JP2012182474A

JP2012182474A - 半導体装置の製造方法及び記憶媒体

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Publication number: JP2012182474A
Application number: JP2012101324A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Ogawa; 秀平小川; Makoto Hirotsu; 信広津
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-09-20

Abstract

【課題】被エッチング膜の上に積層された、有機膜と、その有機膜の上に積層されたレジストパターンが開口したレジスト膜とを備える、被エッチング膜のエッチングマスクとなる複数層レジストの前記有機膜に、高い垂直性を有するマスクパターンを形成すること。
【解決手段】前記複数層レジストの前記有機膜を、二酸化炭素と水素とを含む処理ガスをプラズマ化して得たプラズマにより前記レジストパターンに沿ってエッチングして、前記被エッチング膜をエッチングするためのマスクパターンを形成する。実験により複数層レジストを構成する有機膜に垂直性が高いマスクパターンを得ることができることが示されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、被エッチング膜のエッチングマスクとなる複数層レジストを構成する有機膜をエッチングしてマスクパターンを形成する技術に関する。

半導体装置の製造工程において、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる層間絶縁膜中に形成されるメタル配線の微細化は益々進んでおり、この微細化に対応するために前記層間絶縁膜上に例えば有機膜とＳＯＧ（Spin On Grass）法より形成されたＳｉＯ_２膜とフォトレジスト膜とを下からこの順序で積層した三層レジストを形成する場合がある。

具体的にこの三層レジストを用いた配線形成方法について説明すると、前記フォトレジスト膜にはフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成し、その後このレジストパターンに沿ってＳｉＯ2膜をエッチングし、その側壁が斜めになり、下方へ向かうほどその開口面積が狭まるように当該ＳｉＯ2膜にマスクパターンを形成する。然る後このＳｉＯ2膜に形成された前記マスクパターンに従って、その下層の有機膜をエッチングして当該有機膜にマスクパターンを形成し、その後各層に形成されたパターンに従って絶縁膜をエッチングして、前記レジストパターンの線幅よりも線幅の小さい微細な配線を埋め込むためのコンタクトホールやビアホールを構成する凹部を形成する。従来は前記有機膜をエッチングするにあたり、プラズマ化したＯ2ガスを用いていた。

ところで半導体装置の動作についてより一層の高速化を図るために層間絶縁膜の比誘電率を低くすることが要求されており、層間絶縁膜として従来使用されていたＳｉＯ2に代わり、それよりも比誘電率が低い多孔質なシリコン、炭素、酸素及び水素を含む膜（ＳｉＣＯＨ膜）が用いられる場合がある。しかしこのＳｉＣＯＨ膜は酸素プラズマに曝されると、ダメージを受けやすいという性質を持っている。またプラズマ化したＯ2ガスを用いて有機膜をエッチングすると、当該有機膜を等方的にエッチングする、つまり下方向だけでなく横方向にもエッチングする性質が強い酸素（Ｏ）ラジカルが発生することにより、有機膜にボーイング形状と呼ばれるパターンの側壁の縦断面が弓状に横方向に広がり、その側壁の垂直性が低いマスクパターンが形成されてしまう場合がある。このようにボーイング形状を有するマスクパターンが形成されると、絶縁膜のエッチング幅も大きくなるため、十分に絶縁膜の配線の線幅を小さくすることができないおそれがあった。

そこで本発明者らはエッチングガスについて検討を重ねた結果、ＣＯ2ガスのプラズマを用いて有機膜のエッチングを行うことを考案した。このＣＯ2ガスのプラズマを用いればＳｉＣＯＨ膜へのダメージを抑えることができ、また、Ｏ2ガスのプラズマを用いる場合に比べて酸素ラジカルの発生量を低くすることができるため、有機膜が等方的にエッチングされることが抑えられる結果として、当該有機膜に形成されるマスクパターンがボーイング形状となることが抑えられ、その有機膜及びその下層の絶縁膜のエッチング幅を精度高く制御できるので有効である。しかし配線の微細化が進むにつれて、さらに高い垂直性をもって有機膜をエッチングすることが求められており、このようにＣＯ2ガスのプラズマを用いても、その要請に応えることができるように十分にボーイング形状の発生を抑えることが難しくなってきた。

なお特許文献１には、Ｈ2及びＣＯ2からなるガスを用いて低誘電率膜をエッチングすることが示されているが、本発明のようにマスクとなる複数層レジストの有機膜をエッチングすることは記載されていない。
特開２００２−１６０５０号公報

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであって、その目的は基板に形成された被エッチング膜の上に積層された、有機膜と、その有機膜の上に積層されたレジストパターンが開口したレジスト膜とを備える、被エッチング膜のエッチングマスクとなる複数層レジストの前記有機膜に、高い垂直性を有するマスクパターンを形成することができる半導体装置の製造方法及び記憶媒体を提供することである。

本発明の半導体装置の製造方法は、基板に形成された被エッチング膜の上に積層された、有機膜と、その有機膜の上に積層されたレジストパターンが開口したレジスト膜とを備える、被エッチング膜のエッチングマスクとなる複数層レジストの前記有機膜を、二酸化炭素と水素とを含む処理ガスをプラズマ化して得たプラズマにより前記レジストパターンに沿ってエッチングして、前記被エッチング膜をエッチングするためのマスクパターンを形成する工程を含むことを特徴とする。

有機膜は、例えば基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に埋め込まれており、その場合前記有機膜は、犠牲膜であり、また前記凹部は多層配線構造における上層と下層との配線同士を接続する電極を埋め込むためのビアホールであってもよい。前記有機膜は例えば炭素を主成分とする。

本発明の記憶媒体は、基板に対してエッチングを行うプラズマ処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは上述の半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。

本発明によれば、二酸化炭素及び水素を含む処理ガスをプラズマ化して得たプラズマを用いて、複数層レジストにおける有機膜のエッチングを行うことで、後述の実験結果に示されるように複数層レジストを構成する有機膜に垂直性が高いマスクパターンを得ることができる。

先ず本発明の半導体装置の製造方法を実施するプラズマ処理装置の一例について、図１を参照しながら説明する。図１に示したプラズマ処理装置１は、例えば内部が密閉空間となっている真空チャンバからなる処理室１１と、この処理室１１内の底面中央に配設された載置台２と、載置台２の上方に当該載置台２と対向するように設けられた上部電極３とを備えている。

前記処理室１１は電気的に接地されており、また処理室１１の底面の排気口１２には排気管１４を介して排気装置１３が接続されている。この排気装置１３には図示しない圧力調整部が接続されており、この圧力調整部は後述の制御部１０Ａからの信号によって処理室１１内を真空排気して所望の真空度に維持するように構成されている。処理室１１の壁面にはウエハＷの搬送口１５が設けられており、この搬送口１５はゲートバルブ１６によって開閉可能となっている。

載置台２は、下部電極２１とこの下部電極２１を下方から支持する支持体２２とからなり、処理室１１の底面に絶縁部材２３を介して配設されている。載置台２の上部には静電チャック２４が設けられ、この静電チャック２４を介して載置台２上にウエハＷが載置される。静電チャック２４は絶縁材料からなり、この静電チャック２４の内部には高圧直流電源２５に接続された電極箔２６が設けられている。高圧直流電源２５からこの電極箔２６に電圧が印加されることによって静電チャック２４表面に静電気が発生して、載置台２に載置されたウエハＷは静電チャック２４に静電吸着されるように構成されている。静電チャック２４には後述するバックサイドガスをこの静電チャック２４の上部に放出するための貫通孔２４ａが設けられている。

載置台２内には所定の冷媒（例えば、従来公知のフッ素系流体、水等）が通る冷媒流路２７が形成されており、冷媒がこの冷媒流路２７を流れることで載置台２が冷却され、この載置台２を介して載置台２上に載置されたウエハＷが所望の温度に冷却されるように構成されている。また、下部電極２１には図示しない温度センサーが装着されており、この温度センサーによって下部電極２１上のウエハＷの温度が常時監視されている。

また載置台２の内部にはＨｅ（ヘリウム）ガス等の熱伝導性ガスをバックサイドガスとして供給するガス流路２８が形成されており、このガス流路２８は載置台２の上面の複数箇所で開口している。これらの開口部は静電チャック２４に設けられた前記貫通孔２４ａと連通しており、ガス流路２８にバックサイドガスを供給すると、このバックサイドガスは貫通孔２４ａを介して静電チャック２４の上部へ流出する。このバックサイドガスが静電チャック２４と静電チャック２４上に載置されたウエハＷとの隙間全体に均等に拡散することにより、この隙間における熱伝導性が高まるようになっている。

前記下部電極２１はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）２ａを介して接地され、また下部電極２１には高周波例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源２１ａが整合器２１ｂを介して接続されている。また下部電極２１の外周縁には静電チャック２４を囲むようにフォーカスリング２９が配置され、プラズマ発生時にこのフォーカスリング２９を介してプラズマが載置台２上のウエハＷに集束するように構成されている。

上部電極３は中空状に形成され、その下面には処理室１１内へ処理ガスを分散供給するための多数の孔３１が例えば均等に分散して形成されてガスシャワーヘッドを構成している。また上部電極３の上面中央にはガス導入管３２が設けられ、このガス導入管３２は絶縁部材１７を介して処理室１１の上面中央を貫通している。そしてこのガス導入管３２は上流側において、例えば５本に分岐して分岐管３２Ａ〜３２Ｅを形成し、夫々バルブ３３Ａ〜３３Ｅと流量制御部３４Ａ〜３４Ｅとを介してガス供給源３５Ａ〜３５Ｅに接続されている。このバルブ３３Ａ〜３３Ｅ、流量制御部３４Ａ〜３４Ｅはガス供給系３６を構成して後述の制御部１０Ａからの制御信号によって各ガス供給源３５Ａ〜３５Ｃのガス流量及び給断の制御を行うことができる。なおこの例ではガス供給源３５Ａ、ガス供給源３５Ｂ、ガス供給源３５Ｃ、ガス供給源３５Ｄ、ガス供給源３５Ｅは、夫々ＣＦ_４ガス、Ｃ_４Ｆ_８ガス、Ｎ_２ガス、Ｈ_２ガス、ＣＯ_２ガスの供給源である。

上部電極３はローパスフィルタ（ＬＰＦ）３７を介して接地されており、またこの上部電極３には高周波電源２１ａよりも周波数の高い高周波例えば６０ＭＨｚの高周波電源３ａが整合器３ｂを介して接続されている。上部電極３に接続された高周波電源３ａからの高周波は、処理ガスをプラズマ化するためのものであり、下部電極２１に接続された高周波電源２１ａからの高周波は、ウエハＷにバイアス電力を印加することでプラズマ中のイオンをウエハＷ表面に引き込むものである。尚、高周波電源３ａ，２１ａは夫々制御部１０Ａに接続されており、制御信号に従って上部電極３及び下部電極２１に供給される電力が制御される。

また、このプラズマ処理装置１には例えばコンピュータからなる制御部１０Ａが設けられており、この制御部１０Ａはプログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部１０Ａからプラズマ処理装置１の各部に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることでウエハＷに対してプラズマ処理を施すように命令が組み込まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理時間、ガス流量、電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこのプラズマ処理装置１の各部位に送られることになる。このプログラム（処理パラメータの入力操作や表示に関するプログラムも含む）は、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などの記憶部１０Ｂに格納されて制御部１０Ａにインストールされる。

次に前記プラズマ処理装置１に搬入され、処理を受ける基板である半導体ウエハ（以下ウエハと呼ぶ）Ｗ表面に形成された膜構造について図２（ａ）を用いて説明する。ウエハＷにはＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を成膜原料として用いて形成された絶縁膜であるＳｉＯ2膜４１が設けられており、このＳｉＯ2膜４１上には例えばその厚さが２００ｎｍである有機膜４２が形成されている。有機膜４２は炭素を主成分としており、例えば炭素の含有率が８０質量％以上である。

有機膜４２上にはＳＯＧ(Spin On Grass）法により形成されたＳｉＯ2膜４３が形成されており、このＳｉＯ2膜４３の厚さは例えば７０ｎｍである。ＳｉＯ2膜４３上には例えばその厚さが１５０ｎｍに形成されたフォトレジスト（ＰＲ）膜４４が積層されている。この例では有機膜４２、ＳｉＯ2膜４３及びフォトレジスト膜４４により三層レジスト４が形成されており、有機膜４２が三層レジスト４の最下層膜を構成している。

フォトレジスト膜４４はＡｒＦを光源として露光された後、現像されており、図中Ｌ１で示す線幅（ＣＤ）が例えば６５ｎｍであるレジストパターン４５が開口し、レジストパターン４５の底部にはＳｉＯ2膜４３が露出している。ＳｉＯ2膜４３はハードマスクとして機能すると共に後述するようにレジストパターンに沿ってエッチングされたときに下方に向かうようにつれて開口面積が狭くなるようなマスクパターン４６が形成されることで有機膜４２のエッチング幅がレジストパターン４５のＣＤよりも小さくなるように制御する役割を有している。

次に前記プラズマ処理装置１を用いた本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態について説明する。先ずゲートバルブ１６を開いて処理室１１内へ図示しない搬送機構により上述の膜構造を備えた３００ｍｍ（１２インチ）ウエハＷを搬入する。そしてこのウエハＷを載置台２上に水平に載置した後、ウエハＷを載置台２に静電吸着させる。その後搬送機構を処理室１１から退去させてゲートバルブ１６を閉じる。引き続きガス流路２８からバックサイドガスを供給して、ウエハＷを所定の温度例えばその上部、高さ中央部、下部が夫々６０、６０、２０℃になるように温調する。その後例えば以下のステップを行う。

（ステップ１：ＳｉＯ2膜４３のエッチング）
排気装置１３により排気管１４を介して処理室１１内の排気を行う一方で、ガス供給系３６から例えばＣＦ_４ガスを２００ｓｃｃｍ、Ｃ_４Ｆ₈ガスを５ｓｃｃｍの流量で夫々上部電極３を介してウエハＷ表面に供給して、処理室１１内を所定の真空度例えば２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）に維持する。その後、高周波電源３ａから整合器２１ｂを介して６０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電圧が例えば５００Ｗで上部電極３に印加され、ＣＦ_４ガス及びＣ_４Ｆ₈ガスをプラズマ化すると共に、高周波電源４１ａから整合器３ｂを介して１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波が例えば４００Ｗで下部電極５１に印加される。

プラズマ中に含まれる炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）との化合物の活性種によりフォトレジスト膜４４をマスクとしてレジストパターン４５に沿ってＳｉＯ2膜４３がエッチングされ、深さ方向にマスクパターン４６が形成されると共にフォトレジスト膜４４の表面がエッチングされる。前記活性種はＳｉＯ2に対して横方向にエッチングし難いため、マスクパターン４６は深さ方向に向かうに従ってその幅が狭くなるように形成され、そして図２（ｂ）に示すようにマスクパターン４６の底部に有機膜４２が露出した段階で高周波電源４１ａ、３ａからの高周波の印加及びガス供給系３６からのガスの供給を停止し、エッチングを終了する。

（ステップ２：有機膜４２のエッチング）
続いて排気装置１３により処理室１１内を所定の排気量で排気して残存するＣＦ_４ガス及びＣ_４Ｆ₈ガスを除去した後、排気量を所定の量に制御する一方で、ガス供給系３６より例えばＣＯ_２ガスを２００ｓｃｃｍ、Ｈ2ガスを２００ｓｃｃｍ、Ｎ2ガスを２００ｓｃｃｍで夫々上部電極３を介して処理室１１に供給し、処理室１１内を所定の真空度例えば２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）に維持する。その後、高周波電源３ａから整合器３ｂを介して６０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波が７００Ｗで上部電極３に印加され、ＣＯ_２ガス、Ｈ_２ガス及びＮ_２ガスをプラズマ化すると共に、高周波電源２１ａから１３．５６ＭＨｚのバイアス用の高周波が整合器２１ｂを介して４００Ｗで下部電極２１に印加される。

プラズマ中に含まれる二酸化炭素イオン（ＣＯ₂ ⁺）はフォトレジスト膜４４及び有機膜４２を構成する有機物に対しては、下記の（１）式で示す反応を起こす一方でＳｉＯ2とは反応し難く、前記プラズマが生成すると、フォトレジスト膜４４が除去されると共にＳｉＯ2膜４３をマスクとして、マスクパターン４６に沿って有機膜４２がエッチングされ、マスクパターン４７が形成される。
ＣＯ₂ ⁺＋Ｃ→２ＣＯ・・・（１）

マスクパターン４７は深さ方向に向かって伸長し、その側壁４８が高い垂直性を持つように形成されてゆく。このようにマスクパターン４７の側壁４８が高い垂直性を有するのは、次のような理由が考えられる。二酸化炭素ガスから生じた炭素イオン５１及び炭素ラジカル５２と水素ガスから生じた水素イオン５３及び水素ラジカル５４とが結合してＣＨ系のポリマー成分５５が生成し（図３(ａ)）、マスクパターン４７が下方へ向けて形成されると共にそのポリマー成分５５がその側壁４８表面に付着して保護膜５６を形成する（図３（ｂ））。そして図３（ｃ）に示すように二酸化炭素ガスから発生したＯラジカル５７ａや酸素イオン５７ｂによる前記側壁４８の横方向へのエッチングが、この保護膜５６により抑えられる。

図４（ｃ）に示すようにマスクパターン４７の底部にＳｉＯ2膜４１が露出した段階で高周波電源４１ａ、３ａからの高周波の印加及びガス供給系３６からのガスの供給を停止し、エッチングを終了する。この後は、例えばマスクパターン４７を介して所定のエッチング条件でＳｉＯ2膜４１をエッチングして凹部を形成し、配線用の金属例えば銅をその凹部に埋め込む。

上記の実施形態によればレジストパターン４５を介してＳｉＯ2膜５３に形成されたマスクパターン４６に沿って有機膜４２をＣＯ2ガスとＨ2ガスとの混合ガスを含むプラズマを用いてエッチングし、その有機膜４２の下層のＳｉＯ2膜４１をエッチングするためのマスクパターン４７を形成している。これによって後述の実験で示されるようにマスクパターン４７の側壁４８が高い垂直性を有するように形成される。従ってマスクパターン４６及び４７を用いてＳｉＯ2膜４１をエッチングするにあたり、ＳｉＯ2膜４１に形成されるパターンの線幅が大きくなることが抑えられ、そこに埋め込まれる配線の線幅の微細化を図ることができる。また後述の実験で示すように、このように形成されたマスクパターン４６及び４７の上部側が、その下部側及び高さ中央部に比べて大きく開口する肩落ちと呼ばれる形状となることが抑えられ、横方向に配列されたパターン間のリーク電流が低く抑えられるため好ましい。

また上記実施形態の三層レジスト４はレジスト膜４４と有機膜４２との間に中間層としてＳｉＯ2膜４３が設けられており、このＳｉＯ2膜４３に上方側に比べて下方側の線幅が狭くなるようにマスクパターン４６が形成されこのマスクパターン４６を介して有機膜４２がエッチングされるので、マスクパターン４７の線幅が大きくなることがより抑えられる。

複数層レジストとしては三層構造のものに限られず、図４(ａ)に示すように四層構造のものを用いてもよい。この四層レジスト６は、ＳｉＯ2膜４３とレジスト膜４４との間に例えば有機膜からなる反射防止膜６１が形成されている。この四層レジスト６をエッチングする工程について説明する。例えば先ず上記の実施形態のステップ１と同様にＣＦ₄などのガスから生成したプラズマを用いて、フォトレジスト４４をマスクとしてレジストパターン４５を介して反射防止膜６２とＳｉＯ2膜４３を相次いでエッチングして、これらの膜６１，４３にマスクパターン４６同様の下方側が狭まったマスクパターン６２を形成する（図４（ｂ））。然る後このマスクパターン６２を介して上記実施形態のステップ２と同様の手順で有機膜４４をエッチングし、マスクパターン４７を形成する。このような四層レジスト６を用いても上記の実施形態と同様の効果が得られる。

また複数層レジストは図５（ａ）に示すように二層構造のものであってもよい。この二層レジスト６０は有機膜４４と、その上に積層されたフォトレジスト膜６５とにより構成されている。フォトレジスト膜６５にはレジストパターン４５が形成されており、フォトレジスト膜６５は有機膜４４をエッチングするためのマスクとなる。またフォトレジスト膜６５は、有機膜４４のエッチング中にエッチングされて消失することを防ぐためにフォトレジスト膜４４よりも多くのＳｉ（シリコン）を含有している。この二層レジスト６０は、上記の実施形態のステップ２の手順に従ってエッチングされ、図５（ｂ）に示すように有機膜４４にマスクパターン４７が横方向へ広がることが抑えられながら形成される。

また本発明は図６（ａ）に示すような構造の膜が形成されたウエハＷをエッチングする場合にも適用できる。図６(ａ)に示した膜構造は後述のように下層層部に多層配線構造における上層の配線層を埋め込むための溝部（トレンチ）と、上層の配線層と下層の配線層とを接続する電極を埋め込むためのビアホールとを同時に形成するデュアルダマシン法を実施できるように構成されている。図中７１は下層側の金属例えば銅の配線層、７２は、銅配線層７１がエッチングされることを防ぐためのストッパ膜であり、例えばＳｉＣ膜により構成される。図中７３は絶縁膜をなす多孔質のＳｉＣＯＨ膜であり、これは例えば比誘電率が２．７以下の多孔質のシリコン、炭素、酸素及び水素を含む膜である。７４は、例えばＳｉＯ_２膜よりなるハードマスクであり、多孔質ＳｉＣＯＨ膜７３を保護する当該多孔質ＳｉＣＯＨ膜７３のキャップ膜として機能する。

さらに図中７５は有機膜であり、例えば前記有機膜４２と同様の成分により構成されている。７６はハードマスクとして機能するＳｉＯ_２膜であり、７７はレジストパターン７８が形成されたフォトレジスト膜である。この例では、有機膜７５、ＳｉＯ2膜７６及びフォトレジスト膜７７により三層レジスト７が形成されている。有機膜７５は、多孔質ＳｉＣＯＨ膜７３に形成された電極埋め込み用の凹部７９に犠牲膜として埋め込まれており、凹部７９上に前記レジストパターン７８が形成されている。この例では、凹部７９は、後の工程にて金属（例えば銅）が埋め込まれたときに、前記トレンチと前記ビアホールと、を構成するものである。

続いて上記の三層レジスト７を含む膜構造をエッチングする手順について説明する。先ず上述の実施形態のステップ１と同様の手順でフォトレジスト膜７７をマスクとしてレジストパターン７８に沿ってＳｉＯ2膜７６をエッチングして有機膜７５が露出するようにマスクパターン８１を形成し（図６（ｂ））、続いて上述の実施形態のステップ２と同様の手順でマスクパターン８１に沿って、有機膜７５をエッチングし、有機膜７５にマスクパターン８２を形成すると共に残留しているフォトレジスト膜７７を除去する。そしてマスクパターン８２の底部にＳｉＯ2膜７４が露出し、凹部７９に埋め込まれた有機膜７５が所定の高さだけエッチングされずに残るようにエッチングを終了する（図６（ｃ））。

然る後、例えば処理室１１にＣＦ_４ガスなどの処理ガスを供給し、各処理ガスガスをプラズマ化して、有機膜７５をマスクとして図７（ａ）に示すようにＳｉＯ2膜７６をエッチングして除去すると共にマスクパターン８２に露出したＳｉＯ_２膜７４をエッチングして除去し、続けてマスクパターン８２に露出した多孔質ＳｉＣＯＨ膜８３が所定の厚さになるようにエッチングする。

然る後、例えば処理室１１にＮ2ガス、ＣＯ_２ガス及びＨ2ガスを供給し、前記ステップ２と同様の手順でこれらの混合ガスをプラズマ化し、このプラズマを用いて図７（ｂ）に示すようにＳｉＯ2膜７４上の有機膜７５と、凹部７９に埋め込まれた有機膜７５を除去する。続いて処理室１１にＣＦ_４ガスなどの処理ガスを供給し、各処理ガスをプラズマ化させて、図７（ｃ）に示すように、凹部７９に露出したＳｉＣ膜７２のエッチングを行い、下層の配線層７１を露出させる。

こうして形成された凹部８３に金属例えば銅が埋め込まれ、図７（ｄ）に示すように、上層の配線層８４と、この配線層８４と下層の配線層７１とを接続する電極８５とが同時に形成される。このような実施形態においても有機膜７５に形成されるマスクパターンの側壁が高い垂直性を持つように形成される。これによって例えば上層配線８４の線幅が大きくなることが抑えられるため好ましい。また凹部７９に埋め込まれた有機膜７５をエッチングするにあたり、Ｏ2ガスをプラズマ化したものを用いるような場合に比べて、ＣＯ2及びＨ2ガスの混合ガスをプラズマ化したものを用いることでＳｉＣＯＨ膜７３に与えるダメージを抑えることができる。

また図８は他のマスクパターン形成工程について示している。この工程に用いられるウエハＷの表面には図８（ａ）に示すように、図２（ａ）のウエハＷ同様に三層レジスト４が形成されている。先ず、上述の実施の形態の手順のステップ１及びステップ２に従ってＳｉＯ2膜４３にマスクパターン４６を形成した後、マスクパターン４６を介して有機膜４２にマスクパターン４７を形成する（図８（ｂ））。然る後、例えばステップ１と同様にＣＦ_４ガス及びＣ_４Ｆ₈ガスをプラズマ化し、ＳｉＯ2膜４３を除去すると共にマスクパターン４７に従ってＳｉＯ2膜４１を深さ方向にエッチングして、ＳｉＯ2膜４１にパターン９１を形成する（図８（ｃ））。然る後ステップ２と同様にＣＯ2ガス、Ｈ2ガス及びＮ2ガスを含んだ混合ガスをプラズマ化して、有機膜４２を除去する（図８（ｄ））。

続いてパターン９１が埋まるように有機膜４２の構成材料を塗布して有機膜４２を形成した後、ＳｉＯ2膜４３の構成材料、フォトレジスト膜４４の構成材料をこの順にウエハＷに塗布し、さらにレジストパターン４５を形成して三層レジスト４０を形成する（図８（ｅ））。レジストパターン４５がパターン９１と重ならないように形成されることを除いて三層レジスト４０は三層レジスト４と同様に構成される。そして前記ステップ１及びステップ２の処理を続けて行い、ＳｉＯ2膜４３及び有機膜４２をエッチングしてマスクパターン４６，４７を形成した後（図８（ｆ））、例えばステップ１と同様の手順で処理を行い、ＳｉＯ2膜４３を除去すると共にマスクパターン４７に従ってＳｉＯ2膜４１を深さ方向にエッチングしてＳｉＯ2膜４１にパターン９２を形成する（図８（ｇ））。然る後ステップ２と同様の処理を行い、有機膜４２を除去する（図８（ｈ））。

上述のように有機膜に形成されるパターンの大きさを制御するための中間層を備えた複数層レジストを形成することと、当該複数層レジストの有機膜にマスクパターンを形成することとを順に繰り返して行う手法は、有機膜をエッチングしてマスクパターンを形成するにあたり、横方向にエッチングが進みマスクパターン同士が互いに連通してしまうことが抑えられるため、有機膜の下層の膜に密にパターンを形成する場合において特に有効であるが、本発明を適用することでその有機膜のマスクパターンの側壁が高い垂直性を持って形成されるため、そのような隣り合うパターン間が連通する事がより抑えられ、好ましい。

（実施例１）
上記実施形態の図２に示したようにＳｉＯ2膜４１上に三層レジスト４が積層されたウエハＷについて、上述の手順に従ってエッチングを行い、有機膜４２にマスクパターン４７を形成し、ウエハＷ中心部、周縁部夫々の表面における縦断面を撮像した。処理を行ったウエハＷの三層レジスト４の各膜厚は上述の実施の形態で示した各膜厚と同じであり、レジストパターン４５の大きさも実施の形態で示したものと同じである。また上記手順のステップ１、ステップ２において、プラズマを発生させてエッチングを行う時間は夫々６０秒、５２秒に設定しており、その他の条件は上記実施形態と同じに設定している。

図９（ａ)、（ｂ）は上述のようにエッチングを行ったウエハＷの夫々中央部、周縁部の撮像結果を模式的に示したものである。図９（ａ）に示したパターン１０１において有機膜に形成されている部分の縦方向の上部、下部、上部と下部との間の高さ中央部の線幅は夫々７０ｎｍ、７２ｎｍ、７５ｎｍであった。また図９（ｂ）に示したパターン１０２において有機膜に形成されている部分の上部、下部、前記中央部の線幅は夫々７２ｎｍ、７７ｎｍ、７８ｎｍであった。図９（ａ）、（ｂ）に示されるように各パターン１０１，１０２の側壁は、夫々高い垂直性を持って形成され、また上記の各高さ位置におけるパターンの線幅が夫々近い値であり、背景技術で説明したようなパターンの高さ中央部が広くなるボーイング形状や、実施形態で説明したような肩落ちと呼ばれる形状になることが抑えられていることが分かる。

（比較例１）
次に比較例１として上述の実施例と同様にステップ１を実施した後、ステップ２においてＣＯ2ガス、Ｈ2ガス及びＮ2ガスからなる混合ガスをウエハＷに供給する代わりにＣＯ2ガスのみをウエハＷに供給し、それをプラズマ化してウエハＷにエッチングを行った。ステップ２においてエッチング時間を４３秒に設定した他は実施例のステップ２と同様の処理条件に設定した。

図９(ｃ)、（ｄ）は上述のようにエッチングを行ったウエハＷの中央部、周縁部の撮像結果を夫々模式的に示したものである。図９（ｃ）に示したパターン１０３の有機膜に形成された部分における縦方向の上部、下部、上部と下部との間の中央部の線幅は夫々７１ｎｍ、７８ｎｍ、８５ｎｍであった。また図９（ｄ）に示したパターン１０４の有機膜に形成された部分における縦方向の上部、下部、前記中央部の線幅は夫々７４ｎｍ、８１ｎｍ、８２ｎｍであった。図９（ｃ）、（ｄ）と、これらの線幅の測定結果とに示されるように各パターン１０３，１０４の側壁についてはボーイング形状となっている。この比較例１と実施例１とから、ＣＯ2ガスとＨ2ガスとを含むガスを用いたプラズマを用いた場合は、ＣＯ2ガスのみからなるプラズマを用いた場合に比べて有機膜に高い垂直性を持ったパターンを形成することができるという本発明の効果が示された。

（比較例２）
次に比較例２として上述の実施例１と同様にステップ１を実施した後、ステップ２においてＣＯ2ガス、Ｈ2ガス及びＮ2ガスからなる混合ガスをウエハＷに供給する代わりにＨ2ガス及びＮ2ガスのみをウエハＷに供給して、それをプラズマ化してエッチングを行うように設定した。そしてこのステップ２のエッチング時間はウエハＷごとに夫々異なるように設定し、エッチング終了後に各ウエハＷの縦断側面を撮像して、どれだけのエッチング時間で実施例１において形成された各パターン１０１，１０２と同じ深さまでエッチングできるかを調べた。用いるガス及びエッチング時間が異なることを除いてエッチング条件は実施例のステップ２と同じに設定している。

上記の試験の結果、エッチング時間を１４４秒に設定したウエハＷのパターンが実施例１のパターン１０１，１０２と同じ深さまで形成されていた。このようにＣＯ2を含まずＨ2を含むガスを用いた場合にエッチング時間が長くなるのは、Ｈ2ガスがプラズマ化されて生じるＨ+イオンなどは質量が低く、ウエハＷへのエッチング作用が小さいためであると考えられる。この試験の結果から、Ｈ2ガスを含みＣＯ2ガスを含まない処理ガスをプラズマにより活性化してエッチングを行った場合と、本発明のようにＨ2ガス及びＣＯ2ガスを含んだ処理ガスをプラズマにより活性化してエッチングを行った場合とでは後者の方がエッチング時間が短く、スループットの向上を図るために好ましいことが分かる。
なお図９(ｅ)、（ｆ）は１４４秒エッチングを行った前記ウエハＷの中央部、周縁部の撮像結果を夫々模式的に示したものであり、図９（ｅ）に示したパターン１０５の有機膜に形成された部分における上部、下部、中央部の線幅は夫々５５ｎｍ、５４ｎｍ、５８ｎｍである。また図９（ｆ）に示したパターン１０６の有機膜に形成された部分における上部、下部、中央部の線幅は夫々５５ｎｍ、４９ｎｍ、５４ｎｍである。図からわかるように各パターン１０５，１０６は肩落ちが大きくなっており、パターンの形状についても実施例１の方が好ましいことが分かる。

本発明の半導体装置の製造方法を実施するプラズマ処理装置の一例を示した縦断側面図である。本発明の半導体装置の製造方法を用いて三層レジストを備えたウエハをエッチングするプロセスを示した工程図である。前記三層レジストに設けられる有機膜のパターンの側壁が保護される様子を示した説明図である。本発明の半導体装置の製造方法を用いて四層レジストをエッチングするプロセスを示した工程図である。本発明の半導体装置の製造方法を用いて二層レジストエッチングするプロセスを示した工程図である。前記三層レジストとは異なる三層レジストを備えたウエハＷをエッチングするプロセスを示した工程図である。前記三層レジストとは異なる構造を有する三層レジストを備えたウエハをエッチングするプロセスを示した工程図である。フォトリソグラフィと本発明のエッチング工程とを繰り返して行いパターンを形成する工程図である。実施例及び比較例で形成されたパターンの縦断側面の模式図である

Ｗ半導体ウエハ
４三層レジスト
４１ＳｉＯ2膜
４２有機膜
４３ＳｉＯ2膜
４４フォトレジスト膜
４５レジストパターン
４６，４７マスクパターン

Claims

有機膜と、この有機膜の上に積層されたSiO2からなる中間膜と、前記中間膜の上に積層されたレジストパターンが開口したレジスト膜とを備える複数層レジストを、基板に形成された被エッチング膜上に積層されるように形成する膜形成工程と、
前記中間膜を前記レジスト膜をマスクとして処理室内においてプラズマによりエッチングして、当該中間膜に下端側が上端側よりも狭まるテーパ状の第１の開口部を形成する第１のエッチング工程と、
次いで、前記第１のエッチング工程を行った処理室と同一の処理室内において、前記有機膜を、二酸化炭素と水素とを含む処理ガスをプラズマ化して得たプラズマにより前記第１の開口部に沿ってエッチングし、当該有機膜に第２の開口部を形成する第２のエッチング工程と、
前記第２の開口部に沿って前記被エッチング膜をプラズマによりエッチングして、当該被エッチング膜に第３の開口部を開口する第３のエッチング工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記膜形成工程、第１のエッチング工程、第２のエッチング工程及び第３のエッチング工程は、順次繰り返して行われ、
前記第３のエッチング工程後、次に膜形成工程が行われるまでの間に、被エッチング膜上に残留する前記複数層レジストを構成する膜を除去する膜除去工程が行われ、
各第３のエッチング工程で前記第３の開口部を被エッチング膜の互いに横方向にずれた位置に形成するために、各膜形成工程において前記レジストパターンは互いに横方向にずれた位置に形成される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。
前記第２のエッチング工程において、前記処理室内に供給される二酸化炭素の流量と、水素の流量とは互いに等しいことを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
前記第２のエッチング工程において、前記処理ガスの総流量に対する二酸化炭素及び水素の合計の流量比が２／３であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
有機膜は、基板に形成されたシリコン、炭素、酸素及び水素を含む低誘電率膜に形成された凹部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１、３、４のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
前記有機膜は、犠牲膜であ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。
前記凹部は多層配線構造における上層と下層との配線同士を接続する電極を埋め込むためのビアホールであ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。
前記有機膜は炭素を主成分とすることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法。
基板に対してエッチングを行うプラズマ処理装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムを格納した記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは請求項１ないし８のいずれか一に記載の半導体装置の製造方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする記憶媒体。