JP6347695B2 - 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。
磁気抵抗効果素子を用いたメモリ素子の一種として、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造を有するＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）素子が注目されている。
ＭＲＡＭ素子は、強磁性体などの金属を含有する難エッチング材料から構成されたら多層膜を含んでいる。このようなＭＲＡＭ素子の製造では、例えば、ＰｔＭｎ（白金マンガン）層を、Ｔａ（タンタル）を含むマスクを用いてエッチングすることがある。このようなエッチングでは、特開２０１２−２０４４０８号公報に記載されているように、従来から、ハロゲンガスが用いられている。
特開２０１２−２０４４０８号公報
しかしながら、ハロゲンガスのプラズマを用いたエッチングでは、当該エッチングによって形成された形状の側壁面に、反応生成物が堆積する。また、この反応生成物は高い融点を有するので、気化されにくい。このような堆積物がＭＲＡＭ素子のＭＴＪ構造の側壁面に堆積して除去されないと、ＭＲＡＭ素子の機能が損なわれる。
そこで、本願発明者は、後のトリートメント工程での当該反応生成物の除去を容易とするため、エッチング用のガスとして、メタンガス及びアルゴンガスを含有する処理ガスを利用する試みを行っている。
一方、ＭＲＡＭ素子の製造に用いられるエッチングには、三つの要件、即ち、（１）当該エッチングによって形成される形状の垂直性の高さ、（２）当該形状の側壁面に堆積する反応生成物の量、即ち堆積物の量の少なさ、（３）マスクに対する被エッチング層のエッチングの選択比の高さが要求される。
メタンガス及びアルゴンガスを含む処理ガスのプラズマを用いたエッチングでは、メタンガスの量を増加させると、垂直性及び選択比を向上させることが可能である。しかしながら、堆積物の量が多くなる。一方、メタンガスの量を低減させると、堆積物の量を減少させることができるが、垂直性及び選択比が低下する。このように、メタンガス及びアルゴンガスを含む処理ガスでは、三つの要件を同時に満たすことに限界がある。
したがって、ＭＲＡＭ素子の製造のように金属を含有する被エッチング層のエッチングにおいて、上述した三つの要件を満たすことが必要となっている。
一側面においては、被処理体の被エッチング層をエッチングする方法が提供される。被処理体は、被エッチング層上にマスクを有している。被エッチング層及びマスクは、アルゴンの原子番号よりも大きい原子番号を有する希ガスのプラズマによるエッチング効率が、アルゴンガスのプラズマによるエッチング効率よりも高い材料から構成されている。また、マスクは、被エッチング層の融点よりも高い融点を有する材料から構成されている。このような被処理体に対して、本方法は、アルゴンの原子番号よりも大きい原子番号を有する第１の希ガスを含む第１の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程（ａ）と、アルゴンの原子番号よりも小さい原子番号を有する第２の希ガスを含む第２の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程（ｂ）と、を含む。一形態においては、工程（ａ）と工程（ｂ）が交互に繰り返される。
アルゴンの原子番号よりも大きい原子番号の希ガス、即ち第１の希ガスのプラズマは、比較的原子番号の大きい材料に対して高いスパッタ効率、即ち、エッチング効率を有する。したがって、当該第１の希ガスを含む第１の処理ガスのプラズマは、アルゴンガスを含む処理ガスのプラズマよりも、垂直性の高い形状を形成することを可能とし、堆積物を多く除去することができる。しかしながら、第１の処理ガスのプラズマは、マスクに対する選択性に劣る。一方、アルゴンの原子番号よりも小さい原子番号の希ガス、即ち第２の希ガスのプラズマは、低いスパッタ効率、即ち、エッチング効率を有する。したがって、第２の希ガスを含む第２の処理ガスのプラズマは、原子番号の大きい材料に対して低いエッチング効率を有する。しかしながら、第２の処理ガスのプラズマは、マスクに対する選択性に優れる。
本方法は、第１の処理ガスのプラズマに被処理体を晒す工程で、エッチングによって形成される形状の垂直性を向上させ、また、当該形状の側壁面に対する堆積物を少なくすることを可能とする。また、本方法は、第２の処理ガスのプラズマに被処理体を晒す工程により、マスクに対する被エッチング層のエッチングの選択比を向上させる。かかる二つの工程を順次行うことにより、本方法は、上述した三つの要件を同時に満たすことが可能とする。
なお、被エッチング層の一例は、ＰｔＭｎ層であり、マスクの一例は、Ｔａを含むマスクである。また、第１の処理ガス及び第２の処理ガスは、メタンガスを更に含んでいてもよい。
以上説明したように、金属といった比較的大きい原子番号の材料から構成された被エッチング層のエッチングにおいて、形状の垂直性の高さ、当該形状の側壁面に堆積する堆積物の量の少なさ、マスクに対する被エッチング層のエッチングの選択比の高さを同時に満たすことが可能となる。
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。 方法ＭＴが適用される被処理体の一例を示す図である。 プラズマ処理装置の一例を示す図である。 希ガスの種別に応じた被エッチング層のエッチング効率を示すグラフである。 希ガスの種別及びエッチング時間の形状に対する影響を示す三つのグラフを示す図である。 形状のパラメータを示す図である。 希ガスの種別とエッチングによって形成される形状の傾向を示す図である。 希ガスの種別、及び、メタンガスの流量の形状に対する影響を示す三つのグラフを示す図である。 希ガスの種別、及び、高周波バイアス電力の形状に対する影響を示す三つのグラフを示す図である。 Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒそれぞれのスパッタイールドを示すグラフである。
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、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含む。工程ＳＴ１では、被エッチング層を有する被処理体（以下、「ウエハ」という）が、第１の希ガスを含む第１の処理ガスのプラズマに晒される。また、工程ＳＴ２では、ウエハが第２の希ガスを含む第２の処理ガスのプラズマに晒される。一実施形態においては、これら工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２は、交互に繰り返して実行されてもよい。
第１の処理ガスに含まれる第１の希ガスは、アルゴンガスの原子番号よりも大きい原子番号を有する希ガスであり、例えば、Ｋｒガスである。また、第２の処理ガスに含まれる第２の希ガスは、アルゴンガスの原子番号よりも小さい原子番号を有する希ガスであり、例えば、Ｎｅガスである。また、第１の処理ガス及び第２の処理ガスは、メタンガス及び水素ガスを更に含み得る。
方法ＭＴの適用対象であるウエハは、被エッチング層、及び、当該被エッチング層上に設けられたマスクを有する。被エッチング層及びマスクは、アルゴンの原子番号よりも大きい原子番号を有する希ガスのプラズマによるエッチング効率が、アルゴンガスのプラズマによるエッチング効率よりも高い材料から構成される。また、マスクは、被エッチング層の融点よりも高い融点を有する材料から構成される。かかる材料である限り、被エッチング層及びマスクは、任意の材料から構成され得る。例えば、マスクは、ＴｉＮ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、又はＷから構成される膜を含み得る。また、被エッチング層は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＣｏＰｄ，ＣｏＰｔ、Ｒｕ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、又はＮｉから構成される層であり得る。
方法ＭＴでは、工程ＳＴ１において、第１の処理ガスにより被エッチング層がエッチングされる。アルゴンの原子番号よりも大きい原子番号を有する希ガス、即ち第１の希ガスのプラズマは、比較的原子番号の大きい材料に対して高いスパッタ効率、即ち、エッチング効率を有する。したがって、当該第１の希ガスを含む第１の処理ガスのプラズマは、アルゴンガスを含む処理ガスのプラズマよりも、垂直性の高い形状を形成することを可能とし、堆積物を多く除去することができる。しかしながら、第１の処理ガスのプラズマは、マスクに対する選択性に劣る。一方、アルゴンの原子番号よりも小さい原子番号の希ガス、即ち第２の希ガスのプラズマは、低いスパッタ効率、即ち、エッチング効率を有する。したがって、第２の希ガスを含む第２の処理ガスのプラズマは、原子番号の大きい材料に対して低いエッチング効率を有する。しかしながら、第２の処理ガスのプラズマは、マスクに対する選択性に優れる。
図１０は、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒそれぞれのスパッタイールドを示すグラフである。具体的に、図１０に示すグラフは、３０００ｅｖの入射エネルギーを有するＮｅイオン、Ａｒイオン、Ｋｒイオンのそれぞれが、異なる金属から構成された被エッチング層をエッチングする効率、即ちスパッタイールドＳＹ（ａｔｏｍ／ｉｏｎ）を計算した結果を示している。スパッタイールドＳＹは、一つのイオンが被エッチング層に入射したときに、当該被エッチング層から放出される金属原子の個数である。図１０において、横軸には金属原子の種別が示されており、縦軸にはスパッタイールドＳＹが示されている。
図１０に示すように、Ｋｒイオンは、被エッチング層を構成し得る金属、例えば、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｍｇ，Ｆ、Ｃｏ，Ｒｕ等に対して高いスパッタイールドＳＹ、即ち高いスパッタ効率を有している。しかしながら、Ｋｒイオンは、マスクを構成するＴｉ又はＴａに対しても１以上のスパッタイールドＳＹを有している。したがって、Ｋｒといった第１の希ガスを含む第１の処理ガスは、被エッチング層に垂直性の高い形状を形成することを可能とし、堆積物を多く除去することができる。しかしながら、第１の処理ガスは、マスクに対する選択性に劣る。
一方、Ｎｅイオンは、被エッチング層を構成し得る金属、例えば、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｍｇ，Ｆ、Ｃｏ，Ｒｕ等に対して低いものの１以上のスパッタイールドＳＹを有している。また、Ｎｅイオンは、マスクを構成し得るＴｉ又はＴａに対して、１よりも小さなスパッタイールドＳＹを有している。したがって、Ｎｅといった第２の希ガスを含む第２の処理ガスは、被エッチング層を構成し得る金属に対して低いエッチング効率を有するものの、当該金属をエッチングし得る。また、第２の処理ガスは、マスクを実質的にエッチングしない。
方法ＭＴでは、図１０に示すグラフから明らかなように、第１の処理ガスのプラズマにウエハを晒す工程により、エッチングによって形成される形状の垂直性を向上させ、また、当該形状の側壁面に対する堆積物の量を少なくすることが可能となる。また、第２の処理ガスのプラズマに被処理体を晒す工程により、マスクに対する被エッチング層のエッチングの選択比を向上させることが可能となる。よって、方法ＭＴによれば、かかる二つの工程を順次行うことにより、三つの要件、即ち、（１）エッチングによって形成される形状の垂直性の高さ、（２）当該形状の側壁面に対する堆積物の量の少なさ、（３）マスクに対する被エッチング層のエッチングの選択比の高さ、を同時に満たすことが可能である。
図２は、方法ＭＴが適用される被処理体の一例を示す図である。図２に示す被処理体の一例、即ち、ウエハＷは、ＭＴＪ構造を有するＭＲＡＭ素子の製造の途中で得られる生産物である。図２に示すように、ウエハＷは、下地層１００、被エッチング層１０２、ＭＴＪ構造１０４、及び、上層１０６を有している。下地層１００は、一例においては下部電極となる層であり、Ｔａから構成され得るものであり、その厚さは３ｎｍである。被エッチング層１０２は、下地層１００上に設けられており、一例においては、ピン止め層となる層であり、ＰｔＭｎから構成されており、その厚さは２０ｎｍである。また、上層１０６は、被エッチング層１０２の上方に設けられており、一例においては、Ｔａを含んでいる。上層１０６の厚さは、例えば５０ｎｍである。ＭＴＪ構造１０４は、被エッチング層１０２と上層１０６との間に設けられており、強磁性体材料といった金属を含有する多層膜から構成される。ＭＴＪ構造１０４は、例えば、第１磁性層１０４ａと第２磁性層１０４ｂとの間に絶縁層１０４ｃを有するように構成される。第１磁性層１０４ａ及び第２磁性層１０４ｂは、例えば、ＣｏＦｅＢから構成され、それぞれの厚さは２．５ｎｍである。絶縁層１０４ｃは、例えば、ＭｇＯ層、酸化アルミニウム層、酸化チタン層等の金属酸化物層であり、その厚さは１，２ｎｍである。また、ウエハＷは、更に、磁性層１０７及び磁性層１０８を有し得る。磁性層１０７は被エッチング層１０２上に設けられており、例えば、ＣｏＦｅから構成され得る。磁性層１０８は、磁性層１０７とＭＴＪ構造１０４との間に設けられており、例えば、Ｒｕから構成されており、その厚さは０．８ｎｍである。このウエハＷの被エッチング層１０２は、方法ＭＴのエッチング対象の一例であり、方法ＭＴの一適用例においては、上層１０６、ＭＴＪ構造１０４、磁性層１０７、及び磁性層１０８からなる積層構造がマスクＭＫとなって、被エッチング層１０２がエッチングされる。
以下、方法ＭＴの実施に用いることが可能な、プラズマ処理装置について説明する。図３は、プラズマ処理装置の一例を示す図である。図３に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合型のプラズマ処理装置である。なお、方法ＭＴの実施には、誘導結合型のプラズマ処理装置、マイクロ波といった表面波を用いるプラズマ処理装置のように、任意のプラズマ処理装置を用いることができる。
図３に示すように、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、その内部空間として処理空間Ｓを画成している。プラズマ処理装置１０は、処理容器１２内に、略円板形状のベース１４を備えている。ベース１４は、処理空間Ｓの下方に設けられている。ベース１４は、例えばアルミニウム製であり、下部電極を構成している。ベース１４は、プロセスにおいて後述する静電チャック５０の熱を吸熱して、静電チャック５０を冷却する機能を有する。
ベース１４の内部には、冷媒流路１５が形成されており、冷媒流路１５には、冷媒入口配管、冷媒出口配管が接続されている。プラズマ処理装置１０では、冷媒流路１５に適宜の冷媒、例えば冷却水等が循環される。これによって、ベース１４及び静電チャック５０が所定の温度に制御されるようになっている。
また、プラズマ処理装置１０は、筒状保持部１６及び筒状支持部１７を更に備えている。筒状保持部１６は、ベース１４の側面及び底面の縁部に接して、ベース１４を保持している。筒状支持部１７は、処理容器１２の底部から垂直方向に延在し、筒状保持部１６を介してベース１４を支持している。プラズマ処理装置１０は、この筒状保持部１６の上面に載置されるフォーカスリング１８を更に備えている。フォーカスリング１８は、例えば、シリコン又は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１７との間には、排気路２０が形成されている。排気路２０の入口又はその途中には、バッフル板２２が取り付けられている。また、排気路２０の底部には、排気口２４が設けられている。排気口２４は、処理容器１２の底部に嵌め込まれた排気管２８によって画成されている。この排気管２８には、排気装置２６が接続されている。排気装置２６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。処理容器１２の側壁には、ウエハ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。
ベース１４には、イオン引き込み用の高周波電源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、イオン引き込みに適した周波数、例えば、４００ＫＨｚの高周波バイアス電力を下部電極、即ち、ベース１４に印加する。
プラズマ処理装置１０は、更に、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、電極板４０及び電極支持体４２を含んでいる。
電極板４０は、略円板形状を有する導電性の板であり、上部電極を構成している。電極板４０には、プラズマ生成用の高周波電源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、プラズマ生成用の周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を電極板４０に供給する。高周波電源３５によって電極板４０に高周波電力が与えられると、ベース１４と電極板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る。
電極板４０には、複数のガス通気孔４０ｈが形成されている。電極板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２５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に処理ガスを供給する。ガス供給部４４は、複数種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、メタンガス、第１の希ガス、第２の希ガス、及び、水素ガスを供給し得る。
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、プラズマ処理装置１０の処理容器１２の天井部には、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。
また、ベース１４の上面の上には、静電チャック５０が設けられている。この静電チャック５０は、電極５２、並びに、一対の絶縁膜５４ａ及び５４ｂを含んでいる。絶縁膜５４ａ及び５４ｂは、セラミック等の絶縁体により形成される膜である。電極５２は、導電膜であり、絶縁膜５４ａと絶縁膜５４ｂの間に設けられている。この電極５２には、スイッチＳＷを介して直流電源５６が接続されている。直流電源５６から電極５２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ウエハＷが静電チャック５０上に吸着保持される。また、静電チャック５０の内部には、加熱素子であるヒータが埋め込まれ、ウエハＷを所定温度に加熱できるようになっている。ヒータは、配線を介してヒータ電源に接続される。
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を更に備えている。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５０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５０の上面とウエハ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５０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５０の上面とウエハＷとの間に供給する。
また、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２６、スイッチＳＷ、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、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４に接続されている。制御部６６は、排気装置２６、スイッチＳＷ、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、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４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２６による排気、スイッチＳＷの開閉、高周波電源３２からの高周波バイアス電力の供給、整合器３４のインピーダンス調整、高周波電源３５からの高周波電力の供給、整合器３６のインピーダンス調整、ガス供給部４４による処理ガスの供給、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が制御される。
このプラズマ処理装置１０は、ガス供給部４４から処理空間Ｓに第１の処理ガス及び第２の処理ガスを選択的に供給することができる。また、第１の処理ガス及び第２の処理ガスといった処理ガスが処理空間Ｓに供給された状態で、電極板４０とベース１４との間、即ち、処理空間Ｓにおいて高周波電界が形成されると、処理空間Ｓにおいてプラズマが発生する。この処理ガスに含まれる元素の活性種により、ウエハＷの被エッチング層のエッチングが行われる。
以下、方法ＭＴの有効性について、種々のデータを示して説明する。なお、以下に示すデータは、図２に示したウエハＷに対してプラズマ処理装置１０を用いたエッチングによって取得されたものである。また、被エッチング層１０２は、２０ｎｍの厚みを有するＰｔＭｎ層であった。また、上層１０６は、Ｔａ層であり、上層１０６とＭＴＪ構造１０４の総厚は、約５０ｎｍであった。
［希ガスの種別によるエッチング効率］
図４を参照する。図４は、希ガスの種別に応じた被エッチング層のエッチング効率を示すグラフである。図４のエッチング効率は、処理ガス中の希ガスを異ならせて求めたものである。具体的には、希ガスとして、アルゴン（Ａｒ）ガス、Ｋｒガス、Ｎｅガスの三種を用いた。図４のエッチング効率を求めた際の他の条件は、以下の通りである。
＜条件＞
・処理容器１２内圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）
・プラズマ生成用高周波電力：８００Ｗ
・高周波バイアス電力：１５００Ｗ
・処理ガス中の水素ガス流量：３００ｓｃｃｍ
・処理ガス中のメタンガス流量：９０ｓｃｃｍ
・処理ガス中の希ガスの流量：５０ｓｃｃｍ
・ウエハ温度：−２０℃
図４では、横軸に処理ガス中の希ガスの種別が示されており、縦軸にＡｒガスを含む処理ガスを用いた場合のエッチングレートを「１」としたときの、他の希ガスを含む処理ガスを用いた場合のエッチングレート、即ち、エッチング効率が示されている。図４を参照すると、Ａｒガスを含む処理ガスに対して、Ｋｒガスを含む処理ガスは、被エッチング層１０２に対するエッチング効率が高く、一方、Ｎｅガスを含むエッチングガスは、被エッチング層１０２に対するエッチング効率が低いことが確認される。
［希ガスの種別及びエッチング時間の形状に対する影響］
図５を参照する。図５は、希ガスの種別及びエッチング時間の形状に対する影響を示す三つのグラフを示す図である。図５に示すデータは、図４のデータ取得のための条件と同じ条件で、被エッチング層１０２をエッチングしたときの形状のエッチング時間依存性を示している。具体的には、図５の（ａ）には、エッチング時間（横軸）と角度θ（縦軸）との関係が示されている。また、図５の（ｂ）には、エッチング時間（横軸）と堆積物の厚みＤＡ（縦軸）との関係が示されている。また、図５の（ｃ）には、エッチング時間（横軸）とエッチング後のマスクＭＫの厚みＭＨとの関係が示されている。なお、図６に示すように、角度θは、エッチング後の被エッチング層１０２の側壁面が下地層に対してなす角度である。また、堆積物の厚みＤＡは、エッチング後にマスクＭＫの側壁面に沿って残されていた堆積物ＤＰの水平方向の厚みである。また、厚みＭＨは、エッチング後に残されるマスクＭＫの膜厚方向の厚みである。また、図５において、凡例「Ａｒガス」は、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合のデータを示しており、凡例「Ｋｒガス」は、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合のデータを示しており、凡例「Ｎｅガス」は、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合のデータを示している。
図５のデータ取得のために行った実験では、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合、Ｎｅガスを含む処理ガスを用いた場合にそれぞれ、６０秒のエッチング時間、４０秒のエッチング時間、９０秒のエッチング時間で、下地層が露出した。したがって、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合、Ｎｅガスを含む処理ガスを用いた場合にそれぞれ、６０秒以降のエッチング、４０秒以降のエッチング、９０秒以降のエッチングは、オーバーエッチングである。
図５の（ａ）を参照すると、Ｎｅガスを含む処理ガス及びＡｒガスを含む処理ガスの何れを用いた場合にも、角度θの向上には限界があり、一方、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、角度θがエッチング時間の長さに比例して９０度に近づく傾向が確認される。したがって、Ｋｒガスを希ガスとして含む処理ガスを用いることにより、エッチングによって形成される形状の垂直性が高められることが確認される。また、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いることにより、Ａｒガスを含む処理ガスでは達成し得ない角度、即ち、垂直性を達成することが可能であることが確認される。
また、図５の（ｂ）を参照すると、Ｎｅガスを含む処理ガス及びＡｒガスを含む処理ガスの何れを用いた場合にも、堆積物ＤＰの厚みＤＡが大きく、一方、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、堆積物ＤＰの厚みＤＡがエッチング時間の長さに比例して小さくなる傾向が確認される。したがって、Ｋｒガスを希ガスとして含む処理ガスを用いることにより、堆積物の量を減少させることが可能であることが確認される。
また、図５の（ｃ）を参照すると、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、マスクＭＫの厚みＭＨが小さくなり、一方、Ｎｅガスを含む処理ガスを用いた場合には、マスクＭＫの厚みＭＨが大きくなることが確認される。したがって、Ｎｅガスを含む処理ガスを用いた場合に、マスクＭＫの膜厚を維持することが可能であること、即ち、マスクＭＫに対する被エッチング層１０２の選択性を高めることが可能であることが確認される。
ここで、図４及び図５のデータから確認される傾向を図７を参照して説明する。図７の（ａ）には、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合のエッチング後のウエハの状態の断面図が示されており、図７の（ｂ）には、Ｎｅガスを含む処理ガスを用いた場合のエッチング後のウエハの状態の断面図が示されており、図７の（ｃ）には、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合のエッチング後のウエハの状態の断面図が示されている。
Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合の傾向（図７の（ａ）を参照）と対比すると、図７の（ｃ）に示すように、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いることにより、被エッチング層１０２の側壁の垂直性を高めることが可能であり、堆積物ＤＰの量を減少させることが可能である。しかしながら、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いると、マスクＭＫの膜厚が減少し、マスクＭＫの肩の削れも大きくなる。また、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合の傾向と対比すると、図７の（ｂ）に示すように、Ｎｅガスを含む処理ガスを用いることにより、被エッチング層１０２の側壁の垂直性は低くなり、堆積物ＤＰの量も多くなるが、マスクＭＫの膜厚を維持することが可能である。即ち、Ｎｅガスを含む処理ガスを用いることにより、マスクＭＫに対する被エッチング層１０２の選択性を高めることが可能である。
［希ガスの種別、及び、メタンガスの流量の形状に対する影響］
図８を参照する。図８は、希ガスの種別、及び、メタンガスの流量の形状に対する影響を示す三つのグラフを示す図である。図８に示すデータは、図４のデータ取得のための条件をベースにして、処理ガス中のメタンガスの流量を変更することにより、取得した。具体的には、図８の（ａ）には、処理ガス中のメタンガスの流量の割合（横軸）と角度θ（縦軸）との関係が示されている。また、図８の（ｂ）には、処理ガス中のメタンガスの流量の割合（横軸）と堆積物の厚みＤＡ（縦軸）との関係が示されている。また、図８の（ｃ）には、処理ガス中のメタンガスの流量の割合（横軸）とエッチング後のマスクＭＫの厚みＭＨとの関係が示されている。なお、図８において、凡例「Ａｒガス」は、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合のデータを示しており、凡例「Ｋｒガス」は、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合のデータを示している。
図８の（ａ）を参照すると、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、メタンガスの流量が多くなると、垂直性が大きく低下することが確認される。一方、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、メタンガスの流量に比例して、垂直性が大きくなることが確認される。また、図８の（ｂ）を参照すると、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合に比して、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、メタンガスの流量を増加させても、堆積物の量が少なくなることが確認される。また、図８の（ｃ）を参照すると、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、メタンガスの流量を増加させると、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合と同等のレベルまで、エッチング後のマスクＭＫの厚みを維持することが可能であることが確認される。したがって、Ｋｒガスを含む処理ガスでは、垂直性の向上、及び、堆積物の量の低減が可能であり、且つ、メタンガスの量を調整することで、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合と同等の選択性を得ることが可能であることが確認される。
［希ガスの種別、及び、高周波バイアス電力の形状に対する影響］
図９を参照する。図９は、希ガスの種別、及び、高周波バイアス電力の形状に対する影響を示す三つのグラフを示す図である。図９に示すデータは、図４のデータ取得のための条件をベースにして、高周波バイアス電力を変更することにより、取得した。図９の（ａ）には、エッチング時間（横軸）と角度θ（縦軸）との関係が示されている。また、図９の（ｂ）には、エッチング時間（横軸）と堆積物の厚みＤＡ（縦軸）との関係が示されている。また、図９の（ｃ）には、エッチング時間（横軸）とエッチング後のマスクＭＫの厚みＭＨとの関係が示されている。なお、図９において、凡例「Ａｒ（１５００Ｗ）」は、Ａｒガスを含む処理ガスを用いて１５００Ｗの高周波バイアス電力を供給した場合のデータを示しており、凡例「Ｋｒ（１５００Ｗ）」は、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いて１５００Ｗの高周波バイアス電力を供給した場合のデータを示しており、凡例「Ｋｒ（１０００Ｗ）」は、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いて１０００Ｗの高周波バイアス電力を供給した場合のデータを示している。
図９の（ａ）を参照すると、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いた場合には、高周波バイアス電力を大きくすることにより、角度θを大きくすることができること、即ち、垂直性を向上することが可能であることが確認される。また、同じ高周波バイアス電力であっても、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いることにより、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合と対比して、高い垂直性を得ることが可能であることが確認される。さらに、低い高周波バイアス電力（１０００Ｗ）を用いても、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いることにより、Ａｒガスを含む処理ガスを用い、且つ、高い高周波バイアス電力（１５００Ｗ）用いた場合と同等の垂直性を得ることが可能であることが確認される。
また、図９の（ｂ）を参照すると、高周波バイアス電力が低くても、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いることにより、Ａｒガスを含む処理ガスよりも、堆積物の量を減少させることが可能であることが確認される。また、図９の（ｃ）を参照すると、高周波バイアス電力を低くすることにより（１０００Ｗ）、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いても、Ａｒガスを含む処理ガスを用いた場合と同等のレベルで、マスクＭＫの膜厚を維持することが可能であることが確認される。即ち、Ｋｒガスを含む処理ガスを用いても、Ａｒガスを含む処理ガスと同等の選択性を実現することが可能であることが確認される。
以上のデータから確認されることを総括すると、Ｋｒガスといった第１の希ガスを含む第１の処理ガスを用いることにより、Ａｒガスを含む処理ガスに比して、垂直性を向上させることができ、堆積物の量を減らすことができる。また、第１の希ガスを含む第１の処理ガスを用いることにより、Ａｒガスを含む処理ガスと同等のレベルで、マスクＭＫの膜厚を維持すること、即ち、選択性を得ることが可能である。また、Ｎｅガスといった第２の希ガスを含む第２の処理ガスを用いることにより、Ｋｒガス又はＡｒガスを含む処理ガスを用いる場合よりも、選択性を向上させることができる。したがって、工程ＳＴ１と工程ＳＴ２を順次実行することにより、三つの要件、即ち、垂直性の向上、堆積物の量の少なさ、選択性の向上、を満たすことが可能となる。
［実験例］
以下、方法ＭＴを実施した実験例について説明する。この実験例では、図４のデータの取得時と同じウエハに対して、プラズマ処理装置１０を用いて方法ＭＴを適用した。また、第１参考例として、Ａｒガスを含む処理ガスのみを用いて、同じウエハの被エッチング層１０２のエッチングを行った。また、第２参考例として、Ｋｒガスを含む処理ガスのみを用いて、同じウエハの被エッチング層１０２のエッチングを行った。以下に、実験例、第１参考例、第２参考例の条件を示す。
＜実験例の条件＞
・処理容器１２内圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）
・プラズマ生成用高周波電力：８００Ｗ
・高周波バイアス電力：１５００Ｗ
・第１の処理ガス及び第２の処理ガス中の水素ガス流量：３００ｓｃｃｍ
・第１の処理ガス及び第２の処理ガス中のメタンガス流量：９０ｓｃｃｍ
・第１の処理ガス及び第２の処理ガス中の希ガスの流量：５０ｓｃｃｍ
・第１の希ガス：Ｋｒ
・第２の希ガス：Ｎｅ
・ウエハ温度：−２０℃
・工程ＳＴ１の時間：１０秒
・工程ＳＴ２の時間：１０秒
・工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２からなるシーケンスの繰り返し回数：５回
＜第１参考例の条件＞
・処理容器１２内圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）
・プラズマ生成用高周波電力：８００Ｗ
・高周波バイアス電力：１５００Ｗ
・処理ガス中の水素ガス流量：３００ｓｃｃｍ
・処理ガス中のメタンガス流量：９０ｓｃｃｍ
・処理ガス中のＡｒガスの流量：５０ｓｃｃｍ
・ウエハ温度：−２０℃
・エッチング時間：１３０秒
＜第２参考例の条件＞
・処理容器１２内圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）
・プラズマ生成用高周波電力：８００Ｗ
・高周波バイアス電力：１５００Ｗ
・処理ガス中の水素ガス流量：３００ｓｃｃｍ
・処理ガス中のメタンガス流量：９０ｓｃｃｍ
・処理ガス中のＫｒガスの流量：５０ｓｃｃｍ
・ウエハ温度：−２０℃
・エッチング時間：１３０秒
以下、実験例、第１参考例、第２参考例のそれぞれについて、エッチング後の角度θ、堆積物ＤＰの厚みＤＡ、及び、エッチング後のマスクＭＫの厚みＭＨを示す。
＜実験例＞
θ：８３度
ＤＡ：１．５ｎｍ
ＭＨ：３５．１ｎｍ
＜第１参考例＞
θ：８１．５度
ＤＡ：４．０ｎｍ
ＭＨ：３６．０ｎｍ
＜第２参考例＞
θ：８４度
ＤＡ：０ｎｍ
ＭＨ：２４．２ｎｍ
実験例、第１参考例、第２参考例のそれぞれのエッチング後の角度θ、堆積物の厚みＤＡ、及び、エッチング後のマスクＭＫの厚みＭＨを対比すれば明らかなように、方法ＭＴでは、Ａｒガスを用いた処理ガスのみを用いる場合（第１参考例）では不可能なレベルの垂直性を実現することができ、また、堆積物の量を減少させることができることが確認される。また、方法ＭＴでは、Ｋｒガスを含む処理ガスのみ用いた場合（第２参考例）よりも大きな厚み、且つ、Ａｒガスを用いた処理ガスのみを用いる場合（第１参考例）と同等な厚みで、マスクＭＫを維持することができること、即ち、Ａｒガスを用いた処理ガスのみを用いる場合と同等な選択性を得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、第１の処理ガス及び第２の処理ガスは、メタン及び水素ガスを含んでいたが、それぞれ第１の希ガス及び第２の希ガスを含み、且つ、炭素及び水素を含有する限り、第１の処理ガス及び第２の処理ガスは、任意のガスを含み得る。また、上述した実施形態では、被エッチング層１０２としてＰｔＭｎから構成された層が例示されているが、方法ＭＴのエッチング対象となる被エッチング層は、上層１０６をマスクとしてエッチングすることが可能な、他の層、例えば、ＭＴＪ構造１０４に含まれる層、磁性層１０７、及び／又は磁性層１０８であってもよい。
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、３２…高周波電源（高周波バイアス電力供給用）、Ｗ…ウエハ、１００…下地層、１０２…被エッチング層、１０４…ＭＴＪ構造、１０６…上層、ＭＫ…マスク、ＤＰ…堆積物、ＭＴ…方法、ＳＴ１…工程、ＳＴ２…工程。

Claims (4)

  1. 被処理体の被エッチング層をエッチングする方法であって、
    前記被処理体は、前記被エッチング層上にマスクを有しており、
    前記被エッチング層及び前記マスクは、金属を含有し、アルゴンの原子番号よりも大きい原子番号を有する希ガスのプラズマによるエッチング効率が、アルゴンガスのプラズマによるエッチング効率よりも高い材料から構成されており、
    前記マスクは、前記被エッチング層の融点よりも高い融点を有する材料から構成されており、
    該方法は、
    アルゴンの原子番号よりも大きい原子番号を有する第１の希ガスを含む第１の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程と、
    アルゴンの原子番号よりも小さい原子番号を有する第２の希ガスを含む第２の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程と、
    を含む方法。
  2. 前記第１の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す前記工程と前記第２の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程が、交互に繰り返される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記被エッチング層はＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＣｏＰｄ，ＣｏＰｔ、Ｒｕ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、又はＮｉを含み、前記マスクはＴｉＮ、Ｔａ、Ｔｉ、ＴａＮ、又はＷを含む、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記第１の処理ガス及び前記第２の処理ガスは、メタンガスを更に含む、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
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