JP2010062363A - プラズマ処理方法およびレジストパターンの改質方法 - Google Patents

プラズマ処理方法およびレジストパターンの改質方法 Download PDF

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Abstract

【課題】レジストパターンのトリミングの際にパターン倒れが発生し難く、パターンの縦方向のエッチング量を少なくすることができるプラズマ処理方法およびトリミングに先立ってレジストパターンを改質するレジストパターンの改質方法を提供する。
【解決手段】処理容器１０内にパターン化されたフォトレジストが形成された基板を搬入し、前記下部電極に載置する工程と、処理容器１０内に改質用処理ガスを供給する工程と、上部電極３４に第１の高周波印加手段４８から高周波電力を印加して処理ガスのプラズマを生成し、さらに、上部電極３４に直流電圧印加手段５０から負の直流電圧を印加することにより前記レジストパターンを改質する工程と、改質されたレジストパターンをプラズマエッチングしてトリミングする工程とを有する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマエッチングのための微細レジストパターンをプラズマによりエッチングしてトリミングするプラズマ処理方法およびトリミングに先立ってレジストパターンを改質するレジストパターンの改質方法に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに対し、フォトリソグラフィー工程によりフォトレジストパターンを形成し、これをマスクとしてエッチングを行っている。
近時、半導体デバイスの微細化が益々進み、エッチングにおいても益々微細加工が要求されており、このような微細化に対応して、マスクとして用いられるフォトレジストの膜厚が薄くなり、使用されるフォトレジストもＫｒＦレジスト（すなわち、ＫｒＦガスを発光源としたレーザー光で露光するフォトレジスト）から、約０．１３μｍ以下のパターン開口を形成することができるＡｒＦレジスト（すなわち、ＡｒＦガスを発光源とした、より短波長（波長１９３ｎｍ）のレーザー光で露光するフォトレジスト）に移行されつつある。
一方、フォトリソグラフィ技術においては、原理上、実現可能な最小寸法が存在するため、それよりも小さいパターン幅を実現する目的で、等方性エッチングによってレジストパターンをトリミングする技術が提案されている（特許文献１等）。
しかしながら、このようなトリミングにより微細レジストパターンを形成する場合には、トリミング後にパターン倒れが発生することがある。特に、ＡｒＦレジストは元々微細パターンを形成するものであり、強度が低いことも相俟って、パターン倒れが発生しやすい。また、トリミングの際に縦方向のエッチング量が多くなってしまい、残存するレジストの厚さが小さくなるという問題もある。
特開２００４−３１９４４号公報
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、レジストパターンのトリミングの際にパターン倒れが発生し難く、パターンの縦方向のエッチング量を少なくすることができるプラズマ処理方法およびトリミングに先立ってレジストパターンを改質するレジストパターンの改質方法を提供することを目的とする。
また、そのようなレジストパターンの改質方法を実施するためのプログラムを記憶した記憶媒体を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理基板が収容され、内部が真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、基板の載置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向するように前記処理容器内に配置された上部電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと、前記上部電極または下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加してプラズマを生成する高周波電力印加ユニットと、前記上部電極に負の直流電圧を印加する直流電源とを具備するプラズマ処理装置を用い、前記下部電極に表面にレジストパターンが形成された被処理基板を載置した状態で、前記処理容器内に前記処理ガス供給ユニットから改質用処理ガスを供給し、前記高周波電力印加ユニットから高周波電力を印加して改質用処理ガスのプラズマを生成し、さらに前記上部電極に前記直流電源から負の直流電圧を印加することにより前記レジストパターンを改質する工程と、改質されたレジストパターンをプラズマエッチングしてトリミングする工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
上記第１の観点において、前記トリミングする工程は、前記プラズマ処理装置内で前記レジストパターンを改質する工程に引き続き行われることが好ましい。この場合に、前記トリミングする工程は、前記レジストパターンを改質する工程の後、前記被処理基板を前記下部電極に載置したままの状態で、前記処理容器内に前記処理ガス供給ユニットからトリミング用処理ガスを供給し、前記高周波電力印加ユニットから高周波電力を印加してトリミング用処理ガスのプラズマを生成し、そのプラズマにより前記レジストパターンをエッチングするようにすることができる。
前記改質用処理ガスはフロロカーボンガスを含むものとすることができ、前記フロロカーボンガスとしてＣＦ４ガスを好適に用いることができる。
前記レジストパターンを改質する工程は、前記直流電源からの直流電圧値を０〜−１５００Ｖ（０を含まず）の範囲内にして行うことが好ましい。また、前記レジストパターンがＡｒＦレジストで構成されている場合に特に有効である。
前記レジストパターンを改質する工程によりその表面に改質層が形成され、前記改質層の厚さは前記トリミングする工程によりエッチングされるエッチング量よりも厚いことが好ましい。
本発明の第２の観点では、被処理基板が収容され、内部が真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、基板の載置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向するように前記処理容器内に配置された上部電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと、前記上部電極または下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加してプラズマを生成する高周波電力印加ユニットと、前記上部電極に負の直流電圧を印加する直流電源とを具備するプラズマ処理装置を用いて、被処理基板上に形成されたレジストパターンをプラズマエッチングしてトリミングするに先立って前記レジストパターンを改質するレジストパターンの改質方法であって、前記下部電極に被処理基板を載置した状態で、前記処理容器内に前記処理ガス供給ユニットから改質用処理ガスを供給し、前記高周波電力印加ユニットから高周波電力を印加して改質用処理ガスのプラズマを生成し、さらに前記上部電極に前記直流電源から負の直流電圧を印加することにより前記レジストパターンを改質することを特徴とするレジストパターンの改質方法を提供する。
上記第２の観点において、前記改質用処理ガスはフロロカーボンガスを含むものとすることができ、前記フロロカーボンガスとしてＣＦ４ガスを好適に用いることができる。
前記直流電源からの直流電圧値は０〜−１５００Ｖ（０を含まず）の範囲内であることが好ましい。また、前記レジストパターンがＡｒＦレジストで構成されている場合に特に有効である。
前記レジストパターンを改質する際にその表面に改質層が形成され、前記改質層の厚さはその後のトリミングによりエッチングされるエッチング量よりも厚いことが好ましい。
本発明の第３の観点では、コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記第２の観点のレジストパターン改質方法が行われるようにコンピュータにプラズマ処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。
本発明によれば、レジストパターンのトリミング処理に先立って、平行平板型プラズマ処理装置において、上部電極に負の直流電圧を印加しながら被処理基板を処理するので、上部電極近傍に存在する電子が上部電極に印加される負の直流電圧により鉛直方向下方に加速され、電子が被処理基板上のレジストパターンに照射される。これによりレジストパターンの電子照射部分が改質され、レジストパターンが強化される。したがって、その後のトリミング工程においてパターン倒れの発生を抑制することができ、また、レジストパターンが改質されることにより耐プラズマ性が向上するので、縦方向のエッチング量を減少させることができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
図１は、本発明の実施に用いられるプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。
このプラズマエッチング装置は、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おり、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状のチャンバ（処理容器）１０を有している。このチャンバ１０は保安接地されている。
チャンバ１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上に例えばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、その上に被処理基板である半導体ウエハ（以下単にウエハと記す）Ｗが載置される。
サセプタ１６の上面には、ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は、導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートで挟んだ構造を有するものであり、電極２０には直流電源２２が電気的に接続されている。そして、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力によりウエハＷが静電チャック１８に吸着保持される。
静電チャック１８（ウエハＷ）の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）２４が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。
サセプタ支持台１４の内部には、例えば円周上に冷媒室２８が設けられている。この冷媒室には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によってサセプタ上のウエハＷの処理温度を制御することができる。
さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面とウエハＷの裏面との間に供給される。
下部電極であるサセプタ１６の上方には、サセプタ１６と対向するように平行に上部電極３４が設けられている。そして、上部および下部電極３４，１６間の空間がプラズマ生成空間となる。上部電極３４は、下部電極であるサセプタ１６上のウエハＷと対向してプラズマ生成空間と接する面、つまり対向面を形成する。
この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、チャンバ１０の上部に支持されており、サセプタ１６との対向面を構成しかつ多数の吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持し、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。電極板３６は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体が好ましく、また、後述するようにレジストを強化する観点からはシリコン含有物質が好ましい。このような観点から、電極板３６はシリコンやＳｉＣで構成されるのが好ましい。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。
電極支持体３８にはガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口６２が形成されており、このガス導入口６２にはガス供給管６４が接続され、ガス供給管６４には処理ガス供給源６６が接続されている。ガス供給管６４には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６８および開閉バルブ７０が設けられている（ＭＦＣの代わりにＦＣＳでもよい）。そして、処理ガス供給源６６から、レジストパターン改質およびトリミングのための処理ガスが供給されるようになっている。レジストパターン改質に用いる処理ガスとしてはＣＦ４に代表されるフロロカーボンガスを好適に用いることができる。さらにＡｒのような不活性ガス等、他のガスを含んでいてもよい。トリミングのための処理ガスとしては、例えばＮ２やＯ２、フロロカーボンガスを挙げることができる。処理ガスは、処理ガス供給源６６からガス供給管６４を経てガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してシャワー状にプラズマ生成空間に吐出される。すなわち、上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。
上部電極３４には、整合器４６および給電棒４４を介して、第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。第１の高周波電源４８は、１０ＭＨｚ以上の周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を出力する。整合器４６は、第１の高周波電源４８の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１の高周波電源４８の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。整合器４６の出力端子は給電棒４４の上端に接続されている。
一方、上記上部電極３４には、第１の高周波電源４８の他、可変直流電源５０が電気的に接続されている。可変直流電源５０はバイポーラ電源であってもよい。具体的には、この可変直流電源５０は、上記整合器４６および給電棒４４を介して上部電極３４に接続されており、オン・オフスイッチ５２により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源５０の極性および電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５２のオン・オフはコントローラ５１により制御されるようになっている。
整合器４６は、図２に示すように、第１の高周波電源４８の給電ライン４９から分岐して設けられた第１の可変コンデンサ５４と、給電ライン４９のその分岐点の下流側に設けられた第２の可変コンデンサ５６を有しており、これらにより上記機能を発揮する。また、整合器４６には、直流電圧電流（以下、単に直流電圧という）が上部電極３４に有効に供給可能なように、第１の高周波電源４８からの高周波および後述する第２の高周波電源からの高周波をトラップするフィルタ５８が設けられている。すなわち、可変直流電源５０からの直流電流がフィルタ５８を介して給電ライン４９に接続される。このフィルタ５８はコイル５９とコンデンサ６０とで構成されており、これらにより第１の高周波電源４８からの高周波および後述する第２の高周波電源からの高周波がトラップされる。
チャンバ１０の側壁から上部電極３４の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１０ａが設けられており、この円筒状接地導体１０ａの天壁部分は筒状の絶縁部材４４ａにより上部給電棒４４から電気的に絶縁されている。
下部電極であるサセプタ１６には、整合器８８を介して第２の高周波電源９０が電気的に接続されている。この第２の高周波電源９０から下部電極サセプタ１６に高周波電力が供給されることにより、ウエハＷ側にイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、８００ｋＨｚ以上の周波数、例えば１３ＭＨｚの高周波電力を出力する。整合器８８は第２の高周波電源９０の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第２の高周波電源９０の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。
上部電極３４には、第１の高周波電源４８からの高周波は通さずに第２の高周波電源９０からの高周波をグランドへ通すためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２が電気的に接続されている。このローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２は、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成されるが、１本の導線だけでも第１の高周波電源４８からの高周波に対しては十分大きなリアクタンスを与えることができるので、それで済ますこともできる。一方、下部電極であるサセプタ１６には、第１の高周波電源４８からの高周波をグランドに通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）９４が電気的に接続されている。
チャンバ１０の底部には排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内を所望の真空度まで減圧可能となっている。また、チャンバ１０の側壁にはウエハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能となっている。また、チャンバ１０の内壁に沿ってチャンバ１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するためのデポシールド１１が着脱自在に設けられている。すなわち、デポシールド１１がチャンバ壁を構成している。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。チャンバ１０の底部のチャンバ壁側のデポシールド１１と内壁部材２６側のデポシールド１１との間には排気プレート８３が設けられている。デポシールド１１および排気プレート８３としては、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆したものを好適に用いることができる。
デポシールド１１のチャンバ内壁を構成する部分のウエハＷとほぼ同じ高さ部分には、グランドにＤＣ的に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）９１が設けられており、これによりプラズマを生成した際における異常放電を防止する。
プラズマ処理装置の各構成部は、制御部（全体制御装置）９５に接続されて制御される構成となっている。また、制御部９５には、工程管理者がプラズマ処理装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース９６が接続されている。
さらに、制御部９５には、プラズマ処理装置で実行される各種処理を制御部９５の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部９７が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶部９７の所定位置にセットするようになっていてもよい。
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース９６からの指示等にて任意のレシピを記憶部９７から呼び出して制御部９５に実行させることで、制御部９５の制御下で、プラズマ処理装置での所望の処理が行われる。
次に、このように構成されるプラズマエッチング装置により実施される、本発明の一実施形態に係るレジストパターンのトリミング方法について、図３の工程断面図および図４の原理図を参照して説明する。
レジストパターンのトリミングは、エッチング対象膜の上のフォトリソグラフィにより形成されたレジストパターンをプラズマエッチングして、パターンの寸法をさらに減少させる処理であるが、パターン寸法が微細になるとトリミングにより細くなったパターンにパターン倒れが発生するおそれがあるため、本実施形態では、レジストパターンを改質し、強化する工程を実施した後、本工程であるトリミング工程を実施する。
この際のウエハＷとしては、例えば、図３（ａ）に示すような、所定の膜１０１上に、フォトリソグラフィ工程によりパターン化したレジストパターン１０２が形成されたものを用いる。
最初のレジストパターン改質・強化工程に際しては、まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介して上記構造を有するウエハＷをチャンバ１０内に搬入し、サセプタ１６上に載置する。そして、処理ガス供給源６６からエッチングのための処理ガスを所定の流量でガス拡散室４０へ供給し、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してチャンバ１０内へ供給しつつ、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気し、その中の圧力を例えば１０〜８００ｍＴｏｒｒ（１．３３〜１０６．４Ｐａ）の範囲内の設定値とする。また、サセプタ温度は０〜８０℃程度とする。
この状態で処理ガス供給源６６からレジストパターン改質のための処理ガスをチャンバ１０内に導入する。レジストパターン改質のための処理ガスとして、例えば、ＣＦ４に代表されるフロロカーボンガスを好適に用いることができる。さらにＡｒのような不活性ガス等、他のガスを含んでいてもよい。
このようにチャンバ１０内にエッチングのための処理ガスを導入した状態で、第１の高周波電源４８からプラズマ生成用の高周波電力を所定のパワーで上部電極３４に印加するとともに、第２の高周波電源９０よりイオン引き込み用の高周波を所定のパワーで下部電極であるサセプタ１６に印加する。そして、可変直流電源５０から所定の直流電圧を上部電極３４に印加する。さらに、静電チャック１８のための直流電源２２から直流電圧を静電チャック１８の電極２０に印加して、ウエハＷをサセプタ１６に固定する。
上部電極３４の電極板３６に形成されたガス吐出孔３７から吐出された処理ガスは、高周波電力により生じた上部電極３４と下部電極であるサセプタ１６間のグロー放電中でプラズマ化する。本実施形態では、このようにしてプラズマが形成される際に、上部電極３４に可変直流電源５０から所定の値の負の直流電圧が印加され、その際に生じた電子がレジストパターン１０２に打ち込まれることによりその打ち込まれた部分が改質し、レジストパターン１０２に改質層１０２ａが形成され、レジストパターン１０２が強化される（図３（ｂ））。
この際のメカニズムについて、図４の原理図に基づいて説明する。プラズマが形成される際には、上部電極３４近傍に電子が生成される。上部電極３４に可変直流電源５０から負の直流電圧を印加すると、印加した直流電圧値とプラズマ電位との電位差により、電子は処理空間の鉛直方向下方に加速され、電子はウエハＷ上に存在するレジストパターン１０２に照射される。これにより、レジストパターン１０２の電子が照射された部分が改質され、改質層１０２ａが形成される。この改質層１０２ａは、電子照射によって、エッチング耐性の低い基の消失、二重結合の開列による再構造化や架橋反応等が生じることにより改質されたものであり、このように改質されることによりレジストパターン１０２が強化され、プラズマ耐性の高いものとなる。
レジストパターンを構成するフォトレジストがＡｒＦレジストである場合、その化学構造は（１）式の構造式で表すことができる。
このようなＡｒＦレジストからなるレジストパターンに電子が照射されることにより生じる反応として、段階的に以下の４つの反応が挙げられる。
第１段階としては、（１）式においてＲ２で示されるラクトン基のＯが離脱して（２）式で表される構造式になる反応（反応１）である。
第２段階としては、ラクトン基自体が離脱して（３）式で表される構造式になる反応（反応２）である。
第３段階としては、ラクトン基の他、（１）式においてＲ１で示されるアダマンチル基が離脱して（４）式で表される構造式になる反応（反応３）である。
第４段階としては、Ｃ＝Ｏ部の開裂により、再構造化や架橋反応が促進する反応（反応４）であり、これにより、例えば（５）式で表される構造式のような構造になり、グラファイトの構造に近づいて行く。その結果、レジストパターンが強化されプラズマ耐性（エッチング耐性）が向上する。
改質層１０２ａの改質度合いや改質層１０２ａの深さは、可変直流電源５０からの印加電圧値・電流値、および処理時間等によって制御することができ、したがって、コントローラ５１によりこれらを制御することが好ましい。
改質層１０２ａの形成には、可変直流電源５０から上部電極３４に印加される電圧値が重要である。電圧値の絶対値が高くなればなるほど改質層１０２ａの深さが増加し、効果が高まる。レジストパターンの厚さ（高さ）が１５０ｎｍ程度であれば、−１５００Ｖ程度で全体を改質することができるので、印加電圧は−１５００Ｖ程度までで十分である。また、僅かな直流印加で改質効果があるので、電圧の下限値は特に存在しない。したがって、印加する直流電圧は、０〜−１５００Ｖ（０を含まず）の範囲が好ましい。レジスト膜が厚くなりパターンが広くなれば、それに応じて全体を改質するのに必要な電圧値の絶対値が上昇するので、特に電圧値の上限は存在しないが、装置の都合等により−４００Ｖ〜−２０００Ｖ程度が事実上の使用範囲となる。
改質層１０２ａの厚さは、次のトリミング工程において消失しない程度であることが好ましく、そのような観点から図３の（ｂ）、（ｃ）におけるＬ０，Ｌ１で表される（Ｌ０−Ｌ１）／２以上であることが好ましい。トリミング中に改質層が消失するとパターン倒れ防止効果を十分に得ることが困難である。
このようにしてレジストパターン改質・強化工程が終了した後、ウエハＷをチャンバ１０内に保持したまま、処理ガス供給源６６のガスをトリミングのための処理ガス、例えばＮ２やＯ２、フロロカーボンガスに切り替えてトリミング工程を行う。トリミング工程では、レジストパターン改質・強化工程におけるパターン幅Ｌ０がこれよりも狭いＬ１になるようにレジストパターン１０２をエッチングする（図３（ｃ））。これにより、レジストパターン１０２をフォトリソグラフィ工程後よりも微細にすることが可能となる。このトリミング工程では、レジストパターン１０２のみのエッチングを行ってもよいし、レジストパターン１０２のエッチングと同時に、下地の膜１０１をトリミングした後のパターン幅でエッチングしてもよい。
このトリミング工程では特に条件は限定されるものではなく、通常行われる条件に設定される。また、可変直流電源５０からの直流電圧の印加の有無は問わない。
本実施形態では、このように最初にレジストパターン１０２に改質処理を施して改質層１０２ａを形成してレジストパターン１０２を強化し、その後トリミングを行うので、パターン倒れの発生を抑制することができ、また、改質層１０２ａにより耐プラズマ性が向上するので、縦方向のエッチング量を減少させることができる。また、レジストパターン改質・強化工程と、トリミング工程とを同じチャンバ内で行うので極めて効率的である。
次に、実際にレジストパターン改質・強化工程を行った実験結果について説明する。
ここでは、図１に示した装置を用い、第１の高周波電源４８の周波数を６０ＭＨｚとし、第２の高周波電源９０の周波数を１３ＭＨｚとし、処理ガスとしてＣＦ４を用いて実験を行った。サンプルとしては３００ｍｍシリコンウエハの全面をＡｒＦレジストで覆ったＡｒＦレジストブランケットサンプルを用いた。
実験は、チャンバ内圧力：１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）、第１の高周波電源（ＨＦ）のパワー：１０００Ｗ、第２の高周波電源（ＬＦ）のパワー：３０Ｗ、ＣＦ４ガス流量：１００ｓｃｃｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）、処理時間：６０ｓｅｃを基本条件とし、直流電圧を印加しない条件（Ｎｏ．１）、−１５００Ｖの直流電圧を上部電極に印加した条件（Ｎｏ．２）、−１５００Ｖの直流電圧を上部電極に印加し、何れかの条件を上記基本条件から変化させた条件（Ｎｏ．３〜５）で実施した。Ｎｏ．３はＨＦのパワーを２００Ｗに低下させたもの、Ｎｏ．４はＬＦのパワーを２５０Ｗに上昇させたもの、Ｎｏ．５はチャンバ内圧力を１０ｍＴｏｒｒ（１．３３Ｐａ）に低下させたものである。このときの条件を表１にまとめて示す。
また、これらの条件における直流電流（ＤＣＩ）、ＬＦのプラズマ電位（ＬＦ Ｖｐｐ）、ＨＦの自己バイアス電位（ＨＦ Ｖｄｃ）、ＨＦのプラズマ電位（ＨＦ Ｖｐｐ）を表２にまとめて示す。
これら条件で処理したＡｒＦレジスト層の膜厚方向断面の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真を、処理前（イニシャル）のものとともに図５に示す。これらの写真に示すように、直流電圧を印加しないＮｏ．１では、イニシャルと同様、ＡｒＦレジスト層は単層であり、改質層が形成されていないが、直流電圧を印加したＮｏ．２〜５はいずれもＡｒＦレジスト層が２層になっており、表面側に改質層が形成されていることが確認された。表面の改質層と底部の未改質層との比は、基本条件のＮｏ．２で１．２であり、ＨＦ、ＬＦのパワーを変化させたＮｏ．３、４でそれぞれ０．８および１．１であったが、チャンバ内圧力を１／１０に低下させたＮｏ．５では２．４となり、改質層の割合が大きく増加した。
次に、上記Ｎｏ．１〜５およびイニシャルサンプルについて、透過法によりフーリエ変換赤外分光分析（ＦＴＩＲ）を行った。その際の各サンプルの分光スペクトルを図６に示す。ＡｒＦレジストの基本構造は、図７に示すようなものであり、図６の分光スペクトルは、主鎖接続のエステルのＣ＝Ｏ（図７においてＡで示す）、ラクトン基のＣ＝Ｏ（図７においてＢで示す）、主査接続およびラクトン基やアダマンチル基等の各部のＣＨ３、ＣＨ（図７においてＣで示す）、各部のＣ−Ｏ等のピークが見られる。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図６のスペクトルの各ピーク部分を拡大して示すものであり、（ａ）は図７のＣで示す各部のＣＨ３、ＣＨのピークを示し、（ｂ）は図７のＡで示す主鎖接続のエステルのＣ＝ＯおよびＢで示すラクトン基のＣ＝Ｏのピークを示し、（ｃ）は各部のＣ−Ｏ等を示す。なお、図６では各サンプルのスペクトルを分けて示しているが、図８では各サンプルのスペクトルを重ねて示している。
図６および図８に示すように、ラクトン基のＣ＝Ｏ、主鎖接続のエステルのＣ＝Ｏ、各部のＣＨ３、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｏ等が直流印加により減少していることがわかる。特に、Ｃ＝Ｏピークの減少が顕著である。また、透過法によるＦＴＩＲは、バルクの状態も反映していることから、表面だけでなく、バルクレベルでレジスト膜が変化していることが確認された。
次に、上記Ｎｏ．１〜５、およびイニシャルのサンプルを厚さ方向斜めに切断して飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）を行った。図９に切断方向のＳＩＭＳプロファイルを示す。これらのプロファイルに示すように、イニシャルにおいてＡｒＦレジストのアダマンチル基およびアクリル＋エステル部が、直流電圧印加により形成された改質部において減少し、主鎖の骨格が壊れたＣ１０Ｈ１５や単体のエステルが増加していることがわかる。このことから、主鎖骨格の再構造化が促進されていることがわかる。
次に、上記Ｎｏ．１〜５、およびイニシャルのサンプルについてラマン分光分析を行った。その際のラマン分光スペクトルを図１０に示す。この図に示すように、直流電圧を印加することによりラマン分光スペクトルのバックグラウンドが大きく変化しており、直流電圧印加によりレジストの構造が大きく変化していることがわかる。しかし、ラマンシフトが１３５０、１６００付近でピークが現れるダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）は見られず、レジストの構造は大きく変化しているものの、架橋反応による顕著なＤＬＣ化までは進行していないことが確認された。
以上の結果から、平行平板型のプラズマエッチング装置の上部電極に負の直流電圧を印加することにより、ＡｒＦレジストの再構造化が促進され、より強い構造の改質部が形成されることが確認された。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、レジストパターンを構成するレジストとしてＡｒＦレジストを用いた場合を例にとって説明したが、これに限るものではなく、他のレジストを適用することもできる。また、上記実施形態ではレジストパターンを改質した後、同じ装置（チャンバ）でトリミング工程を行った例を示したが、他の装置で行ってもよい。
また、本発明が適用される装置についても図１のものに限定されるものではなく、以下に示すようなものを用いることができる。例えば、図１１に示すように、下部電極であるサセプタ１６に第１の高周波電源４８′からプラズマ生成用の例えば６０ＭＨｚの高周波電力を印加するとともに、第２の高周波電源９０′からイオン引き込み用の例えば１３ＭＨｚの高周波電力を印加する下部２周波印加タイプのプラズマエッチング装置を適用することもできる。そして、図示のように上部電極３４に可変直流電源５０を接続して所定の直流電圧を印加することにより、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
さらにまた、図１２に示すように、上部電極１３４をチャンバ１０を介して接地するようにし、下部電極であるサセプタ１６に高周波電源１７０を接続し、この高周波電源１７０からプラズマ形成用の高周波電力を印加するタイプのエッチング装置において、可変直流電源１５０を上部電極１３４に印加するようにしてもよい。
本発明の実施に用いられるプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図。 図１のプラズマエッチング装置において第１の高周波電源に接続された整合器の構造を示す図。 本発明の一実施形態に係るトリミング方法の工程を説明するための工程断面。 レジストパターン改質・強化工程の原理を説明するための模式図。 Ｎｏ．１〜５のサンプルについて、イニシャルのＡｒＦレジスト層の状態と比較して示す膜厚方向断面の走査型顕微鏡写真。 透過法によりフーリエ変換赤外分光分析（ＦＴＩＲ）を行った際の各サンプルの分光スペクトルを示す図。 ＡｒＦレジストの基本構造と、構造変化を説明するための図。 図６の分光スペクトルにおける各ピーク部分を拡大して示す図。 Ｎｏ．１〜５およびイニシャルのサンプルについて切断方向のＳＩＭＳプロファイルを示す図。 Ｎｏ．１〜５およびイニシャルのサンプルについてラマン分光分析を行った際のラマン分光スペクトルを示す図。 本発明の実施に適用が可能な他のタイプのプラズマエッチング装置の例を示す概略図。 本発明の実施に適用が可能なさらに他のタイプのプラズマエッチング装置の例を示す断面図。
符号の説明
１０…チャンバ（処理容器）
１６…サセプタ（下部電極）
３４…上部電極
４４…給電棒
４６，８８…整合器
４８…第１の高周波電源
５０…可変直流電源
５１…コントローラ
５２…オン・オフスイッチ
６６…処理ガス供給源
８４…排気装置
９０…第２の高周波電源
９１…ＧＮＤブロック
１０１…膜
１０２…レジストパターン
１０２ａ…改質層

Claims (15)

  1. 被処理基板が収容され、内部が真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内に配置され、基板の載置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向するように前記処理容器内に配置された上部電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと、前記上部電極または下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加してプラズマを生成する高周波電力印加ユニットと、前記上部電極に負の直流電圧を印加する直流電源とを具備するプラズマ処理装置を用い、前記下部電極に表面にレジストパターンが形成された被処理基板を載置した状態で、前記処理容器内に前記処理ガス供給ユニットから改質用処理ガスを供給し、前記高周波電力印加ユニットから高周波電力を印加して改質用処理ガスのプラズマを生成し、さらに前記上部電極に前記直流電源から負の直流電圧を印加することにより前記レジストパターンを改質する工程と、
    改質されたレジストパターンをプラズマエッチングしてトリミングする工程と
    を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 前記トリミングする工程は、前記プラズマ処理装置内で前記レジストパターンを改質する工程に引き続き行われることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
  3. 前記トリミングする工程は、前記レジストパターンを改質する工程の後、前記被処理基板を前記下部電極に載置したままの状態で、前記処理容器内に前記処理ガス供給ユニットからトリミング用処理ガスを供給し、前記高周波電力印加ユニットから高周波電力を印加してトリミング用処理ガスのプラズマを生成し、そのプラズマにより前記レジストパターンをエッチングすることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理方法。
  4. 前記改質用処理ガスはフロロカーボンガスを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
  5. 前記フロロカーボンガスはＣＦ４ガスであることを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理方法。
  6. 前記レジストパターンを改質する工程は、前記直流電源からの直流電圧値を０〜−１５００Ｖ（０を含まず）の範囲内にして行うことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
  7. 前記レジストパターンはＡｒＦレジストで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
  8. 前記レジストパターンを改質する工程によりその表面に改質層が形成され、前記改質層の厚さは前記トリミングする工程によりエッチングされるエッチング量よりも厚いことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
  9. 被処理基板が収容され、内部が真空排気可能な処理容器と、
    前記処理容器内に配置され、基板の載置台として機能する下部電極と、
    前記下部電極に対向するように前記処理容器内に配置された上部電極と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと、
    前記上部電極または下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加してプラズマを生成する高周波電力印加ユニットと、
    前記上部電極に負の直流電圧を印加する直流電源とを具備するプラズマ処理装置を用いて、被処理基板上に形成されたレジストパターンをプラズマエッチングしてトリミングするに先立って前記レジストパターンを改質するレジストパターンの改質方法であって、
    前記下部電極に被処理基板を載置した状態で、前記処理容器内に前記処理ガス供給ユニットから改質用処理ガスを供給し、前記高周波電力印加ユニットから高周波電力を印加して改質用処理ガスのプラズマを生成し、さらに前記上部電極に前記直流電源から負の直流電圧を印加することにより前記レジストパターンを改質することを特徴とするレジストパターンの改質方法。
  10. 前記改質用処理ガスはフロロカーボンガスを含むことを特徴とする請求項９に記載のレジストパターンの改質方法。
  11. 前記フロロカーボンガスはＣＦ４ガスであることを特徴とする請求項１０に記載のレジストパターンの改質方法。
  12. 前記直流電源からの直流電圧値は０〜−１５００Ｖ（０を含まず）の範囲内であることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載のレジストパターンの改質方法。
  13. 前記レジストパターンはＡｒＦレジストで構成されていることを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載のレジストパターンの改質方法。
  14. 前記レジストパターンを改質する際にその表面に改質層が形成され、前記改質層の厚さはその後のトリミングによりエッチングされるエッチング量よりも厚いことを特徴とする請求項９から請求項１３のいずれか１項に記載のレジストパターンの改質方法。
  15. コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、請求項９から請求項１４のいずれかのレジストパターン改質方法が行われるようにコンピュータにプラズマ処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。
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