JP4681215B2 - 低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関し、特に、炭素を含有する低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングする方法に関する。

一般に、ＳｉＯ_２から構成される層間絶縁膜をプラズマ雰囲気中でドライエッチングして配線用のホール、トレンチを微細加工する場合、ＣＦ系（フッ化炭素系）ガスを含む混合ガスが使用される（例えば、特許文献１参照）。この場合、ＣＦ系ガスのみによってエッチングを行うと、エッチング処理中に分解生成したガス同士が再結合し、気相中でクラスタリングが生じてＣＦ系の膜堆積が発生する。このため、エッチングガスとして、アルゴンを主ガスとして用い、このアルゴンにフッ化炭素ガスを添加した混合ガスを使用し、クラスタリングの発生を防止することが考えられている（例えば、非特許文献１参照）。

ところで、近年の半導体装置の高集積化、微細化に伴い、層間絶縁膜として、例えば比誘電率（ｋ）が２．６以下のＳｉＯＣＨ系の低誘電率層間絶縁膜（多孔質材からなるものであってもよい）が開発されている。この場合、レジストマスクで覆われた低誘電率層間絶縁膜を、上記した化学反応性の少ないアルゴンを主ガスとする混合ガスを用いてエッチングすると、ＳｉＯＣＨ系膜の構成材に炭素が含まれているため、層間絶縁膜をエッチングしたときのイオン衝撃によって例えば膜中のＨがなくなり、ホール底部に−Ｃ−Ｃ−やＳｉ−Ｃ−結合を含む層が形成され、エッチングストップ現象が生じる。このことから、酸素やフッ素を多く添加させた混合ガスを使用してエッチングしたり、フッ素の発生を促進させる方法が提案されている。

特開平１１−３１６７８号公報（特許請求の範囲の記載）。 W. Chen, M. Itoh, T. Hayashi and T. Uchid, J. Vac. Sci. Technol., A16(1998) 1594

しかしながら、上記方法のように、酸素を多く添加させた混合ガスを使用すると、膜中の炭素を効果的に除去できてエッチングレートを高めることがきるものの、酸素そのものの高い反応性によって層間絶縁膜中の炭素（ＣＨｘ基）が引抜かれて層間絶縁膜（特に、ホールのサイドウォール）がダメージを受けるという問題が生じる。

そこで、本発明は、上記点に鑑み、例えば低誘電率の層間絶縁膜をドライエッチングする場合に、高いエッチングレートが得られ、かつ、膜にダメージを与えることがないようにした層間絶縁膜のドライエッチング方法を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の層間絶縁膜のドライエッチング方法は、ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料からなる低誘電率層間絶縁膜をエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法であって、フッ化炭素ガスにＮＨ_３を添加し、酸素を含まない混合ガスを０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下の作動圧力下で導入してエッチングするものにおいて、前記ＮＨ_３を前記混合ガスの総流量に対し１０％以下の比率で添加することを特徴とする。

本発明によれば、例えば膜中に炭素を含有する低誘電率層間絶縁膜（多孔質からなるものであってもよい）をエッチングする際に、エッチングガスにＮＨ_３を添加したため、ＮＨｘ粒子の反応によってホールやトレンチの底部の反応が酸素同様に促進され、高いエッチングレートが得られる上に、エッチングストップ現象が生じることはない。また、ＮＨ_３は、酸素原子と比較して反応性が低いため層間絶縁膜（特に、ホールやトレンチのサイドウォール）にダメージを与えることはない。

添加するＮＨ_３の比率は、混合ガス総流量基準で１０％以下であることが好ましい。１０％を超えると、所望のエッチング形状が得られず、層間絶縁膜がダメージを受ける。
上記低誘電率層間絶縁膜は、塗布によって、またはＣＶＤによって成膜されたものであることが好ましい。
上記エッチングを１Ｐａ以下の作動圧力で行うことが好ましい。１Ｐａを超えると、ラジカル反応を抑制し難くなる。

本発明の低誘電率層間絶縁膜のエッチング方法によれば、エッチングガスとしてＮＨ_３を添加したものを用いるため、例えば低誘電率層間絶縁膜をドライエッチングする際に、高いエッチングレートが得られ、かつ、層間絶縁膜にダメージを与えることがないという効果を奏する。

図１を参照して、１は、本発明の層間絶縁膜をドライエッチングして配線用のホール、トレンチの微細加工を実行するエッチング装置を示す。このエッチング装置１は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段１１ａを備えた真空チャンバー１１を有する。その上部には、誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部１２が設けられ、その下部には、基板電極部１３が設けられている。プラズマ発生部１２を区画する壁（誘電体側壁）１４の外側には、三つの磁場コイル１５、１６、１７が設けられ、この磁場コイル１５，１６、１７によって、プラズマ発生部１２内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。中間の磁場コイル１６と誘電体側壁１４の外側との間にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル１８が配置され、この高周波アンテナコイル１８は、高周波電源１９に接続され、三つの磁場コイル１５、１６、１７によって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。

磁気中性線の作る面と対向させて基板電極部１３内には、処理基板Ｓが載置される基板電極２０が絶縁体２０ａを介して設けられている。この基板電極２０は、コンデンサー２１を介して高周波電源２２に接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となる。また、プラズマ発生部１２の天板２３は、誘電体側壁１４の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態として対向電極を形成する。この天板２３の内面には、真空チャンバ１１内にエッチングガスを導入するガス導入ノズル２４が設けられ、このガス導入ノズル２４が、ガス流量制御手段（図示せず）を介してガス源に接続されている。

上記エッチング装置を用いて、処理基板Ｓ上に形成され、配線用のホール、トレンチが微細加工される低誘電率層間絶縁膜としては、比誘電率の低い材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）からなる膜が好ましい。例えば、ＨＳＱやＭＳＱのようにスピンコートによって成膜され得るＳｉＯＣＨ系材料、或いはＣＶＤによって成膜され得るＳｉＯＣ系材料であって、比誘電率が２．０〜３．０程度のＬｏｗ−ｋ材料を用いることが好ましく、この材料は多孔質材料であってもよい。

上記ＳｉＯＣＨ系材料としては、例えば、商品名NCS/触媒化成工業社製、商品名LKD5109r5/JSR社製、商品名HSG-7000/日立化成社製、商品名HOSP/Honeywell Electric Materials社製、商品名Nanoglass/Honeywell Electric Materials社製、商品名OCD T-12/東京応化社製、商品名OCD T-32/東京応化社製、商品名IPS2.4/触媒化成工業社製、商品名IPS2.2/触媒化成工業社製、商品名ALCAP-S5100／旭化成社製、商品名ISM/ULVAC社製がある。

上記ＳｉＯＣ系材料としては、例えば、商品名Aurola2.7/日本ASM社製、商品名Aurola2.4/日本ASM社製、商品名Orion2.7/TRIKON社製、商品名Coral/Novellus社製、商品名Black Diamond/AMAT社製がある。

また、本発明の低誘電率層間絶縁膜としては、商品名SiLK/Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK/Dow Chemical社製、商品名FLARE/Honeywell Electric Materials社製、商品名Porous FLARE/Honeywell Electric Materials社製、商品名GX-3P/Honeywell Electric Materials社製などの材料からなる有機系の低誘電率層間絶縁膜でもよい。

上記層間絶縁膜上には、レジストを塗布した後、フォトリソグラフ法で所定のパターンが形成される。レジストとしては、公知のものを用いることができる。
本発明のドライエッチングプロセスに用いるエッチングガスとしては、フッ化炭素ガス（Ｃ_ｎＦ_ｍ）を主エッチングガスとし、このフッ化炭素ガスに、総流量基準で１０％以下の比率でＮＨ_３を添加した混合ガスを用いる。添加するＮＨ_３の下限値は、ホールやトレンチの底部の反応が促進され、所望の安定なエッチングレートが得られる値であればよく、例えば、安定な流量を供給できる限界値である１％以上であることが好ましい。フッ化炭素ガスとしては、例えば、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_３Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_８、及びＣ_５Ｆ_８などから選択すればよい。

この混合ガスを、ラジカル反応を抑制する１Ｐａ以下の作動圧力下、また、安定に放電できる圧力範囲の限界値である０．１Ｐａ以上の作動圧力下で導入してエッチングすれば、例えば、膜中に炭素を含有する多孔質の低誘電率層間絶縁膜をエッチングする場合に、ホールやトレンチの底部の反応が、ＮＨｘ粒子の反応によって、酸素を含有する混合ガスでエッチングする場合と同様に促進され、高いエッチングレートが得られる。この場合、エッチングストップ現象が生じることもない。また、ＮＨ_３は、酸素原子と比較して反応性が低いため、層間絶縁膜、特に膜内のホールやトレンチのサイドウォールに対してダメージを与えることもない。

本実施例では、ＳｉＯＣＨ系材料として比誘電率（ｋ）２．５のＭＳＱ(methylsilsesquioxane)を用い、スピンコータを使用して、基板上に５００ｎｍの膜厚で低誘電率層間絶縁膜を形成した。そして、この低誘電率層間絶縁膜上に、スピンコータによりレジストを塗布し、フォトリソグラフ法で所定のパターンを形成した。この場合、レジストとしては、ＵＶ−ＩＩを使用し、レジスト層の厚さを５００ｎｍとした。

次に、図１に示すエッチング装置１を用いて、Ｃ_３Ｆ_８を主エッチングガスとし、これにアルゴンとＮＨ_３とを添加した混合ガスを、真空チャンバ１１内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。この場合、Ｃ_３Ｆ_８を２５ｓｃｃｍ、アルゴンを２２０ｓｃｃｍ、ＮＨ_３を１０ｓｃｃｍ（約３．９％）とした。この場合、エッチング処理は、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ｋＷ、基板電極２１に接続した高周波電源２２の出力を４００Ｗ、基板設定温度を１０℃、真空チャンバ１１の圧力を１Ｐａに設定して行った。

また、比較例として、ＮＨ_３に換えて酸素を１０ｓｃｃｍ添加した混合ガス、及びＮＨ_３や酸素のいずれも添加しない混合ガスを真空チャンバー１１内に導入して、上記と同様の条件で低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。

上記条件で低誘電率層間絶縁膜及びレジストマスクをエッチングしたときの、ＳｉＯＣＨとレジスト(Resist)とのエッチングレート並びにレジスト選択比(SiOCH/Resist)を以下の表１に示す。

上記条件でエッチングしたときに得られたホールの状態を示すＳＥＭ写真を図２に示す。図２(ａ)はＣ_３Ｆ_８とアルゴンとの混合ガス、(ｂ)はＣ_３Ｆ_８とアルゴンと酸素との混合ガス、(ｃ)はＣ_３Ｆ_８とアルゴンとＮＨ_３との混合ガスをそれぞれ用いてエッチングした場合のホールの状態を示すＳＥＭ写真である。

表１及び図２（ａ）から明らかなように、ＮＨ_３や酸素を添加しない混合ガスでエッチングした場合、ＳｉＯＣＨもレジストも高いエッチングレートは得られず、特にレジストのエッチングレートが極めて低いことから対レジスト選択比は高くなる。また、表１及び図２（ｂ）から明らかなように、酸素を添加した混合ガスでエッチングした場合、ＳｉＯＣＨもレジストも高いエッチングレートが得られるが、酸素によって炭素が引き抜かれるため、ホールのサイドウォールの平滑性が失われており、層間絶縁膜がダメージを受けている。これに対して、表１及び図２（ｃ）から明らかなように、ＮＨ_３を添加した混合ガスでエッチングした場合、酸素添加の混合ガスと同等のＳｉＯＣＨエッチングレートが得られるが、レジストのエッチングレートは酸素添加の場合と比べて低下しているため、対レジスト選択比は高くなっており、また、ホールのサイドウォールの平滑性が向上している。これは、酸素原子と比較して反応性が低いことに起因するものと考えられる。

ＮＨ_３の添加比率を１％および１０％としたことを除いて実施例１のエッチング方法を繰り返した。その結果、実施例１と同様なエッチングレート及びホール状態が得られた。

本発明のドライエッチング方法を実施するエッチング装置の構成の一例を概略的に示す構成図。 本発明のドライエッチング方法及び従来の方法を実施して得られたホールの状態を示すＳＥＭ写真であり、(ａ)はＣ_３Ｆ_８とアルゴンとの混合ガス、(ｂ)はＣ_３Ｆ_８とアルゴンと酸素との混合ガス、(ｃ)はＣ_３Ｆ_８とアルゴンとＮＨ_３との混合ガスを、それぞれ用いてエッチングした場合のＳＥＭ写真。

符号の説明

１ エッチング装置 １１ 真空チャンバ
１２ プラズマ発生部 １３ 基板電極部
Ｓ 基板

Claims (2)

1. ＳｉＯＣＨ或いはＳｉＯＣ系材料からなる低誘電率層間絶縁膜をエッチングし、配線用のホール、トレンチを微細加工する低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法であって、フッ化炭素ガスにＮＨ_３を添加し、酸素を含まない混合ガスを０．１Ｐａ以上１Ｐａ以下の作動圧力下で導入してエッチングするものにおいて、
   前記ＮＨ_３を前記混合ガスの総流量に対し１０％以下の比率で添加することを特徴とする低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。
2. 前記低誘電率層間絶縁膜が、塗布によって、またはＣＶＤによって成膜されたものであることを特徴とする請求項１記載の低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法。

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