JP2024044815A - 基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凹部を形成するシリコン膜について、エッチング後の表面のラフネスを抑えると共に、当該凹部の形状を制御すること。【解決手段】側壁がシリコン膜により形成され、奥壁がゲルマニウム含有膜により形成される凹部が形成された基板に、ハロゲン含有ガス及び塩基性ガスを含む処理ガスを供給して、前記シリコン膜の表面を変質させて、反応生成物を生成させる第１工程と、前記反応生成物を除去して前記凹部の幅を広げる第２工程と、前記第１工程と前記第２工程とからなるサイクルを複数回行う工程と、先に行う前記サイクルの前記第１工程を第１処理条件で行い、後に行う前記サイクルの前記第１工程を、前記第１処理条件とは異なる第２の処理条件で行う工程と、を実施する。【選択図】図２

Description

本開示は、基板処理方法及び基板処理装置に関する。

半導体装置を製造するにあたり、基板である半導体ウエハ（以下、ウエハと記載する）の表面に形成されたＳｉ膜及びＳｉＧｅ膜のうちのＳｉ膜を選択的にエッチングする場合が有る。例えば特許文献１ではＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスをエッチングガスとして用い、エッチングガスに対するＮＨ_３ガスの比率を所定の値に設定することで、上記の選択的なエッチングを行うことが記載されている。

特許第６４２６４８９号公報

本開示は凹部を形成するシリコン膜について、エッチング後の表面のラフネスを抑えると共に、当該凹部の形状を制御することができる技術を提供する。

本開示の基板処理方法は、側壁がシリコン膜により形成され、奥壁がゲルマニウム含有膜により形成される凹部が形成された基板に、ハロゲン含有ガス及び塩基性ガスを含む処理ガスを供給して、前記シリコン膜の表面を変質させて、反応生成物を生成させる第１工程と、
前記反応生成物を除去して前記凹部の幅を広げる第２工程と、
前記第１工程と前記第２工程とからなるサイクルを複数回行う工程と、
先に行う前記サイクルの前記第１工程を第１処理条件で行い、後に行う前記サイクルの前記第１工程を、前記第１処理条件とは異なる第２の処理条件で行う工程と、
を含む。

本開示は凹部を形成するシリコン膜について、エッチング後の表面のラフネスを抑えると共に、当該凹部の形状を制御することができる。

本開示の一実施形態である処理がなされるウエハの縦断側面図である。 エッチング前後における前記凹部の変化を示す説明図である。 エッチング後の前記ウエハの縦断側面図である 前記凹部を形成するＳｉ膜の変化の様子を示す説明図である。 前記凹部を形成するＳｉ膜の変化の様子を示す説明図である。 前記凹部を形成するＳｉ膜の変化の様子を示す説明図である。 エッチング中の前記凹部の変化の様子を示す説明図である。 前記凹部が矩形形状となる様子を示す説明図である。 前記凹部がラウンド形状となる様子を示す説明図である。 本実施形態の処理を示すフロー図である。 前記処理を行うための基板処理装置の一実施形態を示す平面図である。 前記基板処理装置に設けられる処理モジュールの一例を示す縦断側面図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。 評価試験の結果を示すグラフ図である。

本開示の基板処理方法の一実施形態について説明する。図１は、基板であるウエハＷの表面についての縦断側面図であり、本実施形態に係るエッチング処理を行う前の状態を示している。当該ウエハＷには下層膜１１が形成されている。そして下層膜１１上には、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）膜１２と、Ｓｉ（シリコン）膜１３と、が交互に繰り返し積層されている。そのように繰り返し構造となることで、ＳｉＧｅ膜１２、Ｓｉ膜１３の各々については、ウエハＷの厚さ方向において多段に形成されている。このウエハＷの厚さ方向を縦方向として説明する。Ｓｉ膜１３は、例えばエピタキシャル成長させることにより形成されている。

上記の繰り返しの構造の最上段のＳｉ膜１３上には、マスク膜１４が積層されており、当該Ｓｉ膜１３の上方からのエッチングを防ぐ。そしてマスク膜１４から下層膜１１の上部側に亘って、縦方向に伸びる凹部が形成されている。この凹部は、図１の紙面の表裏方向に伸びる溝１５である。溝１５はマスク膜１４の上面に開口している。溝１５の側壁は、マスク膜１４、Ｓｉ膜１３及び下層膜１１の表層部の各々により構成されており、各ＳｉＧｅ膜１２については、溝１５の側壁から離れて位置する。それにより、縦断面視において、溝１５の左壁には左側へ向けた窪みが互いに間隔を空けて多段に形成されており、且つ溝１５の右壁には右側へ向けた窪みが互いに間隔を空けて多段に形成されている。これらの左側、右側へ夫々向けた窪みを凹部１６とする。従って、凹部１６としてはウエハＷの厚さ方向に他段位形成されると共に、この厚さ方向に対して交差する方向に各々開口するように形成されている。

溝１５及び凹部１６は、左右対称の構造体をなすように形成され、各凹部１６の縦幅は、同一ないしは概ね同一である。これ以降は、Ｓｉ膜１３における上方側の凹部１６、下方側の凹部１６、上方側と下方側との間の凹部１６を夫々、トップの凹部１６、ボトムの凹部１６、ミドルの凹部１６として記載する場合が有る。なお、上記したように、ＳｉＧｅ膜１２及びＳｉ膜１３がなす積層体の高さ（＝下層膜１１の上面からマスク膜１４の下端までの高さ）は例えば４μｍである。

図２は凹部１６の一つを拡大して示している。左側が上記の図１に対応するエッチング前の状態であり、右側は後述するエッチングを行った後の状態である。既述した膜構造であるため、凹部１６に関しては、側壁がＳｉ膜１３、奥壁（底壁）がＳｉＧｅ膜１２により構成されている。以降は説明の便宜上、このように各凹部１６を形成する壁について、上壁２１、下壁２２、横壁２３として記載する場合が有る。上壁２１及び下壁２２はＳｉ膜１３により構成され、任意の一の凹部１６の上壁２１は、当該一の凹部１６の１つ上の凹部１６の下壁２２である。横壁２３は、エッチング前はＳｉＧｅ膜１２により構成されている。エッチング前の凹部１６について、上壁２１及び下壁２２は、横壁２３に対して垂直ないしは概ね垂直であり、縦断面視で上壁２１及び下壁２２の各々と横壁２３とは角部を形成しており、当該角は９０°ないしは概ね９０°である。

ウエハＷにガスが供給されると、そのガスは溝１５内に導入され、さらには各段の凹部１６内に供給されることになる。この実施形態では、そのようにウエハＷの表面から各凹部１６内に処理ガスを導入することで、上壁２１の下面側及び下壁２２の上面側をエッチングする。即ち凹部１６の側壁を形成しているＳｉ膜１３の厚さを小さくし、当該凹部１６の縦方向の拡幅を行う。この拡幅により、エッチング後の凹部１６の横壁２３は、ＳｉＧｅ膜１２及びＳｉ膜１３により構成されることになる。なお図２は、エッチング後の凹部１６の形状が、後述する矩形形状となると共に上壁２１の下面及び下壁２２の上面のラフネスが抑えられた、望ましい状態を示す模式図となっている。

上記のエッチング処理について具体的に述べると、ハロゲン含有ガスであるＦ_２（フッ素）ガスと、塩基性ガスであるＮＨ_３ガスとを処理ガスとしてウエハＷに供給し、上壁２１及び下壁２２を構成するＳｉ膜１３の表面を変質させて反応生成物を生成させる。このように処理ガスによってＳｉ膜１３を変質させる工程を、処理ガス供給工程とする。続いてウエハＷを加熱することで、この反応生成物を昇華させて凹部１６を拡幅させる加熱工程を行う。この昇華させる反応生成物は、後述のＡＦＳ等の各種の生成物である。第１工程である処理ガス供給工程と、第２工程である加熱工程と、からなるサイクルを繰り返して行うことで、凹部１６の縦幅を所望の大きさとする。なお、処理ガス供給工程及び加熱工程の各々については、所定の圧力の真空雰囲気が形成された処理容器内に、ウエハＷを収納した状態で行われる。

上記の処理ガスは、Ｓｉ膜１３及びＳｉＧｅ膜１２のうち、主としてＳｉ膜１３に作用する。そのため、Ｓｉ膜１３のエッチングはＳｉＧｅ膜１２に対して選択的に行われる。上記の反応生成物はアンモニアフルオロシリケート〔ＡＦＳ：（（ＮＨ_４）ＳｉＦ_６〕である。なお、以下の説明では特に記載無い限り、処理ガスの供給時間とは上記の１サイクルにおける処理ガスの供給時間であり、ハロゲン含有ガスであるＦ_２ガス、塩基性ガスであるＮＨ_３ガスの両方が共にウエハＷに供給される時間である。

エッチング後の凹部１６に関して、以下に述べる第１～第３要請に応えたものとなることが望まれている。第１要請としては、Ｓｉ膜１３である上壁２１の下面、下壁２２の上面について、ラフネス（表面の荒れ）が比較的小さくなることである。第２要請について述べる。エッチング後もエッチング前と同様に、凹部１６の奥側で上壁２１及び下壁２２の各々と横壁２３とにより、９０°ないしは概ね９０°の角が形成された状態となり、そのような角が形成されることで、凹部１６の開口側と奥側との間での縦幅の均一性が高いとする。以下では説明の便宜上、そのような角が形成され、縦幅の均一性が高い凹部１６の形状を、矩形形状として記載する。一方で、そのような角が形成されず、縦断面視で凹部１６が横倒しのＵ字状になっており、開口側に比べて奥側の縦幅が小さい凹部の形状をラウンド形状とする。第２要請は、凹部１６の形状を矩形形状寄りとする（矩形性を高くする）ことである。

第３要請としては、各高さの凹部１６について縦幅のばらつきが抑えられることである。これは即ち、トップ、ミドル、ボトムの各凹部１６間で、エッチング量のばらつきが抑えられることである。図３は、図１のウエハＷが以上の第１～第３要請に応えるようにエッチングされた状態を示す模式図であり、先述の図２のエッチング後の凹部１６は、図３に示すウエハＷの凹部１６の一つを示したものである。

第１要請のＳｉ膜１３のラフネスに関して詳しく説明する。Ｓｉ膜１３と、処理ガスであるＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスとは下記の式１で示すように反応し、生成物（ＳｉＦ_４）を生じる。このＳｉＦ_４は式２で示すように反応して、ＡＦＳが生成する。エッチング後のＳｉ膜１３におけるラフネスは処理条件によって変化するが、処理ガス供給工程中におけるＡＦＳの生成量が関与すると考えられる。
Ｓｉ＋Ｆ_２＋ＮＨ_３→ＳｉＦ_４＋ＮＨ_３・・・式１
ＳｉＦ_４＋Ｈ_２＋Ｆ_２＋２ＮＨ_３→（ＮＨ_４）ＳｉＦ_６・・・式２

以下、図４～図６を参照することで、ＡＦＳの生成量の違いによって生じると考えられるラフネスの違いについて説明する。図４～図６では、処理ガス供給時と、エッチング終了後との間における凹部の下壁２２の上面の変化を模式的に示すが、上壁２１の下面も下壁２２の上面と同様に変化する。図４、図５、図６の順で、処理ガス供給工程中におけるＡＦＳの生成量が多い。

図４ではＡＦＳの生成量が比較的少量であることで、処理ガス供給工程中においてＡＦＳ層３１が、下壁２２の上面に点在して形成された状態を示している。当該上面において、ＡＦＳ層３１に被覆された部位は処理ガスとの接触が抑制されることで、その処理ガスとの反応による変質が起こり難くなる。即ち、下壁２２の上面において、ＡＦＳ層３１が形成された部位と、ＡＦＳ層３１が形成されていない部位と、で処理ガスに対する反応性が異なる。その反応性の違いに起因して、エッチング後においては下壁２２の表面には凹凸が形成されている。上記したようにＡＦＳ層３１が点在して形成されたことから、下壁２２の上面の表面粗さは小さい。即ち、上記の凹凸における凹部の幅及び凸部の幅に関しては、比較的小さい。

図５は、処理ガス供給工程中にＡＦＳ層３１が下壁２２の上面全体を覆う薄層として形成されることで、当該上面の各部で同程度に処理ガスとの反応が抑制される。その結果として下壁２２の上面全体が均一性高くエッチングされることで、エッチング後の当該表面が平坦ないしは概ね平坦となる。

図６は、処理ガス供給工程中にＡＦＳが比較的多く生成することによって、ＡＦＳ層３１が下壁２２の上面全体を覆うと共に、当該上面の各部でＡＦＳ層３１の厚さがばらついた状態を示している。即ち、ＡＦＳ層３１に関しては、表面粗さが大きい。ＡＦＳ層３１の厚さが大きいほど、処理ガスが下壁２２に接触し難くなることから、エッチング後の下壁２２についても表面粗さが大きくなる。即ち、凹凸について、凹部の幅、凸部の幅が比較的大きいものとなる。

図４に示したように表面粗さが比較的小さい状態をマイクロラフネスとし、図６に示したように表面粗さが比較的大きい状態をラージラフネスとする。以上のように、ＡＦＳの生成量が適正な範囲から小さい方へシフトするとマイクロラフネスによるＳｉ膜１３の表面の荒れが大きくなり、大きい方へシフトするとラージラフネスによるＳｉ膜１３の表面の荒れが大きくなる。そして上記の式１、２より、ＡＦＳの生成量については、ウエハＷに供給される処理ガスであるＦ_２ガスとＮＨ_３ガスとの流量比に影響され、Ｆ_２ガスの流量に対するＮＨ_３ガスの流量が比較的大きいと、ＡＦＳの生成量が多くなる。また、ＡＦＳの生成量としては、処理ガスの供給時間が長いほど多くなる。ところで処理ガス中のＦ_２ガスの流量に対するＮＨ_３ガスの流量（ＮＨ_３ガスの流量／Ｆ_２ガスの流量）について、以下ではＮＨ_３ガスの流量比と記載する場合が有る。従って、ＮＨ_３ガスの流量比が大きいとは、Ｆ_２ガスの流量に対してＮＨ_３ガスの流量が大きい（＝処理ガス中でのＦ_２ガスの割合に対するＮＨ_３ガスの割合が大きい）ことを意味する。

次に、第２要請のエッチング後の凹部１６の形状について説明する。処理条件に応じて、エッチング後の凹部１６の形状が、矩形形状とラウンド形状との間で変化するが、これら矩形形状、ラウンド形状が形成されるまでに起こると推定される過程を以下に説明する。先ず図７～図８を参照して、矩形形状となる過程についての推定を説明する。処理ガスであるＦ_２ガス４１及びＮＨ_３ガス４２が凹部１６内に進入し（図７上段）、Ｓｉ膜１３である上壁２１の下面及び下壁２２の上面に対して既述の式１で示したように反応して、ＳｉＦ_４が生じる。このＳｉＦ_４について、一部はガスとして凹部１６内に放出される一方、他の一部は既述の式２で示すように反応することでＡＦＳ層３１を形成する。

Ｆ_２ガス４１及びＮＨ_３ガス４２は上壁２１及び下壁２２の他に、横壁２３にも作用し、この横壁２３を構成するＳｉＧｅ膜１２の表層が変質すると共にわずかにエッチングされ、ＧｅＦ_４（四フッ化ゲルマニウム）ガス４３が放出される。そのように横壁２３がエッチングされることで、Ｓｉ膜１３のうちの一部の部位が、凹部１６の奥で新たに当該凹部１６内に露出することで、凹部１６の上壁２１及び下壁２２を形成することになる（図７下段）。当該部位を、新露出部位４４とする。

新露出部位４４については処理ガス供給の途中で凹部１６に露出することになるので、Ｓｉ膜１３のうちで、エッチング前から上壁２１、下壁２２を形成していた部位に比べて、Ｆ_２ガス４１及びＮＨ_３ガス４２に曝される時間が短い。そのため、これらＦ_２ガス４１及びＮＨ_３ガス４２との反応量は比較的小さい。また、凹部１６の奥側寄りほど、Ｆ_２ガス４１及びＮＨ_３ガス４２は進入しにくい。以上のことから、新露出部位４４を含めた上壁２１及び下壁２２については凹部１６の奥側ほど、Ｆ_２ガス４１及びＮＨ_３ガス４２に対する反応量が小さく、しかし、ＧｅＦ_４ガス４３はＳｉ膜１３に対して反応性を有しており、ＳｉＧｅ膜１２から生じることで凹部１６の奥側のＳｉ膜１３と比較的大きく反応する。そのため、凹部１６の開口から奥側に至るまで均一性高くＳｉ膜１３が反応する（図８上段）。従って、加熱工程による処理ガス供給工程で生じた各反応生成物の除去後は、凹部１６は矩形形状となる（図８下段）。なお、ＳｉＧｅ膜１２に生じる反応生成物であるＡＦＧ層は４５、ＧｅＦ_４ガス４３とＳｉ膜１３との反応生成物については４６として図中に示している。これらのＡＦＧ層４５、反応生成物４６もＡＦＳ層４５と共に除去される。ＡＦＧ層４５については後述する。

次にラウンド形状となる過程の推定について説明する。図７の下段に示した状態からＳｉＧｅ膜１２の表層と処理ガスとの反応が進行すると、当該表層は次第にＡＦＧ〔（ＮＨ_４）ＧｅＦ_６〕層４５へと変化する。このＡＦＧ層４５への変化が進行するにつれて、ＧｅＦ_４ガス４４の放出量が減少する。従って、上壁２１及び下壁２２については、凹部１６の奥側へ向うほどＧｅＦ_４ガス４４及び／またはＦ_２ガス４１及びＮＨ_３ガス４２に対する反応量が小さくなる（図９上段）。従って、加熱工程による反応生成物の除去後は、凹部１６はラウンド形状となる（図９下段）。以上のことから、処理ガスの供給時間が長いほど、あるいはＮＨ_３ガスの流量比が大きいほど、ＡＦＧ層４５の形成が進行しやすい（＝ＧｅＦ_４ガス４４の放出が低減しやすい）のでラウンド形状となりやすい。

続いて、第３要請に関するトップ、ミドル、ボトム間でのエッチング量のばらつきの説明を行う。溝１５の奥側ほど処理ガス進入しにくいので、処理ガスの供給時間が比較的短い場合は、凹部１６の上壁２１及び下壁２２については、トップ＞ミドル＞ボトムの順で処理ガスに接触しやすく、当該処理ガスと反応しやすい。従って、この順でエッチング量が大きくなる。

しかし後述の評価試験で示すように、処理ガスの供給時間が長くなるにつれて、ボトム側ほどエッチング量が大きくなる（即ちエッチング量について、トップ＜ミドル＜ボトムとなる）傾向が有ることが確認されている。これは処理ガスの供給時間が長いことで、トップ側（溝１５の開口側）ほど形成されるＡＦＳ層３１が厚くなり、上壁２１及び下壁２２の処理ガスに対する反応が妨げられることが一因であると考えられる。またＮＨ_３ガスの流量が大きいほど、トップ側におけるＡＦＳ層３１の厚さが上昇しやすく、ボトム側ほどエッチング量が大きくなる傾向が有る。

以上のように、ＮＨ_３ガスの流量比が比較的小さい、及び／または処理ガスの供給時間が比較的短い処理条件とすることで、エッチング後の凹部１６としては、マイクロラフネスが形成される傾向、矩形形状となる傾向、トップ側のエッチング量が大きくなる傾向が有る。逆にＮＨ_３ガスの流量比が比較的大きい、及び／または処理ガスの供給時間が比較的長い処理条件とすることで、エッチング後の凹部１６としては、ラージラフネスが形成される傾向、ラウンド形状となる傾向、ボトム側のエッチング量が大きくなる傾向が有る。ＮＨ_３ガスの流量比及び処理ガスの供給時間について、ラフネスを許容範囲内に収めるために適正な範囲、矩形形状とするために適正な範囲、トップ-ボトム間のエッチング量を揃えるために適正な範囲としては、一致するとは限らない。それ故に、処理ガス供給工程と加熱工程とからなるサイクルを繰り返して行うにあたり、各サイクルの処理ガス供給工程を同様の処理条件とすると、上記の第１～第３要請のすべてに対して十分に応えることが困難であった。

そこで本実施形態では、前段サイクルで行う処理ガス供給工程と、後段サイクルで行う処理ガス供給工程とで、処理条件が異なるようにする。図１０では、その本実施形態における処理フローを示している。サイクルを合計Ｚ回実施するように設定するとして、第１処理条件での処理ガス供給工程を実施した後、加熱工程を行う。これをＸ回繰り返す前段サイクルを行う（ステップＳ１）。その後、第２処理条件での処理ガス供給工程を実施した後、加熱工程を行う。これをＹ回（Ｚ回－Ｘ回）繰り返す後段サイクルを行う（ステップＳ２）。

以上のように処理条件を変更することで、単一の処理条件で処理する場合に比べて、ラフネス、凹部の形状、トップ－ミドル－ボトム間でのエッチング量について、特定の傾向が強く表れることを防ぎ、第１～第３要請に応えられるようにする。ただし、後に評価試験として示すが、エッチング後の凹部１６の形状及びラフネスとしては、後段サイクルよりも前段サイクルで行う処理条件が比較的大きく影響することが確認されている。つまり、前段サイクルの処理ガス供給工程を、矩形形状及びマイクロラフネスが形成される条件とした場合には、エッチング後の凹部１６は、矩形形状及びマイクロラフネスが形成された状態となる傾向が有る。逆に、前段サイクルの処理ガス供給工程を、ラウンド形状及びラージラフネスが形成される条件とした場合には、エッチング後の凹部１６は、ラウンド形状及びラージラフネスが形成された状態となる傾向が有る。

ラフネスに関しては、僅かに形成されたとしても許容範囲内に収まればよい。そのため、矩形形状とする目的から、前段サイクルにおける第１処理条件としては、矩形形状及びマイクロラフネスが形成される傾向の処理条件とし、後段サイクルにおける第２処理条件としては、第１処理条件に比べてラウンド形状及びラージラフネスが形成される傾向の処理条件とするようにしてもよい。従って具体的には、ＮＨ_３ガスの流量比について第１処理条件では第２処理条件よりも小さくするか、あるいは処理ガスの供給時間について第１処理条件では第２処理条件よりも短くする。また、その矩形形状となる傾向を大きくするために、そのように前段サイクルの第１処理条件、後段サイクルの第２処理条件を設定した上で、例えば前段サイクルを行う回数（Ｘ回）≧後段サイクルを行う回数（Ｙ回）とすることが好ましい。

また、第２要請（矩形性を高くする要請）に比べて第１要請（ラフネスを抑える要請）に対応する必要性が大きい場合が有る。その場合、上記したようにエッチング後の凹部１６には、前段サイクルにおける第１処理条件の影響が比較的大きく残ることから、当該第１処理条件としてはラフネスが比較的抑えられる条件を選択する。そして、後段サイクルにおける第２処理条件としては、トップ-ミドル-ボトム間のエッチング量が補正されると共に矩形性が高まるように凹部１６の形状が修正される条件を選択すればよい。具体的には、ＮＨ_３ガスの流量比について第１処理条件では第２処理条件よりも大きくするか、あるいは処理ガスの供給時間について第１処理条件では第２処理条件よりも大きくする。このようにラフネスについて高い抑制効果を得ようとする場合も、その効果を大きくする目的から、例えば前段サイクルを行う回数（Ｘ回）≧後段サイクルを行う回数（Ｙ回）とすることが好ましい。

なお本実施形態では矩形性が高くなるように、ＮＨ_３ガスの流量比については第１処理条件の方が第２処理条件よりも大きく、且つ処理ガスの供給時間については第１処理条件の方が第２処理条件よりも短く設定され、前段サイクルを行う回数（Ｘ回）＞後段サイクルを行う回数に設定されているものとする。

さらに具体的な処理条件の例を述べると、後の評価試験の結果を踏まえて、ＮＨ_３ガスの流量比（ＮＨ_３ガスの流量／Ｆ_２ガスの流量）については例えば、第１処理条件、第２処理条件の各々で０．０１～０．０１４の範囲内とする。従って、第１処理条件及び第２処理条件のうちの少なくともいずれかのＮＨ_３ガスの流量比は０．０１４より小さい。また、処理ガスの供給時間については第１処理条件、第２処理条件の各々で、例えば１０秒～１５秒の範囲内とする。なお、本明細書において処理ガスの供給時間とは処理ガスを構成するハロゲン含有ガス（本実施形態におけるＦ_２ガス）及び塩基性ガス（本実施形態におけるＮＨ_３ガス）が、同時にウエハＷに供給される時間（即ち、ウエハＷを格納する処理容器内に供給される時間）である。

図１０のフロー図で説明した処理を行う装置の一実施形態である、基板処理装置５について図１１の平面図を参照して説明する。基板処理装置５は、ウエハＷを搬入出するための搬入出部５１と、搬入出部５１に隣接して設けられた２つのロードロック室６１と、２つのロードロック室６１に各々隣接して設けられた２つの熱処理モジュール６０と、２つの熱処理モジュール６０に各々隣接して設けられた２つの処理モジュール７と、を備えている。処理モジュール７は第１処理部に相当し、熱処理モジュール６０は第２処理部に相当する。

搬入出部５１は、第１の基板搬送機構５２が設けられると共に常圧雰囲気とされる常圧搬送室５３と、当該常圧搬送室５３の側部に設けられた、ウエハＷを収納するキャリア５４が載置されるキャリア用載置台５５と、を備えている。図中５６は常圧搬送室５３に隣接するアライナであり、ウエハＷを回転させて偏心量を光学的に求め、第１の基板搬送機構５２に対するウエハＷの位置合わせを行うために設けられる。第１の基板搬送機構５２は、キャリア用載置台５５上のキャリア５４とアライナ５６とロードロック室６１との間でウエハＷを搬送する。

各ロードロック室６１内には、例えば多関節アーム構造を有する第２の基板搬送機構６２が設けられており、当該第２の基板搬送機構６２は、ウエハＷをロードロック室６１と熱処理モジュール６０と処理モジュール７との間で搬送する。熱処理モジュール６０を構成する処理容器内及び処理モジュール７を構成する処理容器内は、真空雰囲気とされており、ロードロック室６１内は、これらの真空雰囲気の処理容器内と常圧搬送室５３との間でウエハＷの受け渡しを行えるように、常圧雰囲気と真空雰囲気とが切り替えられる。

図中６３は開閉自在なゲートバルブであり、常圧搬送室５３とロードロック室６１との間、ロードロック室６１と熱処理モジュール６０との間、熱処理モジュール６０と処理モジュール７との間に各々設けられている。熱処理モジュール６０については、上記の処理容器、当該処理容器内を排気して真空雰囲気を形成するための排気機構及び処理容器内に設けられると共に載置されたウエハＷを加熱可能なステージなどを含み、既述の加熱工程を実行できるように構成されている。

処理モジュール７について、図１２の縦断側面図を参照して説明する。この処理モジュール７は、既述の処理ガス供給工程を実行する。図中７１は処理モジュール７を構成する処理容器である。図中７２は、処理容器７１の側壁に開口するウエハＷの搬送口であり、上記のゲートバルブ６３により開閉される。処理容器７１内にはウエハＷを載置するステージ８１が設けられており、当該ステージ８１には図示しない昇降ピンが設けられる。その昇降ピンを介して上記の第２の基板搬送機構６２とステージ８１とのウエハＷの受け渡しが行われる。

ステージ８１には温度調整部８２が埋設されており、ステージ８１に載置されたウエハＷが既述した温度とされる。この温度調整部８２は、例えば水などの温度調整用の流体が流通する循環路の一部をなす流路として構成されており、当該流体との熱交換によりウエハＷの温度が調整される。ただし温度調整部８２としては、そのような流体の流路であることに限られず、例えば抵抗加熱を行うためのヒーターにより構成されていてもよい。

また、処理容器７１内には排気管８３の一端が開口しており、当該排気管８３の他端は圧力変更機構であるバルブ８４を介して、例えば真空ポンプにより構成される排気機構８５に接続されている。バルブ８４の開度が調整されることによって、処理容器７１内の圧力が後述する範囲の圧力とされて処理が行われる。

処理容器７１内の上部側には、ステージ８１に対向するように、処理ガス供給機構であるガスシャワーヘッド８６が設けられている。ガスシャワーヘッド８６には、ガス供給路９１～９４の下流側が接続されており、ガス供給路９１～９４の上流側は流量調整部９５を各々介して、ガス供給源９６～９９に接続されている。各流量調整部９５は、バルブ及びマスフローコントローラを備えている。ガス供給源９６～９９から供給されるガスについては、当該流量調整部９５に含まれるバルブの開閉によって、下流側へ給断される。

ガス供給源９６、９７、９８、９９からは、Ｆ_２ガス、ＮＨ_３ガス、Ａｒ（アルゴン）ガス、Ｎ_２（窒素）ガスが夫々供給される。従ってガスシャワーヘッド８６からは、処理容器７１内に、これらのＨＦガス、ＮＨ_３ガス、Ａｒガス、Ｎ_２ガスを各々供給することができる。Ａｒガス及びＮ_２ガスはキャリアガスとして、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスと共に処理容器７１内に供給される。

ところで、図１１に示すように基板処理装置５はコンピュータである制御部５０を備えており、この制御部５０は、プログラム、メモリ、ＣＰＵを備えている。プログラムには、既述したウエハＷの処理及びウエハＷの搬送が行われるように命令（各ステップ）が組み込まれており、このプログラムは、記憶媒体、例えばコンパクトディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＤＶＤ等に格納され、制御部５０にインストールされる。制御部５０は当該プログラムにより基板処理装置５の各部に制御信号を出力し、各部の動作を制御する。具体的には、処理モジュール７の動作、熱処理モジュール６０の動作、第１の基板搬送機構５２、第２の基板搬送機構６２の動作、アライナ５６の動作が制御信号により制御される。上記の処理モジュール７の動作としては、例えばステージ８１に供給される流体の温度、ガスシャワーヘッド８６からの各ガスの給断、バルブ８４による排気流量の調整などの各動作が含まれる。

基板処理装置５におけるウエハＷの搬送経路を説明する。図１で説明したように各膜が形成されたウエハＷを格納したキャリア５４がキャリア用載置台５５に載置される。そしてこのウエハＷは、常圧搬送室５３→アライナ５６→常圧搬送室５３→ロードロック室６１の順に搬送され、熱処理モジュール６０を介して処理モジュール７に搬送される。そして、既述のように処理ガス供給工程が行われ、凹部１６を形成する上壁２１及び下壁２２の表層が変質し、ＡＦＳ層３１となる。続いて、ウエハＷは熱処理モジュール６０に搬送されて、当該ＡＦＳ層３１及び他の反応生成物の昇華が行われる。その後、ウエハＷは処理モジュール７と、熱処理モジュール６０との間を往復するように搬送されることで、処理ガス供給工程と加熱工程とからなるサイクルが繰り返される。

上記のサイクルのうち、１回目からＸ回目のサイクルでは、図１０で述べたように第１処理条件で処理ガス供給工程が行われる。そして、Ｘ＋１回目以降のサイクルは、ＮＨ_３ガスの流量比について大きく且つ処理ガスの供給時間について長く変更された第２処理条件で、処理ガス供給工程が行われる。その第２処理条件でのサイクルがＹ回繰り返され、合計Ｚ回（Ｘ＋Ｙ回）のサイクルが終了して、図３で示したように各凹部１６が所望の縦幅となると、ウエハＷは熱処理モジュール６０からロードロック室６１→常圧搬送室５３の順で搬送されて、キャリア５４に戻される。

上記のサイクルにおける処理ガス供給工程について説明を補足する。当該処理ガス工程は処理モジュール７の処理容器７１内が排気されて、例えば１００ｍＴｏｒｒ（１３．３Ｐａ）～１０Ｔｏｒｒ（１３３３Ｐａ）とされると共に、ウエハＷの温度が例えば－２０℃～６０℃となるように調整された状態で、Ｆ_２ガスの処理容器７１内への供給、ＮＨ_３ガスの処理容器７１内への供給が並行して行われる（ステップＴ１）。なお、このステップＴ１におけるＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを供給する時間、Ｆ_２ガス及びＮＨ_３ガスについての流量比が、これまでに説明してきた処理ガスの供給時間、ＮＨ_３ガスの流量比である。そして、このＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスの供給停止後は、処理容器７１内の排気と共に、処理容器７１内にＮ_２ガスが供給されることで、当該処理容器７１内に残留するＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスのパージが行われる（ステップＴ２）。このパージ後に、ウエハＷが処理容器７１から搬出される。また、上記のサイクルにおける加熱工程についても説明を補足すると、この加熱工程ではステップＴ１、Ｔ２におけるウエハＷの温度よりも高い温度、例えば８０℃～３００℃にウエハＷが加熱されることで、上記の反応生成物の昇華が行われる。

以上に述べた本実施形態によれば、前段サイクルと後段サイクルとについて、処理ガス供給工程における処理条件が互いに異なるように設定することで、第１～第３要請に対応することができる。即ちエッチング後の凹部１６について、上壁２１及び下壁２２を形成するＳｉ膜１３のラフネスを抑え、凹部１６を矩形形状とし、トップ－ミドル－ボトム間での凹部１６の縦幅のばらつきを抑制することができる。従って、エッチング処理後のウエハＷから製造される半導体製品の歩留りを高くすることができる。

前段サイクルを行う回数であるＸ回、後段サイクルを行う回数であるＹ回を、各々複数回であるように述べてきたが、これらＸ回及び／またはＹ回は１回であってもよい。従って前段サイクル及び後段サイクルとしては、繰り返し行われなくてもよい。また、これまでに述べた例では、処理ガス供給工程におけるＮＨ_３ガスの流量比あるいは処理ガスの供給時間の変更を１回のみ行うことで、前段サイクルと、それに続く後段サイクルという２段階の処理としている。このように２段階の処理とすることには限られず、当該処理条件の変更を２回以上行い、３段階以上の処理としてもよい。

なお２段階の処理を行うにあたり、矩形形状とするためにＮＨ_３ガスの流量比について前段サイクルでは後段サイクルよりも大きくするか、あるいは処理ガスの供給時間について前段サイクルでは後段サイクルよりも短くするという関係にすることが好ましいと述べた。また、サイクル数について前段サイクル数≧後段サイクル数とすることが好ましいと述べた。３段階以上の処理を行う場合には例えば、１段階目の処理条件と、２段階目以降の任意の段階の処理条件と、がそのような関係となるようにし、また、サイクル数について例えば１段階目のサイクル数≧任意の段のサイクル数とすればよい。

なお、本実施形態では最初のサイクルの開始から最後のサイクルの終了まで、ウエハＷの周囲の雰囲気は真空雰囲気に保たれるが、例えば各段階のサイクルが異なる装置で行われるようにし、ウエハＷについては大気雰囲気を通過させることで装置間を移動させるようにしてもよい。ただし、スループットの低下を防止する観点から、上記の基板処理装置５を用いる場合のように、最初のサイクルから最後のサイクルに至るまでウエハＷの周囲は真空雰囲気とされて処理が行われるようにすることが好ましい。

ところで任意のサイクルにおいて処理ガス供給工程を行った後、加熱工程を行う前に、第２フッ素含有ガスの供給を行うことで、Ｓｉ膜１３におけるエッチング終了後のラフネスのさらなる抑制を図るようにしてもよい。この第２フッ素含有ガス（即ちハロゲン含有ガス）は例えばＨＦ（フッ化水素）ガスであり、従って、処理ガスを構成する第１フッ素含有ガスであるＦ_２ガスとは種類が異なるガスである。ＨＦガスのウエハＷへの供給は、処理モジュール７にて行われる。

このＨＦガスの供給を行う場合の処理モジュール７での処理手順について説明すると、上記した処理ガスの供給（ステップＴ１）、処理容器７１内のパージ（ステップＴ２）が順に行われた後、処理容器７１内にＨＦガスが供給される（ステップＴ３）。そしてＨＦガスの供給停止後は、ステップＴ４としてステップＴ２と同様に、処理容器７１内におけるＮ_２ガスの供給と排気とが行われる状態となり、残留するＨＦガスがパージされる。然る後、ウエハＷが処理モジュール７から搬出される。なお、このようにラフネス抑制ガスであるＨＦガスの供給を行う場合は、ステップＴ１～Ｔ４が第１工程であり、ハロゲン含有ガス（Ｆ_２ガス）及び塩基性ガス（ＮＨ_３ガス）を共に供給するステップＴ１が第１供給工程に相当し、これらのガスの一方のみを供給する工程であるステップＴ３は第２供給工程に相当する。

上記のＨＦガスの供給により、ステップＴ１で形成されたＡＦＳ層３１に含まれるＮＨ_３と当該ＨＦガスとが反応して反応生成物を生じ、その反応生成物がＡＦＳ層３１に被覆されたＳｉ膜１３の表層を僅かにエッチングすることで、ラフネスが抑制されると考えられる。

上記のステップＴ１～Ｔ４を行う処理モジュール７については、例えば既述した各ガス供給源９６～９９の他に、ＨＦガスの供給源が設けられ、当該ＨＦガス供給源とガスシャワーヘッド８６とが流路を介して接続された構成とされる。そして、当該ＨＦガスの流路には他のガスの流路と同様に流量調整部９５が介設され、所望の流量でガスシャワーヘッド８６を介して処理容器７１内にＨＦガスが供給される。なお、このＨＦガスを処理容器７１内へ供給する際にも、例えばＡｒガス及びＮ_２ガスが、キャリアガスとして処理容器７１内に供給される。

また、ラフネス抑制用のガスとしてＨＦガスをウエハＷに供給する代わりに、ＮＨ_３ガスをウエハＷに供給してもよい。そのようにＮＨ_３ガスを供給する場合には、このＮＨ_３ガスと、ステップＴ１で形成されたＡＦＳ層３１に含まれるフッ素成分とが反応して反応生成物を生じ、その反応生成物がＡＦＳ層３１に被覆されたＳｉ膜１３の表層を僅かにエッチングすることでラフネスが抑制されると考えられる。

なお、ラフネス抑制用のガスとしてＮＨ_３ガスを用いる場合は、例えば処理ガスとしてＦ_２ガス及びＮＨ_３ガスを共に供給し、Ｆ_２ガスの供給を停止した後も引き続きＮＨ_３ガスをウエハＷに供給することで、ステップＴ２のＮ_２ガスによるパージを省略してもよい。また、以上のラフネス抑制用の各ガスの供給は任意のサイクルで行えばよい。例えば各段におけるサイクルのうちの最後のサイクルで行ってもよいし、毎回のサイクルで行ってもよい。

反応生成物を除去するにあたり、ウエハＷの温度を処理ガス供給工程の実行時の温度よりも上昇させると述べたが、そのように除去することに限られない。例えば処理モジュール７にて上記のステップＴ１、Ｔ２を行った後、排気管７３に介設されたバルブ７４の開度を大きくして、処理容器７１内の圧力を低下させることで反応生成物の昇華温度を下げることで行ってもよい。従って、一つのサイクルを異なる処理容器内で行うことには限られない。

処理ガスであるＦ_２ガス、ＮＨ_３ガスについては、既述したように供給終了のタイミング、供給開始のタイミングが互いにずれていてもよい。また、処理ガスに含まれるフッ素含有ガスとしてはＦ_２ガスを用いることに限られず、例えばＩＦ_７ガス、ＩＦ_５ガス、ＣｌＦ_３ガス、ＳＦ_６ガスを用いてもよい。なお、フッ素を含有するとは、フッ素を不純物として含有するという意味では無く、構成成分として含有する意味である。後述のＧｅを含有することについても同様に、不純物としてではなく構成成分として含有する意味である。

また、凹部１６としては横倒しとなっていることに限られず、縦方向に向けて開口しており、そのような凹部１６の側壁をなすＳｉ膜をエッチングする場合にも本技術を適用することができる。その場合は、既述した第１～第３要請のうち、第１及び第２要請（ラフネス及び矩形形状の要請）に適合するように凹部１６をエッチングすることができる。

ＳｉＧｅ膜１２の代わりにＧｅ膜が凹部１６の横壁２３を形成する構成であっても、フッ素含有ガスを用いてＧｅＦ_４を産生して、凹部１６の奥側をエッチングすることができると考えられる。従って、凹部１６の横壁２３としてはＳｉＧｅ膜１２により構成することには限られず、Ｇｅ膜を含有する膜により構成されていればよい。

今回開示された実施形態は、全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、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更、組み合わせがなされてもよい。

〔評価試験〕
以下、本技術に関して行われた評価試験１～５について説明する。各試験では図１で説明した膜構造を有する基板に対して、実施形態で述べた装置を用いて処理ガス供給工程と、加熱工程とからなるサイクルを実施し、処理の前後で取得されたＳＥＭ画像から、各部の寸法を計測している。評価試験１～４については、図１０で説明した前段サイクルと後段サイクルとの間での処理条件の変更を行っておらず、単一の処理条件で処理を行っている。なお、評価試験１～５では、処理ガス供給工程において、Ｆ_２ガスを供給する期間と、ＮＨ_３ガスを供給する期間とは一致している。つまり、これらのガスの処理容器７１への供給開始のタイミングは同じであり、これらのガスの処理容器７１への供給終了のタイミングも同じである

各評価試験において計測を行った寸法とは、以下の３つである。１つは溝１５における横幅であり、以下、この横幅を溝幅寸法とする。他の１つは凹部１６の開口から若干の所定距離だけ凹部１６の奥寄りに離れた位置における当該凹部１６の縦幅であり、以下、この縦幅を開口側寸法とする。さらに他の１つは、凹部１６の横壁２３から若干の所定距離だけ凹部１６の開口寄りに離れた位置における当該凹部１６の縦幅であり、以下、この縦幅を奥側寸法とする。

多段に形成された凹部１６のうち、評価試験においては所定の段の複数個の凹部１６をトップの凹部１６とする。そのトップの凹部１６の溝幅寸法、開口側寸法、奥側寸法の各々について（エッチング後の寸法－エッチング前の寸法）／２を算出する。この算出は、トップの複数個の凹部１６の夫々について行う。そして溝幅寸法から得た算出値、開口側寸法から得た算出値、奥側寸法から得た算出値の各々について、凹部１６間での平均値を算出し、得られた平均値をトップの凹部１６における溝幅エッチング量、開口側エッチング量、奥側エッチング量とする。なお、トップの各凹部１６の溝幅寸法は、横方向に対向する凹部１６の上壁２１間から取得する。

同様に所定の段の複数個の凹部１６を夫々ミドルの凹部１６、ボトムの凹部１６とし、ミドルの凹部１６、ボトムの凹部１６の夫々についても溝幅エッチング量、開口側エッチング量、奥側エッチング量を算出する。このように算出した各エッチング量については、所定の基準量で除算することによって、後に示す図１３～図１５中では規格化した値を記載する。規格化した値が大きいほど実際のエッチング量も大きい。なお、各評価試験で得られた試験規格化する前の各エッチング量（即ち、実測値）は、２０ｎｍ以下の値である。
ところで評価試験３～５については、試験結果として、エッチング後の凹部１６の形状及び凹部１６のラフネスの状態について記載した表を示している。各表中では、明確な矩形形状となったもの、明確なラウンド形状が示されたものを「矩形」、「ラウンド」として夫々表しており、それ以外の形状のものを「中間」として表している。従って、明確な矩形形状ではないが、矩形性が比較的高くて実用上は問題が無いレベルであるものも表中で「中間」として示しているので、「矩形」とされる結果の処理条件のみが実用可能な処理条件ではない。なお表中では、マイクロラフネス及びラージラフネスのいずれも確認されず、平滑性が高かったものを「平滑」として示している。

・評価試験１
評価試験１－１～１－３では、処理ガス供給工程と加熱工程とのサイクルを繰り返すことで、基板に対してエッチングを行った。評価試験１－１～１－３間で、サイクル数と、処理ガス供給工程実行時の処理容器７１内の圧力との組み合わせを変更している。評価試験１－１では、処理容器７１内の圧力が２００Ｐａ（１．５Ｔｏｒｒ）であり、サイクル数が９である。評価試験１－２では、処理容器７１内の圧力が６６６．６Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）であり、サイクル数が９である。評価試験１－３では、処理容器７１内の圧力が６６６．６Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）であり、サイクル数が３である。処理ガス供給中のウエハＷの温度、処理ガスの供給時間、ＮＨ_３ガスの流量比などの各処理条件は、実施形態で説明した範囲の値に設定した。

この評価試験１の結果としては、トップ、ミドル、ボトムの各凹部１６から取得された値についての平均値を示す。評価試験１－１では、溝幅エッチング量が１．２６、開口側エッチング量が１．６２、奥側エッチング量が１．６６であった。評価試験１－２ではエッチングが大きく進行したことで上壁２１及び下壁２２が消失しており、各エッチング量について計測不能であった。評価試験１－３では、上壁２１及び下壁２２の消失が防止されており、溝幅エッチング量が１．７８、開口側エッチング量が１．９、奥側エッチング量が１．９であった。

以上の評価試験１の結果から、処理ガス供給時の処理容器７１内の圧力について、比較的高くすることでエッチング速度を高くすることができるため好ましく、サイクル数を適切に設定することで、過度なエッチングを防止することができることが分かる。そして、当該処理容器７１内の圧力としては、１．５Ｔｏｒｒ（２００Ｐａ）よりも大きくすることが好ましく、さらには５Ｔｏｒｒ（６６６．６Ｐａ）以上とすることがより好ましいことが分かる。

・評価試験２
評価試験２－１～２－５では、処理ガス供給工程と加熱工程のサイクルを繰り返すことなく、これらの工程を１回ずつ行うことで、各基板を処理した。評価試験２－１～２－５間で、処理ガスの供給時間を互いに異なる値に設定しており、評価試験２－１、２－２、２－３、２－４、２－５で、夫々５秒、１０秒、１５秒、２５秒、３５秒とした。また、ＮＨ_３ガスの流量比、処理ガス供給中のウエハＷの温度、処理容器７１内の圧力などの各処理条件は、実施形態で説明した範囲の値とした。

下記の図１３～図１５のグラフは、評価試験２における各エッチング量をまとめたものである。各グラフはエッチング量と、処理ガスの供給時間との関係を示しており、縦軸にエッチング量を、横軸に当該供給時間を夫々示している。図１３が溝幅エッチング、図１４が開口側エッチング量を示し、図１５が奥側エッチング量を夫々示す。

図１３のグラフから明らかなように、溝１５の横方向のエッチング量に関してはトップ、ミドル、ボトムの各々について、処理ガスの供給時間とエッチング量との関連性が低い。そして図１４及び図１５のグラフから明らかなように、凹部１６の開口側のエッチング量及び凹部１６の奥側のエッチング量については、エッチング時間が比較的長いと、トップ側のエッチング量が比較的小さい。これは実施形態で説明したようにトップ側において多くのＡＦＳが生成したためであると考えられる。なお、図１４及び図１５のグラフにより、実施形態で説明したようにエッチング時間が短い場合にはトップの方がエッチング量について大きく、エッチング時間が長い場合にはボトムの方がエッチング量について大きいことが示されている。図１４、図１５のグラフより、トップ、ミドル、ボトムの各々で処理ガスの供給時間が１０秒～１５秒の範囲においては、グラフの傾きが概ね同じであり、トップ、ミドル、ボトムのエッチング量の差が抑制されている。従って、この評価試験２からは、１サイクルでの処理ガスの供給時間については、１０秒～１５秒にすることが好ましいことが示された。

・評価試験３
評価試験３－１～３－６では、ＮＨ_３ガスの流量比と、処理ガスの供給時間との組み合わせについて基板毎に異なるようにして、当該各基板に処理を行った。サイクル数は３サイクルとした。処理ガスの供給時間について、評価試験３－１～３－３では１０秒に設定し、評価試験３－１～３－３では１５秒に設定した。ＮＨ_３ガスの流量比については、評価試験３－１、３－４では０．０１に、評価試験３－２、３－５では０．０１４に、評価試験３－３、３－６では０．０２に夫々設定した。その他の処理条件は、評価試験２の処理条件と同じである。下記の表１は、評価試験３にて得られた結果をまとめたものである。なお、この評価試験３でも評価試験２と同様に各部のエッチング量を取得している。

エッチング後の凹部１６の上壁２１及び下壁２２のラフネスについて見ると、評価試験３－１のミドル、ボトムの各凹部１６でマイクロラフネスが確認された。そして、評価試験３－３のトップの凹部１６、評価試験３－６のトップ、ミドル、ボトムの各凹部１６ではラージラフネスが確認された。また、エッチング後の凹部１６の形状について見ると、評価試験３－１、３－４のトップ、ミドル、ボトムの各凹部１６及び評価試験３－２のボトムの凹部１６に関しては、矩形形状となっていた。

従ってこの評価試験３からは、ＮＨ_３ガスの流量比が比較的小さく、且つエッチング時間が比較的短い場合にはマイクロラフネスが形成されることが確認された。また、ＮＨ_３ガスの流量比が比較的大きい場合には、ラージラフネスが形成されることが確認された。実施形態で述べたようにＡＦＳの生成量が異なることにより、このようにラフネスの状態が異なる結果となったと考えられる。また、この評価試験３からは、ＮＨ_３ガスの流量比が比較的小さいと矩形形状となる傾向が有ることが確認された。そして、矩形形状とするためには当該流量比を０．０１４よりも小さくすることが好ましく、０．０１以下とすることがより好ましいことが分かる。

ただし、ＮＨ_３ガスの流量比を０．０１に設定して矩形形状となった評価試験３－１、３－４、３－５については、トップ－ボトム間でのエッチング量のばらつきが比較的大きかった。従って、この評価試験３－１～３－６の各結果は、第１～第３要請の一つまたは複数に十分に応えられていないものとなっていた。

・評価試験４
評価試験４－１～４－５では、ＮＨ_３ガスの流量比と、処理ガスの供給時間と、サイクル数との組み合わせについて基板毎に異なるようにして、当該各基板に処理を行った。処理ガスの供給時間について、評価試験４－１、４－２、４－３、４－４、４－５で夫々、１０秒、１５秒、１５秒、１２．５秒、１０秒に設定した。処理ガス中のＮＨ_３ガスの流量比については評価試験４－１、４－２、４－４では０．０１に、評価試験４－３、４－５では０．０１４に夫々設定した。サイクル数については評価試験４－１～４－４では３、評価試験４－５では４に夫々設定した。その他の処理条件は、評価試験２、３の処理条件と同じである。下記の表２は評価試験４の結果をまとめたものである。なお、この評価試験４及び次に説明する評価試験５でも評価試験３と同様に、各部のエッチング量を取得している。

エッチング後の凹部１６の上壁２１、下壁２２のラフネスについて見ると、評価試験４－１、４－４のミドル、ボトムの各凹部１６及び評価試験４－５のボトムの凹部１６にて、マイクロラフネスが確認された。他の凹部１６については、ラフネスは望ましい範囲内に抑えられていた。サイクル数及びＮＨ_３ガスの流量比が同じである評価試験４－１、４－２、４－４間での比較により、実施形態で述べたように処理ガスの供給時間が短いと、マイクロラフネスが形成されやすいことが分かる。

エッチング後の凹部１６の形状について見ると、評価試験４－１、４－２のトップ、ミドル、ボトムの各凹部１６及び、評価試験４－４、４－５のミドル、ボトムの各凹部１６が矩形形状となっており、他の凹部１６についてはラウンド形状であった。評価試験４－１、４－２、４－４間での比較により、実施形態で述べたように処理ガスの供給時間が比較的小さい場合には、矩形形状となる傾向が有ることが分かる。また、ＮＨ_３ガスの流量比を０．０１に設定した評価試験４－１、４－２、４－４ではトップ、ミドル、ボトムのうちの２つないしは３つが矩形形状になっていることから、矩形形状とするためには０．０１以下とすることが好ましいことが分かる。

開口側エッチング量及び奥側エッチング量を見ると、評価試験４－２、４－４、４－５については、トップのエッチング量が、ミドル、ボトムのエッチング量よりも大きかった。つまり、トップ、ミドル、ボトム間で比較的大きなエッチング量のばらつきが有った。また、評価試験４－３ではトップのエッチング量が、ミドル、ボトムのエッチング量に比べて小さかった。以上の結果となったことで、評価試験４の各基板の凹部１６についても、第１～第３要請の一つまたは複数に十分に応えられていないものとなっていた。

ところで評価試験４の結果についてさらに検証すると、ＮＨ_３ガスの流量比が０．０１である場合には、凹部１６は矩形形状となる傾向が有ると共に、トップのエッチング量が大きくなる傾向が有る。また、ＮＨ_３ガスの流量比が０．０１４である場合には、凹部１６はラウンド形状となる傾向が有ることが示されると共に、当該流量比が０．０１の場合に比べてトップのエッチング量が大きくなる傾向が緩和されている。さらに、当該ＮＨ_３ガスの流量比が０．０１であるとき、０．０１４であるときの各々において、ラフネスに関して望ましい範囲内に抑えられている場合が有る。ただし、そのラフネスに関して、処理ガス中のＮＨ_３ガスの流量比を０．０１、０．０１４としたときには、処理ガスの供給時間が１０秒では望ましい結果が得られなかった。

以上の評価試験４の結果と、処理ガスの供給時間としては１０秒～１５秒が望ましいという評価試験２の結果とを考慮し、処理ガス中のＮＨ_３ガスの流量比については０．０１より大きく、０．０１４より小さい範囲にし、処理ガスの供給時間については１０秒よりも大きく１５秒以下の範囲に設定することが考えられる。つまり、このような各パラメータの範囲の中で評価試験４にて設定された処理条件よりも、第１～第３要請に対してより適合可能な許容範囲を探り、その許容範囲内の値を用いて処理を行うことが考えられる。しかしＮＨ_３ガスの流量比について、０．０１～０．０１４という比較的狭い範囲の中のさらに狭い範囲が許容範囲とされる。それ故に、例えばエッチング対象の膜構造が若干変化した場合などに、当該流量比を変更させて対処することが難しく、実用性の低さが懸念される。従って実施形態で述べた、処理条件を変更することによる複数段階での処理が有効である。

・評価試験５
評価試験５－１～５－５では、実施形態で説明したように処理条件を変更することで、２段階の処理（＝前段サイクル及び後段サイクル）を行った。前段サイクルの処理条件、後段サイクルの処理条件の組み合わせについて、基板毎に変更して処理を行った。なお、ＮＨ_３ガスの流量比、処理ガスの供給時間、サイクル数以外の処理条件は、評価試験４の処理条件と同じである。

評価試験５－１、５－２、５－４での前段サイクル及び評価試験５－３、５－５での後段サイクルにおけるＮＨ_３ガスの流量比及び処理ガスの供給時間については、評価試験４において矩形形状が得られた処理条件と同じ処理条件に設定した。そして、評価試験５－１、５－２、５－４での後段サイクル及び評価試験５－３、５－５での前段サイクルにおけるＮＨ_３ガスの流量比及び処理ガスの供給時間については、評価試験４においてラフネスが望ましい範囲内に抑えられた処理条件と同じ処理条件に設定した。下記の表３は、評価試験５の処理条件及び結果をまとめたものである。

なお、ＮＨ_３ガスの流量比及び処理ガスの供給時間の他にサイクル数の違いを考慮して、矩形形状を形成する傾向については、評価試験５－１の前段＞評価試験５－２の前段及び５－３の後段＞評価試験５－４の前段＞評価試験５－５の後段となっている。そしてラフネスを抑制する傾向については、評価試験５－２の後段、５－３の前段及び５－５の前段＞評価試験５－１の後段及び５－４の後段となっている。

評価試験５－１～５－５の結果について、トップ－ボトム間のエッチング量の差について検証する。この検証の概要を述べると、評価試験４から得られたトップ－ボトム間での凹部１６のエッチング量の差について、サイクル数に応じた補正を行う。それによって評価試験５での前段サイクルのみを行った場合のトップ－ボトム間での見込みのエッチング量の差と、評価試験５での後段サイクルのみを行った場合のトップ－ボトム間での見込みのエッチング量の差と、を各々算出する。この見込みのエッチング量の差同士を合計することでトップ－ボトム間の予想エッチング量の差とする。この予想エッチング量の差、及び予想エッチング量の差を得る過程で取得した見込みのエッチング量の差を、評価試験５から得られた実際のトップ－ボトム間のエッチング量の差と比較する。

以下、具体的に説明すると、評価試験５－１では、トップの開口側エッチング量、奥側エッチング量を夫々A1Ｘ１、A2Ｘ２とし、これらの平均値をA3Ｘ３とする。ボトムの開口側エッチング量、奥側エッチング量を夫々B1Ｙ１、B2Ｙ２とし、これらの平均値をB3Ｙ３とする。A3Ｘ３－B3Ｙ３として算出される値を評価試験５－１におけるトップ－ボトム間のエッチング量の差とする。なお、このように算出されるトップ－ボトム間のエッチング量の差は+の値であった。従って、評価試験５－１においてトップ－ボトム間ではトップの方のエッチング量が大きかった。

サイクル数を除いて、評価試験５－１の前段サイクル、後段サイクルと同じ条件で評価試験４－１、４－３が夫々行われている。評価試験４－１について、（トップの開口側エッチング量とトップの奥側エッチング量との平均値）－（ボトムの開口側エッチング量と、奥側エッチング量との平均値）＝C1Ａ１を取得した。評価試験４－１でのサイクル数は３であるが、評価試験５－１の前段サイクル数は４であるため４／３を乗じることで補正し、得られた値を見込みのエッチング量の差C2Ａ２（＝C１Ａ１×４／３）とする。なお、このC2Ａ２の値は＋の値であった。即ち、トップ－ボトム間ではトップの方のエッチング量が大きい。

そして後段サイクルと同じ条件の評価試験４－３についても同様に、見込みのエッチング量の差を算出した。具体的に評価試験４－３について、（トップの開口側エッチング量とトップの奥側エッチング量との平均値）－（ボトムの開口側エッチング量とボトムの奥側エッチング量との平均値）＝C1Ａ′１を算出した。評価試験４－３でのサイクル数は３であるが、評価試験５－１の後段サイクル数は１であるため１／３を乗じることで補正し、この値を見込みのエッチング量の差C2Ａ′２（＝C′Ａ′１×１／３）とする。このC′Ａ′２は－の値であった。即ち、トップ－ボトム間ではボトムの方のエッチング量が大きい。

見込みのエッチング量の合計C2Ａ２＋C2Ａ′２と、評価試験５－１のA3Ｘ３－B3Ｙ３とを比較すると、略同じ値となっていた。また、C2Ａ２は、このA３Ｘ３－B3Ｙ３よりも大きい。以上の計算結果は、実施形態で述べた２段階の処理を行うにあたり、１段階目の処理終了時にはトップ側とボトム側との間でエッチング量に比較的大きな偏りが生じたとしても、２段階目の処理として、トップ側、ボトム側のうち１段階目の処理とは逆側が大きくなる処理を行うことで、その偏りが相殺されることを示す。

また、上記したように評価試験４－１では各凹部１６について矩形形状であり、ミドル及びボトムの凹部１６にはマイクロラフネスが形成されている。評価試験４－３では各凹部１６について中間形状であり、各凹部１６のラフネスとしては望ましい範囲内に収まっていた。それに対して、評価試験５－１の試験結果としては、ミドル、ボトムの凹部１６は矩形形状であり、トップ、ミドル、ボトムの各凹部１６にマイクロラフネスが確認された。従って、凹部１６の形状及びラフネスについて、前段サイクルの処理条件の影響が比較的大きく現れる結果となった。

評価試験５－２～５－５についても評価試験５－１と同様に上記の計算による検証を行うと、前段サイクル、後段サイクルの実施により、トップ側とボトム側との間でのエッチング量の偏りが相殺されていることが推定される結果となった。なお、検証にあたり、評価試験５－２、５－３では評価試験５－１と同じく評価試験４－１、４－３の処理条件が用いられているが、評価試験５－４、５－５では評価試験４－２の処理条件が用いられているので、その評価試験４－２のデータを用いて検証を行った。
また、評価試験５－２の前段サイクル、後段サイクルについては評価試験５－１と同じく、サイクル数を除いては評価試験４－１、４－３と夫々同じ処理条件である。そして表３に示すように評価試験５－２では、ボトムの凹部１６は矩形形状であり、ミドル、ボトムの各凹部１６にマイクロラフネスが確認されている。そのため、この評価試験５－２でも評価試験５－１と同様、凹部１６の形状及びラフネスについて、前段サイクルの処理条件の影響が比較的大きく現れる結果となった。

評価試験５－３に関して、前段サイクル、後段サイクルはサイクル数を除いて夫々、評価試験４－３、評価試験４－１と同じである。そして表３に示すように評価試験５－３では、トップ、ミドル、ボトムの各凹部１６について中間形状となる一方で、ラフネスが許容範囲に抑えられていた。そして、評価試験４－３では各凹部１６について中間形状であり、且つ各凹部１６のラフネスとしては許容範囲に収まる一方で、評価試験４－１では各凹部１６について矩形形状であり、且つミドル及びボトムの凹部１６にはマイクロラフネスが形成されている。従って、この評価試験５－３でも、凹部１６の形状及びラフネスについて、前段サイクルの処理条件の影響が比較的大きく現れる結果となった。

評価試験５－４に関しては前段サイクル、後段サイクルがサイクル数を除いて夫々、評価試験４－２、評価試験４－３と同じである。表３に示すように評価試験５－４において、ボトムの凹部１６は矩形形状であり、ボトムの凹部１６にマイクロラフネスが確認されている。一方で、評価試験４－２では各凹部１６について矩形形状であり、ボトムの凹部１６にはマイクロラフネスが形成されている。そして、評価試験４－３では各凹部１６について中間形状であり、各凹部１６のラフネスとしては望ましい範囲内に収まっている。従って、この評価試験５－４でも凹部１６の形状及びラフネスについて、前段サイクルの処理条件の影響が比較的大きく現れる結果となった。

評価試験５－５に関しては前段サイクル、後段サイクルがサイクル数を除いて夫々、評価試験４－３、評価試験４－２と同じである。また、上記したように評価試験５－５において、トップ、ミドル、ボトムの各凹部１６について、ラフネスは許容範囲に抑えられると共に中間形状となっていた。一方で、評価試験４－３では各凹部１６について中間形状であり、各凹部１６のラフネスとしては望ましい範囲内に収まっている。そして、評価試験４－２では各凹部１６について矩形形状であり、ボトムの凹部１６にはマイクロラフネスが形成されている。従って、この評価試験５－５でも、凹部１６の形状及びラフネスについて、前段サイクルの処理条件の影響が比較的大きく現れる結果となった。ところで、この評価試験５－５は、トップ、ミドル、ボトムのラフネスが抑制されると共に、トップ－ボトム間のエッチング量の差がＸ３－Ｙ３が評価試験５の中で最も小さかった。そして、各凹部１６の形状としては評価試験５－１の凹部１６の形状よりも若干ラウンド形状寄りであるが、評価試験４－３の各凹部１６の形状と比較すると矩形性が高く、実用可能なものであった。従って、評価試験５－１～５－５の中では、評価試験５－５が最も好ましい結果となった。

以上のように評価試験５からは、前段サイクル、後段サイクルでのトップ側とボトム側との間でのエッチング量の偏りは相殺される結果、トップ側からボトム側に至るまでのエッチング量を均一性高くすることができることが確認された。また、前段サイクルで行う処理条件が、エッチング後の凹部１６の形状、ラフネスに大きく影響を与えることが確認された。そして、これまでに述べたように評価試験５－３、５－５ではトップ、ミドル、ボトムの各々でラフネスが抑えられている。従って、そのようにラフネスを抑えるために、実施形態で述べたようにＮＨ_３ガスの流量比について、前段サイクルの第１処理条件の方が後段サイクルの第２処理条件よりも大きくなるようにすることが好ましいことが示された。評価試験５－３、５－５間で比較すると、トップ、ボトム間でのエッチング量の差が異なっており、評価試験５－５の方がエッチング量の差が小さい。評価試験５－３、５－５間では第２処理条件における処理ガスの供給時間が異なることから、第１処理条件と第２処理条件との間での処理ガスの供給時間を調整することで各凹部１６のラフネスを抑えつつ、トップ、ミドル、ボトム間でのエッチング量のバランスを制御できることが分かる。

なお凹部１６の矩形性についても述べると、評価試験５－１、５－２、５－４の結果から、当該矩形性を高めるにはＮＨ_３ガスの流量比について、第１処理条件の方が第２処理条件よりも小さくなるようにすることが好ましいことが示された。そして、評価試験５－１が最も矩形性が高かったことから、より高い矩形性を得るためには、処理ガスの供給時間について第１処理条件の方が第２処理条件よりも短くなるようにすることが好ましいことが示された。

Ｗ ウエハ
１２ ＳｉＧｅ膜
１３ Ｓｉ膜
４１ Ｆ_２ガス
４２ ＮＨ_３ガス

Claims (15)

1. 側壁がシリコン膜により形成され、奥壁がゲルマニウム含有膜により形成される凹部が形成された基板に、ハロゲン含有ガス及び塩基性ガスを含む処理ガスを供給して、前記シリコン膜の表面を変質させて、反応生成物を生成させる第１工程と、
   前記反応生成物を除去して前記凹部の幅を広げる第２工程と、
   前記第１工程と前記第２工程とからなるサイクルを複数回行う工程と、
   先に行う前記サイクルの前記第１工程を第１処理条件で行い、後に行う前記サイクルの前記第１工程を、前記第１処理条件とは異なる第２処理条件で行う工程と、
   を含む基板処理方法。
2. 前記第１処理条件と前記第２処理条件とは、前記処理ガス中における前記ハロゲン含有ガスに対する前記塩基性ガスの割合、または前記処理ガスの供給時間のうちの少なくとも一方が異なる請求項１記載の基板処理方法。
3. 前記第１処理条件の方が前記第２処理条件よりも前記ハロゲン含有ガスに対する前記塩基性ガスの割合が小さいか、あるいは前記第１処理条件の方が前記第２処理条件よりも前記処理ガスの供給時間が短い請求項２記載の基板処理方法。
4. 前記第１処理条件の方が前記第２処理条件よりも前記ハロゲン含有ガスに対する前記塩基性ガスの割合が大きいか、あるいは前記第１処理条件の方が前記第２処理条件よりも前記処理ガスの供給時間が長い請求項２記載の基板処理方法。
5. 前記凹部は、前記基板の厚さ方向に複数段に形成されており、
   当該複数の凹部は前記厚さ方向と交差する方向に各々開口している請求項３または４記載の基板処理方法。
6. 前記ハロゲン含有ガスは第１フッ素含有ガスであり、前記塩基性ガスはアンモニアガスである請求項２記載の基板処理方法。
7. 前記第１フッ素含有ガスはフッ素ガスである請求項４記載の基板処理方法。
8. 前記ゲルマニウム含有膜は、シリコンゲルマニウム膜である請求項１記載の基板処理方法。
9. 前記第１処理条件及び前記第２処理条件のうちの一方において、前記ハロゲン含有ガスに対する前記塩基性ガスの割合は、０．０１４より小さい請求項２記載の基板処理方法。
10. 前記第１処理条件及び前記第２処理条件において、前記処理ガスの供給時間は１０秒～１５秒である請求項２記載の基板処理方法。
11. 前記第１工程は、前記基板を格納する処理容器内の圧力を２００Ｐａより大きい状態で前記処理容器内に前記処理ガスを供給する工程を含む請求項１０記載の基板処理方法。
12. 前記第１工程は、
    前記ハロゲン含有ガスの前記基板への供給と、前記塩基性ガスの前記基板への供給とを並行して行う第１供給工程と、
    前記第１供給工程の後に、前記ハロゲン含有ガス及び前記塩基性ガスのいずれか一方のみを前記基板に供給する第２供給工程と、
    を含む請求項１記載の基板処理方法。
13. 前記ハロゲン含有ガスは、
    前記第１供給工程において前記基板に供給される第１フッ素含有ガスと、
    前記第２供給工程において前記基板に供給される第２フッ素含有ガスと、からなり、
    前記第１フッ素含有ガスと、前記第２フッ素含有ガスとは、互いに種類が異なる請求項１２記載の基板処理方法。
14. 前記第１のフッ素含有ガスはフッ素ガスであり、
    前記第２のフッ素含有ガスはフッ化水素ガスである請求項１３記載の基板処理方法。
15. 側壁がシリコン膜により形成され、奥壁がゲルマニウム含有膜により形成される凹部が形成された基板における前記シリコン膜の表面を変質させて、反応生成物を生成させるために、ハロゲン含有ガス及び塩基性ガスを含む処理ガスを供給する第１処理部と、
    前記反応生成物を除去して前記凹部の幅を広げる第２処理部と、
    前記第１処理部による処理と前記第２処理部による処理のからなるサイクルが複数回行われ、先に行う前記サイクルの前記第１処理部による処理を第１処理条件で行い、後に行う前記サイクルの前記第１処理部による処理を、前記第１処理条件とは異なる第２処理条件で行うように制御信号を出力する制御部と、
    を含む基板処理装置。

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