特許 6040314 プラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6040314

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】プラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20161128BHJP

   H01L 43/12 20060101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 105A

   H01L43/12

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-533784(P2015-533784)

(86)(22)【出願日】2014年11月19日

(86)【国際出願番号】JP2014080568

(87)【国際公開番号】WO2016079818

(87)【国際公開日】20160526

【審査請求日】2015年7月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】石丸 正人

(72)【発明者】

【氏名】島田 剛

(72)【発明者】

【氏名】須山 淳

(72)【発明者】

【氏名】阿部 高廣

【審査官】 内田 正和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０８０３５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０８１３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０９９５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８１２７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ４３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レジストと前記レジストの下方に配置された反射防止膜と前記反射防止膜の下方に配置されたマスク用膜を用いてプラズマエッチングによりタンタル膜をトリミングするプラズマ処理方法において、
前記レジストをマスクとしてプラズマエッチングにより前記反射防止膜と前記マスク用膜をトリミングし、
前記反射防止膜とマスク用膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去し、
前記反射防止膜とマスク用膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去した後のマスク用膜をマスクとしてプラズマエッチングにより前記タンタル膜をトリミングし、
前記マスク用膜の厚さは、前記タンタル膜の厚さの１／１０ 以下であることを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記マスク用膜は、クロム膜であり、
前記反射防止膜と前記マスク用膜のトリミングは、塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより行われることを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項3】

請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
前記タンタル膜のトリミングは、塩素ガスと四フッ化メタンガスとヘリウムガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより行われることを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項4】

レジストと前記レジストの下方に配置された反射防止膜と前記反射防止膜の下方に配置されたクロム膜を用いてプラズマエッチングによりタンタル膜をトリミングするプラズマ処理方法において、
前記レジストをマスクとして塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより前記反射防止膜と前記クロム膜をトリミングし、
前記反射防止膜とクロム膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去し、
前記反射防止膜とクロム膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去した後のクロム膜をマスクとして塩素ガスと四フッ化メタンガスとヘリウムガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより前記タンタル膜をトリミングすることを特徴とするプラズマ処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ処理方法に係り、特にプラズマエッチングによりトリミングを行うプラズマ処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ハードディスクドライブの大容量化に対応するため、巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ: ＧＭＲ）技術からトンネリング磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）技術へ移行し、面記録密度の高密度化が急速に進んでいる。

【0003】

それに伴いハードディスクドライブに使用される磁気ヘッドを製造するために微細化が必要になり、磁気ヘッドの微細プラズマエッチング技術が求められている。そのため、磁気ヘッドの製造装置においては、イオンミリング装置からプラズマエッチング装置の適用が進められている。

【0004】

磁気ヘッドの製造方法については、半導体デバイスの製造方法と概ね同様でリソグラフィーによりパターニングされたホトレジストをマスクに用いて基板上に形成されたＳｉＯ₂、Ｔａ、Ｃｒなどの半導体デバイスによく適用される材料とともにＡｌ₂Ｏ₃、ＮｉＦｅ、Ｒｕなどの不揮発性材料をプラズマエッチングによる微細加工している。

【0005】

因みに近年のプラズマエッチングによる微細加工では、被エッチング材をエッチングする前に、リソグラフィーによりパターニングされたホトレジストをプラズマエッチングにより縮小させ、縮小されたホトレジストのマスクパターンを用いて被エッチング材をプラズマエッチングすることで被エッチング材の配線の寸法を縮小させている。

【0006】

例えば、寸法を縮小する方法(トリミング)として、特許文献１には、リソグラフィーによってパターン化されたホトレジストを等方的または部分的に等方的なエッチングによって縮小させ、エッチストップとしてもあるいはダミー層としても機能する埋め込み反射防止被覆を備えた縮小した寸法のパターン化されたホトレジストを形成し、縮小した寸法パターンがポリシリコン、金属、または絶縁体、あるいは強誘電体等の下層材料の次に続く異方性エッチングのためのエッチマスクを提供する方法が開示されている。

【0007】

さらに被エッチング材の加工寸法をパターニングされた寸法より縮小する方法として、特許文献２には、予めパターニングされたホトレジストと、Ｃｒ膜，Ｍｎ膜，Ｆｅ膜，Ｃｏ膜，Ｎｉ膜，Ｙ膜，Ｚｒ膜，Ｎｂ膜，Ｍｏ膜，Ｒｕ膜，Ｈｆ膜，Ｉｒ膜，Ｐｔ膜，Ａｕ膜の中から選ばれる膜またはＣｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｙ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｈｆ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕの中から選ばれる元素を含有する酸化物の膜とを有する積層膜をマスクとして、プラズマを用いて炭化珪素膜をエッチングするプラズマエッチング方法であって、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いて前記ホトレジストをマスクとして前記膜をエッチングするマスク形成工程と、前記マスク形成工程後に塩素ガスと酸素ガスと希ガスガスとの混合ガスを用いて前記マスク形成工程後の膜の寸法を縮小化させるマスク縮小化工程とを有することを特徴とするプラズマエッチング方法が開示されている。

【0008】

また、２００〜５００ｎｍの厚さの磁性膜を高速エッチングし、良好な微細加工が可能なドライエッチング方法をとして、例えば、特許文献３には、本発明は厚さが２００ｎｍから５００ｎｍの磁性膜をドライエッチングするプラズマ処理方法において、レジスト膜と、前記レジスト膜の下層膜である非有機系の膜と、前記非有機系の膜の下層膜であるＣｒ膜と、前記Ｃｒ膜の下層膜であるＡｌ₂Ｏ₃膜とを含む積層膜を前記磁性膜の上に成膜した試料をドライエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法が開示されている。

【0009】

さらにＴａ膜のエッチング方法としては、例えば、特許文献４には、ホトレジスト膜をマスクパターンに、被エッチング膜である不揮発性材料であるＴａ膜のエッチングをＣｌ₂とＯ₂の混合ガスを用いて高精度にエッチングする方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開平９−２３７７７７号公報

【特許文献2】特開２０１３−２２５６２４号公報

【特許文献3】特開２０１２−９９５８９号公報

【特許文献4】特開２００２−２９９３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

反射防止膜のエッチング時にホトレジストパターンもエッチングされてパターンが縮小される。これにより、現像直後のホトレジストパターンよりも微細な寸法のパターンを形成することが出来る。しかしながら特許文献１においては、無機膜層の加工に必要なホトレジストマスク量を確保する必要があり、加工寸法の縮小化に限界が生じるという問題がある。

【0012】

また、特許文献２ないし４に開示された方法では、ホトレジストパターンの側壁に付着した反応生成物の保護膜によってホトレジストパターンに応力が加わったり、あるいはハロゲン系のガスによってホトレジスト樹脂が化学的作用によってダメージを受けたりする。配線が大きい場合は、ホトレジストパターンが受ける応力や化学的作用のダメージは顕在化しないが、縮小化後のホトレジストパターンが３５ｎｍ以下になってくると、ホトレジストパターンの変形や倒壊などの問題が生じる場合がある。

【0013】

このため、本発明では被エッチング膜の寸法をパターニングされた寸法より縮小させるプラズマ処理方法において、寸法の縮小化に伴う被エッチング膜の変形や倒壊を生じることなく、寸法を縮小させることのできるプラズマ処理方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明は、レジストと前記レジストの下方に配置された反射防止膜と前記反射防止膜の下方に配置されたマスク用膜を用いてプラズマエッチングによりタンタル膜をトリミングするプラズマ処理方法において、前記レジストをマスクとしてプラズマエッチングにより前記反射防止膜と前記マスク用膜をトリミングし、前記反射防止膜とマスク用膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去し、前記反射防止膜とマスク用膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去した後のマスク用膜をマスクとしてプラズマエッチングにより前記タンタル膜をトリミングし、前記マスク用膜の厚さは、前記タンタル膜の厚さの１／１０ 以下であることを特徴とする。

【0015】

また、本発明は、レジストと前記レジストの下方に配置された反射防止膜と前記反射防止膜の下方に配置されたクロム膜を用いてプラズマエッチングによりタンタル膜をトリミングするプラズマ処理方法において、前記レジストをマスクとして塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより前記反射防止膜と前記クロム膜をトリミングし、前記反射防止膜とクロム膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去し、前記反射防止膜とクロム膜をトリミングした後のレジストおよび前記トリミングされた反射防止膜をプラズマにより除去した後のクロム膜をマスクとして塩素ガスと四フッ化メタンガスとヘリウムガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングにより前記タンタル膜をトリミングすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明により、被エッチング膜の寸法をパターニングされた寸法より縮小させるプラズマ処理方法において、寸法の縮小化に伴う被エッチング膜の変形や倒壊を発生することなく、寸法を縮小させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明を適用したプラズマエッチング装置の構成断面図である。

【図2】本発明を適用したプラズマエッチング装置の装置構成図である。

【図3】本実施例で使用した試料の構造を示す模式図である。

【図4】本発明で使用した試料の構造を示す模式図である。

【図5】プラズマエッチングのフローを示す図である。

【図6】Ｃｒ膜のトリミング結果を示す図である。

【図7】Ｃｒ膜のプラズマエッチング後におけるホトレジスト膜と反射防止膜の除去を示す図である。

【図8】マスクの各膜厚に対するＴａ膜のエッチング形状を示す。

【図9】Ｔａ膜のトリミング結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明に係るプラズマエッチング方法の一実施例を、図面を参照しながら説明する。本発明に適用されるプラズマエッチング処理装置としては、試料である基板上に配置された被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマ処理装置であって、プラズマ形成用ガスの供給を受け、ガスプラズマを生成し、基板上に形成された金属膜等をエッチングするプラズマ処理装置を使用した。

【0019】

図１は本発明を適用したプラズマエッチング装置の内部構造を模式的に示す断面図である。プラズマエッチング処理室であるエッチング処理室の上部は、石英（ＳｉＯ）もしくはセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）の誘電体材料からなる誘電体窓により気密に封止されている。また、エッチング室３は、被処理体である試料１２が載置され高周波バイアスが印加される電極６を絶縁体に介して内部に配置している。さらにエッチング処理室は、アースに接地されている。

【0020】

誘電体窓２の上方には、プラズマを生成するための誘電磁場を放射するコイル状の誘導アンテナ１と整合器4を介して高周波電力を誘導結合アンテナ1に供給する第一の高周波電源１０とが配置されている。エッチング処理室３内部には、ガス供給装置５から処理ガスが供給され、排気装置８によって所定の圧力に減圧排気される。ガス供給装置５よりエッチング処理室３内部に処理ガスを供給し、該処理ガスを誘導アンテナ１により放射された誘導磁場によりプラズマ化する。

【0021】

また、プラズマ７中に存在するイオンを試料１２上に引き込むために電極６に第二の高周波電源１１により高周波バイアス電力を供給する。本プラズマエッチング装置は、不揮発性エッチング材料のエッチングに応じた構成を有しており、誘導結合アンテナ１と誘電体窓２の間に配置された容量結合アンテナであるファラデーシールド９へ高周波電圧を印加することによって、誘電体窓への反応生成物の堆積制御および除去が可能となる。さらに発光モニタリング装置１３は、エッチングガスの発光強度または反応生成物の発光強度の変化を検出してエッチングの終了を判定する。

【0022】

図２は、本発明を適用したプラズマエッチング装置の全体構成を示す。大気ローダ１４は、ロードロック室１５とアンロードロック室１６とに連結しており、ロードロック室１５とアンロードロック室１６は、真空搬送室１７と連結した構成になっている。さらに真空搬送室１７は、エッチング処理室３とアッシング処理室１８とに接続されている。

【0023】

試料１２は、大気ローダ１４と真空搬送ロボット１９により搬送され、エッチング処理室３でエッチング、アッシング処理室１８でアッシングされる。大気ローダ１４上には、試料１２が設置される第一のカセット２０と試料１２が設置される第二のカセット２１と試料１２が設置される第三のカセット２２とを備え、試料１２は、随時エッチング処理室３に搬送され、エッチング処理後もしくはアッシング処理後、元の第一のカセット２０または第二のカセット２１に戻るシステムになっている。以下、本発明のプラズマエッチング方法の実施形態について説明する。

【0024】

最初に本発明の一実施例で使用した試料の構造例から説明する。図３に示すようにＡｌＴｉＣ基板２３上に、下から順に、ＭＴＪ膜２４（３０ｎｍ）、Ｔａ膜２５（５０ｎｍ）、反射防止膜２７（６０ｎｍ）の順に配置し、リソグラフィー技術等によって、ホトレジスト膜２８によりマスクパターンを形成する。このＭＴＪ膜２４は、磁気トンネル結合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子を形成するための積層膜のことである。また、これらの構造は一実施例を示したものであり、積層される膜の種類、厚み、順序等は、用途に応じて適宜変更される。なお、マスクの寸法は６０ｎｍとした。

【0025】

先ず、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を所望の寸法になるようにエッチング及び寸法を縮小させる。次に、Ｔａ膜２５のエッチングを行う。Ｔａ膜２５は揮発性が低いため、Ｔａ膜２５のエッチング中に発生する反応生成物はパターン側壁に堆積して、パターンの変形や倒壊を起こす。ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の膜厚がより厚いとパターンに付着する反応生成物が増加して変形や倒壊が生じやすくなる。

【0026】

また、一方で、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の膜厚を薄くすれば、パターンに付着する反応生成物は低減してパターンの変形や倒壊は発生し難くなる。但し、薄いホトレジスト膜２８と反射防止膜２７ではＴａ膜２５との選択比を得るのは容易ではない。

【0027】

そこで、本発明では、図４に示すように第二のマスク材となるＣｒ膜２６をＴａ膜２５上に形成し、反射防止膜２７とＣｒ膜２６のエッチング後にホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の除去を実施する。その後、薄いＣｒ膜２６でＴａ膜２５と選択性が得られるガスを用いてＣｒ膜２６を後退させながらＴａ膜２５をエッチングする。このエッチング方法を用いることでパターンの変形や倒壊が生じることなく所望の寸法を得ることを見出した。次に本実施例に係る本発明のプラズマエッチング方法を説明する。

【0028】

図４に上述した構造を有する試料の第一のマスクを形成するための工程である。通常、反射防止膜２７とＣｒ膜２６は、それぞれの膜に適した条件を用いてエッチングを行う。最初に、図５(ａ)に示すようにホトレジスト膜２８をマスクに、反射防止膜２７をマスクと同じ寸法を保ちながらエッチングを行う。次に、図５(ｂ)に示すように所望の寸法になるように縮小させる。尚、この所望の寸法に縮小させることをトリミングと称する。

【0029】

次に、図５(ｃ)に示すように、寸法が縮小されたホトレジスト膜２８と反射防止膜２７をマスクにして、Ｃｒ膜２６のエッチングを行なう。この時、エッチング中に発生する反応生成物は、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の側壁に付着する。寸法の縮小化を進めていくと、その付着した反応生成物の重さに耐え切れず、図５(ｄ)に示すようにパターンの変形や倒壊が生じてしまう。パターンの変形や倒壊が生じると、更なる縮小化の妨げとなり所望の寸法が得られなくなる。

【0030】

このため、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の変形や倒壊を生じさせること無く、寸法を縮小させることを目的に本実施例では、塩素（Ｃｌ₂）ガスと酸素（Ｏ₂）ガスの混合ガスを用いて、反射防止膜２７とＣｒ膜２６を同一のエッチング条件を用いて、反射防止膜２７とＣｒ膜２６を連続でエッチングを行うとともに側壁方向へのエッチングも進行させパターンを細らせながらエッチングを行った。

【0031】

尚、Ｃｒ膜２６のエッチング処理時間は、発光モニタリング装置１３などによって制御され、Ｃｒ膜２６が無くなり始め、すなわち下層に配置されたＴａ膜２５が露出し始めた時を検出し、Ｃｒ膜２６のエッチング終点とする。この時、発光する反応生成物の発光強度、例えば波長３５９ｎｍの発光をとらえ、変化が始まる地点もしくは変化が終わる地点を検出して、Ｃｒ膜２６のエッチング終点とする。

【0032】

また、Ｃｒ膜２６のエッチング速度をあらかじめ調べ、エッチング時間を決定しておけば、必ずしも発光モニタリング装置１３は必要ではない。しかし、Ｃｒ２６のエッチング終点のタイミングが遅れると、横方法にエッチングが急激に加速され、ホトレジストパターンの変形や倒壊が生じる。これはＣｒ膜２６が無くなった時点で、プラズマ中の酸素ラジカルがホトレジスト膜２８や反射防止膜２７に集中し、過剰反応してしまうからである。

【0033】

一般的には、プロセスガスを低流量とし、特にＯ₂ガスの含有量を低下させれば、たとえエッチング終点のタイミングが遅れても、横方向へのエッチングを遅らせることができる。しかし、Ｏ₂ガスの含有量を低下させると、プラズマ中の塩素ラジカルがＣｒ膜２６の下層に配置されたＴａ膜２５と反応し、Ｔａ_xＣｌ_y系の反応生成物が発生する。

【0034】

このため、ホトレジストパターンの変形や倒壊を生じさせることなく、Ｃｒ膜２６の寸法を縮小させるには、ある程度ホトレジスト膜２８の側壁に保護膜を堆積させ、且つホトレジスト膜２８の寸法が太くならないように、または、ホトレジスト膜２８の側壁方向へエッチングが進行するような最適なバランスを保ちながらホトレジスト膜２８の側壁への保護膜形成とホトレジスト膜２８の側壁方向へのエッチングを繰り返していく必要がある。

【0035】

最適なバランスを保ちながら、ホトレジスト膜２８の側壁への保護膜形成とホトレジスト膜２８の側壁方向へのエッチングを繰り返していくために、本実施例では表１に示すように、６０ｍｌ／ｍｉｎの塩素（Ｃｌ₂）ガスと５ｍｌ／ｍｉｎの酸素（Ｏ₂）ガスの混合ガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアスを１５Ｗとするエッチング条件で反射防止膜２７とＣｒ膜２６を同一条件でエッチングを行った。これにより、図６に示すようにパターンの変形や倒壊が生じることなく、Ｃｒ膜２６の寸法をホトレジスト膜２８の初期寸法である６０ｎｍから３０ｎｍへ縮小することができた第一のマスクを形成できる。

【0036】

【表1】

【0037】

また、本実施例では、Ｃｒ膜を用いたが、本発明は、Ｃｒ膜に限定されず、下層に配置されるＴａ膜２５に対し高い選択性を示す材質であれば可能である。例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌの単層膜、およびこれらを含んだ積層膜、またはこれらの酸化物などがある。但し、適宜エッチング条件の最適化が必要である。

【0038】

次に、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を全て除去するマスク除去工程を行う。Ｃｒ膜２６の下層であるＴａ膜２５は揮発性が低いため、Ｔａ膜２５のエッチング時に発生する反応生成物２９はパターン側壁に堆積しやすく、一度付着すると取り除くことが困難である。この反応生成物がマスクパターンの側壁に付着すると、寸法を縮小させる妨げとなり、所望の加工寸法が得られなくなる。また反応生成物がマスクパターンの側壁に左右非対称に付着すると、多く付着した方へ曲がりや倒れが生じてしまう。配線が太い場合は、マスクパターンが受ける応力や化学的作用のダメージは顕著化しないが、Ｃｒ膜のエッチング後の寸法が３０ｎｍ以下に細くなるとパターン変形や倒壊が生じる。このため所望の寸法を得るためには、Ｔａ膜２５のエッチング時は、マスクを薄くして過度に反応生成物がパターン側壁に付着することを防ぐことが望ましい。

【0039】

Ｔａ膜２５のエッチングにおいて、塩素（Ｃｌ₂）ガスと四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスの混合ガスや、四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスなどのフッ素含有ガスを用いることで、Ｔａ膜２５のＣｒ膜２６に対する選択比が１０以上ある。この事から、Ｔａ膜２５の膜厚が５０ｎｍに対して、マスクとなるＣｒ膜２６の膜厚が５ｎｍあればＴａ膜２５のエッチングが可能となる。

【0040】

よって、Ｔａ膜２５のエッチング時はマスクであるＣｒ膜２６の膜厚をＴａ膜２５に対して１／１０以下に薄くすることが可能となる。そこで本発明では、Ｃｒ膜２６エッチング終了後に不要となったホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の除去を行い、図７に示すようにＴａ膜２５の膜厚に対してマスクが１／１０以下になる薄いマスクを形成した。

【0041】

この薄いマスクを用いることにより、パターンの変形や倒壊が生じる事無く、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となり所望の寸法が得られるようになる。Ｃｒ膜２６の薄膜マスクを用いることにより、パターンの変形や倒壊が生じることなくＴａ膜２５の縮小化が可能となる理由を図８で説明する。

【0042】

マスクの各膜厚に対するＴａ膜２５のエッチング形状を図８に示す。先ず、図８(ａ）は、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７をそのまま残してＴａ膜２５をエッチングした場合のエッチング形状である。パターン側壁に反応生成物２９が堆積し、この反応生成物２９の重みによりパターンが変形し倒壊している、次に図８(ｂ)は、Ｔａ膜２５と同じ膜厚のＣｒ膜２６で、Ｔａ膜２５をエッチングした場合のエッチング形状である。図８(ａ)と同様に、パターン側壁に反応生成物２９が堆積する。しかし、高く堆積しない分、パターンの変形や倒壊は生じないが、寸法が太くなり所望の寸法が得られない。

【0043】

次に図８(ｃ)は、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を除去し、Ｔａ膜２５の膜厚に対してＣｒ膜２６の膜厚を１／１０にした膜厚で、Ｔａ膜２５をエッチングした場合のエッチング形状である。Ｃｒ膜２６の膜厚が薄いため、Ｃｒ膜２６の肩部がややテーパに削られ、パターン側壁に反応生成物２９が堆積し難しくなり、同時に寸法の縮小化が進行する。よって、図８(ｃ)で示したように、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を除去し、且つＣｒ膜２６の膜厚をＴａ膜２５に対して１／１０以下にすることにより、パターンの変形や倒壊が生じることなく、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となる。ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の除去について次のような方法がある。

【0044】

第一のマスク形成工程でプラズマエッチングされた試料をアッシング処理室１８に真空搬送して、上記プラズマエッチングされたホトレジスト膜２８、反射防止膜２７、Ｃｒ膜２６と側壁に付着した反応生成物をプラズマアッシングで除去する。

【0045】

例えば、表２に示すように処理用ガスとして１０００ｍＬ／ｍｉｎの酸素（Ｏ₂）ガスを用い、圧力を１３０Ｐａ制御し、高周波電力を１０００Ｗ、ウエハステージ温度を２５０℃としたアッシング条件で６０秒間電極６に置かれた試料１２の処理を行うことにより、ホトレジスト膜２８、反射防止膜２７と反応生成物２９による付着物が除去される。

【0046】

【表2】

【0047】

尚、ホトレジスト膜２８のアッシング処理は、ホトレジスト膜２８のアッシング速度を予め調べ、アッシング時間を決定して行う。さらに、本実施例ではアッシング処理室１８でのホトレジスト除去方法を用いたが、エッチング処理室３で除去するインサイーチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）アッシング処理のどちらを実施してもよい。

【0048】

次に第二のマスク形成工程を行う。例えば、表３に示すように１８ｍｌ／ｍｉｎの塩素（Ｃｌ₂）ガスと７ｍｌ／ｍｉｎの四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスと５０ｍｌ／ｍｉｎのヘリウム（Ｈｅ）ガスを混合したガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を１７Ｗとしたエッチング条件でＣｒ膜２６をマスクにして、第一のマスク形成工程で形成されたマスクであるＣｒ膜２６の寸法より、Ｔａ膜２５を縮小させながらエッチングを行う。

【0049】

【表3】

【0050】

塩素（Ｃｌ₂）ガスと四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスの流量比は、塩素（Ｃｌ₂）ガスが多いとＴａ膜２５のパターン側壁方向へエッチングが加速してしまい形状が逆テーパとなりパターンの変形や倒壊を引き起こす原因となる。一方で四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスが多いと過剰に供給されたＣラジカルがＴａ膜２５のパターンの側壁に堆積してテーパ形状となり所望の寸法が得られなくなる。

【0051】

このため、垂直な形状を得るには、塩素（Ｃｌ₂）ガスと四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガス流量比の最適化が必要になる。本実施例では、Ｔａ膜２５の縮小化と形状の垂直化の両立を可能とするため、塩素（Ｃｌ₂）ガスと四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスの流量比を１８：７とした。

【0052】

尚、Ｔａ膜２５のエッチング処理は、Ｔａ膜２５が無くなり始め、すなわち下層に配置されたＭＴＪ膜２４が露出し始めた時点を発光モニタリング装置１３などによって検出し、この検出されたＴａ膜２５のエッチングの終点に基づいて終了する。例えば、波長５１５ｎｍの発光を受光し、波長５１５ｎｍの発光変化が始まる時点もしくは波長５１５ｎｍに発光変化が終わる時点を検出して、このＴａ膜２５のエッチングの終点とする。

【0053】

また、Ｔａ膜２５のエッチング速度を予め調べ、Ｔａ膜２５のエッチング時間を決定しておけば、必ずしも発光モニタリング装置１３は必要でない。しかし、Ｔａ膜２５のエッチング終点のタイミングが遅れると、プラズマ中の塩素ラジカルがＴａ膜２５の下層に配置されたＭＴＪ膜２４と反応し、反応生成物が発生する。

【0054】

また、Ｔａ膜２５エッチング中に発生するＴａの反応生成物は、揮発性に乏しいため、一旦、パターン側壁に付着すると保護膜が形成され除去するのが困難となり、縮小化の妨げとなり所望の寸法が得られない。このため、もＣｒ膜エッチングと同様に、Ｔａ膜２５の縮小化と下地ＭＴＪ膜２４からの反応生成物発生抑制を両立しなければならない。

【0055】

このため、本発明では、表３に示すように塩素（Ｃｌ₂）ガスと四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスにヘリウム（Ｈｅ）ガスを添加した。このヘリウム（Ｈｅ）ガスを添加したことによる効果は、パターン側壁への反応生物の堆積が抑制され、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となり所望の寸法が得られるようになる。これはヘリウム（Ｈｅ）ガスの添加によるエッチング室内でのガスの滞在時間を短くすることにより、パターン側壁への反応生成物の堆積が抑制されると考えられる。

【0056】

また、ヘリウム（Ｈｅ）ガスの添加により混合ガスの総ガス流量に対する塩素（Ｃｌ₂）ガス流量割合がヘリウム（Ｈｅ）ガスの希釈により減少してＴａ膜２５の下層のＭＴＪ膜２４が露出した時の反応生成物の発生を抑制できた。これにより、パターン側壁への反応生成物の堆積が抑制され、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となり所望の寸法が得られるようになり、図９に示すようなエッチング形状を得ることができる。

【0057】

また、エッチング時に発生する反応生成物は、パターン側壁に堆積しやすい。そのためマスク膜厚が厚いと、より多くの反応生成物がパターン側壁に堆積するためパターンの変形や倒壊が生じやすくなる。本実施例では、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を除去し、且つＣｒ膜２６の膜厚をＴａ膜に対して１／１０以下にすることにより、パターンの変形や倒壊が生じることなく、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となる。この時のＴａ膜２５の寸法は１５ｎｍとなる。

【0058】

尚、Ｔａ膜２５のエッチングとして四フッ化メタン（ＣＦ₄）ガスを用いたが、例えば、三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）ガス、二フッ化メタン（ＣＨ₂Ｆ₂）ガス、六フッ化硫酸（ＳＦ₆）ガス等のフッ素含有ガスでもよい。但し、ガス種に応じてエッチング条件の最適化が必要である。

【0059】

さらに、本発明は上述した通り、ファラデーシールドによる手段に限定されないため、ファラデーシールドを備えない誘導結合型プラズマ(Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ)エッチング装置、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ(ＥＣＲ)方式のマイクロ波プラズマエッチング装置、ヘリコン型プラズマエッチング装置、容量結合型プラズマ(Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ)エッチング装置等に本発明を適用してもよい。

【0060】

以上、本発明のプラズマエッチング方法により、被エッチング材のエッチング寸法をパターニングされた寸法より縮小させるプラズマエッチング方法において、被エッチング材の寸法の縮小化に伴う被エッチング材の配線の断線や曲がりを発生させることなく、被エッチング材の寸法を縮小させることができる。

【符号の説明】

【0061】

１ 誘導結合アンテナ
２ 誘電体窓
３ エッチング処理室
４ 整合器
５ ガス供給装置
６ 電極
７ プラズマ
８ 排気装置
９ ファラデーシールド
１０ 第一の高周波電源
１１ 第二の高周波電源
１２ 試料
１３ 発光モニタリング装置
１４ 大気ローダ
１５ ロードロック室
１６ アンロードロック室
１７ 真空搬送室
１８ アッシング処理室
１９ 真空搬送ロボット
２０ 第一のカセット
２１ 第二のカセット
２２ 第三のカセット
２３ ＡｌＴｉＣ基板
２４ ＭＴＪ膜
２５ Ｔａ膜
２６ Ｃｒ膜
２７ 反射防止膜
２８ ホトレジスト膜
２９ 反応生成物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】