JP2006032908A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工程数の増大による生産性の低下を招くことなく、微小径の孔等のパターンを形成することができ、集積度の高い半導体装置を生産性良く製造することのできる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体ウエハ１００の上には、ＳｉＣ膜１０１、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２、ＴＥＯＳ酸化膜１０３、有機系反射防止膜１０４が、下側からこの順で形成されている。また、反射防止膜１０４の上には、所定の開口パターンが形成されＡｒＦレジストからなるマスク層１０５が形成されている。図２（ａ）の状態から、マスク層１０５を介して有機系反射防止膜１０４のエッチングを行い、図２（ｂ）の状態とする時、プラズマを発生させるために印加する高周波電力の印加電力を変化させることによって、反射防止膜１０４に形成される開口部の開口寸法を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、所定形状に形成されたフォトレジストをマスクとしてプラズマエッチングすることによって微細な回路パターンの形成を行う半導体装置の製造方法に関する。

従来から、半導体装置の製造工程における回路パターンの形成等では、フォトレジストを用い、所望のパターンを露光、現像処理等によって転写するフォトリソグラフィー技術が利用されている。すなわち、このフォトリソグラフィー技術により、フォトレジストからなるレジスト膜を所定形状にしてマスクを形成し、このマスクを介してプラズマエッチング等を行うことによって、レジスト膜の下側の層に所定形状の凹部や凸部を形成することが行われている。

上記のようなフォトリソグラフィー技術は、露光に使用する光の波長等の関係から、その解像度に一定の限界があり、その解像度の限界以下の寸法の開口部等をレジスト膜に形成することは困難である。

このため、フォトリソグラフィー技術により、レジスト膜を所定形状に形成した後、ＣＶＤ等によって基板全面にポリマー層を形成し、このポリマー層を異方性エッチングすることによってレジスト膜の側壁部のポリマー層のみを残存させ、このポリマー層が残存して開口径が小さくなったマスクを使用してエッチングを行うことにより、フォトリソグラフィー技術における解像度の限界以下の幅の溝や孔を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、フォトリソグラフィー技術において、レジスト膜内での多重干渉に起因する定在波の発生を防止する等のために、反射防止膜（ＢＡＲＣ）を用いることも行われている。さらに、この反射防止膜をＣＦ₄ ガスとＯ₂ ガスとを含むガスを用いてプラズマエッチングすることにより、反射防止膜及びレジスト膜を横方向にトリミングし、最初のレジスト膜のパターンの幅より狭い線幅の配線等を形成する技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開2002−110654号公報（２−５頁、１−６図） 国際公開第03／007357号パンフレット（明細書９−18頁、１−７図）

上述した背景技術のうち、反射防止膜及びレジスト膜を横方向にトリミングする技術では、レジストパターンの幅より狭い線幅の配線を形成することができるが、例えば、下層にエッチングによって孔を形成する場合に、その孔の開口径を、レジストパターンの開口径より小さくするようなことはできない。

また、ＣＶＤ等によって基板全面にポリマー層を形成し、このポリマー層を異方性エッチングすることによってレジスト膜の側壁部のポリマー層のみを残存させる方法では、ＣＶＤによるポリマー層の形成工程、その後の異方性エッチング工程等の工程を必要とし、工程数の増大により生産性が低下するという課題がある。

本発明は、上記のような従来の事情に対処してなされたもので、工程数の増大による生産性の低下を招くことなく、微小径の孔等のパターンを形成することができ、集積度の高い半導体装置を生産性良く製造することのできる半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。

請求項１の半導体装置の製造方法は、処理ガスに第１の周波数を有する第１の高周波を印加して前記処理ガスのプラズマを発生させ、前記第１の周波数より周波数の低い第２の周波数を有する第２の高周波を被処理基板に印加し、前記被処理基板の表面に形成された所定の開口パターンを有するレジスト膜をマスクにして、前記レジスト膜の下に形成された被エッチング層をエッチングする半導体装置の製造方法において、前記第１の高周波の印加電力を変化させることによって、前記被エッチング層に形成される開口部の開口寸法を制御することを特徴とする。

また、請求項２の半導体装置の製造方法は、請求項１において、エッチングにより形成される前記被エッチング層の開口部の開口寸法は、エッチング前の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする。

また、請求項３の半導体装置の製造方法は、請求項２において、エッチング後の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法は、エッチング前の当該レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする。

また、請求項４の半導体装置の製造方法は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記処理ガスは少なくともＣＦ₄ ガスを含むことを特徴とする。

また、請求項５の半導体装置の製造方法は、請求項１〜４のいずれかにおいて、前記被エッチング層が、有機材料からなる反射防止膜であることを特徴とする。

また、請求項６の半導体装置の製造方法は、請求項５において、前記有機材料からなる反射防止膜をエッチングした後、当該有機材料からなる反射防止膜及び前記レジスト膜をマスクとして、露出した下地をエッチングすることを特徴とする。

また、請求項７の半導体装置の製造方法は、請求項１〜６のいずれかにおいて、前記被エッチング層をエッチングする際に、上部電極と下部電極が略平行に配設された平行平板型のプラズマエッチング装置を用い、前記第１の高周波を前記上部電極に印加し、前記第２の高周波を前記被処理基板が載置された前記下部電極に印加することを特徴とする。

また、請求項８の半導体装置の製造方法は、請求項７において、前記第１の周波数が１３．５６〜１００ＭＨｚであり、前記第１の高周波の電力密度が１．６３×１０^-2〜４．８９×１０^-2Ｗ／ｃｍ² であることを特徴とする。

また、請求項９の半導体装置の製造方法は、請求項７又は８において、前記第２の周波数が０．８〜２７．１２ＭＨｚであり、前記第２の高周波の電力密度が２．０×１０^-2Ｗ／ｃｍ² 以下であることを特徴とする。

また、請求項１０の半導体装置の製造方法は、請求項６において、前記下地を、フルオロカーボンガスと、水素ガスとを含むエッチングガスを用いてプラズマエッチングすることを特徴とする。

また、請求項１１の半導体装置の製造方法は、請求項１０において、前記フルオロカーボンガスが、ＣＦ₄ガスであることを特徴とする。

また、請求項１２の半導体装置の製造方法は、請求項１０又は１１において、前記下地がＳｉＣＯ膜を含むことを特徴とする。

また、請求項１３の半導体装置の製造方法は、請求項１２において、前記下地のＳｉＣＯ膜の上にＴＥＯＳ酸化膜が形成されていることを特徴とする。

また、請求項１４の半導体装置の製造方法は、請求項１０〜１３のいずれかにおいて、エッチングにより形成される前記下地の開口部の開口寸法は、前記有機材料からなる反射防止膜のエッチング前の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする。

また、請求項１５の半導体装置の製造方法は、被処理基板の表面に形成された所定の開口パターンを有するレジスト膜をマスクにして、前記レジスト膜の下に形成された有機材料からなる反射防止膜をエッチングした後、当該有機材料からなる反射防止膜及び前記レジスト膜をマスクとして、露出した下地をエッチングする半導体装置の製造方法であって、 前記下地が、ＳｉＣＯ膜を含み、この下地を、フルオロカーボンガスと、水素ガスとを含むエッチングガスを用いてプラズマエッチングすることを特徴とする。

また、請求項１６の半導体装置の製造方法は、請求項１５において、前記フルオロカーボンガスが、ＣＦ₄ガスであることを特徴とする。

また、請求項１７の半導体装置の製造方法は、請求項１５又は１６において、前記下地のＳｉＣＯ膜の上にＴＥＯＳ酸化膜が形成されていることを特徴とする。

また、請求項１８の半導体装置の製造方法は、請求項１５〜１７のいずれかにおいて、エッチングにより形成される前記下地の開口部の開口寸法は、前記有機材料からなる反射防止膜のエッチング前の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする。

本発明によれば、工程数の増大による生産性の低下を招くことなく、微小径の孔等のパターンを形成することができ、集積度の高い半導体装置を生産性良く製造することのできる半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の半導体装置の製造方法の詳細を、実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に用いるプラズマエッチング装置の構成を示すものである。同図に示すように、プラズマエッチング装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用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構成されている。

このプラズマエッチング装置１は、例えば表面が陽極酸化処理（アルマイト処理）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内の底部にはセラミックスなどの絶縁板３を介して、半導体ウエハＷを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられている。このサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。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が設けられている。そして、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、排出管９から排出される。このような温度調節媒体の循環により、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、その上側中央部が凸状の円板状に成形され、その上に半導体ウエハ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いる。静電チャック１１は、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半導体ウエハ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、被処理体である半導体ウエハＷの裏面に、伝熱媒体（例えばＨｅガスなど）を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と半導体ウエハＷとの間の熱伝達がなされ、半導体ウエハ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上に載置された半導体ウエハ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、セラミックス或いは石英などの絶縁性材料或いは導電性材料からなり、エッチングの均一性を向上させるようになっている。

また、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の内部に支持されている。上部電極２１は、サセプタ５との対向面を構成し多数の吐出孔２３を有する電極板２４（例えば石英からなる）と、この電極板２４を支持する電極支持体２５（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）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が設けられている。このガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されている。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が接続されている。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。なお、図１には、上記の処理ガス供給源３０等からなる処理ガス供給系を１つのみ図示しているが、これらの処理ガス供給系は複数設けられており、例えば、ＣＦ₄ 、ＣＨＦ₃ 、Ｃ₄ Ｆ₈ 、Ｈ₂ 、Ａｒ、Ｎ₂ 等のガスを夫々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。

一方、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等の真空ポンブを備えており、チャンバー２内を所定の減圧雰囲気（例えば０．６７Ｐａ以下）まで真空引き可能に構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられている。このゲートバルブ３２を開にした状態で、半導体ウエハ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が介挿されている。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、１３．５６〜１００ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このように高い周波数の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、従来より低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の周波数が採用される。

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が介挿されている。この第２の高周波電源５０は、上記した第１の高周波電源４０より低い周波数、例えば、８００ｋＨｚ〜２７．１２ＭＨｚの範囲の周波数を有している。このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体である半導体ウエハ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、典型的には図示した２ＭＨｚまたは８００ＫＨｚ等の周波数が採用される。

図２は、本実施形態においてプラズマエッチングを行う基板の構成を拡大して示すものである。図２（ａ）において１００は、図示しない銅又はアルミニウム等からなる配線が形成された半導体基板（半導体ウエハ）を示している。この半導体ウエハ１００の上には、ＳｉＣ膜（ストッパ膜）１０１、Ｌｏｗ−Ｋ膜（ＳｉＯＣ膜等（例えば、コーラル（ノベラス社）、オーロラ（ＡＳＭ社）、オリオン（Ｔｒｉｋｏｎ社）、ブラックダイヤモンド（アプライド マテリアル社）（本実施形態ではブラックダイヤモンドを使用）））１０２、ＴＥＯＳ酸化膜１０３、有機材料からなる有機系反射防止膜（ＢＡＲＣ）１０４が、下側からこの順で形成されている。また、有機系反射防止膜１０４の上には、ＡｒＦレジストからなるマスク層１０５が形成されており、このマスク層１０５には、露光、現像工程等によって所定の開口パターン（本実施形態では複数の円孔状の開口パターン）が形成されている。

そして、図２（ａ）の状態から、図１に示した装置を用い、マスク層１０５を介して有機系反射防止膜１０４のエッチングを行い、図２（ｂ）の状態とする。なお、ＡｒＦレジストは、ＡｒＦガスを発光源としたレーザー光で露光するレジストであり、ＫｒＦレジストに較べてより微細なパターンが形成できるものである。このＡｒＦレジストを構成する主要な物質は、例えば、シクロオレフィン樹脂、脂環族メタクリレート樹脂、脂環族アクリレート樹脂、シクロオレフィン−無水マレイン酸樹脂、等である。

次に、前述した図１のプラズマエッチング装置１による上記のエッチング工程について説明する。

まず、前述したように、有機系反射防止膜１０４、及び、所定パターンにパターニングされたマスク層１０５等が形成された半導体ウエハ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、半導体ウエハ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する。この後、バルブ２８を開放し、処理ガス供給源３０からＣＦ₄ ガス（エッチングガス）を、マスフローコントローラ２９によってその流量を調整しつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６、上部電極２１の中空部、電極板２４の吐出孔２３を通じて、図１の矢印に示すように、半導体ウエハＷに対して均一に吐出させる。

これとともに、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力（例えば６．７Ｐａ）に維持される。そして、第１の高周波電源４０から、上部電極２１に高周波電圧を印加し、エッチングガスをプラズマ化する。これとともに、第２の高周波電源５０から、下部電極としてのサセプタ５に高周波電圧を印加し、プラズマ中のイオンを引き込んで半導体ウエハＷの有機系反射防止膜１０４のエッチングを行い、前述した図２（ｂ）の状態となった時点でエッチングを終了する。

上述の工程により、２００ｍｍウエハを、第１の実施例として、以下の条件、
エッチングガス：ＣＦ₄ （流量１００SCCM）
圧力：６．７Ｐａ（５０ｍTorr）
上部電極印加高周波電力：１０００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１００Ｗ
電極間距離：６０ｍｍ
サセプタ温度：２０℃
時間：４０秒
でエッチングを行った。

上記第１の実施例のエッチング工程によって得られた有機系反射防止膜１０４のパタ一ンについて、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で観察したところ、図２（ｂ）に示すように、マスク層１０５の内側部分にポリマーＰと推測される堆積物（デポ）が見られるとともに、有機系反射防止膜１０４の側壁部分の形状が、下側の開口径（開口寸法）が小さくなる斜めの形状となった。

開口径の具体的な数値については、ウエハの中央部では、エッチング前のマスク層１０５の最上部の開口径（トップＣＤ）（図２（ｂ）のｄ１に相当する。）が１４０ｎｍであったのに対して、エッチング後の有機系反射防止膜１０４の底部の開口径（ボトムＣＤ）（図２（ｂ）のｄ２に相当する。）が１３４ｎｍ（ＣＤシフト＝−６ｎｍ）であった。また、ウエハの周辺部における上記の値は、マスク層１０５の最上部の開口径（トップＣＤ）が１４１ｎｍであったのに対して、有機系反射防止膜１０４の底部の開口径（ボトムＣＤ）が１３０ｎｍ（ＣＤシフト＝−１１ｎｍ）であった。

次に、第２の実施例として、上記の実施例における上部電極印加高周波電力を１５００Ｗとした以外は、同一の条件でエッチングを行った。この結果、ウエハの中央部における上記のマスク層１０５の最上部の開口径（トップＣＤ）が１４０ｎｍに対して、有機系反射防止膜１０４の底部の開口径（ボトムＣＤ）が１１９ｎｍ（ＣＤシフト＝−２１ｎｍ）となり、ウエハの周辺部におけるマスク層１０５の最上部の開口径（トップＣＤ）が１４１ｎｍに対して、有機系反射防止膜１０４の底部の開口径（ボトムＣＤ）が１１８ｎｍ （ＣＤシフト＝−２３ｎｍ）となった。

次に、第３の実施例として、上記の実施例における上部電極印加高周波電力を２２００Ｗとした以外は、同一の条件でエッチングを行った。この結果、ウエハの中央部における上記のマスク層１０５の最上部の開口径（トップＣＤ）が１４０ｎｍに対して、有機系反射防止膜１０４の底部の開口径（ボトムＣＤ）が８８ｎｍ（ＣＤシフト＝−５２ｎｍ）となり、ウエハの周辺部におけるマスク層１０５の最上部の開口径（トップＣＤ）が１４１ｎｍに対して、有機系反射防止膜１０４の底部の開口径（ボトムＣＤ）が８８ｎｍ（ＣＤシフト＝−５３ｎｍ）となった。

図３のグラフは、上記の実施例における測定結果を示すもので、縦軸は開口径の変化量（ＣＤシフト（ｎｍ））、横軸は上部電極に印加した周波数６０ＭＨｚの高周波電力（電力密度（Ｗ／ｃｍ² ））を示している。同図に示すように、上部電極に印加する電力を変化させることによって、エッチングされた有機系反射防止膜１０４の底部の開口の寸法を制御することができる。

したがって、上記のエッチングの後に、後述する図４に示すように、より下層のＴＥＯＳ酸化膜１０３及びＬｏｗ−Ｋ膜１０２のエッチングを行うことにより、これらの層に最初にマスク層１０５に形成した開口より小さい寸法の開口を形成することができる。このように、ＣＤシフトをマイナスとして、マスク層１０５の開口径より小さな開口径の孔を形成すれば、リソグラフィー技術の解像度以上の微細な孔等のパターンを形成することができる。このようにＣＤシフトをマイナスとする場合、上部電極印加高周波電力は、図３に示すように、電力密度を１．６３×１０^-2Ｗ／ｃｍ² （印加電力１０００Ｗ）以上とすることが好ましく、ＣＤシフトが略リニアに進行することから上限として、電力密度を４．８９×１０^-2Ｗ／ｃｍ² （印加電力３０００Ｗ）以下程度とすることが好ましい。

図５は、縦軸をＣＤシフト量及びフォトレジスト（ＰＲ）残膜量とし、縦軸をプラズマ密度（電子密度（Ｎｅ））として、プラズマ密度と、ＣＤシフト量及びフォトレジスト残膜量との関係を調べた結果を示すものである。また、図６のグラフは、縦軸をラジカルの濃度、横軸をプラズマ密度（電子密度（Ｎｅ））として、Ｃ₂ラジカル及びＣＦ₂ラジカルのＡｒに対する濃度とプラズマ密度の関係を調べた結果を示すものである。なお、図５のグラフに示された３点のプラズマ密度は、夫々上部電極印加高周波電力を１０００Ｗ，１５００Ｗ，２２００Ｗとした場合に対応するものである。

上部電極印加高周波電力の電力密度（印加電力）を増大させると、プラズマ密度が増加する。そして、図５に示されるように、プラズマ密度が増加すると、マイナス側へのＣＤシフト量が増加するとともに、フォトレジスト残膜量が増大する。また、図６に示されるように、プラズマ密度が増加するとＣ₂ラジカルの濃度も増加する。このＣ₂ラジカルの増加によって、フォトレジスト表面及び開口内に堆積(デポ)の生じる量が増大して、ＣＤシフトがマイナス側へ制御されていることがわかる。

なお、 前記した上部電極印加高周波電力の好ましい電力密度の範囲１．６３×１０^-2Ｗ／ｃｍ² 〜４．８９×１０^-2Ｗ／ｃｍ² をプラズマ密度（電子密度（Ｎｅ）で示せば、０．３３４×１０¹¹ｃｍ^-3〜０．７００×１０¹¹ｃｍ^-3の範囲となる。

一方、下部電極印加高周波電力は、ゼロではエッチングが進行しないことから印加する必要があるが、印加電力を高くすると、フォトレジストからなるマスク層１０５に縦方向の凹凸が発生するストライエーションが起きる。このため、電力密度を２．０×１０^-2Ｗ／ｃｍ² （印加電力１０００Ｗ）以下とすることが好ましく、さらには電力密度を２．０×１０^-3Ｗ／ｃｍ² （印加電力１００Ｗ）程度とすることが好ましい。

なお、有機系反射防止膜１０４については、マスク層１０５及び有機系反射防止膜１０４をマスクとして、下地膜であるＴＥＯＳ酸化膜１０３及びＬｏｗ−Ｋ膜１０２をエッチングした後、除去するので、有機系反射防止膜１０４の側壁部分の形状が斜めになっていても問題は生じない。

ところで、上記のＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングについては、従来、例えば、エッチングガスとしてＣＨ₂ Ｆ₂ ／Ｏ₂ 又はＣ₄ Ｆ₈ ／Ａｒ／Ｏ₂ 等を用いて行っていた。

また、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のエッチングについては、従来、エッチングガスとして、例えばＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂ を用いたメインエッチングと、エッチングガスとして、例えばＣ₄ Ｆ₈ ／Ａｒ／Ｎ₂ を用いたオーバーエッチングによる２ステップのエッチングを行っていた。

しかしながら、上記の方法では、フォトレジストからなるマスク層１０５に縦方向の凹凸が発生するストライエーションが起きるという問題があった。このような問題を解決するためには、以下のようにエッチングを行うことが好ましい。

すなわち、この方法では、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを、エッチングガスとして、例えばＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂ （流量比：１５／１５／５００／８０ｓｃｃｍ）又は、ＣＦ₄ ／Ｈ₂ （流量比：７０／１３０ｓｃｃｍ）を用いて１ステップで行い、図４（ａ）に示す状態とする。なお、この状態では、エッチングした孔の底部にわずかにＬｏｗ−Ｋ膜１０２が残った状態である。そして、この後、エッチングガスとして、例えばＣ₄ Ｆ₈ ／Ａｒ／Ｎ₂ を用いたオーバーエッチングを行い、図４（ａ）に示す状態から図４（ｂ）に示す状態とする。

なお、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングのエッチング時間は、例えば３０秒程度であり、オーバーエッチングの時間は、例えば１５秒程度である。

上記のように、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを、同じエッチングガスを用いて１ステップで行うことによって、フォトレジストからなるマスク層１０５の側壁部分にストライエーションが起きることを効果的に抑制することができた。

その理由としては、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを異なるエッチングガスを用いて行った場合、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングの際にマスク層１０５の側壁部分に堆積（デポ）するポリマーと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングの際にマスク層１０５の側壁部分に堆積（デポ）するポリマーの質が異なるため、変形が生じ易くなるのに対して、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを同一のエッチングガスを用いて１ステップで行うと、マスク層１０５の側壁部分に堆積（デポ）するポリマーの質が均一であるため、変形が生じ難くなるためと推測される。

また、上記のＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを行うエッチングガスとしてＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂ を用いた場合と、ＣＦ₄ ／Ｈ₂を用いた場合について比較すると、ＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂を用いた場合、ＣＦ₄ ／Ｈ₂を用いた場合に比べて、ＣＤシフトがプラス側に増加する傾向が強い。すなわち、ＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂を用いた場合、有機系反射防止膜１０４のエッチングを行った際に減少した開口径が、再び増加する傾向が顕著になる。例えば、前記したように有機系反射防止膜１０４のエッチングが終了した時点で、ＣＤシフト＝−５２ｎｍとなったものが、ＴＥＯＳ酸化膜１０３とＬｏｗ−Ｋ膜１０２のエッチングが終了した時点では、ＣＤシフト＝−２５ｎｍとなり、ＣＤシフトがプラス側に増加（この場合２７ｎｍ増加）した。

これに対して、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを行うエッチングガスとして、ＣＦ₄ ／Ｈ₂を用いた場合、上記のようなＣＤシフトのプラス側への増加を抑制することができる。すなわち、このようにフルオロカーボンガスと、水素ガスを含む混合ガスをエッチングガスとして使用すると、水素がフッ素ラジカルを減少させるよう作用し、炭素ラジカルが多く堆積（デポ）の生じやすい状態として、ＣＤシフトのプラス側への増加を抑制することができる。このため、ＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを行うエッチングガスとしては、フルオロカーボンガスと水素ガスを含む混合ガス、例えば、ＣＦ₄等のＣＦ系ガスと水素ガスを含む混合ガス、あるいはＣＨＦ₃等のＣＨＦ系ガスと水素とを含む混合ガス等を用いることが好ましい。

図７のグラフは、上記のＴＥＯＳ酸化膜１０３のエッチングと、Ｌｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチングを行うエッチングガスとしてＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂ を用いた場合と、ＣＦ₄ ／Ｈ₂を用いた場合のＣＤシフトの様子を比較して示すもので、縦軸はＣＤシフト量、横軸は、各工程を示している。なお、横軸に記載された「Ｉｎｉ．」、「ＢＡＲＣ」、「Ｏx＋ＭＥ」、「ＯＥ」、「Ａｓｈ」は、夫々初期状態、有機系反射防止膜１０４のエッチング後、ＴＥＯＳ酸化膜１０３とＬｏｗ−Ｋ膜１０２のメインエッチング後、オーバーエッチング後、アッシング後を示している。

また、図中上側に示されたＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂の場合、以下の条件、
（Ｏx＋ＭＥ工程）
エッチングガス：ＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂ ＝15／15／500／80 SCCM
圧力：６．７Ｐａ（５０ｍTorr）
上部電極印加高周波電力：８００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１７００Ｗ
電極間距離：２５ｍｍ
（ＯＥ工程）
エッチングガス：Ｃ₄Ｆ₈ ／Ａｒ／Ｎ₂ ＝7／1000／120 SCCM
圧力：６．７Ｐａ（５０ｍTorr）
上部電極印加高周波電力：１２００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１７００Ｗ
電極間距離：３０ｍｍ
でエッチングを行った。

一方、図中下側に示されたＣＦ₄ ／Ｈ₂の場合、以下の条件、
（Ｏx＋ＭＥ工程）
エッチングガス：ＣＦ₄ ／Ｈ₂＝80／120 SCCM
圧力：４．０Ｐａ（３０ｍTorr）
上部電極印加高周波電力：２１００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１８００Ｗ
電極間距離：２５ｍｍ
（ＯＥ工程）
エッチングガス：Ｃ₄Ｆ₈ ／Ａｒ／Ｎ₂ ＝7／1000／120 SCCM
圧力：６．７Ｐａ（５０ｍTorr）
上部電極印加高周波電力：１２００Ｗ
下部電極印加高周波電力：１７００Ｗ
電極間距離：３０ｍｍ
でエッチングを行った。

同図に示されるように、有機系反射防止膜１０４のエッチング終了時にＣＤシフト＝−５２ｎｍとなった状態から、マスク層１０５及び有機系反射防止膜１０４をマスクとして、下地膜であるＴＥＯＳ酸化膜１０３及びＬｏｗ−Ｋ膜１０２をエッチングした場合、エッチングガスとして、ＣＨＦ₃ ／ＣＦ₄ ／Ａｒ／Ｎ₂を用いると、オーバーエッチング終_{了時がＣＤシフト＝−２５ｎｍとなり、アッシング終了時には、ＣＤシフト＝−２０ｎｍとなって、ＣＤシフトがプラス側に３２ｎｍ増加して、初期状態からのＣＤシフトは、−２０ｎｍとなる。}

一方、エッチングガスとして、ＣＦ₄ ／Ｈ₂を用いると、オーバーエッチング終了時_{がＣＤシフト＝−４５ｎｍとなり、アッシング終了時には、ＣＤシフト＝−４２ｎｍとなって、プラス側に増加するＣＤシフト量を１０ｎｍに抑制することができる。このよう}に、マスク層１０５及び有機系反射防止膜１０４をマスクとして、下地膜であるＴＥＯＳ酸化膜１０３及びＬｏｗ−Ｋ膜１０２をプラズマエッチングにより、エッチングする際に、
エッチングガスとして、炭素とフッ素を含む化合物のガスと、水素ガスを含む混合ガス、例えばＣＦ₄ ／Ｈ₂を用いることにより、ＣＤシフト量がプラス側に増加して、開口径が大きくなることを抑制することができる。

なお、上記のプラズマエッチングにおいて上部電極印加高周波電力は、電力密度を３．１０×１０^-2Ｗ／ｃｍ² （印加電力１９００Ｗ）〜４．８９×１０^-2Ｗ／ｃｍ² （印加電力３０００Ｗ）程度とすることが好ましい。また下部電極印加高周波電力は、電力密度を３．２０×１０^-2Ｗ／ｃｍ² （印加電力１６００Ｗ）〜５．００×１０^-2Ｗ／ｃｍ² （印加電力２５００Ｗ）程度とすることが好ましい。

以上のようにして、ＴＥＯＳ酸化膜１０３及びＬｏｗ−Ｋ膜１０２に、マスク層１０５の開口部の開口寸法より小さな開口寸法の孔等を形成することができる。

なお、上記の実施形態では、上記の実施形態では、平行平板型のプラズマエッチング装置を使用した場合について説明したが、他のプラズマエッチング装置、例えば、ＩＣＰプラズマエッチング装置等についても同様にして適用することができる。

本発明の一実施形態のプラズマエッチング方法に使用する装置の構成を示す図。 本発明の一実施形態におけるエッチング工程を示す図。 本発明の一実施形態における高周波電力の値とＣＤシフトの量の関係を示すグラフ。 本発明の一実施形態におけるエッチング工程を示す図。 本発明の一実施形態におけるプラズマ密度とＣＤシフト量及びフォトレジスト残膜量との関係を示すグラフ。 本発明の一実施形態におけるＣ₂ラジカルの濃度とプラズマ密度の関係を示すグラフ。 本発明の一実施形態及び比較例におけるＣＤシフト量の変化を示すグラフ。

符号の説明

１……プラズマエッチング装置、２……チャンバー、５……サセプタ（下部電極）、２１……上部電極、３０……処理ガス供給源、４０……第１の高周波電源、５０……第２の高周波電源。

Claims (18)

1. 処理ガスに第１の周波数を有する第１の高周波を印加して前記処理ガスのプラズマを発生させ、前記第１の周波数より周波数の低い第２の周波数を有する第２の高周波を被処理基板に印加し、前記被処理基板の表面に形成された所定の開口パターンを有するレジスト膜をマスクにして、前記レジスト膜の下に形成された被エッチング層をエッチングする半導体装置の製造方法において、
   前記第１の高周波の印加電力を変化させることによって、前記被エッチング層に形成される開口部の開口寸法を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. エッチングにより形成される前記被エッチング層の開口部の開口寸法は、エッチング前の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. エッチング後の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法は、エッチング前の当該レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記処理ガスは少なくともＣＦ₄ ガスを含むことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記被エッチング層が、有機材料からなる反射防止膜であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記有機材料からなる反射防止膜をエッチングした後、当該有機材料からなる反射防止膜及び前記レジスト膜をマスクとして、露出した下地をエッチングすることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記被エッチング層をエッチングする際に、上部電極と下部電極が略平行に配設された平行平板型のプラズマエッチング装置を用い、前記第１の高周波を前記上部電極に印加し、前記第２の高周波を前記被処理基板が載置された前記下部電極に印加することを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第１の周波数が１３．５６〜１００ＭＨｚであり、前記第１の高周波の電力密度が１．６３×１０^-2〜４．８９×１０^-2Ｗ／ｃｍ² であることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方法。
9. 前記第２の周波数が０．８〜２７．１２ＭＨｚであり、前記第２の高周波の電力密度が２．０×１０^-2Ｗ／ｃｍ² 以下であることを特徴とする請求項７又は８記載の半導体装置の製造方法。
10. 前記下地を、フルオロカーボンガスと、水素ガスとを含むエッチングガスを用いてプラズマエッチングすることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
11. 前記フルオロカーボンガスが、ＣＦ₄ガスであることを特徴とする請求項１０記載の半導体装置の製造方法。
12. 前記下地がＳｉＣＯ膜を含むことを特徴とする請求項１０又は１１記載の半導体装置の製造方法。
13. 前記下地のＳｉＣＯ膜の上にＴＥＯＳ酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１２記載の半導体装置の製造方法。
14. エッチングにより形成される前記下地の開口部の開口寸法は、前記有機材料からなる反射防止膜のエッチング前の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする請求項１０〜１３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。
15. 被処理基板の表面に形成された所定の開口パターンを有するレジスト膜をマスクにして、前記レジスト膜の下に形成された有機材料からなる反射防止膜をエッチングした後、当該有機材料からなる反射防止膜及び前記レジスト膜をマスクとして、露出した下地をエッチングする半導体装置の製造方法であって、
    前記下地が、ＳｉＣＯ膜を含み、この下地を、フルオロカーボンガスと、水素ガスとを含むエッチングガスを用いてプラズマエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. 前記フルオロカーボンガスが、ＣＦ₄ガスであることを特徴とする請求項１５記載の半導体装置の製造方法。
17. 前記下地のＳｉＣＯ膜の上にＴＥＯＳ酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１５又は１６記載の半導体装置の製造方法。
18. エッチングにより形成される前記下地の開口部の開口寸法は、前記有機材料からなる反射防止膜のエッチング前の前記レジスト膜の開口パターンの開口寸法より小さいことを特徴とする請求項１５〜１７いずれか１項記載の半導体装置の製造方法。

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