(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機絶縁膜を形成した被エッチング試料を生成されたプラズマを用いてエッチング処理する有機絶縁物のエッチング方法において、
前記被エッチング試料が設置されたエッチング処理室内に、水素ガスと窒素ガス又はアンモニアガスとの混合ガスを供給して前記プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、
該プラズマ生成ステップで生成されたプラズマ中の水素原子の発光スペクトル波長４８６ｎｍ及びシアン分子の発光スペクトル波長３８８ｎｍの強度を測定する測定ステップとを有し、
前記プラズマ生成ステップにおいて、前記測定ステップで測定された水素原子の発光スペクトル強度を前記測定ステップで測定されたシアン分子の発光スペクトル強度以上に高めるように、少なくとも前記供給される混合ガスの混合比を制御する制御ステップを含むことを特徴とする有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項２】
前記制御ステップにおいて、前記水素原子の発光スペクトル強度に対する前記シアン分子の発光スペクトル強度の比率を算出し、該算出された比率が１以下になるように少なくとも前記供給される混合ガスの混合比を制御することを含むことを特徴とする請求項１記載の有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項３】
有機絶縁膜を形成した被エッチング試料を生成されたプラズマを用いてエッチング処理する有機絶縁物のエッチング方法において、
前記被エッチング試料が設置されたエッチング処理室内に、水素ガスと窒素ガス又はアンモニアガスとの混合ガスを供給して前記プラズマを生成するプラズマ生成ステップと、
該プラズマ生成ステップで生成されたプラズマ中の水素原子の発光スペクトル波長４８６ｎｍ及びシアン分子の発光スペクトル波長３８８ｎｍの強度を測定する測定ステップとを有し、
前記プラズマ生成ステップにおいて、前記測定ステップで測定された水素原子の発光スペクトル強度を前記測定ステップで測定されたシアン分子の発光スペクトル強度以上に高めるように、少なくとも前記供給される混合ガスの内前記水素ガスの流量を制御する制御ステップを含むことを特徴とする有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項４】
前記制御ステップにおいて、前記水素原子の発光スペクトル強度に対する前記シアン分子の発光スペクトル強度の比率を算出し、該算出された比率が１以下になるように少なくとも前記供給される混合ガスの内前記水素ガスの流量を制御することを含むことを特徴とする請求項３記載の有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項５】
前記プラズマ生成ステップにおいて、前記エッチング処理室内の圧力は１０Ｐａ未満であることを特徴とする請求項１または３記載の有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項６】
前記プラズマ生成ステップにおいて、前記供給される前記混合ガスにおける前記窒素ガス又は前記アンモニアガスに対する前記水素ガスの混合比が１０以上であることを特徴とする請求項１または３記載の有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項７】
前記プラズマ生成ステップにおいて、前記供給される前記混合ガスの総流量が２００ｃｃ／分以上であることを特徴とする請求項１または３記載の有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項８】
前記制御ステップにおいて、更に、プラズマ生成用の電力を制御することを含むことを特徴とする請求項１または３記載の有機絶縁膜のエッチング方法。
【請求項９】
前記制御ステップにおいて、更に、被エッチング試料へのバイアス印加の高周波電力の出力値を制御することを含むことを特徴とする請求項１または３記載の有機絶縁膜のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機絶縁膜のエッチング方法に係り、半導体装置の製造に用いられる有機絶縁膜のエッチングに好適なエッチング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の配線にＣｕを用いたダマシン・プロセスが用いられるようになった。このダマシン・プロセスの応用としてデュアル・ダマシンがある。従来のデュアル・ダマシンは層間絶縁膜となる有機絶縁膜への配線溝を形成する際に、サブトレンチ（「マイクロトレンチ」とも呼ぶ。）を防ぐためにエッチストッパ層を用いていた。しかし、エッチストッパ層は誘電率が高いため、最近ではエッチストッパ層を無くして層間絶縁膜の誘電率を下げる試みがなされている。
〔従来技術１〕
エッチストッパ層を用いることなく、マイクロトレンチングを防ぎ有機絶縁膜をエッチングする方法としては、例えば、国際公開番号ＷＯ  ０１／１５２１３Ａ１（特開２００１−６０５８２号公報）に記載のものが知られている。該公報には、次のことが記載されている。
【０００３】
ウエハの温度を処理に応じて２０℃〜６０℃程度に維持する。次いで、処理ガスとしてＮ2 とＨ2 とＡｒの混合ガスを処理室に導入する。処理室内の圧力雰囲気を実質的に５００ｍTorr以上、好ましくは、実質的に５００ｍTorr〜８００ｍTorrにする。次いで、下部電極に周波数が１３.５６ＭＨｚ で、電力が６００Ｗ〜１４００Ｗの高周波電圧を印加する。上部電極に周波数が６０ＭＨｚで、電力が６００Ｗ〜１４００Ｗの高周波電力を印加する。これにより、処理室内に高密度プラズマを生成し、該プラズマによってウエハの有機系低誘電率材料からなる層間絶縁層に、所定形状のコンタクトホールを形成する。
【０００４】
また、該公報には、以下のことが記載されている。
処理室内に少なくとも窒素原子含有気体と水素原子含有気体とを含む処理ガスを導入し、真空処理室内の圧力を実質的に５００ｍTorr以上にして、処理室内に配置された被処理体に形成された有機層膜に対するエッチングを行う。有機膜は比誘電率が３.５以下の低誘電率材料が好ましい。また、真空処理室内の圧力は実質的に５００ｍTorr〜８００ｍTorrが好ましい。
【０００５】
また、処理ガスに少なくとも窒素原子含有気体と水素原子含有気体とを含み、真空処理室内の圧力を実質的に５００ｍTorr以上にすると、エッチストッパを用いることなく、マイクロトレンチングを防ぐことができる。また、マスク選択比を高めることができる。これにより、エッチングを有機層膜の途中で停止する必要が生じるプロセス、例えば、デュアル・ダマシンプロセス等において特に効果的である。
【０００６】
また、窒素原子含有気体としてＮ2 を採用してもよく、水素原子含有気体としてＨ2 を採用してもよい。Ｎ2 とＨ2 のガス流量の例として、Ｎ2／Ｈ2が４００sccm／４００sccm、Ｎ2／Ｈ2が２００sccm／２００sccm、Ｎ2／Ｈ2が１００sccm／３００sccmの例が述べられている。
〔従来技術２〕
同じく、有機絶縁膜のエッチング方法としては、例えば、特開２０００−２５２３５９号公報に記載のものが知られている。該公報には、次のことが記載されている。
【０００７】
水素ガスと窒素ガスの混合ガス、あるいは、アンモニアガスを含むガスプラズマにより発生するＮＨ基を含むイオンまたはラジカルにより、ＣＮ基を含む反応生成物などを生成しながら、ポリアリールエーテル膜などの有機系誘電膜の絶縁膜（層間絶縁膜）をエッチング加工する。
【０００８】
層間絶縁膜のエッチングにおいて、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）型のプラズマエッチング装置により、例えば（基板設置電極温度：２０℃，μ波パワー（２.４５ＧＨｚ）：２０００Ｗ，圧力：０.８Ｐａ，ＲＦパワー：３００Ｗ，エッチングガスおよび流量：ＮＨ3 ＝１００sccm）の条件にてエッチング処理を施す。
【０００９】
上記のエッチング処理において、エッチングガスとして、例えば、水素と窒素の混合ガス（流量Ｈ2＋Ｎ2＝１００sccm(例えばＨ2／Ｎ2＝７５／２５sccm)）を用いる条件とし、上記と同様に水素と窒素の混合ガスを含むガスプラズマにより、エッチング処理することも可能である。
【００１０】
ＮＨ基を含むイオンまたはラジカルによるエッチングによれば、導電不良の原因となるダメージ層を形成することなく、サイドエッチを抑制し、また、４５０ｎｍ／分程度の高いエッチング速度を維持して、スループットの低下をもたらさずに迅速に、有機系誘電膜を含む絶縁膜を異方性エッチング加工することができる。
【００１１】
これにより、有機系誘電膜を含む絶縁膜をエッチングしてコンタクトホールを開口するほかに、溝配線を形成するためのダマシンプロセス、あるいは、溝配線とコンタクトホールを同時に開口するデュアルダマシンプロセスなどのエッチング加工に適用することも可能である。
【００１２】
また、層間絶縁膜のエッチング処理として、（ａ）Ｎ2＝１００sccm ，（ｂ）Ｎ2／Ｈ2＝５０／５０sccm，（ｃ）Ｈ2 ＝１００sccmとしたときの発光スペクトルを測定すると、Ｎ2／Ｈ2混合ガス（ｂ）でエッチングを行った場合には、Ｎ2 ガス（ａ）あるいはＨ2 ガス（ｃ）を用いた場合には見られないＮＨのピークが観測される。また、ＣＮのピークについては、Ｎ2／Ｈ2混合ガス（ｂ）の場合はＮ2 ガス（ａ）あるいはＨ2ガス（ｃ）の場合よりも強くピークが観測される。
【００１３】
さらに、層間絶縁膜のエッチング処理として、Ｎ2／Ｈ2＝１００／０〜５０／５０〜０／１００sccmとエッチングガス流量比を変化させたときの相対エッチング速度（Ｎ2／Ｈ2＝１００／０sccmのときのエッチング速度を１とする）と、各流量比における（ＣＮ，ＮＨ，Ｎ2 ，ＣＨ，Ｈ）の各発光成分の発光スペクトル強度比を測定すると、エッチング速度と、ＣＮとＮＨの発光スペクトル強度比とはほぼ同じ挙動を示すことがわかる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
前者従来技術（特開２００１−６０５８２号公報）は、真空処理室内の圧力を５００ｍTorr(約６６.５Ｐａ）以上、好ましくは５００ｍTorr〜８００ｍTorrにして、有機層膜に対するエッチングを行っている。しかしながら、このエッチング方法の場合、処理室内の圧力が非常に高いので、（１）３００ミリウエハのように大口径化する試料に対しては、ウエハ面内から発生した反応生成物の排気除去がウエハ中央部で十分に行われなくなり、ウエハ面内のエッチングレートの均一性が悪くなる、（２）反応生成物の量が非常に多くなって形状制御が難しい、（３）反応生成物の量が多くなって処理室内が汚れ易くなりエッチング処理の再現性が低下する、といった問題が想定される。このため、高い処理圧力で処理する場合には、これらの問題を解決する手段を講じる必要がある。
【００１５】
一方、上述の高い処理圧力でのエッチング処理における問題を考慮する必要のないものとして、後者従来技術（特開２０００−２５２３５９号公報）に記載のように低い処理圧力(０.８Ｐａ）で有機絶縁膜をエッチング処理する方法が知られている。しかしながら、後者従来技術は、エッチストッパ層を用いることなくマイクロトレンチを防止してデュアルダマシンプロセスの有機絶縁膜をエッチングする点については配慮されていない。
【００１６】
後者従来技術は、処理ガスとして水素ガスと窒素ガスの混合ガス中、あるいは、アンモニアガスの混合ガス中における気体放電などにより発生するＮＨ基を含むイオン又はラジカルによって、ＣＮ基を含む反応生成物などを生成しながら、有機絶縁膜をエッチングしている。しかしながら、水素と窒素の混合ガスまたはアンモニアを用いた全ての流量比において、エッチストッパ層を用いることなくマイクロトレンチを防止してエッチングすることはできない。
【００１７】
また、後者従来技術は、エッチング速度と、ＣＮとＮＨの発光スペクトル強度比とがほぼ同じ挙動を示すことに着目したエッチング方法としている。このため、ＣＮとＮＨの発光スペクトル強度比ではエッチングの最適条件を選ぶことはできず、エッチストッパ層を用いることなくマイクロトレンチを防止して有機絶縁膜をエッチングする際の最適条件を選択することができないという問題があった。
【００１８】
なお、マイクロトレンチ（あるいは「サブトレンチ」と言う）が発生して、被エッチング部の溝や穴の底面が平坦にできなくなる原因は、特に、エッチング中の溝や穴の底面の形状においては、被エッチング部である溝や穴の側面の僅かなテーパによりプラズマからの入射イオンが側壁に衝突して溝や穴の底面の側壁際へ集中したり、溝や穴の中央部にエッチングに伴う多くの反応生成物が再付着するなどして、エッチングされた溝や穴の側壁際のエッチングレートが溝や穴の中央部のエッチングレートより速くなるためである。
【００１９】
本発明の目的は、上記問題点を解決するものであり、処理室内への反応生成物の付着を抑制し、マイクロトレンチを防止して有機絶縁膜をエッチングすることのできる有機絶縁膜のエッチング方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、有機絶縁膜のエッチング方法において、水素原子と窒素原子を含む分子ガスをプラズマ化し、プラズマ中の水素原子及びシアン分子の発光スペクトル強度比率を測定し、該測定値を所定の値以下にして処理することにより、達成される。
また、プラズマ中の波長概４８６ｎｍの水素原子（Ｈ）発光スペクトルと波長概３８８ｎｍのシアン分子（ＣＮ）発光スペクトルの強度比ＣＮ／Ｈが１以下となるプラズマを用いる。
【００２１】
また、上記目的は、有機絶縁膜のエッチング方法において、水素ガスと窒素ガスあるいはアンモニアガスをプラズマ化し、プラズマ中の水素原子及びシアン分子の発光スペクトル強度比率が所定の値以下となるように、水素ガスの流量を制御して処理することにより、達成される。
また、処理は処理圧力を一定に制御して行われる。
【００２２】
また、上記目的は、有機絶縁膜を形成した被エッチング試料が配置されたエッチング処理室内に、窒素ガスと水素ガス、あるいは水素原子と窒素原子を含む分子ガスを供給し、エッチング処理室内の圧力を１０Ｐａ未満にして、波長概486ｎｍの水素原子（Ｈ）発光スペクトルと波長概３８８ｎｍのシアン分子（ＣＮ）発光スペクトルの強度比ＣＮ／Ｈが１以下となるプラズマを生成し、該プラズマを用いて被エッチング試料を処理することにより、達成される。
また、プラズマの生成に水素ガスおよび窒素ガスを用い、窒素ガスに対する水素ガスの混合比を１０以上にする。さらに、水素ガスと窒素ガスの総流量を200cc／分以上にする。
また、水素原子を含む分子ガスが水素ガスであり、窒素原子を含む分子ガスがアンモニアガスであって、アンモニアガスに対する水素ガスの混合比を１０以上にする。さらに、水素ガスとアンモニアガスの総流量を２００cc／分以上にする。
【００２３】
また、他の態様によれば、上記目的は、被エッチング試料を配置可能な試料台と、エッチングガスが供給される気密性の良い処理室と、処理室内を減圧雰囲気にする真空ポンプと、水素ガスと窒素ガス、あるいは水素原子と窒素原子を含む分子ガスの流量を制御可能な流量制御バルブと、真空ポンプと処理室間に設置され処理室内に供給されたエッチングガスの排気速度を制御可能な排気速度調整バルブと、処理室内のエッチングガスをプラズマ化する電力を投入可能な回路および電源と、処理室内の圧力を測定する真空計とを具備する装置を用い、処理室内にプラズマを発生させ、プラズマ中のシアン分子と水素原子との発光強度比を計測して、該計測値が所定値以下となるように前記流量制御バルブを制御して、被エッチング試料をエッチングすることにより、達成できる。さらに、流量制御バルブの制御は、水素ガスの流量を増やすように制御する。さらに、処理室内の圧力が一定になるように前記排気速度調整バルブを制御する。
また、計測値が所定値以下となるように前記エッチングガスをプラズマ化する電源の出力を制御して、被エッチング試料をエッチングする。電源の制御は、プラズマ中で水素原子が多く発生するように出力を上げるように制御する。
また、前記試料台に被エッチング試料へのバイアス電圧を印加可能な電源を接続し、計測値が所定値以下となるようにバイアス電圧を下げるように前記電源を制御する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１から図１０を用いて説明する。
図１及び図２に本発明のエッチング方法を実施するためのプラズマエッチング処理装置の一例を示す。図１はエッチング処理部の概略構成を示す。図２は図１に示すエッチング処理部を設けたプラズマエッチング処理装置の全体を示す。
【００２５】
真空容器１１内には、被処理材であるウエハ２を配置可能な試料台２４が設けられている。試料台２４には、ウエハ２にバイアス電圧を与えるためのバイアス電圧用高周波電源２５（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。また、試料台２４にはウエハ２の温度を制御するための温度調整装置２６が接続されている。
【００２６】
真空容器１１の上部には、円筒状の処理室が形成されている。真空容器１１の処理室部の外側には処理室を囲んで磁場発生用コイル２３ａ及び２３ｂが設けてある。真空容器１１内で処理室上部には、電磁波を透過可能な誘電体１２を介して試料台２４に対向させて導電体でなる平板アンテナ１３が設けてある。平板アンテナ１３上部には同軸線路１５が設けられ、同軸線路１５を介してプラズマ生成用の高周波電源１６（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）が接続されている。
【００２７】
平板アンテナ１３には処理室内にエッチングガスを流すための多孔構造を成すガス供給路１４が形成してある。ガス供給路１４には流量制御バルブ１７，１８，１９を介してそれぞれにガス供給源２０，２１，２２が接続されている。
【００２８】
また、真空容器１１の下部には真空排気口が設けられ、排気速度調整バルブ２７を介して真空ポンプ２８が接続されている。
【００２９】
真空容器１１の処理室部には、平板アンテナ１３と試料台２４との間に形成されるプラズマ３２からの発光を採光し、特定波長の光を電気信号に変換する分光・光電変換器３０が設けられている。分光・光電変換器３０からの電気信号は制御装置３１に入力される。制御装置３１内では後に述べる演算が行われ、流量制御バルブ１７，１８，１９および高周波電源１６，２５に制御用の電気信号を出力する。また、真空容器１１には真空計２９が設けてあり、図示を省略しているが、検出信号は制御装置３１に入力され、制御装置３１は排気速度調整バルブ２７を制御する。
【００３０】
図１のように構成されたエッチング処理部は、図２に示すように真空搬送室６の周りにエッチング処理室１０ａ，１０ｂとして設けられる。また、真空搬送室６の周りにはロードロック室５ａ及びアンロードロック室５ｂが設けられている。ロードロック室５ａ及びアンロードロック室５ｂには、大気ユニット３が接続してある。大気ユニット３には大気搬送ロボット４が設けてあり、大気搬送ロボット４によってカセット１ａ又は１ｂとロードロック室５ａ又はアンロードロック室５ｂとの間でウエハ２を搬送する。真空搬送室６には真空搬送ロボット７が設けてあり、真空搬送ロボット７によってロードロック室５ａ又はアンロードロック室５ｂとエッチング処理室１０ａ又は１０ｂとの間でウエハ２を搬送する。
【００３１】
上記のように構成された装置において、例えば、図２に示すようにカセット１ａからエッチング処理室１０ａにウエハ２を搬入する。ウエハ２搬入後、ウエハ２は試料台２４に保持され、上下動可能な試料台によって処理室内の所定高さ位置に設定される。また、ウエハ２は温度調節装置によって所定温度に保持される。真空容器１１内部を真空ポンプ２８により減圧した後、流量制御バルブ１７，１８，１９を制御しガス供給源２０，２１，２２からガス供給路１４を介して処理ガス、この場合、エッチングガスを処理室内に導入し、所望の圧力に調整する。処理室内の圧力調整後、高周波電源１６より、例えば、周波数４５０ＭＨｚの高周波電力を発振する。高周波電源１６より発振された高周波電力は、同軸線路１５を伝播し平板アンテナ１３および誘電体１２を介して処理室内に導入される。処理室内に導入された高周波電力による電界は、磁場発生用コイル２３ａ及び２３ｂ、例えば、ソレノイドコイルによって処理室内に形成された磁場との相互作用によって、処理室内に低圧でプラズマ３２を生成する。特に電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば、１６０Ｇ）を処理室内に形成した場合、効率良くプラズマを生成することができる。プラズマ生成と同時に、試料台２４には高周波電源２５によって、例えば、周波数８００ＫＨｚの高周波電力を印加する。これにより、プラズマ３２中のイオンがウエハ２への入射エネルギを与えられ、イオンはウエハ２へ入射し、ウエハ２の異方性エッチングが促進される。
【００３２】
次に、図３および図４により上述の装置を用い、デュアルダマシンプロセスで用いられる有機絶縁膜でなる層間絶縁膜のエッチング工程を説明する。
まず、第１エッチング処理室１０ａに未処理ウエハ２を搬入する（ステップ１０１）。このときの未処理ウエハ２は、図４（ａ）に示すように未加工のハードマスク４５上にパターニングされたホトレジストが形成されている状態のものである。ウエハ２は基板上に多層配線が形成されたものであり、この場合、下層有機絶縁膜４１(層間絶縁膜)，下層配線４２，下層ハードマスク４３の層は既に加工済みである。下層ハードマスク４３の上部にこれから加工を行う層間絶縁膜である有機絶縁膜４４（誘電率２.６〜２.７の低誘電率の有機膜、例えば、ダウケミカル社製のＳｉＬＫTM），ハードマスク４５(この場合、ＳｉＮ膜／ＳｉＯ2膜によるデュアルハードマスク）が膜付けされ、パターニングされたホトレジスト４６が最上面に形成されている。
次に、第１エッチング処理室１０ａの処理室内に、ハードマスクエッチング加工用の処理ガス（例えば、Ａｒ＋Ｏ2＋ＣＦ系ガス(Ｃ5Ｆ8））を供給し、プラズマエッチングを実行する。このエッチング処理では、有機絶縁膜４４をエッチング加工するための接続穴加工用のマスクを形成する（ステップ１０２）。
ハードマスク４５のエッチング加工は、発光分光法による終点検出によって、そのエッチング終了を検出する（ステップ１０３）。このときの被エッチング材の加工断面を図４（ｂ）に示す。この時点では、ホトレジスト４６が残っていても良い。
次に、ハードマスク４５の加工が終了したウエハ２を第２エッチング処理室１０ｂに搬送する（ステップ１０４）。
第２エッチング処理室１０ｂの処理室では、該処理室内に、有機絶縁膜エッチング加工用の処理ガス（アンモニア（ＮＨ3 ））を供給し、プラズマエッチングを実行する。このエッチング処理では、有機絶縁膜４４に下層配線４２との接続穴を形成する（ステップ１０５）。なお、前工程で残っていたホトレジストは、基本的に有機絶縁膜と同様の成分からなるので、本工程のエッチング処理時に一緒にエッチング除去される。
有機絶縁膜４４のエッチング加工は、発光分光法による終点検出によって、そのエッチング終了を検出する（ステップ１０６）。このときの被エッチング材の加工断面を図４（ｃ）に示す。この時点では、ホトレジスト４６は除去されており、接続穴４７が下層配線４２まで達している。
有機絶縁膜４４のエッチング加工が終了したウエハ２は、元のカセット１ａに回収される（ステップ１０７）。
【００３３】
カセット１ａ内のウエハ２が全て上述のように加工されてカセット１ａ内に回収されたら、次に、有機絶縁膜４４に配線用の溝を加工するための準備に移る。接続穴４７の加工が終了したウエハ２を収納したカセット１ａは、他の装置（洗浄装置，レジスト塗布装置，露光装置，現像装置等）に運ばれる。これらの装置によって、カセット１ａ内のウエハ２には、ハードマスク４５上に、配線溝のパターンがパターニングされたホトレジストが形成されている（ステップ１０８）。
【００３４】
次に、パターニング済みのホトレジストが形成されたウエハ２を収納したカセット１ａが、プラズマエッチング処理装置の大気ユニット３にセットされる（ステップ１１１）。
カセット１ａがセットされた後、第１エッチング処理室１０ａにウエハ２を搬入する（ステップ１１２）。このときのウエハ２は、図４（ｄ）に示すようにハードマスク４５上にパターニングされたホトレジスト４８が形成されている。
次に、第１エッチング処理室１０ａの処理室内に、前記ステップ１０２と同様のハードマスクエッチング加工用の処理ガス（例えば、Ａｒ＋Ｏ2 ＋ＣＦ系ガス（Ｃ5Ｆ8））を供給し、プラズマエッチングを実行する。このエッチング処理では、有機絶縁膜４４をエッチング加工するための配線溝加工用のマスクを形成する（ステップ１１３）。
ハードマスク４５のエッチング加工は、発光分光法による終点検出によって、そのエッチング終了を検出する（ステップ１１４）。このときの被エッチング材の加工断面を図４（ｅ）に示す。ハードマスク４５には、接続穴４７よりも開口の大きい配線溝用の開口が形成される。この時点では、ホトレジスト４６が残っていても良い。
次に、ハードマスク４５の加工が終了したウエハ２を第２エッチング処理室１０ｂに搬送する（ステップ１１５）。
第２エッチング処理室１０ｂの処理室では、該処理室内に、有機絶縁膜エッチング加工用の処理ガス（水素ガス（Ｈ2）と窒素ガス（Ｎ2））を供給し、プラズマエッチングを実行する。このエッチング処理では、有機絶縁膜４４に所定深さの配線溝を形成する（ステップ１１６）。本エッチング処理ではエッチングストッパ層を用いないため、エッチング底面の平坦化が重要であるとともにウエハ面内の均一性が重要となる。本エッチング処理でのプロセス条件及びプロセス制御方法は後述する。なお、前工程で残っていたホトレジスト４８は、前述と同様に本工程のエッチング処理時に一緒にエッチング除去される。
有機絶縁膜４４のエッチング加工は、例えば、米国特許出願番号０９／946504（特願２００１−２８０９８号明細書）に記載されているような、干渉光の微分値の波長パターンを用い、その標準パターンと実処理時の実パターンとから膜厚を測定し、エッチング深さを算出する終点検出方法によって、そのエッチング終了を検出する（ステップ１１７）。このときの被エッチング材の加工断面を図４（ｆ）に示す。この時点では、ホトレジスト４６は除去されており、配線溝４９が所定の深さで形成されている。
有機絶縁膜４４のエッチング加工が終了したウエハ２は、元のカセット１ａに回収される（ステップ１１８）。
【００３５】
上述した工程を実施することにより、デュアルダマシンプロセスの有機絶縁膜加工が行われる。本実施例のプラズマエッチング処理装置によれば、エッチング処理室を２個使用できるので、接続穴加工のときのハードマスク４５のエッチング加工と有機絶縁膜４４のエッチング加工とを連続して実施でき、また、第２エッチング処理室の処理ガスを切り替えるのみで、配線溝加工のときのハードマスク４５のエッチング加工と有機絶縁膜４４のエッチング加工とを連続して実施できる。これにより、１台の装置でデュアルダマシンプロセスの有機絶縁膜加工を行うことができる。
【００３６】
また、エッチング処理室を真空搬送室６の周りに３個設けることにより、接続穴用と配線溝用のハードマスク４５のエッチング加工を中央に配置した第２エッチング処理室で行い、有機絶縁膜４４の接続穴のエッチング加工を第２エッチング処理室の隣（例えば、左側）の第１エッチング処理室で行い、有機絶縁膜４４の配線溝のエッチング加工を第２エッチング処理室の隣（例えば、右側）の第３エッチング処理室で行うようにすれば、それぞれのエッチング処理室でプロセスを固定できる。また、第２エッチング処理室を交互に用いて、第２及び第１エッチング処理室で連続処理でき、第２及び第３エッチング処理室で連続処理できる。これにより、例えば、カセット１ａには接続穴加工用のウエハを収納し、カセット１ｂには配線溝加工用のウエハを収納して、１台の装置で接続穴のエッチング加工と配線溝のエッチング加工とを同時に実施（同時処理）できる。
【００３７】
さらに、エッチング処理室を真空搬送室６の周りに４個設けることにより、第１及び第２エッチング処理室を用いて接続穴用のハードマスク４５のエッチング加工と有機絶縁膜４４の接続穴のエッチング加工とを専用の処理室で連続処理でき、また、第３及び第４エッチング処理室を用いて配線溝用のハードマスク４５のエッチング加工と有機絶縁膜４４の配線溝のエッチング加工とを専用の処理室で連続処理できる。これにより、例えば、カセット１ａには接続穴加工用のウエハを収納し、カセット１ｂには配線溝加工用のウエハを収納して、１台の装置で接続穴のエッチング加工と配線溝のエッチング加工とを並列処理することができる。
【００３８】
なお、本実施例では、ロードロック室５ａとアンロードロック室５ｂとを区別して使用しているが、カセット１ａのウエハ搬入，搬出用にロック室５ａを用い、カセット１ｂのウエハ搬入，搬出用にロック室５ｂを用いるようにしても良い。これにより、上述のエッチング処理室を３個及び４個設けた処理の場合の同時処理及び並列処理におけるウエハの搬送ルートを最短にできる。
【００３９】
次に、上記ステップ１１６における有機絶縁膜４４への配線溝加工のエッチング方法を図５から図１０を用いて説明する。
配線溝のエッチングにおいて、表１に示す５つのケースで、エッチングの状態を評価した。
【表１】
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ケース１から４は処理圧力を１０Ｐａ未満、この場合、３Ｐａにし、処理ガスの種類及びガス流量を変えて実験した。ケース１及び３は処理ガスとして、有機絶縁膜のエッチャントとなるガスに窒素ガスを使用し、水素ガス（Ｈ2 ）と窒素ガス（Ｎ2 ）との混合ガスを用いた。ケース２及び４は処理ガスとして、有機絶縁膜のエッチャントとなるガスにアンモニアガスを使用し、水素ガス（Ｈ2 ）とアンモニアガス（ＮＨ3 ）との混合ガスを用いた。ケース１は、有機絶縁膜のエッチャントとなる窒素ガスに対し水素ガスの量を２０倍した。ケース２は、有機絶縁膜のエッチャントとなるアンモニアガスに対し水素ガスの量を１０倍した。ケース３は、有機絶縁膜のエッチャントとなる窒素ガスに対し水素ガスの量を同じにした。ケース４は、有機絶縁膜のエッチャントとなるアンモニアガスに対し水素ガスの量を同じにした。ケース５は、ケース１と同じ処理ガス条件で処理圧力を１０Ｐａ以上、この場合、１０Ｐａにした。なお、いずれもプラズマを発生させる高周波電圧の電力は１ｋＷで行った。
【００４０】
この結果、次のことが分かる。
（１）エッチングレートにおいては、エッチャントになるガスとしてアンモニアガスを用いた方がエッチングレートが向上する。
（２）サブトレンチ率においては、エッチャントガスに比べ水素ガスを多くすることによりサブトレンチ率が改善される。なお、サブトレンチ率とは、（エッチングした側壁際のエッチングレート／溝中央部のエッチングレート）をパーセント表示したものであり、この率が１００％以下であればサブトレンチが発生していないことになる。
（３）サブトレンチを防ぐためには、少なくとも処理ガス中のＨ成分ガスとＮ成分ガスとの混合比(Ｈ成分ガス／Ｎ成分ガス)は１０以上であり、総流量は２００cc／分以上であって、発光スペクトル強度比率（ＣＮ／Ｈ）が１以下となる条件にする必要がある。また、このことから、サブトレンチを防ぐにはエッチング処理室内の圧力を１０Ｐａ未満にする必要がある。
【００４１】
上述のようにサブトレンチが生じなかったもの及びサブトレンチが生じたものについて、プラズマの発光強度を測定してみると、波長３８８ｎｍと波長４８６ｎｍの２点に特徴的な発光強度が現れることが分かった。この２つの発光スペクトルは、波長３８８ｎｍのシアン分子(ＣＮ）と波長４８６ｎｍの水素原子(Ｈ）であることが分かった。
【００４２】
結果的に、サブトレンチのないエッチング条件は、ケース１及び２であった。サブトレンチが生じない条件でのプラズマ中の反応生成物であるシアン分子(CN)と水素原子(Ｈ)との発光強度を測定すると、図５に示すようにシアン分子(ＣＮ)の発光強度に比べ水素原子（Ｈ）の発光強度が高いことが分かった。この場合のエッチング条件は、Ｈ2：３００sccm，Ｎ2：１０sccm，処理圧力：３Ｐａ，プラズマ発生用高周波電力：１ｋＷである。
【００４３】
シアン分子（ＣＮ）の発光強度に比べ水素原子（Ｈ）の発光強度が高いということは、プラズマ中の水素原子（Ｈ）量、言い換えれば、Ｈラジカル量がシアン分子ＣＮ量より多く存在することを意味する。これは図７に示すような反応状態を生じているものと考えられる。すなわち、プラズマ中にはエッチャントであるＮイオンに比べＨラジカルが多く存在し、Ｎイオンの被エッチング面への入射によって有機絶縁膜４４と反応し反応生成物となって出て行ったシアン分子ＣＮが再度ウエハ２に入射し、被エッチング部の底面に付着する。この付着したシアン分子ＣＮにプラズマからのＨラジカルが接して反応を生じ、このシアン分子ＣＮはより揮発性の高い反応生成物ＨＣＮとなってエッチング表面から揮発し排気される。これにより、被エッチング部の反応生成物（この場合、シアン分子ＣＮ）の付着分布(反応生成物は被エッチング部の側壁側に比べ溝中央部に付着し易い)の影響を受けることなくエッチングが進行し、サブトレンチを防止することができる。
【００４４】
これに対し、残りのケース３，４及び５ではサブトレンチが生じた。サブトレンチが生じたときの条件でのプラズマ中のシアン分子（ＣＮ）と水素原子（Ｈ）との発光強度を測定すると、図６に示すようにシアン分子（ＣＮ）の発光強度に比べ水素原子（Ｈ）の発光強度が小さいことが分かった。この場合のエッチング条件は、Ｈ2：３５sccm，Ｎ2：３５sccm，処理圧力：３Ｐａ，プラズマ発生用高周波電力：１ｋＷである。このときの反応状態は、図８に示すような状態になっていると考えられる。すなわち、プラズマ中にはＮイオンの量が多く高いエッチングレートが得られる。これとともにシアン分子ＣＮの量も多くなり、エッチング面へのＣＮの再付着が生じる。反応生成物の再付着は、エッチング面の側壁側底面よりも底面中央部に付着し易いので、側壁側底面部がエッチングされやすくなってサブトレンチが発生すると考えられる。また、ウエハへの入射エネルギが大きいＮイオンが、前述したように被エッチング部の側壁際に集中し、サブトレンチが生じるものと考えられる。
【００４５】
上述したシアン分子（ＣＮ）と水素原子（Ｈ）との発光強度の比（ＣＮ／Ｈ）とサブトレンチ率との関係を図９に示す。図９から分かるようにサブトレンチが生じないサブトレンチ率１００％以下となるＣＮ／Ｈ比はおよそ１以下であることが分かる。ちなみに、表１に示したケースのポイントは、ケース番号を付した点である。また、図５に示した発光強度の状態がポイント（ａ）であり、図６に示した発光強度の状態がポイント（ｂ）である。
【００４６】
次に、図１に示す制御装置３１によるサブトレンチを防止するための制御方法について、図１０により説明する。
前述の有機絶縁膜に配線溝を形成するエッチングのステップ１１６において、プラズマからのシアン分子ＣＮと水素原子Ｈとの発光スペクトルを光電変換器によって電気信号に変換し、それぞれの発光強度を測定する（ステップ１２１）。測定したＣＮ及びＨの発光強度からＣＮ／Ｈの発光強度比を求める（ステップ１２２）。次に、発光強度比ＣＮ／Ｈが１以下かどうか判定する(ステップ123）。判定した結果、発光強度比が１以下であれば、そのままエッチングを継続する（ステップ１２９）。エッチングが継続され前述した膜厚測定を用いたエッチング終点検出により、所定のエッチング量に達したかどうか判定する（ステップ１３０）。まだ所定のエッチング量に達していない場合には、ステップ１２１に戻り処理を継続する。所定のエッチング量に達しエッチングの終点を検出したなら、エッチング処理を終了する。
【００４７】
他方、ステップ１２３において、発光強度比が１より大きい場合、水素ガスの流量制御弁を制御して水素ガスの流量を増やす（ステップ１２４）。この場合、窒素ガスの量を少なくするようにしても良いが、エッチングレートが低下するので、水素ガス流量を制御する方が好ましい。なお、図示を省略しているが、制御装置３１は処理圧力が一定になるように排気速度調整バルブ２７を制御する。次に、水素ガスの流量制御において、流量制御の値が上限に達っしているかどうか、すなわち、最大かどうかを判定する（ステップ１２５）。流量制御の値が最大に達していない間は、ステップ１２１に戻り発光強度比のチェックを繰り返す。
【００４８】
他方、流量制御の値が最大で、これ以上水素ガスを増やすことができない場合には、プラズマ生成用の電力を増加させる（ステップ１２６）。これにより、プラズマ中の水素分子の分解が高められ、Ｈラジカルが多く発生し、Ｈの発光強度が高められる。次に、プラズマ生成用の高周波電源からの高周波電力の出力値が最大かどうかを判定する（ステップ１２７）。高周波電力の出力値が最大に達していない間は、ステップ１２１に戻り発光強度比のチェックを繰り返す。
【００４９】
他方、高周波電力の出力値が最大で、これ以上電力値を上げられない場合には、ウエハへのバイアス印加の高周波電力の出力値を下げる（ステップ１２８）。
【００５０】
上述のように第１段階では水素ガスを増加させ、第２段階ではプラズマ生成用の電力を増加させて制御しているので、エッチングレートに起因するパラメータを下げることなくサブトレンチの発生を抑制するので、所定のエッチング速度を維持したままサブトレンチを防止することができる。
【００５１】
以上、本実施例によれば、１０Ｐａより低い処理圧力とするとともに、エッチング処理時に再付着し易い反応生成物ＣＮを水素成分と反応させて、積極的に揮発性の高い反応生成物ＨＣＮにして排出しているので、処理室内への反応生成物の付着を抑制し、マイクロトレンチを防止して有機絶縁膜をエッチングすることができるという効果がある。
【００５２】
また、本実施例によれば、低誘電率の有機絶縁膜のエッチングにおいて、サブトレンチを生じさせることなく、溝あるいは穴底形状を平坦にすることができるので、エッチングストッパ層を用いることなく半導体ＬＳＩチップ上の電気配線用溝を形成することができる。
【００５３】
また、本実施例によれば、１０Ｐａより低い処理圧力下で処理ガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用い、プラズマ中のシアン分子ＣＮと水素原子Ｈとの発光スペクトルの発光強度比ＣＮ／Ｈを１以下に制御することにより、サブトレンチなく有機絶縁膜をエッチング処理することができる。
【００５４】
また、発光強度比ＣＮ／Ｈが１以下になるように水素ガスの流量を増加制御することにより、有機絶縁膜のエッチング速度を低下させることなくサブトレンチを抑制することができる。
【００５５】
また、発光強度比ＣＮ／Ｈが１以下になるようにプラズマ生成用の高周波電力の出力を増加制御することにより、プラズマ中のＨラジカル量を増加させて有機絶縁膜のエッチング速度を低下させることなくサブトレンチを抑制することができる。
【００５６】
また、処理ガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いているので、プラズマ中のガス組成が単純であり、処理ガスの流量制御で容易に発光強度比ＣＮ／Ｈを制御することができる。
【００５７】
なお、本実施例では、有機絶縁膜の溝加工に処理ガスとして窒素ガスと水素ガスとの混合ガスを用いたが、アンモニアガスと水素ガスとの混合ガスを用いても同様にプラズマ中の発光強度比ＣＮ／Ｈが１以下にすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００５８】
また、本実施例では、プラズマ生成用の高周波電源として周波数４５０ＭＨｚの電源を用いたＵＨＦ有磁場型のプラズマ処理装置を用いたが、１０Ｐａより低い処理圧力で有機絶縁膜をエッチング処理する装置であれば、他の放電方式（例えば、マイクロ波ＥＣＲ方式，容量結合方式，誘導結合方式，マグネトロン方式等）の装置においても、シアン分子と水素原子とのバランスをとり、同様の効果を得ることが可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、処理室内への反応生成物の付着を抑制し、マイクロトレンチを防止して有機絶縁膜をエッチングすることのできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエッチング方法を実施するためのエッチング装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】図１のエチング装置を設けたプラズマエッチング処理装置の全体を示す平面図である。
【図３】図２の装置を用いたエッチング処理を示すフロー図である。
【図４】図３に示すエッチングフローに合せウエハのエッチング断面形状を示す縦断面図である。
【図５】有機絶縁膜の配線溝加工において、サブトレンチのないエッチングプロセスでのプラズマの発光強度を示す図である。
【図６】有機絶縁膜の配線溝加工において、サブトレンチが生じるエッチングプロセスでのプラズマの発光強度を示す図である。
【図７】図５のプラズマ発光強度状態でエッチング加工したエッチング断面形状を示す断面図である。
【図８】図６のプラズマ発光強度状態でエッチング加工したエッチング断面形状を示す断面図である。
【図９】有機絶縁膜の配線溝加工におけるプラズマ中のシアン分子と水素原子との発光強度比ＣＮ／Ｈと、サブトレンチとの関係を示す図である。
【図１０】有機絶縁膜の配線溝加工におけるサブトレンチを抑制するフローを示す図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…カセット、２…ウエハ、３…大気ユニット、４…大気搬送ロボット、５ａ…ロードロック室、５ｂ…アンロードロック室、６…真空搬送室、７…真空搬送ロボット、１０ａ…第１エッチング処理室、１０ｂ…第２エッチング処理室、１１…真空容器、１２…誘電体、１３…平板アンテナ、１４…ガス供給路、１５…同軸線路、１６…プラズマ生成用高周波電源、１７，１８，１９…流量制御バルブ、２０，２１，２２…ガス供給源、２３ａ，２３ｂ…磁場発生用コイル、２４…試料台、２５…バイアス電圧用高周波電源、２６…温度調整装置、２７…排気速度調整バルブ、２８…真空ポンプ、２９…真空計、３０…分光・光電変換器、３１…制御装置、３２…プラズマ、４１…下層有機絶縁膜、４２…下層配線、４３…下層ハードマスク、４４…有機絶縁膜、４５…ハードマスク、４６，４８…ホトレジスト、４７…接続穴、４９…配線溝、５０…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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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003739325.tif 000009
【図８】
0003739325.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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