説明

エッチング方法

【課題】
反応生成物の付着による加工形状の変動を抑制することのできるエッチング処理技術を提供する。
【解決手段】
シリコン基板上にSiC膜、SiOC膜、SiO膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を、順次処理室内に配置した試料載置台に載置し、処理室内に生成した処理ガスのプラズマを利用して、フォトレジスト層をマスクとしてSiOC膜、SiO膜および反射防止膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、処理ガスとして反応生成物の堆積性の強い第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、および処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングして、前記第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程を備えた。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、プラズマエッチング技術に係り、特に反応生成物による加工形状の変動を抑制することのできるエッチング技術に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体デバイスの高速化に伴って、使用される配線幅は微細化している。また、配線の低抵抗化のため、配線材料はCu(銅)に移行している。配線材料としてCuを採用する場合には、Cuのドライエッチングが技術的に困難なことから、まず、Cu配線を配置する位置の層間絶縁膜にエッチングにより溝を形成した後、この溝にメッキ処理等によりCuを埋め込み、更に、余分なCuを平坦化CMP (Chemical Mechanical Polishing)処理により削りとって配線パターンとして形成する方法(ダマシン(Damascene)技術)が採用されている。
【0003】
ところで、半導体デバイスの製造工程では、たとえば成膜、エッチング、アッシングなどの微細加工プロセスにプラズマ処理装置が広く用いられている。プラズマ処理によるプロセスは、処理室内部に導入されたプロセスガスをプラズマ発生手段によりプラズマ化し、半導体ウエハ表面で反応させて微細加工を行うとともに、揮発性の反応生成物を排気することにより、所定の処理を行うものである。
【0004】
このプラズマ処理プロセスでは、処理室内部の材料、ウエハの温度、あるいは処理室内部材への反応生成物の堆積状態がプロセスに大きな影響を及ぼす。このため、プラズマ処理装置においては、プロセスを安定に保つために、処理室内部の温度や表面への反応生成物の堆積を制御し、迅速に排気することが重要である。
【0005】
たとえば、特許文献1には、平行平板型のプラズマ処理装置において、プラズマ処理により生じる反応生成物の付着を抑制するために、処理室内壁部にY溶射被膜を設けることが記載されている(特許文献1参照)。
【0006】
また、特許文献2には、第1エッチングガスで第2膜をエッチングするによって第1膜上に堆積した反応生成物を、第2エッチングガスで除去して第1膜を露出させること、および第1膜を第3エッチングガスでエッチングする第3工程によって基板上に堆積した反応生成物を第4エッチングガスで除去する第4工程とを備え、これにより反応生成物を効率よく除去することのできるエッチング方法が示されている。
【特許文献1】特開2003−264169号公報
【特許文献2】特開2002−158213号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
前述のダマシン法等を用いた微細加工の対象となる基板(被処理基板)は、例えば後述する図2に示すように複数の薄膜で構成されている。また、これらの薄膜に最適な処理条件で処理を行なうためには、相互に悪影響を及ぼさない処理条件で処理を施すことが重要となる。
【0008】
例えば、エッチングマスクとなるホトレジスト膜1直下の反射防止膜2やシリコン酸化膜3にはCFなどのエッチングガスを用いてプラス間処理を施す。この場合、このプラズマ処理による装置内への反応生成物の堆積性は比較的弱い。
【0009】
一方、有機系シリコン酸化膜4(SiOC膜など)のエッチングにおいては、エッチングマスクとなるレジスト1、反射防止膜2やシリコン酸化膜3あるいは下地膜であるSiC膜5との選択性エッチングを確保するため、堆積性の強いプラズマ処理条件、例えばAr、CHF系、CF系、N等から選択構成される混合ガスによるプラズマ処理が用いられる。このプラズマ処理条件は、堆積性が強く処理室内に反応生成物がより堆積しやすい。
【0010】
このように、反射防止膜、シリコン酸化膜、有機系シリコン酸化膜を含む処理基板にエッチング処理を施す場合には、堆積性の比較的弱いプラズマ処理と堆積性の比較的強いプラズマ処理とが混在することになる。
【0011】
図6は、従来のエッチング処理(連続処理時)フローの一例を示す図である。エッチング処理は、まず堆積性の弱いプラズマ処理を80秒実施した。この際、シリコン膜のエッチング残りが発生しないよう、下層膜である有機系シリコン酸化膜(SiOC膜など)の一部まで充分にエッチング処理を行う。その後、堆積性の強いプラズマ処理を60秒実施した。この際も、有機系シリコン酸化膜(SiOC膜など)のエッチング残りが発生しないよう、下層膜であるSiC膜の一部まで充分にエッチング処理を行う。
【0012】
図7は、図6に示すエッチング処理を、図6(a)、(b)に示すように繰り返し実施した場合に得られるエッチング形状を示す図である。図に示すように、エッチング断面の形状は階段状に形成されており好ましい形状ではない。
【0013】
図8は、装置安定化プラズマ処理を含むエッチング処理フローを説明する図である。 エッチング処理を行なう際には、まず、図8(a)に示すSi基板(ダミー基板)を用いた装置安定化プラズマ処理を行い、次いで、図8(b)に示す通常のエッチング処理を行う。図8(a)に示す装置安定化プラズマ処理は、処理装置の状態を安定化し、エッチング性能の変動を抑制するためにSi基板(ダミー基板)を載置した状態で行なわれる。このプラズマ処理には図8(b)に示す通常のエッチング処理条件と同様な条件が用いられる。
【0014】
図8に示すように、この例の場合もエッチング処理前に行うCFガスを含む堆積性の比較的弱いプラズマ処理と、堆積性の強いプラズマ処理が混在する。このため、装置安定化プラズマ処理に引き続き、被処理基板を用いたエッチング処理を施すと、図7に示す場合と同様に階段状のエッチング形状が得られる。
【0015】
前記階段状のエッチング形状の発生原因について、本願発明者らは、堆積性の強いプラズマ処理により処理装置内に堆積した反応生成物が、CFガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理時に再度化学反応し、この反応生成物が被処理基板の側壁部に再付着することに起因するものであることを見出した。すなわち、前記再付着により加工寸法が狭小化し、引き続き実施する堆積性の強いプラズマ処理時には狭小化した被処理基板の最下層部の寸法を基準にして、より下層側がエッチング処理されることになる。このため、レジストマスク直下に比較して、堆積性の強いエッチング処理を施した後のより下層側の加工寸法はより狭小化し、エッチングの断面形状は図7に示したような階段状(実際には多段階の斜面状になる)になるものである。
【0016】
本発明は、これらの点に鑑みてなされたもので、反応生成物の付着による加工形状の変動を抑制することのできるエッチング処理技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【0018】
シリコン基板上に2種類以上の積層膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を、順次処理室内に配置した試料載置台に載置し、処理室内に生成した処理ガスのプラズマを利用して、フォトレジスト層をマスクとしてSiOC膜、SiO2膜および反射防止膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、処理ガスとして反応生成物の堆積性の強い第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、および処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングして、前記第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程を備えた。
【発明の効果】
【0019】
本発明は、以上の構成を備えるため、反応生成物の付着による加工形状の変動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は本発明のエッチング処理に使用するプラズマエッチング装置を説明する図である。この例ではエッチング装置としてUHF波ECRプラズマエッチング装置を採用したが、他のプラズマエッチング装置を用いることができる。
【0021】
図1において、100は処理室、101は上部アンテナ、102は高周波電源、103はマッチングフィルタ、104はコイル、105はプラズマ、106は側壁スリーブ、107は被処理基板である試料を載置する試料載置台、108は被処理基板(試料)、109マッチングフィルタ、110はRFバイアス電源、111は試料台リング、112はリング、113はターボ分子ポンプである。
【0022】
図1に示すプラズマエッチング装置において、真空排気した処理室100内には、エッチングガスであるAr(アルゴン)、CF、CHF、N(窒素)等のガスを選択し、図示しないガスボンベからガス配管、マスフローコントローラを介して上部アンテナ101の表面に設けた微細な孔を通して処理室100内にシャワー状に供給する。このとき、可変バルブにより、処理室内を所望の圧力に調整する。
【0023】
また、高周波電源102(例えば、周波数450MHzのUHF電源および周波数13.56MHzのRF電源)から発生した高周波をマッチングフィルタ103、上部アンテナ101を介して処理室100内に導入する。また、処理室100の周辺に配置したコイル104により磁場を形成する。これにより、前記磁場とUHF波との相互作用によりECR放電が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ105が生成される。
【0024】
処理室100の下方に設けられた載置台107上には、例えば直径200mmの被処理基板108を載置する。載置台107には、例えば800KHzのRFバイアス電源110がマッチングフィルタ109を介して供給されている。これにより、プラズマ中のイオンを被処理基板108上に引き込み、表面に吸着したラジカルとの相互作用によるイオンアシスト反応により、異方性エッチングが進行する。エッチング中に生成した反応生成物は、ターボ分子ポンプ113により排気される。
【0025】
図2は、被処理基板の構成を説明する図である。図2に示すように、Si基板6上に順次、SiC膜5を50nm、SiOC膜4を400nm、SiO2膜3を50nm成膜し、その上に反射防止膜2を60nm形成し、最上部には600nmのフォトレジスト1がパターニングされている。
【0026】
図3は、図2に示す被処理基板にエッチング処理を施す際の処理フロー(連続処理)を説明する図である。処理に際しては、まず、図3(a)に示すように、反射防止膜2、SiO膜3に対してCFガスを用い、プラズマソース電力800W、基板バイアス電力(被処理基板に印加する電力)100Wで堆積性の弱いプラズマ処理(生成する反応生成物の堆積性が弱い処理ガスを用いたプラズマ処理)を80秒実施した。その後、Ar/CHF/Nの混合ガスを用い、プラズマソース電力200W、基板バイアス電力600Wで堆積性の強いプラズマ処理(生成する反応生成物の堆積性が強い処理ガスを用いたプラズマ処理)を60秒実施した。なお、前記堆積性の弱いプラズマ処理に際しては、SiO膜3のエッチング残りが発生しないように、下層膜である有機系シリコン酸化膜(SiOC膜4など)の一部まで充分にエッチング処理を行う。
【0027】
その後、前記堆積性の強いプラズマ処理により発生し処理室内に堆積した反応生成物を大幅に低減するため、CFガスを用い、プラズマソース電力800W、基板バイアス電力0Wでプラズマ処理(後処理)を30秒実施した(第1枚目の被処理基板の処理)。
【0028】
このCFガスを用いた後処理では、下地膜であるSiC膜5のエッチングを避けるため、基板バイアス電力を印加しない状態で行う。このため、被処理基板に対するイオンの作用は非常に弱く、プラズマ処理により処理室内壁部の堆積物と化学反応した反応生成物は被処理基板の上面近傍に堆積しても溝の底部までは到達することができない。このため、溝の底部においても良好なエッチング形状を得ることができる。なお、反応生成物の被処理基板の上面近傍への堆積が好ましくない場合は、前記後処理時に被処理基板を搬出し、代わりにダミー基板(Si基板)を載置しても良い。
【0029】
次いで、図3(b)に示すように、図3(a)に示す第1枚目の被処理基板の処理と同じ条件で第2枚目以降の被処理基板を処理する。
【0030】
なお、図3(a)に示す堆積性の弱いプラズマ処理に先立つ前処理として、通常の慣らし処理(エージング処理)を施すことが望ましい。慣らし処理としては、例えば、前記後処理と同じ処理をダミー基板を載置した状態で行うとよい。
【0031】
図4は、処理後の被処理基板を示す図である。図4に示すように、処理した被処理基板を検査したところ、図4に示すように直線状の良好な加工形状を得られることが確認できた。
【0032】
図4より明らかなように、プラズマエッチング処理のガス構成を含む処理手順を最適化するにより、処理装置内のプラズマ処理による反応生成物の試料側壁部への再付着を抑制でき、連続エッチング処理後のエッチング形状を改善することができた。
【0033】
この例では、堆積性の強いプラズマ処理の後に、被処理基板を装置内に留置した状態でCFを含むガスを用いた堆積性の弱いプラズマ処理工程(後処理)を付加している。
【0034】
一般に、被処理基板のプラズマ処理では、構成材料であるレジスト1の成分である炭素、水素、酸素、SiO膜3中のSi成分、装置構成材料であるSi成分、あるいはエッチングガスを構成するCF系、N系の成分を含む反応生成物が処理装置内に堆積する。しかしながら、上記処理を付加することにより、処理装置内に堆積した反応生成物をCN系あるいはSiF系の成分として装置内壁から除去することができる。
【0035】
このため、次の被処理基板に基板バイアス電力を印加した状態でCFガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理を施す際には、このバイアス電力によるイオン吸引作用と相まって、装置内に堆積残留した反応生成物が化学反応して被処理基板側壁部に再付着する影響を大幅に減少させることができる。したがって、反応生成物の再付着に起因する階段状のエッチング形状を改善することが可能となる。
【0036】
図5は、他の実施形態を説明する図である。まず、図1に示すプラズマエッチング装置の載置台107上にSi基板(ダミー基板)を載置する。その後、図5(a)に示すように、堆積性の弱いプラズマ処理(前処理)を施す。このプラズマ処理では、装置安定化プラズマ処理としてCFガスを用い、プラズマソース電力800W、基板バイアス電力100Wで堆積性の弱いプラズマ処理を120秒実施した。
【0037】
この場合、堆積性の強いAr/CHF/Nの混合ガスを用いたプラズマ処理が行われていないため、装置内構成材料であるSi成分との反応生成物であるSiN系の反応生成物あるいはCHF系の反応生成物に起因する堆積物の発生は極めて少ない。
【0038】
その後、図2に示す構造の被処理基板を載置台107上に載置した後、図5(b)に示すように、反射防止膜2、SiO膜2に対してCFガスを用い、プラズマソース電力800W、基板バイアス電力100Wで堆積性の弱いプラズマ処理を80秒実施した。その後、Ar/CHF/Nの混合ガスを用い、プラズマソース電力200W、基板バイアス電力600Wで堆積性の強いプラズマ処理を60秒実施した。なお、前記堆積性の弱いプラズマ処理に際しては、SiO膜3のエッチング残りが発生しないよう、下層膜である有機系シリコン酸化膜(SiOC膜4など)の一部まで充分にエッチング処理を行う。
【0039】
その後、前記堆積性の強いプラズマ処理により発生し処理室内に堆積した反応生成物を大幅に低減するため、CFガスを用い、プラズマソース電力800W、基板バイアス電力0Wでプラズマ処理(後処理)を30秒実施した(第1枚目の被処理基板の処理)。
【0040】
次いで、図5(b)に示す第1枚目被処理基板の処理と同じ条件で第2枚目以降の被処理基板を処理する。
【0041】
処理した被処理基板を検査したところ、図4に示すような階段状の形状が見られない直線状の良好な加工形状が得られた。
【0042】
このように、本実施形態ではエッチング前の装置安定化プラズマ処理のガス構成を含む処理手順を最適化するにより、プラズマ処理による処理装置内への反応生成物の再付着を抑制できた。このため、引き続き行われるエッチング処理時の被処理基板側壁部への反応生成物の再付着が抑制され、エッチング処理後のエッチング形状を改善することができた。
【0043】
この例では、被処理基板のエッチング前に実施する装置安定化プラズマ処理にCFガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理を用いている。この結果、このプラズマ処理後の処理装置内に堆積する反応生成物の量を大幅に低減できる。したがって、引き続き処理を行なう被処理基板のCFガスを含む堆積性の弱いプラズマ処理の際に、装置内に堆積残留した反応生成物が化学反応して被処理基板側壁部に再付着する影響が大幅に減少する。このため、反応生成物の再付着に起因すると思われる階段状のエッチング形状を改善することが可能となる。
【0044】
以上説明したように、堆積性の強いプラズマ処理後に処理室内に堆積した反応生成物を大幅に低減するCFガスを含むプラズマ処理工程を付加することにより、次の被処理基板のCFガスを含む堆積性の弱いプラズマエッチング処理時における基板側壁面への反応生成物の再付着を抑制し、被処理基板のエッチング処理後の階段状エッチング形状を改善することができる。また、エッチング処理前のプラズマ処理(前処理)についても、CFガスを含む堆積性の弱いプラズマを用いた処理により処理室内への反応性生物の堆積を抑制し、プラズマエッチング処理時における処理基板側壁面への反応生成物の再付着を抑制することにより、従来発生していたエッチング処理直後の被処理基板の階段状エッチング形状を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明のエッチング処理に使用するプラズマエッチング装置を説明する図である。
【図2】被処理基板の構成を説明する図である。
【図3】図2に示す被処理基板にエッチング処理を施す際の処理フローを説明する図である。
【図4】処理後の被処理基板を示す図である。
【図5】他の実施形態を説明する図である。
【図6】従来のエッチング処理フローの一例を示す図である。
【図7】図6に示すエッチング処理を繰り返し実施した場合に得られるエッチング形状を示す図である。
【図8】装置安定化プラズマ処理を含むエッチング処理フローを説明する図である。
【符号の説明】
【0046】
100 処理室
101 上部アンテナ
102 高周波電源
103,109 マッチングフィルタ
104 コイル
105 プラズマ
106 側壁スリーブ
107 載置台
108 被処理基板
110 RFバイアス電源
111 試料台リング
112 リング
113 ターボ分子ポンプ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリコン基板上に2種類以上の積層膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を、順次処理室内に配置した試料載置台に載置し、処理室内に生成した処理ガスのプラズマを利用して、フォトレジスト層をマスクとしてSiOC膜、SiO膜および反射防止膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、
処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、処理ガスとして反応生成物の堆積性の強い第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、および処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングして、前記第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程を備えたことを特徴とするエッチング方法。
【請求項2】
シリコン基板上にSiC膜、SiOC膜、SiO膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を、順次処理室内に配置した試料載置台に載置し、処理室内に生成した処理ガスのプラズマを利用して、フォトレジスト層をマスクとしてSiOC膜、SiO膜および反射防止膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、
処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、処理ガスとして反応生成物の堆積性の強い第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、および処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングして、前記第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程を備えたことを特徴とするエッチング方法。
【請求項3】
請求項1または2記載のエッチング方法において、
第1の処理ガスはCFガスであることを特徴とするエッチング方法。
【請求項4】
請求項1または2記載のエッチング方法において、
第1の処理ガスはCFガスであり、第2の処理ガスはAr、CHF、Nの混合ガスであることを特徴とするエッチング方法。
【請求項5】
処理室にダミー基板を搬入し、反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いてエッチングする工程と、
処理室に、シリコン基板上に2種類以上の積層膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を搬入し、前記SiOC膜、SiO膜および反射防止膜からなる積層膜を、反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、処理ガスとして反応生成物の堆積性の強い第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、および処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングする工程を備え、
前記処理室にダミー基板を搬入し、反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いてエッチングする工程は、以前に行われた、前記第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項6】
処理室にダミー基板を搬入し、反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いてエッチングする工程と、
処理室に、シリコン基板上にSiC膜、SiOC膜、SiO膜、反射防止膜およびフォトレジスト膜を順次積層した試料を搬入し、前記SiOC膜、SiO膜および反射防止膜からなる積層膜を、反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、処理ガスとして反応生成物の堆積性の強い第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程、および処理ガスとして反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用い、且つ基板バイアス電力を印加することなくエッチングする工程を備え、
前記処理室にダミー基板を搬入し、反応生成物の堆積性の弱い第1の処理ガスを用いてエッチングする工程は、以前に行われた、前記第2の処理ガスを用いて積層膜をエッチングする工程において発生した反応生成物を除去する工程であることを特徴とするエッチング方法。
【請求項7】
請求項5または6記載のエッチング方法において、
第1の処理ガスはCFガスであることを特徴とするエッチング方法。
【請求項8】
請求項5または6記載のエッチング方法において、
第1の処理ガスはCFガスであり、第2の処理ガスはAr、CHF、Nの混合ガスであることを特徴とするエッチング方法。

【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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【公開番号】特開2006−19501(P2006−19501A)
【公開日】平成18年1月19日(2006.1.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2004−195683(P2004−195683)
【出願日】平成16年7月1日(2004.7.1)
【出願人】(501387839)株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Fターム(参考)】