JP6802883B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理方法に関するものである。
近年、半導体メーカーのＮＡＮＤ型フラッシュメモリ技術においては、微細化に伴うメモリセル同士の干渉（クロストーク）防止し、製造コストを低く抑えながら、より高い集積度を実現するため、メモリセルを縦方向に積む３次元構造のＮＡＮＤ型フラッシュメモリ（３Ｄ−ＮＡＮＤ）が採用されている。
その製造工程の一例として、アモルファスカーボン膜（ＡＣＬ）のパターンをマスクにして、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が交互に積層された４８層以上の積層膜を有するシリコン基板に、プラズマエッチングの異方性エッチングによりトレンチ（エッチング溝）を形成するというプラズマエッチング工程と、このプラズマエッチング後にプラズマを用いてアモルファスカーボン膜を除去するアッシング工程と、が実行される。
３次元構造のＮＡＮＤ型フラッシュメモリにおける次世代以降のプラズマエッチング技術では、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の積層数は、９６層や１２８層と増加するため、アモルファスカーボン膜をマスク材料に用いたシリコン基板のエッチングの際に、当該マスクの膜厚が不足することが懸念されている。このため、新しいマスク材料として、ホウ素（ボロン）が含有されたホウ素含有アモルファスカーボン膜を用いたマスク材料が開発され、更に、このマスク材料を用いたシリコン基板のエッチングと、そのマスク材料を、プラズマを用いて除去するアッシング処理も開発されている。
このアッシング処理において、従来のアモルファスカーボン膜は、酸素（Ｏ２）ガスで容易に除去できるが、ホウ素含有アモルファスカーボン膜の酸素による除去は困難である。このため、積層数が１５〜２５層であるＳｉＯ２とＳｉＮの積層膜上に配置されホウ素または窒素が含有されたアモルファスカーボン膜を、Ｏ２ガスとＨ２ガスとＣＦ4ガスの混合ガスを用いてプラズマアッシングする方法が、特許文献１に開示されている。
特表２０１６−５１７１７９号公報
近年の３次元構造のＮＡＮＤ型フラッシュメモリの高集積化に伴い、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）とシリコン窒化膜（ＳｉＮ）が交互に積層された積層膜の積層数が９６層、１２６層と増加したため、ホウ素含有アモルファスカーボン膜の膜厚も増加し、エッチング後のアッシングの処理時間が長くなってきた。
また、特許文献１に開示されたアッシング方法を用いて、積層数が９６層以上の積層膜の上方に配置されたホウ素含有アモルファスカーボン膜をアッシングした場合、アッシング処理の時間の増加と選択比不足による、トレンチ側壁のＳｉＯ２またはＳｉＮへのサイドエッチング発生の問題が健在化してきた。
このため、本発明は、ホウ素含有アモルファスカーボン膜をプラズマにより除去するプラズマアッシング処理において、ホウ素含有アモルファスカーボン膜の除去速度の向上とトレンチ側壁層へのサイドエッチング抑制を両立することができるプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、代表的な本発明に係るプラズマ処理方法の一つは、本発明は、ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはタングステン膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、前記ホウ素の含有率は、５０％以上であり、前記除去工程は、前記アモルファスカーボン膜が除去される試料が載置される試料台の温度を８０〜１２０℃の温度にして行われることにより達成される。
また、代表的な本発明に係るプラズマ処理方法の一つは、ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはタングステン膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、Ｏ ２ ガスとＣＨ ３ Ｆガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、
前記ホウ素の含有率は、５０％以上であり、前記除去工程は、前記アモルファスカーボン膜が除去される試料の温度を１２１〜１８２℃の温度にして行われることにより達成される。
また、代表的な本発明に係るプラズマ処理方法の一つは、ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、Ｏ２ガスとＣＨ２Ｆ２ガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、前記Ｏ ２ ガスとＣＨ ３ Ｆガスの混合ガスの流量に対する前記ＣＨ ３ Ｆガスの流量の比は、５〜１２％の範囲内の値であることにより達成される。
また、代表的な本発明に係るプラズマ処理方法の一つは、ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、Ｏ ２ ガスとＣＨ ２ Ｆ ２ ガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、前記ホウ素の含有率は、５０％以上であり、
前記除去工程は、前記アモルファスカーボン膜が除去される試料が載置される試料台の温度を２０〜１００℃の温度にして行われることにより達成される。
さらに、代表的な本発明に係るプラズマ処理方法の一つは、ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、Ｏ ２ ガスとＣＨ ２ Ｆ ２ ガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、前記除去工程において、処理圧力を２５０〜５５０Ｐａの範囲内の圧力とし、前記混合ガスの流量に対するＣＨ ２ Ｆ ２ ガスの流量の比を５〜７．５％の範囲内の流量比とし、前記混合ガスの流量を２１．５Ｌ／ｍｉｎ以上とすることにより達成される。
本発明により、ホウ素含有アモルファスカーボン膜をプラズマにより除去するプラズマアッシング処理において、ホウ素含有アモルファスカーボン膜の除去速度の向上とトレンチ側壁層へのサイドエッチング抑制を両立することができるプラズマ処理方法を提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本実施形態に係るプラズマアッシング装置の概略図である。 図２（ａ）は、プラズマアッシングする前のウエハの断面図であり、図２（ｂ）は、表１に示す条件によりプラズマアッシングした場合のウエハの断面図であり、図２（ｃ）は、表２に示す条件によりプラズマアッシングした場合のウエハの断面図である。 図３は、本実施形態に係るプラズマ処理方法を示すフロー図である。 図４（ａ）は、ＣＯ（４５１ｎｍ）の発光強度に対するＯＨ（３０９ｎｍ）の発光強度の比の時間変化を示す図であり、図４（ｂ）は、ＯＨ（３０９ｎｍ）の発光強度の時間変化を示す図である。 図５は、アッシング速度と選択比の試料台温度依存性を示す図である。 図６は、ウエハの温度と試料台温度の関係を示す図である。 図７は、アッシング速度と選択比のＣＨ３Ｆガス添加量依存性を示す図である。 図８は、アッシング速度と選択比の圧力依存性を示す図である。 図９は、アッシング速度と選択比におけるＯ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの流量依存性を示す図である。 図１０は、アッシング速度とサイドエッチング量の対ＳｉＮ選択比依存性を示す図である。 図１１は、アッシング速度と選択比の試料台温度依存性を示す図である。 図１２は、アッシング速度と選択比の高周波電源依存性を示す図である。 図１３は、アッシング速度と選択比におけるＯ２ガスとＣＨ２Ｆ２ガスの混合ガスの流量依存性を示す図である。 図１４は、アッシング速度と選択比の圧力依存性を示す図である。
［実施形態１］
図１は、本実施形態で使用する、ダウンフロータイプの誘導結合型プラズマ源を搭載したプラズマアッシング装置を示す概略図である。真空処理室は、ガス供給プレート１０１と石英製チャンバ１０２とチャンバ１０３で構成されている。ガス供給機構であるガス供給プレート１０１には、不図示のガス源から処理ガスを導入するためのガス供給口が配置され、更にガス供給口の直下には、処理ガスを石英製チャンバ１０２内にガスを効率良く外周へ分散するため、分散板１０４を設けている。
石英製チャンバ１０２は、円筒形の石英のチャンバであり、その外周を誘導コイル１０５が等間隔に巻回されている。高周波電源１０９から２７．１２ＭＨｚの周波数の電流が誘導コイル１０５に供給され、誘導コイル１０５は誘導磁場を発生させる。高周波電源１０９と誘導コイル１０５の間には、高周波整合器１１０が配置されている。この高周波整合器１１０により、ガス系や処理材料が変更した場合でもプラズマを効率よく発生させることができる。本実施形態では、２７．１２ＭＨｚの高周波電流が誘導コイル１０５に流れているが、高周波整合器１１０とセットで適切なものを選択することにより、他の周波数帯、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電流を供給することも可能である。
処理室であるチャンバ１０３内に供給された処理ガスは、フィードバック機能付きの圧力調整バルブ１１１及びドライポンプ(図示せず)により、チャンバ１０３内の圧力（処理圧力という）が所定の圧力となるように排気される。石英製チャンバ１０２にて生成されたプラズマにより、温度調整器１０８が接続された試料台１０６に載置されたウエハ１０７はアッシングされる。
アッシング中は、試料であるウエハ１０７と処理ガスから放出された反応生成物の発光の強度の時間変化を分光器１１２によりモニターすることによって、マスク材料の除去の終点を検知することができる。本実施形態では、装置コスト低減のため、アルミ製のチャンバ１０３を用いたが、腐食性ガスを用いる場合は、腐食に強い材料、例えば、アルマイト表面を持つアルミ製のチャンバを用いた方が望ましい。
アッシングにより発生した処理ガスと反応生成物は、排気口１１３からドライポンプ（図示せず）によって排気される。また、チャンバ１０３の内側に脱着式のカバー１１４を備えており、チャンバ１０３の内側への反応生成物の付着を防止している。このため、本プラズマアッシング装置のメンテンナンス時は、カバー１１４を交換し、取り外したカバーを洗浄に出すという運用により、本プラズマアッシング装置のダウンタイムを低減することが可能となる。
また、ドライポンプ(図示せず)の後段には燃焼式の除害装置を備えており、大量の可燃性ガスを使用しても安全に可燃性ガスを除害することができる。さらに本プラズマアッシング装置は、可燃性ガスの爆発限界を超えないように、処理圧力が１０００Ｐａを上限とする所定圧力以下であることを検知する圧力スイッチ１１５を備えている。このため、何かしらの異常により圧力スイッチ１１５が所定圧力を超えた場合には、ガスバルブ１１６及び高周波電源１０９等を緊急遮断するようなソフト的、ハード的なインターロック（遮断機構）を備えている。このような機能を備えることにより、支燃性ガスである酸素ガスと可燃性ガスとの混合ガスを用いたプラズマアッシング処理を安全に実施することが可能となる。
次に図２（ａ）に示すホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４をマスクとしてエッチングされた、シリコン酸化膜２０３とシリコン窒化膜２０２が交互に積層された積層膜（９６層以上）を有するウエハを、上述した本プラズマアッシング装置を用いてプラズマアッシングする方法について説明する。尚、図２（ａ）に示すように当該積層膜（９６層以上）は、シリコン２０１に配置されている。また、ホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４のホウ素の含有率は、エッチング工程での選択比向上のため５０％以上とした。
Figure 0006802883
最初に、表１に示す従来条件により、図２（ａ）に示すウエハのホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４をアッシングした場合の形状を、図２（ｂ）に示す。表１の従来条件は、図２（ａ）に示すウエハを試料台１０６に載置し、試料台に載置されたウエハの温度を安定化させるステップ１(処理時間２５秒)と、ホウ素含有アモルファスカーボン膜をアッシングするステップ２(処理時間３１０秒)とから構成されている。尚、表１の「Ｂ−ＡＣＬ」は、「ホウ素含有アモルファスカーボン膜」を指す。
図２（ｂ）に示すように、従来条件に基づくアッシングでは、トレンチ側壁層のシリコン窒化膜２０２に対しサイドエッチング２０５が２ｎｍ発生した。サイドエッチング２０５が発生する要因として、ＳｉＮ膜ウエハのアッシング速度に対する、ホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度の比である対ＳｉＮ選択比が不足しているためと考えられる。一方、シリコン酸化膜２０３は、シリコン窒化膜２０２に比べてＦラジカルによってエッチングされ難いため、対ＳｉＯ２選択比が十分となり、サイドエッチングは発生していない。尚、対ＳｉＯ２選択比とは、ＳｉＯ２膜ウエハのアッシング速度に対する、ホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度の比のことである。
このようなことから、シリコン窒化膜のサイドエッチングを抑制するためには、対ＳｉＮ選択比を高くする必要がある。表１に示す従来条件または特許文献１記載の対ＳｉＮ選択比は約３００程度であるため、シリコン酸化膜２０３とシリコン窒化膜２０２が交互に積層された９６層以上の積層膜上のホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４をアッシングするためには、３００以上の選択比が必要といえる。しかし、アッシング速度を増加させるために酸素ガスによるプラズマに添加したＦ系ガスは、ＳｉＮ選択比を一般的に低下させるため、表１に示す従来条件では、３００以上の対ＳｉＮ選択比と、５００ｎｍ/ｍiｎ以上のホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度を両立させることが困難だった。
Figure 0006802883
次に、本実施形態のプラズマ処理方法に係る表２の条件を用いて、図２（ａ）のホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４をアッシングした場合の形状を、図２（ｃ）に示す。図２(ｃ)に示すように、トレンチ側壁層のＳｉＮ２０２及びＳｉＯ２２０３のサイドエッチング量を０ｎｍにできた。
尚、表２に示す本実施形態のプラズマ処理方法は、図２（ａ）に示すウエハを試料台１０６に載置し、試料台に載置されたウエハの温度を安定化させるステップ１(処理時間２５秒)と、ホウ素含有アモルファスカーボン膜をアッシングするステップ２(処理時間４２０秒)とを含む。また、表２の「Ｂ−ＡＣＬ」は、ホウ素含有アモルファスカーボン膜を指す。
図２(ｃ)に示すように、表２に示すプラズマ処理条件により、トレンチ側壁層のＳｉＮ２０２及びＳｉＯ２２０３のサイドエッチング量を０ｎｍにできた理由は、表２に示す条件の対ＳｉＮ選択比が６２９であったためと考えられる。このような結果から９６層以上の積層膜のＳｉＮ２０２のサイドエッチングを抑制するために必要な対ＳｉＮ選択比の目安としては、約６００以上であることがわかる。
次に量産処理において、本実施形態のプラズマ処理方法の安定性を確保するためのフローを、図３に示す。最初にウエハのアッシング処理前に、チャンバ１０３内においてＡｒガス雰囲気で３００〜６００ｓ放電することにより、温度安定化工程(Ｓ３０１)を実行する。次にウエハをチャンバ１０３内に搬送して試料台１０６の上に載置することにより、ウエハ搬入工程(Ｓ３０２)を実行し、更に試料台１０６に載置されたウエハの温度の安定化させるため、処理時間２５ｓでウエハ温度安定化工程(Ｓ３０３)を実行する。
その後、ホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４をアッシングしてアッシング処理の終点を判定する第１のアッシング工程(Ｓ３０４)と、ホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４の追加アッシングする第２のアッシング工程(Ｓ３０５)とを実行する。さらにアッシングが終了したウエハをチャンバ１０３から搬出することにより、ウエハ搬出工程(Ｓ３０６)を実行する。また、ウエハを連続してアッシング処理を行う場合は、連続処理工程(Ｓ３０７)を実行すべく、フローをウエハ搬入工程(Ｓ３０２)に戻して新たなウエハを搬送する。
第１のアッシング工程と第２のアッシング工程とで除去工程を構成する。また、除去工程前、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスを、チャンバ内に供給しながら試料台の温度を除去工程と同じ温度にして行われる温度安定化工程（安定化工程）が実行される。安定化工程ではプラズマを生成しない。
図３に示すフローを実行することによって、温度安定化工程(Ｓ３０１)により石英製チャンバ１０２を温めることができ、連続処理中のアッシング速度の経時変化を抑制することができる。さらに第２のアッシング工程における安定したマスク材料のアッシング処理の終点の検知が可能となる。
また、第１のアッシング工程(Ｓ３０４)における処理の終点判定は、分光器１１２の検知に基づく発光強度比の時間変化を用いて行った。図４（ａ）に一例を示す発光強度変化は、反応生成物ＣＯ（４５１ｎｍ）の発光強度に対するＯＨ（３０９ｎｍ）の発光強度の比の時間変化を示すものである。ここで、図４（ａ）中の符号４０１は、Ｃｅｌｌ部の終点を示し、図４（ａ）中の符号４０２は、周辺部の終点を示す。
第１のアッシング工程(Ｓ３０４)における処理の終点（アモルファスカーボン膜の除去の終了）判定として、図４（ａ）に示すような発光強度比の時間変化を用いることにより、ＯＨのみの発光強度の時間変化(図４（ｂ）)を用いる場合に比べて、Ｃｅｌｌ内と周辺回路部分の変化が強調されるため、第１のアッシング工程(Ｓ３０４)の処理の終点を判定する判定精度を向上することができる。
また、これにより成膜条件や前工程のエッチングの処理バラツキを吸収でき、装置自体の経時変化や機差に対しても安定的したボロン含有アモルファスカーボン膜の除去性能を実現することが可能となる。尚、本実施形態による図２（ｃ）に示す形状は、周辺部の終点４０２に対してオーバーアッシング率を１００％としてアッシング処理した結果である。
次にボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング処理条件のマージン調査の結果を以下に示す。ＣＦ４ガスとＣＨ３Ｆガスの違いを調査するため、表１に示す従来条件に対し、ＣＦ４ガスからＣＨ３Ｆガスに変更した条件及び結果を表３に示す。
Figure 0006802883
表３の条件によるアッシング処理では、対ＳｉＮ選択比が１２４であり、表１の条件における対ＳｉＮ選択比よりも数値が低いにも関わらず、シリコン窒化膜２０２へのサイドエッチング量が１ｎｍと、表１の条件にてアッシング処理した場合よりシリコン窒化膜２０２のサイドエッチング量が小さい。この結果は、ホウ素含有アモルファスカーボン膜とＣＨ３Ｆガスの反応生成物であるＣＨ系デポがトレンチ側壁層に付着するため、トレンチ側壁層のシリコン窒化膜２０２のアッシング速度が抑制されたためと考えられる。
以上の結果から、シリコン窒化膜へのサイドエッチングを抑制しながらホウ素含有アモルファスカーボン膜をアッシングするためには、Ｏ２ガスに添加するフッ素含有ガスとして、ボロンのエッチャントであるＦラジカルと共にＣＨｘデポを発生させるＣＨｘＦｙガスのうち、Ｆ比が少なく水素比が大きいガスであるＣＨ３Ｆガスが、選択比の観点で最も適したガスであることが分かった。また、このようなガスとしてＣＨ２Ｆ２ガスを用いても同様の効果が得られる。
次に表２に示すガス系における、アッシング速度と選択比に対する試料台１０６の温度の依存性を調べた結果を、図５に示す。アッシング処理条件は、Ｏ２ガスを１０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ３Ｆガスを０．７５Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を４５０Ｐａ、高周波電源の出力を４５００Ｗとした。
図５に示すように、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度（符号５０１で示す）は、試料台１０６の温度が２０〜１２０℃の範囲で単調に増加し、試料台温度が８０〜１２０℃の範囲で飽和して試料台温度が１２０℃で極大値となり、試料台１０６の温度が１２０〜１５０℃の範囲で低下する傾向であった。同様に対ＳｉＯ２選択比（符号５０２で示す）と、対ＳｉＮ選択比（符号５０３で示す）も、試料台１０６の温度が２０〜１２０℃の範囲で増加し、試料台温度が８０〜１２０℃の範囲で飽和して試料台温度が１２０℃で極大値となり、試料台１０６の温度が１２０〜１５０℃の範囲で低下する傾向となった。
このようにホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が試料台１０６の温度が２０〜１２０℃の範囲で増加する傾向が生じるのは、ウエハ温度を上げた場合、ホウ素含有アモルファスカーボン膜表面のカーボンの酸化とボロンのフッ化が進むことによってホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシングが進行するためと考えられる。また、ホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が、試料台１０６の温度が１２０〜１５０℃の範囲で低下する傾向が生じる理由は、ホウ素の酸化が優勢となり、Ｆラジカルとの反応が抑制されたためと考えられる。
また、対ＳｉＯ２選択比（符号５０２で示す）と対ＳｉＮ選択比（符号５０３で示す）が、試料台１０６の温度が２０〜１２０℃の範囲で増加する傾向が生じる理由は、ウエハ温度の上昇に従ってＳｉＯ２またはＳｉＮの表面の酸化が促進されて、Ｆラジカルによるシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のアッシングの抑制、及び試料台１０６の当該温度範囲(２０〜１２０℃)でのホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度増加が生じるためと考えられる。
さらに試料台１０６の温度が２０〜１５０℃の場合、表１に示す従来条件の混合ガスよりＯ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの方がＳｉＮ表面の酸素濃度が高くなる。このため、ＳｉＮウエハ表面の酸化の促進には、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの方が従来の混合ガスより有効と考えられる。
以上のようなことから、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスによるプラズマを用いたホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシングにおいて、アッシング速度の向上及び選択比向上の観点で試料台１０６の温度を８０〜１２０℃にするのが望ましい。
一般的にプラズマアッシング装置には、価格低減のため、試料台１０６にエッチング装置のような静電吸着機構など使用していない場合が多く、試料台１０６の設定温度とウエハ上の温度が異なる。一例として、試料台１０６の設定温度に対するウエハ温度の関係を調べた結果を図６に示す。ウエハ温度は、温度センサを複数埋め込んだウエハにて測定した。
この測定の結果、図６に示すように試料台１０６の設定温度が８０〜１２０℃の範囲の時のウエハ温度は１２１〜１８２℃であった。従ってウエハ温度が１２１〜１８２℃の範囲であれば、アッシング速度の向上及び選択比向上の観点から、試料台１０６の設定温度が８０〜１２０℃の範囲の時と同じ効果が得られると考える。
また、このウエハ温度は、プラズマからの入熱と試料台１０６へ流れる熱流速によって変化するため、ウエハ温度を指標としたプラズマ条件、試料台１０６の熱接触構造に応じて試料台１０６の設定温度を適切に調整する必要がある。特にウエハを試料台１０６に静電吸着させてＨｅ等をウエハと試料台の間に充填させる方式の試料台を用いる場合は、ウエハ温度１２１〜１８２℃を目安にすると良い。
次に図７は、試料台１０６の温度を２０℃、Ｏ２ガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ３Ｆガスの流量を０．３〜１．５Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を２５０Ｐａ、高周波電源の出力を４５００Ｗとした場合における、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの総ガス流量に対するＣＨ３Ｆガスの添加量のボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度と選択比の関係を示す図である。
図７に示すように、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの総ガス流量に対するＣＨ３Ｆガスの添加量が５〜１２％の範囲において、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度（符号７０１で示す）は増加し、ＣＨ３Ｆガスの添加量が１２〜１５％の範囲において、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度（符号７０１で示す）は、低下する結果となった。また、対ＳｉＯ２選択比（符号７０２で示す）及び対ＳｉＮ選択比（符号７０３で示す）は、ＣＨ３Ｆガスの添加量が５〜１２％の範囲において、増加する結果となった。
ＣＨ３Ｆガスの添加量が５〜１２％の範囲において、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が増加した要因は、ボロンのエッチャントであるＦラジカルの増加により反応が促進されてアッシングが進行したためと考えられる。一方、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシングレートがＣＨ３Ｆガスの添加量が１２〜１５％の範囲において低下した要因は、ＣＨｘが増加してアッシングが抑制されたためと考えられる。
また、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のアッシング速度は、ＣＨ３Ｆガスの添加量を増加するとＣＨｘが増加してアッシング速度は低下するが、ＣＨ３Ｆガスの添加量が１２〜１５％の範囲では、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が低下するため選択比が低下すると考えられる。このため、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの総ガス流量に対するＣＨ３Ｆガスの添加量は、５〜１２％が望ましく、この時のホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度は、１３５〜１４５ｎｍ／ｍｉｎでシリコン窒化膜選択比は約１６８〜１８６となる。
次に図８は、試料台１０６の温度を２０℃、Ｏ２ガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ３Ｆガスの流量を０．７５Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を２５０〜６５０Ｐａ、高周波電源の出力を４５００Ｗとした場合における、処理圧力に対するホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度と選択比の関係を示す図である。
図８に示すようにボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度（符号８０１で示す）は、処理圧力が２５０〜５５０Ｐａの範囲において増加し、６５０Ｐａで低下した。また、対ＳｉＯ２選択比（符号８０２で示す）と対ＳｉＮ選択比（符号８０３で示す）は、処理圧力が２５０〜５５０Ｐａの範囲において増加する結果となった。
ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が増加した要因は、処理圧力が２５０〜５５０Ｐａの範囲においてホウ素含有アモルファスカーボン膜とエッチャントであるＦラジカルの増加により反応が促進されてアッシングが進行したためと考えられる。一方、処理圧力６５０Ｐａにおいて、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が低下した要因は、プラズマ解離が処理圧力に対して不足したことによるものと考えられる。また、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のアッシング速度は、処理圧力を増加するとＣＨｘが増加してアッシング速度は低下するが、処理圧力が６５０Ｐａにおいては、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が低下するため、選択比も低下したと考えられる。
従って、処理圧力については、４５００Ｗ程度の高周波電力を用いる場合、２５０〜４５０Ｐａが望ましい。この時のホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度は、１４２〜１９２ｎｍ／ｍｉｎ、シリコン窒化膜選択比は、約１７５〜２３０となる。尚、プラズマ生成用高周波電力を増加させた場合は、処理圧力の増加に伴い、アッシングレートも増加するが、本実施形態のような可燃ガスと支燃ガスの混合ガスを用いる場合は、可燃性ガスの爆発限界以下の処理圧力に制御する必要がある。
次に図９は、試料台１０６の温度が１００℃、Ｏ２ガスの流量を２０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ３Ｆガスの流量を１．５Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を４５０Ｐａ、高周波電源の出力を４５００Ｗとした場合(表４)における、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの流量に対するアッシング速度と選択比の関係を示す図である。
図９に示すようにボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度（符号９０１で示す）は、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの流量を増加すると５２１ｎｍ／ｍｉｎ以上となり、同様に対ＳｉＯ２選択比（符号９０２で示す）及び対ＳｉＮ選択比（符号９０３で示す）もＯ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの流量の増加と共に増加する。尚、図９における「総ガス流量」は、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの流量のことである。
表４に示す条件における対ＳｉＮ選択比は、１３０３と比較的高い。したがって、トレンチ側壁層のシリコン窒化膜２０２のサイドエッチングが発生しないこと及び上述した図９に示す特性により、９６層以上のＳｉＯ２とＳｉＮの積層膜のエッチングが求められる次世代のマスクのホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシングには、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの総ガス流量を２１．５Ｌ／ｍｉｎ以上とした方が良い。
Figure 0006802883
次に図１０は、対ＳｉＮ選択比に対するボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度とシリコン窒化膜のサイドエッチング量の関係を示す図である。図１０に示すようにＯ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスにおいて、対ＳｉＮ選択比が６００以上の場合、シリコン窒化膜のサイドエッチング量（符号１００２で示す）が０ｎｍとなり、さらに対ＳｉＮ選択比が９８０以上であれば、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度（符号１００１で示す）が５００ｎｍ／ｍｉｎ以上となる。このため、対ＳｉＮ選択比が９８０以上の場合、ボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が５００ｎｍ／ｍｉｎ以上となり、かつ、サイドエッチングの抑制ができる。
また、試料台１０６の温度が８０〜１２０℃の範囲の場合、処理圧力を２５０〜１０００Ｐａ、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスに対するＣＨ３Ｆガスの流量比を５％〜１２％、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの流量を２１．５Ｌ／ｍｉｎ以上とする条件において、対ＳｉＮ選択比が９８０以上となるため、当該条件でもボロン含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度が５００ｎｍ／ｍｉｎ以上となり、かつ、サイドエッチングの抑制ができる。
図１１は、Ｏ２ガスの流量を２０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ３Ｆガスの流量を１．５Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を４５０Ｐａ、高周波電源の出力を４５００Ｗとした場合における、試料台１０６の温度に対するホウ素含有アモルファスカーボン膜及びタングステン膜のアッシング速度と選択比の関係を示す図である。
図１１に示すように、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスでは、試料台１０６の温度が２０〜１５０℃の範囲において、ホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度（符号１１０１で示す）に対してタングステン膜のアッシング速度（符号１１０２で示す）は、０．１ｎｍ／ｍｉｎ以下である。このため、タングステン膜のアッシング速度に対するホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング速度の比である対タングステン膜（Ｗ）選択比（符号１１０３で示す）は、２１８０〜５２８０と高い。
よって、トレンチ側壁層や下地にタングステン膜が用いられたウエハのホウ素含有アモルファスカーボン膜を、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスによるプラズマを用いてアッシング処理することにより、タングステン膜に対して高い選択比でホウ素含有アモルファスカーボン膜をアッシングすることができる。
本実施形態においては、トレンチ側壁層にＳｉＮ膜とＳｉＯ２膜、下地にＳｉを有する積層構造におけるマスクのホウ素含有アモルファスカーボン膜のアッシング処理について説明したが、トレンチ側壁層や下地にどれか一つの膜でも有していれば、同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、誘導結合型プラズマ源のアッシング装置を用いた例を説明したが、マイクロ波により生成されたプラズマ等の他のプラズマ源を用いたアッシング装置で実施しても同様の効果を得ることができる。
以上、本発明により、ホウ素含有アモルファスカーボン膜をプラズマにより除去するプラズマアッシング方法において、ホウ素含有アモルファスカーボン膜の除去速度の向上とトレンチ側壁層のサイドエッチング抑制を両立し、量産処理を安定的に行うことができる。
また、Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスによるプラズマを用いてホウ素含有アモルファスカーボン膜をアッシングすることにより、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはタングステン膜に対して高い選択比でホウ素含有アモルファスカーボン膜をアッシングすることができる。
［実施形態２］
以下、実施形態２について説明する。本実施形態では、Ｏ２ガスとＣＨ２Ｆ２ガスを図１のプラズマアッシング装置に供給しつつ、図２（ａ）に示す積層膜(９６層以上)を有するウエハに対し、図３のフローに従ってアッシング処理を行うものとする。ホウ素含有アモルファスカーボン膜２０４のホウ素の含有率は、エッチング工程での選択比向上のため５０％以上とした。特に示さない限り、上述した実施の形態と同様な構成及び処理を用いるものとし、重複する説明を省略する。
図１２は、試料台１０６の温度が１００℃で、Ｏ２ガスを２０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ２Ｆ２ガスを１．５Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を４５０Ｐａ、高周波電源により２５００〜４５００Ｗ印加した時の高周波電源に対するＢ−ＡＣＬのアッシング速度と選択比の関係を示す図である。
図１２に示すように、Ｂ−ＡＣＬのアッシング速度（符号１２０１で示す）と対ＳｉＯ２選択比（符号１２０２で示す）は、高周波電源の出力２５００〜４５００Ｗの範囲で増加した。一方、対ＳｉＮ選択比（符号１２０３で示す）は、高周波電源の出力２５００〜３５００Ｗの範囲で増加し、高周波電源の出力４０００〜４５００Ｗの範囲で低下した。
Ｂ−ＡＣＬのアッシング速度が向上した要因は、高周波電源については出力２５００〜４５００Ｗの範囲では、Ｂ−ＡＣＬ膜とエッチャントであるＦラジカルの増加により反応が促進されたことが理由と考えられる。
一方、シリコン窒化膜が、高周波電源の出力４０００〜４５００Ｗの範囲で低下した要因として、エッチャントであるＦラジカルの増加により反応が促進されてアッシング速度が増加しているが、Ｂ−ＡＣＬ膜に比べると高周波電力増加によるＦラジカル増加の影響が大きいことが理由と考える。したがって、高周波電力の出力については、２５００〜３５００Ｗの範囲とすることが望ましい。この時のＢ−ＡＣＬ膜のアッシング速度は、４４４〜６２７ｎｍ／ｍｉｎで、シリコン窒化膜選択比は約９８７〜１０６３である。
図１３は、試料台１０６の温度が２０℃で、Ｏ２ガスを２０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ２Ｆ２ガスを１．０〜２．０Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を４５０Ｐａ、高周波電源により３５００Ｗ印加した時のＯ２ガスとＣＨ２Ｆ２ガスの混合ガスの総ガス流量に対するＣＨ２Ｆ２ガスの添加量のＢ−ＡＣＬのアッシング速度と選択比の関係を示す図である。
ＣＨ２Ｆ２ガスの添加量が５〜７．５％の範囲でＢ−ＡＣＬアッシング速度（符号１３０１で示す）は増加し、７．５〜１０％で低下した。対ＳｉＯ２選択比（符号１３０２で示す）と対ＳｉＮ選択比（符号１３０３で示す）も、ＣＨ２Ｆ２ガスの添加量が５〜７．５％の範囲で増加する結果となった。
アッシング速度が増加した要因は、ＣＨ２Ｆ２ガスの添加量が５〜７．５％の範囲ではボロンのエッチャントであるＦラジカルの増加により反応が促進されアッシングが進み、ＣＨ２Ｆ２ガスの添加量が７．５〜１０％ではＣＨｘが増加してアッシングが抑制されたためと考える。
一方、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のアッシング速度は、ＣＨ２Ｆ２ガスの添加量を増加するとＣＨｘが増加してアッシング速度は低下するが、ＣＨ２Ｆ２ガスの添加量が７．５〜１０％ではＢ−ＡＣＬのアッシング速度が低下するため選択比は低下すると考えられる。したがって、ＣＨ３Ｆガスの添加量は、５〜７．５％が望ましく、この時のＢ−ＡＣＬ膜のアッシング速度は６０８〜６２７ｎｍ／ｍｉｎで、シリコン窒化膜選択比は約１０３１〜１０４５である。
図１４は、試料台１０６の温度が１００℃で、Ｏ２ガスを２０Ｌ／ｍｉｎ、ＣＨ２Ｆ２ガスを１．５Ｌ／ｍｉｎ、処理圧力を２５０〜６５０Ｐａ、高周波電源により３５００Ｗ印加した時の処理圧力に対するＢ−ＡＣＬのアッシング速度と選択比の関係を示す図である。Ｂ−ＡＣＬアッシング速度（符号１４０１で示す）は、処理圧力が２５０〜５５０Ｐａの範囲では増加し、処理圧力が６５０Ｐａで低下した。
一方、対ＳｉＯ２選択比（符号１４０２で示す）と対ＳｉＮ選択比（符号１４０３で示す）も処理圧力が２５０〜５５０Ｐａの範囲で増加し、処理圧力が６５０Ｐａで低下する結果となった。アッシング速度が向上した要因は、処理圧力については２５０〜５５０Ｐａの範囲ではＢ−ＡＣＬ膜とエッチャントであるＦラジカルの増加により反応が促進されアッシングが進み、処理圧力６５０Ｐａでは、プラズマ解離が処理圧力に対して不足するためアッシングレートが低下したと考えられる。
また、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜のアッシング速度は処理圧力を増加すると、ＣＨｘが増加してアッシング速度は低下するが、処理圧力が６５０ＰａではＢ−ＡＣＬアッシングアッシング速度が低下するため選択比も低下したものと考えられる。
したがって、３５００Ｗ程度の高周波電力を供給する場合、処理圧力は２５０〜５５０Ｐａとすることが望ましい。この時のＢ−ＡＣＬ膜のアッシング速度は４９２〜７４６ｎｍ／ｍｉｎで、シリコン窒化膜選択比は約９４６〜１０６６である。
Figure 0006802883
表５に示す条件は対ＳｉＮ選択比が１０６６と高く、トレンチ側壁層のシリコン窒化膜２０２のサイドエッチングは発生しないため、次世代のＢ−ＡＣＬ膜アッシングにはＯ２ガスとＣＨ２Ｆ２ガスの混合ガスの総ガス流量は、２１．５Ｌ／ｍｉｎ以上が有効と考えられる。
１０１ ガス供給プレート、
１０２ 石英製チャンバ、
１０３ チャンバ、
１０４ 分散板、
１０５ 誘導コイル、
１０６ 試料台、
１０７ ウエハ、
１０８ 温度調整器、
１０９ 高周波電源、
１１０ 高周波整合器、
１１１ 圧力調整バルブ、
１１２ 分光器、
１１３ 排気口、
１１４ カバー、
１１５ 圧力スイッチ、
１１６ ガスバルブ、
２０１ シリコン、
２０２ シリコン窒化膜、
２０３ シリコン酸化膜、
２０４ ホウ素含有アモルファスカーボン膜、
２０５ サイドエッチング、
１２０１ Ｂ−ＡＣＬアッシング速度、
１２０２ 対ＳｉＯ２選択比、
１２０３ 対ＳｉＮ選択比、
１３０１ Ｂ−ＡＣＬアッシング速度、
１３０２ 対ＳｉＯ２選択比、
１３０３ 対ＳｉＮ選択比

Claims (11)

  1. ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはタングステン膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、
    Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、
    前記ホウ素の含有率は、５０％以上であり、
    前記除去工程は、前記アモルファスカーボン膜が除去される試料が載置される試料台の温度を８０〜１２０℃の温度にして行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはタングステン膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、
    Ｏ ２ ガスとＣＨ ３ Ｆガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、
    前記ホウ素の含有率は、５０％以上であり、
    前記除去工程は、前記アモルファスカーボン膜が除去される試料の温度を１２１〜１８２℃の温度にして行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    前記除去工程前、前記Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスを前記除去工程が行われる処理室に供給しながら前記試料台の温度を前記除去工程と同じ温度にして行われる安定化工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    前記除去工程において、ＯＨを示す波長の発光強度をＣＯを示す波長の発光強度により除した値の時間変化を用いて前記アモルファスカーボン膜の除去の終了が判定されることを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
    前記ＯＨを示す波長は、３０９ｎｍであり、
    前記ＣＯを示す波長は、４５１ｎｍであることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    前記除去工程において、処理圧力を２５０〜１０００Ｐａの範囲内の圧力とし、前記混合ガスの流量に対するＣＨ３Ｆガスの流量の比を５〜１２％の範囲内の流量比とし、前記混合ガスの流量を２１．５Ｌ／ｍｉｎ以上とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  7. 請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
    前記安定化工程は、プラズマを生成せずに行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはタングステン膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、
    Ｏ ２ ガスとＣＨ ３ Ｆガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、
    前記Ｏ２ガスとＣＨ３Ｆガスの混合ガスの流量に対する前記ＣＨ３Ｆガスの流量の比は、５〜１２％の範囲内の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、
    Ｏ２ガスとＣＨ２Ｆ２ガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、
    前記ホウ素の含有率は、５０％以上であり、
    前記除去工程は、前記アモルファスカーボン膜が除去される試料が載置される試料台の温度を２０〜１００℃の温度にして行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. ホウ素が含有されたアモルファスカーボン膜を有するマスクを用いてプラズマエッチングした後、プラズマを用いてシリコン窒化膜、またはシリコン酸化膜に対して前記アモルファスカーボン膜を選択的に除去するプラズマ処理方法において、
    Ｏ ２ ガスとＣＨ ２ Ｆ ２ ガスの混合ガスにより生成されたプラズマを用いて前記アモルファスカーボン膜を除去する除去工程を有し、
    前記除去工程において、処理圧力を２５０〜５５０Ｐａの範囲内の圧力とし、前記混合ガスの流量に対するＣＨ２Ｆ２ガスの流量の比を５〜７．５％の範囲内の流量比とし、前記混合ガスの流量を２１．５Ｌ／ｍｉｎ以上とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  11. 請求項９に記載のプラズマ処理方法において、
    前記除去工程において、処理圧力を２５０〜５５０Ｐａの範囲内の圧力とし、前記混合ガスの流量に対するＣＨ２Ｆ２ガスの流量の比を５〜７．５％の範囲内の流量比とし、前記混合ガスの流量を２１．５Ｌ／ｍｉｎ以上とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
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