JP4594235B2 - Arc層をエッチングする方法 - Google Patents

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Description

(関連出願の相互参照)
この非仮出願は、2002年12月23日に出願された米国仮出願第60/435,286号、2003年6月30日に出願された米国仮出願第60/483,235号、および2003年6月30日に出願された米国仮出願第60/483,234号の利益を主張し、それらの内容全体が参照してここに組み込まれる。
本発明は、基板をプラズマ処理する方法及び装置に関し、より具体的には、2層フォトレジストのドライ現像の方法に関する。
半導体処理中、シリコン基板上にパターン形成された、細線に沿って、あるいは、ビアまたはコンタクト内の、材料を除去またはエッチングするために、(ドライ)プラズマエッチプロセスを用いることができる。プラズマエッチプロセスは、一般に、処理チャンバ内で、半導体基板を、上に重ねてパターン形成される保護層、例えば、フォトレジスト層と位置決めすることを必要とする。該基板が、一旦、該チャンバ内で位置決めされると、イオン化可能な分解性ガス混合物が、予め指定された流量で該チャンバ内に導入されると共に、周囲のプロセス圧力を実現するために、真空ポンプが絞り調整される。その後、存在するガス活性種の一部が、誘導性または容量性の高周波(RF)電力、あるいは、例えば、電子サイクロトロン共鳴(ECR)を用いたマイクロ波電力の伝達によって加熱された電子によってイオン化され、プラズマが形成される。また、該加熱された電子は、周囲のガス活性種のうちの一部の活性種を分解するように作用して、露出面のエッチング化学作用に適した反応物活性種を生成する。プラズマが一旦、形成されると、上記基板の選択された面が、該プラズマによってエッチングされる。該プロセスは、該基板の選択された領域の様々な形態(feature:例えば、トレンチ、ビア、コンタクト等)をエッチングするために、望ましい反応物及びイオン群の適切な濃度を含む適切な条件を達成するように調整される。エッチングが必要なこのような基板材料は、二酸化シリコン(SiO)、低誘電率膜材料、ポリシリコン及び窒化シリコンを含む。
本発明は、基板をプラズマ処理する方法及び装置、および2層フォトレジストのドライ現像のための方法及び装置に関する。
本発明の1つの態様においては、プラズマ処理システム内の基板上の反射防止コーティング(anti−reflective coating;ARC)層をエッチングする方法及び装置を説明する。窒素(N)、水素(H)及び酸素(O)を集合的に含有する、1つ以上のガスを備えるプロセスガスが導入される。プラズマは、上記プラズマ処理システム内で、該プロセスガスから形成される。上記基板は、該プラズマにさらされる。
また、基板上の薄膜をエッチングするために、2層マスクを形成するための方法及び装置について説明する。該薄膜は、該基板上に形成される。反射防止コーティング(ARC)層は、該薄膜上に形成される。フォトレジストパターンは、該ARC層上に形成される。該フォトレジストパターンは、窒素(N)、水素(H)及び酸素(O)を集合的に含有する、1つ以上のガスを備えるプロセスガスを利用して該ARC層をエッチングすることにより、該ARC層に転写される。
材料処理方法において、パターンエッチングは、フォトレジスト等の感光性材料からなる薄い層を、基板の上面に適用する(application)ことを含み、すなわち、エッチング中に、このパターンを下にある薄膜に転写するためのマスクを形成するために、後にパターン形成される。該感光性材料のパターニングは、一般に、例えばマイクロリソグラフィシステムを用いた感光性材料のレチクル(及び関連する光学系)を介した発光源による露光と、その後の、現像液を用いた、該感光性材料の露光領域の除去(ポジ型フォトレジストの場合)、または非露光領域の除去(ネガ型レジストの場合)とを必要とする。多層マスクは、薄膜中の形態をエッチングするために実施することができる。例えば、図1Aから1Cに示すように、従来のリソグラフィ技術及び有機反射防止コーティング(ARC)層7を用いて形成されたパターン2を有する感光層3を備える2層マスク6は、薄膜4をエッチングするためのマスクとして用いることができ、感光層3中のマスクパターン2は、薄膜4のためのメインエッチング工程に先んずる独立したエッチング工程を用いて、ARC層7に転写される。
一実施形態において、窒素(N)含有ガス、水素(H)含有ガス及び酸素(O)含有ガスを含むプロセスガスは、2層フォトレジストのドライ現像の方法として用いられる。あるいは、窒素(N)、水素(H)及び酸素(O)のうちの2つ以上を単一のガスに含有させることができる。例えば、アンモニア/酸素(NH/O)をベースとする化学的性質は、2層フォトレジストのドライ現像の方法として導入することができる。代替の実施形態においては、窒素/水素/酸素(N/H/O)をベースとする化学的性質を、上記有機ARC層のエッチングを容易にするのに用いることができる。あるいは、前述の2つの化学的性質において、一酸化炭素(CO)は、付加されることができ、またはを置換するために、用いられることができる。あるいは、上記プロセスガスは、アンモニア(NH)、一酸化炭素(CO)及び酸素(O)を含むことが可能である。あるいは、該プロセスガスは、さらに、ヘリウム(He)を含むことが可能である。このような化学的性質は、1に対して約3以上(約3:1以上、もしくは約3対1以上とも表す)、あるいは1に対して4以上(4:1以上、もしくは4対1以上とも表す)のアスペクト比を有する高アスペクト比の形態を形成するのに用いることができる。
一実施形態によれば、プラズマ処理チャンバ10と、プラズマ処理チャンバ10に結合された診断システム12と、診断システム12及びプラズマ処理チャンバ10に結合されたコントローラ14とを備えるプラズマ処理システム1が図2に示されている。コントローラ14は、有機ARC層をエッチングするための、上述の化学的性質(すなわち、NH/O、N/H/O、NH/CO、N/H/CO、NH/O/CO等)のうちの少なくとも1つを含むプロセスレシピを実行するように構成されている。また、コントローラ14は、診断システム12から少なくとも1つの終点信号を受け取り、かつ上記プロセスのための終点を正確に決めるために、少なくとも1つの終点信号を後に処理するように構成されている。図示の実施形態において、図2に示すプラズマ処理システム1は、材料処理のためにプラズマを用いる。プラズマ処理システム1は、エッチングチャンバを備えることができる。
図3に示す実施形態によれば、プラズマ処理システム1aは、プラズマ処理チャンバ10と、その上に処理すべき基板25が付着される基板ホルダ20と、真空ポンピングシステム30とを備えることができる。基板25は、例えば、半導体基板、ウェハまたは液晶ディスプレイとすることができる。プラズマ処理チャンバ10は、例えば、基板25の表面近傍の処理領域15でのプラズマの生成を容易にするように構成することができる。イオン化可能なガスまたはガスの混合物は、ガス注入システム(図示せず)を介して導入され、プロセス圧力が調整される。例えば、制御機構(図示せず)は、真空ポンピングシステム30を絞るのに用いることができる。プラズマは、所定の材料プロセスに固有の材料を生成するために、および/または基板25の露出面からの材料の除去を補助するために用いることができる。プラズマ処理システム1aは、200mm基板、300mm基板、またはどのようなサイズの基板も処理するように構成することができる。
基板25は、例えば、静電クランプ装置によって基板ホルダ20に付着させることができる。さらに、基板ホルダ20は、例えば、基板ホルダ20から熱を受け取って、熱を熱交換システム(図示せず)に伝達する、あるいは、加熱時に、該熱交換システムから熱を伝達する再循環冷却流を含む冷却システムをさらに含むことが可能である。また、ガスは、例えば、基板25と基板ホルダ20間のガスギャップ熱伝導性を改善するために、裏面ガスシステムを介して基板25の裏面に供給することができる。このようなシステムは、該基板の温度制御が、高められたまたは低下された温度で必要な場合に用いることができる。例えば、上記裏面ガスシステムは、ヘリウムガスギャップ圧力を、基板25の中心と縁部との間で、独立して変化させることができる2ゾーンガス供給システムを備えることが可能である。他の実施形態においては、抵抗加熱要素、または熱電気ヒータ/クーラー等の加熱/冷却要素を、基板ホルダ20内、およびプラズマ処理チャンバ10のチャンバ壁やプラズマ処理システム1a内のいずれかの構成要素に含めることができる。
図3に示す実施形態において、基板ホルダ20は、それを介して高周波電力が、プロセス空間15内の処理プラズマに結合される電極を備えることができる。例えば、基板ホルダ20は、高周波電源40からインピーダンス整合網(マッチングネットワーク)50を介して基板ホルダ20への高周波電力の伝達を介して、高周波電圧で電気的バイアスをかけることができる。この高周波バイアスは、電子を加熱して、プラズマを生成して維持するように作用することができる。この構成において、上記システムは、反応性イオンエッチング(RIE)リアクタとして動作することができ、上記チャンバ及び上方のガス注入電極は、接地面として機能する。上記高周波バイアスのための典型的な周波数は、約0.1MHzから約100MHzの範囲である。プラズマ処理のための高周波システムは、当業者には公知である。
あるいは、高周波電力は、複数の周波数で、上記基板ホルダ電極に印加される。さらに、インピーダンス整合網50は、反射電力を低減することにより、プラズマ処理チャンバ10内のプラズマへの高周波電力の伝達を改善するように機能する。整合網の接続形態(例えば、L型、π型、T型等)及び自動制御法は、当業者には公知である。
真空ポンプシステム30は、例えば、最大5000リットル/秒(以上)のポンピング速度が可能なターボ分子真空ポンプ(trubo−molecular vacuum pump;TMP)と、チャンバ圧力を絞るためのゲートバルブとを含むことが可能である。ドライプラズマエッチングに用いられる従来のプラズマ処理装置においては、1000から3000リットル/秒のTMPが一般に用いられる。TMPは、一般に、50mTorr(トール)未満の低圧処理に有用である。高圧処理の場合(すなわち、約100mTorr以上)、機械的ブースターポンプ及びドライ粗引きポンプを使用することができる。さらに、チャンバ圧力をモニタする装置(図示せず)を、プラズマ処理チャンバ10に結合することができる。圧力測定装置は、例えば、マサチューセッツ州アンドーバー(Andover,MA)のMKS株式会社(MKS Instruments,Inc.)から市販されているType 628B Baratron absolute capacitance manometerとすることができる。
コントローラ14は、マイクロプロセッサと、メモリと、プラズマ処理システム1aと通信し、かつ該システムへの入力を活性化し、およびプラズマ処理システム1aからの出力をモニタするのに充分な制御電圧を生成することができるディジタルI/Oポートとを備える。また、コントローラ14は、高周波電源40、インピーダンス整合網50、ガス注入システム(図示せず)、真空ポンプシステム30、および裏面ガス供給システム(図示せず)、基板/基板ホルダ温度測定システム(図示せず)、および/または静電クランプ装置(図示せず)に結合することができ、かつそれらの構成要素と情報を交換することができる。例えば、上記メモリに格納されたプログラムは、有機ARC層をエッチングする方法を実行するために、プロセスレシピに従って、プラズマ処理システム1aの上述した構成要素への入力を活性化するのに用いることができる。コントローラ14の1つの実施例は、テキサス州オースティン(Austin,Texas)のデルコーポレーション(Dell Corporation)から入手可能なDELL PRECISION WORKSTATION 610(商標)である。
診断システム12は、光診断サブシステム(図示せず)を含むことができる。該光診断サブシステムは、(シリコン)フォトダイオード、あるいは、プラズマから放射された光強度を測定する光電子増倍管(photomultiplier tube;PMT)等の検出器を備えることができる。診断システム12は、さらに、狭帯域干渉フィルタ等の光フィルタを含むことができる。代替の実施形態においては、診断システム12は、ラインCCD(電荷結合デバイス)、CID(charge injection device)アレイ、および回折格子またはプリズム等の光分散デバイスのうちの少なくとも1つを含むことができる。また、診断システム12は、所定の波長で光を測定するモノクロメータ(例えば、回折格子/検出器システム)、あるいは、例えば、米国特許第5,888,337号明細書に記載されているデバイス等の、光スペクトルを測定する(例えば、回転回折格子を備えた)スペクトロメータを含むことができる。
診断システム12は、例えば、ピークセンサシステム(Peak Sensor Systems)、またはベリティ株式会社(Verity Instruments,Inc.)からの高解像度光放射分光器(Optical Emission Spectroscopy;OES)センサを含むことができる。このようなOESセンサは、紫外(UV)、可視(VIS)及び近赤外(NIR)光スペクトルにわたる広いスペクトルを有する。解像度は、約1.4オングストロームであり、すなわち、該センサは、240nmから1000nmの5550の波長を集光することが可能である。例えば、上記OESセンサは、2048画素のリニアCCDアレイと一体化されている高感度小型光ファイバUV−VIS−NIRスペクトロメータを備えることが可能である。
上記スペクトロメータは、単一の及び束になった光ファイバを通って伝送された光を受け、この場合、該光ファイバから出力された光は、固定された回折格子を用いて、上記ラインCCDアレイの全域に分散する。上述した構成と同様に、光真空ウィンドウを通って放射される光は、凸状球面レンズを介して光ファイバの入力端に収束される。各々が、所定のスペクトル範囲(UV、VIS及びNIR)に対して具体的に調整された3つのスペクトロメータは、プロセスチャンバ用センサを構成する。各スペクトロメータは、独立したA/D変換器を含む。最後に、該センサの利用により、全放射スペクトルを、0.1秒から1.0秒毎に記録することができる。
図4に示す実施形態においては、プラズマ処理システム1bは、例えば、図2または図3の実施形態と同様とすることができ、プラズマ密度を潜在的に増加させるためおよび/またはプラズマ処理の均一性を改善するために、図2及び図3を参照して説明した構成要素に加えて、さらに、固定式、あるいは機械的または電気的に回転する磁界装置60を備えることができる。また、コントローラ14は、回転速度及び磁界強度を調節するために、磁界装置60に結合することができる。回転磁界のデザイン及び実施は、当業者には公知である。
図5に示す実施形態においては、プラズマ処理システム1cは、例えば、図2または図3の実施形態と同様とすることができ、さらに、高周波電源72からインピーダンス整合網74を介して高周波電力を結合することができる上方電極70を備えることができる。高周波電力の該上方電極への印加のための典型的な周波数は、約0.1MHzから約200MHzの範囲とすることができる。また、電力の下方電極への印加のための典型的な周波数は、約0.1MHzから約100MHzの範囲とすることができる。また、コントローラ14は、高周波電力の上方電極70への印加を制御するために、高周波電源72及びインピーダンス整合網74に結合されている。上方電極のデザイン及び実装は、当業者には公知である。
図6に示す実施の形態においては、プラズマ処理システム1dは、例えば、図2または図3の実施形態と同様とすることができ、さらに、高周波電源82からインピーダンス整合網84を介して高周波電力が結合される誘導コイル80を備えることが可能である。高周波電力は、誘導コイル80から誘電体ウィンドウ(図示せず)を介してプラズマ処理領域45に誘導結合される。高周波電力の誘導コイル80への印加のための典型的な周波数は、約10MHzから約100MHzの範囲とすることができる。同様に、電力のチャック電極への印加のための典型的な周波数は、約0.1MHzから約100MHzの範囲とすることができる。また、溝穴のついたファラデーシールド(図示せず)を、誘導コイル80とプラズマとの間の容量性結合を低減するために用いることができる。また、コントローラ14は、誘導コイル80への電力の印加を制御するために、高周波電源82及びインピーダンス整合網84に結合されている。代替の実施形態においては、誘導コイル80は、変圧器結合プラズマ(transformer coupled plasma;TCP)リアクタのように、上からプラズマ処理領域15と連通する「渦巻き」コイルまたは「平形(pancake)」コイルとすることができる。誘導結合プラズマ(inductively coupled plasma;ICP)源、あるいは、変圧器結合プラズマ(TCP)源のデザイン及び実装は、当業者には公知である。
あるいは、プラズマは、電子サイクロトロン共鳴(electron cyclotron resonance;ECR)を用いて生成することができる。また別の実施形態においては、プラズマは、ヘリコン波の発射によって形成される。さらに別の実施形態においては、プラズマは、伝播する表面波によって生成される。上述した各プラズマ源は、当業者には公知である。
以下の議論においては、プラズマ処理装置を用いて有機ARC層をエッチングする方法を説明する。例えば、該プラズマ処理装置は、図2から図6に示したような様々な構成要素、およびそれらの組み合わせを備えることができる。
一実施形態において、有機ARC層をエッチングする方法は、NH/Oをベースとする化学作用を含む。例えば、プロセスパラメータ空間は、約20mTorrから約1000mTorrのチャンバ圧力、約50sccmから約1000sccmのNHプロセスガス流量、約5sccmから約100sccmのOプロセスガス流量、約500Wから約2000Wの上方電極(例えば、図5における要素70)高周波バイアス、および約10Wから約500Wの下方電極(例えば、図5における要素20)高周波バイアスを含むことが可能である。また、該上方電極のバイアス周波数は、約0.1MHzから約200MHz、例えば、60MHzとすることができる。また、該下方電極のバイアス周波数は、約0.1MHzから約100MHz、例えば、2MHzとすることができる。
第1の実施例においては、図5で説明したようなプラズマ処理装置を用いて、有機ARC層をエッチングする方法を示す。しかし、議論する方法は、この例示的な提示によって範囲を限定すべきではない。表1は、以下の例示的なプロセスレシピ、すなわち、チャンバ圧力=100mTorr、上方電極の高周波電力=1200W、下方電極の高周波電力=100W、プロセスガス流量NH/O=360/36sccm、電極70(図5参照)の下面と基板ホルダ20上の基板25の上面との間の60mmの電極間隔、下方電極温度(例えば、図5の基板ホルダ20)=20℃、上方電極温度(例えば、図5の電極70)=60℃、チャンバ壁温度=50℃、裏面ヘリウム圧力中心/縁部=10/35Torr、および(例えば、診断システム12を用いた終点の検知から20%のオーバーエッチングに相当する)184秒のエッチング時間を用いて、有機ARC層でエッチングされた形態のクリティカルディメンションを示す。
Figure 0004594235
表1及び以下の表において、PRはフォトレジストを指し、また、CDは、クリティカルディメンションを指す。該表は、ARC層のエッチング後に残ったフォトレジストの厚さ、該ARC形態の上部及び底部のクリティカルディメンション、及びクリティカルディメンションバイアス等の結果を示す。また、データは、中心及び縁部において報告される。該データは、該CDを維持したときの上記プロセスの成功を示す。
代替の実施形態においては、上記プロセスの化学作用は、さらに、ヘリウム(He)を含むことができる。該プロセスへのヘリウムの導入は、形態の側壁粗さを軽減する。
第2の実施例において、表2は、以下の例示的なプロセスレシピ、すなわち、チャンバ圧力=100mTorr、上方電極の高周波電力=1200W、下方電極の高周波電力=100W、プロセスガス流量NH/O/He=360/36/100sccm、電極70(図5参照)の下面と基板ホルダ20上の基板25の上面との間の60mmの電極間隔、下方電極温度(例えば、図5の基板ホルダ20)=20℃、上方電極温度(例えば、図5の電極70)=60℃、チャンバ壁温度=50℃、裏面ヘリウム圧力中心/縁部=10/35Torr、および(例えば、診断システム12を用いた終点の検知から18%のオーバーエッチングに相当する)168秒のエッチング時間を用いて、有機ARC層でエッチングされた形態のクリティカルディメンションを示す。
Figure 0004594235
表2は、ARC層のエッチング後に残ったフォトレジストの厚さ、該ARC形態の上部及び底部のクリティカルディメンション及びクリティカルディメンションバイアス等の結果を示す。また、データは、中心及び縁部において報告される。該データは、上記プロセスの成功を示す。さらに、表2に関連するプロセスは、表1で報告されたのと同じ結果を示す。しかし、SEMデータは、Heの添加が、CDのわずかな損失を伴って、形態の側壁粗さ(図示せず)を軽減する傾向があることを示している。
代替の実施形態においては、有機ARC層をエッチングする方法は、N/H/Oをベースとする化学作用を含むことができる。プロセスパラメータ空間は、約20mTorrから約1000mTorrのチャンバ圧力、約50sccmから約1000sccmのNプロセスガス流量、約50sccmから約1000sccmのHプロセスガス流量、約5sccmから約100sccmのOプロセスガス流量、約500Wから約2000Wの上方電極(例えば、図5における要素70)高周波バイアス、および約10から約500Wの下方電極(例えば、図5における要素20)高周波バイアスを含むことが可能である。
第3の実施例においては、図5で説明したようなプラズマ処理装置を用いて、有機ARC層をエッチングする方法を示す。しかし、議論する方法は、この例示的な提示によって範囲を限定すべきではない。表3は、以下のプロセスレシピ、すなわち、チャンバ圧力=100mTorr、上方電極の高周波電力=1200W、下方電極の高周波電力=100W、プロセスガス流量N/H/O=100/300/36sccm、電極70(図5参照)の下面と基板ホルダ20上の基板25の上面との間の60mmの電極間隔、下方電極温度(例えば、図5の基板ホルダ20)=20℃、上方電極温度(例えば、図5の電極70)=60℃、チャンバ壁温度=50℃、裏面ヘリウム圧力中心/縁部=10/35Torr、および(例えば、診断システム12を用いた終点の検知から21%のオーバーエッチングに相当する)150秒のエッチング時間を用いて、有機ARC層でエッチングされた形態のクリティカルディメンションを示す。
Figure 0004594235
表3も上記方法の成功を示す。
代替の実施形態において、N/H/Oプロセスの化学作用は、さらにヘリウム(He)を含むことが可能である。該プロセスへのヘリウムの導入は、形態の側壁粗さを軽減することができる。
代替の実施形態において、有機ARC層をエッチングする方法は、NH/COまたはNH/CO/Oをベースとする化学作用を含む。また、該プロセスガスは、ヘリウムを含んでもよい。例えば、プロセスパラメータ空間は、約20mTorrから約1000mTorrのチャンバ圧力、約50sccmから約1000sccmのNHプロセスガス流量、および約5sccmから約300sccmのCOプロセスガス流量を含むことが可能である。該プロセスガスにOが含有される場合には、該プロセスガスは、約5sccmから約100sccmの流量を有することができる。本出願の上記実施形態のこのプロセスガスまたはいずれかのプロセスガスにHeが含有される場合には、該プロセスガスは、約5sccmから約300sccmの流量を有することができる。上方電極(例えば、図5における要素70)高周波バイアスは、約500Wから約2000Wとすることができ、下方電極(例えば、図5における要素20)高周波バイアスは、約10Wから約500Wとすることができ、該上方電極のバイアス周波数は、約0.1MHzから約200MHz、例えば、60MHzとすることができ、該下方電極のバイアス周波数は、約0.1MHzから約100MHz、例えば、2MHzとすることができる。
第4の実施例においては、図5で説明したようなプラズマ処理装置を用いて、有機ARC層をエッチングする方法を示す。しかし、議論する方法は、この例示的な提示によって範囲を限定すべきではない。表4は、以下の例示的なプロセスレシピ、すなわち、チャンバ圧力=200mTorr、上方電極の高周波電力=1200W、下方電極の高周波電力=200W、プロセスガス流量NH/CO=300/100sccm、電極70(図5参照)の下面と基板ホルダ20上の基板25の上面との間の60mmの電極間隔、下方電極温度(例えば、図5の基板ホルダ20)=20℃、上方電極温度(例えば、図5の電極70)=60℃、チャンバ壁温度=50℃、裏面ヘリウム圧力中心/縁部=10/35Torr、および180秒のエッチング時間を用いて、有機ARC層でエッチングされた形態のクリティカルディメンションを示す。
Figure 0004594235
表4において、IL厚さは、上記2層マスクの上層の厚さを指し(すなわち、図1Aから図1Cにおける感光層3の厚さ)、PR深さは、該2層マスクの下層の厚さを指し(すなわち、反射防止コーティング(ARC)層7の厚さ)、底部CDは、該感光性の上層からエッチングを介した下のARC層へのパターンの転写後の上記形態の底部におけるクリティカルディメンションを指し、CDバイアスは、該ARC層をエッチングする前の該感光層内の該形態の底部におけるクリティカルディメンションと、該ARC層をエッチングした後の該ARC層における該形態の底部におけるクリティカルディメンションとの差を指す。また、データは、絶縁した形態(すなわち、形態の広い間隔)および入れ子状の形態(すなわち、形態の接近した間隔)の両方に対して報告される。該データは、特に、約3対1以上、あるいは4対1以上の形態アスペクト比の場合に、該CDを維持する際に、上記プロセスの成功を示す。
第5の実施例においては、図5で説明したようなプラズマ処理装置を用いて、有機ARC層をエッチングする方法を示す。しかし、議論する方法は、この例示的な提示によって範囲を限定すべきではない。表5は、以下の例示的なプロセスレシピ、すなわち、チャンバ圧力=200mTorr、上方電極の高周波電力=1200W、下方電極の高周波電力=200W、プロセスガス流量NH/CO=250/150sccm、電極70(図5参照)の下面と基板ホルダ20上の基板25の上面との間の60mmの電極間隔、下方電極温度(例えば、図5の基板ホルダ20)=20℃、上方電極温度(例えば、図5の電極70)=60℃、チャンバ壁温度=50℃、裏面ヘリウム圧力中心/縁部=10/35Torr、および240秒のエッチング時間を用いて、有機ARC層でエッチングされた形態のクリティカルディメンションを示す。
Figure 0004594235
表5において、IL厚さは、上記2層マスクの上層の厚さを指し(すなわち、図1Aから図1Cにおける感光層3の厚さ)、PR深さは、該2層マスクの下層の厚さを指し(すなわち、反射防止コーティング(ARC)層7の厚さ)、底部CDは、該感光性の上層からエッチングを介した下のARC層へのパターンの転写後の上記形態の底部におけるクリティカルディメンションを指し、CDバイアスは、該ARC層をエッチングする前の該感光層内の該形態の底部におけるクリティカルディメンションと、該ARC層をエッチングした後の該ARC層における該形態の底部におけるクリティカルディメンションとの差を指す。また、データは、絶縁した形態(すなわち、形態の広い間隔)および入れ子状の形態(すなわち、形態の接近した間隔)の両方に対して報告される。さらに該データは、特に、4.5対1を超える形態アスペクト比の場合に、該CDを維持する際に、上記プロセスの成功を示す。
第6の実施例においては、図4で説明したようなプラズマ処理装置を用いて、有機ARC層をエッチングする方法を示す。しかし、議論する方法は、この例示的な提示によって範囲を限定すべきではない。表6は、以下の例示的なプロセスレシピ、すなわち、チャンバ圧力=100mTorr、下方電極の高周波電力=300W、プロセスガス流量NH/O/CO=200/10/50sccm、チャンバ10(図4参照)の上方壁の下面と、基板ホルダ20上の基板25の上面との間の47mmの電極間隔、下方電極温度(例えば、図4の基板ホルダ20)=40℃、チャンバ10の上方壁の温度=60℃、チャンバ壁温度=40℃、裏面ヘリウム圧力中心/縁部=10/40Torr、および(15%のオーバーエッチングを含む)140秒のエッチング時間を用いて、有機ARC層でエッチングされた形態のクリティカルディメンションを示す。
Figure 0004594235
表6において、上記定義した化学的性質(すなわち、NH/CO/O)の結果は、3つの異なる形態間隔(またはピッチ)、すなわち、1:5、1:3及び1:1.5の形態の幅対間隔の場合について示している。該結果は、基板の中心及び縁部(center and edge;C/E)に対して示しており、底部CDは、感光性の上層からエッチングを介した下のARC層へのパターンの転写後の上記形態の底部におけるクリティカルディメンションを指し、CDバイアスは、該ARC層をエッチングする前の該感光層内の該形態の底部におけるクリティカルディメンションと、該ARC層をエッチングした後の該ARC層における該形態の底部におけるクリティカルディメンションとの差を指し、上部PR残りは、該ARC層のエッチングの後の該上方の感光層の厚さを指し、上部PR損失は、該ARC層のエッチングの後に残る該上方の感光層の厚さを指す。
また、表6には、2つの他の化学的性質、すなわち、35%のオーバーエッチングを伴う純粋なアンモニア(NH)化学的性質、及び15%のオーバーエッチングを伴うNH/Oの化学的性質に対する結果も示されている。前者の化学的性質においては、上記プロセスレシピは、下方電極の高周波電力=500W、プロセスガス流量NH=400sccm(CO及びOの流量なし)、及び(35%のオーバーエッチングを含む)90秒のエッチング時間を除いて、NH/CO/Oの化学的性質のプロセスレシピと同じである。さらに、上記後者の化学的性質においては、該プロセスレシピは、プロセスガス流量O=20sccm(COの流量なし)、及び(20%のオーバーエッチングを含む)135秒のエッチング時間を除いて、NH/CO/Oの化学的性質のプロセスレシピと同じである。表6に示すように、例えば、純粋なアンモニアの場合のCDバイアスは低いのが望ましいが、上記ARC層のエッチング中に、上記形態の底部に、著しい残留物が形成される。対照的に、Oが該プロセスの化学的性質に加えられた場合には、該形態の底部における残留物の形成は除かれ、また、CDバイアスはより大きくなる。しかし、O及びCOが該プロセスの化学的性質に加えられた場合には、該形態の底部における残留物の形成は除かれ、CDバイアスは(純粋なアンモニアの場合のように)低くなる。
一般に、エッチング時間は、実験計画(design of experiment;DOE)法を用いて決めることができるが、エッチング時間は、終点検出を用いても決めることができる。終点検出の1つの可能な方法は、上記ARC層のエッチングの終了間際にプラズマの化学的性質が変化したときおよび下にある材料膜との接触を示す、上記プラズマ領域からの放射光スペクトルの一部をモニタすることである。例えば、そのような変化を示す該スペクトルの部分は、387.2nm(CN)の波長を含み、光放射分光(OES)を用いて測定することができる。特定のしきい値にまたがる周波数に相当する放射レベル後(例えば、実質的にゼロへの低下、または、特定のレベル以上の増加)に、終点は、完了したと考えることができる。また、終点情報を示す他の波長も用いることができる。さらに、エッチング時間は、オーバーエッチングの期間を含むように延長することができ、該オーバーエッチング期間は、エッチングプロセスの開始と終点検出に関係する時間との間の時間の一部(すなわち、1%から100%)を構成する。
図7は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理システム内の基板上の反射防止コーティング(ARC)層をエッチングする方法のフローチャートを示す。処理手順400は、410で始まり、プロセスガスが該プラズマ処理システムに導入され、該プロセスガスは、窒素(N)含有ガス、水素(H)含有ガス及び酸素(O)含有ガスを含む。例えば、該プロセスガスは、アンモニア(NH)及び2価の酸素(O)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、2価の窒素(N)、2価の水素(H)及び2価の酸素(O)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、アンモニア(NH)及び一酸化炭素(CO)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、アンモニア(NH)、一酸化炭素(CO)及び酸素(O)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、2価の窒素(N)、2価の水素(H)及び一酸化炭素(CO)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、さらにヘリウム(He)を含むことができる。
420において、プラズマは、例えば、図2から図6に示したシステム、およびそれらの組合せのうちのいずれか1つを用いて、上記プロセスガスによって該プラズマ処理システム内に生成される。
430において、上記ARC層を備える基板が、420で生成されたプラズマにさらされる。第1の期間の後、処理手順400は終了する。例えば、上記ARC層を有する該基板がプラズマにさらされる該第1の期間は、一般に、該ARC層をエッチングするのに必要な時間、あるいは、フォトレジストパターンを該ARC層に転写するのに要する時間によって、必然的に決まる。一般に、該ARC層の厚さ全体にフォトレジストパターンを転写するのに必要な該第1の期間は、予め決められる。あるいは、該第1の期間は、第2の期間またはオーバーエッチング期間によってさらに増長する。上述したように、オーバーエッチング時間は、該第1の期間のうちの一部分、例えば、1%から100%を含み、このオーバーエッチング期間は、終点の検出を越えるエッチングの延長を含むことが可能である。
図8は、本発明の他の実施形態に係るプラズマ処理システム内の基板上に薄膜をエッチングする2層マスクを形成する方法を示す。該方法は、該薄膜を該基板上に形成することによって、510で始まるフローチャート500に示されている。該薄膜は、酸化シリコン(SiO)等の酸化物層を含むことができ、該薄膜は、化学気相成長(CVD)を含む様々なプロセスによって形成することができる。
520において、反射防止コーティング(ARC)層が、上記薄膜が積層された上記基板上に形成される。該ARC層は、例えば、スピンコーティング装置等の従来の方法を用いて形成される有機ARC層とすることができる。
530において、上記ARC層が積層された上記基板上に、フォトレジストパターンが形成される。該フォトレジスト膜は、フォトレジストスピンコーティング装置等の従来の方法を用いて形成することができる。該パターンは、ステップ式マイクロリソグラフィ装置等の従来の方法及び現像液を用いることにより、該フォトレジスト膜内に形成することができる。
540において、該フォトレジストパターンは、上記2層マスクを形成するために、上記ARC層に転写される。該パターン転写は、ドライエッチング法を用いて実施され、該エッチングプロセスは、窒素(N)含有ガス、水素(H)含有ガス及び酸素(O)含有ガスを含むプロセスガスを用いるプラズマ処理システム内で実行される。例えば、該プロセスガスは、アンモニア(NH)及び2価の酸素(O)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、2価の窒素(N)、2価の水素(H)及び2価の酸素(O)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、アンモニア(NH)及び一酸化炭素(CO)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、アンモニア(NH)、一酸化炭素(CO)及び酸素(O)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、2価の窒素(N)、2価の水素(H)及び2価の酸素(O)を含むことができる。あるいは、該プロセスガスは、上述したように、さらにヘリウム(He)を含むことができる。プラズマは、例えば、図2から図6に示したシステムのうちのいずれか1つを用いて、上記プロセスガスによって該プラズマ処理システム内に生成され、上記ARC層を備える上記基板が、該生成されたプラズマにさらされる。該ARC層を有する該基板がプラズマにさらされる第1の期間は、一般に、該ARC層をエッチングするのに必要な時間、あるいは、フォトレジストパターンを該ARC層に転写するのに要する時間によって、必然的に決まる。一般に、該ARC層の厚さ全体にフォトレジストパターンを転写するのに必要な該第1の期間は、予め決められる。しかし、一般に、該第1の期間は、第2の期間またはオーバーエッチング期間によってさらに増長する。上述したように、オーバーエッチング時間は、該第1の期間のうちの一部分、例えば、1%から100%を含み、このオーバーエッチング期間は、終点の検出を越えるエッチングの延長を含むことが可能である。
本発明のいくつかの実施形態のみを詳細に説明してきたが、当業者は、本発明の新規な教示及び効果を著しく逸脱することなく、該実施形態において、多くの変更例が可能であることを容易に理解できるであろう。従って、そのような全ての変更例は、本発明の範囲内に含まれると解釈される。
薄膜をパターンエッチングするための典型的な処理手順の概略図である。 薄膜をパターンエッチングするための典型的な処理手順の概略図である。 薄膜をパターンエッチングするための典型的な処理手順の概略図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理システムの単純化した概略図である。 本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理システムの概略図である。 本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理システムの概略図である。 本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理システムの概略図である。 本発明の別の実施形態に係るプラズマ処理システムの概略図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ処理システム内の基板上の反射防止コーティング(ARC)層をエッチングする方法を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る、基板上の薄膜をエッチングするための2層マスクを形成する方法を示す図である。

Claims (46)

  1. プラズマ処理システム内の基板上の有機反射防止コーティング(ARC)層をエッチングする方法であって、
    窒素(N)、水素(H)、酸素(O)、一酸化炭素(CO)からなり、窒素(N)及び水素(H)の流量が酸素(O)及び一酸化炭素(CO)の流量を超える量であって、さらに、ヘリウム(He)を含むことができるプロセスガスを導入することと、
    前記プラズマ処理システム内で、前記プロセスガスからプラズマを生成することと、
    前記有機ARC層を有する前記基板を前記プラズマにさらすこととを具備する方法。
  2. 前記有機ARC層を有する前記基板を前記プラズマにさらすことは、前記有機ARC層をエッチングするのに必要とされる時間である第1の期間実行される請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の期間は、終点検出によって決められる請求項2に記載の方法。
  4. 前記終点検出は、光放射分光を備えている請求項3に記載の方法。
  5. 前記第1の期間は、前記有機ARC層をエッチングする時間に相当し、第2の期間によって延長される請求項2に記載の方法。
  6. 前記第2の期間は、前記第1の期間の一部である請求項5に記載の方法。
  7. 基板上の薄膜をエッチングするための2層マスクを形成する方法であって、
    前記基板上に前記薄膜を形成することと、
    前記薄膜上に有機反射防止コーティング(ARC)層を形成することと、
    前記有機ARC層上にフォトレジストパターンを形成することと、
    窒素(N)、水素(H)及び酸素(O)、一酸化炭素(CO)からなり、窒素(N)及び水素(H)の流量が酸素(O)及び一酸化炭素(CO)の流量を超える量であって、さらに、ヘリウム(He)を含むことができるプロセスガスを用いて、前記有機ARC層をプラズマエッチングすることにより、前記フォトレジストパターンを前記有機ARC層に転写することとを具備する方法。
  8. 前記有機ARC層の前記エッチングは、前記有機ARC層をエッチングするのに必要とされる時間である第1の期間実行される請求項7に記載の方法。
  9. 前記第1の期間は、終点検出によって決められる請求項8に記載の方法。
  10. 前記終点検出は、光放射分光を備えている請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1の期間は、前記有機ARC層をエッチングする時間に相当し、第2の期間によって延長される請求項8に記載の方法。
  12. 前記第2の期間は、前記第1の期間の一部である請求項11に記載の方法。
  13. プラズマ処理システム内の基板上の有機反射防止コーティング(ARC)層に高アスペクト比の形態をエッチングする方法であって、
    アンモニア(NH)、酸素(O)、一酸化炭素(CO)からなり、アンモニア(NH)の流量が酸素(O)及び一酸化炭素(CO)の流量を超える量であって、さらに、ヘリウム(He)を含むことができるプロセスガスを導入することと、
    前記プラズマ処理システム内で、前記プロセスガスからプラズマを生成することと、
    前記有機ARC層を有する前記基板を前記プラズマにさらすこととを具備し、
    前記高アスペクト比の形態は、1に対して3以上のアスペクト比を備えている方法。
  14. 前記ヘリウムの流量は、5sccmから300sccmの範囲内である請求項13に記載の方法。
  15. 前記有機ARC層を有する前記基板を前記プラズマにさらすことは、前記有機ARC層をエッチングするのに必要とされる時間である第1の期間実行される請求項13に記載の方法。
  16. 前記第1の期間は、終点検出によって決められる請求項15に記載の方法。
  17. 前記終点検出は、光放射分光を備えている請求項16に記載の方法。
  18. 前記第1の期間は、前記有機ARC層をエッチングする時間に相当し、第2の期間によって延長される請求項15に記載の方法。
  19. 前記第2の期間は、前記第1の期間の一部である請求項18に記載の方法。
  20. 前記NHの流量は、50sccmから1000sccmである請求項13に記載の方法。
  21. 前記COの流量は、5sccmから300sccmである請求項20に記載の方法。
  22. 基板上の薄膜をエッチングするための2層マスクを形成する方法であって、
    前記基板上に前記薄膜を形成することと、
    前記薄膜上に有機反射防止コーティング(ARC)層を形成することと、
    前記有機ARC層上にフォトレジストパターンを形成することと、
    アンモニア(NH)、酸素(O)、一酸化炭素(CO)からなり、アンモニア(NH)の流量が酸素(O)及び一酸化炭素(CO)の流量を超える量であって、さらに、ヘリウム(He)を含むことができるプロセスガスを用いて、前記有機ARC層に高アスペクト比の形態をプラズマエッチングすることによって、前記フォトレジストパターンを前記有機ARC層に転写することとを備え、
    前記高アスペクト比の形態は、1に対して3以上のアスペクト比を備えている方法。
  23. 前記ヘリウムの流量は、5sccmから300sccmの範囲内である請求項22に記載の方法。
  24. 前記有機ARC層の前記エッチングは、前記有機ARC層をエッチングするのに必要とされる時間である第1の期間実行される請求項22に記載の方法。
  25. 前記第1の期間は、終点検出によって決められる請求項24に記載の方法。
  26. 前記終点検出は、光放射分光を備えている請求項25に記載の方法。
  27. 前記第1の期間は、前記有機ARC層をエッチングする時間に相当し、第2の期間によって延長される請求項24に記載の方法。
  28. 前記第2の期間は、前記第1の期間の一部である請求項27に記載の方法。
  29. 前記NHの流量は、50sccmから1000sccmである請求項22に記載の方法。
  30. 前記COの流量は、5sccmから300sccmである請求項29に記載の方法。
  31. プラズマ処理システム内の基板上の有機反射防止コーティング(ARC)層に、形態をエッチングする方法であって、
    アンモニア(NH)、一酸化炭素(CO)及び酸素(O)からなり、アンモニア(NH)の流量が酸素(O)及び一酸化炭素(CO)の流量を超える量であって、さらに、ヘリウム(He)を含むことができるプロセスガスを導入することと、
    前記プラズマ処理システム内で、前記プロセスガスからプラズマを生成することと、
    前記有機ARC層を有する前記基板を前記プラズマにさらすこととを具備する方法。
  32. 前記NHの流量は、50sccmから1000sccmの範囲内であり、前記Oの流量は、5sccmから100sccmの範囲内であり、前記COの流量は、5sccmから300sccmの範囲内である請求項31に記載の方法。
  33. 前記ヘリウムの流量は、5sccmから300sccmの範囲内である請求項31に記載の方法。
  34. 前記有機ARC層を有する前記基板を前記プラズマにさらすことは、前記有機ARC層をエッチングするのに必要とされる時間である第1の期間実行される請求項31に記載の方法。
  35. 前記第1の期間は、終点検出によって決められる請求項34に記載の方法。
  36. 前記終点検出は、光放射分光を備えている請求項35に記載の方法。
  37. 前記第1の期間は、前記有機ARC層をエッチングする時間に相当し、第2の期間によって延長される請求項34に記載の方法。
  38. 前記第2の期間は、前記第1の期間の一部である請求項37に記載の方法。
  39. 基板上の薄膜をエッチングするための2層マスクを形成する方法であって、
    前記基板上に前記薄膜を形成することと、
    前記薄膜上に、有機反射防止コーティング(ARC)層を形成することと、
    前記有機ARC層上にフォトレジストパターンを形成することと、
    アンモニア(NH)、一酸化炭素(CO)及び酸素(O)からなり、アンモニア(NH)の流量が酸素(O)及び一酸化炭素(CO)の流量を超える量であって、さらに、ヘリウム(He)を含むことができるプロセスガスを用いて、前記有機ARC層に形態をプラズマエッチングすることにより、前記有機ARC層に前記フォトレジストパターンを転写することとを具備する方法。
  40. 前記NHの流量は、50sccmから1000sccmの範囲内であり、前記Oの流量は、5sccmから100sccmの範囲内であり、前記COの流量は、5sccmから300sccmの範囲内である請求項39に記載の方法。
  41. 前記ヘリウムの流量は、5sccmから300sccmの範囲内である請求項39に記載の方法。
  42. 前記有機ARC層の前記エッチングは、前記有機ARC層をエッチングするのに必要とされる時間である第1の期間実行される請求項39に記載の方法。
  43. 前記第1の期間は、終点検出によって決められる請求項42に記載の方法。
  44. 前記終点検出は、光放射分光を備えている請求項43に記載の方法。
  45. 前記第1の期間は、前記有機ARC層をエッチングする時間に相当し、第2の期間によって延長される請求項42に記載の方法。
  46. 前記第2の期間は、前記第1の期間の一部である請求項45に記載の方法。
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