JP4729884B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素及びフッ素を含む化合物からなるガスを用いて基板表面をエッチングするプラズマエッチング方法に関する。

半導体デバイスの製造工程においては、プラズマを用いてエッチングを行うプロセスがあり、このエッチングプロセスは、エッチングすべき膜及び下地膜の種類に応じて処理ガスなどのプロセス条件が設定される。例えば絶縁膜をなすシリコンと酸素とを含む膜であるＳｉＯ2膜（シリコン酸化膜）やＳｉＣＯＨ膜（水素化酸炭化ケイ素膜）をエッチングするためには、Ｃ（炭素）とＦ（フッ素）とを含むガスをプラズマ化し、ＣＦ系あるいはＣＨＦ系のラジカルによりＳｉＯ2やＳｉＣＯＨと反応させて除去することが知られている。具体例を挙げると、絶縁膜であるＳｉＯ2膜（シリコン酸化膜）にコンタクトホールを形成するために、ＣxＦyガス（フロロカーボンガス）、ＣＯガス（一酸化炭素ガス）、Ｏ2ガス（酸素ガス）及び不活性ガスを用いてエッチングすることが知られている（特許文献１）。不活性ガスとしては希釈ガスとしてＮ2ガスを用いられることもあるが、それ自身がプラズマ化しやすいＡｒガスを用いることによりプラズマが安定すること、あるいはＣＦ系のガスの解離が進んでＣＦ系の活性種が増加することなどから、Ａｒガスが用いられることも多い。

ところで半導体デバイスは益々高集積化する傾向にあり、種々の問題が発生してくる。その一つとして、パターンが微細化し、エッチングすべき凹部であるホールや溝において互いに隣接するもの同士が接近しつつあるが、今後デザインルールによっては、例えば容量素子の埋め込み孔同士の離間距離が２００ｎｍ以下にまでなることが予測されている。しかしながらホール同士がこのように接近して配置されると新たな問題が持ち上がってくる。

この点について図１３〜図１５を用いて説明する。図１３において１１はＳｉＯ2膜、１２はレジストマスク（レジスト膜）、１３はホールであり、このような表層部分を有する基板に対してＣ4Ｆ8ガス及び不活性ガスを含む処理ガスによりエッチングを行うと、ホール１３、１３間のレジスト部分が極めて薄いためにホール１３の内周面がうねってしまい、ホール１３の形状が例えば円形、楕円形などの予定としている形状が得られなくなってしまう。図１４は、円形のホール１３が形成されたレジストマスク１２について、エッチング後に上面から見た状態であり、ホール１３の形状が崩れていることを示している。このようにレジストマスク１２のホール１３がうねってしまうと、その形状がＳｉＯ2膜１１のホールに転写され、ストライエーション（striation）が発生する、つまり当該ホール内周面に深さ方向に伸びる溝が形成されてしまう。このようにホールの形状が崩れると、ホール自体が微細であることから例えば容量素子を埋め込むホールの場合には予定の容量が確保できなくなるし、またコンタクトホールの場合には予定の導電性が確保できなくなるといった弊害が起こり、歩留まりの低下の要因になってしまう。

またエッチングガスによるレジストマスク１２における角部の切削を回避することが困難である場合、ホール１３、１３間のレジスト部分が極めて薄いと、図１５に示すように両側から角部１４が削られてそれらが相互に干渉して、その結果ホール１３の形状が崩れてＳｉＯ2膜のホールに転写されるおそれがあり、歩留まりの低下の要因の一つになる懸念がある。更にまたレジストマスク１２のエッチング速度に対するＳｉＯ2膜のエッチング速度の割合である選択比が低下するおそれがある。パターンが微細化すると露光光源の波長が小さくなってくることから、レジスト膜の薄膜化が要求され、このため選択比が低下することは得策ではない。こうした課題は、ＳｉＯ2膜に限らず、低誘電率の層間絶縁膜として注目されているＳｉＣＯＨ膜などにおいても同様である。このＳｉＣＯＨ膜は、パターンが微細化すると、凹部の上端部が拡大してしまうという問題もある。このようなことが起こると、例えば凹部が上層の回路と下層の回路とをつなぐ導電路材料を埋め込むためのビアホール（通し孔）である場合には、このビアホールが密集したところでは、孔径が不正確であるとビアホール間に容量が発生し、信号の伝達が遅れてしまうといった問題がおこる。その理由については検討中であるが、プラズマエッチング時に用いるアルゴンガスの存在によりレジストの凹部が広がり、その凹部が原因になっていると推測している。

更にまたＳｉＣＯＨ膜の下には、当該層のＳｉＣＯＨ膜のエッチングを止めるためにストップレイヤーなどとも呼ばれている下地膜（エッチング停止層）が存在する。この下地膜は例えば炭化シリコン膜、窒化シリコン膜、ＳｉＯＮ膜及びＳｉＣＯ膜などが用いられている。ＳｉＣＯＨ膜をエッチングするときに、これら下地膜に対するＳｉＣＯＨ膜の選択比が小さいという課題もある。このためウエハの面内で先にＳｉＣＯＨ膜の底に届いた部位については、下地膜をいわゆるオーバーエッチングすることになるが、選択比が小さいことからその部位では下地膜のエッチングが進み、下地膜を突き抜けて下層の配線をエッチングしてしまうので、結果として下地膜の膜厚について面内均一性が低くなる。そうすると凹部がビアホールの場合、下層側の回路と上層側の回路とを接続する接続部位の抵抗が面内でばらついてしまい歩留まりの低下の要因になる。なお以上のような課題は特許文献１には示唆されていない。

また特許文献２には、マスク材に直径０．１８μｍのホールパターンを形成し、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorous silicate glass）膜をエッチングするときに、下地のシリコン膜のダメージを抑えるために、エッチングガスであるＣ4Ｆ8ガスにキセノン（Ｘｅ）ガスを添加することが記載されている。しかしながら特許文献２には、ホールの間隔が狭くなったときの課題、選択比の課題及びＳｉＣＯＨ膜をエッチングするときの課題については示されていない。

特開平６−３３８４７９号：段落００２６、００３９、００５０及び図１ 特開平１１−１６８０９０：段落００１３、００１４、００１９及び００２０

本発明はこのように炭素及びフッ素を含む化合物からなる活性種生成用のガスを用いて例えばシリコン及び酸素を含む絶縁膜をエッチングするときの課題を解決しようとするものである。本発明の目的は、レジストマスクに形成された互いに隣接する凹部の間隔が２００ｎｍ以下である基板に対してエッチングを行うにあたって、凹部の内周面のうねりを抑え、被エッチング部位のストライエーションを低減することができ、加工形状を改善することのできるプラズマエッチング方法を提供することにある。本発明の他の目的は、エッチングを止めるための下地膜の上に積層されたシリコン及び酸素を含む絶縁膜を炭素及びフッ素を含む化合物からなるプラズマによりエッチングするにあたって、凹部の上端部が広がることを抑えることができ、またエッチングについて下地膜に対する絶縁膜の選択比が大きいプラズマエッチング方法を提供することにある。

本発明のプラズマエッチング方法は、レジストマスクに形成された互いに隣接するホール同士の離間間隔が２００ｎｍ以下のパターンを含む基板に対してプラズマによりエッチングを行う方法において、
前記レジストマスクを用いてエッチングされる膜は、シリコン及び酸素を含む絶縁膜であり、
活性種生成用のガスであるＣ4Ｆ8ガスと、キセノンガス及びアルゴンガスを含み、キセノンガスとアルゴンガスとの総流量に対するキセノンガスの流量の比率が０．１以上、０．２５以下である不活性ガスと、を含む処理ガスをプラズマ化してエッチングを行うことを特徴とする。

前記レジストマスクに形成された互いに隣接するホールは、容量素子を埋め込むためのホールをエッチングするためのパターンであるか、あるいは、コンタクトホールをエッチングするためのパターンなどが含まれる。

不活性ガスを用いる理由の一つとしては、エッチングに必要な活性種を増加させることが挙げられる。本発明によれば、レジストマスクにおける凹部の間隔が２００ｎｍ以下と極めて小さい場合でも、Ｘｅ（キセノン）ガスを用いることにより後述の実施例からも明らかなように凹部の内周面のうねりが抑えられる。この理由は明確ではないが、Ｘｅガスを用いた場合には、炭素及びフッ素を含む化合物から解離して活性種が生成されるときの解離の程度が小さく、このため活性が激しいフッ素ラジカルなどのいわば余計な活性種の発生が抑えられてレジストに対する反応が弱いということが理由の一つと考えられる。

そして前記不活性ガスは、例えばＸｅガスとＡｒ（アルゴン）ガスとの混合ガスを用いることができる。Ａｒガスは活性種の増加作用が大きく、このため被エッチング部位のエッチング速度を大きくすることができるのでＸｅガスと混合し、その混合比を調整して用いることが好ましい。この場合ＸｅガスとＡｒガスとの総流量（Ｘｅ＋Ａｒ）に対するＸｅガスの流量の比率は０．１以上であることが好ましい。なおＸｅガスの流量比率が大きいとうねりに対しては良くなるが被エッチング部位のエッチング速度が遅くなることから、前記流量比率は両者の兼ね合いで設定することが好ましい。更に前記処理ガスは、酸素ガスを含むことが好ましく、このように酸素ガスを混合させればカーボン系の堆積物を除去する効果が得られる。

また本発明の他のプラズマエッチング方法は、下地膜の上に積層されたシリコン及び酸素を含む絶縁膜をプラズマによりエッチングして凹部を形成する方法において、
活性種生成用のガスであるＣ4Ｆ8ガスと、アルゴンガス及びキセノンガスを含み、キセノンガスとアルゴンガスとの総流量に対するキセノンガスの流量の比率が０．１以上、０．２５以下である不活性ガスと、を含む処理ガスをプラズマ化してエッチングを行うことを特徴とする。シリコン及び酸素を含む膜、例えば絶縁膜は、例えば水素化酸炭化ケイ素（水素化シリコンオキシカーボネイト）膜（ＳｉＣＯＨ膜）である。下地膜は、例えば炭化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化ケイ素（シリコンオキシナイトライド）膜（ＳｉＯＮ膜）及び酸炭化ケイ素（シリコンオキシカーボネイト）膜（ＳｉＣＯ膜）から選択された膜である。

本発明によれば、炭素及びフッ素を含む化合物からなる活性種生成用のガスと、Ｘｅガスを含む不活性ガスとを用いているため、レジストマスクに形成された互いに隣接するホールの離間間隔が２００ｎｍ以下と極めて小さい場合においてホールのうねりを抑えることができる。このためこのうねりが被エッチング部位に転写されることが抑制されるので、加工形状が改善され、この結果このホールに埋め込まれる容量素子などについて予定としている特性を得ることができる。従って本発明は、今後パターンの微細化に伴ってホール同士が接近するデザインにおいて極めて有効な手法である。

また下地膜の上に積層されたシリコン及び酸素を含む絶縁膜を炭素及びフッ素を含む化合物からなるプラズマによりエッチングするにあたって、アルゴンガス及びキセノンガスを添加しているので、後述の実施例からも明らかなように凹部の上端部が広がることを抑えることができ、またエッチングについて下地膜に対する絶縁膜の選択比（絶縁膜のエッチング速度／下地膜のエッチング速度）が大きい。

本発明に係るプラズマエッチング方法を実施するためのプラズマ処理装置について図１を参照しながら初めに述べておく。図１中２は例えばアルミニウムなどの導電性部材からなり、気密に形成された処理容器であり、この処理容器２は接地されている。当該処理容器２には、所定の処理ガスを導入するためのガス供給部であるガスシャワーヘッドを兼ねた上部電極３と、被処理基板である半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗを載置するための下部電極を兼ねた載置台４とが互いに対向するようにして設けられている。また処理容器２の底部には排気管２１が接続されており、この排気管２１には真空排気手段例えばターボ分子ポンプやドライポンプなどの真空ポンプ２２が接続されている。更に処理容器２の側壁には、開閉自在なゲートバルブ２３ａを備えた、ウエハＷの搬入又は搬出するための開口部２３が設けられている。

前記上部電極３の下面側には、ガス供給路３１と連通する多数のガス拡散孔３２が穿設されており、前記載置台４上に載置されたウエハＷに向かって処理ガスが供給されるように構成されている。更に前記ガス供給路３１は、基端側がガス供給系３３に接続されている。このガス供給系３３はバルブや流量調整部などの制御機器、及びガス供給源などを含むものであり、例えばＣＦ系のガス、Ａｒガス、Ｘｅガス及びＯ2ガスなどを夫々所定の流量で混合してガス供給路３１を介して供給できるように構成されている。

また上部電極３には、整合器３４を介して高周波電力を供給するための高周波電源部３５と、ローパスフィルタ３６とが接続されている。更にまた、上部電極３の周囲には、環状のシールドリング３７が上部電極３の外周部に嵌合されて設けられている。

前記載置台４は、導電性部材例えばアルミニウムなどから構成され、その表面には静電チャック４１が設けられている。静電チャック４１には、スイッチ４２を介して直流電源部４３が接続されており、直流電圧を印加することで静電引力によりウエハＷを静電吸着するように構成されている。静電チャック４１の周囲には、当該静電チャック４１に吸着保持されたウエハＷの周囲を囲むようにしてフォーカスリング４４が設けられている。

また前記載置台４には、整合器５１を介してバイアス用の電圧を印加する高周波電源部５２が接続されると共にハイパスフィルタ５３が接続されている。更にまた載置台４の下方側には例えばアルミニウムなどからなる支持体４５が設けられ、この支持体４５内には温調媒体である冷媒が通流するための温調手段をなす温調流体流路５４が設けられている。５５は冷媒流入路、５６は冷媒流出路である。また５７は、載置台４、支持体４５及び静電チャック４１内を通ってウエハＷの裏面側に伝熱媒体である例えばＨｅガスを供給する伝熱媒体供給路であり、載置台４側からの熱がこの伝熱媒体を介してウエハＷに伝熱され、これによりウエハＷが所定の温度に設定されるようになっている。なお載置台４及び支持体４５の内部には、図示しない搬送アームに対してウエハＷの受け渡しを行うことが可能な図示しない昇降ピンが設けられている。

続いて上述のプラズマ処理装置を用いてウエハＷの表面をエッチングする様子について説明する。図２（ａ）はこのプラズマ処理装置に搬入される基板であるウエハＷの表面部を示しており、Ｓｉ（シリコン）層６１の上に例えば厚さ２０００ｎｍ程度のＳｉＯ2膜６２が積層され、更にこのＳｉＯ2膜６２の表面に例えば有機ＡＲＣからなる反射防止膜６３（露光時の反射を防止するための膜）を介して、例えば厚さ５００ｎｍ程度のレジストマスク７が形成されている。レジストマスク７には、凹部である例えば口径Ｄが１００ｎｍ〜３００ｎｍ程度のホール７１が多数形成されており、これらホール７１の相互間隔ｄは２００ｎｍ以下例えば１００〜１５０ｎｍ程度に設定される。なおこれら数値は実施の形態のイメージが浮かぶように記載したものであって、本発明を何ら限定するものではない。

図１に説明を戻すと、先ずゲートバルブ２３を開放し、ウエハＷを図示しないロードロック室から処理容器２内に搬入して、下部電極４の静電チャック４１上に載置し、この後ゲートバルブ２３を閉じて処理容器２を気密な状態にする。そして真空ポンプ２２により処理容器２内を真空排気する一方で、ガス供給路３１を介して処理ガスを所定の流量で導入し、ガス拡散孔３２を介してウエハＷの表面に向けて均一に噴射させ、処理容器２内を例えば数十ｍＴｏｒｒの真空度に維持する。そして処理容器２内に供給された処理ガスは、ウエハＷの表面に沿って径方向外方に向かって流れ、載置台４の周囲から均一に排気される。

この例のウエハＷは、ＳｉＯ2膜６２の表面に反射防止膜６３が形成されているので、先ずこの反射防止膜６３をエッチングする。このエッチングは、上部電極３に高周波電源部３５から所定の高周波電力を印加すると共に下部電極である載置台４に高周波電源部５２から所定の高周波電力を印加し、例えばＣ4Ｆ8ガス、Ｃ4Ｆ6ガス及びＣ5Ｆ8ガスなどのＣＦ系ガスである活性種生成用ガスと、不活性ガスであるＡｒガスと、Ｏ2ガスとを処理容器２内に導入して行われる。

反射防止膜６３をエッチングした後、続いてＳｉＯ2膜６２のエッチングを行う。このエッチングは、上部電極３及び載置台（下部電極）４に夫々所定の高周波電力を印加すると共に、ＣＦ系ガスあるいはＣＨＦ系ガスといったエッチングガスとともにＡｒガス及びＸｅガスを導入して行われる。処理ガスの流量の適切な値はＣＦ系あるいはＣＨＦ系ガスのガス種によっても異なるため、後述の実施例でその具体値を明らかにする。またウエハＷの処理時の温度はプラズマからの熱と載置台４側への放熱とのバランスで例えば１０〜４０℃程度に設定される。こうして図２（ｂ）に示すようにＳｉＯ2膜６２がエッチングされ、例えば容量素子の埋め込み用のホール６４が形成される。そして容量素子を形成する工程については、このホール６４の内面に沿って先ず薄い誘電膜例えばＳｉＯ2膜を形成し、その後ポリシリコンを埋め込むことで例えばトレンチキャパシタが形成されることになる。

次いでＳｉＯ2膜６２のエッチングについて詳述すると、処理ガスは高周波電力のエネルギーによってプラズマ化されるが、Ａｒガス及びＸｅガスは例えばＣＦ系のガスに比べてプラズマ化しやすいため、ＣＦ系のガスはこれら不活性ガスのプラズマのエネルギーによってもプラズマ化が促進され、エッチングに有効な活性種であるＣＦ2^＊、Ｃ2Ｆ4^＊などのラジカルやイオン種を生成する。そしてＡｒガスはＣＦ系のガスの解離を促進させる程度が大きいため、Ａｒガスのみで解離させると、ホール７１同士が２００ｎｍ以下と接近している場合には、活性種によるレジストマスク７に対する反応が強すぎてホール７１の内周面にうねりが生じ、またホール７１の上端部におけるレジストマスク７の角部の削り取りが激しくなり、両側からの削り取りの相乗作用も加わって、高さが小さくなっていく現象が起こる場合がある。これに対してホール７１同士が離れている場合には、不活性ガスとしてＡｒガスのみを用いてもうねりが実質起こらないし、また角部の削り取りが起こってもホールの形状を大きく乱すまでには至らない。この理由については、ＣＦ系のガスの解離が進んでＦラジカルが生成され、その量は、従来のようにホール同士がある程度離れている場合には問題にならない量であったが、ホール同士が接近している場合には、影響が出てくるものと推測される。

ここでこの実施の形態では不活性ガスとしてＸｅガスも添加しているため、ホール７１のうねりが抑えられる。この理由について推測すると、Ｘｅガスのプラズマの電子温度はＡｒガスに比べて低いことから、ＣＦ系ガスの解離の程度を小さくしていると考えられる。そのためＡｒガスとＸｅガスとの流量比を調整することで活性種の解離の程度をエッチングに対して最適な状態にし、ＳｉＯ2膜６２のエッチング速度を確保しつつレジストマスク７に対する反応を弱め、レジストマスク７のホール７１の内周面のうねりを抑えかつ角部の削り取り作用を弱めている。このためＳｉＯ2膜６２におけるホール６４のストライエーションが抑えられて加工形状が改善され、従って当該ホール６４に埋め込まれる例えば容量素子について設計値に沿った容量を確保することができるので、歩留まりの向上を図ることができる。

またＡｒガスは、ＳｉＯ2が露出している部分に堆積するフロロカーボン膜をスパッタリング効果により除去するので、ＣＦ系のガスの解離を促進させる効果と共にエッチング開口部の抜け性（エッチストップを防止する効果）を高める効果がある。なおＯ2ガスは、ＳｉＯ2が露出している部分に堆積するカーボン系の堆積物を除去する役割を果たす。

本発明では、不活性ガスとしてＡｒガス以外の不活性ガスとＸｅガスとを混合してもよいし、あるいはＸｅガス単独としてもよい。更にエッチングされる材質としてはＳｉＯ2膜に限定されるものではなく、例えばＳｉＯＣ、ＳｉＣＯＨ（炭素及び水素添加シリコン酸化膜）などであってもよい。また本発明は、レジストマスクにおける互いに隣接する凹部の間隔が全て２００ｎｍ以下であることに限らず、互いに隣接する凹部の間隔が２００ｎｍ以下のパターンと互いに隣接する凹部の間隔が２００ｎｍよりも大きいパターンとが混在していてもよい。本発明のエッチング方法を実施する装置は、平行平板方式のプラズマ処理に限られるものではなく、例えばマイクロ波をアンテナを通じて処理容器内に導入してプラズマを発生させる装置あるいは電子サイクロトロン共鳴を利用してプラズマを発生させる装置などであってもよい。

ここでシリコン及び酸素を含む膜である例えばＳｉＣＯＨ膜については炭素及びフッ素を含むエッチングガスによりエッチングするにあたって、ＡｒガスとＸｅガスとの混合ガスを用いてエッチングすることは有効である。図９は、ＳｉＣＯＨ膜８１中にビアホールのための凹部８０を形成する様子を示す図である。図中８２は例えばＳｉＣからなる下地膜であり、この下地膜８２は、ストップレイヤー（エッチング停止膜）として設けられている。即ち、ＳｉＣＯＨ膜８１をエッチングしているプロセスにおいてそのＳｉＣＯＨ膜８１の底面まで削りきったときにその位置でエッチングを止めるためのもの、言い換えるとそれ以上エッチングが進むことを防ぐためのものである。また８３はレジストマスクである。

このような構造の基板表面に対して、ＳｉＣＯＨ膜８１を既述のようにしてエッチングすると、後述の実験結果から分かるようにＳｉＣＯＨ膜８１のホール８０上端部の内周面の拡大を抑えることができ、また下地膜８２に対するＳｉＣＯＨ膜８１の選択比（ＳｉＣＯＨ膜のエッチング速度／下地膜のエッチング速度）が大きくなる。その理由については明確に把握できていないが、Ｘｅガスのプラズマの電子温度はＡｒガスに比べて低いことから、ＣＦ系ガスの解離の程度が小さくなり、このことに起因して、ＳｉＣＯＨ膜８１の孔の上端部に対して、また下地膜８２に対して、エッチング作用が弱まっているのではないかという推測を立てている。

そしてＡｒガスにＸｅガスを混ぜることにより、Ｘｅが重いことから高い垂直性をもって膜に入射し、そのためにマスクに対して横方向のスパッタが抑えられるか、あるいは既述のようにＣＦ系の解離の程度が小さいので、等方的エッチング効果の大きいフッ素ラジカルの発生が抑制されるのではないかという推測も立てている。即ち、ＳｉＣＯＨ膜８１のホール上端部の内周面の拡大は、下地膜が露出してエッチングの活性種が行き場を失い、この結果その上のマスクの内周を削ってマスクの孔が拡がることに起因しており、このためＸｅガスを混ぜることにより下地膜露出後におけるマスクの内周を削る効果が小さくなると考えられる。

なおシリコン及び酸素を含む例えば絶縁膜は、ＳｉＣＯＨ膜に限らずＳｉＣＯ膜であってもよい。また下地膜は炭化シリコン膜に限らず、窒化シリコン膜、ＳｉＯＮ膜及びＳｉＣＯ膜から選択された膜であってもよい。

このような実施の形態によれば、ＳｉＣＯＨ膜の凹部の上部の拡大が抑えられるので、例えばビアホールのエッチングに適用したときにビアホール間の容量成分の発生を抑え、信号の伝達を遅らせるといった弊害を回避できる。また下地膜のエッチングが抑えられるので、つまり下地膜に対するＳｉＣＯＨ膜のエッチングの選択比が大きいことから、下地膜を突き抜けて下層の配線をエッチングするおそれがないので、ビアホールにおける抵抗について高い面内均一性が得られ、このため歩留まりの向上を図ることができる。

次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
（実験１）
図２に示した表層部を有すると共に、レジストマスク７のホール７１が図３に示すように各々楕円形状でありかつ千鳥状に配列されているウエハに対して、図１に示すプラズマ処理装置を用いてエッチングを行った。レジストマスク７の膜厚は５００ｎｍであり、ホール７１における長径Ｄ１及び短径Ｄ２は夫々３００ｎｍ及び２５０ｎｍであり、ホール７１同士の相互間隔ｄは１００ｎｍである。またエッチングすべきＳｉＯ2膜６２はＴＥＯＳを原料としてＣＶＤにより成膜したものであって、膜厚は２０００ｎｍである。プロセス条件は以下の通りである。

ａ．反射防止膜のエッチング時のプロセス条件
上部電極の高周波電力：６０ＭＨｚ、１５００Ｗ
下部電極の高周波電力：２ＭＨｚ、４００Ｗ
処理圧力：３．３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：ＣＦ4／Ａｒ／Ｏ2＝７０／７５０／１５sccm
ｂ．ＳｉＯ2膜のエッチング時のプロセス条件
上部電極の高周波電力：６ＭＨｚ、３０００Ｗ
下部電極の高周波電力：２ＭＨｚ、３３００Ｗ
処理圧力：５．３Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ8／Ａｒ／Ｘｅ／Ｏ2＝３５／別記／別記／２７sccm
なおＡｒとＸｅの流量は各例毎に設定しているので各例において記載している。
Ａ．比較例１
上記のプロセス条件において、Ａｒの流量を１４００sccmとしＸｅの流量をゼロとした。
Ｂ．実施例１−１
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々１２５０sccm及び１５０sccmとした。
Ｃ．実施例１−２
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々１１５０sccm及び２５０sccmとした。
Ｄ．実施例１−３
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々１０５０sccm及び３５０sccmとした。
Ｅ．実験結果
各例毎に、ＳｉＯ2膜６２のエッチングを行った後、レジストマスク７を除去してＳｉＯ2膜６２の表面におけるホール６４の形状をＳＥＭにより観察し、またＳｉＯ2膜６２のエッチングの途中でプロセスを停止して、レジストマスク７の残存膜厚とホール６４の深さとから選択比を求めた。なおＳｉＯ2膜６２のエッチングは、計算で求めた終点よりも長い時間エッチング、即ちオーバーエッチングを行った。

図４はこのような実験結果をイメージとして表すために、ＳＥＭによる上面及び断面の写真に基づいて記載した図である。写真観察の結果から、不活性ガスとしてＸｅを加えないでＡｒガスのみを用いた場合には、ホール６４の形状が乱れていて内周面にストライエーションが発生していることが分かった。これはレジストマスク７におけるホール７１の内周面にうねりが生じてそれがＳｉＯ2膜６２のホール６４に転写されたものと推察される。そしてレジストマスク７１の断面形状を見ると、側面が荒れた形状、角部が削られて大きく段差が形成されたものなどが見受けられる。これに対してＸｅガスを加えると、ホール６４の形状の乱れが少なくなると共に、レジストマスク７１の断面形状も良好になり、Ｘｅガスを増やすにつれて改善されている。

一方選択比についてはＸｅガスを加えない場合には、2.4であるが、Ｘｅガスが１５０sccm、２５０sccm及び３５０sccmの場合には夫々4.0、4.1及び3.7となっている。なお実際には選択比はウエハの中央部及び周縁部において求めており、図４に示した数値はウエハの中央部の値であるが、周縁部における選択比の傾向は中央部と同様であった。この例では選択比は、Ｘｅガスが２５０sccmのときが最大であることから、Ｘｅガスを加えることにより選択比が向上するが、ＡｒガスとＸｅガスの総流量に対してＸｅガスの流量の割合（Ｘｅ／（Ｘｅ＋Ａｒ））がある値を越えると選択比が低下していくことが分かる。これはＡｒガスの比率が小さくなるとＣ4Ｆ8ガスの解離の進む度合いが小さくなってＳｉＯ2膜６２のエッチング速度が低下することが要因の一つと推測される。よってこの実験からストライエーション防止とエッチング速度はトレードオフの関係にあることがわかる。実験１では、０．１≦Ｘｅ／（Ｘｅ＋Ａｒ）≦０．２５の範囲中でストライエーションと所望のエッチング速度を得ることができる。
（実験２）
ＣＦ系のガスとしてＣ4Ｆ8ガスを用いる代わりにＣ4Ｆ6ガスを用い、更にＯ2ガスの流量を５５sccmとした他は、実験１と同様にして全く同様の実験を行った。ＳｉＯ2膜６２のホール６４の形状及びレジストマスク７１の断面形状については、実施例１と同様の傾向であったが、選択比についてはＸｅガスがゼロ、１５０sccm、２５０sccm及び３５０sccmの場合には夫々5.4、6.6、5.8及び6.2であったことから、選択比が最大となる不活性ガス中のＸｅガスの割合は、ガスの種類によって変わってくることが分かる。
（実験３）
ＣＦ系のガスとしてＣ4Ｆ8ガスを用いる代わりにＣ5Ｆ8ガスを用いて同様の実験を行った。ただしこの例ではＸｅガスを加えた場合と加えない場合との比較を行うのではなく、Ｘｅガスを加えた状態でパラメータを振って調べてみた。具体的には、Ｃ5Ｆ8／Ｘｅ／Ｏ2＝２４／１７５／４０sccmとし、Ａｒガスを５２５sccm〜８２５sccmの間で種々設定した。またプロセス圧力を２．６Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）〜４Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）の間で種々設定し、更に下部電極の高周波電力を夫々３０００Ｗ〜３８００Ｗの間で種々設定した。いずれの場合においてもＳｉＯ2膜６２のホール６４の形状及びレジストマスク７１の断面形状は良好であったが、上記のパラメータを振った範囲においては、殆ど差がなかった。従ってこの結果からＣ5Ｆ8ガスの場合にも同様の効果があることが分かる。
（実験４）
レジストマスク７のホール７１が図５に示すように各々長穴形状でありかつ縦横に配列されているウエハに対して同様にしてエッチングを行った。ホール７１における縦の長さＤ１及び横の長さＤ２は夫々３００ｎｍ及び１５０ｎｍであり、ホール７１同士の相互間隔ｄは１２０ｎｍである。またレジストマスク７の膜厚は４００ｎｍであり、被エッチング部位の材質はＢＰＳＧ膜（ボロン、リンドープのシリケートガラス膜）であって、その膜厚は２０００ｎｍである。プロセス条件は以下の通りであるが、高周波電力の周波数は実験１と同様であるため記載していない。

ａ．反射防止膜のエッチング時のプロセス条件
上部電極の高周波電力：１０００Ｗ
下部電極の高周波電力：７５０Ｗ
処理圧力：６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：ＣＨＦ3／ＣＨ2Ｆ2／Ａｒ／Ｏ2＝２０／３５／３００／１５sccm
ｂ．ＳｉＯ2膜のエッチング時のプロセス条件
上部電極の高周波電力：１６００Ｗ
下部電極の高周波電力：１５００Ｗ
処理圧力：３．６Ｐａ（２７ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ8／Ａｒ／Ｘｅ／Ｏ2＝４８／別記／別記／１８sccm
なおＡｒとＸｅの流量は各例毎に設定しているので各例において記載している。
Ａ．比較例４
上記のプロセス条件において、Ａｒの流量を６００sccmとしＸｅの流量をゼロとした。
Ｂ．実施例４−１
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々４８０sccm及び１２０sccmとした。
Ｃ．実施例４−２
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々４５０sccm及び１５０sccmとした。
Ｄ．実施例４−３
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々４２０sccm及び１８０sccmとした。
Ｅ．実験結果
各例毎に、実験１と同様の観察を行い、またウエハの中央部について選択比を求めた。図６は、レジストマスクを除去してＢＰＳＧ膜を上面から見たホールの形状をイメージとして表すために、ＳＥＭによる写真に基づいて記載した図であり、また選択比についても記載してある。写真観察の結果から実施例１と同様の結果であることが分かった。即ち不活性ガスとしてＸｅを加えないでＡｒガスのみを用いた場合には、ホール６４の形状が乱れていて内周面にストライエーションが発生しているが、Ｘｅガスを加えると、ホール６４の形状の乱れが少なくなると共に、レジストマスク７１の断面形状も良好になり、Ｘｅガスを増やすにつれて改善されていた。また選択比についても、Ｘｅガスを加えることにより選択比が向上するが、Ｘｅガスの流量が１５０sccmよりも１８０sccmの方が選択比が小さいことから、この例においてもＡｒガス及びＸｅガスの総流量に対してＸｅガスの流量の割合がある値を越えると選択比が低下していくことが分かる。
（実験５）
実験４で用いたウエハにおいてＢＰＳＧ膜を２０００ｎｍとした他は同様のウエハを用いてエッチングを行った。この例ではホールの深さ方向の形状を直線化するために２段階でエッチングを行った。反射防止膜のエッチングのプロセス条件は実験４と同様であり、ＢＰＳＧ膜のエッチングのプロセス条件は以下の通りである。

ａ．プラズマの着火プロセス
上部電極の高周波電力：１８００Ｗ
下部電極の高周波電力：０Ｗ
処理圧力：３．６Ｐａ（２７ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ8／Ｘｅ／Ａｒ／Ｏ2＝４８／１２０／４８０／１８sccm
処理時間：５秒
ｂ．第１のエッチング工程
上記の着火プロセスにおける条件において下部電極の高周波電力を１５００Ｗとして１２０秒間エッチングを行った。

ｃ．第２のエッチング工程
上部電極の高周波電力：１８００Ｗ
下部電極の高周波電力：１８００Ｗ
処理圧力：２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ6／ＣＦ4／Ｘｅ／Ａｒ／Ｏ2＝２１／７／別記／別記／１９sccm
なおＡｒとＸｅの流量は各例毎に設定しているので各例において記載している。
Ａ．比較例５
上記のプロセス条件において、Ａｒの流量を５００sccmとしＸｅの流量をゼロとした。
Ｂ．実施例５−１
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々４５０sccm及び５０sccmとした。
Ｃ．実施例５−２
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々４００sccm及び１００sccmとした。
Ｄ．実施例５−３
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々３７５sccm及び１２５sccmとした。
Ｅ．実験結果
各例毎に、実施例１と同様の観察を行い、またウエハの中央部について選択比を求めた。写真観察の結果から実施例５と同様の結果であり、この場合においてもＸｅガスの添加によりホール６４の形状が改善されることが分かった。また比較例５、実施例５−１、５−２及び５−３のレジストエッチングレートは夫々６３ｎｍ／ｍｉｎ、５４ｎｍ／ｍｉｎ、４９ｎｍ／ｍｉｎ、６９ｎｍ／ｍｉｎとなり、同様の傾向にあることが分かった。
（実験６）
レジストマスク７のホール７１が図７（ａ）に示すように各々円形状でありかつ縦横に配列されているウエハに対して同様にしてエッチングを行った。ホール７１の口径Ｄ３は１６０ｎｍであり、ホール７１同士の相互間隔ｄは１５０ｎｍである。またレジストマスク７の膜厚は３５０ｎｍである。被エッチング部位はＴＥＯＳを原料としてＣＶＤにより成膜したＳｉＯ2膜であり、その膜厚は２０００ｎｍである。プロセス条件は以下の通りである。

ａ．反射防止膜のエッチング時のプロセス条件
上部電極の高周波電力：１５００Ｗ
下部電極の高周波電力：２００Ｗ
処理圧力：２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：ＣＦ4／ＣＯ＝１６０／３０sccm
ｂ．ＳｉＯ2膜のエッチング時のプロセス条件
上部電極の高周波電力：２８００Ｗ
下部電極の高周波電力：３８００Ｗ
処理圧力：２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ6／Ｃ4Ｆ8／Ａｒ／Ｘｅ／Ｏ2＝３５／１０／別記／別記／４４sccm
Ａ．比較例６
上記のプロセス条件において、Ａｒの流量を７００sccmとしＸｅの流量をゼロとした。
Ｂ．実施例６
上記のプロセス条件において、ＡｒとＸｅとの流量を夫々３５０sccm及び３５０sccmとした。
Ｃ．実験結果
各例毎に、実施例１と同様の観察を行い、またウエハの中央部について選択比を求めた。図７（ｂ）、（ｃ）は、レジストマスクを除去してＳｉＯ2膜を上面から見たホールの形状をイメージとして表すために、ＳＥＭによる写真に基づいて記載した図である。この例においても不活性ガスとしてＸｅを加えないでＡｒガスのみを用いた場合には、ホール７１の形状が乱れていて内周面にストライエーションが発生しているが、Ｘｅガスを加えると、ホール６４の形状が改善されていた。選択比についても、Ｘｅガスを加えることにより選択比が６．８から８．０に向上している。

今回の実験結果は、レジストの凹部としてホール形状を形成した場合の結果を主に示しているが、図８に示すようにレジストマスク７の凹部としてライン状に形成された溝部７０のようなパターン形状でも同様な効果が得られる。
（実験７）
ＳｉＣＯＨ膜をエッチングするにあたり、本発明の方法を利用するとホール上端部の広がりを抑えられること及び下地膜であるＳｉＣ膜との選択比が良好であることを確認するための実験（実験例７−１及び実験例７−２）を図１に示す装置を用いて行った。
（実験例７−１）
実験に用いた基板表面の構造は、図９に示した構造と同様であり、シリコン基板の上に順番にＳｉＣ（炭化ケイ素）膜８２、ＳｉＣＯＨ膜８１、レジスト膜８３が積層されているものを用いた。プロセス条件は以下に示す通りである。

ａ．ＳｉＣＯＨ膜のエッチング時のプロセス条件
［メインステップ時のプロセス条件］
上部電極の高周波電力：６０ＭＨｚ、４００Ｗ
下部電極の高周波電力：２ＭＨｚ、１５００Ｗ
処理圧力：１３．３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：ＣＨＦ3／Ａｒ／Ｘｅ／Ｎ2＝６０／別記／別記／１３０sccm
［オーバーエッチステップ時のプロセス条件］
上部電極の高周波電力：６０ＭＨｚ、８００Ｗ
下部電極の高周波電力：２ＭＨｚ、２８００Ｗ
処理圧力：４Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ8／Ａｒ／Ｘｅ／Ｎ2＝６０／別記／別記／１８０sccm
なおＡｒとＸｅの流量は、各例において記載している。またメインステップとは概略的に言えばＳｉＣＯＨ膜８１をエッチングしている段階であり、オーバーエッチステップとは下地膜であるＳｉＣ膜８２をエッチングしている段階である。即ちＳｉＣＯＨ膜８１をエッチングしているときに各部位のエッチング速度が異なるので、先に下地膜に届いた部位はオーバーエッチになり、最も遅い部位は下地膜に向かってエッチングされることになる。オーバーエッチステップとメインステップとの切り換わるタイミングは、例えば最もエッチング速度の速い部位において下地膜が露出するであろうタイミングを調べておき、そのタイミングとすることができる。

Ａ．比較例７−１
上記のプロセス条件において、メインステップ及びオーバーエッチステップ共に、Ａｒの流量を１０００sccmとしＸｅの流量をゼロとした。

Ｂ．実施例７−１
上記のプロセス条件において、メインステップ及びオーバーエッチステップ共に、ＡｒとＸｅとの流量を夫々８００sccm及び２００sccmとした。

Ｃ．実験結果
各例毎に、メインステップ及びオーバーエッチステップを行った後、レジストマスクを除去してＳｉＣＯＨ膜８１の表面におけるホールの形状をＳＥＭ（Scanning Electoron Microscope）により観察した。

図１０はこのような実験結果をイメージとして表すために、ＳＥＭによる上面及び側面の写真に基づいて記載した図である。写真観測の結果から、メインステップ及びオーバーエッチステップ共に、不活性ガスとしてＸｅガスを加えないでＡｒガスのみを用いた場合、図１０（ａ）に示すように、ＳｉＣＯＨ膜８１のホール上端部の口径Ｄ４が１８０ｎｍであった。メインステップ及びオーバーエッチステップ共に、ＡｒガスにＸｅガスを加えて用いた場合、図１０（ｂ）に示すように、ＳｉＣＯＨ膜８１のホール上端部の口径Ｄ５が１６８ｎｍであった。

またレジストマスクを除去する前の基板の上面をＳＥＭで観測すると、レジストマスクの間隔が拡がっていることを確認した。このことからレジストマスクの間隔が拡がるからＳｉＣＯＨ膜８１のホール上端部も拡がると言える。このようにＡｒガスにＸｅガスを加えて用いた方が、エッチング後のＳｉＣＯＨ膜８１のホール上端部の口径の拡大を抑えられることが理解できる。

（実験例７−２）
実験に用いた基板表面の構造は図１１に示す通りである。８４は反射防止膜、８５はＴＥＯＳ膜、である。ＴＥＯＳ膜８５は、ＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）を原料としてＣＶＤにより成膜したＳｉＯ2膜であり、ハードマスクのために設けられている。即ちレジストのみでマスクを形成すると消耗が激しいためにハードマスクをレジストの下に敷いて多層化し、マスクの消耗を抑えるようにしている。図１１において、レジスト膜８３の膜厚は３８０ｎｍ、反射防止膜の膜厚８４は６５ｎｍ、ＴＥＯＳ膜（ＳｉＯ2膜）８５の膜厚は５０ｎｍ、ＳｉＣＯＨ膜８１の膜厚は３６０ｎｍ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）膜８２の膜厚は５０ｎｍである。プロセス条件は以下に示す通りである。なお反射防止膜のエッチング時のプロセス条件については、既述の実験例とほぼ同様であることから、記載を省略する。

ａ．ＳｉＣＯＨ膜のエッチング時のプロセス条件
メインステップに続いてオーバーエッチステップを行っているが、オーバーエッチステップにおいて選択比を求めた。
〔オーバーエッチステップ時のプロセス条件〕
上部電極の高周波電力：６０ＭＨｚ、１５００Ｗ
下部電極の高周波電力：２ＭＨｚ、３０００Ｗ
処理圧力：６．７Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ4Ｆ8／Ａｒ／Ｘｅ／Ｎ2＝６０／別記／別記／２００sccm
なおＡｒとＸｅの流量は、各例において記載している。

Ａ．比較例７−２
上記のプロセス条件において、Ａｒの流量を１０００sccmとしＸｅの流量をゼロとした。

Ｂ．実施例７−２
上記のプロセス条件にいて、ＡｒとＸｅとの流量を夫々６００sccm及び４００sccmとした。

Ｃ．実験結果
ウエハの中央部においてパターンが密な部分の選択比と疎な部分の選択比及びウエハの周縁部においてパターンが密な部分の選択比と疎な部分の選択比を求めた。その結果を図１２に示す。

図１２（a）はウエハの中央部における結果である。Ｃ4Ｆ8ガスにＡｒガス及びＸｅガスを添加してＳｉＣＯＨ膜８１のエッチングを行うと、パターンが密な部分及び疎な部分において２０以上の選択比が得られた。選択比が２０以上というのは、選択比が２０より低い値を示さないという意味であり、ウエハの中央部では、２０以上の正確な選択比を測ることができなかったためにこのような記載に留めた。

また図１２（ｂ）はウエハの周縁部における結果である。Ｃ4Ｆ8ガスにＡｒガス及びＸｅガスを添加してＳｉＣＯＨ膜８１のエッチングを行うと、パターンが密な部分では選択比が２９．３であり、パターンが疎な部分では選択比が２６．０であった。

このようにＳｉＣＯ膜８１の下地膜としてＳｉＣ膜８２を形成している場合において、Ｃ4Ｆ8ガスにＡｒガス及びＸｅガスを添加してＳｉＣＯＨ膜８１のエッチングを行うと、高い選択比が得られることが理解できる。

本発明の実施の形態に用いられるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。 プラズマ処理装置に搬入される基板の表面部及びプラズマ処理された後の基板の表面部を示す説明図である。 実施例１に用いた基板上のレジストマスクのホールの配列パターンを示す平面図である。 実施例１において各例における、ＳｉＯ2膜のホールの平面形状及びレジストマスクの断面形状を示す説明図である。 実施例４に用いた基板上のレジストマスクのホールの配列パターンを示す平面図である。 実施例４において各例における、ＳｉＯ2膜のホールの平面形状を示す説明図である。 実施例６に用いた基板上のレジストマスクのホールの配列パターン、及び各例におけるＳｉＯ2膜のホールの平面形状を示す説明図であるを示す平面図である。 レジストマスクのパターン形状の他の例を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態に用いられる基板の表面構造の断面図である。 比較例７及び実施例７における、ＳｉＣＯＨ膜のホールの平面形状及び断面形状を示す説明図である。 実施例７−２において使用した基板の表面構造を示す断面図である。 ウエハの中央部及び周縁部においてパターンが密な部分の選択比と疎な部分の選択比とを示した説明図である。 ＳｉＯ2膜上にレジストマスクが形成されている状態を示す断面図である。 図１３の基板に対して従来のエッチング方法を適用したことにより、レジストマスクの凹部がうねっている状態を示す平面図である。 図１３の基板に対して従来のエッチング方法を適用したことにより、レジストマスクの肩部が削られていく様子を示す断面図である。

符号の説明

２ 処理容器
３ 上部電極
３１ ガス供給路
３５ 高周波電源部
４ 載置台（下部電極）
４１ 静電チャック
Ｗ 半導体ウエハ
６２ ＳｉＯ2膜
６３ 反射防止膜
６４ ホール
７ レジストマスク
７１ ホール
８０ ホール
８１ ＳｉＣＯＨ膜
８２ ＳｉＣ膜
８３ レジスト膜
８４ 反射防止膜
８５ ＴＥＯＳ膜

Claims (6)

1. レジストマスクに形成された互いに隣接するホール同士の離間間隔が２００ｎｍ以下のパターンを含む基板に対してプラズマによりエッチングを行う方法において、
   前記レジストマスクを用いてエッチングされる膜は、シリコン及び酸素を含む絶縁膜であり、
   活性種生成用のガスであるＣ4Ｆ8ガスと、キセノンガス及びアルゴンガスを含み、キセノンガスとアルゴンガスとの総流量に対するキセノンガスの流量の比率が０．１以上、０．２５以下である不活性ガスと、を含む処理ガスをプラズマ化してエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 前記処理ガスは、更に酸素ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
3. 前記レジストマスクに形成された互いに隣接するホールは、容量素子を埋め込むためのホールをエッチングするためのパターンであるか、あるいは、コンタクトホールをエッチングするためのパターンであることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマエッチング方法。
4. 下地膜の上に積層されたシリコン及び酸素を含む絶縁膜をプラズマによりエッチングして凹部を形成する方法において、
   活性種生成用のガスであるＣ4Ｆ8ガスと、アルゴンガス及びキセノンガスを含み、キセノンガスとアルゴンガスとの総流量に対するキセノンガスの流量の比率が０．１以上、０．２５以下である不活性ガスと、を含む処理ガスをプラズマ化してエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
5. シリコン及び酸素を含む絶縁膜は、水素化酸炭化ケイ素膜（ＳｉＣＯＨ膜）であることを特徴とする請求項４記載のプラズマエッチング方法。
6. 下地膜は、炭化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化ケイ素膜（ＳｉＯＮ膜）及び酸炭化ケイ素膜（ＳｉＣＯ膜）から選択された膜であることを特徴とする請求項４または５記載のプラズマエッチング方法。

Images