JP2014096499A - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】エッチングにより形成されるラインの荒れを減少し、かつ、ラインの断面形状を改善すること。
【解決手段】プラズマエッチング方法は、所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングする。プラズマエッチング方法は、エッチングされたアモルファスカーボン膜上に残存するＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする。プラズマエッチング方法は、アモルファスカーボン膜からＳｉＯＮ膜が除去された後に、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜を改質する。プラズマエッチング方法は、改質されたアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする。
【選択図】図３

Description

本発明の種々の側面及び実施形態はプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関するものである。
従来、被処理体上に形成された多層膜をエッチングする技術が知られている。例えば、被処理体上に形成された所定パターンのＳｉＯＮ膜をマスクとして硫黄含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングした後に、アモルファスカーボン膜をマスクとしてＣＦ系ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする技術がある。
特開２０１１−２１６６４４号公報
しかしながら、従来技術では、エッチングによるアモルファスカーボン膜の荒れがその下層のシリコン酸化膜などに転写されるため、エッチングにより形成されるラインが荒れたり、ラインの断面形状が劣化したりするという問題がある。
例えば、従来技術では、バイアス用の高周波電力を供給することなくシリコン酸化膜をエッチングする場合には、エッチングにより形成されるラインの断面形状が先細り形状となる恐れがある。一方、従来技術では、バイアス用の高周波電力を供給しつつシリコン酸化膜をエッチングする場合には、エッチングにより形成されるラインのうねり（Ｗｉｇｇｌｉｎｇ）が発生する恐れがある。
本発明の一側面に係るプラズマエッチング方法は、アモルファスカーボン膜エッチング工程と、第１のシリコン酸化膜エッチング工程と、アモルファスカーボン膜改質工程と、第２のシリコン酸化膜エッチング工程とを含む。アモルファスカーボン膜エッチング工程は、被処理体上に形成された所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングする。第１のシリコン酸化膜エッチング工程は、エッチングされた前記アモルファスカーボン膜上に残存する前記ＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつ前記アモルファスカーボン膜をマスクとして前記処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする。アモルファスカーボン膜改質工程は、前記アモルファスカーボン膜から前記ＳｉＯＮ膜が除去された後に、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマにより前記アモルファスカーボン膜を改質する。第２のシリコン酸化膜エッチング工程は、改質された前記アモルファスカーボン膜をマスクとして前記処理ガスのプラズマにより前記シリコン酸化膜をエッチングする。
本発明の種々の側面及び実施形態によれば、エッチングにより形成されるラインの荒れを減少し、かつ、ラインの断面形状を改善することができるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置が実現される。
図１は、実施形態に係るプラズマエッチング方法に適用されるプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。 図２は、本実施形態における被処理体の構造例を示す断面図である。 図３は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置によるプラズマエッチング方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図４は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置によるプラズマエッチング方法の処理の流れの一例を説明するための説明図である。 図５は、比較例１、実施例１及び実施例２における処理結果を示す図である。 図６は、比較例１、実施例１及び実施例２における処理結果を示す図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を付すこととする。
本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、被処理体上に形成された所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングするアモルファスカーボン膜エッチング工程と、エッチングされたアモルファスカーボン膜上に残存するＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする第１のシリコン酸化膜エッチング工程と、アモルファスカーボン膜からＳｉＯＮ膜が除去された後に、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜を改質するアモルファスカーボン膜改質工程と、改質されたアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする第２のシリコン酸化膜エッチング工程とを含む。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、処理ガスは、ＣＦ系ガス、又はＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスである。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、酸素含有ガスは、ＣＯＳ／Ｏ２ガス、ＣＯ／Ｏ２ガス及びＯ２ガスのうちいずれか一つのガスである。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、ＣＦ系ガスは、Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２ガス及びＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスである。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、ＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスは、Ｃ４Ｆ８／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、及びＣＦ４／ＣＨ２Ｆ２／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスである。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、硫黄含有ガスは、ＣＯＳ／ＣＦ４／Ａｒガスであり、水素含有ガスは、Ｈ２／Ａｒガスである。
本実施形態に係るプラズマエッチング装置は、１つの実施形態において、被処理体に対してプラズマエッチング処理を行うための処理チャンバと、処理チャンバ内を減圧する減圧部と、処理チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給部と、被処理体上に形成された所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングし、エッチングされたアモルファスカーボン膜上に残存するＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングし、アモルファスカーボン膜からＳｉＯＮ膜が除去された後に、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜を改質し、改質されたアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする各工程を実行する制御部とを備えた。
図１は、実施形態に係るプラズマエッチング方法に適用されるプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。図１に示す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１を有している。この処理チャンバ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１内には、被処理体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（例えば６０ＭＨｚ）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、イオン行き込み用（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（例えば、４００ｋＨｚ）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が吸着されるよう構成されている。
載置台２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の中にガルデンなどの冷媒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が設けられている。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１６ｂとを備えており、絶縁性部材４５を介して処理チャンバ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。上部天板１６ｂは、シリコン含有物質で形成され、例えばシリコンで形成される。
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、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。処理ガス供給源１５は、ガス供給部の一例である。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からは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１内にシャワー状に分散されて供給される。例えば、処理ガス供給源１５からは、後述するように、アモルファスカーボン膜をエッチングする際に用いられる酸素含有ガス、及びシリコン酸化膜をエッチングする際に用いられる処理ガスなどが供給される。また、例えば、処理ガス供給源１５からは、アモルファスカーボン膜を改質する際に用いられる硫黄含有ガス又は水素含有ガスなどが供給される。処理ガス供給源１５により供給されるガスの詳細については、後述する。
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。排気装置７３は、減圧部の一例である。一方、処理チャンバ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１の内壁面に沿って設けられ、処理チャンバ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動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、コンピュータで読み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。
例えば、制御部６０は、後述するプラズマエッチング方法を行うようにプラズマエッチング装置の各部を制御する。詳細な一例を挙げると、制御部６０は、被処理体上に形成された所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして第１の硫黄ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングする。そして、制御部６０は、エッチングされたアモルファスカーボン膜上に残存するＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする。そして、制御部６０は、アモルファスカーボン膜からＳｉＯＮ膜が除去された後に、上部電極としてのシャワーヘッド１６に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜を改質する。そして、制御部６０は、改質されたアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする。プラズマエッチング方法の詳細については後述する。ここで、被処理体とは、例えば、半導体ウエハＷである。また、シリコン酸化膜とは、例えば、ＳｉＯ２膜である。
図２は、本実施形態における被処理体の構造例を示す断面図である。被処理体は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１の上に形成されたＳｉＯ２膜１０２と、ＳｉＯ２膜１０２の上に形成されたアモルファスカーボン膜１０３とを有する。アモルファスカーボン膜１０３の上には、所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜１０４が形成されている。
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をプラズマ処理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１内が排気される。
処理チャンバ１内が所定の真空度になった後、処理チャンバ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６０ＭＨｚ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４００ｋＨｚ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がプラズマ処理（エッチング処理、フォトレジスト膜の改質処理等）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、上記したプラズマ処理が終了すると、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１内から搬出される。
次に、本実施形態に係るプラズマエッチング装置によるプラズマエッチング方法について更に詳細に説明する。図３は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置によるプラズマエッチング方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図４は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置によるプラズマエッチング方法の処理の流れの一例を説明するための説明図である。ここでは、プラズマエッチング装置が図２に示した被処理体に含まれるＳｉＯ２膜１０２をプラズマエッチングする例について説明する。
図３に示すように、プラズマエッチング装置は、所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜１０４をマスクとして酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜１０３をエッチングするアモルファスカーボン膜エッチング工程を行う（ステップＳ１０１）。具体的には、制御部６０は、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１内を減圧し、処理ガス供給源１５から酸素含有ガスを処理チャンバ１内に供給し、酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜１０３をエッチングする。これにより、図４の（ｂ）に示すように、ＳｉＯＮ膜１０４をマスクとしてアモルファスカーボン膜１０３がエッチングされ、ＳｉＯ２膜１０２を露出させる開口部１０５が形成される。なお、図４の（ａ）は、被処理体を示し、図２の構造例と同一である。ここで、酸素含有ガスは、例えば、ＣＯＳ／Ｏ２ガス、ＣＯ／Ｏ２ガス及びＯ２ガスのうちいずれか一つのガスである。
より詳細な一例を挙げて説明する。プラズマエッチング装置は、被処理体を静電チャック６の上に載置する。その後、制御部６０は、シャワーヘッド１６から処理チャンバ１内に酸素含有ガスを導入し、第１の高周波電源１０ａから処理チャンバ１内へプラズマ生成用の高周波電力を印加して酸素含有ガスからプラズマを生成する。
続いて、プラズマエッチング装置は、残存するＳｉＯＮ膜１０４を処理ガスのプラズマにより除去しつつアモルファスカーボン膜１０３をマスクとして処理ガスのプラズマによりＳｉＯ２膜１０２をエッチングする第１のシリコン酸化膜エッチング工程を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部６０は、処理ガス供給源１５から処理ガスを処理チャンバ１内に供給し、処理ガスのプラズマによりＳｉＯＮ膜１０４を除去しつつＳｉＯ２膜１０２をエッチングする。これにより、図４の（ｃ）に示すように、アモルファスカーボン膜１０３の上部に残存するとともに開口部１０５を塞ぐ形で残存していたＳｉＯＮ膜１０４が除去される。さらに、図４の（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜１０２のうち開口部１０５に位置する部分が凹状にエッチングされる。ここで、処理ガスは、例えば、ＣＦ系ガス、又はＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスである。ＣＦ系ガスは、好ましくは、Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２ガス及びＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスである。ＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスは、好ましくは、Ｃ４Ｆ８／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、及びＣＦ４／ＣＨ２Ｆ２／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスである。
より詳細な一例を挙げて説明する。プラズマエッチング装置の制御部６０は、シャワーヘッド１６から処理チャンバ１内にＣＦ系ガス又はＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスを含む処理ガスを導入し、可変直流電源５２からシャワーヘッド１６に所定の直流電圧を印加するとともに第１の高周波電源１０ａから処理チャンバ１内へプラズマ生成用の高周波電力を印加して処理ガスからプラズマを生成する。また、制御部６０は、第２の高周波電源１０ｂから静電チャック６へイオン引き込み用の高周波電力を印加することで、プラズマ中のイオンを半導体ウエハＷに向けて引き込む。また、制御部６０は、アモルファスカーボン膜１０３の上部に残存するとともに開口部１０５を塞ぐ形で残存していたＳｉＯＮ膜１０４が除去され、かつ、ＳｉＯ２膜１０２のうち開口部１０５に位置する部分が凹状にエッチングされるまで処理を継続する。
続いて、プラズマエッチング装置は、ＳｉＯＮ膜１０４が除去された後に、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜１０３を改質するアモルファスカーボン膜改質工程を行う（ステップＳ１０３）。具体的には、制御部６０は、処理ガス供給源１５から硫黄含有ガス又は水素含有ガスを処理チャンバ１内に供給し、シリコンを含む上部電極としてのシャワーヘッド１６に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜１０３を改質する。これにより、図４の（ｄ）に示すように、アモルファスカーボン膜１０３の表面に、ＣＳ系含有物質又はＳｉ含有物質を含む改質膜１０３ａが成膜される。改質膜１０３ａの成膜例については、後述する。ここで、硫黄含有ガスは、例えば、ＣＯＳ／ＣＦ４／Ａｒガスであり、水素含有ガスは、Ｈ２／Ａｒガスである。
より詳細な一例を挙げて説明する。プラズマエッチング装置の制御部６０は、シャワーヘッド１６から処理チャンバ１内に硫黄含有ガス又は水素含有ガスを導入し、可変直流電源５２からシャワーヘッド１６に負の直流電圧を印加するとともに第１の高周波電源１０ａから処理チャンバ１内へプラズマ生成用の高周波電力を印加して硫黄含有ガス又は水素含有ガスからプラズマを生成する。
ここで、改質膜１０３ａの成膜例についてさらに詳細に説明する。まず、改質膜１０３ａの成膜例１について説明する。成膜例１では、硫黄含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜１０３が改質されることによって改質膜１０３ａが成膜されるものとする。シリコンを含むシャワーヘッド１６に負の直流電圧が印加されると、シャワーヘッド１６の表面となる上部天板１６ｂの表面に対するイオンの衝突が加速され、シャワーヘッド１６に含まれるシリコンの降下量が増加する。例えば、アルゴンイオンがシャワーヘッド１６の上部天板１６ｂの表面に衝突し、シャワーヘッド１６に含まれるシリコンがアモルファスカーボン膜１０３に向けて降下する。アモルファスカーボン膜１０３に向けて降下するシリコンは、プラズマ中のフッ素と結合する。すると、プラズマ中の硫黄と炭素とが結合してＣＳ系含有物質が得られ、アモルファスカーボン膜１０３の表面にＣＳ系含有物質が改質膜１０３ａとして成膜される。この結果、アモルファスカーボン膜１０３の表面のプラズマ耐性が向上されるとともに、アモルファスカーボン膜１０３の表面荒れが改善される。
次いで、改質膜１０３ａの成膜例２について説明する。成膜例２では、水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜１０３が改質されることによって改質膜１０３ａが成膜されるものとする。シリコンを含むシャワーヘッド１６に負の直流電圧が印加されると、シャワーヘッド１６の表面となる上部天板１６ｂの表面に対するイオンの衝突が加速され、シャワーヘッド１６に含まるシリコンの降下量が増加する。例えば、アルゴンイオンがシャワーヘッド１６の上部天板１６ｂの表面に衝突し、シャワーヘッド１６に含まれるシリコンがアモルファスカーボン膜１０３に向けて降下する。すると、アモルファスカーボン膜１０３の表面にシリコン含有物質が改質膜１０３ａとして成膜される。この結果、アモルファスカーボン膜１０３の表面のプラズマ耐性が向上されるとともに、アモルファスカーボン膜１０３の表面荒れが改善される。
図３の説明に戻る。続いて、プラズマエッチング装置は、改質されたアモルファスカーボン膜１０３をマスクとして処理ガスのプラズマによりＳｉＯ２膜１０２をエッチングする第２のシリコン酸化膜エッチング工程を行う（ステップＳ１０４）。具体的には、制御部６０は、処理ガス供給源１５から処理ガスを処理チャンバ１内に供給し、処理ガスのプラズマによりＳｉＯ２膜１０２をエッチングする。これにより、図４の（ｅ）に示すように、ＳｉＯ２膜１０２のうち開口部１０５に位置する部分が、開口部１０５からＳｉ基板１０１が露出されるまでエッチングされる。ここで、処理ガスは、例えば、ＣＦ系ガス、又はＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスである。ＣＦ系ガスは、好ましくは、Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２ガス及びＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスである。ＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスは、好ましくは、Ｃ４Ｆ８／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、及びＣＦ４／ＣＨ２Ｆ２／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスである。
より詳細な一例を挙げて説明する。プラズマエッチング装置の制御部６０は、シャワーヘッド１６から処理チャンバ１内にＣＦ系ガス又はＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスを含む処理ガスを導入し、可変直流電源５２からシャワーヘッド１６に所定の直流電圧を印加するとともに第１の高周波電源１０ａから処理チャンバ１内へプラズマ生成用の高周波電力を印加して処理ガスからプラズマを生成する。また、制御部６０は、第２の高周波電源１０ｂから静電チャック６へイオン引き込み用の高周波電力を印加することで、プラズマ中のイオンを半導体ウエハＷに向けて引き込む。また、制御部６０は、ＳｉＯ２膜１０２のうち開口部１０５に位置する部分がエッチングされて開口部１０５からＳｉ基板１０１が露出されるまで処理を継続する。
上述したように、本実施形態によれば、被処理体上に形成された所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして第１の硫黄ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングするアモルファスカーボン膜エッチング工程を行う。そして、本実施形態によれば、エッチングされたアモルファスカーボン膜上に残存するＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする第１のシリコン酸化膜エッチング工程を行う。そして、本実施形態によれば、アモルファスカーボン膜からＳｉＯＮ膜が除去された後に、上部電極としてのシャワーヘッド１６に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜を改質するアモルファスカーボン膜改質工程を行う。そして、本実施形態によれば、改質されたアモルファスカーボン膜をマスクとして処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする第２のシリコン酸化膜エッチング工程を行う。このため、本実施形態によれば、アモルファスカーボン膜改質工程を行わない手法と比較して、アモルファスカーボン膜１０３の表面のプラズマ耐性を向上するとともに、アモルファスカーボン膜１０３の表面荒れを改善することが可能となる。言い換えると、エッチングによるアモルファスカーボン膜１０３の荒れが下層のシリコン酸化膜に転写されることを抑制することが可能となる。その結果、本実施形態によれば、エッチングにより形成されるラインの荒れを減少させ、かつ、ラインの断面形状を改善することができる。
また、本実施形態によれば、下地のシリコン酸化膜をエッチングする前に、マスクとなるアモルファスカーボン膜を改質するので、改質によってマスクの硬度を向上することが可能となり、ラインのうねり（Ｗｉｇｇｌｉｎｇ）を抑制することが可能となる。
また、本実施形態によれば、硫黄含有ガスは、ＣＯＳ／ＣＦ４／Ａｒガスであり、水素含有ガスは、Ｈ２／Ａｒガスである。その結果、本実施形態によれば、マスクとなるアモルファスカーボン膜の表面にＣＳ系含有物質又はシリコン含有物質を改質膜１０３ａとして効率良く成膜することができる。
以下に、本実施形態のプラズマエッチング方法について、実施例を挙げて更に詳細に説明する。ただし、本実施形態のプラズマエッチング方法は、下記の実施例に限定されるものではない。
（比較例１）
比較例１では、被処理体に対して、アモルファスカーボン膜をエッチングするアモルファスカーボン膜エッチング工程と、シリコン酸化膜をエッチングする第１のシリコン酸化膜エッチング工程と、シリコン酸化膜をエッチングする第２のシリコン酸化膜エッチング工程とを順に行った。アモルファスカーボン膜エッチング工程と、第１のシリコン酸化膜エッチング工程と、第２のシリコン酸化膜エッチング工程とは、それぞれ以下の条件を用いて行った。
（アモルファスカーボン膜エッチング工程）
処理ガス流量比：ＣＯＳ／Ｏ２＝１５：３４５
圧力：１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波電源からの高周波電力：１２００Ｗ
第２の高周波電源からの高周波電力：０Ｗ
上部電極への直流電圧：０Ｖ
（第１のシリコン酸化膜エッチング工程）
処理ガス流量比：Ｃ４Ｆ８／ＣＨＦ３：Ａｒ：Ｏ２＝１５：３０：１５０：１６
圧力：２．６Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波電源からの高周波電力：９００Ｗ
第２の高周波電源からの高周波電力：３５０Ｗ
上部電極への直流電圧：−３００Ｖ
（第２のシリコン酸化膜エッチング工程）
処理ガス流量比：Ｃ４Ｆ８／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２＝１５：３０：１５０：２５
圧力：２．６Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波電源からの高周波電力：９００Ｗ
第２の高周波電源からの高周波電力：１４００Ｗ
上部電極への直流電圧：−３００Ｖ
（実施例１）
実施例１では、被処理体に対して、アモルファスカーボン膜エッチング工程と、第１のシリコン酸化膜エッチング工程とを順に行った後に、アモルファスカーボン膜を改質するアモルファスカーボン改質工程を行い、その後、第２のシリコン酸化膜エッチング工程を行った。アモルファスカーボン膜エッチング工程、第１のシリコン酸化膜エッチング工程及び第２のシリコン酸化膜エッチング工程は、比較例１と同一の条件で行った。アモルファスカーボン膜改質工程は、以下の条件を用いて行った。
（アモルファスカーボン膜改質工程）
処理ガス流量比：ＣＯＳ／ＣＦ４／Ａｒ＝２０：３０：８００
圧力：６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波電源からの高周波電力：３００Ｗ
第２の高周波電源からの高周波電力：０Ｗ
上部電極への直流電圧：−９００Ｖ
（実施例２）
アモルファスカーボン膜改質工程において、以下に示す処理ガス及び処理ガス流量比を用いた。その他の条件は実施例１と同一である。
実施例２：Ｈ２／Ａｒ＝１００：８００
図５及び図６は、比較例１、実施例１及び実施例２における処理結果を示す図である。図５において、「Ｐｏｓｔ ＭＥ１」は、比較例１及び実施例１における第１のシリコン酸化膜エッチング工程を行った後の被処理体を示す。「ＣＯＳ／ＣＦ４／Ａｒ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ」は、実施例１における第２のシリコン酸化膜エッチング工程を行った後の被処理体を示し、「Ｈ２／Ａｒ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ」は、実施例２における第２のシリコン酸化膜エッチング工程を行った後の被処理体を示す。「ｗ／ｏ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ」は、比較例１における第２のシリコン酸化膜エッチング工程を行った後の被処理体を示す。なお、図中における「断面」と「上面」とは、それぞれ被処理体の断面と上面とを拡大して得られた写真のトレース図である。
また、図５及び図６では、ＬＷＲ（Line Width Roughness）、ＳＷＲ（Space Width Roughness）及びＬＥＲ（Line Edge Roughness）の値を示すとともに、ＬＷＲとＳＷＲとＬＥＲとを合計した値である「Ｓｕｍ」を併せて示した。なお、ＬＷＲ、ＳＷＲ、ＬＥＲ及びＳｕｍは、それぞれ、ラインの不均一性の度合いを示す。また、図５では、アモルファスカーボン膜の底部のＣＤ（Critical Dimension）、すなわち、シリコン酸化膜の上部のＣＤを示す「Ｔｏｐ ＣＤ」を併せて示した。
図５及び図６に示すように、アモルファスカーボン改質工程を行わない比較例１と比較して、アモルファスカーボン改質工程を行った実施例１及び２では、ＬＷＲとＳＷＲとＬＥＲとＳｕｍとが小さくなった。言い換えると、実施例１及び２では、比較例１と比較して、エッチングにより形成されるラインのうねり（Ｗｉｇｇｌｉｎｇ）が抑制された。また、アモルファスカーボン改質工程を行った実施例１及び２では、第２のシリコン酸化膜エッチング工程を行った後に形成されるラインの断面形状が矩形状に維持された。
また、図５に示すように、アモルファスカーボン改質工程を行わない比較例１と比較して、アモルファスカーボン改質工程を行った実施例１及び２では、Ｔｏｐ ＣＤが小さくなった。言い換えると、実施例１及び２では、比較例１と比較して、Ｔｏｐ ＣＤの広がりを抑制する効果（ＣＤ Ｓｈｒｉｎｋ効果）が大きくなった。
このように、アモルファスカーボン膜改質工程の後にエッチング工程を実行することで、マスクとなるアモルファスカーボン膜の荒れを減少させ、かつ、断面形状を改善することが可能となる。言い換えると、マスクとなるアモルファスカーボン膜を適切な状態に維持しながらシリコン酸化膜をエッチングすることが可能となり、ＬＷＲなどを改善しつつＷｉｇｇｌｉｎｇを抑制することが可能となる。この結果、エッチング工程を継続したとしても、アモルファスカーボン膜改質工程の後にエッチング工程を実行する場合には、アモルファスカーボン膜改質工程を行わない場合と比較して、エッチング形状の荒れが抑制され綺麗にエッチングすることが可能となる。
１ 処理チャンバ
１０ａ 第１の高周波電源
１０ｂ 第２の高周波電源
１５ 処理ガス供給源（ガス供給部）
１６ シャワーヘッド（上部電極）
１６ａ 本体部
１６ｂ 上部天板
５２ 可変直流電源
６０ 制御部
６１ プロセスコントローラ
６２ ユーザインターフェース
６３ 記憶部
７１ 排気口
７２ 排気管
７３ 排気装置（減圧部）
１０１ Ｓｉ基板
１０２ ＳｉＯ２膜
１０３ アモルファスカーボン膜
１０３ａ 改質膜
１０４ ＳｉＯＮ膜
１０５ 開口部

Claims (7)

  1. 被処理体上に形成された所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングするアモルファスカーボン膜エッチング工程と、
    エッチングされた前記アモルファスカーボン膜上に残存する前記ＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつ前記アモルファスカーボン膜をマスクとして前記処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングする第１のシリコン酸化膜エッチング工程と、
    前記アモルファスカーボン膜から前記ＳｉＯＮ膜が除去された後に、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマにより前記アモルファスカーボン膜を改質するアモルファスカーボン膜改質工程と、
    改質された前記アモルファスカーボン膜をマスクとして前記処理ガスのプラズマにより前記シリコン酸化膜をエッチングする第２のシリコン酸化膜エッチング工程と
    を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 前記処理ガスは、ＣＦ系ガス、又はＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
  3. 前記酸素含有ガスは、ＣＯＳ／Ｏ２ガス、ＣＯ／Ｏ２ガス及びＯ２ガスのうちいずれか一つのガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
  4. 前記ＣＦ系ガスは、Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２ガス及びＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスであることを特徴とする請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
  5. 前記ＣＦ系ガス／ＣＨＦ系ガスは、Ｃ４Ｆ８／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ａｒ／Ｏ２ガス、及びＣＦ４／ＣＨ２Ｆ２／Ａｒ／Ｏ２ガスのうちいずれか一つのガスであることを特徴とする請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
  6. 前記硫黄含有ガスは、ＣＯＳ／ＣＦ４／Ａｒガスであり、前記水素含有ガスは、Ｈ２／Ａｒガスであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のプラズマエッチング方法。
  7. 被処理体に対してプラズマエッチング処理を行うための処理チャンバと、
    前記処理チャンバ内を減圧する減圧部と、
    前記処理チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記被処理体上に形成された所定のパターンを有するＳｉＯＮ膜をマスクとして酸素含有ガスのプラズマによりアモルファスカーボン膜をエッチングし、エッチングされた前記アモルファスカーボン膜上に残存する前記ＳｉＯＮ膜を処理ガスのプラズマにより除去しつつ前記アモルファスカーボン膜をマスクとして前記処理ガスのプラズマによりシリコン酸化膜をエッチングし、前記アモルファスカーボン膜から前記ＳｉＯＮ膜が除去された後に、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加しながら硫黄含有ガス又は水素含有ガスのプラズマにより前記アモルファスカーボン膜を改質し、改質された前記アモルファスカーボン膜をマスクとして前記処理ガスのプラズマにより前記シリコン酸化膜をエッチングする各工程を実行する制御部と
    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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