(57)【要約】【課題】スペース幅が１００ｎｍ以下になるデバイスの加工で、マスクパターンの疎密領域間の疎密形状差が発生しないプラズマエッチング方法を提供する。【解決手段】密パターン部に側壁保護膜を形成するため、付着係数が小さく、側壁保護膜成分となりえるＣＦ２ラジカルの生成を増大させるＣ４Ｆ８ガスなどのＣ／Ｆ比の高い添加ガスをエッチングガスに添加し、さらに、電子温度低減による解離効果抑制のためＸｅガスを添加した。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層レジストマスクを用いてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜のＬ／Ｓ（ラインアンドスペース）パターンを、エッチングするプラズマエッチング方法において、
エッチングガスに希釈ガスを添加してエッチングガスの過解離を抑制することおよび／または付着係数の低いＣＦ２ラジカルの比率を高く
することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
前記エッチングガスとしてＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等からなるエッチングガスを用い、
このエッチングガスの過解離を抑制するため、ＸｅガスまたはＫｒ等のプラズマの電子温度を下げるガスを希釈ガスとして添加する
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマエッチング方法において、
希釈ガスの添加量を、エッチングガス１．０に対して、０．２〜１０．０とした
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
前記エッチングガスにＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等からなるエッチングガスを用い、
このエッチングガスに比較してＣ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ｃ５Ｆ８等のＣ／Ｆ比の高いガスを添加し、付着係数の低いＣＦ２ラジカルを生成させる
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマエッチング方法において、
前記Ｃ／Ｆ比の高いガスの添加量を、エッチングガス１．０に対して、０．０１〜０．５とした
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
エッチングガスとしてＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等からなるエッチングガスを用い、
このエッチングガスの過解離を抑制するため、ＸｅガスまたはＫｒ等のプラズマの電子温度を下げるガスを希釈ガスとして添加するとともに、
さらに、エッチングガスに比較してＣ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ｃ５Ｆ８等のＣ／Ｆ比の高いガスを添加し、付着係数の低いＣＦ２ラジカルを生成させる
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のプラズマエッチング方法において、
プラズマに印加するソースパワーを下げてエッチングガスの過解離を抑制する
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラインアンドスペースパターンをパターンニングした半導体装置の製造方法における、スペース幅が１００ｎｍ以下となるデバイスのゲートマスク加工において、微細寸法のゲートマスクを良好に形成するプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体集積回路の高集積化及び高速化に伴い、ゲートマスク（ゲート電極加工用マスク）の更なる微細化が要求されている。ラインとスペースが交互に現れるマスクパターンを得る加工形状においては、マスクパターンの疎密（スペースの比の小さい密部とスペース比の大きい疎部）に関わらず形状差の無いマスクを仕上げることが必要とされる。これまでのマスクパターンのスペース幅が１００ｎｍ以上のデバイスでは、従来のエッチング方法を用いてマスクパターンの疎密に関わらず形状差が無いマスクを加工することが可能であったが、スペース幅が１００ｎｍ以下になるデバイスの加工では、従来のエッチング方法で加工を施すとマスクパターンの疎密によってマスクの形状に差が発生するという問題がある。
【０００３】
従来のエッチング方法では、ＣＦ４、ＣＨＦ３及び不活性ガス（Ａｒ）を混合したガスにてエッチングを行っていた（例えば、特許文献１参照）が、マスクパターンの微細化に伴いアスペクト比が増大したゲートマスクの加工において、マスクパターンの疎密によりマスク形状の差を低減することが困難になってきた。従来のエッチング方法では、ＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等のガスをエッチングガスとして用いている。これらのエッチングガスは、プラズマ中でＣラジカル、Ｆラジカルを生成し、付着係数の高いＣラジカルが迎え角の大きい疎部パターンに付着し易く、疎部の形状が順テーパー形状となり、また、密パターン部では、密パターン部の側壁に必要な側壁保護膜成分が、パターンの微細化と高集積化により増大したアスペクト比のため側壁に到達することができず、サイドエッチ形状となり、疎簿と密部の間でマスク形状の差を発生させていた。
【０００４】
マスクの疎部と密部間の形状差の定義について図３を用いて説明する。被処理基板は、Ｓｉ基板４０９の表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を形成し、その上に、多結晶シリコン層（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）４０７、タングステンシリコン膜（ＷＳｉ）４０６、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）４０５、有機膜中間層４０４、無機膜中間層４０３、ＢＡＲＣ４０２を積層形成して構成され、さらにその上に、ＡｒＦレジスト膜（以下、単にレジストということがある）４０１を成膜した後パターニングして構成される。エッチング前のパターン密度の高い密部パターンレジスト４０１の線幅寸法をＡとし、エッチング前のパターン密度の低い疎部パターンレジスト４０１の線幅寸法をＢとする。
【０００５】
これら線幅寸法Ａ、Ｂを有するレジスト４０１をマスクとし、このマスクの下層にあるシリコン窒化膜４０５をエッチングする。この時、エッチング後の密部パターン４０５の線幅寸法をＡＡとし、エッチング後の疎部パターン４０５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）の差を疎密寸法差として示す。
【０００６】
すなわち、疎密寸法差は下記（１）式で表される。
|疎密寸法差|＝（ＢＢ−Ｂ）−（ＡＡ−Ａ）…（１）
【０００７】
前述のように、パターン密度の高い領域ではサイドエッチの状態（図３（Ａ）ＡＡ）に、パターン密度の低い領域では順テーパー状（図３（Ｂ）ＢＢ）にエッチングされる。この状況は、スペース幅が１００ｎｍ以下になると顕著に現れ、以降の処理に対して不都合を及ぼす。
【特許文献１】特開２００６−３２８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の問題に鑑み、本発明は、多層レジストマスク構造を用いた６５ｎｍノード以降のＳｉＮ（シリコン窒化膜）もしくはＳｉＯ２（シリコン酸化膜）の微細ゲート電極加工時に形成するマスクの形状に、マスクパターンの疎部と密部の間で発生する形状差を低減させ、良好な加工形状およびマスク選択比を確保できる半導体集積回路のプラズマエッチング方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題の解決手段として、密パターン部に側壁保護膜を形成するため、付着係数が小さく、側壁保護膜成分となり得るＣＦ２ラジカルの生成を増大させることとした。さらに、ＣＦ２ラジカルの生成を増大させる方法として、ＣＦＸラジカル供給元を増やすことを目的にＣ４Ｆ８ガスなどのＣ／Ｆ比の高いガスの添加および／または電子温度低減による解離効果抑制のためＸｅガスを添加した。
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明は、多層レジストマスクが用いられたシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜のＬ／Ｓ（ラインアンドスペース）パターンを、エッチングガスのプラズマを用いてエッチングするプラズマエッチング方法において、エッチングガスに希釈ガスを添加してエッチングガスの過解離を抑制した。
【００１１】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、前記エッチングガスとしてＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等からなるエッチングガスを用い、このエッチングガスの過解離を抑制するため、ＸｅガスまたはＫｒ等のプラズマの電子温度を下げるガスを希釈ガスとして添加した。この際、前記希釈ガスの添加量を、エッチングガス１．０に対して、０．２〜１０．０とした。
【００１２】
本発明は、多層レジストマスクを用いてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜のＬ／Ｓ（ラインアンドスペース）パターンを、エッチングガスのプラズマを用いてエッチングするプラズマエッチング方法において、付着係数の低いＣＦ２ラジカルの比率を高くした。
【００１３】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、前記エッチングガスにＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等からなるエッチングガスを用い、このエッチングガスに比較してＣ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ｃ５Ｆ８等のＣ／Ｆ比の高いガスを添加し、付着係数の低いＣＦ２ラジカルの比率を増加させた。この際、前記Ｃ／Ｆ比の高いガスの添加量を、エッチングガス１．０に対して、０．０１〜０．５とした。
【００１４】
本発明は、多層レジストマスクを用いてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜のＬ／Ｓ（ラインアンドスペース）パターンを、エッチングガスのプラズマを用いてエッチングするプラズマエッチング方法において、前記エッチングガスにＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等からなるエッチングガスを用い、このエッチングガスの過解離を抑制するため、ＸｅガスまたはＫｒ等のプラズマの電子温度を下げるガスを希釈ガスとして添加するとともに、さらに、エッチングガスに比較してＣ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ｃ５Ｆ８等のＣ／Ｆ比の高いガスを添加し、付着係数の低いＣＦ２ラジカルの比率を増加させる。
【００１５】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、プラズマに印加するソースパワーを下げてエッチングガスの過解離を抑制する。さらに、本発明は、上記プラズマエッチング方法において、レジストマスクとして、ＡｒＦレジスト膜を用いた。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、前述の多層レジストマスク構造を用いた６５ｎｍノード以降のＳｉＮ（シリコン窒化膜）もしくはＳｉＯ２（シリコン酸化膜）の微細ハードマスク加工において、良好な加工形状を確保しながら、疎密形状差を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１を用いて、本発明に係るプラズマエッチング方法が適用されるプラズマエッチング装置の構成を説明する。図１は、本発明に使用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平面図面である。このプラズマエッチング装置は、真空搬送ロボット２１を配備した真空搬送室２０と、ゲート２４ａ、２４ｂを介して真空搬送室２０に接続された２個以上の処理室１ａ，１ｂと、真空搬送室２０と大気ロード部２５との間に設けたロードロック室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。このプラズマエッチング装置は、被処理基板１３に対して、真空処理室１ａ，１ｂで同一プロセスを並列に処理することも、真空処理室１ａと真空処理室１ｂでの異種プロセスを逐次に処理することも可能となっている。
【００１８】
このプラズマエッチング装置の真空処理室１ａと真空処理室１ｂは、ほぼ同一の構造であるので、真空処理室１につき図２を参照して詳細を説明する。このプラズマエッチング装置は、ＵＨＦ（Ｕｌｔｒａ  Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）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。
【００１９】
真空処理室１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３０℃に、温調器（図示を省略）に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、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に吸着可能となっている。静電チャック７の上面周辺にはフォーカスリング１７が設けられている。基板電極１８には整合器１０を介して基板バイアス電源１１が接続され、被処理基板１３に高周波バイアスを印加可能となっている。
【００２０】
従来の主なエッチングガスであるＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２等のフロンガス、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８等のＣ／Ｆ比の高い添加ガス、Ａｒ、Ｘｅ、Ｋｒ等の不活性ガスは各々のガスボンベ１９−１、１９−２、１９−３より供給され、マスフローコントローラー１２で流量制御し、プロセスガス源に接続されたガス供給管１４を介し、ガス穴が多数設けられた例えば、シリコンあるいはガラス状炭素からなるガス供給板８から処理室１ａへ導入される。
【００２１】
ガス供給板８の上部にはアンテナ電極２が配設される。高周波電力が、高周波電源３及び高周波電源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。高周波電力が、アンテナ電極２の周囲の誘電体窓１５から処理室１内に放射されるとともに、共振電界がガス供給板８を介して処理室１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。
【００２２】
真空処理室１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真空処理室１より排出する。真空処理室１の周壁には採光用石英窓５０が設けられ、真空処理室内の発光状態を光ファイバー５２を介して分光器５３に導き、データ処理部５４で真空処理室内の発光状況を演算処理する。
【００２３】
＜実施例１＞以下、本発明の第１の実施例を図４を用いて説明する。図４（Ａ）は初期形状を示す。図４（Ｂ）は密パターン部のシリコン窒化膜４０５を従来プラズマエッチング方法の主ガスケミストリであるＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等を用い、垂直性が高いプラズマエッチングを施した例であり、図４（Ｃ）は疎パターン部のシリコン窒化膜４０５を、従来プラズマエッチング方法の主ガスケミストリであるＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２等を用い、垂直性が高いプラズマエッチングを施した例である。図４（Ｄ）は本発明の方法によって得たエッチング形状である。
【００２４】
図４（Ｂ）のように、密パターン部のシリコン窒化膜４０５を従来プラズマエッチング方法の主ガスケミストリであるＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等を用い、垂直性が高いプラズマエッチングを施すと密パターン部のシリコン窒化膜４０５では垂直な形状を得ることができるが、疎パターン部のシリコン窒化膜４０５の形状は順テーパー形状となる。また、図４（Ｃ）のように疎パターン部のシリコン窒化膜４０５を、従来プラズマエッチング方法の主ガスケミストリであるＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２等を用い、垂直性が高いプラズマエッチングを施すと、密パターン部のシリコン窒化膜４０５にサイドエッチがはいってしまう。このように、従来のプラズマエッチング方法では疎密間において側壁に形成される側壁保護膜成分（ラジカル）の供給に差が発生し、寸法及び形状に疎密差が起きていた。
【００２５】
本発明は、図４（Ｄ）が示すように密パターン部と疎パターン部のシリコン窒化膜４０５がともに垂直形状となり、寸法、形状ともに疎密差がないプラズマエッチングを可能にするため、従来プラズマエッチング方法の主ガスケミストリであるＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等にＸｅガスまたはｋｒガスの添加を行った。ＸｅガスまたはＫｒガス添加の目的は、ＸｅガスまたはＫｒガスの添加により電子温度を下げることが可能となる。電子温度低下によるプラズマ解離の抑制（プラズマ密度の低下）によってＣＦ２ラジカル／Ｃ２ラジカル比の増加を狙い、密パターン部の側壁に必要な側壁保護膜成分の成長を促してサイドエッチの発生を防いでいる。
【００２６】
結果、図５（Ａ）に示すようにＸｅガスの添加量を増加させるに従って、疎密差が低減している。これはＸｅガス添加によりプラズマの電子温度が下がるため、解離が抑制され、プラズマ中のＣＦ２／Ｃ２ラジカル比が増加し、付着係数の小さいＣＦ２ラジカルがアスペクト比の高い密パターン側壁部に到達し、側壁を保護する効果が得られたことによるものである。このときのガスの割合は、従来プラズマエッチング方法の主なエッチングガス１．０に対し、ＸｅガスまたはＫｒガスの添加量は０．２〜１０．０であることが望ましい。また、処理室内の圧力は、０．１〜２０．０Ｐａであることが望ましい。
【００２７】
＜実施例２＞実施例１で示したように、従来のプラズマエッチング方法では前述の問題が発生してしまう。疎密パターン共に垂直性の高いエッチングを実現するため、従来のエッチングの主ガスケミストリであるＣＦ４／ＣＨＦ３／ＣＨ２Ｆ２／ＣＨ３Ｆ等にＣ４Ｆ８ガスの添加を行った。Ｃ４Ｆ８ガス添加の目的は、密パターン部の側壁保護膜成分となるＣＦ２ラジカルの供給元とするためである。
【００２８】
結果、図５（Ｂ）に示すようにＣ４Ｆ８ガス添加量を増加させるに従って、疎密差が低減している。これはＣ４Ｆ８ガスを添加したことによりＣＦ２ラジカル量が増え、迎え角の小さい密パターン部に付着係数の小さいＣＦ２ラジカルが入り込んだため側壁保護効果が得られたためと考えられる。このときのガスの割合は、従来プラズマエッチング方法の主なエッチングガス１．０に対し、Ｃ４Ｆ８ガス添加量が０．０１〜０．５程度であることが望ましい。また、処理室内の圧力は、０．１〜２０．０Ｐａであることが望ましい。
【００２９】
＜実施例３＞実施例１で示したように、従来のプラズマエッチング方法では前述の問題が発生してしまう。この実施例では、疎密パターン共に垂直性の高いエッチングを実現するため、従来のプラズマエッチング方法より低い高周波電力域を適用した。
【００３０】
結果、図５（Ｃ）に示すように高周波電力を下げていくと、疎密差が低減している。これは高周波電力を下げることにより解離が抑制され、プラズマ中のＣＦ２ラジカル比が増加し、付着係数の小さいＣＦ２ラジカルがアスペクト比の高い密パターン側壁部に到達し、側壁を保護する効果が得られたことによるものである。
【００３１】
実施例１，２，３で示した、Ｘｅガス添加、Ｃ４Ｆ８ガス添加、低高周波電力域の適用を組み合わせることにより、更にＣＦ２ラジカルの生成を促進できるプラズマエッチング方法を確立することができた。
【００３２】
また、上記プラズマエッチング方法を用いることにより、一般的にプラズマ耐性の低いと考えられているＡｒＦレジストを変形もしくは変質を発生させること無く加工ができるプラズマエッチング方法を確立することができた。これは従来のプラズマエッチング方法に比べて、ＣＦ２ラジカルの生成を促進できたことにより、ＡｒＦレジストを保護しながら加工できたことによる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を実施す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。
【図２】本発明を実施するマルチチャンバプラズマエッチング装置の処理室の構成を説明する断面図。
【図３】本発明における疎密形状差を説明する図。
【図４】本発明におけるプロセスフローを説明する図。
【図５】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。
【符号の説明】
【００３４】
１ａ，１ｂ：真空処理室
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
１９−１：ガスボンベ
１９−２：ガスボンベ
１９−３：ガスボンベ
２０：真空搬送室
２１：真空搬送ロボット
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
５０：採光用石英窓
５２：光ファイバー
５３：分光器
５４：データ処理部
４０１：ＡｒＦレジスト
４０２：ＢＡＲＣ
４０３：無機膜中間層
４０４：下層有機膜
４０５：ＳｉＮ（シリコン窒化膜）
４０６：ＷＳｉ（タングステンシリコン膜）
４０７：Ｐｏｌｙ−Ｓｉ（多結晶シリコン）
４０８：ＳｉＯ２（シリコン酸化膜）
４０９：Ｓｉ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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