(57)【要約】【課題】ＡｒＦエキシマレーザ露光用のＡｒＦレジストは、弗素系ドライエッチング耐性が劣るため精密なパターンを形成することができない。【解決手段】リソグラフィによりパターン形成されたレジストマスク６に、Ｈ＋  イオンを注入してレジストマスク６の耐エッチング性を高める。Ｈ＋  イオンは、レジストパターンを損傷することなく多量にレジスト内部に注入できるので、レジストマスク６が十分な耐エッチング性を有するものに改質される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物上にレジストマスクを形成する工程と、
該レジストマスクに水素イオンを注入する工程と、
次いで、該レジストマスクをエッチングマスクとし、ドライエッチングにより該被加工物をパターニングする工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
被加工物上にレジストマスクを形成する工程と、
誘導結合型又は電子サイクロトロン共鳴型プラズマ発生装置により発生された水素プラズマに、該レジストマスクを暴露する水素プラズマ処理工程と、
次いで、該レジストマスクをエッチングマスクとし、ドライエッチングにより該被加工物をパターニングする工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項３】
請求項２記載のパターン形成方法において、
該水素プラズマ処理工程の間に、該被加工物が載置された加工物保持台へ５０ＫＨｚ〜１ＭＨｚの高周波バイアス電圧を印加することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載のパターン形成方法において、
該レジストマスクは、ＡｒＦエキシマレーザ光より短波長光で露光されたレジスト膜を現像して形成することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４記載のパターン形成方法により形成された該被加工物パターンをハードマスクとして、絶縁膜をドライエッチングする工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＡｒＦエキシマレーザ光により露光されるレジスト（ＡｒＦレジスト）をマスクとするパターン形成方法に関し，とくに弗素系エッチングガスを用いたドライエッチングに対してレジストマスクのエッチング耐性を改質する方法に関する。
【０００２】
２００ｎｍ以下の短波長光、例えばＡｒＦエキシマレーザ光を用いたホトリソグラフィは、微細加工を要する半導体装置の製造に使用されている。
しかし、このような短波長光により露光されるレジスト（例えばＡｒＦレジスト）はドライエッチング耐性が劣るため、このレジストをドライエッチング用のマスクとして使用し直接、層間絶縁膜や配線等をパターニングすることは難しい。このため、レジストマスクパターンをハードマスクに転写し、このハードマスクをエッチングマスクとして層間絶縁膜や配線等をパターニングすることが通常行われる。それにもかかわらず、レジストの劣悪なドライエッチング耐性のために、十分精密なハードマスクパターンを形成することは難しい。
【０００３】
そこで、短波長光用レジストを露光・現像して形成されたレジストパターンを、優れたドライエッチング耐性を有するレジストマスクへ改質する方法が要望されている。
【０００４】
【従来の技術】
２００ｎｍ以下の短波長光で露光されるレジスト、例えば波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光により露光、パターニングされるＡｒＦレジストは、とくに弗素を含む原料をエッチングガスとするドライエッチングに対してエッチング耐性が低い。かかるレジストの特性から生ずる問題を、従来のハードマスクの形成工程を参照して説明する。
【０００５】
図４は従来のハードマスク形成工程断面図であり、層間絶縁膜のエッチング用ハードマスクをＡｒＦレジストをマスクとして用いて形成する工程を表している。
図４（ａ）を参照して、まず図外の半導体基板上に形成された下層絶縁膜１上に、エッチングストッパ膜２及び層間絶縁膜３を順次積層する。さらに、層間絶縁膜３上に、ハードマスク材料膜４及び反射防止膜（ＢＡＲＣ）５を順次形成する。次いで、反射防止膜５上に、ＡｒＦレジストを塗布しＡｒＦエキシマレーザ光で露光し、現像して、パターニングされたＡｒＦレジストからなるレジストマスク６を形成する。
【０００６】
次いで、図４（ｂ）及び（ｃ）を参照して、反射防止膜５及びハードマスク材料膜４を順次ドライエッチングし、レジストマスク６のパターンが転写されたハードマスク材料膜４からなるハードマスク４ａを形成する。この反射防止膜５及びハードマスク材料膜４のドライエッチングは、エッチングガスとして弗素を含むガスを用いる。
【０００７】
次いで、図４（ｄ）を参照して、ドライエッチング後に残留するレジストマスク６及び反射防止膜５をエッチングして除去し、ハードマスク４ａを残す。このようにして形成されたハードマスク４ａは、その後の層間絶縁膜３のドライエッチング工程でエッチングマスクとして使用される。
図５は従来のハードマスク形成工程平面図であり、ドライエッチング前後のレジストマスクパターンを表している。なお、図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ図４（ａ）及び図４（ｃ）に対応する時点の平面図であり、レジストマスク形成時及びハードマスク形成時のレジストマスクパターンを表している。
【０００８】
上述した工程では、図５（ａ）を参照して、ＡｒＦレジストを露光・現像して形成されたレジストマスク６は、ほぼ平行直線状のパターン形状を有する。しかし、反射防止膜５及びハードマスク材料膜４のパターニングが終了してハードマスク４ａが形成された時点では、図５（ｂ）を参照して、初め直線状であったレジストマスク６パターンがくねくねした（ｗｉｇｇｌｉｎｇ）パターンに変形する。さらに、ハードマスク４ａのパターンの側面又は表面に大きな荒れ（ｓｔｒｉａｔｉｏｎ）が発生する。このようなハードマスクを用いて層間絶縁膜３をパターニングしても、精密にパターニングすることはできない。
【０００９】
これらｗｉｇｇｌｉｎｇ及びｓｔｒｉａｔｉｏｎの発生は、レジストのドライエッチング耐性が、２００ｎｍ以上の光で露光されるレジストに比べて劣ることに起因している。かかる欠陥の発生は、電子線を照射してキュアすることでレジストのドライエッチング耐性を高めて防止することができる。一方、加熱及びイオン照射によるキュアでは、十分なドライエッチング耐性が得られない（例えば非特許文献１参照）。
【００１０】
【非特許文献１】
ジスー    キム（Ｊｉｓｃｏｏ  Ｋｉｍ）、ワイ．  エス．  チェア（Ｙ．Ｓ．Ｃｈｅａ）、ダブリュ．  エス．  リー（Ｗ．Ｓ．Ｌｅｅ）  、ジェイ．  ダブリュ．  ション（Ｊ．Ｗ．Ｓｈｏｎ）、デー．  エス．  ナム（Ｄ．Ｓ．Ｎａｍ）  、エッチ．  ダブリュ．  カン（Ｈ．Ｗ．Ｋａｎｇ）、及び    ジェイ．  テー．  ムーン（Ｊ．Ｔ．Ｍｏｏｎ）著、ＡｒＦホトレジストを用いたサブ０．１２μｍナイトライドハードマスクの開口プロセス（Ｓｕｂ  ０．１２  μｍ  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｈａｒｄ  Ｍａｓｋ  Ｏｐｅｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｗｉｔｈ  ＡｒＦ  Ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ）、「２００１  ドライプロセス  インタナショナル  シンポジウム（２００１  ＤＲＹ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ  ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ）」、米国、２００１年、ＶＩ−１２  、ｐ．２５３−２５８
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、波長２００ｎｍ以下の光で露光できるレジストは、弗素を含むエッチングガスを用いたドライエッチングに対してエッチング耐性が低く、被加工物を精密にパターニングすることができない。
また、レジストマスクに電子線照射してキュアすることでドライエッチング耐性を増加する方法は、電子線照射に高価な装置を必要としかつ照射時間も長いので製造コストを上昇させる。
【００１２】
本発明は、安価な装置を用いて短時間にレジストマスクを改質し、ドライエッチング耐性の優れたレジストマスクパターンを形成する方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の第１の構成は、被加工物上にレジストマスクを形成する工程と、該レジストマスクに水素イオン（Ｈ＋  イオン）を注入する工程と、次いで、該レジストマスクをエッチングマスクとし、ドライエッチングにより該被加工物をパターニングする工程とを有する。
【００１４】
本発明の第２の構成は、被加工物上にレジストマスクを形成する工程と、誘導結合型又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）型プラズマ発生装置により発生された水素プラズマに、該レジストマスクを暴露する水素プラズマ処理工程と、次いで、該レジストマスクをエッチングマスクとし、ドライエッチングにより該被加工物をパターニングする工程とを有する。
【００１５】
上述した本発明の第１の構成では、レジストマスクに水素イオン（Ｈ＋  イオン）を注入する。その結果、レジストマスクのドライエッチング耐性が向上する。このとき、レジストマスクのパターンは殆ど変形しない。
このＨ＋  イオン注入により、レジストのパターンの変形を生ずることなくエッチング耐性が向上する理由は完全には解明されていないが、本発明の発明者は次のように推測している。レジストを改質してドライエッチング耐性を向上するには、十分な量のイオンをレジストに注入する必要がある。しかし、質量の大きなイオンを照射するとレジストパターンがエッチングされるので、多量のイオンを注入することができない。これに対して、Ｈ＋  イオンは径が小さく質量も小さいため、レジスト分子と衝突してもレジストのエッチング量は少ない。このため、レジストパターンを消耗することなく多量のイオンがレジスト中に注入されるので、レジストパターンの変形を伴うことなくレジストを十分に改質することができると推測している。
【００１６】
また、本発明の第２の構成では、レジストマスクを、誘導結合型又は電子サイクロトロン共鳴型プラズマ発生装置により発生させた水素プラズマに暴露する。その結果、第１の構成と同様にレジストマスクのドライエッチング耐性が向上する。かかるプラズマ発生装置により発生させた水素プラズマは、解離度が大きいため、水素分子、水素ラジカル又は水素分子イオンに対するＨ＋  イオン濃度比が高い。従って、第２の構成によっても第１の構成と同様に、多量のＨ＋  イオンがレジストマスクに注入される結果、レジストのドライエッチング耐性が向上する。
【００１７】
第２の構成における水素プラズマへのレジストマスクの暴露は、レジストマスクを水素プラズマの外側に配置して、水素プラズマから放出されるイオン流にレジストマスクを暴露することが好ましい。水素分子、水素ラジカル及び水素分子イオン等の重いイオン種は速度が小さいため水素プラズマの内部に閉じ込められ、水素プラズマの外側には軽いＨ＋  イオンが多くなる。このため、水素プラズマの外側ではプラズマ内よりも有効にＨ＋  イオンが注入される。
【００１８】
本発明の第２の構成において、該水素プラズマ処理工程の間に、該被加工物が載置された加工物保持台へ５０ＫＨｚ〜１ＭＨｚの高周波バイアス電圧を印加することが好ましい。印加バイアス電圧がかかる周波数範囲であると、水素プラズマ中の重いイオンは移動速度が大きくならず、軽いＨ＋  イオンがレジストマスクに注入される。Ｈ＋  イオンを選択的に注入するために、１００ＫＨｚ〜６００ＫＨｚの高周波バイアス電圧を印加することがより好ましい。
【００１９】
また、水素プラズマを０．６６Ｐａ以下の圧力下で発生することが望ましい。低圧下では、バイアス電圧が高く、かつイオンのエネルギー損失が少ないため、高エネルギーのＨ＋  イオンがレジストマスクに注入されるので、レジストパターンの深い部分までドライエッチング耐性が高くなる。これは、ドライエッチングによるレジストマスクの膜減りを抑制する上で効果がある。
【００２０】
さらに、本発明の第１〜第３の構成において、該レジストマスクは、２００ｎｍより短波長の光、例えばＡｒＦエキシマレーザ光より短波長光で露光されたレジスト膜を現像して形成することができる。また、上述した本発明のパターン形成方法において、該被加工物のドライエッチングを、弗素を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングにより行うことができる。ＡｒＦエキシマレーザ光のような短波長光で露光されるレジストは、とくに弗素を含むエッチングガスを用いたドライエッチングに対するエッチング耐性が低いので、かかるレジストやエッチングガスを用いたパターン形成工程に本発明を適用すると有用である。
【００２１】
本発明の第３の構成は、半導体装置の製造方法であって、第１〜第４のいずれかの構成により形成された該被加工物パターンをハードマスクとして、絶縁膜、例えば層間絶縁膜をドライエッチングする工程を有する。
上述した本発明では、レジストマスクの改質のためにＨ＋  イオン注入装置、例えばプラズマ発生装置を使用してＨ＋  イオンを注入する。従って、電子ビーム照射装置のような高価な装置を必要としない。また、プラズマ照射によるＨ＋  イオン注入は短時間でなされる。従って、本発明により安価な装置を用いて短時間でレジストマスクを改質することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明を半導体装置のシングルダマシン配線の製造工程に適用した実施形態例を参照して詳細に説明する。図１及び図２は本発明の実施形態例工程断面図（その１）及び（その２）であり、ハードマスクを用いて層間絶縁膜にダマシン配線用の配線溝を形成する工程を表している。図３は本発明の実施形態例レジストマスク処理装置断面図であり、Ｈ＋  イオンを注入するためのプラズマ処理装置を表している。
【００２３】
まず、図１（ａ）を参照して、表面に下層絶縁膜１が形成された図外の直径２００ｍｍ〜３００ｍｍの半導体基板（図３中の半導体基板１１）上に、厚さ３０ｎｍのプラズマＳｉＣからなるストッパ膜２を介して、厚さ３００ｎｍの層間絶縁膜３を積層した。なお、半導体基板１１表面には予め半導体回路素子が形成されている。この層間絶縁膜３は、例えばＣＶＤ法又は塗布法により形成される周知の有機系Ｌｏｗ−ｋ（低誘電率）絶縁膜からなる。次いで、厚さ５０ｎｍのプラズマＳｉＯ２  からなるハードマスク材料膜４を堆積する。このハードマスク材料膜４が、本実施形態例での被加工物である。なお、ストッパ膜２及びハードマスク材料膜４として、他にＳｉＮ膜、ＳｉＯ２  膜又はＳｉＯＮ膜を用いることもできる。次いで、厚さ８０ｎｍの反射防止膜（ＢＡＲＣ）５を塗布して堆積し、その上にＡｒＦレジスト（ＡｒＦエキシマレーザ光により露光されるレジスト）を塗布する。次いで、２００℃、１分間のプレアニールを行う。
【００２４】
次いで、シングルダマシンの配線パターンをＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）を用いて露光した後、２．８％ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）溶液を用いて現像し、配線パターン形状を有する開口７が開設されたレジストマスク６を形成する。なお、１２０℃で３０秒間のポストベークを行った。
【００２５】
次いで、図１（ｂ）を参照して、レジストマスク６にＨ＋  イオン８を注入する。本実施形態例では、Ｈ＋  イオン注入に使用するレジストマスク処理装置として、通常の誘導結合型プラズマ発生装置を用いた。レジストマスク処理装置は、図３を参照して、チャンバ１５内下部に加工物を保持するための加工物保持台１０を備える。この加工物保持台１０にはバイアス電源１７から高周波バイアス電圧を印加することができる。さらに、チャンバ１５上部にガス導入口１４が設けられ、チャンバ１５上部外周にプラズマ励起用の誘導コイル１２を備える。
【００２６】
まず、半導体基板１１を、レジストマスク４ａを上方に向けて加工物保持台１０上に載置する。次いで、ガス導入口１４からチャンバ１５内へＨ２  ガスを３００ｓｃｃｍ流し、チャンバ内圧力を０．６６Ｐａに保持する。次いで、誘導コイル１２にプラズマ励起電力を印加し、チャンバ１５内上方に水素プラズマ１３を発生させる。同時に、加工物保持台１０へ高周波バイアス電圧を印加する。その結果、レジストマスク４ａから離れて上方に発生した水素プラズマ１３から、選択的にＨ＋  イオン１６が放出されバイアス電圧により高エネルギに加速されて、レジストマスク４ａ中に注入される。次いで、プラズマ励起電力及び高周波バイアス電圧の供給を停止し、その後Ｈ２  ガスの導入を停止する。このＨ＋  イオン注入工程では、プラズマ励起として１３．５６ＭＨｚ、１ＫＷの高周波を用い、高周波バイアス電圧として１００ＫＨｚ、１ＫＷの高周波を用い、その結果１ＫＶのバイアス電圧を発生させた。なお、これらの高周波の印加時間はともに１０秒間とした。
【００２７】
次いで、半導体基板１１を平行平板型の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置内へ搬入し、弗素を含むエッチングガスを用いかつレジストマスク６をエッチングマスクとして、反射防止膜５及びハードマスク材料膜４を順次ドライエッチングする。
まず、図１（ｃ）を参照して、ＣＦ４  及びＡｒの混合ガスをエッチングガスとして用い、反射防止膜５をエッチングした。エッチングガス圧は６．６Ｐａ、プラズマ励起電力は５００Ｗである。次いで、図１（ｄ）を参照して、Ｃ４  Ｆ８  、Ｏ２  及びＡｒの混合ガスをエッチングガスとして用い、ハードマスク材料膜４をエッチングし、ハードマスク４ａを形成した。なお、エッチングガスのＣ４  Ｆ８  に代えて、Ｃ４  Ｆ６  又はＣ５  Ｆ８  を用いてもよい。エッチングガス圧は４．０Ｐａ、プラズマ励起電力は６００Ｗである。
【００２８】
次いで、図２（ｅ）を参照して、レジストマスク６及び反射防止膜５を順次除去して、配線パターンが転写されたハードマスク４ａを残す。レジストマスク６は酸素プラズマにより除去し、反射防止膜５はウェットエッチングにより除去した。なお、支障がなければ反射防止膜５を残すこともできる。この工程を終えて、被加工物のパターン形成、即ちハードマスク４ａのパターン形成工程が完了する。
【００２９】
次いで、図２（ｆ）を参照して、配線パターン形状の開口を有するハードマスク４ａをエッチングマスクとして使用し、ＣＦ４  及びＣＨＦ３  の混合ガスをエッチングガスとして用いる反応性イオンエッチングにより、層間絶縁膜３をエッチングして配線パターン形状を有するシングルダマシン配線用の配線溝３ａを形成する。
【００３０】
次いで、層間絶縁膜３及び配線溝３ａを含む全面にＣｕ膜を堆積し、ＣＭＰ（化学的機械的研磨）により層間絶縁膜３上のＣｕ膜を除去して、配線溝３ａに埋め込まれたシングルダマシンＣｕ配線９を形成する
本実施形態例では、ハードマスク４ａを形成するために弗素を含むガスを用いてドライエッチングしても、レジストマスク６のパターンの変形が小さく、精密なハードマスク４ａが形成できた。
【００３１】
上述した本発明の実施形態例ではハードマスクの形成方法に本発明を適用したが、本発明はこれに限られず、例えばレジストマスクを層間絶縁層のパターン形成用のドライエッチングマスクとして使用する場合のように、レジストマスクをドライエッチングマスクとして使用する工程に適用することもできる。
上述した本明細書には、以下の付記の発明が開示されている。
【００３２】
（付記１）被加工物上にレジストマスクを形成する工程と、
該レジストマスクに水素イオンを注入する工程と、
次いで、該レジストマスクをエッチングマスクとし、ドライエッチングにより該被加工物をパターニングする工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
【００３３】
（付記２）被加工物上にレジストマスクを形成する工程と、
誘導結合型又は電子サイクロトロン共鳴型プラズマ発生装置により発生された水素プラズマに、該レジストマスクを暴露する水素プラズマ処理工程と、
次いで、該レジストマスクをエッチングマスクとし、ドライエッチングにより該被加工物をパターニングする工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
【００３４】
（付記３）被加工物上にレジストマスクを形成する工程と、
誘導結合型又は電子サイクロトロン共鳴型プラズマ発生装置により水素プラズマを発生し、該水素プラズマから放出されるイオン流に該レジストマスクを暴露する水素プラズマ処理工程と、
次いで、該レジストマスクをエッチングマスクとし、ドライエッチングにより該被加工物をパターニングする工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
【００３５】
（付記４）付記２又は３記載のパターン形成方法において、
該水素プラズマ処理工程の間に、該被加工物を載置した加工物保持台へ５０ＫＨｚ〜１ＭＨｚの高周波バイアス電圧を印加することを特徴とするパターン形成方法。
（付記５）付記２、３又は４記載のパターン形成方法において、
該水素プラズマは、０．６６Ｐａ以下の低圧プラズマであることを特徴とするパターン形成方法。
【００３６】
（付記６）付記１、２、３、４又は５記載のパターン形成方法において、
該レジストマスクは、ＡｒＦエキシマレーザ光より短波長光で露光されたレジスト膜を現像して形成することを特徴とするパターン形成方法。
（付記７）付記１、２、３、４、５又は６記載のパターン形成方法において、該被加工物のドライエッチングは、弗素を含むエッチングガスを用いた反応性イオンエッチングであることを特徴とするパターン形成方法。
【００３７】
（付記８）付記１、２、３、４、５、６又は７記載のパターン形成方法により形成された該被加工物パターンをハードマスクとして、絶縁膜をドライエッチングする工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、レジストマスクのドライエッチング耐性が安価な装置を用いた短時間の処理により向上するので、低い製造コストで精密なエッチングパターンを形成することができ、半導体装置の信頼性の向上及び製造コストの低減に貢献するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例工程断面図（その１）
【図２】本発明の実施形態例工程断面図（その２）
【図３】本発明の実施形態例レジストマスク処理装置断面図
【図４】従来のハードマスク形成工程断面
【図５】従来のハードマスク形成工程平面図
【符号の説明】
１  下層絶縁膜
２  ストッパ膜
３  層間絶縁膜
３ａ  配線溝
４  ハードマスク材料膜
４ａ  ハードマスク
５  反射防止膜
６  レジストマスク
７  開口
８  Ｈ＋  イオン
９  Ｃｕ配線
１０  加工物保持台
１１  半導体基板
１２  誘導コイル
１３  水素プラズマ
１４  ガス導入口
１５  チャンバ
１６  Ｈ＋  イオン
１７  バイアス電源
【図１】
2004163451.tif 000003
【図２】
2004163451.tif 000004
【図３】
2004163451.tif 000005
【図４】
2004163451.tif 000006
【図５】
2004163451.tif 000007