JP6498152B2 - エッチング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、エッチング方法に関する。
シリコン酸化膜に高アスペクト比のホールを低温環境下でエッチングする方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。例えば、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュメモリ等の三次元積層半導体メモリの製造において、上記方法を用いてシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜と、シリコン酸化膜の単層膜とに高アスペクト比のホールや溝をエッチングすることができる。
特開平７−２２３９３号公報 特公昭６２−５０９７８号公報 特公平７−２２１４９号公報 特許第２９５６５２４号公報
しかしながら、上記方法では、上記積層膜及び単層膜を同時加工する場合に両方のエッチング対象膜のエッチングレートが異なることから、加工時間が長くなり生産性が悪くなるという課題を有する。
また、プラズマを用いたエッチングでは、プラズマからの入熱に起因する基板温度の上昇を避け、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜と、シリコン酸化膜の単層膜とを均一にエッチングすることが重要である。
上記課題に対して、一側面では、本発明は、異なる種類のエッチング対象膜をエッチングする際の基板の温度制御性及びエッチングの均一性を高めることを目的とする。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、ウェハの温度が−３５℃以下の極低温環境において、第１高周波電源から第１高周波の電力を出力し、第２高周波電源から前記第１高周波よりも低い第２高周波の電力を出力し、水素含有ガス及びフッ素含有ガスからプラズマを生成し、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した積層膜とシリコン酸化膜の単層膜とをプラズマによりエッチングする第１の工程と、前記第２高周波電源の出力を停止する第２の工程とを有し、前記第１の工程と前記第２の工程とを複数回繰り返し、前記第１の工程は、前記第２の工程よりも短い、エッチング方法が提供される。
一の側面によれば、異なる種類のエッチング対象膜をエッチングする際の基板の温度制御性及びエッチングの均一性を高めることができる。
一実施形態に係るエッチング装置の縦断面の一例を示す図。 一実施形態に係る極低温環境におけるエッチング対象膜（積層膜及び単層膜）のエッチングを模式的に示す図。 第１実施形態に係る間欠エッチング処理の一例を示すフローチャート。 第１実施形態に係る間欠エッチング及び比較例の連続エッチングのウェハ温度の推移の一例を示す図。 第１実施形態に係る間欠エッチング及び比較例の連続エッチングのエッチング形状の一例を示す図。 第２実施形態に係る間欠エッチング処理の一例を示すフローチャート。 第１実施形態に係る間欠エッチングのＤｕｔｙ比の制御とエッチング形状の一例を示す図。 第３実施形態に係るエッチング方法を説明するための図。 第３実施形態に係るエッチング方法の結果の一例を示す図。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
［エッチング装置の全体構成］
まず、本発明の一実施形態のエッチング装置について、図１に基づき説明する。図１は、本実施形態のエッチング装置の縦断面の一例を示す図である。
エッチング装置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の処理容器１０を有している。処理容器１０は、接地されている。
処理容器１０の内部には載置台１７が設けられている。載置台１７は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材質からなり、絶縁性の保持部１４を介して支持部１６に支持されている。これにより、載置台１７は、処理容器１０の底部に設置される。
処理容器１０の底部には、排気管２６が設けられ、排気管２６は排気装置２８に接続されている。排気装置２８は、ターボ分子ポンプやドライポンプ等の真空ポンプから構成され、処理容器１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧すると共に、処理容器１０内のガスを排気路２０及び排気口２４に導き、排気する。排気路２０にはガスの流れを制御するためのバッフル板２２が取り付けられている。
処理容器１０の側壁にはゲートバルブ３０が設けられている。ゲートバルブ３０の開閉により処理容器１０からウェハＷの搬入及び搬出が行われる。
載置台１７には、プラズマを生成するための第１高周波電源３１が整合器３３を介して接続され、ウェハＷにプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波電源３２が整合器３４を介して接続されている。例えば、第１高周波電源３１は、処理容器１０内にてプラズマを生成するために適した第１周波数、例えば６０ＭＨｚの第１高周波電力ＨＦ（プラズマ生成用の高周波電力）を載置台１７に印加する。第２高周波電源３２は、載置台１７上のウェハＷにプラズマ中のイオンを引き込むのに適した第１周波数よりも低い第２周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの第２高周波電力ＬＦ（バイアス電圧発生用の高周波電力）を載置台１７に印加する。第２高周波電力ＬＦは、例えば第１高周波電力ＨＦに同期させて印加される。このようにして載置台１７は、ウェハＷを載置すると共に、下部電極としての機能を有する。
載置台１７の上面にはウェハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック４０が設けられている。静電チャック４０は導電膜からなる電極４０ａを一対の絶縁層４０ｂ（又は絶縁シート）の間に挟み込んだものであり、電極４０ａには直流電圧源４２がスイッチ４３を介して接続されている。静電チャック４０は、直流電圧源４２からの電圧により、クーロン力によってウェハＷを静電チャック上に吸着して保持する。静電チャック４０には温度センサ７７が設けられ、静電チャック４０の温度を測定するようになっている。これにより、静電チャック４０上のウェハＷの温度が測定される。
静電チャック４０の周縁部には、載置台１７の周囲を囲むようにフォーカスリング１８が配置されている。フォーカスリング１８は、例えばシリコンや石英から形成されている。フォーカスリング１８は、エッチングの面内均一性を高めるように機能する。
処理容器１０の天井部には、ガスシャワーヘッド３８が接地電位の上部電極として設けられている。これにより、第１高周波電源３１から出力される第１高周波電力ＨＦが載置台１７とガスシャワーヘッド３８との間に容量的に印加される。
ガスシャワーヘッド３８は、多数のガス通気孔５６ａを有する電極板５６と、電極板５６を着脱可能に支持する電極支持体５８とを有する。ガス供給源６２は、ガス供給配管６４を介してガス導入口６０ａからガスシャワーヘッド３８内に処理ガスを供給する。処理ガスは、ガス拡散室５７にて拡散され、多数のガス通気孔５６ａから処理容器１０内に導入される。処理容器１０の周囲には、環状又は同心円状に延在する磁石６６が配置され、磁力により上部電極と下部電極とのプラズマ生成空間に生成されるプラズマを制御する。
静電チャック４０には、ヒータ７５が埋め込まれている。ヒータ７５は、静電チャック４０内に埋め込む替わりに静電チャック４０の裏面に貼り付けるようにしてもよい。ヒータ７５には、給電線を介して交流電源４４から出力された電流が供給される。これにより、ヒータ７５は、載置台１７を加熱する。
載置台１７の内部には冷媒管７０が形成されている。チラーユニット７１から供給された冷媒（以下、「ブライン（Ｂｒｉｎｅ）」ともいう。）は冷媒管７０及び冷媒循環管７３を循環し、載置台１７を冷却する。
係る構成により、載置台１７は、ヒータ７５により加熱されると共に、所定温度のブラインが載置台１７内の冷媒管７０を流れることにより冷却される。これにより、ウェハＷが所望の温度に調整される。また、静電チャック４０の上面とウェハＷの裏面との間には、伝熱ガス供給ライン７２を介してヘリウム（Ｈｅ）ガス等の伝熱ガスが供給される。
制御部５０は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ（Read Only Memory）５２、ＲＡＭ（Random Access Memory）５３及びＨＤＤ（Hard Disk Drive）５４を有する。ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３又はＨＤＤ５４の記録部に記録されたレシピに設定された手順に従い、エッチング等のプラズマエッチングを行う。また、記録部には、後述されるデータテーブル等の各種データが記録される。制御部５０は、ヒータ７５による加熱機構やブラインによる冷却機構の温度を制御する。
処理容器１０内で生成されたプラズマによりエッチングを行う際には、ゲートバルブ３０の開閉が制御され、ウェハＷが処理容器１０内に搬入され、静電チャック４０上に載置される。ゲートバルブ３０は、ウェハＷを搬入後に閉じられる。処理容器１０内の圧力は、排気装置２８により設定値に減圧される。静電チャック４０の電極４０ａに直流電圧源４２からの電圧を印加することで、ウェハＷは、静電チャック４０上に静電吸着される。
次いで、所定のガスがガスシャワーヘッド３８からシャワー状に処理容器１０内に導入され、所定パワーのプラズマ生成用の第１高周波電力ＨＦが載置台１７に印加される。導入されたガスが第１高周波電力ＨＦにより電離及び解離することによりプラズマが生成され、プラズマの作用によりウェハＷにエッチング等のプラズマエッチングが施される。載置台１７には、バイアス電圧発生用の第２高周波電力ＬＦが印加されてもよい。プラズマエッチング終了後、ウェハＷは処理容器１０外に搬出される。
［エッチング方法］
次に、かかる構成のエッチング装置１により生成されたプラズマによりウェハＷをエッチングするエッチング方法の一実施形態について説明する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した積層膜１２とシリコン酸化膜の単層膜１３とを同時加工する際に両方のエッチング対象膜のエッチングレート（以下、「ＥＲ」とも表記する。）が異なると加工時間が長くなり、生産性が悪くなる。
そこで、本実施形態にかかるエッチング方法では、下部電極（載置台１７）の温度が−６０℃以下の極低温環境において、ウェハＷ上に形成された積層膜１２とシリコン酸化膜の単層膜１３とのＥＲをほぼ同じにするエッチング方法について説明する。
ここで、ウェハＷ上には、シリコン酸化膜の単層膜１３と、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜が交互に複数積層された積層膜１２とが形成され、積層膜１２及び単層膜１３上にはマスク膜１１が形成されている。ウェハＷは、例えばシリコンウェハである。マスク膜１１は、例えばポリシリコン膜、有機膜、アモルファスカーボン膜、窒化チタン膜である。マスク膜１１を介して、積層膜１２と単層膜１３とが同時にエッチングされる。
図２（ｃ）は、下部電極の温度を２５℃〜−６０℃に制御したときの、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）のＥＲと、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）のＥＲとの関係の一例を示す実験結果である。このときのプロセス条件は以下である。なお、以下に説明する下部電極の温度は、チラーユニットの設定温度と同義であり、下部電極の温度を−６０℃に制御する場合にはチラーユニットの設定温度を−６０℃に制御すればよい。
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ（固定）、連続波
第２高周波電力ＬＦ 間欠（オン及びオフを繰り返す） １２０００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ４０％
図２（ｃ）に示されるように、下部電極の温度を２５℃〜−６０℃に制御したときのシリコン窒化膜（ＳｉＮ）のＥＲは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）のＥＲよりも高い。下部電極の温度を−６０℃付近の極低温まで制御すると、シリコン窒化膜のＥＲをシリコン酸化膜のＥＲに近づけることができる。
しかしながら、第２高周波電力ＬＦのオン→オフ→オン→オフ・・・を繰り返す間欠エッチングを行うと、シリコン窒化膜に対するシリコン酸化膜のＥＲを更に高めることができる。この結果、図２（ａ）に示すように、シリコン窒化膜１５のＥＲに対するシリコン酸化膜の単層膜１３のＥＲを同等又はそれ以上にすることができる。
そこで、本実施形態に係るエッチング方法では、上記の間欠エッチング時のプロセス条件を適正化させ、積層膜１２及び単層膜１３のプラズマエッチングを実行する。これにより、図２（ｂ）に示すように、積層膜１２と単層膜１３とを同時加工する際の両膜のＥＲを間欠エッチングにより制御し、両膜の加工時間を短くすることで、生産性を向上させる。
＜第１実施形態＞
［エッチング処理］
まず、第１実施形態にかかるエッチング処理の一例について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図３のエッチング処理は、図１に示す制御部５０により制御される。
図３のエッチング処理が開始されると、まず、ウェハ表面の温度を−３５℃以下の極低温に制御する（ステップＳ１０）。例えば、チラーの設定温度を−６０℃や−７０℃に制御することで、ウェハ表面の温度を−３５℃以下に制御できる。
次に、水素含有ガス及びフッ素含有ガスを処理容器１０内に供給する（ステップＳ１２）。例えば、水素（Ｈ２）ガス及び四フッ化炭素（ＣＦ４）ガス又はこれらのガスを含むガスが供給される。
次に、第１高周波電源３１から第１高周波電力ＨＦを出力し、載置台１７に印加（オン）する。また、第２高周波電源３２から第２高周波電力ＬＦを出力し、載置台１７に印加する。これにより、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜１２及びシリコン酸化膜の単層膜１３がエッチングされる（ステップＳ１４：第１の工程）。このとき、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦは、連続波である。また、第１の工程が行われる時間（所定時間）は、第２の工程が行われる時間よりも短くなるように制御される。例えば、第１の工程の時間は、第２の工程の時間の１／３以下であってもよい。
次に、第１の工程の実行後、第２高周波電源３２の出力を停止（オフ）した状態で積層膜１２及び単層膜１３がエッチングされる（ステップＳ１６:第２の工程）。次に、第２高周波電力ＬＦのオン及びオフが所定回数繰り返されたかを判定する（ステップＳ１８）。所定回数は、予め定められた２回以上の回数である。第２高周波電力ＬＦの繰り返し回数が所定回数を超えていないと判定された場合、第２高周波電源３２から再び第２高周波電力ＬＦを出力する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０の工程が行われる時間は、第２の工程が行われる時間よりも短くなるように制御される。そして、ステップＳ１６に戻り、ステップＳ１８において所定回数繰り返したと判定されるまでステップＳ１６〜Ｓ２０の処理を繰り返す。ステップＳ１８において第２高周波電力ＬＦの繰り返し回数が所定回数を超えたと判定された場合、本処理を終了する。
［エッチング処理結果］
次に、上記第１実施形態に係るエッチング処理の結果の一例について、図４を参照しながら説明する。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）の結果を得るために、上記プロセス条件のうち異なる点は、下部電極の温度を−７０℃に制御している点である。
図４（ａ）の横軸は、時間を示し、縦軸は、ウェハＷの温度を示す。ウェハＷの温度は、−７０℃に下部電極を冷却した状態で、赤外線のレーザーをウェハＷに照射したときの、その反射光により測定される。しかしながら、ウェハＷの温度を測定する方法は、これに限らず、公知の方法のいずれも用いることができる。
線Ｆは、第１高周波電源３１から２５００Ｗに制御された第１高周波電力ＨＦと第２高周波電源３２から１２０００Ｗに制御された第２高周波電力ＬＦをパルス波で出力したものである。プラズマからの入熱量に依存してウェハ温度の上昇値も変化するので、第２高周波電力ＬＦのオン・オフを制御することで、ウェハ温度を制御することができる。第２高周波電力ＬＦを連続で出力した結果、図４（ｂ）のＮｏ．１に示すように、線Ｆが示すウェハＷの温度は、プラズマ着火後、３０ｓで−３５℃よりも高い温度まで上昇し、１２０ｓで−３３℃まで上昇している。これによれば、プラズマ着火後１２０ｓの時点におけるウェハＷの温度の差分（温度上昇）は、３２℃である。
これに対して、線Ｅは、第１高周波電力ＨＦを２５００Ｗに制御し、第２高周波電力ＬＦを１２０００Ｗに制御し（線Ｆと同様）、第２高周波電力ＬＦをオンしている時間（以下、「オン時間」ともいう）を５ｓ、第２高周波電力ＬＦをオフしている時間（以下、「オフ時間」ともいう。）を１５ｓとして、オン・オフを２４回繰り返したときの結果である。第２高周波電力ＬＦをオフしている間、プラズマの生成が抑制され、プラズマからの入熱が減り、ウェハの温度上昇が抑制される。この結果、図４（ｂ）のＮｏ．２に示すように、線Ｅが示すウェハＷの温度は、プラズマ着火後、１２０ｓで−４０．７℃であり、−３５℃以下の極温度状態が維持されている。これによれば、プラズマ着火後１２０ｓが経過したときのウェハＷの温度の差分（温度上昇）は、２４．５℃であり、第２高周波電力ＬＦの連続波を出力した場合（線Ｆ）と比較して、ウェハＷの温度上昇が抑制されている。ただし、図４（ａ）を参照すると、線Ｅでは、ウェハＷの温度が少しずつ上昇しており、プラズマからウェハＷへの入熱を完全に抜熱仕切れていないことがわかる。
チラーユニット７１は、エッチング処理中、常に−６０℃や−７０℃に制御された冷媒を載置台１７に循環させている。よって、エッチング処理中、ウェハＷの表面は、載置台１７を介して常に冷媒により抜熱されている。それにもかかわらず、図４（ａ）の線Ｅに示すエッチングの結果では、ウェハＷの温度が少しずつ上昇しているため、第２高周波電力ＬＦのオフの時間がやや短いことが予想される。
そこで、図４（ａ）の線Ｄに示すエッチングの結果では、第２高周波電力ＬＦのオフ時間を１５ｓよりも長い３０ｓに制御する。具体的には、第１高周波電力ＨＦを２５００Ｗ、第２高周波電力ＬＦを１２０００Ｗに制御し（線Ｆ、線Ｅと同様）、オン時間５ｓ及びオフ時間３０ｓを２４回繰り返したときのエッチング処理中のウェハＷの温度を測定する。この場合、第２高周波電力ＬＦをオフする間、プラズマの生成が抑制され、プラズマからの入熱が減るため、ウェハの温度上昇が更に抑制される。この結果、図４（ｂ）のＮｏ．３に示すように、線種Ｆが示すウェハＷの温度は、プラズマ着火後、１２０ｓで−４３．５℃であり、−３５℃以下の極温度状態が維持されている。これによれば、プラズマ着火後１２０ｓが経過したときのウェハＷの温度の差分（温度上昇）は、２１．１℃であり、更に温度上昇が抑制されていることがわかる。図４（ａ）に示す線Ｄは、エッチング処理中、ウェハＷの温度が上昇しておらず、プラズマからウェハＷへの入熱を完全に抜熱できていることがわかる。
以上から、本実施形態に係るエッチング方法では、第２高周波電力ＬＦをオン時間が５ｓ、オフ時間が３０ｓでオン及びオフすることを繰り返す間欠エッチングが実行される。これにより、ウェハＷの温度を−４０℃以下の極低温に制御でき、第２高周波電力ＬＦを間欠的に印加しない（連続的に印加する）エッチング方法と比べて、ウェハＷのピーク温度を約１１℃も低くできる。よって、チラーユニット７１の冷媒の温度を１０℃下げるよりも、ウェハＷのピーク温度を低くでき、かつ、エッチング処理中のウェハＷの温度は更に低く維持できる。このため、エッチング処理中にウェハＷに入熱される熱量は、線種Ｆが示す第２高周波電力ＬＦを連続的に印加する場合と比較して大幅に小さくなる。
このように、本実施形態に係るエッチング方法によれば、第２高周波電力ＬＦを連続的に印加するエッチング方法と比べて、ピーク温度を下げ、ウェハの温度を−３５℃以下の極低温状態を維持することができる。これにより、ウェハＷを−３５℃以下の極低温度にてエッチングできるため、積層膜と単層膜とのＥＲをほぼ同一に制御するとともに、ＥＲを高め、生産性を向上させることができる。
図５は、以下のプロセス条件において本実施形態にかかるエッチング方法を実行したときの結果を示す。
・プロセス条件
図５（ａ）：比較例
下部電極温度 −６０℃
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ、連続波
第２高周波電力ＬＦ ４０００Ｗ、連続波
図５（ｂ）：本実施形態の一例
下部電極温度 −６０℃
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ、連続波
第２高周波電力ＬＦ ４０００Ｗ、ＯＮ５ｓ／ＯＦＦ１５ｓ
繰り返し回数 ３６回
図５（ｃ）：本実施形態の一例
下部電極温度 −６０℃
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ、連続波
第２高周波電力ＬＦ ４０００Ｗ、ＯＮ５ｓ／ＯＦＦ３０ｓ
繰り返し回数 ３６回
図５（ａ）は、第２高周波電力ＬＦが連続波のときの図４の線種Ｆに対応する。図５（ｂ）は、第２高周波電力ＬＦがパルス波のときの図４の線種Ｅに対応する。図５（ｃ）は、第２高周波電力ＬＦがパルス波のときの図４の線種Ｄに対応する。図５（ａ）〜図５（ｃ）には、上記各プロセス条件におけるエッチング結果の一例として、積層膜１２及び単層膜１３をエッチングした断面形状と、エッチングの深さ（Ｄｅｐｔｈ）と、ＥＲとが示されている。
これによれば、図５（ａ）では、積層膜１２のＥＲが単層膜１３のＥＲの約２倍になっている。他方、本実施形態にかかるエッチング処理方法では、第２高周波電力ＬＦがオン・オフを繰り返すことで第２高周波電力が間欠的に印加されることにより、図５（ｂ）及び図５（ｃ）では、単層膜１３のＥＲと積層膜１２のＥＲとがほぼ同一になっている。これによれば、第２高周波電力ＬＦのオフ時間にプラズマの生成を抑制し、プラズマからの入熱を抑えることで、ウェハＷの温度を−３５℃以下の極低温に維持することができる。この結果、積層膜１２と単層膜１３とのＥＲをほぼ同一に制御することができるとともに、積層膜１２と単層膜１３とのＥＲを高め、生産性を向上させることができる。
なお、プロセス条件のうち、第２高周波電力ＬＦのオフ時間はオン時間よりも長ければよい。これにより、プラズマ側からの入熱を抑制し、ウェハＷの温度を−３５℃以下の極低温に維持することができる。
なお、第１実施形態では、第２高周波電源３２のみ、オン・オフを制御したが、これに限らず、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２を間欠的に印加するように制御してもよい。その際には、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２のオン・オフを同期するように制御してもよい。
＜第２実施形態＞
［エッチング処理］
次に、第２実施形態にかかるエッチング処理の一例について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図６のエッチング処理は、図１に示す制御部５０により制御される。
図６のエッチング処理方法が開始されると、まず、ウェハ表面の温度が−３５℃以下の極低温に制御される（ステップＳ１０）。次に、水素含有ガス及びフッ素含有ガスが処理容器１０内に供給される（ステップＳ１２）。例えば、水素（Ｈ２）ガス及び四フッ化炭素（ＣＦ４）ガス又はこれらのガスを含むガスが供給される。
次に、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦの少なくともいずれかのＤｕｔｙ比を制御し、第１高周波電源３１から第１高周波電力ＨＦを出力し、第２高周波電源３２から第２高周波電力ＬＦを出力し、それぞれの高周波電力を載置台１７に印加する。図６のステップＳ３０では、その一例として、第２高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比を５０％以下に制御し、第２高周波電力ＬＦのオン、オフを高速に繰り返し、かつ連続波の第１高周波電力ＨＦを出力しながら積層膜１２及び単層膜１３がエッチングされる（ステップＳ３０）。ステップＳ３０の処理後、本処理を終了する。
つまり、第２実施形態にかかるエッチング処理では、ステップＳ３０において印加される第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦの少なくともいずれかがパルス波であればよい。例えば、第２高周波電力ＬＦがパルス波であるとき、図６の枠内に示すように、第２高周波電力ＬＦのオン時間を「Ｔｏｎ」とし、第２高周波電力ＬＦのオフ時間をＴｏｆｆとする。この場合、１／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）の周波数の第２高周波電力のパルス波が印加される。また、Ｄｕｔｙ比は、オン時間Ｔｏｎ及びオフ時間Ｔｏｆｆの総時間に対するオン時間Ｔｏｎの比率、すなわち、Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）にて示される。
しかしながら、第２高周波電源の出力の停止と同期して第１高周波電源の出力を停止することが好ましい。つまり、このとき、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦは、ともにパルス波であり、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比は、同じに制御される。これにより、第１高周波電力ＨＦのオン時間と第２高周波電力ＬＦのオン時間とは同じ時間（Ｔｏｎ）となり、第１高周波電力ＨＦのオフ時間と第２高周波電力ＬＦのオフ時間とは同じ時間（Ｔｏｆｆ）となる。これにより、第２高周波電源の出力と第１高周波電源の出力とを高速に同期させ、第２高周波電源の出力の停止と第１高周波電源の出力の停止とを高速に同期させることができる。
以上、第２実施形態に係るエッチング方法によれば、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦの両方がパルス波であることが好ましい。また、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦの少なくともいずれかにおいて制御するＤｕｔｙ比は、５０％以下であることが好ましい。プラズマからの入熱を抑制し、ウェハＷの温度を−３５℃以下の極低温に維持するためである。
［エッチング処理結果］
次に、上記第２実施形態に係るエッチング処理の結果について、図７を参照しながら説明する。なお、図７（ａ）〜図７（ｃ）のエッチング結果を得るために、下部電極の温度は−７０℃に制御されている。図７は、以下のプロセス条件において本実施形態にかかるエッチング方法を実行したときの結果を示す。
プロセス条件
図７（ａ）：本実施形態
下部電極温度 −７０℃
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ４０％
（第１高周波電力ＨＦの実効値：１０００Ｗ）
第２高周波電力ＬＦ １２０００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ４０％
（第２高周波電力ＬＦの実効値：４８００Ｗ）
図７（ｂ）：本実施形態
下部電極温度 −７０℃
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ３０％
（第１高周波電力ＨＦの実効値：７５０Ｗ）
第２高周波電力ＬＦ １２０００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ３０％
（第２高周波電力ＬＦの実効値：３６００Ｗ）
図７（ｃ）：本実施形態
下部電極温度 −７０℃
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ２０％
（第１高周波電力ＨＦの実効値：５００Ｗ）
第２高周波電力ＬＦ １２０００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ２０％
（第２高周波電力ＬＦの実効値：２４００Ｗ）
図７（ａ）〜図７（ｃ）に示したように、本実施形態にかかるエッチング方法では、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比を制御することで、ＥＲを制御できることがわかる。この結果では、図７（ｂ）のＤｕｔｙ比が３０％の場合が、最も積層膜１２及び単層膜１３のＥＲが近く、積層膜１２及び単層膜１３を同時加工する際に適している。図７（ａ）のＤｕｔｙ比が４０％の場合には、積層膜１２のＥＲが単層膜１３のＥＲよりも高くなっている。逆に、図７（ｃ）のＤｕｔｙ比が２０％の場合には、単層膜１３のＥＲが積層膜１２のＥＲよりも高くなっている。
第２実施形態にかかるエッチング方法によれば、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦのオン時間及びオフ時間を高速に切り替えることにより、オフ時間にプラズマからの入熱を抑制することができる。これにより、ウェハＷの温度上昇を抑えてウェハＷをー３５℃以下の極低温に維持することができる。特に、第２実施形態にかかるエッチング方法によれば、Ｄｕｔｙ比の制御により、積層膜１２と単層膜１３とのＥＲを容易にほぼ同一に制御することができる。また、積層膜１２と単層膜１３とのＥＲを高くすることにより、生産性を向上させることができる。
ただし、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比は、５０％以下であることが好ましい。これにより、オン時間（Ｔｏｎ）がオフ時間（Ｔｏｆｆ）よりも短い間欠エッチングを行うことで、ウェハＷの温度を−３５℃以下の極低温に確実に維持し、積層膜１２と単層膜１３とのＥＲを高め、かつ積層膜１２と単層膜１３とのＥＲをほぼ同一に制御することができる。
また、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比を同期させて制御してもよいし、第１高周波電力ＨＦ又は第２高周波電力ＬＦのいずれかのＤｕｔｙ比を制御してもよい。この場合においても、第１高周波電力ＨＦ又は第２高周波電力ＬＦのいずれかのＤｕｔｙ比を５０％以下に制御することが好ましい。これにより、ウェハＷの温度を−３５℃以下の極低温に維持し、積層膜１２と単層膜１３とのＥＲをほぼ同一に制御することができるとともに、積層膜１２と単層膜１３とのＥＲを高めることができる。
例えば、上記実施形態では、水素含有ガスとして水素ガスを例に挙げ、フッ素含有ガスとして四フッ化炭素ガスを例に挙げて説明した。しかしながら、水素含有ガスは、水素（Ｈ２）ガスに限らず、メタン（ＣＨ４）ガス、フルオロメタン（ＣＨ３Ｆ）ガス、ジフルオロメタン（ＣＨ２Ｆ２）ガス及びトリフルオロメタン（ＣＨＦ３）ガスの少なくともいずれかのガスを含んでいればよい。また、フッ素含有ガスは、四フッ化炭素（ＣＦ４）ガスに限らず、Ｃ４Ｆ６（ヘキサフルオロ１，３ブタジエン）ガス、Ｃ４Ｆ８（パーフルオロシクロブタン）ガス、Ｃ３Ｆ８（八フッ化プロパン）ガス、三フッ化窒素（ＮＦ３）ガス、ＳＦ６（六フッ化硫黄）ガスであってもよい。
＜第３実施形態＞
以上に説明した第１実施形態に係るエッチング方法によれば、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２を間欠的に印加する際、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２のオン・オフを同期して制御することができる。また、第２実施形態に係るエッチング方法によれば、図８（ａ）のsync-pulseに示すように、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２のオン・オフを高速に切り替える際、そのパルス波のＤｕｔｙ比を制御する。
これに対して、第３実施形態に係るエッチング方法は、図８（ｂ）のadvanced-pulseに示すように、第２高周波電源３２の出力の停止と同期して第１高周波電源３１の出力を完全にオフする替わりに、その出力を小さくする。図８（ｂ）では、第２の工程における出力を１００Ｗと記載しているが、出力値はこれに限らず、第１の工程における出力値よりも小さければよい。
このように、第３実施形態に係るエッチング方法では、第１高周波電源３１の出力を、第２高周波電源３２の出力の停止と同期して小さくするが、完全にオフしない制御を行うことで、図８（ｂ）に示す第２の工程においてもプラズマが着火しているため、図８（ａ）に示す第２の工程よりも、イオンによる異方性の堆積物がホールの側面に付着する。これにより、本実施形態に係るエッチング方法では、第１及び第２実施形態に係るエッチング方法よりも、エッチング形状の制御性を更に高めることができる。なお、第３実施形態においても、第１の工程と第２の工程とは複数回繰り返され、第１の工程は、第２の工程よりも短い時間に制御される。
以下に、本実施形態に係るエッチング方法の結果の一例について説明する。図９は、以下のプロセス条件において本実施形態にかかるエッチング方法を実行したときの結果を示す。
・プロセス条件
下部電極温度 −７０℃
ガス 水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）／トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）／三フッ化窒素（ＮＦ３）／パーフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）
第１高周波電力ＨＦ ２５００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ２０％
（第１高周波電力ＨＦの実効値：５００Ｗ）
第２高周波電力ＬＦ １２０００Ｗ、パルス波 Ｄｕｔｙ比 ２０％
（第２高周波電力ＬＦの実効値：２４００Ｗ）
図９（ａ）は、第２実施形態に係るエッチング方法（sync-pulse）によりエッチングされたホールのエッチング形状の一例を示し、図７（ｃ）に示したエッチング結果と同じ図である。これに対して、図９（ｂ）は、本実施形態にかかるエッチング方法（advanced-pulse）によりエッチングされたホールのエッチング形状の一例を示す。
この結果によれば、第１高周波電力ＨＦ及び第２高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比を制御し、第１高周波電源３１の出力を、第２高周波電源３２の出力の停止と同期して高速に制御するが、完全にオフしない。これにより、エッチング形状の制御性を更に高めることができる。また、エッチングレート（ＥＲ）及びエッチングの深さ（Ｄｅｐｔｈ）は、第２実施形態に係るエッチング方法の場合と同等に制御できることがわかる。
以上に説明したように、本実施形態に係るエッチング方法では、第１高周波電源３１の出力を、第２高周波電源３２の出力の停止と同期して小さくするが、完全にオフしない制御を行うことで、エッチング形状の制御性を更に高めることができる。
なお、第３実施形態では、図９に示す実験において、水素（Ｈ２）／四フッ化炭素（ＣＦ４）／トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）／三フッ化窒素（ＮＦ３）／パーフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）の混合ガスを供給した。しかしながら、第３実施形態に係るエッチング方法にて使用するガスは、水素含有ガス及びフッ素含有ガス又はこれらのガスを含む混合ガスを使用すればよい。
また、第３実施形態においても、第１の工程の時間は、第２の工程の時間の１／３以下であることが好ましい。また、第３実施形態に係るエッチング方法は、第１実施形態のように第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２を数秒〜数十秒単位でオン・オフする間欠エッチング又は第２実施形態のようにＤｕｔｙ比を制御するエッチングのいずれを用いてもよい。
例えば、第１実施形態に係るエッチング方法の間欠エッチングにおいて、第２の工程において第１高周波電源３１の出力を、第２高周波電源３２の出力の停止と同期して小さくするが、完全にオフしない制御を行うことで、エッチング形状の制御性を高めることができる。このとき、第２高周波電源３２のみを停止する制御に第１高周波電源３１の出力を、第２高周波電源３２の出力の停止と同期して小さくするが、完全にオフしない制御を行ってもよい。
また、例えば、第２実施形態のＤｕｔｙ比を制御するエッチングを用いる場合、第３実施形態におけるＤｕｔｙ比は、第２実施形態の場合と同様に５０％以下であることが好ましい。また、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２に対して制御するＤｕｔｙ比は、同じであることが好ましい。
また、第３実施形態では、第２の工程において、第１高周波電源３１及び第２高周波電源３２をオン・オフする際、いずれも完全に停止する第１の制御と、第１高周波電源３１の出力を第２高周波電源３２の出力の停止と同期して小さくするが、完全にオフしない第２の制御とを混在させて制御してもよい。
更に、上部電極に直流電圧（ＤＣ）を印加してもよい。この場合、第１の工程よりも第２の工程において印加する直流電圧が高くてもよい。
以上、エッチング方法を上記実施形態により説明したが、本発明にかかるエッチング方法は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
また、本発明に係るエッチング装置は、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)装置だけでなく、その他のプラズマ処理装置に適用可能である。その他のプラズマ処理装置としては、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ処理装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。
本明細書では、エッチング対象として半導体ウェハＷについて説明したが、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＦＰＤ（Flat Panel Display）等に用いられる各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等であっても良い。
１ エッチング装置
３１ 第１高周波電源
３２ 第２高周波電源
１１ マスク膜
１２ 積層膜
１３ 単層膜
１７ 載置台
７１ チラーユニット
ＨＦ 第１高周波電力
ＬＦ 第２高周波電力

Claims (13)

  1. シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した積層膜とシリコン酸化膜の単層膜とを有するウェハを提供する工程と、
    前記ウェハの温度を−３５℃以下に設定する工程と、
    第１高周波の電力と、前記第１高周波よりも低い第２高周波の電力とを供給して水素含有ガス及びフッ素含有ガスからプラズマを生成し、前記ウェハをエッチングする第１の工程と、
    前記第２高周波の電力の供給を停止する第２の工程と、を有し、
    前記第１の工程と前記第２の工程とを複数回繰り返し、前記第１の工程は、前記第２の工程よりも短い、エッチング方法。
  2. 前記第２の工程は、前記第２高周波の電力の供給の停止と同期して前記第１高周波の電力の供給を停止する、
    請求項１に記載のエッチング方法。
  3. 前記第１の工程の時間は、前記第２の工程の時間の１／３以下である、
    請求項１又は２に記載のエッチング方法。
  4. シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した積層膜とシリコン酸化膜の単層膜と前記積層膜と前記単層膜との上にそれぞれ形成されたマスクとを有するウェハを提供する工程と、
    前記ウェハの温度を−３５℃以下に設定する工程と、
    第１高周波の電力と、前記第１高周波よりも低い第２高周波の電力とを供給して水素含有ガス及びフッ素含有ガスからプラズマを生成し、前記ウェハをエッチングする工程と、を有し、
    前記第１高周波の電力又は前記第２高周波の電力のいずれかはパルス波であり、前記パルス波のＤｕｔｙ比を制御する、
    エッチング方法。
  5. 制御する前記Ｄｕｔｙ比は、５０％以下である、
    請求項４に記載のエッチング方法。
  6. 前記第１高周波の電力及び前記第２高周波の電力はパルス波であり、
    前記第１高周波の電力及び前記第２高周波の電力の前記Ｄｕｔｙ比は、同じである、
    請求項５に記載のエッチング方法。
  7. 水素含有ガスは水素（Ｈ２）ガスであり、フッ素含有ガスは四フッ化炭素（ＣＦ４）ガスである、
    請求項１〜６のいずれか一項に記載のエッチング方法。
  8. シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した積層膜とシリコン酸化膜の単層膜とを有するウェハを提供する工程と、
    前記ウェハの温度を−３５℃以下に設定する工程と、
    第１高周波の電力と、前記第１高周波よりも低い第２高周波の電力とを供給して水素含有ガス及びフッ素含有ガスからプラズマを生成し、前記ウェハをエッチングする第１の工程と、
    前記第２高周波の電力の供給を停止する第２の工程と、を有し、
    前記第２の工程は、前記第２高周波の電力の供給の停止と同期して前記第１高周波の電力の供給が小さくなるように制御し、
    前記第１の工程と前記第２の工程とを複数回繰り返し、前記第１の工程は、前記第２の工程よりも短い、エッチング方法。
  9. 前記第１の工程の時間は、前記第２の工程の時間の１／３以下である、
    請求項８に記載のエッチング方法。
  10. シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層した積層膜とシリコン酸化膜の単層膜とを有するウェハを提供する工程と、
    前記ウェハの温度を−３５℃以下に設定する工程と、
    第１高周波の電力と、前記第１高周波よりも低い第２高周波の電力とを供給して水素含有ガス及びフッ素含有ガスからプラズマを生成し、前記ウェハをエッチングする第１の工程と、
    前記第１高周波の電力及び前記第２高周波の電力はパルス波であり、
    前記パルス波のＤｕｔｙ比を制御し、
    前記第２高周波の電力の供給の停止と同期して前記第１高周波の電力の供給が小さくなるように制御する、
    エッチング方法。
  11. 制御する前記Ｄｕｔｙ比は、５０％以下である、
    請求項１０に記載のエッチング方法。
  12. 前記第１高周波の電力及び前記第２高周波の電力の前記Ｄｕｔｙ比は、同じである、
    請求項１１に記載のエッチング方法。
  13. 水素含有ガスは水素（Ｈ２）ガスであり、フッ素含有ガスは四フッ化炭素（ＣＦ４）ガスである、
    請求項８〜１２のいずれか一項に記載のエッチング方法。
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