JP4979430B2

JP4979430B2 - プラズマエッチング方法

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Publication number: JP4979430B2
Application number: JP2007079170A
Authority: JP
Inventors: 悟武藤; 英治池上; 正和宮地
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP2008243939A

Description

本発明は、上部にアンテナ電極が配設されＳｉ部材からなるガス供給板と、２００ＭＨｚ〜４５０ＭＨｚのプラズマ形成のための第１の高周波電源と、４ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波バイアスをＳｉ部材からなるガス供給板へ印加する第２の高周波電源と、８００ＫＨｚ〜４ＭＨｚの被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源を有する真空処理装置を使用した、ＡｒＦレジストからなる第１の膜、無機膜中間層である第２の膜、有機膜下層レジストである第３の膜、シリコン酸化膜からなる第４の膜、無機膜である第５の膜、Ｓｉ基板である第６の膜から構成された多層レジスト構造のプラズマエッチング方法であって、Ｓｉ部材からなるガス供給板を使用したチャンバで被処理基板を搬出することなくプラズマエッチング処理を一貫して行い、特に無機膜のＶｉａ加工形状と有機膜のＶｉａ加工形状、または無機膜のＴｒｅｎｃｈ加工形状と有機膜のＴｒｅｎｃｈ加工形状を、処理工程毎にエッチングガスおよびＳｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスの印加を制御するプラズマエッチング方法に関する。

無機膜エッチング処理ではレジストマスク選択比向上および、エッチレート面内分布制御のためＣＦ系ガスで加工形状処理を行う場合は、Ｓｉ部材からなるガス供給板へ高周波電力を印加することでＦとＳｉの反応を促進させチャンバ内のＦ濃度の低減（Ｆスカベンジ効果）を利用し、プロセスを構築してきた。

その技術として、酸化膜のエッチング方法では、フッ素を含むガス系で高周波バイアスをＳｉ部材からなるガス供給板へ印加することで、Ｆスカベンジ効果を利用しエッチング加工形状制御を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、有機膜エッチングでは、ＣＦ系ガスでエッチングを行う場合、無機ハードマスク材との選択比が低下し、加工形状や面内分布の制御が困難な場合がある。そのため、ＣＦ系ガスを含まないガス系を用いたエッチングが検討されているがＳｉ部材からなるガス供給板を用いた装置構成の場合、Ｓｉ部材からなるガス供給板に高周波電力が印加されることでＳｉ単体もしくは蒸気圧が低く排気されにくいＳｉの反応性成物が被エッチング膜の側壁へ付着し、残渣および面内差発生の悪影響が顕在化してきた。
特開２００１−５３０６１号公報

しかしながら、上記従来技術では被エッチング膜が無機膜の場合、Ｖｉａ作成処理のエッチング工程またはＴｒｅｎｃｈ作成処理のエッチング工程時に、Ｓｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを調整しない場合、被処理基板の面内差、疎密差、ボーイング率が大きくなるという問題があった。

また、被エッチング膜が有機膜の場合、エッチングガスにＣＦ系ガスを使用せず、Ｓｉ部材からなるガス供給板へ高周波バイアスを印加する第２の高周波電源を印加した際にＳｉがスパッタリングで飛散し、この飛散したＳｉ粒子がエッチングのマスクとして作用し、Ｓｉ粒子を核とした残渣がＶｉａやＴｒｅｎｃｈのエッチング加工底面に発生するという問題がある。また、蒸気圧が低く排気されにくいＳｉの反応性生物が被エッチング膜の側壁へ付着して、被処理基板の面内差、疎密差が発生する課題があった。

本発明は、上記問題に鑑み、多層レジスト構造を有する被処理基板のＶｉａ作成処理において、面内差、疎密差、ボーイング率、残渣を低減することを可能にするプラズマエッチング処理方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、多層レジスト構造を有する被処理基板のＴｒｅｎｃｈ作成処理において、被処理基板の面内差、疎密差、残渣を低減することを可能にするプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、上記多層レジスト構造を有する被処理基板のＶｉａ作成処理またはＴｒｅｎｃｈ作成処理において、前記第３の膜の残留有機膜下層レジストのアッシング処理を行い、被処理基板に残渣を発生させないことを可能にするプラズマエッチング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、多層レジスト構造のＶｉａのエッチング工程では、第３の膜である有機膜下層レジストのＶｉａエッチングを、ＣＦ系ガスを使用せず、かつ、Ｓｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加せずに行い、第４の膜であるシリコン酸化膜および第５の膜である無機膜のＶｉａエッチングを、ＣＦ系ガスを使用し、かつ、Ｓｉ部材からなるガス供給板の上部に配設されたアンテナ電極に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加するパワーを２００Ｗから３００Ｗとして行う。さらに、最後に第３の膜である残留した有機膜下層レジストのアッシングを、Ｏ_２ガスを使用し、かつ、Ｓｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加せずに行う。

また、本発明は、多層レジスト構造のＴｒｅｎｃｈのエッチング工程では、第３の膜である有機膜下層レジストのＴｒｅｎｃｈエッチングを、ＣＦ系ガスを使用せず、かつ、Ｓｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加せずに行い、第４の膜であるシリコン酸化膜および第５の膜である無機膜のＴｒｅｎｃｈエッチングを、ＣＦ系ガスを使用し、かつ、Ｓｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加せずに行う。さらに、最後に第３の膜である残留した有機膜下層レジストのアッシングを、Ｏ_２ガスを使用し、かつ、Ｓｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加せずに行う。

本発明によれば、第１の膜にＡｒＦレジスト、第２の膜に無機膜中間層、第３の膜に有機膜下層レジスト、第４の膜にシリコン酸化膜、第５の膜に無機膜、第６の膜にＳｉ基板を用いて構成された多層レジスト構造において、Ｓｉ部材からなるガス供給板を使用したチャンバで被処理基板を搬出することなく一貫処理するプラズマエッチング方法であって、特に、無機膜のＶｉａ加工形状と有機膜のＶｉａ加工形状、または無機膜のＴｒｅｎｃｈ加工形状と有機膜のＴｒｅｎｃｈ加工形状を、工程毎にエッチングガスおよびＳｉ部材からなるガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加するパワーを調整することおよび第３の膜のアッシング処理をＯ_２を用いかつガス供給板に第２の高周波電源より高周波バイアスを印加するパワーを印加することなく行うことによって、被処理基板の残渣を発生させず、面内差、疎密差、ボーイング率を低減することができる。

図１の平面図面を用いて、本発明に使用するに適した枚葉式マルチチャンバを有するプラズマエッチング装置の構造を説明する。図１において、本プラズマエッチング装置は、搬送ロボット２１を配備した真空搬送室２０と、ゲート２４ａ、２４ｂで介設された２個以上の処理室１ａ、１ｂと、ロードロック室２２ａ、２２ｂと、大気ローダ部２５と、ウェハカセット２６を載置するカセット載置部２３から構成される。処理室１ａ、１ｂで実施する同一プロセスを並列に処理することも、処理室１ａと処理室１ｂでの異種プロセスの被処理基板１３を逐次に処理することも、可能に構成されている。

本プラズマ処理装置の処理室１ａと処理室１ｂは、ほぼ同一の構造であるため、処理室１ａにつき、図２を参照してその詳細を説明する。本プラズマ処理装置は、ＵＨＦ（ＵｌｔｒａＨｉｇｈＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）と磁界を利用してプラズマを形成するＵＨＦプラズマエッチング装置である。

図２において、処理室１ａは、真空容器となっており周囲に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）用磁場を発生させるためのコイル９が設置され、内壁は例えば３０℃に、温調器（図示を省略）によって温度制御されている。被処理基板１３は、静電チャック７を配設した基板電極１８に載置される。静電チャック７には、吸着用直流電源（図示を省略）が接続され、被処理基板１３を静電チャック７に吸着することを可能としている。基板電極１８には整合器１０を介して基板バイアス電源（第３の高周波電源）１１が接続され、被処理基板１３に高周波バイアスを印加することを可能としている。

本発明に使用されるエッチングガスである、Ａｒ、ＣＯ_２、Ｎ_２、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４、Ｏ_２はガスボンベ１９から供給され、マスフローコントローラー１２で流量を制御し、プロセスガス源に接続されたガス供給管１４を介して、Ｓｉ部材からなるガス供給板８から処理室１ａへ導入される。

Ｓｉ部材からなるガス供給板８の上部にはアンテナ電極２が配設され、第１の高周波電源３および第２の高周波電源５から、整合回路４ならびに整合回路６を介して、同軸端子１６からアンテナ電極２に給電される。高周波は、アンテナ電極２の周囲の誘電体窓１５から放射されるとともに、共振電界がＳｉ部材からなるガス供給板８を介して処理室１ａ内に導入され、プラズマの生成によって被処理基板１３にエッチング加工が施される。

処理室１ａの下方に、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）からなる真空排気手段（図示を省略）と、オートプレッシャーコントローラー（ＡＰＣ）からなる調圧手段（図示を省略）が配設され、所定圧力に保持しながら、処理後のエッチング用ガスを処理室１ａより排出する。

図３を用いて、被処理基板のエッチング処理における面内差、疎密差、ボーイング率について説明する。図３（ａ）の膜構成は、上から無機膜中間層である第２の膜３０２、有機膜下地レジストである第３の膜３０３、シリコン酸化膜からなる第４の膜３０４、無機膜である第５の膜３０５、Ｓｉ基板である第６の膜３０６から構成されている。各説明においては、初期構造を図３（ａ）を用いて、無機膜中間層３０２と有機膜下地レジスト３０３をマスクとして、被エッチング膜のシリコン酸化膜３０４および無機膜３０５をエッチング処理した後の構造を図３（ｂ）を用いて説明する。

図３を用いて、被処理基板におけるエッチング処理の配線パターンの疎密に起因する面内差を説明する。図３（ａ）においてエッチングのマスクとなる密部無機膜中間層３０２の線幅寸法をＡとし、疎部無機膜中間層３０２の線幅寸法をＢとする。これらＡ、Ｂをマスクとしてシリコン酸化膜３０４、無機膜３０５をエッチングする。この時、図３（ｂ）においてエッチング後の蜜部無機膜３０５線幅寸法をＡＡとし、エッチング後の疎部無機膜３０５の線幅寸法をＢＢとする。密部パターンのエッチング前後の寸法差は（ＡＡ−Ａ）で表し、面内９点での寸法差を３σで表したものを密部の面内差、また、疎部パターンのエッチング前後の寸法差を（ＢＢ−Ｂ）で表し、密部と同様に面内９点での寸法差を３σで表したものを疎部の面内差と定義する。

次に、図３を用いて疎密差を説明する。図３（ａ）においてエッチングのマスクとなる密部無機膜中間層３０２の線幅寸法をＡとし、疎部無機膜中間層３０２の線幅寸法をＢとする。これらＡ、Ｂの線幅を有する無機膜中間層３０２、有機膜下地レジスト３０３をマスクとしてシリコン酸化膜３０４、無機膜３０５をエッチングする。この時、図３（ｂ）に示すように、エッチング後の密部無機膜３０５の線幅寸法をＡＡとし、エッチング後の疎部無機膜３０５の線幅寸法をＢＢとする。密部パターンのエッチング前後の寸法差は（ＡＡ−Ａ）で表し、疎部パターンのエッチング前後の寸法差を（ＢＢ−Ｂ）で表す。（ＡＡ−Ａ）と（ＢＢ−Ｂ）の差を疎密差と定義する。

次に、図３を用いて、ボーイング率を説明する。図３（ｂ）において密部に関してはシリコン酸化膜３０４、無機膜３０５エッチング後のシリコン酸化膜仕上がり寸法Ｃに対し無機膜３０５エッチング加工形状の一番線幅寸法が大きい所を寸法ＣＣとし（（ＣＣ÷Ｃ）×１００））で密部のボーイング率とし、疎部に関してはシリコン酸化膜３０４、無機膜３０５エッチング後でのシリコン酸化膜仕上がり寸法Ｄに対し無機膜３０５エッチング加工形状の一番線幅寸法が大きい所を寸法ＤＤとし（（ＤＤ÷Ｄ）×１００））で疎部のボーイング率と定義する。

［実施例１］図４を用いて、多層レジスト構造のＶｉａ構成について説明する。図４に示すように、多層レジスト構造を有する被処理基板は、ＡｒＦレジストからなる第１の膜４０１と、無機膜中間層からなる第２の膜４０２と、有機膜下層レジストからなる第３の膜４０３と、シリコン酸化膜からなる第４の膜４０４と、無機膜からなる第５の膜４０５とが、Ｓｉ基板からなる第６の膜４０６上に積層されて構成される。例えば、図２に示したプラズマ処理装置を用いてＶｉａ構造を作成するに当たり、これらの多層レジスト構造を有する被処理基板を処理チャンバから搬出すること無く、無機膜中間層からなる第２の膜４０２から無機膜からなる第５の膜４０５までを一貫してエッチング処理を行った。

図４（ａ）において、ＡｒＦレジストからなる第１の膜４０１をマスクとして、無機膜中間層からなる第２の膜４０２をエッチングする工程では、少なくともＣＦ系ガスを使用し、かつ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加して第２の膜４０２のエッチング処理を行う。

処理条件としては、例えば、処理室圧力を２Ｐａ、高周波電源の出力として、プラズマ形成のための第１の高周波電源３から印加する電力を４００Ｗ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に印加する第２の高周波電源５からの高周波バイアス電力を１００Ｗ、被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源１１の電力を１００Ｗとし、使用するガスとして、Ａｒ、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３を使用してエッチング処理すると、仕上がりは図４（ｂ）となる。

次に、上記第２の膜４０２のエッチング処理後の図４（ｂ）において、ＡｒＦレジストからなる第１の膜４０１および無機膜中間層からなる第２の膜４０２をマスクとして、有機膜下層レジストからなる第３の膜４０３をエッチングする工程では、ＣＦ系ガスでエッチングすると、ＡｒＦレジスト４０１との選択比が低下し、加工形状と面内差制御が困難である。そのため、ＣＦ系ガスを使用せず、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５から高周波バイアスを印加してエッチング処理を行う。

処理条件としては、例えば、処理室圧力は２Ｐａ、高周波電源の出力として、プラズマ形成のための第１の高周波電源３の印加を４００Ｗ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスの印加を２００Ｗ、被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源１１の印加を１００Ｗとし、使用するガスとして、Ａｒ、ＣＯ_２、Ｎ_２を使用してエッチング処理すると、仕上がりは図４（ｃ）となる。

つまり、上記条件でエッチング処理すると、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加することでＳｉ部材からなるガス供給板８のＳｉがスパッタリングで飛散し、図４（ｃ）に示すシリコン酸化膜上４０４にＳｉ粒子を核とした残渣４０７が発生した。また、スパッタされたＳｉ粒子は、チャンバ中心部に多く発生し、Ｓｉ粒子がＶｉａ側壁に付着する量が被エッチング基板の中心に多くなることで面内差が発生し、更に、密部と疎部でのＶｉａ内に入るＳｉ粒子量の違いから疎密差への影響も大きいと考える。

上記のように、Ｓｉ粒子が発生することで、面内差、疎密差、残渣が悪化すると考えられることから、Ｓｉ部材からなるガス供給板８へ高周波バイアスを印加する第２の高周波電源５の印加パワーを下げることで、Ｓｉ部材からなるガス供給板８のＳｉのスパッタリングを抑制し、Ｓｉ粒子を減らすことで被エッチング基板内の面内差、疎密差、残渣低減が図られる。つまり、上記不具合を改善したエッチング処理方法で図４（ｄ）が得られた。

次に、上記不具合を改善したエッチング処理状態、図４（ｄ）において、無機膜中間層からなる第２の膜４０２、有機膜下層レジストからなる第３の膜４０３をマスクとしてシリコン酸化膜からなる第４の膜４０４、無機膜からなる第５の膜４０５をエッチング処理する工程では、ＣＦ系ガスを使用し、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しエッチング処理を行う。

処理条件としては、例えば、処理室圧力は４Ｐａ、高周波電源の出力として、プラズマ形成のための第１の高周波電源３の印加を８００Ｗ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスの印加を２００Ｗ、被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源１１の印加を１１００Ｗとし、使用するガスとして、Ａｒ、Ｃ_４Ｆ_８、ＣＨＦ_３、Ｎ_２を使用しエッチング処理すると、仕上がりは図４（ｅ）となる。

上記条件を中心条件とし、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワー依存性を実施し、面内差、疎密差、ボーイング率の最適化確認を行った。

多層レジスト構造のＶｉａ工程結果を以下に示す。有機膜下層レジストである第３の膜４０３をエッチング処理する工程において、面内差の状況を図５（ａ）、疎密差の状況を図５（ｂ）に示す。図５（ａ）の面内差結果においては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加することでスパッタされたＳｉ粒子がチャンバ中心部に多く発生し、Ｓｉ粒子が側壁に付着する量が被エッチング基板の中心に多くなることで面内差が発生していた。

次に、図５（ｂ）の疎密差結果においては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加することで、スパッタされたＳｉ粒子がＶｉａの側壁に付着する。Ｓｉ粒子の付着は密部では少なく、疎部で多く側壁へ付着することから疎密差が大きくなった。また、残渣発生に関しては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８へ高周波バイアス電力の印加パワーを１００Ｗ以下にすることで、残渣の発生を抑えられた。

上記の結果から、有機膜下層レジスト４０３をエッチングする工程においては、ＣＦ系ガスを使用せずに、且つＳｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しないことが望ましい。

次に、シリコン酸化膜からなる第４の膜４０４、無機膜からなる第５の膜４０５をエッチングする工程において、面内差の状況を図６（ａ）、疎密差の状況を図６（ｂ）、ならびにボーイング率を図６（ｃ）に示す。図６（ａ）の面内差結果においては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーが低いと、プラズマ中においてチャンバ中心部にＦラジカルが多く生成される。そのため中心と外周のＦラジカル量の差から面内差が発生した。そのため、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを上げることで、中心と外周のＦラジカル量が均一になり面内差を低減することができた。

また、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーが０Ｗ〜１００Ｗの範囲ではＳｉ部材からなるガス供給板８とＦラジカルとの反応（Ｆスカベンジ効果）が促進されないため、チャンバ内にＦが多くなることで、第１の膜であるＡｒＦレジスト４０１との選択比が下がり肩削れが発生した。

次に、図６（ｂ）疎密差結果においては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを２００Ｗから３００Ｗ印加することで、疎密差を５ｎｍ以下に抑えることができた。

次に、図６（ｃ）ボーイング率結果においては、ＳｉとＦラジカルとの反応（Ｆスカベンジ効果）が促進されないため、多くのＦラジカルがＶｉａ内へ入り、エッチングのため為だけでなく、ＦラジカルがＶｉａの側壁にもアタックすることでボーイングが発生した。Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを上げることで、ボーイング率を抑えることができた。

上記の結果から、シリコン酸化膜からなる第４の膜４０４、無機膜からなる第５の膜４０５をエッチングする工程においては、ＣＦ系ガスを使用し、且つＳｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーは２００Ｗから３００Ｗが望ましい。

［実施例２］図７を用いて、多層レジスト構造におけるＴｒｅｎｃｈの作成について説明する。図７において、多層レジスト構造は、第１の膜にＡｒＦレジスト５０１、第２の膜に無機膜中間層５０２、第３の膜に有機膜下層レジスト５０３、第４の膜にシリコン酸化膜５０４、第５の膜に無機膜５０５、第６の膜にＳｉ基板５０６を用いて構成される。

これらの多層レジスト構造を、図４の場合と同様に、処理チャンバから被処理基板を搬出すること無く、無機中間膜からなる第２の膜５０３から無機膜からなる第５の膜５０５までを、一貫して処理を行った。

図７（ａ）において、ＡｒＦレジストからなる第１の膜５０１をマスクとして無機膜中間層からなる第２の膜５０２をエッチングする工程では、少なくともＣＦ系ガスを使用し、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に高周波電源５より高周波バイアスを印加しエッチング処理を行う。

処理条件としては、例えば、処理室圧力は２Ｐａ、プラズマ形成のための第１の高周波電源３の印加を４００Ｗ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスの印加を１００Ｗ、被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源１１の印加を１００Ｗとし、使用するガスとしてＡｒ、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３を使用してエッチング処理すると、仕上がりは図７（ｂ）となる。

次に、上記でエッチングした図７（ｂ）において、ＡｒＦレジストからなる第１の膜５０１、無機膜中間層からなる第２の膜５０２をマスクとして有機膜下層レジストからなる第３の膜５０３をエッチングする工程では、ＣＦ系ガスでエッチングした場合、ＡｒＦレジスト５０１との選択比が低下し、加工形状、面内差制御が困難である。そのため、ＣＦ系ガスを使用せず、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しエッチング処理を行う。処理条件としては例えば、処理室圧力を２Ｐａ、プラズマ形成のための第１の高周波電源３の印加を４００Ｗ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスの印加を２００Ｗ、被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源１１の印加を１００Ｗとし、使用するガスとしてＡｒ、ＣＯ_２、Ｎ_２を使用してエッチング処理すると、仕上がりは図７（ｃ）となる。

つまり、上記条件でエッチングすると、第２の高周波電源５を印加することでＳｉ部材からなるガス供給板８のＳｉがスパッタリングで飛散し、図７（ｃ）に示すシリコン酸化膜上５０４にＳｉ粒子を核とした残渣５０７が発生した。またスパッタされたＳｉ粒子はチャンバ中心部に多く発生し、Ｓｉ粒子がＴｒｅｎｃｈの側壁に付着する量が被エッチング基板の中心に多くなることで面内差が発生し、更に密部と疎部でのＴｒｅｎｃｈ内に入るＳｉ粒子量の違いから疎密差への影響も大きいと考える。

上記のように、Ｓｉ粒子が発生することで、被処理基板の面内差、疎密差、残渣が悪化すると考えられることから、Ｓｉ部材からなるガス供給板８へ高周波バイアスを印加する第２の高周波電源５の印加パワーを下げることによってＳｉ部材からなるガス供給板８のＳｉのスパッタリングを抑制し、Ｓｉ粒子を減らすことで被エッチング基板内の面内差、疎密差、残渣低減が図られる。つまり、上記不具合を改善したエッチング処理方法で、図７（ｄ）が得られた。

次に、上記不具合を改善したエッチング処理状態、図７（ｄ）において、無機膜中間層からなる第２の膜５０２、有機膜下層レジストからなる第３の膜５０３をマスクとしてシリコン酸化膜からなる第４の膜５０４、無機膜からなる第５の膜５０５をエッチングする工程では、ＣＦ系ガスを使用し、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に高周波電源５より高周波バイアスを印加し処理を行う。

処理条件としては、例えば、処理室圧力を４Ｐａ、プラズマ形成のための第１の高周波電源３の印加を４００Ｗ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスの印加を３００Ｗ、被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源１１の印加を２００Ｗとし、使用するガスとしてＣＦ_４を使用してエッチング処理すると、仕上がりは図７（ｅ）となる。

上記条件を中心条件とし、第２の高周波電源５のパワー依存性を実施し、面内差、疎密差の最適化確認を行った。

多層レジスト構造のＴｒｅｎｃｈ工程結果を、以下に示す。第３の膜である有機膜下層レジスト５０３をエッチングする工程において、面内差の状況を図８（ａ）、疎密差の状況を図８（ｂ）に示す。

図８（ａ）の面内差結果においては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加することによってスパッタされたＳｉ粒子がチャンバ中心部に多く発生し、Ｓｉ粒子がＴｒｅｎｃｈ側壁に付着する量が被エッチング基板の中心に多くなることで面内差が発生していた。

次に、図８（ｂ）の疎密差結果においては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加することでスパッタされたＳｉ粒子がＴｒｅｎｃｈ側壁に付着する。Ｓｉ粒子の付着は、密部では少なく、疎部で多くＴｒｅｎｃｈ側壁へ付着することから疎密差が大きくなった。また、残渣発生に関しては、Ｓｉ部材からなるガス供給板８へ第２の高周波電源５からの高周波バイアス電力の印加パワーを１００Ｗ以下にすることで、残渣の発生を抑えられた。

上記結果から、有機膜下層レジストからなる第３の膜５０３をエッチングする工程においては、ＣＦ系ガスを使用せずに、且つ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しないことが望ましい。

次に、シリコン酸化膜からなる第４の膜５０４、無機膜からなる第５の膜５０５をエッチングする工程において、面内差の状況を図９（ａ）、疎密差の状況を図９（ｂ）に示す。

図９（ａ）の面内差結果においては、Ｖｉａ工程とは違いＴｒｅｎｃｈ工程では、被エッチング面積が大きい為に多くのＦラジカル量が必要となる。そのためＳｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを上げるとＦラジカル量が中心部で少なくなりチャンバ内の中心と外周のＦラジカル量の差から面内差が発生した。そのため、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを下げることで、面内差を低減することができた。

次に、図９（ｂ）の疎密差結果においては、Ｖｉａ工程とは違いＴｒｅｎｃｈ工程では被エッチング面積が大きい為に多くのＦラジカル量が必要となる。そのため、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを上げると、Ｆラジカル量が少なくなり疎部には多くのＦラジカルが入るが、密部にはＦラジカル量が少なくなることで疎密差が大きくなる結果となった。

上記の結果から、シリコン酸化膜からなる第４の膜５０４、無機膜からなる第５の膜５０５をエッチングする工程においては、ＣＦ系ガスを使用し、且つ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しないことが望ましい。

［実施例３］実施例１または実施例２における無機膜からなる第５の膜４０５または５０５のエッチング後において、処理チャンバから被処理基板を搬出すること無く残留している有機膜下層レジストからなる第３の膜４０３または５０３をアッシングする工程では、Ｏ_２ガスを使用してＳｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加し処理を行う。

処理条件としては、例えば、処理室圧力は０．５Ｐａ、プラズマ形成のための第１の高周波電源３の印加を８００Ｗ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスの印加を２００Ｗ、被処理基板に高周波バイアスを印加する第３の高周波電源１１の印加を１５０Ｗとし、使用するガスとしてＣＦ_４を使用してアッシング処理すると、仕上がりは図４（ｆ）または図７（ｆ）となる。

つまり、上記条件でアッシングすると、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加することで、Ｓｉ部材からなるガス供給板８のＳｉがスパッタリングで飛散し、図４（ｆ）または図７（ｆ）に示すシリコン酸化膜上からなる第４の膜４０４または５０４にＳｉ粒子を核とした残渣４０８または５０８が発生した。

アッシング結果を以下に示す。残留している有機膜下層レジストからなる第３の膜４０３または５０３をアッシングする工程において、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを１００Ｗ以下にすることで、残渣の発生を抑えられた。

上記結果から、有機膜下層レジストからなる第３の膜４０３および５０３をアッシングする工程においてはＯ_２ガスを使用し、且つ、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に高周波電源５より高周波バイアスを印加しないことが望ましい。

以上の結果をまとめて、図１０を用いて、多層レジスト構造でのＶｉａ工程とＴｒｅｎｃｈ工程において、処理チャンバから被処理基板を搬出すること無く、一貫して処理を行うことが可能な処理方法を説明する。多層レジスト構造のＶｉａ工程においては、有機膜下層レジストからなる第３の膜４０３のエッチング処理にはＣＦ系ガスを使用せず、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しない。シリコン酸化膜からなる第４の膜４０４および無機膜からなる第５の膜４０５のエッチング処理にはＣＦ系ガスを使用し、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加するパワーを２００Ｗから３００Ｗ印加する。残留有機膜下層レジスト４０３のアッシング処理にはＯ_２ガスを使用し、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しないことで被処理基板を搬出すること無く一貫してプラズマエッチング処理を行うことが可能となる。

多層レジスト構造のＴｒｅｎｃｈ工程においては、有機膜下層レジストからなる第３の膜５０３のエッチング処理にはＣＦ系ガスを使用せず、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しない。シリコン酸化膜からなる第４の膜５０４および無機膜からなる第５の膜５０５のエッチング処理にはＣＦ系ガスを使用し、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に第２の高周波電源５より高周波バイアスを印加しない。残留有機膜下層レジスト５０３のアッシング処理にはＯ_２ガスを使用し、Ｓｉ部材からなるガス供給板８に高周波電源５より高周波バイアスを印加しないことで被処理基板を搬出すること無く一貫してプラズマエッチング処理を行うことが可能となる。

本発明におけるマルチチャンバプラズマエッチング装置の構成を説明する図。本発明における処理室の構成を説明する断面図。本実施例における面内差、疎密差、ボーイング率の定義を説明する図。本実施例におけるＶｉａ工程断面図。本実施例におけるプロセスパラメータ依存性を説明する図。本実施例におけるプロセスパラメータ依存性を説明する図。本実施例におけるＴｒｅｎｃｈ工程断面図。本実施例におけるプロセスパラメータ依存性を説明する図。本実施例におけるプロセスパラメータ依存性を説明する図。本実施例におけるまとめを説明する図。

符号の説明

１ａ，１ｂ…処理室
２…アンテナ電極
３…高周波電源
４…整合回路
５…高周波電源
６…整合回路
７…静電チャック
８…ガス供給板
９…コイル
１０…整合回路
１１…基板バイアス電源
１２…マスフローコントローラー
１３…被処理基板
１４…ガス供給管
１５…誘電体
１６…同軸端子
１７…フォーカスリング
１８…基板電極
１９・・・ガスボンベ
２０…真空搬送室
２１…搬送ロボット
２２ａ，２２ｂ…ロードロック室
２３…カセット載置部
２４ａ，２４ｂ…ゲート
２５…大気ローダ部
２６…ウェハカセット
３０２・・・無機膜中間層
３０３・・・有機膜下層レジスト
３０４・・・シリコン酸化膜
３０５・・・無機膜
３０６・・・Ｓｉ基板
４０１・・・ＡｒＦレジスト
４０２・・・無機膜中間層
４０３・・・有機膜下層レジスト
４０４・・・シリコン酸化膜
４０５・・・無機膜
４０６・・・Ｓｉ基板
４０７・・・残渣
４０８・・・残渣
５０１・・・ＡｒＦレジスト
５０２・・・無機膜中間層
５０３・・・有機膜下層レジスト
５０４・・・シリコン酸化膜
５０５・・・無機膜
５０６・・・Ｓｉ基板
５０７・・・残渣
５０８・・・残渣

Claims

被処理基板にプラズマエッチングを行うプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内に配置され前記被処理基板を載置する基板電極と、前記基板電極と対向するアンテナ電極と、前記アンテナ電極の下部に設けられ前記プラズマ処理室内にガスを供給しＳｉ部材からなるガス供給板と、２００ＭＨｚ〜４５０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力を前記アンテナ電極に供給する第１の高周波電源と、前記アンテナ電極を介して前記ガス供給板に４ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する第２の高周波電源と、８００ＫＨｚ〜４ＭＨｚの高周波電力を前記基板電極に供給する第３の高周波電源とを備えるプラズマエッチング装置を用いて、予めＶｉａパターンがパターニングされたＡｒＦレジストからなる第１の膜と、前記第１の膜の下方に配置され無機膜の中間層からなる第２の膜と、前記第２の膜の下方に配置され有機膜の下層レジストからなる第３の膜と、前記第３の膜の下方に配置されシリコン酸化膜からなる第４の膜と、前記第４の膜の下方に配置され無機膜からなる第５の膜と、を有する前記被処理基板にプラズマエッチングによりＶｉａを形成するプラズマエッチング方法において、
前記第２の高周波電源から高周波電力を供給せずにＣＦ系ガス以外のガスによるプラズマにより前記第３の膜にＶｉａパターンを形成し、
前記第２の高周波電源から２００Ｗ〜３００Ｗの高周波電力を供給しながらＣＦ系ガスによるプラズマにより前記第４の膜と前記第５の膜にＶｉａを形成し、
前記第３の膜と前記第４の膜と前記第５の膜を前記プラズマ処理室内で前記被処理基板を搬出することなく一貫処理することを特徴とするプラズマエッチング方法。
被処理基板にプラズマエッチングを行うプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内に配置され前記被処理基板を載置する基板電極と、前記基板電極と対向するアンテナ電極と、前記アンテナ電極の下部に設けられ前記プラズマ処理室内にガスを供給しＳｉ部材からなるガス供給板と、２００ＭＨｚ〜４５０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力を前記アンテナ電極に供給する第１の高周波電源と、前記アンテナ電極を介して前記ガス供給板に４ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する第２の高周波電源と、８００ＫＨｚ〜４ＭＨｚの高周波電力を前記基板電極に供給する第３の高周波電源とを備えるプラズマエッチング装置を用いて、予めＴｒｅｎｃｈパターンがパターニングされたＡｒＦレジストからなる第１の膜と、前記第１の膜の下方に配置され無機膜の中間層からなる第２の膜と、前記第２の膜の下方に配置され有機膜の下層レジストからなる第３の膜と、前記第３の膜の下方に配置されシリコン酸化膜からなる第４の膜と、前記第４の膜の下方に配置され無機膜からなる第５の膜と、を有する前記被処理基板にプラズマエッチングによりＴｒｅｎｃｈを形成するプラズマエッチング方法において、
前記第２の高周波電源から高周波電力を供給せずにＣＦ系ガス以外のガスによるプラズマにより前記第３の膜にＴｒｅｎｃｈパターンを形成し、
前記第２の高周波電源から高周波電力を供給せずにＣＦ系ガスによるプラズマにより前記第４の膜と前記第５の膜にＴｒｅｎｃｈを形成し、前記第３の膜と前記第４の膜と前記第５の膜を前記プラズマ処理室内で前記被処理基板を搬出することなく一貫処理することを特徴とするプラズマエッチング方法。
請求項１または請求項２記載のプラズマエッチング方法において、
前記第２の高周波電源から高周波電力を供給せずにＯ _２ガスによるプラズマにより前記第５の膜へのＶｉａ形成後または前記第５の膜へのＴｒｅｎｃｈ形成後の前記第３の膜をアッシングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。