JP2005123406A - プラズマエッチング方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】 フッ素添加カーボン膜に対して良好なエッチングを行うことができ、またエッチング後に他の膜にダメージを与えることのないプラズマエッチング方法を提供すること。
【解決手段】 フッ素添加カーボン膜、ハードマスク（例えばＳｉＣＮ）及びレジスト膜のパターンがこの順に積層された基板に対して、ＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガス例えばＣＦ4ガスと希ガス例えばアルゴンガスとのプラズマを用いて前記ハードマスク及びフッ素添加カーボン膜をエッチングする。この場合、例えば露出しているハードマスクを全部エッチングせずに薄く残しておき、その後レジスト膜のエッチングを行い、続いてエッチングを再開する方法を採用してもよく、このようにすればレジスト膜をエッチングしているときに酸素プラズマがフッ素添加カーボン膜に照射されない。
【選択図】 図４

Description

本発明は、半導体装置を製造するための基板上に形成されたフッ素添加カーボン膜をプラズマによりエッチングする方法に関する。

半導体装置の高集積化を図るための手法の一つとして配線を多層化する技術があり、多層配線構造をとるためには、ｎ番目の配線層と（ｎ＋１）番目の配線層とを導電層で接続すると共に導電層以外の領域は層間絶縁膜と呼ばれる薄膜が形成される。この層間絶縁膜の代表的なものとしてＳｉＯ2膜があるが、近年デバイスの動作についてより一層の高速化を図るために層間絶縁膜の比誘電率を低くすることが要求されている。

このような要請により、炭素（Ｃ）及びフッ素（Ｆ）の化合物であるフッ素添加カーボン膜（フロロカーボン膜）が注目されている。ＳｉＯ2膜の比誘電率が４付近であるのに対して、フッ素添加カーボン膜は、原料ガスの種類を選定すれば比誘電率が例えば２．５以下になることから層間絶縁膜として極めて有効な膜である。そしてその成膜方法についても、原料ガスの選定が進み、また高密度で低電子温度のプラズマを発生させるＣＶＤ装置の開発により良質な膜が得られる見通しが立ってきており、低誘電率の絶縁膜としてフッ素添加カーボン膜の実用化が期待されている。

一方フッ素添加カーボン膜をエッチングする方法としては、酸素ガス及び窒素ガスをプラズマ化し、そのプラズマによりエッチングする方法が知られているが（特許文献１）、この場合酸素ラジカルと炭素とが反応して膜がいわば燃焼された格好になって側壁が除去され、そのためエッチング後の溝の断面形状が横に膨らんだ（アンダーカット）形状になってしまう課題がある。

またその他の方法としては、水素ガス及び窒素ガスをプラズマ化し、そのプラズマによりエッチングする方法が知られているが（非特許文献２）、この場合エッチングされたフッ素添加カーボン膜の側壁部に水素が入り込み、この水素が膜中のフッ素と結合してフッ化水素を生成してしまう。エッチングされた凹部内には、次工程でバリアメタル膜が形成されるかメタルが埋め込まれるが、フッ化水素が生成されると、バリアメタル膜あるいはメタルを腐食してダメージを与え、その結果これら膜との密着性が悪くなるという課題がある。

特開平１０−１４４６７６号：段落００１０ Materials Research Society Conference Proceedings、Volume V−14、Advanced Metallization Conference in 1998

本発明はこのような背景に基づいてなされたものであり、その目的は、フッ素添加カーボン膜に対して良好なエッチングを行うことができ、またエッチング後に他の膜にダメージを与えることのないプラズマエッチング方法を提供することにある。

本発明は、半導体装置を製造するための基板上に形成されたフッ素添加カーボン膜をＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスを含む処理ガスのプラズマによりエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法である。ＣxＦyガスとしては、例えばＣＦ4ガス、Ｃ2Ｆ6ガス、Ｃ4Ｆ6ガス、Ｃ3Ｆ8ガス及びＣ4Ｆ8ガスなどを用いることができる。

本発明のプラズマエッチング方法の具体的な方法は、フッ素添加カーボン膜、ハードマスク及びパターンを形成するレジスト膜がこの順に積層され、半導体装置を製造するための基板をエッチングする方法において、
前記ハードマスクをエッチングして除去する工程と、
次いでＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスを含む処理ガスのプラズマにより前記フッ素添加カーボン膜をエッチングして除去する工程と、
前記レジスト膜をエッチングして除去する工程と、を含むことを特徴とする。ハードマスクは、レジスト膜を例えば酸素の活性種によりエッチングするときにレジスト膜が除去された後、続いてフッ素添加カーボン膜もエッチングされてしまうことから、エッチングを止めるために用いられるものである。この方法において、ハードマスクをエッチングする工程は、例えばＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスを含む処理ガスのプラズマが用いられるが、その他のガスのプラズマを用いてもよい。また前記ハードマスクをエッチングして除去する工程は、ハードマスクをエッチングしてハードマスクの一部を残す第１の段階と、残りのハードマスクをエッチングして除去する第２の段階と、に分け、前記レジスト膜をエッチングする工程は、第１の段階と第２の段階との間に行われるようにしてもよい。前記レジスト膜をエッチングする工程は、例えば酸素の活性種を含むプラズマにより行われる。

更に前記レジスト膜をエッチングする工程は、フッ素添加カーボン膜をエッチングして除去した後、酸素の活性種を含むプラズマを用いると共に、基板にバイアス電力を印加して下地膜であるハードマスクをプラズマ中の活性種によりスパッタしながら行われるようにしてもよく、この場合にはスパッタ物がフッ素添加カーボン膜の側壁の保護層の役割を果たし、このためレジスト膜のエッチング時（アッシング時）にフッ素添加カーボン膜の側壁がエッチングされることを抑制できる。またフッ素添加カーボン膜のエッチングは、処理ガスであるＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスのプラズマのみにより行うようにしてもよいが、更に希ガスを添加した処理ガスのプラズマにより行うことが好ましい。

本発明によれば、フッ素添加カーボン膜を良好な形状でエッチングすることができ、また処理ガスとして水素を用いていないので、エッチングを行うことにより表面部に水素が入り込むことがなく、次工程で形成される膜に対してダメージを与えるおそれがない。

本発明のプラズマエッチング方法の実施の形態を説明するにあたり、先ずこの方法に用いられる好ましいプラズマ処理装置について図１〜図３を参照しながら述べておく。図中１は、例えばアルミニウムからなる処理容器（真空チャンバ）であり、この処理容器１内には、載置台２が設けられている。この載置台２は表面部に静電チャック２１が設けられており、この静電チャック２１の電極は、スイッチ２２を介して直流電源２３に接続されている。また載置台２の内部には、温調手段である温調媒体の流路２４が設けられており、流入路２５からの温調媒体である冷媒が流路２４内を通って流出路２６から排出され、これにより載置台２上の基板である半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗが所定温度に維持されることとなる。また載置台２には例えば１３．５６ＭＨｚのバイアス用高周波電源２７が接続されている。

また載置台２の上方には、例えば平面形状が略円形状に構成された導電体からなるガス供給部３が設けられ、このガス供給部３における載置台２と対向する面には多数のガス供給孔３１が形成されている。このガス供給部３の内部には、例えば図２に示すようにガス供給孔３１と連通する格子状のガス流路３２が形成されており、このガス流路３２にはガス供給路３３が接続されている。このガス供給路３３には、図示しないガス供給源が接続されており、各ガス供給源からＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスである例えばＣＦ4ガス、希ガスである例えばＡｒ（アルゴン）ガス、Ｏ2（酸素）ガス及びＮ2（窒素）ガスが当該ガス供給路３３及びガス供給孔３１を通じて処理容器１内に供給されることとなる。

またガス供給部３には、図２に示すように当該ガス供給部３を貫通するように、多数の開口部３４が形成されている。この開口部３４は、プラズマを当該ガス供給部３の下方側の空間に通過させるためのものであり、例えば隣接するガス流路３２同士の間に形成されている。また処理容器１の底部には排気管１１が接続されており、この排気管１１の基端側には図示しない真空排気手段が接続されている。更にまた処理容器１の内壁の内面側には、加熱手段であるヒータ１２が設けられた囲い部材（ウオール部）１３が設けられている。

前記ガス供給部３の上部側には、誘電体例えば石英からなるプレート（マイクロ波透過窓）４が設けられ、この石英プレート４の上部側には、当該石英プレート４と密接するようにアンテナ部５が設けられている。この誘電体のプレートは石英に限らず例えばアルミナなどであってもよい。前記アンテナ部５は、図３にもに示すように、平面形状が円形の扁平なアンテナ本体５０と、このアンテナ本体５０の下面側に設けられ、多数のスロットが形成された円板状の平面アンテナ部材（スロット板）５１とを備えている。これらアンテナ本体５０と平面アンテナ部材５１とは導体により構成されており、同軸導波管４１に接続されている。アンテナ本体５０は、この例では２つの部材に分割された構成となっており、図示しない外部からの冷媒流路を介して冷媒が通流する冷媒溜５２が内部に形成されている。

また前記平面アンテナ部材５１とアンテナ本体５０との間には、例えばアルミナや酸化ケイ素、窒化ケイ素等の低損失誘電体材料により構成された遅相板５３が設けられている。この遅相板５３はマイクロ波の波長を短くして前記導波管４１内の管内波長を短くするためのものである。この実施の形態では、これらアンテナ本体５０、平面アンテナ部材５１及び遅相板５３によりラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）が構成されている。

このように構成されたアンテナ部５は、前記平面アンテナ部材５１が石英プレート４に密接するように図示しないシール部材を介して処理容器１に装着されている。そしてこのアンテナ部５は同軸導波管４１を介して外部のマイクロ波発生手段４２と接続され、例えば周波数が２．４５ＧＨｚあるいは８．４ＧＨｚのマイクロ波が供給されるようになっている。そして同軸導波管４１の外側の導波管４１Ａはアンテナ本体５０に接続され、中心導体４１Ｂは遅相板５３に形成された開口部を介して平面アンテナ部材５１に接続されている。

前記平面アンテナ部材５１は例えば厚さ０．３〜１ｍｍ程度の銅板からなり、図３に示すように例えば円偏波を発生させるための多数のスロット５４が形成されている。このスロット５４は略Ｔ字状に僅かに離間させて配置した一対のスロット５４ａ，５４ｂを１組として、当該平面アンテナ部材５１の中央部を中心として周方向に沿って例えば同心円状や渦巻き状に形成されている。なおこのスロット５４は略八字状に僅かに離間させて配置させてもよい。このようにスロット５４ａとスロット５４ｂとを相互に略直交するような関係で配列しているので、２つの直交する偏波成分を含む円偏波が放射されることになる。この際スロット対５４ａ，５４ｂを遅相板５３により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で配列することにより、マイクロ波が平面アンテナ部材５１から略平面波として放射される。

より具体的にはこの例では、各スロット５４ａ，５４ｂのスロット長が平面アンテナ部材５１における同軸導波管４１側のマイクロ波の波長の１／２以上の大きさであって、かつ平面アンテナ部材５１におけるプラズマ発生空間（処理容器２内）側のマイクロ波の波長の１／２よりも小さい寸法に設定され、マイクロ波がスロット５４を通ってプラズマ空間に入り、プラズマ空間からは同軸導波管４１側に戻らないようになっている。なおスロットは、マイクロ波が円偏波ではなく直線偏波で放射されるように形成してもよい。

続いて半導体装置の製造プロセスの一部である、上記のプラズマ処理装置により実施されるエッチングプロセスの一例について説明する。半導体装置を製造するための基板であるウエハＷは、図４（ａ）に示すように、エッチングの対象となっているフッ素添加カーボン膜（ＣＦ膜）６１の上に例えばＳｉＣＮからなるハードマスク６２が積層され、その上にパターンを形成するレジスト膜（レジストパターン）６３が形成されている。またフッ素添加カーボン膜６１の下にはハードマスク６４を介してフッ素添加カーボン膜６５が形成されている。即ちこの例では、フッ素添加カーボン膜６５及び６１が夫々ｎ段目及びｎ＋１段目の層間絶縁膜に相当する。フッ素添加カーボン膜６５、６１及びハードマスク６２は、いずれもマイクロ波により発生させたプラズマを用いてＣＶＤにより成膜されたものであり、フッ素添加カーボン膜６５、６１の膜厚は例えば５０００Å、またハードマスク６２の膜厚は例えば１０００Åである。

先ず前記ウエハＷを図示しないロードロック室から図１では見えない搬送口を介して処理容器１内に搬入し載置台２上に載置する。続いてガス供給部３からＣＦ4ガス及びＡｒガスを所定の流量で供給しながら、処理容器１の内部を真空排気して所定の圧力に維持すると共に、マイクロ波発生手段４２から例えば２．４５ＧＨｚ、１５００Ｗの高周波（マイクロ波）を供給すると共に高周波電源部２７から例えば１３．５６ＭＨｚ、１２５０Ｗののバイアス用高周波電力を載置台２に供給する。

前記マイクロ波は、ＴＭモード或いはＴＥモード或いはＴＥＭモードで同軸導波管４１内を伝搬してアンテナ部５の平面アンテナ部材５１に到達し、同軸導波管４１の中心導体４２Ｂを介して、平面アンテナ部材５１の中心部から周縁領域に向けて放射状に伝搬される間に、スロット対５４ａ，５４ｂからマイクロ波が石英プレート４を介して下方側の空間に向けて放出される。

このとき既述のようにスロット対５４ａ、５４ｂを配列したので、円偏波が平面アンテナ部材５１の平面に亘って均一に放出され、この下方の処理空間の電界密度が均一化される。一方ガス供給部３から処理容器１内に流出したＣＦ4ガス及びＡｒガスは、ガス供給部３の開口部３４（図２参照）を通って上部側に拡散し、前記マイクロ波のエネルギ−によりプラズマが励起される。そしてこのプラズマは、前記開口部３４を介してガス供給部３の下方側の処理空間に流れ込んで行き、露出しているハードマスク６２が先ずプラズマ中の活性種によりエッチングされる。このハードマスク６２のエッチングは、後述の実験例からも推測されるように、ＣＦ化合物が表面に付着してこの化合物と共に除去されていくものと考えられる。

そして図４（ｂ）に示すように、ハードマスク６２が全部エッチングされる前において例えばハードマスク６２の膜厚が元の膜厚の１／４程度になったときにガスの供給及び電力の供給を止めてプロセスを一旦停止し、レジスト膜６３のエッチング（アッシング）プロセスに切り替える。このエッチングプロセスは、Ａｒガス、Ｏ2ガス及びＮ2ガスをガス供給部３から処理容器１内に供給すると共に平面アンテナ部材５１からマイクロ波を放出し、また載置台２に高周波バイアスを供給して行われる。混合ガスはマイクロ波のエネルギーによりプラズマ化され、そのプラズマ中の酸素活性種である酸素ラジカルによりレジスト膜６３が灰化されて除去される（図４（ｃ））。

しかる後、ガスの供給及び電力の供給を止めてプロセスを一旦停止し、フッ素添加カーボン膜６１のエッチングプロセスに切り替える。このエッチングプロセスは先のハードマスク６２をエッチングしたときと同じ条件で行われる。エッチングのメカニズムは、後述の実験例から推測すると、プラズマ中にＦの活性種やＣＦの活性種が発生し、これらの活性種がフッ素添加カーボン膜６１と反応し、膜がＣＦ2やＣＦ3といった揮発性のガスとなって除去されていくものと考えられる。こうしてフッ素添加カーボン膜６１がエッチングされ、図４（ｄ）に示すように下地のハードマスク６４が露出する。

上述の実施の形態によれば、後述の実験例からも明らかなようにフッ素添加カーボン膜６１のエッチング形状として良好な形状つまり垂直性の高いエッチング形状が得られる。そしてＣxＦyガスである例えばＣＦ4ガスを用いており、水素ガスを使用していないので、エッチングにより形成されるフッ素添加カーボン膜の凹部の側壁面に、エッチングを行ったことに起因して水素が入り込むということがない。このため次工程で凹部に形成されるバリアメタル膜や凹部に埋め込まれるメタル膜にダメージを与えるおそれがなく、予定通りの電気的特性が得られる。

またハードマスクであるＳｉＣＮ膜６２のエッチング速度に対するフッ素添加カーボン膜６１のエッチング速度の比である選択比を大きくとれることから、露出しているハードマスク６２を全部エッチングせずに薄く残した後、レジスト膜６３をエッチングし、その後残りのハードマスク６２及びフッ素添加カーボン膜６１をエッチングするという手法を採用できる。このためレジスト膜６３のエッチング時に酸素ガスのプラズマがフッ素添加カーボン膜６１に照射されないので、既述のアンダーカット（側壁が膨らんでエッチングされること）が起こらず、
従ってより一層垂直性の高い良好なエッチング形状が得られる。

そしてまた上述のプラズマ処理装置によれば、円偏波が平面アンテナ部材５１の平面に亘って均一に放出され、この下方の処理空間の電界密度が均一化されると共に、マイクロ波のエネルギーにより広い処理空間の全域に亘って高密度で欽一なプラズマが励起され、従って早いエッチング速度で均一な処理を行うことができる。

更に本発明の他の実施の形態について図５を参照しながら述べる。この実施の形態では、先の実施の形態で用いたと同様の表面構造（図５（ａ））を備えたウエハを用い、ＣＦ4ガス及びＡｒガスをプラズマ化してエッチングする点では先の実施の形態と同様であるが、ハードマスク６２のエッチングを途中で止めずに全部エッチングし（図５（ｂ））、更に連続してフッ素添加カーボン膜６１をエッチングして除去する（図５（ｃ））。しかる後、酸素の活性種を含むプラズマを発生させながら、例えばＡｒガス、Ｎ2ガス及びＯ2ガスのプラズマを発生させながら、載置台２に例えば５００Ｗ〜１０００Ｗ程度のバイアス電力を印加してレジスト膜６３のエッチングを行う。

この実施の形態では、酸素の活性種によりレジスト膜６３がエッチング（アッシング）されて除去される。またＡｒイオンがフッ素添加カーボン膜６１の下地膜であるハードマスク６４をスパッタし、そのスパッタ物がフッ素添加カーボン膜６１の凹部の側壁に付着していわば保護膜の役割を果たし、これにより酸素ラジカルが当該側壁をエッチングする作用が抑えられる、この結果凹部がアンダーカット形状にならずに良好な形状を維持できる。なおこの実施の形態において、Ａｒガスの代わりに他の希ガスを添加してもよい。

以上において、本発明にて用いられるＣxＦyガスとしては、ＣＦ4ガスに限らずＣ2Ｆ6ガス、Ｃ3Ｆ8ガス、Ｃ3Ｆ9ガス及びＣ4Ｆ8ガスなどを用いることができる。またハードマスクとしては、ＳｉＣＮ膜に限らず、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯＦ膜ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨあるいはＳｉ3Ｎ4膜などの絶縁膜であってもよく、これら絶縁膜はＣＦ4ガスなどのＣxＦyガスによりエッチングすることができる。更にまたハードマスクは絶縁膜の代わりにＴｉＮやＴｉＷなどの導電膜であってもよく、この場合例えばハードマスクのエッチングを行うためのガスとしてＢＣｌ3ガスのプラズマを用いることができる。

そしてレジスト膜６３をエッチングして除去する工程は、ハードマスク６２が残っている状態で行うことが好ましいが、ハードマスク６２を除去し更にフッ素添加カーボン膜６１をエッチングにより除去した後に行うようにしてもよい。なおフッ素添加カーボン膜６１をエッチングするときに用いられる希ガスとしては、Ａｒガスに限らずＸｅガスやＫｒガスなどであってもよい。

本発明の効果を確認するために行った実験結果について以下に説明する。
（Ａ．プラズマ処理装置における電子密度）
図１のプラズマ処理装置の処理容器１内にＡｒガスを供給して圧力を夫々６．７Ｐａ、６７Ｐａ及び１３３Ｐａに設定し、マイクロ波パワーを２０００Ｗに設定して石英プレート４の下方６０ｍｍの位置にてラングミュアプローブを用いて電子密度を計測した。結果は図６に示すとおりである。なお横軸のゼロは、載置台２上の中心位置に相当する。この結果から分かるように、電子密度がおよそ１×１０^１２ （個／ｃｍ3）であり、平行平板型プラズマ装置に比べておよそ１０倍の大きさになっている。また電子温度は同位置において１．５ｅＶであり、従って高密度、低電子温度のプラズマが得られることが分かる。
（Ｂ．エッチングによるフッ素添加カーボン膜の組成変化）
フッ素添加カーボン膜をエッチングするための処理ガスとして、ＣＦ4ガス及びＡｒガスの混合ガス（Ａｒガス／ＣＦ4ガス）を用いた場合と、既述の非特許文献２に記載されているＨ2ガス及びＮ2ガスの混合ガス（Ｈ2ガス／Ｎ2ガス）を用いた場合とについて、エッチングにより形成された凹部の側壁面の組成の違いを評価した。評価の方法は、図４に示した積層膜を備えたウエハを用いるのではなく、ウエハ表面全体にフッ素添加カーボン膜を成膜し、この基板を上記のプラズマ処理装置内に搬入し、バイアスは印加せずに２通りの処理ガスを用いてプラズマを発生させ、夫々フッ素添加カーボン膜のエッチングを行った。処理ガスとしては、流量を２００／２００ｓｃｃｍに設定したＨ2ガス／Ｎ2ガスと、流量を４００／１００ｓｃｃｍに設定したＡｒガス／ＣＦ4ガスと、を用いた。このときのマイクロ波パワーは２０００Ｗに設定し、圧力は１．３３Ｐａ（１０ｍTorr）に設定し、プラズマの照射時間は３０秒である。実際のエッチングにより形成される凹部の側壁には、加速されたイオンは衝突しないので、この側壁をモデル化するために載置台２に高周波バイアスを印加せずにエッチングを行った。

そしてエッチングを行う前のフッ素添加カーボン膜の表面部、（Ｈ2ガス／Ｎ2ガス）によりエッチングを行ったときのフッ素添加カーボン膜の表面部、及び（Ａｒガス／ＣＦ4ガス）によりエッチングを行ったときのフッ素添加カーボン膜の表面部について夫々ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光装置）によりＣＦの結合状態を調べたところ、図７（ａ）〜（ｃ）に示す結果が得られた。

Ｈ2ガス／Ｎ2ガスを用いた場合には、図７（ａ）に示す処理前のプロファイルに対し、図７（ｂ）に示すようにＣＦ2、ＣＦ3が減少する一方、Ｃ−ＣあるいはＣ−Ｈの結合が増加していることが分かる。そこでその表面部について、ＲＢＳ（ラザフォードバックスキャッタリング）により膜中へのＨ（水素）の侵入深さを調べたところ、図８に示す結果が得られた。この結果からわかるように、Ｈ2ガス／Ｎ2ガスのプラズマを照射することで最表面から１０００Å程度の深さにおいて、Ｈ原子の濃度がおよそ２．５倍増加している。なお図８には示されていないが、Ｎ（窒素）原子に関しては最表面で観察されるだけでフッ素添加カーボン膜中には侵入していなかった。これに対して水素は原子半径が小さいため膜中に容易に侵入し、拡散していると推察される。従ってフッ素添加カーボン膜に水素プラズマを照射するだけで水素が膜中深く侵入し、膜組成を変化させてしまうことが分かった。

一方Ａｒガス／ＣＦ4ガスのプラズマを照射した場合には、図７（ｃ）に示すように膜表面部のＣＦ結合状態のプロファイルはほとんど変化しておらず、エッチングに形成される膜に対して水素によるダメージのおそれのないことが確認された。
（Ｃ．Ａｒガス／ＣＦ4ガスの流量比とエッチング特性との関係）
ＣＦ4ガスによるフッ素添加カーボン膜のエッチングのメカニズムを調べるために、先ずＡｒガス／ＣＦ4ガスの流量比とエッチング速度との関係を調べたところ、図９に示す結果が得られた。その他のプロセス条件については、マイクロ波パワー及びバイアスパワーが夫々１５００Ｗ及び１２５０Ｗであり、圧力が１．３３Ｐａであり、ウエハ温度が４０℃である。

図９から分かるように、ＣＦ4ガスの流量が少ないとエッチング速度が遅く、ＣＦ4ガスの添加量を増やしていくと、エッチング速度は急激に増加している。Ａｒガスだけではスパッタ作用しかなく、ケミカルな反応によるエッチングは全く起こらず、また一般にＣ（炭素）は吸着係数が高く、Ｆ（フッ素）は揮発性が高いことが知られており、今回用いたフッ素添加カーボン膜はＣ／Ｆ比が１程度とＣの比率が高いことから、スパッタだけではガス化が起こらないと考えられる。そしてＣＦ4を添加していくことで、プラズマ中にＦやＣＦといったエッチング種が発生してフッ素添加カーボン膜をエッチングし、膜表面部がＣＦ2やＣＦ3といった揮発性のガスとなって脱離し、エッチングが促進されたと推測される。
（Ｄ．高周波電力とエッチング特性との関係）
マイクロ波パワーとバイアスパワーとを変えながらフッ素添加カーボン膜のエッチング速度について等速度となるポイントをプロットして等速度線を求めたところ、図１０に示す結果が得られた。その他のプロセス条件は、上記の項目Ｃ．Ｄ．に記載した条件と同じである。この結果から分かるように、エッチング速度は、マイクロ波パワー及びバイアスパワーのいずれを大きくしても増加し、特にマイクロ波パワーを大きくすることで、急激に増加している。これは、高密度プラズマによってＣＦ4の解離が促進され、エッチング種の量が増加したことによると考えられる。

また同様にしてハードマスクであるＳｉＣＮ膜についてもエッチング速度の等速度線を求めたところ、図１１に示す結果が得られた。ＳｉＣＮ膜のエッチング速度は、フッ素添加カーボン膜と異なり、プラズマ密度にはあまり依存せずにバイアスパワーに大きく依存していることが分かる。この結果からＳｉＣＮ膜のエッチングはイオンの密度よりもイオンスパッタのエネルギーに支配されているといえる。また図１２は、図１０及び図１１の関係から導き出した選択比（フッ素添加カーボン膜のエッチング速度／ＳｉＣＮ膜のエッチング速度）について等選択比となるポイント群を結んだマップであり、この結果からフッ素添加カーボン膜のエッチングを高速で行いかつ高選択比を得るための条件は、マイクロ波パワー、即ち高密度プラズマが必要で、バイアスパワーにはほとんど依存しないことが分かった。従って図６の結果から記述の図１に示したプラズマ処理装置は、フッ素添加カーボン膜のエッチングを行うための装置として有効であることが理解される。

（Ｅ．ウエハ温度とエッチング特性との関係）
マイクロ波パワー及びバイアスパワーを夫々１５００Ｗ及び１２５０Ｗに設定し、圧力を１．３３Ｐａに設定し、Ａｒガス／ＣＦ4ガスの流量を４００／１００ｓｃｃｍに設定し、ウエハの温度を０℃と４０℃との２通りに設定して前記選択比及びエッチングされた凹部の側壁の角度に対する影響について調べたところ、図１３及び図１４に示す結果が得られた。

図１３から分かるように、ウエハの温度を高くすると選択比が向上する。これはＳｉＣＮ膜のエッチング速度がウエハの温度上昇に伴って減少したためである。即ち、ウエハ温度の上昇に伴いエッチング時におけるＳｉＣＮ膜表面のデポジション（堆積物）の量が減少し、それによってエッチング反応が抑制されたためと考えられる。ここでもし堆積物が保護膜として働くならばウエハ温度の上昇により堆積物が薄くなってＳｉＣＮ膜のエッチング速度が大きくなり、選択比は小さくなるはずである。従ってＳｉＣＮ膜のエッチングのメカニズムは、ＳｉＣＮ膜の表面に付着した堆積物が保護膜として働くのではなく、ＳｉＯ2のエッチングのメカニズムのように、ＳｉＣＮ膜の表面にＣＦ化合物が堆積し、その堆積物と一緒にＳｉＣＮ膜が剥がれていくものと推測される。

また図１４から分かるようにウエハ温度が高くなると凹部の側壁のウエハ表面に対する角度が垂直に近付いてくる。これは温度が上昇することでエッチング生成物がエッチングされた部分の側壁に吸着せずに排気されるという一般的な反応であると思われる。
（Ｆ．エッチング形状の観察及び他の処理ガスによるエッチング）
マイクロ波パワー及びバイアスパワーを夫々１５００Ｗ及び１２５０Ｗに設定し、圧力を１．３３Ｐａに設定し、Ａｒガス／ＣＦ4ガスの流量を４００／１００ｓｃｃｍに設定し、ウエハの温度を４０℃に設定して、先ずフッ素添加カーボン膜の上に形成されているハードマスクであるＳｉＣＮ膜をエッチングして除去し、次いでフッ素添加カーボン膜をエッチングした。フッ素添加カーボン膜及びハードマスクの膜厚は夫々５０００Å及び１０００Åである。このプロセスを実施例F−1とする。

ＣＦ4ガスの代わりにＣ4Ｆ8ガスを用い、更にＡｒガス及びＯ2ガスを用い、Ａｒガス／Ｃ4Ｆ8ガス／Ｏ2ガスの流量を１０００／１５／１０ｓｃｃｍに設定すると共に圧力を２．６６Ｐａに設定し、その他は実施例F−1と同様にしてエッチングを行った。このプロセスを実施例F−2とする。

Ｏ2ガスの代わりにＮ2ガスを用いた他は実施例F−2と同様にしてエッチングを行った。このプロセスを実施例F−3とする。

実施例F−1において得られた凹部の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で確認したところ、図１５に示す形状であり、側壁の角度θは８７度と高い垂直性が得られた。また実施例F−2及び実施例F−3についても同等の結果であった。各例におけるエッチング速度（エッチレート）及び前記選択比については以下の通りであった。エッチングの単位はÅ／分である。

ＣＦ膜のエッチレート ＳｉＣＮ膜のエッチレート 選択比
実施例F−1 １００４０ ２０９０ ４．８
実施例F−2 ３２７４ ４９６ ６．６
実施例F−3 ２３０１ ３１８ ７．２
（Ｇ．レジスト膜のエッチングによるフッ素添加カーボン膜への影響）
実施例F−1のようにしてフッ素添加カーボン膜を除去した後、Ａｒガス、Ｎ2ガス及びＯ2ガスを夫々４００ｓｃｃｍ、１００ｓｃｃｍ及び５０ｓｃｃｍの流量で処理容器内に供給すると共に圧力を２．６６Ｐａに設定し、更にマイクロ波パワー及びバイアスパワーを夫々１５００Ｗ及び５００Ｗに設定し、かつウエハの温度を４０℃に設定してレジスト膜をエッチングし除去した。フッ素添加カーボン膜の凹部について形状を調べたところ、レジスト膜のエッチング前とほぼ同じ形状であり、アンダーカットは起こっていなかった。この例は、図５に示す他の実施の形態に対応する実験であり、レジスト膜のエッチング時にバイアス電力を載置台に印加することが有効であることが分かる。

以上の実験結果から、フッ素添加カーボン膜をＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスのプラズマによりエッチングすれば、良好な凹部の形状が得られ、また水素の混入による問題もなく、更にハードマスクに対しても高い選択比が得られることが裏付けられている。

本発明の実施の形態に用いられるプラズマ処理装置の一例を示す縦断側面図である。 上記のプラズマ処理装置に用いられるガス供給部を示す平面図である。 上記のプラズマ処理装置に用いられるアンテナ部を一部断面で示す斜視図である。 本発明の実施の形態にかかるフッ素添加カーボン膜をエッチングする様子を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態にかかるフッ素添加カーボン膜をエッチングする様子を示す説明図である。 上記のプラズマ処理装置内のプラズマ電子密度分布を示す説明図である。 フッ素添加カーボン膜の表面部のＸＰＳの分析結果を示す説明図である。 Ｈ2／Ｎ2ガスを用いてプラズマ処理したフッ素添加カーボン膜のＲＢＳの分析結果を示す説明図である。 ＣＦ4ガスのＡｒガスによる希釈率とフッ素添加カーボン膜のエッチング速度との関係を示す説明図である。 フッ素添加カーボン膜のエッチング速度のマップを示す説明図である。 ハードマスクであるＳｉＣＮのエッチング速度のマップを示す説明図である。 フッ素添加カーボン膜／ＳｉＣＮ膜の選択比のマップを示す説明図である。 載置台の温度とフッ素添加カーボン膜／ＳｉＣＮ膜の選択比との関係を示す説明図である。 載置台の温度とフッ素添加カーボン膜の側壁の傾きとの関係を示す説明図である。 本発明方法によりフッ素添加カーボン膜に対してエッチングを行って得られた凹部の観察結果を示す説明図である。

符号の説明

１ 処理容器
２ 載置台
２７ バイアス用の高周波電源部
３ ガス供給部
３１ ガス供給孔
４ 石英プレート
４１ 同軸導波管
４２ マイクロ波発生手段
５ アンテナ部
５１ 平面アンテナ部材
６１、６５ フッ素添加カーボン膜
６２、６４ ハードマスク
６３ レジスト膜

Claims (7)

1. 半導体装置を製造するための基板上に形成されたフッ素添加カーボン膜をＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスを含む処理ガスのプラズマによりエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. フッ素添加カーボン膜、ハードマスク及びパターンを形成するレジスト膜がこの順に積層され、半導体装置を製造するための基板をエッチングする方法において、
   前記ハードマスクをエッチングして除去する工程と、
   次いでＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスを含む処理ガスのプラズマにより前記フッ素添加カーボン膜をエッチングして除去する工程と、
   前記レジスト膜をエッチングして除去する工程と、を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。
3. 前記ハードマスクをエッチングする工程は、ＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスを含む処理ガスのプラズマが用いられることを特徴とする請求項２記載のプラズマエッチング方法。
4. 前記ハードマスクをエッチングして除去する工程は、ハードマスクをエッチングしてハードマスクの一部を残す第１の段階と、残りのハードマスクをエッチングして除去する第２の段階と、に分かれており、
   前記レジスト膜をエッチングする工程は、第１の段階と第２の段階との間に行われることを特徴とする請求項２または３記載のプラズマエッチング方法。
5. 前記レジスト膜をエッチングする工程は、酸素の活性種を含むプラズマを用いて行われることを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
6. 前記レジスト膜をエッチングする工程は、フッ素添加カーボン膜をエッチングして除去した後、酸素の活性種を含むプラズマを用いると共に、基板にバイアス電力を印加して下地膜であるハードマスクをプラズマ中の活性種によりスパッタしながら行われることを特徴とする請求項２または３記載のプラズマエッチング方法。
7. フッ素添加カーボン膜のエッチングは、ＣxＦy（ｘ、ｙは自然数）ガスに希ガスを添加したプラズマにより行われることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のプラズマエッチング方法。
   

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