JPH0653185A

JPH0653185A - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JPH0653185A
Application number: JP22352492A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Nagayama; 哲治長山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-07-31
Filing date: 1992-07-31
Publication date: 1994-02-25

Abstract

(57)【要約】【目的】３層レジスト・プロセスにおいて、下地材料
層に対して高選択性を維持しながら下層レジスト層をエ
ッチングする。【構成】有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング装置
のＡｌブロック・チャンバ２４の内壁面にＳｉＳ₂層等
からなるＳ（イオウ）系材料層３５を配し、この層とＥ
ＣＲプラズマＰとの接触面積を昇降式シャッタ３６に昇
降により可変とする。接触面積が大きければプラズマ中
に大量のＳが放出されてエッチング反応系のＳ／Ｏ比，
Ｓ／Ｘ比（Ｘはハロゲン）が上昇し、接触面積が小さけ
れば低下する。ＳＦ₆／Ｏ₂混合ガスで下層レジスト層
をエッチングする場合、ジャストエッチング工程では接
触面積を小、オーバーエッチング工程では大とすれば、
後者の工程でＳが豊富となり、下地材料層や中間層に対
して高選択比を維持しながら異方性加工を行うことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、半導体装置の製造等に適用され
るドライエッチング方法に関し、特に多層レジスト・プ
ロセスにおいて下地材料層に対して高選択比を維持しな
がら下層レジスト層をエッチングする方法に関する。

【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、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もその例外
ではない。近年では、高解像度を求めて露光波長が短波
長化され、さらに基体の表面段差も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、基体の表面段差を
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，ｐ．１６２０（１９７９）
に報告された多層レジスト・プロセスがある。これは、
基体上に下層レジスト層、ＳＯＧ（スピン・オン・グラ
ス）等の酸化シリコン（ＳｉＯ_x）系材料からなる極め
て薄い中間層、およびフォトリソグラフィにより直接に
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層がパターニングされ
る。上層レジスト層は下層レジスト層に比べて膜厚が薄
いので、該下層レジスト層のエッチング中に消費され、
最終的には中間層がエッチング・マスクの上表面を構成
する。

【０００４】ところで、Ｏ₂ガスにより有機材料層であ
る下層レジスト層をパターニングする工程では、Ｏ
^*（酸素ラジカル）による等方的な燃焼反応に起因する
パターン形状劣化を防止するために、イオン入射エネル
ギーをある程度高めた条件を採用することが必要とな
る。つまり、低ガス圧かつ高バイアス・パワーといった
条件下でイオンの平均自由行程と自己バイアス電位Ｖ_dc
を増大させ、大きな入射エネルギーを有するイオンによ
るスパッタ反応が主体となるエッチング機構にもとづい
て高異方性を達成するわけである。

【０００５】ところが、かかるエッチング条件の採用
は、多層レジスト・プロセスの実用化を妨げる主因とも
なっている。それは、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．５４
２，演題番号２ｐ−Ｑ−８でも指摘されているように、
パターンの側壁面上に再付着物層が形成されるからであ
る。この再付着物層とは、オーバーエッチング時に下地
材料層に大きな運動エネルギーを有するイオンが入射
し、そのスパッタ生成物がパターンの側壁面に再付着す
ることにより形成されるものである。たとえば、下地材
料層がアルミニウム（Ａｌ）系材料層である場合には、
Ａｌ系材料からなる再付着物層が下層レジスト層のパタ
ーン壁に付着してしまうわけである。このような再付着
物層は、一旦形成されると極めて除去困難であり、レジ
スト・アッシング等を経た後もウェハ上に残存して重大
なパーティクル汚染を引き起こし易い。

【０００６】上述のような再付着を抑制するには入射イ
オン・エネルギーの低減が効果的であるのは明白だが、
これでは前述の等方的な燃焼反応が優勢となり、異方性
が低下してしまう。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。

【０００７】かかる要望に対応する技術として、これま
でに（ａ）Ｎ₂ガスを用いるプロセス、（ｂ）ＥＣＲプ
ラズマを用いる超低圧プロセス、（ｃ）低温エッチング
・プロセス、等が提案されている。上記（ａ）のＮ₂ガ
スを用いるプロセスは、たとえばＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｓｏｆ５ｔｈＤｒｙＰｒｏｃｅｓｓＳｙｍｐｏ
ｓｉｕｍ（１９８３年），ｐ．４１に報告されており、
有機物と本来的にラジカル反応を起こしにくいエッチン
グ種であるＮを使用することで、イオン入射エネルギー
を下げた条件でも高異方性を達成しようとするものであ
る。しかし、この低反応性ゆえ、エッチング速度の低下
は免れない。

【０００８】上記（ｂ）のＥＣＲプラズマを用いる超低
圧プロセスは、第３５回応用物理学関係連合講演会（１
９８８年春季年会）講演予稿集ｐ．５０２，演題番号２
８ａ−Ｇ−１２に報告されており、１０^-4〜１０^-5Ｔｏ
ｒｒ台の超低圧下でラジカル生成量を低減させ、実質的
にイオンのみを用いたエッチングを可能とするものであ
る。しかし、イオン化率を考慮すると、実用上十分なエ
ッチング速度を確保することはやはり難しい。また、５
０００リットル／秒クラスの大排気量型ターボ・モレキ
ュラー・ポンプが不可欠であること、上記の低圧領域に
おいて正確な圧力制御を可能とする装置が現状では入手
できないこと等、ハードウェア面の制約も大きい。

【０００９】上記（ｃ）の低温エッチング・プロセス
は、第３５回応用物理学関係連合講演会（１９８８年春
季年会）講演予稿集ｐ．４９６，演題番号２８ａ−Ｇ−
４に報告されており、被処理基板を低温冷却することに
よりラジカル反応を凍結もしくは抑制しようとするもの
である。この方法が原理的には最も優れていると考えら
れるが、高異方性を確保するためには−１００℃もしく
はそれ以上にも及ぶ低温冷却が必要となり、真空シール
材の信頼性や温度の制御性等、ハードウェア面の問題点
がまだ多い。

【００１０】以上の問題点に鑑みて、本発明者は高異方
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各種提案している。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、また低温エッチングを行うにしても従来よりも遙か
に室温に近い温度域で同等の効果が得られるからであ
る。

【００１１】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、特開平４−８４４１４号公
報には、ウェハ温度を５０℃以下に制御した状態でＮＨ
₃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。ここでは、
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。

【００１２】また、特開平４−１７１７２６号公報に
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。

【００１３】本発明者が先に提案したこれらのドライエ
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
度域で達成した点において、いずれも極めて画期的な技
術である。しかし、半導体装置における基体の表面段差
がますます増大している現状では、１００％にも及ぶオ
ーバーエッチングが必要とされる場合も生じており、下
地材料層のスパッタ除去、およびそれに伴う再付着物層
の形成が従来にも増して深刻な問題となりつつある。

【００１４】この問題に対処するためには、（ｄ）初め
から再付着物を生成し得ない条件を設定する、（ｅ）パ
ターン側壁面上の再付着物を後で除去する、もしくは
（ｆ）再付着物の生成を極力抑制し得る条件を設定す
る、といった対策が必要となる。上記（ｄ）の初めから
再付着物を生成させない方法としては、オーバーエッチ
ング時にエッチング・ガスに下地材料層をエッチングで
きる化合物を添加することが考えられる。たとえば、本
発明者が先に特開平２−２４４７１８号公報に開示した
技術はその一例であり、アルミニウム（Ａｌ）系材料層
を下地として多層レジスト膜をエッチングする際のオー
バーエッチング時に、エッチング・ガスにＢＣｌ₃を添
加している。これにより、パターン側壁部にＡｌ系材料
からなる再付着物層が形成されても、これをＢＣｌ₃に
より除去しながら下層レジスト層のオーバーエッチング
を行うことができるのである。

【００１５】しかしながら、著しく薄膜化の進んだ近年
のデバイス構造を考慮すると、下地材料層のわずかな除
去もデバイスの信頼性を劣化させる可能性が大きい。ま
た、オーバーエッチング時のエッチング条件の切り換え
のタイミングが僅かでも遅れて下地材料層が高Ｖ_dc条件
に曝されれば、再付着の懸念はやはり払拭できない。

【００１６】上記（ｅ）の再付着物を後で除去する方法
としては、本発明者が先に特願平３−１４４０７９号明
細書において、下地材料層が高融点金属シリサイド層で
ある場合に、再付着物を塩化物もしくはオキシ塩化物に
変化させて加熱除去する方法を提案している。

【００１７】さらに、上記（ｆ）の再付着物の生成を極
力抑制する方法としては入射イオン・エネルギーのさ
らなる低減化を図ることが考えられる。しかし、単に入
射イオン・エネルギーを低減するのみでは異方性が低下
するので、低汚染性の堆積物により側壁保護を効率良く
行うことが必要となる。この観点から、本願出願人は先
に特願平３−１８３４２８号明細書において、エッチン
グ・ガスとしてＳ₂Ｃｌ₂／Ｏ₂混合ガスを用いること
により、従来の側壁保護物質であった炭素系ポリマーに
加え、Ｓ₂Ｃｌ₂から解離生成する遊離のＳを側壁保護
に利用する技術を提案した。

【００１８】また、特願平３−２８０３７６号明細書で
は、Ｓ₂Ｃｌ₂／Ｏ₂／Ｎ₂混合ガスを用いることによ
り、ポリチアジル（ＳＮ）_xに代表される窒化イオウ系
化合物を堆積させることにより、さらに強力な側壁保護
効果を発揮させる方法も提案している。これら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おおよ
そ９０℃以上、あるいは１３０℃以上に加熱すれば、容
易に昇華除去もしくは分解除去できる。したがって、こ
れらの堆積を利用するプロセスは、パーティクル汚染を
低減する観点からも極めて優れている。

【００１９】この（ｆ）の方法が、これら３つの対策の
中では下地材料層の種類によらず普遍的に実施でき、最
も本質的解決に近い方法であると考えられる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｓの堆積を
利用するプロセスでは、オーバーエッチング時にエッチ
ング反応系をＳに富む雰囲気としてＳの堆積を促進する
ことが、下地選択性を向上させる観点から特に有効であ
る。一般に堆積性物質を表面保護や側壁保護に利用する
プロセスでは、ジャストエッチング時とオーバーエッチ
ング時とでエッチング・ガスの組成を変化させたり、放
電条件を変化させることにより、堆積性物質の生成量を
制御できることが知られている。このことは、Ｓの堆積
を利用するプロセスにも同様に当てはまる。

【００２１】しかし、これらの対策ではプラズマの状態
の安定化に時間を要し、場合によってはプラズマが消滅
する等の不都合も生じ、スループットを向上させること
が困難である。そこで本発明は、エッチング反応系のＳ
含量の制御技術としてエッチング・ガスの組成変更とは
異なるアプローチにより、下地材料層に対する選択性を
向上させ、多層レジスト・プロセスの実用性を真に高め
得るドライエッチング方法を提供することを目的とす
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、上述の目的を達成するために提案されるもの
であり、基板上に形成された有機材料層を所定の形状に
パターニングされた無機材料層をマスクとしてエッチン
グする際に、エッチング・チャンバの内壁面の少なくと
も一部がイオウ系材料層により被覆されてなるエッチン
グ装置にＯ₂を含むエッチング・ガスを導入し、該イオ
ウ系材料層からプラズマとの接触面積に応じて供給され
るイオウおよび／またはイオウ系材料を基体表面の少な
くとも一部に堆積させながらエッチングを行うことを特
徴とする。

【００２３】本発明はまた、前記エッチング・ガスがさ
らにハロゲン化合物を含むことを特徴とする。

【００２４】本発明はまた、前記エッチング・ガスがさ
らに窒素系化合物を含むことを特徴とする。

【００２５】本発明はまた、前記エッチング装置に前記
イオウ系材料層とプラズマとの接触面積を可変となし得
るシャッタ部材を配し、前記有機材料層を実質的にその
層厚分だけエッチングするジャストエッチング工程では
この接触面積を相対的に小とし、前記有機材料層の残余
部を除去するオーバーエッチング工程では相対的に大と
することを特徴とする。

【００２６】本発明はさらに、前記エッチング装置とし
て、前記エッチング・チャンバの内部構成部材の表面の
少なくとも一部がイオウ系材料層により被覆されてなる
ものを用いることを特徴とする。

【００２７】

【作用】本発明者は、エッチング・ガスの組成を変更す
ることなくエッチング反応系のＳ含量を制御するために
は、Ｓ系材料をエッチング・ガスの構成分子から供給す
るのではなく、プラズマとの接触によりＳ系材料を放出
し得るような固相から供給することが望ましいと考え
た。

【００２８】このような考え方に立脚し、本発明で用い
られるエッチング装置には、エッチング・チャンバの内
壁面の少なくとも一部にＳ系材料層を配する。これによ
り、エッチング反応系にはプラズマとＳ系材料層の接触
状態に応じた量のＳおよび／またはＳ系材料が、該Ｓ系
材料層から供給される。なお、厳密には、Ｓ系材料層の
種類によっては単体のＳの他、Ｓを構成元素として含む
化合物がそのままの形あるいはフラグメントの形でスパ
ッタされてくる可能性もあるが、以下の明細書中では特
に断らない限り、これらを総称してＳと記載する。

【００２９】プラズマ中に供給されたＳは、ウェハがお
およそ室温以下の温度に維持されていれば該ウェハの表
面に付着され、様々な挙動を示す。すなわち、３層レジ
スト・プロセスで用いられる中間層（無機材料層）や下
地材料層の露出面のような垂直イオン入射面では、Ｓ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、
エッチング速度を大幅に低下させることに寄与する。ま
た、イオンの垂直入射が原理的に生じないパターンの側
壁面上では、堆積して側壁保護効果を発揮する。

【００３０】もちろんこの間、有機材料層である下層レ
ジスト層のエッチングは、エッチング・ガス中のＯ₂に
より進行する。

【００３１】本発明では、エッチング・ガスにハロゲン
化合物を添加することも提案する。このハロゲン化合物
から解離生成するハロゲン・ラジカルＸ^*は、有機材料
層の分解生成物と反応して堆積性の強い炭素系ポリマー
を生成させたり、下地材料層から若干のスパッタ生成物
が発生した場合にこれを分解除去することに寄与する。
また、チャンバ内壁面のＳ系材料層のＯ^*による酸化反
応を抑制する効果も有する。

【００３２】なお、本発明ではＳが固相から供給される
ので、ハロゲン化合物自身が放出可能なＳ原子を有して
いる必要は特にない。したがって、ハロゲン化合物とし
てＳＦ₆，Ｃｌ₂，ＨＢｒ等のような汎用の安価なガス
を使用できる点も、本発明のメリットである。

【００３３】本発明ではまた、エッチング・ガスに窒素
系化合物を添加することも提案する。この場合、窒素系
化合物から解離生成したＮ原子とＳ系材料層から供給さ
れるＳとが反応してポリチアジル（ＳＮ）_xを主体とす
る窒化イオウ系化合物が生成し、単体のＳにも増して強
力な表面保護効果および側壁保護効果を発揮する。

【００３４】本発明ではまた、上記のエッチング工程を
ジャストエッチング工程とオーバーエッチング工程の２
段階に分け、これら両工程間でエッチング反応系の見掛
け上のＳ／Ｏ比（Ｓ原子数とＯ原子数の比）を機械的に
切り換える方法も提案する。すなわち、エッチング装置
にＳ系材料層とプラズマとの接触面積を可変とするため
のシャッタ部材を設け、このシャッタ部材を操作するこ
とによりプロセス途中でＳ／Ｏ比を変化させるのであ
る。エッチング・ガスにハロゲン化合物が含まれている
場合には、Ｓ／Ｘ比〔Ｓ原子数とハロゲン（Ｘ）原子数
の比〕も同時に変化する。シャッタ部材の操作によりＳ
系材料層とプラズマとの接触面積を小とした場合には、
Ｓ系材料層からのＳの供給量が減少すること、Ｓによる
Ｏ^*，Ｘ^*の消費が抑制されること等の理由により、エ
ッチングを高速化することができる。逆に接触面積を大
とした場合には、このＳ系材料層からのＳの供給量が増
大すること、ＳによるＯ^*，Ｘ^*の消費が増大すること
等の理由により、エッチング反応系の見掛け上のＳ／Ｏ
比、Ｓ／Ｘ比が上昇して高選択性が達成される。したが
って、ジャストエッチング工程では高速性を重視して接
触面積を小とし、オーバーエッチング工程では高選択性
を重視して接触面積を大とすれば、高速性と高選択性と
を両立できる。

【００３５】この方法によれば、シャッタ部材の機械的
な操作を行うのみでＳ／Ｘ比およびＳ／Ｏ比を容易に変
化させることができ、ウェハ温度やエッチング・ガスの
組成比等の他のパラメータを変更する必要がない。した
がって、放電状態の安定化に要する時間を短縮してスル
ープットを改善し、かつプロセスの再現性を高めること
ができる。

【００３６】また、本発明で用いられるエッチング装置
は、エッチング・チャンバの内部構成部材の表面の少な
くとも一部がイオウ系材料層で被覆されたものであって
も良い。たとえば、かかるイオウ系材料層がウェハの近
傍に配され、しかもイオンの垂直入射面となっていれ
ば、この層からスパッタ・アウトされるＳもウェハ上で
表面保護に寄与することができるわけである。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３８】実施例１本実施例は、本発明をＳＲＡＭのビット線加工を行うた
めの３層レジスト・プロセスに適用し、ＳＦ₆／Ｏ₂混
合ガスを用いて２層目ポリサイド膜上の下層レジスト層
をエッチングした例である。本実施例では、エッチング
・チャンバの内壁面とクランプの表面にＳ系材料層とし
てＳｉＳ₂層を備えたエッチング装置を使用し、このＳ
ｉＳ₂層の露出面積を昇降式シャッタにより制御した。

【００３９】ここで、実際のエッチング・プロセスの説
明に入る前に、まず本発明を実施するにあたり使用した
ＲＦバイアス印加型の有磁場マイクロ波プラズマ・エッ
チング装置の一構成例について、図２を参照しながら説
明する。基本的な構成要素は、２．４５ＧＨｚのマイク
ロ波を発生するマグネトロン２１、マイクロ波μを導く
導波管２２、上記マイクロ波μを石英窓２３を介して取
り入れ、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）放電により
内部にＥＣＲプラズマＰを生成させるためのＡｌブロッ
ク・チャンバ２４、このＡｌブロック・チャンバ２４を
周回するように配設され８．７５×１０^-2Ｔ（８７５Ｇ
ａｕｓｓ）の磁場強度を達成できるソレノイド・コイル
２５、上記Ａｌブロック・チャンバ２４の内部に挿通さ
れ、矢印Ｂ₁，Ｂ₂方向からエッチング・ガスを導入す
るためのガス供給管２６、上記Ａｌブロック・チャンバ
２４に接続され、排気孔２８を通じて矢印Ａ方向に高真
空排気される試料室２７、ウェハ３１をクランプ３０に
より載置・固定するためのウェハ載置電極２９、このウ
ェハ載置電極２９に埋設され、チラー等の冷却設備から
供給される冷媒を矢印Ｃ₁，Ｃ₂方向に循環させてウェ
ハ３１を所定の温度に冷却するための冷却配管３２、上
記ウェハ載置電極２９にＲＦバイアスを印加するため、
ブロッキング・コンデンサ３３等を介して接続されるＲ
Ｆ電源３４等である。

【００４０】ここで、上記Ａｌブロック・チャンバ２４
は、従来の一般的な有磁場マイクロ波プラズマ・エッチ
ング装置に採用されている石英製のベルジャーに替わる
ものであり、より高密度で安定なＥＣＲプラズマＰの生
成が可能とされている。また、Ａｌブロック・チャンバ
２４の内壁面には、Ｓ系材料層３５を設けた。このＳ系
材料層３５は、Ａｌブロック・チャンバ２４の内壁面を
必ずしも連続的に周回している必要はなく、たとえばブ
ロック状や板状の固体を内壁面に不連続に配してなるも
のであっても良い。上記Ｓ系材料層３５の具体例な構成
材料としては、Ｓ、硫化シリコン（ＳｉＳまたはＳｉＳ
₂）、ポリチアジル（ＳＮ）_x等が挙げられる。また、
Ｓ系材料層３５の形成方法としては、適当な方法にて成
膜されたフィルムもしくはブロックから切り出された板
状体を貼着するか、電子ビーム蒸着やＥＣＲスパッタリ
ングにより内壁面上に直接成膜する方法等が考えられ
る。本実施例では、電子ビーム蒸着により成膜されたＳ
ｉＳ₂層を使用した。

【００４１】また、上記クランプ３０の表面も、同様に
図示されないＳｉＳ₂層で被覆されている。

【００４２】さらに、上記Ｓ系材料層３５の内周側に
は、図示されない駆動手段により矢印Ｄ方向に昇降可能
とされた円筒形の昇降式シャッタ３６を配設した。ここ
で、図２（ａ）は、Ａｌブロック・チャンバ２４の垂直
壁面上におけるＳ系材料層３５とＥＣＲプラズマＰとの
接触面積が昇降式シャッタ３６により５０％に制限され
た状態を示し（シャッタ開度５０％）、図２（ｂ）は上
記昇降式シャッタ３６を上昇させてＳ系材料層３５とＥ
ＣＲプラズマＰとの接触面積が１００％とされた状態
（シャッタ開度１００％）を示す。なお、本明細書中で
述べる接触面積とは、Ａｌブロック・チャンバ２４の垂
直壁面上のみを対象として論ずることとする。

【００４３】図３は、上記昇降式シャッタ３６の配設状
態をより明確に示すために、Ａｌブロック・チャンバ２
４の内部を一部破断して示す斜視図である。Ａｌブロッ
ク・チャンバ２４の側壁面、昇降式シャッタ３６、ウェ
ハ載置電極２９、ウェハ３１は全て同心的に配置されて
いる。なお、クランプ３０の図示は省略してある。Ｓ系
材料層３５とＥＣＲプラズマＰとの接触面積は、昇降式
シャッタ３６の矢印Ｄ方向の昇降距離を変化させること
により任意に調節できる。

【００４４】上記昇降式シャッタ３６は、ラジカルを消
費せず、かつエッチング反応系内に不要な汚染を惹起さ
せない材料を適宜選択して構成することができ、かかる
材料としてたとえばステンレス鋼、あるいはアルミナ等
のセラミクス系材料を使用することができる。本実施例
および後述の各実施例では、ステンレス鋼からなる昇降
式シャッタ３６を採用した。

【００４５】次に、上述の有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置を用いて実際に下層レジスト層をエッチ
ングした。このプロセスを、図１を参照しながら説明す
る。まず、エッチング・サンプルとして用いたウェハを
図１（ａ）に示す。このウェハにおいて、予めシャロー
・トレンチ型の素子分離領域２が形成されたシリコン基
板１上にＳｉＯ₂からなるゲート酸化膜を介して１層目
ポリサイド膜によるゲート電極５が形成されている。こ
のゲート電極５は、下層側の多結晶シリコン層３と上層
側のＷＳｉ_x（タングステン・シリサイド）層４とが積
層されてなるものである。さらに、ウェハの全面はたと
えばＣＶＤによりＳｉＯ₂を堆積させることにより形成
されたＳｉＯ₂層間絶縁膜６に被覆されており、その上
には２層目ポリサイド膜９が形成されている。この２層
目ポリサイド膜９は、下層側の多結晶シリコン層７と上
層側のＷＳｉ_x層８とが積層されてなるものであり、Ｓ
ＲＡＭのビット線を構成する部分である。

【００４６】さらに、この２層目ポリサイド膜９をパタ
ーニングするために、まずウェハの表面段差をほぼ吸収
して平坦化できる厚さに下層レジスト層１０が形成さ
れ、この上に薄いＳＯＧ中間層１１が形成され、さらに
上層レジスト・パターン１２が順次形成されている。こ
こで、上記下層レジスト層１０は、一例としてノボラッ
ク系ポジ型フォトレジスト（東京応化工業社製；商品名
ＯＦＰＲ−８００）を用いて形成した。このとき、ゲー
ト電極５の配置に応じて層厚の大きい領域と層厚の小さ
い領域が生ずるが、前者における平均的な層厚は約１．
０μｍとした。

【００４７】上記ＳＯＧ中間層１１は、一例としてＳＯ
Ｇ（東京応化工業社製；商品名ＯＣＤ−Ｔｙｐｅ２）
を塗布することにより形成されている。上記上層レジス
ト・パターン１２は、一例として化学増幅系のネガ型３
成分レジスト（シプレー社製；商品名ＳＡＬ−６０１）
を用いて厚さ約０．５μｍの塗膜を形成した後、ＫｒＦ
エキシマ・レーザ・ステッパを用いてパターニングされ
ている。

【００４８】次に、上述の上層レジスト・パターン１２
をマスクとしてＳＯＧ中間層１１をエッチングした。エ
ッチングにはヘキソード型のＲＩＥ装置を用い、エッチ
ング条件は一例として下記のように設定した。ＣＨＦ₃流量７５ＳＣＣＭＯ₂流量８ＳＣＣＭガス圧６．５Ｐａ（＝５０ｍＴｏｒｒ）ＲＦパワー７００Ｗ（１３．５６ＭＨｚ）このエッチングにより、図１（ｂ）に示されるようにＳ
ＯＧ中間層パターン１１ａが形成された。

【００４９】このウェハを上述の有磁場マイクロ波プラ
ズマ・エッチング装置のウェハ載置電極上にセットし、
下層レジスト層１０のエッチングを行った。ここで、上
記ウェハ載置電極は冷却配管を内蔵しており、装置外部
に設置されるチラー等の冷却設備から適当な冷媒を供給
循環させることにより、エッチング中のウェハを所定の
温度に冷却できようになされている。ここでは、エタノ
ール冷媒を使用した。エッチング条件の一例を以下に示
す。

【００５０】ＳＦ₆流量５ＳＣＣＭＯ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度 −２０℃ シャッタ開度８０％

【００５１】このエッチング過程では、Ｏ₂による上層
レジスト・パターン１２および下層レジスト層１０の燃
焼反応が進行した。上層レジスト・パターン１２は、厚
い下層レジスト層１０のエッチング中に消失するので、
エッチングの途中からはＳＯＧ中間層パターン１１ａが
露出し、エッチング・マスクとして機能することにな
る。

【００５２】このエッチングにより、良好な異方性形状
を有する下層レジスト・パターン１０ａを形成すること
ができた。これは、チャンバ内壁面のＳ系材料層３５が
ＥＣＲプラズマＰと接触することにより放出されたＳが
パターン側壁面に付着し、側壁保護膜を形成したからで
ある。ここで、放出されたＳの一部はＯ^*と反応してＳ
Ｏ_xを生成するため、直ちにウェハに到達しないものも
ある。しかし、上述のエッチング条件ではガス流量を低
下させてガスの滞留時間を十分長く確保し、ＳＯ_xの再
解離を促進しているため、Ｏ^*によるＳの消費はおおか
た抑制されている。さらに、Ｏ^*によるＳ系材料層３５
の表面酸化は、Ｆ^*によるＳｉＦ₄の生成反応と拮抗す
ることにより、やはり抑制されている。

【００５３】なお、図１（ｃ）ではパターン側壁面にＳ
のみが付着しているように描かれているが、実際には下
層レジスト層１０の分解生成物に由来するＣＦ_xポリマ
ー等も含まれている。

【００５４】さらに本実施例では、１００％にも及ぶオ
ーバーエッチングを行った後でも、下地のＷＳｉ_x層８
に由来する再付着物層は形成されなかった。これは、プ
ラズマ中にＷＳｉ_x層８のエッチャントであるＦ^*が存
在しており、再付着物が直ちに除去されたからである。

【００５５】エッチング終了後に上記ウェハを約１５０
℃に加熱したところ、パターン側壁面上に堆積したＳ等
は容易に昇華除去もしくは分解除去され、ウェハ上に何
らパーティクル汚染を発生させることはなかった。この
ようにして形成された下層レジスト・パターン１０ａは
２層目ポリサイド膜９のエッチング・マスクとして使用
されるが、何ら寸法変換差を発生させる虞れがない。

【００５６】実施例２本実施例では、エッチング・チャンバの内壁面とクラン
プの表面に（ＳＮ）_x層を備えたエッチング装置を使用
し、この（ＳＮ）_x層の露出面積を回転式シャッタによ
り制御しながら、Ｏ₂ガスを用いて同様に下層レジスト
層をエッチングした。

【００５７】本実施例では、実施例１と異なり、回転式
シャッタを備えた有磁場マイクロ波プラズマ・エッチン
グ装置を使用した。この装置の概略断面図を示すと図２
と同様となるが、Ａｌブロック・チャンバ２４の内部を
一部破断して示す斜視図は図４のようになる。すなわ
ち、本実施例の装置は、スリット状の開口部３７ａを有
する円筒形の回転式シャッタ３７を備えており、またＳ
系材料層３５ａも上記開口部３７ａの開口パターンに倣
って帯状に形成されている。上記回転式シャッタ３７
は、図示されない駆動手段により矢印Ｅ方向に回転可能
となされている。

【００５８】ここで、回転式シャッタ３７とＳ系材料層
３５ａの位置関係について図５を参照しながら説明す
る。この図は、図４のＦ−Ｆ線断面図であり、（ａ）は
Ｓ系材料層３５ａが回転式シャッタ３７に遮蔽され、Ｅ
ＣＲプラズマＰとの接触面積が０％とされた状態（シャ
ッタ開度０％）、（ｂ）はＳ系材料層３５ａが開口部３
７ａを介して露出され、ＥＣＲプラズマＰとの接触面積
が１００％とされた状態（シャッタ開度１００％）を示
している。Ｓ系材料層３５ａとＥＣＲプラズマＰとの接
触面積は、回転式シャッタ３７の回転角を変化させるこ
とにより任意に調節できる。

【００５９】なお、ここで言うシャッタ開度とは、実施
例１の場合と同様、Ａｌブロック・チャンバ２４の垂直
壁面上のみを基準に考えているが、より徹底した接触面
積の制御を行いたい場合には、Ａｌブロック・チャンバ
２４の軸方向に長く伸びた回転式シャッタを用い、傾斜
壁面上のＳ系材料層３５ａも遮蔽できるようにすれば良
い。

【００６０】次に、上述の有磁場マイクロ波プラズマ・
エッチング装置を用いて実際に下層レジスト層１０をエ
ッチングした。本実施例でエッチング・サンプルとした
ウェハは、図１（ｂ）に示したものと同じである。エッ
チング条件は、一例として下記のとおりである。Ｏ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー１００Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度２０℃ シャッタ開度８０％本実施例では、Ｓ系材料層３５ａが（ＳＮ）_xから構成
されるため、プラズマ中にはＳに加えてＮも放出され、
プラズマ中で（ＳＮ）_xを始めとする種々の窒化イオウ
系化合物が生成される。窒化イオウ系化合物の蒸気圧は
単体のＳよりも低いため、実施例１と異なりウェハ温度
を室温領域まで上昇させても、同様に良好な異方性加工
を行うことができた。

【００６１】ウェハ上に堆積した窒化イオウ系化合物
は、エッチング終了後にウェハをおおよそ１３０℃に加
熱することにより、容易に昇華除去もしくは分解除去さ
れた。

【００６２】実施例３本実施例では、実施例１のエッチング工程を２段階に分
け、昇降式シャッタを操作することによりジャストエッ
チング工程とオーバーエッチング工程との間でＳ系材料
層（ＳｉＳ₂）とＥＣＲプラズマとの接触面積を変化さ
せた例である。まず、シャッタ開度を８０％とした状態
で、実施例１と同様の条件により下層レジスト層１０を
ジャストエッチングした。このジャストエッチングは、
下地のＷＳｉ_x層８が露出し始めた時点で終了した。こ
のとき、ウェハ上には下層レジスト層１０のエッチング
残渣が若干残存していた。

【００６３】そこで、上記のエッチング残渣を除去する
ためのオーバーエッチングを、一例として下記の条件で
行った。ＳＦ₆流量５ＳＣＣＭＯ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度 −２０℃ シャッタ開度１００％このオーバーエッチング工程では、シャッタ開度が増大
されることによりプラズマ中へのＳの供給量が増えると
共に、Ｓ系材料層３５によるプラズマ中のＦ^*とＯ^*の
消費量が増え、エッチング反応系のＳ／Ｆ比、Ｓ／Ｏ比
が増大した。また、ジャストエッチング工程に比べて入
射イオン・エネルギーも半減されている。これらの理由
により、実施例１に比べてＳＯＧ中間層パターン１１ａ
やＷＳｉ_x層８に対する選択性をさらに向上させること
ができた。

【００６４】実施例４本実施例では、実施例３と同様の下層レジスト層のエッ
チングを、ＳＦ₆／Ｏ₂／Ｎ₂混合ガスを用いて行っ
た。まず、図１（ｂ）に示した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
記の条件でジャストエッチングを行った。

【００６５】ＳＦ₆流量５ＳＣＣＭＯ₂流量１０ＳＣＣＭＮ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度２０℃ シャッタ開度８０％

【００６６】続いて、一例として下記の条件でオーバー
エッチングを行った。ＳＦ₆流量５ＳＣＣＭＯ₂流量１０ＳＣＣＭＮ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度２０℃ シャッタ開度１００％本実施例では、ＳｉＳ₂層から供給されるＳとＮ₂から
解離生成するＮとの反応により気相中に（ＳＮ）_xを主
体とする窒化イオウ系化合物が生成し、これがパターン
側壁面に堆積して強力な側壁保護効果を発揮した。した
がって、ジャストエッチング工程、オーバーエッチング
工程共に実施例３よりもＲＦバイアス・パワーが低減さ
れ、ウェハ温度が上昇されているが、良好な高選択・異
方性加工を行うことができた。

【００６７】実施例５本実施例では、実施例３と同様の下層レジスト層のエッ
チングを、Ｃｌ₂／Ｏ₂混合ガスを用いて行った。ジャ
ストエッチングは、一例として下記の条件で行った。Ｃｌ₂流量５ＳＣＣＭＯ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度 −２０℃ シャッタ開度８０％

【００６８】また、オーバーエッチングは、一例として
下記の条件で行った。Ｃｌ₂流量５ＳＣＣＭＯ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度 −２０℃ シャッタ開度１００％本実施例では、下層レジスト層１０の分解生成物にＣｌ
₂から放出されたＣｌ原子が取り込まれ、ＣＣｌ_xポリ
マーが生成した。このＣＣｌ_xポリマーは、実施例３で
生成するＣＦ_xポリマーよりも蒸気圧が低く、高い側壁
保護効果を発揮する。したがって、実施例３に比べてＲ
Ｆバイアス・パワーを下げた条件でも良好な異方性加工
を行うことができた。

【００６９】なお、本実施例のようにエッチング・ガス
にＣｌ₂が含まれる場合、Ｃｌ₂によるＡｌブロック・
チャンバ２４の腐食を防止するために、予め該チャンバ
の内壁面をＳｉＯ_x系材料層等により被覆しておくこと
が望ましい。本実施例では、Ｓ系材料層３５を形成する
前に、内壁面の全面にＳＯＧを塗布した。

【００７０】実施例６本実施例では、実施例２で述べたような回転式シャッタ
と（ＳＮ）_x層を備えた有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置を用い、Ｃｌ₂／Ｏ₂混合ガスを用いて同
様に下層レジスト層をエッチングした。ここでエッチン
グ条件は、ウェハ温度を２０℃とした以外は、ジャスト
エッチング工程、オーバーエッチング工程共に実施例５
と同じとした。

【００７１】本実施例では、単体のＳよりもエッチング
耐性に優れる窒化イオウ系化合物とＣＣｌ_xポリマーと
を側壁保護に利用できるため、実施例５と異なりウェハ
温度を室温領域に維持した状態でも、良好な高選択・異
方性加工を行うことができた。

【００７２】実施例７本実施例では、実施例５と同様の下層レジスト層のエッ
チングを、ＨＢｒ／Ｏ₂混合ガスを用いて行った。ジャ
ストエッチング工程は、一例として下記の条件で行っ
た。ＨＢｒ流量５ＳＣＣＭＯ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー５０Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度 −１０℃ シャッタ開度８０％

【００７３】また、オーバーエッチングは、一例として
下記の条件で行った。ＨＢｒ流量５ＳＣＣＭＯ₂流量５ＳＣＣＭガス圧０．６７Ｐａ（＝５ｍＴｏｒ
ｒ）マイクロ波パワー９００Ｗ（２．４５ＧＨｚ）ＲＦバイアス・パワー３０Ｗ（８００ｋＨｚ）ウェハ温度 −１０℃ シャッタ開度１００％本実施例では、実施例５で生成したＣＣｌ_xポリマーよ
りもさらに側壁保護効果に優れるＣＢｒ_xポリマーが堆
積するため、実施例５に比べてウェハ温度を高めている
にもかかわらず、良好な高選択・異方性加工を行うこと
ができた。

【００７４】実施例８本実施例では、実施例２で述べたような回転式シャッタ
と（ＳＮ）_x層を備えた有磁場マイクロ波プラズマ・エ
ッチング装置を用い、ＨＢｒ／Ｏ₂混合ガスを用いて同
様に下層レジスト層のエッチングを行った。ここでエッ
チング条件は、ウェハ温度を２０℃とした以外は、ジャ
ストエッチング工程、オーバーエッチング工程共に実施
例７と同じとした。

【００７５】本実施例では、単体のＳよりもエッチング
耐性に優れる窒化イオウ系化合物とＣＢｒ_xポリマーと
を側壁保護に利用できるため、実施例７と異なりウェハ
温度を室温領域に維持した状態でも、良好な高選択・異
方性加工を行うことができた。

【００７６】以上、本発明を８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
ものではない。たとえば、上述の実施例ではハロゲン化
合物としてＳＦ₆，Ｃｌ₂およびＨＢｒを使用したが、
他にＮＦ₃，ＣｌＦ₃，ＢＣｌ₃，ＢＢｒ₃等を使用す
ることもできる。

【００７７】エッチング・ガスには各種の添加ガスを混
合しても良い。たとえば、エッチング反応系のＳ／Ｘ比
を増大させるための添加ガスとして、Ｈ₂、Ｈ₂Ｓ、シ
ラン系化合物等を使用しても良い。これらの化合物は、
放電解離条件下でＨ^*やＳｉ ^*を生成し、これらのラジ
カルによりＸ^*を捕捉して、エッチング反応系の見掛け
上のＳ／Ｘ比を上昇させる作用を有する。

【００７８】さらに、スパッタリング効果，冷却効果，
希釈効果を得る目的でＨｅ，Ａｒ等の希ガスが添加され
ていても良い。Ｓ系材料層により被覆される内部構成部
材は、上述のクランプの他、ウェハ載置電極、ウェハ・
カバー等であっても良い。これら内部構成部材の表面に
おいてＳ系材料層とプラズマとの接触面積を変化させる
ことが可能なシャッタ部材が設けられていてももちろん
構わない。

【００７９】その他、ウェハの構成、エッチング条件等
が適宜変更可能であることは、言うまでもない。

【００８０】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のドライエッチング方法によれば、３層レジスト・プ
ロセスにおいて固相中からＳを供給して表面保護または
側壁保護を行わせることにより、下地材料層や中間層に
対して高い選択性を維持しながら下層レジスト層のエッ
チングを行うことが可能となる。しかも、エッチング・
チャンバの内壁面上に設けられたＳ系材料層とプラズマ
との接触面積をシャッタ部材を用いて機械的に変化させ
るという巧妙な手法を用いているので、プロセス途中に
おけるエッチング反応系のＳ／Ｏ比やＳ／Ｘ比の制御を
迅速かつ容易に行うことができる。

【００８１】もちろん、本発明が脱フロン対策として優
れていることは言うまでもない。本発明は微細なデザイ
ン・ルールにもとづいて設計され、高性能、高集積度、
および高性能を要求される半導体装置の製造に好適であ
り、その産業上の価値は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をＳＲＡＭのビット線加工に適用したプ
ロセス例をその工程順にしたがって示す概略断面図であ
り、（ａ）は２層目ポリサイド膜上に下層レジスト層、
ＳＯＧ中間層、上層レジスト・パターンが順次積層され
た状態、（ｂ）は上層レジスト・パターンをマスクとし
てＳＯＧ中間層がエッチングされた状態、（ｃ）はＳに
よる側壁保護が行われながら下層レジスト層がエッチン
グされた状態をそれぞれ表す。

【図２】本発明で使用される有磁場マイクロ波プラズマ
・エッチング装置の一構成例を示す概略断面図であり、
（ａ）はＳ系材料層とＥＣＲプラズマとの接触面積が５
０％とされた状態、（ｂ）は１００％とされた状態をそ
れぞれ表す。

【図３】図２の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング
装置のＡｌブロック・チャンバと昇降式シャッタの一部
を破断して示す概略斜視図である。

【図４】本発明で用いられる有磁場マイクロ波プラズマ
・エッチング装置の他の構成例において、Ａｌブロック
・チャンバと回転式シャッタの一部を破断して示す概略
斜視図である。

【図５】図４の有磁場マイクロ波プラズマ・エッチング
装置のＦ−Ｆ線断面図であり、（ａ）はＳ系材料層とＥ
ＣＲプラズマとの接触面積が０％とされた状態、（ｂ）
は１００％とされた状態をそれぞれ表す。

【符号の説明】

８・・・ＷＳｉ_x層９・・・２層目ポリサイド膜１０・・・下層レジスト層１０ａ・・・下層レジスト・パターン１１・・・ＳＯＧ中間層１１ａ・・・ＳＯＧ中間層パターン１２・・・上層レジスト・パターン２４・・・Ａｌブロック・チャンバ２９・・・ウェハ載置電極３０・・・クランプ３１・・・ウェハ３５，３５ａ・・・Ｓ系材料層３６・・・昇降式シャッタ３７・・・回転式シャッタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された有機材料層を所定の
形状にパターニングされた無機材料層をマスクとしてエ
ッチングするドライエッチング方法において、前記エッチングは、エッチング・チャンバの内壁面の少
なくとも一部がイオウ系材料層により被覆されてなるエ
ッチング装置にＯ₂を含むエッチング・ガスを導入し、
該イオウ系材料層からプラズマとの接触面積に応じて供
給されるイオウおよび／またはイオウ系材料を基体表面
の少なくとも一部に堆積させながら行うことを特徴とす
るドライエッチング方法。
【請求項２】前記エッチング・ガスがハロゲン化合物
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・ガスが窒素系化合物を
含むことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれ
か１項に記載のドライエッチング方法。
【請求項４】前記エッチング装置が前記イオウ系材料
層とプラズマとの接触面積を可変となし得るシャッタ部
材を備え、前記有機材料層を実質的にその層厚分だけエ
ッチングするジャストエッチング工程ではこの接触面積
が相対的に小とされ、前記有機材料層の残余部を除去す
るオーバーエッチング工程では相対的に大とされること
を特徴とする請求項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。
【請求項５】前記エッチング装置として、前記エッチ
ング・チャンバの内部構成部材の表面の少なくとも一部
がイオウ系材料層により被覆されてなるものを用いるこ
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。