JP4500029B2 - 低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法 - Google Patents
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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、ＳｉＯ２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微細孔（以下、ホールまたはビアとも称す）、溝（以下、トレンチとも称す）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系の膜が堆積する。このため、エッチングガスとして、アルゴンにフッ化炭素系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）が低い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にフッ化炭素系ガスを添加した混合ガスを用いてエッチングすると、ＳｉＯＣＨ系膜には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、トレンチの底部に−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(Ｏ２)や窒素(Ｎ２)やフッ素(Ｆ)を添加し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、アルゴンおよびフッ化炭素系ガスに酸素を添加した混合ガスを使用すると、低誘電率層間絶縁膜の微細加工では、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エッチング形状に大きい寸法変換誤差（いわゆるＣＤロス）が生じる。すなわち、側壁方向にエッチング反応が進むか、または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、トレンチの側壁）がダメージを受けるという問題が生じる。
また、アルゴンおよびフッ化炭素系ガスに窒素を添加した混合ガスを使用すると、低誘電率層間絶縁膜の微細加工では、ホールのエッチングには良好な性能を示すが、トレンチ側壁に対するＦＣＮポリマーの堆積が多すぎるために、パターン依存性が強くなってしまうという問題がある。
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決して、ＣＤロスが小さく、膜ダメージもなく、また、パターン依存性の抑制された低誘電率層間絶縁膜のドライエッチング方法を提供することにある。
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、多孔質材料を含むＳｉＯＣＨ系またはＳｉＯＣ系の層間絶縁膜をエッチングし、微細孔、溝を微細加工する層間絶縁膜のドライエッチング方法であって、不活性ガスおよびフッ化炭素ガスにＮＦ３を添加した混合ガスを導入してエッチングするものにおいて、前記混合ガス中に酸素を含まず、前記ＮＦ３の添加率が混合ガス総流量基準で５〜１０％であることを特徴とする。
前記不活性ガスが、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選ばれるガスであることが好ましい。
本発明によれば、上記したように、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ＮＦ３を添加することにより、酸素添加の場合と同様に、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もなく、また、パターン依存性もないエッチングが可能になる。
添加するＮＦ３の比率は、混合ガス総流量基準で１０％以下、好ましくは５〜１０％である。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という問題があり、５％未満であると、安定的なエッチングレートが得られない上、エッチングレートが低すぎてエッチングストップ現象が生じることがある。
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。
上記混合ガス中にＯ２ガスが含まれないことを特徴とする。
上記混合ガスにさらにＮ２ガスを添加することを特徴とする。これにより、エッチング形状の微調整が可能となる。Ｎ２ガスの添加率は、混合ガス基準で５〜５０％程度が好ましい。５％未満であると微少流量領域のために安定的なエッチングレートが得られず、５０％を超えると添加しないときのポリマー堆積速度よりも低くなるため、エッチング形状調整のための堆積効果が得られない。
前記エッチング用混合ガスを１．５Ｐａ以下の圧力下、好ましくは０．４〜１．５Ｐａの圧力下で導入してエッチングを行うことを特徴とする。作動圧力が１．５Ｐａを超えると、ラジカル反応を抑制し難くなり、０．４Ｐａ未満であると、安定なエッチングがし難くなる。
本発明によれば、エッチングガスとしてＮＦ３を添加したものを用いるため、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、層間絶縁膜にダメージを与えることがなく、ＣＤロスが小さく、また、パターン依存性の抑制されたエッチングが可能となるという効果を奏する。
図１に、本発明に従って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ための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２ａを備えた真空チャンバー２を有する。この真空チャンバー２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３が設けられ、その下部には、基板電極部４が設けられている。プラズマ発生部３の側壁（誘電体側壁）５の外側には、三つの磁場コイル６、７、８が設けられ、この磁場コイル６、７、８によって、プラズマ発生部３内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。誘電体側壁５の外壁にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル９が配置され、この高周波アンテナコイル９は、高周波電源１０に接続され、三つの磁場コイル６、７、８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４内には、処理基板Ｓを載置する基板電極１１が設けられている。この基板電極は、絶縁体１１ａを介して真空チャンバー２内に設置されている。この基板電極１１は、コンデンサー１２を介して高周波電源１３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ように構成されている。また、プラズマ発生部３の天板１４は、誘電体側壁５の上部フランジに密封固定され、電位的に浮遊状態として対向電極を形成する。この天板１４の内面には、真空チャンバ２内にエッチングガスを導入するガス導入ノズル１５が設けられ、このガス導入ノズル１５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IPS 2.4/触媒化成工業社製、商品名IPS 2.2/触媒化成工業社製、商品名ALCAP-S 5100/旭化成社製、商品名ISM/ULVAC社製などを使用することができる。
上記ＳｉＯＣ系材料としては、例えば、商品名Aurola 2.7/日本ASM社製、商品名Aurola 2.4/日本ASM社製、商品名Orion 2.2/TRIKON社製、商品名Coral/Novellus社製、商品名Black Diamond/AMAT社製、商品名NCS:nano-clustering sillica/触媒化成工業社製などを使用することができる。
上記の他に、低誘電率層間絶縁膜の材料としては、例えば、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社製などの有機系材料を使用することもできる。
上記層間絶縁膜上にレジストを塗布した後、フォトリソグラフィ法により所定のパターンを形成する。このレジストとしては、公知のものを用いることができ、例えば、ＵＶ−ＩＩ等を使用することができる。
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、アルゴンのような不活性ガスとフッ化炭素系ガス（ＣｎＦｍ）とに、総流量基準で１０％以下、好ましくは５〜１０％の比率でＮＦ３を添加した混合ガスを用いる。添加するＮＦ３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５％以上であることが好ましい。フッ化炭素系ガスとしては、例えば、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ８、およびＣ５Ｆ８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１．５Ｐａ以下の作動圧力下、また、好ましくは、安定にエッチングできる圧力範囲の下限値である０．４Ｐａ以上の作動圧力下に真空チャンバー内に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であっても、ホールやトレンチの底部の反応が、ＮＦｘ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、ＣＤロスが少なく、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、ＮＦ３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側壁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、フォトリソグラフィ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、Ｃ３Ｆ８とアルゴンとＮＦ３からなる混合ガスを、真空チャンバ２内に導入して低誘電率層間絶縁膜をエッチングした。この混合ガスは、Ｃ３Ｆ８：２５ｓｃｃｍ、アルゴン：２０５ｓｃｃｍ、ＮＦ３：２５ｓｃｃｍ（約９．３％）からなるものである。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９に接続した高周波電源１０の出力を２ｋＷ、基板電極１１に接続した高周波電源１３の出力を１００Ｗ、基板温度を２５℃、真空チャンバ２の圧力を１．３Ｐａに設定して行った。
また、比較例として、フッ化炭素系ガス（Ｃ３Ｆ８）およびアルゴンにＮＦ３に換えてＯ２を２５ｓｃｃｍ添加した混合ガス、Ｎ２を２５ｓｃｃｍ添加した混合ガス、およびＮ２およびＯ２のいずれも添加しない混合ガスを真空チャンバ２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。
上記エッチング処理を行った場合のエッチングレートを以下の表１に示す。
（表１）
（表１）
表１から明らかなように、ＮＦ３添加の場合は、添加ガスがない場合、および酸素、窒素を添加した場合と比べて、エッチングレートは高い。
上記条件でエッチングしたときに得られたトレンチおよびビアの状態を示すＳＥＭ写真を図２および３に示す。図２(ａ)はＣ３Ｆ８／Ａｒのみの混合ガス、(ｂ)はＣ３Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２の混合ガス、(ｃ)はＣ３Ｆ８／Ａｒ／Ｎ２の混合ガスをそれぞれ用いてエッチングした場合のトレンチ、ビアの状態を示すＳＥＭ写真である。図３はＣ３Ｆ８／Ａｒ／ＮＦ３の混合ガスを用いてエッチングした場合のトレンチ、ビアの状態を示すＳＥＭ写真である。
図２(ａ)に示すように、エッチングガスとして酸素や窒素を添加せずに、Ｃ３Ｆ８／Ａｒのみを使用した場合、トレンチ、ビア両方ともエッチングストップ現象が生じている。この場合、ＳｉＯＣＨ系材料であるＭＳＱでは高いエッチングレートは得られない。
図２(ｂ)に示すように、エッチングガスとしてＣ３Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２を使用した場合、エッチング形状は、トレンチおよびビアともにＣＤロスが非常に大きく、側壁の平滑性が失われている。これは、酸素によってエッチングの際に常に側壁保護膜が除去されてしまい、側壁方向にも少しずつエッチング反応が進むことに起因するか、または酸素による膜中炭素の引き抜き反応に起因するものと推測される。従って、酸素添加プロセスの場合、ＣＤロスの問題だけではなく、膜ダメージ発生に伴う低誘電率膜特有の新たな問題が生じている。
図２(ｃ)に示すように、エッチングガスとしてＣ３Ｆ８／Ａｒ／Ｎ２を使用する場合、ＦＣＮポリマーからなる側壁保護膜が形成されるため、酸素添加の場合と比べて側壁へのダメージについては抑制されるものの、ＦＣＮポリマーの堆積が多すぎるため、エッチング形状は強いパターン依存性を示すという問題がある。
これに対して、表１及び図３から明らかなように、ＮＦ３を添加した混合ガスでエッチングした本発明の場合、エッチングレートは窒素添加および酸素添加に比べて高く、また、図２(ａ)および(ｃ)に見られるようなトレンチおよびビアのエッチング形状のパターン依存性は見られず、かつエッチングストップの発生も全くない。さらに、エッチング後のパターン側壁の平滑性も良好で、ＣＤロスも少ないことから、酸素添加の場合のプロセスと比べて側壁保護膜がしっかりと形成されていることが分かる。これは、ＮＦ３添加による窒素若しくはＮＦｘ粒子の反応によってイオン照射面である微細パターン底部の反応が促進され、側壁に窒素化されたフッ化炭素ポリマー（ＦＣＮポリマー）が形成されることで、ＣＤロスの少ないエッチングが実現しているものと考えられる。このようにＮＦ３添加の方が酸素添加の場合よりもＣＤロスが少ない理由としては、ＮＦｘが酸素原子よりも反応性が低いからであると推論される。すなわち、酸素添加の場合は、この酸素が炭素と結合してＣＯｘとして揮発除去されるが、Ｎ、ＦまたはＮＦｘの場合は、表面で一旦ＦＣＮポリマーを形成することに由来するものと考えられる。
本発明によれば、上記したように、トレンチ、ビアのエッチングにおいて、パターン依存性の非常に少ない加工精度の高いエッチングプロセスを酸素を用いずに行うことができる。また、側壁の平滑性が維持されていることから、側壁保護膜もしっかりと形成されており、エッチングにおけるダメージも抑制されている。
なお、ＳｉＯ２エッチングにおいて、ＮＦ３添加プロセスを当てはめた場合、ＮＦ３はフッ素を供給するプロセスでもあることから、これまでの単純な窒素ガス添加プロセスとも異なる領域といえる。また、ＳｉＯ２エッチングの場合、ＣＤ制御に関しては、図２(ａ)および(ｂ)のような従来方法で十分対応できる上に、逆にＮＦ３添加は単純にレジストのエッチング選択比を低下させてしまうことから、本発明の方法によるような良好な効果は得られない。従って、本発明の方法は、膜中に炭素を有するＬｏｗ−ｋ材料全般のエッチングに最適な手法である。
以上のことから、本発明のように、圧力を１．５Ｐａ以下にして、粒子の側壁アタックを低減させた膜ダメージ低減プロセスを目的としたエッチングパターン依存性の少ないＮＦ３添加異方性プロセスを用いることは、ＭＳＱのようなＳｉＯＣＨ系材料、ＳｉＯＣ系材料からなるＬｏｗ−ｋ膜のエッチングの重要な鍵となる。
ＮＦ３の添加比率を５％、７％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と同様なトレンチ、ビア状態が得られ、また、添加ガスがない場合ならびに酸素や窒素を添加した場合と比べて高いエッチングレートが得られた。
本実施例では、図１に示すエッチング装置１を用いて、実施例１で用いた混合ガスにさらにＮ２ガスを添加したエッチングガスを、真空チャンバ２内に導入して低誘電率層間絶縁膜（ＭＳＱ膜）をエッチングし、エッチング形状の微調整を行った。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９に接続した高周波電源１０の出力を２ｋＷ、基板電極１１に接続した高周波電源１３の出力を０Ｗ、基板温度を２５℃、真空チャンバ２の圧力を１．３Ｐａに設定して行い、基板上にＦＣＮポリマーをプラズマ堆積させた。窒素添加率を０〜９０％の間で変動させ、この窒素添加率（％）とＦＣＮポリマー堆積速度（ｎｍ／ｍｉｎ）との関係を図４に示す。この場合、酸素添加とポリマー堆積速度との関係も調べた。
図４から明らかなように、窒素を添加すると１０％添加まではポリマー堆積速度は増加し、さらに添加量を増加してゆくと、５０％程度で添加無しの場合と同じ堆積速度となることが分かる。なお、５％未満では微少流量領域のために、安定的なエッチングレートが得られない。従って、エッチング形状の微調整のための堆積効果が得られるのは、５〜５０％である。一方、酸素を添加するとポリマー堆積速度は低下してしまう。
本発明によれば、エッチングガスとしてＮＦ３を添加した混合ガスを用いることにより、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、層間絶縁膜にダメージを与えることがなく、ＣＤロスが小さく、また、パターン依存性の抑制されたエッチングが可能となることから、特に炭素を含むＬｏｗ−ｋ材料からなる層間絶縁膜のエッチングに有効に適用できる。
１ エッチング装置 ２ 真空チャンバ
３ プラズマ発生部 ４ 基板電極部
Ｓ 基板
３ プラズマ発生部 ４ 基板電極部
Ｓ 基板
Claims (6)
- 多孔質材料を含むＳｉＯＣＨ系またはＳｉＯＣ系の層間絶縁膜をエッチングし、微細孔、溝を微細加工する層間絶縁膜のドライエッチング方法であって、不活性ガスおよびフッ化炭素ガスにＮＦ３を添加した混合ガスを導入してエッチングするものにおいて、
前記混合ガス中に酸素を含まず、前記ＮＦ３の添加率が混合ガス総流量基準で５〜１０％であることを特徴とする層間絶縁膜のドライエッチング方法。 - 前記不活性ガスが、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選ばれるガスであることを特徴とする請求項１記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
- 前記層間絶縁膜が、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または請求項２記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
- 前記混合ガスにさらにＮ２ガスを添加することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
- 前記Ｎ２ガスの添加率が、混合ガス総流量基準で５〜５０％であることを特徴とする請求項４記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
- 前記混合ガスを１．５Ｐａ以下の圧力下で導入してエッチングを行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の層間絶縁膜のドライエッチング方法。
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