JP2016207771A - 被エッチング層をエッチングする方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】被エッチング層をエッチングする方法を提供する。【解決手段】一実施形態の方法では、吸着工程において、下部電極に高周波バイアスを与えずに、被エッチング層に、処理ガスから生成されるラジカルを吸着させる。続くエッチング工程において、下部電極に高周波バイアスを与えて、被エッチング層に、処理ガスから生成されるイオンを引き込む。吸着工程とエッチング工程は交互に繰り返される。吸着工程では、ラジカルの密度がイオンの密度の２００倍以上である。エッチング工程では、０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度のRFのエネルギーが下部電極に供給されるか、０．１４Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスが０．５秒以下の期間、下部電極に供給される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、被エッチング層をエッチングする方法に関するものである。
電子デバイスの製造においては、被処理体の被エッチング層に対してプラズマエッチングが行われる。プラズマエッチングでは、被エッチング層を面内において均一にエッチングすること、即ち面内均一性が求められる。
プラズマエッチングの面内均一性を実現するための方法として、原子層レベルで被エッチング層をエッチングする原子層エッチング方法、即ちＡＬＥ法が知られている。ＡＬＥ法では、プラズマ処理装置の処理容器内において、第１の処理ガスから生成されるエッチャントを被エッチング層に吸着させる処理が行われる（以下、「第１処理」という）。次いで、処理容器内のガスを第１の処理ガスから第２の処理ガスに置換するための処理（以下、「第２処理」という）が行われる。次いで、第２の処理ガスのプラズマが生成され、イオンを被エッチング層に引き込む処理（以下、「第３処理」という）が行われる。次いで、処理容器内のガスを第２の処理ガスから第１の処理ガスに置換するための処理（以下、「第４処理」という）が行われる。ＡＬＥ法では、これらの第１〜第４の処理を含むシーケンスが繰り返して実行される。このようなＡＬＥ法については、例えば、特開平３−２６３８２７号公報に記載されている。
特開平３−２６３８２７号公報
上述したように、ＡＬＥ法では、第２処理及び第４処理においてガスの置換が行われる。通常、第２処理及び第４処理の各々には、短くても数１０秒の時間が必要とされる。ＡＬＥ法では、このような第２処理及び第４処理を含むシーケンスが繰り返して実行されるので、被エッチング層のエッチングに要する時間が長くなる。したがって、被エッチング層のエッチングに要する時間を短縮させることが要請されている。
一態様では、被処理体の被エッチング層をエッチングする方法が提供される。この方法は、（ａ）プラズマ処理装置の処理容器内において下部電極を有する載置台上に被処理体を載置する工程と、（ｂ）下部電極に高周波バイアスを与えずに、被エッチング層に、処理ガスから生成されるラジカルを吸着させる工程（以下、「吸着工程」という）と、（ｃ）下部電極に高周波バイアスを与えて、被エッチング層に、処理ガスから生成されるイオンを引き込む工程であり、ラジカルを吸着させる前記工程に連続して行われる該工程（以下、「エッチング工程」という）と、を含む。この方法では、吸着工程とエッチング工程とが交互に繰り返される。また、吸着工程では、被処理体が配置される処理容器内の空間におけるラジカルの密度が、該空間におけるイオンの密度の２００倍以上の密度に設定される。また、エッチング工程では、０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスが下部電極に供給されるか、０．１４Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスが０．５秒以下の期間、下部電極に供給される。なお、エッチング工程において０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスが下部電極に供給される期間は、２秒以下の期間に設定され得る。
一態様に係る方法の吸着工程では、高周波バイアスが下部電極に供給されない状態で、被処理体に対してラジカルが供給される。この吸着工程では、被エッチング層の表面にラジカルが吸着（例えば、物理的に吸着）する。続くエッチング工程では、吸着工程で用いられる処理ガスと同じ処理ガスのプラズマが、高周波バイアスにより生成され、当該高周波バイアスによってイオンが被エッチング層に引き込まれる。このエッチング工程では、０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスが、例えば２秒以下の期間、下部電極に供給されるか、０．１４Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスが０．５秒以下の期間、下部電極に供給される。かかる高周波バイアスの供給により、ラジカルが吸着している被エッチング層の一部のみが実質的にエッチングされる。したがって、この方法によれば、ＡＬＥと同様に、被エッチング層をエッチングすることができる。また、この方法では、吸着工程とエッチング工程とで同じ処理ガスが用いられているので、吸着工程とエッチング工程との間で、ガスの置換を行うことなく、これら吸着工程とエッチング工程とを連続して実行することが可能である。したがって、被エッチング層のエッチングに要する時間が短縮される。
一実施形態では、エッチング工程の実行期間中に、高周波バイアスを発生する高周波電源と下部電極との間に設けられた整合器のインピーダンスが固定されてもよい。一般的に、プラズマ処理装置の整合器は、インピーダンスマッチング動作を行うので、負荷に供給される高周波バイアスのパワーが安定するまでに時間を要する。一方、この実施形態のエッチング工程では、整合器のインピーダンスが固定される。これにより、高周波バイアスの供給開始後の高周波バイアスのパワーの変動を抑制することができる。結果的に、この実施形態では、エッチング工程の期間を短縮することができる。なお、一実施形態のエッチング工程では、整合器の可変電気素子の可変パラメータが固定され得る。
一実施形態では、プラズマ処理装置は、載置台の上方にイオントラップを有し得る。この実施形態では、処理ガスのプラズマが、イオントラップに対して載置台が配置されている側と反対の側で生成され、ラジカルはイオントラップを通過して被エッチング層に対して供給される。
以上説明したように、被エッチング層のエッチングに要する時間を短縮させることが可能となる。
一実施形態に係る被エッチング層をエッチングする方法を示す流れ図である。 図１に示す方法が適用され得る被処理体を例示する断面図である。 図１に示す方法の実施に用いることができるプラズマ処理装置を概略的に示す図である。 図１に示す方法における高周波、高周波バイアス、及び処理ガスに関するタイミングチャートである。 図１に示す方法の実施後の被処理体の状態を示す断面図である。 図１に示す方法におけるエッチングの原理を示す図である。 図１に示す方法におけるエッチングの原理を示す図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 図１に示す方法の実施に用いることができる別のプラズマ処理装置を概略的に示す図である。
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附すこととする。
図１は、一実施形態に係る被エッチング層をエッチングする方法を示す流れ図である。図１に示す方法ＭＴは、被処理体の被エッチング層をエッチングするものである。図２は、方法ＭＴが適用され得る被処理体を例示する断面図である。以下、被処理体をウエハＷとよぶ。図２に示すウエハＷは、基板ＳＢ、被エッチング層ＥＬ、及びマスクＭＳＫを有している。被エッチング層ＥＬは、基板ＳＢ上に設けられている。被エッチング層ＥＬは、方法ＭＴの実施によってエッチングされる層である。この被エッチング層ＥＬの膜種は任意の膜種である。例えば、被エッチング層ＥＬは、有機膜、シリコン膜、酸化シリコン膜、又は窒化シリコン膜であり得る。マスクＭＳＫは、被エッチング層ＥＬ上に設けられている。マスクＭＳＫは、当該マスクに対して被エッチング層ＥＬを選択的にエッチングするために選択される材料から構成される。例えば、被エッチング層ＥＬが有機膜である場合には、マスクＭＳＫは、シリコンを含む材料から構成され得る。
図１に戻り、方法ＭＴでは、まず、工程ＳＴ１が実行される。工程ＳＴ１では、ウエハＷがプラズマ処理装置の処理容器内に搬入され、当該処理容器内に設けられた載置台上に載置される。図３は、方法ＭＴの実施に用いることができるプラズマ処理装置を概略的に示す図である。
図３に示すプラズマ処理装置１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、後述する第１空間Ｓ１及び第２空間Ｓ２を含む内部空間を提供している。一実施形態では、第２空間Ｓ２は、第１空間Ｓ１の上方に位置している。処理容器１２は、例えば、アルミニウムといった導電性の材料から構成されており、処理容器１２の内部空間に面する内面には、耐プラズマ性を有する被覆、例えば、イットリア皮膜が設けられている。この処理容器１２は、電気的に接地されている。また、処理容器１２の側壁には、ウエハＷの搬送のための開口ＯＰが形成されている。この開口ＯＰは、ゲートバルブによって開閉することが可能となっている。
処理容器１２の第１空間Ｓ１には、載置台１４が設けられている。一実施形態では、載置台１４は、処理容器１２の底部から延びる絶縁性の支持部材１６によって支持されている。また、載置台１４の外周面は、絶縁性の部材１７，１８によって覆われている。
載置台１４は、下部電極２０及び静電チャック２２を含んでいる。下部電極２０は、第１部材２０ａ及び第２部材２０ｂを含んでいる。第１部材２０ａ及び第２部材２０ｂは共に、アルミニウムといった導電性の材料から構成されており、略円盤形状を有している。第１部材２０ａには、第１の整合器ＭＵ１を介して第１の高周波電源ＬＦＳが接続されている。第１の高周波電源ＬＦＳは、高周波バイアスＬＦを発生する電源である。高周波バイアスＬＦの周波数は、例えば、４００ｋＨｚ〜２７．１２ＭＨｚの範囲内の周波数である。第１の整合器ＭＵ１は、第１の高周波電源ＬＦＳの出力インピーダンスと、負荷側の入力インピーダンスを整合させるための整合回路を有している。この整合回路は、可変電気素子、例えば、可変キャパシタンス素子及び／又は可変インダクタンス素子を含んでいる。第１の整合器ＭＵ１のインピーダンスマッチング動作では、負荷インピーダンスのモニタリング結果に応じて、可変電気素子の可変パラメータ、例えば、可変キャパシタンス及び／又は可変インダクタンスがマッチングコントローラによって自動的に制御され得る。
第２部材２０ｂは、第１部材２０ａ上に設けられており、当該第１部材２０ａに電気的に接続されている。この第２部材２０ｂには、流路が形成されていてもよく、当該流路とチラーユニットとの間では冷媒が循環されるようになっていてもよい。
静電チャック２２は、第２部材２０ｂ上に設けられている。静電チャック２２は、誘電体と、当該誘電体内に設けられた電極とを有している。静電チャック２２の電極には、スイッチＳＷを介して電源２４が接続されている。電源２４は、例えば、直流電源である。この電源２４から静電チャック２２の電極に電圧が印加されると、静電チャック２２は静電力を発生し、当該静電力によってウエハＷを吸着して、当該ウエハＷを保持する。なお、静電チャック２２の内部には、ヒータが埋め込まれていてもよい。
処理容器１２の底部には、排気管２６が接続されている。この排気管２６は、第１空間Ｓ１に連通しており、また、排気装置２８に接続されている。排気装置２８は、圧力調整弁といった圧力調整器、及び、ターボ分子ポンプ、ドライポンプといった減圧ポンプを有している。この排気装置２８によって、処理容器１２の内部空間の圧力が調整されるようになっている。
また、プラズマ処理装置１０は、第２空間Ｓ２にガス供給部３０から処理ガスが供給されるように構成されている。ガス供給部３０は、複数のガスソース、複数のバルブ、及び、マスフローコントローラといった複数の流量制御器を有し得る。複数のガスソースは、処理ガスを構成する複数種のガスのソースである。複数のガスソースは、複数のバルブのうち対応のバルブ、及び複数の流量制御器のうち対応の流量制御器を介して配管３２に接続されている。この配管３２は、第２空間Ｓ２に連通している。
第２空間Ｓ２は、その側方からは処理容器１２によって画成されている。処理容器１２は、その上端において開口を提供している。この開口は、窓部材３４によって閉じられている。窓部材３４は、石英又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）といった誘電体から構成されている。この窓部材３４上、且つ、処理容器１２の外部には、コイル３６が設けられている。このコイル３６には、第２の整合器ＭＵ２を介して第２の高周波電源ＨＦＳが接続されている。第２の高周波電源ＨＦＳは、処理ガスを励起させるための高周波（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗａｖｅ）を発生する。第２の高周波電源ＨＦＳによって発生される高周波ＨＦの周波数は、１３ＭＨｚ以上の周波数であり、例えば４０ＭＨｚ又は６０ＭＨｚであり得る。第２の整合器ＭＵ２は、第２の高周波電源ＨＦＳの出力インピーダンスと、負荷側の入力インピーダンスを整合させるための整合回路を有している。この整合回路は、第１の整合器ＭＵ１の整合回路と同様に、可変電気素子、例えば、可変キャパシタンス素子及び／又は可変インダクタンス素子を含んでいる。第２の整合器ＭＵ２のインピーダンスマッチング動作においても、負荷インピーダンスのモニタリング結果に応じて、可変電気素子の可変パラメータ、例えば、可変キャパシタンス及び／又は可変インダクタンスがマッチングコントローラによって自動的に制御され得る。
このプラズマ処理装置１０では、第２空間Ｓ２において処理ガスが励起される。これにより、第２空間Ｓ２では、処理ガスを構成する原子又は分子のイオン及びラジカルが発生する。プラズマ処理装置１０では、第２空間Ｓ２において発生したイオンを捕捉するために、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２との間にイオントラップ４０が設けられている。このイオントラップ４０の下面と静電チャック２２の上面との間の距離ＧＰは、例えば、２０ｍｍ以上の距離である。
イオントラップ４０は、金属といった導電性の材料、又は、石英、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）といった絶縁性の材料から構成されており、略円盤形状を有している。イオントラップ４０は処理容器１２と同電位を有するよう、当該処理容器１２に電気的に接続されている。イオントラップ４０には、複数の孔４０ｈが形成されている。第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２は、複数の孔４０ｈのみを介して連通されている。このプラズマ処理装置１０では、イオントラップ４０に対して載置台１４が配置される側とは反対の側、即ち、第２空間Ｓ２において処理ガスのプラズマが生成される。第２空間Ｓ２において発生したラジカルは複数の孔４０ｈを介して第１空間Ｓ１に供給されるが、第２空間Ｓ２において発生したイオンの大部分は、当該イオントラップ４０によって捕捉される。
プラズマ処理装置１０は、制御部４２を更に備えている。制御部４２は、メモリといった記憶装置、入力装置、表示装置、及びＣＰＵといったプロセッサを備えたコンピュータ装置であり得る。制御部４２は、記憶装置に記憶したレシピに従って、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。例えば、制御部４２は方法ＭＴの実施のためのレシピに従ってプラズマ処理装置１０の各部を制御する。これにより、レシピに従ったプラズマ処理がウエハＷに対して行われる。
再び図１を参照し、プラズマ処理装置１０を用いて実施される場合を例にとって、方法ＭＴについて詳細に説明する。以下の説明では、図１に加えて、図４を参照する。図４は、方法ＭＴにおける高周波、高周波バイアス、及び処理ガスに関するタイミングチャートである。図４において、高周波ＨＦがＯＮであることは、高周波ＨＦがコイル３６に供給されることを示しており、高周波ＨＦがＯＦＦであることは、高周波ＨＦがコイル３６に供給されていないことを示している。また、高周波バイアスＬＦがＯＮであることは、高周波バイアスＬＦが下部電極２０に供給されることを示しており、高周波バイアスＬＦがＯＦＦであることは、高周波バイアスＬＦが下部電極２０に供給されていないことを示している。また、処理ガスが「Ｈ」であることは、処理ガスが処理容器１２内に供給されていることを示しており、処理ガスが「Ｌ」であることは、処理ガスが処理容器１２内に供給されていないことを示している。
上述したように、方法ＭＴの工程ＳＴ１では、ウエハＷがプラズマ処理装置１０の処理容器１２内に搬入される。そして、ウエハＷは、静電チャック２２によって保持される。ウエハＷが静電チャック２２上に載置された後、方法ＭＴでは、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３が交互に繰り返される。即ち、方法ＭＴでは、各々が工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含む複数回のシーケンスが実行される。
工程ＳＴ２では、処理ガスから生成されるラジカルを被エッチング層ＥＬに吸着させる。このため、工程ＳＴ２では、第２空間Ｓ２に処理ガスが供給される。図４に示すように、処理ガスの供給は、初回の工程ＳＴ２が開始する時刻ｔ１よりも前に開始される。方法ＭＴでは、以後、当該方法ＭＴが終了するまで、処理ガスの供給が継続される。
処理ガスは、被エッチング層ＥＬが有機膜である場合には、例えば、水素ガス（Ｈ２ガス）、窒素ガス（Ｎ２ガス）、及び、希ガスを含み得る。希ガスは、例えば、Ａｒガスであり得る。なお、希ガスとしては、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガスといった任意の希ガスが用いられ得る。この処理ガスは、水素ガス及び窒素ガスに代えて、或いは、水素ガス及び窒素ガスに加えて、アンモニア（ＮＨ３）ガス及び／又は酸素（Ｏ２）ガスを含んでいてもよい。また、処理ガスは、被エッチング層ＥＬがシリコン膜である場合には、臭化水素ガス、塩素ガスといったハロゲン含有ガスと希ガスを含み得る。また、処理ガスは、被エッチング層ＥＬがシリコン酸化膜である場合には、フルオロカーボンガスと希ガスを含み得る。また、処理ガスは、被エッチング層ＥＬが窒化シリコン膜である場合には、フルオロハイドロカーボンガス（ＣＸＨＹＦＺ、Ｘ、Ｙ、及びＺは１以上の整数）及び／又はフルオロカーボンガス（ＣＸＦＹ、Ｘ及びＹは１以上の整数）と希ガスとを含み得る。
また、工程ＳＴ２の実行期間（図４に示す時刻ｔ１〜ｔ２、及び時刻ｔ３〜ｔ４）においては、コイル３６に第２の高周波電源ＨＦＳからの高周波ＨＦが供給される。これにより、第２空間Ｓ２において処理ガスが励起され、イオン及びラジカルが生成される。なお、この工程ＳＴ２では、第１の高周波電源ＬＦＳからの高周波バイアスＬＦは下部電極２０に供給されない。
工程ＳＴ２の実行により、第２空間Ｓ２において発生したイオンの大部分はイオントラップ４０によって捕捉される。一方、ラジカルは、イオントラップ４０の複数の孔４０ｈを通過して第１空間Ｓ１に進入する。工程ＳＴ２では、第１空間Ｓ１に供給されたラジカルが、被エッチング層ＥＬに吸着する。なお、ウエハＷが配置されている空間、本例では、第１空間Ｓ１におけるラジカルの密度は、当該第１空間Ｓ１におけるイオンの密度の２００倍以上の密度に設定される。
続く工程ＳＴ３では、処理ガスから生成されるイオンが被エッチング層ＥＬに引き込まれる。このため、工程ＳＴ３では、工程ＳＴ２において供給された処理ガスが引き続き第２空間Ｓ２に供給される。
また、図４に示すように、工程ＳＴ３の実行期間中（時刻ｔ２〜ｔ３、及び時刻ｔ４〜ｔ５）、第２の高周波電源ＨＦＳからの高周波ＨＦはコイル３６に供給されず、第１の高周波電源ＬＦＳからの高周波バイアスＬＦが下部電極２０に供給される。
第２空間Ｓ２に供給される処理ガスは、希ガスを含んでおり、当該希ガスはイオントラップ４０の複数の孔４０ｈを通過して、第１空間Ｓ１に供給される。第１空間Ｓ１に供給された希ガスは高周波バイアスＬＦによって励起される。これにより、希ガス原子のイオンが生成され、当該希ガス原子のイオンは高周波バイアスＬＦによってウエハＷに引き込まれる。これにより、被エッチング層ＥＬから、ラジカルが付着している原子が放出される。
方法ＭＴの各シーケンスＳＱでは、０．２ｎｍ以下、即ち、原子層レベルの深さで被エッチング層ＥＬがエッチングされる。したがって、工程ＳＴ３では、ラジカルが付着している原子のみが被エッチング層ＥＬから放出されるように、高周波バイアスＬＦの供給が制御される必要がある。このため、一実施形態の工程ＳＴ３では、０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスＬＦが下部電極２０に供給される。０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスＬＦは、例えば２秒以下の期間、下部電極２０に供給される。別の実施形態では、０．１４Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の高周波バイアスＬＦが０．５秒以下の期間、下部電極２０に供給される。
方法ＭＴでは、工程ＳＴ３の実行後、工程ＳＴＪにおいて、停止条件が満たされるか否かが判定される。停止条件は、例えば、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含むシーケンスＳＱの実行回数が所定回数に達したときに、満たされるものと判定される。工程ＳＴＪにおいて停止条件が満たされないと判定される場合には、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含むシーケンスＳＱの実行が再び行われる。一方、工程ＳＴＪにおいて停止条件が満たされると判定される場合には、方法ＭＴの実行が終了する。このように、方法ＭＴでは、複数回のシーケンスＳＱが実行され、最終的には、図５に示すように、被エッチング層ＥＬの全領域のうちマスクＭＳＫから露出されている領域が、基板ＳＢの表面が露出するまで、エッチングされる。
以下、方法ＭＴの原理を、図６及び図７を参照しつつ説明する。図６及び図７は、図１に示す方法におけるエッチングの原理を示す図である。なお、図６及び図７において、白抜きの円は被エッチング層ＥＬを構成する原子を示しており、黒塗りの円はラジカルを示しており、円で囲まれた「＋」は、希ガス原子のイオンを示している。
図６の（ａ）に示すように、初回の工程ＳＴ２の実行時には、被エッチング層ＥＬの表面の状態は、ダングリングボンドが無いか、又は少ない状態にある。初回の工程ＳＴ２では、このような状態の被エッチング層ＥＬの表面にラジカルが吸着する。続く初回の工程ＳＴ３では、図６の（ｂ）に示すように、希ガス原子のイオンが被エッチング層ＥＬの表面に衝突することにより、ラジカルが吸着している被エッチング層ＥＬの原子が、被エッチング層ＥＬから放出され、排気される。これにより、図６の（ｃ）に示すように、被エッチング層ＥＬの表面には、ダングリングボンドが形成される。
二回目以後の工程ＳＴ２においても、ラジカルが被エッチング層ＥＬに対して供給される。このラジカルは、Ｌａｎｇｍｕｉｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌから、例えば５ｅＶ以下のエネルギーを有しており、ダングリングボンドに効率的に結合する。したがって、二回目以後の工程ＳＴ２では、図７の（ａ）に示すように、高い被覆率で被エッチング層ＥＬの表面に一層分のラジカルが吸着される。
二回目以後の工程ＳＴ３においても、ラジカルが吸着している状態の被エッチング層ＥＬに対して希ガスイオンが引き込まれる。これにより、図７の（ｂ）に示すように、ラジカルが吸着している原子が被エッチング層ＥＬから放出され、排気される。そして、図７の（ｃ）に示すように、ダングリングボンドが被エッチング層ＥＬの表面に形成される。このような工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含むシーケンスの繰り返しにより、方法ＭＴでは、図５に示すように、被エッチング層ＥＬがエッチングされる。
この方法ＭＴでは、上述したように、工程ＳＴ２と工程ＳＴ３において同じ処理ガスが用いられ、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３が連続して実行される。したがって、工程ＳＴ２と工程ＳＴ３の間において処理ガスを置換する期間が不要である。故に、方法ＭＴによれば、被エッチング層ＥＬのエッチングに要する時間を短縮することが可能である。
一実施形態では、工程ＳＴ３の実行期間中、第１の整合器ＭＵ１のインピーダンスが固定されてもよい。即ち、第１の整合器ＭＵ１の整合回路を構成する上述した可変電気素子の可変パラメータが一定に維持されていてもよい。一般的に、プラズマ処理装置の整合器は、インピーダンスマッチングの動作を行うので、負荷に供給される高周波バイアスのパワーが安定するまでに時間を要する。一方、工程ＳＴ３において第１の整合器ＭＵ１のインピーダンスを固定することにより、高周波バイアスＬＦの供給開始後のパワーの変動を抑制することができる。結果的に、工程ＳＴ３の実行期間を短縮することが可能となる。
以下、方法ＭＴの評価のために行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、第１空間Ｓ１におけるラジカルフラックスとイオンフラックスの比を種々の比に設定して、Ｌａｎｇｍｕｉｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌから被エッチング層ＥＬのラジカルによる被覆率θ（ｔ）が１となる時間ｔを算出した。ここで、被覆率θ（ｔ）は、被エッチング層ＥＬの全サイトがラジカルによって埋められているときに、１となる。また、被覆率θ（ｔ）は、下記式（１）によって算出した。
Figure 2016207771
式（１）において、Ｓはラジカルの付着率、Ｙはイオンによるエッチングイールド、Γｒはラジカルフラックス（ｃｍ−２ｓ−１）、Γｉはイオンフラックス（ｃｍ−２ｓ−１）であり、これらのパラメータは、ラジカルの種別、イオンの種別、被エッチング層ＥＬの材料によって定まるものである。このシミュレーションでは、被エッチング層ＥＬとしてシリコン膜を、ラジカルとして塩素ラジカルを、イオンとしてＡｒイオンを想定した。
図８に、シミュレーションの結果を表すグラフを示す。図８に示すように、Γｒ／Γｉが１のときには、θ（ｔ）＝１となるまでの時間は５秒であり、Γｒ／Γｉが増加するにつれて、θ（ｔ）＝１となる時間は減少する。そして、Γｒ／Γｉが２００のときに、θ（ｔ）＝１となる時間に略変化が見られなくなり、０．３秒でθ（ｔ）＝１となる。かかる傾向は、ラジカルの種別、イオンの種別、被エッチング層ＥＬの膜種が異なっていても、略同様となる。したがって、工程ＳＴ２では、Γｒ／Γｉが２００、即ち、ラジカル密度がイオン密度の２００倍以上であるときに、被エッチング層ＥＬの表面に対するラジカルの吸着を高い被覆率且つ短時間で実現できることが確認された。
以下、方法ＭＴの評価のために、プラズマ処理装置１０を用いて行った実験について説明する。
（実験例１）
実験例１では、方法ＭＴにおいて以下に示す条件を設定し、且つ、工程ＳＴ３における高周波バイアスＬＦのパワー及び各シーケンスＳＱの工程ＳＴ３の実行時間長を種々に設定して、有機膜のエッチングを行った。
＜条件＞
・処理ガス：１５０ｓｃｃｍのＮ２ガス、１５０ｓｃｃｍのＨ２ガス、及び１０００ｓｃｃｍのＡｒガス
・処理容器１２の内部空間の圧力：５０ｍＴｏｒｒ（６．６６６Ｐａ）
・工程ＳＴ２の高周波ＨＦのパワー：５００Ｗ
・工程ＳＴ２の高周波バイアスＬＦのパワー：０Ｗ
・工程ＳＴ３の高周波ＨＦのパワー：０Ｗ
また、比較実験例では、以下の条件の第１工程〜第４工程を含むシーケンスの繰り返しにより、有機膜のエッチングを行った。比較実験例では、各シーケンスにおける第３工程の実行時間長を２秒に固定し、当該第３工程における高周波バイアスＬＦのパワーを種々に設定した。
＜条件＞
・処理容器１２の内部空間の圧力：５０ｍＴｏｒｒ（６．６６６Ｐａ）
・第１工程の処理ガス：１５０ｓｃｃｍのＮ２ガス、１５０ｓｃｃｍのＨ２ガス、１０００ｓｃｃｍのＡｒガス
・第１工程の高周波ＨＦのパワー：５００Ｗ
・第１工程の高周波バイアスＬＦのパワー：０Ｗ
・第２工程の処理ガス：１０００ｓｃｃｍのＡｒガス
・第２工程の高周波ＨＦのパワー：０Ｗ
・第２工程の高周波バイアスＬＦのパワー：０Ｗ
・第３工程の処理ガス：１０００ｓｃｃｍのＡｒガス
・第３工程の高周波ＨＦのパワー：０Ｗ
・第４工程の処理ガス：１５０ｓｃｃｍのＮ２ガス、１５０ｓｃｃｍのＨ２ガス、１０００ｓｃｃｍのＡｒガス
・第４工程の高周波ＨＦのパワー：０Ｗ
・第４工程の高周波バイアスＬＦのパワー：０Ｗ
そして、実験例１及び比較実験例のエッチング後の有機膜の膜厚の減少量から、シーケンス１回当りの有機膜のエッチング量（深さ）を求めた。結果を図９に示す。図９において、横軸は、工程ＳＴ３（又は比較実験例の第３工程）における高周波バイアスＬＦのパワーの実効値を示しており、縦軸は、シーケンス１回当りの有機膜のエッチング量（深さ）を示している。また、図９において、点線は、ＡＬＥ法とみなせるシーケンス１回当りのエッチング量である０．２ｎｍを示している。
比較実験例は通常のＡＬＥ法を採用したものであり、図９に示すように、比較実験例では、第３工程における高周波バイアスのパワーによらず、シーケンス１回当りの有機膜のエッチング量は、０．２ｎｍ以下であった。また、実験例１では、工程ＳＴ３における高周波バイアスＬＦのパワーの実効値が４０Ｗ以下である場合に、即ち、工程ＳＴ３における高周波バイアスＬＦのパワーが５０Ｗ以下である場合に、工程ＳＴ３の実行時間長によらず、０．２ｎｍ以下のエッチング量が得られることが確認された。しがたって、方法ＭＴでは、工程ＳＴ３における高周波バイアスＬＦのパワーが５０Ｗ以下であるときに、ＡＬＥ法と同様に被エッチング層をエッチングできることが確認された。なお、５０Ｗ以下の高周波バイアスＬＦのパワー密度は、０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度である。
（実験例２）
実験例２では、方法ＭＴにおいて以下に示す条件を設定し、各シーケンスＳＱの工程ＳＴ３の実行時間長を種々に設定して、有機膜のエッチングを行った。
＜条件＞
・処理ガス：１５０ｓｃｃｍのＮ２ガス、１５０ｓｃｃｍのＨ２ガス、及び１０００ｓｃｃｍのＡｒガス
・処理容器１２の内部空間の圧力：５０ｍＴｏｒｒ（６．６６６Ｐａ）
・工程ＳＴ２の高周波ＨＦのパワー：５００Ｗ
・工程ＳＴ２の高周波バイアスＬＦのパワー：０Ｗ
・工程ＳＴ３の高周波ＨＦのパワー：０Ｗ
・工程ＳＴ３の高周波バイアスＬＦのパワー：１００Ｗ
そして、実験例２のエッチング後の有機膜の膜厚の減少量から、シーケンス１回当りの有機膜のエッチング量（深さ）を求めた。図１０に結果を示す。図１０において、横軸は、各シーケンスＳＱにおける工程ＳＴ３の実行時間長を示しており、縦軸は、シーケンス１回当りの有機膜のエッチング量（深さ）を示している。図１０に示すように、工程ＳＴ３の高周波バイアスＬＦのパワーが１００Ｗである場合には、各シーケンスＳＱにおける工程ＳＴ３の実行時間長が０．５秒以下であれば、シーケンス１回当りのエッチング量が略０．２ｎｍ以下の量となることが確認された。したがって、方法ＭＴでは、工程ＳＴ３における高周波バイアスＬＦのパワーが１００Ｗ以下、且つ、各シーケンスＳＱにおける工程ＳＴ３の実行時間長が０．５秒以下であるときに、ＡＬＥ法と略同様に被エッチング層をエッチングできることが確認された。
以下、方法ＭＴの実施に用いることができる別のプラズマ処理装置について説明する。図１１は、図１に示す方法の実施に用いることができる別のプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図１１に示すプラズマ処理装置１００は、処理容器１２０を備えている。処理容器１２０は、その内部空間として空間Ｓを提供している。処理容器１２０は、例えば、アルミニウムといった導電性の材料から構成されており、処理容器１２の内部空間に面する内面には、耐プラズマ性を有する被覆、例えば、イットリア皮膜が設けられている。この処理容器１２０は、電気的に接地されている。
処理容器１２０の空間Ｓには、載置台１４が設けられている。この載置台１４は、プラズマ処理装置１０の載置台１４と同様の載置台である。この載置台１４の下部電極２０には、第１の整合器ＭＵ１を介して第１の高周波電源ＬＦＳが接続されている。
処理容器１２０の上端は開口しており、当該開口は天井部材３４０によって閉じられている。天井部材３４０は、石英といった誘電体から構成されている。天井部材３４０内には、複数のガス室３４０ａが形成されている。複数のガス室３４０ａは、例えば、静電チャック２２の中心を通過する軸線に対して同心状に設けられている。これらのガス室３４０ａにはガス供給部３００の第１のガス供給部３００ａから処理ガスが供給されるようになっている。この処理ガスは、方法ＭＴの工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３において用いられる処理ガスであり、第１のガス供給部３００ａは、プラズマ処理装置１０のガス供給部３０と同様に複数のガスソース、複数のバルブ、及び、複数の流量制御器を含んでいる。
ガス室３４０ａの上方、且つ、天井部材３４０内には、第１電極３４２が埋め込まれている。また、ガス室３４０ａの下方、且つ、天井部材３４０内には、第２電極３４４が埋め込まれている。第１電極３４２及び第２電極３４４には、これらの電極間、即ち、ガス室３４０ａ内において高周波電界を形成するために、第２の高周波電源ＨＦＳが第２の整合器ＭＵ２を介して接続されている。また、第１電極３４２の上方、且つ、天井部材３４０内には、ヒータＨＴが埋め込まれている。このヒータＨＴは、ヒータ電源ＨＰに接続されている。さらに、第２電極３４４の下方、且つ、天井部材３４０内には、別のガス室３４０ｂが形成されている。ガス室３４０ｂには、空間Ｓ内において処理ガスと混合されるガスが、ガス供給部３００の第２のガス供給部３００ｂから供給されるようになっている。
天井部材３４０の直下にはイオントラップ４００が設けられている。イオントラップ４００は、金属といった導電性の材料から構成されており、略円盤形状を有している。イオントラップ４００は処理容器１２０と同電位を有するよう、当該処理容器１２０に電気的に接続されている。このイオントラップ４００の下面と静電チャック２２の上面との間の距離ＧＰは、例えば、３０ｍｍ以上の距離である。天井部材３４０及びイオントラップ４００には、ガス室３４０ａから延びる孔４００ｈが形成されている。また、天井部材３４０及びイオントラップ４００には、ガス室３４０ｂから延びる孔４００ｉが形成されている。
このプラズマ処理装置１００を方法ＭＴの実施に用いる場合には、工程ＳＴ２において、ガス室３４０ａに処理ガスが供給され、第２の高周波電源ＨＦＳからの高周波ＨＦが第１電極３４２及び第２電極３４４に供給される。また、工程ＳＴ２では、第１の高周波電源ＬＦＳからの高周波バイアスＬＦは、下部電極２０には供給されない。この工程ＳＴ２の実行により、処理ガスはガス室３４０ａ内において励起される。そして、ガス室３４０ａ内において発生したラジカルが、孔４００ｈを通過して、空間Ｓ内に供給され、ウエハＷの被エッチング層ＥＬに吸着する。
また、工程ＳＴ３においても引き続きガス室３４０ａに処理ガスが供給される。工程ＳＴ３では、第２の高周波電源ＨＦＳからの高周波ＨＦの供給は停止される。また、工程ＳＴ３では、第１の高周波電源ＬＦＳからの高周波バイアスＬＦが下部電極２０に供給される。この工程ＳＴ３の実行により、処理ガスが空間Ｓ内に供給され、高周波バイアスＬＦによって希ガス原子のイオンが生成される。このイオンがウエハＷに引き込まれことにより、ラジカルが吸着している被エッチング層ＥＬの原子が、当該被エッチング層ＥＬから放出され、排気される。かかる工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含むシーケンスＳＱが繰り返されることにより、プラズマ処理装置１００を用いても、被エッチング層ＥＬをエッチングすることができる。
以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、処理ガスを励起させるためのプラズマ源は、任意のプラズマ源であってもよく、処理ガスは例えばマイクロ波によって励起されてもよい。また、方法ＭＴの実施には、リモートプラズマを利用する任意のプラズマ処理装置を利用することも可能である。
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１４…載置台、２０…下部電極、２２…静電チャック、２４…電源、ＬＦＳ…第１の高周波電源、ＨＦＳ…第２の高周波電源、ＭＵ１…第１の整合器、ＭＵ２…第２の整合器、２８…排気装置、３０…ガス供給部、３４…窓部材、３６…コイル、４０…イオントラップ、４２…制御部、１００…プラズマ処理装置、１２０…処理容器、３００…ガス供給部、３４０…天井部材、３４０ａ…ガス室、３４２…第１電極、３４４…第２電極、４００…イオントラップ、Ｗ…ウエハ、ＥＬ…被エッチング層。

Claims (5)

  1. 被処理体の被エッチング層をエッチングする方法であって、
    プラズマ処理装置の処理容器内において下部電極を有する載置台上に前記被処理体を載置する工程と、
    前記下部電極に高周波バイアスを与えずに、前記被エッチング層に、処理ガスから生成されるラジカルを吸着させる工程と、
    前記下部電極に高周波バイアスを与えて、前記被エッチング層に、前記処理ガスから生成されるイオンを引き込む工程であり、ラジカルを吸着させる前記工程に連続して行われる該工程と、
    を含み、
    ラジカルを吸着させる前記工程とイオンを引き込む前記工程とが交互に繰り返され、
    ラジカルを吸着させる前記工程では、前記被処理体が配置される前記処理容器内の空間におけるラジカルの密度が、該空間におけるイオンの密度の２００倍以上の密度であり、
    イオンを引き込む前記工程では、０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の前記高周波バイアスが下部電極に供給されるか、０．１４Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の前記高周波バイアスが０．５秒以下の期間、前記下部電極に供給される、
    方法。
  2. イオンを引き込む前記工程では、０．０７Ｗ／ｃｍ２以下のパワー密度の前記高周波バイアスが２秒以下の期間、前記下部電極に供給される、請求項１に記載の方法。
  3. イオンを引き込む前記工程の実行期間中において、前記高周波バイアスを発生する高周波電源と前記下部電極との間に設けられた整合器のインピーダンスが固定される、請求項１又は２に記載の方法。
  4. イオンを引き込む前記工程の実行期間中では、前記整合器の可変電気素子の可変パラメータが固定される、請求項３に記載の方法。
  5. 前記プラズマ処理装置は、前記載置台の上方にイオントラップを有しており、
    前記処理ガスのプラズマが、前記イオントラップに対して前記載置台が配置されている側と反対の側で生成され、前記ラジカルは前記イオントラップを通過して前記被エッチング層に対して供給される、
    請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。















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