(57)【要約】【課題】より効率的なプロセス開発の手法を確立可能とするために、エッチング加工に用いるプラズマおよび材料内に含まれる粒子数からエッチング速度を的確に予測することが可能なシミュレーション方法を提供する。【解決手段】反応ガスプラズマを用いたエッチングのシミュレーション方法であって、エッチング条件に基づいてエッチング表面に生成される反応膜の膜厚を導出する（Ｓ５）。導出された反応膜の膜厚に基づいて、反応膜で覆われたエッチング表面に入射されるイオンエネルギーを導出する（Ｓ６）。エッチング条件に基づいて得られるエッチング反応種の供給量と、イオンエネルギーに基づいて得られる反応確率とから、エッチング速度を導出する（Ｓ３）。【選択図】図１
2005259919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスプラズマを用いたエッチングのシミュレーション方法であって、
エッチング条件に基づいてエッチング表面に生成される反応膜の膜厚を導出する工程と、
前記反応膜の膜厚に基づいて当該反応膜におけるイオンエネルギーの減衰量を導出し、導出された減衰量とエッチング表面に照射されるイオンエネルギーとに基づいて、前記エッチング表面に入射されるイオンエネルギーを導出する工程と、
前記エッチング表面に入射されるイオンエネルギーに基づいて得られる反応確率と、前記エッチング条件に基づいて得られるエッチング反応種の供給量とから、エッチング速度を導出する工程とを行う
ことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項２】
請求項１記載のシミュレーション方法において、
前記反応膜の膜厚と当該反応膜におけるイオンエネルギーの減衰量との関係を予め得ておく
ことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項３】
請求項１記載のシミュレーション方法において、
前記反応膜の膜厚は、前記プラズマ中の各活性種のうち当該反応膜を構成する活性種の総量と、当該プラズマ中の活性種による当該反応膜の除去能力との比較によって得られる
ことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項４】
請求項３記載のシミュレーション方法において、
前記プラズマ中の活性種による前記反応膜の除去能力に対する当該反応膜を構成する活性種の総量と、当該反応膜の膜厚との関係を予め得ておく
ことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項５】
請求項３記載のシミュレーション方法において、
前記反応膜を構成する活性種の総量が、前記プラズマ中の活性種による前記反応膜の除去能力よりも大きい場合には、エッチング条件を変更する
ことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項６】
請求項１記載のシミュレーション方法において、
前記エッチング速度に基づき、前記エッチング表面からの放出される脱離物質の量を導出する工程と、
前記脱離物質の量を加味して新たに前記反応膜の膜厚を導出し、新たにエッチング速度を導出する
ことを特徴とするシミュレーション方法。
【請求項７】
請求項６記載のシミュレーション方法において、
前記新たに導出された反応膜の膜厚が、前回の膜厚と同様になるまでエッチング速度の導出を繰り返し行う
ことを特徴とするシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シミュレーション方法に関し、特には反応ガスプラズマを用いたドライエッチングを行う際に正確なエッチング速度を導出するシミュレーション方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のＵＬＳＩデバイスの開発においては、高速・低消費電力の実現を念頭においた各社各様の検討が進められている。特に、ロジックデバイスの多層配線構造では、低抵抗、低誘電率を実現するために、低誘電率材料膜（いわゆるＬｏｗ−ｋ膜）と銅（Ｃｕ）を用いた多層配線技術が採用されるようになってきている。
【０００３】
このような多層配線技術においては、例えば、低誘電率材料を用いて層間絶縁膜を形成し、マスクを用いたパターンエッチングにより当該層間絶縁膜に溝を形成する。その後、この溝内を埋め込むようにＣｕ膜を成膜し、次いでＣｕ膜を研磨して層間絶縁膜上の余分なＣｕを除去することにより溝内のみにＣｕを残してＣｕ配線を形成する。これにより、高アスペクト比のＣｕ配線をエッチングで形成する必要がないため、大幅にプロセス数を減らすことが可能である。
【０００４】
しかしながら、このような多層配線技術において、低誘電率材料の加工特性は膜の組成や密度に非常に敏感であり、かつ良好に加工できる範囲は非常に狭い条件範囲にしか存在しないことが判っている（下記非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】辰巳他「Effect of Film Composition on ＳｉＯＣＨ Etching」２００２ドライプロセスシンポジウム  プロシーディングスｐ９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
つまり、低誘電率材料のエッチングにおいては、エッチレート（エッチング速度）やエッチング形状は、エッチング雰囲気中におけるプラズマの組成や活性種フラックス(活性種の流量）の微妙な変動、あるいは材料の組成等のばらつきよって大きく変動するのである。これは制御寸法のスペックが厳しくなったこと、材料自体の基本的な加工特性に起因したものである。このため、現状では材料それぞれにおいて膨大なデータを取得し、加工特性のトレンドデータを取得し、その中から最適なプロセスを予測することでプロセス開発が進められており、ウェハ基板の大口径化が進む中そのコストや開発時間が大きな問題となりつつある。
【０００７】
そこで本発明は、より効率的なプロセス開発の手法を確立可能とするために、エッチング加工に用いるプラズマおよび材料内に含まれる粒子数に基づいてエッチング速度を的確に予測することが可能なシミュレーション方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するための本発明は、反応ガスプラズマを用いたエッチングのシミュレーション方法であり、次の手順で行われることを特徴としている。先ず、エッチング条件に基づいてエッチング表面に生成される反応膜の膜厚を導出する。そして、導出された反応膜の膜厚に基づいて、当該反応膜におけるイオンエネルギーの減衰量を導出し、さらに導出された減衰量とエッチング表面に照射されるイオンエネルギーとに基づいて、記エッチング表面に入射されるイオンエネルギーを導出する。その後、導出されたイオンエネルギーに基づいて得られる反応確率と、エッチング条件に基づいて得られるエッチング反応種の供給量とから、エッチング速度を導出する。
【０００９】
通常、反応ガスプラズマを用いたエッチングにおいては、イオン衝撃下においてエッチング反応種がエッチング表面に作用することによってエッチングが進行する。この場合、エッチング速度は、イオン衝撃の大きさ（すなわちイオンエネルギー）の関数となる。しかしながら、エッチング表面に反応膜が形成されると、この反応膜によって、エッチング表面に対して入射されるイオンエネルギーが減衰される。このため、上述したように、エッチング表面に生成される反応膜の膜厚に基づいて、エッチング表面に対して入射されるイオンエネルギーを導出し、導出されたイオンネルギーに基づいてエッチング速度を導出することにより、反応膜の膜厚をも加味したエッチング速度が導出されることになる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、エッチングの際にエッチング表面に生成される反応膜の膜厚を加味したエッチング速度の導出が可能となったことにより、より正確に反応ガスプラズマを用いたエッチングのシミュレーションを行うことが可能になる。この結果、より効率的にＶＬＳＩ等の半導体装置のプロセス開発を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態として、フロロカーボンプラズマを用いた酸化シリコン（ＳｉＯ2）のエッチングのシミュレーション方法を説明する。
【００１２】
＜第１実施形態＞
図１のフローチャートは、第１実施形態のシミュレーション方法を示す図である。また、図２はエッチングを模式的に説明するための断面図である。以下、これらの図１，図２、および必要に応じて他の図面を参照しつつ第１実施形態を説明する。
【００１３】
（ステップＳ１）
先ず、ステップＳ１では、エッチング対象物質（ＳｉＯ2）１をフロロカーボンプラズマによってエッチングする際のエッチング条件として、例えば以下のようなエッチング条件を設定する。
【００１４】
ア）エッチングガスおよび流量  ：Ｃ4Ｆ8＝      ６ｓｃｃｍ
：Ｏ2    ＝    １６ｓｃｃｍ
：Ａｒ    ＝１０００ｓｃｃｍ
イ）エッチング雰囲気内ガス圧力：７５ｍＴｏｒｒ
ウ）エッチングガスの解離度    ：９５％
エ）加速電圧                  ：１４００Ｖ
オ）エッチング脱離物質の組成  ：ＳｉＦ2
カ）エッチング対象物質の組成  ：ＳｉＯ2
キ）エッチング対象物質の膜密度：２．４ｇ／ｃｍ3
【００１５】
ここで、エ）加速電圧とは、プラズマ中に生成されるイオンＩの加速電圧であり、エッチング表面１ａに照射されるイオンエネルギーとなる。また、このように条件設定されたエッチングにおいては、フッ素（Ｆ）がエッチング反応種となる。
【００１６】
（ステップＳ２）
次に、ステップＳ２では、ステップＳ１で設定したエッチング条件に基づいて、エッチングの際にエッチング表面１ａに反応膜２が生成されるか否かの判断を行う。
【００１７】
フロロカーボンプラズマを用いたエッチングにおいては、エッチング表面１ａに反応膜２として有機膜が成膜される可能性がある。このため、ここでは、上述したエッチング条件のうち、ア）エッチングガスおよび流量、イ）エッチング雰囲気内ガス圧力、およびウ）エッチングガスの解離度の各値に基づき、有機膜原料となる炭素（Ｃ）の供給量と、有機膜（反応膜２）を除去成分となる酸素（Ｏ）およびフッ素（Ｆ）の供給量とを以下のように算出する。
Ｃ：８．２×１０12個／ｃｍ3
Ｆ：１．６×１０13個／ｃｍ3
Ｏ：１．１×１０13個／ｃｍ3
【００１８】
以上の算出結果から、炭素（Ｃ）の供給量は、酸素（Ｏ）の供給量よりも少なく、エッチング表面の反応膜(有機膜）２は直ちに酸素（Ｏ）によって除去される。このため、エッチング表面には反応膜２として有機膜が形成されることはない（Ｎｏ）と判断され、ステップＳ３に進む。
【００１９】
（ステップＳ３）
そして、ステップＳ３においては、ステップＳ１で設定したエッチング条件に基づいて、次のようにエッチング速度を導出する。
【００２０】
先ず、ステップＳ２で求めた各原子の供給量のうち、エッチング対象物質１に作用してエッチングを促進する物質（いわゆるエッチング反応種）の供給量（ａ）を算出する。ここでは、エッチング対象物質（ＳｉＯ2）１に対して、フッ素（Ｆ）が作用してエッチングが進行するため、ラジカル中に含有するＦ原子総数をエッチング反応種量として導出する。また、エッチング雰囲気中においては、フッ素は、フッ素イオンと中性子ラジカルとが存在するが、圧倒的に中性子ラジカルの個数が多い。したがってここでは、５００℃の熱速度で入射するフッ素を含有する中性子ラジカルのフラックス（流量）を、エッチング反応種の供給量（ａ）として、上記で導出したフッ素（Ｆ）の供給量に基づいて以下のように導出する。
エッチング反応種の供給量（ａ）＝１．９×１０17個／ｃｍ2Ｓ
【００２１】
また、エ）加速電圧＝１４００Ｖから、エッチング表面でのイオンアシストによる反応確率を求める。ここでは、ステップＳ２において、エッチング表面１ａに反応膜２が生成されることがないと判断された。このため、反応膜２によるイオンエネルギーの減衰はなく、加速電圧がそのままイオンエネルギーとしてエッチング表面１ａに作用することになる。そして、図３のイオンエネルギーと反応確率との関係を示すグラフに基づき、加速電圧（イオンエネルギー１４００Ｖ）の反応確率（ｂ）＝０．１を得る。尚、図３は、一般的なイオンエネルギーと反応確率との関係を示すグラフであり、例えば（出典：慶応大学理工学部電気工学科、２０００年度博士論文、辰巳哲也著「フロロカーボンプラズマを用いた酸化膜エッチングプロセスの制御に関する研究」）に掲載されているものを用いることができる。
【００２２】
また、オ）エッチング脱離物質の組成ＳｉＦ2から、エッチング対象物（ＳｉＯ2）を脱離させるために必要なエッチング反応種（フッ素：Ｆ）の組成比（ｃ）＝２とする。そして、次の式のようにエッチング対象物を構成するＳｉの脱離量（ｄ）を得る。
Ｓｉ脱離量（ｄ）＝エッチング反応種の供給量（ａ）×反応確率（ｂ）／組成比（ｃ）＝１．９×１０17個／ｃｍ2Ｓ×０．１／２＝９．５×１０15個／ｃｍ2Ｓ
【００２３】
そして、さらにこのようにして算出したＳｉ脱離量（ｄ）＝９．５×１０15個／ｃｍ2Ｓと、カ）エッチング対象物質の組成（ＳｉＯ2）と、キ）エッチング対象物質の膜密度とに基づいて、エッチング対象とであるＳｉＯ2膜のエッチング速度を、例えば４００ｎｍ／ｍｉｎと導出する。
【００２４】
以上においては、先のステップＳ２において、エッチング表面１ａに反応膜２が生成されない（Ｎｏ）と判断された場合を説明した。これに対して、以下においては、先のステップＳ２において、エッチング表面に反応膜が生成される（Ｙｅｓ）と判断された場合を説明する。
【００２５】
（ステップＳ１）
先ず、先のステップＳ１で設定されたエッチング条件のうち、ア）エッチングガスおよび流量が以下のように設定され、その他の条件が同様である場合を想定する。
ア）エッチングガスおよび流量    ：Ｃ4Ｆ8＝      ６ｓｃｃｍ
：Ｏ2    ＝    １６ｓｃｃｍ
：Ａｒ    ＝１０００ｓｃｃｍ
【００２６】
（ステップＳ２）
この場合、次のステップＳ２においては、前述と同様にエッチング表面１ａに反応膜２として有機膜が形成されるか否かを判断する。このため、上述したエッチング条件のうち、ア）エッチングガスおよび流量、イ）エッチング雰囲気内ガス圧力、およびウ）エッチングガスの解離度の各値に基づき、有機膜原料となる炭素（Ｃ）の供給量と、有機膜を除去成分となる酸素（Ｏ）およびフッ素（Ｆ）の供給量とを以下のように算出する。
Ｃ：８．２×１０12個／ｃｍ3
Ｆ：１．６×１０13個／ｃｍ3
Ｏ：５．５×１０12個／ｃｍ3
【００２７】
そして、以上の算出結果から、炭素（Ｃ）の供給量は、酸素（Ｏ）およびフッ素（Ｆ）の合計の供給量Ｃの供給量よりも多いため、エッチング表面１ａには反応膜２として有機膜が生成される（Ｙｅｓ）と判断してステップＳ４に進む。
【００２８】
（ステップＳ４）
そして、ステップＳ４では、生成される反応膜２の膜厚Ｔが平衡するか否かを判断する。ここでは、エッチング表面に供給される炭素（Ｃ）の量Γｃ-totalと、供給される各反応ガスによる反応膜２の除去能力の合計量Ｌmaxとを比較する。ここでは、Ｌmaxは、イオン入射による反応膜２の除去能力Ｌionと、酸素（Ｏ）プラズマによる反応膜２の除去能力Ｌo-plasmaと、フッ素（Ｆ）プラズマによる反応膜の除去能力Ｌf-plasmaの合計であり、Ｌmax＝Ｌion＋Ｌo-plasma＋Ｌf-plasmaであることとする。そして、Γｃ-total≦Ｌmaxであれば、平衡する（Ｙｅｓ）と判断して次のステップＳ５に進む。一方、Γｃ-total＞Ｌmaxであれば、反応膜２が成長しつづけるため、反応膜２の膜厚Ｔは平衡しない（Ｎｏ）と判断する。
【００２９】
（ステップＳ５）
そして、先のステップＳ４において平衡する（Ｙｅｓ）と判断されて進んだステップＳ５では、エッチング表面に生成される反応膜２の膜厚を導出する。ここでは、Γｃ-total／Ｌmax＝０．８と反応膜の膜厚との関係を示す図４に基づいて、反応膜の膜厚（＝２ｎｍ）を得る。尚、この図４のグラフは、予め実験によって得ておくこととする。この図４のグラフは、先の図３が掲載されている論文に掲載されている。また、Γｃ-total／Ｌmax＝０．８は、エッチング表面に供給される炭素（Ｃ）の量Γｃ-totalと、反応膜の除去能力の合計量Ｌmaxとを個別に算出し、その比を取った値であり、「単位時間に入ってくるＣの個数」を「単位時間に除去“しうる”Ｃの個数」の比となる。
【００３０】
（ステップＳ６）
次に、ステップＳ６では、反応膜２によるイオンエネルギーの減衰量を差し引き、エッチング表面に達する（入射される）イオンエネルギーを導出する。ここでは、先ず、ステップＳ５で導出した反応膜の膜厚（＝２ｎｍ）とイオンエネルギーの減衰量(Ｖ)との関係を示す図５に基づいて、イオンエネルギーの減衰量（＝４００Ｖ）を得る。そして、この値をエ）加速電圧（＝１４００Ｖ）から差し引いた値（＝１０００Ｖ）をイオンエネルギーとして導出する。尚、この図５のグラフは、予め実験によって得ておくこととする。
【００３１】
（ステップＳ３）
そして、次のステップＳ３においては、先に説明したと同様にエッチング速度を導出する。ただし、図３に基づいて導出される反応確率は、先のステップＳ６で導出したイオンエネルギー（＝１０００Ｖ）に基づき、反応確率（ｂ）＝０．０４とする。
【００３２】
そして、Ｓｉ脱離量（ｄ）＝エッチング反応種の供給量（ａ）×反応確率（ｂ）／組成比（ｃ）＝１．９×１０17個／ｃｍ2Ｓ×０．０４／２＝２．９×１０15個／ｃｍ2Ｓを得る。
【００３３】
またさらにこの値と、カ）エッチング対象物質の組成（ＳｉＯ2）と、キ）エッチング対象物質の膜密度とに基づいて、エッチング対象とであるＳｉＯ2膜のエッチング速度を、例えば１３０ｎｍ／ｍｉｎと導出する。
【００３４】
一方、先のステップＳ４において、エッチング表面に生成される反応膜の膜厚が平衡しない（Ｎｏ）と判断された場合にはステップＳ７に進む。
【００３５】
（ステップＳ７）
ステップＳ７に進んだ場合には、ステップＳ１で設定されたエッチング条件では、エッチング表面において反応膜が成長し続けるため、エッチングが進行しないと判断される。このため、エッチング条件を変更する。そして、変更したエッチング条件に基づいて、ステップＳ２以降を繰り返し行うこととする。
【００３６】
以上のようなシミュレーション方法によれば、エッチングの進行時にエッチング表面１ａに生成される反応膜２によるイオンエネルギーの減衰をも加味してエッチング速度が導出される。
【００３７】
ここで、通常の反応ガスプラズマを用いたエッチングにおいては、イオン衝撃下においてエッチング反応種がエッチング表面に作用することによってエッチング表面１ａ直下の反応層１ｂにおいてエッチングが進行し、その際のエッチング速度は、イオン衝撃の大きさ（すなわちイオンエネルギー）の関数となる。しかしながら、エッチングの進行時にエッチング表面１ａに反応膜２が生成されると、この反応膜２によってエッチング表面１ａに入射するイオンエネルギーが減衰し、エッチング速度は遅くなる。このため、上述したように、反応膜２によるイオンエネルギーの減衰をも加味してエッチング速度を導出することにより、より正確に反応ガスプラズマを用いたエッチングのシミュレーションを行うことが可能になる。この結果、より効率的にＶＬＳＩ等の半導体装置のプロセス開発を行うことが可能になる。
【００３８】
＜第２実施形態＞
図６のフローチャートは、第２実施形態のシミュレーション方法を示す図である。このフローチャートに示すように、本第２実施形態が前述した第１実施形態と異なるところは、ステップＳ３の後にステップＳ８およびステップＳ９を行うところにあり、他のステップＳ１〜ステップＳ７は第１実施形態と同様に行われる。以下においては、本第２実施形態において追加されたステップＳ８，Ｓ９を中心に説明を行う。
【００３９】
（ステップＳ８）
本ステップＳ８は、上述した第１実施形態のようにして、ステップＳ３でエッチング速度を導出した後に行われる。このステップＳ８では、ステップＳ３で導出されたエッチング速度に基づいてエッチング表面からの脱離物量を導出する。ここでは特に、エッチング対象物（ＳｉＯ2）がエッチングされることによって、新たにエッチング表面に供給される脱離物のうち、特に反応膜の生成や反応膜の除去に関係する物質の脱離量を導出する。
【００４０】
（ステップＳ９）
次に、ステップＳ９では、ステップＳ８で導出された脱離物量（Ｏフラックス）を加味して、新たにエッチング表面における反応膜の生成状態に変化があるか否かを判断する。このステップＳ９においては、必要に応じて、第１実施形態において説明したステップＳ２、Ｓ４、Ｓ５と同様の作業を行うことにより、エッチング表面に反応生成物が生成されるのか、生成される場合にはその膜厚は平衡するのか、平衡する場合にはその膜厚を導出する。そして、導出された結果が、直前に行われたステップＳ２、Ｓ４、Ｓ５の結果と同じであり、エッチング表面における反応膜の生成状態に変化は無い（Ｎｏ）と判断された場合のみに、一連の処理を終了させる。そして、その直前のステップＳ３で導出されたエッチング速度を、このエッチングにおけるエッチング速度として採用する。
【００４１】
一方、ステップＳ９において、エッチング表面における反応膜の生成状態に変化がある（Ｙｅｓ）と判断された場合には、ステップＳ２に戻る。そして、ステップＳ９においてエッチング表面においける反応膜の状態が変化しないと判断されるまで、ステップＳ２以降を繰り返し行う。
【００４２】
このような第２実施形態のシミュレーション方法によれば、エッチングの進行によって所定の供給速度で供給される脱離物量をも加味してエッチング速度が導出される。したがって、第１実施形態と比較して、さらに正確にエッチング速度を導出することが可能になるため、さらに的確にＶＬＳＩ等の半導体装置のプロセス開発を行うことが可能になる。
【００４３】
尚、以上の第１実施形態および第２実施形態においては、酸化シリコンのエッチング日本発明を適用した構成を説明した。しかしながら、本発明は酸化シリコンのエッチングへの適用に限定されることはなく、例えばＳｉＯＣＨ系の低誘電率材料のエッチングのシミュレーションにも同様に適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態のシミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図２】第１実施形態のシミュレーション方法を説明する断面図である。
【図３】イオンエネルギーと反応確率との関係を示すグラフである。
【図４】反応膜の除去能力に対するＣ供給量と反応膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図５】反応膜の膜厚とイオンエネルギーの減衰量との関係を示すグラフである。
【図６】第２実施形態のシミュレーション方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４５】
１ａ…エッチング表面、２…反応膜、Ｔ…反応膜の膜厚
【図１】
2005259919.tif 000003
【図２】
2005259919.tif 000004
【図３】
2005259919.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005259919.tif 000007
【図６】
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