JP4184851B2

JP4184851B2 - プラズマ処理方法

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Publication number: JP4184851B2
Application number: JP2003096631A
Authority: JP
Inventors: 克巳堀口; 賢志山本; 清仁伊藤; 啓一菅野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004304029A; US20040222190A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年，半導体素子の高密度化，高集積化に相俟って，高アスペクト比を有するホール（または溝）を形成する必要性が生じている。しかも，形成するホールは，側壁がホールの開口部面に対し略垂直でかつ滑らかとなる適正な形状であることが好ましい。
【０００３】
従来，シリコン層に高アスペクト比を有するホールを形成するためには，プラズマエッチング法が用いられており，いくつかのエッチング条件が開示されている。
【０００４】
一つには，気密な処理容器内で被処理体を載置する下部電極の温度を例えば６０℃以下に設定し，ＨＢｒガス，ＮＦ_３ガス，およびＯ_２ガスの混合ガス，またはＨＢｒガス，ＳＦ_６ガス，およびＯ_２ガスの混合ガスを処理ガスとして用い，処理容器内の圧力を１５０ｍＴｏｒｒ以下に設定してプラズマエッチング処理を行う方法がある。
【０００５】
また，特許文献１には，気密な処理容器内でＨＢｒガス，ＳｉＦ_４ガス，ＳＦ_６ガス，およびＨｅガスを含むＯ_２ガスの混合ガスを処理ガスとして用い，処理容器内の圧力を５０〜１５０ｍＴｏｒｒに設定し，電界に対して垂直な１００Ｇａｕｓｓ以下の磁場を与えてエッチングを行う方法が開示されている。
【０００６】
これらのエッチング方法によれば，処理ガスとしてＨＢｒガスやＳｉＦ_４ガスが採用されているため，ホール内部の側壁に保護膜が形成される。この結果，１μｍ以下の小さな開口径を有するホールをマスクの寸法通りに，かつ垂直に形成することが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−１６３４７８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが，従来の技術によれば，マスクの開口部に付着物（例えばＳｉＢｒ_ｘＯ_ｙ（ＸとＹは結合比を示す））が堆積するおそれがあった。マスクの開口径が大きい場合には，ホールを形成するエッチング工程において，この付着物が問題視されることはなかったが，マスクパターンの微細化が進み，マスクの開口部の直径（開口径）が例えば０．２μｍ以下になると，マスクの開口部に堆積する付着物がもたらす弊害が顕在化するようになってきた。
【０００９】
マスクの開口部に付着物が堆積していくと，開口径が狭まり，形成されるホールの見かけのアスペクト比が大きくなってしまう。アスペクト比が大きくなれば，エッチングレートが低下し，スループットの低下に繋がってしまう。また，アスペクト比が所定値（例えば５０）以上になれば，ホール底部をエッチングすることが極めて困難となり，設計上で定められたホール深さ寸法を得ることができなくなる。
【００１０】
本発明は，従来のプラズマ処理方法が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，その目的は，シリコン層の深部に達する微細なホール（または溝）を高いエッチングレートで形成することが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明によれば，気密な処理容器内に，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ_２ガス，およびＳｉＦ_４ガスに，ＳＦ_６ガスとＮＦ_３ガスの両方またはいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスを導入し，処理ガスをプラズマ化することにより，被処理体のシリコン層をエッチングするプラズマ処理方法が提供される。そして，このプラズマ処理方法は，処理ガスに，さらにＣとＦを含むガスを添加することを特徴としている。ＣおよびＦを含むガスの働きによって，マスクの開口部における付着物の堆積が抑制され，また，堆積した付着物が除去される。この結果，マスクの開口部の直径が極めて小さい場合であっても，シリコン層に深いホールを形成することが可能となる。
【００１２】
ＣおよびＦを含むガスとして，ＣＦ_４ガス，Ｃ_４Ｆ_８ガス，Ｃ_５Ｆ_８ガス，Ｃ_４Ｆ_６ガス，ＣＨＦ_３ガス，またはＣＨ_２Ｆ_２ガスの群から選ばれた１つのガス又は２つ以上の組合わせからなる混合ガスを採用することができる。
【００１３】
マスクの開口部における付着物の堆積を抑制するため，また，堆積した付着物を除去するため，処理ガスに対して，ＣおよびＦを含むガスを例えば１０ｓｃｃｍ以下の流量で添加することが好ましい。さらに，マスクの材料や厚み，あるいはシリコン層のエッチング量に応じて，ＣおよびＦを含むガスの添加量を調整することが好ましい。なお，予めパターニングされたマスクは，少なくともシリコン含有酸化膜層を含むことが好ましい。
【００１４】
本発明によれば，被処理体のシリコン層をエッチングする工程の最初から，または，途中から処理ガスに対するＣおよびＦを含むガスの添加が開始される。また，処理ガスに対するＣおよびＦを含むガスの添加は，エッチング工程の最後まで，または，途中まで継続される。例えば，マスクの開口部における付着物の堆積状況，エッチングによって形成されるホールの開口径またはエッチングによって形成される溝の開口幅に応じてＣおよびＦを含むガスの添加時間を設定することが好ましい。これによって，マスクの開口部への付着物の堆積が抑制される。また，マスクの開口部に付着物が過剰に堆積しても，この付着物を適切に除去することが可能となる。
【００１５】
エッチングによって形成されるホールの開口径またはエッチングによって形成される溝の開口幅が０．２μｍ以下の場合，ホールの開口部への付着物の堆積が特に問題となる。本発明によれば，マスクの開口部における付着物の堆積量が抑制されるため，ホールの開口径または溝の開口幅が０．２μｍ以下であっても，シリコン層に深いホールまたは溝を形成することが可能となる。
【００１６】
なお，本明細書において，１ｍＴｏｒｒは（１０^−３×１０１３２５／７６０）Ｐａ，１ｓｃｃｍは（１０^−６／６０）ｍ^３／ｓｅｃとする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかるプラズマ処理方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１８】
図１は，本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置１００の構成を示す概略断面図である。プラズマ処理装置１００の処理容器１０２は，表面が例えばアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムから構成されており，その表面は，図示しない石英からなる板状部材によって覆われている。また，処理容器１０２は，図１に示すように，接地されている。
【００１９】
処理容器１０２内には，被処理体，例えば半導体ウェハＷが載置されるサセプタとしての機能を兼ね備えた下部電極１０４が配置されている。下部電極１０４は，昇降軸（図示せず）により上下動自在である。
【００２０】
下部電極１０４の下面側には，絶縁材となる石英部材１０５と，ベローズ１０９に接触する導電部材１０７が形成されている。ベローズ１０９は，例えばステンレスから成り，処理容器１０２に接触している。これにより，導電部材１０７は，ベローズ１０９および処理容器１０２を介して接地される。さらに，石英部材１０５，導電部材１０７，およびベローズ１０９を囲うように，ベローズカバー１１１が設けられている。
【００２１】
下部電極１０４の被処理体載置面には，高圧直流電源１０８に接続された静電チャック１１０が設けられている。この静電チャック１１０を囲うようにフォーカスリング１１２が配置されている。
【００２２】
下部電極１０４には，整合器１１６を介して，２系統の高周波電源，すなわち第１高周波電源１１８および第２高周波電源１３８が接続されている。第１高周波電源１１８が出力する電力の周波数（第１周波数という）は，第２高周波電源１３８が出力する電力の周波数（第２周波数という）よりも高く設定される。このようにプラズマ処理装置１００においては，２系統の高周波電力が下部電極１０４に与えられ，かつ，各電力は独立して制御される。この結果，被処理体に形成されるホールの側壁が曲線状に削れる現象，いわゆるボーイング現象の発生が防止され，より適正なホール形状が得られる。
【００２３】
第１周波数としては例えば２７．１２ＭＨｚ以上とするのが好ましい。特に処理空間に磁場を形成しない場合には２７．１２ＭＨｚ以上とするのが好ましい。但し，磁石１３０などを設けて処理空間に磁場を形成する場合には後述するように第１周波数を１３．５６ＭＨｚとしてもよい。これは上記磁場によりプラズマ密度を高くしてシリコンのエッチングレートを大きくできるからである。第２周波数としては例えば３．２ＭＨｚに設定するのが好ましい。
【００２４】
処理容器１０２の上部には，処理容器１０２を介して接地された上部電極１２４が備えられている。上部電極１２４には，処理ガスを導入する多数のガス吐出孔１２６が設けられている。各ガス吐出孔１２６は，ガス供給源（図示せず）に接続されており，これらガス吐出孔１２６を経由して処理空間１２２内に処理ガスが供給される。
【００２５】
処理容器１０２の外部には，処理空間１２２に水平な磁場を与える磁石１３０が配置されている。磁石１３０により例えば被処理体中央部で１７０Ｇａｕｓｓの磁場が処理空間１２２に形成される。このように磁石１３０による磁場が１７０Ｇａｕｓｓ以上の場合には，高周波電源は，たとえば１３．５６ＭＨｚの単一構成としてもよい。
【００２６】
処理容器１０２の下部には，真空ポンプなどの排気系（図示せず）に接続された排気孔１２８が設けられている。この構成によって，処理容器１０２内は所定の真空度に保たれる。
【００２７】
次に，図１および図２を参照しながら，プラズマ処理装置１００の動作について説明する。図２は，エッチング前の被処理体２００の構成を示す概略断面図である。
【００２８】
被処理体２００として，例えば直径が２００ｍｍの半導体ウェハＷを用いる。そして，図２に示すように，その表面にはフォトリソグラフィ工程により直径１５０ｎｍのホール形状がパターニングされたレジスト層２０２を形成しておく。レジスト層２０２の下層には，例えばＣＶＤ酸化膜であるシリコン酸化膜層（ＳｉＯ_２膜）２０４が約７００〜２２００ｎｍの厚さで形成されている。そのシリコン酸化膜層２０４の下層には，シリコン窒化膜層（ＳｉＮ膜）２０６が約２００ｎｍの厚さで形成されている。なお，シリコン窒化膜層２０６とシリコン（Ｓｉ）層２１０との間に，ゲート絶縁膜であるシリコン酸化膜層（ＳｉＯ_２膜）が，数ｎｍ以下の厚さで形成される場合もある。
【００２９】
このように構成された被処理体２００に対して，レジスト層２０２をマスクとして用いてエッチング処理を施し，シリコン酸化膜層２０４およびシリコン窒化膜層２０６をパターニングする。その後，図３に示すように，レジスト層２０２を除去する。シリコン酸化膜層２０４およびシリコン窒化膜層２０６は，シリコン層２１０をエッチングするためのマスクとなる。
【００３０】
所定の形状にパターニングされたシリコン酸化膜層２０４およびシリコン窒化膜層２０６をマスクとして備えた被処理体３００を，被処理体搬入口（図示せず）から処理容器１０２内に搬入し，下部電極１０４上に載置する。排気口１２８から真空ポンプ（図示せず）を用いて処理容器１０２内を排気した後，ガス供給源（図示せず）からガス吐出口１２６を介して処理ガスを処理容器１０２内に導入する。
【００３１】
処理ガスとしては，ＨＢｒガス，ＮＦ_３ガス，ＳｉＦ_４ガス，Ｏ_２ガスに，ＣＦ_４ガスを加えた混合ガスを使用する。なお，ＮＦ_３ガスに代えて，ＳＦ_６ガスを加えるようにしてもよい。処理ガスの流量は，例えばＨＢｒガスが１００〜６００ｓｃｃｍ，Ｏ_２ガスが１〜６０ｓｃｃｍ，ＳｉＦ_４ガスが２〜５０ｓｃｃｍ，ＳＦ_６ガスを用いる場合１〜６０ｓｃｃｍ，ＮＦ_３ガスを用いる場合２〜８０ｓｃｃｍである。また，ＣＦ_４ガスの流量は，５〜５０ｓｃｃｍに調整される。
【００３２】
処理ガスの流量を所定値に調整し，各部の温度を所定の温度に設定した状態で，処理容器１０２内の圧力を所定の値（例えば２００ｍＴｏｒｒ）に設定する。また，下部電極１０４には，第１高周波電源１１８から第１周波数を有する第１高周波電力を，整合器１１６を介して印加するとともに，第２高周波電源１３８から第２周波数を有する第２高周波電力を，整合器１１６を介して印加する。
【００３３】
第１周波数は，上述したように２７．１２ＭＨｚ以上とするのが好ましい。したがって，ここでは第１周波数を４０．０ＭＨｚに設定する。一方，第２周波数については，３．２ＭＨｚに設定する。また，第１高周波電源１１８の出力電力を例えば4００〜６００Ｗに調整し，高周波電源１３８の出力電力を例えば１００〜８００Ｗに調整する。
【００３４】
このように２系統の異なる周波数を有する高周波電力を下部電極１０４に供給することで，処理ガスの解離が促進され，より効率よくシリコン層２１０をエッチングすることが可能になる。
【００３５】
以上のように，プラズマ処理装置１００の準備が整ったところで，被処理体３００に対するエッチング処理が開始される。被処理体３００は，図３に示すように，シリコン酸化膜層２０４およびシリコン窒化膜層２０６（以下まとめてマスク材ともいう）をマスクとしてエッチングされ，シリコン層２１０にホールが形成される。
【００３６】
次に，表１を参照しながら，本実施の形態にかかるプラズマエッチング条件について説明する。表１には，シリコン層２１０に直径０．１５μｍ（設計値）のホールを形成する場合のエッチング条件を示している。なお，上部電極１２４の温度，処理容器１０２の内壁の温度，下部電極１０４の温度はそれぞれ，８０℃，６０℃，１２０℃とする。
【００３７】
（表１）

【００３８】
本実施の形態にかかるプラズマエッチング方法（プラズマ処理方法）は，表１に示したように，複数の工程を有する。
【００３９】
まず，エッチング処理が行われるシリコン層２１０（図３）の表面に自然酸化などで生じたシリコン酸化膜層を除去するブレークスルー工程ＢＴを行う。
【００４０】
続く第１工程Ｓ１において，上方の内径が大きく下方の内径が小さい形状，例えば漏斗形状を有するホールを形成する。かかる形状のホールを形成するために，この工程では，深さ方向へ進むにつれてホールの直径が小さくなるように，シリコン層２１０をエッチングする。この時点でのホールの深さは，例えば１．５μｍである。なお，第１工程Ｓ１をさらに複数の工程に分けて，各工程に異なるエッチング条件を設定するようにしてもよい。これによって，より設計値に近いホール形状を得ることが可能となる。
【００４１】
続いて，シリコン層２１０をさらにエッチングする第２工程Ｓ２，第３工程Ｓ３，および第４工程Ｓ４を行う。これらの工程を経て，シリコン層２１０に形成されるホールは，設計値で定められた深さに達する。表１に示したように，第２工程Ｓ２，第３工程Ｓ３，第４工程Ｓ４にはそれぞれ，異なるエッチング条件が設定されている。このように，エッチング条件を変化させながらホールを形成することによって，最終的に得られるホールの形状を設計値に一致させることが可能となる。
【００４２】
以上の各工程を実施することによって，被処理体３００には，所定の直径および深さを有するホールが形成されることになる。
【００４３】
シリコン膜２１０に微細なホールを形成する場合，ホールがシリコン層２１０の下方へ成長するに従いシリコンのエッチング速度が低下する。この点，本実施の形態にかかるプラズマエッチング方法によれば，エッチング工程の後半，すなわち第３工程Ｓ３，第４工程Ｓ４において，高周波電源１３８の出力を増加させている。これによって，プラズマ中のイオンのエネルギーが増大し，シリコン膜２１０の深い位置におけるエッチングレートの低下が防止される。さらに，第３工程Ｓ３，第４工程Ｓ４においてＯ_２ガスの流量を増加させて，マスク材の上部への保護膜の堆積を促進させている。この結果，高いエッチング選択性が確保される。なお，高周波電源１３８の出力電力を上昇させるタイミングと，Ｏ_２ガスの流量を増加させるタイミングは，実質的に同一であることが好ましい。
【００４４】
次に，シリコン層２１０に対するエッチング処理中に，マスク材の開口部に堆積する付着物について，図４を参照しながら説明する。
【００４５】
本実施の形態にかかるプラズマエッチング方法においては，処理ガスとして，ＨＢｒガス，ＮＦ_３ガス（またはＳＦ_６ガス），ＳｉＦ_４ガス，Ｏ_２ガスに，ＣＦ_４ガスを加えた混合ガスを使用している。このうち，特にＨＢｒガスやＳｉＦ_４ガスは，ホール内壁に対する保護膜の形成に寄与する。ホール内壁に保護膜が形成されることによって，本実施の形態のように，シリコン層２１０に開口径０．１５μｍ（設計値）の微細なホールを，マスクの寸法通りに，かつ垂直に，高い精度で形成することが可能となる。
【００４６】
ところが，シリコン層２１０にホールを形成するためのエッチングが進行していくと，マスクの開口部に付着物（例えばＳｉＢｒ_ｘＯ_ｙ（ＸとＹは結合比を示す））が過剰に堆積してしまう。
【００４７】
図４（ａ）は，エッチング開始から３３０ｓｅｃが経過した時点，すなわち第３工程Ｓ３が終了した時点での被処理体の概略断面（シリコン層２１０の下部は省略する）を示している。この時点でシリコン層２１０には，最終的な深さに達する前のホール２１０ａとホール２１０ｂが形成されている。また，既に３３０ｓｅｃ間エッチングを行っているため，エッチング前に厚さＤ０であったシリコン酸化膜層２０４は，ホール入口の肩部で，厚さＤａ（シリコン酸化膜マスク残量ともいう）となっている。
【００４８】
さらに，図４（ａ）に示すように，マスクの開口部には，付着物３１０が堆積している。このため，マスクの開口径Ｒａ１（１０３ｎｍ）は，ホール２１０ａ，２１０ｂの最上部の開口径Ｒａ２（１３３ｎｍ）よりも狭くなっている。
【００４９】
図４（ｂ）は，エッチング開始から５７０ｓｅｃが経過した時点，すなわち第４工程Ｓ４が終了し，エッチング処理の全工程が完了した時点での被処理体の概略断面（シリコン層２１０の下部は省略する）を示している。図４（ａ）に示した状態から，さらに２４０ｓｅｃの間シリコン層２１０に対するエッチング処理を継続しているため，ホール入口におけるシリコン酸化膜層２０４の肩部の厚さは，ＤａからＤｂに減少している。
【００５０】
図４（ｂ）に示すように，エッチング処理の全工程が完了した時点でのマスクの開口部にも，付着物３１０が堆積している。しかし，この付着物３１０の堆積量は少なく，エッチング処理の全工程が完了した時点でのマスク開口径Ｒｂ１（１２７ｎｍ）は，エッチング開始から３３０ｓｅｃ経過した時点でのマスク開口径Ｒａ１（１０３ｎｍ）よりも拡張されている。
【００５１】
本実施の形態にかかるエッチング条件によれば，第４工程Ｓ４において，処理容器１０２内へＣＦ_４ガスが導入される。このＣＦ_４ガスによって，マスク開口部への付着物の堆積が抑制される。以下，このＣＦ_４ガスがもたらす効果についてさらに詳しく説明する。
【００５２】
図４（ｃ）は，図４（ｂ）と同様に，エッチング開始から５７０ｓｅｃ経過した時点，すなわち第４工程Ｓ４が終了し，エッチング処理の全工程が完了した時点での被処理体の概略断面を示している。ただし，図４（ｃ）に示した被処理体は，図４（ｂ）に示した被処理体とは異なり，ＣＦ_４ガスを含まない処理ガスを用いてエッチング処理が施されたものである。具体的には，図４（ｂ）に示した被処理体のエッチング処理については，第４工程Ｓ４において，処理容器１０２内へ１０ｓｃｃｍの流量のＣＦ_４ガスを導入している（表１参照）。これに対して，図４（ｃ）に示した被処理体のエッチング処理については，いずれの工程においても処理容器１０２内へＣＦ_４ガスを導入していない。
【００５３】
つまり，図４（ｂ）に示した被処理体を得るためのエッチング条件と，図４（ｃ）に示した被処理体を得るためのエッチング条件の相違点は，処理容器１０２内へのＣＦ_４ガスの導入の有無にある。図４（ｂ）と図４（ｃ）を比較すれば明らかなように，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合と，添加しない場合において，マスク開口部への付着物の堆積量に大きな差が生じる。
【００５４】
処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しない場合，ホールが深くなっているエッチング処理の後半では，マスク開口部における付着物３１０の堆積量が多くなる。そして，図４（ｃ）に示すように，エッチング処理の完了時にはマスクの開口径Ｒｃ１（１０８ｎｍ）は，極めて狭くなってしまう。
【００５５】
一方，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合，図４（ｂ）に示すように，エッチング処理の全工程が完了した時点でのマスク開口部における付着物３１０の堆積量は少ない。そして，マスクの開口径Ｒｂ１（１２７ｎｍ）は，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しない場合のマスクの開口径Ｒｃ１（１０８ｎｍ）に比して広くなっている。これは，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合，ホールが深くなっているエッチング処理の後半において，マスクの開口径が広い状態でシリコン層２１０のエッチングが進められていることを意味する。
【００５６】
ところで，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合のホール２１０ａ，２１０ｂの最上部開口径Ｒｂ２（１４０ｎｍ）と，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しない場合のホール２１０ａ，２１０ｂの最上部開口径Ｒｃ２（１３９ｎｍ）に顕著な差異は見られない。すなわち，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しても，シリコン層２１０に形成されるホールの内径は拡大せず，適正なホール形状が得られる。
【００５７】
ただし，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合と添加しない場合とにおいて，ホール入口のシリコン酸化膜層２０４の厚さＤｂ／Ｄｃには差が生じている。図４（ｂ）と図４（ｃ）を比較することによって，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加すると，マスク材を構成するシリコン酸化膜層２０４のエッチングレートが高まることがわかる。少なくとも，シリコン層２１０にホールを形成するためのエッチング工程が完了するまで，シリコン酸化膜層２０４が残存するように，ＣＦ_４ガスの流量および処理容器１０２内への導入タイミングを調整することが好ましい。ＣＦ_４ガスの流量や処理容器１０２内への導入タイミングについては後述する。
【００５８】
次に，表１に示したエッチング条件に基づいてシリコン層２１０をエッチングした結果シリコン層２１０に形成されるホールの形状について図５を参照しながら説明する。
【００５９】
図５（ａ）は，図４（ａ）に対応するものであり，エッチング開始から３３０ｓｅｃ経過した時点におけるホール２１０ａ，２１０ｂの深さ方向の形状を示している。また，図５（ｂ）は，図４（ｂ）に対応するものであり，エッチング開始から５７０ｓｅｃ経過した時点，すなわちＣＦ_４ガスが処理容器１０２内に導入される第４工程Ｓ４が終了し，エッチング処理の全工程が完了した時点におけるホール２１０ａ，２１０ｂの深さ方向の形状を示している。また，図５（ｃ）は，図４（ｃ）に対応するものであり，エッチング開始から５７０ｓｅｃ経過した時点，すなわちＣＦ_４ガスが処理容器１０２内に導入されずにエッチング処理の全工程が完了した時点におけるホール２１０ａ，２１０ｂの深さ方向の形状を示している。なお，ホール形状を正確に把握するために，図５（ａ）（ｂ）（ｃ）には，薬液（例えば，フッ化水素酸）によって洗浄された被処理体の概略断面を示している。したがって，エッチング処理中にホール内壁に形成される保護膜や，マスク材の開口部に堆積した付着物は，図中に表れていない。
【００６０】
図５（ａ）に示したように，エッチング開始から３３０ｓｅｃ経過した時点において，ホール２１０ａ，２１０ｂの深さＤｓａは，５．３７μｍに達している。また，この時点でのホール２１０ａ，２１０ｂの最上部開口径Ｒａｔは，１６２ｎｍであり，ホール２１０ａ，２１０ｂの底部の直径Ｒａｂは，１２７ｎｍである。
【００６１】
エッチング開始から３３０ｓｅｃ後の図５（ａ）の状態から，さらにシリコン層２１０に対するエッチング処理（第４工程Ｓ４）を２４０ｓｅｃ間継続すると，図５（ｂ）に示すように，ホール２１０ａ，２１０ｂの深さＤｓｂは，７．８１μｍに達する。この第４工程Ｓ４では，処理容器１０２に対してＣＦ_４ガスが導入されている。
【００６２】
これに対して，第４工程Ｓ４において，処理容器１０２に対してＣＦ_４ガスが導入されなければ，図５（ｃ）に示すように，ホール２１０ａ，２１０ｂの深さＤｓｃは，７．６５μｍにとどまる。
【００６３】
図５（ｂ）と図５（ｃ）を比較すれば明らかなように，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加する場合と，添加しない場合において，シリコン層２１０に形成されるホールの深さ寸法に大きな差が生じる。この差は，マスク開口部における付着物３１０の堆積量に依存するものである。
【００６４】
図４（ｃ）に示したように，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しない場合には，マスク開口部に付着物３１０が過剰に堆積してしまい，マスクの開口径Ｒｃ１が狭くなる。この結果，形成途中のホール２１０ａ，２１０ｂの見かけのアスペクト比が大きくなってしまう。ここで言う「見かけのアスペクト比」とは，“ホールの深さ／マスク開口径Ｒｃ１”から求められるものである。
【００６５】
見かけのアスペクト比が大きくなれば，特に，ホールが深くなるエッチング後半におけるホール２１０ａ，２１０ｂの底部付近でのエッチングレートが著しく低下してしまい，設計で定められたホール深さ寸法を得ることができないおそれもある。
【００６６】
図４（ｂ）に示したように，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加することによって，マスク開口部における付着物３１０の堆積が抑制され，マスクの開口径Ｒｂ１が拡張される。この結果，ホールが深くなるエッチング後半におけるホール２１０ａ，２１０ｂの底部付近でのエッチングレートの低下が防止され，所定のホール深さ寸法を得ることが可能となる。第４工程Ｓ４において処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合は，この第４工程Ｓ４におけるシリコン層２１０のエッチングレートは，６１０ｎｍ／ｍｉｎとなり，これは処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しない場合のシリコン層２１０のエッチングレート５７０ｎｍ／ｍｉｎに比べて良好な値である。
【００６７】
なお，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合（図５（ｂ）），ホール２１０ａ，２１０ｂの最上部開口径Ｒｂｔは，１７１ｎｍであり，ホール２１０ａ，２１０ｂの底部の直径Ｒｂｂは，１３７ｎｍである。これに対して，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しない場合（図５（ｃ）），ホール２１０ａ，２１０ｂの最上部開口径Ｒｃｔは，１６８ｎｍであり，ホール２１０ａ，２１０ｂの底部の直径Ｒｃｂは，１３５ｎｍである。このように，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しても，シリコン層２１０に形成されるホールの内径を拡大させてしまうことはない。
【００６８】
ここで，処理容器１０２内へ導入するＣＦ_４ガスの流量，および，その導入のタイミングについて検討する。
【００６９】
表２は，処理容器１０２に導入するＣＦ_４ガスの流量と，マスク材を構成するシリコン酸化膜層２０４のエッチングレートおよび面内均一性（半導体ウェハ面内におけるエッチングレートの均一性）との関係を示している。
【００７０】
（表２）

【００７１】
処理容器１０２へ導入するＣＦ_４ガスの流量が増加すると，シリコン酸化膜層２０４のエッチングレートは上昇する。一方，面内均一性に関してはＣＦ_４ガスの流量に依存せず，ほぼ一定の値を示している。したがって，特にエッチングレートに着目してＣＦ_４ガスの流量を設定することが好ましい。具体的には，ホール形成のためのエッチング処理が完了する前にマスク材を構成するシリコン酸化膜層２０４が消失しないようにＣＦ_４ガスの流量を調整する。例えば，５〜５０ｓｃｃｍの範囲でＣＦ_４ガスの流量を調整することが好ましい。本実施の形態にかかるエッチング条件下では，表１に示したように，ＣＦ_４ガスの流量を１０ｓｃｃｍに調整している。
【００７２】
以下，本実施形態における処理容器１０２内へのＣＦ_４ガスの導入タイミングおよび導入期間について図面を参照しながら説明する。ＣＦ_４ガスを処理容器１０２内へ導入する期間（処理ガスにＣＦ_４ガスを添加する期間）については，エッチング工程の最初から最後まで，エッチング工程の最初から途中まで，またはエッチング工程の途中から最後までのいずれかに設定することが可能である。また，エッチング工程の一定の時間だけ，ＣＦ_４ガスを処理容器１０２内へ導入するようにしてもよい。ＣＦ_４ガスを処理容器１０２内へ導入するタイミングやその期間については，エッチングによって形成するホール２１０ａ，２１０ｂの開口径や深さ，マスク材を構成するシリコン酸化膜層２０４の厚さ，処理ガスの種類等に応じて決定することが好ましい。
【００７３】
本実施形態においては，ＣＦ_４ガスの導入タイミングおよび導入期間については例えば以下に説明するように決定する。図６は，シリコン層２１０にホール２１０ａ，２１０ｂを形成するためのエッチングの時間と，マスクの開口径との関係を示している。
【００７４】
図中の○（丸）は，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加しない場合のマスクの開口径を示している。□（四角）は，エッチング開始から３３０ｓｅｃ後，すなわち第４工程Ｓ４から，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合のマスクの開口径を示している。□（四角）で示したＣＦ_４ガスの添加タイミングは，表１のエッチング条件に一致する。また，△（三角）は，エッチング開始から９０ｓｅｃ後，すなわち第３工程Ｓ３から，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加した場合のマスクの開口径を示している。
【００７５】
図６の○（丸）に示した結果によれば，エッチング時間９０〜３３０ｓｅｃの間，マスクの開口部に大量に付着物が堆積し，３３０ｓｅｃ後からは付着物の新たな堆積量は僅かであることがわかる。エッチング時間９０〜３３０ｓｅｃの間は，ホール２０１ａ，２０１ｂがまだ浅く，シリコン層２１０のエッチングレートが高いため，マスクの開口部への付着物の堆積が多くなると考えられる。
【００７６】
したがって，表１のエッチング条件に基づく□（四角）で示したＣＦ_４ガスの添加タイミングに代えて，△（三角）でプロットしたように，エッチング開始９０ｓｅｃ後から（またはエッチングの最初から），３３０ｓｅｃ経過後まで（またはエッチングが終了するまで），処理ガスにＣＦ_４ガスを添加するようにしてもよい。この場合，マスクの開口部に対する付着物の堆積そのものを抑制することが可能となる。
【００７７】
また，□（四角）でプロットしたように，マスク開口部への付着物の堆積が終息するエッチング開始３３０ｓｅｃ後から処理ガスにＣＦ_４ガスを添加することによって，マスク開口部に堆積した付着物がＣＦ_４ガスによってエッチング除去される。
【００７８】
処理ガスにＣＦ_４ガスを添加することによって，ＣＦ_４ガスを添加しない場合に比べてマスクの開口径が３０ｎｍ程度拡張する。そして，処理ガスに対するＣＦ_４ガスの添加のタイミングによって，マスク開口部への付着物の堆積を抑制する効果，もしくは，マスク開口部に堆積した付着物を除去する効果，またはこれら両方の効果が得られる。
【００７９】
処理ガスに対するＣＦ_４ガスの添加のタイミングについては，マスクの開口径がシリコン層２０４のエッチングレートの低下に繋がる程度にまで狭まったとき（例えば，１１０ｎｍ以下になったとき），または，マスクの開口部に付着物が過剰に堆積し始めたときにあわせることが好ましい。また，処理ガスに対するＣＦ_４ガスの添加を停止するタイミングについては，マスク開口部への付着物の堆積が収まったとき（例えば，エッチング開始３３０ｓｅｃ後）にあわせることが好ましい。また，エッチング処理の最後までＣＦ_４ガスを添加し続けることも可能である。ただし，この場合は特に，マスクであるシリコン酸化膜層２０４が消失しないように，ＣＦ_４ガスの流量を適正な値に調整する必要がある。
【００８０】
以上のように，本実施の形態にかかるプラズマエッチング方法によれば，ＨＢｒガス，ＮＦ_３ガス（またはＳＦ_６ガス），ＳｉＦ_４ガス，Ｏ_２ガスが混合されて成る処理ガスに，適切な量のＣＦ_４ガスが適切なタイミングで添加される。このＣＦ_４ガスの働きによって，マスクの開口部における付着物の堆積が抑制され，また，堆積した付着物が除去される。この結果，マスク開口部の直径が極めて小さい場合であっても，シリコン層２１０に深いホールを形成することが可能となる。
【００８１】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるプラズマ処理方法の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８２】
例えば，エッチングによってシリコン層にホールを形成する場合について本発明の実施の形態を説明したが，シリコン層に溝を形成する場合に本発明を適用してもよい。ウェハに（例えばシリコン層に）溝を形成する場合にもホールを形成する場合と同様の効果が得られる。なお，ウェハに溝を形成する場合には，上述したホールの開口径は，溝の開口幅に相当する。
【００８３】
また，本実施の形態では，処理ガスにＣＦ_４ガスを添加する場合に即して本発明の実施の形態を説明したが，ＣＦ_４ガスに代えて，Ｃ_４Ｆ_８ガス，Ｃ_５Ｆ_８ガス，Ｃ_４Ｆ_６ガス等のＣＦ系ガス，または，ＣＨＦ_３ガス，ＣＨ_２Ｆ_２ガス等のＣＨＦ系ガスを処理ガスに添加するようにしてもよい。いずれのガスを採用してもマスク材の開口部における付着物の堆積抑制効果が得られる。
【００８４】
また，本実施の形態にかかるプラズマエッチング方法について，ＳＦ_６ガスまたはＮＦ_３ガスのいずれか一方を含む処理ガスを用いて説明したが，本発明はこれに限らず，ＳＦ_６ガスとＮＦ_３ガスをともに含む処理ガスを用いるようにしても同等の効果が得られる。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば，ＨＢｒガス，ＮＦ_３ガス（またはＳＦ_６ガス），ＳｉＦ_４ガス，Ｏ_２ガスが混合されて成る処理ガスに，ＣおよびＦを含むガスが添加される。このＣおよびＦを含むガスの働きによって，マスクの開口部における付着物の堆積が抑制され，また，堆積した付着物が除去される。この結果，マスクの開口部の直径が極めて小さい場合であっても，シリコン層に深いホールを形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】同実施の形態において，シリコン層のエッチングに用いられるマスクが形成される前の被処理体の構成を示す概略断面図である。
【図３】同実施の形態において，シリコン層のエッチングに用いられるマスクが形成された時点での被処理体の構成を示す概略断面図である。
【図４】マスクの開口部における付着物の堆積状況を示す被処理体の概略断面図である。
【図５】ホール形成状態を示す被処理体の概略断面図である。
【図６】マスクの開口径とエッチング時間との関係を示す図である。
【符号の説明】
１００：プラズマ処理装置
１０２：処理容器
１０４：下部電極
１０５：石英部材
１０７：導電部材
１０８：高圧直流電源
１０９：ベローズ
１１０：静電チャック
１１１：ベローズカバー
１１２：フォーカスリング
１１６：整合器
１１８：高周波電源
１２２：処理空間
１２４：上部電極
１２６：ガス吐出孔
１２８：排気管
１３０：磁石
１３８：高周波電源
２０２：レジスト層
２０４：シリコン酸化膜層
２０６：シリコン窒化膜層
２１０：シリコン層
２１０ａ，２１０ｂ：ホール
Ｗ：半導体ウエハ

Claims

気密な処理容器内に，予めパターニングされたマスクを用いてＨＢｒガス，Ｏ_２ガス，およびＳｉＦ_４ガスに，ＳＦ_６ガスとＮＦ_３ガスの両方またはいずれか一方を加えた混合ガスを含む処理ガスを導入し，前記処理ガスをプラズマ化することにより，被処理体のシリコン層をエッチングするプラズマ処理方法であって，
前記被処理体のシリコン層をエッチングする工程の途中で，前記処理ガスにさらにＣとＦを含むガスを添加することを特徴とする，プラズマ処理方法。
前記ＣとＦを含むガスは，ＣＦ_４ガス，Ｃ_４Ｆ_８ガス，Ｃ_５Ｆ_８ガス，Ｃ_４Ｆ_６ガス，ＣＨＦ_３ガス，またはＣＨ_２Ｆ_２ガスの群から選ばれた１つのガス又は２つ以上の組合わせからなる混合ガスであることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理方法。
前記被処理体のシリコン層をエッチングする工程の最後まで前記ＣとＦを含むガスを前記処理ガスに添加し続けることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
前記被処理体のシリコン層をエッチングする工程の途中で，一定時間だけ前記ＣとＦを含むガスを前記処理ガスに添加することを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理方法。
前記ＣとＦを含むガスを前記処理ガスに添加を開始するタイミングは，前記エッチング途中のホールの開口径または前記エッチング途中の溝の開口幅に応じて決定し、
前記エッチング途中のホールの開口径または前記エッチング途中の溝の開口幅は，０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
前記予めパターニングされたマスクは，少なくともシリコン含有酸化膜層を含むことを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載のプラズマ処理方法。