JP3264035B2

JP3264035B2 - ドライエッチング方法

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Publication number: JP3264035B2
Application number: JP09979193A
Authority: JP
Inventors: 敏治柳田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-04-26
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 2002-03-11
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: JPH06310468A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置等の製造分野
において適用されるドライエッチング方法に関し、特に
たとえば多層レジスト・プロセスにおいて下層レジスト
層をエッチングする際の異方性加工に必要な入射イオン
・エネルギーを低減することにより、選択性を向上さ
せ、下地材料のスパッタ再付着を防止する方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置のデザイン・ルールがサブミ
クロンからクォーターミクロンのレベルへと高度に微細
化されるに伴い、フォトリソグラフィやドライエッチン
グ等の各種加工技術に対する要求も一段と厳しさを増し
ている。フォトリソグラフィ技術においては、近年、高
解像度を求めて露光波長が短波長化され、さらに基板の
表面段差が増大していることもあって、多層レジスト・
プロセスの採用が必須となりつつある。多層レジスト・
プロセスは、基板の表面段差を吸収するに十分な厚い下
層レジスト層と、高解像度を達成するに十分な薄い上層
レジスト層の少なくとも２種類のレジスト層とを組み合
わせて使用する方法である。

【０００３】良く知られた方法としては、Ｊ．Ｖａｃ．
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，１６，（１９７９），ｐ．１６２
０に報告されている、いわゆる３層レジスト・プロセス
がある。これは、基板の表面段差を平坦化する厚い下層
レジスト層、この下層レジスト層をエッチングする際の
マスクを構成するための無機材料からなる薄い中間層、
およびフォトリソグラフィと現像処理によりパターニン
グされる薄い上層レジスト層の３種類の層を使用するも
のである。このプロセスでは、まず上層レジスト層が所
定の形状にパターニングされ、これをマスクとしてその
下の中間層がＲＩＥ（反応性イオン・エッチング）によ
りパターニングされ、さらに前記上層レジスト層と中間
層とをマスクとしてドライエッチングを行うことによ
り、下層レジスト層がパターニングされる。

【０００４】ところで、この下層レジスト層のエッチン
グは一般にＯ₂ガスを用いて行われるが、このエッチン
グを高速性，高異方性を兼ね備えた条件で、しかも制御
性良く行うことは容易ではない。すなわち、高速化を目
指して高ガス圧条件下でＯ^*（酸素ラジカル）の生成量
を増大させると、等方的なラジカル反応がエッチング機
構の主体となり、異方性が低下してしまう。

【０００５】一方、異方性の向上を図るために低ガス圧
下でイオンの平均自由行程を延ばし、かつ高バイアス下
でイオン・スパッタリングを主体とする機構によりエッ
チングを行おうとすると、高速化が困難となり、また下
地材料層に対する選択性も低下する。そもそも下層レジ
スト層は、基板の表面段差を吸収することを目的とする
層であるから、一般に局部的に大きな膜厚差を有してお
り、膜厚の薄い領域では過剰なオーバーエッチングが進
行し易い。このような場合に下地選択性が不足している
と、スパッタされた下地材料層がパターンの側壁面に再
付着し、パーティクル汚染を増大させたりレジスト・マ
スクの剥離を阻害する等の問題を引き起こす。かかる再
付着の問題は、第３３回応用物理学関係連合講演会（１
９８６年春季年会）講演予稿集ｐ．５４２，演題番号２
ｐ−Ｑ−８でも指摘され、周知のところである。

【０００６】このため、入射イオン・エネルギーの低減
と高異方性の達成とを両立し得るレジスト材料層のドラ
イエッチング方法が切望されている。かかる要望に対応
する技術として、本願出願人はこれまでに、高異方性の
達成をラジカル性の低減とイオン性の増強のみに依存す
るのではなく、反応生成物による側壁保護を併用して達
成しようとする技術を種々提案している。つまり、側壁
保護を併用すれば、イオン入射エネルギーを実用的なエ
ッチング速度を損なわない程度に低減することができる
からである。また、近年注目されている低温エッチング
を行う場合にも、従来よりもはるかに室温に近いウェハ
温度域で同等の効果を期待することができる。

【０００７】たとえば、特開平２−２４４６２５号公報
には、Ｏ₂に塩素（Ｃｌ）系ガスを添加したエッチング
・ガスを使用することにより、下層レジスト層とＣｌ系
ガスとの反応生成物であるＣＣｌ_xポリマーを側壁保護
膜として堆積させながら該下層レジスト層の異方性エッ
チングを行う技術を開示した。また、特願平２−１９８
０４４号明細書には、ウェハ温度を５０℃以下に制御し
た状態でＮＨ₃を主体とするエッチング・ガスを使用し
てレジスト材料層をエッチングする技術を提案してい
る。この場合、少なくともＮ，Ｃ，Ｏを構成元素として
含むエッチング反応生成物が側壁保護膜の役割を果た
す。

【０００８】さらに、特願平２−２９８１６７号明細書
には、Ｏ₂に臭素（Ｂｒ）系ガスを添加したエッチング
・ガスを使用することにより、下層レジスト層とＢｒ系
ガスとの反応生成物であるＣＢｒ_xポリマーを側壁保護
膜として堆積させながら該下層レジスト層の異方性エッ
チングを行う技術を提案した。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本願出願人が先に提案
した各ドライエッチング方法は、実用的なエッチング速
度を確保した上で低エネルギーのイオンによる異方性加
工を実用的な温度域で達成したという点において、いず
れも極めて画期的な技術であった。しかし、今後、デバ
イスの高集積化が進行してウェハの表面段差が増大する
と、１００％以上ものオーバーエッチングを必要とする
ケースも生ずる。このように長時間のイオン入射を受け
るプロセスにおいて、下地材料層のスパッタ再付着を防
止することは、依然として困難である。入射イオン・エ
ネルギーをさらに低下させることも考えられるが、これ
では異方性を確保するために塩素系ガスや臭素系ガスの
添加量を増大せざるを得ず、エッチング速度の低下やパ
ーティクル・レベルの悪化を免れない。

【００１０】さらに、下地材料層の種類によっては、パ
ーティクル汚染が深刻化することも指摘されている。こ
れは、特に下地材料層に銅（Ｃｕ）が含有される場合に
問題となる。Ｃｕは、Ａｌ系配線のエレクトロマイグレ
ーション耐性およびストレスマイグレーション耐性を向
上させる目的で、近年、Ａｌに対して０．５〜１％程度
の割合で添加されるようになってきている。また、Ｃｕ
は電気抵抗率が約１．４μΩｃｍと低くＡｌの半分程度
であるため、有効なドライエッチング技術さえ確立され
れば半導体装置における将来の配線材料としての期待も
高い。

【００１１】ところがＣｕは、塩化物や臭化物の蒸気圧
が低い。したがって、Ｃｕを含む下地材料層上でＣｌ系
ガスやＢｒ系ガスを用いて下層レジスト層をエッチング
すると、下地材料層の露出面から供給されたＣｕがＣｕ
₂Ｃｌ₂やＣｕ₂Ｂｒ₂等の形でパターン側壁面上に再
付着する。また、このときのエッチング・ガスの主成分
であるＯ₂によっても蒸気圧の低い酸化銅が生成し、こ
れもパターン側壁面上に再付着する。これらの再付着物
は除去が困難であり、パーティクル汚染の原因となる。

【００１２】この問題に対処するため、本発明者は先に
特願平３−４２２２号明細書において、オーバーエッチ
ング時のガス組成を窒素系化合物と酸素系化合物の混合
組成、もしくは酸化窒素系化合物を含む組成とする方法
を提案している。これは、下地材料層がＣｕである場合
にも、Ｃｕを蒸気圧の比較的低い硝酸銅Ｃｕ（ＮＯ₃）
₂の形で揮発除去させることができる極めて優れた方法
である。しかし、硝酸の関与するこのエッチング反応系
は酸化性が強いため、条件によってはＣｕの露出表面か
ら内部に向けて徐々に酸化が進行し、最終的に形成され
るＣｕ配線パターンの配線抵抗が時に上昇してしまうと
いう懸念がある。

【００１３】そこで本発明は、下地材料層に由来するス
パッタ生成物の再付着を効果的に防止しながら高速異方
性エッチングを行い、かつ下地材料層がＣｕを含有する
場合場合にはその酸化を最小限に押さえることが可能な
レジスト層（有機材料層）のドライエッチング方法を提
供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明のドライエッチン
グ方法は、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、下地材料層上に形成された有機材料層を、ハロ
ゲン化ヨウ素と酸素系化合物とを含むエッチング・ガス
を用いてエッチングするものである。ここで、ハロゲン
化ヨウ素として知られるものには、ＩＣｌ（塩化ヨウ
素；α型の融点２７．１８℃，β型の融点１３．９
℃），ＩＣｌ₃（三塩化ヨウ素；０℃以下で昇華），Ｉ
Ｂｒ（臭化ヨウ素；融点４２℃）等がある。この中には
常温で固体の化合物も含まれているが、いずれも融点が
室温に比べて極端に高くはないので、通常のエッチング
が行われるような高真空下では所定の蒸気圧を示し、エ
ッチング・ガスとして用いることが可能である。常温で
液体の化合物については、Ｈｅガス・バブリング等を行
い、気化させることができる。

【００１５】なお、上述の他にハロゲン化ヨウ素として
はＩＦ₅（五フッ化ヨウ素；常温で液体），ＩＦ₇（七
フッ化ヨウ素；常温で気体）等も知られている。しか
し、これらフッ化ヨウ素は、３層レジスト・プロセスに
おける下層レジスト層のエッチングに適用するには必ず
しも好ましくない。それは、エッチング・マスクとして
一般に用いられるＳＯＧ中間層等の酸化シリコン系材料
に対する選択性が、大量に解離生成するＦ^*により低下
する虞れが大きいからである。

【００１６】本発明はまた、前記エッチング・ガスとし
て、分子内にカルボニル基，ニトロシル基，ニトリル
基，チオニル基，スルフリル基から選ばれる少なくとも
１種類の官能基を有する無機化合物を含むガスを用いる
ものである。

【００１７】ここで、分子内にカルボニル基を有する化
合物として実用性の高い化合物は、酸化炭素とハロゲン
化カルボニルである。酸化炭素としては、ＣＯ（一酸化
炭素），ＣＯ₂（二酸化炭素），Ｃ₃Ｏ₂（二酸化三炭
素，沸点７℃）等が例示される。酸化炭素には、この他
にも分子内の炭素原子数が酸素原子数よりも多い、亜酸
化炭素と総称される化合物が知られており、一酸化炭素
中で無声放電を行った場合に生成する組成の一定しない
物質や、二酸化五炭素、九酸化十二炭素（無水メリト
酸）等がある。

【００１８】ハロゲン化カルボニルとしては、ＣＯＦ₂
（フッ化カルボニル），ＣＯＣｌ₂（塩化カルボニ
ル），ＣＯＢｒ₂（臭化カルボニル），ＣＯＣｌＦ（塩
化フッ化カルボニル），ＣＯＢｒＦ（臭化フッ化カルボ
ニル），ＣＯＩＦ（ヨウ化フッ化カルボニル）等が例示
される。さらに、分子内のカルボニル基の数は１とは限
らず、たとえばＣ₂Ｏ₂Ｆ₂（フッ化オキサリル），Ｃ
₂Ｏ₂Ｃｌ₂（塩化オキサリル），Ｃ₂Ｏ₂Ｂｒ₂（臭
化オキサリル）等のようにカルボニル基を２個有する化
合物も使用できる。

【００１９】分子内にニトロシル基もしくはニトリル基
を有する化合物として実用性の高い化合物は、酸化窒素
とハロゲン化ニトロシルおよびハロゲン化ニトリルであ
る。酸化窒素としては、Ｎ₂Ｏ（酸化二窒素），ＮＯ
（一酸化窒素），Ｎ₂Ｏ₃（三酸化二窒素），ＮＯ
₂（二酸化窒素），ＮＯ₃（三酸化窒素）等が例示され
る。この他に知られている酸化窒素としては、Ｎ₂Ｏ₅
（五酸化二窒素）とＮ₂Ｏ ₆（六酸化二窒素）がある
が、前者は昇華点３２．４℃（１気圧）の固体、後者は
不安定な固体である。

【００２０】ハロゲン化ニトロシルとしては、ＮＯＦ
（フッ化ニトロシル），ＮＯＣｌ（塩化ニトロシル），
ＮＯＣｌ₂（二塩化ニトロシル），ＮＯＣｌ₃（三塩化
ニトロシル），ＮＯＢｒ（臭化ニトロシル），ＮＯＢｒ
₂（二臭化ニトロシル），ＮＯＢｒ₃（三臭化ニトロシ
ル）等を使用することができる。さらにハロゲン化ニト
リルとしては、ＮＯ₂Ｆ（フッ化ニトリル），ＮＯ₂Ｃ
ｌ（塩化ニトリル），ＮＯ₂Ｂｒ（臭化ニトリル）等が
例示される。

【００２１】分子内にチオニル基もしくはスルフリル基
を有する化合物として実用性の高い化合物は、酸化イオ
ウとハロゲン化チオニルおよびハロゲン化スルフリルで
ある。酸化イオウとしては、ＳＯ（一酸化イオウ），Ｓ
Ｏ₂（二酸化イオウ）を挙げることができる。この他に
も数種類の酸化イオウが知られているが、室温近傍では
分解等により複雑な相や組成を有する混合物として存在
するものが多い。たとえば、Ｓ₂Ｏ₃（三酸化二イオ
ウ）は加熱によりＳ，ＳＯ，ＳＯ₂に分解する固体であ
る。ＳＯ₃（三酸化イオウ）は、室温近傍で液体、ある
いは融点の異なるα型，β型，γ型のいずれかの形をと
る固体である。Ｓ₂Ｏ₇（七酸化二イオウ）は融点０
℃、昇華点１０℃の固体である。さらに、ＳＯ₄（四酸
化イオウ）は融点３℃の固体であるが、酸素を発生して
分解し、七酸化二イオウを生成する。

【００２２】ハロゲン化チオニルとしては、ＳＯＦ
₂（フッ化チオニル），ＳＯＦ₄（四フッ化チオニ
ル），ＳＯＣｌ₂（塩化チオニル），ＳＯＢｒ₂（臭化
チオニル），ＳＯＣｌＢｒ（塩化臭化チオニル）等が例
示される。さらにハロゲン化スルフリルとしては、ＳＯ
₂Ｆ₂（フッ化スルフリル），ＳＯＣｌ₂（塩化スルフ
リル），ＳＯＢｒ₂（臭化スルフリル），ＳＯ₂ＣｌＦ
（塩化フッ化スルフリル），ＳＯ₂ＢｒＦ（臭化フッ化
スルフリル）等が例示される。

【００２３】本発明はまた、前記エッチング・ガスとし
て、放電解離条件下でプラズマ中にイオウを放出し得る
イオウ系化合物を含むガスを用いるものである。上記イ
オウ系化合物としては、上述のＳ₂Ｆ₂，ＳＦ₂，ＳＦ
₄，Ｓ₂Ｆ₁₀等のフッ化イオウ、Ｓ₂Ｃｌ₂，Ｓ₃Ｃｌ
₂，ＳＣｌ₂等の塩化イオウ、Ｓ₃Ｂｒ ₃，Ｓ₂Ｂ
ｒ₂，ＳＢｒ₂等の臭化イオウ、およびＨ₂Ｓ等を使用
することができる。

【００２４】本発明はまた、下地材料層上に形成された
有機材料層のエッチングを２段階に分け、上述のエッチ
ング・ガスのいずれかを用いて該下地材料層の一部が露
出するまでジャストエッチングした後、ヨウ素系化合物
とＮＨ₃とを含むエッチング・ガスを用い、被エッチン
グ基板を加熱しながらオーバーエッチングを行って前記
有機材料層の残余部を除去するものである。

【００２５】上記ヨウ素系化合物としては、上述の各種
ハロゲン化ヨウ素に加え、ＨＩ（ヨウ化水素）等も用い
ることができる。

【００２６】本発明はさらに、前記下地材料層としてＣ
ｕを含有する層を用いるものである。この場合の下地材
料層とは、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金，Ａｌ−Ｃｕ合金，純
Ｃｕ等である。

【００２７】

【作用】本発明のポイントは、エッチング反応系にヨウ
素系化学種を生成させることにより、マスク選択性の向
上と側壁保護膜の強化とを図り、下地材料層に由来する
スパッタ生成物の再付着を効果的に防止しながら高速異
方性エッチングを行う点にある。

【００２８】本発明で用いるエッチング・ガスの基本成
分は、ハロゲン化ヨウ素と酸素系化合物である。このガ
スを用いると、Ｏ^*による等方的な燃焼反応がＩ⁺，Ｘ
⁺（Ｘはハロゲン），Ｏ⁺等のイオンの入射エネルギー
にアシストされる機構で異方性エッチングが進行する。
ヨウ素系化学種の利用は、上述の３層レジスト・プロセ
スのように酸化シリコン系材料層をマスクとして用いる
プロセスにおいて、極めて有利である。これは、ヨウ素
系化学種の酸化シリコンに対する化学反応性が、従来用
いられている塩素系化学種や臭素系化学種に比べてさら
に低いからである。

【００２９】さらに、有機材料層の分解生成物にヨウ素
が結合するとＣＩ_xポリマーが生成し、これがイオンの
垂直入射が原理的に生じないパターンの側壁面上に堆積
して側壁保護膜が形成される。このＣＩ_xポリマーの堆
積性は、従来プロセスで生成したＣＣｌ_xポリマーやＣ
Ｂｒ_xポリマーよりも強い。かかる側壁保護効果の強化
により、異方性加工に必要な入射イオン・エネルギーを
従来プロセスよりも低減することができ、マスク選択性
はもちろん、下地選択性も向上する。

【００３０】本発明ではさらに、一層の高選択化を図る
ために、（ａ）側壁保護膜の構造の改質、（ｂ）炭素系
ポリマー以外の堆積性物質の併用、（ｃ）２段階エッチ
ングの採用を考える。（ａ）の側壁保護膜の構造の改質
を行うためには、分子内にカルボニル基，ニトロシル
基，ニトリル基，チオニル基，スルフリル基から選ばれ
る少なくとも１種類の官能基を有する無機化合物をエッ
チング・ガスの構成成分として用いる。これらの無機化
合物は、分子内に異種原子間の多重結合を有しており、
幾つかの分極構造の共鳴混成体として存在するが、これ
らの分極構造のある種のものが高い重合促進活性を有す
る。この結果、有機材料層の分解生成物に由来する炭素
系ポリマーの重合度が増し、強固な側壁保護膜が形成さ
れる。

【００３１】また、これらの無機化合物の分解生成物
は、炭素系ポリマーにカルボニル基（＞Ｃ＝Ｏ），ニト
ロシル基（−Ｎ＝Ｏ），ニトリル基（−ＮＯ₂），チオ
ニル基＞Ｓ＝Ｏ），スルフリル基（−ＳＯ₂）等の極性
基を導入することができる。炭素系ポリマーにかかる極
性基が導入されると、単に−ＣＸ₂−（Ｘはハロゲン原
子を表す。）の繰り返し構造からなる従来の炭素系ポリ
マーよりも化学的，物理的安定性が増すことが、近年の
研究により明らかとなっている。この現象の理由に関す
る論拠は、おおよそ次の２点である。

【００３２】そのひとつは、Ｃ−Ｏ結合（１０７７ｋＪ
／ｍｏｌ）、Ｃ−Ｎ結合（７７０ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｎ−
Ｏ結合（６３１ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｃ−Ｓ結合（７１３ｋ
Ｊ／ｍｏｌ）の原子間結合エネルギーが、いずれもＣ−
Ｃ結合（６０７ｋＪ／ｍｏｌ）よりも大きいという事実
である。いまひとつは、上記の官能基の導入により炭素
系ポリマーの極性が増大し、負に帯電しているエッチン
グ中のウェハに対してその静電吸着力が高まるというも
のである。

【００３３】（ｂ）の他の堆積性物質の併用とは、具体
的にはイオウ（Ｓ）の利用である。すなわち、エッチン
グ・ガスの構成成分として、放電解離条件下でプラズマ
中にイオウ（Ｓ）を放出できるイオウ系化合物を利用す
る。Ｓは昇華性物質であり、通常のドライエッチングが
行われるような高真空下であれば、条件にもよるがウェ
ハがおおよそ９０℃以下に温度制御されている場合にそ
の表面へ堆積することができる。

【００３４】なお、エッチング反応系に窒素系化学種が
存在している場合には、上記Ｓの少なくとも一部がこの
窒素系化学種と反応し、ポリチアジル（ＳＮ）_xを始め
とする種々の窒化イオウ系化合物が生成する可能性があ
る。この窒化イオウ系化合物は昇華性もしくは熱分解性
物質であり、ウェハがおおよそ１３０℃以下に温度制御
されている場合に、その表面へ堆積することができる。

【００３５】これらＳや窒化イオウ系化合物は、有機材
料層のエッチング面、すなわちイオン垂直入射面ではこ
の層からスパッタ・アウトされるＯ原子により燃焼除去
されるため、何らエッチングの進行を妨げるものではな
い。しかし、配線材料層のようにＯ原子を含まない下地
材料層が露出すると、該露出面上でこれらの堆積過程と
スパッタ除去過程とが競合することにより下地材料層の
エッチング速度を大幅に低下させる。これが、下地選択
性の達成機構である。

【００３６】なお、Ｓや窒化イオウ系化合物は、エッチ
ング終了後にウェハをそれぞれ上述の温度以上に加熱す
るか、酸素系プラズマ処理を行うことにより、容易に昇
華，分解，燃焼等の機構にしたがって除去することがで
き、あるいは、レジスト・アッシングが行われるプロセ
スであれば、このアッシング時に燃焼除去するようにし
ても良い。いずれにしても、Ｓや窒化イオウ系化合物は
炭素系ポリマーとは異なり、パーティクル汚染源となる
懸念が一切ない。

【００３７】（ｃ）の２段階エッチングとは、上記エッ
チングをジャストエッチング工程とオーバーエッチング
工程とに分け、上述のエッチング・ガスのいずれかを用
いてジャストエッチングを行った後、ヨウ素系化合物と
ＮＨ₃とを含むエッチング・ガスを用いてオーバーエッ
チングを行う。つまり、下地材料層の一部が最初に露出
した時点でエッチング反応系から酸素を排除することに
より、下地材料層の酸化を防止するのである。ＮＨ₃を
用いた場合のエッチング機構については、上述の特願平
２−１９８０４４号明細書に明らかにされているとおり
である。

【００３８】この方法は、特に下地材料層がＣｕのよう
に酸化され易い材料からなる場合に、極めて有効であ
る。それは、蒸気圧の低いＣｕ酸化物のパターン側壁面
への付着やこれに起因するパーティクルの発生を防止
し、かつ下地材料層の露出面における酸化を抑制して配
線抵抗の上昇を防止することができるからである。

【００３９】ところで、本発明においてマスク選択性や
下地選択性が向上することは上述のとおりであるが、エ
ッチング種としてヨウ素を利用することには、もうひと
つの重要なメリットがある。それは、下地材料層がＣｕ
を含む場合に、この下地材料層のスパッタにより放出さ
れたＣｕが蒸気圧の比較的高いＣｕ₂Ｉ₂の形で速やか
に除去できる点である。

【００４０】ＣＲＣＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＣｈｅ
ｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，７１ｓｔＥ
ｄｉｔｉｏｎ，６−５１（ＣＲＣＰｒｅｓｓＩｎ
ｃ．）、あるいは同５３ｒｄＥｄｉｔｉｏｎ，Ｄ−１
７２に記載されている無機化合物の蒸気圧のデータによ
ると、１〜７６０ｍｍＨｇ（＝１．３３×１０²〜１．
０１×１０⁵Ｐａ）の蒸気圧を示す時の温度は、Ｃｕ₂
Ｉ₂がＣｕ₂Ｃｌ₂，Ｃｕ₂Ｂｒ₂のいずれよりも低い
ことが明らかである。このことは、換言すれば、同一の
温度におけるＣｕ₂Ｉ₂の蒸気圧が、Ｃｕ₂Ｃｌ₂，Ｃ
ｕ₂Ｂｒ₂のいずれの蒸気圧よりも高いということであ
る。通常のドライエッチングが行われるエッチング反応
系のガス圧は、上述の圧力範囲よりははるかに低い領域
に属しているが、かかる低圧下でも同様の傾向は維持さ
れている。

【００４１】したがって、ヨウ素系エッチング種を用い
れば、従来から提案されているＯ₂／Ｃｌ₂混合ガスや
Ｏ₂／Ｂｒ₂混合ガスを用いた場合に比べて、Ｃｕに起
因するパーティクル汚染を大幅に低減させることができ
るわけである。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００４３】実施例１本実施例は、３層レジスト・プロセスにおいてＡｌ−Ｓ
ｉ−Ｃｕ層の上に形成された下層レジスト層を、ＳＯＧ
パターンをマスクとし、ＩＣｌ／Ｏ₂混合ガスを用いて
エッチングした例である。このプロセスを、図１を参照
しながら説明する。

【００４４】なお、本実施例で用いるＩＣｌについて
は、下記の蒸気圧データが知られている。１．７５Ｐａ（９℃）；３．５Ｐａ（２０．１℃）；１
０．５Ｐａ（３９．２℃）；ｌ７．５Ｐａ（４９．２
℃）；３５Ｐａ（６４．０℃）；１３３Ｐａ（９７．
８℃）

【００４５】まず、図１（ａ）に示されるように、段差
を有するＳｉＯ₂層間絶縁膜１上にこの段差にならって
Ａｌ−１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ合金をスパッタリング法
により約０．７μｍの厚さに成膜することによりＡｌ−
Ｓｉ−Ｃｕ層２を形成し、さらにこの上にたとえばノボ
ラック系ポジ型フォトレジスト（東京応化工業社製；商
品名ＯＦＰＲ−８００）を塗布して下層レジスト層３を
形成した。ここで、段差の下部に対応する領域の下層レ
ジスト層３の厚さは、約１．０μｍである。この下層レ
ジスト層３の上には、ＳＯＧ（東京応化工業社製；商品
名ＯＣＤ−Ｔｙｐｅ２）をスピンコートし、厚さ約０．
２μｍのＳＯＧ中間層４を形成した。さらに、このＳＯ
Ｇ中間層４の上には、所定の形状にパターニングされた
上層レジスト・パターン５を形成した。この上層レジス
ト・パターン５は、一例としてネガ型３成分化学増幅系
レジスト材料（シプレー社製；商品名ＳＡＬ−６０１）
からなる厚さ約０．７μｍの塗膜についてＫｒＦエキシ
マ・レーザ・リソグラフィおよび現像処理を行うことに
より形成した。この上層レジスト・パターン５のパター
ン幅は、約０．３５μｍである。

【００４６】次に、このウェハをヘキソード型のＲＩＥ
（反応性イオン・エッチング）装置にセットし、一例と
して下記の条件で上層レジスト・パターン５をマスクと
してＳＯＧ中間層４をエッチングした。ＣＨＦ₃流量７５ＳＣＣＭＯ₂流量８ＳＣＣＭガス圧６．５ＰａＲＦパワー１３５０Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）この結果、図１（ｂ）に示されるように、上層レジスト
・パターン５の直下にＳＯＧパターン４ａが形成され
た。

【００４７】次に、ウェハをＲＦバイアス印加型の有磁
場マイクロ波プラズマ・エッチング装置に移設し、一例
として下記の条件で下層レジスト層３をエッチングし
た。ＩＣｌ流量１５ＳＣＣＭＯ₂流量４５ＳＣＣＭガス圧１．５Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー３００Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度室温このエッチング過程では、Ｏ^*による等方的な燃焼反応
がＯ_x ⁺，Ｃｌ⁺，Ｉ ⁺等のイオンの入射エネルギーに
アシストされる機構でエッチングが進行した。また、下
層レジスト層３のエッチングに伴ってＣＣｌ_xポリマー
やＣＣＩ_xポリマーが生成し、図１（ｃ）に示されるよ
うな側壁保護膜６が形成された。これらイオン・アシス
ト機構および側壁保護効果により、異方性形状を有する
下層レジスト・パターン３ａが形成された。

【００４８】本実施例では、ＳｉＯ_xに対する化学反応
性の低いＩ^*，Ｉ⁺がエッチング種として使用されるこ
とでＳＯＧパターン４ａに対する選択性が向上するた
め、該ＳＯＧパターン４ａの後退やこれに伴う寸法変換
差の発生は、いずれも防止された。また、パターンの側
壁面上でも、下地のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ層２に由来するＣ
ｕ系の再付着物はほとんど観察されなかった。

【００４９】実施例２本実施例では、同じ下層レジスト層を、ＩＣｌ／Ｏ₂／
ＣＯ混合ガスを用いてエッチングした。本実施例でエッ
チング・サンプルとして用いたウェハは、図１（ｂ）に
示したものと同じである。

【００５０】エッチング条件の一例を、以下に示す。ＩＣｌ流量１５ＳＣＣＭＯ₂流量２５ＳＣＣＭＣＯ流量２０ＳＣＣＭガス圧１．５Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＨＧ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー２００Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度室温

【００５１】上記のエッチング・ガス組成は、実施例１
のＯ₂の一部をＣＯに替えたものである。このとき生成
するＣＣｌ_xポリマー，ＣＩ_xポリマーには、Ｃ−Ｏ結
合やカルボニル基が取り込まれ、その膜質が強化され
た。この強化された炭素系ポリマーは、パターン側壁部
に堆積して図１（ｃ）に示されるような側壁保護膜６を
形成した。

【００５２】この結果、実施例１よりも入射イオン・エ
ネルギーを下げた条件であるにもかえわらず、良好な異
方性形状を有する下層レジスト・パターン３ａが形成さ
れた。また、下地のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ層２に由来する再
付着物層は観察されなかった。なお、上記のＣＯの代わ
りにＮＯ，ＳＯ，ＣＯＣｌ₂，ＳＯＣｌ₂，ＮＯＣｌ等
を用いた場合にも、ほぼ同様に良好な結果が得られた。

【００５３】実施例３本実施例は、同じ下層レジスト層を、ＩＣｌ／Ｏ₂／Ｓ
₂Ｃｌ₂混合ガスを用いてエッチングした。エッチング
条件の一例を、以下に示す。ＩＣｌ流量１５ＳＣＣＭＯ₂流量４０ＳＣＣＭＳ₂Ｃｌ₂流量１５ＳＣＣＭガス圧１．５Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＨＧ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー２００Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度 −２０ ℃（アルコール系冷媒
使用）

【００５４】このエッチング過程では、ＣＣｌ_xポリマ
ー，ＣＩ_xポリマーに加えてＳ₂Ｃｌ₂から遊離のＳが
生成し、これらが冷却されたウェハ上において共に側壁
保護膜７を形成した。また、ウェハが低温冷却されてい
ることにより、イオン入射の無いパターン側壁部におけ
るラジカル反応も抑制された。これらの効果により、本
実施例ではＳＯＧパターン４ａの後退やＡｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ層２に由来する再付着物は観察されなかった。

【００５５】なお、上記側壁保護膜７を構成するＳは、
低温エッチング終了後のウェハ面への結露を防止するた
めに９０℃程度の加熱を行った際に、速やかに昇華除去
された。このため、エッチング・チャンバ内のパーティ
クル・レベルが悪化することはなかった。

【００５６】実施例４本実施例では、Ｃｕ層の上に形成された下層レジスト層
を、ＩＣｌ／Ｏ₂／ＮＯ混合ガスを用いてジャストエッ
チングした後、ＨＩ／ＮＨ₃混合ガスを用いてオーバー
エッチングした例である。このプロセスを、図２を参照
しながら説明する。なお、図２の参照符号は図１と一部
共通である。

【００５７】本実施例でエッチング・サンプルとして使
用したウェハは、図２（ａ）に示されるとおりであり、
図１（ｂ）のＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ層２に替えてＣｕ層８を
形成したものである。

【００５８】このウェハを有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置にセットし、一例として下記の条件で下
層レジスト層３をジャストエッチングした。ＩＣｌ流量１５ＳＣＣＭＯ₂流量２５ＳＣＣＭＮＯ流量２０ＳＣＣＭガス圧１．５Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー２００Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度室温このジャストエッチング工程では、Ｃ−Ｎ結合やニトロ
シル基の導入により強化されたＣＣｌ_xポリマー，ＣＩ
_xポリマーからなる側壁保護膜６が形成されながら、異
方的にエッチングが進行した。このエッチングは、図２
（ｂ）に示されるように、段差の上部においてＣｕ層８
の表面が露出した段階で停止させた。このとき、段差の
下部に対応する領域には、下層レジスト層３の残余部３
ｂが残っていた。

【００５９】そこで、上記残余部３ｂを除去するため
に、エッチング条件を一例として下記のように切り替え
てオーバーエッチングを行った。ＨＩ流量１５ＳＣＣＭＮＨ₃流量４５ＳＣＣＭガス圧１．５Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨ
ｚ）ＲＦバイアス・パワー１２０Ｗ（２ＭＨｚ）ウェハ載置電極温度１５０ ℃ ここで、ウェハの加熱は、ウェハ載置電極に内蔵された
ヒータを作動させることにより行った。このオーバーエ
ッチング工程では、Ｃ，Ｉ，Ｎ等を構成元素とする炭素
系ポリマーが堆積して側壁保護膜６が形成されながらエ
ッチングが進行した。

【００６０】ところで、本実施例の重要なメリットは、
後工程で形成されるＣｕ配線パターンの配線抵抗が上昇
しないことである。これは、上述のオーバーエッチング
工程においてエッチング反応系から酸素を排除したこと
により、Ｃｕ層８の露出面における酸化反応が防止され
たからである。

【００６１】なお、本実施例のジャストエッチングとオ
ーバーエッチングのように、ウェハ温度の大きく異なる
エッチング・プロセスを連続して行う場合、同一のウェ
ハ載置電極上で広範囲な温度制御を行おうとすると、ス
ループットを大きく損なう虞れが大きい。そこで、ウェ
ハ・ステージの設定温度の異なる複数のエッチング・チ
ャンバを高真空下に接続したマルチ・チャンバ型のエッ
チング装置を使用することが特に好ましい。あるいは、
本発明者が先に特願平３−３０１２７９号明細書におい
て提案しているように、冷却手段を有する固定電極と加
熱手段を有する可動電極とを組み合わせたウェハ・ステ
ージを装備したＥＣＲプラズマ装置等を使用することも
有効である。

【００６２】以上、本発明を４例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではなく、たとえばサンプル・ウェハの構成、エッ
チング条件、使用するエッチング装置、エッチング・ガ
スの組成等が適宜変更可能であることは、言うまでもな
い。

【００６３】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明では有機材料層のエッチングにおいてヨウ素系エッチ
ング種を利用するため、ＣＩ_xポリマーの堆積による効
率良い側壁保護、酸化シリコン系マスクに対する高選択
比の確保、下地配線材料層にＣｕが含まれる場合のスパ
ッタ再付着物の発生防止等が可能となる。さらに、エッ
チング・ガスに各種の極性官能基を有する無機化合物を
添加すれば、炭素系ポリマーの膜質を強化を通じた一層
の高選択化が可能となり、さらにＳの堆積を併用すれば
更なる高選択化，低汚染化，低ダメージ化等が実現す
る。これにより、たとえば３層レジスト・プロセスの実
用性を真に高めることができる。また、特に有機材料層
の下地材料層にＣｕが含まれている場合には、オーバー
エッチング時に酸素を排除したガス系を使用することに
より、Ｃｕ酸化物の再付着やこれに伴うパーティクル汚
染の増大、および配線抵抗の上昇等を防止することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したプロセス例をその工程順にし
たがって説明する概略断面図であり、（ａ）は段差を有
するＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ層上に下層レジスト層、ＳＯＧ中
間層、上層レジスト・パターンが順次形成された状態、
（ｂ）はＳＯＧパターンが形成された状態、（ｃ）は少
なくともＳＯＧパターンをマスクとして下層レジスト層
をエッチングすることにより、下層レジスト・パターン
が形成された状態をそれぞれ表す。

【図２】本発明を適用した他のプロセス例をその工程順
にしたがって説明する概略断面図であり、（ａ）は段差
を有するＣｕ層上に下層レジスト層、ＳＯＧパターン、
上層レジスト・パターンが順次形成された状態、（ｂ）
は下層レジスト層がジャストエッチングされた状態、
（ｃ）は下層レジスト層がオーバーエッチングされた状
態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

１・・・ＳｉＯ₂層間絶縁膜２・・・Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ層３・・・下層レジスト層３ａ・・・下層レジスト・パターン３ｂ・・・（下層レジスト層の）残余部４・・・ＳＯＧ中間層４ａ・・・ＳＯＧパターン５・・・上層レジスト・パターン６・・・側壁保護膜（炭素系ポリマー）７・・・側壁保護膜（炭素系ポリマー＋Ｓ）８・・・Ｃｕ層

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】下地材料層上に形成された有機材料層
を、ハロゲン化ヨウ素と酸素系化合物とを含むエッチン
グ・ガスを用いてエッチングすることを特徴とするドラ
イエッチング方法。
【請求項２】前記エッチング・ガスが、分子内にカル
ボニル基，ニトロシル基，ニトリル基，チオニル基，ス
ルフリル基から選ばれる少なくとも１種類の官能基を有
する無機化合物を含むことを特徴とする請求項１記載の
ドライエッチング方法。
【請求項３】前記エッチング・ガスが放電解離条件下
でプラズマ中にイオウを放出し得るイオウ系化合物を含
むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のド
ライエッチング方法。
【請求項４】下地材料層上に形成された有機材料層
を、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のド
ライエッチング方法にしたがって該下地材料層の一部が
露出するまでエッチングするジャストエッチング工程
と、ヨウ素系化合物とＮＨ₃とを含むエッチング・ガスを用
い、被エッチング基板を加熱しながら前記有機材料層の
残余部をエッチングするオーバーエッチング工程とを有
することを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項５】前記下地材料層が銅を含有することを特
徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載
のドライエッチング方法。