JP5607881B2 - 基板処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板処理方法に関し、特に、基板のシリコン層にエッチング処理を施してディープトレンチを形成する基板処理方法に関する。

近年、半導体素子の高密度化、高集積化に伴って、基板に、高アスペクト比のホール又はトレンチ（以下、単に「ＤＴ」という。）を形成する必要性が生じている。

ところで、プラズマを用いたエッチングによってシリコン（Ｓｉ）層にＤＴを形成する際、マスク層として、例えば酸化膜が適用されるが、このシリコン層エッチングプロセスにおいて、シリコン層のエッチングレート（ＥＲ）を上げようとする行為が酸化膜のＥＲを上げることにもなり、シリコン層エッチングの選択比を上げることができず、残酸化膜量が律速となってエッチングデプスを稼げないという問題がある。マスク層がなくなれば、シリコン層のエッチングはできないからである。

シリコン層を対象膜とするエッチング技術に関する従来技術が開示された先行技術文献として、例えば特許文献１が上げられる。特許文献１には、被処理体としてのシリコン層をエッチングする方法であって、処理ガスとしてＨＢｒガス、Ｏ_２ガス、ＳｉＦガス等を用い、基板処理室内で被処理体を載置する下部電極に、第１の周波数の第１高周波電力と、第２の周波数の第２の高周波電力とを印加しつつエッチングを施すシリコン層エッチング方法が記載されている。このエッチング方法によれば、シリコン層に高アスペクト比のホール又はトレンチを形成できるということである。
特表２００３−０５６６１７号公報

しかしながら、上記従来技術は、酸化膜に対するシリコン層エッチングの選択比が必ずしも満足できるものではなかった。

本発明の目的は、シリコン層をエッチングする基板処理方法において、マスク層としての酸化膜層に対するシリコン層エッチングの選択比を向上させることができる基板処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の基板処理方法は、マスク層としての酸化膜と、処理対象層としてのシリコン層を有する基板を処理する基板処理方法において、ＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス及び酸素ガスの混合ガスから生成されたプラズマによって前記シリコン層をエッチングするエッチングステップと、ＨＢｒガス、酸素ガス及びＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスから生成されたプラズマによって前記酸化膜表面にデポを堆積させるデポジションステップとを有し、前記エッチングステップと前記デポジションステップを交互に繰り返すことを特徴とする。

請求項２記載の基板処理方法は、請求項１記載の基板処理方法において、前記デポジションステップにおける前記ＳｉＣｌ_４ガスの流量を、全処理ガス流量に対して０．８〜４．５％に調整することを特徴とする。

請求項３記載の基板処理方法は、請求項１又は２記載の基板処理方法において、前記エッチングステップにおける処理時間は、３０〜１８０ｓｅｃであり、前記デポジションステップにおける処理時間は、１５〜６０ｓｅｃであることを特徴とする。

請求項４記載の基板処理方法は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板処理方法において、前記デポジションエッチングステップ又は前記デポジションステップにおいて、さらに酸素ガスを添加して前記デポの堆積を促進させることを特徴とする。

請求項５記載の基板処理方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板処理方法において、前記基板に対する処理は、前記基板を収容する密閉容器内で行われ、前記デポジションエッチングステップ及び前記デポジションステップにおける前記密閉容器内の圧力を４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）〜３００ｍＴｏｒｒ(３．９９×１０Ｐａ)に調整することを特徴とする。

請求項６記載の基板処理方法は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板処理方法において、前記酸化膜は、ＳｉＯ_２膜であることを特徴とする。

請求項１記載の基板処理方法によれば、ＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス及び酸素ガスの混合ガスから生成されたプラズマによってシリコン層をエッチングするエッチングステップと、ＨＢｒガス、酸素ガス及びＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスから生成されたプラズマによって酸化膜表面にデポを堆積させるデポジションステップとを有し、エッチングステップとデポジションステップを交互に繰り返すので、結果としてシリコン層エッチングの選択比を向上させることができ、マスク層の層厚を確保しつつシリコン層をエッチングしてアスペクト比が大きいＤＴを形成することができる。特に、デポ量を増大してマスク層の層厚を確保することができる。

請求項２記載の基板処理方法によれば、デポジションステップにおけるＳｉＣｌ_４ガスの流量を、全処理ガス流量に対して０．８〜４．５％に調整するので、マスク層の摩耗を適正範囲に抑えつつシリコン層をエッチングしてＤＴを形成することができる。

請求項３記載の基板処理方法によれば、エッチングステップにおける処理時間を、３０〜１８０ｓｅｃとし、デポジションステップにおける処理時間を、１５〜６０ｓｅｃとしたので、マスク層の層厚の確保と、シリコン層のエッチングの調整を図りつつ、シリコン層にＤＴを形成することができる。

請求項４記載の基板処理方法によれば、デポジションエッチングステップ又はデポジションステップにおいて、さらに酸素ガスを添加して前記デポの堆積を促進させるので、デポ量を十分に確保してマスク層の摩耗を抑制することができる。

請求項５記載の基板処理方法によれば、基板に対する処理が、基板を収容する密閉容器内で行われ、デポジションエッチングステップ及びデポジションステップにおける密閉容器内の圧力を４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）〜３００ｍＴｏｒｒ（３．９９×１０Ｐａ）に調整するので、適正圧力により、マスク層の層厚を確保しつつ効率よくシリコン層をエッチングすることができる。

請求項６記載の基板処理方法によれば、酸化膜がＳｉＯ_２膜であるので、処理ガスにＳｉＣｌ_４ガスを添加した際、化学構造の近似したデポが堆積し易くなってマスク層の摩耗を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

まず、本発明の実施の形態に係る基板処理方法を実行する基板処理システムについて説明する。この基板処理システムは基板としての半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）にプラズマを用いたエッチング処理やアッシング処理を施すように構成された複数のプロセスモジュールを備える。

図１は、本実施の形態に係る基板処理方法を実行する基板処理システムの構成を概略的に示す平面図である。

図１において、基板処理システム１０は、被処理基板としてのウエハＷにＲＩＥ処理を施す基板処理装置としての２つのプロセスシップ１１と、２つのプロセスシップ１１がそれぞれ接続された矩形状の共通搬送室としての大気搬送室（以下、「ローダーモジュール」という。）１３とを備える。

ローダーモジュール１３には、上述したプロセスシップ１１の他、例えば２５枚のウエハＷを収容する基板収納容器としてのフープ１４がそれぞれ載置される３つのフープ載置台１５と、フープ１４から搬出されたウエハＷの位置をプリアライメントするオリエンタ１６と、ＲＩＥ処理が施されたウエハＷの後処理を行う後処理室（After Treatment Chamber）１７とが接続されている。

２つのプロセスシップ１１は、ローダーモジュール１３の長手方向における側壁に接続されると共にローダーモジュール１３を挟んで３つのフープ載置台１５と対向するように配置され、オリエンタ１６はローダーモジュール１３の長手方向に関する一端に配置され、後処理室１７はローダーモジュール１３の長手方向に関する他端に配置される。

ローダーモジュール１３は、内部に配置された、ウエハＷを搬送する基板搬送ユニットとしてのスカラ型デュアルアームタイプの搬送アーム機構１９と、各フープ載置台１５に対応するように側壁に配置されたウエハＷの投入口である３つのフープ接続口としてのロードポート２０とを有する。ロードポート２０には、それぞれ開閉扉が設けられている。搬送アーム機構１９は、フープ載置台１５に載置されたフープ１４からウエハＷをロードポート２０経由で取り出し、該取り出したウエハＷをプロセスシップ１１、オリエンタ１６や後処理室１７へ搬出入する。

プロセスシップ１１は、ウエハＷにＲＩＥ処理を施す真空処理室としてのプロセスモジュール２５と、該プロセスモジュール２５にウエハＷを受け渡すリンク型シングルピックタイプの搬送アーム２６を内蔵するロード・ロックモジュール２７とを有する。

プロセスモジュール２５は、円筒状の処理室容器（以下、「チャンバ」という。）と、該チャンバ内に配置された上部電極及び下部電極を有し、該上部電極及び下部電極の間の距離はウエハＷにＲＩＥ処理を施すための適切な間隔に設定されている。また、下部電極はウエハＷをクーロン力等によってチャックするＥＳＣをその頂部に有する。

プロセスモジュール２５では、チャンバ内部に処理ガス、例えば、フッ素系ガス、臭素系ガス等を導入し、上部電極及び下部電極間に電界を発生させることによって導入された処理ガスをプラズマ化してイオン及びラジカルを発生させ、該イオン及びラジカルによってウエハＷにＲＩＥ処理を施し、ウエハＷ上の、例えばポリシリコン層をエッチングする。

プロセスシップ１１では、ローダーモジュール１３の内部の圧力は大気圧に維持される一方、プロセスモジュール２５の内部圧力は真空に維持される。そのため、ロード・ロックモジュール２７は、プロセスモジュール２５との連結部に真空ゲートバルブ２９を備えると共に、ローダーモジュール１３との連結部に大気ゲートバルブ３０を備えることによって、その内部圧力を調整可能な真空予備搬送室として構成される。

ロード・ロックモジュール２７の内部には、略中央部に搬送アーム２６が設置され、該搬送アーム２６よりプロセスモジュール２５側に第１のバッファ３１が設置され、搬送アーム２６よりローダーモジュール１３側には第２のバッファ３２が設置される。第１のバッファ３１及び第２のバッファ３２は、搬送アーム２６の先端部に配置されたウエハＷを支持する支持部（ピック）３３が移動する軌道上に配置され、ＲＩＥ処理が施されたウエハＷを一時的に支持部３３の軌道の上方に待避させることにより、ＲＩＥ未処理のウエハＷとＲＩＥ処理済みのウエハＷとのプロセスモジュール２５における円滑な入れ換えを可能とする。

また、基板処理システム１０は、プロセスシップ１１、ローダーモジュール１３、オリエンタ１６及び後処理室１７（以下、まとめて「各構成要素」という。）の動作を制御するシステムコントローラ（図示しない）と、ローダーモジュール１３の長手方向に関する一端に配置されたオペレーションコントローラ４０を備える。

システムコントローラは、ＲＩＥ処理やウエハＷの搬送処理に対応するプログラムとしてのレシピに応じて各構成要素の動作を制御し、オペレーションコントローラ４０は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）からなる状態表示部を有し、該状態表示部は各構成要素の動作状況を表示する。

図２は、図１における線II−IIに沿う断面図である。

図２において、プロセスモジュール２５は、チャンバ４２と、該チャンバ４２内に配置されたウエハＷの載置台４３と、チャンバ４２の上方において載置台４３と対向するように配置されたシャワーヘッド４４と、チャンバ４２内のガス等を排気するＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）４５と、チャンバ４２及びＴＭＰ４５の間に配置され、チャンバ４２内の圧力を制御する可変式バタフライバルブとしてのＡＰＣ（Adaptive Pressure Control）バルブ４６とを有する。

載置台４３には、第１の高周波電源４７及び第２の高周波電源５５がそれぞれ第１の整合器（Matcher）４８及び第２の整合器（Matcher）５６を介して接続されており、第１の高周波電源４７は、比較的高い周波数、例えば４０ＭＨｚの高周波電力を励起用電力として載置台４３に印加し、第２の高周波電源５５は、比較的低い周波数、例えば３．２ＭＨｚの高周波電力をバイアス電力として載置台４３に印加する。これにより、載置台４３は載置台４３及びシャワーヘッド４４の間の処理空間Ｓに高周波電力を印加する下部電極として機能する。整合器４８及び５６は、載置台４３からの高周波電力の反射を低減して高周波電力の載置台４３への供給効率を最大にする。

シャワーヘッド４４は円板状のガス供給部５０からなり、ガス供給部５０はバッファ室５２を有する。バッファ室５２はガス通気孔５４を介してチャンバ４２内に連通する。

バッファ室５２はフッ素系ガス、臭素系ガス、酸素ガス等の各ガス供給系（図示しない）に接続されている。フッ素系ガス供給系はバッファ室４２へＮＦ_３ガスを供給し、臭素系ガス供給系はバッファ室４２へＨＢｒガスを供給する。また、酸素ガス供給系はバッファ室４２へＯ_２ガスを供給する。供給されたＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス及びＯ_２ガスはガス通気孔５４を介してチャンバ４２内へ供給される。

プロセスモジュール２５のチャンバ４２内では、上述したように、載置台４３が処理空間Ｓに高周波電力を印加することにより、シャワーヘッド４４から処理空間Ｓに供給された処理ガスを高密度のプラズマにしてイオンやラジカルを発生させ、該イオンやラジカルによってシリコン層にエッチング処理を施す。

図３は、図１の基板処理システムにおいてプラズマ処理が施される半導体ウエハの構成を概略的に示す断面図である。

図３において、ウエハＷはシリコン基材６１と、該シリコン基材６１上に順次形成されたＳｉＯ_２層６２及びレジスト層６３とから主として構成されている。レジスト層６３にはフォトリソグラフィ工程によりホール又はトレンチ形状がパターニングされている。このような構成のウエハＷに対し、予めレジスト層６３をマスクとしてＳｉＯ_２層６２に対して、エッチング処理によりレジスト層６３のホール形状等をパターニングしておき、その後、レジスト層６３を除去する。これにより、ＳｉＯ_２層６２は、シリコン（Ｓｉ）層６１をエッチングするためのマスク層となる。

レジスト層６３のホールパターンがパターニングされたＳｉＯ_２層６２とシリコン層６１とからなるウエハＷに対し、所定のフッ素系ガス、臭素系ガス、酸素ガスからなる処理ガスを用いたエッチング処理が施されシリコン層６１に、アスペクト比が大きいＤＴが形成される。

ところで、半導体デバイスの小型化要求を満たすためには、処理対象層であるシリコン層６１に開口形状が安定したアスペクト比が大きいＤＴを安定に形成する必要があるが、シリコン層６１のエッチングレート（以下、「ＥＲ」という。）を上げようとするとマスク層であるＳｉＯ_２層６２のＥＲを上げることにもなり、シリコン層６１のエッチングにおける選択比を向上させることが困難であった。

本発明者は、上述したシリコン層エッチングにおいて選択比を向上させてエッチングデプスを稼ぎ、開口形状が安定した高アスペクト比のＤＴを安定に形成する方法を見出すために、各種実験を行ったところ、処理ガスとしてフッ素系ガス、臭素系ガス、酸素ガスに加えてＳｉＣｌ_４ガスを添加し、これらの混合ガスから生成されたプラズマによってエッチングを施すことにより、マスク層としてのＳｉＯ_２層６２の表面にデポを堆積させてマスク層の層厚を確保しつつシリコン層６１をエッチングすることができ（デポジションエッチングステップ）、これによって、シリコン層のエッチングにおけるＥＲ及び選択比が向上し、アスペクト比の大きいＤＴを形成できることを見出し、本発明に到達した。

以下、本発明の実施の形態に係る基板処理方法について詳述する。

この基板処理方法は、マスク層としてのＳｉＯ_２層６２の上面にプラズマ処理に基づくデポを堆積、付着させることによってマスク層の摩耗を抑制し、マスク層の層厚を確保しつつ処理対象膜としてのシリコン層６１をエッチングして該シリコン層６１にＤＴを形成するデポジションエッチングステップを有する。

図４は、本発明の実施の形態における基板処理方法を示す工程図である。

図４において、まず、処理対象層としてのシリコン層６１上にマスク層としてのＳｉＯ_２層６２が積層されたウエハＷを準備する（図４（Ａ））。ＳｉＯ_２膜６２には開口部６４が予め設けられており、開口部６４の開口幅は、例えば８０ｎｍである。ＳｉＯ_２層６２の厚さは、例えば１０００〜１５００ｎｍである。このウエハＷを、図１の基板処理システムにおけるプロセスモジュール２５（図２参照）のチャンバ４２内に搬入し、載置台４３上に載置する。

次いで、チャンバ４２内の圧力をＡＰＣバルブ４６等によって例えば１７０ｍＴｏｒｒ（２．２６×１０Ｐａ）〜２５０ｍＴｏｒｒ（３．３３×１０Ｐａ）に設定する。ここで、１（ｍＴｏｒｒ）とは、１０^−３×１０１３２５/７６０（Ｐａ）である（以下、本明細書において同様）。また、ウエハＷの温度を例えば９０℃に設定する。そして、シャワーヘッド４４のガス供給部５０からフッ素系ガスとしてＮＦ_３ガス、臭素系ガスとしてＨＢｒガス、Ｏ_２ガス及びＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスをチャンバ４２内へ供給する。このとき、ＮＦ_３ガスの流量は１２０ｓｃｃｍ、ＨＢｒガスの流量は７００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガスの流量は１６３ｓｃｃｍ、ＳｉＣｌ_４ガスの流量は１０ｓｃｃｍとする。ここで、１ｓｃｃｍは、流量の単位であり１０^-６/６０/ｍ^３/ｓｅｃである（以下、本明細書において同様）。

そして、載置台４３に励起用電力として５００Ｗ、バイアス電力として２５００Ｗを印加する。このとき、ＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス、Ｏ_２ガス及びＳｉＣｌ_４ガスが処理空間Ｓに印加された高周波電力によって励起されてプラズマになり、イオンやラジカルが発生する（図４（Ｂ））。これらのイオンやラジカルはＳｉＯ_２膜６２の表面に衝突、反応し、ＳｉＯ_２膜６２を摩耗させると共に当該部分にデポ６５を堆積させ、またＳｉＯ_２層６２で覆われていないシリコン層６１に衝突してシリコン層６１をエッチングし、これによって、ＳｉＯ_２膜６２の膜厚を確保しつつ、シリコン層６１にＤＴ６６を形成する（図４（Ｃ））。

このとき、デポ６５は、ＳｉＯ_２層６２の表面に堆積してマスク層としてのＳｉＯ_２層６２を保護する一方、生成したプラズマによってシリコン層６１と共にエッチングされるので、ＳｉＯ_２層６２とデポ６５の合計の厚さは、マスク層としての厚さを構成しつつ次第に薄くなり、処理開始９分後のマスク層の層厚は、例えば６２０ｎｍであった。このとき、シリコン層６１には、上部開口径が１０５ｎｍ、下部開口径が６７ｎｍで、シリコンデプス（Ｓｉ・ｄｅｐｔｈ）７５５ｎｍ（アスペクト比＝８．７）のＤＴ６６が形成された。

次いで、ＤＴ６６が形成されたウエハＷを、基板処理システムに別途設けられたウエットエッチング装置に導入し、薬液を用いてマスク層としてのＳｉＯ_２層６２及びその上面に堆積したデポ６５を同時に除去し、本処理を終了する。

本実施の形態によれば、処理ガスとしてＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス、Ｏ_２ガス及びＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスを用いたので、マスク層であるＳｉＯ_２層６２上に反応生成物からなるデポ６５を堆積させ、これによってＳｉＯ_２層６２の摩耗を抑えてマスク層のリメイン（層厚）を確保しつつシリコン層６１をエッチングすることができる。また、開口部の形状制御性が向上し、開口部形状が安定したＤＴ６６を形成することができる。また、選択性が向上し、且つシリコン層のエッチングレート（ＥＲ）が向上するので、これによってアスペクト比の大きいＤＴ６６を形成することができる。

本実施の形態において、デポジションエッチングステップにおけるＳｉＣｌ_４ガス流量は、全処理ガス流量に対して０．５〜３％に調整することが好ましい。これによって、マスク層としてのＳｉＯ_２層６２上に堆積するデポ６５の堆積量を適正に調整することができる。

表１は、本実施の形態におけるＳｉ・ｄｅｐｔｈ（シリコンデプス）及びマスク層の層厚（マスクリメイン）のＳｉＣｌ_４ガス流量依存性を示すものである。

ここで、圧力は、チャンバ内圧力（ｍＴｏｒｒ）を示し、ＨＦ及びＬＦは、それぞれ載置台に印加される励起用電力（Ｗ）及びバイアス用電力（Ｗ）を示す。また、ＮＦ_３、Ｏ_２、ＳｉＣｌ_４、ＨＢｒはそれぞれガス流量（ｓｃｃｍ）を示し、ＳｉＣｌ_４ガスにおける括弧内の数字は、全ガス量に対するＳｉＣｌ_４ガスの割合を示す。また、Ｓｉ・ｄｅｐｔｈは、ＤＴの深さ（ｎｍ）を示し、マスクＲは、マスク層の層厚（マスクリメイン量）（ｎｍ）を示す。

表１において、実施例１〜４におけるＳｉＣｌ_４ガス流量は、それぞれ５、１０、２０、３０ｓｃｃｍであり、それぞれＳｉＣｌ_４ガス流量の全処理ガス流量に対する割合が０．５〜３％の範囲に含まれ、本発明の要件を満たすので、良好な層厚のマスク層を確保しつつ、シリコン層をエッチングしてアスペクト比の高いＤＴ６６を形成することができた。

これに対して、比較例１及び２は、ＳｉＣｌ_４ガスの添加量が、本発明の範囲を満たしておらず、比較例１では、ＳｉＯ_２層６２上へのデポ堆積量が多くなりすぎ、これによって、開口部の開口面積が狭くなりすぎてシリコン層６１をエッチングできなくなった。一方、比較例２は、ＳｉＯ_２層６２上にデポを堆積させることができないので、マスク層を確保できなくなり、シリコン層６１をエッチングできなくなった。

また、実施例２と比較例２から、処理ガスに１０ｓｃｃｍのＳｉＣｌ_４ガスを添加することにより、マスク層の層厚が増大することが分かる。実施例２においては、比較例２に比べてマスク層の層厚を適正に確保してより深いＤＴ６６をエッチングすることができた。

本実施の形態において、処理ガスにＳｉＣｌ_４ガスを添加することにより、マスク層の層厚が保持され、より深いトレンチをエッチングできる理由は、必ずしも明らかではないが、ＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス及びＯ_２ガスの混合ガスを処理ガスとするシリコン層のエッチングステップにおいて、化学的エッチング反応における副生成物は、ＳｉＯ系、例えばＳｉＯ_２又はＳｉＯ_２＋ハロゲンとなる。従って、この反応系にＳｉＣｌ_４ガスを添加すると、ＳｉＣｌ_４ガスのＣｌがＯと置換されてマスク層としてのＳｉＯ_２に化学式が近似したＳｉＣｌＯが生成し、これがＳｉＯ_２膜上に堆積し易くなって、マスク層の摩耗が軽減され、これによってマスク層の層厚が増大してより深いＤＴのエッチングが可能になると思われる。

また、このとき、ＳｉＣｌ_４ガスと共に、さらにＯ_２ガスを添加することにより、ＳｉＯ_２層６２上に堆積するデポ量を増大させることができる。Ｏ_２ガスを添加することにより、ＳｉＣｌ_４ガスの分解及びＳｉＣｌＯの生成が促進され、デポ発生量が増大すると考えられる。Ｏ_２ガスの添加量は、全ガス流量の例えば１〜３％程度であり、ＳｉＣｌ_４ガス流量とほぼ同量であることが好ましい。これによって、ＳｉＯ_２層６２上におけるデポ６５の堆積が促進され、マスク層の層厚を増大させることができ、シリコンデプスが大きくなる。但し、酸素ガスの追加添加量が全ガス流量の３％を超えると、デポ６５の増大により、ホール開口部の開口面積が小さくなりすぎて、シリコン層６１をエッチングできなくなる。また、Ｏ_２ガスの追加添加量が全ガス流量の１％未満では、十分なデポ量増大効果が得られなくなる。

本実施の形態において、開口部の形状安定性が向上する理由としては、以下のように考える。すなわち、デポジションエッチングステップにおいては、単にシリコン層６１のエッチングだけを行うものではなく、マスク層としてのＳｉＯ_２層６２上にデポ６５を堆積させながらエッチングするために、シリコン層６１は、その開口部形状を変化させるほど素早くエッチングされず、開口部形状を維持した状態でゆっくりとエッチングされるものと考える。

本実施の形態において、チャンバ内圧力は、４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）〜３００ｍＴｏｒｒ(３．９９×１０Ｐａ)であることが好ましく、より好ましくは、１５０ｍＴｏｒｒ（２．０×１０Ｐａ）〜２５０ｍＴｏｏｒ（３．３３×１０Ｐａ）である。チャンバ内圧力が、４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）よりも低いとＳｉＯ_２の選択比が下がり、３００ｍＴｏｏｒ(３．９９×１０Ｐａ)を超えるとホールが反応生成物で埋まってしまう。従って、本実施の形態においては、チャンバ内圧力を４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）〜３００ｍＴｏｒｒ(３．９９×１０Ｐａ)とする。

本実施の形態において、処理ガスの流量、処理時間、処理圧力等を種々変化させ、ＳｉＯ_２層６２上に堆積するデポ６５の量を適正量に維持することができれば、上記以外の条件であっても適用可能と考えられる。

本実施の形態において、ＳｉＣｌ_４ガスの代わりにＳｉＢｒ_４ガスを用いることもできる。ＳｉＢｒ_４ガスもＳｉＣｌ_４ガスと同様にデポの堆積を促進すると考えられるからである。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図５は、本発明の第２の実施の形態における基板処理方法を示す工程図である。この実施の形態は、エッチング用の処理ガスから生成されたプラズマによってシリコン層をエッチングするエッチングステップと、デポジション用の処理ガスから生成されたプラズマによってマスク層表面にデポを堆積させるデポジションステップとを有し、エッチングステップとデポジションステップを交互に繰り返すものである。

図５において、まず、処理対象層としてのシリコン層７１上にマスク層としてのＳｉＯ_２層７２が積層されたウエハＷを準備する（図５（Ａ））。ＳｉＯ_２膜７２には開口部７４が設けられており、開口部７４の開口幅は、例えば８０ｎｍである。ＳｉＯ_２層７２の厚さは、例えば１０００〜１５００ｎｍである。このウエハＷをプロセスモジュール２５（図２参照）のチャンバ４２内に搬入し、載置台４３上に載置する。

次いで、チャンバ４２内の圧力をＡＰＣバルブ４６等によって例えば１７０ｍＴｏｒｒ（２．２６×１０Ｐａ）〜２５０ｍＴｏｒｒ（３．３３×１０Ｐａ）に設定する。また、ウエハＷの温度を例えば９０℃に設定する。そして、シャワーヘッド４４のガス供給部５０からフッ素系ガスとしてＮＦ_３ガス、臭素系ガスとしてＨＢｒガス、及びＯ_２ガスの混合ガスをチャンバ４２内へ供給する。このとき、例えばＮＦ_３ガスの流量は１２０ｓｃｃｍ、ＨＢｒガスの流量は７００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガスの流量は１６３ｓｃｃｍとする。

そして、載置台４３に励起用電力として５００Ｗ、バイアス電力として２５００Ｗを印加する。このとき、ＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス及びＯ_２ガスが処理空間Ｓに印加された高周波電力によって励起されてプラズマになり、イオンやラジカルが発生する（図５（Ｂ））。これらのイオンやラジカルはＳｉＯ_２膜７２の表面に衝突、反応し、当該部分をエッチングしてＳｉＯ_２層７２を摩耗させる共に、ＳｉＯ_２層７２で覆われていないシリコン層７１に衝突してシリコン層７１をエッチングし、該シリコン層７１にトレンチ７６を形成する（エッチングステップ）（図５（Ｃ））。このとき、トレンチ７６のＳｉデプスは、３００〜５００ｎｍであった。

次に、プラズマ処理によってＳｉＯ_２層７２がある程度が摩耗され、且つシリコン層７１にトレンチ７６が形成されたウエハＷに対し、デポジションステップを施す。

すなわち、エッチングステップが終了したウエハＷが収容されたプロセスモジュール２５のチャンバ４２の圧力をＡＰＣバルブ４６等によって３００ｍＴｏｒｒ（３．９９×１０Ｐａ）に設定し、シャワーヘッド４４のガス供給部５０から臭素ガスとしてＨＢｒガス、Ｏ_２ガス及びＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスをチャンバ４２内へ供給する。このとき、例えばＨＢｒガスの流量は３００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガスの流量は３０ｓｃｃｍ、ＳｉＣｌ_４ガスの流量は１５ｓｃｃｍとする。このとき必要に応じてＡｒガスを添加してもよい。

そして、載置台４３に励起用電力として５００Ｗ、バイアス電力として０Ｗを印加する。このとき、ＨＢｒガス、Ｏ_２ガス及びＳｉＣｌ_４ガスが処理空間Ｓに印加された高周波電力によって励起されてプラズマになり、イオンやラジカルが発生する（図５（Ｄ））。これらのイオンやラジカルはＳｉＯ_２膜７２の表面に衝突、反応し、当該部分に反応生成物としてのデポ７５を堆積させ、これによってＳｉＯ_２層７２を含むマスク層としての見かけ上の厚さを増大させる（デポジションステップ）（図５（Ｅ））。

次いで、上述したエッチングステップ（図５（Ｂ））と同様の条件で、同様のプラズマを発生させ（図５（Ｆ））、同様にしてエッチングステップを実行する。以下、ＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス及びＯ_２ガスを用いたエッチングステップと、ＨＢｒガス、Ｏ_２ガス及びＳｉＣｌ_４ガスを用いたデポしションステップを順次繰り返し、ＳｉＯ_２層７２の層厚を確保しつつシリコン層７１をエッチングしてシリコン層７１にＤＴ７７を形成する（図５（Ｇ））。ＤＴ７７におけるシリコンデプスは、３００〜５００ｎｍであった。その後、上記第１の実施の形態と同様に、ウエットエッチングによってＳｉＯ_２層７２を除去して本処理を終了する（図５（Ｈ））。

本実施の形態によれば、エッチング用の処理ガスから生成されたプラズマによってシリコン層７１をエッチングするエッチングステップと、デポジション用の処理ガスから生成されたプラズマによってマスク層であるＳｉＯ_２層７２の表面にデポ７５を堆積させるデポジションステップとを有し、エッチングステップとデポジションステップを交互に繰り返すので、結果としてシリコン層エッチングの選択比を向上させることができ、マスク層の層厚を確保しつつシリコン層７１をエッチングすることができる。従って、シリコン層７１にアスペクト比が大きいＤＴ７７を形成することができる。

本実施の形態において、チャンバ内圧力は、４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）〜３００ｍＴｏｒｒ(３．９９×１０Ｐａ)であり、好ましくは、１５０ｍＴｏｒｒ（２．０×１０Ｐａ）〜３００ｍＴｏｒｒ（３．９９×１０Ｐａ）である。チャンバ内圧力が、４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）よりも低いとＳｉＯ_２の選択比が下がり、３００ｍＴｏｒｒ(３．９９×１０Ｐａ)よりも高いとホールが反応生成物で埋まってしまう。

本実施の形態において、デポジションステップにおけるＯ_２ガス流量は、例えば１０〜５０ｓｃｃｍ、すなわち全ガス流量に対するＯ_２ガス流量は、約１．５〜７．５％程度であることが好ましい。Ｏ_２ガス流量が上記範囲をはずれると、デポ７５の量が多くなって開口部が塞がってしまい、これによってシリコン層７１のエッチングができなくなるか、又はデポ７５の量が少なすぎてＳｉＯ_２層７２がなくなり、これによってシリコン層７１のエッチングができなくなる虞がある。

本実施の形態において、デポジションステップにおけるＳｉＣｌ_４ガス流量は、例えば５〜３０ｓｃｃｍ、すなわち全ガス流量に対するＳｉＣｌ_４ガス流量は、約０．８〜４．５％程度であることが好ましい。ＳｉＣｌ_４ガス流量が上記範囲をはずれると、デポ量が多くなって開口部が塞がってしまい、これによってシリコン層７１のエッチングができなくなるか、デポ７５の量が少なすぎてＳｉＯ_２層７２がなくなり、これによってシリコン層７１のエッチングができなくなる虞がある。

表２は、本実施の形態のデポジションステップにおけるマスク層の層厚増加量における処理時間依存性を示すものである。

ここで、圧力は、チャンバ内圧力（ｍＴｏｒｒ）を示し、ＨＦは、載置台に印加される励起用電力（Ｗ）を示す。また、ＨＢｒ、Ｏ_２、ＳｉＣｌ_４はそれぞれガス流量（ｓｃｃｍ）を示し、ＳｉＣｌ_４ガスおける括弧内の数字は、全ガス流量に対するＳｉＣｌ_４ガスの割合を示す。また、マスク層圧増は、デポジションステップの開始からの経過時間に対するマスク層の増加量（ｎｍ）を示す。

表２において、デポ７５の量は、ＳｉＣｌ_４ガスの流量が５〜３０ｓｃｃｍの範囲において、ＳｉＣｌ_４ガスの流量の増大に応じて、また処理時間が６０ｓｅｃ近傍までは、処理時間の増加に伴って増加しているが、処理時間が６０ｓｅｃを超えるとデポ量の増加に限界がみられる（実施例８）。従ってデポジションステップの処理時間は１５〜６０ｓｅｃであることが好ましい。

また、ＳｉＣｌ_４ガスの流量は、５〜３０ｓｃｃｍの範囲で良好なでデポ増大作用がみられ、その流量は、全ガス流量に対して約０．８〜４．５％であることが好ましい。

本実施の形態において、エッチングステップにおけるエッチングレート（ＥＲ）は、９００Ａ/ｍｉｎまで向上させることができる。但し、ＥＲがこれよりも大きくなると、開口部が塞がってしまい、それ以降のエッチングができなくなる虞がある。

上述した各実施の形態において、プラズマ処理が施される基板は半導体デバイス用のウエハに限られず、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を含むＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であってもよい。

また、本発明の目的は、上述した各実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記憶した記憶媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても達成される。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した各実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード及び該プログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。または、プログラムコードをネットワークを介してダウンロードしてもよい。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上述した各実施の形態の機能が実現されるだけではなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その拡張機能を拡張ボードや拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。

本実施の形態に係る基板処理方法を実行する基板処理システムの構成を概略的に示す平面図である。 図１における線II−IIに沿う断面図である。 図１の基板処理システムにおいてプラズマ処理が施される半導体ウエハの構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態における基板処理方法を示す工程図である。 本発明の実施の形態における基板処理方法を示す工程図である。

符号の説明

１０ 基板処理システム
２５ プロセスモジュール
６１、７１ シリコン層
６２、７２ ＳｉＯ_２層
６４、７４ 開口部
６５、７５ デポ
６６ トレンチ（ＤＴ）
７６ トレンチ
７７ トレンチ（ＤＴ）

Claims (6)

1. マスク層としての酸化膜と、処理対象層としてのシリコン層を有する基板を処理する基板処理方法において、
   ＮＦ_３ガス、ＨＢｒガス及び酸素ガスの混合ガスから生成されたプラズマによって前記シリコン層をエッチングするエッチングステップと、
   ＨＢｒガス、酸素ガス及びＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスから生成されたプラズマによって前記酸化膜表面にデポを堆積させるデポジションステップとを有し、
   前記エッチングステップと前記デポジションステップを交互に繰り返すことを特徴とする基板処理方法。
2. 前記デポジションステップにおける前記ＳｉＣｌ_４ガスの流量を、全処理ガス流量に対して０．８〜４．５％に調整することを特徴とする請求項１記載の基板処理方法。
3. 前記エッチングステップにおける処理時間は、３０〜１８０ｓｅｃであり、前記デポジションステップにおける処理時間は、１５〜６０ｓｅｃであることを特徴とする請求項１又は２記載の基板処理方法。
4. 前記デポジションエッチングステップ又は前記デポジションステップにおいて、さらに酸素ガスを添加して前記デポの堆積を促進させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の基板処理方法。
5. 前記基板に対する処理は、前記基板を収容する密閉容器内で行われ、前記デポジションエッチングステップ及び前記デポジションステップにおける前記密閉容器内の圧力を４０ｍＴｏｒｒ（５．３２Ｐａ）〜３００ｍＴｏｒｒ(３．９９×１０Ｐａ)に調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の基板処理方法。
6. 前記酸化膜は、ＳｉＯ_２膜であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の基板処理方法。

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