JP6289996B2 - 被エッチング層をエッチングする方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、被エッチング層をエッチングする方法に関するものである。
半導体装置の一種として、３次元構造を有するＮＡＮＤ型フラッシュメモリデバイスが知られている。このデバイスは、多層膜を有しており、当該多層膜は、誘電率の異なる二つの層が交互に設けられることにより構成されている。このデバイスの製造においては、多層膜のエッチングにより、当該多層膜に複数の深いホールが形成される。このようなエッチング方法については、下記の特許文献１に記載されている。
具体的に、特許文献１に記載されたエッチング方法では、多層膜上にアモルファスカーボン製のマスクを有する被処理体が、ＣＨ２Ｆ２ガス、Ｎ２ガス、及びＮＦ３を含む処理ガスのプラズマに晒される。
特許文献１に記載されたエッチング方法のように、深いホールのような複数の開口を被エッチング層に形成するエッチング方法では、当該開口を画成する壁面の垂直性を高めるために、当該壁面やマスクの表面をプラズマ反応生成物によって保護しつつ、多層膜のエッチングが進められる。
米国特許出願公開第２０１３／００５９４５０号明細書
ところで、複数の開口を被エッチング層に形成するために上述した従来のエッチング方法を用いても、複数の開口の幅が互いに異なるものとなることがある。したがって、被エッチング層に形成される複数の開口の幅の相違を低減させることが必要とされている。
一側面においては、被エッチング層をエッチングする方法が提供される。この方法は、（ａ）被エッチング層上に設けられた有機膜からなるマスク層上にプラズマ反応生成物を堆積させる工程（以下、「第１工程」という）と、（ｂ）第１工程の後に、被エッチング層をエッチングする工程（以下、「第２工程」という）と、を含む。マスク層は、粗領域及び密領域を有する。粗領域には複数の開口が形成されている。密領域は粗領域を囲んでおり、当該密領域には粗領域よりもマスクが密に存在している。粗領域は、第１領域、及び第２領域を含んでいる。第２領域は、第１領域よりも密領域に近い領域である。この方法の第１工程では、第１領域における開口の幅が、第２領域における開口の幅よりも狭められる。
一般的に、プラズマ反応生成物を堆積させつつ被エッチング層をエッチングすると、マスクが密に設けられている密領域に近い第２領域及びその直下の被エッチング層内の領域には、密領域から遠い第１領域及びその直下の被エッチング層内の領域よりも、多くのプラズマ反応生成物が付着する。したがって、第２領域の直下の被エッチング層内の領域に形成される開口の幅が小さくなる。一方、上述した一側面に係る方法によれば、第１工程の実行により、第１領域における開口の幅が、第２領域における開口の幅よりも狭められる。しかる後に、第２工程において、プラズマ反応生成物を堆積させつつ被エッチング層をエッチングすると、第１領域の直下の被エッチング層内の領域に形成される開口の幅と第２領域の直下の被エッチング層内の領域に形成される開口の幅との差異が小さくなる。例えば、第１領域の直下の被エッチング層内の領域に形成される開口の幅と第２領域の直下の被エッチング層内の領域に形成される開口の幅とが、実質的に同一となる。故に、この方法によれば、被エッチング層に形成される複数の開口の幅の相違を低減させることが可能となる。
一形態の第１工程では、シリコン含有ガス、並びに、酸素含有ガス及び／又は水素含有ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。第１工程において用いられる混合ガスがシリコン含有ガスに加えて酸素含有ガスを含む場合には、マスク層上に堆積するプラズマ反応生成物として酸化シリコンが生成されるが、密領域ではマスクを構成する材料との反応に粗領域よりも多くの酸素の活性種が消費されるので、当該密領域に近い第２領域の近傍で生成される酸化シリコンの量は、密領域から離れた第１領域の近傍で生成される酸化シリコンの量よりも少なくなる。したがって、第１工程の実行によって、第１領域の開口の幅が、第２領域の開口の幅よりも狭くなる。同様に、第１工程において用いられる混合ガスがシリコン含有ガスに加えて水素含有ガスを含む場合には、マスク層上に堆積するプラズマ反応生成物としてＳｉＨが生成されるが、密領域ではマスクを構成する材料との反応に粗領域よりも多くの水素の活性種が消費されるので、当該密領域に近い第２領域の近傍で生成されるＳｉＨの量は、密領域から離れた第１領域の近傍で生成されるＳｉＨの量よりも少なくなる。したがって、第１工程の実行によって、第１領域の開口の幅が、第２領域の開口の幅よりも狭くなる。
一形態では、シリコン含有ガスは、ＳｉＣｌ４又はＳｉＦ４を含み得る。一形態では、酸素含有ガスはＯ２ガスであってもよい。一形態では、水素含有ガスは炭化水素ガスであってもよい。また、一形態では、水素含有ガスはＣＨ４ガスであってもよい。
一形態では、被エッチング層は、酸化シリコン製の第１の誘電体膜及び窒化シリコン製の第２の誘電体膜が交互に積層されることにより構成された多層膜であってもよい。
一形態の第２工程では、水素ガス、臭化水素ガス、及び三フッ化窒素ガスを含み、且つ、炭化水素ガス、フルオロハイドロカーボンガス、及びフルオロカーボンンガスのうち少なくとも一つを含む処理ガスのプラズマが生成されてもよい。第２工程において用いられる処理ガスは、とりわけ、炭素及び水素を含む。また、この処理ガスには、比較的多くの原子数の水素が含まれる。これにより、第２工程のエッチング中に、炭素を含み、且つ、高い硬度を有する保護膜がマスク層の表面に形成される。その結果、エッチングの終了時まで、マスク層の形状を維持することが可能となる。即ち、マスク選択比を改善することが可能となる。
一形態では、フルオロハイドロカーボンガスは、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ３Ｆガス、又はＣＨＦ３ガスであってもよい。
また、一形態では、有機膜はアモルファスカーボン膜であってもよい。
以上説明したように、被エッチング層に形成される複数の開口の幅の相違を低減させることが可能となる。
被エッチング層をエッチングする方法の一実施形態を示す流れ図である。 一例に係る被処理体の断面図である。 図１に示す方法の実施前、及び図１に示す方法の各工程の実行後の被処理体の状態を示す平面図である。 図１に示す方法の第１工程の実行後の被処理体の状態を示す断面図である。 図１に示す方法の第２工程の実行後の被処理体の状態を示す断面図である。 プラズマ処理装置の一例を概略的に示す図である。 図６に示すバルブ群、流量制御器群、及びガスソース群を詳細に示す図である。
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は被エッチング層をエッチングする方法の一実施形態を示す流れ図である。図１に示す方法ＭＴは、マスク層上にプラズマ反応生成物を堆積させる第１工程ＳＴ１、及び、被エッチング層をエッチングする第２工程ＳＴ２を含んでいる。この方法ＭＴは、例えば、図２及び図３の（ａ）に示す被処理体（以下、「ウエハＷ」ということがある）に対して、適用され得る。図２は、一例に係る被処理体の断面図である。図３は、図１に示す方法の実施前、及び図１に示す方法の各工程の実行後の被処理体の状態を示す平面図である。なお、図３においては、ウエハＷをマスク層ＭＬの上方から視た平面図が示されている。
図２に示すように、ウエハＷは、被エッチング層ＥＬ及びマスク層ＭＬを有している。一実施形態では、ウエハＷは、下地層ＵＬを更に有している。この実施形態では、ウエハＷは下地層ＵＬ上に被エッチング層ＥＬを有し、当該被エッチング層ＥＬ上にマスク層ＭＬを有している。
被エッチング層ＥＬは、エッチング対象の層であり、マスク層ＭＬのパターンが転写される層である。一実施形態では、被エッチング層ＥＬは多層膜であり、当該多層膜は交互に積層された第１の誘電体膜Ｌ１及び第２の誘電体膜Ｌ２を含んでいる。例えば、第１の誘電体膜Ｌ１は酸化シリコンから構成されており、第２の誘電体膜Ｌ２は窒化シリコンから構成され得る。また、第１の誘電体膜Ｌ１の厚みは、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍであり、第２の誘電体膜Ｌ２の厚みは、例えば、１０ｎｍ〜７５ｎｍである。また、被エッチング層ＥＬは、各々が第１の誘電体膜Ｌ１、及び当該第１の誘電体膜Ｌ１の直上に形成された第２の誘電体膜Ｌ２からなる２４個の積層膜の対を有し得る。
マスク層ＭＬは、有機膜から構成されている。この有機膜は、例えば、アモルファスカーボン膜である。図２及び図３の（ａ）に示すように、マスク層ＭＬは、粗領域ＲＣ及び密領域ＲＤを有している。粗領域ＲＣは、密領域ＲＤに囲まれている。粗領域ＲＣには、複数の開口ＭＯが形成されている。複数の開口ＭＯは、被エッチング層ＥＬを露出させている。また、密領域ＲＤには、粗領域ＲＣよりもマスクが密に存在している。一実施形態では、密領域ＲＤには開口が形成されていないが、別の実施形態では、密領域ＲＤには、粗領域ＲＣよりも低い密度で開口ＭＯが形成されていてもよい。
複数の開口ＭＯは、一実施形態では、ホールであり、四列に並べられている。しかしながら、複数の開口ＭＯの配列態様は、図２及び図３の（ａ）に示された態様に限定されるものではない。例えば、四列よりも多い又は少ない列に複数の開口ＭＯが配列されていてもよい。また、複数の開口ＭＯの各々は、溝であってもよい。
粗領域ＲＣは、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を含んでいる。第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１よりも密領域ＲＤに近い領域である。図示するように、複数の開口ＭＯは、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の双方に形成されている。
以下、図１、図３、図４及び図５を参照して、方法ＭＴについて詳細に説明する。図４は、図１に示す方法の第１工程の実行後の被処理体の状態を示す断面図であり、図３の（ｂ）のＩＶ−ＩＶ線に沿ってとった断面を示している。図５は、図１に示す方法の第２工程の実行後の被処理体の状態を示す断面図であり、図３の（ｃ）のＶ−Ｖ線に沿ってとった断面を示している。
方法ＭＴの第１工程ＳＴ１では、マスク層ＭＬ上にプラズマ反応生成物が堆積され、図４に示すように、マスク層ＭＬ上に堆積物ＤＰが形成される。この第１工程ＳＴ１により、図３の（ｂ）及び図４に示すように、第１領域Ｒ１における開口ＭＯの幅が第２領域Ｒ２における開口ＭＯの幅よりも狭められる。
一実施形態の第１工程ＳＴ１では、ウエハＷを収容したプラズマ処理装置の処理容器内において、シリコン含有ガス、並びに、酸素含有ガス及び／又は水素含有ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。シリコン含有ガスは、例えば、ＳｉＣｌ４及び／又はＳｉＦ４を含む。また、酸素含有ガスは、例えば、Ｏ２ガスである。また、水素含有ガスは、炭化水素ガスであってもよく、例えば、ＣＨ４ガスであってもよい。
第１工程ＳＴ１で用いられる混合ガスがＳｉＣｌ４ガス及びＯ２ガスを含む場合には、プラズマ中で、酸化シリコン（ＳｉＯ）及びＣｌ２が発生する。酸化シリコン（ＳｉＯ）は、プラズマ反応生成物としてマスク層ＭＬ上に堆積し、堆積物ＤＰを形成する。ここで、密領域ＲＤでは、マスク層ＭＬを構成する材料、即ち炭素との反応に粗領域ＲＣよりも多くの酸素の活性種が消費されるので、当該密領域ＲＤに近い第２領域Ｒ２の近傍で生成される酸化シリコンの量は、密領域ＲＤから離れた第１領域Ｒ１の近傍で生成される酸化シリコンの量よりも少なくなる。したがって、第１工程ＳＴ１の実行によって、第１領域Ｒ１の開口ＭＯの幅が、第２領域Ｒ２の開口ＭＯの幅よりも狭くなる。
また、第１工程ＳＴ１で用いられる混合ガスがＳｉＣｌ４ガス及びＣＨ４ガスを含む場合には、プラズマ中で、ＳｉＣ、ＳｉＨ，Ｃｌ２、及びＨ２が発生する。ＳｉＣ及びＳｉＨは、プラズマ反応生成物としてマスク層ＭＬ上に堆積し、堆積物ＤＰを形成する。ここで、密領域ＲＤでは、炭素との反応に粗領域ＲＣよりも多くの水素の活性種が消費されるので、当該密領域ＲＤに近い第２領域Ｒ２の近傍で生成されるＳｉＨの量は、密領域ＲＤから離れた第１領域Ｒ１の近傍で生成されるＳｉＨよりも少なくなる。したがって、この場合にも、第１領域Ｒ１の開口ＭＯの幅が、第２領域Ｒ２の開口ＭＯの幅よりも狭くなる。
次いで、方法ＭＴの第２工程ＳＴ２では、被エッチング層ＥＬがエッチングされる。これにより、図５に示すように、開口ＭＯに連続する開口ＥＯが被エッチング層ＥＬに形成される。この第２工程ＳＴ２では、プラズマ処理装置の処理容器内において、処理ガスのプラズマが生成される。第２工程ＳＴ２では、処理ガスのプラズマ中で発生した活性種によって、被エッチング層ＥＬ及び堆積物ＤＰがエッチングされ、同時に、マスク層ＭＬ上にプラズマ反応生成物が堆積し、残された堆積物ＤＰと共に保護膜ＰＦを形成する。保護膜ＰＦの膜厚は、第２領域Ｒ２上において厚くなり、一方、第１領域Ｒ１上において薄くなる。また、上述したように、第１工程ＳＴ１の実行によって、第１領域Ｒ１の開口ＭＯの幅が、第２領域Ｒ２の開口ＭＯの幅よりも狭くなっている。したがって、図３の（ｃ）及び図５に示すように、第２工程ＳＴ２の実行によって、第１領域Ｒ１の直下の被エッチング層ＥＬ内の領域に形成される開口ＥＯの幅と、第２領域Ｒ２の直下の被エッチング層ＥＬ内の領域に形成される開口ＥＯの幅との相違が小さくなる。例えば、第１領域Ｒ１の直下の被エッチング層ＥＬ内の領域に形成される開口ＥＯの幅と、第２領域Ｒ２の直下の被エッチング層ＥＬ内の領域に形成される開口ＥＯの幅が実質的に同一となる。
一実施形態の第２工程ＳＴ２では、処理ガスとして、水素ガス、臭化水素ガス、及び三フッ化窒素ガスを含み、且つ、炭化水素ガス、フルオロハイドロカーボンガス、及びフルオロカーボンンガスのうち少なくとも一つを含む処理ガスが用いられる。一実施形態では、フルオロハイドロカーボンガスは、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ３Ｆガス、又はＣＨＦ３ガスであってもよい。
第２工程ＳＴ２において用いられる処理ガスは、とりわけ、炭素及び水素を含む。また、この処理ガスには、比較的多くの原子数の水素が含まれる。これにより、第２工程ＳＴ２のエッチング中に、炭素を含み、且つ、高い硬度を有する保護膜ＰＦがマスク層ＭＬの表面に形成される。その結果、エッチングの終了時まで、マスク層ＭＬの形状を維持することが可能となる。即ち、マスク選択比を改善することが可能となる。
また、処理ガスのプラズマ中には、比較的多くの水素の活性種が含まれているので、第２の誘電体膜Ｌ２のエッチングレートが大きくなる。その結果、被エッチング層ＥＬのエッチングレートが高められる。
さらに、処理ガスのプラズマ中には、臭素の活性種が含まれているので、被エッチング層ＥＬに形成される開口を画成する面にＳｉＢｒＯといったエッチング副生成物の膜が形成される。これにより、被エッチング層ＥＬに形成される開口を画成する壁面が、滑らかな面となる。
一実施形態においては、第２工程ＳＴ２が行われている期間内においてウエハＷの温度が変更されてもよい。ここで、ウエハＷの温度が低い場合には、被エッチング層ＥＬのエッチングレートが高くなり、被エッチング層ＥＬに形成される開口の幅が大きくなる。一方、ウエハＷの温度が高い場合には、被エッチング層ＥＬのエッチングレートは低くなるが、厚い保護膜を形成することができ、深さ方向において深部に近くなるほど細くなり且つ全体的に細い幅を有する開口を形成することができる。したがって、第２工程ＳＴ２の途中で、ウエハＷの温度を変更することにより、高い垂直性及び細い幅を有する開口を形成することが可能となる。
具体的な一例の第２工程ＳＴ２では、第１の期間中のウエハＷの温度が、第１の期間の後の第２の期間中のウエハＷの温度よりも高く設定される。即ち、第２工程ＳＴ２の第１の期間において、ウエハＷの温度が比較的高い温度に設定され、第２工程ＳＴ２の第２の期間においてウエハＷの温度が比較的低い温度に設定される。例えば、第１の期間は、第２工程ＳＴ２の開始から途中の時点までの期間であり、第２の期間は当該途中の時点から第２工程ＳＴ２の終了までの期間である。また、例えば、第１の期間のウエハＷの温度は、３０℃であり、第２の期間のウエハＷの温度は、１０℃である。かかる第２工程ＳＴ２によれば、第１の期間において、深さ方向において深部に近いほど細くなる幅を有する開口を形成することができ、また、開口を画成する壁面に厚い保護膜を形成することができる。そして、第２の期間において、深部における開口の幅を広げることができる。これにより、細い幅を有し且つ高い垂直性を有する開口を形成することが可能となる。
以下、方法ＭＴ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図６を参照しつつ説明する。図６は、プラズマ処理装置の一例を概略的に示す図である。図６に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合型プラズマエッチング装置であり、略円筒状の処理容器１２を備えている。処理容器１２の内壁面は、陽極酸化処理されたアルミニウムから構成されている。この処理容器１２は保安接地されている。
処理容器１２の底部上には、絶縁材料から構成された略円筒状の支持部１４が設けられている。支持部１４は、処理容器１２内において、当該処理容器１２の底部から鉛直方向に延在している。支持部１４は、処理容器１２内に設けられた載置台ＰＤを支持している。
載置台ＰＤは、その上面においてウエハＷを保持する。載置台ＰＤは、下部電極１６及び支持部１８を含み得る。下部電極１６は、例えばアルミアルミニウムといった金属から構成されており、略円盤形状をなしている。この下部電極１６の上面の上には、支持部１８が設けられている。
支持部１８は、ウエハＷを支持するものであり、ベース部１８ａ及び静電チャック１８ｂを含んでいる。ベース部１８ａは、例えばアルミニウムといった金属から構成されており、略円盤形状をなしている。ベース部１８ａは、下部電極１６上に設置されており、下部電極１６に電気的に接続されている。静電チャック１８ｂは、ベース部１８ａの上に設けられている。静電チャック１８ｂは、導電膜である電極を一対の絶縁層又は絶縁シート間に配置した構造を有している。静電チャック１８ｂの電極には、直流電源２２が電気的に接続されている。この静電チャック１８ｂは、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力によりウエハＷを吸着する。
支持部１８のベース部１８ａの周縁部上には、ウエハＷの周縁及び静電チャック１８ｂを囲むようにフォーカスリングＦＲが配置されている。フォーカスリングＦＲは、エッチングの均一性を向上させるために設けられている。フォーカスリングＦＲは、エッチング対象の膜の材料によって適宜選択される材料から構成されており、例えば、石英から構成され得る。
ベース部１８ａの内部には、冷媒流路２４が設けられている。冷媒流路２４には、外部に設けられたチラーユニットから配管２６ａを，２６ｂを介して所定温度の冷媒が循環供給される。このように循環される冷媒の温度を制御することにより、支持部１８上によって支持されたウエハＷの温度が制御される。
また、プラズマ処理装置１０には、ガス供給ライン２８が設けられている。ガス供給ライン２８は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスを、静電チャック１８ｂの上面とウエハＷの裏面との間に供給する。
また、プラズマ処理装置１０は、上部電極３０を備えている。上部電極３０は、載置台ＰＤの上方において、当該載置台ＰＤと対向配置されている。下部電極１６と上部電極３０とは、互いに略平行に設けられている。これら上部電極３０と下部電極１６との間には、ウエハＷにプラズマ処理を行うための処理空間Ｓが画成されている。
上部電極３０は、絶縁性遮蔽部材３２を介して、処理容器１２の上部に支持されている。この上部電極３０は、電極板３４及び電極支持体３６を含み得る。電極板３４は、処理空間Ｓに面しており、複数のガス吐出孔３４ａを提供している。この電極板３４は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体から構成され得る。
電極支持体３６は、電極板３４を着脱自在に支持するものであり、例えばアルミニウムといった導電性材料から構成され得る。この電極支持体３６は、水冷構造を有し得る。電極支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。このガス拡散室３６ａからは、ガス吐出孔３４ａに連通する複数のガス通流孔３６ｂが下方に延びている。また、電極支持体３６には、ガス拡散室３６ａに処理ガスを導くガス導入口３６ｃが形成されており、このガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。
ガス供給管３８には、バルブ群４２及び流量制御器群４４を介して、ガスソース群４０が接続されている。図７は、図６に示すバルブ群、流量制御器群、及びガスソース群を詳細に示す図である。図７に示すように、ガスソース群４０は、複数のガスソース４０１〜４０７を含んでいる。ガスソース４０１は、シリコン含有ガスのソースであり、例えば、ＳｉＣｌ４ガス及び／又はＳｉＦ４ガスのソースである。ガスソース４０２は、酸素含有ガス及び／又は水素含有ガスのソースである。上述したように、酸素含有ガスはＯ２ガスであってもよい。また、水素含有ガスは炭化水素ガス、例えばＣＨ４ガスであってもよい。ガスソース４０３は、Ｈ２ガスのソースである。なお、ガスソース４０３は任意の水素ガスのソースであってもよい。ガスソース４０４は、ＨＢｒガスのソースである。ガスソース４０５は、ＮＦ３ガスのソースである。ガスソース４０６は、ＣＨ２Ｆ２ガスのソースである。なお、ガスソース４０６は、任意のフルオロカーボン系ガスのソースであることができる。フルオロカーボン系ガスは、フルオロカーボンガス又はフルオロハイドロカーボンガスであり得る。フルオロカーボンガスとしては、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＦ４ガスが例示され、フルオロハイドロカーボンガスとしては、ＣＨ２Ｆ２ガスの他に、ＣＨ３Ｆガス、ＣＨＦ３ガスが例示される。また、ガスソース４０７は、ＣＨ４ガスのソースである。なお、ガスソース４０７は、任意の炭化水素ガスのソースであることができる。
流量制御器群４４は、複数（Ｎ個）の流量制御器４４１〜４４７を含んでいる。流量制御器４４１〜４４７は、対応のガスソースから供給されるガスの流量を制御する。これら流量制御器４４１〜４４７は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）であってもよく、ＦＣＳであってもよい。バルブ群４２は、複数（Ｎ個）のバルブ４２１〜４２７を含んでいる。ガスソース４０１〜４０７はそれぞれ、流量制御器４４１〜４４７及びバルブ４２１〜４２７を介して、ガス供給管３８に接続されている。ガスソース４０１〜４０７のガスは、ガス供給管３８からガス拡散室３６ａに至り、ガス通流孔３６ｂ及びガス吐出孔３４ａを介して処理空間Ｓに吐出される。
図６に戻り、プラズマ処理装置１０は、接地導体１２ａを更に備え得る。接地導体１２ａは、略円筒状をなしており、処理容器１２の側壁から上部電極３０の高さ位置よりも上方に延びるように設けられている。
また、プラズマ処理装置１０では、処理容器１２の内壁に沿ってデポシールド４６が着脱自在に設けられている。デポシールド４６は、支持部１４の外周にも設けられている。デポシールド４６は、処理容器１２にエッチング副生物が付着することを防止するものであり、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。
処理容器１２の底部側、且つ、支持部１４と処理容器１２の内壁との間に排気プレート４８が設けられている。排気プレート４８は、例えば、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。この排気プレート４８の下方において処理容器１２には、排気口１２ｅが設けられている。排気口１２ｅには、排気管５２を介して排気装置５０が接続されている。排気装置５０は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、処理容器１２内を所望の真空度まで減圧することができる。また、処理容器１２の側壁にはウエハＷの搬入出口１２ｇが設けられており、この搬入出口１２ｇはゲートバルブ５４により開閉可能となっている。
処理容器１２の内壁には、導電性部材（ＧＮＤブロック）５６が設けられている。導電性部材５６は、高さ方向においてウエハＷと略同じ高さに位置するように、処理容器１２の内壁に取り付けられている。この導電性部材５６は、グランドにＤＣ的に接続されており、異常放電防止効果を発揮する。なお、導電性部材５６はプラズマ生成領域に設けられていればよく、その設置位置は図６に示す位置に限られるものではない。
また、プラズマ処理装置１０は、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４を更に備えている。第１の高周波電源６２は、プラズマ生成用の第１の高周波電力を発生する電源であり、２７〜１００ＭＨｚの周波数、一例においては１００ＭＨｚの高周波電力を発生する。第１の高周波電源６２は、整合器６６を介して下部電極１６に接続されている。整合器６６は、第１の高周波電源６２の出力インピーダンスと負荷側（下部電極１６側）の入力インピーダンスを整合させるための回路である。なお、第１の高周波電源６２は、整合器６６を介して、上部電極３０に接続されていてもよい。
第２の高周波電源６４は、ウエハＷにイオンを引き込むための第２の高周波電力、即ち高周波バイアス電力を発生する電源であり、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、一例においては４００ｋＨｚの高周波電力を発生する。第２の高周波電源６４は、整合器６８を介して下部電極１６に接続されている。整合器６８は、第２の高周波電源６４の出力インピーダンスと負荷側（下部電極１６側）の入力インピーダンスを整合させるための回路である。
また、プラズマ処理装置１０は、直流電源部７０を更に備えている。直流電源部７０は、上部電極３０に接続されている。直流電源部７０は、負の直流電圧を発生し、当該直流電圧を上部電極３０に与えることが可能である。
また、一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、制御部Ｃｎｔを更に備え得る。制御部Ｃｎｔは、プロセッサ、記憶部、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。この制御部Ｃｎｔでは、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができ、また、表示装置により、プラズマ処理装置１０の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、制御部Ｃｎｔの記憶部には、プラズマ処理装置１０で実行される各種処理をプロセッサにより制御するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置１０の各部に処理を実行させるためのプログラム、即ち、処理レシピが格納される。
具体的に、制御部Ｃｎｔは、第１工程ＳＴ１の実行時に、流量制御器４４１〜４４２、バルブ４２１〜４２２、及び排気装置５０に制御信号を送出する。これにより、混合ガスが処理容器１２内に供給され、且つ、当該処理容器１２内の圧力が設定された圧力となる。また、制御部Ｃｎｔは、第１工程ＳＴ１の実行時に、第１の高周波電源６２に制御信号を送出する。これにより、第１の高周波電源６２からの高周波電力が下部電極１６に供給される。なお、第１工程ＳＴ１では、高周波バイアス電力が、下部電極１６に供給されなくてもよく、或いは、供給されてもよい。
一例では、第１工程ＳＴ１における各種条件は、例えば以下に示される範囲内の条件に設定される。
・ＳｉＣｌ４ガスの流量：５〜１００ｓｃｃｍ
・Ｏ２ガスの流量：５〜１００ｓｃｃｍ
・第１の高周波電源６２の高周波電力の周波数：２７〜１００ＭＨｚ
・第１の高周波電源６２の高周波電力：２００〜２０００Ｗ
・第２の高周波電源６４の高周波電力の周波数：０．４〜１３ＭＨｚ
・第２の高周波電源６４の高周波電力：０〜３００Ｗ
・処理容器１２内の圧力：０．６７〜６．７Ｐａ （５〜５０ｍＴ）
また、制御部Ｃｎｔは、第２工程ＳＴ２の実行時に、流量制御器４４３〜４４７、バルブ４２３〜４２７、及び排気装置５０に制御信号を送出する。これにより、処理ガスが処理容器１２内に供給され、且つ、当該処理容器１２内の圧力が設定された圧力となる。また、制御部Ｃｎｔは、第２工程ＳＴ２の実行時に、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４に制御信号を送出する。これにより、第１の高周波電源６２からの高周波電力及び第２の高周波電源６４からの高周波バイアス電力が下部電極１６に供給される。
一例では、第２工程ＳＴ２における各種条件は、例えば、以下に示される範囲内の条件に設定される。
・Ｈ２ガスの流量：５０〜３００ｓｃｃｍ
・ＨＢｒガスの流量：１０〜１００ｓｃｃｍ
・ＮＦ３ガスの流量：５０〜１００ｓｃｃｍ
・ＣＨ４ガスの流量：１０〜１００ｓｃｃｍ
・ＣＨ２Ｆ２ガスの流量：４０〜１５０ｓｃｃｍ
・第１の高周波電源６２の高周波電力の周波数：２７〜１００ＭＨｚ
・第１の高周波電源６２の高周波電力：５００〜２７００Ｗ
・第２の高周波電源６４の高周波電力の周波数：０．４〜１３ＭＨｚ
・第２の高周波電源６４の高周波電力：１０００〜４０００Ｗ
・処理容器１２内の圧力：１．３３〜１３．３Ｐａ （１０〜１００ｍＴ）
また、一実施形態では、第２工程ＳＴ２の実行時に、制御部Ｃｎｔは、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４からの高周波電力が、当該高周波電力のＯＮとＯＦＦがパルス状に切り換えられて下部電極１６に供給されるよう、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４に制御信号を送出することができる。また、制御部Ｃｎｔは、高周波電力がＯＮとなっている期間よりも絶対値の大きな負の直流電圧が、高周波電力がＯＦＦになっている期間に上部電極３０に印加されるよう、直流電源部７０に制御信号を送出することができる。例えば、高周波電力がＯＮの期間の負の直流電圧の絶対値は、１５０Ｖ〜５００Ｖの範囲内の電圧であり、高周波電力がＯＦＦの期間の負の直流電圧の絶対値は、３５０Ｖ〜１０００Ｖの範囲内の電圧である。なお、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力のＯＮ及びＯＦＦの周波数は、例えば、１ｋＨｚ〜４０ｋＨｚである。ここで、高周波電力のＯＮ及びＯＦＦの周波数とは、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力がＯＮの期間とＯＦＦの期間とからなる期間を１周期とする周波数である。また、１周期において高周波電力がＯＮの期間が占めるデューティー比は、例えば、５０％〜９０％である。また、直流電源部７０の直流電圧値の切り替えは、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力のＯＮ及びＯＦＦの切り換えに同期され得る。
このように負の直流電圧を利用する実施形態では、高周波電力がＯＮであるときにプラズマが生成され、高周波電力がＯＦＦであるときに、ウエハＷ直上のプラズマが消失する。また、高周波電力がＯＦＦであるときに上部電極３０に印加される負の直流電圧により、正イオンが上部電極３０に引き込まれて当該上部電極３０に衝突する。これにより、上部電極３０から二次電子が放出される。放出された二次電子は、マスク層ＭＬを改質し、マスク層ＭＬのエッチング耐性を向上させる。また、二次電子は、ウエハＷの帯電状態を中和し、その結果、被エッチング層ＥＬに形成された開口内へのイオンの直進性が高められる。
以下、方法ＭＴの評価のために行った実験例について説明する。この実験例では、図２及び図３の（ａ）に示したウエハＷと同様のウエハを準備した。準備したウエハのマスク層ＭＬはアモルファスカーボンン膜から構成されており、当該マスク層ＭＬには、直径１００ｎｍの複数のホールが四列に形成されており、列間のピッチは１５０ｎｍであり、各列におけるホール間のピッチは１５０ｎｍであった。また、被エッチング層ＥＬは、各々が酸化シリコン製の第１の誘電体膜及び窒化シリコン製の第２の誘電体膜からなる２４個の積層膜の対を有しており、被エッチング層ＥＬの総厚は３μｍであった。このウエハに対して、以下に示す条件の第１工程ＳＴ１及び第２工程ＳＴ２をプラズマ処理装置１０を用いて実行した。
＜実験例における第１工程ＳＴ１の条件＞
・混合ガス：ＳｉＣｌ４ガス（２５ｓｃｃｍ）、Ｏ２ガス（２５ｓｃｃｍ）、Ｈｅガス（２００ｓｃｃｍ）
・処理容器１２内の圧力：１．３３３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電源６２の高周波電力：１００ＭＨｚ、５００Ｗ
・第２の高周波電源６４の高周波電力：４００ｋＨｚ、０Ｗ
・処理時間：１５秒
＜実験例における第２工程ＳＴ２の条件＞
・処理ガス：Ｈ２ガス（１７０ｓｃｃｍ）、ＨＢｒガス（８０ｓｃｃｍ）、ＮＦ３ガス（１４０ｓｃｃｍ）、ＣＨ２Ｆ２ガス（９０ｓｃｃｍ）、ＣＨ４ガス（７０ｓｃｃｍ）
・処理容器１２内の圧力：４Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）
・第１の高周波電源６２の高周波電力：１００ＭＨｚ、２０００Ｗ
・第２の高周波電源６４の高周波電力：４００ｋＨｚ、４０００Ｗ
・処理時間：３５０秒
また、比較実験例において、第１工程ＳＴ１を実行せずに、実験例と同様のウエハに対して第２工程ＳＴ２を実行した。
そして、被エッチング層ＥＬに形成された複数のホールの下地層との境界部分における幅（直径）を求めた。その結果、比較実験例では、四列のホールのうち両脇の２列のホールの幅と中央の２列のホールの幅の差異は最大で６ｎｍであった。一方、実験例では、四列のホールのうち両脇の２列のホールの幅と中央の２列のホールの幅の差異は最大で２ｎｍであった。このことから、方法ＭＴにより、被エッチング層に形成される複数の開口の幅の相違を低減させることが可能であ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ＭＴの実施に用いることが可能なプラズマ処理装置は、容量結合型のプラズマ処理装置に限定されるものではない。誘導結合型のプラズマ処理装置、又は、マイクロ波といった表面波によってプラズマを生成するプラズマ処理装置といった種々のプラズマ処理装置を、方法ＭＴの実施に用いることが可能である。
また、上述した実施形態では、被エッチング層ＥＬは、２４個より多い或いは少ない積層膜の対を有していてもよい。また、被エッチング層ＥＬは、単層であってもよい。
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、ＰＤ…載置台、１６…下部電極、１８ｂ…静電チャック、３０…上部電極、４０…ガスソース群、４２…バルブ群、４４…流量制御器群、５０…排気装置、６２…第１の高周波電源、６４…第２の高周波電源、Ｃｎｔ…制御部、Ｗ…ウエハ、ＭＬ…マスク層、ＲＣ…粗領域、ＲＤ…密領域、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域、ＭＯ…開口、ＤＰ…堆積物、ＥＬ…被エッチング層、ＥＯ…開口、ＰＦ…保護膜。

Claims (13)

  1. 被エッチング層をエッチングする方法であって、
    被エッチング層上に設けられた有機膜からなるマスク層上に堆積物を形成するよう該マスク層上に第１のプラズマ反応生成物を堆積させる工程と、
    第１のプラズマ反応生成物を堆積させる前記工程の後に、前記被エッチング層をエッチングする工程と、
    を含み、
    前記マスク層は、複数の開口が形成された粗領域、及び、該粗領域よりもマスクが密に存在する密領域であり該粗領域を囲む密領域を有し、
    前記粗領域は、第１領域、及び、該第１領域よりも前記密領域に近い第２領域を含み、
    第１のプラズマ反応生成物を堆積させる前記工程では、シリコン含有ガス、並びに、酸素含有ガス及び／又は水素含有ガスを含む混合ガスのプラズマが生成され、
    前記密領域において前記マスク層の炭素との反応に消費される前記プラズマ中の酸素又は水素の活性種の量は、前記粗領域において前記マスク層の炭素との反応に消費される酸素又は水素の活性種の量よりも多く、前記第１領域の前記マスク層上に堆積する前記第１のプラズマ反応生成物の量は、前記第２領域において堆積する前記第１のプラズマ反応生成物の量よりも多く、
    第１のプラズマ反応生成物を堆積させる前記工程では、前記第１領域における前記開口の幅が、前記第２領域における前記開口の幅よりも狭められ、
    前記被エッチング層をエッチングする前記工程では、処理ガスのプラズマにより、前記被エッチング層及び前記堆積物がエッチングされ、同時に前記被エッチング層をエッチングする該工程において発生する第２のプラズマ反応生成物が前記マスク層上に堆積する、
    方法。
  2. 前記密領域には開口が形成されていない、請求項１に記載の方法。
  3. 前記シリコン含有ガスは、ＳｉＣｌ４又はＳｉＦ４を含む、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記酸素含有ガスはＯ２ガスである、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
  5. 前記水素含有ガスは炭化水素ガスである、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
  6. 前記水素含有ガスはＣＨ４ガスである、請求項５に記載の方法。
  7. 前記被エッチング層は、酸化シリコン製の第１の誘電体膜及び窒化シリコン製の第２の誘電体膜が交互に積層されることにより構成された多層膜である、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
  8. 前記被エッチング層をエッチングする前記工程では、水素ガス、臭化水素ガス、及び三フッ化窒素ガスを含み、且つ、炭化水素ガス、フルオロハイドロカーボンガス、及びフルオロカーボンンガスのうち少なくとも一つを含む処理ガスのプラズマが生成される、請求項７に記載の方法。
  9. 前記フルオロハイドロカーボンガスは、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ３Ｆガス、又はＣＨＦ３ガスである、請求項８に記載の方法。
  10. 前記有機膜は、アモルファスカーボン膜である、請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
  11. 前記被エッチング層をエッチングする前記工程の実行期間中に前記被エッチング層及び前記マスクを含む被処理体の温度が変更される、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
  12. 前記実行期間中の第１の期間における前記被処理体の温度が、該第１の期間の後の該実行期間中の第２の期間における該被処理体の温度よりも高い温度に設定される、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記第１の期間は、前記実行期間の開始から該実行期間内の途中の時点までの期間であり、前記第２の期間は、該途中の時点から該実行期間の終了までの期間である、請求項１２に記載の方法。
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