JP6207947B2 - 被処理体をプラズマ処理する方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、被処理体をプラズマ処理する方法に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理体の被エッチング層に対して穴や溝といった凹部が形成される場合がある。近年では、半導体装置のサイズの縮小化に伴い、被エッチング層に形成される形状の微細化が進められている。また、これら形状のアスペクト比は次第に高くなってきており、より深い凹部が被エッチング層に形成されるようになってきている。
一般的に、被エッチング層にこのような凹部を形成する際には、形成しようとする凹部に対応するマスクを用いて被エッチング層をプラズマエッチングする。しかし、プラズマエッチングで深い凹部を形成しようとすると、マスクの直下から被エッチング層の横方向にもエッチングが進んでしまい、高いアスペクト比の凹部を形成することが困難となる。そこで、第１のガスと第２のガスとを交互に導入し、エッチングにより形成された凹部の壁面を第２のガスに由来する保護膜で保護しながら被エッチング層の深さ方向にエッチングすることにより、高いアスペクト比の凹部を形成するプラズマ処理方法が知られている。このようなプラズマ処理方法は、特許文献１〜４に記載されている。
具体的には、特許文献１及び２には、第１のガスとしてＳＦ６を用いて被エッチング層をエッチングする工程と、第２のガスとしてＣＣｌ４を用いて保護膜を形成する工程とを繰り返すことにより被処理体に高アスペクト比の凹部を形成する方法が記載されている。また、特許文献３には、第１のガスとしてフッ素含有ガスを用い、第２のガスとしてＮＨ３ガスを用いることが記載されている。特許文献４には、第１のガスとしてフッ素系ガスを用い、第２のガスとしてＳｉＣｌ４及びＯ２の混合ガスを用いることが記載されている。
公報特開平２−１０５４１３号公報 特開昭６３−１３３３４号 特開昭６０−１２６８３５号公報 特開昭６０−１５４６２２号公報
特許文献１〜４に記載された方法では、エッチングによって形成された凹部を画成する底面にも保護膜が形成される。このため、保護膜の形成後に被エッチング層をエッチングする際には、まず凹部の底面に形成された保護膜を除去し、その後に被エッチング層を深さ方向にエッチングすることになる。このように、特許文献１〜４に記載された方法では、凹部の底面に形成された保護膜を除去する工程が余分に必要となるので、高いエッチングレートで被エッチング層の深さ方向にエッチングを進めることが困難となる。
したがって、本技術分野においては、高いアスペクト比の形状を高いエッチングレートで形成することができる被処理体のプラズマ処理方法が要請されている。
一側面においては、上部電極と該上部電極に対向して配置される下部電極との間で生成されるプラズマにより処理容器内に配置される被処理体を処理する方法が提供される。この方法は、ＳＦ６、ＣｌＦ３、及びＦ２の少なくとも何れかを含有する第１のガスを処理容器内に供給し、該第１のガスのプラズマを生成して、被処理体の被エッチング層をエッチングするエッチング工程と、ハイドロカーボン、フルオロカーボン及びフルオロハイドロカーボンの少なくとも何れかを含有する第２のガスを処理容器内に供給し、該第２のガスのプラズマを生成して、被エッチング層の少なくとも一部に第２のガスに由来する保護膜を形成する第１の成膜工程と、を含む。エッチング工程においては、処理容器内の圧力が第１の圧力とされ、且つ下部電極に第１のバイアス電力が印加される。第１の成膜工程においては、処理容器内の圧力が第１の圧力よりも低い第２の圧力とされ、且つ下部電極に第１のバイアス電力よりも高い第２のバイアス電力が印加される。そして、エッチング工程及び第１の成膜工程を含むシーケンスが繰り返し実行される。
上記方法では、まずエッチング工程において、第１のガスのプラズマにより被処理体の被エッチング層がエッチングされる。このエッチング工程により、被エッチング層には側壁及び底面により画成される凹部が形成される。次いで、第１の成膜工程において、第２のガスのプラズマを生成することにより被エッチング層の一部に保護膜が形成される。この第１の成膜工程では、処理容器内の圧力が相対的に低い圧力である第２の圧力に設定され、下部電極に相対的に高いバイアス電力である第２のバイアス電力が印加される。これにより、第１の成膜工程では、凹部の底面に保護膜が形成されることを抑制しつつ、凹部の側壁に保護膜が形成される。これは、第１の成膜工程において、処理容器内の圧力が相対的に低い圧力である第２の圧力に設定され、下部電極に相対的に高いバイアス電力が印加されることにより、第２のガスに含まれるハイドロカーボン、フルオロカーボン及びフルオロハイドロカーボンが解離して生じる高エネルギーのイオンが凹部内に引き込まれ、イオンのスパッタリング効果によって凹部の底面に形成された保護膜が選択的に除去されることに起因するものである。したがって、その後に再び行われるエッチング工程では、側壁において第１のガスに由来する活性種が保護膜により被エッチング層に接触することが防止され、凹部の底面においては第１のガスに由来する活性種が被エッチング層の分子と活発に反応する。このため、上記方法では、被エッチング層の側方にはエッチングの進行が抑制され、被エッチング層の深さ方向にはエッチングが促進される。なお、このエッチング工程では、相対的に低いバイアス電力である第１のバイアス電力を下部電極に印加してエッチングが行われるので、第１のガスに含まれるＳＦ６、ＣｌＦ３、及びＦ２が解離して生じるイオンによって凹部の側壁に形成された保護膜が除去されることが抑制される。したがって、上記方法によれば、高いアスペクト比の形状を高いエッチングレートで形成することができる。
上記方法の一形態では、Ｏ２ガスが第１のガスに添加されてもよい。第１のガスにＯ２ガスが添加されることにより、被エッチング層をエッチングする際に凹部の側壁にシリコン酸化物を形成することができるので、より高いアスペクト比の形状を形成することができる。
上記方法の一形態では、シーケンスは、エッチング工程と第１の成膜工程との間で行われる第２の成膜工程であり、処理容器内の圧力が第１の圧力とされ、且つ下部電極に第１のバイアス電力が印加された状態で、処理容器内において第２のガスのプラズマを生成して、被エッチング層の少なくとも一部に保護膜を形成する、該第２の成膜工程と、第２の成膜工程と第１の成膜工程との間で行われる第３の成膜工程であり、処理容器内の圧力が第１の圧力とされ、且つ下部電極に第２のバイアス電力が印加された状態で、処理容器内において第２のガスのプラズマを生成して、被エッチング層の少なくとも一部に保護膜を形成する、該第３の成膜工程と、を更に含んでもよい。
上記方法の第２の成膜工程では、処理容器内の圧力が相対的に高圧な第１の圧力に設定され、且つ下部電極に相対的に低いバイアス電力である第１のバイアス電力が印加される。これにより、前工程であるエッチング工程において処理容器内に供給され、処理容器内に残留した第１のガスに由来するイオンによって凹部の側壁に形成された保護膜が除去されることを防止することができる。また、その後に行われる第３の成膜工程では、処理容器内の圧力が相対的に高圧な第１の圧力に設定され、且つ下部電極に相対的に高いバイアス電力である第２のバイアス電力が印加される。第３の成膜工程では、このように処理容器内の圧力が比較的高圧に設定されるので、被エッチング層に対する保護膜の堆積を促進することができる。また、第３の成膜工程及び第１の成膜工程では、相対的に高いバイアス電力である第２のバイアス電力が印加されるので、イオンのスパッタリング効果により凹部の底面に保護膜が形成されることを抑制することができる。したがって、本形態に係る方法によれば、凹部の底面に保護膜が形成されることを抑制しつつ、凹部の側壁に保護膜を形成することができ、その結果、高いアスペクト比の形状を高いエッチングレートで形成することができる。
上記方法の一形態では、シーケンスは、エッチング工程の前に行われるブレークスルー工程であり、処理容器内の圧力が第１の圧力とされ、且つ下部電極に第２のバイアス電力が印加された状態で、処理容器内において第１のガスのプラズマを生成する、該ブレークスルー工程を更に含んでもよい。
上記方法のブレークスルー工程では、処理容器内の圧力が相対的に高圧な第１の圧力に設定され、且つ下部電極に相対的に高いバイアス電力である第２のバイアス電力が印加される。このようなブレークスルー工程では、第２のバイアス電力により、第１のガスの分子が解離して生じるイオンが凹部内に引き込まれるので、凹部の底面に残留した堆積物をクリーニングすることができる。したがって、後工程で行われるエッチング工程における被エッチング層の深さ方向へのエッチングレートを高めることができる。
上記方法の一形態では、シーケンスの繰り返しの途中から、ブレークスルー工程、第１の成膜工程、及び第３の成膜工程において、下部電極に印加される第２のバイアス電力を増加させてもよい。また、上記方法の一形態では、前記シーケンスの繰り返しの途中から、前記第１の成膜工程、前記第２の成膜工程、及び前記第３の成膜工程において、前記処理容器内に供給される前記第２のガスの流量を減少させてもよい。
被エッチング層に高アスペクト比のエッチングをする際に、処理条件を一定とした場合には、深さ方向に向かうにつれて先細った形状の凹部が被エッチング層に形成される。本発明者は、アスペクト比が大きくなるにつれて、凹部の底面に供給されるエッチングに寄与する活性種の量が、凹部の底面に供給される保護膜の形成に寄与する活性種の量と比べて低下することにより、このような現象が生じることを見出した。本形態では、シーケンスの繰り返しの途中からは、第１の成膜工程、第２の成膜工程、及び第３の成膜工程において処理容器内に供給される第２のガスの流量を減少させているので、凹部の底面に供給される保護膜の形成に寄与する活性種の量を減らすことができる。これにより、凹部の形状が先細った形状になることを防止することができる。また、本形態では、ブレークスルー工程、第１の成膜工程、及び第３の成膜工程において下部電極に印加されるバイアス電力を増加させているので、第２のガスに由来するイオンによるスパッタリング効果を大きくすることができる。これにより、凹部の底面に保護膜が形成されることが抑制される。したがって、本形態に係る方法によれば、高いアスペクト比の形状を高いエッチングレートで形成することができる。
上記方法の一形態では、第２のガスが、ＣＨ４、ＣＨ３Ｆ、Ｃ４Ｆ６、及びＣ４Ｆ８のうち少なくとも何れかを含んでもよい。このような第２のガスを用いることにより、凹部の底面に保護膜が形成されることを抑制しつつ、凹部の側壁に保護膜を形成することができる。
以上説明したように、本発明の種々の側面及び種々の形態によれば、高いアスペクト比の形状を高いエッチングレートで形成することができる被処理体のプラズマ処理方法が提供される。
一実施形態に係る被処理体をプラズマ処理する方法を示す流れ図である。 一実施形態のプラズマ処理装置を概略的に示す図である。 一実施形態に係る被処理体をプラズマ処理する方法のタイミングチャートを示す図である。 被処理体の一部分の断面図である。 被処理体の一部分の断面図である。 実験例１において用いられるサンプルを示す図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、一実施形態に係る被処理体をプラズマ処理する方法を示す流れ図である。図１に示す方法Ｍ１では、第１のガスのプラズマを用いて被処理体の被エッチング層をエッチングする工程Ｓ２と、第２のガスのプラズマを用いて被処理体の被エッチング層に保護膜を形成する工程Ｓ３とが繰り返し実行される。
以下、図１に示す方法Ｍ１の実施に用いることができるプラズマ処理装置について説明する。図２は、一実施形態のプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図２には、プラズマ処理装置１０の断面構造が概略的に示されている。
プラズマ処理装置１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、略円筒形状を有しており、その内部に処理空間Ｓを画成している。処理容器１２の側壁には、被処理体Ｗの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。プラズマ処理装置１０は、この処理容器１２内に、載置台１４を備えている。載置台１４は、処理空間Ｓの下方に設けられている。この載置台１４は、下部電極１６及び静電チャック１８を有している。下部電極１６は、略円板形状を有しており、導電性を有している。下部電極１６は、例えばアルミニウム製である。
下部電極１６には、高周波電源３２が整合器３４を介して電気的に接続されている。高周波電源３２は、イオン引き込み用の所定の高周波数（例えば、２ＭＨｚ〜２７ＭＨｚ）の高周波電力、即ち高周波バイアス電力を下部電極１６に印加する。
一実施形態においては、下部電極１６の内部には、冷媒流路１６ｐが形成されており、冷媒流路１６ｐには、冷媒入口配管、冷媒出口配管が接続され得る。載置台１４は、冷媒流路１６ｐの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、下部電極１６及び静電チャック１８を所定の温度に制御可能な構成とされている。
プラズマ処理装置１０では、下部電極１６の上面に静電チャック１８が設けられている。静電チャック１８は、略円板状の部材であり、絶縁層１８ａ、及び給電層１８ｂを有している。絶縁層１８ａはセラミック等の絶縁体により形成される膜であり、給電層１８ｂは、絶縁層１８ａの内層として形成された導電性の膜である。給電層１８ｂには、スイッチＳＷＴを介して直流電源５６が接続されている。直流電源５６から給電層１８ｂに直流電圧が与えられると、クーロン力が発生し、当該クーロン力によって被処理体Ｗが静電チャック１８上に吸着保持される。
一実施形態においては、静電チャック１８の内部には、加熱素子であるヒータＨＴが埋め込まれていてもよい。この実施形態では、静電チャック１８は、ヒータＨＴにより、被処理体Ｗを所定温度に加熱できるように構成されている。このヒータＨＴは、配線を介してヒータ電源ＨＰに接続されている。
プラズマ処理装置１０は、ガス供給ライン５８及び６０、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４を更に備え得る。伝熱ガス供給部６２は、ガス供給ライン５８に接続されている。このガス供給ライン５８は、静電チャック１８の上面まで延びて、当該上面の中央部分において環状に延在している。伝熱ガス供給部６２は、例えばＨｅガスといった伝熱ガスを、静電チャック１８の上面と被処理体Ｗとの間に供給する。また、伝熱ガス供給部６４はガス供給ライン６０に接続されている。ガス供給ライン６０は、静電チャック１８の上面まで延びて、当該上面においてガス供給ライン５８を囲むように環状に延在している。伝熱ガス供給部６４は、例えばＨｅガスといった伝熱ガスを、静電チャック１８の上面と被処理体Ｗとの間に供給する。
プラズマ処理装置１０は、筒状保持部２０及び筒状支持部２２を更に備え得る。筒状保持部２０は、下部電極１６の側面及び底面の縁部に接して、当該下部電極１６を保持している。筒状支持部２２は、処理容器１２の底面から垂直方向に延在し、筒状保持部２０を介して下部電極１６を支持している。プラズマ処理装置１０は、この筒状保持部２０の上面に載置されるフォーカスリングＦＲを更に備え得る。フォーカスリングＦＲは、例えば、石英から構成され得る。
一実施形態においては、処理容器１２の側壁と筒状支持部２２との間には、排気路２４が設けられている。排気路２４の入口又はその途中には、バッフル板２５が取り付けられている。また、排気路２４の底面には、排気口２６ａが設けられている。排気口２６ａは、処理容器１２の底面に嵌め込まれた排気管２６によって画成されている。この排気管２６には、排気装置２８が接続されている。排気装置２８は、真空ポンプを有しており、処理容器１２内の処理空間Ｓを所定の真空度まで減圧することができる。
プラズマ処理装置１０は、更に、処理容器１２内にシャワーヘッド３８を備えている。シャワーヘッド３８は、処理空間Ｓの上方に設けられている。シャワーヘッド３８は、上部電極４０及び電極支持体４２を含んでいる。
上部電極４０は、略円板形状を有する導電性の板である。上部電極４０には、複数のガス通気孔４０ｈが形成されている。上部電極４０は、電極支持体４２によって着脱可能に支持されている。電極支持体４２の内部には、バッファ室４２ａが設けられている。プラズマ処理装置１０は、ガス供給部４４を更に備えており、バッファ室４２ａのガス導入口４２ｂにはガス供給導管４６を介してガス供給部４４が接続されている。ガス供給部４４は、処理空間Ｓに第１のガス、第２のガス、及び第３のガスを供給し得る。
一実施形態においては、ガス供給部４４は、ガス源７０ａ、バルブ７０ｂ、流量制御器７０ｃ、ガス源７２ａ、バルブ７２ｂ、流量制御器７２ｃ、ガス源７４ａ、及び、バルブ７４ｂ、流量制御器７４ｃを有している。ガス源７０ａは、第１のガスのガス源である。この第１のガスは、プラズマ処理装置１０が被エッチング層、即ち、多結晶シリコン層用をエッチングするためのガスであり、一実施形態においては、ＳＦ６、ＣｌＦ３及びＦ２の少なくとも何れかを含有するガスである。ガス源７０ａは、バルブ７０ｂ及びマスフローコントローラといった流量制御器７０ｃを介して、ガス供給導管４６に接続されている。
ガス源７２ａは、第２のガスのガス源である。この第２のガスは、被エッチング層である多結晶シリコン層に対して堆積物を形成するためのガスである。第２のガスは、ハイドロカーボン、フルオロカーボン及びフルオロハイドロカーボンの少なくとも何れかを含有するガスである。一実施形態では、ＣＨ４、ＣＨ３Ｆ、Ｃ４Ｆ６、及びＣ４Ｆ８の少なくとも何れかを含有するガスであり得る。ガス源７２ａは、バルブ７２ｂ及びマスフローコントローラといった流量制御器７２ｃを介して、ガス供給導管４６に接続されている。
また、ガス源７４ａは、第３のガスのガス源である。この第３のガスは、第１のガスに添加され得るガスであり、一実施形態においては、Ｏ２ガスである。ガス源７４ａは、バルブ７４ｂ及びマスフローコントローラといった流量制御器７４ｃを介して、ガス供給導管４６に接続されている。
電極支持体４２には、複数のガス通気孔４０ｈにそれぞれ連続する複数の孔が形成されており、当該複数の孔はバッファ室４２ａに連通している。したがって、ガス供給部４４から供給されるガスは、バッファ室４２ａ、ガス通気孔４０ｈを経由して、処理空間Ｓに供給される。
また、上部電極４０には、高周波電源３５が整合器３６を介して電気的に接続されている。高周波電源３５は、一実施形態においては、プラズマ生成用の所定の高周波数（例えば、２７ＭＨｚ以上）の高周波電力を上部電極４０に印加する。高周波電源３５によって上部電極４０に高周波電力がそれぞれ与えられると、互いに対向して配置される下部電極１６と上部電極４０との間の空間、即ち、処理空間Ｓには高周波電界が形成され、第１のガス及び第２のガスのプラズマが励起される。したがって、一実施形態においては、下部電極１６、上部電極４０、及び高周波電源３２は、一実施形態において、プラズマを発生させる手段を構成している。
一実施形態においては、処理容器１２の天井部に、環状又は同心状に延在する磁場形成機構４８が設けられている。この磁場形成機構４８は、処理空間Ｓにおける高周波放電の開始（プラズマ着火）を容易にして放電を安定に維持するよう機能する。
さらに、一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、制御部６６を更に備えている。この制御部６６は、排気装置２８、スイッチＳＷＴ、高周波電源３２、整合器３４、高周波電源３５、整合器３６、ガス供給部４４、伝熱ガス供給部６２及び６４、並びにヒータ電源ＨＰに接続されている。制御部６６は、排気装置２８、スイッチＳＷＴ、高周波電源３２、整合器３４、高周波電源３５、整合器３６、ガス供給部４４、伝熱ガス供給部６２及び６４、並びにヒータ電源ＨＰのそれぞれに制御信号を送出する。制御部６６からの制御信号により、排気装置２８による排気、スイッチＳＷＴの開閉、高周波電源３２からの電力供給、整合器３４のインピーダンス調整、高周波電源３５からの電力供給、整合器３６のインピーダンス調整、ガス供給部４４による第１のガス、第２のガス、及び添加ガスの供給及びそれらの流量、伝熱ガス供給部６２及び６４それぞれによる伝熱ガスの供給、ヒータ電源ＨＰからの電力供給が制御される。
このプラズマ処理装置１０では、被処理体Ｗを処理するために、ガス源７０ａ、７２ａ、７４ａのうち選択された一以上のガス源から処理容器１２内にガスが供給される。そして、上部電極４０にプラズマ生成用の高周波電力が与えられることにより、下部電極１６と上部電極４０との間に高周波電界が発生する。この高周波電界により、処理空間Ｓ内に供給されたガスのプラズマが生成される。そして、このように発生するガスのプラズマにより、被処理体Ｗの被エッチング層に対するエッチングといった処理が行われる。また、下部電極１６に高周波バイアス電力が与えられることによりイオンが被処理体Ｗに引き込まれる。これにより、被処理体Ｗの被エッチング層のエッチングが促進される。
再び図１を参照する。以下、上述したプラズマ処理装置１０を用いて実施し得る方法Ｍ１について、図１に加えて図３〜図５を参照して、より詳細に説明する。図３は、方法Ｍ１の各工程を具体的に説明するためのタイミングチャートである。なお、図４及び図５には、被処理体Ｗの一部分の断面が示されている。
図１に示す方法Ｍ１では、まず、工程Ｓ１において被処理体Ｗが準備される。この被処理体Ｗは、図４（ａ）に示すように、被エッチング層ＥＬ及びマスクＭを有している。被エッチング層ＥＬは、例えば多結晶シリコン層である。マスクＭは、被エッチング層ＥＬ上に形成されており、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンから構成されている。
次いで、方法Ｍ１においては、被処理体Ｗの被エッチング層ＥＬをエッチングする工程Ｓ２が行われる。工程Ｓ２は、工程Ｓ２ａ（ブレークスルー工程）及び工程Ｓ２ｂ（エッチング工程）を含んでいる。工程Ｓ２ａにおいては、被処理体Ｗをプラズマ処理装置１０の静電チャック１８上に載置し、被処理体Ｗの被エッチング層ＥＬをクリーニングする。被エッチング層ＥＬのクリーニングは、処理容器１２内において、ガス源７０ａから供給される第１のガスのプラズマを生成し、当該プラズマに図４（ａ）に示した被処理体Ｗを晒すことにより実施される。第１のガスとしては、例えば、ＳＦ６、ＣｌＦ３、Ｆ２の少なくとも何れかを含有するガスが用いられる。
工程Ｓ２ａにおける処理条件について説明する。工程Ｓ２ａおいては、図３に示すように、ガス源７０ａから第１のガスを流量ｇｆｅ１で供給しながら、排気装置２８により処理容器１２内を排気することにより、処理容器１２内の圧力が第１の圧力ＰＲ１に設定される。第１のガスとしてＳＦ６を用いた場合には、流量ｇｆｅ１は例えば２００ｓｃｃｍ程度とすることができる。一実施形態では、第１の圧力ＰＲ１は、例えば１５０ｍＴｏｒｒ以上の圧力とすることができる。また、工程Ｓ２ａにおいては、高周波電源３５からプラズマ生成用の高周波電力ＨＦ１が上部電極４０に印加され、高周波電源３２から第２のバイアス電力ＬＦ２が下部電極１６に印加される。この高周波電力ＨＦ１は、例えば３０００Ｗ程度とすることができる。第２のバイアス電力ＬＦ２は、例えば１００Ｗ以上のバイアス電力であり、一実施形態では５００Ｗ程度とすることができる。
続く工程Ｓ２ｂでは、被処理体Ｗの被エッチング層ＥＬをエッチングすることにより凹部が形成される。工程Ｓ２ｂにおける被エッチング層ＥＬのエッチングは、処理容器１２内において、ガス源７０ａから供給される第１のガスのプラズマを生成し、当該プラズマに工程Ｓ２ａのエッチングが行われた被処理体Ｗを晒すことにより実施される。一実施形態においては、工程Ｓ２において、第３のガスであるＯ２ガスが第１のガスに添加されてもよい。Ｏ２ガスが第１のガスに添加されることにより、被エッチング層ＥＬをエッチングする際に被エッチング層ＥＬにシリコン酸化物が形成されるので、より高いアスペクト比の形状を形成することができる。
工程Ｓ２ｂにおける処理条件について説明する。工程Ｓ２ｂおいては、ガス源７０ａから第１のガスを流量ｇｆｅ１で供給しながら、排気装置２８により処理容器１２内を排気することにより、処理容器１２内の圧力が第１の圧力ＰＲ１に設定される。また、工程Ｓ２ｂにおいては、高周波電源３５から高周波電力ＨＦ１が上部電極４０に印加され、高周波電源３２から第１のバイアス電力ＬＦ１が下部電極１６に印加される。この第１のバイアス電力ＬＦ１は、第２のバイアス電力ＬＦ２よりも低い高周波バイアス電力であり、その電力は例えば５０Ｗ程度とすることができる。
この工程Ｓ２ｂにより、図４（ｂ）に示すように、第１のガスの解離により発生するフッ素イオンやフッ素ラジカルといったフッ素の活性種（図中、円で囲まれた「Ｆ」がフッ素の活性種を示している）が、被エッチング層のシリコンと反応し、被エッチング層ＥＬがエッチングされる。以下では、工程Ｓ２ｂにより形成された凹状の領域をエッチング領域ＥＲと称する。エッチング領域ＥＲは、側壁ＳＷ及び底面ＢＰによって画成されている。
次いで、方法Ｍ１では、被エッチング層ＥＬの表面の少なくとも一部に保護膜ＰＭを形成する工程Ｓ３が行われる。工程Ｓ３は、工程Ｓ３ａ（第２の成膜工程）、工程Ｓ３ｂ（第３の成膜工程）、及び工程Ｓ３ｃ（第１の成膜工程）を含んでいる。工程Ｓ３ａ、工程Ｓ３ｂ、及び工程Ｓ３ｃにおける保護膜ＰＭが形成は、処理容器１２内においてガス源７２ａから供給される第２のガスのプラズマを生成し、当該プラズマに工程Ｓ２のエッチングが行われた被処理体Ｗを晒すことにより実施される。
工程Ｓ３ａにおける処理条件について説明する。工程Ｓ３ａにおいては、図３に示すように、ガス源７２ａから第２のガスを流量ｇｆｄ１で供給しながら、排気装置２８により処理容器１２内を排気することにより、処理容器１２内の圧力が第１の圧力ＰＲ１に設定される。例えば、第２のガスとしてＣ４Ｆ８ガス及びＣ４Ｆ６ガスを含有するガスを用いた場合には、流量ｇｆｄ１は例えば３３０ｓｃｃｍ（Ｃ４Ｆ８ガスの流量：３００ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ６ガスの流量：３０ｓｃｃｍ）程度とすることができる。また、工程Ｓ３ａにおいては、高周波電源３５から高周波電力ＨＦ２が上部電極４０に印加され、高周波電源３２から第１のバイアス電力ＬＦ１が下部電極１６に印加される。この高周波電力ＨＦ２は、例えば１５００Ｗ程度とすることができる。
次に、工程Ｓ３ｂにおける処理条件について説明する。工程Ｓ３ｂにおいては、図３に示すように、ガス源７２ａから第２のガスを流量ｇｆｄ１で供給しながら、排気装置２８により処理容器１２内を排気することにより、処理容器１２内の圧力が第１の圧力ＰＲ１に設定される。また、工程Ｓ３ｂにおいては、高周波電源３５から高周波電力ＨＦ２が上部電極４０に印加され、高周波電源３２から第２のバイアス電力ＬＦ２が下部電極１６に印加される。即ち、工程Ｓ３ａから工程Ｓ３ｂに移行することにより、下部電極１６に印加されるバイアス電力が第１のバイアス電力ＬＦ１から第２のバイアス電力ＬＦ２に増加される。
この工程Ｓ３ａ及び工程Ｓ３ｂでは、第２のガスから解離したハイドロカーボン、フルオロカーボン、又はフルオロハイドロカーボンの活性種が被エッチング層ＥＬに堆積する。これにより、側壁ＳＷ及び底面ＢＰに保護膜ＰＭが形成される。また、工程Ｓ３ａ及び工程Ｓ３ｂでは、処理容器１２内が相対的に高圧な第１の圧力ＰＲ１に設定されることにより、保護膜ＰＭの形成が促進される。なお、工程Ｓ３ａでは、相対的に低いバイアス電力である第１のバイアス電力ＬＦ１が印加されることにより、処理容器１２内に残留したフッ素の活性種よって保護膜ＰＭが除去されることが防止される。
次に、工程Ｓ３ｃにおける処理条件について説明する。工程Ｓ３ｃでは、図３に示すように、ガス源７２ａから第２のガスを流量ｇｆｄ１で供給しながら、排気装置２８により処理容器１２内を排気することにより、処理容器１２内の圧力が第２の圧力ＰＲ２に設定される。この第２の圧力ＰＲ２は、第１の圧力ＰＲ１よりも低い圧力であり、一実施形態では、７５ｍＴｏｒｒ以下の圧力とすることができる。また、工程Ｓ３ｃにおいては、高周波電源３５から第２の高周波電力ＨＦ２が上部電極４０に印加され、高周波電源３２から第２のバイアス電力ＬＦ２が下部電極１６に印加される。即ち、工程Ｓ３ｂから工程Ｓ３ｃに移行することにより、処理容器１２内の圧力が第１の圧力ＰＲ１から第２の圧力ＰＲ２に低下される。
この工程Ｓ３ｃでは、処理容器１２内の圧力が相対的に低い圧力である第２の圧力ＰＲ２に設定され、下部電極１６に相対的に高いバイアス電力であるＬＦ２が印加される。このような工程Ｓ３ｃでは、第２のガスに含まれるハイドロカーボン、フルオロカーボン、又はフルオロハイドロカーボンの活性種が堆積することにより、側壁ＳＷ及び底面ＢＰに保護膜ＰＭが形成される。また、これと共に工程Ｓ３ｃでは、図４（ｃ）に示すように、第２のガス中のハイドロカーボン、フルオロカーボン、又はフルオロハイドロカーボンが解離して生じた高エネルギーのイオン（図中、円がハイドロカーボン、フルオロカーボン、又はフルオロハイドロカーボンが解離して生じたイオンを示している）がエッチング領域ＥＲ内に垂直に引き込まれる。これにより、高エネルギーのイオンの底面ＢＰに衝突し、イオンスパッタリング効果により、底面ＢＰに形成された保護膜が除去される。よって、工程Ｓ３ｃにおいては、底面ＢＰにおいて保護膜ＰＭの形成が抑制される。なお、上述のように処理条件が設定された工程Ｓ３ｃにおいては、底面ＢＰにおいて、イオンのスパッタリングによる保護膜ＰＭの除去作用が保護膜ＰＭの堆積速度よりも優位となる。これにより、底面ＢＰにおいては保護膜ＰＭが形成されずに多結晶シリコン層が露出される。
一方、側壁ＳＷにおいては、保護膜ＰＭに衝突するイオンの量が底面ＢＰに形成された保護膜ＰＭに衝突するイオンの量よりも少ないので、保護膜ＰＭの堆積速度がイオンのスパッタリングによる保護膜の除去作用よりも優位となり、保護膜ＰＭが形成されることになる。したがって、この工程Ｓ３ｃにより、図４（ｃ）に示すように、底面ＢＰに保護膜ＰＭが形成されることなく、側壁ＳＷに保護膜ＰＭが形成される。
そして、方法Ｍ１では、更に工程Ｓ２が行われることにより、被エッチング層ＥＬがエッチングされる。即ち、工程Ｓ２ａが行われることにより、底面ＢＰがクリーニングされる。また、工程Ｓ２ｂが行われることにより、図５（ａ）に示すように、多結晶シリコン層が露出した底面ＢＰが深さ方向にエッチングされる。この際、側壁ＳＷのうち保護膜ＰＭが形成された部分はエッチングの進行がしない。その後、図５（ｂ）に示すように、更に工程Ｓ３が行われることにより、側壁ＳＷに保護膜ＰＭが形成される。続いて、図１に示すように、所定サイクル数の工程Ｓ２及び工程Ｓ３の繰り返しが行われたか否かが、判定される（図１の参照符号Ｓ４）。工程Ｓ２及び工程Ｓ３の繰り返しの回数が所定サイクル数に満たないときには、工程Ｓ２及び工程Ｓ３が更に行われる。一方、工程Ｓ２及び工程Ｓ３の繰り返しの回数が所定サイクル数行われている場合には、方法Ｍ１が終了する。このように工程Ｓ２及び工程Ｓ３が所定サイクル数繰り返されることにより、図５（ｃ）に示すような高アスペクト比のエッチング領域ＥＲが形成される。
以上説明したように、方法Ｍ１の工程Ｓ３ｃでは、処理容器１２内の圧力が相対的に低い圧力である第２の圧力ＰＲ２に設定され、下部電極１６に相対的に高いバイアス電力である第２のバイアス電力ＬＦ２が印加される。これにより、第２のガスに含まれるハイドロカーボン、フルオロカーボン、又はフルオロハイドロカーボンが解離して生じるイオンが高いエネルギーでエッチング領域ＥＲ内に引き込まれる。そして、イオンのスパッタリング効果によって底面ＢＰに形成された保護膜が選択的に除去される。これにより、工程Ｓ３ｃでは、底面ＢＰに保護膜ＰＭが形成されることが抑制されつつ、側壁ＳＷに保護膜ＰＭが形成される。そして、その後に工程Ｓ２ｂが行われることにより、側壁ＳＷにおいてエッチングに寄与するフッ素の活性種が被エッチング層ＥＬに接触することが保護膜ＰＭにより防止され、底面ＢＰにおいてはフッ素の活性種が被エッチング層ＥＬのシリコンと活発に反応する。このため、方法Ｍ１では、被エッチング層ＥＬの側方にはエッチングの進行が抑制され、被エッチング層ＥＬの深さ方向にはエッチングが促進される。また、この工程Ｓ２ｂでは、相対的に低いバイアス電力である第１のバイアス電力ＬＦ１を下部電極１６に印加してエッチングが行われるので、フッ素のイオンによって側壁ＳＷに形成された保護膜ＰＭが除去されることが抑制される。したがって、方法Ｍ１によれば、高いアスペクト比の形状を高いエッチングレートで形成することができる。
なお、一実施形態においては、工程Ｓ２及び工程Ｓ３を含むシーケンスの繰り返しの途中から、工程Ｓ２ａ、工程Ｓ３ｂ、及び工程Ｓ３ｃにおいて、下部電極１６に印加される第２のバイアス電力を徐々に増加させてもよい。また、一実施形態においては、工程Ｓ３ａ、工程Ｓ３ｂ、及び工程Ｓ３ｃにおいて、処理容器内に供給される第２のガスの流量を徐々に減少させていってもよい。例えば、エッチング領域ＥＲのアスペクト比が所定の値を超えた以降は、工程Ｓ２ａ、工程Ｓ３ｂ、及び工程Ｓ３ｃにおいて下部電極１６に印加される第２のバイアス電力が最終的に１０００Ｗになるように、下部電極１６に印加されるバイアス電力を徐々に増加させてもよい。また、それと共に、工程Ｓ３ａ、工程Ｓ３ｂ、及び工程Ｓ３ｃにおいて処理容器１２内に供給される第２のガスの流量を３３０ｓｃｃｍから３０５ｓｃｃｍ（Ｃ４Ｆ８ガスの流量：３００ｓｃｃｍ、Ｃ４Ｆ６ガスの流量：５ｓｃｃｍ）になるよう、処理容器１２内に供給される第２のガスの流量を徐々に減少させてもよい。
被エッチング層ＥＬに高アスペクト比の形状を形成する際に、処理条件を一定とした場合には、深さ方向に向かうにつれて先細った形状のエッチング領域ＥＲが被エッチング層ＥＬに形成される傾向がある。これは、アスペクト比が大きくなるにつれて、底面ＢＰに供給されるエッチングに寄与する活性種の量が、底面ＢＰに供給される保護膜ＰＭの形成に寄与する活性種の量と比べて低下することに起因して生じる現象である。このように、シーケンスの繰り返しの途中からは、工程Ｓ３ａ、工程Ｓ３ｂ、及び工程Ｓ３において処理容器１２内に供給される第２のガスの流量を減少させることにより、底面ＢＰに供給される保護膜ＰＭの形成に寄与する活性種の量を減らすことができるので、エッチング領域ＥＲの形状が先細った形状になることを防止することができる。また、工程Ｓ２ａ、工程Ｓ３ｂ、及び工程Ｓ３ｃにおいて下部電極１６に印加されるバイアス電力を増加させることにより、第２のガスに由来するイオンによるスパッタリング効果が大きくすることができる。これにより、底面ＢＰに保護膜ＰＭが形成されることがより抑制される。したがって、このような実施形態によれば、高いアスペクト比の形状を高いエッチングレートで形成することができる。
以下、上述した種々の実施形態の方法を用いた実験例について説明する。
実験例１では、処理容器１２内の圧力及び下部電極１６に印加されるバイアス電力を変化させたときの凹部の壁面に形成される保護膜ＰＭの膜厚について評価した。実験例１では、図６に示すような、深さ１００μｍの穴が形成されたサンプルに対して保護膜ＰＭを形成した。そして、実験例１の処理後の被エッチング層ＥＬの断面のＳＥＭ写真を取得し、穴の側壁ＳＷの最下部の領域Ａ、及び穴の底面ＢＰ上の領域Ｂに形成された保護膜ＰＭの厚さを観測した。実験例１では、以下のような条件の下で、被エッチング層ＥＬの表面に保護膜を形成した。実験例１では、処理容器１２内に供給する第２のガスとしてＣ４Ｆ８ガスを用いた。
（実験例１の処理条件）
上部電極４０に印加される高周波電力：２０００Ｗ
Ｃ４Ｆ８ガスの流量：２００ｓｃｃｍ
処理時間：３６０秒
実験例１は、処理容器１２内の圧力を５０ｍＴｏｒｒ、１００ｍＴｏｒｒに変化させ、下部電極１６に印加されるバイアス電力を０Ｗ、１００Ｗ、２００Ｗに変化させた上で実施した。その結果、処理容器１２内の圧力を５０ｍＴｏｒｒとし、下部電極１６に印加されるバイアス電力を１００Ｗとした場合、及び処理容器１２内の圧力を５０ｍＴｏｒｒとし、下部電極１６に印加されるバイアス電力を２００Ｗとした場合には、領域Ｂに保護膜ＰＭが形成されないことが確認された。また、この場合であっても、側壁ＳＷ上に位置する領域Ａには十分な厚さの保護膜ＰＭが形成されることが確認された。一方、処理容器１２内の圧力を５０ｍＴｏｒｒとし、下部電極１６に印加されるバイアス電力を０Ｗとした場合、及び処理容器１２内の圧力を１００ｍＴｏｒｒとし、下部電極１６に印加されるバイアス電力を０Ｗ、１００Ｗ、若しくは２００Ｗとした場合には、領域Ｂに領域Ａよりも厚い保護膜ＰＭが形成されることが確認された。この実験例１の結果から、処理容器１２内を低圧に設定し、且つ下部電極１６に大きなバイアス電力を印加することにより、被エッチング層ＥＬの底面ＢＰに保護膜ＰＭが形成されることを抑制しながら、側壁ＳＷに保護膜ＰＭを形成することができることが確認された。
以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、方法Ｍ１の実施に用いるプラズマ処理装置は、上述したプラズマ処理装置１０に限定されるものではない。方法Ｍ１の実施には、下部電極にプラズマ生成用の高周波電力を供給するタイプのプラズマ処理装置を用いることも可能である。また、平行平板型のプラズマ処理装置の他に、誘導結合型のプラズマ処理装置、又は、プラズマ源としてマイクロ波を用いるプラズマ処理装置を、方法Ｍ１の実施に用いることも可能である。
また、方法Ｍ１においては、工程Ｓ２ａ、工程Ｓ３ａ、及び工程Ｓ３ｂは付加的な工程であり必須の工程ではない。少なくとも工程Ｓ２ｂ及び工程Ｓ３ｃが行われれば、被エッチング層ＥＬの底面ＢＰに保護膜ＰＭが形成されることを抑制しながら側壁ＳＷに保護膜ＰＭを形成することが可能である。
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１６…下部電極、３２…高周波電源、３５…高周波電源、４０…上部電極、４４…ガス供給部、６６…制御部、７０ａ，７２ａ，７４ａ…ガス源、ＢＰ…底面、ＥＬ…被エッチング層、ＥＲ…エッチング領域、Ｍ…マスク、ＰＭ…保護膜、Ｓ…処理空間、ＳＷ…側壁、Ｗ…被処理体。

Claims (6)

  1. 上部電極と該上部電極に対向して配置される下部電極との間で生成されるプラズマにより処理容器内に配置される被処理体を処理する方法であって、該方法は、
    ＳＦ６、ＣｌＦ３、及びＦ２の少なくとも何れかを含有する第１のガスを処理容器内に供給し、該第１のガスのプラズマを生成して、前記被処理体の被エッチング層をエッチングするエッチング工程と、
    ハイドロカーボン、フルオロカーボン及びフルオロハイドロカーボンの少なくとも何れかを含有する第２のガスを前記処理容器内に供給し、該第２のガスのプラズマを生成して、前記被エッチング層の少なくとも一部に前記第２のガスに由来する保護膜を形成する第１の成膜工程と、
    を含み、
    前記エッチング工程においては、前記処理容器内の圧力が第１の圧力とされ、且つ前記下部電極に第１のバイアス電力が印加され、
    前記第１の成膜工程においては、前記処理容器内の圧力が前記第１の圧力よりも低い第２の圧力とされ、且つ前記下部電極に前記第１のバイアス電力よりも高い第２のバイアス電力が印加され、
    前記エッチング工程及び前記第１の成膜工程を含むシーケンスが繰り返し実行され、
    前記シーケンスは、
    前記エッチング工程と前記第１の成膜工程との間で行われる第２の成膜工程であり、前記処理容器内の圧力が前記第１の圧力とされ、且つ前記下部電極に前記第１のバイアス電力が印加された状態で、前記処理容器内において前記第２のガスのプラズマを生成して、前記被エッチング層の少なくとも一部に前記保護膜を形成する、該第２の成膜工程と、
    前記第２の成膜工程と前記第１の成膜工程との間で行われる第３の成膜工程であり、前記処理容器内の圧力が前記第１の圧力とされ、且つ前記下部電極に前記第２のバイアス電力が印加された状態で、前記処理容器内において前記第２のガスのプラズマを生成して、前記被エッチング層の少なくとも一部に前記保護膜を形成する、該第３の成膜工程と、
    を更に含む、方法。
  2. 前記エッチング工程において、Ｏ２ガスが前記第１のガスに添加される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記シーケンスは、前記エッチング工程の前に行われるブレークスルー工程であり、前記処理容器内の圧力が第１の圧力とされ、且つ前記下部電極に前記第２のバイアス電力が印加された状態で、前記処理容器内において前記第１のガスのプラズマを生成する、該ブレークスルー工程を更に含む、
    請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記シーケンスの繰り返しの途中から、
    前記ブレークスルー工程、前記第１の成膜工程、及び前記第３の成膜工程において、前記下部電極に印加される第２のバイアス電力を増加させる、
    請求項３に記載の方法。
  5. 前記シーケンスの繰り返しの途中から、
    前記第１の成膜工程、前記第２の成膜工程、及び前記第３の成膜工程において、前記処理容器内に供給される前記第２のガスの流量を減少させる、
    請求項３又は４に記載の方法。
  6. 前記第２のガスが、ＣＨ４、ＣＨ３Ｆ、Ｃ４Ｆ６、及びＣ４Ｆ８のうち少なくとも何れかを含む、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
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