JP2001274144A - ドライエッチング方法、微細加工方法及びドライエッチング用マスク - Google Patents

ドライエッチング方法、微細加工方法及びドライエッチング用マスク

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な形状の微細加工を行うことができるド
ライエッチング方法、微細加工方法及びドライエッチン
グ用マスクを提供する。 【解決手段】 含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭素
ガスを反応ガスとし、タンタル又は窒化タンタルによる
マスクを使用してエッチングを行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、半導体素
子や磁気素子等のマイクロデバイスを形成する際のドラ
イエッチング方法、このドライエッチング方法を用いた
微細加工方法及びドライエッチング用マスクに関する。
【０００２】
【従来の技術】微小半導体素子、磁気素子等のマイクロ
デバイスを製造する場合には、リソグラフィ技術及びエ
ッチング技術を組み合わせて微細加工するプロセスが多
用される。
【０００３】リソグラフィ技術は、被加工層の表面に塗
布したレジスト膜等の感光膜に微細パターンを作ってエ
ッチングマスクを形成する技術であり、エッチング技術
は、このようにして得たエッチングマスクの微細パター
ンを被加工層に転写する技術である。
【０００４】エッチング技術の１つとして、微細構造の
形成に優れており、低圧の反応ガスのプラズマを利用す
る反応性イオンエッチング法が存在する。
【０００５】例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属元素
を主成分とする磁性材料の反応性エッチングを行う場合
に反応ガスＣＦ４、ＣＣｌ４のプラズマを用いると、半
導体材料の反応性エッチングを行う場合と同様にハロゲ
ン化合物を形成する。しかしながら、遷移金属のハロゲ
ン化合物は、その結合エネルギが半導体元素のハロゲン
化合物よりもはるかに高いため、蒸発しにくいのみなら
ずスパッタリング反応を受け難いから、エッチング反応
が進み難い。
【０００６】このような問題を解消する新しい反応系と
して、一酸化炭素ガスのプラズマを使う方法が研究さ
れ、さらに、その系を改良した含窒素化合物ガスを添加
した一酸化炭素ガスを反応ガスとして用いるドライエッ
チング方法が提案されている（特開平８−２５３８８１
号公報、中谷 功、「磁性体薄膜の微細加工」、日本応
用磁気学会誌 Ｖｏｌ．２２，Ｎ０．１１，１９９８、
第１３８３頁〜第１３８９頁）。
【０００７】この公知文献には、パーマロイ薄膜上に寸
法が０．６μｍ程度の図形を加工するべくアンモニア
（ＮＨ３）ガスを添加した一酸化炭素（ＣＯ）ガスを反
応ガスとして反応性イオンエッチングを行い、比較のた
めに、シリコン（１００）単結晶及びアルミノほう珪酸
ガラスに対しても同様な反応性エッチングを行った結果
が記載されている。その記載によれば、パーマロイのエ
ッチングレートに対するシリコン（１００）単結晶のエ
ッチングレートの比は４であり、パーマロイのエッチン
グレートに対するアルミノほう珪酸ガラスのエッチング
レートの比は９である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エッチ
ング形状のさらなる微細化が進む最近のプロセスにおい
て、マスクと被加工層とがこの程度のエッチングレート
比しか有していない場合には、マスクの微細図形を良好
な形状を保ちつつ被加工層に転写することが難しい。そ
の理由は、被加工層の所望の部分が全てエッチングされ
る前に、マスク自体がエッチングされてその形状が変化
してしまうため、及びサイドエッチング等の影響により
マスクエッジからの被加工層のエッチングが進んでしま
うためである。特に、０．１μｍ以下のトレンチ幅やラ
イン幅を有する図形では、その傾向が強く、微細図形を
被加工層に良好に転写することが非常に困難となってい
る。
【０００９】従って本発明の目的は、良好な形状の微細
加工を行うことができるドライエッチング方法、微細加
工方法及びドライエッチング用マスクを提供することに
ある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、含窒素
化合物ガスを添加した一酸化炭素ガスを反応ガスとし、
タンタル又は窒化タンタルによるマスクを使用してエッ
チングを行うドライエッチング方法が提供される。
【００１１】本発明によれば、さらに、被エッチング層
上にタンタル又は窒化タンタルによるマスクを形成し、
含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭素ガスを反応ガス
として使用してエッチングを行う微細加工方法が提供さ
れる。
【００１２】含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭素ガ
スを反応ガスとしてドライエッチングを行う場合に、マ
スク材料としてエッチングレートの小さいタンタル又は
窒化タンタルを用いることにより、マスクと被エッチン
グ層とのエッチング選択比を大きくすることが可能とな
り、マスク自体がエッチングされてその形状が変化して
しまうこと、及びサイドエッチング等の影響によりマス
クエッジからのエッチングが進んでしまうことがなくな
るので、良好な形状の微細図形転写を行うことができ
る。
【００１３】マスクが、被エッチング層上にレジストパ
ターンを形成した後、タンタル又は窒化タンタルをター
ゲットとするスパッタリングを行って形成されることも
好ましい。
【００１４】マスクが、被エッチング層上にレジストパ
ターンを形成した後、少なくとも窒素ガスを含む反応性
のガスの存在下で、タンタルをターゲットとする反応性
スパッタリングを行って形成されることが好ましい。
【００１５】この反応性スパッタリングにおける反応性
のガスが、アルゴンガスと窒素ガスとからなることが好
ましい。
【００１６】本発明によれば、さらにまた、含窒素化合
物ガスを添加した一酸化炭素ガスを反応ガスとするドラ
イエッチングで使用されるマスクであって、タンタル又
は窒化タンタルによって形成されたドライエッチング用
マスクが提供される。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施形態におけ
る微細加工プロセスの一部を概略的に示す断面図であ
る。
【００１８】まず、図１（Ａ）に示すように、基板１０
上に形成された下地層１１上に微細加工すべき層である
被エッチング層１２を成膜する。
【００１９】より具体的には、例えば、３インチシリコ
ンウエハからなる基板１０上に、下地層１１としてチタ
ン（Ｔｉ）を以下の条件で成膜し、その上に被エッチン
グ層１２としてコバルトプラチナ合金（ＣｏＰｔ、Ｃ
ｏ：７５ａｔ％、Ｐｔ：２５ａｔ％）を以下の条件で成
膜する。
【００２０】 下地層の成膜条件 ターゲット ： ９９．９９５％（純度） チタン バックグラウンド圧力 ： ９×１０−６Ｐａ 流入ガス ： アルゴン ガス流量 ： ３０ｓｃｃｍ 全ガス圧 ： ０．１５Ｐａ（成膜中） 投入電力 ： ＤＣ５００Ｗ 基板温度 ： 室温（冷水による冷却のみで、温度制御なし）
【００２１】 被エッチング層の成膜条件 ターゲット ： ９９．９９５％（純度） コバルトプラチナ バックグラウンド圧力 ： ９×１０−６Ｐａ 流入ガス ： アルゴン ガス流量 ： １００ｓｃｃｍ 全ガス圧 ： ２．０Ｐａ（成膜中） 投入電力 ： ＲＦ５００Ｗ 基板温度 ： 室温（冷水による冷却のみで、温度制御なし）
【００２２】次いで、図１（Ｂ）に示すように、リソグ
ラフィ技術を用いて被エッチング層１２上に微小図形に
パターニングされたレジスト層１３を形成する。
【００２３】より具体的には、例えば、スピンコート法
によりポジ型レジスト(例えばＺＥＰ５２０、厚さ２０
０ｎｍ)を塗布し、電子ビーム露光装置を用いて微細図
形パターンを露光し、例えば日本ゼオン社のＺＥＤ−Ｎ
５０を用いて現像(例えば室温で５分)することによって
パターニングされたレジスト層１３を得る。
【００２４】次いで、図１（Ｃ）に示すように、この微
小図形にパターニングされたレジスト層１３上から、タ
ンタル（Ｔａ）によるマスク層１４を成膜する。
【００２５】より具体的には、本実施形態においては、
アルゴンガスを用いたスパッタリング法によりタンタル
膜を以下の条件で成膜する。
【００２６】 マスク層の成膜条件 ターゲット ： ９９．９９５％（純度） タンタル バックグラウンド圧力 ： ９×１０−６Ｐａ 流入ガス ： アルゴン 全ガス流量 ： ３０ｓｃｃｍ 全ガス圧 ： ０．１５Ｐａ（成膜中） 投入電力 ： ＤＣ５００Ｗ ターゲット・基板間距離： ３００ｍｍ 基板回転 ： なし 基板温度 ： 室温（冷水による冷却のみで、温度制御なし）
【００２７】次いで、図１（Ｄ）に示すように、レジス
ト層１３をリフトオフ法により除去することにより、パ
ターニングされたマスク１４´が得られる。
【００２８】より具体的には、超音波洗浄機を用いてテ
トラヒドロフラン等の溶剤中にウエハを浸すことでリフ
トオフする。
【００２９】次いで、マスク１４´を介して、アンモニ
ア及び一酸化炭素の混合ガスを反応ガスとした反応性ド
ライエッチングを行うことにより、図１（Ｅ）に示すよ
うに、パターニングされた被エッチング層１２´を得
る。
【００３０】図２は、本実施形態で用いる反応性イオン
エッチング装置の構成例を概略的に示す図である。
【００３１】同図において、２０は被加工物であるウエ
ハ、２１はウエハ２０を保持するＥＳＣステージ電極、
２２はプラズマ発生用高周波（１３．５６ＭＨｚ）電
源、２３は電磁コイル、２４はバイアス用高周波（１．
６ＭＨｚ）電源、２５は石英ベルジャ、２６は拡散チャ
ンバをそれぞれ示している。
【００３２】この反応性エッチング装置によるエッチン
グ条件は下記の通りである。
【００３３】反応性ドライエッチング条件 流入ガス ： 一酸化炭素及びアンモニア 一酸化炭素ガス流量 ： ５０ｓｃｃｍ アンモニアガス流量 ： １５０ｓｃｃｍ 全ガス圧 ： ６．０Ｐａ ソース電力 ： ３ｋＷ バイアス電力 ： １．２ｋＷ
【００３４】次いで、図１（Ｆ）に示すように、マスク
１４´を剥離することによって、所望の微小図形にパタ
ーニングされた被エッチング層１２´が得られる。
【００３５】本実施形態では、マスク１４´を構成する
材料として、タンタル（Ｔａ）を用いている。このタン
タルは、被エッチング層１２の構成材料であるコバルト
プラチナ合金（ＣｏＰｔ）に対するエッチングレートの
比（エッチング選択比）が非常に大きく、その結果、良
好な形状の微細図形転写を行うことができる。
【００３６】実際に、種々の材料に対して、アンモニア
ガスを添加した一酸化炭素ガスを反応ガスとするドライ
エッチングにおけるエッチングレートを測定した。即
ち、３インチウエハ上に二酸化珪素（ＳｉＯ２）、チタ
ン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）及びコバルトプラチナ合
金（ＣｏＰｔ）を前述した成膜条件と同様の条件で成膜
したサンプルを作成し、前述した条件で反応性ドライエ
ッチングを行ってエッチングレートを測定した。その結
果及びエッチングレートの比（エッチング選択比）が表
１に示されている。
【００３７】
【表１】
【００３８】このように、チタン（Ｔｉ）のエッチング
選択比が１２．４であるのに対して、タンタル（Ｔａ）
のエッチング選択比は２６．３である。従って、アンモ
ニアガスを添加した一酸化炭素ガスを反応ガスとする反
応性ドライエッチングにおいてタンタルをマスクとして
用いれば、マスク自体がエッチングされてその形状が変
化してしまうこと、及びサイドエッチング等の影響によ
りマスクエッジからのエッチングが進んでしまうことが
なくなり、良好な形状の微細図形転写を行うことができ
る。
【００３９】図３はマスクに従来のごとくチタン（Ｔ
ｉ）を用いてコバルトプラチナ合金を上述のような条件
で反応性ドライエッチングすることにより実際に形成し
たアイランド形状の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を表す
写真であり、図４はマスクに本実施形態のごとくタンタ
ル（Ｔａ）を用いてコバルトプラチナ合金を上述のよう
な条件で反応性ドライエッチングすることにより実際に
形成したアイランド形状のＳＥＭ像を表す写真である。
両図において、（Ａ）はエッチング後でマスク剥離前、
（Ｂ）はマスク剥離後の形状をそれぞれ示している。
【００４０】図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、チタ
ンをマスクとして用いた場合、エッチング後には実際に
はマスクが十分に残存しておらず、また、サイドエッチ
ングが進んでいるため、最終的に得られるコバルトプラ
チナ合金の各アイランドは円錐形状となっている。これ
に対して、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、タンタ
ルをマスクとして用いた場合、エッチング後にもマスク
の特に下部が十分に残存しており、最終的に得られるコ
バルトプラチナ合金の各アイランドは良好な形状を保っ
ている。
【００４１】以上述べた実施形態においては、マスクと
してタンタルを用いているが、本発明の変更態様におい
ては、タンタルの代わりに窒化タンタルを用いる。
【００４２】即ち、図１（Ｃ）において、この微小図形
にパターニングされたレジスト層１３上から、窒化タン
タル（ＴａＮ）によるマスク層１４を成膜する。
【００４３】より具体的には、窒素及びアルゴンの混合
ガスプラズマを用いた反応性スパッタリング法（成膜中
に窒化）により窒化タンタル膜を以下の条件で成膜す
る。
【００４４】 マスク層の成膜条件 ターゲット ： ９９．９９５％（純度） タンタル バックグラウンド圧力 ： ９×１０−６Ｐａ 流入ガス ： アルゴン及び窒素 全ガス流量 ： ３０ｓｃｃｍ 全ガス圧 ： ０．１５Ｐａ（成膜中） 窒素ガス流量の割合 ： ０〜６０％ 投入電力 ： ＤＣ５００Ｗ ターゲット・基板間距離： ３００ｍｍ 基板回転 ： なし 基板温度 ： 室温（冷水による冷却のみで、温度制御なし）
【００４５】この変更態様における以降の工程は、前述
した実施形態の場合と同様である。なお、窒化タンタル
を成膜する際に、反応性スパッタング法を用いず、窒化
タンタルをターゲットとする一般的なスパッタリングを
用いて成膜してもよいことは明らかである。
【００４６】窒化タンタル（ＴａＮ）は、被エッチング
層１２の構成材料であるコバルトプラチナ合金（ＣｏＰ
ｔ）に対するエッチングレートの比（エッチング選択
比）が非常に大きい。従って、この窒化タンタルを用い
てマスク１４´を構成することにより、良好な形状の微
細図形転写を行うことができる。
【００４７】なお、ドライエッチング時の反応ガスとし
て一酸化炭素ガスに添加する含窒素化合物ガスには、前
述したアンモニア（ＮＨ３）ガスの他に含窒素アミン類
ガスがある。
【００４８】また、上述した実施形態においては、磁性
体材料上に０．１μｍ以下の多数のアイランドを形成す
る例を用いて説明されているが、本発明は磁性体材料の
それ以外の微細加工、さらに、例えば半導体材料等の磁
性体材料以外の材料の微細加工にも当然に適用可能であ
る。
【００４９】以上述べた実施形態は全て本発明を例示的
に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明
は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することがで
きる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均
等範囲によってのみ規定されるものである。
【００５０】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭素ガスを反応
ガスとしてドライエッチングを行う場合に、マスク材料
としてエッチングレートの小さいタンタル又は窒化タン
タルを用いることにより、マスクと被エッチング層との
エッチング選択比を大きくすることが可能となり、マス
ク自体がエッチングされてその形状が変化してしまうこ
と、及びサイドエッチング等の影響によりマスクエッジ
からのエッチングが進んでしまうことがなくなるので、
良好な形状の微細図形転写を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における微細加工プロセス
の一部を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の実施形態で用いる反応性イオンエッチン
グ装置の構成例を概略的に示す図である。
【図３】マスクにチタンを用いてコバルトプラチナ合金
を反応性ドライエッチングすることにより実際に形成し
たアイランドの形状のＳＥＭ像を表す写真である。
【図４】マスクにタンタルを用いて、コバルトプラチナ
合金を反応性ドライエッチングすることにより実際に形
成したアイランドの形状のＳＥＭ像を表す写真である。
【符号の説明】
１０ 基板 １１ 下地層 １２ 被エッチング層 １２´ パターニングされた被エッチング層 １３ パターニングされたレジスト層 １４ マスク層 １４´ マスク ２０ ウエハ ２１ ステージ電極 ２２ プラズマ発生用高周波電源 ２３ 電磁コイル ２４ バイアス用高周波電源 ２５ 石英ベルジャ ２６ 拡散チャンバ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭素
    ガスを反応ガスとし、タンタル又は窒化タンタルによる
    マスクを使用してエッチングを行うことを特徴とするド
    ライエッチング方法。
  2. 【請求項２】 被エッチング層上にタンタルによるマス
    クを形成し、含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭素ガ
    スを反応ガスとして使用してエッチングを行うことを特
    徴とする微細加工方法。
  3. 【請求項３】 前記マスクが、前記被エッチング層上に
    レジストパターンを形成した後、タンタルをターゲット
    とするスパッタリングを行って形成されることを特徴と
    する請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 被エッチング層上に窒化タンタルによる
    マスクを形成し、含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭
    素ガスを反応ガスとして使用してエッチングを行うこと
    を特徴とする微細加工方法。
  5. 【請求項５】 前記マスクが、前記被エッチング層上に
    レジストパターンを形成した後、少なくとも窒素ガスを
    含む反応性のガスの存在下で、タンタルをターゲットと
    する反応性スパッタリングを行って形成されることを特
    徴とする請求項４に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記反応性スパッタリングにおける反応
    性のガスが、アルゴンガスと窒素ガスとからなることを
    特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記マスクが、前記被エッチング層上に
    レジストパターンを形成した後、窒化タンタルをターゲ
    ットとするスパッタリングを行って形成されることを特
    徴とする請求項４に記載の方法。
  8. 【請求項８】 含窒素化合物ガスを添加した一酸化炭素
    ガスを反応ガスとするドライエッチングで使用されるマ
    スクであって、タンタル又は窒化タンタルによって形成
    されていることを特徴とするドライエッチング用マス
    ク。
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