JPH05234956A

JPH05234956A - プラズマエッチング方法

Info

Publication number: JPH05234956A
Application number: JP7340892A
Authority: JP
Inventors: Takeshige Ishida; 丈繁石田; Hideo Komatsu; 英雄小松; Masatoshi Abe; 雅敏阿部; Yasuki Kimura; 泰樹木村
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Kokusai Electric Corp
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd; Kokusai Electric Corp
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 1993-09-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】多層レジストのエッチングにおいて、被エッ
チング多層膜の構成の如何によらず、高精度の異方性加
工が可能なプラズマエッチング方法を提供する。【構成】エッチングすべき薄膜上に多層レジストマス
クを形成する工程において、最下層レジスト７のエッチ
ング中に上層レジスト５のエッチング終了による消失を
検知しエッチング条件を補正し、異方性加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体素子製造工程の一
つであるウェーハドライエッチングにおける配線加工エ
ッチング、特に複数のホトレジストで構成される、いわ
ゆる多層レジスト薄膜のプラズマエッチング方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体素子の配線加工におけるド
ライエッチング工程では、エッチングのマスクとなるレ
ジストパターンは、ドライエッチング装置とは別の技術
および装置で作成されていた。通常は光を用いてレジス
ト材料に露光した後、溶液を用いた現像処理を行ってい
る。

【０００３】しかし半導体デバイスの微細化に従い、レ
ジスト加工寸法が０．５μｍ以下が必要となってきてお
り、加工精度よくホトレジストマスクのパターンを作成
するには、従来の現像法による単層レジストを用いるこ
とは困難である。

【０００４】このためレジストを多層構成とし、最上層
の膜を平坦な状態にして従来現像法で処理して、下層の
レジストはプラズマドライエッチングによって加工する
手法が必要になりつつある。このドライエッチングで
は、酸素原子を主体としたプラズマエッチングによる異
方性加工が行われているが、現状では０．１μｍ程度の
寸法変換差が生じる。このために従来のドライエッチン
グ加工で行われてきた側壁保護膜形成を利用するエッチ
ングプロセスが必要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】側壁保護形成はエッチ
ングガスおよびエッチング反応で副生する分解ガスによ
るプラズマ雰囲気でのデポジション（膜形成）プロセス
を利用している。このため被エッチング膜の異方性加工
は加工パターン側壁でのエッチングとデポジションのバ
ランスによる垂直加工で成り立っているため、エッチン
グ中にガス組成などのエッチング条件変化を受けると、
大きく形状制御が影響され均一なエッチング形状保持が
困難となる課題がある。

【０００６】又、多層レジストエッチングでは、下層レ
ジストは積層段差部の平坦化を目的として塗布されるの
で、一般に最上層のレジストより膜厚及びその分布範囲
がおおきく、ウェーハ全面に対し、より寸法精度の良い
異方性加工が必要とされる。しかし後述のように下層レ
ジストのエッチングは、本質的にエッチング中のガス組
成変化が不可避であり、均一な側壁保護膜形成は困難で
ある。エッチング中は本来のプロセスガスに加えてエッ
チングされるレジストの分解ガスが副生し側壁保護膜形
成を影響している。

【０００７】しかしこの分解ガスはエッチング進行につ
れ発生量が一定しない特性を持つ。つまりエッチング初
期はウェーハ全面がレジストに覆われているが、途中で
まず、膜厚の薄い最上層レジストのエッチング終了にお
いて、ついで下層レジストのエッチング終了で、各々大
きく被エッチング面積が減少する。同時に分解ガスも減
少し、エッチング当初と側壁保護膜形成条件が変化し均
一な形状加工が困難になる。このため、多層レジストの
異方性加工においては、従来のドライエッチングで用い
る側壁保護膜形成が有効に利用できないという課題があ
った。

【０００８】本発明の目的は、多層レジストのエッチン
グにおいて、被エッチング多層膜の構成の如何によら
ず、高精度の異方性加工が可能なプラズマエッチング方
法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明方法は、上記の課
題を解決し上記の目的を達成するため、図１に示すよう
にエッチングすべき薄膜上に多層レジストマスクを形成
する工程において、最下層レジストのエッチング中に上
層レジストのエッチング終了による消失を検知しエッチ
ング条件を補正し、異方性加工を行うことを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】膜厚の薄い上層レジスト５をホトリソグラフィ
加工し、これにより得られたファインパターンをマスク
として中間マスク６をプラズマドライエッチング加工
し、この中間マスク６のパターンによって膜厚の厚い下
層レジスト７をプラズマドライエッチング加工する。こ
の下層レジスト７のエッチング中に上層レジスト５のエ
ッチングが進行し、上層レジスト５は下層レジスト７よ
りも膜厚が薄いので、下層レジスト７のエッチング途中
で上層レジスト５のエッチングが終了し消失する。

【００１１】この消失を検知し常に適切な側壁保護膜形
成を得るエッチング条件に補正することで、下層レジス
ト７の均一なエッチング形状を保持し、ファインパター
ンで高精度の異方性形状を得ることができることにな
る。

【００１２】本発明は多層レジストの高精度異方性加工
を行う方法を与えるもので、図１は本発明方法による多
層レジストの加工工程を示す説明図である。多層レジス
トは図１（ａ）に示すように薄膜基板８上に最下層とし
てレジスト平坦化を目的として比較的厚い下層レジスト
７、その上に下層レジストエッチングマスクの作用を持
つ薄い中間マスク６、最上層は中間マスク６のエッチン
グマスクの作用を持つ上層レジスト５の多層構造で構成
されている。この多層レジストのパターンニング加工
は、ホトリソグラフィによる上層レジスト５のパターン
の形成（図１（ｂ）参照）、ついで本パターンをマスク
とする中間マスク６のプラズマドライエッチング加工
（図１（ｃ）参照）、最後にこの中間マスク６のパター
ンによって下層レジスト７をプラズマドライエッチング
加工（図１（ｄ），（ｅ）参照）することによって行わ
れる。

【００１３】この多層レジストが適用されるパターンニ
ング寸法は０．５μｍ以下の極めて微細なファインパタ
ーンであり、レジスト層の平坦化のため比較的厚く塗布
される下層レジスト７を直接ホトリソグラフィ加工する
のは光学的現像技術上困難である。そのため、レジスト
を多層とし、薄く塗布された上層レジスト５のホトリソ
グラフィ加工で得たファインパターンをマスクとして形
成する中間マスク６のパターンによりプラズマドライエ
ッチング手法により下層レジスト７の微細加工を行うも
のである。

【００１４】本発明は膜厚の厚い下層レジスト７の加工
工程においてファインパターンで高精度の異方性形状を
得る方法を与えるものである。マスクとなる中間マスク
６の上面は上層レジスト５で覆われている。この構造で
下層レジスト７のドライエッチング加工を開始すると、
エッチングガスプラズマによる反応は下層レジストのみ
ならず上層レジスト５においても進行するため、エッチ
ング進行とともに上層レジスト５も分解し膜厚減少が進
行する。ただし上層レジスト５は下層レジスト７よりも
膜厚が薄いので下層レジスト７のエッチング途中に先に
エッチング終了となり消失し、中間マスク６の上面が露
出する（図１（ｄ）参照）。

【００１５】一方、下層レジスト７のエッチングにおい
ては、膜厚が厚いためその長いエッチング時間を通じて
所定のエッチング形状を維持するためエッチング条件の
調整によって側壁保護膜形成を行うことが必要である。
具体的には、酸素原子を含むエッチングガスの流量を減
少させたり、あるいは窒素、ヘリウム、または炭酸ガス
などの添加ガスを混合したりする方法で、デポジション
を利用した側壁保護膜形成によって所定のエッチング形
状に制御する方法が採られている。このデポジション作
用はエッチング中に発生するレジストの分解ガスが関連
しているため、側壁保護膜形成効果はレジストの材質、
面積などの影響を大きく受けるものである。

【００１６】ところが多層レジストのエッチングにおい
ては、図１のエッチング工程からわかるように、下層レ
ジスト７のエッチング中は側壁保護膜形成条件が大きく
変動する。すなわちまず、上層レジスト５が消失した時
点で、プラズマに露出するレジスト面積が減少するた
め、上層レジスト５と下層レジスト７が共存した状態で
適切な側壁保護膜形成を得るエッチング条件を定めてい
ても、上層レジスト５の消失による前述の分解ガスの減
少の影響をうけ側壁保護膜形成が不良となる。同様な現
象は、下層レジスト７のエッチング終了後、いわゆるオ
ーバーエッチング時にも存在し、いずれも均一なエッチ
ング形状による高精度加工の妨げとなっていた。

【００１７】本発明による方法は、これらエッチング面
積の変化を自動的に検知し、常に適切な側壁保護膜形成
を得るエッチング条件に補正することで、均一なエッチ
ング形状を保持するものである。具体的には、エッチン
グ途中のエッチング面積変化を検知し、ガス添加あるい
は流量変更などのエッチング条件制御を行う方法をと
る。この検知方法としては、面積変化に起因するエッチ
ングガスプラズマの発光強度測定が適当である。

【００１８】一般的にはレジスト分解によるＣＯスペク
トルを４５１ｎｍで計測するのが容易で望ましい。この
スペクトル強度はエッチング前のバックグラウンドにく
らべ十分強く、しかもエッチング途中の上層レジスト５
消失、下層レジスト７エッチング終了時にそれぞれ明確
な強度減少が認められ、エッチング状況変化の検知方法
として極めて有用である。このほかの検知方法として
は、エッチング反応量変化をウェーハ温度変化で見る方
法や、エッチング排気ガスの質量分析法などが利用可能
である。

【００１９】図２は本発明方法の１例の説明図で、時間
−分光スペクトル強度の関係を示す図、図３は同じく時
間−ガス流量の関係を示す図である。酸素ガス導入状態
でのプラズマ放電の開始がエッチング開始１であり、分
光スペクトルが発生する。エッチングの進行につれて本
スペクトル強度は一定値をしばらく維持するが、図１と
対応して上層レジストの消失２が検知され、同時にエッ
チング条件の補正の一例としてたとえば、酸素ガスの低
減、窒素ガスの添加が行われる。その後下層レジストの
エッチング終了３が同様に検知されると、再度のエッチ
ング条件の補正が各ガス流量の低減によって行われ、所
定のオーバーエッチング実行後、オーバーエッチング終
了４で処理が終了する。

【００２０】従来方法ではエッチング終了時にエッチン
グ条件を補正し、オーバーエッチング中のエッチング形
状変化を防ぐ方法をとっていたが、多層レジストの下層
レジスト７は厚膜であり比較的エッチング時間が長く、
途中の上層レジスト５消失で発生した形状変化の度合い
は大きく、下層レジスト７全層エッチング終了後の形状
補正は困難であった。これに対し本による方法をとれ
ば、下層レジスト７のエッチング途中での敏速な形状補
正操作が可能なため、容易に厚膜の下層レジスト７全体
の高精度異方性加工が可能になる。

【００２１】また本発明による方法では前述の如く側壁
保護膜形成の補正を、上層レジスト５の消失、下層レジ
スト７の面積変化の２段階に分け、各々独立した補正が
可能なため、多様な多層レジストエッチングプロセスに
容易に適用できる特徴がある。

【００２２】たとえば、上層レジスト５の膜厚や材質が
大きく下層レジスト７と異なる場合、あるいは上層パタ
ーンと下地との面積比が一定でないなど、複数の構成な
いしパターン多層レジスト試料を扱う場合は、従来のオ
ーバーエッチング時補正では上層レジスト５の変化に対
応できず画一的な補正しか行えない。

【００２３】しかし本発明によれば、多様な多層レジス
トのエッチングにおいて時間的にまた質的に種々変化す
る上層レジストエッチングに即時に対応し、各々の場合
に応じて最適な補正による形状制御が可能である。この
機能はウェーハ毎の成膜偏差に対応する枚葉エッチング
プロセスに必要不可欠なものである。

【００２４】

【実施例】図４は本発明の実施例によるエッチング断面
形状の１例を示す図である。基板ウェーハ８上に１．２
μｍのホトレジストを下層レジスト７として塗布した
後、中間マスク６として０．２μｍ厚の酸化珪素膜をス
ピンオングラス法で塗布し、さらに０．４μｍ厚のホト
レジストを上層レジスト５として塗布し多層レジスト膜
を形成した。ついでホトリソグラフィにより上層レジス
ト５をパターンニングし、これをエッチングマスクとし
て、平行平板型プラズマエッチング装置によって中間マ
スク６をドライエッチング加工し、上層および中間層の
加工を完了した。

【００２５】このウェーハを平行平板型プラズマエッチ
ング装置に載置し、その真空チャンバを排気ポンプによ
り１Ｘ１０^-5Ｐａまで減圧した。ついで同チャンバへＯ
₂ガス１００ｃｃ／分を導入し排気孔に設けた可変開度
バルブによって圧力を１０Ｐａに保った。次に１３．５
６ＭHzの高周波電力を２５０Ｗ印加しプラズマ放電によ
るエッチングを開始した。真空チャンバにはウェーハ近
傍の放電スペクトルを採光する窓が設けられ、その透過
光は分光スペクトル分析装置に導入され、４５１ｎｍの
スペクトル強度を同時に測定し、その解析によりエッチ
ング条件を制御することができる。

【００２６】下層レジスト７のエッチングは図２，図３
の放電開始であるエッチング開始１に示されるように開
始し、下層レジスト７および中間マスク６上の上層レジ
スト５が同時にエッチングが進行するため、強いスペク
トル強度が維持されるのが観測された。開始より６０秒
後に上層レジスト５の消失２に示すように強度の明確な
減少が検知され、これと同時にＯ₂ガスを７５ｃｃ／分
に減らし、新たにＮ₂ガスを２５ｃｃ／分添加し、エッ
チングを続行した。

【００２７】続いて、開始より１８０秒後スペクトル強
度はプラズマのバックグラウンド値に大きく減少し下層
レジスト７のエッチング終了３を検知し、同時にガス流
量をＯ₂ガスを３０ｃｃ／分、Ｎ₂ガスを１０ｃｃ／分
に下げ、９０秒間のオーバーエッチングを続けたのち、
オーバーエッチング終了４に示すように全エッチングを
完了した。なおエッチング途中のガス種、ガス流量の変
更は、各々のスペクトル強度の変化の検知により、自動
的に作動させた。このエッチングのパターン断面形状は
図３の本発明の実施例による下層レジスト７のエッチン
グ断面形状９で示されるようにマスクパターンに一致す
るほぼ垂直な形状が得られた。

【００２８】（比較例）図５は比較例によるエッチング
断面形状の１例を示す図、図６は比較例における時間−
分光スペクトル強度の関係を示す図、図７は同じく時間
−ガス流量の関係を示す図である。実施例と同様の方法
で成膜し、上層レジスト５、中間マスク６を同様にパタ
ーンニングした多層レジストを持つウェーハを平行平板
型プラズマエッチング装置に載置し、その真空チャンバ
を排気ポンプにより１Ｘ１０^-5Ｐａまで減圧した。つい
で同チャンバへＯ₂ガス１００ｃｃ／分を導入し排気孔
に設けた可変開度バルブによって圧力を１０Ｐａに保っ
た。次に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を２５０Ｗ印加
しプラズマ放電によるエッチングを開始した。真空チャ
ンバにはウェーハ近傍の放電スペクトルを採光する窓が
設けられ、その透過光は分光スペクトル分析装置に導入
され、４５１ｎｍのスペクトル強度を測定した。途中の
エッチング条件の変更は次のように行った。

【００２９】下層レジスト７のエッチングは放電開始で
あるエッチング開始１に示されるように開始した。開始
より当初のエッチング条件は変更せず持続し、約１８０
秒経過時スペクトル強度はプラズマのバックグラウンド
値に大きく減少し下層レジスト７のエッチング終了３を
検知し、同時にガス流量をＯ₂ガスを３０ｃｃ／分に下
げ、新たにＮ₂ガスを１０ｃｃ／分添加し、９０秒間の
オーバーエッチングを続けたのち、オーバーエッチング
終了４に示すように全エッチングを完了した。

【００３０】このエッチングのパターン断面形状は図５
の比較例による下層レジスト７の断面形状９に示すよう
にパターンの細り、ないし変形がみられ垂直形状は得ら
れなかった。断面形状を詳細に比較すると、比較例で
は、下層レジスト７の側面はエッチング開始より、エッ
チング前の上層レジスト相当部分１０の消失の時間に相
当するエッチング深さ部分は垂直形状が得られており、
上層レジスト５の有無によるエッチング雰囲気の変化で
形状も変化し下層レジスト７のエッチング時間内を単一
のエッチング条件で処理するのは、たとえオーバーエッ
チング時にエッチング条件の補正を行っても、均一な形
状を得るのは困難であることがわかる。

【００３１】

【発明の効果】上述の説明より明らかなように本発明に
よれば、多層レジストのエッチング中に上層レジストの
エッチング完了を検知し自動的にエッチング条件を側壁
保護膜形成の最適化を目的として補正することで、高精
度の異方性加工を実現できるものである。また本発明に
よれば目的の半導体素子に応じた多様な構成の多層レジ
ストにたいし枚葉単位で敏速に最適の側壁保護膜形成プ
ロセスを選択、実施できるため高能率で高精度な微細加
工を行う方法を与えるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法による多層レジストの加工工程を示
す説明図である。

【図２】本発明方法の１例の説明図で、時間−分光スペ
クトル強度の関係を示す図である。

【図３】同じく時間−ガス流量の関係を示す図である。

【図４】本発明の実施例によるエッチング断面形状の１
例を示す図である。

【図５】比較例によるエッチング断面形状の１例を示す
図である。

【図６】比較例における時間−分光スペクトル強度の関
係を示す図である。

【図７】同じく時間−ガス流量の関係を示す図である。

【符号の説明】

１エッチング開始２上層レジストの消失３下層レジストのエッチング終了４オーバーエッチング終了５上層レジスト６中間マスク７下層レジスト８薄膜基板９下層レジストのエッチング断面形状１０エッチング前の上層レジスト相当部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部雅敏東京都港区虎ノ門二丁目３番13号国際電気株式会社内 (72)発明者木村泰樹東京都港区虎ノ門一丁目７番12号沖電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エッチングすべき薄膜上に多層レジスト
マスクを形成する工程において、最下層レジストのエッ
チング中に上層レジストのエッチング終了による消失を
検知しエッチング条件を補正し、異方性加工を行うこと
を特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】多層レジストのエッチングにおいて、上
層レジストのエッチング終了による消失の検知とエッチ
ング条件の補正を、放電分光信号の解析によることを特
徴とする請求項１のプラズマエッチング方法。
【請求項３】多層レジストのエッチングにおいて、上
層レジストのエッチング終了による消失の検知とエッチ
ング条件の補正を、基板であるウェーハの温度変化の解
析によることを特徴とする請求項１のプラズマエッチン
グ方法。
【請求項４】多層レジストのエッチングにおいて、上
層レジストのエッチング終了による消失の検知とエッチ
ング条件の補正を、プラズマエッチング排気ガスの質量
分析によることを特徴とする請求項１のプラズマエッチ
ング方法。
【請求項５】多層レジストのエッチングにおいて、エ
ッチング進行中の上層レジストのエッチング終了による
消失を検知しエッチング条件を補正し、異方性加工を行
う場合において、上層レジストの膜厚の偏差による消失
時間の変動に自動的に追従しエッチング条件補正を行な
えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
プラズマエッチング方法。
【請求項６】エッチングガスとして酸素原子を含む単
独ガス若しくは該ガスと１種類以上の他のガスとの混合
ガスを供給して放電せしめ、多層レジスト薄膜をエッチ
ングすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記
載のプラズマエッチング方法。
【請求項７】半導体素子を製造するための多層レジス
トの加工に用いることを特徴とする請求項１のプラズマ
エッチング方法。