JP3277422B2

JP3277422B2 - ドライエッチング方法

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Publication number: JP3277422B2
Application number: JP30029893A
Authority: JP
Inventors: 新吾門村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 2002-04-22
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: JPH07153738A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は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有機
材料層である下層レジストを異方性加工してレジストパ
ターンを形成する際に必要な入射イオンエネルギを低減
することにより、対下地選択比を向上し、かつ下地材料
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】ＬＳＩ等の半導体装置のデザインルール
がハーフミクロンからクォータミクロンのレベルへと微
細化されるに伴い、フォトリソグラフィやドライエッチ
ング等の微細加工技術に対する要求は一段と厳しさを増
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、さらに多層配
線構造を採るために下地基板の表面段差が増大している
ことから、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、下地基板の表面段差
を吸収して平坦面を形成するに充分な厚い下層レジスト
と、下層レジストをエッチングする際の実質的なマスク
パターンを構成するための無機材料からなる薄い中間層
と、高解像度を達成するに充分な薄い上層レジストとを
組み合わせて使用するいわゆる３層レジストプロセス
が、J.M.MorranらによりJ.Vac.Sci.Technol., 16, 1620
(1979) に報告されている。

【０００３】３層レジストプロセスにおいては、まず上
層レジストを所定形状に露光、現像してパターニング
し、これをマスクとして中間層を反応性イオンエッチン
グ（ＲＩＥ）によりパターニングし、さらにパターニン
グされた上記上層レジストと中間層とをマスクとして、
Ｏ₂ガス等を用いるドライエッチングにより下層レジス
トをパターニングする。

【０００４】ところで、Ｏ₂ガスにより有機材料層であ
る下層レジストをエッチングする工程においては、高エ
ッチングレートを目指して高ガス圧条件とし、酸素ラジ
カル（以下、Ｏ^*と記す）を増加させてラジカル反応を
主体としてエッチングすると、Ｏ^*が中間層パターン下
部にまわり込んで等方的酸化反応によりアンダーカット
を生じ、パターン形状が悪化する。

【０００５】一方、下層レジストのアンダーカットを防
止し、高異方性エッチングを達成するためには、低ガス
圧かつ高バイアス電力といった、イオンの平均自由行程
と基板バイアスを大きくした条件を採用することが必要
となる。つまり、酸素イオン（以下、Ｏ⁺と記す）の垂
直入射性と、大きな運動エネルギを利用して、スパッタ
リングを併用しながらのイオンモードのエッチングを行
うことにより、高異方性エッチングをおこなうのであ
る。ところが、かかるエッチング条件の採用は、エッチ
ングレートの低下および対下地材料層ならびに対中間層
との選択比低下を招き、これが多層レジストの実用化を
妨げる一因となっている。この問題を図３を参照しなが
ら説明する。

【０００６】図３（ａ）は、３層レジストプロセスにお
いて上層レジストパターン１５が形成された被エッチン
グ基板の断面形状を示している。すなわち、まず段差を
有する層間絶縁膜１１上にこの段差にならった下地材料
層１２を形成し、この段差を吸収して平坦な表面を形成
しうる充分な厚さを有する下層レジスト層１３、および
例えば回転塗布ガラス（ＳＯＧ）からなるＳｉＯ₂系中
間層１４、そしてさらにこの中間層１４上に薄い上層レ
ジスト層をこの順に順次形成する。この上層レジスト層
をフォトリソグラフィと現像によりパターニングして、
上述のレジストパターン１５を得る。この際のフォトリ
ソグラフィは平坦面への露光であるから解像度は高く、
上記上層レジストパターン１５は０．３５μｍ幅の明瞭
なエッジを有する。

【０００７】次に、上層レジストパターン１５をマスク
として中間層１４をＲＩＥによりパターニングし、図３
（ｂ）に示すように中間層パターン１４ａを形成する。
この中間層パターン１４ａも０．３５μｍ幅の明瞭なエ
ッジを有する。

【０００８】次に、Ｏ₂ガスを用い上記下層レジストパ
ターンをエッチングする。このエッチング過程では、薄
い上層レジストパターン１５は中途で消失し、それ以後
は露出した中間層パターン１４ａがエッチングマスクと
して機能する。ここで、下層レジスト層１３は３層レジ
ストプロセスの趣旨にもとづき、被エッチング基板の表
面段差を吸収するのに充分な膜厚に形成した層であるか
ら、その膜厚は被エッチング基板上の領域により大幅に
異なっており、エッチングに要する時間も当然異なる。
例えば、下地材料層１２の段差上部に対応する領域で
は、図３（ｃ）に示すようにエッチング過程の速い時期
に下層レジストパターン１３ａがジャストエッチングさ
れて完成され、下地材料層１２が露出する。

【０００９】続けて、下地材料層の段差下部に対応する
領域において、下層レジストの残余部１３ｂを除去する
ためオーバーエッチングをおこなう。このとき、段差上
部に対応する領域では、露出した下地材料層１２が大き
な入射エネルギを有するイオンの照射を受け、スパッタ
される。スパッタ生成物のうちの一部は、下層レジスト
パターン１３ａの側壁部に再付着し、図３（ｄ）に示さ
れるように再付着物層１２ａを形成する。特に下地材料
層１２が金属配線材料層である場合、この再付着物層１
２ａは除去が困難であり、パーティクル汚染源になる。
また、上記再付着物層１２ａは下層レジストパターン１
３ａの実質的な線幅を太らせるので、寸法変換差が発生
し易くなる。

【００１０】上述した再付着物層の問題は、たとえば第
３３回応用物理学関係連合講演会（1986年春季年会) 講
演予稿集 p.542, 講演番号 2p-Q-8 で指摘されており、
周知のところである。再付着物層１２ａの形成を抑制す
るためには、入射イオンエネルギの低減が効果的である
ことは明白であるが、これでは前述の等方的反応が優勢
となり、異方性が低下し、アンダーカットが発生してし
まう。

【００１１】このため、実用的なエッチングレートを確
保しつつ、入射イオンエネルギの低減と、高異方性の達
成という相反する要求を両立しうる下層レジスト層のド
ライエッチング方法が切望されている。

【００１２】かかる要望に対応する技術として、本出願
人はこれまでに高異方性の達成をラジカル成分の低減と
イオン成分の増強のみに依存するのではなく、エッチン
グの反応生成物による側壁保護膜を併用して達成すると
いう思想にもとづく発明を出願している。すなわち側壁
保護膜を併用すれば、エッチングレートを実用上支障な
い程度に確保しながら、イオン入射エネルギを低減する
ことが可能となる。

【００１３】たとえば、特開平2-244625号公報には、Ｏ
₂に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を側壁保護膜として堆積しながら下層レ
ジスト層の異方性エッチングをおこなう技術を開示し
た。

【００１４】また、特開平4-084414号公報には、基板温
度を５０℃以下に制御して、ＮＨ₃を主体とするエッチ
ングガスを用いてレジスト材料層をエッチングする技術
を開示している。この方法によれば、Ｎ、Ｃ、Ｏを構成
元素として含む反応生成物が側壁保護膜の役割を果た
す。

【００１５】さらに、特開平4-171726号公報には、Ｏ₂
に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を側壁保護膜として堆積しながら下層レジ
スト層の異方性エッチングをおこなう技術を開示した。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本出願人が先に出願し
た上述の各ドライエッチング方法は、実用的なエッチン
グレートを確保した上で、実用的温度領域において、低
イオンエネルギによる異方性エッチングを達成した点に
おいて画期的な技術である。これらの技術により、下地
材料層のスパッタによる下層レジストパターン側壁への
再付着は大きく抑制されるにいたった。

【００１７】しかし、今後デバイスの高集積化が進み、
表面段差が増大すると、１００％ものオーバエッチング
を必要とする場合も生じる。このような長時間のイオン
入射を受けるプロセスにあっては、下地材料層の種類に
よっては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をさらに低減することも
考えられるが、このためには異方性を確保するためにＣ
ｌ系ガスやＢｒ系ガスの添加割合を増加せざるを得ず、
エッチングレートの低下やパーティクル汚染の懸念があ
る。

【００１８】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、特に下地材料層がＣｕ配線層やＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ
合金配線層である場合に顕著となる。すなわち、Ｃｕを
含有する下地材料層上の下層レジスト層を、Ｃｌ系ガス
やＢｒ系ガスを用いてエッチングすると、下地材料層の
露出面から供給されるＣｕがＣｕ₂Ｃｌ₂やＣｕ₂Ｂｒ
₂等を形成して、下層レジストパターン側壁面上に再付
着する。またエッチングガスの主成分であるＯ ₂ガスに
によって酸化銅が生成し、これも下層レジストパターン
側壁面上に再付着する。これら再付着物はいずれも蒸気
圧が低く除去が困難であり、パーティクル汚染の原因と
なる。

【００１９】また下地材料層がＣｕを含有する場合に
は、長時間のオーバーエッチングにさらされると、下地
材料層表面から内部にかけて酸化が進行し、配線バルク
抵抗が増大する場合があり、これは本来低抵抗配線を目
的とするＣｕ含有配線材料のメリットを損じることにな
りかねない。

【００２０】そこで本発明の課題は、Ｏ^*にもとづくア
ンダーカットによる寸法変換差や異方性形状の劣化を防
止し、下地材料層からのスパッタにもとづく再付着物に
起因するパーティクル汚染やパターンシフトを回避し、
さらにＣＣｌ_xやＣＢｒ_x系の側壁保護膜に過度に依存
してパーティクルレベルを悪化させることなく、なおか
つ実用的なエッチングレートを達成する、有機材料層
（レジスト層）のクリーンなドライエッチング方法を提
供することである。

【００２１】またさらに本発明の課題は、下地材料層が
Ｃｕを含有する材料の場合、ＣｕＯ系再付着物に起因す
るパーティクルレベル悪化を防止するとともに、配線バ
ルク抵抗の増大の問題をもあわせて解決することであ
る。

【００２２】

【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、上述の課題を解決するために発案したもので
あり、下地材料層上に形成された有機材料層を、Ｈ ₂ Ｏ
（水蒸気）単独とするエッチングガス、またはＨ₂Ｏ
（水蒸気）を主成分とするエッチングガスを用い、被エ
ッチング基板を０℃以下に冷却しながらパターンエッチ
ングする構成とした。

【００２３】また本発明は、前記エッチングガスが、放
電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうる
イオウ系化合物をさらに含み、被エッチング基板上にイ
オウを堆積させながらエッチングする構成とした。

【００２４】さらに本発明は、下地材料層上に形成され
た有機材料層を、Ｈ₂Ｏを主成分とし、さらに放電電離
条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ
系化合物とを用いて、被エッチング基板上にイオウを堆
積させながら実質的に前記下地材料層が露出する直前迄
エッチングするジャストエッチング工程と、ＮＨ₃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構成とした。

【００２５】本発明で用いるところの、放電電離条件下
でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化合
物としては、Ｘ／Ｓ比が６未満のＳＸ系ガス（Ｘはハロ
ゲン元素または水素を表す）、例えばＳ₂Ｃｌ₂、Ｓ₃
Ｃｌ₂、ＳＣｌ₂等の塩化イオウガス、Ｓ₂Ｂｒ₂、Ｓ
₃Ｂｒ₂、ＳＢｒ₂等の臭化イオウガス、Ｓ₂Ｆ₂、Ｓ
Ｆ₂、ＳＦ₄、Ｓ₂Ｆ₁₀等のＳＦ₆以外のフッ化イオウ
ガス、そしてＨ₂Ｓを例示することができる。フッ化イ
オウ化合物としてよく知られているＳＦ₆ガスは、Ｆ／
Ｓ比が６であり、放電電離条件下でプラズマ中に遊離の
イオウを放出することはなく、本発明の趣旨には適合し
ない。

【００２６】ところで、本出願人は先にＯ₂をメインエ
ッチングガスとし、減圧雰囲気中で露結可能な程度の極
く微量、一例として１００ｐｐｍ程度のＨ₂Ｏを添加
し、氷の側壁保護膜を利用してレジストを異方性エッチ
ングする方法を特開平4-233728号公報に開示した。この
先願のエッチング機構は、メインエッチングガスである
Ｏ₂による酸化反応によるものであり、本発明はエッチ
ングガス組成、エッチング機構ともに先願とは異なる思
想にもとづくものである。

【００２７】さらに、本発明に類似の先願として、イオ
ン注入のマスクとして使用し、変質したレジストパター
ンをアッシング除去するために、Ｈ₂Ｏプラズマを用い
る方法が特開平02-237118 号公報に開示されている。こ
の先願は、５〜５０℃の温度領域において残渣なくレジ
スト剥離を行うものであり、氷の側壁保護膜を形成しつ
つ異方性エッチングしてレジストパターンを形成する本
発明とは別種のものである。

【００２８】

【作用】本発明のポイントは、主エッチングガスとして
Ｈ₂Ｏ（水蒸気）を用いる点にある。Ｈ₂Ｏはプラズマ
中で解離し、Ｈ⁺、ＯＨ⁺およびＯ⁺等のエッチング種
を生成する。これらのうち、Ｈ⁺とＯＨ⁺はレジスト中
のＨ原子やＯ原子と反応し再びＨ₂Ｏ分子を生成するこ
とによりエッチングが進行する。そしてＯ⁺は酸化反応
によりレジストをエッチングする。

【００２９】またＨ⁺とＯＨ⁺はレジスト分子中のＣ−
Ｈ結合を切断する形で分解反応に寄与し、分解生成物の
一部は側壁保護膜の形成の一助となる。

【００３０】さらに、主エッチングガスであるＨ₂Ｏ
は、０℃以下に冷却された被エッチング基板上に氷の形
で堆積し、イオン入射の少ないパターン側壁に側壁保護
膜を形成する。上記反応生成物に由来するＨ₂Ｏも氷結
して側壁保護膜の形成の一助となる。このため、特に堆
積性のガスを別途添加することなしに側壁保護効果を享
受できるので、異方性エッチングに必要な入射イオンエ
ネルギの低減が可能となり、ＳＯＧ等からなる中間層や
下地材料層に対する選択性が向上する他、下地材料層の
スパッタによる側壁への再付着や、下地材料層のプラズ
マダメージも低減される。また堆積性のガスを別途添加
すること無く異方性加工を達成できるので、パーティク
ル汚染を減少することができる。

【００３１】また、放電プラズマ中に遊離生成するＨ原
子やＣＯが、エッチング種として同時に導入したハロゲ
ンラジカルを捕捉し、炭素系プラズマポリマ中のハロゲ
ン元素濃度を低減することが可能となり、また、炭素系
プラズマポリマ分子鎖中に上記分極構造を有する原子団
が導入される。かかる構造の炭素系プラズマポリマは、
単に -（ＣＸ）_{n -}の繰り返し単位構造からなる従来の
炭素系プラズマポリマよりも、化学的、物理的安定性が
増すことは近年の研究から明らかになっている（ここで
Ｘはハロゲン元素を、ｎは自然数をそれぞれ表す）。こ
れは、２原子間の結合エネルギで比較すると、Ｃ−Ｏ結
合（１０７７ｋＪ／ｍｏｌ）がＣ−Ｃ結合（６０７ｋＪ
／ｍｏｌ）より大きいことからも支持される。

【００３２】本発明は以上のような原理を基本としてい
るが、さらに一層の異方性加工、低パーティクル汚染化
と低ダメージを目指す方法をも提案する。

【００３３】そのひとつは、上記エッチングガスにさら
に放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウ（Ｓ）を
放出しうるイオウ系化合物を添加し、被エッチング基板
上にイオウを堆積させながらエッチングすることであ
る。この場合、氷の堆積に加えて、イオウをも側壁保護
膜として利用できるようになる。したがって、入射イオ
ンエネルギをさらに一層低減することがが可能となり、
高選択比と低プラズマダメージを徹底できる。イオウ
は、被エッチング基板温度を室温以下、たとえば２５℃
以下に制御すればその表面に堆積することが可能である
ので、本発明のように０℃以下に冷却すればイオウと氷
の複合化した側壁保護膜の効果を利用できる。しかも堆
積したイオウは、エッチング終了後、被エッチング基板
をおよそ９０℃以上に加熱すれば容易に昇華除去できる
ので、被エッチング基板上に残留することがなく、イオ
ウ自体がパーティクル汚染源になることはない。

【００３４】また本発明では、下地材料層の酸化を効果
的に防止するため、上記エッチングをジャストエッチン
グ工程とオーバエッチング工程の２段階エッチングと
し、後者のオーバエッチング工程においてはエッチング
ガス系からエッチング種としてのＯ^*やＯ⁺を排除し、
ＮＨ₃を含むエッチングガスによりオーバエッチングを
おこなう。これにより、下地材料層がＣｕを含有する場
合に従来生じていた、蒸気圧の小さい酸化銅等のパター
ン側壁への再付着やエッチング後の残渣によるパーティ
クル汚染の問題を防止できる。さらにはエッチング中に
下地材料層の表面から内部に進行する酸化による、配線
バルク抵抗の増加の問題も大幅に改善することが可能と
なった。

【００３５】なお、ＮＨ₃を用いた場合の有機材料層の
エッチング機構については、前述の特開平4-084414号公
報に開示した通りである。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき説明す
る。

【００３７】実施例１本実施例は、３層レジストプロセスにおいてＡｌ−１％
Ｓｉ−０．５％Ｃｕ合金からなる下地材料層上に形成さ
れた下層レジスト層を、Ｈ₂Ｏ（水蒸気）単独で、被エ
ッチング基板を０℃以下に冷却しながらエッチングした
例である。このプロセスを図１を参照しながら説明す
る。

【００３８】まず、図１（ａ）に示すように、例えば５
インチ径のＳｉウェハ上に形成された、段差を有するＳ
ｉＯ₂系層間絶縁膜１上に、この段差にならったＡｌ−
１％Ｓｉ−０．５％Ｃｕ合金層をＯ．７μｍの厚さに形
成して、これを下地材料層とする。つぎにこの上に一例
としてノボラック系ポジ型フォトレジスト（東京応化工
業株式会社製、商品名ＯＦＰＲ−８００）を塗布して下
層レジスト層３を形成する。ここで、段差下部に対応す
る領域の下層レジスト層３の厚さは約１．０μｍであ
り、表面は段差を吸収して平坦面となるように形成す
る。この下層レジスト層３の上には、ＳＯＧ（東京応化
工業株式会社製、商品名ＯＣＤ−Ｔｙｐｅ２）をスピン
コートし、厚さ約０．２μｍのＳｉＯ₂系中間層４を形
成する。さらに、この中間層４上には所定の形状にパタ
ーニングした上層レジストパターン５を形成する。この
上層レジストパターン５は、一例としてネガ型化学増幅
系レジスト（シプレー社製、商品名ＳＡＬ−６０１）か
らなる厚さ約０．７μｍの塗布膜に対し、ＫｒＦエキシ
マレーザ露光および現像処理を行うことにより形成す
る。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。

【００３９】つぎに、この被エッチング基板を例えばヘ
キソード型ドライエッチング装置にセットし、上層レジ
ストパターン５をマスクとして中間層４をエッチングす
る。このときのエッチング条件は、一例として下記のと
おりとした。ＣＨＦ₃ ７５ｓｃｃｍＯ₂ ８ｓｃｃｍガス圧力６．５ＰａＲＦバイアスパワー１３５０Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ）この結果、図１（ｂ）に示したように、条件レジストパ
ターン５の直下に中間層パターン４ａが形成された。

【００４０】次に、この被エッチング基板をＲＦバイア
ス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置に移設し、一例
として下記条件で下層レジスト層３をエッチングした。Ｈ₂Ｏ５０ｓｃｃｍガス圧力０．５Ｐａマイクロ波パワー１２００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー１００Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度 ─５０ ℃ ここで、上記Ｈ₂ＯはＨｅガスでバブリングして気化
し、室温での飽和蒸気圧から換算して所定の流量になる
ようにエッチングチャンバに導入した。

【００４１】上記エッチング過程では、Ｈ₂Ｏのプラズ
マ解離により生成するＨ⁺、ＯＨ⁺およびＯ⁺等のイオ
ンが主エッチャントとなりエッチングが進行する。作用
の項で述べたとおり、エッチングガスとしてのＨ₂Ｏ
と、反応生成物であるＨ₂Ｏが氷の形で側壁保護膜６と
して堆積して異方性エッチングに寄与し、。この結果、
図１（ｃ）に示したように、異方性形状を保った下層レ
ジストパターン３ａが形成された。

【００４２】本実施例では氷の側壁保護膜を利用しつつ
異方性エッチングできるので、ＲＦバイアスを従来例よ
り低減でき、中間層４に対するエッチング選択比は向上
し、このためエッチング中のマスク後退はほとんど発生
しないので、エッチング後の寸法変換差は認められなか
った。また下地材料層のスパッタリングによる再付着は
認められなかった。

【００４３】実施例２本実施例は同じく下層レジスト層をＯ₂／Ｈ₂Ｏ混合ガ
スを用いてエッチングした例である。まず、前出の図１
（ｂ）の被エッチング基板をＲＦバイアス印加型ＥＣＲ
プラズマエッチング装置にセットし、一例として下記条
件で下層レジスト層３をエッチングした。Ｈ₂Ｏ３０ｓｃｃｍＯ₂ ２０ｓｃｃｍガス圧力０．５Ｐａマイクロ波パワー１２００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー１００Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度 −１００ ℃

【００４４】上記エッチング過程では、実施例１と同じ
く氷の側壁保護膜の形成により異方性エッチングが達成
される。また、Ｏ₂を添加することによりエッチングレ
ートが大きくなり、被エッチング基板を実施例１よりも
低温化したことでＯ₂添加により懸念されるＯ^*ラジカ
ルによる等方的反応が凍結され、アンダカットが防止さ
れる。この結果、図１（ｃ）に示したように、異方性形
状を保った下層レジストパターン３ａが形成された。

【００４５】実施例３本実施例は、同じく下層レジスト層をＨ₂Ｏ／Ｏ₂／Ｓ
₂Ｃｌ₂混合ガスを用いて、被エッチング基板を室温以
下に冷却しながらエッチングした例である。まず、前出
の図１（ｂ）の被エッチング基板をＲＦバイアス印加型
ＥＣＲプラズマエッチング装置にセットし、一例として
下記条件で下層レジスト層３をエッチングした。Ｈ₂Ｏ３０ｓｃｃｍＯ₂ １０ｓｃｃｍＳ₂Ｃｌ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力１．５Ｐａマイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー８０Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度 −２０ ℃

【００４６】上記エッチング過程では、実施例１と同じ
く氷の堆積と、プラズマ中に生成するイオウとがパター
ン側壁部に堆積して複合化した強固な側壁保護膜７を形
成し、異方性エッチングに寄与する。さらに、被エッチ
ング基板が低温冷却されていることにより、イオン入射
の少ないパターン側壁部においてはＯ^*による酸化反応
が抑制される。この結果、前述した実施例よりも低バイ
アス条件下であってもアンダカットが入ることなく、図
１（ｃ）に示したように、異方性形状を保った下層レジ
ストパターン３ａが形成された。当然のことながら、中
間層４ａとの選択比はさらに向上し、また下地材料層か
らの再付着は全く確認されなかった。

【００４７】上記低温エッチング終了後、被エッチング
基板をエッチング装置から大気中へ搬出する前に、結露
防止を兼ねて１００℃程度に加熱すると、側壁保護膜７
中のイオウおよび氷は容易に昇華除去される。このた
め、同一エッチング装置内で処理枚数を重ねても、チャ
ンバ内のパーティクルレベルが悪化することは無い。

【００４８】実施例４本実施例は、Ｃｕ配線層上の下層レジスト層をＨ₂Ｏ／
Ｏ₂／Ｓ₂Ｂｒ₂混合ガスを用いて、被エッチング基板
を０℃以下に冷却しながらジャストエッチングした後、
Ｃｌ₂／ＮＨ₃混合ガスに切り替えて、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の参照番号は図１と一部共通とする。

【００４９】本実施例でエッチングサンプルとして使用
した被エッチング基板は、図２（ａ）に示されるよう
に、段差を有する層間絶縁膜１上にこの段差にならった
下地材料層８として純Ｃｕ層が例えば０．７μｍの厚さ
に形成され、さらにこの上に３層レジストプロセスによ
り下層レジスト層３、中間層パターン４ａおよび上層レ
ジストパターン５がこの順に形成されたものである。こ
こで、中間層パターン４ａおよび上層レジストパターン
５のパターニング方法は実施例１前述したとおりである
ので、説明を省略する。

【００５０】この被エッチング基板を、室温以下に温度
制御可能な冷却機構を具備した基板ステージを有するＲ
Ｆバイアス印加型ＥＣＲプラズマエッチング装置にセッ
ティングし、一例として下記の条件で下層レジストをジ
ャストエッチングする。Ｈ₂Ｏ３０ｓｃｃｍＯ₂ １０ｓｃｃｍＳ₂Ｂｒ₂ １０ｓｃｃｍガス圧力０．５Ｐａマイクロ波パワー１２００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー８０Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度 −２０ ℃

【００５１】このジャストエッチング過程では、図２
（ｂ）に示すように、段差上部の下層レジストパターン
３ａが形成された段階でエッチングを停止した。上記エ
ッチング過程では、先の実施例と同様に被エッチング基
板上に氷が堆積し、一方プラズマ中に生成した遊離のイ
オウも被エッチング基板上に堆積するので、強固な複合
側壁保護膜７を形成し、異方性エッチングに寄与する。
このとき、段差下部に対応する領域では、下層レジスト
層の残余部３ｂが残っている。

【００５２】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ごとく切り替え
てオーバーエッチングを行う。ＨＢｒ２０ｓｃｃｍＮＨ₃ ３０ｓｃｃｍガス圧力０．５Ｐａマイクロ波パワー１２００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアスパワー８０Ｗ（２ＭＨｚ）基板温度１５０ ℃ ここで、被エッチング基板の加熱は、基板ステージに内
蔵したヒータを作動することにより行った。このオーバ
ーエッチング過程では、Ｃ、Ｂｒ、Ｎ、Ｏ、およびＨを
構成元素とする炭素系プラズマポリマが堆積し、側壁保
護膜９を形成しながらエッチングが進行する。なお、先
のジャストエッチング工程で形成された複合化側壁保護
膜７中のイオウおよび氷は、本オーバーエッチング工程
で昇華除去されるが、新たな側壁保護膜９が形成され異
方性エッチングに寄与する。この側壁保護膜９は、Ｃ、
Ｂｒ、Ｎ、ＯおよびＨを構成元素とするものである。

【００５３】ところで、本実施例の重要な特長は、後工
程で形成されるＣｕ配線パターンのバルク抵抗が上昇せ
ず、Ｃｕ配線本来の電気抵抗率である１．４μΩ／ｃｍ
の値を維持した低抵抗配線パターンの形成が可能なこと
である。これは上記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の露出面からの酸化の進行が防止されるからであ
る。

【００５４】なお、本実施例では低温プロセス（ジャス
トエッチング）と高温プロセス（オーバーエッチング）
とを連続的に行うため、被エッチング基板の冷却と昇温
にある程度の時間を要する。そこで、低温プロセス用チ
ャンバと、高温プロセス用チャンバとをゲートバルブを
介して連結し、被エッチング基板を高真空下に搬送可能
なマルチチャンバ型のエッチング装置を使用することが
スループット向上の観点から好ましい。また、本出願人
が先に出願した特開平5-114590号公報において提案した
ように、冷却手段を有する固定電極と、加熱手段を有す
る可動電極とを具備する基板ステージを装備するエッチ
ング装置を用いて、同一チャンバ内で連続的に処理する
方法も極めて有効なものである。

【００５５】以上、本発明を４例の実施例をもって説明
したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるもので
はない。

【００５６】主エッチングガスであるＨ₂Ｏは、上記実
施例ではＨｅガスによりバブリングしてエッチングチャ
ンバに送入したが、Ａｒ等他の希ガスや、Ｎ₂ガスを用
いても良い。もっとも、気化潜熱により熱をうばわれて
気化効率が低下しないように、バブラを加熱して一定温
度に維持することもエッチングの均一性を得る上で有効
である。希ガス等によるバブリングでなく、水を入れた
容器を加熱して蒸発気化した水蒸気をエッチング室に送
入しても良い。いずれの場合にも、導入配管をリボンヒ
ータ等で加熱し、水蒸気が配管中で凝縮しないように配
慮すればよい。また、エッチングチャンバ内壁への結露
防止のためチャンバ壁面を加熱することも有効である。

【００５７】イオウ系化合物の例としては、上述の実施
例で用いたＳ₂Ｃｌ₂、Ｓ₂Ｂｒ₂の他に、Ｓ₃Ｃ
ｌ₂、ＳＣｌ₂等の塩化イオウ、Ｓ₃Ｂｒ₂、ＳＢｒ₂
等の臭化イオウ、Ｓ₂Ｆ₂、ＳＦ₂、ＳＦ₄、Ｓ₂Ｆ₁₀
等のＳＦ₆以外のフッ化イオウ、そしてＨ₂Ｓを用いる
ことができる。フッ化イオウを用いる際は、フッ素ラジ
カル（Ｆ^*）を発生するので、中間層とのエッチング選
択比等に配慮する必要がある。

【００５８】中間層はＳＯＧを用いたＳｉＯ₂系材料を
用いたが、Ｓｉ₃Ｎ₄系、Ａｌ₂Ｏ ₃系や各種金属等の
無機薄膜を用いるてもよく、またこれらの材料を組み合
わせ積層膜として使用することも可能である。その成膜
法もスパッタリング、蒸着、各種ＣＶＤ等を用いること
ができる。

【００５９】下地材料層上の有機材料層として、上述の
各実施例ではノボラック系ポジ型フォトレジストを用い
たが、その他各種レジスト材料を用いることが可能であ
る。本有機材料層は、段差下地の平坦化をはかれば良い
のであるから、感光性である必要はなく、ポリイミド他
各種有機材料を利用できる。

【００６０】その他、被エッチング基板の構成、エッチ
ング条件、エッチング装置等は適宜変更可能である。下
層レジスト層のエッチングガス組成には、Ｈｅ、Ａｒ等
希ガスを添加しても良く、その他Ｎ₂、Ｈ₂、ＣＯ、Ｃ
Ｏ₂、各種Ｂｒ系、Ｉ系、ＮＯ_x系、ＳＯ_x系ガス等を
添加してもよい。

【００６１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
ではレジスト等有機材料層のエッチングにおいて、Ｈ₂
Ｏ（水蒸気）を主成分とするエッチングガスを用い、被
エッチング基板を０℃以下に冷却しながら、側壁保護膜
として氷を堆積しつつエッチングすることにより、入射
イオンエネルギを低減してもアンダカットを回避でき、
高異方性エッチングを達成できる。また、ＳＯＧ等から
なる中間層に対する選択性が向上するので、中間層の後
退による寸法変換差を回避できる。さらに、下地材料層
にたいする選択比が向上することにより、下地スパッタ
による側壁への再付着や、下地材料層のプラズマダメー
ジも少なくなる。

【００６２】Ｈ₂Ｏ（水蒸気）を主成分とするエッチン
グガスに、さらに放電電離条件下でプラズマ中に遊離の
イオウを放出しうるイオウ系化合物を添加し、被エッチ
ング基板上にイオウを堆積させながらエッチングするこ
とにより、氷とイオウとの複合化された強固な側壁保護
膜を形成しながらエッチングすることにより、更なる高
異方性、高選択比、低ダメージ化をはかることができ
る。

【００６３】また、下地材料層がＣｕやＡｌ−Ｓｉ−Ｃ
ｕ合金等、銅を含有する材料層の場合には、オーバーエ
ッチング時に酸素を排除したガス系に切り替えることに
より、配線バルク抵抗の増大を防止できるほか、銅や酸
化銅等のの再スパッタによるパーティクル汚染を低減す
ることが可能となる。

【００６４】上記効果により、たとえば３層レジストプ
ロセスの実用性を高めることができ、高集積度、高信頼
性を要求される微細デザインルールにもとづく多層配線
構造を有する半導体装置の製造において有効である。本
発明は、上記半導体装置のみにとどまらず、高段差基板
上にパターニングする必要のあるＯＥＩＣ、バブルドメ
イン記憶装置さらには薄膜磁気ヘッドコイル等のパター
ニングにおいても高い効果を発揮する。

【００６５】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した実施例１、２および３を、そ
の工程順に説明する概略断面図であり、（ａ）は段差を
有するＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金下地材料層上に下層レジス
ト、中間層および上層レジストパターンが順次形成され
た状態、（ｂ）は中間層パターンが形成された状態、
（ｃ）は上層レジストパターンおよび中間層パターンを
マスクに下層レジスト層をエッチングすることにより、
下地レジストパターンが形成された状態であり、上層レ
ジストパターンはエッチオッフされて消失した状態であ
る。

【図２】本発明を適用した実施例４を、その工程順に説
明する概略断面図であり、（ａ）は段差を有するＣｕ下
地材料層上に下層レジスト層、中間層パターンおよび上
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、下層レジ
ストパターンが形成された状態であり、上層レジストパ
ターンはエッチオフされて消失した状態である。

【図３】従来の３層レジスト技術における問題点を説明
する概略断面図であり、（ａ）は段差を有する下地材料
層上に下層レジスト、中間層および上層レジストパター
ンが順次形成された状態、（ｂ）は中間層パターンが形
成された状態、（ｃ）はは下層レジスト層がジャストエ
ッチングされた状態、（ｄ）はオーバーエッチング中に
下地材料層のスパッタ物からなる再付着層が形成された
状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

１層間絶縁膜２Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金層（下地材料層）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中間層４ａ中間層パターン５上層レジストパターン６側壁保護膜（氷）７側壁保護膜（氷＋イオウ）８Ｃｕ層（下地材料層）９側壁保護膜（Ｃ、Ｂｒ、Ｎ、Ｏ、およびＨを構成
元素とする）

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、Ｈ ₂ Ｏ単独のエッチングガスを用い、被エッチング
基板を０℃以下に冷却しながらパターンエッチングする
ことを特徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】下地材料層上に形成された有機材料層
を、Ｈ₂Ｏを主成分とするエッチングガスを用い、被エ
ッチング基板を０℃以下に冷却しながらパターンエッチ
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
でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化合
物をさらに含み、被エッチング基板上にイオウを堆積さ
せながらエッチングすることを特徴とする請求項２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、Ｈ₂Ｏを主成分とし、さらに放電解離条件下でプラ
ズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化合物を含
むエッチングガスを用い、被エッチング基板を０℃以下
に冷却しつつ、被エッチング基板上にイオウを堆積させ
ながら実質的に前記下地材料層が露出する直前迄パター
ンエッチングするジャストエッチング工程と、ＮＨ₃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、２、３および４のうちの一つに記載
のドライエッチング方法。