メタルハードマスクとは

メタルハードマスクとは、レジストで描いた配線の形をいったん金属の膜へ写し、その金属膜をマスクにして絶縁膜を掘る方式です。 狙いは、選択比の確保とレジストを剥がす順番の入れ替えです。形が金属へ写った時点でレジストを剥がせるので、Low-k膜の溝の側面は剥離の酸素プラズマにさらされません。そのかわり金属膜の成膜・加工・除去が工程に加わり、プラズマで傷んだ膜をどこで回復させるかは課題として残ります。

掘る間の形を、レジストに代わって金属膜が保つ

エッチングでは、掘っている間ずっと形を保つ膜が要ります。カーボン系ハードマスクは、半導体の微細加工で使うエッチング用の下地膜で、エッチングへの耐性が高いため、フォトレジストの代わりを務めます¹。この役目を金属の膜が担うものが、メタルハードマスクです。

配線層では、ハードマスクにもう1つの役割があります。ダマシン法では絶縁膜に溝と穴を掘ってから金属を埋め、微細なパターンの加工では選択比の高いハードマスクを使います²。マスクを金属へ替えると、レジストを剥がす工程の位置も一緒に動き、この移動がLow-k膜の傷み方を左右します。用途に合わせた材料もあり、IRTと呼ぶプロセスではビアや溝を埋める用途に向けた専用のメタルハードマスクも開発されています³。

炭素の多いLow-k膜では、レジストは選択比でも剥離でも不利になる

名古屋大学の関根誠氏と堀勝氏は、炭素を多く添加したLow-k膜のエッチングでは、レジストをマスクにしたときの選択比を確保しにくくなるとしています⁴。エッチングする膜とマスクの削れ方が近くなるほど、マスクのほうが先に薄くなります。

ダメージは次の工程にも残ります。Low-k膜をエッチングした後にレジストを剥がすアッシングで、Low-kパターンの側面にダメージが生じます。中身は、膜中の炭素が減ることによるk値の上昇です。下げた誘電率が、剥離工程で上がってしまいます。

酸素プラズマが変えるLow-k膜の表面

酸素プラズマがメチル基を抜くと、空いた結合手に水が付いてk値が上がり、表面は水を弾かない親水に変わってHF薬液で速く溶けるようになります。

酸素を使うプラズマアッシングは膜の中のメチル基を落とし⁵、空いた結合手（ダングリングボンド）へ水が付いてk値を押し上げます。メチル基を失った表面は疎水性から親水性へ移り、HFを使う薬液での削れる速さが大きく上がります。多孔質なlow-k絶縁膜はそれ自体吸湿性が増す傾向にあり、デュアルダマシン加工のプラズマダメージで膜質が劣化するとその傾向が顕著になります⁶。

剥離を前へ移せば、Low-k膜の側面は酸素プラズマにさらされない

メタルハードマスクでは、レジストは金属膜を掘るところまでを担当します。絶縁膜の上に金属膜を成膜し、レジストで金属膜をエッチングし、ここでレジストを剥離してから、金属膜をマスクにLow-k膜をエッチングします。形が金属へ写った時点でレジストの役目が済むので、Low-k膜が開く前に剥離を済ませられます。酸素プラズマとLow-k膜の側面が出会う場面そのものが、工程の並びから抜けます。

レジストを剥がす順番

レジストのまま掘ると、剥離の酸素プラズマが開いた溝の側面に当たります。金属膜へ写してから剥がせば、溝を掘る前に剥離が終わり、側面は酸素プラズマにさらされません。

アッシングによるダメージを減らすため、ダマシンの工程を組み替えたメタルハードマスクの採用が進んでいます⁵。JEITAの半導体技術ロードマップ専門委員会も、プラズマダメージを減らせるメタルハードマスクを使ったアッシャーダメージレスのデュアルダマシン加工や、ダメージ修復技術が検討されているとしています⁶。微細化とともに厳しくなる合わせ余裕を確保する方法としては、自己整合ビア（SAV）の適用が検討されています。

利点はもう1つあります。low-k絶縁膜のk値が下がるほど、キャップ膜やエッチングストッパー膜と化学組成や構造が近くなり⁶、デュアルダマシンの形状と寸法の制御が難しくなります。JEITAの半導体技術ロードマップ専門委員会は、メタルハードマスクを使う方法と、ストッパーを挟む方法を、形状と寸法の制御の有力な候補に挙げています。エッチングする膜とストッパーの区別がつきにくくなるほど、マスク側で余裕を確保する意味が大きくなります。

溝の寸法と深さ、位置合わせにも影響する

溝の寸法、深さ、側壁の荒れは、どれも配線抵抗に影響します⁵。そのため微細化が進むほど、寸法と深さのばらつき、荒れを抑える要求が厳しくなります。装置側では、プラズマ密度とバイアスの最適化、温度制御が課題に挙がり、将来は装置に測定器を搭載し、フィードバック制御とフィードフォワード制御で寸法と深さの再現性を上げる方向も示されています。エッチングの選択比の確保は、寸法のばらつきの抑制につながります。

位置合わせにも影響が出ます。光を通しにくいカーボン系ハードマスクの下や、積層したシリコンウェハの下層にあるアライメントマークを検出する場合、検出光が散乱や吸収を受けて戻り光が大幅に弱まり、視認性が下がります¹。マスク材を厚く不透明な膜にするほど、位置合わせが難しくなります。

マスクの下のアライメントマーク

厚く不透明なマスクの中では検出光が散乱と吸収を受け、マークからの戻り光が大幅に弱まります。

ダメージを減らすかわりに、工程と応力の問題が増える

金属膜の成膜、金属膜のパターン加工、役目を終えた金属膜の除去が、工程として加わります。Low-k膜のダメージを減らせる一方で、工程数が増えます。金属膜には応力の問題もあります。配線溝のマスクに使うTiNが圧縮応力を持つと、柔らかい多孔質Low-kの細い壁が波打つウィグリングが起き、その応力は成膜で下げてもエッチングのプラズマで戻ります。

ダメージそのものも完全にはなくなりません。プラズマによるLow-kのダメージへの対策として回復の手法がいくつも研究・提唱されていますが⁵、どの手法を配線工程のどのステップで行うのが最適かは今後の課題です。誘電率をどこまで下げられるかは、Low-k材料だけでなく、エッチングと剥離の方法にも左右されます。

よくある質問（FAQ）

メタルハードマスクとは何ですか？

レジストで描いた配線の形をいったん金属の膜へ写し、その金属膜をマスクにして絶縁膜を掘る方式です。掘っている間ずっと形を保つ役目が、レジストから金属膜へ移ります。

なぜ金属の膜へ形を写すのですか？

炭素を多く添加したLow-k膜のエッチングでは、レジストをマスクにしたときの選択比を確保しにくいためです。微細なパターンの加工では、選択比の高いハードマスクを使います。

アッシングとはどう関係しますか？

レジストを剥がすタイミングが前に移ります。パターンが金属膜に転写された時点でレジストは不要になるので、Low-k膜をエッチングする前に剥離でき、アッシングのダメージを減らすためにこの組み替えの採用が進んでいます。

アッシングでLow-k膜には何が起きますか？

酸素を使うプラズマアッシングは膜中のメチル基を除去し、空いた結合手に水が吸着してk値を上げます。メチル基を失った表面は疎水性から親水性に変わり、HFを使う薬液でのエッチング速度が大きく上がります。

形や寸法の精度にも関係しますか？

関係します。low-k絶縁膜のk値が下がるほどキャップ膜やエッチングストッパー膜と化学組成や構造が近づき、デュアルダマシンの形状制御と寸法制御が難しくなります。メタルハードマスクを使う手とストッパーを挟む手が、その有力な候補です。

メタルハードマスクの欠点は何ですか？

工程が増えることです。金属膜の成膜、金属膜そのもののパターン加工、役目を終えた金属膜の除去が挟まり、プラズマによるLow-kの傷みを回復する手法をどのステップで行うのが最適かは今後の課題です。

位置合わせへの影響はありますか？

あります。光を通しにくいカーボン系ハードマスクの下や、積層したシリコンウェハの下層にあるアライメントマークは、検出光が散乱や吸収を受けて戻り光が大幅に弱まり、見えにくくなります。マスク材を厚く不透明な膜にするほど、位置合わせが難しくなります。

比較・違いを学ぶ

フォトレジストとは── 露光でパターンを形成する膜。ハードマスクはそのパターンを受け取ってエッチングに使う
RC遅延とは── 剥離で上がったk値が影響する配線遅延

出典

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