JP2009260092A

JP2009260092A - 多層レジスト膜のドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2009260092A
Application number: JP2008108428A
Authority: JP
Inventors: Kazunobu Okuma; 一暢大隈; Akito Kawachi; 昭人河内; Toshiaki Nishida; 敏明西田; Takahiro Shimomura; 隆浩下村; Yuzuru Yamamoto; 譲山本
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-04-18
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】ラインアンドスペースパターン疎密部の下層レジスト層のサイドエッチを防止し、疎密差なく異方性形状に加工する多層レジスト膜のドライエッチング方法を提供する。
【解決手段】無機系中間層２０２のエッチング後、窒素を主成分として含んだ化合物（例えばＮ２）と酸素を主成分として含んだ化合物（例えばＯ２）に加え、サイドエッチを防止するために臭化水素（ＨＢｒ）を添加した混合プロセスガスを用いて下層レジスト層２０３をエッチングする。無機系中間層２０２に対して高い選択比を維持しつつ、ＣｘＢｒｙ，ＣｘＮｙなどの反応生成物を下層レジスト層２０３の側壁に堆積させ側壁保護効果を高めることにより、パターン疎密部において疎密差を制御しながら下層レジスト層２０３をサイドエッチなく異方性形状に加工できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマを用いて半導体を製造するドライエッチング方法に関わるものであり、特に微細加工を目的とした多層レジスト膜のドライエッチングにおいて、下層レジスト層のサイドエッチを防止し異方性加工する多層レジスト膜のドライエッチング方法に関する。

近年、半導体集積回路は微細化が進み、多層レジスト膜が主流となりつつある。多層レジスト膜はその構造上、現在主流の単層レジスト膜に比べてドライエッチングによる加工プロセスが複雑になり、高い加工技術が必要とされる。

多層レジスト膜のドライエッチングにおいて、無機系中間層と高い選択比（無機系中間層のエッチング速度と下地の下層レジスト層のエッチング速度との比）を維持しながら下層レジスト層をエッチングする方法として、水素と窒素を構成元素として含んだ化合物（例えばＮＨ₃（アンモニア））と酸素と炭素を構成元素として含んだ化合物（例えばＣＯ₂（二酸化炭素））を主体とした混合プロセスガスを用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、下層レジスト層をエッチングする際は、上層レジスト層のエッチングも進行する。そのため、下層レジスト層のエッチング中に上層レジスト層がエッチオフされ、カーボン系の反応生成物の供給量が減少し、下層レジスト層の側壁保護効果が減少することと無機系中間層との選択比が高いことの２点に起因して、下層レジスト層のエッチング後には下層レジスト層にアンダーカットが入り、サイドエッチが発生する傾向がある。

これに関しては、下層レジスト層のエッチング中にエッチング工程を２段階にわけ、アンダーカットによる寸法変換差を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−１２３３９９号公報特開平７−１６９７３９号公報

上記従来技術は、微細化進行に伴う現象として、半導体基板上の隣接するパターン同士が近接に配置された密の部分（パターン密部）と、隣接するパターン同士が離れて配置された疎の部分（パターン疎部）との間のエッチング雰囲気状態の差（マイクロローディング効果）が大きくなることが挙げられる。そのためエッチング処理後におけるパターン形状に影響が与えられ、パターン密部と疎部の間のパターン形状差（疎密差）が大きくなる現象が発生する。

上記従来技術を用いた場合、ウエハ面内での各デバイスパターン疎密部において下層レジスト層にサイドエッチが発生し、かつ疎密差が発生していた。また、プロセスガスとしてＮＨ₃を用いる場合、装置外へ排気する際に特別な処理が必要となるため、より一般的なプロセスガスの使用が望まれていた。

本発明は、より一般的なプロセスガスを組み合わせた混合プロセスガスを用いて下層レジスト層をエッチングし、パターン疎密部においてサイドエッチを防止し、疎密差なく異方性形状を形成する多層レジスト膜のドライエッチング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、窒素を構成元素として含んだ化合物（例えばＮ₂）と酸素を構成元素として含んだ化合物（例えばＣＯ₂，Ｏ₂）に加え、サイドエッチを防止するために臭化水素（ＨＢｒ）を添加した混合プロセスガスにて下層レジスト層をドライエッチングする技術である。

また、本発明では、側壁保護性を考慮にいれ、全ガス流量に対するＨＢｒのガスの割合を４５％〜９０％とした。

また、本発明では、パターン疎密差を低減すること及び異方性形状を形成することを考慮にいれ、処理圧力を０.１Ｐａ〜０.４Ｐａとし、ウエハへ印加する高周波電源の出力量を１００Ｗ〜２００Ｗとした。

以下、本発明による一実施例を図１乃至図５により説明する。

図１は、プラズマ処理装置のプラズマ生成部に関する詳細を示している。事例として、プラズマを生成する手段としてはＵＨＦ（Ultra High Frequency）波と磁界を利用することとする。プラズマ源であるＵＨＦ電源から入射されたＵＨＦ波はアンテナ１０１，ＵＨＦ透過板１０２を順次通過して処理室内に到達した後、処理室を取り囲むように配置されたソレノイドコイル１０３が発生する磁界との相互作用により、プロセスガスを伴ってＥＣＲ（Electron cyclotron Resonance；電子サイクロトロン共鳴）が引き起こされ、高密度なプラズマ１０４が処理室内に発生する。

高密度プラズマ１０４が処理室内に発生した後、ウエハ１０５は静電吸着電源１０６から印加される直流電圧により試料台１０７に静電吸着される。また、この試料台１０７は高周波電源１０８とも接続しており、高周波バイアス電圧が処理台に印加され、高密度プラズマ１０４中に局在するイオンにウエハ１０５方向側（下向き）へ加速電位を与えることによりプロセス処理が開始される。

また、図１には示さないが試料台１０７内部には、フッ素系不活性液体が循環しており、装置外部に設置された温度調節機構を有する温度制御装置に接続されているため、この冷媒を介して試料台１０７表面の温度制御が可能である。

また、プロセス処理中は真空ポンプ，ターボ分子ポンプ及び該ターボ分子ポンプと処理室との間にバリアブル・バルブから構成される排気構造により処理室内の圧力は調圧可能である。本発明に用いた半導体製造装置では、プラズマを用いたドライエッチングに際し、プラズマを構成するプロセスガス流量を制御できることに加え、ウエハ１０５設置用の試料台１０７面内において、ある範囲において試料台１０７の表面温度を所望の温度に調整できる。試料台１０７上に設置されたウエハ１０５の温度を調整することにより、エッチングにより発生した反応生成物の揮発性を調整できる。その効果によりウエハ１０５面内におけるエッチング後のパターン形状や寸法を制御することが可能である。

図２（ａ）〜図２（ｄ）はシリコン基板上に積層された多層レジスト膜をドライエッチングした事例を示したものである。

図２（ａ）の多層レジスト膜は上から順に、リソグラフィ技術により露光されパターニングされた薄膜の上層レジスト層２０１，薄膜の無機系中間層２０２，下地基板をエッチングするために充分な膜厚の下層レジスト層２０３，シリコン基板２０４から構成される。

始めに、上層レジスト層２０１をマスクとして、ＣＦ₄及びＣＨＦ₃から構成される混合プロセスガスを用いて無機系中間層２０２をエッチングし加工形状を得た（図２（ｂ））。

次いで、上層レジスト層２０１と無機系中間層２０２をマスクとして、下層レジスト層２０３をエッチングする。例えば、ＮＨ₃を５０sccmとしＣＯ₂を１００sccmとした混合プロセスガスのようなＨＢｒを添加しない従来技術を用いた場合には、側壁へ堆積したＣとＮから構成されるＣ_xＮ_yなどの反応生成物だけでは側壁を保護する効果が小さく、下層レジスト層２０３のサイドエッチを抑制することはできなかった（図２（ｃ））。

その際の処理圧力は０.４Ｐａで、ＵＨＦ帯電源の出力は５００Ｗとし、ウエハ１０５へ印加する高周波電源１０８の出力は１３５Ｗとした。

上記従来技術に対し、Ｎ₂とＯ₂及びＨＢｒから構成される混合プロセスガスを用いて下層レジスト層２０３をエッチングした場合、下層レジスト層２０３のエッチングが終了した時点で、サイドエッチなしの異方性の垂直形状が得られ、下層レジスト層２０３エッチング直後のパターン寸法を正確に測定することができた（図２（ｄ））。この際、Ｎ₂を５０sccm、Ｏ₂を５０sccm、ＨＢｒを１００sccm（全ガス流量に対してＨＢｒのガス割合は５０％）とし、処理圧力を０.４Ｐａ、ＵＨＦ帯電源の出力を６００Ｗとし、ウエハ１０５へ印加する高周波電源１０８の出力を１００Ｗとした。

次に、混合プロセスガス全流量に対するＨＢｒガスの割合と、そのエッチング終了後に下層レジスト層２０３に発生するサイドエッチの量（（図２（ｃ））における無機系中間層２０２の寸法Ｂと下層レジスト層２０３の寸法Ａとの差（Ｂ−Ａ））の関係について図３に示す。図３において、ＨＢｒガスの割合を増加していくとパターン密部，疎部ともにサイドエッチ量は減少していき、ＨＢｒガスの割合が４５％〜９０％においてサイドエッチはなくなることがわかった。

このパターン密部と疎部において、ＨＢｒガス割合に対するサイドエッチ量（（図２（ｃ））Ｂ−Ａ）の傾きが異なる理由は次のように推測される。

下層レジスト層２０３エッチング時にＮ₂を構成するＮ元素とＨＢｒを構成するＢｒ元素により、Ｃ_xＮ_yとＣ_xＢｒ_yのようなカーボン多量体が反応生成物として発生し、この２種類の反応生成物が下層レジスト層２０３の側壁へ堆積することで、側壁を保護する膜として作用し下層レジスト層２０３へのサイドエッチを抑制するようになる。

つまり、アスペクト比の関係上パターン密部に比べ疎部において、側壁保護効果が強くなるためＨＢｒガスの割合に対するサイドエッチ量（（図２（ｃ））Ｂ−Ａ）の傾きが異なる。なお、本発明では効果の範囲を４５％〜９０％としているが、図３の傾向から実施範囲外である９０％以上の範囲においても、同様の効果が期待できる。

以上のように、下層レジスト層２０３のエッチングにおいて、混合プロセスガス全流量に対するＨＢｒガスの割合を変えることで、サイドエッチ量（（図２（ｃ））Ｂ−Ａ）を制御することができた。

次に、混合プロセスガス全流量に対するＨＢｒガスの割合が５０％の場合において、下層レジスト層２０３のサイドエッチ量（（図２（ｃ））Ｂ−Ａ）と処理圧力との関係を図４に示す。

図４において、処理圧力が０.１Ｐａ〜０.４Ｐａの間であればサイドエッチを抑制でき、かつパターン疎密差を低減できた。図４の傾向から処理圧力が０.１Ｐａ以下においても同様の効果が期待できる。

また、同様に混合プロセスガス全流量に対するＨＢｒガスの割合が５０％の場合において、下層レジスト層２０３のサイドエッチ量（（図２（ｃ））Ｂ−Ａ）とウエハ１０５へ印加する高周波電源１０８の出力量との関係を図５に示す。

図５において、ウエハ１０５へ印加する高周波電源１０８の出力量が１００Ｗ〜２００Ｗの間であればサイドエッチを抑制でき、かつパターン疎密差を低減できた。

図５の傾向からウエハ１０５へ印加する高周波電源１０８の出力量が２００Ｗ以上においても同様の効果が期待できる。

図４および図５より、下層レジスト層２０３のサイドエッチを防止し、かつパターン形状の疎密差を低減するためには、下層レジスト層２０３のドライエッチングにおいて、処理圧力は０.１Ｐａ〜０.４Ｐａが望ましく、ウエハ１０５へ印加する高周波電源１０８の出力量は１００Ｗ〜２００Ｗが望ましい。

本実施例によれば、無機系中間層に対して高い選択比を維持しつつ、Ｃ_xＢｒ_y，Ｃ_xＮ_yなどの反応生成物を下層レジスト層の側壁に堆積させ側壁保護効果を高めることができる。この効果により上層レジスト層有無に関わるカーボン系反応生成物の量にプロセス性能が影響を受けなくなるため、下層レジスト層をパターン形状制御性よく加工でき、およびパターン疎密差を低減できる。

以上、本発明では、プラズマ源としてＵＨＦ波を利用して磁場との相互作用を用いたプラズマエッチング装置を例に挙げているが、本発明の効果はこれに限定されない。本発明は、例えば、マイクロ波ＥＣＲ，ヘリコン波等誘導結合型や容量結合型その他のプラズマ源を用いたプラズマエッチング装置等にも応用できる。また、本発明では、径φ３００mmを対象としているが、本発明の効果はこれに限定されない。本発明は、φ２００mmや次世代のφ４５０mmウエハにも応用できる。

本発明によれば、多層レジスト膜のドライエッチングにおいて、ＨＢｒを添加した混合プロセスガスを用いることにより下層レジスト層の側壁保護性を高め、下層レジスト層をサイドエッチなく異方性形状に加工でき、同時にパターン形状の疎密差を低減することができる。

本発明の一実施例のＵＨＦプラズマエッチング装置の構成を説明する概略断面図。本発明の一実施例の半導体基板の加工手順を説明する要所概略図。本発明の一実施例のＨＢｒガスの割合とサイドエッチ量との関係を説明する特性図。本発明の一実施例の処理圧力とサイドエッチ量との関係を説明する特性図。本発明の一実施例の高周波電源の出力量とサイドエッチ量との関係を説明する特性図。

符号の説明

１０１アンテナ
１０２ＵＨＦ透過板
１０３ソレノイドコイル
１０４プラズマ
１０５ウエハ
１０６静電吸着電源
１０７試料台
１０８高周波電源
２０１パターニングされた上層レジスト層
２０２無機系中間層
２０３下層レジスト層
２０４シリコン基板

Claims

パターン化された上層レジスト層と無機系薄膜層と下地レジスト層からなる多層レジスト膜のドライエッチング方法において、少なくとも窒素を構成元素とする化合物及び酸素を構成元素とする化合物に臭化水素（ＨＢｒ）を添加してエッチングすることを特徴とする多層レジスト膜のドライエッチング方法。
請求項１記載の多層レジスト膜のドライエッチング方法において、窒素を構成元素とする化合物には少なくともＮ₂を含み、酸素を構成元素とする化合物には少なくともＯ₂，ＣＯ₂のうち何れかを含むことを特徴とする多層レジスト膜のドライエッチング方法。
請求項１記載の多層レジスト膜のドライエッチング方法において、全ガス流量に対するＨＢｒの割合が４５％〜９０％であることを特徴とする多層レジスト膜のドライエッチング方法。
請求項１記載の多層レジスト膜のドライエッチング方法において、処理圧力を０.１Ｐａ〜０.４Ｐａ、もしくはウエハへ印加する高周波電源の出力量を１００Ｗ〜２００Ｗのいずれかとし、または処理圧力を０.１Ｐａ〜０.４Ｐａとし、かつウエハへ印加する高周波電源の出力量を１００Ｗ〜２００Ｗとすることを特徴とする多層レジスト膜のドライエッチング方法。