JP4203996B2 - Etching method and plasma etching apparatus - Google Patents

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Description

技術分野
本発明はエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置に関する。
背景技術
現在，半導体装置の製造工程において，気密な処理容器内にプラズマを形成させ，半導体ウエハ等に所定の処理を行う技術が利用されている。このプラズマを用いた技術においては，半導体装置の高密度高集積化の傾向に相俟って，いかにして微細な加工を精度よく行うかが重要な課題の一つになっている。
例えば，半導体ウエハ上に形成された被処理膜に微細な構造を作るエッチング工程においては，半導体ウエハを載置する載置台を兼ねた下部電極と，それに対向して配置された上部電極との間に処理ガスを導入し，２つの電極のうち少なくとも一方に高周波電力を供給してプラズマを形成させ，このプラズマ中に電子と共に発生するイオン及びラジカルを利用して加工を行う方法がある。
図１０は，従来のプラズマエッチング装置の１例であるプラズマエッチング装置１０の構成を示す概略断面図，図１１は，従来のプラズマエッチング装置の他の１例であるプラズマエッチング装置２０の構成を示す概略断面図である。
図１０に示すように，プラズマエッチング装置１０には，接地された気密な処理容器１０４内に，半導体ウエハＷを載置する載置台を兼ねた下部電極１０６が上下動可能に設けられている。下部電極１０６は，温度調節機構（図示せず）により所定温度に維持され，半導体ウエハＷと下部電極１０６との間には伝熱ガス供給機構（図示せず）から伝熱ガスが所定の圧力で供給される。下部電極１０６に対向して上部電極１０８が設けられ，処理容器１０４を介して接地されている。
処理容器１０４上部にはガス導入口１３２が設けられ，ガス導入系（図示せず）に接続されて所定の処理ガス，例えばＣ４Ｆ６ガス，ＡｒガスおよびＯ２ガスの混合ガスを処理容器１０４内に導入するようになっている。導入された処理ガスは，ガス吐出口１０９より処理室１２に導入される。
処理容器１０４下部には，排気機構（図示せず）に接続された排気管１３６が設けられ，この排気管１３６を介して真空引きされることで，処理容器１０４内は所定の真空度に保たれる。
処理容器１０４の側方には，磁石１３０が設けられ，電界に垂直な水平磁場を与える。磁石１３０の磁場の強度は可変であるように構成される。下部電極１０６には，整合器１４を介して高周波電源１６が接続されている。高周波電源１６の周波数は例えば１３．５６ＭＨｚである。
この高周波電源１６により与えられる高周波電力，及び磁石１３０による水平磁場によって処理容器１０４内に導入された処理ガスはプラズマ状態となり，電極間の下部電極１０６近傍に発生する自己バイアス電圧により加速されたイオン及びラジカルのエネルギーにより，被処理体にエッチング処理が施される。
また，図１１に示すようにプラズマエッチング装置２０には，接地された気密な処理容器４内に，半導体ウエハＷを載置する載置台を兼ねた下部電極１０６が上下動可能に設けられている。下部電極１０６は，温度調節機構（図示せず）により所定温度に維持され，半導体ウエハＷと下部電極１０６との間には伝熱ガス供給機構（図示せず）から伝熱ガスが所定の圧力で供給される。下部電極１０６に対向して，処理容器４上部には上部電極８が設けられている。
さらに，処理容器４上部にはガス導入口１３２が設けられ，ガス導入系（図示せず）に接続されて所定の処理ガス，例えばＣ４Ｆ６ガス，ＡｒガスおよびＯ２ガスの混合ガスを処理容器４内に導入するようになっている。導入された処理ガスは，ガス吐出口９より処理室１２に導入される。
処理容器４下部には，排気機構（図示せず）に接続された排気管３６が設けられ，この排気管３６を介して真空引きされることで，処理容器４内は所定の真空度に保たれる。
上部電極８には，整合器２２を介して高周波電源２４が接続されている。高周波電源２４の周波数は例えば６０ＭＨｚである。下部電極１０６には，整合器２６を介して高周波電源２８が接続されている。高周波電源２８の周波数は例えば２ＭＨｚである。
この高周波電源２４および２８により与えられる高周波電力によって処理容器４内に導入された処理ガスはプラズマ状態となり，電極間の下部電極１０６近傍に発生する自己バイアス電圧により加速されたイオン及びラジカルのエネルギーにより，被処理体にエッチング処理が施される。
図１２は，エッチング時のプラズマエッチング装置内の自己バイアス電圧Ｖｄｃおよびプラズマ電子密度Ｎｅを示すモデル図である。横軸は自己バイアス電圧Ｖｄｃ（Ｖ），縦軸はプラズマ電子密度Ｎｅ（／ｃｍ３）であり，領域Ａはプラズマエッチング装置１０，領域Ｂはプラズマエッチング装置２０により処理を行う際の条件を示す。
図１２に示すように，従来のプラズマエッチング装置１０においては，低自己バイアス電圧Ｖｄｃ，低プラズマ電子密度Ｎｅ，あるいは，高自己バイアス電圧Ｖｄｃ，高プラズマ電子密度Ｎｅというように自己バイアス電圧Ｖｄｃとプラズマ電子密度Ｎｅが略比例する領域，プラズマエッチング装置２０においては，高プラズマ電子密度Ｎｅの領域が用いられていたことが分かる。
ところが，上記従来のプラズマエッチング装置１０または２０によるエッチングでは，微細な加工を行う際に，マスク材に対する被エッチング材のエッチング選択比が十分確保できず，ホールの深さが十分とれないという問題があり，これを改善しようとすると，ホール開口部の広さに比べて底面の広さが十分とれない，あるいは形成されたホールの側壁がテーパ状になる等の問題があった。
本発明は，従来のエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，本発明の目的は，エッチング選択比が十分で，適正なホールの形成が可能な，新規かつ改良されたエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置を提供することである。
発明の開示
本発明者らの検討結果によれば，有機系材料膜（レジスト）のエッチングはプラズマ密度が支配的であり，イオンエネルギの寄与が小さいのに対し，無機系材料膜（シリコン酸化膜）に対するエッチング選択比を高くするためには，プラズマ密度を低く，かつイオンエネルギが高いことが必要である。この場合に，プラズマのイオンエネルギは，エッチングの際における電極の自己バイアス電圧で間接的に把握することができるから，シリコン酸化膜を高エッチングレート及び高エッチング選択比でエッチングするためには，低プラズマ密度かつ高バイアスの条件でエッチングすることが有効となる。電極に印加する高周波電力の周波数が高くなれば，低パワーで所望のプラズマ密度が得られるので，使用電力を大幅に低減することができる。
そこで，このような原理に基づいて上記課題を解決するため，本発明のある観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は８×１０９／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は２０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であることを特徴とするエッチング方法が提供される。
。
このような本発明にかかるエッチング方法よれば，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことにより，被エッチング膜のエッチングレートとマスク材膜に対する被エッチング膜のエッチング選択比をともに大きくとることができ，側面が被処理体表面に対して略垂直な平滑面で，底面の広さも，開口部の広さに対して十分に確保された微細なホールを被エッチング材に形成することが可能である。
また，下部電極には，第１周波数を有する第１高周波電力と，第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが印加されることが好ましい。この場合，第１周波数は４０ＭＨｚ，第２周波数は３．２ＭＨｚとするのが望ましい。さらに，下部電極に印加する４０ＭＨｚの電力密度は０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下とすることが望ましい。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，前記下部電極は，電力密度が０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下であって４０ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするエッチング方法が提供される。
このような本発明にかかるエッチング方法によれば，プラズマエッチング装置の下部電極に周波数の異なる２系統の高周波電力（例えば第１周波数は４０ＭＨｚ，第２周波数は３．２ＭＨｚ）を印加することにより，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことができる。
また，前記被エッチング膜は，シリコン含有酸化膜であってもよく，さらに前記エッチングは，シリコン含有酸化膜を，シリコン窒化膜に対して選択的にエッチングするようにしてもよい。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は８×１０９／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は２０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であり，前記下部電極は，第１周波数を有する第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置が提供される。
このような本発明にかかるエッチング装置よれば，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことにより，被エッチング膜のエッチングレートとマスク材膜に対する被エッチング膜のエッチング選択比をともに大きくとることができ，側面が被処理体表面に対して略垂直な平滑面で，底面の広さも，開口部の広さに対して十分に確保された微細なホールを被エッチング材に形成することが可能である。
また，前記第１周波数は４０ＭＨｚ，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることが好ましく，また，前記下部電極に印加する４０ＭＨｚの電力密度は０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下とすることが望ましい。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，前記下部電極は，電力密度が０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下であって４０ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置。
このような本発明にかかるエッチング装置によれば，下部電極に周波数の異なる２系統の高周波電力（例えば第１周波数は４０ＭＨｚ，第２周波数は３．２ＭＨｚ）を印加することにより，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことができる。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は１×１０１０／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は１０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であることを特徴とするエッチング方法。
このような本発明にかかるエッチング方法よっても，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことにより，被エッチング膜のエッチングレートとマスク材膜に対する被エッチング膜のエッチング選択比をともに大きくとることができ，側面が被処理体表面に対して略垂直な平滑面で，底面の広さも，開口部の広さに対して十分に確保された微細なホールを被エッチング材に形成することが可能である。
また，前記下部電極は，第１周波数を有する第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることが好ましく，この場合，前記第１周波数は１００ＭＨｚ，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることが望ましい。また，前記下部電極に印加する１００ＭＨｚの電力密度は０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下とすることが好ましい。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，前記下部電極は，電力密度が０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下であって１００ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするエッチング方法が提供される。
このような本発明にかかるエッチング方法によれば，プラズマエッチング装置の下部電極に周波数の異なる２系統の高周波電力（例えば第１周波数は１００ＭＨｚ，第２周波数は３．２ＭＨｚ）を印加することにより，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことができる。
また，前記マスク材は，有機物膜であってもよく，さらにこの有機物膜は，レジストであってよい。また，前記被エッチング膜は，無機絶縁膜であってもよい。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は１×１０１０／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は１０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であり，前記下部電極は，第１周波数を有する第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置が提供される。
このような本発明にかかるエッチング装置によっても，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことにより，被エッチング膜のエッチングレートとマスク材膜に対する被エッチング膜のエッチング選択比をともに大きくとることができ，側面が被処理体表面に対して略垂直な平滑面で，底面の広さも，開口部の広さに対して十分に確保された微細なホールを被エッチング材に形成することが可能である。
また，前記第１周波数は１００ＭＨｚ，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることが好ましく，下部電極に印加する１００ＭＨｚの電力密度は０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下とすることが望ましい。
上記課題を解決するため，本発明の別の観点によれば，気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，前記下部電極は，電力密度が０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下であって１００ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置が提供される。
このような本発明にかかるエッチング装置によれば，プラズマエッチング装置の下部電極に周波数の異なる２系統の高周波電力（例えば第１周波数は１００ＭＨｚ，第２周波数は３．２ＭＨｚ）を印加することにより，低プラズマ電子密度，高自己バイアス電圧によりエッチング処理を行うことができる。
なお，本明細書において，高周波電力の電力密度とは，電極に印加する単位面積当りの高周波電力量をいう。また，本明細書中１ｍＴｏｒｒは（１０−３×１０１３２５／７６０）Ｐａ，１ｓｃｃｍは（１０−６／６０）ｍ３／ｓｅｃとする。
発明を実施するための最良の形態
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかる処理装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，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。
（第１の実施の形態）
まず，本発明の１実施の形態にかかるプラズマエッチング装置の構成について図面を参照しながら説明する。図１は，プラズマエッチング装置１００の構成を示す概略断面図である。
図１に示すように，プラズマエッチング装置１００は，接地された気密な処理容器１０４を有している。処理室１０２は，処理容器１０４内部に形成されている。処理室１０２には，被処理体の例えば半導体ウエハＷを載置する載置台を兼ねた導電性の下部電極１０６が上下動可能に配置されている。下部電極１０６は，温度調節機構（図示せず）により所定温度に維持され，半導体ウエハＷと下部電極１０６との間には伝熱ガス供給機構（図示せず）から伝熱ガスが所定の圧力で供給される。下部電極１０６の載置面に対向する位置には，上部電極１０８が形成され，図示の例では処理容器１０４を介して接地されている。
また，処理容器１０４の上部には，ガス供給源（図示せず）に接続されたガス導入口１３２が形成されており，所定の処理ガスが，処理容器１０４内に導入されるようになっている。処理容器１０４内に導入された処理ガスは，上部電極１０８に複数形成されたガス吐出口１０９より処理室１０２内に導入される。処理ガスは例えばＣ４Ｆ６ガス，ＡｒガスおよびＯ２ガスの混合ガスである。
処理容器１０４の下部には排気機構（図示せず）と接続された排気管１３６が設けられ，この排気管１３６を介して真空引きされることで，処理容器１０４内は所定の真空度，例えば５０ｍＴｏｒｒに保たれる。また，処理容器１０４の側方には，磁石１３０が設けられ，電界に垂直な水平磁場を与える。磁石１３０の磁場の強度は可変であるように構成される。
下部電極１０６には，２周波重畳電力を供給する電力供給装置１１２が接続されている。電力供給装置１１２は，第１の周波数の高周波電力を供給する第１電力供給機構１１４と，第１の周波数よりも低い第２の周波数の高周波電力を供給する第２高周波電力供給機構１１６から構成されている。
第１電力供給機構１１４は，下部電極１０６側から順次接続される第１フィルタ１１８，第１整合器１２０及び第１電源１２２を有している。第１フィルタ１１８は，第２周波数の電力成分が第１整合器１２０側に侵入するのを防止する。第１整合器１２０は，第１高周波電力成分をマッチングさせる。第１周波数は例えば４０ＭＨｚである。
第２電力供給機構１１６は，下部電極１０６側から順次接続される第２フィルタ１２４，第２整合器１２６及び第２電源１２８を有している。第２フィルタ１２４は，第１周波数の電力成分が第２整合器１２６側に侵入するのを防止する。第２整合器１２６は，第２高周波電力成分をマッチングさせる。第２周波数は例えば３．２ＭＨｚである。
上記のように構成されたプラズマエッチング装置１００において電力供給装置１１２により与えられる２種類の高周波電力，及び磁石１３０による水平磁場によって処理容器１０４内に導入された処理ガスはプラズマ状態となり，電極間に発生する自己バイアス電圧により加速されたイオン及びラジカルのエネルギーにより，被処理体にエッチング処理が施される。
（被処理体の構成）
次に，本実施の形態において用いられる被エッチング膜を有する被処理体の構成について説明する。図２は，本実施の形態にかかる被処理体２００の構成を示す概略断面図である。同図（ａ）は本実施の形態にかかるエッチング処理を施す前の断面図を示し，同図（ｂ）は当該エッチング処理の途中の断面図を示し，同図（ｃ）は当該エッチング処理を施した後の断面図を示す。
被処理体２００は，図２（ａ）に示すように例えばリソグラフィ工程により予めパターニングされたマスク層２０２，及びその下層の被エッチング層２０４が例えばシリコン基板２０６上部に形成されている。マスク層２０２は，例えばＸ線用，あるいはエキシマレーザ用のレジストが用いられる。被エッチング層２０４は，例えばシリコン酸化膜であるが，ボロンあるいはリンなどを添加したシリコン酸化膜でもよい。また，マスク層２０２と被エッチング層２０４との間に他の材料による膜を有する構成でもよい。
このような被処理体２００に本実施の形態にかかるエッチング処理を施すと，図２（ｃ）に示すようにマスク層２０２のホール径ＣＤ１（以下トップＣＤともいう）に対し，ボトム径ＣＤ２（以下ボトムＣＤともいう），被エッチング層２０４の表面からの深さＤ３のホールが形成される。この時，マスク層２０２はホール入口付近の肩部２０８が，初期の表面から深さＤ２と最も削れることになる。
（エッチング結果の装置依存性）
次に，本実施の形態にかかるプラズマエッチング装置１００及び従来のプラズマエッチング装置１０及び２０により，上記のような被処理体２００にエッチング処理を施した場合の結果について説明する。
図３は，被エッチング層２０４がシリコン基板上に熱酸化で形成された厚さ２１００ｎｍのシリコン酸化膜で，マスク層２０２が厚さ６５０ｎｍのＸ線用レジストで，φ０．１５μｍのホールパターンが形成された被処理体を用いた場合の各装置によるエッチング結果を比較した表である。図３に示すように，各装置によって，処理容器内圧力，高周波電力，上部電極と半導体ウエハ間の距離，半導体ウエハ裏面伝熱ガス圧力，下部電極の温度は異なっているがこれは，各装置でのエッチング処理の最適化を図るためである。処理ガスの種類は全て同一で，Ｃ４Ｆ６ガス，ＡｒガスおよびＯ２ガスの混合ガスを用いている。なおオーバーエッチングは全て約３０％である。
例えば装置１００で処理条件を説明すると，流量はＣ４Ｆ６ガスが３３ｓｃｃｍ，Ａｒガスが５００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスが１８ｓｃｃｍである。処理容器内の圧力は５０ｍＴｏｒｒ、印加電力は，４０ＭＨｚ５００Ｗと，３．２ＭＨｚ１５００Ｗである。上部電極と被処理体である半導体ウエハ表面との距離は２７ｍｍ，半導体ウエハ裏面の伝熱ガス圧力は中心部で７Ｔｏｒｒ，周縁部で４０Ｔｏｒｒ，下部電極１０６の温度は２０℃に設定されている。
それぞれの装置で直径２００ｍｍの半導体ウエハを用いた被処理体をエッチング処理し，被処理体中心部及び周縁部について，エッチングレート，エッチング選択比，ボトムＣＤ／トップＣＤを測定した。ここでエッチング選択比とは，マスク層２０２に対する被エッチング層２０４のエッチングレートの比であり，図２（ｂ）に示すパラメータを用いるとＤ３／Ｄ２である。ボトムＣＤ／トップＣＤは，ホール形状を示す値の１つで，図２（ｃ）に示すパラメータを用いるとＣＤ２／ＣＤ１で表される。
測定結果によれば，エッチングレートは，プラズマエッチング装置（以下単に装置という）２０，装置１０，装置１００の順に高くなっており，同一の時間ではエッチングレートが高いほどエッチングの深さがとれる。しかし，エッチング選択比，ボトムＣＤ／トップＣＤはそれぞれ装置１００が最も高くなっている。
エッチング選択比が低いと，エッチングレートが高くても所望のホールの深さが確保されるまでにマスク層２０２が破壊される危険性がある。深いホールを形成するときにもマスク層２０２を破壊することなくエッチング処理が行えるためには，エッチング選択比が高いことが必要である。また，ボトムＣＤ／トップＣＤが高いと，底面の広さが開口部の広さに対して十分なホールが形成されていることを表し，好ましい。
上記の結果より，特にエッチング選択比において，装置１０及び２０が７前後であるのに対し，装置１００では３０〜４０と非常に高いことから，装置１００は，エッチング選択比を大きくすることが必要とされるエッチング処理工程においては有用な装置であることが分かる。また，ホール断面の形状の観察によっても，ボトムＣＤ／トップＣＤが７０％以上確保でき，装置１０及び２０に比べて優位であることが分かる。
図４は，被エッチング層２０４がシリコン基板上にＣＶＤで形成された厚さ２０００ｎｍのシリコン酸化膜で，厚さ４００ｎｍのマスク層２０２に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ用レジストでφ０．２μｍのホールパターンが形成された被処理体を用いた場合の，各装置によるエッチング結果を比較した表である。図４に示すように，各装置によって，処理容器内圧力，高周波電力，上部電極と半導体ウエハ間の距離，半導体ウエハ裏面の伝熱ガス圧力，下部電極の温度は異なっているがこれは，各装置でのエッチング処理の最適化を図るためである。なお，エッチング時間は全て２４０ｓｅｃで，シリコン基板が露出しない条件で処理した。
例えば装置１００で処理条件を説明すると，流量はＣ４Ｆ６ガスが３３ｓｃｃｍ，Ａｒガスが５００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスが２４ｓｃｃｍである。処理容器内の圧力は５０ｍＴｏｒｒ，印加電力は，４０ＭＨｚ５００Ｗと，３．２ＭＨｚ１５００Ｗである。上部電極と被処理体である半導体ウエハ表面との距離は２７ｍｍ，半導体ウエハ裏面の伝熱ガス圧力は中心部で７Ｔｏｒｒ，周縁部で４０Ｔｏｒｒ，下部電極１０６の温度は２０℃に設定されている。被処理体の構成，各測定項目について等，図３と同様な部分については説明を省略する。
測定結果によれば，エッチングレートは，装置２０，装置１０，装置１００の順に高くなっており，同一の時間ではエッチングレートが高いほどエッチングの深さがとれる。しかし，エッチング選択比は，装置１００が最も高くなっている。前述したように，深いホールを形成するときにもマスク層２０２を破壊することなくエッチング処理を行うために，エッチング選択比が高いことは重要である。
上記の結果より，特にエッチング選択比において，装置１０及び２０に比べて装置１００では最大で２倍程度高いことから，装置１００は，エッチング選択比を大きくすることが必要とされるエッチング処理工程においては有用な装置であることが分かる。
図５に，図３及び図４の結果をまとめて示す。ここでは，図３及び図４に示した各装置のエッチング条件による場合の，プラズマ電子密度Ｎｅ及び自己バイアス電圧Ｖｄｃを示してある。
装置１００ではプラズマ電子密度Ｎｅは，処理ガスの代わりにＡｒガスのみを供給した場合では１ｃｍ３当り３．０×１０１０である。また，自己バイアス電圧Ｖｄｃは，処理ガスの代わりにＡｒガスのみを供給した場合では１４７０Ｖである。装置１０ではプラズマ電子密度ＮｅはＡｒガスのみの場合で１．２×１０１１／ｃｍ３，自己バイアス電圧Ｖｄｃは同じく４７５Ｖである。装置２０ではプラズマ電子密度ＮｅはＡｒガスのみの場合で２．０×１０１１／ｃｍ３，自己バイアス電圧Ｖｄｃは同じく８７５Ｖである。なお，プラズマ電子密度Ｎｅと自己バイアス電圧Ｖｄｃは，処理ガスを供給した場合とＡｒガスのみを供給した場合とでは，値は異なるが相対的には同様の傾向を示し、後者の方が若干大きな値となる。なお，処理ガスを供給した場合のプラズマ密度については後述する。
このとき，Ｘ線用レジストを用いた場合のエッチングレートは，装置１００の場合を基準にして，装置１０は約１．４，装置２０は約１．５である。エキシマレーザ用のレジストを用いた場合は同じく，約１．１，約１．１である。
またエッチング選択比は，Ｘ線用レジストを用いた場合，装置１００で約４１，装置１０で約７，装置２０で約７，エキシマレーザ用レジストを用いた場合は同様に，約１５，約８，約１０である。
上記の結果から分かるように，装置１００によればどちらのレジストをマスクに用いても，装置１０及び２０よりもエッチング選択比を大きくとることができる。このときのプラズマ電子密度Ｎｅは，Ａｒガスの場合の値で比較して，装置１０及び２０に比べ低く，また自己バイアス電圧Ｖｄｃは高くなっている。なお，一般的にプラズマ電子密度を大きくすると自己バイアス電圧は小さくなる。
よって，Ｘ線用レジストまたはエキシマレーザ用レジストなど有機物膜をマスク層２０２として，添加物を含むシリコン酸化膜等被エッチング膜２０４をエッチング処理する場合，低プラズマ電子密度Ｎｅ例えばＡｒガスのみを供給した場合で１．０×１０１１／ｃｍ３以下，好ましくは３．０×１０１０／ｃｍ３以下，高自己バイアス電圧Ｖｄｃ例えばＡｒガスのみを供給した場合で５００Ｖ以上，好ましくは９００Ｖ以上で行うことが好ましい。また自己バイアス電圧Ｖｄｃの上限は選択性の点（自己バイアス電圧Ｖｄｃが大きすぎるとエッチング選択比が低下する）から２０００Ｖ以下好ましくは１６００Ｖ以下が実用的である。
（エッチング結果の磁場依存性）
次に，エッチング結果の，電界に垂直な方向に与えられる水平磁場強度依存性について説明する。図６及び図７は，エッチング結果の磁場依存性を示す図である。ここでは，被エッチング層２０４がシリコン窒化膜（ＳｉＮ）層上にＣＶＤにより形成された厚さ１５００ｎｍのシリコン酸化膜（ＢＳＧ）で，マスク層２０２が多層レジスト工程によりφ０．１７μｍのホールパターンが形成された厚さ９００ｎｍの有機マスクを用い，１２０，６０，３０，０Ｇａｕｓｓの各磁場強度に対し，Ｃ４Ｆ６ガス流量を変化させて，ボトムＣＤ及びエッチング選択比の変化を調べた。オーバーエッチングは全て４０％である。
このとき，共通するエッチング条件は，処理容器内の圧力は４０ｍＴｏｒｒ，上部電極１０８／処理容器１０４内壁の温度は６０／６０℃に設定し，下部電極１０６の温度は，ウエハの温度が１４０〜１５０℃になるように，ウエハ裏面の伝熱ガス圧力（例えばウエハの中心部，周縁部へのバックサイドガス圧力）とともに条件ごとに調整した。印加電力は，４０ＭＨｚ４５０Ｗ，３．２ＭＨｚ１８００Ｗである。また，上部電極１０８とウエハとの間の距離は２７ｍｍとした。この場合について，それぞれ処理ガスの流量において，Ａｒガスが５００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスが２０ｓｃｃｍに対して，Ｃ４Ｆ６ガスの流量を変化させてエッチング処理を行い，ボトムＣＤ及びエッチング選択比を測定した。
図６において，横軸はボトムＣＤ（ｎｍ），縦軸はエッチング選択比である。プロットの近くに書かれた数字は，Ｃ４Ｆ６ガス流量を示す。磁場強度を，半導体ウエハ中心部で０，３０，６０，１２０Ｇａｕｓｓと変化させた場合，Ｃ４Ｆ６ガス流量が小さく，酸素ガス流量比率が大きいとボトムＣＤは大きくとれるが，エッチング選択比は低下する傾向となる。
同じボトムＣＤが得られるＣ４Ｆ６ガス流量条件の場合，磁場強度が弱い方が，エッチングレートが低いが，エッチング選択比が大きくとれ，好ましい方向に移行していることが分かる。つまり，磁場を小さくすることにより電子の閉じこめ効果が小さくなり，電子はグランドに吸収される。それによってプラズマ電子密度Ｎｅが下がり，電子温度は上がる。電子温度の上昇で電子の運動は活発になり，電子はより下部電極１０６へ入りやすくなり，その結果自己バイアス電圧Ｖｄｃは高くなる。すなわち磁場強度を小さくすることは，プラズマ電子密度Ｎｅを低く，自己バイアス電圧Ｖｄｃを高くすることとなるので，これがエッチング条件として好ましいものとなる。また，同じエッチング選択比が得られるＣ４Ｆ６ガス流量条件の場合はボトムＣＤが大きくとれるので，高プラズマ電子密度Ｎｅ，低自己バイアス電圧Ｖｄｃが好ましいエッチング条件となる。
図７には，図６の破線で示した，ボトムＣＤが同等（１７５ｎｍ近傍）の時のエッチングレート，エッチング選択比及びボトムＣＤを示しているが，このように，磁場強度がゼロで，Ｏ２ガス流量が３４ｓｃｃｍの場合にＡｒＦエキシマレーザ用レジストに対するエッチング選択比が大きくとれた。このときプラズマ電子密度ＮｅはＡｒガスのみを供給した場合で１．０×１０１０／ｃｍ３，自己バイアス電圧Ｖｄｃは同じく１２００Ｖだった。実用上，エッチング選択比は１０以上確保する必要があり，エッチングレートおよびボトムＣＤの値も考慮して，磁場は３０Ｇａｕｓｓ以下が好ましい。
（エッチング結果の印加電力依存性）
次に，半導体ウエハ中心部で磁場がゼロの場合について，エッチング結果の印加電力依存性を説明する。図８は，エッチング結果の印加電力依存性を示す表である。図７の場合と同じ被処理体の構造である。また，上部電極１０８とウエハとの間の距離は２７ｍｍとし，オーバーエッチングは全て３０％である。
図８に示すように，装置１００で，処理容器内の圧力は６０ｍＴｏｒｒ，上部電極１０８／処理容器１０４内壁／下部電極１０６の温度はそれぞれ６０／６０／３０℃に設定し，処理ガスの流量は，Ｃ４Ｆ６ガスが３０ｓｃｃｍ，Ａｒガスが５００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガスが２０ｓｃｃｍに設定し，印加電力は，３．２ＭＨｚ１４００Ｗ（４．５Ｗ／ｃｍ２）に対し，４０ＭＨｚの高周波電源１２２から与えられる電力を３００（０．９６Ｗ／ｃｍ２），４５０（１．４Ｗ／ｃｍ２）および６００Ｗ（１．９Ｗ／ｃｍ２）と変化させてエッチング処理を行い，マスク層２０２の残膜厚を調べた。
上記結果より，印加電力が低い方が肩部および平坦部のレジストは多く残っていることが分かり，少なくともこのときＡｒガスのみを供給した場合のプラズマ電子密度Ｎｅ１ｃｍ３当り７×１０９〜１．５×１０１０および同じくＡｒガスのみを供給した場合の自己バイアス電圧Ｖｄｃ１０００Ｖにおいては，実用が可能であると考えられる。プラズマ電子密度Ｎｅは小さすぎるとエッチングレートが低下するので，Ａｒガスのみを供給した場合で１×１０９／ｃｍ３以上，好ましくは５×１０９／ｃｍ３が好ましい。
（エッチング時のプラズマ状態）
図９は，各プラズマエッチング装置によるエッチング処理条件をまとめた表である。図９に示したように，プラズマエッチング装置１０で通常用いられるエッチング条件は，下部電極１０６に１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加し，水平磁場の強度を１２０Ｇａｕｓｓに設定し，Ａｒガスのみを供給した場合のプラズマ中の電子密度は３×１０１０／ｃｍ３以上１×１０１１／ｃｍ３以下，かつ，電極間の下部電極１０６近傍に生ずる自己バイアス電圧は４００Ｖ以下であった。
また，プラズマエッチング装置２０で通常用いられるエッチング条件は，上部電極８に６０ＭＨｚ，下部電極１０６に２ＭＨｚの高周波電力を印加し，磁場は与えない状態で，Ａｒガスのみを供給した場合のプラズマ中の電子密度は１×１０１１／ｃｍ３以上２×１０１１／ｃｍ３以下，かつ，電極間の下部電極１０６近傍に生ずる自己バイアス電圧は７００Ｖ以下であった。
一方，本実施の形態にかかるプラズマエッチング装置１００では，下部電極１０６に４０ＭＨ及び３．２ＭＨｚの２系統の高周波電力を印加し，水平磁場を３０Ｇａｕｓｓ以下の強度で印加した。
このとき，上記各パラメータに対する依存性で説明したように，低プラズマ電子密度Ｎｅ，高自己バイアス電圧Ｖｄｃの領域において各パラメータを最適化すると広い範囲で実用が可能であるので，Ａｒガスのみを供給した場合のプラズマ電子密度Ｎｅが１×１０９／ｃｍ３以上１×１０１１／ｃｍ３以下，かつ，電極間の下部電極１０６近傍に生ずるＡｒガスのみを供給した場合の自己バイアス電圧は５００Ｖ以上２０００Ｖ以下が好ましいと考えられる。さらに好ましくは，Ａｒガスのみを供給した場合のプラズマ電子密度Ｎｅが５×１０９／ｃｍ３以上３×１０１０／ｃｍ３以下，かつ，電極間の下部電極１０６近傍に生ずるＡｒガスのみを供給した場合の自己バイアス電圧は９００Ｖ以上１６００Ｖ以下である。
この，エッチング処理を行うプラズマ電子密度Ｎｅ及び自己バイアス電圧Ｖｄｃの領域は，前述した図１２のＣ領域に当り，従来とは異なるプラズマ状態を利用したエッチング方法及びプラズマエッチング装置であることがわかる。
（処理ガスを使用した場合）
ここで，上記プラズマエッチング装置１００に処理ガスを供給してエッチングを行った場合の結果を説明する。なお，磁石は電界に垂直な水平磁場を与えるものではなく，半導体ウエハＷの周囲に磁場を形成してプラズマを閉じこめる磁石とし，半導体ウエハＷの端部の磁場強度が１０ガウス以下となるようにした。先ず，処理ガスを導入して下部電極へ印加する，異なる周波数を４０ＭＨｚと３．２ＭＨｚとし，それぞれの電力の大きさを変えてエッチング処理を行い，そのときの自己バイアス電圧Ｖｄｃとプラズマ電子密度を測定した。この測定結果をプロットしたものを図１３に示す。この図１３は横軸に自己バイアス電圧Ｖｄｃをとり，縦軸にプラズマ電子密度をとっている。
ここでは図１４（ａ）に示すような被処理体３００にエッチング処理を行った。この被処理体３００は，次のように形成される。半導体基板としてのシリコン基板３０２上にゲート３０４を形成した後，このゲート３０４を覆うように保護膜としてのシリコン窒化膜層３０６を形成する。次いで，全面に絶縁膜層としてＢＰＳＧなどのシリコン酸化膜層３０８を例えばＣＶＤ（化学気相成長法）により成膜する。続いて，シリコン酸化膜層３０８上にフォトレジスト膜塗布した後、ホール３１２のフォトレジストパターンを形成することによりフォトレジスト層３１０を形成する。
次に，こうして形成された被処理体３００に対して，上記プラズマエッチング装置１００により被エッチング層としてのシリコン酸化膜層３０８をシリコン窒化膜層３０６に対して選択的にエッチングしてゲート３０４間にホール３１２を形成する。
このエッチング処理を行う際，ベースとなる条件（１）としては，Ｃ４Ｆ６ガス２８ｓｃｃｍ，Ａｒガス５００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガス２０ｓｃｃｍを処理ガスとして供給し，処理容器内の圧力は５０ｍＴｏｒｒ，上部電極１０８と被処理体である半導体ウエハ表面との距離は２７ｍｍ，半導体ウエハ裏面の伝熱ガス圧力は中心部で７Ｔｏｒｒ，周縁部で４０Ｔｏｒｒ，設定温度は，上部電極１０８が６０℃，下部電極１０６が２０℃，側壁が６０℃である。被処理体である半導体ウエハの直径は８ｉｎｃｈである。
このようなベースの条件（１）で，先ず下部電極１０６への印加電力を３．２ＭＨｚを０Ｗ，すなわち３．２ＭＨｚの高周波電力は印加せず，４０ＭＨｚの高周波電力のみを５００Ｗ（１．６Ｗ／ｃｍ２），１０００Ｗ（３．２Ｗ／ｃｍ２），１５００Ｗ（４．８Ｗ／ｃｍ２），２０００Ｗ（６．４Ｗ／ｃｍ２）と変えてそれぞれエッチング処理を行った。続いて下部電極１０６への印加電力を４０ＭＨｚを５００Ｗ（１．６Ｗ／ｃｍ２）に固定して，３．２ＭＨｚの高周波電力を５００Ｗ（１．６Ｗ／ｃｍ２），１０００Ｗ（３．２Ｗ／ｃｍ２），１５００Ｗ（４．８Ｗ／ｃｍ２）と変えてそれぞれエッチング処理を行った。これらそれぞれのエッチングの実験において，プラズマ電子密度Ｎｅと電極間の下部電極１０６近傍に生ずる自己バイアス電圧を測定してプロットした結果を図１３に示す。
さらに，同様のエッチング処理を処理ガスを変えてそれぞれ行った。具体的にはＣ５Ｆ８ガス１１ｓｃｃｍ，Ａｒガス５００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガス１１ｓｃｃｍを処理ガスとして上記の条件でエッチングを行い，続いてＣ４Ｆ６ガス１０ｓｃｃｍ，Ａｒガス２００ｓｃｃｍ，ＣＯガス５０ｓｃｃｍ，Ｏ２ガス５ｓｃｃｍを処理ガスとして上記の条件でエッチングを行った。これらの場合のプラズマ電子密度Ｎｅと自己バイアス電圧の測定結果も図１３にプロットして示す。
この図１３に示す測定結果によれば，４０ＭＨｚの高周波電力のみを変えて下部電極１０６に印加した場合は，４０ＭＨｚの印加電力の大きさを５００Ｗ（１．６Ｗ／ｃｍ２），１０００Ｗ（３．２Ｗ／ｃｍ２），１５００Ｗ（４．８Ｗ／ｃｍ２），２０００Ｗ（６．４Ｗ／ｃｍ２）と大きくするに連れてプラズマ電子密度Ｎｅも大きくなることがわかる。これに対し，３．２ＭＨｚの高周波電力のみを変えて下部電極１０６に印加した場合は，３．２ＭＨｚの印加電力の大きさを０Ｗ，５００Ｗ（１．６Ｗ／ｃｍ２），１０００Ｗ（３．２Ｗ／ｃｍ２），１５００Ｗ（４．８Ｗ／ｃｍ２）と大きくしてもプラズマ電子密度Ｎｅはほとんど変化しないことがわかる。また，図１３に示す測定結果によれば，処理ガスの種類が異なっても上記と同様の傾向があることもわかる。
次に，こうして得られた図１３に示す測定結果を基にして，様々なプラズマ電子密度Ｎｅと自己バイアス電圧との組合せで，図１４に示す被処理体３００に対してエッチング処理を行い，エッチングレート，形成されたホールのテーパ角，選択比を測定した結果を説明する。
先ず，このエッチング処理を行う際のベースとした条件（２）は，処理ガスとしてＣ４Ｆ６ガス２２ｓｃｃｍ，Ａｒガス５００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガス２０ｓｃｃｍを供給し，処理容器内の圧力は５０ｍＴｏｒｒ，上部電極１０８と被処理体である半導体ウエハ表面との距離は２７ｍｍ，半導体ウエハ裏面の伝熱ガス圧力は中心部で７Ｔｏｒｒ，周縁部で４０Ｔｏｒｒ，設定温度は上部電極１０８が６０℃，下部電極１０６が２０℃，側壁が６０℃である。
このベースの条件（２）で，先ず（ａ）低いプラズマ電子密度Ｎｅ（低密度）かつ高い自己バイアス電圧（高バイアス）でエッチング処理を行った。具体的には例えば下部電極１０６への印加電力を４０ＭＨｚ５００Ｗ，３．２ＭＨｚ１６００Ｗとした。
次いで（ｂ）低いプラズマ電子密度Ｎｅ（低密度）かつ低い自己バイアス電圧（低バイアス）でエッチング処理を行った。具体的には例えば下部電極１０６への印加電力を４０ＭＨｚ５００Ｗ，３．２ＭＨｚ８００Ｗとした。続いて（ｃ）高いプラズマ電子密度Ｎｅ（高密度）かつ低い自己バイアス電圧（低バイアス）でエッチング処理を行った。具体的には例えば下部電極１０６への印加電力を４０ＭＨｚ１９００Ｗ，３．２ＭＨｚ８００Ｗとした。
次に（ｄ）高いプラズマ電子密度Ｎｅ（高密度）かつ高い自己バイアス電圧（高バイアス）でエッチング処理を行った。具体的には例えば下部電極１０６への印加電力を４０ＭＨｚ１９００Ｗ，３．２ＭＨｚ１６００Ｗとした。続いて（ｅ）中程度のプラズマ電子密度Ｎｅ（中密度）かつ中程度の自己バイアス電圧（中バイアス）でエッチング処理を行った。具体的には例えば下部電極１０６への印加電力を４０ＭＨｚ１２００Ｗ，３．２ＭＨｚ１２００Ｗとした。
このようなエッチング処理を行ってエッチングレート，テーパ角，選択比を測定した結果を図１５にまとめる。この図１５においてエッチングレートとしては，被エッチング膜であるＢＰＳＧ膜のエッチングレートを測定し，テーパ角としては図１４（ｂ）に示すように被処理体の上面との平行線に対するエッチング後のホールの側壁の傾き角θを測定し，選択比としてはマスク材であるレジスト膜に対するＢＰＳＧ膜の選択比（ＢＰＳＧ膜のエッチングレート／レジスト膜のエッチングレート）を測定したものである。
図１５に示す測定結果によれば，（ａ）低いプラズマ電子密度Ｎｅ（低密度）かつ高い自己バイアス電圧（高バイアス）でエッチング処理を行った場合が，比較的高いエッチングレートでありながら，垂直形状もよく，さらに選択比も大きくなることがわかる。
このように，低いプラズマ電子密度Ｎｅかつ高い自己バイアス電圧Ｖｄｃの範囲でエッチング処理を行うことで，被エッチング膜であるＢＰＳＧ膜のエッチングレートが高い状態で，マスク材膜であるレジストに対するＢＰＳＧ膜のエッチング選択比を大きくとることができ，しかも平滑な略垂直の側壁を有し，開口部の広さに対し底面の広さも十分確保できるホールを形成することができる。
実用的には例えば低プラズマ電子密度Ｎｅが５×１０９／ｃｍ３〜１×１０１１／ｃｍ３でかつ高自己バイアス電圧Ｖｄｃが１０００Ｖ〜３０００Ｖの範囲が好ましく，さらに低プラズマ電子密度Ｎｅが８×１０９／ｃｍ３〜８×１０１０／ｃｍ３でかつ高自己バイアス電圧Ｖｄｃが２０００Ｖ〜３０００Ｖの範囲がより好ましい。印加電力の場合，４０ＭＨｚが１００Ｗ（０．３２Ｗ／ｃｍ２）以上１０００Ｗ（３．２Ｗ／ｃｍ２）以下，３．２ＭＨｚが２００Ｗ（０．６４Ｗ／ｃｍ２）以上２０００Ｗ（６．４Ｗ／ｃｍ２）以下が好ましく，さらに３．２ＭＨｚが５００Ｗ（１．６Ｗ／ｃｍ２）以上２０００Ｗ（６．４Ｗ／ｃｍ２）がより好ましい。
（第２の実施の形態）
次に，本発明の第２の実施の形態について図面を参照しながら説明する。上記第１の実施の形態では，プラズマエッチング装置１００において下部電極１０６に印加する２種類の高周波電力を４０Ｈｚと３．２ＭＨｚとした場合について説明したが，第２の実施の形態では下部電極１０６に印加する２種類の高周波電力を１００Ｈｚと３．２ＭＨｚとした場合について説明する。従って，第２の実施の形態におけるプラズマエッチング装置１００の高周波電源１２２は，１００ＭＨｚの高周波電力を変化させることができるように構成される。
また，磁石１３０は半導体ウエハＷの周囲に磁場を形成してプラズマを閉じ込める磁石とし，半導体ウエハＷの端部の磁場強度が１０ガウス以下となるようにした。
上記プラズマエッチング装置１００に処理ガスを供給してエッチングを行った場合の結果を説明する。先ず，処理ガスを導入して下部電極へ印加する異なる周波数を１００ＭＨｚと３．２ＭＨｚとし，それぞれの電力の大きさを変えてエッチング処理を行い，そのときの自己バイアス電圧Ｖｄｃとプラズマ電子密度を測定した。この測定結果をプロットしたものを図１６に示す。この図１６は横軸に自己バイアス電圧Ｖｄｃをとり，縦軸にプラズマ電子密度をとっている。
ここでは，図２に示す直径３００ｍｍの半導体ウエハを用いた被処理体２００にエッチング処理を行い，ホールを形成する。なお，各膜厚としては，例えばマスク層２０２が６２０ｎｍ，被エッチング層２０４が２μｍである。
このエッチング処理を行う際，ベースとなる条件（３）としては，例えばＣ４Ｆ６ガス７０ｓｃｃｍ，Ａｒガス１０００ｓｃｃｍ，Ｏ２ガス４７ｓｃｃｍを処理ガスとして供給し，処理容器内の圧力は５０ｍＴｏｒｒ，上部電極１０８と被処理体である半導体ウエハ表面との距離は４０ｍｍ，半導体ウエハ裏面の伝熱ガス圧力は中心部で１０Ｔｏｒｒ，周縁部で５０Ｔｏｒｒ，設定温度は，上部電極１０８が６０℃，下部電極１０６が２０℃，側壁が６０℃である。磁石１３０の磁場の強度は，ウエハ周縁部が略５Ｇａｕｓｓとなるように略３００Ｇａｕｓｓとする。
このようなベースの条件（３）で，先ず下部電極１０６への印加電力を３．２ＭＨｚを０Ｗ，すなわち３．２ＭＨｚの高周波電力は印加せず，１００ＭＨｚの高周波電力のみを１００Ｗ（０．１３Ｗ／ｃｍ２），２００Ｗ（０．２７Ｗ／ｃｍ２），５００Ｗ（０．６８Ｗ／ｃｍ２），１０００Ｗ（１．４Ｗ／ｃｍ２），１５００Ｗ（２．１Ｗ／ｃｍ２），２０００Ｗ（２．７Ｗ／ｃｍ２），２５００Ｗ（３．１Ｗ／ｃｍ２）と変えてそれぞれエッチング処理を行った。続いて下部電極１０６への印加電力を１００ＭＨｚを５００Ｗ（０．６８Ｗ／ｃｍ２）に固定して，３．２ＭＨｚの高周波電力を１０００Ｗ（１．４Ｗ／ｃｍ２），２０００Ｗ（２．７Ｗ／ｃｍ２），３０００Ｗ（４．２Ｗ／ｃｍ２），４０００Ｗ（５．６Ｗ／ｃｍ２），５０００Ｗ（６．２Ｗ／ｃｍ２），６０００Ｗ（８．２Ｗ／ｃｍ２）と変えてそれぞれエッチング処理を行った。これらそれぞれのエッチングの実験において，プラズマ電子密度Ｎｅと電極間の下部電極１０６近傍に生ずる自己バイアス電圧を測定してプロットした結果を図１６に示す。
この測定結果によれば，１００ＭＨｚの高周波電力のみを変えて下部電極１０６に印加した場合は，１００ＭＨｚの印加電力の大きさを１００Ｗ，２００Ｗ，５００Ｗ，１０００Ｗ，１５００Ｗ，２０００Ｗ，２５００Ｗと大きくするに連れてプラズマ電子密度Ｎｅも大きくなることがわかる。これに対し，３．２ＭＨｚの高周波電力のみを変えて下部電極１０６に印加した場合は，３．２ＭＨｚの印加電力の大きさを５００Ｗ，１０００Ｗ，２０００Ｗ，３０００Ｗ，４０００Ｗ，５０００Ｗ，６０００Ｗと大きくしてもプラズマ電子密度Ｎｅはほとんど変化しないことがわかる。なお，例えばＣ４Ｆ６の代りにＣ４Ｆ８を含む処理ガスを使用した場合など，処理ガスの種類が異なっても上記と同様の傾向がある。
次に，上述した実験によりエッチング処理の他，下部電極に印加する１００ＭＨｚの電力の大きさと３．２ＭＨｚの電力の大きさとの組合せを変えて様々なエッチング処理を行い，各エッチング処理を行った後の被エッチング膜２０４のエッチングレートと，エッチング選択比を測定した。ここでエッチング選択比とは，マスク層２０２に対する被エッチング層２０４のエッチングレートの比であり，図２（ｂ）に示したパラメータを用いるとＤ３′／Ｄ２′である。
この測定結果を図１７及び図１８に示す。図１７は，横軸に３．２ＭＨｚの高周波電力の大きさ（Ｐｏｗｅｒ）をとり，縦軸に周波数１００ＭＨｚの高周波電力の大きさ（Ｐｏｗｅｒ）をとったもので，同じエッチングレートを連ねたエッチングレートの等高線と，同じエッチング選択比を連ねた選択比の等高線を図示したものである。また，図１８は横軸に高自己バイアス電圧Ｖｄｃをとり，縦軸に低プラズマ電子密度Ｎｅをとったもので，図１７と同様に同じエッチングレートを連ねたエッチングレートの等高線と，同じエッチング選択比を連ねた選択比の等高線を図示したものである。
先ず，図１７を見ると，測定した範囲では同図右下の領域に向うほど，すなわち１００ＭＨｚの高周波電力の大きさが小さく，３．２ＭＨｚの高周波電力の大きさが大きいほど被エッチング膜２０４のエッチングレートとエッチング選択比がともに大きくなることがわかる。３．２ＭＨｚの高周波電力の大きさが６０００Ｗくらいまで同様の傾向がある。
ここで，１００ＭＨｚの電力（すなわちプラズマ電子密度Ｎｅ）が小さすぎるとエッチングレートが小さくなりすぎるので適当ではなく，３．２ＭＨｚの電力が大きすぎると，エッチング選択比が低下するので適当ではない。
実用的には，被エッチング膜２０４のエッチングレート２０００／ｍｉｎ以上，エッチング選択比３以上となることが必要なので，３．２ＭＨｚの高周波電力の大きさが２０００Ｗ（２．７Ｗ／ｃｍ２）以上６０００Ｗ（８．２Ｗ／ｃｍ２）以下であり，１００ＭＨｚの高周波電力の大きさが１００Ｗ（０．１３Ｗ／ｃｍ２）以上１０００Ｗ（１．４Ｗ／ｃｍ２）以下の範囲における各電力の大きさの組合せが好ましい。すなわち，このような範囲における各高周波電力の大きさの組合せを用いることにより，被エッチング膜２０４のエッチングレートとエッチング選択比をともに大きくとることができる。
また，図１８は見方を変えたものであるが，この結果を見ても，測定した範囲では同図右下の領域に向うほど，すなわちプラズマ電子密度Ｎｅが低く，自己バイアス電圧Ｖｄｃが高いほど，被エッチング膜２０４のエッチングレートとエッチング選択比がともに大きくなることがわかる。
実用的には，プラズマ電子密度Ｎｅが１×１０１０／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下で，自己バイアス電圧Ｖｄｃが１０００Ｖ以上３０００Ｖ以下の範囲が好ましい。すなわち，プラズマ電子密度Ｎｅ，自己バイアス電圧Ｖｄｃをこのような範囲にすることにより，被エッチング膜２０４のエッチングレートとエッチング選択比をともに大きくとることができる。
以上詳細に説明したように，プラズマエッチング装置１００によれば，低プラズマ電子密度Ｎｅ，高自己バイアス電圧Ｖｄｃの範囲で，さらに低磁場強度でエッチング処理を行うことで，エッチングレート，エッチング選択比が高くとれ，適正な形状のホールを形成することができる。
ここで，低プラズマ電子密度Ｎｅ，高自己バイアス電圧Ｖｄｃの範囲とは，例えばＡｒガスのみを供給した場合ではプラズマ電子密度Ｎｅが１×１０９／ｃｍ３以上１×１０１１／ｃｍ３以下，自己バイアス電圧Ｖｄｃが５００Ｖ以上２０００Ｖ以下の範囲である。
また，処理ガスを供給した場合では，第１の実施形態のように下部電極に４０ＭＨｚと３．２ＭＨｚの高周波電力を印加する場合には，実用的にプラズマ電子密度Ｎｅが５×１０９／ｃｍ３以上１×１０１１／ｃｍ３以下，自己バイアス電圧Ｖｄｃが１０００Ｖ以上３０００Ｖ以下の範囲が好ましく，より好ましくはプラズマ電子密度Ｎｅが８×１０９／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下，自己バイアス電圧Ｖｄｃが２０００Ｖ以上３０００Ｖ以下の範囲が望ましい。また，印加電力に関しては，４０ＭＨｚが１００Ｗ（０．３２Ｗ／ｃｍ２）以上１０００Ｗ（３．２Ｗ／ｃｍ２）以下，３．２ＭＨｚが２００Ｗ（０．６４Ｗ／ｃｍ２）以上２０００Ｗ（６．４Ｗ／ｃｍ２）以下が好ましく，より好ましくは３．２ＭＨｚが５００Ｗ（１．６Ｗ／ｃｍ２）以上２０００Ｗ（６．４Ｗ／ｃｍ２）以下が望ましい。
また，第２の実施形態のように下部電極に１００ＭＨｚと３．２ＭＨｚの高周波電力を印加する場合には，実用的にプラズマ電子密度Ｎｅが１×１０１０／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下，自己バイアス電圧Ｖｄｃが１０００Ｖ以上３０００Ｖ以下の範囲が好ましい。印加電力としては１００ＭＨｚが１００Ｗ（０．１３Ｗ／ｃｍ２）以上１０００Ｗ（１．４Ｗ／ｃｍ２）以下，３．２ＭＨｚが２０００Ｗ（２．７Ｗ／ｃｍ２）以上６０００Ｗ（８．２Ｗ／ｃｍ２）以下が好ましい。
また，低磁場強度としては，例えば被処理体上の磁場強度が１０ａｕｓｓ以下となるように，エッチング処理を行うことが好ましい。この場合の磁場としては，処理容器壁付近にプラズマを閉じこめるための磁場を形成することが好ましい。本実施の形態ではその１例として磁石１３０により，磁石のＮ極とＳ極が処理容器の周方向に交互に配列したマルチポールマグネット（ＭＰＭ）を構成している。
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置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。
例えば，被エッチング膜には，シリコン酸化膜を例に挙げたが，これに限定されない。他のシリコン含有酸化膜例えば，炭素添加ケイ酸（ＳｉＯＣ）膜，水素添加ケイ酸（ＳｉＯＨ）膜，フッ素添加ケイ酸（ＳｉＯＦ）膜等，他の低誘電率膜にも適用が可能である。
また，本発明は，平行平極型（平行平板電極型）のプラズマエッチング装置以外に，誘導結合型プラズマエッチング装置や電子サイクロトロン共鳴型プラズマエッチング装置等の他のプラズマエッチング装置にも適用できる。
なお，上記第１及び第２の実施の形態におけるエッチング処理の実験では，電極間距離を２７ｍｍとしているが，必ずしもこれに限定されるものではない。但し，電極間距離を小さくしすぎると被処理体の表面の圧力分布（中心部と周辺部の圧力差）が大きくなって，エッチング均一性の低下等の問題を生じるので，電極間距離は３５〜５０ｍｍが好ましい。
このことを図１９を参照して説明する。図１９は、プラズマガスとしてＡｒガスを用いた場合のＡｒガス流量とウエハ中心部と周辺部の圧力差ΔＰとの関係を電極間ギャップ２５ｍｍの場合と４０ｍｍの場合とで比較して示す図である。この図に示すように、ギャップが４０ｍｍのほうが２５ｍｍよりも圧力差ΔＰが小さく、また、ギャップ２５ｍｍの場合には、Ａｒガス流量の上昇にともなって圧力差ΔＰが急激に大きくなる傾向にあり、ガス流量が０．３Ｌ／ｍｉｎ程度以上で好ましい圧力差ΔＰである０．２７Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）を超えてしまうのに対し、ギャップ４０ｍｍの場合にはガス流量によらず圧力差が０．２７Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）より小さい。この図１９からギャップがおよそ３５ｍｍ以上でガス流量によらず好ましい圧力差とできることが予想される。
また、パッシェンの法則（Ｐａｓｃｈｅｎｓ’ｌａｗ）より、放電開始電圧Ｖｓは、ガス圧力ｐと電極間距離ｄの積ｐｄがある値の時に極小値（パッシェン最小値）をとり、パッシェン最小値をとるｐｄの値は高周波電力の周波数が大きいほど小さくなることから、本発明のようこ高周波電力の周波数が大きい場合に放電開始電圧Ｖｓを小さくして放電を容易にし、安定させるためには、ガス圧力ｐが一定であれば電極間距離ｄを小さくする必要があり、そのため本発明では電極間距離を５０ｍｍ以下とすることが好ましい。また、電極間距離を５０ｍｍ以下とすることで、チャンバー内でのガスのレジデンスタイムを短くすることができるので反応生成物が効率的に排出され、エッチングストップを低減することができるという効果も得られる。
このように，本発明によれば，プラズマエッチング装置の下部電極に周波数の異なる２系統の高周波電力を印加し，低プラズマ電子密度Ｎｅ，高自己バイアス電圧Ｖｄｃ，低磁場強度によりエッチング処理を行ったので，被エッチング膜のエッチングレートとマスク材膜に対する被エッチング膜のエッチング選択比をともに大きくとることができ，しかも，平滑な略垂直の側壁を有し，開口部の広さに対し底面の広さも十分確保できたホールの形成が可能である。
産業上の利用の可能性
本発明は，半導体装置の製造工程におけるエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置に適用可能であり，特に，マスク材に対する被エッチング材のエッチング選択比を向上させることの可能なエッチング方法及びプラズマエッチング処理装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の第１の実施の形態にかかるプラズマエッチング装置１００の構成を示す概略断面図である。
図２は同実施の形態にかかる被処理体２００の構成を示す概略断面図である。
図３はマスク層２０２にＸ線用レジストを用いた場合の各装置によるエッチング結果の比較を示す図である。
図４はマスク層２０２に波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ用レジストを用いた場合の各装置によるエッチング結果の比較を示す図である。
図５は各装置のエッチング条件による場合の，プラズマ電子密度Ｎｅ及び自己バイアス電圧Ｖｄｃを示す図である。
図６はエッチング結果の磁場依存性を示す図である。
図７はエッチング結果の磁場依存性を示す図である。
図８はエッチング結果の印加電力依存性を示す図である。
図９は各プラズマエッチング装置によるエッチング処理条件をまとめた図である。
図１０はプラズマエッチング装置１０の構成を示す概略断面図である。
図１１はプラズマエッチング装置２０の構成を示す概略断面図である。
図１２はエッチング時のプラズマエッチング装置内の自己バイアス電圧Ｖｄｃおよびプラズマ電子密度Ｎｅを示す図である。
図１３はエッチング時のプラズマエッチング装置内の自己バイアス電圧Ｖｄｃおよびプラズマ電子密度Ｎｅを示す図である。
図１４は同実施の形態にかかる被処理体３００の構成を示す概略断面図である。
図１５は下部電極に印加する４０ＭＨｚと３．２ＭＨｚとの高周波電力の大きさを変えてエッチング実験を行った結果を比較する図である。
図１６は本発明の第２の実施の形態におけるエッチング時のプラズマエッチング装置内の自己バイアス電圧Ｖｄｃおよびプラズマ電子密度Ｎｅを示す図である。
図１７はエッチングレートとエッチング選択比の等高線を示す図である。
図１８はエッチングレートとエッチング選択比の等高線を示す図である。
図１９はプラズマガスとしてＡｒガスを用いた場合のＡｒガス流量とウエハ中心部と周辺部の圧力差ΔＰとの関係を電極間ギャップ２５ｍｍの場合と４０ｍｍの場合との比較を示す図である。Technical field
The present invention relates to an etching method and a plasma etching processing apparatus.
Background art
Currently, in a manufacturing process of a semiconductor device, a technique for forming a plasma in an airtight processing container and performing a predetermined processing on a semiconductor wafer or the like is used. In the technology using this plasma, one of the important issues is how to carry out fine processing with high precision in accordance with the trend of high density and high integration of semiconductor devices.
For example, in an etching process for forming a fine structure in a film to be processed formed on a semiconductor wafer, a gap between a lower electrode that also serves as a mounting table on which the semiconductor wafer is mounted and an upper electrode that is disposed opposite to the lower electrode. There is a method in which a processing gas is introduced into the plasma, high-frequency power is supplied to at least one of the two electrodes to form plasma, and processing is performed using ions and radicals generated together with electrons in the plasma.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a plasma etching apparatus 10 as an example of a conventional plasma etching apparatus, and FIG. 11 shows a configuration of a plasma etching apparatus 20 as another example of the conventional plasma etching apparatus. It is a schematic sectional drawing.
As shown in FIG. 10, the plasma etching apparatus 10 is provided with a lower electrode 106 that also serves as a mounting table on which a semiconductor wafer W is mounted in a grounded and airtight processing container 104 so as to be movable up and down. The lower electrode 106 is maintained at a predetermined temperature by a temperature adjustment mechanism (not shown), and the heat transfer gas is supplied from the heat transfer gas supply mechanism (not shown) to a predetermined pressure between the semiconductor wafer W and the lower electrode 106. Supplied in. An upper electrode 108 is provided to face the lower electrode 106 and is grounded through the processing vessel 104.
A gas inlet 132 is provided in the upper part of the processing vessel 104 and is connected to a gas introduction system (not shown) to connect a predetermined processing gas, for example, C 4 F 6 Gas, Ar gas and O 2 A mixed gas of gas is introduced into the processing container 104. The introduced processing gas is introduced into the processing chamber 12 through the gas discharge port 109.
An exhaust pipe 136 connected to an exhaust mechanism (not shown) is provided at the lower portion of the processing container 104, and the inside of the processing container 104 is maintained at a predetermined degree of vacuum by being evacuated through the exhaust pipe 136. Be drunk.
A magnet 130 is provided on the side of the processing vessel 104 to apply a horizontal magnetic field perpendicular to the electric field. The magnetic field strength of the magnet 130 is configured to be variable. A high frequency power supply 16 is connected to the lower electrode 106 through a matching unit 14. The frequency of the high frequency power supply 16 is, for example, 13.56 MHz.
The processing gas introduced into the processing vessel 104 by the high-frequency power supplied from the high-frequency power supply 16 and the horizontal magnetic field generated by the magnet 130 enters a plasma state and is accelerated by a self-bias voltage generated near the lower electrode 106 between the electrodes. Further, the object to be processed is etched by the energy of radicals.
Further, as shown in FIG. 11, the plasma etching apparatus 20 is provided with a lower electrode 106 that also serves as a mounting table on which the semiconductor wafer W is mounted in a grounded airtight processing container 4 so as to be movable up and down. . The lower electrode 106 is maintained at a predetermined temperature by a temperature adjustment mechanism (not shown), and the heat transfer gas is supplied from the heat transfer gas supply mechanism (not shown) to a predetermined pressure between the semiconductor wafer W and the lower electrode 106. Supplied in. An upper electrode 8 is provided on the upper portion of the processing container 4 so as to face the lower electrode 106.
Further, a gas inlet 132 is provided at the upper part of the processing container 4 and is connected to a gas introduction system (not shown) to connect a predetermined processing gas such as C 4 F 6 Gas, Ar gas and O 2 A mixed gas of gas is introduced into the processing container 4. The introduced processing gas is introduced into the processing chamber 12 through the gas discharge port 9.
An exhaust pipe 36 connected to an exhaust mechanism (not shown) is provided at the lower portion of the processing container 4, and the inside of the processing container 4 is maintained at a predetermined degree of vacuum by being evacuated through the exhaust pipe 36. Be drunk.
A high frequency power source 24 is connected to the upper electrode 8 via a matching unit 22. The frequency of the high frequency power supply 24 is 60 MHz, for example. A high frequency power source 28 is connected to the lower electrode 106 via a matching unit 26. The frequency of the high frequency power supply 28 is 2 MHz, for example.
The processing gas introduced into the processing container 4 by the high-frequency power supplied from the high-frequency power sources 24 and 28 becomes a plasma state, and is caused by the energy of ions and radicals accelerated by the self-bias voltage generated near the lower electrode 106 between the electrodes. , Etching is performed on the object to be processed.
FIG. 12 is a model diagram showing the self-bias voltage Vdc and the plasma electron density Ne in the plasma etching apparatus during etching. The horizontal axis is the self-bias voltage Vdc (V), and the vertical axis is the plasma electron density Ne (/ cm 3 The region A shows the conditions for processing by the plasma etching apparatus 10, and the region B shows the conditions for processing by the plasma etching apparatus 20.
As shown in FIG. 12, in the conventional plasma etching apparatus 10, the self-bias voltage Vdc and the plasma such as a low self-bias voltage Vdc and a low plasma electron density Ne, or a high self-bias voltage Vdc and a high plasma electron density Ne are used. It can be seen that the region where the electron density Ne is approximately proportional, that is, the region where the high plasma electron density Ne is used in the plasma etching apparatus 20.
However, the etching by the conventional plasma etching apparatus 10 or 20 has a problem that, when performing fine processing, the etching selectivity of the material to be etched with respect to the mask material cannot be secured sufficiently, and the depth of the hole cannot be secured sufficiently. In order to improve this problem, there are problems such that the width of the bottom surface is not sufficient compared to the size of the hole opening, or the side wall of the formed hole is tapered.
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of conventional etching methods and plasma etching processing apparatuses, and an object of the present invention is to provide a novel etching method having a sufficient etching selectivity and capable of forming appropriate holes. Another object of the present invention is to provide an improved etching method and plasma etching apparatus.
Disclosure of the invention
According to the examination results of the present inventors, the etching of the organic material film (resist) has a dominant plasma density and the contribution of ion energy is small, whereas the etching of the inorganic material film (silicon oxide film). In order to increase the selectivity, it is necessary that the plasma density is low and the ion energy is high. In this case, since the ion energy of the plasma can be indirectly grasped by the self-bias voltage of the electrode at the time of etching, in order to etch the silicon oxide film at a high etching rate and a high etching selectivity, it is low. It is effective to perform etching under conditions of plasma density and high bias. If the frequency of the high-frequency power applied to the electrode is increased, a desired plasma density can be obtained with low power, so that the power consumption can be greatly reduced.
Therefore, in order to solve the above problems based on such a principle, according to a certain aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing container, and at least an upper electrode and a lower electrode provided opposite to each other are introduced. On the other hand, the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to the substrate, and an etching target film formed on the target object placed on the lower electrode is etched using a mask material patterned in advance as a mask. Thus, the electron density in the plasma by the processing gas is 8 × 10 9 / Cm 3 8 × 10 or more 10 / Cm 3 An etching method is provided in which the self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes is 2000 V or more and 3000 V or less.
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According to such an etching method according to the present invention, by performing an etching process with a low plasma electron density and a high self-bias voltage, both the etching rate of the film to be etched and the etching selectivity of the film to be etched with respect to the mask material film are increased. The surface to be etched is a smooth surface that is substantially perpendicular to the surface of the object to be processed, and the hole to be etched has a fine hole sufficiently secured with respect to the width of the opening. Is possible.
Further, it is preferable that a first high frequency power having a first frequency and a second high frequency power having a second frequency lower than the first frequency are applied to the lower electrode. In this case, it is desirable that the first frequency is 40 MHz and the second frequency is 3.2 MHz. Furthermore, the power density of 40 MHz applied to the lower electrode is 0.32 W / cm. 2 3.2 W / cm or more 2 The power density of 3.2 MHz applied to the lower electrode is 1.6 W / cm. 2 6.4 W / cm 2 The following is desirable.
In order to solve the above-described problem, according to another aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing container, and high-frequency power is applied to at least one of an upper electrode and a lower electrode provided to face each other. The process gas is converted into plasma by etching a film to be etched formed on the object to be processed placed on the lower electrode using a pre-patterned mask material as a mask. Density is 0.32 W / cm 2 3.2 W / cm or more 2 A first high-frequency power having a first frequency of 40 MHz and a power density of 1.6 W / cm 2 6.4 W / cm 2 An etching method is provided, wherein a second high frequency power having a second frequency of 3.2 MHz is applied.
According to such an etching method according to the present invention, two systems of high frequency power having different frequencies (for example, the first frequency is 40 MHz and the second frequency is 3.2 MHz) are applied to the lower electrode of the plasma etching apparatus. Etching can be performed with low plasma electron density and high self-bias voltage.
Further, the etching target film may be a silicon-containing oxide film, and the etching may be performed by selectively etching the silicon-containing oxide film with respect to the silicon nitride film.
In order to solve the above-described problems, according to another aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing vessel, and the processing gas is converted into plasma by applying high-frequency power to electrodes provided opposite to each other. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask, and an electron density in the plasma by the processing gas is 8 × 10 9 / Cm 3 8 × 10 or more 10 / Cm 3 The self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes in the plasma is 2000 V or more and 3000 V or less, and the lower electrode has a first high-frequency power having a first frequency, and the first A plasma etching apparatus is provided in which a second high-frequency power having a second frequency lower than the frequency is applied.
According to such an etching apparatus according to the present invention, by performing the etching process with a low plasma electron density and a high self-bias voltage, both the etching rate of the film to be etched and the etching selectivity of the film to be etched with respect to the mask material film are increased. The surface to be etched is a smooth surface that is substantially perpendicular to the surface of the object to be processed, and the hole to be etched has a fine hole sufficiently secured with respect to the width of the opening. Is possible.
The first frequency is preferably 40 MHz, and the second frequency is preferably 3.2 MHz. The power density of 40 MHz applied to the lower electrode is 0.32 W / cm. 2 3.2 W / cm or more 2 The power density of 3.2 MHz applied to the lower electrode is 1.6 W / cm. 2 6.4 W / cm 2 The following is desirable.
In order to solve the above-described problems, according to another aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing vessel, and the processing gas is converted into plasma by applying high-frequency power to electrodes provided opposite to each other. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask, wherein the lower electrode has a power density of 0.32 W. / Cm 2 3.2 W / cm or more 2 A first high-frequency power having a first frequency of 40 MHz and a power density of 1.6 W / cm 2 6.4 W / cm 2 A plasma etching apparatus, wherein a second high-frequency power having a second frequency of 3.2 MHz is applied.
According to such an etching apparatus according to the present invention, low plasma electron density can be obtained by applying two systems of high-frequency power having different frequencies (for example, the first frequency is 40 MHz and the second frequency is 3.2 MHz) to the lower electrode. The etching process can be performed with a high self-bias voltage.
In order to solve the above-described problem, according to another aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing container, and high-frequency power is applied to at least one of an upper electrode and a lower electrode provided to face each other. The process gas is converted into plasma by etching a film to be etched formed on the object to be processed placed on the lower electrode using a pre-patterned mask material as a mask. Has an electron density of 1 × 10 10 / Cm 3 8 × 10 or more 10 / Cm 3 The etching method is characterized in that a self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes in the plasma is 1000 V or more and 3000 V or less.
Even with such an etching method according to the present invention, by performing an etching process with a low plasma electron density and a high self-bias voltage, both the etching rate of the film to be etched and the etching selectivity of the film to be etched with respect to the mask material film are increased. The surface to be etched is a smooth surface that is substantially perpendicular to the surface of the object to be processed, and the hole to be etched has a fine hole sufficiently secured with respect to the width of the opening. Is possible.
The lower electrode is preferably applied with a first high-frequency power having a first frequency and a second high-frequency power having a second frequency lower than the first frequency. It is desirable that the frequency is 100 MHz and the second frequency is 3.2 MHz. The power density of 100 MHz applied to the lower electrode is 0.13 W / cm. 2 1.4 W / cm 2 The power density of 3.2 MHz applied to the lower electrode is 2.7 W / cm. 2 8.2 W / cm 2 The following is preferable.
In order to solve the above-described problem, according to another aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing container, and high-frequency power is applied to at least one of an upper electrode and a lower electrode provided to face each other. The process gas is converted into plasma by etching a film to be etched formed on the object to be processed placed on the lower electrode using a pre-patterned mask material as a mask. Density is 0.13 W / cm 2 1.4 W / cm 2 A first high frequency power having a first frequency of 100 MHz and a power density of 2.7 W / cm 2 8.2 W / cm 2 An etching method is provided, wherein a second high frequency power having a second frequency of 3.2 MHz is applied.
According to such an etching method of the present invention, by applying two types of high frequency power having different frequencies (for example, the first frequency is 100 MHz and the second frequency is 3.2 MHz) to the lower electrode of the plasma etching apparatus, Etching can be performed with low plasma electron density and high self-bias voltage.
The mask material may be an organic film, and the organic film may be a resist. The etched film may be an inorganic insulating film.
In order to solve the above-described problems, according to another aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing vessel, and the processing gas is converted into plasma by applying high-frequency power to electrodes provided opposite to each other. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask, wherein the electron density in the plasma by the processing gas is 1 × 10 10 / Cm 3 8 × 10 or more 10 / Cm 3 And a self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes in the plasma is 1000 V or more and 3000 V or less, and the lower electrode includes a first high-frequency power having a first frequency and the first frequency A plasma etching apparatus is provided in which a second high-frequency power having a second frequency lower than the frequency is applied.
Even with such an etching apparatus according to the present invention, by performing the etching process with a low plasma electron density and a high self-bias voltage, both the etching rate of the film to be etched and the etching selectivity of the film to be etched with respect to the mask material film are increased. The surface to be etched is a smooth surface that is substantially perpendicular to the surface of the object to be processed, and the hole to be etched has a fine hole sufficiently secured with respect to the width of the opening. Is possible.
The first frequency is preferably 100 MHz, and the second frequency is preferably 3.2 MHz. The power density of 100 MHz applied to the lower electrode is 0.13 W / cm. 2 1.4 W / cm 2 The power density of 3.2 MHz applied to the lower electrode is 2.7 W / cm. 2 8.2 W / cm 2 The following is desirable.
In order to solve the above-described problems, according to another aspect of the present invention, a processing gas is introduced into an airtight processing vessel, and the processing gas is converted into plasma by applying high-frequency power to electrodes provided opposite to each other. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask, wherein the lower electrode has a power density of 0.13 W. / Cm 2 1.4 W / cm 2 A first high frequency power having a first frequency of 100 MHz and a power density of 2.7 W / cm 2 8.2 W / cm 2 A plasma etching apparatus is provided, wherein a second high-frequency power having a second frequency of 3.2 MHz is applied.
According to such an etching apparatus according to the present invention, by applying two high-frequency powers having different frequencies (for example, the first frequency is 100 MHz and the second frequency is 3.2 MHz) to the lower electrode of the plasma etching apparatus, Etching can be performed with low plasma electron density and high self-bias voltage.
In the present specification, the power density of the high-frequency power refers to the amount of high-frequency power per unit area applied to the electrode. In addition, 1 mTorr in this specification is (10 -3 × 101325/760) Pa, 1 sccm is (10 -6 / 60) m 3 / Sec.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a processing apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, components having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
(First embodiment)
First, the configuration of a plasma etching apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the plasma etching apparatus 100.
As shown in FIG. 1, the plasma etching apparatus 100 has an airtight processing container 104 that is grounded. The processing chamber 102 is formed inside the processing container 104. In the processing chamber 102, a conductive lower electrode 106 that also serves as a mounting table on which an object to be processed, for example, a semiconductor wafer W is mounted, is disposed so as to be vertically movable. The lower electrode 106 is maintained at a predetermined temperature by a temperature adjustment mechanism (not shown), and the heat transfer gas is supplied from the heat transfer gas supply mechanism (not shown) to a predetermined pressure between the semiconductor wafer W and the lower electrode 106. Supplied in. An upper electrode 108 is formed at a position facing the mounting surface of the lower electrode 106 and is grounded via the processing container 104 in the illustrated example.
In addition, a gas introduction port 132 connected to a gas supply source (not shown) is formed in the upper portion of the processing container 104 so that a predetermined processing gas is introduced into the processing container 104. Yes. The processing gas introduced into the processing container 104 is introduced into the processing chamber 102 from a plurality of gas discharge ports 109 formed in the upper electrode 108. Process gas is C, for example 4 F 6 Gas, Ar gas and O 2 It is a gas mixture.
An exhaust pipe 136 connected to an exhaust mechanism (not shown) is provided at the lower part of the processing container 104, and the processing container 104 is evacuated through the exhaust pipe 136 so that the inside of the processing container 104 has a predetermined degree of vacuum, It is kept at 50 mTorr. Further, a magnet 130 is provided on the side of the processing container 104 to give a horizontal magnetic field perpendicular to the electric field. The magnetic field strength of the magnet 130 is configured to be variable.
The lower electrode 106 is connected to a power supply device 112 that supplies two-frequency superimposed power. The power supply device 112 includes a first power supply mechanism 114 that supplies high-frequency power at a first frequency, and a second high-frequency power supply mechanism 116 that supplies high-frequency power at a second frequency lower than the first frequency. Has been.
The first power supply mechanism 114 includes a first filter 118, a first matching unit 120, and a first power source 122 that are sequentially connected from the lower electrode 106 side. The first filter 118 prevents the power component of the second frequency from entering the first matching unit 120 side. The first matching unit 120 matches the first high frequency power component. The first frequency is 40 MHz, for example.
The second power supply mechanism 116 includes a second filter 124, a second matching unit 126, and a second power supply 128 that are sequentially connected from the lower electrode 106 side. The second filter 124 prevents the power component of the first frequency from entering the second matching unit 126 side. The second matching unit 126 matches the second high frequency power component. The second frequency is, for example, 3.2 MHz.
In the plasma etching apparatus 100 configured as described above, two types of high-frequency power supplied from the power supply apparatus 112 and the processing gas introduced into the processing container 104 by the horizontal magnetic field generated by the magnet 130 are in a plasma state, and between the electrodes. The object to be processed is etched by the energy of ions and radicals accelerated by the generated self-bias voltage.
(Configuration of workpiece)
Next, the structure of an object to be processed having an etching target film used in this embodiment will be described. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the workpiece 200 according to the present embodiment. FIG. 4A shows a cross-sectional view before the etching process according to the present embodiment, FIG. 4B shows a cross-sectional view in the middle of the etching process, and FIG. 4C shows the etching process. Sectional drawing after giving is shown.
As shown in FIG. 2A, the object to be processed 200 has a mask layer 202 patterned in advance by, for example, a lithography process, and an etching target layer 204 below the mask layer 202, for example, on the silicon substrate 206. For the mask layer 202, for example, a resist for X-ray or excimer laser is used. The etched layer 204 is, for example, a silicon oxide film, but may be a silicon oxide film to which boron or phosphorus is added. Alternatively, a structure in which a film of another material is provided between the mask layer 202 and the etching target layer 204 may be used.
When such an object to be processed 200 is subjected to the etching process according to the present embodiment, the bottom diameter CD2 (with respect to the hole diameter CD1 (hereinafter also referred to as top CD) of the mask layer 202 as shown in FIG. A hole having a depth D3 from the surface of the etched layer 204 is formed. At this time, in the mask layer 202, the shoulder 208 near the hole entrance is most sharpened to the depth D2 from the initial surface.
(Equipment dependence of etching results)
Next, a description will be given of results when the object 200 to be processed is etched by the plasma etching apparatus 100 according to the present embodiment and the conventional plasma etching apparatuses 10 and 20.
FIG. 3 shows a silicon oxide film having a thickness of 2100 nm formed by thermal oxidation on a silicon substrate, a mask layer 202 is an X-ray resist having a thickness of 650 nm, and a hole pattern having a diameter of 0.15 μm is formed. It is the table | surface which compared the etching result by each apparatus at the time of using the processed to-be-processed object. As shown in FIG. 3, the pressure in the processing vessel, the high frequency power, the distance between the upper electrode and the semiconductor wafer, the heat transfer gas pressure on the back surface of the semiconductor wafer, and the temperature of the lower electrode differ depending on each device. This is for the purpose of optimizing the etching process. All types of processing gas are the same, C 4 F 6 Gas, Ar gas and O 2 A gas mixture is used. All over-etching is about 30%.
For example, when processing conditions are described with the apparatus 100, the flow rate is C. 4 F 6 Gas is 33 sccm, Ar gas is 500 sccm, O 2 The gas is 18 sccm. The pressure in the processing vessel is 50 mTorr, and the applied power is 40 MHz and 500 W, and 3.2 MHz and 1500 W. The distance between the upper electrode and the surface of the semiconductor wafer as the object to be processed is set to 27 mm, the heat transfer gas pressure on the back surface of the semiconductor wafer is set to 7 Torr at the center, 40 Torr at the periphery, and the temperature of the lower electrode 106 is set to 20 ° C.
The object to be processed using a semiconductor wafer having a diameter of 200 mm was etched by each apparatus, and the etching rate, the etching selectivity, and the bottom CD / top CD were measured for the central part and the peripheral part of the object to be processed. Here, the etching selection ratio is the ratio of the etching rate of the etched layer 204 to the mask layer 202, and is D3 / D2 when using the parameters shown in FIG. The bottom CD / top CD is one of the values indicating the hole shape, and is expressed as CD2 / CD1 using the parameters shown in FIG.
According to the measurement results, the etching rate increases in the order of the plasma etching apparatus (hereinafter simply referred to as the apparatus) 20, the apparatus 10, and the apparatus 100, and the etching depth increases as the etching rate increases at the same time. However, the apparatus 100 has the highest etching selectivity and bottom CD / top CD.
If the etching selectivity is low, there is a risk that the mask layer 202 will be destroyed before the desired hole depth is secured even if the etching rate is high. In order to perform the etching process without destroying the mask layer 202 even when forming a deep hole, it is necessary that the etching selectivity is high. Further, it is preferable that the bottom CD / top CD is high because the bottom surface has a sufficient width with respect to the opening.
From the above results, the etching selectivity is particularly around 7 for the devices 10 and 20, whereas the device 100 is very high at 30 to 40. Therefore, the device 100 needs to increase the etching selectivity. It can be seen that this is a useful apparatus in the etching process. Also, by observing the shape of the hole cross section, it can be seen that 70% or more of the bottom CD / top CD can be secured, which is superior to the devices 10 and 20.
FIG. 4 shows a silicon oxide film having a thickness of 2000 nm formed by CVD on a silicon substrate, an etched layer 204, a mask layer 202 having a thickness of 400 nm, an ArF excimer laser resist having a wavelength of 193 nm, and a hole pattern having a diameter of 0.2 μm. 5 is a table comparing the etching results obtained by the respective apparatuses when the object to be processed is used. As shown in FIG. 4, the pressure in the processing vessel, the high frequency power, the distance between the upper electrode and the semiconductor wafer, the heat transfer gas pressure on the back surface of the semiconductor wafer, and the temperature of the lower electrode are different depending on each apparatus. This is to optimize the etching process in the apparatus. All etching times were 240 seconds, and the processing was performed under the condition that the silicon substrate was not exposed.
For example, when processing conditions are described with the apparatus 100, the flow rate is C 4 F 6 Gas is 33 sccm, Ar gas is 500 sccm, O 2 The gas is 24 sccm. The pressure in the processing vessel is 50 mTorr, and the applied power is 40 MHz 500 W and 3.2 MHz 1500 W. The distance between the upper electrode and the semiconductor wafer surface to be processed is set to 27 mm, the heat transfer gas pressure on the back surface of the semiconductor wafer is set to 7 Torr at the center, 40 Torr at the periphery, and the temperature of the lower electrode 106 is set to 20 ° C. The description of the same parts as in FIG. 3 such as the configuration of the object to be processed and the measurement items will be omitted.
According to the measurement results, the etching rate increases in the order of the apparatus 20, the apparatus 10, and the apparatus 100, and the etching depth increases as the etching rate increases at the same time. However, the apparatus 100 has the highest etching selectivity. As described above, it is important that the etching selectivity is high in order to perform an etching process without destroying the mask layer 202 even when a deep hole is formed.
From the above results, in particular, the etching selectivity is about twice as high in the apparatus 100 as compared with the apparatuses 10 and 20, and therefore the apparatus 100 is used in an etching process that requires a large etching selectivity. Is a useful device.
FIG. 5 shows the results of FIGS. 3 and 4 together. Here, the plasma electron density Ne and the self-bias voltage Vdc when the etching conditions of each apparatus shown in FIGS. 3 and 4 are used are shown.
In the apparatus 100, the plasma electron density Ne is 1 cm when only Ar gas is supplied instead of the processing gas. 3 3.0 x 10 per 10 It is. The self-bias voltage Vdc is 1470 V when only Ar gas is supplied instead of the processing gas. In the apparatus 10, the plasma electron density Ne is 1.2 × 10 in the case of only Ar gas. 11 / Cm 3 The self-bias voltage Vdc is 475V. In the apparatus 20, the plasma electron density Ne is 2.0 × 10 in the case of only Ar gas. 11 / Cm 3 , The self-bias voltage Vdc is also 875V. Note that the plasma electron density Ne and the self-bias voltage Vdc are different in values when the process gas is supplied and when only the Ar gas is supplied, but show relatively similar trends, and the latter is slightly larger. Value. The plasma density when processing gas is supplied will be described later.
At this time, the etching rate when the X-ray resist is used is about 1.4 for the apparatus 10 and about 1.5 for the apparatus 20 based on the case of the apparatus 100. Similarly, when the resist for excimer laser is used, the values are about 1.1 and 1.1.
The etching selectivity is about 41 for the apparatus 100, about 7 for the apparatus 10, about 7 for the apparatus 20, and about 15, about 8 for the excimer laser resist. , About 10.
As can be seen from the above results, according to the apparatus 100, the etching selectivity can be made larger than that of the apparatuses 10 and 20 regardless of which resist is used as a mask. At this time, the plasma electron density Ne is lower than that in the case of Ar gas, and the self-bias voltage Vdc is higher than those of the devices 10 and 20. In general, when the plasma electron density is increased, the self-bias voltage is decreased.
Therefore, when etching the etched film 204 such as a silicon oxide film containing an additive using an organic film such as an X-ray resist or an excimer laser resist as the mask layer 202, only a low plasma electron density Ne, for example, Ar gas is supplied. 1.0 × 10 in some cases 11 / Cm 3 Below, preferably 3.0 × 10 10 / Cm 3 Hereinafter, it is preferable that the high self-bias voltage Vdc, for example, Ar gas alone is supplied at 500 V or higher, preferably 900 V or higher. The upper limit of the self-bias voltage Vdc is practically 2000 V or less, preferably 1600 V or less, from the point of selectivity (the etching selection ratio decreases if the self-bias voltage Vdc is too large).
(Magnetic field dependence of etching results)
Next, the dependency of the etching result on the horizontal magnetic field strength given in the direction perpendicular to the electric field will be described. 6 and 7 are diagrams showing the magnetic field dependence of the etching result. Here, the etching target layer 204 is a silicon oxide film (BSG) having a thickness of 1500 nm formed by CVD on a silicon nitride film (SiN) layer, and the mask layer 202 forms a hole pattern of φ0.17 μm by a multilayer resist process. For each magnetic field strength of 120, 60, 30, 0 Gauss using a 900 nm thick organic mask, C 4 F 6 The change in bottom CD and etching selectivity was examined by changing the gas flow rate. All overetching is 40%.
At this time, the common etching conditions are that the pressure in the processing vessel is set to 40 mTorr, the temperature of the inner wall of the upper electrode 108 / processing vessel 104 is set to 60/60 ° C., and the temperature of the lower electrode 106 is 140 to 150 ° C. The heat transfer gas pressure on the backside of the wafer (for example, the backside gas pressure to the center and peripheral edges of the wafer) was adjusted for each condition so that the temperature became 0 ° C. The applied power is 40 MHz 450 W and 3.2 MHz 1800 W. The distance between the upper electrode 108 and the wafer was 27 mm. In this case, Ar gas is 500 sccm and O 2 at each process gas flow rate. 2 For gas of 20 sccm, C 4 F 6 Etching was performed by changing the gas flow rate, and bottom CD and etching selectivity were measured.
In FIG. 6, the horizontal axis is the bottom CD (nm), and the vertical axis is the etching selectivity. The number written near the plot is C 4 F 6 Indicates the gas flow rate. When the magnetic field intensity is changed to 0, 30, 60, 120 Gauss at the center of the semiconductor wafer, C 4 F 6 When the gas flow rate is small and the oxygen gas flow rate ratio is large, the bottom CD can be increased, but the etching selectivity tends to decrease.
C to get the same bottom CD 4 F 6 In the case of the gas flow rate condition, it can be seen that the lower the magnetic field strength, the lower the etching rate, but the higher the etching selectivity, and the better the direction. In other words, the effect of confining electrons is reduced by reducing the magnetic field, and the electrons are absorbed by the ground. As a result, the plasma electron density Ne decreases and the electron temperature increases. As the electron temperature rises, the movement of electrons becomes active, and the electrons are more likely to enter the lower electrode 106. As a result, the self-bias voltage Vdc is increased. That is, reducing the magnetic field strength lowers the plasma electron density Ne and increases the self-bias voltage Vdc, which is preferable as an etching condition. In addition, C with which the same etching selectivity can be obtained. 4 F 6 In the case of the gas flow rate condition, since the bottom CD can be increased, a high plasma electron density Ne and a low self-bias voltage Vdc are preferable etching conditions.
FIG. 7 shows the etching rate, the etching selectivity and the bottom CD when the bottom CD is the same (near 175 nm), as indicated by the broken line in FIG. 6. 2 When the gas flow rate was 34 sccm, the etching selectivity with respect to the resist for ArF excimer laser was large. At this time, the plasma electron density Ne is 1.0 × 10 when only Ar gas is supplied. 10 / Cm 3 The self-bias voltage Vdc was 1200V. In practice, it is necessary to ensure an etching selection ratio of 10 or more, and the magnetic field is preferably 30 Gauss or less in consideration of the etching rate and the value of the bottom CD.
(Dependence of etching result on applied power)
Next, the dependence of the etching result on the applied power in the case where the magnetic field is zero at the center of the semiconductor wafer will be described. FIG. 8 is a table showing the dependency of etching results on applied power. It is the structure of the to-be-processed object same as the case of FIG. Further, the distance between the upper electrode 108 and the wafer is 27 mm, and all over-etching is 30%.
As shown in FIG. 8, in the apparatus 100, the pressure in the processing vessel is set to 60 mTorr, the temperature of the upper electrode 108 / the inner wall of the processing vessel 104 / the lower electrode 106 is set to 60/60/30 ° C., and the flow rate of the processing gas is , C 4 F 6 Gas is 30 sccm, Ar gas is 500 sccm, O 2 The gas is set to 20 sccm, and the applied power is 3.2 MHz 1400 W (4.5 W / cm 2 ) Is 300 (0.96 W / cm) from the high frequency power supply 122 of 40 MHz. 2 ), 450 (1.4 W / cm 2 ) And 600 W (1.9 W / cm 2 ), The remaining film thickness of the mask layer 202 was examined.
From the above results, it can be seen that the lower the applied power, the more the resist in the shoulder and the flat part remains, and at least the plasma electron density Ne1 cm when only Ar gas is supplied at this time 3 7 × 10 per 9 ~ 1.5 × 10 10 Similarly, it can be considered that the self-bias voltage Vdc of 1000 V when only Ar gas is supplied is practical. If the plasma electron density Ne is too small, the etching rate is lowered. Therefore, when only Ar gas is supplied, 1 × 10 9 / Cm 3 Or more, preferably 5 × 10 9 / Cm 3 Is preferred.
(Plasma state during etching)
FIG. 9 is a table summarizing the etching process conditions by each plasma etching apparatus. As shown in FIG. 9, the etching conditions normally used in the plasma etching apparatus 10 are as follows. A high frequency power of 13.56 MHz is applied to the lower electrode 106, the strength of the horizontal magnetic field is set to 120 Gauss, and only Ar gas is supplied. The electron density in the plasma is 3 × 10 10 / Cm 3 1 × 10 or more 11 / Cm 3 The self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode 106 between the electrodes was 400 V or less.
Further, the etching conditions normally used in the plasma etching apparatus 20 are as follows. In the plasma, when high frequency power of 60 MHz is applied to the upper electrode 8 and 2 MHz is applied to the lower electrode 106, and only Ar gas is supplied without applying a magnetic field. The electron density is 1 × 10 11 / Cm 3 2 × 10 or more 11 / Cm 3 In the following, the self-bias voltage generated near the lower electrode 106 between the electrodes was 700 V or less.
On the other hand, in the plasma etching apparatus 100 according to the present embodiment, two systems of high frequency power of 40 MH and 3.2 MHz are applied to the lower electrode 106 and a horizontal magnetic field is applied with an intensity of 30 Gauss or less.
At this time, as described above with respect to the dependency on each parameter, if the parameters are optimized in the region of the low plasma electron density Ne and the high self-bias voltage Vdc, practical use is possible in a wide range, so only Ar gas is supplied. When the plasma electron density Ne is 1 × 10 9 / Cm 3 1 × 10 or more 11 / Cm 3 Hereinafter, it is considered that the self-bias voltage is preferably 500 V or more and 2000 V or less when only Ar gas generated near the lower electrode 106 between the electrodes is supplied. More preferably, the plasma electron density Ne when only Ar gas is supplied is 5 × 10 5. 9 / Cm 3 3 × 10 or more 10 / Cm 3 The self-bias voltage is 900V or more and 1600V or less when only Ar gas generated near the lower electrode 106 between the electrodes is supplied.
This region of the plasma electron density Ne and the self-bias voltage Vdc for performing the etching process corresponds to the above-described region C of FIG. 12, and it can be seen that this is an etching method and plasma etching apparatus using a plasma state different from the conventional one.
(When processing gas is used)
Here, a result when etching is performed by supplying a processing gas to the plasma etching apparatus 100 will be described. The magnet does not give a horizontal magnetic field perpendicular to the electric field, but a magnet that forms a magnetic field around the semiconductor wafer W to confine the plasma so that the magnetic field strength at the end of the semiconductor wafer W is 10 gauss or less. did. First, processing gas is introduced and applied to the lower electrode, and different frequencies are set to 40 MHz and 3.2 MHz. The etching process is performed by changing the magnitude of each power, and the self-bias voltage Vdc and plasma electron density at that time are set. It was measured. A plot of the measurement results is shown in FIG. In FIG. 13, the horizontal axis represents the self-bias voltage Vdc, and the vertical axis represents the plasma electron density.
Here, an etching process was performed on the object 300 as shown in FIG. The object 300 is formed as follows. After forming a gate 304 on a silicon substrate 302 as a semiconductor substrate, a silicon nitride film layer 306 as a protective film is formed so as to cover the gate 304. Next, a silicon oxide film layer 308 such as BPSG is formed as an insulating film layer on the entire surface by, eg, CVD (chemical vapor deposition). Subsequently, after applying a photoresist film on the silicon oxide film layer 308, a photoresist layer 310 is formed by forming a photoresist pattern of the holes 312.
Next, the silicon oxide film layer 308 as a layer to be etched is selectively etched with respect to the silicon nitride film layer 306 by the plasma etching apparatus 100 with respect to the target object 300 thus formed, and between the gates 304. Hole 312 is formed.
When performing this etching process, the base condition (1) is C 4 F 6 Gas 28sccm, Ar gas 500sccm, O 2 A gas of 20 sccm is supplied as a processing gas, the pressure in the processing container is 50 mTorr, the distance between the upper electrode 108 and the surface of the semiconductor wafer as the object to be processed is 27 mm, the heat transfer gas pressure on the back surface of the semiconductor wafer is 7 Torr at the center, and the periphery The upper electrode 108 is 60 ° C., the lower electrode 106 is 20 ° C., and the side wall is 60 ° C. The diameter of the semiconductor wafer that is the object to be processed is 8 inches.
Under such a base condition (1), first, the applied power to the lower electrode 106 is set to 3.2 W at 0 W, that is, 3.2 MHz high frequency power is not applied, and only 40 MHz high frequency power is applied to 500 W (1.6 W / cm 2 ), 1000 W (3.2 W / cm 2 ), 1500 W (4.8 W / cm 2 ), 2000 W (6.4 W / cm 2 ), And an etching process was performed. Subsequently, the applied power to the lower electrode 106 is 500 W (1.6 W / cm at 40 MHz). 2 ) And high frequency power of 3.2 MHz is 500 W (1.6 W / cm 2 ), 1000 W (3.2 W / cm 2 ), 1500 W (4.8 W / cm 2 ), And an etching process was performed. FIG. 13 shows the results of measurement and plotting of the plasma electron density Ne and the self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode 106 between the electrodes in each of these etching experiments.
Further, the same etching process was performed by changing the processing gas. Specifically, C 5 F 8 Gas 11 sccm, Ar gas 500 sccm, O 2 Etching is performed under the above conditions using a gas of 11 sccm as a processing gas, followed by C 4 F 6 Gas 10 sccm, Ar gas 200 sccm, CO gas 50 sccm, O 2 Etching was performed under the above conditions using a gas of 5 sccm as a processing gas. The measurement results of the plasma electron density Ne and the self-bias voltage in these cases are also plotted in FIG.
According to the measurement result shown in FIG. 13, when only the 40 MHz high frequency power is changed and applied to the lower electrode 106, the magnitude of the applied power of 40 MHz is 500 W (1.6 W / cm 2 ), 1000 W (3.2 W / cm 2 ), 1500 W (4.8 W / cm 2 ), 2000 W (6.4 W / cm 2 It can be seen that the plasma electron density Ne increases as the value increases. On the other hand, when only the high frequency power of 3.2 MHz is applied to the lower electrode 106, the magnitude of the applied power of 3.2 MHz is 0 W, 500 W (1.6 W / cm 2 ), 1000 W (3.2 W / cm 2 ), 1500 W (4.8 W / cm 2 ), The plasma electron density Ne hardly changes. Further, according to the measurement results shown in FIG. 13, it can be seen that the same tendency as described above exists even if the type of the processing gas is different.
Next, based on the measurement results shown in FIG. 13 obtained as described above, the object to be processed 300 shown in FIG. 14 is etched by various combinations of plasma electron density Ne and self-bias voltage. The results of measuring the rate, taper angle of the formed hole, and selectivity will be described.
First, the condition (2) used as the base for performing this etching process is C as the process gas. 4 F 6 Gas 22sccm, Ar gas 500sccm, O 2 A gas of 20 sccm is supplied, the pressure in the processing chamber is 50 mTorr, the distance between the upper electrode 108 and the surface of the semiconductor wafer as the object to be processed is 27 mm, the heat transfer gas pressure on the back surface of the semiconductor wafer is 7 Torr at the center, and 40 Torr at the periphery. The set temperature is 60 ° C. for the upper electrode 108, 20 ° C. for the lower electrode 106, and 60 ° C. for the side wall.
Under this base condition (2), first, (a) an etching process was performed with a low plasma electron density Ne (low density) and a high self-bias voltage (high bias). Specifically, for example, the applied power to the lower electrode 106 is set to 40 MHz 500 W and 3.2 MHz 1600 W.
Next, (b) etching was performed with a low plasma electron density Ne (low density) and a low self-bias voltage (low bias). Specifically, for example, the power applied to the lower electrode 106 was set to 40 MHz 500 W and 3.2 MHz 800 W. Subsequently, (c) an etching process was performed at a high plasma electron density Ne (high density) and a low self-bias voltage (low bias). Specifically, for example, the power applied to the lower electrode 106 is 40 MHz 1900 W and 3.2 MHz 800 W.
Next, (d) etching was performed with a high plasma electron density Ne (high density) and a high self-bias voltage (high bias). Specifically, for example, the power applied to the lower electrode 106 is set to 40 MHz 1900 W and 3.2 MHz 1600 W. Subsequently, (e) an etching process was performed with a medium plasma electron density Ne (medium density) and a medium self-bias voltage (medium bias). Specifically, for example, the power applied to the lower electrode 106 is 40 MHz 1200 W and 3.2 MHz 1200 W.
FIG. 15 summarizes the results of measuring the etching rate, taper angle, and selectivity by performing such an etching process. In FIG. 15, the etching rate of the BPSG film that is the film to be etched is measured as the etching rate, and the taper angle is the hole after etching with respect to the parallel line with the upper surface of the object to be processed as shown in FIG. Was measured, and the selectivity of the BPSG film with respect to the resist film as the mask material (BPSG film etching rate / resist film etching rate) was measured.
According to the measurement results shown in FIG. 15, (a) when the etching process is performed at a low plasma electron density Ne (low density) and a high self-bias voltage (high bias), the vertical rate is high while the etching rate is relatively high. It can be seen that the shape is good and the selection ratio increases.
As described above, by performing the etching process in the range of the low plasma electron density Ne and the high self-bias voltage Vdc, the etching rate of the BPSG film as the etching target film is high and the BPSG film with respect to the resist as the mask material film has a high etching rate. It is possible to form a hole that can have a large etching selectivity and that has a smooth, substantially vertical side wall, and can sufficiently secure the width of the bottom with respect to the width of the opening.
Practically, for example, the low plasma electron density Ne is 5 × 10. 9 / Cm 3 ~ 1x10 11 / Cm 3 And the high self-bias voltage Vdc is preferably in the range of 1000V to 3000V, and the low plasma electron density Ne is 8 × 10. 9 / Cm 3 ~ 8x10 10 / Cm 3 And the high self-bias voltage Vdc is more preferably in the range of 2000V to 3000V. In the case of applied power, 40 MHz is 100 W (0.32 W / cm 2 ) 1000 W (3.2 W / cm) 2 ) 3.2 MHz is 200 W (0.64 W / cm) 2 ) Or more 2000 W (6.4 W / cm) 2 ) Or less, and 3.2 MHz is 500 W (1.6 W / cm 2 ) Or more 2000 W (6.4 W / cm) 2 ) Is more preferable.
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the first embodiment, the case where the two types of high-frequency power applied to the lower electrode 106 in the plasma etching apparatus 100 are 40 Hz and 3.2 MHz has been described. However, in the second embodiment, the lower electrode 106 is applied to the lower electrode 106. A case where the two types of high frequency power to be applied are 100 Hz and 3.2 MHz will be described. Therefore, the high frequency power supply 122 of the plasma etching apparatus 100 according to the second embodiment is configured to change the high frequency power of 100 MHz.
The magnet 130 is a magnet that forms a magnetic field around the semiconductor wafer W to confine the plasma, and the magnetic field strength at the end of the semiconductor wafer W is set to 10 gauss or less.
A result when etching is performed by supplying a processing gas to the plasma etching apparatus 100 will be described. First, the different frequencies applied to the lower electrode by introducing the processing gas are set to 100 MHz and 3.2 MHz, the etching process is performed by changing the magnitude of each power, and the self-bias voltage Vdc and plasma electron density at that time are measured. did. A plot of the measurement results is shown in FIG. In FIG. 16, the horizontal axis represents the self-bias voltage Vdc, and the vertical axis represents the plasma electron density.
Here, a hole is formed by performing an etching process on the target object 200 using a semiconductor wafer having a diameter of 300 mm shown in FIG. The film thicknesses are, for example, 620 nm for the mask layer 202 and 2 μm for the etched layer 204.
As the base condition (3) when performing this etching process, for example, C 4 F 6 Gas 70sccm, Ar gas 1000sccm, O 2 A gas of 47 sccm is supplied as a processing gas, the pressure in the processing vessel is 50 mTorr, the distance between the upper electrode 108 and the surface of the semiconductor wafer to be processed is 40 mm, the heat transfer gas pressure on the back surface of the semiconductor wafer is 10 Torr at the center, and the periphery The upper electrode 108 is 60 ° C., the lower electrode 106 is 20 ° C., and the side wall is 60 ° C. The strength of the magnetic field of the magnet 130 is approximately 300 Gauss so that the peripheral edge of the wafer is approximately 5 Gauss.
Under such a base condition (3), first, the applied power to the lower electrode 106 is 0 MHz at 3.2 MHz, that is, the high frequency power at 3.2 MHz is not applied, and only the high frequency power at 100 MHz is 100 W (0.13 W / cm 2 ), 200 W (0.27 W / cm 2 ), 500 W (0.68 W / cm 2 ), 1000W (1.4W / cm 2 ), 1500W (2.1W / cm 2 ), 2000 W (2.7 W / cm 2 ), 2500 W (3.1 W / cm 2 ), And an etching process was performed. Subsequently, the applied power to the lower electrode 106 is 500 W (0.68 W / cm at 100 MHz). 2 ) And high frequency power of 3.2 MHz is 1000 W (1.4 W / cm 2 ), 2000 W (2.7 W / cm 2 ), 3000 W (4.2 W / cm 2 ), 4000 W (5.6 W / cm 2 ), 5000 W (6.2 W / cm 2 ), 6000 W (8.2 W / cm 2 ), And an etching process was performed. FIG. 16 shows the results of measurement and plotting of the plasma electron density Ne and the self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode 106 between the electrodes in each of these etching experiments.
According to this measurement result, when only the high frequency power of 100 MHz is changed and applied to the lower electrode 106, the magnitude of the applied power of 100 MHz is increased to 100 W, 200 W, 500 W, 1000 W, 1500 W, 2000 W, 2500 W. It can be seen that the plasma electron density Ne also increases. In contrast, when only the high frequency power of 3.2 MHz is applied to the lower electrode 106, the magnitude of the applied power of 3.2 MHz is increased to 500 W, 1000 W, 2000 W, 3000 W, 4000 W, 5000 W, and 6000 W. It can also be seen that the plasma electron density Ne hardly changes. For example, C 4 F 6 C instead of 4 F 8 Even when the type of process gas is different, such as when a process gas containing is used, there is a tendency similar to the above.
Next, in addition to the etching process according to the above-described experiment, various etching processes were performed by changing the combination of the power level of 100 MHz applied to the lower electrode and the power level of 3.2 MHz. The etching rate and etching selectivity of the film to be etched 204 were measured. Here, the etching selection ratio is the ratio of the etching rate of the etched layer 204 to the mask layer 202, and is D3 ′ / D2 ′ using the parameters shown in FIG.
The measurement results are shown in FIGS. In FIG. 17, the horizontal axis represents the magnitude of high frequency power (Power) of 3.2 MHz, and the vertical axis represents the magnitude of high frequency power (Power) of frequency 100 MHz, and the etching rate is the same etching rate. And contour lines having a selectivity ratio in which the same etching selectivity ratio is connected. FIG. 18 shows a high self-bias voltage Vdc on the horizontal axis and a low plasma electron density Ne on the vertical axis. Similar to FIG. 17, the same etching selection as the contour line of the etching rate with the same etching rate. The contours of the selection ratio with the ratios are illustrated.
First, referring to FIG. 17, in the measured range, the higher the high frequency power of 100 MHz, the smaller the magnitude of the high frequency power of 100 MHz, the smaller the magnitude of the high frequency power of 100 MHz. It can be seen that both the etching rate and the etching selectivity increase. There is a similar tendency until the magnitude of the high frequency power of 3.2 MHz is about 6000 W.
Here, if the power at 100 MHz (that is, the plasma electron density Ne) is too small, the etching rate becomes too small, which is not appropriate. If the power at 3.2 MHz is too large, the etching selectivity is lowered.
Practically, since the etching rate of the etching target film 204 needs to be 2000 / min or more and the etching selection ratio is 3 or more, the magnitude of the high-frequency power of 3.2 MHz is 2000 W (2.7 W / cm 2 ) Or more 6000 W (8.2 W / cm 2 ) And the magnitude of the high frequency power of 100 MHz is 100 W (0.13 W / cm 2 ) 1000W (1.4W / cm) 2 ) Combinations of power magnitudes in the following ranges are preferred. That is, by using a combination of the magnitudes of the high-frequency powers in such a range, both the etching rate and the etching selectivity of the film to be etched 204 can be increased.
Also, FIG. 18 shows a different view, but even if this result is seen, the closer to the lower right region of the figure in the measured range, that is, the lower the plasma electron density Ne and the higher the self-bias voltage Vdc. It can be seen that both the etching rate and the etching selectivity of the film to be etched 204 are increased.
Practically, the plasma electron density Ne is 1 × 10. 10 / Cm 3 8 × 10 or more 10 / Cm 3 In the following, the self-bias voltage Vdc is preferably in the range of 1000V to 3000V. That is, by setting the plasma electron density Ne and the self-bias voltage Vdc in such ranges, both the etching rate and the etching selectivity of the etching target film 204 can be increased.
As described above in detail, according to the plasma etching apparatus 100, the etching rate and the etching selectivity can be increased by performing the etching process in the range of the low plasma electron density Ne and the high self-bias voltage Vdc and at the low magnetic field strength. The hole can be made high and an appropriately shaped hole can be formed.
Here, the range of the low plasma electron density Ne and the high self-bias voltage Vdc means that, for example, when only Ar gas is supplied, the plasma electron density Ne is 1 × 10. 9 / Cm 3 1 × 10 or more 11 / Cm 3 Hereinafter, the self-bias voltage Vdc is in the range of 500V to 2000V.
In the case of supplying the processing gas, when high frequency power of 40 MHz and 3.2 MHz is applied to the lower electrode as in the first embodiment, the plasma electron density Ne is practically 5 × 10 5. 9 / Cm 3 1 × 10 or more 11 / Cm 3 In the following, the self-bias voltage Vdc is preferably in the range of 1000 V to 3000 V, more preferably the plasma electron density Ne is 8 × 10. 9 / Cm 3 8 × 10 or more 10 / Cm 3 Hereinafter, the self-bias voltage Vdc is preferably in the range of 2000V to 3000V. As for the applied power, 40 MHz is 100 W (0.32 W / cm 2 ) 1000 W (3.2 W / cm) 2 ) 3.2 MHz is 200 W (0.64 W / cm) 2 ) Or more 2000 W (6.4 W / cm) 2 ) Is preferred, more preferably 3.2 MHz is 500 W (1.6 W / cm 2 ) Or more 2000 W (6.4 W / cm) 2 The following is desirable.
When high frequency power of 100 MHz and 3.2 MHz is applied to the lower electrode as in the second embodiment, the plasma electron density Ne is practically 1 × 10. 10 / Cm 3 8 × 10 or more 10 / Cm 3 Hereinafter, the self-bias voltage Vdc is preferably in the range of 1000V to 3000V. As the applied power, 100 MHz is 100 W (0.13 W / cm 2 ) 1000W (1.4W / cm) 2 ) Hereinafter, 3.2 MHz is 2000 W (2.7 W / cm) 2 ) Or more 6000 W (8.2 W / cm 2 The following are preferred.
Further, as the low magnetic field strength, it is preferable to perform the etching process so that the magnetic field strength on the object to be processed is 10 auss or less, for example. As a magnetic field in this case, it is preferable to form a magnetic field for confining plasma near the processing vessel wall. In this embodiment, as an example, the magnet 130 constitutes a multipole magnet (MPM) in which the N pole and S pole of the magnet are alternately arranged in the circumferential direction of the processing container.
The preferred embodiments of the etching method and the plasma etching processing apparatus according to the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It will be obvious to those skilled in the art that various changes or modifications can be conceived within the scope of the technical idea described in the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. It is understood that it belongs.
For example, a silicon oxide film is taken as an example of a film to be etched, but is not limited thereto. Other silicon-containing oxide films such as a carbon-added silicic acid (SiOC) film, a hydrogenated silicic acid (SiOH) film, and a fluorine-added silicic acid (SiOF) film can also be applied.
Further, the present invention can be applied to other plasma etching apparatuses such as an inductively coupled plasma etching apparatus and an electron cyclotron resonance plasma etching apparatus in addition to a parallel flat type (parallel plate electrode type) plasma etching apparatus.
In the etching experiment in the first and second embodiments, the distance between the electrodes is set to 27 mm, but the present invention is not necessarily limited to this. However, if the distance between the electrodes is made too small, the pressure distribution on the surface of the object to be processed (pressure difference between the central portion and the peripheral portion) becomes large, causing problems such as deterioration in etching uniformity. -50 mm is preferred.
This will be described with reference to FIG. FIG. 19 is a diagram showing the relationship between the Ar gas flow rate and the pressure difference ΔP between the wafer center and the periphery when Ar gas is used as the plasma gas in a case where the gap between the electrodes is 25 mm and in the case where the gap is 40 mm. is there. As shown in this figure, when the gap is 40 mm, the pressure difference ΔP is smaller than 25 mm, and when the gap is 25 mm, the pressure difference ΔP tends to increase rapidly as the Ar gas flow rate increases. When the gas flow rate is about 0.3 L / min or more, the preferable pressure difference ΔP exceeds 0.27 Pa (2 mTorr), whereas when the gap is 40 mm, the pressure difference is 0.27 Pa (2 mTorr) regardless of the gas flow rate. ) Is smaller. From FIG. 19, it is expected that a preferable pressure difference can be obtained regardless of the gas flow rate when the gap is about 35 mm or more.
Further, according to Paschen's law (Paschens'law), the discharge start voltage Vs takes a minimum value (Paschen minimum value) when the product pd of the gas pressure p and the inter-electrode distance d has a certain value, and pd takes the Paschen minimum value. Since the value of becomes smaller as the frequency of the high-frequency power becomes larger, the gas pressure p is set to reduce the discharge start voltage Vs to facilitate and stabilize the discharge when the frequency of the high-frequency power is large. If the distance is constant, it is necessary to reduce the inter-electrode distance d. Therefore, in the present invention, the inter-electrode distance is preferably 50 mm or less. Further, by setting the distance between the electrodes to 50 mm or less, the residence time of the gas in the chamber can be shortened, so that the reaction product can be efficiently discharged and the etching stop can be reduced. It is done.
As described above, according to the present invention, two types of high frequency power having different frequencies are applied to the lower electrode of the plasma etching apparatus, and etching is performed with a low plasma electron density Ne, a high self-bias voltage Vdc, and a low magnetic field strength. Therefore, both the etching rate of the film to be etched and the etching selectivity of the film to be etched with respect to the mask material film can be made large, and it has a smooth, substantially vertical side wall and has a wide bottom surface with respect to the width of the opening. In addition, it is possible to form a sufficiently secured hole.
Industrial applicability
The present invention can be applied to an etching method and a plasma etching processing apparatus in a manufacturing process of a semiconductor device, and more particularly to an etching method and a plasma etching processing apparatus capable of improving an etching selectivity of a material to be etched with respect to a mask material. Applicable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a plasma etching apparatus 100 according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the workpiece 200 according to the embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a comparison of etching results by the respective apparatuses when an X-ray resist is used for the mask layer 202.
FIG. 4 is a diagram showing a comparison of etching results by each apparatus when an ArF excimer laser resist having a wavelength of 193 nm is used for the mask layer 202.
FIG. 5 is a diagram showing the plasma electron density Ne and the self-bias voltage Vdc when the etching conditions of each apparatus are used.
FIG. 6 is a diagram showing the magnetic field dependence of the etching result.
FIG. 7 is a diagram showing the magnetic field dependence of the etching result.
FIG. 8 is a diagram showing the dependency of etching results on applied power.
FIG. 9 is a table summarizing the etching process conditions by each plasma etching apparatus.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the plasma etching apparatus 10.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the plasma etching apparatus 20.
FIG. 12 is a diagram showing the self-bias voltage Vdc and the plasma electron density Ne in the plasma etching apparatus during etching.
FIG. 13 is a diagram showing the self-bias voltage Vdc and the plasma electron density Ne in the plasma etching apparatus during etching.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the workpiece 300 according to the embodiment.
FIG. 15 is a diagram comparing the results of etching experiments performed by changing the magnitude of high-frequency power of 40 MHz and 3.2 MHz applied to the lower electrode.
FIG. 16 is a diagram showing the self-bias voltage Vdc and the plasma electron density Ne in the plasma etching apparatus during etching according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing contour lines of the etching rate and the etching selectivity.
FIG. 18 is a diagram showing contour lines of the etching rate and the etching selectivity.
FIG. 19 is a diagram showing a comparison between the Ar gas flow rate and the pressure difference ΔP between the central portion and the peripheral portion of the wafer when Ar gas is used as the plasma gas when the gap between electrodes is 25 mm and when it is 40 mm.

Claims (21)

気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，
前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は８×１０９／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，
かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は２０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であることを特徴とするエッチング方法。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to at least one of an upper electrode and a lower electrode provided to face each other, and a mask material previously patterned is masked. A method of etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode,
The electron density in plasma by the processing gas is 8 × 10 9 / cm 3 or more and 8 × 10 10 / cm 3 or less,
The self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes in the plasma is 2000 V or more and 3000 V or less. 前記下部電極は，第１周波数を有する第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。2. The etching according to claim 1, wherein a first high-frequency power having a first frequency and a second high-frequency power having a second frequency lower than the first frequency are applied to the lower electrode. Method. 前記第１周波数は４０ＭＨｚ，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることを特徴とする請求項２に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 2, wherein the first frequency is 40 MHz and the second frequency is 3.2 MHz. 前記下部電極に印加する４０ＭＨｚの電力密度は０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下としたことを特徴とする請求項３に記載のエッチング方法。The power density of 40MHz is applied to the lower electrode was set to 0.32 W / cm 2 or more 3.2 W / cm 2 or less, the power density of 3.2MHz to be applied to the lower electrode is 1.6 W / cm 2 or more 6.4W The etching method according to claim 3, wherein the etching method is set to / cm 2 or less. 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，
前記下部電極は，電力密度が０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下であって４０ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするエッチング方法。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to at least one of an upper electrode and a lower electrode provided to face each other, and a mask material previously patterned is masked. A method of etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode,
The lower electrode includes a first RF power having a first frequency of 40MHz power density is not more 0.32 W / cm 2 or more 3.2 W / cm 2 or less, the power density of 1.6 W / cm 2 or more and 6. An etching method, wherein a second high frequency power having a second frequency of 3.2 MHz or less and 4 W / cm 2 or less is applied. 前記被エッチング膜は，シリコン含有酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。2. The etching method according to claim 1, wherein the film to be etched is a silicon-containing oxide film. 前記エッチングは，前記シリコン含有酸化膜を，シリコン窒化膜に対して選択的にエッチングすることを特徴とする請求項６に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 6, wherein the etching is performed by selectively etching the silicon-containing oxide film with respect to a silicon nitride film. 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，
前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は８×１０９／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，
かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は２０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であり，
前記下部電極は，第１周波数を有する第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to the electrodes provided opposite to each other, and placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a processed object,
The electron density in plasma by the processing gas is 8 × 10 9 / cm 3 or more and 8 × 10 10 / cm 3 or less,
In addition, the self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes in the plasma is 2000 V or more and 3000 V or less,
The plasma etching apparatus, wherein the lower electrode receives a first high frequency power having a first frequency and a second high frequency power having a second frequency lower than the first frequency. 前記第１周波数は４０ＭＨｚ，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることを特徴とする請求項８に記載のプラズマエッチング装置。The plasma etching apparatus of claim 8, wherein the first frequency is 40 MHz and the second frequency is 3.2 MHz. 前記下部電極に印加する４０ＭＨｚの電力密度は０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下としたことを特徴とする請求項８に記載のプラズマエッチング装置。The power density of 40MHz is applied to the lower electrode was set to 0.32 W / cm 2 or more 3.2 W / cm 2 or less, the power density of 3.2MHz to be applied to the lower electrode is 1.6 W / cm 2 or more 6.4W The plasma etching apparatus according to claim 8, wherein the plasma etching apparatus is / cm 2 or less. 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，
前記下部電極は，電力密度が０．３２Ｗ／ｃｍ２以上３．２Ｗ／ｃｍ２以下であって４０ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が１．６Ｗ／ｃｍ２以上６．４Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to the electrodes provided opposite to each other, and placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a processed object,
The lower electrode includes a first RF power having a first frequency of 40MHz power density is not more 0.32 W / cm 2 or more 3.2 W / cm 2 or less, the power density of 1.6 W / cm 2 or more and 6. A plasma etching apparatus, wherein a second high-frequency power having a second frequency of 3.2 MHz or less and 4 W / cm 2 or less is applied. 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，
前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は１×１０１０／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，
かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は１０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であることを特徴とするエッチング方法。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to at least one of an upper electrode and a lower electrode provided to face each other, and a mask material previously patterned is masked. A method of etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode,
The electron density in the plasma by the processing gas is 1 × 10 10 / cm 3 or more and 8 × 10 10 / cm 3 or less,
The self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes in the plasma is 1000 V or more and 3000 V or less. 前記下部電極は，第１周波数を有する第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とする請求項１２に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 12, wherein the lower electrode is applied with a first high-frequency power having a first frequency and a second high-frequency power having a second frequency lower than the first frequency. Method. 前記第１周波数は１００ＭＨｚ，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることを特徴とする請求項１３に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 13, wherein the first frequency is 100 MHz and the second frequency is 3.2 MHz. 前記下部電極に印加する１００ＭＨｚの電力密度は０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下としたことを特徴とする請求項１４に記載のエッチング方法。The power density of 100MHz is applied to the lower electrode was set to 0.13 W / cm 2 or more 1.4 W / cm 2 or less, the power density of 3.2MHz to be applied to the lower electrode is 2.7 W / cm 2 or more 8.2W The etching method according to claim 14, wherein the etching method is set to / cm 2 or less. 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた上部電極及び下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングする方法であって，
前記下部電極は，電力密度が０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下であって１００ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするエッチング方法。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to at least one of an upper electrode and a lower electrode provided to face each other, and a mask material previously patterned is masked. A method of etching an etching target film formed on a target object placed on the lower electrode,
The lower electrode includes a first RF power having a first frequency of 100MHz power density is not more 0.13 W / cm 2 or more 1.4 W / cm 2 or less, the power density of 2.7 W / cm 2 or more and 8. An etching method, wherein a second high-frequency power having a second frequency of 3.2 MHz or less and 2 W / cm 2 or less is applied. 前記被エッチング膜は，無機絶縁膜であることを特徴とする請求項１２に記載のエッチング方法。The etching method according to claim 12, wherein the film to be etched is an inorganic insulating film. 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，
前記処理ガスによるプラズマ中の電子密度は１×１０１０／ｃｍ３以上８×１０１０／ｃｍ３以下であり，
かつ，前記プラズマ中の，前記電極間の下部電極近傍に生ずる自己バイアス電圧は１０００Ｖ以上３０００Ｖ以下であり，
前記下部電極は，第１周波数を有する第１高周波電力と，前記第１周波数よりも低い第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to the electrodes provided opposite to each other, and placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a processed object,
The electron density in the plasma by the processing gas is 1 × 10 10 / cm 3 or more and 8 × 10 10 / cm 3 or less,
And the self-bias voltage generated in the vicinity of the lower electrode between the electrodes in the plasma is 1000 V or more and 3000 V or less,
The plasma etching apparatus, wherein the lower electrode receives a first high frequency power having a first frequency and a second high frequency power having a second frequency lower than the first frequency. 前記第１周波数は１００ＭＨｚ，前記第２周波数は３．２ＭＨｚであることを特徴とする請求項１８に記載のプラズマエッチング装置。19. The plasma etching apparatus of claim 18, wherein the first frequency is 100 MHz and the second frequency is 3.2 MHz. 前記下部電極に印加する１００ＭＨｚの電力密度は０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下とし，前記下部電極に印加する３．２ＭＨｚの電力密度は２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下としたことを特徴とする請求項１９に記載のプラズマエッチング装置。The power density of 100MHz is applied to the lower electrode was set to 0.13 W / cm 2 or more 1.4 W / cm 2 or less, the power density of 3.2MHz to be applied to the lower electrode is 2.7 W / cm 2 or more 8.2W The plasma etching apparatus according to claim 19, wherein the plasma etching apparatus is set to / cm 2 or less. 気密な処理容器内に処理ガスを導入し，対向して設けられた電極に高周波電力を印加することにより前記処理ガスをプラズマ化して，予めパターニングされたマスク材をマスクとして前記下部電極に載置された被処理体に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマエッチング装置であって，
前記下部電極は，電力密度が０．１３Ｗ／ｃｍ２以上１．４Ｗ／ｃｍ２以下であって１００ＭＨｚの第１周波数を有する第１高周波電力と，電力密度が２．７Ｗ／ｃｍ２以上８．２Ｗ／ｃｍ２以下であって３．２ＭＨｚの第２周波数を有する第２高周波電力とが，印加されることを特徴とするプラズマエッチング装置。A processing gas is introduced into an airtight processing container, and the processing gas is turned into plasma by applying high-frequency power to the electrodes provided opposite to each other, and placed on the lower electrode using a mask material patterned in advance as a mask. A plasma etching apparatus for etching an etching target film formed on a processed object,
The lower electrode includes a first RF power having a first frequency of 100MHz power density is not more 0.13 W / cm 2 or more 1.4 W / cm 2 or less, the power density of 2.7 W / cm 2 or more and 8. A plasma etching apparatus, wherein a second high frequency power having a second frequency of 3.2 MHz or less and 2 W / cm 2 or less is applied.
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