CN1290156C - 干式显影方法 - Google Patents

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Abstract

用于在设置于真空处理容器(102)内的平行平板电极间导入处理气体、同时施加高频电力、形成处理气体的等离子体、描画形成于被处理体(150)上的抗蚀剂的干式显影，被蚀刻层(152)上部的抗蚀剂包括已经显影的含有硅的上层抗蚀剂(156)和连接地设置在上层抗蚀剂(156)下层的下层抗蚀剂(154)，通过使用一氧化碳气体和氧气的混合气体进行等离子体处理的第一工序和使用氮气和氢气的混合气体进行等离子体处理的第二工序对下层抗蚀剂(154)进行上述干式显影，由此，可在抗蚀剂上高效率地实施高精度的描画。

Description

干式显影方法
技术领域
本发明涉及干式显影方法，特别涉及有效地对以双层构成的抗蚀剂(resist)层的下层部分的抗蚀剂下工夫、以便不破坏上层的抗蚀剂层、并且使被蚀刻的图案侧壁形状为垂直形状的干式显影方法。
背景技术
近年来，在半导体元件中，高集成化发展迅速，设计规则变得非常严格。随着这种发展，即使在制造过程中进行的平版印刷工序中，也要求精度高的显影。
因此，平版印刷工序中使用的抗蚀剂，例如采用如下的构造，即，在由湿式蚀刻处理而显影的抗蚀剂层(以下，称为上层抗蚀剂)的下层，设置进行干式显影的抗蚀剂层(以下，称为下层抗蚀剂)，进而即使在基底的被蚀刻层中有台阶等，也可进行高密度的构图。
但是，在对上述那样的双层构造的下层抗蚀剂进行干式显影时，为了保持精度，需要充分蚀刻下层抗蚀剂，而不会因蚀刻破坏上层抗蚀剂。此时，不可缺少的是，形成于下层抗蚀剂上的图案侧壁为垂直形状，而且保持设计状态的尺寸，再有，提高下层的被蚀刻膜的加工精度。
图4是示意地表示按照现有方法进行显影时的被处理体10的剖面图。图4(a)是例如通过氧气等进行反应性离子蚀刻的情况，图4(b)是例如使用氮气和氢气的混合气体进行蚀刻的情况。这里，被处理体10包括表面上的上层抗蚀剂16、其下层的下层抗蚀剂14、以及再下层的被蚀刻层12。
如图4(a)所示，由于在氧气的蚀刻中进行各向异性少的各向同性的蚀刻，所以存在着在下层抗蚀剂14的图案侧壁上发生被称为凹切(undercut)和弯曲的削除现象的问题。
因此，为了不发生上述的削除现象，有用低功率进行蚀刻的方法。但是，由于蚀刻时的功率降低，所以蚀刻速率下降，存在效率差的缺点。
此外，如图4(b)所示，在使用氮气和氢气的混合气体的蚀刻中，可防止侧壁的凹切等，但下层抗蚀剂14相对于上层抗蚀剂16的蚀刻选择性小，使在上层抗蚀剂16中形成的图案被破坏，下层抗蚀剂14的加工精度下降，而且存在着降低其下层的被蚀刻层12的蚀刻精度的问题。
发明内容
本发明是鉴于现有的干式显影方法具有的上述问题而提出的发明，本发明的目的在于提供一种加工精度优异、效率高、新颖且改进的干式显影方法。
为了达到上述目的，根据本发明，提供一种干式显影方法，在真空容器内导入处理气体，同时施加高频电力，形成处理气体的等离子体，并描画形成于被处理体上的抗蚀剂，其中，抗蚀剂包括已形成了描画图案的含有硅的第一抗蚀剂层、和设置在第一抗蚀剂层下层的第二抗蚀剂层，第二抗蚀剂层，通过使用一氧化碳气体和氧气的混合气体进行等离子体处理的第一工序，进行干式显影，并且在第一工序后通过使用氮气和氢气的混合气体进行等离子体处理的第二工序，进一步进行干式显影。根据这样的构成，将在含有硅的第一抗蚀剂层上所含有的硅进行氧化，可以防止显影时第一抗蚀剂层的破坏，并且，可防止第二抗蚀剂层的凹切或弯曲，以垂直形状形成精度高的图案。
优选为在第一工序中，第二抗蚀剂层与第一抗蚀剂层的等离子体处理时的蚀刻速度之比在10以上。例如，这可以通过在第一工序中使一氧化碳气体与氧气的流量比在0.2以上5以下，使所施加的高频电力密度在0.32W/cm2以上3.18W/cm2以下，使施加高频电力的下部电极的载置被处理体的载置台温度在-30℃以上20℃以下来实现。
在上述第一工序中，在第二抗蚀剂层的上端附近形成凹切，在第二工序中，在第二抗蚀剂层的下端部分形成与第一抗蚀剂的描画图案尺寸大致相同的描画图案。该凹切可通过第一工序的处理时间、一氧化碳气体和氧气的流量比、施加于下部电极上的高频电力来控制。此外，也可以通过第一工序和第二工序进行描画图案的微调(trimming)。
与通过第一和第二工序、第一抗蚀剂层被蚀刻的膜厚合计相比，第一抗蚀剂层的厚度形成得厚。根据这样的构成，在第二工序实施中不会出现第一抗蚀剂层消失的部分的危险性。上述干式显影方法中的等离子体的形成可在真空处理容器内形成的平行平板电极间进行。根据这样的构成，可防止第一抗蚀剂层的破坏，提高第二抗蚀剂层的蚀刻速率，而且可进行精度和效率高的干式显影。
附图说明
图1是表示本发明的蚀刻装置的剖面示意图。
图2是表示进行干式显影前的被处理体的剖面示意图。
图3是表示进行了干式显影后的被处理体的剖面示意图。
图4是示意性地表示按照现有的方法进行显影后的被处理体的剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的干式显影方法的优选实施方式。再有，在本说明书和附图中，通过对于实质上具有同一功能结构的构成部件附以同一符号来省略重复说明。
首先，参照图1，说明可采用本发明的蚀刻装置100的整体结构。图1所示的蚀刻装置100的处理容器102例如由对表面已实施了阳极氧化处理并形成了氧化铝膜层的铝构成，并且被接地。
在处理容器102内，配置着载置被处理体例如半导体晶片(以下称为‘晶片’)W的兼作基座的下部电极104。而且，在图1所示的例子中，下部电极104的载置面以外的部分，被例如由陶瓷构成的绝缘部件105和例如由铝构成的导电部件107所覆盖。
下部电极104通过升降轴106的驱动形成可上下自由移动的结构。而且，在导电部件107和处理容器102之间，设置例如由不锈钢构成的波纹管109。
由于将与波纹管109电接触的导电部件107和处理容器102的表面的氧化铝膜层除去，所以导电部件107通过波纹管109和处理容器102被接地。而且，还设置有波纹管罩111，以包围导电部件107的侧面和波纹管109。
如图1所示，在下部电极104的载置面上，设置有连接到高压直流电源108的静电吸盘110，同时，配置绝缘性的聚焦环112，以包围静电吸盘110。
在下部电极104上，通过匹配器116连接输出高频电力的高频电源118。在下部电极104的侧方，配置排气环120，在图示的例子中，排气环120被聚焦环112和导电部件107所夹持，同时由导电性的弹簧(未图示)固定在导电部件107的上部。
排气环120通过导电部件107、波纹管109和处理容器102被接地，所以可以使排气环120和处理容器102内壁大致为同电位(接地电位)。其结果，排气环120、排气环120上方的处理容器102内壁具有作为下部电极104的对抗电极的功能，所以可以将等离子体封闭在排气环120的上部即后述的处理空间122内。
在与下部电极104的载置面对置的处理容器102内的内壁面上，设置有上部电极126。而且，在上部电极126上，设置有多个气体排出孔126a，同时，在气体排出孔126a上，连接有供给处理气体的未图示的气体供给源。因此，处理气体经过气体排出孔126a供给到处理空间122内。
在处理容器102内的下方，连接着连接到未图示的抽真空机构的排气管128。因此，将处理空间112内部通过排气环120的缝隙120a、排气通路124、排气管128进行抽真空。在处理容器102的外部，配置磁体130，以包围在下部电极104和上部电极126之间形成的等离子体区域。
下面，说明本实施方式的进行干式显影方法的抗蚀剂及其蚀刻条件。图2是表示进行干式显影前的被处理体150的剖面示意图。被处理体例如使用由直径为200mm的硅(Si)构成的晶片W。
如图2所示，在表面上，例如通过湿式蚀刻来进行图案描画，形成含有硅的抗蚀剂层(以下，称为上层抗蚀剂)156。作为形成含有硅的上层抗蚀剂156的方法来说，例如有预先形成含有硅的抗蚀剂膜并对其进行构图的方法、通过一般使用的抗蚀剂材料来形成抗蚀剂膜并对其进行构图后将其表面硅烷化的方法。
作为前者的方法即预先对含有硅的抗蚀剂膜进行构图的方法中的抗蚀剂膜的材料来说，例如可采用在水性碱可溶性Polysilsesquioxane(ポリシルセスキオキサン)中化学性地附着重氮光活性化合物的正型抗蚀剂、在水性碱可溶性Polysilsesquioxane中化学性地附着酸感应性t-丁氧基羰基(t-butyloxylcarbonyl)的正型抗蚀剂、在水性碱可溶性Polysilsesquioxane中化学性地附着叠氮官能基的负型抗蚀剂、包含具有酚基的水性碱可溶性含硅聚合物和交联材料及酸发生剂的负型抗蚀剂等。
作为后者的方法、即对普通的抗蚀剂膜进行构图后进行硅烷化的方法中的硅烷化方法来说，例如有暴露在作为硅烷化剂的含有六甲基二硅氨烷、或四甲基二硅氨烷的环境气体中的方法、暴露在硅烷、乙硅烷、二氯硅烷等含有硅的气体的等离子体中的方法。
上层抗蚀剂156例如形成250nm的厚度，以使其在干式显影结束后没有消失的部分。这里形成的图案宽度R1例如为150nm。
在其下层，设置有按照本发明的干式显影方法进行显影的下层抗蚀剂154。下层抗蚀剂154的材料例如可以使用以酚醛树脂、甲酚醛树脂、1-甲氧基-2-丙醇等为主要成分的普通抗蚀剂材料。下层抗蚀剂154的膜厚例如形成为820nm的厚度。
而且，在其下层，例如形成硅氧化膜(SiO2膜)等被蚀刻层152。被蚀刻层152例如也可以是用于金属布线的Al膜等。
本发明的干式显影方法以具有两个工序为特征。第一工序使用一氧化碳气体和氧气的混合气体来进行。这是因为将上层抗蚀剂156的表面进行氧化并成为形成氧化硅膜的状态，防止在第二工序中破坏上层抗蚀剂156。
第一工序的蚀刻条件例如是处理室102内的真空度为15mT，处理气体使用流量都为60sccm的CO气体和O2气体的混合气体。将包含上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，将下部电极104的载置面温度调整到0℃。上部电极126和下部电极104的距离为27mm。此外，晶片中心背面冷却气体压力为7Torr，晶片边缘背面冷却气体压力为40Torr。而且，在下部电极104上施加240W(0.76W/cm2)的高频电力，处理时间为30秒。
在该第一工序中，由于容易产生弯曲和凹切，所以缩短处理时间，将上层抗蚀剂156的表面进行氧化，形成氧化硅膜，并在下层抗蚀剂154上产生适度的凹切。而且，由凹切与处理时间成正比例地变化，所以可以通过调整处理时间等来进行控制。而且，通过设定可以增大上层抗蚀剂156和下层抗蚀剂154的蚀刻速度之比(以下，称为蚀刻选择比)的CO/O2混合比、高频电力、载置面的温度条件，防止在第一工序和第二工序中损伤上层抗蚀剂156。这里，将下层抗蚀剂154和上层抗蚀剂156的界面附近的向下层抗蚀剂154的横方向的蚀刻称为凹切。此外，所谓弯曲是将下层抗蚀剂154蚀刻成啤酒桶状的情形。
第二工序使用氮气和氢气的混合气体来进行。使用氮气和氢气的混合气体时，可进行各向异性大的蚀刻，但存在以略微比图案宽度窄的宽度进行蚀刻的倾向。此外，如现有技术中所述的那样，存在上层抗蚀剂156和下层抗蚀剂154的蚀刻选择性差、上层抗蚀剂156受损伤的问题。
但是，根据本实施方式的干式显影方法，在第一工序中，上层抗蚀剂156表面上含有的硅被氧化，由此可改善蚀刻选择比。此外，由于在第一工序中产生一些凹切，所以通过在第二工序中图案宽度蚀刻得窄，正好可进行上层抗蚀剂156图案那样的蚀刻。
第二工序的蚀刻条件例如是处理室102内的真空度为70mT，处理气体使用流量都为200sccm的N2气体和H2气体的混合气体。将包含上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，将下部电极104的载置面温度调整到0℃。上部电极126和下部电极104的距离为47mm。晶片中心背面冷却气体压力为7Torr，晶片边缘背面冷却气体压力为40Torr。而且，在下部电极104上施加1000W(3.18W/cm2)的高频电力，处理时间为90秒。
在第二工序中，各向异性良好，以比图案宽度稍窄的宽度进行蚀刻，由于在第一工序中产生一些凹切，所以可进行上层抗蚀剂156图案宽度那样的蚀刻，而且通过将上层抗蚀剂156表面上含有的硅进行氧化来改善蚀刻选择比，所以可高效率地进行下层抗蚀剂154的蚀刻。
表1中表示使用一氧化碳气体和氧气的混合气体并利用一个工序进行处理的上述方法1、使用氮气和氢气的混合气体并利用一个工序进行处理的上述方法2、利用上述第一工序和第二工序的两个工序进行处理的方法3的干式显影方法产生的蚀刻结果的比较。
表1
  方法1   方法2           方法3
  CO+O2   N2+H2   第一工序   第二工序
  下层E/R(nm/min.)   267   532   460   515
  上层E/R(nm/min.)   5   137   25   75
  选择比   53.5   3.9   18.4   6.9
  CD偏差(nm)   50   -75            -32
这里，E/R是蚀刻速率，单位为纳米/分钟。上层E/R是上层抗蚀剂156的角部分削除最大的部分，用图3所示的厚度T1的每单位时间的蚀刻量来表示。选择比是下层E/R与上层E/R之比。全是表示晶片中央部的蚀刻图案(椭圆形孔)的短轴方向的值。CD偏差是从蚀刻后的下层抗蚀剂154下端的图案宽度(图3的R2)中减去蚀刻前的上层抗蚀剂的图案宽度(图2的R1)后的值，表示图案宽度的变化。本发明的情况下，为-32nm，线宽度稍稍变细。
此外，上述方法1的蚀刻条件如下。首先，为了产生等离子体，进行以下工序。即，处理室102内的真空度为30mT，处理气体使用流量都为60sccm的CO气体和O2气体的混合气体。将含有上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，下部电极104的载置面温度调整到-20℃。在下部电极104上施加300W(0.96W/cm2)的高频电力，处理时间为3秒。
然后，进行以下条件的蚀刻。即，处理室102内的真空度为15mT，处理气体使用流量都为60sccm的CO气体和O2气体的混合气体。将包含上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，下部电极104的载置面温度调整到-20℃。上部电极126和下部电极104的距离为27mm。在下部电极104上施加120W(0.38W/cm2)的高频电力，处理时间为273秒。可知选择比大到53.5，CD偏差为50nm，凹切大。
上述方法2的蚀刻条件是处理室102内的真空度为70mT，处理气体使用流量都为200sccm的N2气体和H2气体的混合气体。将包含上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，下部电极104的载置面温度调整到-20℃。上部电极126和下部电极104的距离为47mm。在下部电极104上施加1000W的高频电力，处理时间为210秒。可知选择比小到3.9，CD偏差为-75nm，图案宽度蚀刻得窄。
在上述方法3的第一工序中，主要目的在于将含有硅的上层抗蚀剂中所含有的硅进行氧化和适度产生凹切，进行短时间的处理就可以。在上述方法3中，通过第一工序将上层抗蚀剂156表面上所含有的硅进行氧化，所以上层抗蚀剂156表面上所形成的SiO2膜具有作为保护膜的功能，第二工序的蚀刻选择比为6.9，与上述方法2的蚀刻选择比为3.9相比得到改善。此外，在上述方法3中，在第一工序中，适度产生凹切，所以即使在第二工序中图案宽度蚀刻得窄，其结果也可进行抗蚀剂的图案宽度那样的蚀刻。
这里，进一步详细地研讨上述方法1的处理条件和上述方法3的第一工序的处理条件。表2表示改变一氧化碳气体和氧气的流量比来进行蚀刻情况下的结果。这里，在用与上述方法1相同的条件进行用于产生等离子体的工序后，按以下条件进行蚀刻。即，将包含上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，下部电极104的载置面温度调整到-20℃。上部电极126和下部电极104的距离为27mm。在下部电极104上施加120W(0.38W/cm2)的高频电力，处理时间为273秒。此时，处理室102内的真空度为15mT，处理气体分别使用60/60、80/40、100/20(sccm/sccm)的CO气体和O2气体的混合气体。
表2
  CO/O2流量比(sccm/sccm)   60/60   80/40   100/20
  下层E/R(nm/min.)   267   222   175
  上层E/R(nm/min.)   5   7   12
  选择比   53.5   30.0   14.0
如表2所示，上述条件下所有蚀刻选择比都在10以上，上述混合气体流量比的条件可作为上述方法1的条件和上述方法3的第一工序条件来使用。但是，由于CO/O2流量比增大时选择比和蚀刻速率变小，所以优选CO/O2流量比的条件在100/20＝5以下。另一方面，CO/O2流量比减小时选择比和蚀刻速率变大，但存在凹切增大的倾向，所以优选在20/100＝0.2以上，更优选在60/60＝1.0以上。
下面，研讨有关高频电力的条件。这里，在用与上述方法1相同的条件进行用于产生等离子体的工序后，按以下处理条件进行蚀刻。即，处理室102内的真空度为15mT，处理气体使用60/60(sccm/sccm)的CO气体和O2气体的混合气体。将包含上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，下部电极104的载置面温度调整到-20℃。上部电极126和下部电极104的距离为27mm。在这样的条件下，在下部电极104上施加120W、240W、360W的高频电力，考虑到蚀刻速度，将处理时间设定为相同蚀刻量(过蚀刻率)的时间。这样，改变施加的高频电力情况下的结果示于表3。
表3
  高频电力(W)   120   240   360
  下层E/R(nm/min)   267   480   625
  上层E/R(nm/min)   5   25   32
  选择比   53.5   19.2   19.2
如表3所示，在上述条件中所有蚀刻选择比都在10以上，上述高频电力的条件可作为上述方法1的条件和上述方法3的第一工序的条件来使用。但是，由于高频电力增大时离子的拉入能量增大，所以蚀刻速率变大，蚀刻形状的各向异性增加，但存在选择比减小的倾向。因此，优选在1000W(3.18W/cm2)以下，更优选在400W(1.27W/cm2)以下。此外，高频电力减小时蚀刻速率变小，选择比增大，但各向异性有些下降，并存在凹切增大的倾向，所以优选在100W(0.32W/cm2)以上。
下面，研讨下部电极104的载置面的温度条件。这里，在用与上述方法1相同的条件进行用于产生等离子体的工序后，按以下条件进行蚀刻。即，处理室102内的真空度为15mT，处理气体使用80/40(sccm/sccm)的CO气体和O2气体的混合气体。上部电极126和下部电极104的距离为27mm。在下部电极104上，施加120W的高频电力，考虑到蚀刻速度，将处理时间设定为相同蚀刻量(过蚀刻率)的时间。在这样的条件下，将包含上部电极126的处理容器102的内壁面温度调整到60℃，下部电极104的载置面温度调整到0℃和-20℃。这样，改变下部电极104的载置面温度情况下的结果示于表4。
表4
  下部电极温度(℃) 0 -20
  下层E/R(nm/min.)   205   230
  上层E/R(nm/min.)   12   10
  选择比   16.4   23.0
如表4那样，在上述条件中所有蚀刻选择比都在10以上，上述下部电极温度条件可作为上述方法1和上述方法3的第一工序条件来使用。但是，下部电极的载置面温度升高时沉积变少，选择比变小，而且各向异性有些下降，并存在凹切增大的倾向，所以优选在-30℃以上20℃以下，更优选在0℃以下。
由上述结果，在上述方法1和上述方法3的第一工序中，从在下层抗蚀剂154的上端附近形成适度的凹切，并且在上述方法3的第二工序中可进行上层抗蚀剂156图案那样的蚀刻，从这样的观点来看，可判断为一氧化碳气体与氧气的流量比在0.2以上5以下，施加的高频电力密度在120W(0.32W/cm2)以上1000W(3.18W/cm2)以下，施加高频电力的下部电极的载置被处理体的载置台温度在-30℃以上20℃以下是合适的。
这样，根据本发明的干式显影方法，可将抗蚀剂中被描画的图案侧壁保持垂直形状，并且是蚀刻效率高的干式显影方法。此外，在本发明中，通过在上述方法3中改变第一工序的CO/O2流量比、施加于下部电极上的高频电力、下部电极温度、以及处理时间，可控制第二工序后的下层抗蚀剂154下端图案宽度(图3的R2)，并可进行微调。
以上，参照附图说明了本发明的干式显影方法的优选实施方式，但本发明不限定于这样的例子。很明显，只要是本领域技术人员，就可以在权利要求范围所述的技术思想的范畴内想到各种变更例或修正例，它们当然属于本发明的技术范围。
例如，蚀刻条件和抗蚀剂的膜厚等有装置依赖性，不限定于上述例子。为了获得同样的效果，应根据使用的装置来决定。
产业上的可利用性
可适用于不破坏上层的抗蚀剂层、被蚀刻的图案侧壁的形状为垂直形状、并且尺寸精度高地蚀刻由双层构成的抗蚀剂层的下层部分的抗蚀剂的干式显影方法。

Claims (12)

1.一种干式显影方法，在真空容器内导入处理气体，同时施加高频电力，形成所述处理气体的等离子体，并描画形成于被处理体上的抗蚀剂，其特征在于：
所述抗蚀剂包括：已形成了描画图案的含有硅的第一抗蚀剂层；设置在所述第一抗蚀剂层下层的第二抗蚀剂层；
所述第二抗蚀剂层，通过使用一氧化碳气体和氧气的混合气体进行等离子体处理的第一工序，进行干式显影，并且在所述第一工序后通过使用氮气和氢气的混合气体进行等离子体处理的第二工序，进一步进行干式显影。
2.如权利要求1所述的干式显影方法，其特征在于：在所述第一工序中，所述第二抗蚀剂层与所述第一抗蚀剂层的等离子体处理时的蚀刻速度之比在10以上。
3.如权利要求2所述的干式显影方法，其特征在于：所述第一工序中的一氧化碳气体与氧气的流量比在0.2以上5以下。
4.如权利要求2所述的干式显影方法，其特征在于：在所述第一工序中施加的高频电力密度在0.32W/cm2以上3.18W/cm2以下。
5.如权利要求2所述的干式显影方法，其特征在于：所述第一工序中的施加所述高频电力的下部电极的载置所述被处理体的载置台温度在-30℃以上20℃以下。
6.如权利要求1所述的干式显影方法，其特征在于：
在所述第一工序中，在所述第二抗蚀剂层的上端附近形成凹切，在所述第二工序中，在所述第二抗蚀剂层的下端部分形成与所述第一抗蚀剂的描画图案尺寸大致相同的描画图案。
7.如权利要求6所述的干式显影方法，其特征在于：所述第一工序的凹切用处理时间来控制。
8.如权利要求6所述的干式显影方法，其特征在于：所述第一工序的凹切用所述第一工序中的一氧化碳气体和氧气的流量比来控制。
9.如权利要求6所述的干式显影方法，其特征在于：所述第一工序的凹切用施加于所述下部电极上的高频电力来控制。
10.如权利要求1所述的干式显影方法，其特征在于：通过所述第一工序和所述第二工序进行描画图案的微调。
11.如权利要求1所述的干式显影方法，其特征在于：与通过所述第一和第二工序、第一抗蚀剂层被蚀刻的膜厚合计相比，所述第一抗蚀剂层的厚度形成得厚。
12.如权利要求1所述的干式显影方法，其特征在于：所述等离子体的形成在设置于真空处理容器内的平行平板电极间进行。
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