(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ配線と低誘電率膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、
前記低誘電率膜にＣｕが拡散するのを防止するため、前記ＬＳＩデバイスにシリコンＳｉを含む拡散防止膜を設けてあり、前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、ＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯＦ２、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙまたはＳＨ２を含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項２】
シリコンＳｉを含むマスク材と下地の低誘電率膜またはレジストで構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、
前記マスク材を前記低誘電率膜または前記レジストに対して選択的にエッチングする際に、ＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯＦ２、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙまたはＳＨ２を含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項３】
請求項１において、前記エッチングガスに、窒素Ｎとフッ素Ｆを含むガスを混合することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項４】
請求項３において、前記窒素Ｎとフッ素Ｆを含むガスは、ＮＦ３、ＮＦ３ＯまたはＮ２Ｆ４を用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項５】
請求項３において、前記エッチングガスに、炭素Ｃを含むガスを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項６】
請求項３において、前記エッチングガスに、Ｎ２、ＮＨ３またはＮＯｘを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項７】
請求項３において、前記エッチングガスに、水素Ｈとハロゲンを含むガスを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項８】
請求項３において、前記エッチングガスに、炭素Ｃとフッ素Ｆを含むフロロカーボンＣｘＦｙを添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項９】
請求項３において、前記エッチングガスに、希ガスをキャリアガスとして添加することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項１０】
Ｃｕ配線とＳｉＣＯ低誘電率膜及びＳｉＣ拡散防止膜で構成されるダマシン構造のＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、
前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、エッチングガスとしてＳＯ２とＮＦ３を混合して用いることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング方法。
【請求項１１】
Ｃｕ配線と低誘電率膜及び拡散防止膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする装置において、
エッチングガスの導入される処理室に前記デバイスを載置する電極つきの支持台を有し、前記エッチングガスをプラズマ化すると共に前記電極に高周波電源を与えてプラズマ中のイオンにより前記デバイスをエッチングするプラズマ処理装置を備え、
前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、前記エッチングガスとしてＳＯ２、ＳＯ３、ＳＯＦ２、ＳＯ２Ｆ２、ＳＯＮｘ、ＳＯＮｘＦｙまたはＳＨ２を含むガスと窒素Ｎとフッ素Ｆを含むガスを混合することを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記プラズマ処理装置は、解離種や反応生成物の付着率を変化させるために、前記支持台の温度を変化させる温度制御手段を有していることを特徴とするＬＳＩデバイスのエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用してＬＳＩ素子を処理するエッチング方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ素子の微細化、高集積化が急速に進み、ゲート長0．13μmのデバイスは量産化へ移行し、さらに90nmや65nmのデバイスも開発されつつある。ＬＳＩの高速動作のためには、トランジスタの動作速度向上と多層金属配線の伝播遅延（いわゆるＲＣ遅延）を克服する必要があり、近年は配線の伝播遅延の影響が大きくなりつつある。
【０００３】
その解決手段として、抵抗率ρの小さいCu配線とキャパシタ部の比誘電率ｋの小さい低誘電率膜（ｌow−k膜）の開発が進められている。Cuの塩化物CuClxは蒸気圧が低いため、Cuの配線形成にはメッキ等が用いられ、現在は配線とビア部分を同時に形成するデュアル・ダマシン法（Dual Damascene）が用いられている。低誘電率膜に関しては、ＨＳＱ（Hydrogen Silsequioxane）、ＭＳＱ(Methyl Silsequioxane)やポリシロキサン等の膜が開発されつつあり、k＜3．0を目指している。また膜中に空孔を持つポーラスの絶縁膜も用いられるようになっている。
【０００４】
ダマシン構造のCu配線と低誘電率膜とを組合せた多層配線構造では、Cuの拡散を抑制するため拡散防止膜を形成することが必要となっている。拡散防止膜としては、SiN、SiON、SiC、SiOC、SiCN等が考えられている。Cuは容易にトランジスタを構成するSi（Poly−Si、真性Si、アモルファスSi、一部SiC）やキャパシタSiO2（低誘電率膜）に拡散していく。Si中にCuが拡散すると、Siのバンドギャップに影響を与え電気特性の変動要因となり、また低誘電率膜中に拡散すると、Cuが分極の核となり比誘電率が増加することになる。そのため上記の拡散防止膜が重要となる。
【０００５】
Cu配線の上に低誘電率膜を形成する際には、拡散防止膜、低誘電率膜の膜種と構造に種々の組合せがある。例えば低誘電率膜１、Cu配線、拡散防止膜、低誘電率膜２の順に形成する。低誘電率膜1、２には同じものが用いられることも多い。一般に拡散防止膜の方が低誘電率膜に比べて誘電率が高いため、できる限り拡散防止膜は薄いことが望まれる。この拡散防止膜に配線のためのコンタクトホールを加工するためのエッチングをする際には、拡散防止膜と低誘電率膜とのエッチング選択比を大きくとる必要がある。なお、拡散防止膜は一方でエッチングのストッパー膜でもある。
【０００６】
上記は、Cu配線と低誘電率膜からなるダマシン構造の膜をエッチングする場合であるが、Siを含むマスク材をエッチングする場合でも、同様にマスク材と下地膜（レジストや低誘電率膜）との選択比を高くする必要がある。
【０００７】
特許文献１には、下層配線層の上にSiC層、さらに層間絶縁膜層、ビアホールと配線溝からなる多層配線構造をエッチングする際に、SiC層のドライエッチングは、ハロゲン化合物を含むエッチングガスに窒素を含むガスを添加する方法が示されている。その例としてNF3、SF6、CF4、CHF3、CH2F2ガス、あるいは酸素、窒素、アンモニア、亜酸化窒素ガスを用いる方法が開示されている。
【０００８】
また、特許文献２には、例えばSiO2をエッチングする方法において、フロン系ガスとFを含まないS（硫黄）系ガスとの混合ガスを用いる方法が記載され、SO、SO2、SO3などの例が示されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開2002−110644号公報（段落００１６）
【特許文献２】
特開平７−169747号公報（段落０００９−００１０）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の技術では、SiCをエッチングする方法として、NF3やCF4などのガスを用いている。NF3単独の場合はSiCを高速にエッチングできるが、一方でエッチングすべきでないSiOCに代表される層間絶縁膜とのエッチング選択比が２程度と低い。CF4などのガスも同様である。O2ガスの添加量を増せば選択比は若干上昇するが、一方でエッチングすべき膜であるSiCのエッチング速度が単調に減少する。エッチングレートを100nm／min以下と犠牲にしても、選択比は４程度が限界である。
【００１１】
特許文献２の技術では、対象とする膜がSiO2であり、SiCをエッチングすることやSiC／SiOCの高選択比を実現することについての考慮がない。
【００１２】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を克服し、多層配線構造（ダマシン構造）のエッチングの際に、拡散防止膜（エッチングストップ膜）／低誘電率膜の組合せに対し、エッチング選択比を高くし（８以上が望ましい）、かつ拡散防止膜のエッチング速度を大きくする（200nm／min以上）エッチング方法や処理装置を提供することにある。
【００１３】
また、他の目的は、マスク材をエッチングする際に、下地膜（レジストや低誘電率膜）との選択比あるいはエッチング速度を大きくするエッチング方法や処理装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する第１の発明は、Ｃｕ配線と低誘電率膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、前記低誘電率膜にＣｕが拡散するのを防止するため、前記ＬＳＩデバイスにＳｉを含む拡散防止膜を設けてあり、前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、硫黄Sを含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とする。
【００１５】
前記拡散防止膜はSiC、SiCN、SiO、SiOCまたはSiN等で構成され、前記低誘電率膜はSiOCまたはSiON等で構成される。また、前記エッチングガスはSO2、SO3、SOF2、SO2F2、SONx、SONxFyまたはSH2を用いる。
【００１６】
さらに、前記エッチングガスに、NとFを含むガスを混合することを特徴とする。ＮとＦを含むガスにはNF3、NF3OまたはN2F4を用いる。
【００１７】
これにより、前記低誘電率膜の保護性を高めると共に、前記低誘電率膜に対する前記拡散防止膜のエッチング選択比を向上できる。
【００１８】
前記他の目的を達成する第２の発明は、Ｓｉを含むマスク材と下地の低誘電率膜またはレジストで構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする方法において、前記マスク材を前記低誘電率膜または前記レジストに対して選択的にエッチングする際に、硫黄Sを含むガスをエッチングガスとして用いることを特徴とする。マスク材としてはSiC、SiCN、Si3N4またはSiONである。
【００１９】
また、第１及び第２の発明のエッチングガスに、炭素Cを含むガス、すなわちCO2、CO、C3O2、O2、CNF、CNCｌまたはCNHを添加する。この添加ガスによれば、前記拡散防止膜または前記マスク材に対するエッチング性の高いNF3を用いても、前記低誘電率膜に対する保護性を高めるので、選択比と加工形状の制御が可能になる。
【００２０】
また、前記エッチングガスに、窒素Ｎを含むガス、すなわちN2、NH3またはNOx(NO2、N2O、等)を添加する。この添加ガスによれば、結合エネルギーが負の反応生成物を生成するので、付着しにくい量を可変でき、加工形状を制御できる。
【００２１】
あるいは、前記エッチングガスに、水素Hとハロゲンを含むガス、すなわちH2やハロゲン化水素またはNH3を添加する。この添加ガスによれば、表面への結合エネルギーが負で、溝やホールの側壁に付着しにくい反応生成物を生成するので、溝やホールを垂直に加工できる。
【００２２】
また、前記エッチングガスに、希ガスすなわちHe、Ne、ArまたはXe等をキャリアガスとして添加する。このキャリアガスによれば、プラズマ密度、電子温度や気相中の解離の割合を変えることができるので、保護性とエッチング性の制御が可能になる。
【００２３】
また、前記エッチングガスに、CとFを含むフロロカーボンCxFyを添加する。ｘ／ｙの比は保護性には１以上、エッチング性には０．５以上で、CF4、C2F6、C3F8、C4F8、C5F8、C4F6、C6F6等のガスが有効である。
【００２４】
上記目的を達成する本発明のＬＳＩデバイスのエッチング装置は、Ｃｕ配線と低誘電率膜及び拡散防止膜で構成されるＬＳＩデバイスをプラズマエッチングする装置において、エッチングガスの導入される処理室に前記デバイスを載置する電極つきの支持台を有し、前記処理室の外部からμ波と磁場を与えて前記エッチングガスをプラズマ化し、前記電極に高周波電源を与えてプラズマ中のイオンにより前記デバイスをエッチングするプラズマ処理装置を備え、前記拡散防止膜を前記低誘電率膜に対して選択的にエッチングする際に、前記エッチングガスとして硫黄Sを含むガスと窒素Nとフッ素Fを含むガスを混合することを特徴とする。
【００２５】
また、前記プラズマ処理装置は、解離種や反応生成物の付着率を変化させるために、前記支持台の温度を変化させる温度制御手段を有していることを特徴とする。設定温度としては−40℃から100℃の間（望ましくは40℃〜60℃）で変えるによって、SiOCへの堆積やSiCの側壁への堆積・化学エッチ量を変化させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。LSIの高速化のため配線遅延を低減する構造として、銅配線と低誘電率膜とを組み合わせるデバイス構造が検討されている。低誘電率膜は誘電率を下げる必要性からポーラス状の構造（材料の膜中にナノメートル単位の空孔のあるポーラス構造）をとるため、銅の拡散を防止する必要があり、その手段として拡散防止膜が用いられる。
【００２７】
図３にデバイスの断面構造を示す。デバイスには下部電極（Ｃｕ配線）とのコンタクトをとるために、低誘電率膜（SiOC）を残して、配線溝やビアホールを設ける。このため、図示の順序で加工して拡散防止膜（SiC）をエッチングする。その際、拡散防止膜（エッチングストップ膜）／低誘電率膜の組合せに対して選択比を高く、かつ拡散防止膜のエッチング速度を大きくする必要がある。
【００２８】
図１は本発明のプラズマ処理装置の構成の一例を示す。ガス導入系２よりガス６が導入される処理室３と、ウエハ４を支持する電極付きの支持台５とを備えた真空容器１を有し、処理室内のガスは排気系７によって排気する。μ波発生源８で発生されたμ波９は導波路10を通して、金属壁で囲まれた空洞部11に導かれ、導入窓12を介して処理室３に導かれる。導入窓の下にはガスを供給するシャワープレートが配置されている。処理室の外側には磁石・コイル13により１ｋGauss程度の磁場を発生させる。処理室内に導かれたガス６はμ波電界と磁場との相互作用によって電離・解離され、プラズマ14や解離種（ラジカル）15が生成される。
【００２９】
使用するガス６は拡散防止膜／低誘電率膜（たとえばSiC／SiOC）の組合せに対し、高選択比に、かつ高速でエッチングできるものである。このため、ガス６をプラズマ化してエッチングするが、その要点はガス６を構成するガス成分にある。そこで、はじめにガス成分の選択指針について説明する。
【００３０】
ガス選択の指針としては、表面と解離種、反応生成物との結合エネルギーの大小を基に判断する。図６に表面と生成物の結合エネルギーの関係を示す。また、図７に表面にＮ−を加えた結合エネルギーの関係を示す。
【００３１】
エッチングガスには、下地膜（低誘電率膜、レジスト）に対して保護性が大きく、拡散防止膜もしくはマスク膜に対してエッチング性が大きいガスを用いる。ここで、保護性とはガス及びその解離種及びエッチング生成物が膜の上に堆積し、プラズマからのイオン入射に対して膜を保護する程度を示す。また、エッチング性とはガス及びその解離種が膜に付着して、膜と解離種とが結合し、膜間の結合よりも膜と解離種との結合が強くなり、自発的に(化学エッチング)もしくは入射するイオンからエネルギーをもらって気化するときの気化し易さの程度を示す。
【００３２】
本発明ではこれらの指標を、分子軌道法を用いてガスや解離種と膜の結合エネルギーを評価することによって導出した。拡散防止膜にSiCを、下地膜の低誘電率膜にSiOCを使用する場合を検討対象とし、表面をSiとCからなるクラスターとSiとOとCからなるクラスターを用いて、表面の未結合手（ダングリングボンド）とガスやラジカルとの結合エネルギーを調べた。
【００３３】
図６の縦欄にはガス及び反応生成物種を示し、結合エネルギーはeV単位である。Si−とあるのは表面がSiであり、未結合手をもつことを示す。なお、未結合手を持つラジカルF−やO−、CF3については、表面の未結合手と殆どの場合に結合するので、明記しなかった。
【００３４】
SiOCの保護性の指標としては、O−表面に付着しやすい、すなわちOとの結合エネルギーが高いことが重要である。一方で、SiCをエッチングするためにはC−表面に付着しやすいことが必要である。
【００３５】
SiC／SiOCの選択比の指標としてΔE(SiOC)＝（O−表面結合エネルギー）−（C−表面結合エネルギー）を考えると、図６に挙げたものの中では、SO2がΔE＝0.80eVと最も高く、次にCOがΔE(SiOC)＝0.66eV、CO2がΔE(SiOC)＝0.56eV、以下、SF4がΔE(SiOC)＝0.36、CF2がΔE(SiOC)＝0.29eVとなる。
【００３６】
一方、SiCをエッチングするためには、Siに付着して反応し、その生成物が付着しにくいものが望ましい。例えばCF4の場合、Si−、C−、O−表面のいずれにも付着しないが、プラズマで解離して生成するCF2はそのいずれの表面にも付着する。またSF6はSiやC−表面に付着するがO−表面には付かない。これらを勘案して、SiCのエッチング性の指標はΔE(SiC)＝（Si−表面結合エネルギー）−（O−表面結合エネルギー）と定義する。SF6ではΔE(SiC)＝1.37eV(負の値は０とする)、CF4ではΔE(SiC)＝０eV、NF3ではΔE(SiC)＝2.57eVである。特にNF3の場合、Siに極めて付着し易いことが判る。
【００３７】
上記のSiC／SiOCの組合せデバイスを対象に、エッチングガスを変えながら、2．45GHｚのμ波と磁場を用いたプラズマ処理装置でエッチングを実施した。
【００３８】
図８は従来使用のCF4／O2の混合ガスを用いたエッチング結果を示す。O2流量増加と共にSiOCのエッチングレートが低下、SiCはあるO2流量までは増加し、その後は減少する。この結果について結合エネルギーの大小を基に説明する。
【００３９】
CF4／O2ガスの場合、気相中に存在するものとしてガスCF4、解離種CF3、CF2、F、Oが、生成物としてSiF4、SiF2、COF2等が挙げられる。CF4はSi−と−0．04eVの結合であるので付着しにくく、C−やO−にも付着しない。しかし、CF2はSi−、C−、O−表面に付着・堆積する。
【００４０】
また、COF2はSiCやSiOCがF、Oを含むガスでエッチングされた時の反応生成物の１つである。この生成物の結合エネルギーはSi−(0.2eV)〜C−(0.22eV)＜O−表面（0.56eV）であり、SiやC表面よりもO−を持つ表面に付着・堆積し易い。Oの表面に堆積することで、表面に付着したCF2をCOF2↑として気化させることにより取り去る。一方で未結合手を減少させることで、Fが付着するのを阻害し、エッチングの進行を止めることになる。
【００４１】
SiOCについてはFやCF2が付着し、SiはSiF4↑、CはCF4もしくはCOF2↑、OはCF2と結合しCOF2↑等の形となる。そのためO2流量の増加に伴い、SiCのエッチングレートは上昇した後、あるO2量を境にして減少する。また、OはSiC表面よりもSiOC表面をより保護しやすいことを示し、Oを生成するガスO2の流量増加とともに、SiOCのエッチングレートが低下することと関係している。
【００４２】
Si−〜C表面＜O表面となる保護性のガスとしては、図６中のCO2が挙げられる。一方でFを含むガスの代表例SF6の場合は、Si、Cの表面に結合しやすく、Oには付着しないことが判る。また、その解離種であるSF4はどの表面にも付着する。
【００４３】
図９は従来使用のSF6を用いたエッチング結果を示す。SF6／O2の方が先のCF4／O2よりもSiCのエッチングレートが高く、ΔE(SiC)の指標の大小と対応していることが判る。SF6の場合はCF4と異なり、気相中のFが直接付着するだけでなく、SF6自身がSiやC、O表面に付着しFを与えることができることを示している。またOの代わりにCO2を用いた場合はSiC、SiOC共にエッチングレートが低下する。
【００４４】
上記従来のエッチング結果から判断すると、SiC／SiOCを高選択比、高エッチングレートを実現するためには、SiOCへの保護性が強く、SiCへのエッチング性が強いガスやラジカル種を供給すれば良いことがわかる。
【００４５】
保護性の指標としては、ΔE(SiOC)＝（O−表面結合エネルギー）−（C−表面結合エネルギー）を、エッチング性の指標としては、ΔE(SiC)=（Si−表面結合エネルギー）−（O−表面結合エネルギー）をそれぞれ定義できる。
【００４６】
また、エッチング加工形状は、パターン側壁への付着量に関係する。先の保護性の指標は形状が太ることに、エッチング性は形状が細ることに対応する。但し加工形状を垂直にするには、堆積するものとエッチングするものとのバランスが必要になり、条件が限定されるので実現は困難である。ところが、側壁に付着しにくいものを生成あるいは添加することは容易に実現できる。つまり、結合エネルギーが負の場合は付着しないので、これに該当するガスを選択すれば良く、図６ではN2がこれに相当する。
【００４７】
そこで、上記指標をもとに、低誘電率膜付着性、低誘電率膜保護性、拡散防止膜エッチング性、選択比および加工形状制御性の観点からガス種を選択する。
（低誘電率膜付着性）
ガスもしくはガスから生成される解離種がSiOCに堆積・保護する必要がある。
Si、C、Oに付着しやすく、さらにSiCがエッチングされ易いものを選ぶ指針として、表面とラジカルとのエネルギーがSi表面〜C表面＜O表面となる解離種や反応生成物を選択すればよい。指標としてΔE(SiOC)＝（O−表面への結合エネルギー）−（C−表面への結合エネルギー）を導入し、ΔＥが大なるものを選択する。
例としては、図６に示すように、CO、CO2、COF2、SiF4、SiCl4、SF4、SO2等がある。図にはないが、SOF2、NOFもこの指標を満たす。
【００４８】
図２にSiC／SiOCに対し高選択比と高速エッチング性を表わすガス成分を示す。ここでは、低誘電率膜保護性や拡散防止膜エッチング性などを効果の大きい順に並べている。低誘電率膜付着性の大きいガスとしては、SO2、SO3、CO2、CO、C3O2、フロロカーボンCxFyなどがある。
（低誘電率膜保護性）
上記のガスや解離種のうち、付着後さらに堆積性が強いものとしては、開殻の分子、スンをもつ分子、また極性をもつ分子であれば、次々に堆積することができ、より保護性が強まる。この例としてはCO（CO2）、SO2、SO3、SOF2が挙げられる。その中でもSO2が最もΔE(SiOC)が大きい。一方、SiF4やSiCl4、SiClxFyBrzなどは保護効果が弱い。また、O−はCF2によりCOF2↑の形で気化しやすいので、CxFyのうちでもF比率が小さく、y／xが２より小さくなる必要がある。
（拡散防止膜エッチング性）
Si−、C−をエッチングするためには、これらの表面に付着し、かつ気化させる必要がある。ΔE(SiC)＝（O−表面への結合エネルギー）−（C−表面への結合エネルギー）が大きいことが必要で、F、Cl、Br、NF、NF2、CFx（x＝2、3）、SOｘが相当する。Oが存在するとSiOXの形となって気化がしにくくなる。但し、Oを含んでいてもCOやSO、NO等の場合は、CやSやNがSi、C表面に付着できるので、気化がし易くなる。
【００４９】
これより、拡散防止膜エッチング性の大きいガスとして、SF6、NF3、CF4、C2F6、CxFy（y／xは２以上）やCl2、HF、HCｌ、HBｒが上げられる。一般には、SiCをエッチングするガスとしてはF、C、Nを含むガスであればよく、望ましくはNF3、もしくはFを別のハロゲン元素で置き換えたNFxハロゲン化合物であればよい。
（選択比）
SiOCのエッチングを抑制し、SiCのエッチングを容易にするガスの指針としては、ΔE(SiOC)が大きいことが必要である。そのガスとして、SO2、SO3、COが挙げられる。また、SiCのエッチング性ガスとしては、ガス、解離種または生成物のΔE(SiC)が大きいことが必要である。そのガスとして、NF3、SF6、SF4、CF4、CxFy（y／xが２以上）がある。これより、ΔE(SiOC)の大きいガスとΔE(SiC)の大きいガスを混合すれば、選択比が大になる。
（加工形状制御性）
加工形状特にホールや溝形状を制御するためには、(a)付着して化学エッチする（ホールや溝の側壁を細らせる）ガス、解離種、反応生成物であって、(b)付着し堆積するもの（側壁を太らせる）、(c)付着しにくいもの（側壁寸法一定）、の量が制御できれば良い。
【００５０】
（ｂ）については殆どの解離種・反応生成物が該当するので、（ａ）、（ｃ）のガス候補を挙げる。SiCを例にすると、（ａ）としてはSi、Cとの結合エネルギーが正であり、かつSi−Cの結合よりも、Si、Cと解離種との結合エネルギーが大きくなるものが必要で、SO2、SO3が挙げられる。（ｃ）としては結合エネルギーが負となる解離種や反応生成物（SiCl4、SiF2Br2、N2、CF4）を生成するガスが必要で、N2、N2O、NF3、CxFy（y／x２以上）が挙げられる。
【００５１】
これより、形状制御をするガスとしては、各種表面への結合エネルギーがマイナスもしくは小さいものを選ぶ。その候補としては図６、７より、SiF4、N2、CO2、SiFxClyBrz（x、y、z＝0−4）が挙げられる。これを生成するガスとしては、図２に示すNを含むガスNF3、N2、NH3など、もしくはCl2、HCｌ、HBｒ、HF、HIなどを用いればよい。
【００５２】
以上のように、SiOC保護性すなわちSiC／SiOCの高選択比を実現するためには、ΔE(SiOC)の大きいガスが必要で、SO2もしくはSO3など、Ｓを含むガスを用いれば良い。また、SO、SOF2、S2O3、SO2F2、SONｘ、SONｘFy、SH2などでも良い。
【００５３】
さらに、SiCを高速でエッチングするためには、ΔE(SiC)の大きいガスが必要で、NF3ガスが相当する。NF3ガスは、CF4やSF6よりも極めて付着し易く、SiCをよりエッチングし易くする。以上から、たとえばSO2／NF3を混合して用いると高選択比と高エッチングレートの両立を実現することが可能である。
【００５４】
また、気相中のFの量を制御すれば、ある範囲でエッチングレートと選択比を変えることができる。そのガスとしてはHを含むガスH2や上記のハロゲン化水素、NH3などである。
【００５５】
希ガスHe、Ne、Ar、Xe等を混合すると、プラズマ密度、電子温度や気相中の解離の割合を変えることができるので、ラジカル量やラジカルの種類を制御することができる。これらのガス種を用いて、保護性とエッチング性を制御することが可能になる。
【００５６】
上記のデバイスの例はSiC／SiOCの組合せによるものである。拡散防止膜（ストップ膜）／低誘電率膜の組み合せには、SiC／SiON、SiCN／SiOC、SiCN／SiONなどもある。表面のN−と上記のガス種との結合エネルギーについては、Si−、C−表面との結合エネルギーと、O−表面との結合エネルギーの概ね間にあるので、同様に付着性、保護性、エッチング性の議論が成り立つ。
【００５７】
次に、上記ガス種を用いるプラズマエッチング装置の実施例を説明する。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例を図１のプラズマ処理装置と、図３のデバイス構造を用いて説明する。図３は被処理物のデバイス構造であり、下層配線層（Cu配線）の上に拡散防止膜（SiC）、さらに層間絶縁膜層を構成する低誘電率膜（SiOC）、ビアホールと配線溝から構成される。この多層配線構造（ダマシン構造）をプラズマエッチングする。
【００５８】
この他に、低誘電率膜としてはSiOR（R：CxFy、x、yは整数）SiON等があり、拡散防止膜としてはSiR（R：CxFy、x、yは整数）、SiCNなどがある。
【００５９】
プラズマ処理装置は、SiC／SiOC試料を対象に、2．45GHｚのμ波と磁場を用いてエッチングを実施した。支持台５の上にはウエハ４が配置され、接続された高周波電源16から高周波が印加される。ウエハ4の上には、拡散防止膜（エッチストップ膜）17と低誘電率膜18が形成されている。支持台５の電極に印加された高周波によってプラズマ中のイオンを引込み、ウエハを加工する。
【００６０】
上記においては、μ波と磁場とを用いたエッチング装置の場合を示したが、他のプラズマ生成方式による装置を用いても良い。他の方式としては、真空容器の中に平行に並べられた上下電極を持ち、上電極、下電極もしくはその両方に高周波を印加する平行平板型のRF装置、平行平板型の装置に磁場コイルや磁石を設けたマグネトロン型装置でもよい。また誘電体で構成される真空容器とコイル状アンテナにRFを印加する誘導結合型の装置、さらにこれらの方式の周波数をVHF帯、UHF帯の高周波を用いた装置でもよい。
【００６１】
本実施例では、ガス６をプラズマ化してエッチングする。ガス成分は、拡散防止膜（SiC）を低誘電率膜（SiOC）に対して選択的にプラズマエッチングするエッチングガスとして、硫黄Sを含むガスSO2を用いる。この他に、SO3、SOF2、SO2F2、SONx、SONxFy、SH2を用いてもよい。これらのガスもしくはそこから生成される解離種は、低誘電率膜（SiOC）を保護する。
【００６２】
図４にSO2を用いた実施例によるエッチング特性を示す。図１の装置で、μ波パワー800W、SO2流量50sccmでエッチングした時の結果である。横軸は電極に印加した高周波のパワーを、縦軸はSiCとSiOCのエッチングレートである。RF＝０の時、SiC、SiOCは共に概ね０であるが、RFを増やすとSiCのエッチングレートは上昇し、一方でSiOCの方は負となる。つまりSiOCの上に生成物が堆積し、SiC／SiOC選択比は見かけ上無限大の高選択比が実現される。
【００６３】
この結果は、先の結合エネルギーから判断した指標ΔEの保護性評価の妥当性を示すものである。RF＝０の時でも、SiCのエッチングレートは０ではなく、ラジカルのみで削れる‘化学エッチ’であることを示す。かつ、SiC＞SiOであることから、表面との結合エネルギーの大小で判断できることを示している。
【００６４】
第１の実施例によれば、Ｃｕ配線と低誘電率膜（SiOC）で構成されるＬＳＩデバイス構造をエッチングする際に、拡散防止膜またはエッチングストップ膜（SiC）を低誘電率膜に対して選択的にエッチングする。このため、エッチングガスとしてSO2を用いたので、SiCのエッチングレートは高く、SiOCのエッチングは抑制されるので、高い選択比を実現できる。なお、エッチングガスとしては、図２に示すように、低誘電率膜保護性と拡散防止膜エッチング性を満たす各種のガスまたはその組合せがある。
〔実施例２〕
図５は第２の実施例によるデバイス構造を示す。このデバイス構造では、マスク材２１はSiC、下地の低誘電率膜１８はSiOC、レジスト２２はＣ，Ｈ，Ｏなどから構成されている。エッチングガスとしてSO2を用いているので、低誘電率膜１８またはレジスト２２に対して、実施例１のSiOCと同様に高い保護性を有し、高選択にエッチングできる。エッチングガスとして他にSO3、SO、S2O3、SOF2、SO2F2、SONx、SONxFy、SH2を用いてもよい。このように、第２の実施例によればマスク／レジストの高選択比が実現できる。
〔実施例３〕
本実施例では、実施例１のエッチングガスSO2に、拡散防止膜のエッチング性が高いガスNF3を混合して、エッチングレートを上げている。他に、混合するガスとしてはNF3O、N2F4、SF4、SF6を用いてもよい。
【００６５】
図１のエッチング装置において、エッチングガスはSO2とNF3を1：2に混合してガス導入系２から供給する。また、μ波のパワーを800Wとし、圧力やRFをパラメータとする。SiCのエッチングレートで、〜350nm／min、SiC／SiOC選択比5〜15が得られた。
【００６６】
これによれば、実施例１のエッチングガスによる低誘電率膜を保護する機能に加えて、本例による混合ガスを用いることで、拡散防止膜／低誘電率膜の選択比とエッチングレートをより向上できる。なお、実施例２への適用も可能で、同様の効果が得られる。
〔実施例４〕
実施例３の混合ガスに、選択比と加工形状を制御するためにCO2を添加する。
他に、CO、C3O2またはO2を添加ガスとして用いてもよい。これらの添加ガスは、表面Si、C、Oとの結合エネルギーの順序関係（図６）から、SO2、SO3に次ぐガスである。この添加ガスによれば、上述したようにSiOCに対する推積性が強いので、SiCへのエッチング性が高いNF3を用いてもSiOCの保護性を高めることができ、選択比と加工形状の制御が可能になる。
〔実施例５〕
実施例３の混合ガスに、加工形状を制御するために窒素Nを含むガスを添加する。具体的にはN2、NH3、NOx（NO2、N2O）などで、解離やウエハや壁との反応でN2、N2O、Nを発生させるガスであれば良い。この添加ガスは上述した結合エネルギーが負となる反応性生物を生成するガスであり、付着しにくいものの量が制御できるので、加工形状を制御するガスとして用いられる。
〔実施例６〕
実施例３の混合ガスに、溝や穴を垂直にエッチングし易いガスを添加する。エッチングする溝や穴を垂直に加工するためには、表面への結合エネルギーが負で、溝や穴の側壁に付着しにくいものを生成するガスが選ばれる。図２に示すように、水素Ｈとハロゲンを含むガス、たとえばHCｌ、HBｒ、HF、HI、CHF3、CH2F2を添加する。
〔実施例７〕
実施例３の混合ガスに、保護性、エッチング性、形状制御性を変化させるガスを添加する。この制御のためには、エッチングプロセスにおいて、化学エッチとイオン性、付着性を変化させれば良く、解離種とイオンの比、解離種の組成を変える。具体的には上記の混合ガスに、He、Ne、Ar、Xe等の希ガスを添加する。これによってプラズマの密度、温度を変え、解離度と組成（解離種／イオン）の比を変えることができる。
〔実施例８〕
実施例３の混合ガスに、低誘電率膜の保護性、拡散防止膜のエッチング性を制御するガスを添加する。このため、CとFからなるフロロカーボンCxFyを用いる。
保護性を増すためにはx／yの比が１以上であればよい。またエッチング性を増すためには、x／yが0．5以上であればよいので、CF4、C2F6、C3F8、C4F8、C5F8、C4F6、C6F6等のガスが有効である。
〔実施例９〕
上記実施例４〜実施例８において、解離種や反応生成物の付着率を変化させるためには、ウエハ４を支持する支持台５の温度を温度制御手段１９により制御する。設定温度としては−40℃から100℃の間で制御することによって、SiOCへの堆積やSiCの側壁への堆積・化学エッチ量を変化させることができ、選択比や形状の制御が可能になる。たとえば、SO2／NF3を混合ガスとして使用する場合は、電極温度を40〜60℃に設定すると、垂直形状が実現される。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、拡散防止膜／低誘電率膜の組合せをエッチングする際に、低誘電率膜に対しては保護性が高く、拡散防止膜に対してはエッチング性の高いガスを用いているので、高選択比で高エッチレートのエッチングが実現できる。
【００６８】
また、各膜に対して付着性の低いガス（表面への結合エネルギーが負で、溝や穴の側壁に付着しにくいものを生成するガス）を添加することで形状の制御を実現できる。
【００６９】
また、別の付着性のガス（He、Ne、Ar、Xe等の希ガス）を添加することで、解離度と組成（解離種／イオン）の比を変えることができ、選択比、エッチングレート、形状が制御でき、所望の加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態によるプラズマ処理装置の構成図。
【図２】本発明に使用可能なガス成分及びその組合せを示す説明図。
【図３】一実施例によるCu配線と拡散防止膜／低誘電率膜からなるデバイスのエッチング過程を示す構造図。
【図４】  SO2ガスによるSiOCの保護性とSiC／SiOCの選択比を示す特性図。
【図５】本発明の第２の実施例によるデバイス断面の構造図。
【図６】表面（Si− C− O−）と生成物との結合エネルギーを示す説明図。
【図７】表面（Si− C− O− N−）と生成物との結合エネルギーを示す説明図。
【図８】従来使用のガスCF4／O2を用いた時のエッチング結果を示す特性図。
【図９】従来使用のガスSF6を用いた時のエッチング結果を示す特性図。
【符号の説明】
１…真空容器、２…ガス導入系、３…処理室、４…被処理物（ウエハ）、５…支持台（電極）、６…ガス、７…排気系、８…μ波発生源、９…μ波、１０…導波路、１１…空洞、１２…導入窓、１３…磁石（コイル）、１４…プラズマ、１５…ラジカル、１６…高周波電源、１７…拡散防止膜（エッチストップ膜）、１８…低誘電率膜、１９…温度制御手段、２１…マスク材、２２…レジスト。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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