JP2012195582A - プラズマエッチング方法及びコンピュータ記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】ボーイングの発生を抑制し、側壁形状を垂直に維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを形成することのできるプラズマエッチング方法及びコンピュータ記録媒体を提供する。
【解決手段】炭素とフッ素の比率（Ｃ／Ｆ）が第１の値である第１処理ガスを含む処理ガスを用いたプラズマエッチングにより、マスク層の残量と、ホールのボーイングＣＤとの相関関係を調べ、ボーイングＣＤの変化量が増大する変化点に相当するマスク層の残量を求める準備工程と、第１処理ガスを含む処理ガスを用い、マスク層の残量が変化点となるまでプラズマエッチングを行う第１プラズマエッチング工程と、第１プラズマエッチング工程の後に行う、第２プラズマエッチング工程とを具備し、第２プラズマエッチング工程は、少なくとも、第１の値よりＣ／Ｆが小さい第２処理ガスを含む処理ガスを用いたプラズマエッチングを行う期間を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマエッチング方法及びコンピュータ記録媒体に関する。

従来から、半導体装置の製造工程においては、処理チャンバー内に配置した基板（例えば、半導体ウエハ）にプラズマを作用させてエッチングを行うプラズマエッチング方法が使用されている。例えば、半導体装置の製造工程において、二酸化シリコン膜にコンタクトホールを形成する場合などにおいてこのプラズマエッチング方法が使用されている。なお、コンタクトホールにおいては、高アスペクト比のコンタクトホール（ＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact））が要求されるようになっており、ボーイングの発生を抑制し、側壁形状を垂直に維持しつつこのようなコンタクトホールを形成することが困難になりつつある。

このようなプラズマエッチング方法では、高い堆積性を有するガス条件のプラズマを作用させて保護膜を形成する期間と、低い堆積性を有するガス条件のプラズマを作用させてエッチングを進行させる期間とをエッチングの途中で切り替えて、複数ステップのエッチングを行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２７８４３６号公報

上述したとおり、半導体装置の製造工程においては、高アスペクト比のコンタクトホールが要求されるようになっており、プラズマエッチングによって、ボーイングの発生を抑制し、側壁形状を垂直に維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを形成することが困難になっている。

本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、ボーイングの発生を抑制し、側壁形状を垂直に維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを形成することのできるプラズマエッチング方法及びコンピュータ記録媒体を提供することを目的とする。

本発明のプラズマエッチング方法の一態様は、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）とを含む処理ガスのプラズマにより、マスク層を介してシリコン酸化膜にホールを形成するプラズマエッチング方法であって、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が第１の値である第１処理ガスを含む処理ガスを用いたプラズマエッチングにより、前記マスク層の残量と、前記ホールのボーイングＣＤとの相関関係を調べ、ボーイングＣＤの変化量が増大する変化点に相当する前記マスク層の残量を求める準備工程と、前記第１処理ガスを含む処理ガスを用い、前記マスク層の残量が前記変化点となる手前までプラズマエッチングを行う第１プラズマエッチング工程と、前記第１プラズマエッチング工程の後に行う、第２プラズマエッチング工程と、を具備し、前記第２プラズマエッチング工程は、少なくとも、前記第１の値より炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が小さい第２処理ガスを含む処理ガスを用いたプラズマエッチングを行う期間を含むことを特徴とする。

本発明によれば、ボーイングの発生を抑制し、側壁形状を垂直に維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを形成することのできるプラズマエッチング方法及びコンピュータ記録媒体を提供することができる。

本発明の一実施形態に用いるプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法に用いる半導体ウエハの構造を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法の工程を示すフローチャート。 ボーイングＣＤとマスク残量の関係を示すグラフ。 ボーイングＣＤの増加量とマスク残量との関係を説明するための図。 エッチングガス種とデポの状態を調べた結果を示す図。 実施例におけるボーイングＣＤとマスク残量の関係を示すグラフ。 半導体ウエハ断面の状態を写した電子顕微鏡写真。 マスクトップＣＤとエッチング時間との関係を示すグラフ。 本発明の他の実施形態に係るプラズマエッチング方法に用いる半導体ウエハの構造を模式的に示す図。 ボーイングＣＤとマスク残量の関係を示すグラフ。 ボーイングＣＤとエッチング深さの関係を示すグラフ。 エッチングガスの流量の変化を示すグラフ。 ホール内の側壁形状の変化を模式的に示す図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に使用するプラズマエッチング装置の構成を示すものである。まず、プラズマエッチング装置の構成について説明する。

プラズマエッチング装置は、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、例えば表面に陽極酸化被膜を形成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、その基材２ａが導電性の金属、例えば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の基材２ａ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の基材２ａ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３．２ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａ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、クーロン力によって半導体ウエハＷが静電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２ｂが形成されており、冷媒流路２ｂには、冷媒入口配管２ｃ、冷媒出口配管２ｄが接続されている。そして、冷媒流路２ｂ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（Ｈｅガス等のバックサイドガス）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の天壁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（シャワープレート）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，１６ｄが設けられ、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄ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１６ｅが形成されている。ガス拡散室は、複数分割され、例えば、中央部に設けられたガス拡散室１６ｃと、周縁部に設けられたガス拡散室１６ｄとに２分割されており、中央部と周縁部とで独立に処理ガスの供給状態を変更できるようになっている。

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１６ｆが、上記したガス通流孔１６ｅ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，１６ｄに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆ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を所望温度に温度制御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，１６ｄへ処理ガスを導入するための２つのガス導入口１６ｇ，１６ｈが形成されている。これらのガス導入口１６ｇ，１６ｈにはガス供給配管１５ａ，１５ｂが接続されており、このガス供給配管１５ａ，１５ｂの他端には、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）１５ｃ、及び開閉弁Ｖ１が設けられている。また、ガス供給配管１５ｂには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｄ、及び開閉弁Ｖ２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が、ガス供給配管１５ａ，１５ｂを介してガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給され、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄから、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆ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、その上部に天壁を有している。

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、半導体ウエハ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、処理チャンバー１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。このデポシールド７６の半導体ウエハＷと略同じ高さ位置には、直流的にグランドに接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）７９が設けられており、これにより異常放電が防止される。

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録媒体（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。

次に、上記構成のプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷに形成された二酸化シリコン層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内が所定の圧力に保持される。この時、処理ガス供給源１５からの処理ガスの供給状態を、中央部と周縁部とで異ならせることができ、また、処理ガスの全体の供給量のうち、中央部からの供給量と周縁部からの供給量との比率を所望の値に制御することができる。

そして、この状態で第１の高周波電源１０ａから載置台２の基材２ａ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の基材２ａに周波数が例えば３．２ＭＨｚ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静電チャック６に吸着される。

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。この電界により、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上に形成されたに二酸化シリコン層等がエッチング処理される。

また、前述したとおり、プラズマ処理中にシャワーヘッド１６に直流電圧を印加することができるので次のような効果がある。すなわち、プロセスによっては、高い電子密度でかつ低いイオンエネルギーであるプラズマが要求される場合がある。このような場合に直流電圧を用いれば、半導体ウエハＷに打ち込まれるイオンエネルギーが抑えられつつプラズマの電子密度が増加されることにより、半導体ウエハＷのエッチング対象となる膜のエッチングレートが上昇すると共にエッチング対象の上部に設けられたマスクとなる膜へのスパッタレートが低下して選択性が向上する。

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、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法について、高アスペクト比のコンタクトホールを形成する場合について説明する。図２は、プラズマエッチングされる半導体ウエハＷの断面構成を模式的に示すものである。また、図３は、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング方法の工程を示すフローチャートである。

図２に示すように、被処理基板としての半導体ウエハＷには二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層２０１（厚さ２５００ｎｍ）が形成されている。二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層２０１の上には、カーボン層２０２（厚さ９００ｎｍ）が形成されており、カーボン層２０２の上には、ＳｉＯＮ層２０３、反射防止層（ＢＡＲＣ）２０４が形成されている。反射防止層（２０４）の上には、所定形状にパターニングされ、複数（図２には１つのみ示す。）のホール状の開口２０６が形成されたフォトレジスト層２０５が形成されている。

本実施形態では、フォトレジスト層２０５をマスクとして、反射防止層２０４、ＳｉＯＮ層２０３、カーボン層２０２をプラズマエッチングする。そして、実質的にカーボン層２０２をマスクとして、二酸化シリコン層２０１をプラズマエッチングし、高アスペクト比のホール２０１ａを形成する。

二酸化シリコン層２０１のプラズマエッチングでは、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）とを含む処理ガス、例えば、Ｃ_４Ｆ_６ガス、Ｃ_４Ｆ_８ガス、Ｃ_３Ｆ_８ガス等を用いる。この二酸化シリコン層２０１のプラズマエッチング工程では、図３のフローチャートに示すように、まず準備工程を行って、後述する変化点（屈曲点）のマスク残量を求める（図３に示す工程３０１）。そして、この後、第１プラズマエッチング工程（図３に示す工程３０２）と、この第１プラズマエッチング工程の後に行う、第２プラズマエッチング工程と（図３に示す工程３０４）を行う。

上記第１プラズマエッチング工程では、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が第１の値である第１処理ガスを含む処理ガスを用い、第２プラズマエッチング工程では、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が第１の値より小さい第２処理ガスを含む処理ガスを用いる。第１処理ガスとしては、例えば、Ｃ_４Ｆ_６ガス（Ｃ／Ｆ＝２／３）又はＣ_４Ｆ_８ガス（Ｃ／Ｆ＝１／２）を用いる。一方、第２処理ガスとしては、例えば、Ｃ_３Ｆ_８ガス（Ｃ／Ｆ＝３／８）等を用いる。

準備工程では、上記した第１処理ガスを含む処理ガスを用いたプラズマエッチングにより、マスク層の残量（マスク残量）と、ホールのボーイングＣＤとの相関関係を調べ、ボーイングＣＤの変化量が増大する変化点（屈曲点）に相当するマスク残量を求める（図３に示す工程３０１）。例えば、第１処理ガスとしてＣ_４Ｆ_６ガスを用い、Ｃ_４Ｆ_６ガス／Ａｒ／Ｏ_２のガス系で準備工程を行う。この場合、例えば縦軸をボーイングＣＤ（ｎｍ）、横軸をマスク残量（ｎｍ）とした図４のグラフに示すように、マスク残量が一定の値（図４の例では４００ｎｍ付近）以下となると、ボーイングＣＤの変化量が増大する。この時のマスク残量の値が変化点（屈曲点）となる。

上記のように、マスク残量とボーイングＣＤの変化量との関係において、ボーイングＣＤの変化量が増大する変化点となるマスク残量があるのは、以下のような理由であると推測される。すなわち、図５（ａ）に示すように、マスク残量が多い場合は、マスク（カーボン層２０２）の入口付近（マスク側壁にデポが張り出すように堆積した張出し部）に衝突して斜めに進行方向を曲げられたイオンが、マスク（カーボン層２０２）の側壁部分に衝突する。しかし、図５（ｂ）に示すように、マスク残量が少なくなった場合は、マスク（カーボン層２０２）の入口付近で斜め方向に曲げられたイオンが、二酸化シリコン層２０１のホール２０１ａ内の側壁に衝突してエッチングされ、ホール２０１ａ内にボーイングが発生する。このようなメカニズムにより、マスク残量が一定値以下になると、急激にボーイング量が増加する。

このため、上記の準備工程で求めたボーイングＣＤの変化量が増大する変化点（屈曲点）に相当するマスク層の残量となった時点において（図３に示す工程３０３）、第１プラズマエッチング工程（図３に示す工程３０２）から、第２プラズマエッチング工程（図３に示す工程３０４）に切り替える。なお、上記の変化点（屈曲点）は、初期のマスク（フォトレジスト層２０５）の上端の開口径（マスクトップＣＤ）によって変動し、初期のマスクの上端の開口径が５０ｎｍより大きい場合には、４００ｎｍより大きくなり、初期のマスクの上端の開口径が５０ｎｍより小さい場合には、４００ｎｍより小さくなる。このような変化点（屈曲点）となるマスク層の残量の範囲は、種々のプロセス条件やマスクＣＤやマスク材料により変化するが、１００〜５００ｎｍ程度の範囲である。好ましくは１００〜４００ｎｍ程度の範囲、さらには２００〜４００ｎｍ程度の範囲である。

第１プラズマエッチング工程（図３に示す工程３０２）では、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が第２処理ガスに比べて相対的に高い第１処理ガスを用いたプラズマエッチングを行う。例えばＣ_４Ｆ_６ガス／Ａｒ／Ｏ_２のガス系等を用いてプラズマエッチングを行う。炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が高い第１処理ガスは、所謂デポ系のガスであり、カーボンに対して高選択比で二酸化シリコンをエッチングすることができる。

第２プラズマエッチング工程（図３に示す工程３０４）では、炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が第１処理ガスに比べて相対的に小さい第２処理ガスを用いたプラズマエッチングを行う期間を含んでいる。この第２処理ガスを用いたプラズマエッチングは、例えばＣ_３Ｆ_８ガス／Ａｒ／Ｏ_２のガス系等を用いる。炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が低い第２処理ガスは、デポの少ないガスであり、カーボンに対する二酸化シリコンの選択比は低くなる。

このため、第２プラズマエッチング工程（図３に示す工程３０４）では、第２処理ガスを用いた２−１プラズマエッチング工程を行う期間（図３に示す工程３０５）と、第１処理ガスを用いた２−２プラズマエッチング工程を行う期間（図３に示す工程３０６）とを交互に短時間（例えば１０秒程度）で複数回、エッチングが終了するまで繰り返すようにしてもよい（図３に示す工程３０７）。これによって、ボーイングＣＤの増加を抑制しつつ必要な選択比を確保することができる。

図６は、Ｃ_４Ｆ_６ガスを用いた場合と、Ｃ_３Ｆ_８ガスを用いた場合のデポの状態の相違を調べた結果を模式的に示したものである。図６（ａ）に示すように、Ｃ_４Ｆ_６ガスを用いた場合、ホールの入口付近に多くデポする傾向があり、Ｃ_４Ｆ_６ガスの流量が増大するに従い、デポがホールの内側に多く張り出した状態となる。一方、図６（ｂ）に示すように、Ｃ_３Ｆ_８ガスを用いた場合、ホールの入口付近のデポが少なく、ホールの内側への張り出し量も少ない。つまり、デポのし易い条件でエッチングし、デポの張り出しとマスクの残量とからの変化点（屈曲点）に達したらデポの少ない条件でエッチングすることでボーイングを抑制できる。

実施例として、まず、図１に示した構造のエッチング装置を使用し、図２に示した構造の半導体ウエハＷに対して以下の条件で準備工程を実施した。

圧力：３．９９Ｐａ（３０ｍTorr）
処理ガス：Ｃ_４Ｆ_６／Ａｒ／Ｏ_２＝５０／６００／４７ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１７００Ｗ／４５００Ｗ
直流電圧：−３００Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
ヘリウムガス圧力（中央部／周縁部）：２．０ｋＰａ／５.３２ｋＰａ（１５Torr／４０Torr）
温度(上部／側壁部／下部):１５０／１５０／１０℃

縦軸をボーイングＣＤ（ｎｍ）、横軸をマスク残量（ｎｍ）とした図７のグラフに上記の準備工程におけるボーイングＣＤとマスク残量との関係を示す。同図に示す実線Ｂのように、この準備工程では、マスク残量が４２０ｎｍ付近未満になると、ボーイングＣＤの増加量が増大した。したがって、マスク残量４２０ｎｍ付近が変化点（屈曲点）であることが分かった。なお、この場合、フォトレジスト層２０５の初期の開口径が５３ｎｍであるのに対して、最終的なボーイングＣＤは６８ｎｍとなった。この場合の電子顕微鏡写真を図８（ｂ）に示す。

上記の準備工程の結果から、マスク残量４２０ｎｍとなるまでは、第１プラズマエッチング工程として、上記の準備工程と同一の処理条件でプラズマエッチングを実施した。この場合のエッチング時間は８分程度であった。この後、第２プラズマエッチング工程として、以下の条件でプラズマエッチングを行った。

（２−１工程）
圧力：３．９９Ｐａ（３０ｍTorr）
処理ガス：Ｃ_３Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２＝６０／６００／１０ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１７００Ｗ／４５００Ｗ
直流電圧：−３００Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
ヘリウムガス圧力（中央部／周縁部）：２．０ｋＰａ／５.３２ｋＰａ（１５Torr／４０Torr）
温度(上部／側壁部／下部):１５０／１５０／１０℃
時間：１０秒
（２−２工程）
圧力：３．９９Ｐａ（３０ｍTorr）
処理ガス：Ｃ_４Ｆ_６／Ａｒ／Ｏ_２＝５０／６００／４７ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１７００Ｗ／４５００Ｗ
直流電圧：−３００Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
ヘリウムガス圧力（中央部／周縁部）：２．０ｋＰａ／５.３２ｋＰａ（１５Torr／４０Torr）
温度(上部／側壁部／下部):１５０／１５０／１０℃
時間：１０秒

上記の２−１工程と２−２工程とを交互に複数回繰り返して第２プラズマエッチング工程を実施した。この結果、図７のグラフに点線Ａで示すように、マスク残量４２０ｎｍ付近の変化点（屈曲点）以降におけるボーイングＣＤの増加量を抑制することができた。この場合の電子顕微鏡写真を図８（ａ）に示す。本実施例では、フォトレジスト層２０５の初期の開口径が５３ｎｍであるのに対して、最終的なボーイングＣＤは５８ｎｍとなった。

また、図８（ａ）の電子顕微鏡写真に示されるとおり、この実施例によれば、準備工程における図８（ｂ）に示す場合に比べてマスク層であるカーボン層２０２の上端部の開口径（マスクトップＣＤ）を大きな状態に維持することができた。なお、別のサンプルを用い、エッチング時間とマスクトップＣＤとの関係を調べた結果を図９に示す。この図９のグラフに示されるように、第１プラズマエッチング工程では、次第にマスクトップＣＤが小さくなるが、第２プラズマエッチング工程では、僅かであるが次第にマスクトップＣＤが大きくなる。したがって、第１プラズマエッチング工程の終了時より第２プラズマエッチング工程終了時点の方がマスクトップＣＤが大きくなっている。

上記実施形態及び実施例では、カーボン層２０２をマスクとして、二酸化シリコン層２０１をプラズマエッチングし、高アスペクト比のホール２０１ａを形成する場合について説明した。しかし、本発明はこのような構成の半導体ウエＷハに限らず、他の構造の半導体ウエハＷにおける高アスペクト比のホールの形成についても適用できる。例えば、図１０に示すように、ポリシリコン層４０１をマスクとして、ポリシリコン層４０１の下層に形成された二酸化シリコン層４０２と、窒化シリコン膜４０３と、二酸化シリコン層４０４とが積層された構造の半導体ウエハＷに、高アスペクト比のホール４０５を形成する場合についても同様にして適用することができる。

上記構造の半導体ウエハＷに高アスペクト比のホール４０５を形成する場合、上側の二酸化シリコン層４０２の部分にボーイングが生じるとともに、マスクの内壁の張出し部に生成したイオンが衝突する方向により入射が深く傾斜すると、下側の二酸化シリコン層４０４の上部側がエッチングされてボーイングが生じる。但し、上側の二酸化シリコン層４０２の部分にボーイングの方が顕著となる。

図１１のグラフは、縦軸をボーイングＣＤ（ｎｍ）、横軸をマスク残量（ｎｍ）として、上側の二酸化シリコン層４０２のボーイングＣＤとマスク残量との関係を測定した結果を示している。この場合においても、図７に示した場合と同様に、マスク残量が一定値（２２０〜２３０ｎｍ程度）より減少すると、ボーイングＣＤの増加量が増大した。したがって、マスク残量２２０〜２３０ｎｍ付近が変化点（屈曲点）であることが分かった。そして、この変化点（屈曲点）の前後で、第１プラズマエッチング工程から第２プラズマエッチング工程に切り替えることによって、前述した実施形態及び実施例と同様に、ボーイングＣＤの増加を抑制しつつ必要な選択比を確保することができる。

また、その変化点（屈曲点）は、種々のプロセス条件やマスクＣＤやマスク材料により変化するが、マスク層の残量の範囲は、１００〜５００ｎｍ程度の範囲である。好ましくは１５０〜３００ｎｍ程度の範囲、さらには２００〜２５０ｎｍ程度の範囲である。

なお、マスク残量とエッチング深さとは、これらの選択比（エッチング層（酸化膜）のエッチングレート／マスクのエッチングレート）に依存して、エッチング深さが深くなるとマスク残量が減少する関係にある。このため、縦軸をボーイングＣＤ（ｎｍ）、横軸をエッチング深さとした図１２のグラフに示すように、ボーイングＣＤ（ｎｍ）をエッチング深さと関係付けて考えることもできる。この場合、エッチング深さが所定深さ１５００〜１６００ｎｍ程度となる時にボーイングＣＤの増加量が増大する変化点（屈曲点）が現れることになる。

また、上記実施形態では、図３に示したように、第２プラズマエッチング工程を、第２処理ガスを用いた２−１プラズマエッチング工程を行う期間（図３に示す工程３０５）と、第１処理ガスを用いた２−２プラズマエッチング工程を行う期間（図３に示す工程３０６）とを交互に短時間（例えば１０秒程度）で複数回、エッチングが終了するまで繰り返すようにした場合について説明したが、このようにエッチングガスを交互に切り替えたが、徐々にエッチングガスのガス成分を切り換えるようにしてもよい。

例えば、図１３のグラフに示すように、第１プラズマエッチング工程では、エッチングガスとして、
Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／Ａｒ／Ｏ_２＝０／８０／４００／７７ｓｃｃｍ
を使用し、第２プラズマエッチング工程では、Ｃ_４Ｆ_８を徐々に増加させるとともに、Ｃ_４Ｆ_６を徐々に減少させ、さらにＯ_２も若干減少させ最終的には、例えば、エッチングガスを、
Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／Ａｒ／Ｏ_２＝１００／０／４００／５０ｓｃｃｍ
とする。このように、徐々にエッチングガスのガス成分を切り換えるようにしても、前述した実施形態及び実施例と同様な効果を得ることができる。

図１４は、図１０に示した構造の半導体ウエハＷをプラズマエッチングして高アスペクト比のホール４０５を形成した場合のホール４０５内の側壁形状の変化を、各エッチング深さ毎にＳＥＭによって観察し、その輪郭を抽出した結果を示している。図１４（ａ）は、最初から最後まで１種のエッチングガスを用い、以下の条件でプラズマエッチングした場合を示している。
圧力：２．６６Ｐａ（２０ｍTorr）
処理ガス：Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／Ａｒ／Ｏ_２＝４０／４０／４００／４８ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１７００Ｗ／６６００Ｗ
直流電圧：−１５０〜―９００Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
ヘリウムガス圧力（中央部／周縁部）：２．０ｋＰａ／５.３２ｋＰａ（１５Torr／４０Torr）
温度(上部／側壁部／下部):１５０／１５０／４０℃

図１４（ｂ）は、変化点において第１プラズマエッチング工程から第２プラズマエッチング工程に切り替えてプラズマエッチングを行ったものであり、以下の条件でプラズマエッチングした場合を示している。
（第１プラズマエッチング工程）
圧力：２．６６Ｐａ（２０ｍTorr）
処理ガス：Ｃ_４Ｆ_６／Ａｒ／Ｏ_２＝８０／４００／７７ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１７００Ｗ／６６００Ｗ
直流電圧：−１５０〜―９００Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
ヘリウムガス圧力（中央部／周縁部）：２．０ｋＰａ／５.３２ｋＰａ（１５Torr／４０Torr）
温度(上部／側壁部／下部):１５０／１５０／４０℃
（第２プラズマエッチング工程）
圧力：２．６６Ｐａ（２０ｍTorr）
処理ガス：
（初期）
Ｃ_４Ｆ_６／Ｃ_４Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２＝４０／４０／４００／５０ｓｃｃｍ
Ｃ_４Ｆ_８を徐々に増加させるとともに、Ｃ_４Ｆ_６を徐々に低下させ、さらにＯ_２も若干低下させ最終的には、
（最終）
Ｃ_４Ｆ_６／Ｃ_４Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２＝０／８０／４００／３５ｓｃｃｍ
とした。
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１７００Ｗ／６６００Ｗ
直流電圧：−１５０〜―９００Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
ヘリウムガス圧力（中央部／周縁部）：２．０ｋＰａ／５.３２ｋＰａ（１５Torr／４０Torr）
温度(上部／側壁部／下部):１５０／１５０／４０℃

また、図１４（ａ）は、エッチング深さが１５１１ｎｍ、１５９２ｎｍ、１６３９ｎｍ、１７５７ｎｍ、オーバーエッチング時（２点）における側壁の輪郭を示しており、図１４（ｂ）は、エッチング深さが１３９５ｎｍ、１５９６ｎｍ、１７４１ｎｍ、１８８３ｎｍ、オーバーエッチング時（２点）における側壁の輪郭を示している。図１４から、エッチングガスの切り換えを行っていない図１４（ａ）の場合に比べて、第１プラズマエッチング工程と第２プラズマエッチング工程でエッチングガスの切り換えを行っている図１４（ｂ）の方が、特に、上側の二酸化シリコン層４０２のボーイングが抑制されていることが分かる。

以上説明したとおり、本実施形態及び実施例によれば、ボーイングの発生を抑制し、側壁形状を垂直に維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを形成することができる。なお、本発明は上記の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。

Ｗ……半導体ウエハ、２０１…………二酸化シリコン層、２０２……カーボン層、２０３……ＳｉＯＮ層、２０４……反射防止層、２０５……フォトレジスト層、２０６……開口。

Claims (11)

1. 炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）とを含む処理ガスのプラズマにより、マスク層を介してシリコン酸化膜にホールを形成するプラズマエッチング方法であって、
   炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が第１の値である第１処理ガスを含む処理ガスを用いたプラズマエッチングにより、前記マスク層の残量と、前記ホールのボーイングＣＤとの相関関係を調べ、ボーイングＣＤの変化量が増大する変化点に相当する前記マスク層の残量を求める準備工程と、
   前記第１処理ガスを含む処理ガスを用い、前記マスク層の残量が前記変化点となるまでプラズマエッチングを行う第１プラズマエッチング工程と、
   前記第１プラズマエッチング工程の後に行う、第２プラズマエッチング工程と、
   を具備し、
   前記第２プラズマエッチング工程は、少なくとも、前記第１の値より炭素（Ｃ）とフッ素（Ｆ）の比率（Ｃ／Ｆ）が小さい第２処理ガスを含む処理ガスを用いたプラズマエッチングを行う期間を含む
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 請求項１記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記第２プラズマエッチング工程では、前記第２処理ガスを用いたプラズマエッチングを行う期間と、前記第１処理ガスを用いたプラズマエッチングを行う期間とを交互に複数回繰り返して行う
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
3. 請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記第１処理ガスは、Ｃ_４Ｆ_６ガスであり、前記第２処理ガスは、Ｃ_３Ｆ_８ガスである
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記マスク層がカーボン層を含む
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
5. 請求項１記載のプラズマエッチング方法であって、
   第２プラズマエッチング工程では、前記第２処理ガスの流量を徐々に増加させる
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
6. 請求項５記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記マスク層がポリシリコン層を含む
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
7. 請求項５又は６記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記第１処理ガスは、Ｃ_４Ｆ_６ガスであり、前記第２処理ガスは、Ｃ_４Ｆ_８ガスである
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
8. 請求項１〜７いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記第１プラズマエッチング工程では、前記マスク層の開口寸法が初期寸法より小さくなり、
   前記第２プラズマエッチング工程では、前記マスク層の開口寸法が、前記第１プラズマエッチング工程終了時の前記マスク層の開口寸法より大きくなる
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
9. 請求項１〜８いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
   前記変化点に相当する前記マスク層の残量は、前記マスク層の初期の開口寸法が５０ｎｍより大きい場合には４００ｎｍより大きくなり、前記マスク層の初期の開口寸法が５０ｎｍより小さい場合には４００ｎｍより小さくなる
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
10. 被処理基板を収容する処理チャンバーと、
    前記処理チャンバー内に処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
    前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と
    を具備したプラズマエッチング装置を制御する制御プログラムが記録されたコンピュータ記録媒体であって、
    前記制御プログラムは、請求項１〜９いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が実行されるように前記プラズマエッチング装置を制御する
    ことを特徴とするコンピュータ記録媒体。
11. 請求項１〜９いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
    前記変化点に相当する前記マスク層の残量は、１００〜５００ｎｍである
    ことを特徴とするプラズマエッチング方法。

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