JP2022140924A - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス切り替え方式よりも高速かつ選択比および矩形形状の改善が両立可能なエッチングを行うことができる基板処理方法および基板処理装置を提供する。【解決手段】基板処理方法は、基板処理装置における基板処理方法であって、ａ）被エッチング膜を有する被処理体を載置する載置台が配置された処理容器に、フッ素を除くハロゲンを含有するガスと酸素を含有するガスとを含むプロセスガスを供給する工程と、ｂ）第１のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第１のプラズマによって、被処理体をプラズマ処理する工程と、ｃ）第１のプラズマ生成条件のうち高周波電力の条件および処理時間が異なり、他の条件が同一である第２のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第２のプラズマによって、被処理体をプラズマ処理する工程と、ｄ）ｂ）とｃ）とを繰り返す工程と、を有する。【選択図】図５

Description

本開示は、基板処理方法および基板処理装置に関する。
近年、半導体の微細化が進むにつれて、ドライエッチングプロセスにおける穴部の形状について、制御性の向上が求められている。例えば、シリコンのエッチング加工において、Ｃｌ２ガスおよびＯ２ガスを含む混合ガスを用いることで、マイクロトレンチの発生を防止するとともに、形状の垂直加工性の向上やマスク選択比（以下、単に「選択比」ともいう。）の向上を図ることが提案されている（特許文献１）。また、被処理体へのダメージを低減しつつ、エッチング量の制御性に優れたＡＬＥ（Atomic Layer Etching）法を用いてエッチングを行うことが提案されている（特許文献２）。
特開２０１０－０８０８４６号公報 特開２０１３－２３５９１２号公報
本開示は、ガス切り替え方式よりも高速かつ選択比および矩形形状の改善が両立可能なエッチングを行うことができる基板処理方法および基板処理装置を提供する。
本開示の一態様による基板処理方法は、基板処理装置における基板処理方法であって、ａ）被エッチング膜を有する被処理体を載置する載置台が配置された処理容器に、フッ素を除くハロゲンを含有するガスと酸素を含有するガスとを含むプロセスガスを供給する工程と、ｂ）第１のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第１のプラズマによって、被処理体をプラズマ処理する工程と、ｃ）第１のプラズマ生成条件のうち高周波電力の条件および処理時間が異なり、他の条件が同一である第２のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第２のプラズマによって、被処理体をプラズマ処理する工程と、ｄ）ｂ）とｃ）とを繰り返す工程と、を有する。
本開示によれば、ガス切り替え方式よりも高速かつ選択比および矩形形状の改善が両立可能なエッチングを行うことができる。
図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置の一例を示す図である。 図２は、本実施形態における高周波電力の印加パターンとエッチングとの関係の一例を示す図である。 図３は、ＡＬＥにおける高周波電力の印加パターンとエッチングとの関係の一例を示す図である。 図４は、高周波電力と解離断面積との関係の一例を示す図である。 図５は、フェーズ１におけるウエハの状態の一例を模式的に示す図である。 図６は、フェーズ２におけるウエハの状態の一例を模式的に示す図である。 図７は、本実施形態におけるエッチング処理の一例を示すフローチャートである。 図８は、底部におけるシェイプの一例を示す図である。 図９は、高周波電力とシリコンのリセスおよびシェイプとの関係に関する実験結果の一例を示す図である。
以下に、開示する基板処理方法および基板処理装置の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により開示技術が限定されるものではない。
マスクを通じたシリコン膜のエッチングでは、エッチング後の凹部において底部が矩形形状であり、かつ、マスクの残膜が多くなるような、垂直かつ高選択比なエッチングが求められる。しかしながら、底部の矩形形状と選択比とはトレードオフの関係にあり、上述のように、Ｃｌ２ガスにＯ２ガスを添加することによって選択比は向上するものの、底部がテーパ形状になりやすい。また、エッチング処理において、保護膜を堆積させるステップと、エッチングステップとを繰り返す場合、使用するプロセスガスを切り替えるので、処理容器内のプロセスガスの置換に時間を要する。このため、プロセス処理時間も長くなり、スループットが低下する。そこで、ガス切り替え方式よりも高速かつ選択比および矩形形状の改善が両立可能なエッチングを行うことが期待されている。
［プラズマ処理装置１００の構成］
図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマ処理装置の一例を示す図である。プラズマ処理装置１００は、本体１０および制御部２０を有する。本実施形態におけるプラズマ処理装置１００は、被処理体の一例である半導体ウエハ（以下、ウエハともいう。）Ｗ上に形成された被エッチング膜を、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を用いてエッチング処理する。本実施形態において、半導体ウエハＷには、例えば被エッチング膜と被エッチング膜上のマスクとが形成されている。
本体１０は、例えば内壁面が陽極酸化処理されたアルミニウムによって形成された略円筒形状の気密なチャンバ１０１を有する。チャンバ１０１は接地されている。チャンバ１０１は、上部天板１０２により上下に区画されている。上部天板１０２の上面側は、アンテナ１１３が収容されるアンテナ室１０３となっている。また、上部天板１０２の下面側は、プラズマが生成される処理室１０４となっている。本実施形態において、上部天板１０２は石英で形成されており、処理室１０４の天井壁を構成する。なお、上部天板１０２は、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックスで構成されてもよい。
処理室１０４の側壁１０４ａには、一端が処理室１０４内の空間Ｓに連通し、他端がガス供給機構１２０に連通するガス供給管１２４が設けられている。ガス供給機構１２０から供給されたガスは、ガス供給管１２４を介して、空間Ｓ内に供給される。ガス供給機構１２０は、ガス供給源１２１ａ～１２１ｃ、ＭＦＣ（Mass Flow Controller）１２２ａ～１２２ｃ、およびバルブ１２３ａ～１２３ｃを有する。ガス供給機構１２０は、ガス供給部の一例である。
ＭＦＣ１２２ａは、酸素含有ガスを供給するガス供給源１２１ａに接続され、ガス供給源１２１ａから供給される酸素含有ガスの流量を制御する。本実施形態において、ガス供給源１２１ａは、例えばＯ２ガスを供給する。バルブ１２３ａは、ＭＦＣ１２２ａによって流量が制御された酸素含有ガスのガス供給管１２４への供給および供給停止を制御する。
ＭＦＣ１２２ｂは、ハロゲン含有ガスを供給するガス供給源１２１ｂに接続され、ガス供給源１２１ｂから供給されるハロゲン含有ガスの流量を制御する。本実施形態において、ガス供給源１２１ｂは、フッ素を除くハロゲン含有ガスとして、例えばＣｌ２ガス、ＨＣｌガス、ＨＢｒガス、または、ＨＩガス等を供給する。バルブ１２３ｂは、ＭＦＣ１２２ｂによって流量が制御されたハロゲン含有ガスのガス供給管１２４への供給および供給停止を制御する。
ＭＦＣ１２２ｃは、希ガスを供給するガス供給源１２１ｃに接続され、ガス供給源１２１ｃから供給される希ガスの流量を制御する。本実施形態において、ガス供給源１２１ｃは、例えばＡｒガスを供給する。バルブ１２３ｃは、ＭＦＣ１２２ｃによって流量が制御された希ガスのガス供給管１２４への供給および供給停止を制御する。
アンテナ室１０３内には、アンテナ１１３が配設されている。アンテナ１１３は、銅やアルミニウム等の導電性の高い金属により形成されたアンテナ線１１３ａを有する。アンテナ線１１３ａは、環状や渦巻状等の任意の形状に形成される。アンテナ１１３は絶縁部材で構成されたスペーサ１１７により上部天板１０２から離間している。
アンテナ線１１３ａの端子１１８には、アンテナ室１０３の上方へ延びる給電部材１１６の一端が接続されている。給電部材１１６の他端には、給電線１１９の一端が接続されており、給電線１１９の他端には、整合器１１４を介して高周波電源１１５が接続されている。高周波電源１１５は、整合器１１４、給電線１１９、給電部材１１６、および端子１１８を介して、アンテナ１１３に、１０ＭＨｚ以上（例えば２７ＭＨｚ。）の周波数の高周波電力を供給する。これにより、アンテナ１１３の下方にある処理室１０４内の空間Ｓに誘導電界が形成され、この誘導電界により、ガス供給管１２４から供給されたガスがプラズマ化され、空間Ｓ内に誘導結合型プラズマが生成される。アンテナ１１３は、プラズマ生成部の一例である。なお、以下の説明では、高周波電源１１５から供給される高周波電力を、第２の高周波電力、ソースまたはＳｏｕｒｃｅと表す場合がある。
処理室１０４の底壁には、アルミニウム等の導電性の材料で構成され、処理対象のウエハＷが載置される円板形状のサセプタ１２６が設けられている。サセプタ１２６は、生成されたプラズマ中のイオンの引き込み用（バイアス用）の電極としても機能する。サセプタ１２６は、絶縁体からなる円筒形状のサセプタ支持部１２７によって支持される。
また、サセプタ１２６には、給電棒１３０および整合器１２９を介してバイアス用の高周波電源１２８が接続されている。サセプタ１２６には、高周波電源１２８から、１０ＭＨｚ以上（例えば１３ＭＨｚ。）の周波数の高周波電力が供給される。なお、以下の説明では、高周波電源１２８から供給される高周波電力を、第１の高周波電力、バイアスまたはＢｉａｓと表す場合がある。また、高周波電源１２８は、プラズマ励起用として作用し、空間Ｓ内にプラズマが生成される場合がある。この時のプラズマは、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively Coupled Plasma）である。
サセプタ１２６の上面には、静電吸着力によりウエハＷを保持するための静電チャック１３１が設けられており、静電チャック１３１の外周側には、ウエハＷの周囲を囲むようにエッジリング１３２が設けられている。エッジリング１３２は、フォーカスリングと呼ばれることもある。
また、サセプタ１２６の内部には、例えば冷却水等の冷媒を通流させるための流路１３３が形成されている。流路１３３は、配管１３４を介して不図示のチラーユニットと接続されており、当該チラーユニットから温度調節された冷媒が配管１３４を介して流路１３３内に供給される。
サセプタ１２６の内部には、静電チャック１３１とウエハＷとの間に、例えばＨｅガス等の伝熱ガスを供給するためのガス供給管１３５が設けられている。ガス供給管１３５は、静電チャック１３１を貫通しており、ガス供給管１３５内の空間は、静電チャック１３１とウエハＷとの間の空間に連通している。さらに、サセプタ１２６には、ウエハＷの受け渡しを行うための複数の昇降ピン（図示せず）が静電チャック１３１の上面に対して突没可能に設けられている。
処理室１０４の側壁１０４ａには、ウエハＷを処理室１０４内へ搬入し、ウエハＷを処理室１０４内から搬出するための搬入出口１４０が設けられており、搬入出口１４０はゲートバルブＧによって開閉可能となっている。ゲートバルブＧが開状態に制御されることにより、搬入出口１４０を介してウエハＷの搬入および搬出が可能となる。また、サセプタ支持部１２７の外側壁と処理室１０４の側壁１０４ａとの間には、多数の貫通孔が形成された環状のバッフル板１４１が設けられている。
処理室１０４の底壁には排気口１４２が形成されており、排気口１４２には排気機構１４３が設けられている。排気機構１４３は、排気口１４２に接続された排気管１４４と、排気管１４４の開度を調整することにより処理室１０４内の圧力を制御するＡＰＣ（Auto Pressure Controller）バルブ１４５と、排気管１４４を介して処理室１０４内を排気するための真空ポンプ１４６とを有する。真空ポンプ１４６により処理室１０４内が排気され、プラズマによるエッチング処理中において、ＡＰＣバルブ１４５の開度が調整されることにより、処理室１０４内が所定の真空度に維持される。
制御部２０は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリおよびＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサを有する。制御部２０内のプロセッサは、制御部２０内のメモリに格納されたプログラムを読み出して実行することにより、本体１０の各部を制御する。制御部２０によって行われる具体的な処理については、後述する。
［高周波電力の印加パターン］
ここで、図２および図３を用いて、本実施形態およびＡＬＥにおける高周波電力の印加パターンとエッチングとの関係について説明する。なお、図３に示すＡＬＥにおける高周波電力の印加パターンは、本実施形態の高周波電力の印加パターンと比較するためのものである。図２は、本実施形態における高周波電力の印加パターンとエッチングとの関係の一例を示す図である。図２では、印加パターン２００と、印加パターン２００のフェーズ１～３のそれぞれに対応する模式図２０１と、エッチング量のグラフ２０２とを示している。また、図２では、ウエハＷ上の被エッチング膜２０３としてシリコン膜、マスク２０４としてシリコン窒化膜を用いている。なお、図２では、プロセスガスは、所定流量のＣｌ２、Ｏ２およびＡｒの混合ガスを用いている。
印加パターン２００は、第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）と、第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）とについて、フェーズ１～３のそれぞれにおいて出力を変更するパターンである。なお、図２では、フェーズ１～３をＰｈａｓｅＩ～ＩＩＩと表している。フェーズ１は、例えば、Ｂｉａｓを３０Ｗ、Ｓｏｕｒｃｅを１００Ｗとし、第１のプラズマを生成する。フェーズ２は、例えば、Ｂｉａｓを３００Ｗ、Ｓｏｕｒｃｅを３００Ｗとし、第２のプラズマを生成する。フェーズ３は、例えば、ＢｉａｓおよびＳｏｕｒｃｅを０Ｗとし、プラズマの生成を停止する。印加パターン２００のフェーズ１～３を単位サイクルとして繰り返すことで、所望の深さまで被エッチング膜２０３（シリコン膜）をエッチングすることができる。なお、印加パターン２００の単位サイクルは、μｓ～ｍｓのオーダである。
フェーズ１は、第１のプラズマにより、被エッチング膜２０３の表面に対してＣｌのイオンやラジカル（活性種）を吸着させて改質するフェーズである。フェーズ１では、模式図２０１に示すように、マスク２０４の開口部の被エッチング膜２０３の表面に、Ｃｌイオンやラジカルが吸着した改質領域２０５が形成される。フェーズ２は、第２のプラズマにより、被エッチング膜２０３の表面に形成された改質領域２０５をエッチングするフェーズである。フェーズ２では、模式図２０１に示すように、改質領域２０５がエッチングされ、反応生成物（バイプロダクト）２０６が生成される。反応生成物２０６は、例えば、ＳｉＯＣｌ等である。フェーズ３は、プラズマの生成が停止され、フェーズ２で生成された反応生成物２０６を排気するフェーズである。フェーズ３では、模式図２０１に示すように、反応生成物２０６が被エッチング膜２０３から離れて排気される。なお、反応生成物２０６の一部は、被エッチング膜２０３やマスク２０４の凹部の側壁にデポとして付着する。
グラフ２０２は、フェーズ１～３におけるエッチング量を示す。フェーズ１では、第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）が３０Ｗ印加されているので、Ｃｌイオンやラジカルによって若干エッチングされる。フェーズ２では、第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）が３００Ｗへと大きくなるため、ＣｌとＯのイオンやラジカル等がウエハＷ側に引き込まれ、改質領域２０５のエッチングが進む。タイミング２０７において、改質領域２０５が全てエッチングされ、その後は被エッチング膜２０３が直接エッチングされるため、エッチング量の傾きが緩やかになる。フェーズ３では、プラズマの生成が停止されるため、エッチングは進まない。このように、本実施形態では、印加パターン２００を繰り返すことにより、被エッチング膜２０３のエッチングを行う。
図３は、ＡＬＥにおける高周波電力の印加パターンとエッチングとの関係の一例を示す図である。図３では、印加パターン２１０と、印加パターン２１０の「ステップ１，２」のそれぞれに対応する模式図２１１と、エッチング量のグラフ２１２とを示している。また、図３では、図２と同様にウエハ２１３上の被エッチング膜２１４としてシリコン膜、マスク２１５としてシリコン窒化膜を用いている。なお、図３では、プロセスガスは、「ステップ１」と「ステップ２」とで切り替えており、それぞれ所定流量のＣｌ２およびＯ２の混合ガスとＡｒガスとを用いている。
印加パターン２１０は、「ステップ１」において第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）を供給し、「ステップ２」において第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）を供給することで、ＡＬＥを行うパターンである。なお、図３では、「ステップ１，２」を「Ｓｔｅｐ１，２」と表している。「ステップ１」は、例えば、Ｓｏｕｒｃｅの出力を大きく（Ｈｉｇｈ）、Ｂｉａｓを０Ｗとし、被エッチング膜２１４の改質を行うためのプラズマを生成する。「ステップ２」は、例えば、Ｂｉａｓの出力を小さく（Ｌｏｗ）、Ｓｏｕｒｃｅを０Ｗとし、改質領域をエッチングするためのプラズマを生成する。印加パターン２１０の「ステップ１，２」を単位サイクルとして繰り返すことで、所望の深さまで被エッチング膜２１４（シリコン膜）をエッチングすることができる。なお、印加パターン２１０の単位サイクルは、プロセスガスを「ステップ１，２」で切り替えるため、数十秒～数分のオーダである。つまり、本実施形態と比較して、ＡＬＥでは、エッチング処理の時間が長くなる。
「ステップ１」は、Ｓｏｕｒｃｅによるプラズマにより、被エッチング膜２１４の表面に対してＣｌおよびＯのイオンやラジカルを吸着させて改質するステップである。「ステップ１」では、模式図２１１に示すように、マスク２１５の開口部の被エッチング膜２１４の表面、および、マスク２１５の側面に、ＣｌおよびＯのイオンやラジカル等のエッチャント２１６が吸着する。このとき、被エッチング膜２１４の表面は、エッチャント２１６により改質される。「ステップ２」は、Ｂｉａｓによるプラズマにより、被エッチング膜２１４の表面に吸着したエッチャント２１６を、Ａｒイオンでエッチングするステップである。
グラフ２１２は、「ステップ１，２」におけるエッチング量を示す。「ステップ１」では、エッチャント２１６の吸着だけであるので、エッチングはされない。「ステップ２」では、ＡｒイオンがウエハＷ側に引き込まれ、吸着したエッチャント２１６とともに被エッチング膜２１４のエッチングが進む。タイミング２１７において、吸着したエッチャント２１６がなくなると、エッチングは進まなくなる。このように、ＡＬＥでは、印加パターン２１０を繰り返すことにより、被エッチング膜２１４のエッチングを行う。
［反応メカニズム］
次に、図４から図６を用いて、本実施形態における印加パターン２００のフェーズ１，２における反応メカニズムを説明する。図４は、高周波電力と解離断面積との関係の一例を示す図である。図４に示すグラフ２２０は、Ｃｌ２ガスとＯ２ガスにおけるＳｏｕｒｃｅの電力と解離断面積との関係を示す。グラフ２２０に示すように、Ｓｏｕｒｃｅが１００Ｗの場合、つまり印加パターン２００のフェーズ１の場合、Ｃｌ２ガスは解離してラジカルＣｌ＊となるが、Ｏ２ガスは解離しない。一方、Ｓｏｕｒｃｅが３００Ｗの場合、つまり印加パターン２００のフェーズ２の場合、Ｃｌ２ガスとＯ２ガスとは、いずれも解離してラジカルＣｌ＊およびＯ＊となる。フェーズ２では、Ｃｌ２ガスが解離してＯ２ガスが解離しない場合、被エッチング膜２０３のシリコンと、マスク２０４のシリコン窒化膜とで選択比がとれない。一方、Ｏ２ガスが多く解離した場合、被エッチング膜２０３の凹部がテーパ形状となってしまう。そのため、フェーズ２では、ラジカルＯ＊の量が多くならないように調整している。また、印加パターン２００では、フェーズ１とフェーズ２とで高周波電力を変えることで、各フェーズにおけるラジカルＣｌ＊およびＯ＊の量を変え、改質とエッチングとを切り替えている。
図５は、フェーズ１におけるウエハの状態の一例を模式的に示す図である。図５に示すように、フェーズ１では、ウエハＷ上のマスク２０４の開口部の被エッチング膜２０３の表面に、ラジカルＣｌ＊がＢｉａｓにより引き込まれる。このとき、被エッチング膜２０３に形成された凹部の底面２２１では、ＣｌがＳｉと結び付いて、表面がハロゲン（Ｃｌ）終端となり、ＳｉＣｌのミックスレイヤ（改質層）が形成される。つまり、セルフリミテッドとなり、ハロゲン（Ｃｌ）以外の付着を抑制する。
図６は、フェーズ２におけるウエハの状態の一例を模式的に示す図である。フェーズ２では、図６（ａ）～（ｃ）に示す反応が同時に起きていると考えられる。図６（ａ）に示すように、フェーズ２では、ＢｉａｓによりラジカルＣｌ＊およびＯ＊がウエハＷの表面に引き込まれるが、底面２２１の表面はＣｌで終端されているので、底面２２１へのＯの付着を抑制し、底面２２１の表面の酸化が抑制される。また、図６（ｂ）に示すように、フェーズ２では、ＢｉａｓによりエッチャントであるイオンやラジカルがウエハＷの表面に引き込まれ、底面２２１の表面がエッチングされ、反応生成物としてＳｉＣｌが生成される。また、図６（ｃ）に示すように、フェーズ２では、生成されたＳｉＣｌがＯ＊と反応してＳｉＯＣｌとなり、マスク２０４や被エッチング膜２０３の凹部の側壁にデポ２２２として付着する。デポ２２２は、凹部の側壁を保護することから、選択比向上やボーイングの改善に寄与するとともに、凹部の底面２２１付近には付着しにくいため、凹部の底面２２１の矩形形状化にも寄与する。
［エッチング方法］
次に、本実施形態に係るエッチング方法について説明する。図７は、本実施形態におけるエッチング処理の一例を示すフローチャートである。
本実施形態に係るエッチング方法では、制御部２０は、搬入出口１４０のゲートバルブＧを開放し、処理室１０４内に、マスク２０４が被エッチング膜２０３上に形成されたウエハＷが搬入され、サセプタ１２６の静電チャック１３１に載置される。ウエハＷは、静電チャック１３１に直流電圧が印加されることで静電チャック１３１に保持される。制御部２０は、その後、ゲートバルブＧを閉鎖して排気機構１４３を制御することにより、空間Ｓの雰囲気が所定の真空度になるように、空間Ｓから気体を排気する。また、制御部２０は、図示しない温調モジュールを制御することにより、ウエハＷの温度が所定の温度となるように、温度調整される（ステップＳ１）。
次に、制御部２０は、プロセスガスの供給を開始する（ステップＳ２）。制御部２０は、フッ素を除くハロゲン含有ガス、酸素含有ガスおよび希ガスを含むプロセスガスとして、Ｃｌ２、Ｏ２およびＡｒの混合ガスを、ガス供給管１２４を介して処理室１０４に供給する。供給された混合ガスは、処理室１０４内の空間Ｓに充填される。なお、フッ素を除くハロゲン含有ガスは、ＨＣｌ、ＨＢｒ、ＨＩ等の化合物であってもよい。なお、本実施形態では、エッチング処理が完了するまでプロセスガスの条件は同一としている。
制御部２０は、高周波電源１２８および高周波電源１１５を制御することにより、バイアス用の第１の高周波電力（バイアス）をサセプタ１２６に供給し、プラズマ励起用の第２の高周波電力（ソース）をアンテナ１１３に供給する。空間Ｓに形成された誘導電界により、混合ガスのプラズマが発生する。つまり、空間Ｓでは、第１のプラズマ生成条件で生成した第１のプラズマによって生成されたハロゲン（Ｃｌ）のラジカルを被エッチング膜２０３の表面に供給することにより、被エッチング膜２０３の表面が改質される。すなわち、制御部２０は、第１のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第１のプラズマによって、ウエハＷをプラズマ処理する（ステップＳ３）。ウエハＷは、第１のプラズマに晒され、主に被エッチング膜２０３の凹部の底面２２１が改質される。
制御部２０は、高周波電源１２８および高周波電源１１５を制御することにより、バイアス用の第１の高周波電力（バイアス）をサセプタ１２６に供給し、プラズマ励起用の第２の高周波電力（ソース）をアンテナ１１３に供給する。空間Ｓに形成された誘導電界により、混合ガスのプラズマが発生する。つまり、空間Ｓでは、第１のプラズマ生成条件のうち高周波電力の条件および処理時間が異なり、他の条件が同一である第２のプラズマ生成条件で生成した第２のプラズマによって生成されたエッチャントにより、被エッチング膜２０３がエッチングされる。すなわち、制御部２０は、第１のプラズマ生成条件のうち高周波電力の条件および処理時間が異なり、他の条件が同一である第２のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第２のプラズマによって、ウエハＷをプラズマ処理する（ステップＳ４）。ウエハＷは、第２のプラズマに晒されるとともに、バイアス電位によりウエハＷ側にエッチャントであるイオンやラジカルが引き込まれ、マスク２０４でマスクされていない被エッチング膜２０３のエッチングが進行する。なお、ステップＳ４の第２のプラズマによってエッチングが行われる時間は、ステップＳ３で改質された改質領域２０５が全てエッチングされ、被エッチング膜２０３も若干エッチングされる程度の時間としている。
制御部２０は、ステップＳ３，Ｓ４によって、所定の形状が得られたか否かを判定する（ステップＳ５）。制御部２０は、所定の形状が得られていないと判定した場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、処理をステップＳ３に戻す。一方、制御部２０は、所定の形状が得られたと判定した場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、処理を終了する。なお、制御部２０は、ステップＳ４とステップＳ５の間に、印加パターン２００のフェーズ３に対応する、第１の高周波電力および第２の高周波電力の供給を停止して、所定時間プラズマの生成を停止するステップを含むようにしてもよい。
制御部２０は、処理を終了する場合、プロセスガスの供給を停止する。また、制御部２０は、静電チャック１３１へ正負が逆の直流電圧を印加して除電し、ウエハＷが静電チャック１３１から剥がされる。制御部２０は、ゲートバルブＧを開放する。ウエハＷは、搬入出口１４０を介して処理室１０４の空間Ｓから搬出される。このように、プラズマ処理装置１００では、ガス切り替え方式よりも高速かつ選択比および矩形形状の改善が両立可能なエッチングを行うことができる。
［実験結果］
続いて、図８および図９を用いて、被エッチング膜２０３の凹部における底部の矩形形状に関する実験結果について説明する。図８は、底部におけるシェイプの一例を示す図である。図９は、高周波電力とシリコンのリセスおよびシェイプとの関係に関する実験結果の一例を示す図である。図８に示すように、被エッチング膜２０３の底面２２１と凹部の側壁との間には、シェイプ２３０が形成される。シェイプ２３０の高さ２３１が低いほど、被エッチング膜２０３の凹部が矩形形状であるとする。
図９は、印加パターン２００のフェーズ１における第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）、および、第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）を変化させた場合における、被エッチング膜２０３の凹部のエッチング量（シリコンのリセス）、および、シェイプ２３０の高さ２３１への影響を表２４０として纏めたものである。なお、表２４０では、上段に第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）を変化させた場合を示し、下段に第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）を変化させた場合を示している。また、図９では、被エッチング膜２０３の凹部のエッチング量（シリコンのリセス）を「Ｓｉ ｒｅｃｅｓｓ」と表し、シェイプ２３０の高さ２３１を「Ｓｈａｐｅ」と表している。
まず、上段の第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）を変化させた場合を見ると、高周波電力を１００Ｗから６００Ｗまで変化させても、凹部のエッチング量の近似直線（ｙ＝－０．０１０７ｘ＋７１．０１７）の傾きは－０．０１１であり、凹部のエッチング量は、６０ｎｍ程度とほぼ変化していない。従って、フェーズ１の第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）は、１００Ｗでも十分な量のラジカルを供給できていることがわかる。一方、シェイプ２３０の高さ２３１の近似直線（ｙ＝０．００５９ｘ＋４．３８８１）の傾きは０．００６であるが、高さ２３１の変化の範囲が小さいため影響が大きく出て、高周波電力が小さいほど、高さ２３１が小さくなる。つまり、枠２４１で示すように、第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）が１００Ｗの場合に最も矩形形状となることがわかる。
次に、下段の第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）を変化させた場合を見ると、高周波電力を３０Ｗから３００Ｗまで変化させても、凹部のエッチング量の近似直線（ｙ＝０．０５６４ｘ＋４２．２４６）の傾きは０．０５６であり、凹部のエッチング量は、４０～６０ｎｍ程度と、あまり変化していない。従って、フェーズ１の第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）は、凹部のエッチング量にあまり影響がないことがわかる。一方、シェイプ２３０の高さ２３１の近似直線（ｙ＝０．００８８ｘ＋８．０９８８）の傾きは０．００９であるが、高さ２３１の変化の範囲が小さいため影響が大きく出て、高周波電力が小さいほど、高さ２３１が小さくなる。つまり、枠２４２で示すように、第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）が３０Ｗの場合に最も矩形形状となることがわかる。
このように、表２４０の実験結果からは、フェーズ１の第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）は１００Ｗで十分であり、それ以上高周波電力を上げても凹部の底部がテーパ形状になることがわかる。また、フェーズ１の第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）は、低い程、凹部の底部が矩形形状になるので３０Ｗがよいことがわかる。従って、図２に示す印加パターン２００のフェーズ１では、第２の高周波電力（Ｓｏｕｒｃｅ）を１００Ｗ、第１の高周波電力（Ｂｉａｓ）を３０Ｗとしている。
［変形例］
上記の実施形態では、第１のプラズマおよび第２のプラズマを誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）としたが、これに限定されない。プラズマ生成方法としては、第１のプラズマおよび第２のプラズマを容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）としてもよい。また、高周波電力の出力について、第２のプラズマ生成条件における高周波電力の印加電力を、第１のプラズマ生成条件における高周波電力の印加電力よりも高くするようにしてもよい。また、高周波電力の周波数について、第２のプラズマ生成条件における高周波電力の周波数を、第１のプラズマ生成条件における高周波電力の周波数よりも高くするようにしてもよい。また、第１のプラズマ生成条件および第２のプラズマ生成条件における、高周波電力の条件および処理時間は、エッチングされた被エッチング膜２０３の深さに応じて調整されるようにしてもよい。
また、上記の実施形態では、被エッチング膜２０３の上にマスク２０４が形成されたウエハＷに対してエッチング処理を行ったが、これに限定されない。例えば、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）に囲まれたシリコン（Ｓｉ）が形成されたウエハに対して、シリコンをエッチングするエッチング処理を行うようにしてもよい。
また、上記の実施形態では、被エッチング膜２０３としてシリコン膜を挙げたが、これに限定されない。例えば、被エッチング膜２０３は、少なくともシリコンまたはゲルマニウムを含む膜であってもよい。また、被エッチング膜２０３は、シリコン、ゲルマニウム、および、シリコンゲルマニウムのうち、いずれか１つの単層膜、または、２つ以上の積層膜であってもよい。
また、上記の実施形態では、マスク２０４としてシリコン窒化膜を挙げたが、これに限定されない。例えば、マスク２０４は、シリコン化合物として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）を用いてもよい。
以上、本実施形態によれば、制御部２０は、ａ）被エッチング膜を有する被処理体（ウエハＷ）を載置する載置台（サセプタ１２６）が配置された処理容器（チャンバ１０１，処理室１０４）に、フッ素を除くハロゲンを含有するガスと酸素を含有するガスとを含むプロセスガスを供給する工程を実行する。制御部２０は、ｂ）第１のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第１のプラズマによって、被処理体をプラズマ処理する工程を実行する。制御部２０は、ｃ）第１のプラズマ生成条件のうち高周波電力の条件および処理時間が異なり、他の条件が同一である第２のプラズマ生成条件で生成したプロセスガスの第２のプラズマによって、被処理体をプラズマ処理する工程を実行する。制御部２０は、ｄ）ｂ）とｃ）とを繰り返す工程を実行する。その結果、ガス切り替え方式よりも高速かつ選択比および矩形形状の改善が両立可能なエッチングを行うことができる。
また、本実施形態によれば、ｂ）は、第１のプラズマによって生成されたハロゲンのラジカルを被エッチング膜の表面に供給する。また、ｃ）は、第２のプラズマによって生成されたエッチャントにより、被エッチング膜をエッチングする。その結果、ガス切り替え方式よりも高速かつ選択比および矩形形状の改善が両立可能なエッチングを行うことができる。
また、本実施形態によれば、第２のプラズマ生成条件は、被処理体上にバイアス電位が生じる条件である。その結果、被エッチング膜をエッチングすることができる。
また、本実施形態によれば、ｂ）において、第１のプラズマによって生成された酸素のラジカルの生成量は、ｃ）において、第２のプラズマによって生成された酸素のラジカルの生成量より少ない。その結果、被エッチング膜の凹部において底面がテーパ形状となることを抑制することができる。
また、本実施形態によれば、制御部２０は、ｅ）プラズマを生成しない工程を実行する。また、ｄ）は、ｂ）、ｃ）、ｅ）の順番で、ｂ）とｃ）とｅ）とを繰り返す。その結果、生成された反応生成物を排出することができる。
また、本実施形態によれば、ｅ）で導入するプロセスガスの条件は、ｂ）およびｃ）で導入するプロセスガスの条件と同一の条件である。その結果、プロセスガスの切り替えによるスループットの低下を抑えることができる。
また、本実施形態によれば、被エッチング膜は、少なくともシリコンまたはゲルマニウムを含む膜である。その結果、これらの膜を選択比および矩形形状の改善を両立してエッチングすることができる。
また、本実施形態によれば、被エッチング膜は、シリコン、ゲルマニウム、および、シリコンゲルマニウムのうち、いずれか１つの単層膜、または、２つ以上の積層膜である。その結果、これらの膜を選択比および矩形形状の改善を両立してエッチングすることができる。
また、本実施形態によれば、被処理体は、さらに被エッチング膜上にシリコン化合物からなるマスクを有する。また、被エッチング膜は、マスクの開口部を通じてエッチングされる。その結果、マスクの開口部に応じて被エッチング膜を選択比および矩形形状の改善を両立してエッチングすることができる。
また、本実施形態によれば、被処理体は、被エッチング膜によって構成された第１領域と、シリコン化合物によって構成された第２領域とを有し、第２領域に対して第１領域が選択的にエッチングされる。その結果、第１領域を選択比および矩形形状の改善を両立してエッチングすることができる。
また、本実施形態によれば、シリコン化合物は、酸化シリコン、窒化シリコン、および、窒化酸化シリコンのうち少なくとも１つである。その結果、第１領域を選択比および矩形形状の改善を両立してエッチングすることができる。
また、本実施形態によれば、第１のプラズマ生成条件および第２のプラズマ生成条件における、高周波電力の条件および処理時間は、エッチングされた被エッチング膜の深さに応じて調整される。その結果、反応生成物（堆積物）による保護膜の範囲を制御することができる。
また、本実施形態によれば、第２のプラズマ生成条件における高周波電力の印加電力は、第１のプラズマ生成条件における高周波電力の印加電力よりも高い。その結果、改質（吸着）ステップとエッチングステップとを繰り返すことができる。
また、本実施形態によれば、第２のプラズマ生成条件における高周波電力の周波数は、第１のプラズマ生成条件における高周波電力の周波数よりも高い。その結果、改質（吸着）ステップとエッチングステップとを繰り返すことができる。
また、本実施形態によれば、第１のプラズマおよび第２のプラズマは、誘導結合型プラズマまたは容量結合型プラズマである。その結果、改質（吸着）ステップとエッチングステップとを繰り返すことができる。
今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形体で省略、置換、変更されてもよい。
また、上記した実施形態では、プラズマ源として誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、プラズマ源として容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）、マイクロ波プラズマおよびマグネトロンプラズマ等、任意のプラズマ源を用いてもよい。
また、上記した実施形態では、被エッチング膜としてシリコン膜を挙げたが、これに限定されない。例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の各種のシリコン含有膜等を被エッチング膜とし、被エッチング膜と選択比が取れ、被エッチング膜と異なるシリコン含有膜をマスクとしたエッチングにも適用することができる。
１０ 本体
２０ 制御部
１００ プラズマ処理装置
１０１ チャンバ
１０３ アンテナ室
１０４ 処理室
１１５，１２８ 高周波電源
１２０ ガス供給機構
１２４ ガス供給管
１２６ サセプタ
１３１ 静電チャック
Ｓ 空間
Ｗ ウエハ

Claims (16)

  1. 基板処理装置における基板処理方法であって、
    ａ）被エッチング膜を有する被処理体を載置する載置台が配置された処理容器に、フッ素を除くハロゲンを含有するガスと酸素を含有するガスとを含むプロセスガスを供給する工程と、
    ｂ）第１のプラズマ生成条件で生成した前記プロセスガスの第１のプラズマによって、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
    ｃ）前記第１のプラズマ生成条件のうち高周波電力の条件および処理時間が異なり、他の条件が同一である第２のプラズマ生成条件で生成した前記プロセスガスの第２のプラズマによって、前記被処理体をプラズマ処理する工程と、
    ｄ）前記ｂ）と前記ｃ）とを繰り返す工程と、
    を有する基板処理方法。
  2. 前記ｂ）は、前記第１のプラズマによって生成された前記ハロゲンのラジカルを前記被エッチング膜の表面に供給し、
    前記ｃ）は、前記第２のプラズマによって生成されたエッチャントにより、前記被エッチング膜をエッチングする、
    請求項１に記載の基板処理方法。
  3. 前記第２のプラズマ生成条件は、前記被処理体上にバイアス電位が生じる条件である、
    請求項１または２に記載の基板処理方法。
  4. 前記ｂ）において、前記第１のプラズマによって生成された前記酸素のラジカルの生成量は、前記ｃ）において、前記第２のプラズマによって生成された前記酸素のラジカルの生成量より少ない、
    請求項１～３のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  5. ｅ）プラズマを生成しない工程、
    を有し、
    前記ｄ）は、前記ｂ）、前記ｃ）、前記ｅ）の順番で、前記ｂ）と前記ｃ）と前記ｅ）とを繰り返す、
    請求項１～４のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  6. 前記ｅ）で導入する前記プロセスガスの条件は、前記ｂ）および前記ｃ）で導入する前記プロセスガスの条件と同一の条件である、
    請求項５に記載の基板処理方法。
  7. 前記被エッチング膜は、少なくともシリコンまたはゲルマニウムを含む膜である、
    請求項１～６のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  8. 前記被エッチング膜は、シリコン、ゲルマニウム、および、シリコンゲルマニウムのうち、いずれか１つの単層膜、または、２つ以上の積層膜である、
    請求項７に記載の基板処理方法。
  9. 前記被処理体は、さらに前記被エッチング膜上にシリコン化合物からなるマスクを有し、
    前記被エッチング膜は、前記マスクの開口部を通じてエッチングされる、
    請求項１～８のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  10. 前記被処理体は、被エッチング膜によって構成された第１領域と、シリコン化合物によって構成された第２領域とを有し、前記第２領域に対して前記第１領域が選択的にエッチングされる、
    請求項１～８のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  11. 前記シリコン化合物は、酸化シリコン、窒化シリコン、および、窒化酸化シリコンのうち少なくとも１つである、
    請求項９または１０に記載の基板処理方法。
  12. 前記第１のプラズマ生成条件および前記第２のプラズマ生成条件における、高周波電力の条件および処理時間は、エッチングされた前記被エッチング膜の深さに応じて調整される、
    請求項１～１１のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  13. 前記第２のプラズマ生成条件における高周波電力の印加電力は、前記第１のプラズマ生成条件における高周波電力の印加電力よりも高い、
    請求項１～１２のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  14. 前記第２のプラズマ生成条件における高周波電力の周波数は、前記第１のプラズマ生成条件における高周波電力の周波数よりも高い、
    請求項１～１２のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  15. 前記第１のプラズマおよび前記第２のプラズマは、誘導結合型プラズマまたは容量結合型プラズマである、
    請求項１～１４のいずれか１つに記載の基板処理方法。
  16. 基板処理装置であって、
    処理容器と、
    前記処理容器内に配置され、被エッチング膜を有する被処理体を載置する載置台と、
    制御部と、を有し、
    ａ）前記制御部は、前記処理容器に、フッ素を除くハロゲンを含有するガスと酸素を含有するガスとを含むプロセスガスを供給するよう前記基板処理装置を制御するように構成され、
    ｂ）前記制御部は、第１のプラズマ生成条件で生成した前記プロセスガスの第１のプラズマによって、前記被処理体をプラズマ処理するよう前記基板処理装置を制御するように構成され、
    ｃ）前記制御部は、前記第１のプラズマ生成条件のうち高周波電力の条件および処理時間が異なり、他の条件が同一である第２のプラズマ生成条件で生成した前記プロセスガスの第２のプラズマによって、前記被処理体をプラズマ処理するよう前記基板処理装置を制御するように構成され、
    ｄ）前記制御部は、前記ｂ）と前記ｃ）とを繰り返すよう前記基板処理装置を制御するように構成される、
    基板処理装置。
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