JP3385679B2 - Anisotropic etching method - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は異方性ドライエッチング
方法に関し、特にたとえば多層レジストプロセスにおい
て、有機材料層である下層レジストを異方性加工してレ
ジストパターンを形成する際に必要な入射イオンエネル
ギを低減することにより、対下地選択比を向上させ、か
つ下地材料のスパッタ再付着を防止する方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an anisotropic dry etching method, and in particular, for example, in a multilayer resist process, incident ions required when anisotropically processing a lower layer resist which is an organic material layer to form a resist pattern. The present invention relates to a method for reducing the energy to improve the selectivity ratio to the underlayer and prevent the redeposition of the underlayer material by sputtering.
【0002】[0002]
【従来の技術】LSI等の半導体装置のデザインルール
がハーフミクロンからクォータミクロンのレベルへと微
細化されるに伴い、フォトリソグラフィやドライエッチ
ング等の微細加工技術に対する要求は一段と厳しさを増
している。フォトリソグラフィ技術においては、近年高
解像度を求めて露光波長が短波長化され、さらに多層配
線構造を採るために下地基板の表面段差が増大している
ことから、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、下地基板の表面段差
を吸収して平坦面を形成するに充分な厚い下層レジスト
と、下層レジストをエッチングする際の実質的なマスク
パターンを構成するための無機材料からなる薄い中間層
と、高解像度を達成するに充分な薄い上層レジストとを
組み合わせて使用するいわゆる3層レジストプロセス
が、J.M.MorranらによりJ.Vac.Sci.Technol., 16, 1620
(1979) に報告されている。2. Description of the Related Art As semiconductor device design rules such as LSI are miniaturized from a half micron level to a quarter micron level, requirements for fine processing techniques such as photolithography and dry etching are becoming more severe. . In photolithography technology, the exposure wavelength has been shortened in recent years in order to obtain high resolution, and since the surface step of the underlying substrate has increased due to the adoption of a multilayer wiring structure, the adoption of a multilayer resist process is becoming essential. is there. The multi-layer resist process consists of a thick intermediate layer resist that is thick enough to absorb the surface step of the underlying substrate and form a flat surface, and a thin intermediate layer consisting of an inorganic material to form a substantial mask pattern when etching the underlying layer resist. A so-called three-layer resist process, which uses a combination of layers and a thin upper layer resist sufficient to achieve high resolution, has been described by JM Morran et al. In J. Vac. Sci. Technol., 16 , 1620.
(1979).
【0003】3層レジストプロセスにおいては、まず上
層レジストを所定形状に露光、現像してパターニング
し、これをマスクとして中間層をRIE(反応性イオン
エッチング)によりパターニングし、さらにパターニン
グされた上記上層レジスト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
トをパターニングする。In the three-layer resist process, the upper layer resist is first exposed to a predetermined shape, developed and patterned, and the intermediate layer is patterned by RIE (reactive ion etching) using this as a mask, and the patterned upper layer resist is further patterned. And the intermediate layer as a mask,
The lower layer resist is patterned by dry etching using O 2 gas or the like.
【0004】ところで、O2 ガスにより有機材料層であ
る下層レジストを異方性エッチングしてパターニングす
る工程においては、エッチングレートの向上を意図して
高ガス圧力条件とし、酸素ラジカル(以下、O* と記
す)を増加させてラジカル反応を主体としてエッチング
すると、O* が中間層パターン下部にまでまわりこみ、
等方的酸化反応によるアンダーカットが発生しパターン
形状が悪化する。By the way, in the step of anisotropically patterning the lower layer resist which is an organic material layer with O 2 gas, a high gas pressure condition is set in order to improve the etching rate, and oxygen radicals (hereinafter referred to as O *) are used. When the etching is performed mainly by the radical reaction, the O * wraps around to the bottom of the intermediate layer pattern,
Undercut occurs due to isotropic oxidation reaction and the pattern shape deteriorates.
【0005】一方、下層レジストのアンダーカットを防
止し、高異方性エッチングを達成するためには、低ガス
圧かつ高バイアス電力といった、イオンの平均自由行程
と基板バイアスを高めた条件を採用することが必要とな
る。つまり、O+ (酸素イオン)の垂直入射性と、大き
な運動エネルギを利用して、スパッタリングを併用しな
がらイオンモードのエッチングを行うことにより、高異
方性エッチングするのである。ところが、かかるエッチ
ング条件の採用は、下地材料層および中間層との選択比
低下を招き、これが多層レジストの実用化を妨げる一因
となっている。この問題を図3を参照しながら説明す
る。On the other hand, in order to prevent undercutting of the lower layer resist and achieve highly anisotropic etching, conditions such as low gas pressure and high bias power that increase the mean free path of ions and the substrate bias are adopted. Will be required. That is, by utilizing the vertical incidence of O + (oxygen ions) and the large kinetic energy, the ion mode etching is performed while the sputtering is used together, so that the highly anisotropic etching is performed. However, the adoption of such etching conditions causes a reduction in the selection ratio between the underlying material layer and the intermediate layer, which is one of the factors that hinder the practical use of the multilayer resist. This problem will be described with reference to FIG.
【0006】図3(a)は、3層レジストプロセスにお
いて上層レジストパターン15が形成された被エッチン
グ基板の断面形状を示している。すなわち、まず段差を
有する層間絶縁膜11上にこの段差にならった下地材料
層12を形成し、この段差を吸収して平坦な表面を形成
しうる充分な厚さを有する下層レジスト層13、および
例えば回転塗布ガラス(SOG)からなるSiO2 系中
間層14、そしてさらにこの中間層14上に薄い上層レ
ジスト層をこの順に順次形成する。この上層レジスト層
をフォトリソグラフィと現像によりパターニングして、
上述のレジストパターン15を得る。この際のフォトリ
ソグラフィは平坦面への露光であるから解像度は高く、
上記上層レジストパターン15は例えば0.35μm幅
の明瞭なエッジを有する。FIG. 3A shows a sectional shape of the substrate to be etched on which the upper layer resist pattern 15 is formed in the three-layer resist process. That is, first, the underlying material layer 12 following the step is formed on the interlayer insulating film 11 having the step, and the lower resist layer 13 having a sufficient thickness to absorb the step and form a flat surface, and For example, a SiO 2 -based intermediate layer 14 made of spin-coated glass (SOG), and a thin upper resist layer are sequentially formed on the intermediate layer 14 in this order. This upper resist layer is patterned by photolithography and development,
The resist pattern 15 described above is obtained. Since the photolithography at this time is exposure on a flat surface, the resolution is high,
The upper layer resist pattern 15 has a clear edge with a width of 0.35 μm, for example.
【0007】次に、上層レジストパターン15をマスク
として中間層14をRIEによりパターニングし、図3
(b)に示すように中間層パターン14aを形成する。
この中間層パターン14aも0.35μm幅の明瞭な形
状を有する。Next, the intermediate layer 14 is patterned by RIE using the upper resist pattern 15 as a mask, and as shown in FIG.
As shown in (b), the intermediate layer pattern 14a is formed.
The intermediate layer pattern 14a also has a clear shape with a width of 0.35 μm.
【0008】次に、O2 ガスを用い上記下層レジストパ
ターンをエッチングする。このエッチング過程では、薄
い上層レジストパターン15は中途で消失し、それ以後
は露出した中間層パターン14aがエッチングマスクと
して機能する。ここで、下層レジスト層13は3層レジ
ストプロセスの趣旨にもとづき、被エッチング基板の表
面段差を吸収するのに充分な膜厚に形成した層であるか
ら、その膜厚は被エッチング基板上の領域により大幅に
異なっており、エッチングに要する時間も当然異なる。
例えば、下地材料層12の段差上部に対応する領域で
は、図3(c)に示すようにエッチング過程の速い時期
に下層レジストパターン13aがジャストエッチングさ
れて完成され、下地材料層12が露出する。Next, the lower resist pattern is etched using O 2 gas. In this etching process, the thin upper layer resist pattern 15 disappears halfway, and thereafter the exposed intermediate layer pattern 14a functions as an etching mask. Here, the lower resist layer 13 is a layer formed to have a thickness sufficient to absorb the surface step difference of the substrate to be etched based on the purpose of the three-layer resist process. And the time required for etching is naturally different.
For example, as shown in FIG. 3C, in the region corresponding to the upper part of the step of the underlying material layer 12, the lower layer resist pattern 13a is just-etched and completed at the early stage of the etching process, and the underlying material layer 12 is exposed.
【0009】続けて、下地材料層の段差下部に対応する
領域において、下層レジストの残余部13bを除去する
ためオーバーエッチングをおこなう。このとき、段差上
部に対応する領域では、露出した下地材料層12が大き
な入射エネルギを有するイオンの照射を受け、スパッタ
される。スパッタ生成物のうちの一部は、下層レジスト
パターン13aの側壁部に再付着し、図3(d)に示さ
れるように再付着物層12aを形成する。特に下地材料
層12が金属配線材料層である場合、この再付着物層1
2aは除去が困難であり、パーティクル汚染源になる。
また、上記再付着物層12aは下層レジストパターン1
3aの実質的な線幅を太らせるので、寸法変換差が発生
し易くなる。Subsequently, over-etching is performed to remove the remaining portion 13b of the lower layer resist in the region corresponding to the lower portion of the step of the underlying material layer. At this time, in the region corresponding to the upper part of the step, the exposed underlying material layer 12 is irradiated with ions having large incident energy and is sputtered. A part of the sputtered product is redeposited on the side wall of the lower resist pattern 13a to form a redeposited layer 12a as shown in FIG. 3 (d). In particular, when the underlying material layer 12 is a metal wiring material layer, this redeposited material layer 1
2a is difficult to remove and becomes a source of particle contamination.
The redeposited material layer 12a is the lower layer resist pattern 1
Since the substantial line width of 3a is thickened, a dimensional conversion difference easily occurs.
【0010】上述した再付着物層の問題は、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.542, 講演番号 2p-Q-8 で指摘されており、
周知のところである。再付着物層12aの形成を抑制す
るためには、入射イオンエネルギの低減が効果的である
ことは明白であるが、これでは前述の等方的反応が優勢
となり、異方性が低下し、アンダーカットが発生してし
まう。The problem of the reattachment layer described above has been pointed out, for example, in Proceedings of the 33rd Joint Lecture on Applied Physics (Spring Annual Meeting 1986) p.542, Lecture No. 2p-Q-8. ,
Well known. It is obvious that the reduction of the incident ion energy is effective for suppressing the formation of the redeposited layer 12a, but in this case, the above-mentioned isotropic reaction becomes dominant and the anisotropy decreases, Undercut occurs.
【0011】このため、入射イオンエネルギの低減と、
高異方性の達成とを両立しうる下層レジスト層のドライ
エッチング方法が切望されている。Therefore, the incident ion energy is reduced, and
A dry etching method for a lower resist layer that can achieve both high anisotropy and compatibility has been earnestly desired.
【0012】かかる要望に対応する技術として、本出願
人はこれまでに高異方性の達成をラジカル成分の低減と
イオン成分の増強のみに依存するのではなく、エッチン
グの反応生成物による側壁保護膜を併用して達成すると
いう思想にもとづく発明を出願している。すなわち側壁
保護膜を併用すれば、エッチングレートを実用上支障な
い程度に確保しながら、イオン入射エネルギを低減する
ことが可能となる。As a technique for responding to such a demand, the present applicant has not hitherto depended only on the reduction of the radical component and the enhancement of the ionic component to achieve high anisotropy, but to protect the side wall by the reaction product of etching. An application has been filed for an invention based on the idea of using a membrane together. That is, if the side wall protective film is also used, it is possible to reduce the ion incident energy while ensuring the etching rate to the extent that there is no practical problem.
【0013】たとえば、特開平2-244625号公報には、O
2 に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CClx を側壁保護膜として堆積しながら下層レ
ジスト層の異方性エッチングをおこなう技術を示した。For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-244625 discloses O
By using an etching gas in which Cl-based gas is added to 2 , anisotropic etching of the lower resist layer is performed while depositing CCl x , which is a reaction product of the lower resist layer and Cl-based gas, as a sidewall protective film. Demonstrated technology.
【0014】また、特開平4-084414号公報には、基板温
度を50℃以下に制御して、NH3を主体とするエッチ
ングガスを用い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。この方法によれば、N、C、Oを構成
元素として含む反応生成物が側壁保護膜の役割を果た
す。Further, Japanese Patent Laid-Open No. 4-084414 proposes a technique of controlling the substrate temperature at 50 ° C. or lower and etching the resist material layer using an etching gas mainly composed of NH 3 . According to this method, the reaction product containing N, C, and O as constituent elements plays the role of a sidewall protective film.
【0015】さらに、特開平4-171726号公報には、O2
に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CBrx を側壁保護膜として堆積しながら下層レジ
スト層の異方性エッチングをおこなう技術を開示した。Further, Japanese Patent Laid-Open No. 4-171726 discloses O 2
A technique for anisotropically etching the lower resist layer while depositing CBr x , which is a reaction product of the lower resist layer and the Br gas, as a side wall protective film by using an etching gas to which Br-based gas is added. Was disclosed.
【0016】[0016]
【発明が解決しようとする課題】本出願人が先に出願し
た上述の各ドライエッチング方法は、実用的なエッチン
グレートを確保した上で、実用的温度領域において、低
イオンエネルギによる異方性エッチングを達成した点に
おいて画期的な技術である。これらの技術により、下地
材料層のスパッタによる下層レジストパターン側壁への
再付着は大きく抑制されるに至った。The above-mentioned dry etching methods previously filed by the applicant of the present invention ensure that a practical etching rate is ensured and that anisotropic etching by low ion energy is carried out in a practical temperature range. This is an epoch-making technology in that By these techniques, reattachment of the base material layer to the side wall of the lower resist pattern by sputtering has been greatly suppressed.
【0017】しかし、今後デバイスの高集積化が進み、
表面段差が増大すると、100%ものオーバエッチング
を必要とする場合も生じる。このような長時間のイオン
入射を受けるプロセスにあっては、下地材料層の種類に
よってはスパッタ再付着を防止することは依然として困
難である。入射イオンエネルギをさらに低減することも
考えられるが、このためには異方性を確保するためにC
l系ガスやBr系ガスの添加割合を増加せざるを得ず、
エッチングレートの低下やパーティクル汚染の懸念があ
る。However, as devices are highly integrated in the future,
As the surface step increases, sometimes 100% overetching is required. In the process of receiving ions for such a long time, it is still difficult to prevent the redeposition of sputter depending on the kind of the base material layer. It is possible to further reduce the incident ion energy, but for this purpose, in order to secure anisotropy, C
There is no choice but to increase the proportion of l-based gas or Br-based gas added,
There is a risk of lowering the etching rate and particle contamination.
【0018】さらに、下地材料層の種類によっては、パ
ーティクル汚染が深刻化することも指摘されている。こ
れは、特に下地材料層がCu配線層やAl−Si−Cu
合金配線層である場合に顕著となる。すなわち、Cuを
含有する下地材料層上の下層レジスト層を、Cl系ガス
やBr系ガスを用いてエッチングすると、下地材料層の
露出面から供給されるCuがCu2 Cl2 やCu2 Br
2 等を形成して、下層レジストパターン側壁面上に再付
着する。またエッチングガスの主成分であるO 2 ガスに
によって酸化銅が生成し、これも下層レジストパターン
側壁面上に再付着する。これら再付着物はいずれも蒸気
圧が低く除去が困難であり、パーティクル汚染の原因と
なる。Further, depending on the type of the base material layer,
-It has been pointed out that the pollution of the particles will become more serious. This
This is especially because the underlying material layer is a Cu wiring layer or Al-Si-Cu.
It becomes remarkable in the case of an alloy wiring layer. That is, Cu
The lower resist layer on the underlying material layer containing the Cl-based gas
Etching with a Br-based gas or
Cu supplied from the exposed surface is Cu2Cl2And Cu2Br
2Etc., and reapply it on the sidewall surface of the lower resist pattern.
To wear. In addition, the main component of the etching gas is O 2To gas
Copper oxide is generated by this, and this is also the lower resist pattern
Redeposit on the sidewall surface. All these redeposits are steam
It is difficult to remove due to low pressure,
Become.
【0019】また下地材料層がCuを含有する場合に
は、長時間のオーバーエッチングにさらされると、下地
材料層表面から内部にかけて酸化が進行し、配線バルク
抵抗が増大する場合があり、これは本来低抵抗配線を目
的とするCu含有配線材料のメリットを損じることにな
りかねない。When the underlying material layer contains Cu, if it is exposed to over-etching for a long time, oxidation may progress from the surface of the underlying material layer to the inside thereof, and the wiring bulk resistance may increase. The merit of the Cu-containing wiring material originally intended for low resistance wiring may be impaired.
【0020】そこで本発明の課題は、実用的なエッチン
グレートを確保しつつ、O* にもとづくアンダーカット
による異方性形状の劣化を防止し、中間層の後退による
寸法変換差をなくし、下地材料層からのスパッタにもと
づく再付着物に起因するパーティクル汚染やパターンシ
フトを回避し、さらにCClx やCBrx 系の側壁保護
膜に過度に依存してパーティクルレベルを悪化させるこ
となく、なおかつ実用的なエッチングレートを達成す
る、有機材料層(レジスト層)のクリーンな異方性エッ
チング方法を提供することである。Therefore, the object of the present invention is to prevent the deterioration of the anisotropic shape due to undercutting based on O * while ensuring a practical etching rate, to eliminate the dimensional conversion difference due to the receding of the intermediate layer, and to improve the base material. Avoids particle contamination and pattern shift caused by redeposited matter due to spatter from the layer, and does not excessively depend on the CCl x or CBr x side wall protective film to deteriorate the particle level, and is practical. It is to provide a clean anisotropic etching method for an organic material layer (resist layer) that achieves an etching rate.
【0021】またさらに本発明の課題は、下地材料層が
Cuを含有する材料の場合、CuO等の再付着物に起因
するパーティクルレベル悪化を防止するとともに、酸化
による配線バルク抵抗の増大の問題をもあわせて解決す
ることである。A further object of the present invention is to prevent the deterioration of the particle level due to redeposits such as CuO when the base material layer is a material containing Cu and to increase the wiring bulk resistance due to oxidation. It is also a solution.
【0022】[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、上述の課題を解決するために発案したもので
あり、下地材料層上に形成された有機材料層を、アルコ
ール、エーテルおよびケトンからなる群から選ばれる少
なくとも1種類の化合物を含むエッチングガスを用いて
エッチングする構成とした。The dry etching method of the present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and an organic material layer formed on a base material layer is formed from alcohol, ether and ketone. Etching was performed using an etching gas containing at least one compound selected from the group consisting of
【0023】また本発明は、前記エッチングガスが、放
電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうる
イオウ系化合物をさらに含み、被エッチング基板上にイ
オウを堆積させながらエッチングすることとした。Further, according to the present invention, the etching gas further contains a sulfur-based compound capable of releasing free sulfur into plasma under discharge ionization conditions, and etching is performed while sulfur is deposited on the substrate to be etched. .
【0024】さらに本発明は、下地材料層上に形成され
た有機材料層を、アルコール、エーテルおよびケトンか
らなる群から選ばれる少なくとも1種類の化合物と、放
電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうる
イオウ系化合物とを用いて、被エッチング基板上にイオ
ウを堆積させながら実質的に前記下地材料層が露出する
直前迄エッチングするジャストエッチング工程と、NH
3 を含むエッチングガスを用い、被エッチング基板を加
熱しながら前記有機材料層の残余部をエッチングするオ
ーバーエッチング工程とを有する構成とした。Further, according to the present invention, the organic material layer formed on the base material layer is treated with at least one compound selected from the group consisting of alcohols, ethers and ketones, and sulfur released in plasma under discharge ionization conditions. A sulfur-based compound capable of releasing sulfur, and a just etching step in which sulfur is deposited on the substrate to be etched while etching is performed substantially until just before the underlying material layer is exposed.
An etching gas containing 3 is used, and an overetching step of etching the remaining portion of the organic material layer while heating the substrate to be etched is adopted.
【0025】またさらに本発明は、前記下地材料層がC
uを含有することを特徴とし、この場合に用いてとりわ
け効果を発揮することを特徴とする。Furthermore, in the present invention, the base material layer is C
It is characterized in that it contains u, and is characterized in that it exerts a particularly advantageous effect when used in this case.
【0026】本発明で用いるところの、アルコール、エ
ーテルおよびケトンの各例としては、メタノール、エタ
ノール、n−プロパノール、i−プロパノール、n−ブ
タノール、i−ブタノール、sec−ブタノール、t−
ブタノール、メチルエチルエーテル、ジエチルエーテ
ル、アセトン、メチルエチルケトンおよびメチルイソブ
チルケトン等を使用することが可能である。Examples of alcohols, ethers and ketones used in the present invention include methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, n-butanol, i-butanol, sec-butanol and t-butanol.
It is possible to use butanol, methyl ethyl ether, diethyl ether, acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone and the like.
【0027】これらアルコール、エーテルおよびケトン
は、単独でもエッチングガスを構成できなくはないが、
分子中に1個しか酸素原子を含有していないので、実用
的なエッチングレートを得るにはO2 やハロゲン系ガス
と併用することが好ましい。Although these alcohols, ethers and ketones cannot constitute the etching gas by themselves,
Since only one oxygen atom is contained in the molecule, it is preferable to use it in combination with O 2 or a halogen-based gas in order to obtain a practical etching rate.
【0028】本発明で用いるところの、放電電離条件下
でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化合
物としては、X/S比が6未満のSX系ガス(Xはハロ
ゲン元素または水素を表す)、例えばS2 Cl2 、S3
Cl2 、SCl2 等の塩化イオウガス、S2 Br2 、S
3 Br2 、SBr2 等の臭化イオウガス、S2 F2 、S
F2 、SF4 、S2 F10等のSF6 以外のフッ化イオウ
ガス、そしてH2 Sを例示することができる。フッ化イ
オウ化合物としてよく知られているSF6 ガスは、F/
S比が6であり、放電電離条件下でプラズマ中に遊離の
イオウを放出することはなく、本発明の趣旨には適合し
ない。As the sulfur-based compound used in the present invention and capable of releasing free sulfur into plasma under discharge ionization conditions, an SX-based gas having an X / S ratio of less than 6 (X is a halogen element or hydrogen) ), For example S 2 Cl 2 , S 3
Sulfur chloride gas such as Cl 2 and SCl 2 , S 2 Br 2 and S
Sulfur bromide gas such as 3 Br 2 and SBr 2 , S 2 F 2 and S
Illustrative examples are sulfur fluoride gas other than SF 6 , such as F 2 , SF 4 , S 2 F 10 , and H 2 S. SF 6 gas, which is well known as a sulfur fluoride compound, is F /
Since the S ratio is 6, it does not release free sulfur into plasma under the conditions of discharge ionization, which is not suitable for the purpose of the present invention.
【0029】なお、本発明に類似の先願として、O2 に
5%程度のアルコールを添加したエッチングガスによ
り、レジストパターンをアッシング除去する方法がたと
えば特開平05-134929 号公報に開示されている。この方
法は、アッシングレートの向上とアッシング残渣対策を
目的としたものであり、側壁保護膜を強化して異方性エ
ッチングを達成しレジストパターンを形成する本発明の
メカニズムとは別種のものである。As a prior application similar to the present invention, a method of ashing and removing a resist pattern with an etching gas prepared by adding about 5% of alcohol to O 2 is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 05-134929. . This method is intended to improve the ashing rate and prevent ashing residues, and is different from the mechanism of the present invention in which the sidewall protection film is strengthened to achieve anisotropic etching to form a resist pattern. .
【0030】[0030]
【作用】本発明のポイントは、側壁保護膜として寄与す
るエッチング反応生成物である炭素系プラズマポリマの
膜質を強化することにより、その堆積量を減らしても充
分な異方性加工を達成し、対中間層選択性および対下地
選択性を実現することにある。The point of the present invention is to enhance the film quality of the carbon-based plasma polymer, which is an etching reaction product that contributes as a side wall protective film, to achieve sufficient anisotropic processing even if the deposition amount is reduced. It is to realize the selectivity to the intermediate layer and the selectivity to the base.
【0031】本発明でエッチングガスとして使用するア
コール、エーテルおよびケトン(いずれも一般的な分子
式Cx Hy Oz で表記される)は、放電プラズマ中で解
離生成するC−H結合やC−O結合等分極構造を有する
原子団が、プラズマ重合生成物である炭素系プラズマポ
リマの重合度を上昇し、イオン入射やラジカルのアタッ
クに対する耐性を高める。The alcohols, ethers and ketones (all represented by the general molecular formula C x H y O z ) used as etching gas in the present invention are C--H bonds and C-- which are dissociated and formed in discharge plasma. The atomic group having an O-bonded isopolarized structure increases the degree of polymerization of the carbon-based plasma polymer, which is a plasma polymerization product, and enhances resistance to ion injection and radical attack.
【0032】また、放電プラズマ中に遊離生成するH原
子やCOが、エッチング種として同時に導入したハロゲ
ンラジカルを捕捉し、炭素系プラズマポリマ中のハロゲ
ン元素濃度を低減することが可能となり、また炭素系プ
ラズマポリマ分子鎖中に上記分極構造を有する原子団が
導入される。かかる構造の炭素系プラズマポリマは、単
に -(CX)n - の繰り返し単位構造からなる従来の炭
素系プラズマポリマよりも、化学的、物理的安定性が増
すことは近年の研究から明らかになっている(ここでX
はハロゲン元素を、nは自然数をそれぞれ表す)。これ
は、2原子間の結合エネルギで比較すると、C−O結合
(1077kJ/mol)がC−C結合(607kJ/
mol)より大きいことからも支持される。Further, H atoms and CO that are liberally generated in the discharge plasma can trap the halogen radicals introduced at the same time as the etching species to reduce the concentration of the halogen element in the carbon-based plasma polymer, and also to reduce the carbon-based plasma polymer. An atomic group having the above-mentioned polarization structure is introduced into the plasma polymer molecular chain. Recent studies have revealed that the carbon-based plasma polymer having such a structure has chemical and physical stability higher than that of the conventional carbon-based plasma polymer having only a repeating unit structure of-(CX) n-. (Here X
Represents a halogen element and n represents a natural number). This is because the C—O bond (1077 kJ / mol) has a C—C bond (607 kJ / mol) when compared with the binding energy between two atoms.
It is also supported by the fact that it is larger than (mol).
【0033】このように、炭素系プラズマポリマ自身の
膜質が強固なものとなることにより、異方性エッチング
に必要な入射イオンエネルギの低減が可能となり、SO
G等からなる中間層や下地材料層に対する選択性が向上
するほか、下地スパッタによる側壁への再付着や、下地
材料層のプラズマダメージも少なくなる。また炭素系プ
ラズマポリマの堆積量を低減しても充分異方性加工を達
成できるので、パーティクル汚染を減少することができ
る。By thus strengthening the film quality of the carbon-based plasma polymer itself, it is possible to reduce the incident ion energy required for anisotropic etching, and SO
The selectivity with respect to the intermediate layer made of G or the like and the underlying material layer is improved, and the redeposition on the side wall due to the underlying sputtering and the plasma damage to the underlying material layer are reduced. Further, even if the deposition amount of the carbon-based plasma polymer is reduced, anisotropic processing can be sufficiently achieved, so that particle contamination can be reduced.
【0034】本発明は以上のような原理を基本としてい
るが、さらに一層の異方性加工、低パーティクル汚染化
と低ダメージを目指す方法をも提案する。Although the present invention is based on the principle as described above, a method aiming at further anisotropic processing, reduction of particle contamination and low damage is also proposed.
【0035】そのひとつは、上記エッチングガスにさら
に放電電離条件下でプラズマ中に遊離のイオウ(S)を
放出しうるイオウ系化合物を添加し、被エッチング基板
上にイオウを堆積させながらエッチングすることであ
る。この場合、エッチング反応生成物である炭素系プラ
ズマポリマに加え、イオウをも側壁保護膜として利用で
きるようになる。したがって、入射イオンエネルギをさ
らに一層低減することがが可能となり、高選択比と低プ
ラズマダメージを徹底できる。また、炭素系プラズマポ
リマの堆積量を相対的に減らすことができ、パーティク
ル汚染をそれだけ減少することができる。イオウは、被
エッチング基板温度を室温以下、たとえば25℃以下に
制御すればその表面に堆積することが可能である。しか
も堆積したイオウは、エッチング終了後、被エッチング
基板をおよそ90℃以上に加熱すれば容易に昇華除去で
きるので、被エッチング基板上に残留することがなく、
イオウ自体がパーティクル汚染源になることはない。One of the methods is to add a sulfur compound capable of releasing free sulfur (S) into plasma under discharge ionization conditions to the above etching gas, and perform etching while depositing sulfur on the substrate to be etched. Is. In this case, in addition to the carbon-based plasma polymer that is the etching reaction product, sulfur can also be used as the sidewall protective film. Therefore, the incident ion energy can be further reduced, and a high selection ratio and low plasma damage can be thoroughly achieved. In addition, the amount of carbon-based plasma polymer deposited can be relatively reduced, and particle contamination can be reduced accordingly. Sulfur can be deposited on the surface of the substrate by controlling the temperature of the substrate to be etched to room temperature or lower, for example 25 ° C. or lower. Moreover, the deposited sulfur can be easily removed by sublimation by heating the substrate to be etched to approximately 90 ° C. or higher after the etching is completed, so that it does not remain on the substrate to be etched.
Sulfur itself does not become a source of particle contamination.
【0036】また本発明では、下地材料層の酸化を効果
的に防止するため、上記エッチングをジャストエッチン
グ工程とオーバエッチング工程の2段階エッチングと
し、後者のオーバエッチング工程においてはエッチング
ガス系からO2 を排除し、NH 3 を含むエッチングガス
によりオーバエッチングをおこなう。これにより、下地
材料層がCuを含有する場合に従来生じていた、蒸気圧
の小さい酸化銅のパターン側壁への再付着やエッチング
後の残渣によるパーティクル汚染の問題を防止できる。
さらにはオーバエッチング中に下地材料層の表面から内
部に進行する酸化による、配線バルク抵抗の増加の問題
も大幅に改善することが可能となった。In the present invention, the oxidation of the base material layer is effective.
To prevent the above-mentioned etching just
Two-step etching of the etching process and the over-etching process
However, in the latter over-etching process, etching
O from gas system2To eliminate NH 3Etching gas containing
Over etching is performed. This allows the base
Vapor pressure, which has occurred conventionally when the material layer contains Cu
Of small oxide copper oxide on the side wall of pattern and etching
It is possible to prevent the problem of particle contamination due to the residual residue.
Furthermore, during overetching, the
Problem of increase in wiring bulk resistance due to oxidation progressing to the bottom
It has become possible to improve significantly.
【0037】なお、NH3 を用いた場合の有機材料層の
エッチング機構については、前述の特開平4-084414号公
報に開示した通りである。The etching mechanism of the organic material layer when NH 3 is used is as disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 4-084414.
【0038】[0038]
【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき説明す
る。EXAMPLES Specific examples of the present invention will be described below.
【0039】実施例1
本実施例は、3層レジストプロセスにおいてAl−1%
Si−0.5%Cu合金からなる下地材料層上に形成さ
れた下層レジスト層を、O2 /Cl2 /CH3OH(メ
タノール、bp=64.6℃)混合ガスを用いてエッチ
ングした例である。このプロセスを図1を参照しながら
説明する。Example 1 In this example, Al-1% was used in a three-layer resist process.
Example in which a lower resist layer formed on a base material layer made of a Si-0.5% Cu alloy was etched using a mixed gas of O 2 / Cl 2 / CH 3 OH (methanol, bp = 64.6 ° C.). Is. This process will be described with reference to FIG.
【0040】まず、図1(a)に示すように、被エッチ
ング基板として、例えば5インチ径のSiウェハ上に形
成された、段差を有するSiO2 系層間絶縁膜1上に、
この段差にならったAl−1%Si−0.5%Cu合金
層2をO.7μmの厚さに形成して、これを下地材料層
とする。なお、ここでは層間絶縁膜1下の下層配線等は
図示を省略する。つぎにこの上に一例としてノボラック
系ポジ型フォトレジスト(東京応化工業株式会社製、商
品名OFPR−800)を塗布して下層レジスト層3を
形成する。ここで、段差下部に対応する領域の下層レジ
スト層3の厚さは約1.0μmであり、表面は段差を吸
収して平坦面となるように形成する。この下層レジスト
層3の上には、SOG(東京応化工業株式会社製、商品
名OCD−Type2)をスピンコートし、厚さ約0.
2μmのSiO2 系中間層4を形成する。さらに、この
中間層4上には所定の形状にパターニングした上層レジ
ストパターン5を形成する。この上層レジストパターン
5は、一例としてネガ型化学増幅系レジスト(シプレー
社製、商品名SAL−601)からなる厚さ約0.7μ
mの塗布膜に対し、KrFエキシマレーザ露光および現
像処理を行うことにより形成する。この上層レジストパ
ターン5のパターン幅は、一例として0.35μmであ
る。First, as shown in FIG. 1A, as a substrate to be etched, on a SiO 2 -based interlayer insulating film 1 having a step formed on a Si wafer having a diameter of 5 inches, for example,
The Al-1% Si-0.5% Cu alloy layer 2 having this step difference is formed by O.D. It is formed to a thickness of 7 μm and is used as a base material layer. It should be noted that the lower layer wiring and the like below the interlayer insulating film 1 are omitted here. Next, as an example, a novolac-based positive photoresist (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd., trade name OFPR-800) is applied thereon to form the lower resist layer 3. Here, the thickness of the lower resist layer 3 corresponding to the lower part of the step is about 1.0 μm, and the surface is formed so as to absorb the step and become a flat surface. On the lower resist layer 3, SOG (trade name OCD-Type2 manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) was spin-coated to a thickness of about 0.
A 2 μm SiO 2 -based intermediate layer 4 is formed. Further, an upper layer resist pattern 5 patterned into a predetermined shape is formed on the intermediate layer 4. The upper resist pattern 5 is, for example, a negative chemically amplified resist (made by Shipley, trade name SAL-601) and has a thickness of about 0.7 μm.
The coating film of m is subjected to KrF excimer laser exposure and development processing to be formed. The pattern width of the upper layer resist pattern 5 is 0.35 μm, for example.
【0041】つぎに、この被エッチング基板を例えばヘ
キソード型ドライエッチング装置にセットし、上層レジ
ストパターン5をマスクとして中間層4をエッチングす
る。このときのエッチング条件は、例えば下記のとおり
とした。
CHF3 75 sccm
O2 8 sccm
ガス圧力 6.5 Pa
RFバイアスパワー 1350 W(13.56MH
z)
この結果、図1(b)に示したように、条件レジストパ
ターン5の直下に中間層パターン4aが形成された。Next, this substrate to be etched is set in, for example, a hex type dry etching apparatus, and the intermediate layer 4 is etched using the upper layer resist pattern 5 as a mask. The etching conditions at this time are as follows, for example. CHF 3 75 sccm O 2 8 sccm Gas pressure 6.5 Pa RF bias power 1350 W (13.56 MH
z) As a result, as shown in FIG. 1B, the intermediate layer pattern 4a was formed immediately below the conditional resist pattern 5.
【0042】次に、この被エッチング基板をRFバイア
ス印加型ECRプラズマエッチング装置に移設し、一例
として下記条件で下層レジスト層3をエッチングした。
O2 40 sccm
Cl2 10 sccm
CH3 OH 20 sccm
ガス圧力 1.5 Pa
マイクロ波パワー 900 W(2.45GHz)
RFバイアスパワー 300 W(2MHz)
基板温度 室温
ここで、上記CH3 OHは室温では液体であるので、H
eガスでバブリングして気化し、室温での飽和蒸気圧か
ら換算して所定の流量になるようにエッチングチャンバ
に導入した。Next, this substrate to be etched was transferred to an RF bias application type ECR plasma etching apparatus, and the lower resist layer 3 was etched under the following conditions as an example. O 2 40 sccm Cl 2 10 sccm CH 3 OH 20 sccm Gas pressure 1.5 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 300 W (2 MHz) Substrate temperature Room temperature where the above CH 3 OH is at room temperature H because it is a liquid
It was bubbled with e gas to be vaporized and introduced into the etching chamber so that the saturated vapor pressure at room temperature was converted to a predetermined flow rate.
【0043】上記エッチング過程では、O* による等方
的酸化反応が、O+ 、Cl+ 等のイオンにアシストされ
る機構でエッチングが進行する。また、従来のO2 /C
l2系ガスを用いた場合と同様に、下層レジスト3から
供給される炭素系の分解生成物に起因してCClx が発
生するが、CH3 OHにもとづくC−O結合やC−H結
合がその構造中にとりこまれる一方、構成元素中にしめ
るClの比率が減ることにより、強固な炭素系プラズマ
ポリマが生成した。この炭素系プラズマポリマは、パタ
ーン側壁部に堆積して側壁保護膜6を形成し、異方性エ
ッチングに寄与する。この結果、図1(c)に示したよ
うに、異方性形状を保った下層レジストパターン3aが
形成された。In the above etching process, the etching proceeds by a mechanism in which the isotropic oxidation reaction by O * is assisted by ions such as O + and Cl + . In addition, conventional O 2 / C
As in the case of using the l 2 -based gas, CCl x is generated due to the carbon-based decomposition product supplied from the lower layer resist 3, but the C—O bond and C—H bond based on CH 3 OH are generated. While being incorporated into the structure, a strong carbon-based plasma polymer was generated due to the decrease in the ratio of Cl contained in the constituent elements. This carbon-based plasma polymer is deposited on the side wall of the pattern to form the side wall protection film 6 and contributes to anisotropic etching. As a result, as shown in FIG. 1C, a lower layer resist pattern 3a having an anisotropic shape was formed.
【0044】本実施例ではSOG中間層4に対するエッ
チング選択比は従来より向上し、エッチング中のマスク
後退はほとんど発生しないので、エッチング後の寸法変
換差は認められなかった。In this example, the etching selectivity to the SOG intermediate layer 4 was improved as compared with the conventional one, and the mask receding during the etching hardly occurred. Therefore, the dimensional conversion difference after the etching was not recognized.
【0045】実施例2
本実施例は同じく下層レジスト層をO2 /HBr/CH
3 OCH3 (ジメチルエーテル、bp=−24℃)混合
ガスを用いてエッチングした例である。まず、前出の図
1(b)の被エッチング基板をRFバイアス印加型EC
Rプラズマエッチング装置にセットし、一例として下記
条件で下層レジスト層3をエッチングした。
O2 40 sccm
Cl2 10 sccm
CH3 OCH3 10 sccm
ガス圧力 1.5 Pa
マイクロ波パワー 900 W(2.45GHz)
RFバイアスパワー 300 W(2MHz)
基板温度 室温Example 2 In this example, the lower resist layer is also O 2 / HBr / CH.
This is an example of etching using a mixed gas of 3 OCH 3 (dimethyl ether, bp = −24 ° C.). First, the substrate to be etched shown in FIG.
The lower resist layer 3 was etched under the following conditions by setting it in an R plasma etching apparatus. O 2 40 sccm Cl 2 10 sccm CH 3 OCH 3 10 sccm Gas pressure 1.5 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 300 W (2 MHz) Substrate temperature Room temperature
【0046】上記エッチング過程では、Br組成比の小
さいCBrx およびこれにC−O結合やC−H結合が取
り込まれた炭素系プラズマポリマが生成し、これら堆積
物により側壁保護膜6が形成される。この結果、図1
(c)に示したように、異方性形状を保った下層レジス
トパターン3aが形成された。特に、本実施例ではCl
に比べて原子半径が大きくSiに対する反応性の低いB
r系の化学種を用いることにより、実施例1に比べて中
間層4aに対する選択比がさらに向上する。In the above etching process, CBr x having a small Br composition ratio and carbon-based plasma polymer in which C—O bonds and C—H bonds are incorporated are generated, and the sidewall protective film 6 is formed by these deposits. It As a result,
As shown in (c), a lower layer resist pattern 3a having an anisotropic shape was formed. Particularly, in this embodiment, Cl
B has a larger atomic radius and lower reactivity with Si than
By using the r-type chemical species, the selection ratio with respect to the intermediate layer 4a is further improved as compared with the first embodiment.
【0047】実施例3
本実施例は、同じく下層レジスト層をO2 /S2 Cl2
/CH3 COCH3 (アセトン、bp=56.5℃)混
合ガスを用いて、被エッチング基板を室温以下に冷却し
ながらエッチングした例である。まず、前出の図1
(b)の被エッチング基板をRFバイアス印加型ECR
プラズマエッチング装置にセットし、一例として下記条
件で下層レジスト層3をエッチングした。
O2 30 sccm
S2 Cl2 10 sccm
CH3 COCH3 10 sccm
ガス圧力 1.5 Pa
マイクロ波パワー 900 W(2.45GHz)
RFバイアスパワー 180 W(2MHz)
基板温度 −20 ℃
ここで、上記CH3 COCH3 は室温では液体であるの
で、Heガスでバブリングして気化し、室温での飽和蒸
気圧から換算して所定の流量になるようにエッチングチ
ャンバに導入した。Example 3 In this example, the lower resist layer was similarly O 2 / S 2 Cl 2
This is an example in which a substrate to be etched is etched while being cooled to room temperature or lower using a mixed gas of / CH 3 COCH 3 (acetone, bp = 56.5 ° C.). First, Figure 1 above
The substrate to be etched in (b) is an RF bias application type ECR
The lower resist layer 3 was set in a plasma etching apparatus under the following conditions as an example. O 2 30 sccm S 2 Cl 2 10 sccm CH 3 COCH 3 10 sccm Gas pressure 1.5 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 180 W (2 MHz) Substrate temperature −20 ° C. Here, the above CH Since 3 COCH 3 is a liquid at room temperature, it was bubbled with He gas to be vaporized, and introduced into the etching chamber so as to have a predetermined flow rate converted from the saturated vapor pressure at room temperature.
【0048】上記エッチング過程では、下層レジスト3
から供給される炭素系の分解生成物に起因してCClx
が生成するが、CH3 COCH3 の解離にもとづくC−
O結合やC−H結合がその構造中にとりこまれる一方、
構成元素中にしめるClの比率が減ることにより、強固
な炭素系プラズマポリマが生成した。さらにプラズマ中
に生成するイオウと、上述の炭素系プラズマポリマは、
パターン側壁部に堆積して複合化した側壁保護膜7を形
成し、異方性エッチングに寄与する。さらに、被エッチ
ング基板が低温冷却されていることにより、イオン入射
の少ないパターン側壁部においてはO* による酸化反応
が抑制される。この結果、前述した実施例1および2よ
りも低バイアス条件下であってもアンダカットが入るこ
となく、図1(c)に示したように、異方性形状を保っ
た下層レジストパターン3aが形成された。当然のこと
ながら、中間層4aとの選択比はさらに向上し、また下
地材料層からの再付着は全く確認されなかった。In the above etching process, the lower resist 3
CCl x due to carbon-based decomposition products supplied from
Is generated, but C-based on the dissociation of CH 3 COCH 3
While O-bonds and C-H bonds are incorporated into the structure,
A strong carbon-based plasma polymer was generated due to the decrease in the ratio of Cl contained in the constituent elements. Further, the sulfur generated in the plasma and the above-mentioned carbon-based plasma polymer,
A side wall protective film 7 is formed by being deposited on the side wall of the pattern to form a composite, which contributes to anisotropic etching. Furthermore, since the substrate to be etched is cooled at a low temperature, the oxidation reaction due to O * is suppressed in the pattern side wall portion where the number of incident ions is small. As a result, undercut was not generated even under a lower bias condition than in Examples 1 and 2 described above, and as shown in FIG. 1C, the lower layer resist pattern 3a maintaining the anisotropic shape was formed. Been formed. As a matter of course, the selection ratio with respect to the intermediate layer 4a was further improved, and redeposition from the underlying material layer was not confirmed at all.
【0049】上記低温エッチング終了後、被エッチング
基板をエッチング装置から大気中へ搬出する前に、結露
防止を兼ねて減圧雰囲気中で90℃以上、一例として1
00℃で加熱すると、側壁保護膜7中のイオウは容易に
昇華除去される。このため、同一エッチング装置内で処
理枚数を重ねても、チャンバ内のパーティクルレベルが
悪化することは無い。After the low-temperature etching is completed, before the substrate to be etched is carried out of the etching apparatus into the atmosphere, it is kept at 90 ° C. or higher in a reduced pressure atmosphere for the purpose of preventing dew condensation.
When heated at 00 ° C., sulfur in the side wall protective film 7 is easily sublimated and removed. Therefore, even if the number of processed wafers is increased in the same etching apparatus, the particle level in the chamber does not deteriorate.
【0050】実施例4
本実施例は、銅系金属材料層上の下層レジスト層をO2
/S2 Br2 /CH3OH混合ガスを用いて、被エッチ
ング基板を室温以下に冷却しながらジャストエッチング
した後、Cl2 /NH3 混合ガスに切り替えて、被エッ
チング基板を加熱しながらオーバーエッチングを行った
例である。このプロセスを、図2を参照しながら説明す
る。なお、図2の参照番号は図1と一部共通とする。Example 4 In this example, the lower resist layer on the copper-based metal material layer was O 2
/ S 2 Br 2 / CH 3 OH mixed gas is used for just etching while cooling the substrate to be etched to room temperature or below, then switched to Cl 2 / NH 3 mixed gas and overetched while heating the substrate to be etched. It is an example of performing. This process will be described with reference to FIG. Note that the reference numerals in FIG. 2 are partially common to those in FIG.
【0051】本実施例でエッチングサンプルとして使用
した被エッチング基板は、図2(a)に示されるよう
に、段差を有する層間絶縁膜1上にこの段差にならった
下地材料層8として純Cu層が例えば0.7μmの厚さ
に形成され、さらにこの上に3層レジストプロセスによ
り下層レジスト層3、中間層パターン4aおよび上層レ
ジストパターン5がこの順に形成されたものである。こ
こで、中間層パターン4aおよび上層レジストパターン
5のパターニング方法は実施例1で前述したとおりであ
るので、説明を省略する。The substrate to be etched used as the etching sample in this embodiment is, as shown in FIG. 2A, a pure Cu layer as an underlying material layer 8 conforming to this step on the interlayer insulating film 1 having the step. Is formed to have a thickness of 0.7 μm, for example, and a lower layer resist layer 3, an intermediate layer pattern 4a and an upper layer resist pattern 5 are further formed in this order by a three-layer resist process. Here, the patterning method of the intermediate layer pattern 4a and the upper layer resist pattern 5 is the same as that described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
【0052】この被エッチング基板を、室温以下に温度
制御可能な冷却機構を具備した基板ステージを有するR
Fバイアス印加型ECRプラズマエッチング装置にセッ
ティグし、一例として下記の条件で下層レジストをジャ
ストエッチングする。
O2 40 sccm
S2 Br2 10 sccm
CH3 OH 10 sccm
ガス圧力 1.5 Pa
マイクロ波パワー 900 W(2.45GHz)
RFバイアスパワー 180 W(2MHz)
基板温度 −20 ℃
ここで、CH3 OHの導入方法は実施例1と同じであ
る。This substrate to be etched has a substrate stage equipped with a cooling mechanism capable of controlling the temperature below room temperature.
The FCR bias type ECR plasma etching apparatus is set, and as an example, the lower layer resist is just etched under the following conditions. O 2 40 sccm S 2 Br 2 10 sccm CH 3 OH 10 sccm Gas pressure 1.5 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 180 W (2 MHz) Substrate temperature −20 ° C. where CH 3 OH The method of introducing is the same as in Example 1.
【0053】このジャストエッチング過程では、図2
(b)に示すように、段差上部の下層レジストパターン
3aが形成された段階でエッチングを停止した。上記エ
ッチング過程では、下層レジスト3から供給される炭素
系の分解生成物に起因してCBrx が生成するが、CH
3 OHにもとづくC−O結合やC−H結合がその構造中
にとりこまれる一方、構成元素中にしめるBrの比率が
減ることにより、強固な炭素系プラズマポリマが生成し
た。さらにプラズマ中に生成するイオウと、上述の炭素
系プラズマポリマは、パターン側壁部に堆積して複合化
した側壁保護膜7を形成し、異方性エッチングに寄与す
る。このとき、段差下部に対応する領域では、下層レジ
スト層の残余部3bが残っている。In this just etching process, as shown in FIG.
As shown in (b), the etching was stopped when the lower layer resist pattern 3a on the step was formed. In the above etching process, CBr x is generated due to the carbon-based decomposition products supplied from the lower layer resist 3,
While the C—O bond and C—H bond based on 3 OH were incorporated into the structure, the ratio of Br contained in the constituent elements was reduced, so that a strong carbon-based plasma polymer was formed. Further, sulfur generated in the plasma and the above-mentioned carbon-based plasma polymer are deposited on the pattern side wall portion to form a composite side wall protective film 7, which contributes to anisotropic etching. At this time, the residual portion 3b of the lower resist layer remains in the region corresponding to the lower portion of the step.
【0054】そこで、上記残余部3bを除去するため
に、エッチング条件を一例として下記のごとく切り替え
てオーバーエッチングを行う。
HBr 15 sccm
NH3 45 sccm
ガス圧力 1.5 Pa
マイクロ波パワー 900 W(2.45GHz)
RFバイアスパワー 120 W(2MHz)
基板温度 150 ℃
ここで、被エッチング基板の加熱は、基板ステージに内
蔵したヒータを作動することにより行った。このオーバ
ーエッチング過程では、C、Br、N、O、およびHを
構成元素とする炭素系プラズマポリマが堆積し、側壁保
護膜6を形成しながらエッチングが進行する。なお、先
のジャストエッチング工程で形成された複合化側壁保護
膜7中のイオウは、本オーバーエッチング工程で昇華除
去されるが、なお側壁保護膜7中の炭素系プラズマポリ
マは残存して側壁保護膜としての機能を維持した。Therefore, in order to remove the residual portion 3b, overetching is performed by changing the etching conditions as described below as an example. HBr 15 sccm NH 3 45 sccm Gas pressure 1.5 Pa Microwave power 900 W (2.45 GHz) RF bias power 120 W (2 MHz) Substrate temperature 150 ° C. Here, the substrate to be etched is built in the substrate stage. This was done by operating the heater. In this over-etching process, a carbon-based plasma polymer containing C, Br, N, O, and H as constituent elements is deposited, and etching proceeds while forming the sidewall protective film 6. Although the sulfur in the composite side wall protection film 7 formed in the just etching step is sublimated and removed in the overetching step, the carbon-based plasma polymer in the side wall protection film 7 remains and the side wall protection film 7 remains. The function as a membrane was maintained.
【0055】ところで、本実施例の重要な特長は、後工
程で形成されるCu配線パターンのバルク抵抗が上昇せ
ず、Cu配線本来の電気抵抗率である1.4μΩ/cm
の値を維持した低抵抗配線パターンの形成が可能なこと
である。これは上記オーバーエッチング工程において、
エッチング反応系から酸素を排除したことにより、Cu
層8の露出面からの酸化の進行が防止されるからであ
る。By the way, the important feature of this embodiment is that the bulk resistance of the Cu wiring pattern formed in the subsequent step does not increase and the original electric resistivity of the Cu wiring is 1.4 μΩ / cm.
That is, it is possible to form a low resistance wiring pattern that maintains the value of. In the over-etching process,
By eliminating oxygen from the etching reaction system, Cu
This is because the progress of oxidation from the exposed surface of the layer 8 is prevented.
【0056】なお、本実施例では低温プロセス(ジャス
トエッチング)と高温プロセス(オーバーエッチング)
とを連続的に行うため、被エッチング基板の冷却と昇温
にある程度の時間を要する。そこで、低温プロセス用チ
ャンバと、高温プロセス用チャンバとをゲートバルブで
連結し、被エッチング基板を高真空下に搬送可能なマル
チチャンバ型のエッチング装置を使用することがスルー
プット向上の観点から好ましい。また、本発明者が先に
出願した特開平5-114590号公報において提案したよう
に、冷却手段を有する固定電極と、加熱手段を有する可
動電極とを具備する基板ステージを装備するエッチング
装置を用いて、同一チャンバ内で連続的に処理する方法
も極めて有効なものである。In this embodiment, a low temperature process (just etching) and a high temperature process (over etching)
Since this is continuously performed, it takes some time to cool and heat the substrate to be etched. Therefore, it is preferable to use a multi-chamber type etching apparatus in which the low temperature process chamber and the high temperature process chamber are connected by a gate valve and the substrate to be etched can be transported under a high vacuum from the viewpoint of improving the throughput. Further, as proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-114590 filed by the present inventor, an etching apparatus equipped with a substrate stage including a fixed electrode having a cooling means and a movable electrode having a heating means is used. Thus, a method of continuously processing in the same chamber is also extremely effective.
【0057】以上、本発明を4例の実施例をもって説明
したが、本発明はこれら実施例に何ら限定されるもので
はない。Although the present invention has been described with reference to the four examples, the present invention is not limited to these examples.
【0058】例えば、アルコール、エーテルおよびケト
ンの各例として上述の実施例で用いたメタノール、ジメ
チルエーテル、アセトンの他に、エタノール(bp=7
8.3℃)、n−プロパノール(bp=97.4℃)、
i−プロパノール(bp=82.7℃)、n−ブタノー
ル(bp=117℃)、i−ブタノール(bp=108
℃)、sec−ブタノール(bp=100℃)、t−ブ
タノール(bp=83℃)、メチルエチルエーテル、ジ
エチルエーテル(bp=36.6℃)、メチルエチルケ
トンおよびメチルイソブチルケトン等、沸点が大略10
0℃程度迄の蒸気圧が大きい化合物を好ましく用いるこ
とが可能である。For example, in addition to methanol, dimethyl ether, and acetone used in the above-mentioned examples as alcohols, ethers, and ketones, ethanol (bp = 7) is used.
8.3 ° C), n-propanol (bp = 97.4 ° C),
i-propanol (bp = 82.7 ° C.), n-butanol (bp = 117 ° C.), i-butanol (bp = 108)
C), sec-butanol (bp = 100 ° C.), t-butanol (bp = 83 ° C.), methyl ethyl ether, diethyl ether (bp = 36.6 ° C.), methyl ethyl ketone and methyl isobutyl ketone, etc.
A compound having a large vapor pressure up to about 0 ° C. can be preferably used.
【0059】上記化合物は、Heガス等希ガスによりバ
ブリングしてエッチングチャンバに導入すればよい。も
っとも、気化潜熱により熱をうばわれて気化効率が低下
しないように、バブラを加熱して一定温度に保持するこ
とも有効である。希ガスによるバブリングでなく、上記
化合物の容器を沸点温度近傍まで加熱して蒸発気化する
こともまた可能である。これは、さらに沸点の高い高次
化合物を用いるときに有効である。この際には、エッチ
ングチャンバへのガス導入配管をリボンヒータ等で加熱
し、化合物ガスが配管中で凝縮しないように配慮すれば
よい。The above compound may be introduced into the etching chamber by bubbling with a rare gas such as He gas. However, it is also effective to heat the bubbler and maintain it at a constant temperature so that heat is not dissipated by the latent heat of vaporization and the vaporization efficiency is not reduced. Instead of bubbling with a rare gas, it is also possible to heat the container of the above compound to near the boiling point temperature to evaporate and vaporize. This is effective when using a higher-order compound having a higher boiling point. At this time, the gas introduction pipe to the etching chamber may be heated by a ribbon heater or the like so that the compound gas is not condensed in the pipe.
【0060】イオウ系化合物の例としては、上述の実施
例で用いたS2 Cl2 、S2 Br2の他に、S3 C
l2 、SCl2 等の塩化イオウ、S3 Br2 、SBr2
等の臭化イオウ、S2 F2 、SF2 、SF4 、S2 F10
等のSF6 以外のフッ化イオウ、そしてH2 Sを用いる
ことができる。フッ化イオウを用いる際は、F* (フッ
素ラジカル)を発生するので、中間層とのエッチング選
択比等に配慮する必要がある。Examples of sulfur compounds include S 3 C 2 in addition to S 2 Cl 2 and S 2 Br 2 used in the above-mentioned examples.
l 2 , SCl 2, etc., sulfur chloride, S 3 Br 2 , SBr 2
Sulfur bromide such as S 2 F 2 , SF 2 , SF 4 , S 2 F 10
Sulfur fluoride other than SF 6 , and H 2 S can be used. When sulfur fluoride is used, F * (fluorine radical) is generated, so it is necessary to consider the etching selection ratio with the intermediate layer.
【0061】中間層はSOGを用いたSiO2 系材料を
用いたが、Si3 N4 系、SiON系、Al2 O3 系や
各種金属等の無機薄膜を使用することが可能であり、そ
の成膜法もスパッタリング、蒸着、各種CVD等を用い
ることができる。Although the SiO 2 material using SOG was used for the intermediate layer, it is possible to use an inorganic thin film such as Si 3 N 4 based, SiON based, Al 2 O 3 based or various metals. As a film forming method, sputtering, vapor deposition, various types of CVD, or the like can be used.
【0062】下地材料層上の有機材料層として、上述の
各実施例ではノボラック系ポジ型フォトレジストを用い
たが、その他各種レジスト材料を用いることが可能であ
る。本有機材料層は、段差下地の平坦化をはかれば良い
のであるから、感光性である必要はなく、ポリイミド他
各種有機材料を利用できる。As the organic material layer on the base material layer, the novolac-based positive photoresist was used in each of the above-mentioned embodiments, but various other resist materials can be used. The organic material layer does not need to be photosensitive because it suffices to flatten the step underlayer, and various organic materials such as polyimide can be used.
【0063】その他、被エッチング基板の構成、エッチ
ング条件、エッチング装置等は適宜変更可能である。エ
ッチングガス組成には、He、Ar等希ガスを添加して
も良く、その他N2 、H2 、CO、CO2 、各種Br
系、I系、NOx 系、SOx 系ガス等を添加してもよ
い。In addition, the structure of the substrate to be etched, etching conditions, etching apparatus, etc. can be changed as appropriate. A rare gas such as He or Ar may be added to the etching gas composition, and N 2 , H 2 , CO, CO 2 and various Br are added.
System, I type, NO x systems may be added SO x based gas or the like.
【0064】[0064]
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
はレジスト等有機材料層のエッチングにおいて、アルコ
ール、エーテルおよびケトンのいずれかを含むエッチン
グガスを用いることにより、側壁保護膜として機能する
プラズマポリマの膜質を強化し、その堆積量を減少させ
てもアンダカットを発生することがなく、実用的なエッ
チングレートを確保した上で高異方性エッチングを達成
できる。また側壁保護膜の膜質が強固なものとなること
により、異方性エッチングに必要な入射イオンエネルギ
の低減が可能となり、SOG等からなる中間層に対する
選択比が向上するので中間層後退による寸法変換差を回
避でき、さらにや下地材料層に対する選択性も向上する
ので、下地スパッタによる側壁への再付着や、下地材料
層のプラズマダメージを低減できる。As is clear from the above description, according to the present invention, in etching an organic material layer such as a resist, a plasma that functions as a sidewall protective film can be obtained by using an etching gas containing one of alcohol, ether and ketone. Even if the polymer film is strengthened and its deposition amount is reduced, undercut does not occur, and a highly anisotropic etching can be achieved while ensuring a practical etching rate. Further, since the film quality of the side wall protective film is strong, the incident ion energy required for anisotropic etching can be reduced, and the selection ratio with respect to the intermediate layer made of SOG or the like is improved. Since the difference can be avoided and the selectivity for the underlying material layer is also improved, redeposition on the side wall due to underlying sputtering and plasma damage to the underlying material layer can be reduced.
【0065】アルコール、エーテルおよびケトンのいず
れかを含むエッチングガスに、さらに放電電離条件下で
プラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化合物
を添加し、被エッチング基板上にイオウを堆積させなが
らエッチングすることにより、更なる高異方性、高選択
比、低ダメージ化をはかることができる。While a sulfur compound capable of releasing free sulfur into plasma under discharge ionization conditions is further added to an etching gas containing any one of alcohol, ether and ketone, while sulfur is deposited on the substrate to be etched. By etching, higher anisotropy, higher selection ratio, and lower damage can be achieved.
【0066】また、下地材料層がCuやAl−Si−C
u合金等、銅を含有する材料層の場合には、オーバーエ
ッチング時に酸素を排除したガス系を使用することによ
り、配線バルク抵抗の増大を防止できるほか、銅や酸化
銅等の再スパッタによるパーティクル汚染を低減するこ
とが可能となる。The base material layer is Cu or Al-Si-C.
In the case of copper-containing material layers such as u alloys, by using a gas system that excludes oxygen during over-etching, it is possible to prevent an increase in wiring bulk resistance, and to prevent particles from re-sputtering copper or copper oxide. It is possible to reduce pollution.
【0067】上記効果により、たとえば3層レジストプ
ロセスの実用性を高めることができ、高集積度、高信頼
性を要求される、微細なデサインルールにもとづく多層
配線構造を有する半導体装置の製造において有効であ
る。本発明は、上記半導体装置のみにとどまらず、高段
差基板上等でパターニングする必要のあるOEIC、バ
ブルドメイン記憶装置さらには薄膜磁気ヘッドコイル等
のパターニングにおいても高い効果を発揮する。Due to the above effects, for example, the practicability of the three-layer resist process can be enhanced, and it is effective in manufacturing a semiconductor device having a multilayer wiring structure based on a fine design rule, which requires high integration and high reliability. Is. The present invention is not limited to the above semiconductor device, and exhibits a high effect in patterning an OEIC, a bubble domain memory device, and a thin film magnetic head coil that require patterning on a high step substrate.
【図1】本発明を適用した実施例1、2および3を、そ
の工程順に説明する概略断面図であり、(a)は段差を
有するAl−Si−Cu合金下地材料層上に下層レジス
ト、中間層および上層レジストパターンが順次形成され
た状態、(b)は中間層パターンが形成された状態、
(c)は上層レジストパターンおよび中間層パターンを
マスクに下層レジスト層をエッチングすることにより、
下地レジストパターンが形成された状態であり、上層レ
ジストパターンはエッチオッフされて消失した状態であ
る。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining Examples 1, 2 and 3 to which the present invention is applied, in the order of steps, in which (a) is a lower layer resist on an Al—Si—Cu alloy base material layer having steps A state where the intermediate layer and the upper layer resist pattern are sequentially formed, (b) a state where the intermediate layer pattern is formed,
(C) is a method of etching the lower resist layer using the upper layer resist pattern and the intermediate layer pattern as a mask,
The underlying resist pattern has been formed, and the upper layer resist pattern has been etched off and disappeared.
【図2】本発明を適用した実施例4を、その工程順に説
明するための概略断面図であり、(a)は段差を有する
Cu下地材料層上に下層レジスト層、中間層パターンお
よび上層レジストパターンが順次形成された状態、
(b)は下層レジスト層がジャストエッチングされた状
態、(c)は下層レジスト層がオーバーエッチングさ
れ、下層レジストパターンが形成された状態であり、上
層レジストパターンはエッチオフされて消失した状態で
ある。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining Example 4 to which the present invention is applied in the order of steps, in which (a) is a lower resist layer, an intermediate layer pattern, and an upper resist on a Cu base material layer having steps. The pattern is formed in sequence,
(B) is a state where the lower resist layer is just etched, (c) is a state where the lower resist layer is over-etched and a lower resist pattern is formed, and the upper resist pattern is etched off and disappeared. .
【図3】従来の3層レジスト技術における問題点を説明
する概略断面図であり、(a)は段差を有する下地材料
層上に下層レジスト、中間層および上層レジストパター
ンが順次形成された状態、(b)は中間層パターンが形
成された状態、(c)はは下層レジスト層がジャストエ
ッチングされた状態、(d)はオーバーエッチング中に
下地材料層のスパッタ物からなる再付着物層が形成され
た状態をそれぞれ表す。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a problem in the conventional three-layer resist technology, FIG. 3A is a state in which a lower layer resist, an intermediate layer and an upper layer resist pattern are sequentially formed on a base material layer having a step; (B) shows a state in which an intermediate layer pattern is formed, (c) shows a state in which the lower resist layer is just etched, and (d) shows a redeposited layer made of a sputtered material of the base material layer during overetching. The respective states are shown.
1 層間絶縁膜 2 Al−Si−Cu合金層(下地材料層) 3 下層レジスト層 3a 下層レジストパターン 3b 下層レジスト層の残余部 4 中間層 4a 中間層パターン 5 上層レジストパターン 6 側壁保護膜(炭素系プラズマポリマ) 7 側壁保護膜(炭素系プラズマポリマ+イオウ) 8 Cu層(下地材料層) 1 Interlayer insulation film 2 Al-Si-Cu alloy layer (base material layer) 3 Lower layer resist layer 3a Lower layer resist pattern 3b Remaining part of lower resist layer 4 Middle class 4a Intermediate layer pattern 5 Upper layer resist pattern 6 Side wall protection film (carbon-based plasma polymer) 7 Side wall protection film (carbon-based plasma polymer + sulfur) 8 Cu layer (base material layer)
Claims (2)
有機材料層を、アルコールおよびエーテルからなる群か
ら選ばれる少なくとも1種類の化合物と、放電電離条件
下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化
合物とからなるエッチングガスを用い、被エッチング基
板上にイオウを堆積させながらエッチングすることを特
徴とする異方性エッチング方法。1. An organic material layer formed on a base material layer containing copper , and at least one compound selected from the group consisting of alcohols and ethers and sulfur that is liberated in plasma under discharge ionization conditions. An anisotropic etching method characterized by etching while depositing sulfur on a substrate to be etched using an etching gas composed of a sulfur-based compound that can be released.
有機材料層を、アルコールおよびエーテルからなる群か
ら選ばれる少なくとも1種類の化合物と、放電電離条件
下でプラズマ中に遊離のイオウを放出しうるイオウ系化
合物とを用いて、被エッチング基板上にイオウを堆積さ
せながら実質的に前記下地材料層が露出する直前迄エッ
チングするジャストエッチング工程と、 NH3を含むエッチングガスを用い、被エッチング基板
を加熱しながら前記有機材料層の残余分をオーバーエッ
チングするオーバーエッチング工程とを有することを特
徴とする異方性エッチング方法。2. An organic material layer formed on a base material layer containing copper, at least one compound selected from the group consisting of alcohols and ethers , and sulfur liberated in plasma under discharge ionization conditions. A sulfur-based compound that can be released is used to etch sulfur while depositing sulfur on the substrate to be etched until the base material layer is substantially exposed, and an etching gas containing NH 3 is used. And an overetching step of overetching the remainder of the organic material layer while heating the etching substrate.
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