JP2011165769A - 半導体装置の製造方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法及びプラズマエッチング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】微細なパターンを精度良く均一に、かつ、高選択比で形成することのできる半導体装置の製造方法及びプラズマエッチング装置を提供する。
【解決手段】処理チャンバー内に混合ガスからなる処理ガスを供給し、かつ複数種のガスのうち少なくとも１種のガスの流量を第１の時間中第１の流量とする第１工程と、第２の時間中前記第１の流量とは異なる流量の第２流量とする第２工程とからなる１サイクルの工程を、プラズマを途中で消すことなく連続的に少なくとも３回以上繰り返して行い、第１の時間及び第２の時間は、１秒以上１５秒以下、第１工程における処理ガスの総流量と、第２工程における前記処理ガスの総流量は、同一若しくは異なる場合は、総流量の差が多い方の総流量の１０％以下であり、第１工程と第２工程のいずれにおいても被エッチング膜のエッチングを進行させるガスを処理ガス中に含む半導体装置の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及びプラズマエッチング装置に関する。
半導体装置の製造工程では、半導体ウエハ等の基板をプラズマエッチング装置の処理チャンバー内に配置し、基板に形成された各種の膜をプラズマエッチングすることが行われている。
プラズマエッチング装置では、半導体ウエハ等の基板を収容した処理チャンバー内を所定圧力の減圧雰囲気とするとともに、所定の処理ガスを処理チャンバー内に供給し、この処理ガスを高周波電界等によってプラズマ化する。そして、この処理ガスのプラズマを基板に作用させることによって、基板に形成された各種の膜をプラズマエッチングする。
また、このようなプラズマエッチング装置等によるプラズマ処理では、処理チャンバー内に供給する混合ガスのうち、エッチングを進行させるＳＦ６の供給を一時的に短時間断続的に停止し、この間のエッチングの進行を停止した状態で表面に窒化膜を形成し、これによってアンダーカットを生じることなくシリコンをエッチングする方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特公平４−７３２８７号公報
半導体装置においては、５６ｎｍから４３ｎｍさらに３２ｎｍ等とその回路パターンの微細化が進んでいる。このため、プラズマエッチングによって形成するパターンは、微細でありかつ、高さの高い又は深さの深いパターンが多くなっており、このようなパターンを精度良く均一に、かつ、高選択比で形成することのできる技術の開発が行われている。しかしながら、例えば選択比とパターン形状はトレードオフの関係になる等の問題があり、高選択比で細く深いホール又は細く高いラインアンドスペース等のパターンを形成することは困難であった。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、微細なパターンを精度良く均一に、かつ、高選択比で形成することのできる半導体装置の製造方法及びプラズマエッチング装置を提供しようとするものである。
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板を処理チャンバー内に収容して前記基板に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記プラズマエッチング工程では、前記処理チャンバー内に所定の複数種のガスの混合ガスからなる処理ガスを供給し、かつ、前記複数種のガスのうち少なくとも１種のガスの流量を第１の時間中第１の流量とする第１工程と、第２の時間中前記第１の流量とは異なる流量の第２流量とする第２工程とからなる１サイクルの工程を、プラズマを途中で消すことなく連続的に少なくとも３回以上繰り返して行い、前記第１の時間及び前記第２の時間は、１秒以上１５秒以下、前記第１工程における前記処理ガスの総流量と、前記第２工程における前記処理ガスの総流量は、同一、若しくは異なる場合は、総流量の差が多い方の総流量の１０％以下であり、前記第１工程と前記第２工程のいずれにおいても前記被エッチング膜のエッチングを進行させるガスを前記処理ガス中に含むことを特徴とする。
本発明によれば、微細なパターンを精度良く均一に、かつ、高選択比で形成することのできる半導体装置の製造方法及びプラズマエッチング装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図。 実施例１、比較例１、比較例２のパターンの電子顕微鏡写真。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 エッチングレートの面内均一性を調べた結果を示すグラフ。 工程を切り替えた際のプラズマの発光強度の時間的変化を示すグラフ。 工程を切り替えた際のプラズマの発光強度の時間的変化を示すグラフ。 工程を切り替えた際のプラズマの発光強度の時間的変化を示すグラフ。 工程を切り替えた際のプラズマの発光強度の時間的変化を示すグラフ。 工程を切り替えた際のプラズマの発光強度の時間的変化を示すグラフ。 実施例２に係る半導体ウエハの構造を示す図。 実施例２、比較例３、比較例４のパターンの電子顕微鏡写真。 実施例３に係る半導体ウエハの構造を示す図。 実施例３のパターンの電子顕微鏡写真。
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置２００の構成を模式的に示すものである。プラズマエッチング装置２００は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理チャンバー１を有している。この処理チャンバー１は、円筒状とされ、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成されている。
処理チャンバー１内には、被処理基板である半導体ウエハＷを水平に支持する載置台２が設けられている。載置台２は例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。この載置台２は、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、載置台２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。さらに、載置台２及び支持台４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材３ａが設けられている。
載置台２には、第１の整合器１１ａを介して第１の高周波電源１０ａが接続され、また、第２の整合器１１ｂを介して第２の高周波電源１０ｂが接続されている。第１の高周波電源１０ａは、プラズマ発生用のものであり、この第１の高周波電源１０ａからは所定周波数（２７ＭＨｚ以上例えば４０ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２に供給されるようになっている。また、第２の高周波電源１０ｂは、イオン引き込み用（バイアス用）のものであり、この第２の高周波電源１０ｂからは第１の高周波電源１０ａより低い所定周波数（１３．５６ＭＨｚ以下、例えば２ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２に供給されるようになっている。一方、載置台２の上方には、載置台２と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド１６が設けられており、シャワーヘッド１６と載置台２は、一対の電極（上部電極と下部電極）として機能するようになっている。
載置台２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａを介在させて構成されており、電極６ａには直流電源１２が接続されている。そして電極６ａに直流電源１２から直流電圧が印加されることにより、クーロン力等によって半導体ウエハＷが吸着されるよう構成されている。
支持台４の内部には、冷媒流路４ａが形成されており、冷媒流路４ａには、冷媒入口配管４ｂ、冷媒出口配管４ｃが接続されている。そして、冷媒流路４ａの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、支持台４及び載置台２を所定の温度に制御可能となっている。また、載置台２等を貫通するように、半導体ウエハＷの裏面側にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するためのバックサイドガス供給配管３０が設けられており、このバックサイドガス供給配管３０は、図示しないバックサイドガス供給源に接続されている。これらの構成によって、載置台２の上面に静電チャック６によって吸着保持された半導体ウエハＷを、所定の温度に制御可能となっている。
上記したシャワーヘッド１６は、処理チャンバー１の天井部分に設けられている。シャワーヘッド１６は、本体部１６ａと電極板をなす上部天板１６ｂとを備えており、絶縁性部材４５を介して処理チャンバー１の上部に支持されている。本体部１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１６ｂを着脱自在に支持できるように構成されている。
本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃが設けられ、このガス拡散室１６ｃの下部に位置するように、本体部１６ａの底部には、多数のガス通流孔１６ｄが形成されている。また、上部天板１６ｂには、当該上部天板１６ｂを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔１６ｅが、上記したガス通流孔１６ｄと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室１６ｃに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部１６ａ等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド１６を所望温度に冷却できるようになっている。
上記した本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃへ処理ガスを導入するためのガス導入口１６ｇが形成されている。このガス導入口１６ｇにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、プラズマエッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給源１５が接続されている。
ガス供給配管１５ａには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｂ、及び開閉弁Ｖ１が設けられている。そして、処理ガス供給源１５からプラズマエッチングのための処理ガスとして、例えばＡｒ、Ｏ２、Ｃ４Ｆ８、ＨＢｒ、ＮＦ３、Ｃ４Ｆ６、ＣＦ４等のガスが、ガス供給配管１５ａを介してガス拡散室１６ｃに供給され、このガス拡散室１６ｃから、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給される。
上記した上部電極としてのシャワーヘッド１６には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１を介して可変直流電源５２が電気的に接続されている。この可変直流電源５２は、オン・オフスイッチ５３により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源５２の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５３のオン・オフは、後述する制御部６０によって制御されるようになっている。なお、後述のように、第１の高周波電源１０ａ、第２の高周波電源１０ｂから高周波が載置台２に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部６０によりオン・オフスイッチ５３がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド１６に所定の直流電圧が印加される。
処理チャンバー１の側壁からシャワーヘッド１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１ａは、その上部に天板を有している。
処理チャンバー１の底部には、排気口７１が形成されており、この排気口７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより処理チャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、処理チャンバー１の側壁には、ウエハＷの搬入出口７４が設けられており、この搬入出口７４には、当該搬入出口７４を開閉するゲートバルブ７５が設けられている。
図中７６，７７は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド７６は、処理チャンバー１の内壁面に沿って設けられ、デポシールド７７は、支持台４及び載置台２の周囲を囲むように設けられている。これらのデポシールド７６，７７は、処理チャンバー１内壁等にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止する役割を有している。
上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。
ユーザインターフェース６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
記憶部６３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
このように構成されたプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷに形成された絶縁膜等をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、ゲートバルブ７５が開かれ、半導体ウエハＷが図示しない搬送ロボット等により、図示しないロードロック室を介して搬入出口７４から処理チャンバー１内に搬入され、載置台２上に載置される。この後、搬送ロボットを処理チャンバー１外に退避させ、ゲートバルブ７５を閉じる。そして、排気装置７３の真空ポンプにより排気口７１を介して処理チャンバー１内が排気される。
処理チャンバー１内が所定の真空度になった後、処理チャンバー１内には処理ガス供給源１５から所定の処理ガス（エッチングガス）が導入され、処理チャンバー１内が所定の圧力、例えば４．７Ｐａ（３５ｍTorr）に保持され、この状態で第１の高周波電源１０ａから載置台２に、周波数が例えば４０ＭＨｚの高周波電力が供給される。また、第２の高周波電源１０ｂからは、イオン引き込みのため、載置台２に周波数が例えば２．０ＭＨｚの高周波電力（バイアス用）が供給される。このとき、直流電源１２から静電チャック６の電極６ａに所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハＷはクーロン力により吸着される。
この場合に、上述のようにして下部電極である載置台２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１６と下部電極である載置台２との間には電界が形成される。半導体ウエハＷが存在する処理空間には放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハＷ上に形成された絶縁膜等がエッチング処理される。この時、必要に応じてオン・オフスイッチ５３がオンとされ、可変直流電源５２から上部電極としてのシャワーヘッド１６に所定の直流電圧が印加される。また、このエッチング処理の際に、処理ガス中の少なくとも１種のガスの流量を、第１流量とした第１工程と、第１流量とは異なる第２流量とした第２工程とからなる１サイクルの工程を、プラズマを途中で消すことなく連続的に少なくとも３回以上繰り返して行う。これらの第１工程及び第２工程についての詳細は、後述する。
そして、上記したエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給、直流電圧の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー１内から搬出される。
次に、上記構成のプラズマエッチング装置２００を用いて行う半導体装置の製造方法の実施形態について説明する。図２は、本実施形態においてプラズマエッチングによるパターニングを行う半導体ウエハＷの構造の例を模式的に示すものである。
図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０１の表面には、下側から順に、窒化シリコン膜１０２（厚さ、例えば２０ｎｍ）、酸化シリコン膜１０３（厚さ、例えば５００ｎｍ）、カーボン膜１０４（厚さ、例えば６７０ｎｍ）、酸化シリコン膜１０５（厚さ、例えば４０ｎｍ）、反射防止膜１０６が形成されている。そして、反射防止膜１０６の上には、所定形状（本実施形態では、所定間隔で所定の内径を有するホールが形成された形状）にパターニングされた２層のフォトレジスト膜１０７、フォトレジスト膜１０８が形成されている。
本実施形態では、図２（ａ）に示す状態からまず反射防止膜１０６と酸化シリコン膜１０５をプラズマエッチングして、図２（ｂ）に示す状態とし、次にカーボン膜１０４をプラズマエッチングして図２（ｃ）に示す状態とする。
この後、酸化シリコン膜１０３をプラズマエッチングして図２（ｄ）に示す状態とする。次に、酸化シリコン膜１０３の上に残留したカーボン膜１０４をアッシングにより除去して図２（ｅ）に示す状態とし、最後に窒化シリコン膜１０２をエッチングして図２（ｆ）に示す状態とする。この状態では、厚さが約５００ｎｍの酸化シリコン膜１０３と厚さが２０ｎｍの窒化シリコン膜１０２を貫通するホール状のパターンが所定間隔で複数形成されることになる。
本実施形態では、上記した酸化シリコン膜１０３をプラズマエッチングする場合について説明する。この時、処理ガスとしては、例えば、フッ素化合物ガスと、Ｏ２ガスと、Ａｒガスの混合ガス等を使用する。フッ素化合物ガスとしては、例えばＣ４Ｆ６ガスを好適に使用することができる。そして、本実施形態では、エッチングを進行させるＣ４Ｆ６ガスの流量を、第１流量とした第１工程と、第１流量とは異なる第２流量とした第２工程とからなる１サイクルの工程を、プラズマを途中で消すことなく連続的に少なくとも３回以上繰り返して行う。
この際、第１工程を実施する第１の時間と、第２工程を実施する第２の時間は、１秒以上１５秒以下とし、さらに好ましくは２．５秒以上１０秒以下とする。この理由については、後述する。
また、第１工程における処理ガスの総流量と、第２工程における処理ガスの総流量は、略等しくすることが好ましく、異なる場合その総流量の差が、多い方の総流量の１０％以下の範囲とすることが好ましい。すなわち、例えば、第１工程における処理ガスの総流量が、第２工程における処理ガスの総流量より多く、１０００ｓｃｃｍの場合、第２工程における処理ガスの総流量は、９００ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ未満の範囲とする。これによって、第１工程における処理チャンバー内の圧力と、第２工程における処理チャンバー内の圧力とを略同一とし、処理チャンバーに設けられたＡＰＣ（自動圧力制御装置）のコントロール弁が作動しない程度の圧力変動範囲として、プラズマエッチング処理の状態が大きく変動することを抑制することができる。
さらに、第１工程と第２工程のいずれにおいても被エッチング膜（本実施形態の場合酸化シリコン膜）のエッチングを進行させるガスを処理ガス中に含むようにする。したがって、本実施形態では、第１工程と第２工程のいずれにおいても処理ガス中にフッ素化合物ガスが含まれるようにする。これによって、エッチングレートが低下することを抑制することができる。
実施例１として、図１に示したプラズマエッチング装置を使用し、以下の条件で酸化シリコン膜１０３のプラズマエッチングを実施した。
圧力：４．７Ｐａ（３５ｍTorr）
高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００／４０００Ｗ
直流電圧：１５０Ｖ
処理ガス（第１工程）：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝６０／６５／９００ｓｃｃｍ
処理ガス（第２工程）：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝８０／６５／９００ｓｃｃｍ
処理時間：（第１工程１０秒＋第２工程１０秒）×４ （トータル８０秒）オーバーエッチ４１％
温度（上部／側壁／載置台）：１５０／１５０／６０℃
ウエハ裏面側ヘリウム圧力（中央部／周辺部）：２０００／５３００Ｐａ（１５／４０Torr）
上記の実施例１では、所望形状のホールのパターン（ホール径４５ｎｍ）を形成することができ、下地層の窒化シリコン膜１０２との選択比を約４０とすることができた。この時のパターンの電子顕微鏡写真を図３（ａ）に示す。
比較例１として、上記のようにＣ４Ｆ６のガス流量を周期的に変更することなく、６０ｓｃｃｍで一定、処理時間９０秒（オーバーエッチ５０％）とし、他の条件は実施例１と同一として同様なプラズマエッチングを行った。また、比較例２として、上記のようにＣ４Ｆ６のガス流量を周期的に変更することなく、８０ｓｃｃｍで一定、処理時間９０秒（オーバーエッチ６２％）とし、他の条件は実施例１と同一として同様なプラズマエッチングを行った。この比較例１のパターンの電子顕微鏡写真を図３（ｂ）に、比較例２のパターンの電子顕微鏡写真を図３（ｃ）に示す。比較例１では、パターン形状は良好であったが、下地層の窒化シリコン膜１０２との選択比が１９．１と低かった。また、比較例２では、下地層の窒化シリコン膜１０２との選択比は３４．９と高かったが、抜け性が悪く、エッチストップしているパターンが多く存在した。
上記のように、実施例１では、Ｃ４Ｆ６のガス流量を一定としてプラズマエッチングを行った場合に比べて高選択比で、良好な形状のパターンを形成することができた。
次に、ブランケットウエハに形成した熱酸化膜のプラズマエッチングを、上記実施例１と同一条件（但し、処理時間８０秒）で行った場合（実施例１−２）、比較例１と同一条件（但し、処理時間８０秒）で行った場合（比較例１−２）、比較例２と同一条件（但し、処理時間８０秒）で行った場合（比較例２−２）について、エッチングレートの面内均一性を調査した。さらに、Ｃ４Ｆ６のガス流量を周期的に変更することなく、７０ｓｃｃｍで一定（処理時間８０秒）とした場合（比較例３−２）についても調査を行った。
これらの結果を、縦軸をエッチングレート、横軸をウエハ面内における位置とした図４〜７のグラフに示す。なお、これらのグラフにおいて、黒色の円はＸ方向に沿って測定した値、白抜きの円はＸ方向と直交するＹ方向に沿って測定した値を示している。図４に示すように、実施例１−２では、平均のエッチングレートが４３０．１ｎｍ／ｍｉｎ、ユニフォーミティが８．１％となった。
これに対して、図５に示す比較例１−２では、平均のエッチングレートが４１３．５ｎｍ／ｍｉｎ、ユニフォーミティが１７．５％となり、ウエハの中央部におけるエッチングレートが低下し、周辺部で高くなる傾向が顕著となった。また、図６に示す比較例２−２では、平均のエッチングレートが１４１．ｎｍ／ｍｉｎ程度となったが、ウエハの周辺部と中央部との間の中間部において、デポが多く膜厚測定が困難な部分（図中プロットの無い部分）があった。また、図７に示す比較例３−２では、平均のエッチングレートが４６３．３ｎｍ／ｍｉｎと高くなったが、ユニフォーミティが１１．６％と低くなり、ウエハの中央部におけるエッチングレートが低下し、周辺部で高くなる傾向が顕著となった。
以上のように、Ｃ４Ｆ６のガス流量を周期的に変更した実施例１−２では、Ｃ４Ｆ６のガス流量を一定とした各比較例に比べてエッチングレートが高く、ユニフォーミティも良好であることを確認することができた。
上記の実施例１、実施例１−２では、第１工程及び第２工程の時間を１０秒とし、４サイクルの周期的な変更を行っているが、この第１工程及び第２工程の時間は、１秒以上１５秒以下とすることが好ましく、２．５秒以上１０秒以下とすることがさらに好ましい。以下、その理由について説明する。
図８は、上記の実施例１−２において、第１工程及び第２工程の時間を４０秒として、１サイクル行った場合、図９は第１工程及び第２工程の時間を２０秒として、２サイクル行った場合、図１０は第１工程及び第２工程の時間を５秒として、８サイクル行った場合、図１１は第１工程及び第２工程の時間を２．５秒として、１６サイクル行った場合、図１２は第１工程及び第２工程の時間を１秒として、４０サイクル行った場合、図１３は第１工程及び第２工程の時間を０．５秒として、８０サイクル行った場合のエッチングレートとその面内均一性を調べた結果を示している。
図１３に示されるように、第１工程及び第２工程の時間を０．５秒とした場合、連続的にＣ４Ｆ６をガス流量７０ｓｃｃｍで一定に流した場合（比較例３−２（図７に示す。））と略同様な結果となり、ほとんど効果が表れない。なお、この場合の平均のエッチングレートは４６１．７ｎｍ／ｍｉｎ、ユニフォーミティは１０．６％である。
また図１２に示されるように、第１工程及び第２工程の時間を１秒とした場合、連続的にＣ４Ｆ６をガス流量７０ｓｃｃｍで一定に流した場合（比較例３−２（図７に示す。））に比べてエッチングレートの均一化の効果が表れる。なお、この場合の平均のエッチングレートは４５４．５ｎｍ／ｍｉｎ、ユニフォーミティは９．１％である。
そして、図１１に示されるように、第１工程及び第２工程の時間を２．５秒とした場合（平均のエッチングレートは４４６．８ｎｍ／ｍｉｎ、ユニフォーミティは８．６％）、図１０に示されるように、第１工程及び第２工程の時間を５秒とした場合（平均のエッチングレートは４４７．３ｎｍ／ｍｉｎ、ユニフォーミティは７．２％）、と次第にエッチングレートの均一化の効果が大きくなる。
しかしながら、第１工程及び第２工程の時間を１０秒とした前述した実施例１−２よりさらに第１工程及び第２工程の時間を長くし、２０秒とすると、図９に示されるように、連続的にＣ４Ｆ６をガス流量７０ｓｃｃｍで一定に流した場合（比較例３−２（図７に示す。））に比べてエッチングレートが低下し、ユニフォーミティも悪くなる。この場合の平均のエッチングレートは３６４．７ｎｍ／ｍｉｎ、ユニフォーミティは２７．２％程度である。なお、図９において、一部プロットの無い部位は、デポが多く膜厚測定が困難であった部分である。
そして、図８に示されるように第１工程及び第２工程の時間を４０秒とした場合も、連続的にＣ４Ｆ６をガス流量７０ｓｃｃｍで一定に流した場合（比較例３−２（図７に示す。））、に比べてエッチングレートが低下し、ユニフォーミティも悪くなる。
上記の結果から、第１工程及び第２工程の時間は、１秒以上１５秒以下とすることが好ましく、２．５秒以上１０秒以下とすることがさらに好ましいことが分かる。第１工程及び第２工程の時間をこのように設定すると良好な結果が得られるのは、プラズマエッチング中にプラズマの状態が微妙に変化する過渡状態が発生するからと考えられる。
図１４は、縦軸を発光強度、横軸を経過時間として、ガス流量を変化させた場合のプラズマの状態の時間的な変化の様子を調べた結果を示している。なお、この時のプラズマ発生条件は、
圧力：４．０Ｐａ（３０ｍTorr）
高周波電力（Ｈ／Ｌ）：５００／１５０Ｗ
処理ガス（第１工程）：ＨＢｒ／Ｃｌ２／ＮＦ３＝１６０／２０／２０ｓｃｃｍ
処理ガス（第２工程）：ＨＢｒ／Ｃｌ２／ＮＦ３＝１４０／２０／４０ｓｃｃｍ
である。
同図において各曲線は、上側から波長２２６ｎｍ：ＣＯ，ＳｉＣｌ、波長３３７ｎｍ：Ｎ２，ＮＨ、波長４４０ｎｍ：ＳｉＦ，Ｃｌ２＋，ＳｉＮの発光強度を示している。同図に示されるように、処理チャンバーの外部にある弁を動作させて第１工程と第２工程とを切り替える（ＮＦ３ガス流量を増大しＨＢｒを減少させる）と、同図（Ａ）に示すように３秒程度後にプラズマの状態が変化を始め、１０秒程度で安定した状態となる。つまり、この場合過渡状態が７秒程度生じる。なお、第２工程から第１工程に切り替えた（ＮＦ３ガス流量を減少しＨＢｒを増大させた）場合には、同図（Ｂ）に示すように３秒程度後にプラズマの状態が変化を始め、７秒程度で安定した状態となる。つまり、同図（Ａ）に示した場合より短時間で安定した状態となる。なお、処理チャンバーの容量は約６８リットルである。
このように第１工程と第２工程とを切り替えた際に過渡状態が７秒程度生じる場合、第１工程及び第２工程の時間を５秒以下の短時間に設定すると、処理時間中のほとんどの時間が過渡状態となるが、プラズマの状態の変化が定常状態にまで到達しない可能性がある。ここで、仮に第１工程及び第２工程の時間を８秒程度に設定すれば、処理時間中のほとんどの時間が過渡状態となり、かつ、プラズマの状態を略定常状態となるまで変化させることができる。このような理由から、第１工程及び第２工程の時間を８秒を中心として、１秒〜１５秒程度とすることによって、前述した効果が得られるものと考えられる。
図１５は、同様にプラズマの発生条件を、
圧力：４．７Ｐａ（３５ｍTorr）
高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００／４０００Ｗ
処理ガス（第１工程（１０秒））：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝６０／６５／２００ｓｃｃｍ
処理ガス（第２工程（１０秒））：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝８０／６５／２００ｓｃｃｍ
とした場合のプラズマの発光強度を測定した結果を示している。なお、この場合、波長２５０−２７０：ＣＦの発光強度を示している。また、図１６は、上記と同様な条件で、第１工程及び第２工程の時間を５秒とした場合、さらに図１７はＡｒガスの流量を９００ｓｃｃｍに増大させた場合、さらに図１８は圧力を９．４Ｐａ（７０ｍTorr）に増大させた場合の発光強度を示している。なお、処理チャンバーの容量は約６８リットルである。
これらの図１５〜図１８に示すように、Ａｒガスの流量を増大させると発光強度の変動幅が減少し、圧力を増大させると発光強度の変動幅が増大するが、過渡状態の時間的な長さには大きな影響は与えない。
次に実施例２について説明する。実施例２では、厚さ約６００ｎｍのカーボン膜をプラズマエッチングしてラインアンドスペースのパターンを形成した。実施例２で使用した半導体ウエハでは、図１９に示すように、厚さ約１ミクロンの熱酸化膜１２０の上に、厚さ約６００ｎｍのカーボン膜１２１が形成され、その上に厚さ約６０ｎｍの酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）１２２、厚さ約３０ｎｍの反射防止膜１２３が形成されている。そして反射防止膜１２３の上に所定パターンにパターニングされた厚さ約１００ｎｍのフォトレジスト１２４が形成されている。実施例２では、このフォトレジスト１２４をマスクとして反射防止膜１２３及び酸化シリコン膜１２２をエッチングした後、この酸化シリコン膜１２２をマスクとして、カーボン膜１２１をプラズマエッチングした。
カーボン膜１２１のプラズマエッチングの条件は以下のとおりである。
圧力：０．６７Ｐａ（５ｍTorr）
高周波電力（Ｈ／Ｌ）：５００／５００Ｗ
処理ガス（第１工程）：ＨＢｒ／Ｏ２＝４０／４０ｓｃｃｍ
処理ガス（第２工程）：ＨＢｒ／Ｏ２＝０／８０ｓｃｃｍ
処理時間：（第１工程１１秒＋第２工程１１秒）×４ （トータル８８秒）
温度（上部／側壁／載置台）：１００／８０／４０℃
ウエハ裏面側ヘリウム圧力（中央部／周辺部）：１３３０／１３３０Ｐａ（１０／１０Torr）
実施例２では、マスク層である酸化シリコン膜１２２との選択比を稼ぎつつ、厚さ約６００ｎｍのカーボン膜１２１をプラズマエッチングしてラインアンドスペースの所定形状のパターンを形成することができた。この実施例２のパターンの電子顕微鏡写真を図２０（ａ）に示す。
比較例４として、処理ガスを
処理ガス：ＨＢｒ／Ｏ２＝４０／４０ｓｃｃｍ
で一定とした以外は、実施例２と同一の条件で同一のサンプルのプラズマエッチングを行った。この結果、エッチング途中でエッチストップしてしまい、最後までエッチングすることができなかった。この比較例４のパターンの電子顕微鏡写真を図２０（ｂ）に示す。
比較例５として、処理ガスを
処理ガス：Ｏ２＝８０ｓｃｃｍ
で一定とした以外は、第２実施例と同一の条件で同一のサンプルのプラズマエッチングを行った。この結果、マスク層である酸化シリコン膜１２２との選択比が不十分でマスクの状態を維持することができず、また、カーボン膜１２１のＣＤが細くなってしまった。この比較例５のパターンの電子顕微鏡写真を図２０（ｃ）に示す。
次に実施例３について説明する。実施例３では、厚さ約３００ｎｍのカーボン膜の下側に位置する厚さ約４００ｎｍのアモルファスシリコン膜に、ホールのパターンを形成した。実施例３で使用した半導体ウエハでは、図２１に示すように、厚さ約４００ｎｍのアモルファスシリコン膜１３１の上に厚さ約３００ｎｍのカーボン膜１３２が形成されており、その上に厚さ約６０ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜１３３、反射防止膜１３４が形成されている。そして反射防止膜１３４の上に所定パターンにパターニングされた厚さ約１００ｎｍのフォトレジスト１３５が形成されている。実施例３では、フォトレジスト１３５をマスクとして反射防止膜１３４及び酸化シリコン膜１３３をエッチングした後、この酸化シリコン膜１３３をマスクとして、カーボン膜１３２をエッチングし、さらに、アモルファスシリコン膜１３１をプラズマエッチングした。
アモルファスシリコン膜１３１のプラズマエッチングの条件は以下のとおりである。
圧力：１６．０Ｐａ（１２０ｍTorr）
高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００／１３００Ｗ
処理ガス（第１工程）：ＮＦ３／ＨＢｒ／Ｏ２＝０／３００／２０ｓｃｃｍ
処理ガス（第２工程）：ＮＦ３／ＨＢｒ／Ｏ２＝５／３００／２０ｓｃｃｍ
処理時間：（第１工程１０秒＋第２工程１０秒）×３（トータル６０秒）
温度（上部／側壁／載置台）：１００／８０／８０℃
ウエハ裏面側ヘリウム圧力（中央部／周辺部）：１３３０／１３３０Ｐａ（１０／１０Torr）
実施例３では、厚さ約４００ｎｍのアモルファスシリコン膜１３１をプラズマエッチングして所定形状のホールのパターンを形成することができた。この実施例３のパターンの電子顕微鏡写真を図２２に示す。
以上、本発明を実施形態及び実施例について説明したが、本発明は係る実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。
１……処理チャンバー、２……載置台、１５……処理ガス供給源、１６……シャワーヘッド、１０ａ……第１の高周波電源、１０ｂ……第２の高周波電源、６０……制御部、２００……プラズマエッチング装置、Ｗ……半導体ウエハ。

Claims (9)

  1. 基板を処理チャンバー内に収容して前記基板に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法であって、
    前記プラズマエッチング工程では、
    前記処理チャンバー内に所定の複数種のガスの混合ガスからなる処理ガスを供給し、
    かつ、前記複数種のガスのうち少なくとも１種のガスの流量を第１の時間中第１の流量とする第１工程と、第２の時間中前記第１の流量とは異なる流量の第２流量とする第２工程とからなる１サイクルの工程を、プラズマを途中で消すことなく連続的に少なくとも３回以上繰り返して行い、
    前記第１の時間及び前記第２の時間は、１秒以上１５秒以下、
    前記第１工程における前記処理ガスの総流量と、前記第２工程における前記処理ガスの総流量は、同一、若しくは異なる場合は、総流量の差が多い方の総流量の１０％以下であり、
    前記第１工程と前記第２工程のいずれにおいても前記被エッチング膜のエッチングを進行させるガスを前記処理ガス中に含む
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の時間及び前記第２の時間は、２．５秒以上１０秒以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項１又は２記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記第１の時間と前記第２の時間とは同一であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項１〜３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記被エッチング膜は、酸化シリコン膜であり、
    前記処理ガスは少なくともフッ素化合物ガスを含み、前記第１工程と前記第２工程では、フッ素化合物ガスの流量を前記第１の流量と前記第２の流量とに変更することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項４記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記フッ素化合物ガスがＣ４Ｆ６ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 請求項４又は５記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記処理ガスがＯ２ガスとＡｒガスを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 請求項１〜３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記被エッチング膜は、アモルファスシリコン膜であり、
    前記処理ガスは少なくともＮＦ３ガスと、ＨＢｒガスと、Ｏ２ガスとを含み、前記第１工程と前記第２工程では、ＮＦ３ガスの流量を前記第１の流量と前記第２の流量とに変更することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  8. 請求項１〜３いずれか１項記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記被エッチング膜は、カーボン膜であり、
    前記処理ガスは少なくともＨＢｒガスと、Ｏ２ガスとを含み、前記第１工程と前記第２工程では、ＨＢｒガスと、Ｏ２ガスの流量を前記第１の流量と前記第２の流量とに変更することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 基板を内部に収容して前記基板に形成された被エッチング膜をエッチングする処理チャンバーと、
    前記処理チャンバー内に所定の複数種のガスの混合ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
    前記処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成機構と
    を具備したプラズマエッチング装置であって、
    前記処理チャンバー内で、請求項１乃至請求項８いずれが１項記載の半導体装置の製造方法におけるプラズマエッチング工程が実行されるように制御を行う制御手段を備えたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
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