JP2926716B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

ドライエッチング方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、下地層上に形成された有機膜を選択的にエ
ッチングするドライエッチング方法に関する。本発明は
例えば、半導体装置製造の際の多層レジスト技術におけ
るドライエッチング方法等として利用することができ
る。
〔発明の概要〕
本発明のドライエッチング方法は、下地層上に少なく
とも1層の有機膜を含む2層以上の多層膜からなるマス
ク層が形成された構造について、該有機膜を選択的にエ
ッチングする場合に、窒素ガスまたはアンモニアガスに
希ガスを添加したエッチングガスを用いることによっ
て、異方性のエッチング形状を確保できるとともに、充
分に高速なエッチング速度を得られるようにしたもので
ある。
〔従来の技術〕
半導体装置の製造等の分野では、一層微細化・集積化
した半導体装置等を得ることが要請されている。このた
め、例えばリソグラフィ技術においては、縮小投影露光
装置等の光源の短波長化、レンズの高NA化による微細化
の追求などの試みがなされている。また、各種製造プロ
セスの改良の動きも顕著である。
この中の代表的なものに、多層レジストプロセスがあ
る。レジストプロセスの多層化は、半導体装置の高集積
化、特に近年のULSIへの流れの中で、必須の動きとなっ
ている。多層レジストプロセスは、一般に、段差を有す
る下地の上に、下平坦化層としてのフォトレジスト層を
形成し、該フォトレジスト層上に、もう1層または2層
乃至更に多層の層を形成してパターニングを行い、これ
をマスクに下地平坦化層であるレジストを現像しようと
いうものである。例えば、下地平坦化層であるレジスト
現像手段として、パターニングされた上層の有機膜をマ
スクに下地をドライエッチングする2層レジスト法が提
案されている。
この方法は、例えば第2図(a)に示すように段差11
を有する下地層1(基板など)に平坦化層2′を形成
し、更にその上にフォトレジストにより有機膜4′を形
成し、次いで同図(b)の如く上層のフォトレジストで
ある有機膜4′をパターニングし、次に同図(c)の如
く該有機膜4′をマスクにして平坦化層2′をドライエ
ッチングするものである。(2層レジスト法については
「電子材料」1986年4月号47〜48頁、また多層レジスト
法については「Semiconductor World」(プレスジャー
ナル社)1986年5月、70〜77頁、同1987年11月、101〜1
05頁参照)。
また、第1図に示すような、3層レジスト法が提案さ
れている。これは基板などの下地層1上に平坦化膜とし
ての機能も有するフォトレジストからなる下層有機膜2
を形成し(第1図(a)参照)、この上にCVDによるSiO
2や、スピンコーティング等によるSOGなどの中間層3を
形成し、更に通常のレジストから成る上層4を形成し
(第1図(b)参照)、該上層4を通例の手法により露
光・現像して第1図(c)の如くし、該上層4をマスク
としてRIE等で中間層3をパターニングして第1図
(d)のようにし、次いで酸素ガス等をエッチングガス
とするRIEでフォトレジストから成る下地有機膜2をパ
ターニングする(第3図(e)参照)技術である。
そのほか多層レジスト技術としては、ドライエッチン
グ現像を用いないいわゆるPCM法などがある。
上記のような技術においては、エッチングマスクとな
るべきフォトレジストとしてはドライエッチング耐性の
よい物質を用いることが好ましいわけであるが、一般に
従来より提案されている2層レジスト技術では、このマ
スク用レジストとして、例えばSi含有レジストと呼ばれ
るレジスト材料が用いられる。通常、このレジストを酸
素ガス等で反応性イオンエッチングして、所望のパター
ンを得る。この原理は、上層のSi含有レジストをO2プラ
ズマにより酸化(SiOx化)することによるものと考えら
れている。
上記述べた如く通常、多層レジストの下層エッチング
プロセスでは、3層レジストの中間層であるSiO2や、2
層レジストのSi含有レジストをマスクに、O2ガスでのエ
ッチングを行う。この場合、充分な異方性の確保には、
低圧、高Vdc条件が必須となる。下地レジスト層の加工
は、用いる酸素O2による酸素ラジカルOとレジスト等
の有機膜の反応性の問題から、エッチングを低い圧力、
高いイオンエネルギー下で行わざるを得ないからであ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが、このような低圧、高Vdc条件下では、通常
エッチングに寄与するラジカル種の濃度が低下するた
め、充分なエッチング速度が得られない。しかし一方、
エッチング速度向上のためにラジカル濃度を高くするよ
うな条件、即ち高圧、低Vdcである条件を用いると、か
かる条件下では異方性形状が得られず、アンダーカット
が生じてしまうという問題がある。
従って違法性形状を確保しながら、しかもエッチング
速度を高められるドライエッチング方法が切望されてい
る。
本発明は上記従来技術の問題点を鑑みてなされたもの
であり、その目的は、ドライエッチング方法であって、
エッチング形状を異方性形状に保ちながら、特にアンダ
ーカットの無い異方性形状に保ちながら、しかもエッチ
ング速度を充分高速にできるドライエッチング方法を提
供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
前記した問題点を解決するため、本発明は、 下地層上に少なくとも1層の有機膜を含む2層以上の
多層膜からなるマスク層が形成された構造について、該
有機膜を選択的にエッチングするドライエッチング方法
において、 エッチングの全工程にわたって、窒素ガスまたはアン
モニアガスに希ガスを添加したエッチングガスを用い、 エッチングに必要な高周波電力を、低いイオンエネル
ギーでありかつ異方性を確保できるエネルギー条件を与
える値としたことを特徴とする 構成をとる。
本発明のドライエッチング方法は、有機膜を選択的に
エッチングするものであり、エッチングの全工程にわた
って、窒素(N2)ガス、またはアンモニア(NH3)ガス
に希ガスを添加したエッチングガスを用いるものであ
る。
各種条件により異なるが、例えば、一つの好ましい態
様として、希ガスを10〜50流量%含有し、その他のガス
成分をN2,NH3またはこれらの混合物から成るように構成
することができる。希ガスも、その混合物が添加される
ようになっているものでもよい。
本発明において、エッチングされるのは下地層上に形
成された有機膜である。
ここで、下地層とは、エッチングされるべきレジスト
等の有機膜が形成されるべき下地であれば任意である。
その種類や材料には限定はなく、例えば半導体基板であ
っても他の層であってもよく、例えば、配線層、層間絶
縁膜、半導体層、マスク材料等であってもよい。これら
は上記有機膜をマスクとしてパターニングすべき層であ
ってもよい。また2種類以上の材料層であってもよい。
段差を有するものでも有さないものでもよいが、段差を
有するものである場合に、特に本発明は好適である。
本発明において、選択的にエッチングされるべき有機
膜としては、適宜任意のものを用いることができるが、
例えば、フォトレジストパターンを形成するためのフォ
トレジスト、即ち露光・現像によってパターニング可能
な物質を被エッチング物として用いることができる。
例えば、第2図に示したような2層レジスト法に本発
明を適用する場合には、Si含有レジストを好ましく用い
ることができる。好ましく使用できるこのようなレジス
ト材料として、例えば特公昭61−188539公報に記載のSi
含有レジストを挙げることができる。
また一般式(1) 及び一般式(2) (両式中、R1とR9は低級アルキレン基、R2、R3、R4、R
10、R11及びR12はH、OH、CH3またはCH2OH、R5〜R8は低
級アルキル基、R13はCH2OCH2、Aはフェノール、1〜3
の置換基を有するフェノール誘導体または (R14は低級アルキレン基、R15、R16及びR17は低級アル
キル基を表す)を表し、Xは0より大きくかつ1以下の
数、Yは0または1−Xを表す)で示される単位の少な
くとも一方を有する重合体からなるレジスト材料を挙げ
ることができる。
このようなレジスト材料はフェノール誘導体から構成
できるが、かかるフェノール誘導体としては、例えば、
o−、m−、及びp−クレゾール、キシレノール、レゾ
ルシノール等が挙げられる。また、上記各式において、
XとYとの比率は任意であるが、有機アルカリ水溶液へ
の現像性を考慮するとYは0.7以下が好ましい。
例えば下記式(3)で示される単量体を反応させて得
られる、下記式(4)で示される重合体から成るレジス
トを好ましく用いることができる。
式(4)で示されるレジスト材料としては、単分散ポ
リスチレンを標準とするゲルバーミエーションクロマト
法による分子量が、w=5,200、n=1,100、w/
n=4.75である材料、あるいは同じくw=28,300、
n=2,200、w/n=12.9である材料を好ましく使用
できる。また、上記式(3)で示される単量体を原料と
して得られる、下記式(5)で示される共重合重合体か
ら成るレジスト材料も、好ましく用いることができる。
w=5,000 n=2,000 w/n=2.5 〔作用〕 本発明におけるエッチングメカニズムは必ずしも明ら
かでなく、よって本発明の作用も必ずしも明らかでな
い。
本発明によれば、異方性形状を確保しながら、充分な
エッチング速度が得られるが、それは概ね以下のような
作用によると考えられる。
即ち、本発明では、例えばXe,Kr等の希ガスがエッチ
ングガス中に添加されており、希ガスであるからエッチ
ングガスによる反応への影響は無く、かつこの希ガスの
スパッタ効果によりエッチング速度が向上するものと考
えられる。
換言すれば、希ガスであるから基本的に反応は物理的
であり、異方性形状を損なうおそれは無い。また希ガス
を添加したことでスパッタリングのエネルギーが増し、
その分だけエッチング速度が向上したと推定される。
希ガスを添加したことによるエッチング速度の向上効
果は、後記する実施例によっても、充分に裏付けられて
いる。
スパッタ効果は質量数が大きい方程(他のガス分子と
の衝突による散乱を無視できるという意味で)効果的な
ので、かかるスパッタ効果に基づくエッチング速度向上
効果については、原子量の大きなXeやKrがその効果が大
きいと考えられる。
〔実施例〕
以下本発明の具体的な実施例について、説明する。な
お当然のことではあるが、本発明は以下述べる実施例に
より限定されるものではない。
実施例−1 この実施例は、高度に集積化されたIC等の半導体装置
の製造の際のドライエッチングに本発明を適用したもの
である。本実施例は特に、第1図に示す3層構造の多層
レジストプロセスに本発明を適用した。
第1図を参照する。
本実施例では、第1図(a)に示すように下地層1
(基板でもよく、あるいは絶縁層上のアルミニウム等の
導電層であってもよい)上に、有機膜2を形成する。こ
の有機膜2が、本発明を適用して選択的にエッチングさ
れる被エッチング有機膜に該当する。この有機膜2は、
下地層1に段差がある場合、第2図に示した平坦化層
2′と同様な作用で、平坦化膜として機能することがで
きる。
使用する有機膜の種類に応じ、必要により第1図
(a)に矢印で示すようにベーキングを施す。
その後、第1図(b)に示すように、概有機膜2上に
中間層3を形成し、更にその上に上部レジスト層4を形
成する。
中間層としては、本実施例ではSOG(Spin on Glass)
として知られている物質を用い、これによりSOG膜とし
て形成した。
この中間層3は有機膜2のパターンニングのマスクに
なるものであり、また上部レジスト層4は選択的に露光
されて、中間層3をパターニングする役割りを果たす。
上記のようにして第1図(b)の構造を得た後、上記
レジスト層4を選択的に露光して、パターニングし、第
1図(c)の構造とする。
パターニングされたレジスト層4をマスクにして、第
1図(d)に示すように、中間層3をエッチングする。
エッチングは本例では、RIE法を用いた。
次いで、上記パターニングされた中間層3をマスクに
して、希ガスを添加したエッチングを用い、ドライエッ
チングを行って、有機膜2をエッチングする。
この時のエッチング条件は、下記のとおりである。
エッチングガスは、窒素とキセノンとを同容量で混合
(同流量で混合)して用いた。
具体的には、N2/Xe=25/25SCCMの混合ガスをエッチン
グガスとして用いた。
かつ、圧力50mTorr、RFバイアス電力50Wの条件でエッ
チングを行った。
これにより、充分なエッチング速度で、有機膜2のエ
ッチングが進行し、第1図(e)に示す異方性形状の良
好なエッチングが達成された。
比較として、エッチングガスをN2のみとし、その他は
同条件として同様なエッチングを行ったが、この比較の
場合に比べて、本実施例では50%高いエッチング速度が
得られ、Xe添加の効果は明らかであった。
なお本実施例では、有機膜2として東京応化(株)製
のレジストであるOFPR800を用いたが、その他の有機膜
を用い、それに応じたエッチングガスを使用して具体化
するものでもよい。例えば、2層レジスト法に適用し、
前記したSi含有レジストを有機膜形成用に用いる態様で
具体化できる。
また、中間層3をSOGにかえて、例えばSiO2を用いる
ようにすることもできる。その他種々の態様が可能であ
る。
このように、本発明によれば、イオンエネルギー電圧
Vdcを異方性を損なうような低電圧にする必要なく、し
かも高速で有機膜をエッチングすることができる。本実
施例では特に、多層レジストのエッチングを、異方性形
状を保ちながら、高速で行うことができた。
実施例−2 本実施例では、エッチングガスとしてアンモニアガス
とキセノンとの混合ガスを用い、NH3/Xe=60/40の流量
比となるようにして実施した。その他は実施例−1と同
様にした。その結果、実施例−1と同様の効果が得られ
た。
実施例−3 本実施例ではエッチングガスとして窒素とクリプトン
との混合ガスを用い、N2/Kr=50/50の流量比となるよう
にして実施した。その他は実施例−1と同様にした。そ
の結果、実施例−1と同様の効果が得られた。
実施例−4 本実施例では、エッチングガスとして窒素とアルゴン
との混合ガスを用い、N2/Ar=50/50の流量比となるよう
にして実施した。その他は実施例−1と同様にしたが、
イオンエネルギー電圧Vdcについては、これをやや高め
に設定した。その結果、実施例−1と同様の効果が得ら
れた。
実施例−5 本実施例では、エッチングガスとしてアンモニアガス
とアルゴンとの混合ガスを用い、NH3/Ar=60/40の流量
比となるようにして実施した。その他は実施例−5と同
様にした。その結果、実施例−1と同様の効果が得られ
た。
実施例−6 本実施例では、エッチングガスとしてアンモニアガス
とクリプトンとの混合ガスを用い、NH3/Kr=60/40の流
量比となるようにして実施した。その他は実施例−1と
同様にした。その結果、実施例−1と同様の効果が得ら
れた。
〔発明の効果〕
上述の如く本発明のドライエッチング方法は、エッチ
ング形状を異方性形状(特にアンダーカットの無い異方
性形状)に保ちながら、しかもエッチング速度を充分に
高速にできるという効果がある。例えば本発明は、多層
レジストプロセス(Si含有2層レジストプロセス、3層
レジストプロセス等)に有効に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は、本発明を適用できる多層レジスト
プロセスを示すもので、第1図は3層レジストプロセ
ス、第2図は2層レジストプロセスを示す。 1……下地層、2,4′……有機膜、3……中間層、4…
…上部レジスト層。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下地層上に少なくとも1層の有機膜を含む
    2層以上の多層膜からなるマスク層が形成された構造に
    ついて、該有機膜を選択的にエッチングするドライエッ
    チング方法において、 エッチングの全工程にわたって、窒素ガスまたはアンモ
    ニアガスに希ガスを添加したエッチングガスを用い、 エッチングに必要な高周波電力を、低いイオンエネルギ
    ーでありかつ異方性を確保できるエネルギー条件を与え
    る値としたことを特徴とするドライエッチング方法。
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