(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ発生装置と、減圧可能な真空容器と、真空容器にガスを供給するガス供給装置と、プラズマ処理を施すウエハを保持するウエハ台と、ウエハ台上に支持されたウエハに高周波を印加する装置と、真空排気装置より成るプラズマ処理装置によるウエハの表面処理方法において、有機低誘電率膜をＨ２とＮ２の混合ガスまたはＮＨ３ガスを用いてエッチングする際に、エッチング処理を行うウエハに印加する高周波の出力を２段階以上に分け、エッチングの初期段階にウエハに印加する高周波の出力を、０.１６Ｗ／ｃｍ２以下とし、エッチング量が２００ｎｍ以上になった時に０．１６Ｗ／ｃｍ２以上の高周波の出力でエッチングすることを特徴とするウエハの表面処理方法。
【請求項２】
プラズマ発生装置と、減圧可能な真空容器と、真空容器にガスを供給するガス供給装置と、プラズマ処理を施すウエハを保持するウエハ台と、ウエハ台上に支持されたウエハに高周波を印加する装置と、真空排気装置より成るプラズマ処理装置によるウエハの表面処理方法において、有機低誘電率膜をＨ２とＮ２の混合ガスまたはＮＨ３ガスを用いてエッチングする際に、エッチング処理を行うウエハに印加する高周波の出力を２段階以上に分け、エッチングの初期段階にＨ２とＮ２の混合ガスまたはＮＨ３ガスに堆積性のガスを添加し、ウエハに印加する高周波の出力を０.３２Ｗ／ｃｍ２以下とし、エッチング量が２００ｎｍ以上になった時に０．３２Ｗ／ｃｍ２以上の高周波の出力でエッチングすることを特徴とする、ウエハの表面処理方法。
【請求項３】
プラズマ発生装置と、減圧可能な真空容器と、真空容器にガスを供給するガス供給装置と、プラズマ処理を施すウエハを保持するウエハ台と、ウエハ台上に支持されたウエハに高周波を印加する装置と、真空排気装置より成るプラズマ処理装置によるウエハの表面処理方法において、有機低誘電率膜をＨ２とＮ２の混合ガスまたはＮＨ３ガスを用いてエッチングする際に、エッチング処理を行うウエハに印加する高周波の出力を２段階以上に分け、真空容器内の表面の材料をプラズマで削ることが可能な材料とし、削ることによって発生する堆積性のガスをＨ２とＮ２の混合ガスまたはＮＨ３ガスに添加し、ウエハに印加する高周波の出力を０.３２Ｗ／ｃｍ２以下とし、エッチング量が２００ｎｍ以上になった時に０．３２Ｗ／ｃｍ２以上の高周波の出力でエッチングすることを特徴とする、ウエハの表面処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハの表面処理方法および装置にかかわり、特にプラズマを用いて有機低誘電率膜のエッチングを行なうのに適した表面処理方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体素子の表面を処理する手段として、半導体素子をプラズマ中でエッチングする装置が知られている。ここでは、ＥＣＲ(電子サイクロトロン共鳴)方式と呼ばれる装置を例に、従来技術を説明する。この方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率良くプラズマを発生できる。半導体素子等のウエハに入射するイオンを加速するために、ウエハには高周波電圧が印加される。また、プラズマとなるプロセスガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが用いられる。
【０００３】
このような従来のエッチング装置において、主にエッチング加工を行う材料としてはレジスト、ポリシリコン、Ａｌ等のメタルおよびシリコン酸化膜であった。しかし、半導体素子の高速化に伴い、層間絶縁膜のシリコン酸化膜の代わりに低誘電率膜を用いる例が増えている。低誘電率膜の中でも、誘電率が低い有機低誘電率膜は、今後の層間絶縁膜に広く使用される予定である。この有機低誘電率膜のエッチングに使用するガスとして酸素を含むガスや、水素と窒素の混合ガスが（ドライプロセスシンポジウム予稿集、１９９８年）これまでに報告されている。しかし、これらのガスを使用するエッチングプロセスでは、配線の溝や穴のエッチングを行った底面で、側壁近傍のエッチング速度が大きくなるという問題（サブトレンチ）が発生していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
有機低誘電率膜をエッチングする際、配線の溝や穴のエッチングを行った底面の、側壁近傍でエッチング速度が大きくなるという問題（サブトレンチ）が発生する。このサブトレンチの発生は、パターン側壁でのイオンの反射により、エッチング底面の側壁近傍にイオンが集中して入射するためである。サブトレンチが発生した配線パターンでは、エッチング後の工程で加工の障害になり、欠陥の発生原因になることがある。
【０００５】
本発明の目的は、特に有機低誘電率膜のエッチングにかかるものであり、サブトレンチを発生させないウエハの表面処理方法および装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、プラズマ発生装置と、減圧可能な真空容器と、真空容器にガスを供給するガス供給装置と、プラズマ処理を施すウエハを保持するウエハ台と、ウエハ台上に支持されたウエハに高周波を印加する装置と、真空排気装置より成るプラズマ処理装置によるウエハの表面処理方法において、有機低誘電率膜をエッチングする際に、エッチング処理を行うウエハに印加する高周波の出力を２段階以上に分けて行うことにある。
【０００７】
発明者等は、有機低誘電率膜のエッチングにおいて、ウエハに印加する高周波バイアスの出力とサブトレンチ量の関係を測定した結果、図１に示すようにウエハに印加する高周波バイアス出力を０.１６６Ｗ/ｃｍ２以下に設定することで、サブトレンチの発生をなくすことができるという結果を得た。さらに、エッチングガスに堆積性のガスを添加するプロセスでは、ウエハに印加する高周波バイアス出力を０.３２Ｗ/ｃｍ２以下に設定することで、サブトレンチの発生をなくすことができるという結果を得た。しかしこれらの方法ではエッチング速度が遅く、実際の半導体デバイスの生産に適用することが困難であった。
【０００８】
また、有機低誘電率膜のエッチングにおいて、エッチング時間とエッチング量およびサブトレンチ量の関係を測定した。図２に示す有機低誘電率膜のエッチング時に発生するサブトレンチの量は、エッチング量が２００nm以上で進行しないという結果を得た。従って、有機低誘電率膜のサブトレンチはエッチング初期に形成され、以後は初期のエッチング形状を維持した状態で有機低誘電率膜のエッチングが進行する。従って、エッチング初期の段階でサブトレンチの発生を抑制すれば、サブトレンチのないエッチング形状を得ることが可能である。
【０００９】
本発明の有機低誘電率膜のエッチング処理方法は、上記サブトレンチ量の測定より得られたものである。すなわち、サブトレンチを発生させずに有機低誘電率膜の高速のエッチングを行うには、エッチングプロセスにおいて真空容器内にプラズマを生成するとともに、ウエハに印加する高周波バイアスを２段階以上で制御する方法が有効である。エッチング初期において、ウエハに印加する高周波バイアスの出力を低くすることで自己バイアスが小さくなり、プラズマ中のイオンは高周波バイアスによってウエハに強く引き込まれることはなくなる。その結果、有機低誘電率膜のエッチング面はサブトレンチを抑制したエッチングが施され、エッチングする溝の端部を集中的にエッチングするサブトレンチは発生しない。次のエッチング段階では、ウエハに印加する高周波バイアスの出力を高くしてエッチング速度を上昇することで、エッチングプロセス全体のエッチング速度を高速に維持することが可能となる。なお、エッチング初期においてサブトレンチが発生していない場合は、次のエッチングプロセスで高周波バイアスの出力を上昇してもサブトレンチは発生しない。
【００１０】
本発明によれば、有機低誘電率膜をエッチングするプロセスの途中で、ウエハに印加するバイアス出力を変化する方法を採用した。すなわち、エッチング初期の段階ではウエハに印加する高周波バイアスを低くし、サブトレンチの発生しないエッチングを行い、次のステップでウエハに印加する高周波バイアスを高くした。この方法により、エッチング底面に多量のイオンを入射させ、速いエッチング速度を維持しながらエッチングを行うことが可能となり、速いエッチング速度でサブトレンチのないエッチング形状を得ることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図により説明する。
図１に、ウエハに印加する高周波出力と有機低誘電率膜のサブトレンチ量の関係を示す。図において、高周波出力が０から０.１６Ｗ/ｃｍ２の間では、有機低誘電率膜にサブトレンチは発生しない。ウエハに印加する高周波出力が０.１６Ｗ/ｃｍ２以上でサブトレンチの量が増加し、１.０Ｗ/ｃｍ２以上でほぼ一定の値となる。従って、有機低誘電率膜のエッチングでは、ウエハに印加する高周波出力が０.１６Ｗ/ｃｍ２以下でサブトレンチは発生しないことがわかる。なお、エッチングガスに堆積性のガスを添加した場合は、ウエハに印加する高周波出力が０.３２Ｗ/ｃｍ２以下でサブトレンチが発生しないことを実験的に確かめている。
【００１２】
図２に、有機低誘電率膜をエッチングする時間とエッチング量およびサブトレンチ量の関係を示す。この図では、ウエハに印加する高周波の出力を２.０Ｗ/ｃｍ２程度に設定している。有機低誘電率膜のエッチング量はエッチング時間の経過とともに上昇するが、サブトレンチの量はエッチング量が２００nm以上に達すると増加しなくなり、一定のサブトレンチ量の値を保持した状態でエッチングが進行する。従って、エッチングの初期にサブトレンチを生成しないプロセスを一定時間設けることで、その後のステップでウエハに印加する高周波の出力を大きくしてもサブトレンチは発生せず、結果としてサブトレンチのないエッチングを行うことが出来る。
【００１３】
さらに、図３により、本発明の第一の実施例を説明する。図３は、本発明を適用したマイクロ波プラズマエッチング装置の全体構成図である。マイクロ波電源１０１から、自動整合器１０６と導波管１０２と導入窓１０３を介して、真空容器１０４内にマイクロ波が導入される。一方、真空容器１０４には、ガス導入管１００を介してハロゲン系などのエッチングガスが導入され、マイクロ波の導入に伴いこのガスのプラズマが発生する。なお、導入窓１０３の材質は、石英、セラミックなどマイクロ波(電磁波)を透過する物質である。
【００１４】
真空容器１０４の回りには、磁場コイル１０５が設置されている。磁場コイル１０５によって発生する磁場強度は、真空容器１０４内に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、マイクロ波(電磁波)の周波数が２.４５ＧＨｚならば、磁場強度は８７５Ｇａｕｓｓ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、真空容器１０４内にプラズマ１１５が生成する。
【００１６】
ウエハ１０７は、ウエハ台１０８の上に設置される。ウエハに入射するイオンを加速するために、高周波電源１０９が、マッチングボックス１１１を介してウエハ台１０８に接続されている。
【００１７】
図３において、生成するプラズマにはＨ２とＮ２の混合ガスやＮＨ３ガスを用いた。図においてウエハ１０７の有機低誘電率膜をエッチングする際に、高周波電源１０９からウエハ台に印加する高周波の出力を２ステップ以上に制御する。
エッチングを行うウエハの口径によって印加する高周波の出力は異なるが、エッチングプロセスの初期（第１ステップ）で、ウエハ１０７に印加する高周波の出力を０.１６Ｗ/ｃｍ２以下に設定する。その結果、ウエハ１０７の有機低誘電率膜ではサブトレンチの発生しないエッチングを行うことが可能である。また、エッチングプロセス初期に、エッチングガスに堆積性のガスを添加し、ウエハに印加する高周波の出力を０.３２Ｗ/ｃｍ２以下と設定する。このプロセスを採用することにより、エッチング初期にサブトレンチは発生することはない。さらに、真空容器１０４内の表面の材料をプラズマで削ることによって発生する堆積性のガスをエッチングプロセスガスに添加し、ウエハに印加する高周波の出力を０.３２Ｗ/ｃｍ２以下と設定することで、エッチング初期にサブトレンチは発生することはない。
【００１８】
図４に、従来のエッチングプロセスと本発明によるエッチングプロセスの比較を示す。従来のエッチングプロセスでは溝部にサブトレンチが発生するが、本発明のエッチングプロセスではサブトレンチが発生していない。また、エッチング速度も従来のプロセスとほぼ同等である。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば有機低誘電率膜をエッチングする際に、エッチングプロセスを２ステップ以上で制御することで、サブトレンチを抑制することが可能な半導体素子の表面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】  本発明の実施例になるサブトレンチ量と高周波出力の関係図。
【図２】  本発明の実施例になるエッチング量およびサブトレンチ量とエッチング時間の関係図。
【図３】  本発明の第１の実施例になるエッチング装置の、全体構成図。
【図４】  従来のエッチングプロセスと本発明のエッチングプロセスの比較図。
【符号の説明】
１００…ガス導入管、１０１…マイクロ波電源、１０２…導波管、１０３…導入窓、１０４…真空容器、１０５…磁場コイル、１０６…自動整合器、１０７…ウエハ、１０８…ウエハ台、１０９…高周波電圧電源、１１１…マッチングボックス、１１５…プラズマ、１１６…レジスト、１１７…酸化膜、１１８…有機低誘電率膜、１１９…サブトレンチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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