JP2018182315A - パターン崩壊を防ぐためのエッチング後処理 - Google Patents

Abstract

【課題】パターン崩壊を防ぐエッチング方法を提供する。【解決手段】炭素系マスク層の上にパターン化ハードマスクを備えたスタックにフィーチャをエッチングする。パターンが、パターン化ハードマスクから炭素系マスク層へ転写され、その工程には、酸素含有成分と、ＳＯ２またはＣＯＳの少なくとも一方とを含む転写ガスの流れを供給する工程と、転写ガスをプラズマ化する工程と、１０ボルトより大きいバイアスを提供する工程と、転写ガスの流れを停止させる工程と、が含まれる。後処理が提供され、その工程には、５０ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒ（境界も含む）の間の処理圧力を維持するように、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ２、Ｈ２、または、ＮＨ３の内の少なくとも１つを含む後処理ガスの流れを供給する工程と、後処理ガスをプラズマ化する工程と、２０ボルトより大きいバイアスを提供する工程と、後処理ガスの流れを停止させる工程と、が含まれる。【選択図】図１

Description

本開示は、半導体ウエハ上に半導体デバイスを形成する方法に関し、特に、炭素系マスク層上のパターン化ハードマスクを用いてフィーチャをエッチングすることに関する。

半導体デバイスの形成では、エッチング層が、炭素系マスク層上のパターン化ハードマスクなど、多層マスクを用いてエッチングされうる。

上記を達成するために本発明の目的に従って、エッチング層の上の炭素系マスク層の上にパターン化ハードマスクを備えたスタックにフィーチャをエッチングするための方法が提供されている。パターンが、パターン化ハードマスクから炭素系マスク層へ転写され、その工程には：酸素含有成分と、ＳＯ_２またはＣＯＳの少なくとも一方とを含む転写ガスの流れを供給する工程と；転写ガスをプラズマ化する工程と；１０ボルトより大きいバイアスを提供して、プラズマから炭素系マスク層へイオンを加速させることで、炭素系マスク層にパターンを転写させる工程と；転写ガスの流れを停止させる工程と、が含まれる。後処理が提供され、その工程には：５０ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒ（境界も含む）の間の処理圧力を維持するように、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、または、ＮＨ_３の内の少なくとも１つを含む後処理ガスの流れを供給する工程と；後処理ガスをプラズマ化する工程と；２０ボルトより大きいバイアスを提供して、プラズマから炭素系マスク層へイオンを加速させる工程と；後処理ガスの流れを停止させる工程と、が含まれる。

添付の図面を参照しつつ行う本発明の詳細な説明において、本発明の上述の特徴およびその他の特徴を詳述する。

添付の図面では、限定ではなく例示を目的として本開示を図示する。なお、これらの添付図面においては、同様の構成要素には同様の符号が付されている。

一実施形態のハイレベルフローチャート。

パターン化ハードマスクから炭素含有層へパターンを転写する工程のより詳細なフローチャート。

後処理を提供する工程のより詳細なフローチャート。

一実施形態に従って処理されたスタックを示す概略断面図。 一実施形態に従って処理されたスタックを示す概略断面図。 一実施形態に従って処理されたスタックを示す概略断面図。 一実施形態に従って処理されたスタックを示す概略断面図。

一実施形態で利用可能なプラズマ処理チャンバを示す概略図。

一実施形態の実施に利用できるコンピュータシステムを示す概略図。

以下では、添付図面に例示されたいくつかの好ましい実施形態を参照しつつ、本発明の詳細な説明を行う。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも実施することが可能である。また、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の処理工程および／または構造については、詳細な説明を省略した。

図１は、一実施形態のハイレベルフローチャートである。この実施形態では、パターンが、パターン化ハードマスクから炭素含有マスク層へ転写される（工程１０４）。後処理が提供される（工程１０８）。エッチング層が、炭素含有マスク層を通してエッチングされる（工程１１２）。図２は、パターン化ハードマスクから炭素含有層へパターンを転写する工程（工程１０４）のより詳細なフローチャートである。少なくとも１つの酸素含有成分と、ＳＯ_２またはＣＯＳの少なくとも一方とを含む転写ガスが供給される（工程２０４）。転写ガスは、プラズマ化される（工程２０８）。バイアスが提供される（工程２１２）。転写ガスの流れが停止される（工程２１６）。図３は、後処理を提供する工程（工程１０８）のより詳細なフローチャートである。後処理ガスが、５０ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒ（境界も含む）の間の圧力で供給される（工程３０４）。後処理ガスは、プラズマ化される（工程３０８）。バイアスが提供される（工程３１２）。後処理ガスの流れが停止される（工程３１６）。

例
本発明の好ましい実施形態では、パターンが、パターン化ハードマスクから炭素含有マスク層へ転写される（工程１０４）。図４Ａは、基板４０４を備えたスタック４００の概略断面図であり、スタック４００は、フォトレジストマスク４２０と、その下に配置されたパターン化ハードマスク４１６と、その下に配置された炭素系マスク層４１２と、その下に配置されたエッチング層４０８とを備える。この例において、エッチング層４０８は、Ｓｉである。別の実施形態において、エッチング層は、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、タングステン、窒化タングステン、チタン、窒化チタン、酸化アルミニウム、または、酸化ハフニウムなど、他の材料であってよい。この例において、炭素系ハードマスク４１２は、非晶質炭素である。パターン化ハードマスク４１６は、窒化シリコンまたは酸窒化シリコンである。この例では、１または複数の層が、基板４０４とエッチング層４０８との間、または、エッチング層４０８と炭素系マスク層４１２との間、または、炭素系マスク層４１２とパターン化ハードマスク４１６との間、または、パターン化ハードマスク４１６とフォトレジストマスク４２０との間に配置されてもよい。フォトレジストマスク４２０は、パターン化ハードマスク４１６をパターニングするために用いられる。

パターンが、パターン化ハードマスク４１６から炭素系マスク層へ転写される（工程１０４）。パターン転写を提供するために、スタック４００は、プラズマ処理チャンバ内に配置される。図５は、本発明の一実施形態に従って、スタック４００を処理するために利用可能なプラズマ処理システム５００を概略的に示している。プラズマ処理システム５００は、チャンバ壁５２２によって囲まれたプラズマ処理チャンバ５０４を有するプラズマリアクタ５０２を備える。プラズマ電源５０６が、整合回路網５０８によって調整されており、誘導結合電力を供給することによってプラズマ処理チャンバ５０４内でプラズマ５１４を生成するために、電力窓５１２の近くに配置されたＴＣＰコイル５１０に電力を供給する。ＴＣＰコイル（上側電力源）５１０は、プラズマ処理チャンバ５０４内で均一な拡散プロファイルを生み出すよう構成されてよい。例えば、ＴＣＰコイル５１０は、プラズマ５１４内にトロイダル電力分布を生成するよう構成されてよい。電力窓５１２は、ＴＣＰコイル５１０をプラズマ処理チャンバ５０４から隔離しつつ、エネルギがＴＣＰコイル５１０からプラズマ処理チャンバ５０４に通過することを可能にするために設けられる。整合回路網５１８によって調整されたウエハバイアス電圧電源５１６が、電極５２０上に支持されたスタック４００上にバイアス電圧を設定するために、電極５２０に電力を供給する。コントローラ５２４が、プラズマ電源５０６およびウエハバイアス電圧電源５１６のための設定点を設定する。

プラズマ電源５０６およびウエハバイアス電圧電源５１６は、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚ、２ＭＨｚ、４００ｋＨｚ、または、これらの組み合わせなど、特定の高周波で動作するよう構成されてよい。プラズマ電源５０６およびウエハバイアス電圧電源５１６は、所望の処理性能を達成するために、或る範囲の電力を供給するのに適切なサイズを有してよい。例えば、本発明の一実施形態において、プラズマ電源５０６は、５０〜５０００ワットの範囲の電力を供給してよく、ウエハバイアス電圧電源５１６は、２０〜２０００Ｖの範囲のバイアス電圧を供給してよい。さらに、ＴＣＰコイル５１０および／または電極５２０は、２以上のサブコイルまたはサブ電極で構成されてもよく、サブコイルおよびサブ電極は、単一の電源によって電力供給されても、複数の電源によって電力供給されてもよい。

図５に示すように、プラズマ処理システム５００は、さらに、ガス源／ガス供給メカニズム５３０を備える。ガス源／ガス供給メカニズム５３０は、ノズルの形態のガス供給部５３６にガスを供給する。処理ガスおよび副生成物は、圧力制御バルブ５４２およびポンプ５４４を介してプラズマ処理チャンバ５０４から除去され、バルブおよびポンプは、さらに、プラズマ処理チャンバ５０４内を特定の圧力に維持するように機能する。ガス源／ガス供給メカニズム５３０は、コントローラ５２４によって制御される。カリフォルニア州フレモントのラムリサーチ社製のＫｉｙｏが、本発明の一実施形態を実施するために用いられてよい。様々な実施形態において、処理チャンバは、ＣＣＰ（容量結合プラズマ）リアクタまたはＩＣＰ（誘導結合プラズマ）リアクタであってよい。

図６は、本発明の実施形態で用いられるコントローラ５２４を実装するのに適切なコンピュータシステム６００を示すハイレベルブロック図である。コンピュータシステムは、集積回路、プリント基板、および、小型携帯デバイスから大型スーパコンピュータまで、多くの物理的形態を有してよい。コンピュータシステム６００は、１または複数のプロセッサ６０２を備えており、さらに、電子ディスプレイデバイス６０４（画像、テキスト、および、その他のデータを表示するためのもの）と、メインメモリ６０６（例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ））、ストレージデバイス６０８（例えば、ハードディスクドライブ）と、リムーバブルストレージデバイス６１０（例えば、光学ディスクドライブ）と、ユーザインターフェースデバイス６１２（例えば、キーボード、タッチスクリーン、キーパッド、マウス、または、その他のポインティングデバイスなど）と、通信インターフェース６１４（例えば、無線ネットワークインターフェース）と、を備えてもよい。通信インターフェース６１４は、リンクを介してコンピュータシステム６００および外部デバイスの間でソフトウェアおよびデータを転送することを可能にする。システムは、さらに、上述のデバイス／モジュールが接続される通信インフラ６１６（例えば、通信バス、クロスオーバーバー、または、ネットワーク）を備えてもよい。

通信インターフェース６１４を介して転送される情報は、電子信号、電磁信号、光信号、または、信号を搬送する通信リンクを介して通信インターフェース６１４によって受信できるその他の信号など、信号の形態であってよく、電線すなわちケーブル、光ファイバ、電話回線、携帯電話リンク、無線周波リンク、および／または、通信チャネルを用いて実施されてよい。かかる通信インターフェースを用いて、１または複数のプロセッサ６０２は、上述の方法の工程を実行する際に、ネットワークから情報を受信、または、ネットワークに情報を出力しうることが想定される。さらに、本発明の方法の実施形態は、プロセッサだけで実行されてもよいし、インターネットなどのネットワークを介して、処理の一部を分担する遠隔プロセッサと協働で実行されてもよい。

「非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体」という用語は、一般に、メインメモリ、二次メモリ、リムーバブルストレージ、および、ストレージデバイスなどのメディア（ハードディスク、フラッシュメモリ、ディスクドライブメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、および、その他の形態の持続性メモリなど）を指すために用いられ、搬送波または信号など、一時的な対象を網羅すると解釈されるべきではない。コンピュータコードの例としては、コンパイラによって生成されたコードなどのマシンコードや、インタープリタを用いてコンピュータによって実行される高級言語コードを含むファイルが挙げられる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、搬送波で具現化されたコンピュータデータ信号によって転送されると共にプロセッサが実行可能な一連の命令を表すコンピュータコードであってもよい。

図２は、パターン化ハードマスクから炭素含有層へパターンを転写する工程（工程１０４）のより詳細なフローチャートである。少なくとも１つの酸素含有成分と、ＳＯ_２またはＣＯＳの少なくとも一方とを含む転写ガスが供給される（工程２０４）。この例において、転写ガスは、８ｍＴｏｒｒの圧力で８０ｓｃｃｍのＯ_２および９０ｓｃｃｍのＳＯ_２を含む。転写ガスは、プラズマ化される（工程２０８）。この例では、８００ワットが、ＴＣＰコイル５１０によって１３．５６ＭＨｚでコイルによって供給される。バイアスが提供される（工程２１２）。３５０ボルトのバイアスが、バイアス電圧電源５１６によって提供される。転写ガスの流れが停止される（工程２１６）。この例において、処理は、ＯＥＳエンドポイント＋３０％のオーバーエッチングに達した後に停止される。

図４Ｂは、パターンが炭素系マスク層４１２に転写された後のスタック４００を示す概略断面図である。パターン転写処理は、硫黄含有側壁不動態膜４２４を形成する。

エッチング後処理が提供される（工程１０８）。図３は、後処理を提供する工程（工程１０８）のより詳細なフローチャートである。少なくともＨｅ、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、または、ＮＨ_３の少なくとも１つを含む後処理ガスが、５０ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒの間（境界も含む）の圧力で供給される（工程３０４）。この例において、後処理ガスは、２５０ｍＴｏｒｒの圧力で提供された４００ｓｃｃｍのＨｅおよび１０ｓｃｃｍのＮ_２である。後処理ガスは、プラズマ化される（工程３０８）。この例では、２５００ワットが、ＴＣＰコイル５１０によって１３．５６ＭＨｚでコイルによって供給される。バイアスが提供される（工程３１２）。２０ボルトのバイアスが、バイアス電圧電源５１６によって提供される。後処理ガスの流れが停止される（工程３１６）。この例では、処理は、２０秒後に停止される。

図４Ｃは、エッチング後処理後のスタック４００を示す概略断面図である。エッチング後処理は、硫黄含有側壁不動態膜を除去する。

エッチング層４０８は、炭素含有マスク層を通してエッチングされる（工程１１２）。図４Ｄは、エッチング層４０８がエッチングされた後のスタック４００を示す概略断面図である。

エッチング後処理がなければ、パターン転写後でエッチング層のエッチング前に、かなりの時間が経過するか、または、周囲環境にスタックが暴露すると、パターン崩壊が起きることがわかっている。様々な処理が、パターン崩壊を防ごうと試みられたが、成功していない。しかしながら、適切な圧力を提供しつつ、硫黄含有側壁を除去すれば、パターン崩壊が防止されることが予期せず発見された。硫黄含有側壁が完全に除去されなければ、硫黄含有側壁が湿気を吸収し、それが、硫黄と反応してパターン崩壊を引き起こすと考えられる。様々な実施形態が、パターン崩壊を引き起こすように湿度が吸収されないように、硫黄含有側壁を完全に除去するか、または、硫黄含有側壁を変化させる。理論に縛られることなく、パターン崩壊を引き起こすように湿度が吸収されないように、エッチング後処理が硫黄含有側壁の一部を除去し、残った硫黄含有側壁を変化させることが好ましいと考えられる。パターンが炭素系の層にあるので、エッチング後処理は、かかる炭素系の層を損傷してはならない。後処理ガスは、５０ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒ（境界も含む）の間の圧力で供給されることが好ましい。後処理ガスは、１００ｍＴｏｒｒ〜４００ｍＴｏｒｒ（境界も含む）の間の圧力で供給されることがより好ましい。後処理ガスは、１５０ｍＴｏｒｒ〜３００ｍＴｏｒｒ（境界も含む）の間の圧力で供給されることが最も好ましい。理論に縛られることなく、圧力範囲は、側壁の等方性処理に影響すると考えられる。

パターン化ハードマスクから炭素系マスク層へのパターンの転写中、バイアスは、１０ボルトより大きいことが好ましい。バイアスは、５０ボルト〜４００ボルトの間の範囲であることがより好ましい。バイアスは、１００ボルト〜３００ボルトの間の範囲であることが最も好ましい。後処理の提供中、バイアスは、２０ボルトより大きいことが好ましい。バイアスは、２０ボルト〜８０ボルトの間の範囲であることがより好ましい。バイアスは、２５ボルト〜４０ボルトの間の範囲であることが最も好ましい。イオンのエネルギは、硫黄含有層を変化させるおよび／または側壁から除去するのに十分であることが好ましいが、層４１６および４０８を過度にスパッタするほど高いことは好ましくない。

様々な実施形態において、パターン化ハードマスク４１６は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、非晶質シリコン、または、ポリシリコンなど、シリコン系であることが好ましい。フッ素含有ドライエッチングが、フォトレジストマスク４２０からパターン化ハードマスク４１６へパターンを転写するために用いられてよい。

様々な実施形態において、炭素系マスク層４１２は、非晶質炭素を含んでよく、したがって、多層レジストスキームで下層として用いられる非晶質炭素、水素化非晶質炭素、または、スピンコート有機炭素リッチ材料であってよい。いくつかの実施形態において、反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）層が、フォトマスク４２０の下に配置されてもよい。

様々な実施形態において、エッチング層は、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化タングステン、シリコン、タングステン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、チタン、または、窒化チタンであってよい。

炭素系マスク層４１２にエッチングされるフィーチャは、２．５：１より大きい高さ対幅のアスペクト比を有することが好ましい。炭素系マスク層４１２内のフィーチャは、１００ｎｍ未満の周期すなわちピッチを有することが好ましい。炭素系マスク層４１２内および最終的にはエッチング層４０８内のエッチングフィーチャは、エッチングラインまたは二次元アレイのピラーであることが好ましい。

様々な実施形態において、後処理ガスは、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、または、ＮＨ_３の内の少なくとも１つを含む。後処理ガスは、Ｈｅ、Ｈ_２、および、Ｎ_２を含むことがより好ましい。

以上、いくつかの好ましい実施形態を参照しつつ本発明について説明したが、本発明の範囲内で、様々な代替物、変形物、置換物、および、等価物が存在する。また、本発明の方法および装置を実施する他の態様が数多く存在することにも注意されたい。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨および範囲内に含まれる代替物、変形物、置換物、および、等価物の全てを網羅するものとして解釈される。

Claims (18)

1. エッチング層の上の炭素系マスク層の上にパターン化ハードマスクを備えたスタックにフィーチャをエッチングするための方法であって、
   前記パターン化ハードマスクから前記炭素系マスク層へパターンを転写する工程であって、
   酸素含有成分と、ＳＯ_２またはＣＯＳの少なくとも一方とを含む転写ガスの流れを供給する工程と、
   前記転写ガスをプラズマ化する工程と、
   １０ボルトより大きいバイアスを提供して、前記プラズマから前記炭素系マスク層へイオンを加速させることにより、前記炭素系マスク層に前記パターンを転写させる工程と、
   前記転写ガスの前記流れを停止させる工程と、を含む、工程と、
   後処理を提供する工程であって、
   ５０ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒ（境界も含む）の間の処理圧力を維持するように、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２、Ｈ_２、または、ＮＨ_３の内の少なくとも１つを含む後処理ガスの流れを供給する工程と、
   前記後処理ガスをプラズマ化する工程と、
   ２０ボルトより大きいバイアスを提供して、前記プラズマから前記炭素系マスク層へイオンを加速させる工程と、
   前記後処理ガスの前記流れを停止させる工程と、を含む、工程と、
   を備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、前記炭素系マスク層を通して前記エッチング層をエッチングする工程を備える、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記パターン化ハードマスクは、シリコン系材料である、方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記シリコン系材料は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、非晶質シリコン、または、ポリシリコンの内の少なくとも１つである、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記炭素系マスク層は、非晶質炭素を含む、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記パターンを転写する工程は、硫黄含有側壁不動態膜を形成する、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、前記後処理工程は、前記硫黄含有側壁不動態膜を除去するか、または、変化させる、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、前記エッチング層は、酸化シリコン、窒化シリコン、または、窒化タングステンの内の少なくとも１つである、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記パターン化ハードマスクから前記炭素系マスク層へ前記パターンを転写する工程は、前記炭素系マスクにマスクフィーチャを形成し、前記マスクフィーチャは、ラインまたは二次元アレイのピラーである、方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、前記マスクフィーチャは、２．５：１より大きい高さ対幅のアスペクト比を有する、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、前記マスクフィーチャは、１００ｎｍ未満の周期すなわちピッチを有する、方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、前記パターン化ハードマスクは、シリコン系材料である、方法。
13. 請求項１に記載の方法であって、前記炭素系マスク層は、非晶質炭素を含む、方法。
14. 請求項１に記載の方法であって、前記パターンを転写する工程は、硫黄含有側壁不動態膜を形成する、方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、前記後処理工程は、前記硫黄含有側壁不動態膜を除去するか、または、変化させる、方法。
16. 請求項１に記載の方法であって、前記パターン化ハードマスクから前記炭素系マスク層へ前記パターンを転写する工程は、前記炭素系マスクにマスクフィーチャを形成し、前記マスクフィーチャは、ラインまたは二次元アレイのピラーである、方法。
17. 請求項１に記載の方法であって、前記マスクフィーチャは、２．５：１より大きい高さ対幅のアスペクト比を有する、方法。
18. 請求項１に記載の方法であって、前記マスクフィーチャは、１００ｎｍ未満の周期すなわちピッチを有する、方法。

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