(57)【要約】【課題】高精度のドライエッチング加工とＬＥＲの低減をともに実現することのできる被エッチング膜の加工方法を提供する。【解決手段】被エッチング膜の上部に、下層より順に有機マスク層４０、シリコン含有層５０およびレジスト層７０を形成する工程と、フォトリソグラフィー法により前記レジスト層７０に所定のパターンを形成する工程と、前記レジスト層７０をマスクとして、第一エッチングガスを用いて前記シリコン含有層５０をエッチングする工程と、前記エッチングされたシリコン含有層５０をマスクとして、第二エッチングガスを用いて前記有機マスク層４０をエッチングする工程と、前記エッチングされた有機マスク層４０をマスクとして、第三エッチングガスを用いて前記被エッチング膜をエッチングする工程と、を含み、前記第一エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする被エッチング膜の加工方法。【選択図】図１
2009123866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の上部に設けられた被エッチング膜の上部に、下層より順に有機マスク層、シリコン含有層およびレジスト層を形成する工程と、
フォトリソグラフィー法により前記レジスト層に所定のパターンを形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとして、第一エッチングガスを用いて前記シリコン含有層を前記パターンにエッチングする第一エッチング工程と、
前記エッチングされたシリコン含有層をマスクとして、第二エッチングガスを用いて前記有機マスク層を前記パターンにエッチングする第二エッチング工程と、
前記エッチングされた有機マスク層をマスクとして、第三エッチングガスを用いて前記被エッチング膜を前記パターンにエッチングする第三エッチング工程と、
を含み、
前記第一エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記被エッチング膜が有機を含む、または無機のシリコン含有膜であり、前記第三エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第三エッチングガスが実質的に酸化性ガスを含まず、前記第二エッチングガスが酸化性ガスを含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記被エッチング膜が多孔質の有機酸化ケイ素材料からなる請求項２または３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記シリコン含有層とレジスト層との間に反射防止層を形成する工程を有する請求項１から４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第一エッチング工程において、前記反射防止層とシリコン含有層をともに前記第一エッチングガスでエッチングすることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第一エッチングガスが窒素ガスを含む請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記第一乃至第三エッチング工程を、共通のエッチングチャンバー内にて行う請求項１から７のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記被エッチング膜に形成されるパターンが、横並びに配置された複数本の溝からなり、隣接する前記溝の中心線同士の間隔が１４０ｎｍ以下である請求項１から８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記溝の側面に形成される凹凸の大きさ（１σ）が、前記溝の幅寸法の２．５％以下である請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
被エッチング膜の上部に、下層より順に有機マスク層、シリコン含有層およびレジスト層を形成する工程と、
フォトリソグラフィー法により前記レジスト層に所定のパターンを形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとして、第一エッチングガスを用いて前記シリコン含有層を前記パターンにエッチングする第一エッチング工程と、
前記エッチングされたシリコン含有層をマスクとして、第二エッチングガスを用いて前記有機マスク層を前記パターンにエッチングする第二エッチング工程と、
前記エッチングされた有機マスク層をマスクとして、第三エッチングガスを用いて前記被エッチング膜を前記パターンにエッチングする第三エッチング工程と、
を含み、
前記第一エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする被エッチング膜の加工方法。
【請求項１２】
前記被エッチング膜が有機を含む、または無機のシリコン含有膜であり、前記第三エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする請求項１１に記載の被エッチング膜の加工方法。
【請求項１３】
前記第三エッチングガスが実質的に酸化性ガスを含まず、前記第二エッチングガスが酸化性ガスを含むことを特徴とする請求項１２に記載の被エッチング膜の加工方法。
【請求項１４】
前記シリコン含有層とレジスト層との間に反射防止層を形成する工程を有する請求項１１から１３のいずれかに記載の被エッチング膜の加工方法。
【請求項１５】
前記第一エッチング工程において、前記反射防止層とシリコン含有層をともに前記第一エッチングガスでエッチングすることを特徴とする請求項１４に記載の被エッチング膜の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜をドライエッチングによりパターン加工する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置や液晶ディスプレイ装置、光デバイスなどの分野ではパターン加工の微細化が進められている。例えば半導体装置では、バックエンド工程にて層間絶縁膜にパターニングされる配線溝や、フロントエンド工程にてパターニングされるゲート酸化膜またはコンタクトホールなどがこれにあたる。また液晶ディスプレイ装置では液晶分子に電圧を印加してこれを駆動する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、光デバイスではフィルムや基板上にパターニングされる光導波路などがこれにあたる。
【０００３】
ここでドライエッチングにあたっては、パターンが微細化されるほど、形成されるパターンの側面に生じる凹凸（Ｌｉｎｅ  Ｅｄｇｅ  Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ：以下「ＬＥＲ」という場合がある。）の影響が相対的に大きくなる。特に配線溝などのラインパターンを形成する場合には、ラインの側壁上に形成されるＬＥＲの影響が問題となる。ＬＥＲが増大すると、例えば半導体素子の配線溝に関しては、配線側壁での電子散乱による電気抵抗の増大や、配線間のリーク電流の増大、配線寿命の低下などの問題が起きる。同様に、液晶ディスプレイ装置の薄膜トランジスタにおける電子散乱や、光デバイスの光導波路における光散乱なども問題となる。
【０００４】
ドライエッチングによる半導体装置の配線溝の形成方法について、例えば下記特許文献１には、上から順に上層レジスト層／有機シリコン酸化層／下層有機層を積層した多層レジスト構造からなるレジスト膜を設けた層間絶縁膜を加工する技術が記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７０５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ドライエッチングが進行すると、被エッチング膜とともに、レジスト膜（マスク）もまた初期厚さから徐々に膜厚を減少していく。そして本発明者の検討によれば、ドライエッチングの終了時点において被エッチング膜の表面に残るレジスト残膜の厚さが少なくなるほど、そして、エッチング途中のレジスト膜の表面粗さが大きいほど、被エッチング膜に形成されるパターンの側面に、より大きなＬＥＲが生じることが明らかとなった。
【０００７】
ここで、上記特許文献１に記載のように上下層（上層レジスト層および下層有機層）と中間層（有機シリコン酸化層）のエッチング選択比を相違させた多層のレジスト膜を用いることにより、被エッチング膜である層間絶縁膜のマスクとなる下層有機層の初期厚さをある程度大きく確保することが可能となる。
【０００８】
しかし上記特許文献１に記載のように、多層レジスト膜の中間層として設けるシリコン含有層（有機シリコン酸化層）をＣＦ４、酸素およびアルゴンの混合ガスでドライエッチングする従来の工程では、上層レジスト層の残膜が少なくなることと、上層レジスト層の表面粗さが大きくなることによりシリコン含有層に大きなＬＥＲが発生し、ひいては最終的にエッチングされる被エッチング膜にも大きなＬＥＲを生じさせることが本発明者の検討により明らかとなった。
また一方で近年では、配線幅や配線間隔などの微細化に伴い、レジスト層のパターニングを露光機にて極めて高い解像度で行う必要があることから、露光機の浅い焦点深度内にレジスト層の初期膜厚を収めることが望まれ、したがってレジスト層の初期膜厚は減少傾向にある。また多層レジスト膜のエッチング深さが過剰となってその縦横比が所定以上となるとレジスト膜の倒れの問題が生じることとなるなど、微細化の進む近年では被エッチング膜の上部に与えられるレジスト残膜の厚さを十分に確保することも困難となっている。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、高精度のドライエッチング加工とＬＥＲの低減をともに実現することのできる加工方法を提供するものであり、特に半導体基板の上部に形成された被エッチング膜を高精度かつ小さなＬＥＲにて加工する工程を含む半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、半導体基板の上部に設けられた被エッチング膜の上部に、下層より順に有機マスク層、シリコン含有層およびレジスト層を形成する工程と、
フォトリソグラフィー法により前記レジスト層に所定のパターンを形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとして、第一エッチングガスを用いて前記シリコン含有層を前記パターンにエッチングする第一エッチング工程と、
前記エッチングされたシリコン含有層をマスクとして、第二エッチングガスを用いて前記有機マスク層を前記パターンにエッチングする第二エッチング工程と、
前記エッチングされた有機マスク層をマスクとして、第三エッチングガスを用いて前記被エッチング膜を前記パターンにエッチングする第三エッチング工程と、
を含み、
前記第一エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【００１１】
この発明によれば、第一エッチングガスにＣＦ３Ｉを用いることで、シリコン含有層のドライエッチング工程においてエッチング反応生成物の再付着（デポジション：以下「デポ」と略記する場合がある。）が抑えられるため、シリコン含有層に発生するＬＥＲが抑制される。そして本発明者の検討によれば、上部の層に発生したＬＥＲが下部の層に連鎖的にＬＥＲを発生させることが明らかとなっている。したがってこの発明によれば、続く第二および第三エッチング工程を経て最終的にエッチングされる被エッチング膜に対してもパターンが高解像度で形成されるとともに、被エッチング膜に生じるＬＥＲが抑制される。
【００１２】
また本発明においては、前記被エッチング膜が有機を含む、または無機のシリコン含有膜であり、前記第三エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むこととしてもよい。
【００１３】
かかる態様によれば、第三エッチング工程における被エッチング膜のエッチングレートを向上させつつ、デポジション性を低下させることができる。このため被エッチング膜に対する更なる高解像度のパターニングとＬＥＲの抑制が可能となる。
【００１４】
また本発明においては、前記第三エッチングガスが実質的に酸化性ガスを含まず、前記第二エッチングガスが酸化性ガスを含むこととしてもよい。ここで酸化性ガスとは、分子中に酸素（Ｏ）元素を含むガスをいう。
【００１５】
かかる態様によれば、第三エッチング工程において、被エッチング膜であるシリコン含有膜に対するエッチングレートを良好に維持しつつ、第三エッチングガスが被エッチング膜に与えるダメージを緩和することで、被エッチング膜に生じるＬＥＲを小さくする（ＬＥＲを低減する）ことができる。
また本発明においては、被エッチング膜が多孔質の有機酸化ケイ素材料からなることとしてもよい。かかる態様によれば、第三エッチング工程における上記作用がより顕著となる。
【００１６】
また本発明においては、シリコン含有層とレジスト層との間に反射防止層を形成する工程を有することとしてもよい。
【００１７】
かかる態様によれば、シリコン含有層の上層にあたるレジスト層のパターニングがフォトリソグラフィー法により高解像度でおこなわれる。また反射防止膜は、第二エッチング工程においてシリコン含有層を保護し、またシリコン含有層とともに中間層として機能することによって有機マスク層をより保護する。これにより、第三エッチング工程におけるレジスト膜の初期厚さが大きく確保され、ひいては被エッチング膜に生じるＬＥＲが抑制されることとなる。
【００１８】
また本発明によれば、被エッチング膜の上部に、下層より順に有機マスク層、シリコン含有層およびレジスト層を形成する工程と、
フォトリソグラフィー法により前記レジスト層に所定のパターンを形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとして、第一エッチングガスを用いて前記シリコン含有層を前記パターンにエッチングする第一エッチング工程と、
前記エッチングされたシリコン含有層をマスクとして、第二エッチングガスを用いて前記有機マスク層を前記パターンにエッチングする第二エッチング工程と、
前記エッチングされた有機マスク層をマスクとして、第三エッチングガスを用いて前記被エッチング膜を前記パターンにエッチングする第三エッチング工程と、
を含み、
前記第一エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする被エッチング膜の加工方法が提供される。
【００１９】
この発明によれば、第一エッチング工程において良好な選択比と低いデポジション性が得られるため、シリコン含有層のエッチング工程におけるレジスト層の表面粗さが抑えられ、これによりシリコン含有層に生じるＬＥＲが低減される。したがってシリコン含有層をマスクとして行われる有機マスク層の第二エッチング工程が高品質で行われる。これにより、第三エッチング工程を経て最終的にドライエッチングされる被エッチング膜の高解像度のパターン形成およびＬＥＲの低減がともに実現される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、被エッチング膜を高い解像度かつ小さなＬＥＲにてパターン加工することのできる加工方法、および半導体装置の製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施の形態にかかる半導体装置１００の製造方法を示す模式図である。ただし同図においては半導体基板や、その上部に形成される電極などは図示を省略している。
【００２２】
本実施形態の半導体装置１００の製造方法は、半導体基板の上部に設けられた被エッチング膜（層間絶縁膜３０）の上部に、下層より順に有機マスク層４０、シリコン含有層５０およびレジスト層７０を形成する工程と、
フォトリソグラフィー法により前記レジスト層７０に所定のパターンを形成する工程と、
前記レジスト層７０をマスクとして、第一エッチングガスを用いて前記シリコン含有層５０を前記パターンにエッチングする第一エッチング工程と、
前記エッチングされたシリコン含有層５０をマスクとして、第二エッチングガスを用いて前記有機マスク層４０を前記パターンにエッチングする第二エッチング工程と、
前記エッチングされた有機マスク層４０をマスクとして、第三エッチングガスを用いて前記被エッチング膜（層間絶縁膜３０）を前記パターンにエッチングする第三エッチング工程と、
を含み、
前記第一エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする。
【００２３】
本実施形態の製造方法により得られる半導体装置１００においては、シリコン含有層５０とレジスト層７０との層間に、図示のように反射防止層（以下、「ＡＲＣ」という場合がある）６０を設けてもよい。このほか有機マスク層４０／シリコン含有層５０／レジスト層７０からなる多層レジスト膜の下に、キャップ層など他の介在層を設けてもよい。また半導体基板と、被エッチング膜（層間絶縁膜３０）との間に、図示のように下層配線層１０とエッチングストッパー層２０を下層よりこの順に予め積層していてもよい。すなわち本実施形態の製造方法にてドライエッチング加工される層間絶縁膜３０の下層には、図示のように下層配線層１０が設けられても、またはトランジスタ層が設けられてもよい。
【００２４】
下層配線層１０は、以下に述べる層間絶縁膜３０と同様の材料および工程によって金属配線が既に形成された層である。すなわち本実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上で複数回にわたって繰り返し実行されてもよい。
また第三エッチング工程を停止させるエッチングストッパー層２０としては、ＳｉＣやＳｉＣＮを成膜して用いるとよい。
【００２５】
次に、本実施形態による被エッチング膜として、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）材料からなる層間絶縁膜３０を成膜する。
層間絶縁膜３０の比誘電率ｋは好ましくは３．０以下、さらに好ましくは２．５以下であり、誘電率の観点からポーラス（ｐ−）ＳｉＯＣを用いるとよい。ｐ−ＳｉＯＣによる層間絶縁膜３０は、例えばテトラメチルシランガスを用いたプラズマＣＶＤ法により成膜される。
【００２６】
このほか層間絶縁膜３０としては、ＨＳＱ（ハイドロジェンシルセスキオキサン）、ＭＳＱ（メチルシルセスキオキサン）、またはＭＨＳＱ（メチル化ハイドロジェンシルセスキオキサン）等のポリハイドロジェンシロキサン、ポリアリールエーテル（ＰＡＥ）、ジビニルシロキサンービスーベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、またはＳｉｌｋ（登録商標）等の芳香族含有有機材料、ＳＯＧ、ＦＯＸ（登録商標）（ｆｌｏｗａｂｌｅ  ｏｘｉｄｅ）、サイトップ（登録商標）、またはこれらのポーラス材料を用いてもよい。
【００２７】
次に、有機マスク層４０、シリコン含有層５０、ＡＲＣ６０およびレジスト層７０をこの順に塗布、ベークし、成膜する。次に、ＡｒＦ液浸露光および現像などのフォトリソグラフィー法により、レジスト層７０に所定のレジストパターンを形成する。
同図（ａ）に示すように、本実施形態においてはレジストパターンとして溝状のラインパターン（溝パターン）を形成するものとする。第一乃至第三エッチング工程を経て、層間絶縁膜３０にも同様の溝パターンが形成されることとなる。
【００２８】
有機マスク層４０には、Ｉ線レジストのようなノボラック樹脂やアクリル樹脂、これらの共重合体、またはＫｒＦレジストのようなポリヒドロキシスチレンが用いられ、エッチング耐性の観点からは、ベンゼンやナフタレンが含まれるとよい。
【００２９】
シリコン含有層５０は、例えば有機シリコン酸化層など、ケイ素（Ｓｉ）元素を含有する材料からなる。有機シリコン酸化層は、ポリシリルキオキサン等、ケイ素（Ｓｉ）および酸化（Ｏ）元素を含有した有機膜である。シリコン含有層５０として有機シリコン酸化層を用いる場合、Ｓｉの濃度は、１０〜４０％が好ましく、有機シリコン酸化層と有機マスク層４０とのエッチング選択比の増大を考慮すると、２５％〜３０％程度が好ましい。また本実施形態のシリコン含有層５０としてはこのほか、窒化ケイ素（ＳｉＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）など、他のシリコン含有材料を膜状に積層して用いてもよい。
【００３０】
シリコン含有層５０とレジスト層７０との間に任意で設けられるＡＲＣ６０には有機膜を用いるとよい。またＡＲＣ６０にはケイ素元素を含有していてもよい。具体的には、臭素やヨウ素などのハロゲン元素置換した安息香酸と複素環式化合物とを反応させて得られる生成物と、架橋剤との混合物をシリコン含有層５０に塗布し、これを加熱硬化させることでＡＲＣ６０を得ることができる。
【００３１】
レジスト層７０には、例えばＡｒＦ液浸露光用のレジストなどを用いるとよく、特にポリメタクリレートを主鎖とする有機材料を用いるとよい。レジスト層７０の成膜には、樹脂組成物の塗布のほか、ＣＶＤ法を用いてもよい。
【００３２】
このように本実施形態においては、有機マスク層４０、シリコン含有層５０およびレジスト層７０からなる多層（３層）レジスト構造の間にＡＲＣ６０が設けられた構成となっている。
【００３３】
次に、ＡｒＦ液浸レジストであるレジスト層７０をマスクとして、ＡＲＣ６０およびシリコン含有層５０を第一エッチングガスにより垂直にドライエッチングする（同図（ｂ）)。
このときＡＲＣ６０は、その下層にあたるシリコン含有層５０とともに、第一エッチング工程におけるレジスト層７０のエッチング選択比を増大させる。これにより、シリコン含有層５０に生じるＬＥＲが低減され、第二エッチング工程にて有機マスク層４０に生じるＬＥＲも低減される。これにより、層間絶縁膜３０（被エッチング膜）をエッチングする第三エッチング工程において、層間絶縁膜３０に与えられるマスクの初期膜厚が増大するため、第三エッチング工程にて被エッチング膜に生じるＬＥＲが低減されることとなる。
【００３４】
第一エッチングガスには必須成分としてＣＦ３Ｉが含まれており、これをプラズマ化してエッチング加工に用いる。第一エッチングガスには、このほか添加ガスとしてアルゴン（Ａｒ）および／または酸素ガス（Ｏ２）および／または窒素ガス（Ｎ２）を加えてもよい。
エッチング加工されるパターンを精度のよい垂直形状にするためには、ガス滞在時間が短く、エッチング加工されるパターンの側壁にデポを付着させないことが好ましい。これを実現する方法としては、ＣＦ３Ｉの流量を増大するほか、ＡｒやＯ２、Ｎ２などのガスをＣＦ３Ｉに添加するとよい。
このうち、特にＮ２を添加することにより、第一エッチング工程においてＡＲＣ６０やシリコン含有層５０に対するエッチングレートを向上させつつ、デポジション性を低下させることができる。またＯ２などの酸化性ガスを添加した場合に比べて、Ｎ２を添加した場合は、レジスト層７０と第一エッチングガスとの反応性が低下し、第一エッチング工程におけるレジスト層７０の損耗が低減される。
【００３５】
具体的な第一エッチングガスのガス流量としては、ＣＦ３Ｉが１〜３００ｓｃｃｍ、Ａｒが０〜１０００ｓｃｃｍ、Ｎ２が０〜５００ｓｃｃｍとすることができる。
【００３６】
エッチング装置には、容量結合型プラズマ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ：ＣＣＰ）や誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）などのプラズマ方式を用いるとよい。
【００３７】
通常のドライエッチングでは、チャンバー上部のＲＦ電源に交流電圧(ソースパワー)を印加し、プラズマを生成し、チャンバー下部のＲＦ電源に交流電圧(バイアスパワー)を印加してプラズマ中のイオンを下部のウエハーに引き込み、異方性よく照射する。
本実施形態においては、層間絶縁膜３０（ｐ−ＳｉＯＣ膜）へのダメージを低減するため、プラズマ密度を増大させずにバイアスパワーを印加し、プラズマの生成とイオンの引き込みを同時に行うとよい。ソースパワーは例えば０Ｗ〜２０００Ｗとし、バイアスパワーを印加するとよい。具体的なバイアスパワーは１０Ｗ〜２０００Ｗなどとすることができる。
【００３８】
その他のエッチング条件としては、例えばエッチングガスの圧力を１〜３００ｍＴｏｒｒ、ＣＦ３Ｉの流量を１０〜１０００ｓｃｃｍなどとすることができる。ここでエッチングガスの圧力範囲は、１〜７６０ｍＴｏｒｒとすることができる。また半導体基板の温度は−２０℃〜４００℃が好ましい。
【００３９】
第一エッチングガスを用いて反射防止層６０やシリコン含有層５０を所定のパターンにエッチング加工するにあたっては、ＡＲＣ６０やシリコン含有層５０と、レジスト層７０との選択比、またはこれらの層の加工時のデポジション性を考慮する必要がある。
従来、ＡＲＣ６０やシリコン含有層５０のエッチングガスには、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）などのフッ化炭素ガスを用いることが一般的であった。
【００４０】
フッ化炭素ガスには、Ｃ２Ｆ４，Ｃ２Ｆ６，Ｃ４Ｆ８，Ｃ５Ｆ８，Ｃ４Ｆ６など分子中にカーボンを複数有する高次のガスと、ＣＦ４，ＣＨＦ３，ＣＨ２Ｆ２，ＣＨ３Ｆなど分子中にカーボンを１つ有する低次のガスに大きく分けられる。ＡＲＣ６０やシリコン含有層５０とレジスト層７０とのエッチング選択比を大きくする場合には高次のガスが好ましいが、逆に加工時のデポが多くなるというデメリットがある。デポが多くなるとシリコン含有層５０の形状が悪くなってＬＥＲが増大し、パターン形状に対して悪影響を与える。高次のガスを第一エッチングガスに用いた場合、フッ化炭素を主成分とするデポがレジスト層７０に大量に付着することにより、レジスト層７０にうねり（Ｗｉｇｇｌｉｎｇ）が生じ、これがシリコン含有層５０に大きなＬＥＲを生じさせることが本発明者の検討により明らかとなっている。
【００４１】
一方、低次のガスを用いるとデポが少なくなるため配線の形状は改善されるが、ＡＲＣ６０やシリコン含有層５０とレジスト層７０との選択比が悪くなる。従来は、分子中のカーボンが一つであってフッ素の比率が高いＣＦ４がよく用いられていた。
しかし本発明者の検討により、有機を含む、または無機のシリコン含有膜に対して、分子中のカーボンが１つであって、かつフッ素の結合数が３以下であるフッ化炭素系ガス（フルオロカーボン）が好適なエッチングレートを有し、特にＣＦ３Ｉが、高いエッチングレートと低デポジション性を有することが明らかとなった。そこで本実施形態においては、有機マスク層４０、シリコン含有層５０およびレジスト層７０を含む多層レジスト膜中のシリコン含有層５０をＣＦ３Ｉによりドライエッチングすることとしている。これにより、シリコン含有層５０のＬＥＲを低減し、第二エッチング工程の終了時には層間絶縁膜３０のマスクとなる有機マスク層４０を十分な厚さに残存させ、かつその層間絶縁膜３０のＬＥＲを低減するという効果が得られる。
【００４２】
以下、有機を含む、または無機のシリコン含有膜のドライエッチングにＣＦ３Ｉが好ましいことのメカニズムを、以下の文献を参考に述べる。
［１］Ｓ．Ｓａｍｕｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  ｖｏｌ．３７，  ｐｐ．  Ｌ１０９５，  （１９９８）
［２］Ｌ．Ｇ．Ｃｈｒｉｓｔｐｈｏｒｏｕ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．  Ｐｈｙｓ．  Ｃｈｅｍ．  Ｒｅｆ．  Ｄａｔａ，  ｖｏｌ．２９，  ｐｐ．  ５５３，  （２０００）．
［３］Ｓ．Ｓａｍｕｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ａ，  ｖｏｌ．１７，  ｐｐ．  ２５５１，  （１９９９）．
【００４３】
まず、ＣＦ３ＩはＣが低次のフッ化炭素系ガスであってデポが少ない。またＣ４Ｆ６やＣＦ４に比べ、エッチングプラズマ中の１００ｎｍ〜３００ｎｍの紫外光強度が小さいという特徴がある。紫外線の波長は、ＡｒＦ液浸レジスト（レジスト層７０）中のＣ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｏ結合エネルギーよりも大きなエネルギーをもつので、これらの結合を解離させる、あるいは結合にダメージを与えると考えられる。さらに、ＣＦ３Ｉプラズマは、Ｃ−Ｉの結合エネルギー（２．４ｅＶ）がＣ−Ｆの結合エネルギー（５．６ｅＶ）より小さいので、プラズマ中でＣ−Ｉが選択的に解離し、ＣＦ３ラジカルあるいはＣＦ３イオンが効率良く多く発生する。ＣＦ３イオンはＳｉＯのエッチャントとなるので、シリコン含有層５０のエッチングレートは増大する。また、Ｆのラジカルは、たとえ発生してもＩのスカベンジによりＦＩがただちに生成されるので、Ｆのラジカル量は少ない。Ｆのラジカルはレジスト層７０中のＣと反応してＣ−Ｆを生成する。
【００４４】
従ってＣＦ３Ｉは、ＵＶ強度が低いことと、Ｆのラジカルが少ないことにより、通常用いられるレジスト層７０に対するエッチングレートがＣＦ４の場合よりも低減する。またＣＦ３イオンの増加によってシリコン含有層５０のエッチングレートが増大するため、レジスト層７０とシリコン含有層５０とのエッチング選択比がＣＦ４に比べて約１．５倍に増大する。なお、レジスト層７０とＡＲＣ６０とのエッチング選択比は、ＣＦ４と比べて同程度に維持されている。
これにより、第一エッチングガスにＣＦ３Ｉを用いた場合にレジスト層７０の薄型化が可能となる。また、レジストとの反応性が減少することにより、第一エッチング工程の終了における、レジスト層７０の表面の荒れを、ＣＦ４をエッチングガスとした場合に比べて低減することができる。
【００４５】
これにより、シリコン含有層５０のＬＥＲを低減し、第二エッチング工程の終了時には層間絶縁膜３０のマスクとなる有機マスク層４０を十分な厚さに残存させ、かつそのＬＥＲを低減するという効果が得られる。層間絶縁膜３０のドライエッチング工程（第三エッチング工程）にて形成されるおそれのあるＬＥＲを低減することができる。
【００４６】
その他、ＨＢｒ、Ｃｌ２、ＮＦ３、ＳＦ６等のエッチングガスと比較しても、ＣＦ３Ｉは特にポーラスＳｉＯＣに対するエッチングレートや形状制御の点で適している。
【００４７】
第二エッチング工程では、シリコン含有層５０、またはレジスト層７０やＡＲＣ６０が残存している場合はこれらを含む多層レジスト膜をマスクとして、有機マスク層４０を垂直にエッチングする（同図（ｃ））。第二エッチング工程では、Ｏ２／Ａｒプラズマなど、酸化性ガスを含む第二エッチングガスを用いる。かかる工程中に、ＡＲＣ６０上に残存していたレジスト層７０、およびＡＲＣ６０の一部または全部が消滅する。
【００４８】
第三エッチング工程では、有機マスク層４０をマスクとして、または第二エッチング工程で残存したシリコン含有層５０と有機マスク層４０をマスクとして、第三エッチングガスを用いて層間絶縁膜３０の垂直エッチングを行う（同図（ｄ））。
【００４９】
第三エッチングガスとしては、ＣＦ４系などのフッ化炭素ガスを用いてもよいが、本実施形態においてはＣＦ４系ガスに代えてＣＦ３Ｉを用いるとよい。
上述のようにＣＦ３Ｉは有機を含むまたは無機のシリコン含有膜に対して良好なエッチングレートと低デポジション性という利点があるため、層間絶縁膜３０のエッチング加工が高品質に行われるためである。
また特に本実施形態のように被エッチング膜（層間絶縁膜３０）にｐ−ＳｉＯＣなど脆性の高い材料を用いる場合には、特に有機マスク層４０と層間絶縁膜３０との選択比が増大してデポの発生が抑えられるＣＦ３Ｉの使用が有効である。
また、圧力は、ポーラスＳｉＯＣ中のＦプラズマの拡散によるＣＨ３基の脱離を低減するため、数十ｍＴｏｒｒ以下の低圧領域とするとよい。
さらに、ＣＦ３ＩにＡｒやＮ２を添加することも、デポの抑制とエッチング加工形状の垂直性の観点から好適である。Ｏ２の添加は、ポーラスＳｉＯＣ中のＣＨ３基との反応性が大きく、膜ダメージが増大するため、好ましくない。
以上より本実施形態においては、第三エッチングガスが実質的に酸化性ガスを含まず、第二エッチングガスが酸化性ガスを含むこととしている。
【００５０】
また第一エッチングガスと第三エッチングガスの主成分をいずれもＣＦ３Ｉとすることにより、多層レジスト膜と被エッチング膜のデポジション性がともに抑えられ、また第二エッチング工程で生じるデポは一般に少ないことから、第一乃至第三エッチング工程を共通のエッチングチャンバー内で行うことが可能となる。
【００５１】
最後に、残存する有機マスク層４０を、ポーラスＳｉＯＣに低ダメージなＨ２を含むプラズマ、例えばＨ２／Ｈｅプラズマなどで除去することにより、所定のパターンに加工された層間絶縁膜３０が下層配線層１０上に残置形成される（同図（ｅ））。
【００５２】
上記本実施形態にかかる半導体装置１００の製造方法は、第一エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むことを特徴とする。かかる特徴により、多層レジスト膜を構成する反射防止層６０およびシリコン含有層５０のエッチング工程において高い選択比が得られることでレジスト層７０が薄型化され、さらにシリコン含有層５０のＬＥＲの低減が可能となる。これにより、第三エッチング工程でエッチング加工される層間絶縁膜３０などの被エッチング膜の加工工程で生じるＬＥＲが低減される。
【００５３】
また上記本実施形態において、被エッチング膜が有機酸化ケイ素材料、特にｐ−ＳｉＣＯなどの多孔質の有機酸化ケイ素材料である場合には、第三エッチングガスがＣＦ３Ｉを含むこととしている。これにより、被エッチング膜に関する第三エッチング工程において被エッチング膜の選択比が向上し、多層レジスト膜の薄型化が可能であるとともに、当該エッチング加工が高品質に行われてＬＥＲの発生がさらに抑制される。
【００５４】
以上、本実施形態については溝パターンの加工を例に説明したが、他の形状、例えばホール加工に関しても同様のエッチング加工を行うことが可能である。ただし上記実施形態のように、形成されるパターンが横並びに配置された複数本の溝からなる溝パターンであり、隣接する溝の中心線同士の間隔が１４０ｎｍ以下の場合、特に９０ｎｍ以下の場合については、ＬＥＲの影響が顕著であってかつ多層レジスト膜の縦横比を十分に得ることが困難になる。したがってＣＦ４などのフッ化炭素をエッチングガスとする従来の加工方法に比べ、ＣＦ３Ｉをエッチングガスとする本実施形態の加工方法が高解像度かつ低ＬＥＲの加工が実現されるため有効である。
【００５５】
また本実施形態の加工方法により形成される溝の側面の形状については、形成される凹凸（ＬＥＲ）の大きさの１σ値が、溝の幅寸法の２．５％以下、具体的には幅５０ｎｍの溝形状の場合１．２５ｎｍ以下とすることができる。ここでいうＬＥＲの大きさとは、溝の片側の側面に形成される凹凸の大きさを意味する。ＬＥＲをかかる値以下とすることにより、次工程にてスパッタリングなどによって形成される金属配線において、電子散乱やリーク電流などの発生を実用的なレベルに抑えることができ、配線の信頼性も向上する。
【００５６】
また第一エッチングガスにＣＦ３Ｉを用いる本実施形態の第一エッチング工程において、ＡＲＣ６０はＣＦ３Ｉとの反応性が低いため、エッチングされた形状が順テーパー状となりやすい。したがってレジスト層７０に形成されたマスクパターンに比べて、ＡＲＣ６０の下端の幅寸法はこれよりも大きくなり、したがって第一エッチング工程で残置されるシリコン含有層５０の幅寸法もまたレジスト層７０のマスクパターンよりも太幅となる。
このため、シリコン含有層５０や有機マスク層４０、ひいては層間絶縁膜３０に掘り込み形成される配線溝はレジスト層７０のマスク開口よりも細幅となり、レジスト層７０の露光限界を超えて、より細幅の配線溝をドライエッチング加工が為されることとなる。換言すると、レジスト層７０のフォトリソグラフィー工程においては溝寸法を比較的大きく露光することができるため、露光マージンを増大させることができる。
【００５７】
また、Ｃ４Ｆ８、ＣＦ４、Ｃ４Ｆ６、Ｃ５Ｆ８などのフルオロカーボンガスは、ｐ−ＳｉＯＣなどからなる層間絶縁膜３０のエッチングに従来から使用されているが、地球温暖化係数（Ｇｌｏｂａｌ  Ｗａｒｍｉｎｇ  Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ：ＧＷＰ）は各々、８７００，６５００，２９０，９０と高く、近年は高ＧＷＰガスの排出が大きな問題となっている。これらのフルオロカーボンガスと比較して、ＣＦ３ＩガスのＧＷＰは１と低く、ＣＯ２と同等である。このため、従来ガスの代替ガスとしてＣＦ３Ｉを利用することにより、京都議定書で定義された排出権が発生し、排出権取引にも使用可能である。
【実施例】
【００５８】
＜実施例１＞
図１（ａ）〜（ｂ）に示す上記実施形態の第一エッチング工程を行い、得られる多層レジスト膜の評価を行った。具体的には、レジスト層７０とシリコン含有層５０との選択比について検討した。
【００５９】
まず、シリコン基板上にＳｉＯ２膜を形成し、その上に、エッチングストッパー層２０としてのＳｉＣＮを３０ｎｍ、層間絶縁膜３０としてのｐ−ＳｉＯＣ膜を１００ｎｍ、キャップ膜としてのＤｅｎｃｅ  ＳｉＯＣ膜を６０ｎｍ、有機マスク層４０としてマスク組成物（ＴＢＬＭ−８３０：東京応化工業株式会社製）を塗工および硬化して２００ｎｍ、シリコン含有層５０を（ＨＭシリーズ：東京応化工業株式会社製）４５ｎｍ、ＡＲＣ６０として反射防止膜用組成物（ＡＲＣ２９Ａ：日産化学工業株式会社製）を塗工および硬化して４５ｎｍ、レジスト層７０としてＡｒＦ液浸レジスト（ＴＡＲＦ−Ｐ６３２９：東京応化工業株式会社製）を１２０ｎｍの厚さで、それぞれ下層より順に成膜した。
【００６０】
かかる基板をＡｒＦ液浸によるフォトリソグラフィー法にて露光および現像し、溝幅７０ｎｍ、ラインピッチ１４０ｎｍの溝のレジストパターン（ラインパターン）を形成した。
次に、レジスト層７０をマスクとして、ＡＲＣ６０とシリコン含有層５０を、ＣＣＰ装置にて、圧力１０ｍＴｏｒｒ、バイアスパワー８００Ｗ、基板温度４０℃の条件で、有機マスク層４０にいたるまでドライエッチングした。
【００６１】
ここでエッチングガス（第一エッチングガス）には、実施例としてＣＦ３Ｉ、比較例としてＣＦ４を用い、それぞれ流量を１３０ｓｃｃｍとした。なお本実施例ではＡｒ等の添加ガスは入れず、単純にエッチングガスの比較ができるようにしたが、多層レジスト膜に垂直な溝形状が得られた。
【００６２】
図２は、レジスト層７０の初期膜厚および第一エッチング工程後の残膜厚さを示す。
同図の左端は、レジスト層（ＰＲ）７０の初期膜厚を示す。同図中央は、ＣＦ４を用いて行った第一エッチング工程終了時のレジスト層７０の残膜厚さ（比較例１）である。そして同図右端は、ＣＦ３Ｉを用いて行った第一エッチング工程終了時のレジスト層７０の残膜厚さ（実施例１）である。それぞれ断面ＳＥＭから見積もった結果を示している。
同図より、レジスト層７０に対するシリコン含有層５０の選択比が、ＣＦ４よりもＣＦ３Ｉをエッチングガスに用いた場合の方が大きくなるため、レジスト層７０が多く残膜していることがわかる。この結果より、ＣＦ３ＩはＣＦ４より高い選択性を有することが確認された。
【００６３】
上記第一エッチング工程が終了し、続けて、第二エッチング終了後に得られたシリコン含有層５０が露出した有機マスク層４０の溝形状を評価した。具体的には、シリコン含有層５０に形成された溝の片側側面の形状を測長ＳＥＭで測定することにより、シリコン含有層５０のＬＥＲを評価した。
【００６４】
図３に、測長ＳＥＭから測定したＬＥＲの結果を示す。
同図左側は、第一エッチングガスにＣＦ４を用いた比較例１の測定結果（１σ値）であり、同図右側は、第一エッチングガスにＣＦ３Ｉを用いた実施例１の測定結果（１σ値）である。
同図の結果から、ＣＦ４に対し、ＣＦ３Ｉをエッチングガスに用いたことにより、エッチングされたシリコン含有層５０の側面に生じるＬＥＲが低減され、高品質にエッチング加工されたことが分かる。
【００６５】
＜実施例２＞
図１（ａ）〜（ｅ）に示す上記実施形態の第一乃至第三エッチング工程を行い、得られた層間絶縁膜３０の評価を行った。具体的に本実施例においてはラインピッチ１００ｎｍのｐ−ＳｉＯＣ溝を形成して電気特性の評価をした。
【００６６】
まず上記実施例１と同様に、シリコン基板上に形成されたＳｉＯ２膜の上にエッチングストッパー層２０を３０ｎｍ、層間絶縁膜３０を１００ｎｍ、キャップ膜を６０ｎｍ、有機マスク層４０を２００ｎｍ、シリコン含有層５０を４５ｎｍ、ＡＲＣ６０を４５ｎｍ、レジスト層７０を１２０ｎｍ成膜した。
そして本実施例においては、ＡｒＦ液浸にて露光して、ラインピッチ１００ｎｍの溝のレジストパターンをレジスト層７０に形成した。このとき、レジスト層７０のマスク値で配線溝５０ｎｍ／スペース５０ｎｍ（ｗ５０／ｓ５０）のパターンと、配線溝５２ｎｍ／スペース４８ｎｍ（ｗ５２／ｓ４８）のパターンとを形成した。
【００６７】
次に、ＡＲＣ６０とシリコン含有層５０を、上記実施例１と同様の条件で、レジスト層７０をマスクとして、第一エッチングガスにＣＦ３Ｉを用いて有機マスク層４０にいたるまでエッチングした（実施例２）。一方、比較例２として、第一エッチングガスにＣＦ４を用い、同様にエッチングを行った。第一エッチングガスの流量は実施例／比較例とも１３０ｓｃｃｍとした。
【００６８】
続けて、エッチングされたシリコン含有層５０、またはレジスト層７０やＡＲＣ６０が残存する場合はシリコン含有層５０およびこれらの層をマスクとして、有機マスク層４０を、キャップ膜が露出するまで第二エッチングガスを用いてドライエッチングした（第二エッチング工程）。
さらに、エッチングされた有機マスク層４０およびその上に残存するシリコン含有層５０をマスクとして、層間絶縁膜３０を、エッチングストッパー層２０にいたるまで第三エッチングガスによりドライエッチングした（第三エッチング工程）。
第二エッチングガスにはＯ２／Ａｒプラズマを用いた。
そして第三エッチングガスには実施例／比較例ともＣＦ４、ＡｒおよびＮ２の混合ガスを用いた。
【００６９】
さらに、層間絶縁膜３０にラインパターンを形成した後、有機マスク層４０をＨ２／Ｈｅの混合ガスでアッシングし、洗浄、Ｔａ／ＴａＮによるバリア成膜、Ｃｕメッキを施したのち、電気特性を評価した。
【００７０】
電気特性は、櫛歯配線の容量を測定した。結果を図４（ａ）および（ｂ）に示す。
同図（ａ）は実施例２にかかる配線容量の累積確率であり、同図（ｂ）は比較例２にかかる配線容量の累積確率である。累積確率は、１枚のシリコン基板サンプルの上に形成された１２２チップ（箇所）の金属配線に関して、それぞれ隣り合う配線との間の配線容量を各サンプルにつき１組ずつ測定して求めた。
それぞれ、白丸（○）はレジスト層７０のマスク値で配線溝５０ｎｍ／スペース５０ｎｍとしたものであり、すなわちラインパターン同士の中心線形状（配線ピッチ）は１００ｎｍである。黒丸（●）は同じく配線溝５２ｎｍ／スペース４８ｎｍとしたものであり、配線ピッチは１００ｎｍで共通である。
【００７１】
同図に示すように、実施例２にかかる同図（ａ）では１．５×１０−６［Ｆ／μｍ］程度に配線容量のピークが存在し、すなわち１００枚のシリコン基板のサンプルに対して安定して配線溝および銅配線が形成されたことがわかる。
一方、比較例２にかかる同図（ｂ）では、配線間でリークが生じて配線容量がゼロであるものが多く存在しているほか、有意な配線容量をもつサンプルについても配線容量が分散しており、配線溝の形状がサンプルごとにまちまちであり、ランダムかつ大きなＬＥＲが生じていることがわかる。
【００７２】
以上の実施例／比較例より、多層レジスト膜を用いてＡＲＣ６０およびシリコン含有層５０をドライエッチングするとともに、そのエッチングガスにＣＦ３Ｉを用いることにより、被エッチング膜のＬＥＲが低減され、電気特性も優れることが確認された。
【００７３】
なお上記実施例１，２の結果を総合して、第一エッチングガスおよび第三エッチングガスとしてともにＣＦ３Ｉを用い、さらに第三エッチングガスには実質的に酸化性ガスを含有させないことにより、被エッチング膜である層間絶縁膜３０のＬＥＲを更に低減することが可能であるといえる。第一エッチングガスにＣＦ３Ｉを用いることで、第三エッチング工程の開始時点において、マスクを構成するシリコン含有層５０に生じるＬＥＲが低減される。さらに第三エッチングガスにもＣＦ３Ｉを用いることで、第三エッチング工程で層間絶縁膜３０に生じるＬＥＲが更に低減されるためである。
上述のように近年益々ラインパターンが微細化される半導体装置等の製造方法におけるドライエッチング工程においては、パターン幅に対するＬＥＲの影響が増大するとともに、露光機の焦点深度が浅くなることからレジスト膜の厚さの低減が求められ、さらに多層レジスト膜のエッチング形状の縦横比には限界があるなど、相乗的に加工条件が厳しくなりつつある。これに対し本実施形態のように第一エッチングガスおよび第三エッチングガスにともにＣＦ３Ｉを用いることにより、いわば相乗的にエッチング加工方法の品質が向上して上記問題がいずれも解決される。
【００７４】
以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、半導体装置１００の層間絶縁膜３０に配線溝を形成する場合のほか、様々な用途にて採用することができる。特に有機を含む、または無機のシリコン含有膜を被エッチング膜とする場合には、広くＣＦ３Ｉをエッチングガスに用いることが有効であることが確認されている。したがって、半導体装置に関してはフロントエンド工程にてシリコン基板の上部に設けられるゲート酸化膜のパターニングや、層間絶縁膜に設けられるコンタクトホールのパターニングに採用することができる。さらには、ケイ素（Ｓｉ）元素を含む膜、例えばシリコン窒化膜やシリコン炭化膜、ポリシリコン膜などを被エッチング膜とする場合にも、本発明の加工方法を用いることができる。
【００７５】
また液晶ディスプレイ装置においては、ガラス基板やＳｉＯ２基板の上に形成される薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、光デバイスにおいては光デバイス基板やフィルムの上部に形成される光導波路など、ケイ素（Ｓｉ）元素を含む薄膜を微細加工する場合に、本発明の加工方法を好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す模式図である。
【図２】実施例１および比較例１におけるレジスト層７０の初期膜厚、および第一エッチング工程後のレジスト層７０の残膜厚さを示す図である。
【図３】実施例１および比較例１の第一および第二エッチング工程の終了時における、シリコン含有層５０に形成されたＬＥＲの測定結果を示す図である。
【図４】（ａ）は実施例２にかかる配線容量とその累積確率を示し、（ｂ）は比較例２にかかる配線容量とその累積確率を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０    下層配線層
２０    エッチングストッパー層
３０    層間絶縁膜
４０    有機マスク層
５０    シリコン含有層
６０    反射防止層
７０    レジスト層
１００    半導体装置
【図１】
2009123866.tif 000003
【図４】
2009123866.tif 000004
【図２】
2009123866.tif 000005
【図３】
2009123866.tif 000006