(57)【要約】【課題】  有機膜３６、ハードマスク３７及びレジストマスク３８を順次積層したものをＲＩＥエッチングし、有機膜に微細孔を加工する場合、レジストマスクがアクリル系であると、有機膜のエッチングが終了する前にレジストマスクが無くなることで、ハードマスクが露出して長時間プラズマに曝され、ハードマスクにファセット３７ａが発生する。【解決手段】  エッチングガスとして窒素とＣｘＨｙとの混合ガスを用い、有機膜を選択的に異方性エッチングする。【選択図】  図２  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機膜、ハードマスク及びレジストマスクを順次積層したものをエッチングし、有機膜に微細孔を加工する有機膜のドライエッチング方法において、
エッチングガスとして窒素とＣｘＨｙとの混合ガスを用い、有機膜を選択的に異方性エッチングするようにしたことを特徴とする有機膜のドライエッチング方法。
【請求項２】
前記窒素とＣｘＨｙとの混合比として、混合ガスの総流量に対してＣｘＨｙの比率を２．５〜２５％、好ましくは１５〜２５％とすることを特徴とする請求項１記載の有機膜のドライエッチング方法。
【請求項３】
前記ＣｘＨｙとして、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６の中から選択することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の有機膜のドライエッチング方法。
【請求項４】
前記混合ガスに、エッチングパターンが狭化しないように酸素を添加することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の有機膜のドライエッチング方法。
【請求項５】
前記酸素の比率を、混合ガスの総流量に対して３０％以下とすることを特徴とする請求項４記載の有機膜のドライエッチング方法。
【請求項６】
前記有機膜、ハードマスク及びレジストマスクが順次積層された処理基板の温度を６℃〜３０℃の範囲内で設定することを特徴とする請求項５記載の有機膜のドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機膜をドライエッチングする方法に関し、特に、有機膜とレジストマスクとの間に、無機材料から構成されるハードマスクを設けた積層膜をドライエッチングする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＳＩの高集積化及び高速化に伴って半導体基板の配線の微細化と多層化が進むと共に相互接続部の数も増加している。このことから、配線溝やホールなどを完全に埋込んだ後、ＣＭＰ処理を行って基板表面を平坦化する方法を繰り返すダマシンプロセスが開発されている（例えば、特許文献１参照）。配線層と下層配線接続用のビアホールとを一括して形成したデュアルダマシン構造は次の工程を経て形成される。
【０００３】
即ち、Ｃｕ等の第１配線上にビア層間膜として用いられる第１絶縁膜（ＳｉＯ）を所定膜厚で形成した基板上に、Ｌｏｗ−ｋ材料から構成される第１層間絶縁膜とトレンチエッチングの際にエッチングストップ膜として機能するＳｉＮ膜とを順次積層する。次いで、このストップ膜上にＬｏｗ−ｋ材料から構成される第２層間絶縁膜を形成し、この第２層間絶縁膜上にレジストを塗布してフォトリソグラフィ工程でマスクパターンを形成し、異方性エッチングによってビアホールを形成し、一旦レジストを剥離、除去する。
【０００４】
次に、各層間絶縁膜へのトレンチエッチングのため、各層間絶縁膜上に配線用のマスクパターンを形成する。この場合、トレンチエッチングの際にビアホール内に埋め込まれたレジストを、層間絶縁膜のトレンチ底面よりも深く掘り下げてエッチングし、残渣（フェンシング残渣）の発生を回避するために、マスクパターンを三層構造で形成することが考えられている。即ち、ビアホール内部を含む全面に、有機膜を形成し、この有機膜上にＳｉＣ、ＳｉＯ2またはＳｉＮなどのハードマスクを形成した後、レジストを塗布してフォトリソグラフィ工程で所定のマスクパターンを形成し、三層構造のマスクが形成される。そして、ハードマスク、有機膜を順次エッチングして有機膜に微細孔が形成した後、異方性エッチングにより層間絶縁膜にトレンチが形成される。ハードマスクを形成するのは、レジストが有機膜と同様に有機物であり、エッチング形状を維持するのに十分な選択比を確保することが困難であることから、ＳｉＣ、ＳｉＯ2またはＳｉＮ等の無機膜に一度マスクパターンを転写するためである。
【特許文献１】特開２００３−１７４０８５号公報（例えば、特許請求の範囲の記載）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、６４−４５ｎｍｎｏｄｅ世代に対応して、ＫｒＦフォトリソグラフィ若しくはＡｒＦフォトリソグラフィが導入されている。この場合、ＫｒＦフォトリソグラフィ若しくはＡｒＦフォトリソグラフィ用のレジストがアクリル系であるため、３層構造のマスクをＲＩＥエッチングすると、このレジストのエッチング速度が有機膜のエッチング速度より早くなる。従って、有機膜のエッチングが終了する前にレジストが無くなることで、ハードマスクが露出して長時間プラズマに曝され、ハードマスクにファセット（片落ち）が発生する。ファセットが発生すると、ハードマスク下側の有機膜のエッチング形状に寸法変換誤差（ＣＤ−Ｌｏｓｓ）が生じ、高度なエッチング形状の寸法制御が不可能になる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記点に鑑み、ハードマスクとレジストマスクとを積層した有機膜をエッチングする場合に、ハードマスクにファセットが発生しないようにした有機膜のドライエッチング方法を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の有機膜のドライエッチング方法は、有機膜、ハードマスク及びレジストマスクを順次積層したものをエッチングし、有機膜に微細孔を加工する有機膜のドライエッチング方法において、エッチングガスとして窒素とＣｘＨｙとの混合ガスを用い、有機膜を選択的に異方性エッチングするようにしたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、エッチングガスとして窒素とＣｘＨｙとの混合ガスを用いたので、有機膜をエッチングする間、ＣｘＨｙの堆積効果によりレジストマスクが保護されて高い対レジスト選択比が得られる。このため、有機膜に所定の深さで微細孔をエッチングする間、ハードマスクがレジストに覆われたままでプラズマに曝されず、ハードマスクへのファセットの発生が防止され、高い寸法制御の下で所定の深さまでエッチングすることが可能になる。
【０００９】
前記窒素とＣｘＨｙとの混合比として、混合ガスの総流量に対してＣｘＨｙの比率を２．５〜２５％、好ましくは１５〜２５％とすればよい。この場合、ＣｘＨｙの比率が２５％を超えると、レジストマスク及び有機膜のエッチングレート低下量が多くなるため、実用的ではない。
【００１０】
この場合、前記ＣｘＨｙとして、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６の中から選択すればよい。
【００１１】
また、ＣｘＨｙの堆積効果により有機膜へのエッチングパターンが狭化することがある。この場合、前記混合ガスに、エッチングパターンが狭化しないように酸素を添加すればよい。
【００１２】
また、前記酸素の比率を、混合ガスの総流量に対して３０％以下とすればよい。
【００１３】
酸素を多く添加した場合、この酸素の高い反応性によってエッチング底面にアンダーカット形状が生じることがある。この場合、前記有機膜、ハードマスク及びレジストマスクを順次積層した処理基板の温度を６℃〜３０℃の範囲内で設定すれば、窒素による表面窒化膜形成と、ＣｘＨｙからの解離生成物のサイドウォールへの堆積とにより安定したサイドウォール保護膜が形成されることで異方性形状が得られ、エッチング底面へのアンダーカット形状の発生が防止できてよい。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明の有機膜のドライエッチング方法では、ハードマスクとレジストマスクとを積層した有機膜をエッチングする場合にハードマスクへのファセットの発生が防止できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１を参照して、１は、後述の３層構造のマスクをドライエッチングして有機膜に微細孔を加工するエッチング装置である。このエッチング装置１は、低温、高密度プラズマによるエッチングが可能なものであり、ターボ分子ポンプなどの真空排気手段１１ａを備えた真空チャンバ１１を有する。その上部には、誘電体円筒状壁により形成されたプラズマ発生部１２が、その下部には基板電極部１３が設けられている。プラズマ発生部１２を区画する壁（誘電体側壁）１４の外側には、三つの磁場コイル１５、１６、１７が設けられ、この磁場コイル１５，１６、１７によって、プラズマ発生部１２内に環状磁気中性線（図示せず）が形成される。中間の磁場コイル１６と誘電体側壁１４の外側との間にはプラズマ発生用高周波アンテナコイル１８が配置され、この高周波アンテナコイル１８は、第１高周波電源１９に接続され、三つの磁場コイル１５、１６、１７によって形成された磁気中性線に沿って交番電場を加えてこの磁気中性線に放電プラズマを発生するように構成されている。
【００１６】
磁気中性線の作る面と対向させて基板電極部１３内には、処理基板Ｓが載置される基板電極２０が絶縁体２０ａを介して設けられている。この基板電極２０は、コンデンサー２１を介して第２高周波電源２２に接続され、電位的に浮遊電極となって負のバイアス電位となる。また、プラズマ発生部１２の天板２３は、誘電体側壁１４の上部フランジに密封固着され、電位的に浮遊状態とし対向電極を形成する。この天板２３の内面には、真空チャンバ１１内にエッチングガスを導入するガス導入ノズル２４が設けられ、このガス導入ノズル２４が、ガス流量制御手段（図示せず）を介してガス源に接続されている。
【００１７】
上記エッチング装置を用いて微細孔が加工される三層構造のマスクは、デュアルダマシン構造形成の際に用いられる。この場合、配線層と下層配線接続用のビアホールとを一括して形成したデュアルダマシン構造は次の工程を経て形成される。即ち、図２に示すように、エッチングの際にエッチングストップ膜として機能するＳｉＮ（またはＳｉＣ）膜３１上に、比誘電率の低いＬｏｗ−ｋ材料から構成される層間絶縁膜３２と、ＳｉＮ、ＳｉＯ２またはＳｉＣなどの層間絶縁膜３２のキャップ層３３とを順次積層し、このキャップ層３３上にレジストを塗布してフォトリソグラフィ工程でマスクパターン３４を形成し（図２（ａ)参照）、異方性エッチングによってビアホール３５を形成し（図２（ｂ）参照）、一旦マスクパターン３４を剥離、除去する。
【００１８】
次に、層間絶縁膜３２へのトレンチエッチングのため、キャップ層３３上に再度マスクを形成する。この場合、ビアホール３５内部を含む全面に有機膜３６を形成し、この有機膜３６上にハードマスク３７を形成し（図２（ｃ）参照）、次いで、レジストを塗布してフォトリソグラフィ工程で所定のマスクパターン３８を形成して三層構造のマスクが形成される（図２（ｄ）参照）。次いで、ハードマスク３７、有機膜３６を順次エッチングした後、異方性エッチングにより配線用のトレンチ３９を形成する（図３（ｅ）及び（ｆ）参照）。そして、層間絶縁膜３２へのトレンチエッチングが終了した後、ＳｉＮ膜３１をエッチングにより除去する（図２（ｇ）参照）。
【００１９】
有機膜３６は、公知のレジスト有機材料であり、商品名SiLK／Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK／Dow Chemical社製、商品名FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 Porous FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 GX‐3P／Honeywell Electric Materials社製などの有機系材料であってもよい。ハードマスク３７は、ＳｉＣ、ＳｉＯ2またはＳｉＮなどの公知のものであり、この有機膜３６及びハードマスク３７はスピンコートによって形成される。層間絶縁膜３２は、スピンコートによって形成されたＨＳＱやＭＳＱのようなＳｉＯＣＨ系材料、或いはＣＶＤによって形成されるＳｉＯＣ系材料で比誘電率２．０〜３．０のＬｏｗーｋ材料であり、多孔質材料であってもよい。塗布系のＳｉＯＣＨ系材料としては、例えば、商品名NCS／触媒化成工業社製、商品名ＬＫＤ５１０９ｒ５／ＪＳＲ社製、商品名HSG−７０００／日立化成社製、商品名HOSP／Honeywell Electric Materials社製、商品名Nanoglass／Honeywell  Electric Materials社製、商品名OCD T−１２／東京応化社製、商品名OCD  T−３２／東京応化社製、商品名IPS２．４／触媒化成工業社製、商品名IPS２．２／触媒化成工業社製、商品名ALCAP−S５１００／旭化成社製、商品名ＩＳＭ／ＵＬＶＡＣ社製がある。
【００２０】
ＳｉＯＣ系材料としては、例えば、商品名Aurola２．７／日本ＡＳＭ社製、商品名Aurola２．４／日本ＡＳＭ社製、商品名Orion２．７／TRIKON社製、商品名Coral／Novellf社製、商品名Black Diamond／AMAT社製がある。また、商品名SiLK／Dow Chemical社製、商品名Porous-SiLK／Dow Chemical社製、商品名FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 Porous FLARE／Honeywell Electric Materials社製、商品名 GX‐3P／Honeywell Electric Materials社製などの有機系の低誘電率層間絶縁膜でもでもよい。レジストとしては、９０ｎｍ及び６４−４５ｎｍｎｏｄｅ世代におけるＫｒＦフォトリソグラフィ工程、ＡｒＦフォトリソグラフィ工程またはＦ２フォトリソグラフィ工程を用いるため、ｉ線レジスト、例えばＴＨＭＲ−ｉＰ５７００／東京応化工業株式会社、ＫｒＦフォトリソグラフィレジスト、例えばＴＤＵＲ−Ｐ０３６／東京応化工業株式会社、またはＡｒＦフォトリソグラフィレジスト、例えばＴＡＲＦ−７０２９／東京応化工業株式会社が使用される。
【００２１】
ところで、図３（ａ）に示すように、エッチングガスとして、Ｃ３Ｆ８、Ａｒ及びＯ２の混合ガスを用い、上記エッチング装置１によりハードマスク３７を形成した有機膜３６をエッチングすると、ＫｒＦフォトグラフィ若しくはＡｒＦフォトグラフィ用のレジスト３８はアクリル系であるため、レジスト３８のエッチング速度が有機膜３６のエッチング速度より早くなる。このため、有機膜３６のエッチングが終了する前にレジスト３８が無くなることで、ハードマスク３７が露出して長時間プラズマに曝され、ハードマスク３７にファセット３７ａが発生する。このファセット３７ａが発生すると、ハードマスク３７下側の有機膜３６のエッチング形状に寸法変換誤差（ＣＤ−Ｌｏｓｓ）が生じ、高度なエッチング形状の寸法制御が不可能になる。
【００２２】
そこで、図３（ｂ）に示すように、本実施の形態では、エッチングガスとして窒素とＣｘＨｙとの混合ガスを用い、有機膜３６を選択的に異方性エッチングするようにした。即ち、このエッチングガスを導入して上記エッチング装置１によりハードマスク３７とレジスト３８とを順次積層した有機膜３６をエッチングした場合、有機膜３６をエッチングする間、ＣｘＨｙの堆積効果によりレジスト３８が保護されて高い対レジスト選択比が得られる。このため、有機膜３６に所定の深さで微細孔３６ａをエッチングする間、ハードマスク３７がレジストに覆われたままでプラズマに曝されず、ハードマスク３７へのファセットの発生が防止され、高い寸法制御の下でエッチングできる。
【００２３】
ＣｘＨｙガスは、ＣＨ４、Ｃ２Ｈ２、Ｃ２Ｈ６などを用いる。また、窒素とＣｘＨｙとの混合比として、ＣｘＨｙの比率を２．５〜２５％、好ましくは１５〜２５％とする。この窒素とＣｘＨｙとの混合を用いると、ＣｘＨｙの堆積効果により有機膜へのエッチングパターンが狭化することがある。この場合、前記混合ガスに、エッチングパターンが狭化しないように酸素を添加すればよい。前記酸素の比率を、混合ガスの総流量に対して３０％以下とすればよい。尚、酸素を多く添加した場合、この酸素の高い反応性によってエッチング底面にアンダーカット形状が生じることがある。この場合、前記有機膜３６、ハードマスク３７及びレジストマスク３８を順次積層した処理基板の温度を６℃〜３０℃の範囲内で設定すれば、窒素による表面窒化膜形成と、ＣｘＨｙからの解離生成物のサイドウォールへの堆積とにより安定したサイドウォール保護膜が形成されることで異方性形状が得られ、エッチング底面へのアンダーカット形状の発生が防止できてよい。
【実施例１】
【００２４】
本実施例では、３層構造のマスクを構成する有機膜３６の材料として、ｉ線レジストジアゾナフトキノンノボロック系有機膜を用い、スピンコータにより３００ｎｍの膜厚で形成した。次いで、ハードマスク３７の材料として、ＳｉＮを使用し、スピンコータにより１００ｎｍの膜厚で形成した。そして、マスクパターン３８を構成するレジストとしてＡｒＦフォトリソグラフィ用のレジストであるＴＡＲＦ−７０２９を用い、ハードマスク３７上に、スピンコータによりレジストを塗布し、ＡｒＦフォトリソグラフィ工程でマスクパターン３８を形成し、有機膜３６内に微細孔をエッチングした。この場合、エッチングガスとしてはＮ２とＣＨ４との混合ガスを用い、このエッチングガスを２００ｓｃｃｍ、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ＫＷ、基板電極２０に接続した高周波電源２２の出力を１００Ｗ、基板温度１０℃、真空チャンバ１１の圧力を２．５Ｐａに設定してエッチングした。
【００２５】
図４には、Ｎ２とＣＨ４との混合比として、混合ガスの総流量に対してＣＨ４の比率を０〜１００％の範囲で変化させたときの有機膜３６及びレジスト３８のエッチングレートと対レジスト選択比とが示されている。これによれば、ＣＨ４を添加すると、その当初、最下層の有機膜３６のエッチング速度には変化が見られないが（線Ａ）、最上層のマスクパターン３８のエッチング速度が低下し（線Ｂ）、ＣＨ４の比率が約１５％になると、エッチング速度は約４０％低下してＡｒＦレジスト３７に対する有機膜３６のエッチング選択比は１．５を超える（線Ｃ）。これは、ＣＨ４から生成されるＣｘＨｙ粒子による堆積効果によってマスクパターン３８のエッチング速度が抑制されると共に、有機膜３６内のエッチングパターン内にＣｘＨｙ粒子が入射されず、ＮやＮＨｘなどの粒子が選択的にエッチングパターン内に入射されて最下層の有機膜３６のエッチングが進行することによるものである。尚、ＣＨ４の比率が２５％を超えると、マスクパターン３８及び有機膜３６のエッチングレート低下量が多くなって実用的ではないことが判る。また、ＣＨ４の比率が２．５％より少ないと、レジスト３８に対する有機膜３６のエッチング選択比は１より小さくなった。
【実施例２】
【００２６】
本実施例では、３層構造のマスクを構成する有機膜３６の材料としてＭＳＱを用い、スピンコータにより３００ｎｍの膜厚で形成した。次いで、ハードマスク３７の材料として、ＳＯＧを使用し、スピンコータにより１００ｎｍの膜厚で形成した。そして、マスクパターン３８を構成するレジストとしてＴＡＲＦ−７０２９を用い、ハードマスク３７上に、スピンコータによりレジストを塗布し、ＡｒＦフォトリソグラフィ工程でマスクパターン３８を形成して有機膜３６内に微細孔をエッチングした。この場合、エッチングガスとしてはＮ２とＣＨ４との混合ガスを用い、このエッチングガスを２００ｓｃｃｍ（Ｎ２を１７０ｓｃｃｍ、ＣＨ４を３０ｓｃｃｍ）、プラズマ発生用高周波アンテナコイル１８に接続した高周波電源１９の出力を２ＫＷ、基板電極２０に接続した高周波電源２２の出力を１００Ｗ、基板温度１０℃、真空チャンバ１１の圧力を２．５Ｐａに設定してエッチングした。比較例として、ＣＨ４に代えて、混合ガスの総流量に対して１５％の比率でＨ２またはＯ２を添加してエッチングを行った。
【００２７】
図５は、Ｈ２、Ｏ２、ＣＨ４をそれぞれ添加して有機膜３６をエッチングしたときのＳＥＭ写真である。図５（ａ）に示すように、Ｈ２を添加してものでは、ハードマスク３７にファセットが発生し、有機膜３６のエッチング形状がテーパ形状となった。また、図５（ｂ）に示すように、Ｏ２を添加したものでは、酸素の高い反応性によりアンダーカット形状が生じた。それに対して、図５（ｃ）に示すように、ＣＨ４を添加した場合、有機膜３６のエッチング形状は、深さ方向に均等のエッチング幅でエッチングされ、高い寸法制御性が得られていることが判る。
【実施例３】
【００２８】
本実施例では、上記実施例２と同様に形成した３層構造のマスクを、上記実施例２と同条件でエッチングした。エッチングガスとしては、Ｎ２とＣＨ４との混合ガスに、混合ガスの総流量に対して０％、１５％及び３０％の比率で酸素を添加したものを用いた。図６は、各比率で酸素を添加したエッチングガスで有機膜３６をエッチングしたときのＳＥＭ写真である。これによれば、酸素添加率を増加させると、エッチング幅が広がることが判る。これにより、酸素添加率を変化させるとエッチング幅が制御でき、酸素の添加によってＣｘＨｙの堆積効果による有機膜へのエッチングパターンの狭化が防止できる。また、３０％の比率で酸素を添加しても、エッチング底面にアンダーカット形状の発生は見られなかった。
【００２９】
図７は、混合ガスに１５％の比率で酸素を添加し、処理基板Ｓの温度を変化させて有機膜をエッチングしたときの処理基板温度に対するエッチング寸法と寸法変換誤差率とを示す。これによれば、処理基板温度を０℃より高めていくと、エッチング幅が次第に増加していることが判る（線Ｄ参照）。また、６℃〜３０℃の範囲では、寸法変化誤差率が５％以内になり（線Ｅ参照）、また、エッチング底面にアンダーカット形状の発生が防止された。尚、寸法変換誤差率は、エッチング前のエッチングマスクの線幅から、エッチングされたエッチング材料の線幅を引いて算出される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の低誘電率の層間絶縁膜のエッチング方法を実施するエッチング装置を概略的に示す図。
【図２】（ａ）乃至（ｇ）は、デュアルダマシン構造形成を説明する図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、３層構造のマスクのエッチングを概略的に説明にする図。
【図４】Ｎ２とＣＨ４との混合比として、混合ガスの総流量に対してＣＨ４の比率を変化させたときの有機膜及びＡｒＦレジストのエッチングレートと対レジスト選択比とを示すグラフ。
【図５】Ｈ２、Ｏ２、ＣＨ４をそれぞれ添加して有機膜３６をエッチングしたときのＳＥＭ写真。
【図６】混合ガスの総流量に対して酸素の比率を変化させて有機膜をエッチングしたときのＳＥＭ写真。
【図７】酸素を添加してエッチングする場合に、処理基板の温度を変化させたときの基板温度に対するエッチング寸法と寸法変化誤差率とを示すグラフ。
【符号の説明】
【００３１】
１  エッチング装置
３６  有機膜
３７  ハードマスク
３８  （レジスト）マスクパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005079192.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005079192.tif 000008
【図７】
2005079192.tif 000009