JP4673457B2

JP4673457B2 - プラズマ処理方法

Info

Publication number: JP4673457B2
Application number: JP37751098A
Authority: JP
Inventors: 貴一浜; 博之石原; 彰規北村
Original assignee: 東京エレクトロンＡｔ株式会社
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000200772A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，プラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，気密な処理室内に被処理体，例えば半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）の載置台を兼ねた下部電極と，接地された上部電極とを対向配置したプラズマエッチング装置が提案されている。当該装置では，まず下部電極上にウェハを載置した後，処理室内に所定の処理ガスを導入すると共に，処理室内を真空引きして所定の減圧雰囲気に維持する。次いで，下部電極に高周波電力を印加することにより，処理ガスを解離させてプラズマを生成し，該プラズマにより，例えばウェハの被処理面に形成されたＳｉＯ₂膜層にエッチング処理を施し，所定のコンタクトホールを形成している。
【０００３】
また，上記ＳｉＯ₂膜層にコンタクトホールを形成する場合には，処理ガスとして少なくともＣＦ（フルオロカーボン）系ガスとＯ₂を含むガス，例えばＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒとＯ₂との混合ガスが用いられている。Ｃ₄Ｆ₈は，解離するとＦ^*（フッ素ラジカル）やＣＦ^*（フルオロカーボンラジカル）などのラジカル，イオンおよび電子が生じ，その中のラジカルとイオンの競合反応によってＳｉＯ₂膜層がエッチングされる。また，Ｃ₄Ｆ₈は，カーボン（Ｃ）を含むガスであるため，処理時にはカーボンやＣＦ系化合物など反応生成物が生成される。従って，その反応生成物がＳｉＯ₂膜層上に形成されたフォトレジスト膜層，特にエッチングパターン開口部の肩部に付着，堆積すると，上記反応生成物によって肩部がイオンの衝突から保護されるために，パターンの開口部が広がらず，所定の狭小なコンタクトホールが形成される。
【０００４】
また，上記Ｏ₂は，エッチストップの発生を抑制するために処理ガスに添加されている。すなわち，Ｏ₂を処理ガスに添加すると，少なくとも上記反応生成物を除去する作用があることが経験的に見出されており，そのＯ₂を処理ガスに適量添加すれば，コンタクトホールの底部への上記反応生成物の堆積が軽減され，エッチストップの発生を防止することができる。ただし，Ｏ₂を処理ガスに過剰に添加すると，コンタクトホール底部に堆積した反応生成物のみ成らず，フォトレジスト膜層に堆積した反応生成物も除去されてしまい，上記肩部がエッチングされてパターンの開口径が広がってしまう。従って，上記処理ガスには，エッチストップの発生を防止し，かつフォトレジスト膜層の肩部の削れ量が比較的少量になるように，例えばＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒの流量がそれぞれ１０ｓｃｃｍと５０ｓｃｃｍと２００ｓｃｃｍである場合には，５ｓｃｃｍのＯ₂を常時添加して，エッチング処理を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，最近の半導体素子の超微細化および超高集積化傾向に伴って，コンタクトホールの深さに対して内径が相対的に小さい，いわゆる高アスペクト比のコンタクトホールを形成する場合に，上述の如く処理ガスにＯ₂を添加しても，エッチストップが発生することがある。また，そのエッチストップを解消するべく，Ｏ₂の添加量を増加させると，上述の如くフォトレジスト膜層およびその肩部が削られてしまい，コンタクトホールの内径が広がっていわゆるＣＤロス(critical dimension loss)が生じたり，ＳｉＯ₂膜層を必要量エッチングする前にフォトレジスト膜層が全てなくなってしまうために，狭小なコンタクトホールを形成することができない。
【０００６】
本発明は，従来の技術が有する上記のような問題点に鑑みて成されたものであり，その目的は，マスクパターンに損傷を与えることなく，エッチストップの発生を防止し，高アスペクト比のコンタクトホールを形成することが可能な新規かつ改良されたプラズマ処理方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明の第１の観点によれば，処理室内に導入された少なくともフルオロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，処理室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において，処理ガスには，酸素が間欠的に添加されることを特徴とする，プラズマ処理方法が提供される。
【０００８】
かかる構成によれば，酸素を処理ガスに間欠的に添加するので，例えば，ＳｉＯ₂膜層に対してプラズマエッチング処理を施してコンタクトホールを形成する際に，エッチストップの発生を防止できる量のＯ₂を処理ガスに添加しても，ＳｉＯ₂膜層上に形成されたフォトレジスト膜層およびその肩部が損傷し難くなる。例えばＣ₄Ｆ₈を含む処理ガスでエッチング処理を行う場合には，Ｏ₂の添加時にエッチストップの発生を防止するために上記従来のエッチング方法よりも多くのＯ₂を添加しても，Ｏ₂の無添加時にフォトレジスト膜層に反応生成物を堆積させることができるため，該フォトレジスト膜層およびその肩部を保護できる。その結果，フォトレジスト膜層に形成されたパターンの開口径が広がらず，かつエッチストップが起こらないので，高アスペクト比のコンタクトホールを形成することができる。
【０００９】
また，酸素を，周期的（パルス的）に処理ガスに添加すれば，上記エッチストップの発生の防止と，反応生成物の堆積をより確実に行うことができると共に，Ｏ₂の添加制御を容易に行うことができる。
【００１０】
さらに，酸素の添加時間を，酸素の無添加時間よりも相対的に短くすれば，Ｏ₂の全導入量（投入量）を従来のような連続導入の場合の全導入量以下にしても，フォトレジスト膜層およびその肩部の損傷を最小限に止めながらエッチストップの発生を防止することができる。
【００１１】
また，酸化シリコン膜層にコンタクトホールを形成する処理においては，エッチストップはアスペクト比の増加に比例して起こりやすくなる。そこで，プラズマ処理によって酸化シリコン膜層にコンタクトホールを形成する場合に，酸素の添加量をコンタクトホールのアスペクト比の増加に応じて増加させれば，エッチングの進行に伴ってアスペクト比が大きくなっても，エッチストップの発生を確実に防止できる。また，アスペクト比が小さい処理初期には，Ｏ₂の添加量を少なくできるので，フォトレジスト膜層の損傷を防止できる。なお，本明細書中において，アスペクト比とは，コンタクトホールの内径（幅）ａと深さ（高さ）ｂとの比（ｂ／ａ）をいう。
【００１２】
さらに，アスペクト比の変化とプラズマの成分変化との関係を予め求め，プラズマの成分変化に応じて酸素の添加量を調整することができる。アスペクト比の変化は，処理中には測定することが困難であるが，本発明を採用すればアスペクト比の変化に対応するプラズマの成分変化に基づいてＯ₂の添加量を調整できるので，上記アスペクト比の変化に応じたＯ₂の添加量調整を容易かつ確実に行うことができる。
【００１３】
また，一般に，Ｏ ₂をプラズマ安定化後から添加しても，上記エッチストップは，エッチングがある程度進行した後に起こるので，処理に影響を及ぼすことがない。
【００１４】
また，本発明の第２の観点によれば，処理室内に導入された少なくともフルオロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，処理室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において，処理ガスには，酸素が添加されると共に，酸素の添加量を相対的に増減させることを特徴とする，プラズマ処理方法が提供される。
【００１５】
かかる構成によれば，処理ガスに添加するＯ₂の添加量を相対的に増減させるので，そのＯ₂の添加量が相対的に多いときにエッチストップの発生を防止し，またＯ₂の添加量が相対的に少ないときにフォトレジスト膜層に反応生成物を堆積させて，そのフォトレジスト膜層を保護することができるため，高アスペクト比のコンタクトホールを形成することができる。
【００１６】
また，酸素の添加量の増減を，周期的に行えば，エッチストップの発生の防止と，フォトレジスト膜層の保護を確実に行うことができると共に，Ｏ₂の添加量制御を容易に行うことができる。
【００１７】
さらに，酸素の添加量の増加時間を，酸素の添加量の減少時間よりも相対的に短くすれば，フォトレジスト膜層の損傷を最小限に止めながら，エッチストップの発生を防止することができる。
【００１８】
また，プラズマ処理によって酸化シリコン膜層にコンタクトホールを形成する場合に，酸素の添加量を，コンタクトホールのアスペクト比の増加に応じて増加させれば，処理に伴ってアスペクト比が大きくなっても，フォトレジスト膜を損傷させずにエッチストップの発生を確実に防止できる。
【００１９】
さらに，アスペクト比の変化とプラズマの成分変化との関係を予め求め，プラズマの成分変化に応じて酸素の添加量を調整すれば，上記アスペクト比に応じたＯ₂の添加量調整を容易かつ確実に行うことができる。
【００２０】
また，添加量の増減を，プラズマの安定化後に行えば，プラズマを確実に生成することができると共に，プラズマの不安定性に起因するプロセスへの悪影響を生じさせることなく，エッチストップの発生を確実に防止することができる。
【００２１】
また，本発明の第３の観点によれば，処理室内に導入された少なくともフルオロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，処理室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において，処理ガスには，酸素が添加されると共に，酸素の添加量は，酸化シリコン膜層に形成されたコンタクトホールのアスペクト比の増加に応じて増加されることを特徴とする，プラズマ処理方法が提供される。
【００２２】
かかる構成によれば，アスペクト比の増加に応じてＯ₂の添加量が増加され，コンタクトホール底部に導入されるＯ₂量を増やすことができるので，アスペクト比の増加に伴うエッチストップの発生を確実に防止できる。また，アスペクト比が小さい時にはＯ₂の添加量が少なく，さらにＯ₂の全投入量を従来よりも少なくできるので，フォトレジスト膜層およびその肩部の損傷を防止できる。
【００２３】
また，アスペクト比の変化とプラズマの成分変化との関係を予め求め，プラズマの成分変化に応じて酸素の添加量を調整すれば，アスペクト比の増加に応じたＯ₂の添加量調整を容易かつ確実に行うことができる。
【００２４】
また，酸素の添加量を，連続的に増加させたり，段階的に増加させれば，アスペクト比の増加に応じて所望の状態でＯ₂を処理ガスに添加することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に，添付図面を参照しながら本発明にかかるプラズマ処理方法をエッチング方法に適用した実施の形態について説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
（１）エッチング装置の全体構成
まず，図１を参照しながら，第１の実施の形態のエッチング方法が適用されるエッチング装置１００について説明する。同図に示すエッチング装置１００の処理室１０２は，導電性の気密な処理容器１０４内に形成されており，この処理室１０２内には，ウェハＷの載置台を兼ねた導電性の下部電極１０６が配置されている。また，下部電極１０６上には，ウェハＷを吸着保持する静電チャック１０８が設けられており，この静電チャック１０８には，高圧直流電圧を出力する高圧直流電源１１０が接続されている。さらに，下部電極１０６上には，静電チャック１０８上に載置されたウェハＷの周囲を囲むようにフォーカスリング１１２が設けられている。
【００２７】
また，下部電極１０６には，その周囲を囲むようにバッフル板１１４が取り付けられており，このバッフル板１１４に形成された複数の貫通孔１１４ａを介して処理室１０２と，処理容器１０４内下方に接続されている排気管１１６とが連通している。さらに，排気管１１６には，不図示の真空ポンプが接続されている。また，下部電極１０６には，整合器１１８を介して高周波電力を出力する高周波電源１２０が接続されている。さらに，処理容器１０２の外部には，処理室１０２内に磁界を形成する磁石１２２が設けられている。
【００２８】
また，下部電極１０６の載置面に対向する処理室１０２の天井部には，導電性の上部電極１２４が配置されており，図示の例では，処理容器１０４を介して接地されている。さらに，上部電極１２４には，多数のガス吐出孔１２４ａが形成されており，それらガス吐出孔１２４ａは，第１ガス供給管１２６と第２ガス供給管１２８に接続されたガス拡散室１３０と連通している。また，第１ガス供給管１２６には，第１開閉バルブ１３２および第１流量調整バルブ（マスフローコントローラ）１３４を介して第１ガス供給源１３６と，第２開閉バルブ１３８および第２流量調整バルブ１４０を介して第２ガス供給源１４２と，第３開閉バルブ１４４および第３流量調整バルブ１４６を介して第３ガス供給源１４８がそれぞれ接続されている。さらに，図示の例では，第１ガス供給源１３６からはＣ₄Ｆ₈が供給され，第２ガス供給源１４２からはＣＯが供給され，第３ガス供給源１４８からはＡｒが供給される。
【００２９】
また，第２ガス供給管１２８には，第４開閉バルブ１５０および第４流量調整バルブ１５２を介して，Ｏ₂を供給する第４ガス供給源１５４が接続されている。さらに，第１〜第４流量調整バルブ１３４，１４０，１４６，１５２には，上記各ガスの流量を制御する制御器１５６が接続されている。
【００３０】
（２）Ｏ₂の添加によるエッチストップの解消現象
次に，図２を参照しながら，処理ガスへのＯ₂の添加によってエッチストップが起こらなくなる現象について説明する。発明者らの知見によれば，Ｏ₂の添加によってエッチストップが解消される理由としては，主に以下の２つの説が考えられる。
【００３１】
（ａ）第１説
例えば，Ｏ₂が添加されていないＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒの混合ガスを用いて，図２（ａ）に示すように，Ｓｉ（シリコン）基板２００上に形成されたＳｉＯ₂膜層２０２に対してエッチング処理を施し，コンタクトホール２０４を形成する。この際，正イオン（Ｉ⁺）は，シースにより加速され，コンタクトホール２０４内に入るが，電子（ｅ^-）は等方的に入射するため，コンタクトホール２０４のホール径（内径）が小さくなると，コンタクトホール２０４内に入るものと入らないものとが生じ，コンタクトホール２０４内の下部側壁が正（プラス）の電荷に帯電する。
【００３２】
正電荷のチャージ量がある程度以上になると，イオンがコンタクトホール２０４内に入り込めなくなり，そのイオンがコンタクトホール２０４底面に到達しなくなる。その結果，ラジカルとイオンのバランスが崩れてしまい，エッチストップが生じる。ただし，アスペクト比が小さい場合は，ほとんど正電荷に帯電しないのでラジカルとイオンのバランスも崩れず，エッチストップは生じない。これに対して，アスペクト比が大きい場合は，上述の如くイオンがコンタクトホール２０４底部に到達できず，イオンとラジカルの比が変わり，エッチストップが生じる。
【００３３】
そこで，上記処理ガスにＯ₂を添加すると，Ｏ₂が解離してＯ^*（酸素ラジカル）および負イオンが生じ，このＯの負イオンがコンタクトホール２０４内に侵入すると，Ｏの負イオンやＯ^*の作用によって上記正電荷の帯電が解消する。従って，内径が略０．１８μｍ以下のような非常に狭小なコンタクトホール２０４を形成する場合でも，イオンがコンタクトホール２０４底部に到達する。そして，イオンとＣ_xＦ_yラジカルとＳｉＯ₂とが適度なバランスで反応して，コンタクトホール２０４底部のＳｉＯ₂膜層２０２が適度にエッチングされ，エッチストップの発生が防がれる。
【００３４】
（ｂ）第２説
堆積種は，入射の立体角が大きく，図２（ｂ）に示すように，コンタクトホール２０４内の側壁上部に堆積しやすく，ＣＦ_xポリマー（堆積物）２１０が形成される。さらに，このＣＦ_xポリマー２１０にイオン（Ｉ⁺）が衝突し，Ｃ／Ｆ比の高い成分がコンタクトホール２０４内下方にスパッタリングされていく。つまり，ＣＦ_xポリマー２１０がスパッタと再堆積を繰り返し，Ｃリッチな堆積物（反応生成物）２１２が形成される。そして，この堆積物２１２は，微細コンタクトホール２０４でのＳｉＯ₂膜層２０２のエッチング速度低下の主な原因となる。従って，かかる原因を踏まえて，コンタクトホール２０４側壁を垂直に形成することが重要となる。
【００３５】
そこで，処理ガスにＯ₂を添加すれば，上述の如くＯ₂が解離して生成されるＯ^*と，コンタクトホール２０４底部の堆積物２１２とが反応し，例えばＣＯ，ＣＯ₂，ＣＯＦ_xなどとなってコンタクトホール２０４の外部に排出される。その結果，コンタクトホール２０４底部に堆積していた難エッチング性の堆積物２１２が除去されるため，イオン２１０とラジカルとの比のエッチングバランスが適切になり，エッチストップの発生を防止することができる。
【００３６】
以上説明したように，いずれの説を採用するにせよ，処理ガスへＯ₂を添加することによりエッチストップを防止できる。しかしながら，上記エッチストップの発生を確実に防止するためには，コンタクトホール２０４のアスペクト比が大きくなる（狭小化）に伴って，Ｏ₂の添加量を増加させなければならないが，上述した従来のエッチング方法のように，Ｏ₂を処理ガスに常時一定量添加したのでは，ＳｉＯ₂膜層２０２上に形成されているフォトレジスト膜層２０６およびその肩部もエッチングされてしまう。そこで，本実施の形態は，後述の如く所定の間隔でＯ₂の添加および無添加を交互に切り替えながら処理ガスにＯ₂を添加することで，エッチストップの発生を確実に防止できる量のＯ₂を処理ガスに添加して，フォトレジスト膜層２０６およびその肩部が損傷することなく，高アスペクト比のコンタクトホール２０４を形成する。
【００３７】
（３）エッチング工程およびＯ₂の添加量制御構成
次に，図１〜図３を参照しながら，エッチング工程およびＯ₂の添加量（流量）制御構成について説明する。
まず，図１に示すように，ウェハＷを，例えば２０℃に設定された下部電極１０６の静電チャック１０８上に載置して吸着保持する。このウェハＷは，図２に示すように，Ｓｉ基板２００上にＳｉＯ₂膜層２０２が形成されていると共に，そのＳｉＯ₂膜層２０２の上面が所定のパターンが形成されたフォトレジスト膜層２０６によって覆われている。また，図１に示す処理室１０２の内壁面および上部電極１２４の温度は，例えば６０℃に設定されている。
【００３８】
次いで，制御器１５６により第１〜第３流量調整バルブ１３４，１４０，１４６を適宜調整して，例えばＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒから成る混合ガスをそれぞれ１０ｓｃｃｍと５０ｓｃｃｍと２００ｓｃｃｍの流量で処理室１０２内に導入する。この際，第４流量調整バルブ１５２は閉じられており，Ｏ₂の供給は停止されている。また，処理室１０２内は，バッフル板１１４の貫通孔１１４ａと排気管１１６を介して真空引きされ，例えば４０ｍＴｏｒｒの圧力に維持されている。その後，下部電極１０６に対して，例えば１３．５６ＭＨｚで１７００Ｗの高周波電力を印加すると，上部電極１２４と下部電極１０６との間にプラズマが生成され，該プラズマ中のイオンやラジカルによってＳｉＯ₂膜層２０２に所定のエッチング処理が施される。
【００３９】
また，上記プラズマの生成状態は，例えばプラズマの発光スペクトルを検出するセンサによって監視されており，このセンサからの情報が制御器１５６に伝達されている。そして，制御器１５６は，プラズマが安定化し，ＳｉＯ₂膜層２０２に安定したエッチング処理が施されていると判断すると，所定のパルス電圧を第４流量調整バルブ１５２に印加する。第４流量調整バルブ１５２は，上記パルス電圧のオンの時にはバルブを開放して，Ｏ₂をガス拡散室１３０内に供給し，上記パルス電圧のオフの時には，バルブを閉じてＯ₂の供給を停止する。その結果，Ｏ₂は，図３に示すように，上記パルス電圧のオン，オフに同期してガス拡散室１３０内に滞在する処理ガスに添加され，該処理ガスがガス吐出孔１２４ａを介して，処理室１０２内に供給される。
【００４０】
また，Ｏ₂の添加時の最大流量は，上記従来のエッチング方法でのＯ₂の流量よりも多く設定され，本実施の形態では，例えば１０ｓｃｃｍに設定されている。さらに，１周期当たりのＯ₂の添加時間は，数ｍ秒〜数１０ｍ秒，例えば５ｍ秒〜１０ｍ秒に設定され，またＯ₂の無添加時間は，そのＯ₂の添加時間よりも長く設定されている。従って，Ｏ₂の添加時間が無添加時間に比べて非常に少ないので，常時Ｏ₂を添加したならばフォトレジスト膜層２０６が削られてしまう量のＯ₂を処理ガスに添加しても，フォトレジスト膜層２０６にＣＦ系化合物などの反応生成物（保護膜）を形成することができ，損傷されやすいフォトレジスト膜層２０６の肩部が削られることがない。さらに，Ｏ₂の全導入量は，従来の連続導入の場合の全導入量以下なので，上記損傷の発生を確実に防止できる。
【００４１】
本実施の形態は，以上のように構成されており，処理ガスに添加するＯ₂の添加および無添加を所定周期で切り替えるので，フォトレジスト膜層２０６に形成されているパターンを初期の状態に維持しながら，コンタクトホール２０４内部側壁部のチャージ現象を防止し，かつコンタクトホール底部２０４への反応生成物（堆積物）２０８，２１２の堆積を抑制して，エッチストップの発生を防止することができる。
【００４２】
（第２の実施の形態）
次に，第２の実施の形態のエッチング方法について説明する。なお，本実施の形態を適用可能なエッチング装置は，上記第１の実施の形態で説明したエッチング装置１００と同一なので，略同一の機能および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。ただし，上記第１の実施の形態では，Ｏ₂を処理ガスに断続的に添加するのに対して，本実施の形態では，Ｏ₂の添加量を相対的に増減させることを特徴としている。
【００４３】
すなわち，本実施の形態では，プラズマ生成前の処理室１０２内に，Ｃ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒから成る混合ガスを，それぞれ例えば１０ｓｃｃｍと５０ｓｃｃｍと２００ｓｃｃｍの流量で導入すると共に，例えば流量が５ｓｃｃｍのＯ₂も同時に導入する。この際，それら各ガスの流量は，上記第１の実施の形態と同様に，制御器１５６から第１〜第４流量調整バルブ１３４，１４０，１４６，１５２に印加する電圧によって調整されている。なお，本実施の形態の場合には，プラズマ生成前からＯ₂を処理ガスに添加しているが，Ｏ₂の添加量は微量なのでプラズマの生成やフォトレジスト膜層２０６に影響を及ぼすことはない。
【００４４】
次いで，下部電極１０６に対して所定の高周波電力を印加し，処理室１０２内にプラズマを生成する。そして，制御器１５６は，上記第１の実施の形態と同様に，プラズマが安定化したことを確認すると，制御器１５６から第４流量調整バルブ１５２の開度を調整して，ガス拡散室１３０内に導入されるＯ₂の流量，すなわち図４に示すように処理ガスへのＯ₂の添加量を増減する。本実施の形態の場合には，Ｏ₂の流量は５ｓｃｃｍと１０ｓｃｃｍとの間で増減を反復するように構成されている。なお，本実施の形態においては，ガス拡散室１３０内に高い流量，例えば１０ｓｃｃｍでＯ₂を供給する時間は，数ｍ秒〜数１０ｍ秒，例えば５ｍ秒〜１０ｍ秒に設定されている。これに対して，ガス拡散室１３０内に低い流量，例えば５ｓｃｃｍでＯ₂を供給する時間は，高い流量でＯ₂を供給する時間よりも長く設定されている。
【００４５】
本実施の形態は，以上のように構成されており，処理ガスに添加するＯ₂の添加量を所定周期で増減させるので，Ｏ₂が処理ガス中に常時多く含まれることがない。その結果，フォトレジスト膜層２０６に形成されたパターンを初期の状態に維持しながら，エッチストップが発生することなく，所定の高アスペクト比のコンタクトホール２０４を形成することができる。また，Ｏ₂をプラズマ生成前後を通して処理ガスに添加するので，従来の処理プロセスと略同一の条件で処理を行うことができる。さらに，処理中には，Ｏ₂が処理ガスに常時添加されるので，エッチストップの発生をより確実に防止することができる。
【００４６】
（第３の実施の形態）
次に，第３の実施の形態のエッチング方法について説明する。なお，本実施の形態は，コンタクトホール２０４のアスペクト比の変化に対応するプラズマの成分変化に応じてＯ₂の添加量を調整する点が，上記第１および第２の実施の形態と異なる。
【００４７】
（１）エッチング装置の全体構成
まず，図５を参照しながら，本実施の形態のエッチング方法が適用されるエッチング装置３００について説明する。なお，上述したエッチング装置１００と略同一の機能および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。図５に示すエッチング装置３００の制御器１５６には，例えば赤外レーザ吸収分光法（ＩＲ−ＬＡＳ）により処理室１０２内のプラズマの成分変化を測定する分析器３０２が接続されている。この分析器３０２は，不図示の光源から出力され，処理室１０２内に生成されたプラズマ中を通過した赤外レーザ光が，処理室１０２側壁に設けられた光透過性の検出窓３０４と，磁石１２２に設けられた貫通口３０６とを介して分光器３０２の受光部に入力されるように配置されている。
【００４８】
（２）コンタクトホールのアスペクト比の変化とプラズマの成分変化との関係
次に，図６および図７を参照しながら，コンタクトホール２０４のアスペクト比の変化とプラズマの成分変化との関係について説明する。
Ｏ₂が添加されていないＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒから成る処理ガスを用いてウェハＷのＳｉＯ₂膜層２０２にエッチング処理を行うと，図６（ａ）に示すように，所定のエッチング時間経過後，すなわちＳｉＯ₂膜層２０２に形成されるコンタクトホール２０４のアスペクト比が所定の大きさ以上になるとエッチングレートが低下し，最終的にはエッチングが進行しなくなる。
【００４９】
この際，図６に示すように，実質的に一定のエッチングレートが確保される区間（Ａ）には，ＳｉＯ₂膜層２０２に図７（ａ）に示すいわゆるμトレンチのコンタクトホール２０４が形成される。エッチングが進行し，エッチングレートが低下する区間（Ｂ）には，ＳｉＯ₂膜層２０２のエッチング状態が不安定となって，図７（ｂ）に示すようにコンタクトホール２０４の底部が凸凹形状になる。さらに，エッチングレートが実質的に０になる区間（Ｃ）には，図７（ｃ）に示すようにコンタクトホール２０４底部に上述した反応生成物２０８や堆積物２１２（以下，「反応生成物等２０８，２１２」という。）が堆積し，かつコンタクトホール２０４内部側壁部のチャージ現象によりエッチストップが起こる。
【００５０】
次に，エッチング時間（アスペクト比）とコンタクトホール２０４底部の反応生成物等２０８，２１２の堆積量との関係について着目すると，図６（ｂ）に示すように，反応生成物等２０８，２１２は，エッチング初期の段階，すなわちアスペクト比が小さい段階からコンタクトホール２０４底部に堆積するが，区間（Ａ）内での堆積量であれば図７（ａ）に示すように所定のエッチングが行われる。また，反応生成物等２０８，２１２が区間（Ｂ）内の堆積量になると，図７（ｂ）に示すようにエッチングに影響を及ぼす。さらに，区間（Ｃ）内の堆積量，すなわち区間（Ｂ）と区間（Ｃ）との境のエッチストップ境界量以上になると，図７（ｃ）に示すようにエッチストップを引き起こす。
【００５１】
このように，アスペクト比（エッチング時間）の増加と，エッチングレート，エッチング形状およびコンタクトホール２０４底部の反応生成物等２０８，２１２の堆積量とは，密接な関係にある。従って，アスペクト比の増加に応じてＯ₂の添加量を増加させれば，エッチストップの発生を防止できるだけではなく，所望のエッチングレートおよびエッチング形状を得ることができる。また，アスペクト比が小さい処理初期には，Ｏ₂の添加量を少なくできるので，フォトレジスト膜層２０６およびパターン肩部の損傷を最小限に止めることができる。さらに，Ｏ₂の全導入量（投入量）は，従来のような連続導入の場合の全導入量以下にできるので，上記フォトレジスト膜層２０６の肩部の削れを確実に防止できる。また，処理初期でＯ₂の添加量を少なくした分だけ，その後にＯ₂を上記よりもさらに多く添加することができるので，エッチストップの発生を確実に防止できる。
【００５２】
ただし，エッチング処理中には，実際のコンタクトホール２０４のアスペクト比を測定することは非常に困難である。そこで，本実施の形態では，アスペクト比の増加に対応して変化するプラズマの成分変化に基づいてＯ₂の添加量を調整する。ここで，アスペクト比の増加とプラズマの成分変化との関係について説明すると，図６（ｃ）に示すように，上述した所定のエッチングが行われる区間（Ａ）内では，プラズマ中のエッチャントであるＣＦ，ＣＦ₂およびＣＦ₃の総含有量（以下，「ＣＦ類総含有量」という。）は，一定である。また，ＳｉＯ₂膜層２０２のエッチングにより生じた副生成物（バイプロダクト）の１つであるＳｉＦ₂の含有量も一定である。また，エッチングが進行し難くなる区間（Ｂ）内では，ＣＦ類総含有量が増加すると共に，ＳｉＦ₂の含有量が減少する。さらに，実質的にエッチングが進行しない区間（Ｃ）内では，ＣＦ類総含有量は一定となり，ＳｉＦ₂の含有量はほぼゼロになる。
【００５３】
このように，コンタクトホール２０４のアスペクト比およびエッチング形状の変化と，処理室１０２内のプラズマ中のＣＦ類総含有量およびＳｉＦ₂の含有量の変化とは，相関関係にあるので，実際の処理時には上記プラズマの成分変化を測定し，該成分変化に応じて処理ガスに添加するＯ₂の添加量を調整すれば，アスペクト比およびエッチング形状に応じてＯ₂の添加量を調整した場合とほぼ同様の制御を行うことができる。
【００５４】
（３）エッチング工程およびＯ₂の添加量制御構成
次に，図５，図６（ｃ）および図８を参照しながら，エッチング工程およびＯ₂の添加量制御構成について説明する。なお，上記第１の実施の形態と同一の工程については，重複説明を省略する。
分析器３０２には，不図示の光源から出力された赤外レーザ光が入力されており，エッチング処理の開始により処理室１０２内にプラズマが生成されると，上記赤外レーザ光がプラズマ中を通過する。分析器３０２は，プラズマ中を通過した赤外レーザ光から赤外レーザ吸収分光法によりプラズマに含まれる成分のうち，上述したＣＦ，ＣＦ₂およびＣＦ₃の各含有量と，ＳｉＦ₂の含有量を求め，それら各含有量情報を制御器１５６に出力する。
【００５５】
また，制御器１５６には，図６（ｃ）に示すアスペクト比の増加に応じたプラズマ中のＣＦ類総含有量およびＳｉＦ₂の含有量の変化情報が予め設定されている。従って，制御器１５６は，分析器３０２から入力されたＣＦ，ＣＦ₂，ＣＦ₃の総含有量（ＣＦ類総含有量）およびＳｉＦ₂の含有量の変化時，すなわちＣＦ類総含有量が増加し，ＳｉＦ₂の含有量が減少する時にＯ₂の流量を調整する。かかる構成により，図８に示すように，実質的にコンタクトホール２０４のアスペクト比の増加に応じてＯ₂の添加量が連続的に増加され，コンタクトホール２０４底部へのＯ₂の導入量が増加されるので，フォトレジスト膜層２０６およびその肩部が損傷せずにエッチストップが発生することなく，高アスペクト比のコンタクトホール２０４を形成することができる。
【００５６】
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，それら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５７】
例えば，上記第１および第２の実施の形態において，所定の周期ごとに一定量のＯ₂を間欠的に，あるは増減させながら処理ガスに添加する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではない。例えば，上記第３の実施の形態と同様にアスペクト比の増加，すなわちプラズマの成分変化に応じてＯ₂の添加量を増加させながら，図９に示すようにＯ₂を間欠的（パルス的）に添加したり，あるいは図１０に示すようにＯ₂をパルス的に増減させて添加したり，図１１に示すようにＯ₂を曲線的に増減させて添加すれば，上記第３の実施の形態と同様の効果を奏することができる。さらに，上記プラズマの成分変化に応じて，図１３に示すようにＯ₂の添加量を連続的かつ直線的に増加させても，上記と同様の効果を奏することができる。
【００５８】
また，上記第３の実施の形態において，Ｏ₂の添加量を連続的に増加させる構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えば図１２に示すように，プラズマの成分変化に応じてＯ₂の添加量を段階（多段階）的に増加させる構成を採用しても同様の効果を奏することができる。
【００５９】
さらに，上記第３の実施の形態において，プラズマの成分変化に基づいてＯ₂の添加量を調整する構成を例に挙げて説明したが，Ｏ₂以外の処理ガスの流量や，処理室内の圧力や，電極に印加する高周波電力や，電極や処理室内壁の温度などもプラズマの成分変化に応じて調整することができる。
【００６０】
また，上記第３の実施の形態において，プラズマの成分変化を赤外レーザ吸収分析法により測定する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えばレーザ誘起蛍光法（ＬＩＦ）や，発光分光法（ＯＥＳ）や，四重極質量分析法などによりプラズマ成分の含有量を求めても，本発明を実施することができる，さらに，プラズマの電位や温度の変化に基づいてＯ₂の添加量を調整することもできる。
【００６１】
さらに，上記第３の実施の形態において，実測したプラズマの成分変化に応じてＯ₂の添加量を調整する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，コンタクトホールのアスペクト比の増加とエッチング時間との関係を予め求めておき，該エッチング時間の経過に応じてＯ₂の添加量を増加させる構成を採用しても本発明を実施することができる。
【００６２】
また，上記第１〜第３の実施の形態において，処理ガスとしてＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒの混合ガスにＯ₂を添加する構成を例に挙げ説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，少なくともフルオロカーボンを含む処理ガスであれば，他の処理ガスを採用しても本発明を実施することができる。
【００６３】
さらに，上記第１〜第３の実施の形態において，Ｏ₂とその他の処理ガスをガス拡散室に導入した後，ガス吐出孔を介して処理室内に供給する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，Ｏ₂を処理室内に直接供給しても本発明を実施することができる。
【００６４】
また，上記第１〜第３の実施の形態において，Ｏ₂の流量（添加量）を，電圧で開度を調整する流量調整バルブで行う構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるのもではなく，Ｏ₂の流量を適宜調整できれば，他の流量調整手段を用いても本発明を実施することができる。
【００６５】
さらに，上記第１〜第３の実施の形態において，プラズマの状態を光学センサで検出する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えば予めプラズマが安定する時間を求めておき，実際の処理時にはその時間に基づいてＯ₂の添加量制御を行う構成を採用しても本発明を実施することができる。
【００６６】
また，上記第１〜第３の実施の形態において，下部電極のみに高周波電力を印加するエッチング装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，例えば上部電極と下部電極の両方や，上部電極のみに高周波電力を印加する構成を有するプラズマ処理装置にも本発明を適用することができる。また，本発明は，上記磁石を備えたエッチング装置のみならず，その様な磁石を備えていないプラズマ処理装置にも適用することができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば，Ｏ₂を間欠的に処理ガスに添加しながら，あるいはＯ₂の添加量を相対的に増減させながら処理を行うので，エッチングマスクの損傷を最小限に止めることができると共に，例えばコンタクトホール底部に堆積した反応生成物を除去し，コンタクトホール内壁面のチャージング現象の発生を防止して，エッチストップの発生を防止することができる。その結果，超微細な高アスペクト比のコンタクトホールを，所望の形状で形成することができる。また，アスペクト比の増加に応じてＯ₂の添加量を増加させながら処理を行えるので，エッチストップの発生をより確実に防止でき，さらにＯ₂の全投入量を削減できるのでエッチングマスクが損傷することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なエッチング装置を示す概略的な断面図である。
【図２】（ａ）はＯ₂の添加によるエッチストップの解消現象の第１説を説明するための概略的な説明図であり，（ｂ）はＯ₂の添加によるエッチストップの解消現象の第２説を説明するための概略的な説明図である。
【図３】図１に示すエッチング装置に適用されるＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【図４】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【図５】本発明を適用可能な他のエッチング装置を示す概略的な断面図である。
【図６】（ａ）はエッチング時間（コンタクトホールのアスペクト比）とエッチングレートとの関係を説明するための概略的な説明図であり，（ｂ）はエッチング時間（コンタクトホールのアスペクト比）とコンタクトホール底部の反応生成物等の堆積量との関係を説明するための概略的な説明図であり，（ｃ）はエッチング時間（コンタクトホールのアスペクト比）とプラズマ成分の含有量との関係を説明するための概略的な説明図である。
【図７】（ａ）は図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す区間（Ａ）でのコンタクトホールの形状を示す概略的な断面図であり，（ｂ）は図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す区間（Ｂ）でのコンタクトホールの形状を示す概略的な断面図であり，（ｃ）は図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す区間（Ｃ）でのコンタクトホールの形状を示す概略的な断面図である。
【図８】図５に示すエッチング装置に適用されるＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【図９】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【図１０】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【図１１】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【図１２】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【図１３】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図である。
【符号の説明】
１００，３００エッチング装置
１０２処理室
１０６下部電極
１２４上部電極
１２４ａガス吐出孔
１２６，１２８第１および第２ガス供給管
１３０ガス拡散室
１３４，１４０，１４６，１５２第１〜第４流量調整バルブ
１３６，１４２，１４８，１５４第１〜第４ガス供給源
１５６制御器
２０２ＳｉＯ₂膜層
２０４コンタクトホール
２０６フォトレジスト膜層
３０２分析器
Ｗウェハ

Claims

処理室内に導入された少なくとも、エッチング処理中一定量が継続的に供給されるフルオロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，前記処理室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜層に対して前記エッチング処理を施すエッチング処理方法において，
前記処理ガスには，コンタクトホール底部への反応生成物の堆積を抑制するように、かつ前記酸化シリコン膜層上のフォトレジスト膜層の削れを防ぐように酸素が間欠的に添加され、
前記酸素の添加時間は，前記酸素の無添加時間よりも相対的に短いことを特徴とする，エッチング処理方法。
前記酸素は，周期的に前記処理ガスに添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処理方法。
前記酸素の添加は，前記プラズマの安定化後に行われることを特徴とする，請求項１または２に記載のエッチング処理方法。
処理室内に導入された少なくとも、エッチング処理中一定量が継続的に供給されるフルオロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，前記処理室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜層に対してエッチング処理を施すエッチング方法において，前記処理ガスには，コンタクトホール底部への反応生成物の堆積を抑制するように、かつ前記酸化シリコン膜層上のフォトレジスト膜層の削れを防ぐように酸素が添加されると共に，フルオロカーボンのガスに対する前記酸素の添加量をエッチング処理中に相対的に増減させ、
前記酸素の添加量の増減は、周期的に反復され、各周期には一周期内の酸素の添加量の最大値である最高添加量と酸素の添加量の最小値である最低添加量との間で増減されることを特徴とする，エッチング処理方法。
前記酸素の添加量のうち、最高添加量の添加時間は、最低添加量の添加時間よりも相対的に短いことを特徴とする，請求項４に記載のエッチング処理方法。
前記添加量の増減は，前記プラズマの安定化後に行われることを特徴とする，請求項４又は請求項５のいずれかに記載のエッチング処理方法。