JP4849875B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマエッチング方法に関し、詳細には、半導体装置の製造過程において、被処理体に形成された被エッチング膜をプラズマによってエッチング処理するプラズマエッチング方法に関する。

例えば、多層配線構造の半導体装置の製造では、配線接続用のホールなどの凹部を形成する目的で層間絶縁膜をエッチングする際に、下層配線の直上に下地のストッパー膜として、窒化ケイ素膜や炭化ケイ素膜を形成しておく。このようなストッパー膜は、配線間の電気的接続を図るために、凹部形成の最終段階でエッチングにより除去される。
窒化ケイ素膜や炭化ケイ素などのエッチングに関しては、例えば、下地のＳｉＮ膜に対する有機系のＳｉＯ_２膜のエッチング選択比を得る目的で、分子内に炭素とフッ素とを含有するフルオロカーボンガス（ＣＦ系ガス）や分子内に炭素と水素とフッ素を含有するハイドロフルオロカーボンガス（ＣＨＦ系ガス）を使用してプラズマエッチング処理を行なうことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、多層構造から窒化ケイ素層を異方性エッチングするために、フルオロカーボンガスと水素源としてのＣＨ_２Ｆ_２、ＣＨ_３Ｆなどを用いてプラズマエッチング処理する方法（例えば、特許文献２）、窒化シリコン層に高アスペクト比のトレンチを形成する際に、マスク層に対する高い選択性を維持するために、フルオロカーボンガスと水素源としてのＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２、ＣＨ_３Ｆなどを用いてプラズマエッチング処理する方法（例えば、特許文献３）が提案されている。

ところで、大規模集積回路（ＬＳＩ）のデザインルールは、現在の９０ｎｍから今後６５ｎｍ、さらには４５ｎｍに達すると考えられており、さらなる配線の微細化が進展する傾向にある。配線の微細化に伴い、配線間の絶縁層に生じる電気容量が原因で発生する信号遅延への対策を講ずることが必要であり、これを抑制するため低誘電率材料（Ｌｏｗ−ｋ材料）を用いた層間絶縁膜の開発が進められている。このようなＬｏｗ−ｋ材料を用いた層間絶縁膜として、従来のＬｏｗ−ｋ膜より誘電率がさらに低く、低抵抗なポーラスＬｏｗ−ｋ膜が着目されている。しかし、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜は、低誘電率である反面、膜内に空孔（ポア）を持つため強度が低く、エッチング耐性も低いという問題があった。
特開２００３−２３４３３７号公報 特開平１１−１０２８９６号公報 特開２０００−３４０５５２号公報

前記のような下地の窒化ケイ素膜や炭化ケイ素膜をプラズマエッチングする場合には、最上層のエッチングマスク膜に対するエッチング選択性を確保できることが必要となる。
また、エッチング時に、処理ガスの成分と膜中の成分との反応により形成されるポリマーが被処理体表面に付着すると、エッチングレートの低下を招くことから、ポリマーの形成および付着を抑制できることが必要である。
さらに、被エッチング膜である下地の窒化ケイ素膜や炭化ケイ素膜が横方向にエッチングされるサイドエッチングが生じると、デバイス特性を損なうため、サイドエッチングを防止することも必要である。

また、下地の窒化ケイ素膜や炭化ケイ素膜より上層の層間絶縁膜にポーラスＬｏｗ−ｋ膜を使用している場合には、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜が酸化されプラズマダメージが入りやすい。その結果、後の工程でフッ酸処理を行なうと酸化された部分が除去されてダメージが顕在化するという問題があった。さらに、プラズマへの曝露によりポーラスＬｏｗ−ｋ膜の表面に無数の傷が形成され、表面荒れを生じるという問題もあった。
このように、層間絶縁膜としてのポーラスＬｏｗ−ｋ膜が劣化すると半導体装置の信頼性の低下につながることから、プラズマエッチングはポーラスＬｏｗ−ｋ膜にダメージが形成されない条件で実施することが必要である。

以上のように、被エッチング膜より上層にポーラスＬｏｗ−ｋ膜が形成された被処理体に対してプラズマエッチング処理を行なう場合には、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜を有しない被処理体をプラズマエッチング処理する場合に比べて、格段にプラズマエッチング条件の選択が困難であり、上記の課題を全て満足できる条件はこれまで見出されていなかった。

従って、本発明は、下地の窒化ケイ素膜や炭化ケイ素膜より上層の層間絶縁膜にポーラスＬｏｗ−ｋ膜を使用した被処理体において、前記窒化ケイ素膜や炭化ケイ素膜をプラズマエッチング処理する場合に、ハードマスク膜に対するエッチング選択性を確保でき、ポリマーの付着やサイドエッチングを抑制可能で、かつポーラスＬｏｗ−ｋ膜へのダメージや表面荒れが抑制されたプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点は、プラズマ処理装置の処理室内で、被処理体を処理ガスのプラズマによりエッチング処理するプラズマエッチング方法であって、
被処理体は、被エッチング膜と、該被エッチング膜より上層に形成されたポーラスＬｏｗ−ｋ膜と、を有しており、
前記被エッチング膜は、窒化ケイ素膜または炭化ケイ素膜であり、
前記処理ガスは、炭素とフッ素とから構成され、炭素数が２以下のフルオロカーボン化合物と、ＣＯ_２とからなるか、または炭素とフッ素とから構成され、炭素数が２以下のフルオロカーボン化合物と、ＣＯ_２と、Ｎ_２とからなり、
前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜より上層に形成された酸化ケイ素膜からなるハードマスク膜をマスクとして前記被エッチング膜のエッチングを行なうことを特徴とする、プラズマエッチング方法、を提供する。

上記第１の観点において、前記フルオロカーボン化合物は、ＣＦ_４であることがより好ましい。
また、前記フルオロカーボン化合物と、前記ＣＯ_２との比率は、フルオロカーボン化合物：ＣＯ_２＝３：１〜１０：１であることが好ましい。
また、前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜は、誘電率が２．０〜２．７の無機Ｌｏｗ−ｋ膜であることが好ましい。

また、第１の観点のプラズマエッチング方法は、前記ハードマスク膜に対する前記被エッチング膜のエッチング選択比が、２よりも大きいことが好ましい。
また、前記被エッチング膜と前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜との間、前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜と前記ハードマスク膜との間に、それぞれアドヒージョン膜を有することが好ましい。

本発明の第２の観点は、コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するための制御プログラムであって、実行時に、上記第１の観点のプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、制御プログラムを提供する。

本発明の第３の観点は、コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するための制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、上記第１の観点のプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供する。

本発明のプラズマ処理方法によれば、窒化ケイ素膜または炭化ケイ素膜からなる被エッチング膜と、該被エッチング膜より上層に形成されたポーラスＬｏｗ−ｋ膜と、を有する被処理体を、窒化ケイ素膜からなるハードマスク膜をマスクとしてプラズマエッチングする際に、処理ガスとして、炭素とフッ素とから構成され、炭素数が２以下のフルオロカーボン化合物と、ＣＯ_２とからなるか、または炭素とフッ素とから構成され、炭素数が２以下のフルオロカーボン化合物と、ＣＯ_２と、Ｎ_２とからなるものを用いることにより、ハードマスク膜に対する高いエッチング選択性を確保でき、ポリマーの付着やサイドエッチングが抑制され、かつポーラスＬｏｗ−ｋ膜へのダメージや、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜表面の粗面化を抑制しながら、エッチングを行なうことができる。
従って、本発明のプラズマ処理方法は、例えば、層間絶縁膜としてポーラスＬｏｗ−ｋ膜を含む多層配線構造の半導体デバイスの製造過程におけるエッチングプロセスとして好適に利用できる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかるエッチングプロセスに好適に用いられるプラズマ処理装置を模式的に示すものである。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、双方に高周波電源が接続された容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として利用できる。

このプラズマ処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。チャンバー２内には、例えばシリコンからなり、その上に被処理体として、所定の膜が形成された半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に載置し、下部電極として機能するサセプタ５がサセプタ支持台４に支持された状態で設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。

サセプタ支持台４の内部には、温度調節媒体室７が設けられており、導入管８を介して温度調節媒体室７に温度調節媒体が導入、循環され、サセプタ５を所望の温度に制御できるようになっている。

サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在された構成となっており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷを静電吸着する。

そして、絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを所定圧力（バックプレッシャー）にて供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５とウエハＷとの間の熱伝達がなされ、ウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。

サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５は、例えばシリコンからなり、エッチングの均一性を向上させるように作用する。

サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する、例えば石英からなる電極板２４と、この電極２４を支持する導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１との間隔は、調節可能とされている。

上部電極２１における電極支持体２５の中央には、ガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７には、バルブ２８並びにマスフローコントローラ２９を介して、処理ガス供給源３０が接続され、この処理ガス供給源３０から、プラズマエッチングのためのエッチングガスが供給されるようになっている。エッチングガスとしては、例えばＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６などのフルオロカーボン化合物のガスとＣＯ_２とを組み合わせて用いることが好ましい。ここで、フルオロカーボン化合物ガスは、ラジカル反応によりエッチング作用を奏するガスであり、ＣＯ_２は前記ラジカルが被エッチング膜に対して最適に作用するようにコントロールするガスである。また、フルオロカーボン化合物ガスとＣＯ_２に加え、さらに例えばＮ_２、Ｈｅなどを混合することも可能である。なお、図１では、一つの処理ガス供給源３０のみを代表的に図示しているが、処理ガス供給源３０は複数設けられており、例えば、ＣＦ_４等のフルオロカーボン化合物ガス、ＣＯ_２等をそれぞれ独立に流量制御して、チャンバー２内に供給できるよう構成されている。

チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁には、ゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。

上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が設けられている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数の高周波電力を印加することにより、チャンバー２内に好ましい解離状態で、かつ高密度のプラズマを形成することができ、低圧条件下でのプラズマ処理が可能となる。さらには、この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図１中に示すように６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。

下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が設けられている。この第２の高周波電源５０は、数百ｋＨｚ〜十数ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数の高周波電力を印加することにより、ウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は、例えば図１に示すように１３．５６ＭＨｚ、または８００ＫＨｚ等の条件が採用される。

プラズマ処理装置１の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ６０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ６０には、工程管理者がプラズマ処理装置１を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェイス６１が接続されている。

また、プロセスコントローラ６０には、プラズマ処理装置１で実行される各種処理をプロセスコントローラ６０の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部６２が接続されている。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェイス６１からの指示を受けて、任意のレシピを記憶部６２から呼び出してプロセスコントローラ６０に実行させることで、プロセスコントローラ６０の制御下で、プラズマ処理装置１での所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

次に、このように構成されるプラズマ処理装置１によって、被エッチング膜を有する積層体にプラズマエッチングを行なう工程について、図２〜図４を参照しながら説明する。図２〜図４は、本発明の一実施形態にかかるエッチングプロセスの概要を説明するため、ウエハＷの縦断面の要部を拡大して示す模式図である。ウエハＷを構成するシリコン基板（図示せず）上には、図２に示すとおり、例えば下層配線用絶縁膜１０１が形成されており、その上に被エッチング膜であるストッパー膜１０２が形成され、さらにその上層に、下から順に第１のアドヒージョン膜１０３、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４、第２のアドヒージョン膜１０５、ハードマスク膜１０６が形成されて積層体２００が構成されている。

ストッパー膜１０２は、例えばプラズマＣＶＤやスピン・オン・グラス（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）などの方法で成膜されたＳｉ_３Ｎ_４膜、ＳｉＣ膜などであり、配線溝やホールなどの凹部２１０をエッチングによって形成する際のエッチストッパーとして機能するものである。

ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４は、例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜された層間絶縁膜であり、その材質は問わないが、誘電率（ｋ値）が２．０〜２．７の低誘電率材料を用いることが好ましく、また、無機系の低誘電率材料を用いることが好ましい。ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４を構成する低誘電率材料としては、例えば、Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ ２Ｘ、Ｂｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ ３（いずれも商品名；アプライド・マテリアルズ社製）、ＬＫＤ（商品名；ＪＳＲ社製）、Ａｕｒｏｒａ ＵＬＫ、Ａｕｒｏｒａ ＥＬＫ（いずれも商品名；ＡＳＭ社製）、Ｐｏｒｏｕｓ Ｃｏｒａｌ（商品名；Ｎｏｖｅｌｌａｓ社製）、ＮＣＳ（商品名；触媒化成工業株式会社製）などを用いることができる。

エッチングマスクであるハードマスク膜１０６には、例えばＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）から形成された酸化ケイ素膜（ＳｉＯ_２膜）などが用いられる。

また、第１のアドヒージョン膜１０３および第２のアドヒージョン膜１０５は、いずれもポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４の密着性を改善する目的でポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４を上下から挟み込むように形成されており、例えば、緻密なＬｏｗ−ｋ膜、炭素含有酸化ケイ素膜などを用いることが可能である。

積層体２００には、フォトリソグラフィー技術により形成されたレジストパターンに基づき、エッチングによって最上層のハードマスク膜１０６からストッパー膜１０２が露出するまでの深さで凹部２１０が形成されている。

図３に示すように、プラズマ処理装置１（図１参照）を用いて凹部２１０を有する積層体２００に対して、例えばＣＦ_４とＣＯ_２を用いて形成したプラズマによりエッチングを行なう。このプラズマエッチングの条件については後で詳述する。

ストッパー膜１０２の除去に用いるエッチングガスとしては、炭素とフッ素とから構成されるＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６等のフルオロカーボン化合物ガス（ＣＦ系ガス）と、ＣＯ_２とを含む処理ガスを用いる。この場合、フルオロカーボン化合物の分子内に炭素原子が多いものを用いると、反応生成物であるポリマーが多量に形成されて凹部２１０内に付着し、エッチングレートが低下するとともに、ハードマスク膜１０６に対するエッチング選択性も低下する。従って、フルオロカーボン化合物の炭素数は２以下であることが好ましい。

また、ハードマスク１０６に対するストッパー膜１０２のエッチング選択比が低下することから、処理ガス中には、炭素とフッ素と水素とから構成されるハイドロフルオロカーボン化合物ガス（ＣＨＦ系ガス）を含まないことが重要である。

エッチングに際しては、［ストッパー膜１０２のエッチングレート］／［ハードマスク膜１０６のエッチングレート］で表されるエッチング選択比が２より大きくなる条件で実施することが好ましい。エッチング選択比が２以下である場合には、ハードマスク膜１０６のエッチングが進んでしまうため、その膜厚が薄くなり、後の工程でハードマスク膜１０６を例えば平坦化処理のストッパーとして機能させる際に不都合が生じてしまう。
エッチングは、例えば凹部２１０の深さが、下層配線用絶縁膜１０１に到達した時点をもって終了することができる。このようにして、図４に示すように、凹部２１０内のストッパー膜１０２が除去され、下層配線用絶縁膜１０１が露出する。

プラズマ処理装置１におけるプラズマエッチング処理の具体的手順としては、まず、凹部２１０が形成されたウエハＷを、ゲートバルブ３２を開放して、図示しないロードロック室からチャンバー２内へ搬入し、静電チャック１１上に載置する。そして、直流電源１３から直流電圧を印加することによって、ウエハＷを静電チャック１１上に静電吸着する。

次いで、ゲートバルブ３２を閉じ、排気装置３５によって、チャンバー２内を所定の真空度まで真空引きする。その後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給源３０からエッチング用のガスとして、例えば、ＣＦ_４などのフルオロカーボン化合物とＣＯ_２を、マスフローコントローラ２９によって所定の流量比に調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部へと導入し、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図１に矢印で示すように、ウエハＷに対して均一に吐出させる。ここで、処理ガス流量は、例えばＣＦ_４／ＣＯ_２＝７５／２５〜６００／２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）、好ましくは１５０／５０〜５００／５０ｍＬ／ｍｉｎ程度とすることができる。この際、ＣＦ_４とＣＯ_２との流量比は、サイドエッチングおよびポーラスＬｏｗ−ｋ膜の表面荒れを抑制し、ハードマスクとの選択比を十分に確保し、さらに、Ｌｏｗ−ｋ膜へのダメージとポリマー付着を低減する観点からＣＦ_４：ＣＯ_２＝３：１〜１０：１とすることが好ましい。

また、処理ガスのレジデンスタイムは、ハードマスクとの選択比を十分に得るとともにＬｏｗ−ｋ膜へのダメージを低減する観点から、例えば３〜０．１７秒程度とすることが好ましく、１〜０．３秒がより好ましい。
ここで、レジデンスタイムは、エッチングガスのチャンバー１内のエッチングに寄与する部分における滞留時間を意味し、下部電極面積（図１の場合は、ウエハＷの面積とフォーカスリング１５の面積の合計）に上下の電極間距離を乗算して求めた有効チャンバー体積（つまり、処理ガスがプラズマ化する空間の体積）をＶ［ｍ^３］、排気速度をＳ［ｍ^３／秒］、チャンバー内圧力をｐ［Ｐａ］、処理ガスの総流量をＱ（Ｐａ・ｍ^３／秒）としたとき、レジデンスタイムτ［秒］は、以下の式に基づき求めることができる。
τ＝Ｖ／Ｓ＝ｐＶ／Ｑ

チャンバー２内の圧力は、サイドエッチングおよびポーラスＬｏｗ−ｋ膜の表面荒れを抑制し、ハードマスクとの選択比を十分に確保し、さらに、Ｌｏｗ−ｋ膜へのダメージを低減する観点から、所定の圧力、例えば、５〜２０Ｐａ、好ましくは６〜１３Ｐａ程度に維持する。そして、第１の高周波電源４０から上部電極２１に２００〜２５００Ｗ、好ましくは４００〜１５００Ｗ程度、第２の高周波電源５０から下部電極としてのサセプタ５に１００〜１０００Ｗ、好ましくは１００〜３００Ｗ程度の高周波電力をそれぞれ供給し、エッチングガスをプラズマ化してストッパー膜１０２のエッチングを行う。なお、バックプレッシャーは、ウエハＷのセンター部／エッジ部で約２０００Ｐａ／約５５００Ｐａ程度に設定することが好ましい。また、プロセス温度としては、例えば、ウエハＷ（サセプタ５）の温度を０〜４０℃とすることがハードマスクとの選択比を確保し、サイドエッチングおよびポリマーの付着を抑制する観点から好ましい。

次に、本発明のより具体的な適用例について、図５および図６を参照しながら説明する。多層配線構造を有する半導体装置の製造過程で、配線接続用のコンタクトプラグや、Ｃｕ配線などは、一般に層間絶縁膜にビアホールや溝を形成後、メタルを埋め込むことによって形成される。特にＣｕ配線の埋込み形成方法は、ダマシンプロセス（シングルダマシンプロセスまたはデュアルダマシンプロセス）として知られている。例えば、シングルダマシンプロセスによって配線を形成する場合は、図５に例示するように、図示しないシリコン基板上に、下層配線用絶縁膜１１２にバリアメタル１１３を介して埋め込まれたＣｕなどの金属材料からなる下層配線１１４が設けられ、その上に、多層の層間絶縁膜１２０、すなわち、下から順にＳｉＣやＳｉＮ等からなるストッパー膜１１５、第１のアドヒージョン膜１１６、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１７、第２のアドヒージョン膜１１８、ハードマスク膜１１９が順に積層形成された積層体２０１が準備される。なお、図５および図６において、符号１１１は、ＳｉＯ_２などからなる下層の絶縁膜である。また、第１のアドヒージョン膜１１６および第２のアドヒージョン膜１１８は、いずれもポーラスＬｏｗ−ｋ膜１１７の密着性を改善する目的で設けられているものであり、省略することもできる。

多層の層間絶縁膜１２０には、凹部２１１が形成されている。凹部２１１は、これに対応するレジストパターンをフォトリソグラフィー技術により層間絶縁膜１２０上に形成し、その後、このレジストパターンをマスクとして、ストッパー膜１１５が露出するまで層間絶縁膜１２０にエッチング加工を施すことにより形成されたものである。

次に、ハードマスク膜１１９をマスクとして前記ストッパー膜１１５にエッチングを施し、図６に示すように、Ｃｕ等から構成される下層配線１１４を露出させる。この際には、上述のように、プラズマ処理装置１を用いてフルオロカーボンガスとＣＯ_２とを含む処理ガスによりプラズマエッチング処理を行なう。

以降の工程は図示を省略するが、例えば、スパッタ法、ＰＶＤ法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、電気めっき法などを用いて、バリアメタルとＣｕを凹部２１１に埋め込み、余分なＣｕを取り除きＣＭＰ（化学機械研磨法；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）による平坦化処理を行なう。この平坦化処理の際には、ハードマスク膜１１９がストッパーとして機能する。以上のようにして、多層配線構造の半導体装置において、メタル配線を形成することができる。

次に、本発明の効果を確認した試験結果について説明する。
図２と同様の積層構造を有し、所定間隔で複数の凹部２１０（溝）が形成されたライン＆スペースの積層体において、ハードマスク膜１０６をマスクとして凹部２１０内に露出したストッパー膜１０２に対し、図１に示すものと同様の構成のプラズマ処理装置１を用いてエッチング処理を実施し、エッチング特性を評価した。エッチングガスとしては、表１に示す種々のガスを用い、適宜組合せて試験を行なった。

なお、表１に示す（１）〜（１４）の各試験区分におけるガス流量は以下のとおりである。
（１）ＣＦ_４＝１５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（２）ＣＦ_４／Ｎ_２＝１５０／５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（３）ＣＦ_４／Ｏ_２＝１５０／１５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（４）ＣＦ_４／ＣＯ_２＝３００／１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（５）ＣＦ_４／Ｎ_２／ＣＯ_２＝３００／５０／１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（６）ＣＦ_４／ＣＨＦ_３／ＣＯ_２＝１５０／５０／１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（７）ＣＦ_４／ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＯ_２＝１５０／１５／１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（８）Ｃ_４Ｆ_８／ＣＯ_２＝３０／５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（９）ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＦ_４／Ａｒ／Ｏ_２＝１５／６０／４５０／３０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（１０）ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＦ_４／Ａｒ／ＣＯ_２＝１５／６０／４５０／１００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（１１）ＣＨＦ_３／ＣＨ_２Ｆ_２／Ａｒ＝８０／２０／８００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（１２）ＮＦ_３／Ａｒ＝８／２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（１３）ＮＦ_３／Ｈｅ／Ａｒ＝８／１００／２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）；
（１４）ＮＦ_３／Ａｒ／ＣＯ＝８／２００／５０ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）

試験区分（１）〜（１４）に共通の条件として、チャンバー２内の圧力を６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）とし、上部電極２１に４００Ｗ、下部電極としてのサセプタ５に１００Ｗの高周波電力をそれぞれ供給し、各エッチングガスをプラズマ化してエッチングを行なった。この際、バックプレッシャーは、ウエハＷのセンター部／エッジ部で２０００Ｐａ（１５Ｔｏｒｒ）／５３３３Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）、プロセス温度は、チャンバー２側壁＝６０℃；サセプタ５＝２０℃、エッチング時間は、試験区分に応じて設定した。

エッチング特性は、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４のダメージ、ハードマスク膜１０６（ＴＥＯＳ−ＳｉＯ_２）との選択比、ポリマーの付着物の抑制効果、凹部２１０内に露出したポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４の表面荒れ、およびサイドエッチングについて、以下に示すような評価基準で判定した。
＜ポーラスＬｏｗ−ｋ膜のダメージ＞
エッチング処理後のウエハＷをフッ酸（ＨＦ）で処理し、溝部の幅（ＣＤ；Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）の変化を計測した。プラズマダメージが入ると、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４の表面が酸化されることから、フッ酸処理によって酸化膜が除去されＣＤが変化する。本試験では、ＣＤの変化率が７％を超えたものをダメージと判断し、ダメージが発生した場合を×（不良）、発生しなかった場合を○（良好）とした。なお、上記ＣＤの変化率７％は、ＣＤ変化量、つまり［フッ酸処理後のＣＤ値］−［フッ酸処理前のＣＤ値］の値として、６ｎｍに相当した。
＜ハードマスク膜（ＳｉＯ_２）とのエッチング選択比＞
ストッパー膜１０２のエッチングレート（ＥＲ_１）とハードマスク膜１０６のエッチングレート（ＥＲ_２）から、比率ＥＲ_１／ＥＲ_２を求め、約１以下を×（不良）、約１超〜約２以下を△（普通）、２超〜３を○（良好）、３超を◎（最良）として評価した。

＜ポリマー（付着物）の抑制効果＞
ポリマーの付着が顕著であったものを×（不良）、ほとんど付着がみられなかったものを○（良好）として評価した。
＜ポーラスＬｏｗ−ｋ膜の表面荒れ＞
凹部内に露出したポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４の表面が削れて顕著に粗面化したものを×（不良）、僅かに粗面化したものを△（普通）、ほとんど削られず、粗面化されなかったものを○（良好）として評価した。
＜サイドエッチング＞
凹部２１０内のストッパー膜１０２にサイドエッチングが発生したものを×（不良）、サイドエッチングがほとんど発生しなかったものを○（良好）として評価した。

以上のエッチング特性の評価（表１に示す結果）から、区分（１）のＣＦ_４単ガスおよび区分（２）のＣＦ_４／Ｎ_２では、エッチング選択比がほとんど得られず、凹部２１０内のポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４の側壁に多量のポリマーの付着が見られた。また、区分（３）のＣＦ_４／Ｏ_２では、ポリマーの付着は生じなかったが、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４へのダメージが顕著であった。

フルオロカーボンガス（ＣＦ_４）とＣＯ_２に、ハイドロフルオロカーボンガス（ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２）を組み合わせた区分（６）および（７）では、ハードマスク膜１０６との選択比が低下する傾向がみられた。
また、フルオロカーボンガスとＣＯ_２とを組合せた場合でも、フルオロカーボン化合物の炭素数が大きいＣ_４Ｆ_８を用いた区分（８）では、ハードマスク膜１０６との選択比が顕著に低下した。
また、処理ガス中にＡｒを含む区分（９）〜（１４）では、ハードマスク膜とのエッチング選択比は高くなるが、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４のダメージや表面荒れが発生した。これは、処理ガス中にＡｒを含むとイオンスパッタ作用が強まるためであると考えられ、Ａｒは、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４を有する層間絶縁膜のエッチングには不適であることが示された。

以上に対し、炭素数の少ないフルオロカーボンガスであるＣＦ_４とＣＯ_２のみを含む処理ガスを用いた区分（４）では、ポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４のダメージ、ハードマスク膜１０６とのエッチング選択比、ポリマー付着の抑制効果、凹部２１０内に露出したポーラスＬｏｗ−ｋ膜１０４の表面荒れ、およびサイドエッチングの全ての試験項目で唯一良好な結果が得られた。また、炭素数の少ないフルオロカーボンガスＣＦ_４とＣＯ_２に、さらにＮ_２を含めた処理ガスを用いた区分（５）では、ハードマスク膜１０６とのエッチング選択比およびポーラスＬｏｗ−ｋ膜の表面荒れの項目で評価がやや不満足であるものの、区分（２）のＣＦ_４／Ｎ_２との比較では、エッチング選択比が改善され、さらにポリマーの付着防止効果には顕著な改善が見られた。したがって、ＣＦ_４／Ｎ_２のガス系よりも、ＣＦ_４／Ｎ_２／ＣＯ_２のガス系の方が、エッチング特性を改善できることが確認できた。

以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では容量結合型の平行平板エッチング装置を用いたが、本発明のガス種でプラズマを形成することができれば装置は問わず、例えば、誘導結合型等の種々のプラズマ処理装置を用いることができる。

本発明のプラズマ処理装置の概要を示す図面。 プラズマエッチング前のウエハ断面構造の模式図。 プラズマエッチングをしている状態を説明するウエハ断面構造の模式図。 プラズマエッチング後のウエハ断面構造の模式図。 ダマシンプロセスへの適用例であり、プラズマエッチングをしている状態を説明するウエハ断面構造の模式図。 ダマシンプロセスへの適用例であり、プラズマエッチング後のウエハ断面構造の模式図。

符号の説明

１；プラズマ処理装置
２；チャンバー
６０；プロセスコントローラ
６１；ユーザーインターフェイス
６２；記憶部
１０１；下層配線用絶縁膜
１０２；ストッパー膜
１０３；第１のアドヒージョン膜
１０４；ポーラスＬｏｗ−ｋ膜
１０５；第２のアドヒージョン膜
１０６；ハードマスク膜
２００，２０１；積層体
２１０，２１１；凹部

Claims (8)

1. プラズマ処理装置の処理室内で、被処理体を処理ガスのプラズマによりエッチング処理するプラズマエッチング方法であって、
   被処理体は、被エッチング膜と、該被エッチング膜より上層に形成されたポーラスＬｏｗ−ｋ膜と、を有しており、
   前記被エッチング膜は、窒化ケイ素膜または炭化ケイ素膜であり、
   前記処理ガスは、炭素とフッ素とから構成され、炭素数が２以下のフルオロカーボン化合物と、ＣＯ_２とからなるか、または炭素とフッ素とから構成され、炭素数が２以下のフルオロカーボン化合物と、ＣＯ_２と、Ｎ_２とからなり、
   前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜より上層に形成された酸化ケイ素膜からなるハードマスク膜をマスクとして前記被エッチング膜のエッチングを行なうことを特徴とする、プラズマエッチング方法。
2. 前記フルオロカーボン化合物は、ＣＦ_４であることを特徴とする、請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
3. 前記フルオロカーボン化合物と、前記ＣＯ_２との比率は、フルオロカーボン化合物：ＣＯ_２＝３：１〜１０：１であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
4. 前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜は、誘電率が２．０〜２．７の無機Ｌｏｗ−ｋ膜であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法。
5. 前記ハードマスク膜に対する前記被エッチング膜のエッチング選択比が、２よりも大きいことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法。
6. 前記被エッチング膜と前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜との間、前記ポーラスＬｏｗ−ｋ膜と前記ハードマスク膜との間に、それぞれアドヒージョン膜を有することを特徴とする、請求項５に記載のプラズマエッチング方法。
7. コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するための制御プログラムであって、実行時に、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載されたプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、制御プログラム。
8. コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するための制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
   前記制御プログラムは、実行時に、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載されたプラズマエッチング方法が行なわれるように前記プラズマ処理装置を制御することを特徴とする、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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