるバイアス電圧が好適に制御され、Ｓｉ系反応生成物をリングの上に安定的に堆積でき、被処理基板での異物の発生を抑制できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の各実施形態で用いられる、ＵＨＦ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図である。図１において、１００は処理室、１０１は上部アンテナ、１０２は高周波電源、１０３はマッチング・フィルタ回路、１０４はコイル、１０５はプラズマ、１０６はカーボン材料の樹脂層である側壁スリーブ、１０７はウエハ基板載置電極、１０８はウエハ基板（被処理基板）、１０９はマッチング・フィルタ回路、１１０はＲＦバイアス電源、１１１は半導体（例えばシリコン材）よりなる試料台リング、１１２はサセプター部材としての誘電体、１１３はターボポンプである。
【００１６】
図１に示したプラズマエッチング装置において、真空排気した処理室１００内には、エッチングガスである窒素（Ｎ２）と水素（Ｈ２）の混合ガス、あるいは、アンモニア（ＮＨ３）等が、図示割愛してあるが、ボンベからガス配管、マスフローコントローラを介して、上部アンテナ１０１の表面に設けられた微細な孔から、シャワー状に供給される。また、必要に応じ、加工形状および膜質に影響を与えない少量の一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等のカーボン成分を含むガスが、処理室１００内に同様に供給される。このとき、可変バルブにより、所望の圧力に調整する。
【００１７】
また、高周波電源１０２（ここでは例えば、周波数４５０ＭＨｚのＵＨＦ電源および周波数１３．５６ＭＨｚのＲＦ電源）から発生させた高周波を、マッチング・フィルタ回路１０３、上部アンテナ１０１を介して処理室１００内に導入する。これにより、処理室１００の周辺に配置されたコイル１０４により形成された磁場とＵＨＦ波の電源との相互作用により、ＥＣＲ放電が生じ、エッチングガスを解離しプラズマ１０５を形成する。
【００１８】
処理室１００内の下方に設けられたウエハ基板載置電極１０７上には、ここでは例えば直径２００ｍｍのウエハ基板１０８が載置されており、ウエハ基板載置電極１０７には、ここでは例えば８００ＫＨｚのＲＦバイアス電源１１０が、マッチング・フィルタ回路１０９を介して接続されている。これにより、プラズマ中のイオンをウエハ基板１０８上に引き込み、表面に吸着したラジカルとの相互作用によるイオンアシスト反応により、異方性エッチングを進行させる。エッチング中に生成した反応生成物は、ターボポンプ１１３により排気される。
【００１９】
本発明の各実施形態では、ウエハ基板１０８の外周部に、半導体よりなる試料台リング１１１が、アルミナよりなる誘電体１１２（ただし、後述する第４実施形態では、ジルコニアよりなる誘電体１１２である）を介して、ウエハ基板載置電極１０７上に設置されている。試料台リング１１１としては、直径２００ｍｍで厚みが０．６ｍｍのウエハ基板１０８に対して、例えば、内径が２００ｍｍ強、外径が３００〜３５０ｍｍ程度で、厚みが３ｍｍ程度のものが用いられる。この試料台リング１１１には、ウエハ基板載置電極１０７、誘電体１１２を介して、ＲＦバイアス電源１１０からバイアス電圧（バイアス電力）の一部を漏洩させる。試料台リング１１１へのウエハ載置電極１０７からのＲＦバイアス漏れ量は、誘電体１１２の材質および／または形状の変更によって調整し、ハードマスクの面積比率の異なる有機膜のエッチングに対しても、試料台リング１１１へのＳｉ系反応生成物の堆積が目標値と略一致するように安定的に行なわれ、これにより、ウエハ基板１０８における異物発生量を管理値以下に抑制することができるように、被処理基板（ウエハ基板１０８）の被エッチング面積に応じて、ＲＦバイアス漏れ量を好適値に調整する。つまり、試料台リング１１１へのＳｉ系反応生成物の堆積は、異物発生量が管理値以下に抑制でき、かつ、例えばロット毎の処理の間に実施されるクリーニングプロセスが到来するまでの間に、試料台リング１１１からのＳｉ系反応生成物の剥離が発生しないことが保証されるように制御する。
【００２０】
また、本発明の各実施形態では、処理室１００の内壁には、樹脂層としてポリエーテルイミド製の側壁スリーブ１０６を設け、これにより、側壁スリーブ１０６がエッチングあるいはスパッタされて、処理室１００中にカーボン成分が生成されるように構成している。このように、プラズマによるエッチングおよびスパッタリングにより生成されたカーボン成分は、プラズマによって生成されるＳｉ系反応生成物（シリコン）との結合エネルギーが高いため、Ｓｉ系反応生成物はカーボン成分と容易に反応して結合され、効率的に排気される。また、樹脂層表面に堆積する場合においても、同様に、結合エネルギーが高いため、他のチャンバー（処理室）を構成する部材と比較して、より厚く、かつ、安定的にＳｉ系反応生成物が堆積する。
【００２１】
上記したように、ウエハ基板１０８の周りの試料台リング１１１が、ウエハ基板１０８をガードするようにＳｉ系反応生成物の堆積を担うこと、および、側壁スリーブ１０６がエッチングあるいはスパッタされることで生成されたカーボン成分がＳｉ系反応生成物と容易に結合して、排気され易くなることなどが相まって、有機膜の特性および加工形状を劣化させることなく、ウエハ基板１０８での異物の発生と残渣の形成を抑制することが可能となる。
【００２２】
さらに、エッチングガスに炭素を含んだガスを添加するようになせば、Ｓｉ系反応生成物が供給されたガス中のカーボンと結合して、より一層排気され易くなるので、異物の発生がより一層低減可能となる。
【００２３】
＜第１実施形態＞
上述したように、ウエハ基板１０８の外周部に半導体よりなる試料台リング１１１を配置し、この試料台リング１１１にバイアス電圧を印加するとともに、処理室１００の内壁にカーボン材料の樹脂膜（ポリエーテルイミド製の側壁スリーブ１０６）を設けたプラズマエッチング装置において、エッチングガスとしてＮＨ３を用い、図２に示すエッチング処理条件で、ハードマスク構造の有機膜（ハードマスク面積比５０％）をもつウエハを３００枚連続してエッチング処理した。処理したウエハを検査したところ、全てのウエハ基板１０８で残渣なく、異物は管理基準以下で、かつ、良好な加工形状を得られることが確認された。
【００２４】
＜第２実施形態＞
上述したように、ウエハ基板１０８の外周部に半導体よりなる試料台リング１１１を配置し、この試料台リング１１１にバイアス電圧を印加するとともに、処理室１００の内壁にカーボン材料の樹脂膜（ポリエーテルイミド製の側壁スリーブ１０６）を設けたプラズマエッチング装置において、エッチングガスとしてＮＨ３を用いるとともに、エッチングガスの添加ガスとして、加工形状および膜質に影響を与えない少量の一酸化炭素ガス（ＣＯ）を処理室１００に供給し、図３に示すエッチング処理条件で、ハードマスク構造の有機膜（ハードマスク面積比５０％）をもつウエハを３００枚連続してエッチング処理した。処理したウエハを検査したところ、全てのウエハ基板１０８で残渣なく、異物は管理基準以下で、かつ、良好な加工形状を得られることが確認された。
【００２５】
＜第３実施形態＞
上述したように、ウエハ基板１０８の外周部に半導体よりなる試料台リング１１１を配置し、この試料台リング１１１にバイアス電圧を印加するとともに、処理室１００の内壁にカーボン材料の樹脂膜（ポリエーテルイミド製の側壁スリーブ１０６）を設けたプラズマエッチング装置において、エッチングガスとしてＮＨ３を用いるとともに、エッチングガスの添加ガスとして、加工形状および膜質に影響を与えない少量の、かつガス取扱い容易なアルゴンガス（Ａｒ）によってメタンガス（ＣＨ４）を希釈したＡｒ＋ＣＨ４ガスを、処理室１００に供給し、図４に示すエッチング処理条件で、ハードマスク構造の有機膜（ハードマスク面積比５０％）をもつウエハを３００枚連続してエッチング処理した。処理したウエハを検査したところ、全てのウエハ基板１０８で残渣なく、異物は管理基準以下で、かつ、良好な加工形状を得られることが確認された。
【００２６】
＜第４実施形態＞
本実施形態では、前記第１〜第３実施形態におけるアルミナよりなる誘電体１１２に代替して、アルミナより誘電率の高い例えばジルコニアを用いて、第３実施形態と同様のエッチング処理条件で、ハードマスク構造の有機膜（ハードマスク面積比７０％）をもつウエハを３００枚連続してエッチング処理した。処理したウエハを検査したところ、全てのウエハ基板１０８で残渣なく、異物は管理基準以下で、かつ、良好な加工形状を得られることが確認された。なお、本実施形態では、サセプター部材としてジルコニアを用いたが、これに限るものではない。
【００２７】
なおまた、本実施形態では、マスク面積比７０％の有機膜に対し、処理を行なったが、さらにマスク面積比の大きいウエハ基板に対しては、誘電体１１２に替えて、アルミニウムなどの導電材料を用いることで、同様の効果を得ることができることが確認された。
【００２８】
図５は、従来技術と本発明の前記第２実施形態における、有機膜エッチング速度、対ＨＭ（ハードマスク）選択比、ウエハ１枚当たりの異物数（０．２０μｍ以上）、残渣の有無を、それぞれ対比した図である。同図より明らかなように、本発明では、従来よりもエッチング速度は若干遅くなるものの実用上問題のないエッチング速度が確保され、その他の点では、対ＨＭ選択比が向上し、また、異物数は従来技術よりも１オーダー少なく管理基準以下を容易にクリアでき、残渣もなく、以って、有機膜の特性および加工形状を劣化させることなく、異物の発生と残渣の形成を抑制することができる。
【００２９】
図６は、本発明の前記第４実施形態における、誘電率を変化させた場合の、異物数、残渣量を、それぞれ対比した図である。同図より明らかなように、本発明の適用範囲内であれば、異物数は管理基準以下を容易にクリアでき、残渣もなく、以って、有機膜の特性および加工形状を劣化させることなく、異物の発生と残渣の形成を抑制することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、有機膜のプラズマエッチング処理において、有機膜の特性および加工形状を劣化させることなく、異物の発生と残渣の形成を抑制することが可能となり、以って、信頼性の高い半導体デバイスの製造に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態で用いられるＵＨＦ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるエッチング処理条件を示す表図である。
【図３】本発明の第２実施形態におけるエッチング処理条件を示す表図である。
【図４】本発明の第３、第４実施形態におけるエッチング処理条件を示す表図である。
【図５】従来技術と本発明における、有機膜エッチング速度、対ＨＭ選択比、異物数、残渣の有無をそれぞれ対比した表図である。
【図６】本発明の第４実施形態における、誘電率を変化させた場合の、異物数、残渣量を、それぞれ対比したグラフ図である。
【符号の説明】
１００  処理室
１０１  上部アンテナ
１０２  高周波電源
１０３  マッチング・フィルタ回路
１０４  コイル
１０５  プラズマ
１０６  側壁スリーブ
１０７  ウエハ基板載置電極
１０８  ウエハ基板
１０９  マッチング・フィルタ回路
１１０  ＲＦバイアス電源
１１１  試料台リング
１１２  誘電体
１１３  ターボポンプ
【図１】
2005039004.tif 000003
【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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