JP4749683B2 - エッチング方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板等の基板にプラズマ処理を施してエッチングを行うエッチング方法に関する。

半導体基板等の基板上に形成されたＳｉＮ膜、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＬＫ膜などの積層膜をエッチング処理する場合、膜の種類に応じてエッチング条件が相違するため、従来は各層をそれぞれ別々の処理容器（チャンバー）内でエッチング処理することが行われていた。しかし、この方式では、エッチング処理毎に別の処理容器に基板を移し換える操作が必要であるため、複数の処理容器を配備しなければならず、装置が大型化するとともに、スループットの向上を妨げる要因になっていた。そのため、専用の処理容器ではなく、同一の処理容器内で連続してエッチングを行うオール・イン・ワンエッチング処理が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−３０９１０７号公報（請求項２など）

前記オール・イン・ワンエッチング処理は、装置の小型化が可能で、スループットが向上するという利点が存在する。しかし、同一の処理容器内で条件の異なるエッチングを繰り返し行う結果、前段のエッチング工程のコンディションを引きずってしまい（メモリーエフェクト）、専用チャンバーで処理した場合に比べ、エッチング特性が変化してしまうという課題があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、オール・イン・ワンエッチングの利点を維持しつつ、メモリーエフェクトによるエッチング特性の変動を回避できるエッチング方法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の第１の観点によれば、処理容器内に上部電極および下部電極を配置し、これら電極間に高周波電界を生じさせて処理ガスのプラズマによりプラズマエッチングを行うプラズマエッチング装置を用いて、被処理基板上に形成された複数の膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、前記処理容器内の前記下部電極上に前記積層膜が形成された被処理基板を載置し、前記被処理基板を搬出することなく各膜について順次エッチング処理を実施し、各膜のエッチング処理の間に、Ｏ _２ ガスとＮ _２ ガスからなり、Ｏ _２ ガスおよびＮ _２ ガスの合計に対するＯ _２ ガスの比率が５〜１５％であるクリーニングガスのプラズマにより処理容器内の堆積物を除去するクリーニング処理を実施し、前記上部電極と前記下部電極との間隔を、前記エッチング処理の場合よりも前記クリーニング処理の場合のほうが広くなるようにすることを特徴とする、エッチング方法が提供される。

また、本発明の第２の観点によれば、処理容器内に上部電極および下部電極を配置し、これら電極間に高周波電界を生じさせて処理ガスのプラズマによりプラズマエッチングを行うプラズマエッチング装置を用いて、被処理基板上にエッチング対象として上から第１の膜、第２の膜の順で形成されてなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、前記処理容器内の前記下部電極上に前記積層膜が形成された被処理基板を載置し、前記第１の膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第１のエッチング処理と、前記第１のエッチング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、Ｏ _２ ガスとＮ _２ ガスからなり、Ｏ _２ ガスおよびＮ _２ ガスの合計に対するＯ _２ ガスの比率が５〜１５％であるクリーニングガスのプラズマにより処理容器内の堆積物を除去するクリーニング処理と、前記クリーニング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、前記第２の膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第２のエッチング処理と、を含み、前記上部電極と前記下部電極との間隔を、前記第１および第２のエッチング処理の場合よりも前記クリーニング処理の場合のほうが広くなるようにすることを特徴とする、エッチング方法が提供される。

上記エッチング方法の好ましい態様においては、前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、前記第２のエッチング処理では、ＣＨＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の膜としてのシリコン窒化膜をエッチングすることができる。

また、上記エッチング方法の別の好ましい態様では、前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、前記第２のエッチング処理では、Ｎ_２ガスまたはＮＨ_３ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の膜としての有機系膜をエッチングすることができる。

また、前記第２のエッチング処理では、前記第１の膜をマスク膜として作用させることができる。
さらに、前記クリーニング処理は、被処理基板にバイアス電力を印加せずに行なうことが好ましい。
またさらに、前記クリーニングガスとして、Ｏ_２含有ガスを用いることが好ましい。Ｏ_２含有ガスとしては、Ｏ_２ガスとＮ_２ガスとの混合ガスを用いることが好ましい。この場合、クリーニング処理は、処理容器内圧力５０〜２００ｍＴｏｒｒ、Ｏ_２流量５〜１５ｍＬ／ｍｉｎ、およびＮ_２流量１００〜４００ｍＬ／ｍｉｎの条件で行なうことが好ましい。

本発明の第３の観点によれば、処理容器内に上部電極および下部電極を配置し、これら電極間に高周波電界を生じさせて処理ガスのプラズマによりプラズマエッチングを行うプラズマエッチング装置を用いて、被処理基板上にエッチング対象として上から第１の絶縁膜、第２の絶縁膜の順で形成されてなる積層膜をパターニングされたマスク膜をマスクにしてエッチングするエッチング方法であって、前記処理容器内の前記下部電極上に前記積層膜が形成された被処理基板を載置し、前記第１の絶縁膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第１のエッチング処理と、前記第１のエッチング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、Ｏ _２ ガスとＮ _２ ガスからなり、Ｏ _２ ガスおよびＮ _２ ガスの合計に対するＯ _２ ガスの比率が５〜１５％であるクリーニングガスのプラズマにより処理容器内の堆積物を除去するクリーニング処理と、前記クリーニング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、前記第２の膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第２のエッチング処理と、を含み、前記第１のエッチング処理および前記第２のエッチング処理では、被処理基板にバイアス電力を印加するとともに、前記クリーニング処理では、被処理基板にバイアス電力を印加せず、前記上部電極と前記下部電極との間隔を、前記第１および第２のエッチング処理の場合よりも前記クリーニング処理の場合のほうが広くなるようにすることを特徴とする、エッチング方法が提供される。

上記エッチング方法の好ましい態様では、前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、前記第２のエッチング処理では、ＣＨＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の絶縁膜としてのシリコン窒化膜をエッチングすることができる。

また、上記エッチング方法の別の好ましい態様では、前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、前記第２のエッチング処理では、Ｎ_２ガスまたはＮＨ_３ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の絶縁膜としての有機系膜をエッチングすることができる。

また、前記クリーニングガスとして、Ｏ_２含有ガスを用いることが好ましい。Ｏ_２含有ガスとしては、Ｏ_２ガスとＮ_２ガスとの混合ガスを用いることが好ましい。この場合、クリーニング処理は、処理容器内圧力５０〜２００ｍＴｏｒｒ、Ｏ_２流量５〜１５ｍＬ／ｍｉｎ、およびＮ_２流量１００〜４００ｍＬ／ｍｉｎの条件で行なうことが好ましい。

本発明のエッチング方法によれば、オール・イン・ワンエッチングの利点を維持しつつ、メモリーエフェクトによるエッチング特性の変動を回避できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施に適したプラズマ処理装置を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置１は、電極板が上下平行に対向し、一方にプラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板プラズマ処理装置として構成されている。

このプラズマ処理装置１は、例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形状に成形されたチャンバー２を有しており、このチャンバー２は接地されている。前記チャンバー２内の底部にはセラミックなどの絶縁板３を介して、被処理体、例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）Ｗを載置するための略円柱状のサセプタ支持台４が設けられており、さらにこのサセプタ支持台４の上には、下部電極を構成するサセプタ５が設けられている。このサセプタ５にはハイパスフィルター（ＨＰＦ）６が接続されている。

前記サセプタ支持台４の内部には、冷媒室７が設けられており、この冷媒室７には、例えば液体窒素などの冷媒が冷媒導入管８を介して導入されて循環し、その冷熱が前記サセプタ５を介して前記ウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。

前記サセプタ５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウエハＷと略同形の静電チャック１１が設けられている。静電チャック１１は、絶縁材の間に電極１２が介在されており、電極１２に接続された直流電源１３から例えば１．５ｋＶの直流電圧が印加されることにより、例えばクーロン力によってウエハＷを静電吸着する。

そして、前記絶縁板３、サセプタ支持台４、サセプタ５、さらには前記静電チャック１１には、被処理体であるウエハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを供給するためのガス通路１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ５の冷熱がウエハＷに伝達されウエハＷが所定の温度に維持されるようになっている。

前記サセプタ５の上端周縁部には、静電チャック１１上に載置されたウエハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１５が配置されている。このフォーカスリング１５はシリコンなどの導電性材料からなっており、このためエッチングの均一性を向上させる。

前記サセプタ５の上方には、このサセプタ５と平行に対向して上部電極２１が設けられている。この上部電極２１は、絶縁材２２を介して、チャンバー２の上部に支持されており、サセプタ５との対向面を構成し、多数の吐出孔２３を有する、例えばシリコン、ＳｉＣまたはアモルファスカーボンからなる電極板２４と、この電極板２４を支持する導電性材料、例えば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体２５とによって構成されている。なお、サセプタ５と上部電極２１とは、例えば１０〜６０ｍｍ程度離間している。また、電極板２４として、上記材料の中でもスカベンジングが可能なシリコンを用いることが好ましい。

前記上部電極２１における電極支持体２５の中央にはガス導入口２６が設けられ、さらにこのガス導入口２６には、ガス供給管２７が接続されており、さらにこのガス供給管２７は、バルブ２８を介して処理ガス供給系に接続されている。本実施形態の場合、処理ガス供給系は、例えば、第１のエッチングガス供給手段としてのＣ_５Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２供給源５２、第２のエッチングガス供給手段としてのＣＨ_２Ｆ_２／Ａｒ／Ｏ_２供給源５３、クリーニングガス供給手段としてのＮ_２／Ｏ_２供給源５４によって構成され、それぞれにバルブ３０、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２９が接続されている。

エッチングガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することが可能であり、例えばＣＦ系ガス（フロロカーボンガス；Ｃ_ｘＦ_ｙ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。ウエハＷがＳｉＮ膜およびその上にＳｉＯ_２膜を有し、このＳｉＯ_２膜をエッチングするような場合には、処理ガスとしては、Ｃ_４Ｆ_８またはＣ_５Ｆ_８を含むものが好適である。Ｃ_５Ｆ_８を用いる場合には、Ｏ_２を添加することが好ましく、その場合には、Ｃ_５Ｆ_８の分圧が０．５〜２ｍＴｏｒｒの範囲であること、およびその比率が５／８≦Ｏ_２／Ｃ_５Ｆ_８≦７／８の範囲であることが好ましい。処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８を含むものを用いる場合でも、Ｃ_５Ｆ_８およびＯ_２を含むものを用いる場合でも、他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ_２を添加してもよく、また、他のＣＦ系ガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）やＣＨＦ系ガス（ハイドロフロロカーボンガス；Ｃ_ｐＨ_ｑＦ_ｒ）を加えてもよい。

また、ＳｉＮ膜をエッチングする場合には、例えば、ＣＨ_２Ｆ_２を含むガスなどのＣＨＦ系ガスを使用することが好ましく、この場合もＯ_２を添加することが好ましく、他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ_２を添加してもよい。ＣＨＦ系ガスの好ましい例として、ＣＨ_２Ｆ_２とＡｒとＯ_２との混合ガスを使用することができる。

前記チャンバー２の底部には排気管３１が接続されており、この排気管３１には排気装置３５が接続されている。排気装置３５はターボ分子ポンプなどの真空ポンプを備えており、これによりチャンバー２内を所定の減圧雰囲気、例えば１Ｐａ以下の所定の圧力まで真空引き可能なように構成されている。また、チャンバー２の側壁にはゲートバルブ３２が設けられており、このゲートバルブ３２を開にした状態でウエハＷが隣接するロードロック室（図示せず）との間で搬送されるようになっている。

上部電極２１には、第１の高周波電源４０が接続されており、その給電線には整合器４１が介在されている。また、上部電極２１にはローパスフィルター（ＬＰＦ）４２が接続されている。この第１の高周波電源４０は、５０〜１５０ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このように高い周波数を印加することによりチャンバー２内に好ましい解離状態でかつ高密度のプラズマを形成することができ、低圧条件下のプラズマ処理が可能となる。この第１の高周波電源４０の周波数は、５０〜８０ＭＨｚが好ましく、典型的には図示した６０ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。

下部電極としてのサセプタ５には、第２の高周波電源５０が接続されており、その給電線には整合器５１が介在されている。この第２の高周波電源５０は１〜４ＭＨｚの範囲の周波数を有しており、このような範囲の周波数を印加することにより、被処理体であるウエハＷに対してダメージを与えることなく適切なイオン作用を与えることができる。第２の高周波電源５０の周波数は１〜３ＭＨｚの範囲が好ましく、典型的には図示した２ＭＨｚまたはその近傍の条件が採用される。

次に、このように構成されるプラズマ処理装置１において、例えば、ウエハＷに形成された酸化膜をエッチングする場合について説明する。まず、被処理体であるウエハＷは、ゲートバルブ３２が開放された後、図示しないロードロック室からチャンバー２内へと搬入され、静電チャック１１上に載置される。そして、直流電源１３から直流電圧が印加されることによって、ウエハＷが静電チャック１１上に静電吸着される。次いで、ゲートバルブ３２が閉じられ、排気装置３５によって、チャンバー２内が所定の真空度まで真空引きされる。

その後、バルブ２８が開放されて、処理ガス供給系から処理ガス、例えばＣ_５Ｆ_８ガスと希釈用のＡｒガスとＯ_２ガスとの混合ガスが、マスフローコントローラ２９によってその流量が調整されつつ、処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を通って上部電極２１の中空部へと導入され、さらに電極板２４の吐出孔２３を通って、図１の矢印に示すように、ウエハＷに対して均一に吐出される。

そして、チャンバー２内の圧力が、所定の圧力に維持される。この場合の圧力は１．０６〜１３．３Ｐａが好ましい。その後、第１の高周波電源４０から５０〜１５０ＭＨｚ、例えば６０ＭＨｚの高周波が上部電極２１に印加される。これにより、上部電極２１と下部電極としてのサセプタ５との間に高周波電界が生じ、処理ガスが解離してプラズマ化する。

他方、第２の高周波電源５０からは、１〜４ＭＨｚ、例えば２ＭＨｚの高周波が下部電極であるサセプタ５に印加される。これにより、プラズマ中のイオンがサセプタ５側へ引き込まれ、イオンアシストによりエッチングの異方性が高められる。

クリーニング処理においては、プラズマ処理装置１において、エッチングガスに換えてクリーニングガスをプラズマ化すればよい。例えば、Ｎ_２／Ｏ_２供給源５４に接続したバルブ３０を開放し、マスフローコントローラ２９で流量調整をしながら、クリーニングガスとしてのＮ_２／Ｏ_２を処理ガス供給管２７、ガス導入口２６を介して上部電極２１の中空部へと導入し、さらに電極板２４の吐出孔２３を介して、図１の矢印に示すようにウエハＷに対して均一に吐出してプラズマ処理を行なえばよい。

ここで、クリーニング処理の条件について説明する。
クリーニング処理は、下部電極であるサセプタ５に対して第２の高周波電源５０から高周波を供給せず、ウエハＷにバイアス電力を印加しないゼロバイアス条件で行なう。ゼロバイアス条件でクリーニングを行なうことによって、マスク膜や下層膜に対する影響を最小限に抑え、ウエハＷにほとんど影響を与えずにクリーニングを実施できる。

また、クリーニング処理の際は、ウエハＷへの影響を回避するため、サセプタ５と上部電極２１との間隔（ギャップ）をエッチングの場合よりも広く（例えば６０ｍｍ程度）設定することが好ましい。

クリーニングガスとしては、少なくともＯ_２ガスを含むガス（Ｏ_２含有ガス）が好ましく、例えばＯ_２ガスとＮ_２ガスとの混合ガス、Ｏ_２ガスと希ガス（ＡｒやＨｅなど）との混合ガス、Ｏ_２ガスとＣＯガスとの混合ガスなどを用いることが好ましい。これらのＯ_２含有ガスの中でも、Ｏ_２ガスとＮ_２ガスとの混合ガスを用いることが最も好ましい。エッチング対象となる第１の膜がＳｉＯ_２などのシリコン酸化膜である場合、Ｃ_４Ｆ_８やＣ_５Ｆ_８などのハロゲンを含むガスでエッチングを行なうことが多いため、チャンバー内にはハロゲン化合物が堆積する。この堆積物は、Ｎ_２とＯ_２を含む混合ガスをクリーニングガスとして用いることによって容易に除去できる。

Ｎ_２とＯ_２との混合ガスにより処理を行なう場合、後記実施例に示すように、処理容器内圧力は５０〜２００ｍＴｏｒｒ程度、Ｏ_２流量は５〜１５ｍＬ／ｍｉｎ（＝ｓｃｃｍ）程度、Ｎ_２流量は１００〜４００ｍＬ／ｍｉｎ程度とすることが好ましい。

クリーニングの終点は、例えば、プラズマ発光モニター（図示を省略）によって検出することができる。フッ素は、７０３.８ｎｍにピーク強度を持つため、この波長を検出してフッ素が検出されなくなるまでクリーニングを実施すればよい。

次に、本発明エッチング方法の好ましい実施形態について、図２および図３を参照しながら説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、エッチング処理過程におけるチャンバー２と被処理基板の断面構造を模式的に示す図面である。図２は、被エッチング膜が無機系材料からなる絶縁膜である場合の例であり、ウエハＷを構成する基板６１上に、表層からマスク膜としての感光性レジスト膜６４、エッチング対象である「第１の膜」としてのシリコン酸化膜６３、「第２の膜」としてのシリコン窒化膜６２が積層されている。このように、被エッチング層の絶縁膜としては、例えばＳｉＯ_２などのシリコン酸化膜や、ＳｉＮ等のシリコン窒化膜を対象にすることができる。なお、本実施形態では、マスク膜が有機系材料からなる感光性レジスト膜６４であるが、無機系材料からなるハードマスクであってもよい。

図２（ａ）に示すように、最表層である感光性レジスト膜６４は、所定のパターンに露光され、現像されている。第１のエッチング処理では、この感光性レジスト膜６４をマスクとして、シリコン酸化膜６３がエッチングされる。

第１のエッチング処理の後、チャンバー２の内壁面には、図２（ｂ）に示すように堆積物７０が付着した状態になる。このように堆積物７０が付着した状態で第２のエッチング処理を行なうと、メモリーエフェクトによって第２のエッチング処理の条件が変動して良好なエッチングが困難になる。そこで、堆積物７０を除去する目的でクリーニングを実施する。クリーニングによってチャンバー内の堆積物７０を除去することにより、メモリーエフェクトを低減できる。

クリーニング処理後、第２のエッチング処理を実施する。第２のエッチング処理では、図２（ｃ）に示すように、感光性レジスト膜６４およびシリコン酸化膜６３をマスクとして、シリコン窒化膜６２をエッチングする。このように、第２のエッチング処理では、第１の膜であるシリコン酸化膜６３も感光性レジスト膜６４とともにマスク膜として作用させることができる。
このシリコン窒化膜６２のエッチングでは、クリーニングによって、シリコン酸化膜６３のエッチングにより生じたチャンバー内堆積物７０が除去されているため、その影響を受けずに安定した条件でエッチングを実施できる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の別の実施形態に関するエッチング処理過程における被処理基板の断面構造を示す図面である。ここでは、被エッチング膜が無機系材料からなるシリコン酸化膜と有機系膜である場合を例に挙げる。
すなわち、ウエハＷを構成する基板６１上に、表層から感光性レジスト膜６７、エッチング対象である「第１の膜」としてのシリコン酸化膜６６、「第２の膜」としての有機系膜６５が積層されている。被エッチング層としてのシリコン酸化膜としては、前記と同様のＳｉＯ_２などの絶縁膜を対象とすることができる。有機系膜としては、例えばＳｉＬＫ（商品名；ダウ・ケミカル社製）、ＳＯＤ−ＳｉＯＣＨのＭＳＱ（メチルシルセスキシロキサン）、ＣＶＤ−ＳｉＯＣＨのＣＯＲＡＬ［商品名；ノーベラス・システムズ（Ｎｏｖｅｌｌｕｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）社製］やＢｌａｃｋ Ｄｉａｍｏｎｄ［商品名；アプライド・マテリアルズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ)社製］などの低誘電率層間絶縁膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）などを対象にすることができる。

図３（ａ）に示すように、最表層である感光性レジスト膜６７は、所定のパターンに露光され、現像されている。第１のエッチング処理では、この感光性レジスト膜６７をマスクとして、シリコン酸化膜６６がエッチングされる。
第１のエッチング処理の後、チャンバー２の内壁面には、図３（ｂ）に示すように堆積物７０が付着した状態になる。この堆積物７０を除去する目的でクリーニングを実施する。

クリーニング処理後、第２のエッチング処理を実施する。第２のエッチング処理では、図３（ｃ）に示すように、感光性レジスト膜６７およびエッチングされたシリコン酸化膜６６をマスクとして、有機系膜６５をエッチングする。このように、第２のエッチング処理では、第１の膜であるシリコン酸化膜６６も感光性レジスト膜６４とともにマスク膜として作用させることができる。

第２の膜が有機系膜である場合には、エッチングガスとして、例えば、Ｎ_２とＨ_２との混合ガス、ＮＨ_３ガス、Ｎ_２とＯ_２との混合ガスなどを使用することが好ましい。この有機系膜６５のエッチングでは、クリーニングによって、シリコン酸化膜６６のエッチングにより生じたチャンバー内堆積物７０が除去されているため、その影響を受けずに安定した条件でエッチングを実施できる。

以上、図２、図３では、エッチング対象である被エッチング層が２層の場合を例に挙げて説明したが、３層以上に渡って構成されている場合においても、同様に、エッチング処理の後にクリーニング処理を実施し、さらにエッチング処理を行なうことによって、同様の効果が得られる。

以下、実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれによって制約されるものではない。
（実施例１）
本発明エッチング処理：
シリコン基板上に、表層から、マスク膜（感光性レジスト膜）、エッチング対象の第１の膜としてＳｉＯ_２膜（熱酸化膜；３００ｎｍ）、第２の膜としてＳｉＮ膜（プラズマＳｉ_３Ｎ_４膜；５０ｎｍ）が形成されたウエハＷについて、本発明によるエッチング処理を実施した。
第１のエッチング処理では、上部電極２１に１５００Ｗ、サセプタ５に１７００Ｗの高周波電力を印加し、チャンバー内の圧力３０ｍＴｏｒｒ、サセプタ５と上部電極２１とのギャップを３０ｍｍに調整し、エッチングガスとしてＣ_５Ｆ_８とＡｒとＯ_２との混合ガスを用い、流量（ｍＬ／ｍｉｎ）をＣ_５Ｆ_８：Ａｒ：Ｏ_２＝１５：８００：１７に設定してエッチングを行なった。なお、使用したチャンバー容積は８０リットルである。

第１のエッチング処理後にゼロバイアスクリーニングを実施した。すなわち、上部電極２１には５００Ｗの高周波電力を印加したのに対し、サセプタ５には電力を印加せず、チャンバー内の圧力１００ｍＴｏｒｒ、サセプタ５と上部電極２１とのギャップを６０ｍｍに調整し、クリーニングガスとしてＮ_２とＯ_２との混合ガスを用い、流量（ｍＬ／ｍｉｎ）をＮ_２：Ｏ_２＝１００：１０に設定してクリーニングを行なった。サセプタ５と上部電極２１とのギャップを広く設定したのは、ウエハＷへの影響を少なくするためである。クリーニングの終点はプラズマ発光モニタにより検出した。

クリーニング終了後、同一チャンバー内で、第２のエッチング処理を実施した。第２のエッチング処理では、上部電極２１に２０００Ｗ、サセプタ５に１００Ｗの高周波電力を印加し、チャンバー内の圧力５０ｍＴｏｒｒ、サセプタ５と上部電極２１とのギャップを５５ｍｍに調整し、エッチングガスとしてＣＨ_２Ｆ_２とＡｒとＯ_２との混合ガスを用い、流量（ｍＬ／ｍｉｎ）をＣＨ_２Ｆ_２：Ａｒ：Ｏ_２＝２０：１００：１５に設定してエッチングを行なった。

エッチング処理後のウエハＷの状態を図４に示す。図４の縦軸はエッチング量を示し、横軸はウエハＷの中心（０目盛り）からＸ、Ｙ方向それぞれの端部への距離を示している。
また、参考例として、第２のエッチング処理を、第１のエッチング処理とは別のチャンバーで実施した場合のウエハＷの状態を図５に示す。

（比較例１）
クリーニングを実施しない点以外は、実施例１と同様にしてエッチング処理を実施した。エッチング処理後のウエハＷの状態を図６に示す。

図４〜図６の対比から明らかなように、クリーニングを実施した実施例１のウエハＷの状態は、チャンバーを換えてエッチング処理を実施した参考例と同様にウエハＷが均等にエッチングされ、良好であった。一方、オール・イン・ワンエッチングにおいて、クリーニングを実施しなかった比較例１では、ウエハＷの中央部のエッチング量が低下しており、均等にエッチングされていなかった。この原因として、ＳｉＯ_２膜のエッチングによるメモリーエフェクトによって、ＳｉＮ膜のエッチング条件が変動したものと考えられた。

（実施例２）
クリーニング条件（圧力）の検討：
クリーニング処理における圧力条件を１０〜２００ｍＴｏｒｒの範囲で変動させた以外は、実施例１と同様の条件でクリーニング処理を実施した。その結果を図７に示す。５０〜２００ｍＴｏｒｒの範囲では、チャンバークリーニングの所要時間が短く、レジストエッチングレートも小さいので、クリーニング中にエッチングされるレジスト量（膜減り）が小さく良好であることが示された。この傾向は、１００〜２００ｍＴｏｒｒの範囲で特に安定的に実現されており、この範囲が特に好ましいことが判明した。

（実施例３）
クリーニング条件（Ｎ_２流量）の検討：
クリーニング処理におけるＯ_２流量を１０ｍＬ／ｍｉｎに固定するとともにＮ_２流量を５０〜４００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で変動させた以外は、実施例１と同様の条件でクリーニング処理を実施した。その結果を図８に示す。

図８から、Ｎ_２流量が１００ｍＬ／ｍｉｎより少ない場合、相対的にＯ_２比率が増加するため［例えばＮ_２流量が５０ｍＬ／ｍｉｎの場合、Ｏ_２／（Ｎ_２＋Ｏ_２）＝１７％］、チャンバークリーニング時間が減少するものの、レジストエッチングレートが著しく増加し、結果的にレジストエッチング量も増えてしまう。これに対し、Ｎ_２流量が２００ｍＬ／ｍｉｎ以上では、チャンバークリーニング時間とレジストエッチングレートがほぼ同様に低下した。その結果、レジストエッチング量は、Ｎ_２流量が１００〜４００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で概ね一定になり良好であった。なお、Ｎ_２流量が２００ｍＬ／ｍｉｎのとき、Ｏ_２／（Ｎ_２＋Ｏ_２）は４．８％、４００ｍＬ／ｍｉｎのとき、Ｏ_２／（Ｎ_２＋Ｏ_２）は２．４％であった。

（実施例４）
クリーニング条件（Ｏ_２流量）の検討：
クリーニング処理におけるＮ_２流量を１００ｍＬ／ｍｉｎに固定するとともにＯ_２流量を５〜１５ｍＬ／ｍｉｎの範囲で変動させた以外は、実施例１と同様の条件でクリーニング処理を実施した。その結果を図９に示す。

図９から、Ｏ_２流量が、例えば５ｍＬ／ｍｉｎの場合のようにＯ_２比率が低下すると［Ｏ_２／（Ｎ_２＋Ｏ_２）＝４．８％］、レジストエッチングレートは顕著に低下しないが、チャンバークリーニング時間が長くなるため、結果的にレジストエッチング量が増えてしまうことが理解される。
逆に、Ｏ_２流量が増加すると（例えば１０ｍＬ／ｍｉｎでは、Ｏ_２／（Ｎ_２＋Ｏ_２）＝９％、１５ｍＬ／ｍｉｎではＯ_２／（Ｎ_２＋Ｏ_２）＝１３％）、チャンバークリーニング時間の短縮効果が大きいため、レジストのエッチングレートは増加するが最終的にその間にエッチングされるレジストの量は減少することが判る。

また、実施例３（図８）のＯ_２比率が４．８％、２．４％の条件と、図９のＯ_２比率が４．８％の条件とを比較したとき、前者のＯ_２比率が同じ、あるいは低いにもかかわらず、チャンバークリーニング時間が短く、またレジストエッチング量が小さく良好であるのは、合計ガス供給量が多いので、堆積物が付着するチャンバー内壁全体へのクリーニングガスの拡散や壁面での反応生成物の排気排出が効率的に行なわれたからであると推察される。

以上、図８および図９から、クリーニング処理における好ましいＯ_２比率は約５〜約１５％（好ましくは約９〜約１５％）で、合計ガス流量は、約２００〜４００ｍＬ／ｍｉｎであることが明らかとなった。

本発明のエッチング方法は、半導体デバイスの製造などにおいて利用できる。

本発明方法の実施に用いられるプラズマ処理装置の概略断面図。 本発明の一実施形態のエッチング処理におけるチャンバーと半導体ウエハの状態を示す模式図であり、（ａ）は第１のエッチング処理前の状態、（ｂ）は第１のエッチング処理後の状態、（ｃ）は第２のエッチング処理後の状態を示す。 別の実施形態のエッチング処理におけるチャンバーと半導体ウエハの状態を示す模式図であり、（ａ）は第１のエッチング処理前の状態、（ｂ）は第１のエッチング処理後の状態、（ｃ）は第２のエッチング処理後の状態を示す。 実施例１による半導体ウエハのエッチング量を示すグラフ図。 参考例による半導体ウエハのエッチング量を示すグラフ図。 比較例による半導体ウエハのエッチング量を示すグラフ図。 圧力を変化させた場合のレジストエッチング量とクリーニング時間の関係を示すグラフ図。 Ｎ_２流量を変化させた場合のレジストエッチング量とクリーニング時間の関係を示すグラフ図。 Ｏ_２流量を変化させた場合のレジストエッチング量とクリーニング時間の関係を示すグラフ図。

符号の説明

１；プラズマ処理装置
２；チャンバー
５；サセプタ
２１；上部電極
４０；第１の高周波電源
５０；第２の高周波電源
６１；基板
６２；シリコン窒化膜
６３；シリコン酸化膜
６４；感光性レジスト膜
６５；有機系膜
６６；シリコン酸化膜
６７；感光性レジスト膜
７０；堆積物
Ｗ；半導体ウエハ

Claims (11)

1. 処理容器内に上部電極および下部電極を配置し、これら電極間に高周波電界を生じさせて処理ガスのプラズマによりプラズマエッチングを行うプラズマエッチング装置を用いて、被処理基板上に形成された複数の膜からなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、
   前記処理容器内の前記下部電極上に前記積層膜が形成された被処理基板を載置し、前記被処理基板を搬出することなく各膜について順次エッチング処理を実施し、
   各膜のエッチング処理の間に、Ｏ _２ ガスとＮ _２ ガスからなり、Ｏ _２ ガスおよびＮ _２ ガスの合計に対するＯ _２ ガスの比率が５〜１５％であるクリーニングガスのプラズマにより処理容器内の堆積物を除去するクリーニング処理を実施し、
   前記上部電極と前記下部電極との間隔を、前記エッチング処理の場合よりも前記クリーニング処理の場合のほうが広くなるようにすることを特徴とする、エッチング方法。
2. 処理容器内に上部電極および下部電極を配置し、これら電極間に高周波電界を生じさせて処理ガスのプラズマによりプラズマエッチングを行うプラズマエッチング装置を用いて、被処理基板上にエッチング対象として上から第１の膜、第２の膜の順で形成されてなる積層膜をエッチングするエッチング方法であって、
   前記処理容器内の前記下部電極上に前記積層膜が形成された被処理基板を載置し、前記第１の膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第１のエッチング処理と、
   前記第１のエッチング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、Ｏ _２ ガスとＮ _２ ガスからなり、Ｏ _２ ガスおよびＮ _２ ガスの合計に対するＯ _２ ガスの比率が５〜１５％であるクリーニングガスのプラズマにより処理容器内の堆積物を除去するクリーニング処理と、
   前記クリーニング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、前記第２の膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第２のエッチング処理と、
   を含み、
   前記上部電極と前記下部電極との間隔を、前記第１および第２のエッチング処理の場合よりも前記クリーニング処理の場合のほうが広くなるようにすることを特徴とする、エッチング方法。
3. 前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、
   前記第２のエッチング処理では、ＣＨＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の膜としてのシリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とする、請求項２に記載のエッチング方法。
4. 前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、
   前記第２のエッチング処理では、Ｎ_２ガスまたはＮＨ_３ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の膜としての有機系膜をエッチングすることを特徴とする、請求項２に記載のエッチング方法。
5. 前記第２のエッチング処理では、前記第１の膜をマスク膜として作用させることを特徴とする、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載のエッチング方法。
6. 前記クリーニング処理は、被処理基板にバイアス電力を印加せずに行なうことを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のエッチング方法。
7. 前記クリーニング処理を、処理容器内圧力５０〜２００ｍＴｏｒｒ、Ｏ_２流量５〜１５ｍＬ／ｍｉｎ、およびＮ_２流量１００〜４００ｍＬ／ｍｉｎの条件で行なうことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエッチング方法。
8. 処理容器内に上部電極および下部電極を配置し、これら電極間に高周波電界を生じさせて処理ガスのプラズマによりプラズマエッチングを行うプラズマエッチング装置を用いて、被処理基板上にエッチング対象として上から第１の絶縁膜、第２の絶縁膜の順で形成されてなる積層膜をパターニングされたマスク膜をマスクにしてエッチングするエッチング方法であって、
   前記処理容器内の前記下部電極上に前記積層膜が形成された被処理基板を載置し、前記第１の絶縁膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第１のエッチング処理と、
   前記第１のエッチング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、Ｏ _２ ガスとＮ _２ ガスからなり、Ｏ _２ ガスおよびＮ _２ ガスの合計に対するＯ _２ ガスの比率が５〜１５％であるクリーニングガスのプラズマにより処理容器内の堆積物を除去するクリーニング処理と、
   前記クリーニング処理後、前記被処理基板を前記処理容器から搬出することなく、前記第２の膜をエッチングガスのプラズマによりエッチングする第２のエッチング処理と、
   を含み、
   前記第１のエッチング処理および前記第２のエッチング処理では、被処理基板にバイアス電力を印加するとともに、前記クリーニング処理では、被処理基板にバイアス電力を印加せず、
   前記上部電極と前記下部電極との間隔を、前記第１および第２のエッチング処理の場合よりも前記クリーニング処理の場合のほうが広くなるようにすることを特徴とする、エッチング方法。
9. 前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、
   前記第２のエッチング処理では、ＣＨＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の絶縁膜としてのシリコン窒化膜をエッチングすることを特徴とする、請求項８に記載のエッチング方法。
10. 前記第１のエッチング処理では、ＣＦ系ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜をエッチングし、
    前記第２のエッチング処理では、Ｎ_２ガスまたはＮＨ_３ガスを含むエッチングガスのプラズマにより前記第２の絶縁膜としての有機系膜をエッチングすることを特徴とする、請求項８に記載のエッチング方法。
11. 前記クリーニング処理を、処理容器内圧力５０〜２００ｍＴｏｒｒ、Ｏ_２流量５〜１５ｍＬ／ｍｉｎ、およびＮ_２流量１００〜４００ｍＬ／ｍｉｎの条件で行なうことを特徴とする、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載のエッチング方法。

Images