(57)【要約】多孔質絶縁膜をエッチングする際のプラズマエッチング時において、処理ガスとして、ＣＦ４等のフルオロカーボン系ガスと、Ａｒ等の不活性ガスとを含む混合ガスを用い、圧力を１５０ｍＴｏｒｒ以上３００ｍＴｏｒｒ以下とすることにより、多孔質絶縁膜をエッチングする際のスパイクの発生を抑制する。また、ＲＦパワー密度は、０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．５０Ｗ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
2002049089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマエッチング時の処理ガスがフルオロカーボン系ガスと不活性ガスとを含む混合ガス、
圧力が１５０ｍＴｏｒｒ以上３００ｍＴｏｒｒ以下であることを特徴とする多孔質絶縁膜のエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載の多孔質絶縁膜のエッチング方法において、
ＲＦパワー密度が、０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．５０Ｗ／ｃｍ２以下であることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１又は２記載の多孔質絶縁膜のエッチング方法において、
前記フルオロカーボン系ガスがＣＦ４、前記不活性ガスがＡｒであることを特徴とする。
【請求項４】
請求項１，２又は３記載の多孔質絶縁膜のエッチング方法において、前記フルオロカーボン系ガスに対する流量比が０．２５以下のＯ２ガスをさらに含むことを特徴とする。
【請求項５】
デュアルダマシンプロセスにより配線溝とビアホールが形成された半導体装置において、
前記配線溝が形成された多孔質絶縁膜と前記ビアホールが形成された多孔質絶縁膜とがストッパ層を介することなく形成され、前記多孔質絶縁膜のエッチング時のスパイクが実質的に存在しないことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
ビアホールに対応するパターンが形成された第１のフォトレジスト膜を多孔質絶縁膜上に形成する工程と、
前記第１のフォトレジスト膜をマスクとして前記多孔質絶縁膜のエッチングを行うことにより、前記多孔質絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
前記第１のフォトレジスト膜を除去する工程と、
配線溝に対応するパターンが形成された第２のフォトレジスト膜を前記多孔質絶縁膜上に形成する工程と、
ＲＦパワー密度が０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．５０Ｗ／ｃｍ２以下、圧力が１５０ｍＴｏｒｒ以上３００ｍＴｏｒｒ以下の条件で、前記第２のフォトレジスト膜をマスクとして前記多孔質絶縁膜のエッチングを途中まで行うことにより、前記多孔質絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記第２のフォトレジスト膜を除去する工程と、
前記ビアホールと前記配線溝に導電材料を埋め込む工程とを備えることを特徴とするデュアルダマシンプロセス。
【請求項７】
請求項６記載のデュアルダマシンプロセスにおいて、
前記多孔質絶縁膜に配線溝を形成する工程の処理ガスとして、フルオロカーボン系ガスと不活性ガスとを含む混合ガスを用いることを特徴とする。
【請求項８】
請求項７記載のデュアルダマシンプロセスにおいて、
前記フルオロカーボン系ガスがＣＦ４、前記不活性ガスがＡｒであることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、多孔質絶縁膜のエッチング方法、デュアルダマシンプロセスおよび半導体装置に関する。
背景技術
近年の半導体集積回路の高密度化に伴い、配線の伝搬遅延が動作速度を決める重要な要因となりつつある。このため、層間絶縁膜に低誘電率膜を採用して、伝搬遅延を抑えることが行われている。
層間絶縁膜の比誘電率を下げる方法として、層間絶縁膜を多孔質化する方法がある。多孔質絶縁膜を半導体製造プロセスに採用した場合、ビアホールなどを形成するために、この多孔質絶縁膜をエッチングする必要がある。
この多孔質絶縁膜のエッチング方法では、多孔質絶縁膜とフォトレジストとの選択比をある程度確保しつつ、多孔質絶縁膜のエッチングを効率よく行うために、Ｃ４Ｆ８／Ａｒ系ガス、ＣＦ４／Ａｒ系ガスなどが用いられていた。また、エッチングレートを改善したり、高アスペクト比のエッチングに対応するために、これらのガスにＯ２、ＣＯ或いはＮ２を混合することも行われていた。
また、これらのエッチングガスをプラズマ化してエッチングを行う際に、イオンの平均自由工程を長くして、イオンがコンタクトホール内に進入し易くするとともに、エッチング時の面内均一性を保つために、低圧かつ高出力でエッチングが行われていた。
しかしながら、エッチングガスにＯ２ガスを混合し、低圧かつ高出力の条件で多孔質絶縁膜のエッチングを行うと、多孔質絶縁膜にスパイクが発生するという問題があった。特に、このスパイクの発生は、デュアルダマシンプロセスにおいて、より深刻な問題となっていた。なお、スパイクとは、エッチングされた多孔質絶縁膜底面の凹凸である。
図８は、従来の多孔質絶縁膜を用いたデュアルダマシンプロセスを示す断面図である。図８（ａ）において、多孔質絶縁膜４２および窒化珪素膜４３を下層領域４１上に形成し、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術を用いることにより、ビアホールＢ２に対応した開孔部Ｈ３を窒化珪素膜４３に形成する。なお、下層領域４１は、シリコン基板またはＣｕやＡｌなどの下層配線層である。
次に、多孔質絶縁膜４４を窒化珪素膜４３上に形成し、フォトレジスト膜４５を全面に形成する。そして、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、配線溝Ｔ２に対応した開孔部Ｈ４をフォトレジスト膜４５に形成する。
次に、図８（ｂ）に示すように、このフォトレジスト膜４５をマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングＥ３を行うことにより、配線溝Ｔ２を多孔質絶縁膜４４に形成する。ここで、エッチングＥ３におけるエッチングガスとして、多孔質絶縁膜４４と窒化珪素膜４３との選択比を確保するために、Ｃ４Ｆ８系のガスが用いられる。また、エッチングレートを高くするとともに、エッチング時の面内均一性を保つため、圧力が５０ｍＴｏｒｒ未満の低圧に設定されるとともに、ＲＦパワー密度が０．５Ｗ／ｃｍ２を越える高出力に設定される。
この条件で多孔質絶縁膜４４のエッチングＥ３を行うと、多孔質絶縁膜４４にスパイクＳＰが発生する。このため、エッチングＥ３を多孔質絶縁膜４４のエッチングの途中で中止すると、配線溝Ｔ２の段差Ｄ２上にスパイクＳＰが残存する。
次に、図８（ｃ）に示すように、窒化珪素膜４３をマスクとして、エッチングＥ３をさらに続行し、多孔質絶縁膜４２にビアホールＢ２を形成する。ここで、窒化珪素膜４３の段差Ｄ２上では、多孔質絶縁膜４４のオーバーエッチングが行われ、段差Ｄ２上のスパイクＳＰが除去される。また、ビアホールＢ２を形成する際に多孔質絶縁膜４２に発生するスパイクも、多孔質絶縁膜４２をオーバーエッチングすることにより除去することができる。
次に、図８（ｄ）に示すように、フォトレジスト４５を除去し、ＣｕやＡｌなどの導電性材料を全面に堆積する。そして、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）などにより、この導電性材料の表面を平坦化することにより、ビア４６と配線４７とを同時に形成する。
このように、従来のデュアルダマシンプロセスでは、多孔質絶縁膜４２、４４の間にストッパとなる窒化珪素膜４３が設けられているため、多孔質絶縁膜４４のオーバエッチングを行うことにより、このスパイクＳＰを除去することができる。
しかしながら、デュアルダマシンプロセスにおいて、多孔質絶縁膜４２、４４の間に窒化珪素膜４３を設けると、全体的な比誘電率が増え、配線４７の伝搬遅延が増加するという問題があった。
発明の開示
そこで、本発明の目的は、エッチング時のスパイクの発生を抑制することができる多孔質絶縁膜のエッチング方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は、エッチング時のスパイクの発生を抑制しつつ、層間絶縁膜の比誘電率を下げることができるデュアルダマシンプロセスおよび半導体装置を提供することである。
上述した課題を解決するために、本発明の多孔質絶縁膜のエッチング方法は、プラズマエッチング時の処理ガスがフルオロカーボン系ガスと不活性ガスとを含む混合ガス、圧力が１５０ｍＴｏｒｒ以上３００ｍＴｏｒｒ以下であることを特徴とする。
圧力をある程度大きくすることにより、高エネルギーのイオンが多孔質絶縁膜のエッチング面に直接衝突することを抑制することが可能となり、高エネルギーのイオンによる物理的な侵蝕を抑制することが可能となる。また、圧力を上記範囲とすることにより、圧力を上げた場合のＣＤシフト量およびマイクロローディングに与える悪影響を抑制しつつ、多孔質絶縁膜のスパイクを実用レベルの範囲内に抑えることが可能となる。なお、ＣＤシフト量は、エッチング前のパターン幅に対する出来上がり幅の変化量で表され、マイクロローディングは、（狭いトレンチのエッチングレート）／（広いトレンチのエッチングレート）×１００％で表される。
また、本発明の多孔質絶縁膜のエッチング方法は、上記方法において、ＲＦパワー密度が、０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．５０Ｗ／ｃｍ２以下であることを特徴とする。
多孔質絶縁膜の場合は無孔質絶縁膜に比べて膜質が柔らかいため、ＲＦパワー密度を小さくした場合においても、エッチングの進行が極端に妨げられることがない。このため、多孔質絶縁膜のエッチング特性が大きく損なわれることを防止しつつ、多孔質絶縁膜のスパイクの発生を抑制することができる。
また、本発明の多孔質絶縁膜のエッチング方法は、上記方法において、前記フルオロカーボン系ガスがＣＦ４、前記不活性ガスがＡｒであることを特徴とする。
Ｆ／Ｃ比の大きいガスを使用することにより、エッチング速度の低下の原因となる炭素系ポリマーの堆積を抑制しつつ、多孔質絶縁膜のエッチングを行うことができ、ＲＦパワー密度を小さくした場合においても、エッチングレートを確保することが可能となる。
また、本発明の多孔質絶縁膜のエッチング方法は、上記方法において、前記フルオロカーボン系ガスに対する流量比が０．２５以下のＯ２ガスをさらに含むことを特徴とする。
Ｏ２ガスの流量比を小さくすることにより、多孔質絶縁膜に炭素が含まれる場合においても、この炭素がＯ２ガスと反応することを抑制して、炭素が多孔質絶縁膜から引き抜かれることを抑制することが可能となることから、多孔質絶縁膜のエッチング時のスパイクを抑制することができる。
また、本発明の半導体装置は、デュアルダマシンプロセスにより配線溝とビアホールが形成された半導体装置において、前記配線溝が形成された多孔質絶縁膜と前記ビアホールが形成された多孔質絶縁膜とがストッパ層を介することなく形成され、前記多孔質絶縁膜のエッチング時のスパイクが実質的に存在しないことを特徴とする。
本発明の半導体装置によれば、比誘電率の高いストッパ層を多孔質絶縁膜の間に形成しない場合においても、多孔質絶縁膜の配線溝の部分にスパイクが発生することを抑制することができ、配線の伝搬遅延を抑制することが可能となるとともに、配線溝に埋め込まれた配線の信頼性を向上させることができる。
また、本発明のデュアルダマシンプロセスは、ビアホールに対応するパターンが形成された第１のフォトレジスト膜を多孔質絶縁膜上に形成する工程と、
前記第１のフォトレジスト膜をマスクとして前記多孔質絶縁膜のエッチングを行うことにより、前記多孔質絶縁膜にビアホールを形成する工程と、
前記第１のフォトレジスト膜を除去する工程と、
配線溝に対応するパターンが形成された第２のフォトレジスト膜を前記多孔質絶縁膜上に形成する工程と、
ＲＦパワー密度が０．２５Ｗ／ｃｍ２以上０．５０Ｗ／ｃｍ２以下、圧力が１５０ｍＴｏｒｒ以上３００ｍＴｏｒｒ以下の条件で、前記第２のフォトレジスト膜をマスクとして前記多孔質絶縁膜のエッチングを途中まで行うことにより、前記多孔質絶縁膜に配線溝を形成する工程と、
前記第２のフォトレジスト膜を除去する工程と、
前記ビアホールと前記配線溝に導電材料を埋め込む工程とを備えることを特徴とする。
本発明のデュアルダマシンプロセスによれば、窒化珪素膜などのストッパ膜を用いることなく、ビアホールと配線溝を多孔質絶縁膜に形成することが可能となるとともに、多孔質絶縁膜のエッチング時のスパイクを抑制することが可能となり、デュアルダマシンプロセスを簡易化することが可能となる。
また、本発明のデュアルダマシンプロセスは、上記多孔質絶縁膜に配線溝を形成する工程の処理ガスとして、フルオロカーボン系ガスと不活性ガスとを含む混合ガスを用いることを特徴とし、フルオロカーボン系ガスがＣＦ４、不活性ガスがＡｒであることを特徴とする。
本発明のデュアルダマシンプロセスによれば、窒化珪素膜などのストッパ膜がないので、ストッパ膜と多孔質絶縁膜との選択比を考慮する必要がなくなることから、Ｃ４Ｆ８系ガスに代えてよりＦ／Ｃ比の大きいＣＦ４系ガスを用いて多孔質絶縁膜をエッチングすることが可能となり、多孔質絶縁膜をエッチングする際のエッチングレートを向上させることが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施形態に係わるエッチング方法について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係わるエッチング装置の概略構成を示す断面図である。なお、この実施形態ではエッチングガスとしてＣＦ４とＡｒとの混合ガスを用いた場合について説明する。
図１において、処理室１内には、上部電極２およびサセプタ３が設けられ、このサセプタ３は下部電極を兼ねている。この上部電極２には、エッチングガスを処理室１内に導入するガス噴出孔２ａが設けられている。また、サセプタ３は、サセプタ支持台４上に支持され、サセプタ支持台４は絶縁板５を介して処理室１内に保持されている。サセプタ３には高周波電源１１が接続され、処理室１内に導入されたエッチングガスをプラズマ化する。
サセプタ支持台４には冷媒室１０が設けられ、液体窒素などの冷媒が冷媒供給管１０ａおよび冷媒排出管１０ｂを介して冷媒室１０内を循環する。そして、ここから生じる冷熱をサセプタ支持台４およびサセプタ３を介してウエハＷに伝熱させることにより、ウエハＷを冷却することができる。
サセプタ３上には静電チャック６が設けられ、静電チャック６は、導電層７がポリイミドフィルム８ａ、８ｂにより挟まれた構成を有する。ここで、導電層７には直流高圧電源１２が接続され、導電層７に直流高電圧を与えることにより、ウエハＷにクーロン力を作用させて、サセプタ３上にウエハＷを固定することができる。
また、サセプタ３および静電チャック６には、Ｈｅガスを導入するガス通路９が設けられ、このガス通路９を介してＨｅガスをウエハＷの裏面に噴出させることにより、サセプタ３上に載置されたウエハＷを冷却することができる。ここで、ガス通路９は、流量調整バルブ１６ａおよび開閉バルブ１６ｂを介してＨｅガス供給源１６に接続され、ウエハＷの裏面でのＨｅガスの圧力を制御することができる。
処理室１には、ガス供給管１ａおよび排気管１ｂが設けられている。ガス供給管１ａは、流量調整バルブ１４ａ、１５ａおよび開閉バルブ１４ｂ、１５ｂを介して、ＣＦ４ガス供給源１４およびＡｒガス供給源１５に接続されている。排気管１ｂは真空ポンプに接続されている。この真空ポンプで処理室１内を排気することにより、処理室１の圧力を調節することができる。処理室１の周囲には水平磁場形成磁石１３が設けられ、処理室１内に磁場をかけることにより、プラズマを高密度化して、エッチングを効率よく行うことができる。
多孔質絶縁膜のエッチングを行う場合、多孔質絶縁膜が形成されたウエハＷをサセプタ３上に載置し、静電チャック６により固定する。
次に、処理室１を排気し、処理室１内の圧力を調節するとともに、開閉バルブ１４ｂ、１５ｂを開いてＣＦ４ガスおよびＡｒガスを処理室１内に導入する。流量調整バルブ１４ａ、１５ａによりＣＦ４ガスとＡｒガスとの流量比を調節することができる。
次に、高周波電源１１からのＲＦパワーをサセプタ３に印加し、エッチングガスをプラズマ化して、多孔質絶縁膜のエッチングを行う。この際、開閉バルブ１６ｂを開いてＨｅガスをガス通路９に導入し、このＨｅガスをガス通路９から噴出させることにより、ウエハＷを冷却することができる。また、流量調整バルブ１６ａを用いてＨｅガスの圧力を調節することにより、ウエハＷの冷却温度を制御することができる。
多孔質絶縁膜のエッチングを行う際の条件としては、ＲＦパワー密度を０．２５〜０．５０Ｗ／ｃｍ２、処理室１内の圧力を１５０〜３００ｍＴｏｒｒとする。これにより、スパイクの発生を抑制しつつ、多孔質絶縁膜を任意の深さにエッチングすることができる。
なお、多孔質絶縁膜は、例えば、ポーラスＨＳＱ（ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）系、ポーラスＭＳＱ（ｍｅｔｈｙｌ　ｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｃ）系、ポーラス有機材料、またはポーラスＳｉＯ２で、密度１．３ｇ／ｃｍ３以下のものをいう。
また、上述した実施形態では、マグネトロンＲＩＥ装置を用いてエッチングを行う方法について説明したが、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマエッチング装置、ＨＥＰ（ヘリコン波励起プラズマ）エッチング装置、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置、ＴＣＰ（転送結合プラズマ）エッチング装置などに適用するようにしてもよい。
以下、本発明の実施例について実験データを参照しつつ説明する。なお、以下の実施例では、図２（ａ）のサンプルを用い、図１のエッチング装置を用いてエッチングを行った。図２（ａ）において、窒化珪素膜２１、ポーラスＭＳＱ膜２２、反射防止膜２３が順次積層され、反射防止膜２３上には、ライン＆スペースの形成されたフォトレジスト膜２４が積層されている。窒化珪素膜２１の膜厚は３００ｎｍ、ポーラスＭＳＱ膜２２の膜厚は６００ｎｍ、反射防止膜２３の膜厚は７５ｎｍ、フォトレジスト膜２４の膜厚は５４０ｎｍとした。
図２（ｂ）〜（ｄ）は、本発明の一実施例に係わるエッチング結果を従来例と比較して示す断面図である。ここで、従来例１のエッチング条件として、Ｃ４Ｆ８とＮ２とＣＯとＡｒとの混合ガスを流量比１０／５０／２００／２００ｓｃｃｍで用いた。また、ＲＦパワーを１５００Ｗ、圧力を３５ｍＴｏｒｒ、ウエハＷ裏面におけるＨｅ圧力をセンターで７Ｔｏｒｒ、エッジで４０Ｔｏｒｒ、トップ＆ウオール温度を６０℃、ボトム温度を４０℃に設定し、２０秒間エッチングした。なお、電極間間隔は３７ｍｍ、カソードの直径は２６０ｍｍである。
この場合、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍのパターンでは、ポーラスＭＳＱ膜２２が深さ方向に３９５．８ｎｍだけエッチングされ、ライン＆スペースが０．２５μｍ／１．２５μｍのパターンでは、ポーラスＭＳＱ膜２２が深さ方向に４５８．３ｎｍだけエッチングされた。この時のエッチングレートは、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍのパターンでは１１８７．４ｎｍ／秒、ライン＆スペースが０．２５μｍ／１．２５μｍのパターンでは、１３７５ｎｍ／秒であった。また、図２（ｂ）に示すように、いずれのライン＆スペースにおいても、エッチング面にスパイクが発生している。
また、従来例２のエッチング条件として、ＣＦ４とＡｒとＯ２との混合ガスを流量比８０／１６０／２０ｓｃｃｍで用いた。また、ＲＦパワーを５００Ｗ、圧力を４０ｍＴｏｒｒ、ウエハＷ裏面におけるＨｅ圧力をセンターで７Ｔｏｒｒ、エッジで４０Ｔｏｒｒ、トップ＆ウオール温度を６０℃、ボトム温度を４０℃に設定し、２０秒間エッチングした。
この場合、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍのパターンでは、ポーラスＭＳＱ膜２２が深さ方向に２７０．８ｎｍだけエッチングされ、ライン＆スペースが０．２５μｍ／１．２５μｍのパターンでは、ポーラスＭＳＱ膜２２が深さ方向に３０２ｎｍだけエッチングされた。この時のエッチングレートは、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍのパターンでは８１２．４ｎｍ／秒、ライン＆スペースが０．２５μｍ／１．２５μｍのパターンでは、９０６ｎｍ／秒であった。また、図２（ｃ）に示すように、いずれのライン＆スペースにおいても、エッチング面にスパイクが発生している。
一方、今回の実施例のエッチング条件としては、ＣＦ４とＡｒとの混合ガスを流量比８０／１６０ｓｃｃｍで用いた。また、ＲＦパワーを５００Ｗ、圧力を１５０ｍＴｏｒｒ、ウエハＷ裏面におけるＨｅ圧力をセンターで７Ｔｏｒｒ、エッジで４０Ｔｏｒｒ、トップ＆ウオール温度を６０℃、ボトム温度を４０℃に設定し、３５秒間エッチングした。
この場合、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍのパターンでは、ポーラスＭＳＱ膜２２が深さ方向に２７０．８ｎｍだけエッチングされ、ライン＆スペースが０．２５μｍ／１．０μｍのパターンでは、ポーラスＭＳＱ膜２２が深さ方向に２８１．３ｎｍだけエッチングされた。この時のエッチングレートは、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍのパターンでは４６４．２ｎｍ／秒、ライン＆スペースが０．２５μｍ／１．０μｍのパターンでは、４８２．１ｎｍ／秒であった。また、図２（ｄ）に示すように、いずれのライン＆スペースにおいても、エッチング面のスパイクが抑制されている。
このように、ポーラスＭＳＱ膜２２をエッチングする際に、エッチングガスからＯ２ガスを除去するとともに、圧力を上げることにより、エッチングレートが実用レベル以下に低下することを防止しつつ、エッチング面のスパイクを抑制することができた。なお、スパイクの大きさを定量的に表すと、（上部高さ−底部高さ）／（エッチング深さ）により求めることができる。
図３は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性の圧力依存性を示す図である。この実施例では、圧力を５０、１５０、３００ｍＴｏｒｒと変化させ、その他の条件を図２（ｃ）の条件と同一とした。
図３（ａ）において、圧力が上がると、ＣＤシフト量が大きくなるものの、スパイクは減少する。一方、図３（ｂ）において、圧力が上がると、マイクロローディングは悪化する。しかし、圧力が上がっても、ポーラスＭＳＱの場合は、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍおよび０．２５μｍ／０．７５μｍのいずれのパターンにおいても、エッチングレートはほとんど変化しない。
このため、圧力を上げることにより、エッチングレートの低下を抑制しつつ、エッチング面のスパイクを減らすことができる。ここで、スパイクの抑制という観点からは、圧力は５０ｍＴｏｒｒ以上であることが好ましく、さらに高い方が好ましい。
また、圧力が５００ｍＴｏｒｒ以上ではエッチング形状がボーイング形状になってしまうので好ましくない。
さらに、ＣＤシフト量およびマイクロローディングへの悪影響を考慮すると、圧力は１５０〜３００ｍＴｏｒｒの範囲であることが好ましい。
なお、圧力が上がると、スパイクが減るのは、圧力が上がると、イオンの平均自由工程が短くなり、イオンが獲得するエネルギーが小さくなることから、イオンのスパッタ力が低下するためと考えられる。
図４は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性のＲＦパワー密度依存性を示す図である。この実施例では、ＲＦパワー密度を０．１５、０．５０、０．７５Ｗ／ｃｍ２と変化させ、その他の条件を図２（ｃ）の条件と同一とした。なお、カソードの直径は２６０ｍｍである。
図４（ａ）において、ＲＦパワー密度が下がると、スパイクは減少するが、ＣＤシフト量にはほとんど影響しない。このため、ＲＦパワー密度を下げることにより、エッチング面のスパイクを減らすことができる。一方、図４（ｂ）において、ＲＦパワー密度が下がると、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍおよび０．２５μｍ／０．７５μｍのいずれのパターンにおいても、エッチングレートが低下する。
ここで、スパイクの抑制という観点からは、ＲＦパワー密度は０．５０Ｗ／ｃｍ２以下であることが好ましいが、エッチングレートの低下を考慮すると、ＲＦパワー密度は０．２５〜０．５０Ｗ／ｃｍ２の範囲であることが好ましい。
なお、ＲＦパワー密度が下がると、スパイクが減るのは、ＲＦパワー密度が下がると、イオンが獲得するエネルギーが小さくなり、イオンのスパッタ力が低下するためと考えられる。
図５は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性のＯ２流量依存性を示す図である。この実施例では、Ｏ２流量を０、１０、２０、４０ｓｃｃｍと変化させ、その他の条件を図２（ｃ）の条件と同一とした。
図５（ａ）において、Ｏ２流量が下がると、ＣＤシフト量およびスパイクのいずれも減少する。一方、図５（ｂ）において、Ｏ２の混入がないと、Ｏ２の混入がある場合に比べて、ライン＆スペースが０．２５μｍ／０．２５μｍおよび０．２５μｍ／０．７５μｍのいずれのパターンにおいても、エッチングレートが低下するものの、マイクロローディングは改善される。
このため、Ｏ２流量を下げることにより、エッチングレートをある程度確保しつつ、エッチング面のスパイクを減らすことができる。ここで、スパイクの抑制という観点からは、Ｏ２流量は０であることが好ましく、Ｏ２流量を０にすることにより、ＣＤシフト量およびマイクロローディングも改善することができる。ただし、Ｏ２流量を必ずしも０にする必要はなく、Ｏ２がある程度混入されていても、実用上問題のないレベルにスパイクを抑制することができる。ここで、Ｏ２を混入する場合は、ＣＦ４ガスに対するＯ２ガスの流量比は０．２５以下とすることが好ましい。また、Ｏ２ガスの流量比をトータルのガス流量に対して設定してもよく、この場合、Ｏ２ガスの流量比を０．０８以下とすることが好ましい。
なお、Ｏ２流量が増加すると、スパイクが増加するのは、ポーラスＭＳＱが、‘−Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−’の主鎖に対して側鎖に有機基（主に‘−ＣＨ３’）が結合しているためと考えられる。すなわち、エッチングガス中にＯ２ガスが存在すると、有機基に含まれる炭素がＯ２ガスと反応して結合エネルギーの高い‘Ｃ−Ｏ’が生成され、炭素がポーラスＭＳＱから引き抜かれるためと考えられる。
図６は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性のボトム温度依存性を示す図である。この実施例では、ウエハＷのボトム温度を０、４０、８０℃と変化させ、その他の条件を図２（ｃ）の条件と同一とした。
図６（ａ）において、ボトム温度が上がると、ＣＤシフト量が大きくなるものの、スパイクにはほとんど影響しない。一方、図６（ｂ）において、ボトム温度は、マイクロローディングおよびはエッチングレートにはほとんど影響しない。
このため、スパイクの抑制という観点からは、ボトム温度はどこに設定してもよいが、ＣＤシフト量の抑制という観点からは、ボトム温度は低い方が好ましい。この場合、ボトム温度は４０℃以下であることが好ましい。
なお、上述した実施例では、ＣＦ４系ガスを用いる場合について説明したが、フルオロカーボン系ガスなら何でもよく、例えば、Ｃ２Ｆ６系ガス，Ｃ３Ｆ６系ガス、Ｃ４Ｆ６系ガス、Ｃ４Ｆ８系ガス，Ｃ５Ｆ８系ガス、ＣＨＦ３系ガス、またはＣＨ２Ｆ２系ガスを用いるようにしてもよい。また、これらのガスにＣＯ或いはＮ２を混合させるようにしてもよい。また、Ａｒに代えて、Ｈｅなどの他の不活性ガスを用いてもよい。例えば、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒとＮ２とを５：１０００：１５０の流量比で混合し、ＲＦパワー密度を０．２５〜０．５０Ｗ／ｃｍ２、圧力を１５０〜３００ｍＴｏｒｒとすることにより、多孔質絶縁膜のスパイクを抑制することができた。
図７は、本発明の一実施例に係わるデュアルダマシンプロセスを示す断面図である。図７（ａ）において、多孔質絶縁膜３２およびフォトレジスト膜３３を下層領域３１上に形成し、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、ビアホールＢ１に対応した開孔部Ｈ１をフォトレジスト膜３３に形成する。なお、下層領域３１は、シリコン基板またはＣｕやＡｌなどの下層配線層である。
次に、図７（ｂ）に示すように、このフォトレジスト膜３３をマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングＥ１を行うことにより、下部領域３１の表面まで開口するビアホールＢ１を多孔質絶縁膜３２に形成する。
次に、図７（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３３を除去し、フォトレジスト膜３４を全面に塗布する。そして、フォトリソグラフィー技術を用いることにより、配線溝Ｔ１に対応した開孔部Ｈ２をフォトレジスト膜３４に形成する。
次に、図７（ｄ）に示すように、このフォトレジスト膜３４をマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングＥ２を多孔質絶縁膜３２の途中まで行うことにより、多孔質絶縁膜３２に配線溝Ｔ１を形成する。
ここで、エッチングＥ２におけるエッチング条件として、ＣＦ４ガスおよびＡｒガスとの混合ガスを用い、ＲＦパワー密度を０．２５〜０．５０Ｗ／ｃｍ２、圧力を１５０〜３００ｍＴｏｒｒに設定する。これにより、多孔質絶縁膜３２の途中でエッチングＥ２を終了した場合においても、段差Ｄ１にスパイクが発生することを防止することができる。
次に、フォトレジスト３４を除去し、ＣｕやＡｌなどの導電性材料を全面に堆積する。そして、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）などにより、この導電性材料の表面を平坦化することにより、ビアと配線とを同時に形成する。ここで、段差Ｄ１上にはスパイクがないので、段差Ｄ１上に形成される配線の密着性を高めたり、スパイクから発生するパーティクルなどを抑制したりすることができる。
このように、上述したデュアルダマシンプロセスによれば、窒化珪素膜などのストッパ膜を除去した場合においても、多孔質絶縁膜３２のエッチング時のスパイクを抑制しつつ、ビアホールＢ１と配線溝Ｔ１を多孔質絶縁膜３２に形成することが可能となる。このため、多孔質絶縁膜３２の比誘電率を低下させて、配線の伝搬遅延を抑制することができる。また、窒化珪素膜などのストッパ膜が多孔質絶縁膜３２の間に存在しないので、多孔質絶縁膜３２をエッチングする際にストッパ膜と多孔質絶縁膜３２との選択比を考慮する必要がなくなる。このため、Ｃ４Ｆ８系ガスに代えてよりＦ／Ｃ比の大きいＣＦ４系ガスを用いて多孔質絶縁膜３２をエッチングすることが可能となり、多孔質絶縁膜３２をエッチングする際のエッチングレートを向上させることが可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、多孔質絶縁膜のスパイクの発生を抑制することが可能となる。
産業上の利用可能性
本発明に係る多孔質絶縁膜のエッチング方法、デュアルダマシンプロセスおよび半導体装置は、半導体装置の製造を行う半導体製造産業等において使用することが可能である。したがって、産業上の利用可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施形態に係わるエッチング装置の概略構成を示す断面図である。
図２は、本発明の一実施例に係わるエッチング結果を従来例と比較して示す断面図である。
図３は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性の圧力依存性を示す図である。
図４は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性のＲＦパワー密度依存性を示す図である。
図５は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性のＯ２流量依存性を示す図である。
図６は、本発明の一実施例に係わるエッチング特性のボトム温度依存性を示す図である。
図７は、本発明の一実施例に係わるデュアルダマシンプロセスを示す断面図である。
図８は、従来のデュアルダマシンプロセスを示す断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【国際調査報告】
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