JP2005303055A - エッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超微細なパターンを高精度に形成することが可能なエッチング方法を提供する
こと。
【解決手段】 シリコン酸化膜１２上にカーボン薄膜１４のパターンを形成した被処理体
に、エッチングガスとして炭素フリーのフッ素系ガスを供給し、シリコン酸化物とフッ素
との反応生成物を被処理体表面に堆積させながらシリコン酸化膜をエッチングするに当り
、シリコン酸化膜の露出面上にはカーボン薄膜のパターン上と比較して酸素組成比の大き
い反応生成物を堆積させることにより、カーボン薄膜のパターンの反転パターンをシリコ
ン酸化膜に形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリコン酸化膜のエッチング方法に関する。

近年、半導体素子の高集積化に伴い、微細かつ高精度のパターン形成に対する要求は高
まる一方である。微細パターンを高精度に形成するためには、マスクに対して被加工膜を
高い選択比でエッチングすることが有効であり、耐エッチング性の十分な炭素膜をマスク
として、フルオロカーボン系のガスで被加工膜をエッチングする技術などが、これまで提
案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このようにマスクに対する被加工膜のエッチング選択比を高めても、フォ
トリソグラフィを利用してマスクを形成する以上、微細パターンの最小加工寸法はフォト
リソグラフィの解像限界で決まる。最近では、要求される加工寸法は０．１μｍ以下のレ
ベルにまで達しており、こうした超微細なパターンを高精度に形成することは、従来極め
て困難であった。
特開平５−９０２２５号公報（請求項２、図１）

本発明は、超微細なパターンを高精度に形成することが可能なエッチング方法を提供す
ることを目的とする。

本発明の第１の側面によれば、シリコン酸化膜上にカーボン薄膜のパターンを形成した
被処理体に、エッチングガスとして炭素フリーのフッ素系ガスを供給し、シリコン酸化物
とフッ素との反応生成物を被処理体表面に堆積させながら前記シリコン酸化膜をエッチン
グするに当り、前記シリコン酸化膜の露出面上には前記カーボン薄膜のパターン上と比較
して酸素組成比の大きい反応生成物を堆積させることにより、前記カーボン薄膜のパター
ンの反転パターンを前記シリコン酸化膜に形成することを特徴とするエッチング方法が提
供される。

本発明の第２の側面によれば、シリコン酸化膜上にカーボン薄膜のパターンを形成した
被処理体をエッチングするに当り、前記シリコン酸化膜を第１のパターン開口率でエッチ
ングする場合は、エッチングガスとして炭素フリーのフッ素系ガスを用いて前記カーボン
薄膜のパターンの反転パターンを前記シリコン酸化膜に形成し、前記シリコン酸化膜を前
記第１のパターン開口率より大きい第２のパターン開口率でエッチングする場合は、エッ
チングガスとしてフルオロカーボン系ガスを用いて前記カーボン薄膜のパターンの転写パ
ターンを前記シリコン酸化膜に形成することを特徴とするエッチング方法が提供される。

本発明の側面によれば、超微細なパターンを高精度に形成することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

フォトリソグラフィの解像限界に阻まれることなく微細パターン形成を実現するものに、
被加工膜上におけるマスクのパターン寸法を縮小するスリミング技術がある。ここで図１
に、スリミング技術を利用してパターンを形成する一例の工程断面図を示す。

まず図１（ａ）に示すように、図示しない半導体素子等が形成されたシリコン基板１上
に、被加工膜としてシリコン酸化膜２を熱酸化により５０ｎｍの厚さで堆積する。次いで
、シリコン酸化膜２上にカーボン薄膜４を２０ｎｍの厚さで塗布し、さらにフォトリソグ
ラフィを利用して、カーボン薄膜４上にアセタール系、あるいはアニーリング系のフォト
レジスト膜のラインアンドスペースパターン３をライン幅８０ｎｍ、ピッチ２５０ｎｍで
形成する。

次に、エッチングガスとしてＯ2、ＨＢｒ等を用いたプラズマ処理により、フォトレジ
スト膜のスリミングを行なう。ここでは、例えばＯ2／ＨＢｒの各ガス流量３０／８０ｓ
ｃｃｍ、ドライエッチング装置のチャンバ内圧力４ｍＴｏｒｒ、ドライエッチング装置の
高周波パワー５００Ｗの条件で、４０秒処理することにより、フォトレジスト膜のライン
アンドスペースパターン３のパターン寸法が幅、厚さとも縮小する。

次いで、エッチングガスとしてＮ2、Ｏ2等を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）に
より、縮小したフォトレジスト膜のラインアンドスペースパターン３をカーボン薄膜４に
転写する。この後、得られたカーボン薄膜４のパターン上のフォトレジスト膜にアッシン
グ処理を施して、フォトレジスト膜のラインアンドスペースパターン３は除去する。この
結果図１（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜２上にライン幅４０ｎｍ、厚さ２０ｎｍの
カーボン薄膜４のパターンが形成された被処理体が得られる。

続いて、エッチングガスとしてフルオロカーボン系のＣＦ4、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、
ＣＨ３Ｆ、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ4Ｆ６、Ｃ５Ｆ８等を用いた反応性イオンエッチング
（ＲＩＥ）により、シリコン酸化膜２をエッチングする。このとき、例えばＣＦ4／Ｏ2／
Ａｒの各ガス流量８０／２０／１００ｓｃｃｍ、ドライエッチング装置のチャンバ内圧力
４０ｍＴｏｒｒ、ドライエッチング装置の高周波パワー１４００Ｗの条件で１５秒処理す
ることにより、カーボン薄膜４をマスクとしてシリコン酸化膜２を高いエッチング選択比
でエッチングすることができる。こうして図１（ｃ）に示すように、カーボン薄膜４のパ
ターンの転写パターンがシリコン酸化膜２に形成される。

すなわち、スリミング技術を利用すれば、フォトリソグラフィの解像限界を超えた微細
なライン幅を有するラインアンドスペースパターンをシリコン酸化膜に形成することがで
きる。また、孤立パターンについても、やはりフォトリソグラフィの解像限界を超えた微
細寸法の孤立パターンをシリコン酸化膜に形成することが可能となる。しかしながら、シ
リコン酸化膜にホールを加工する場合は、フォトレジスト膜やマスクとなるカーボン薄膜
に対しスリミングを行なうと、カーボン薄膜のパターンの開口部分の面積が拡大されてし
まう。従って、得られるカーボン薄膜のパターンをそのままシリコン酸化膜に転写しても
、形成されるホールがフォトリソグラフィの解像限界を超えて微細化されるわけではなく
、むしろ開口径としては逆に大きな値となる。

そこで本発明の実施形態では、カーボン薄膜のパターンの反転パターンをシリコン酸化
膜に形成するエッチングを行なうことで、シリコン酸化膜にホールを加工する場合等にお
ける微細パターン形成を実現する。具体的に、フォトリソグラフィの解像限界を超えた微
細な開口径を有するホールをシリコン酸化膜に形成する例を、図２に示す。図２は、スリ
ミング技術を利用してホール形状を有するパターンを形成するときの工程断面図である。

まず図２（ａ）に示すように、図示しない半導体素子等が形成されたシリコン基板１１
上に、被加工膜としてシリコン酸化膜１２を熱酸化により７００ｎｍの厚さで堆積する。
次いでフォトリソグラフィを利用して、シリコン酸化膜１２上にアセタール系、あるいは
アニーリング系のフォトレジスト膜の柱状パターン１３を径１００ｎｍφ、厚さ３００ｎ
ｍの孤立パターンとして形成する。

次に、アッシングガスとしてＯ2を用いて柱状パターン１３にアッシング処理を施す。
ここで、１５０℃以上２００℃以下の温度でアッシング処理を行なうことにより、フォト
レジストがカーボンに変性するとともに、そのパターン寸法が１／２程度まで縮小する。
この結果図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１２上に径約５０ｎｍφ、厚さ１０ｎ
ｍのカーボン薄膜１４のパターンが形成された被処理体が得られる。

続いて、エッチングガスとして炭素フリーのフッ素系ガスであるＳＦ6、ＳｉＦ4、ＮＦ
３等を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、シリコン酸化膜１２をエッチン
グする。ここでは、例えばＳＦ6／Ｏ2／ＳｉＦ4の各ガス流量２００／１５０／３５０ｓ
ｃｃｍ、ドライエッチング装置のチャンバ内圧力１５０ｍＴｏｒｒ、ドライエッチング装
置の高周波パワー２０００Ｗの条件で、１５０秒処理する。このとき、カーボン薄膜１４
のパターン直下の領域においては、それ以外の領域の１．４倍のレートでシリコン酸化膜
１２のエッチングが進行する。その結果、シリコン酸化膜１２の全面が厚さ約２００ｎｍ
にまで後退するとともに、フォトレジスト膜の孤立パターンを形成した領域に対応して、
カーボン薄膜１４のパターンが消失したうえで、シリコン酸化膜１２を貫通する径６０ｎ
ｍφのホールが加工される。こうして図２（ｃ）に示すように、カーボン薄膜１４のパタ
ーンの反転パターンがシリコン酸化膜１２に形成され、微細なホール形状を有するパター
ンを得ることができる。

ここで、カーボン薄膜のパターンの反転パターンがシリコン酸化膜に形成される理由は、
次のような現象によるものと考えられる。炭素フリーのフッ素系ガスをエッチングガスと
してシリコン酸化膜のＲＩＥを行なうと、シリコン酸化物とフッ素との反応生成物である
ＳｉＦ4が生成する。さらにＳｉＦ4の一部は、エッチングガス中のＯ2あるいはシリコン
酸化膜から放出されたＯ2と反応し、ＳｉＦxＯyに変化する。

このＳｉＦxＯyは、シリコン酸化膜表面への付着確率が高く、かつその組成に応じて付
着部におけるシリコン酸化膜のエッチングを促進／抑制する。具体的には、ＳｉＦxＯyの
Ｆ組成比が大きいとシリコン酸化膜のエッチングが促進され、ＳｉＦxＯyのＯ組成比が大
きいとシリコン酸化膜のエッチングが抑制される。また、ＳｉＦxＯyはＯ組成比が大きい
ほどシリコン酸化膜への付着確率が圧倒的に高くなるので、一般にはエッチング雰囲気を
Ｏ組成比が大きいＳｉＦxＯyが多量に存在する系とすることにより、シリコン酸化膜のエ
ッチングを著しく抑制することができる。

本発明の実施形態においては、カーボン薄膜のパターンが形成された領域でＣ＋Ｏ2→
ＣＯ2の反応を生じさせ、局所的にＦ組成比の大きいＳｉＦxＯyの濃度を高めている。従
って、この領域でシリコン酸化膜のエッチングが促進されるとともに、それ以外の領域の
シリコン酸化膜の露出面上にＯ組成比が大きいＳｉＦxＯyを優先的に堆積させ、シリコン
酸化膜のエッチングを大幅に抑制している。なお、カーボン薄膜のパターンが形成された
領域でＣ＋Ｏ2→ＣＯ2の反応を十分に生じさせつつ、かつその直下のシリコン酸化膜表面
にまでＳｉＦxＯyを到達させる観点から、カーボン薄膜のパターンの厚さは、３０ｎｍ以
下に設定されることが好ましい。

こうして、フォトリソグラフィの解像限界を超えた微細な開口径で、ホール形状を有する
パターンをシリコン酸化膜に形成することが可能となる。また、同様にカーボン薄膜のパ
ターンの反転パターンをシリコン酸化膜に形成するエッチングを行なうことで、フォトリ
ソグラフィの解像限界を超えた微細なスペース幅で、ラインアンドスペースパターンをシ
リコン酸化膜に形成し得る。

さらに本発明の実施形態では、シリコン酸化膜に形成するパターン形状に応じて、図１
に示される工程と図２に示される工程とを組み合わせて半導体装置等を製造することもで
きる。例えば、シリコン酸化膜を１０％未満程度のパターン開口率でエッチングする場合
は、図２に示すようにカーボン薄膜のパターンの反転パターンをシリコン酸化膜に形成し
、シリコン酸化膜を１０％以上程度のパターン開口率でエッチングする場合は、図１に示
すようにカーボン薄膜のパターンの転写パターンをシリコン酸化膜に形成する。

すなわち、このように図１及び図２に示す工程を適宜選択することで、パターン形状によ
らずシリコン酸化膜の超微細なパターンを高精度に形成することができる。

なお本発明の実施形態において、フォトレジスト膜のパターンをカーボン薄膜に転写す
ることで、あるいはフォトレジスト膜のパターンにアッシング処理を行なうことでカーボ
ン薄膜のパターンを形成したが、例えば電子ビーム照射やイオンビーム照射により直接カ
ーボン薄膜のパターンを形成してもよい。ここで、アッシング処理以外に薬液処理、ドラ
イエッチング処理、エネルギービーム処理等により、カーボン薄膜のパターンのスリミン
グを行なうことも可能である。ただし、フォトレジスト膜のパターンにアッシング処理を
行なうことによりカーボン薄膜のパターンを形成すれば、フォトレジスト膜のカーボン薄
膜への変性と同時にパターン寸法を縮小でき、工程簡略化の点で有利となる。

さらに本発明は、上述したような実施形態に何ら限定されるものではない。本発明の実
施形態の変形例として、通常のフォトリソグラフィにより解像可能な寸法のパターンを形
成する場合は、スリミングを行なうことなく図１や図２に示される工程と同様のエッチン
グガスを用いて、カーボン薄膜の転写／反転パターンをシリコン酸化膜に形成すればよい
。その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能であり、
例えばエッチング対象のシリコン酸化膜としては、フッ素を含有するＦＳＧ膜等であって
もよい。

スリミング技術を利用してパターンを形成する一例を示す工程断面図。 スリミング技術を利用してホール形状を有するパターンを形成する例を示す工程断面図。

符号の説明

２、１２ シリコン酸化膜
４、１４ カーボン薄膜のパターン

Claims (5)

1. シリコン酸化膜上にカーボン薄膜のパターンを形成した被処理体に、エッチングガスとし
   て炭素フリーのフッ素系ガスを供給し、シリコン酸化物とフッ素との反応生成物を被処理
   体表面に堆積させながら前記シリコン酸化膜をエッチングするに当り、前記シリコン酸化
   膜の露出面上には前記カーボン薄膜のパターン上と比較して酸素組成比の大きい反応生成
   物を堆積させることにより、前記カーボン薄膜のパターンの反転パターンを前記シリコン
   酸化膜に形成することを特徴とするエッチング方法。
2. シリコン酸化膜上にカーボン薄膜のパターンを形成した被処理体をエッチングするに当り
   、前記シリコン酸化膜を第１のパターン開口率でエッチングする場合は、エッチングガス
   として炭素フリーのフッ素系ガスを用いて前記カーボン薄膜のパターンの反転パターンを
   前記シリコン酸化膜に形成し、前記シリコン酸化膜を前記第１のパターン開口率より大き
   い第２のパターン開口率でエッチングする場合は、エッチングガスとしてフルオロカーボ
   ン系ガスを用いて前記カーボン薄膜のパターンの転写パターンを前記シリコン酸化膜に形
   成することを特徴とするエッチング方法。
3. 前記シリコン酸化膜上でカーボン薄膜のパターン寸法を縮小する工程を備えたことを特徴
   とする請求項１または２記載のエッチング方法。
4. アッシング処理によりカーボン薄膜のパターン寸法を縮小することを特徴とする請求項３
   記載のエッチング方法。
5. 前記シリコン酸化膜に形成される反転パターンがホール形状を有するパターンであること
   を特徴とする請求項１または２記載のエッチング方法。

Images