JP7022978B2

JP7022978B2 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置

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Publication number: JP7022978B2
Application number: JP2017230402A
Authority: JP
Inventors: 知行野中; 聡充内田
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2022-02-21
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: JP2019102593A

Description

本発明は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）を用いて、基板（典型的には半導体基板）をプラズマ処理する技術に関し、特に、絶縁層の上に導電層が形成された積層構造を有する基板（典型的には、ＳＯＩ基板）のプラズマ処理に好適な技術に関する。

誘導結合プラズマを用いたプラズマ処理を行うプラズマ処理装置は、一般に、処理チャンバーと、その外部に配置された誘導結合コイルと、処理チャンバーの内部に配置された下部電極とを備えている。このような装置において基板をエッチングする場合、まず、処理すべき基板が処理チャンバーの内部に搬入されて下部電極の上に載置される。そして、処理チャンバーの内部に所定のエッチングガスが導入されるとともに、誘導結合コイルに高周波電力が投入される。誘導結合コイルに高周波電力が投入されると、処理チャンバー内部のエッチングガスが励起されてプラズマが発生する。このプラズマには、一般に、正の荷電粒子（正イオン）、負の荷電粒子（負イオン、電子）、ラジカル、中性の粒子（電離も励起も生じなかった中性の原子や分子）、等が含まれる。

このときに、下部電極にブロッキングコンデンサを介して高周波電圧が印加されると、プラズマ中の電子が高周波電圧により形成される電場の変動に追従して基板に流れ込み、ブロッキングコンデンサが負に帯電する。これにより基板がプラズマに対して負の電位にバイアスされる（自己バイアス）。すると、プラズマ中の正イオンが基板に向けて加速されるようになり、基板に対するエッチング（プラズマエッチング）が進行する。

ところで、近年、電子デバイスの動作速度向上と消費電力低減に有効であるとして、Ｓｉ基板に代わって、ＳｉＯ_２層（酸化層）の上に単結晶のＳｉ層（シリコン層）を形成した構造のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が用いられることがある。

ＳＯＩ基板のように絶縁層の上に導電層が形成された積層構造を有する基板にプラズマエッチングでパターンを形成する場合、エッチングが絶縁層の界面に到達したときに、横方向へのエッチング（ノッチング）が発生し、垂直な形状の加工ができないという問題がある。このノッチングが発生する理由について、図７を参照しながら説明する。

ＳＯＩ基板をプラズマエッチングする場合、プラズマ中の正イオンがＳＯＩ基板９（具体的には、マスク９０が形成されたＳＯＩ基板９における非マスク部分）に向けて加速されてＳＯＩ基板９に衝突することにより、該非マスク部分がエッチングされて縦穴構造が形成されていく。シリコン層９１のエッチングが進んでいる間は、縦穴構造に入射した正イオンはシリコン層９１に飛び込んだ電子によって中和されるため、ＳＯＩ基板９は電気的に中性に保たれる。ところが、エッチングが進行して縦穴構造の底が酸化層９２との界面に到達すると、縦穴構造の底（すなわち、酸化層９２の表面）に入射した正イオンが電子と中和されずに該界面に蓄積するようになる。すなわち、縦穴構造の底が正に帯電（チャージアップ）する。こうなると、次に縦穴構造の底に飛び込んでくる正イオンの軌道が曲がり、この界面付近において縦穴構造の側壁をエッチングするようになる。すなわち、ノッチングが進行する。

ノッチングの発生を抑制するための様々な試みが従来からなされている。例えば、特許文献１では、基板が載置される下部電極に周波数の異なる高周波電圧を重畳した重畳電圧を投入することが提案されている。また、特許文献２では、4MHz以下のバイアス周波数をパルス化して基板に印加することが提案されている。また、特許文献３では、周波数等を時間とともに変化させた変調バイアスを基板に印加することが提案されている。一方、特許文献４，５では、パルス化された高周波電力を、誘導結合コイルに投入することが提案されている。

特開２０１０－２７８１２２号公報特表２００２－５２９９１３号公報特表２００７－５０９５０６号公報特表２００３－５０５８６８号公報特表２００６－５０３４２３号公報

近年、基板に形成すべきパターンの微細化が進み、アスペクト比（深さ／幅の比）の高いパターンを形成することのできる技術が必要とされている。ところが、ＳＯＩ基板にアスペクト比が高いパターンを形成しようとすると、上述したノッチングの発生が顕著になる。これは、アスペクト比が高くなるほど、上記界面におけるチャージアップが顕著になるためである。

ところが、従来の各技術は、アスペクト比が高くなるにつれて、ノッチングの発生が抑制されにくくなるという欠点があった。

したがって、高アスペクト比の縦穴構造であってもノッチングの発生を十分に抑制することができる更なる技術が必要とされている。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、誘導結合プラズマを用いたエッチングにおいて、ノッチングの発生を十分に抑制することができる技術の提供を目的としている。

上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ処理方法は、
処理チャンバー内に配置された下部電極の上に基板を載置する載置工程と、
前記処理チャンバー内に所定のエッチングガスが供給されている状態で、前記処理チャンバーの外部に配置された誘導結合コイルに、前記エッチングガスをプラズマ化するための高周波電力をパルス化して投入するとともに、前記下部電極に、自己バイアスを形成するための第１周波数成分と前記第１周波数成分よりも周波数が低い第２周波数成分が重畳された重畳電圧を印加するエッチング工程と、
を備える。

上記のとおり、ノッチングは、エッチングにより基板に形成される縦穴構造の底がチャージアップすることに起因する。したがって、ノッチングの発生を抑制するためには、縦穴構造の底のチャージアップをいかに抑制できるか、すなわち、プラズマ中に存在する負の荷電粒子をどれだけ多く縦穴構造の底に引き込むことができるか、がポイントとなる。上記の方法によると、プラズマ中の負の荷電粒子を縦穴構造の底に多数引き込むことができるため、ノッチングの発生を十分に抑制することができる。その理由は次のように考えられる。

上記の本発明による方法では、下部電極に、自己バイアスを形成するための第１周波数成分とこれよりも周波数が低い第２周波数成分が重畳された重畳電圧を印加する。これにより、比較的周波数が低い第２周波数成分によって、プラズマ中の負イオンを縦穴構造の底に引き込むことができる。ただしこのときに、プラズマ中に電子が存在していると、これによって第２周波数成分による負イオンの引き込みが抑制されてしまう。したがって、第２周波数成分による負イオンの引き込みを有効に行うためには、プラズマ中に存在する負の荷電粒子の中で電子が占める割合が低く、負イオンが占める割合が高いことが好ましい。

誘導結合プラズマを用いた一般的なプラズマ処理では、誘導結合コイルには高周波電力をパルス化せずに（すなわち、連続的に）投入する。この場合、生成されるプラズマの電子温度は十分に高いものとなる。このとき、負イオンから電子が解離する反応が優位に進むため、プラズマ中に存在する負の荷電粒子の中で、電子が占める割合が高く、負イオンが占める割合は低い。これに対し、上記の本発明による方法では、誘導結合コイルに高周波電力をパルス化して投入する。つまり、高周波電力が間欠的に投入される。すると、高周波電力が連続的に投入される場合と比べて、生成されるプラズマの電子温度が低くなる。こうなると、中性の粒子に電子が付加する反応が優位に進むようになり、プラズマ中に存在する負の荷電粒子の中で、電子が占める割合が低くなり、負イオンが占める割合が高くなる。こうなると、負イオンの引き込みが電子によって抑制されにくく、多数個の負イオンが第２周波数成分によって縦穴構造の底に引き込まれる。したがって、十分に多数個の負イオンが縦穴構造の底に到達することができる。

また、誘導結合プラズマを用いた一般的なプラズマ処理では、下部電極に、自己バイアスを形成するための高周波成分（典型的には、13.56MHzの高周波成分）のみを含む高周波電圧が印加される。該高周波電圧が印加されると、上記のとおり、プラズマ中の電子が該高周波により形成される電場の変動に追従して基板に流れ込み、ブロッキングコンデンサが負に帯電する。これにより、基板が負の電位にバイアスされる。一方、プラズマ中の正イオンは、この電場の変動に追従することができず、基板の付近にイオンシース電界を形成する。イオンシース電界が形成されると、その上に存在しているプラズマ中の負イオンが基板に入射できなくなる。これに対し、上記の本発明による方法では、下部電極に、自己バイアスを形成するための第１周波数成分とこれよりも周波数が低い第２周波数成分が重畳された重畳電圧を印加する。すると、イオンシース電界の電位が第２周波数成分に応じた周期で揺さぶられることとなり、瞬間的にイオンシース電界が消滅するタイミングが形成され、このタイミングにおいてプラズマ中の負イオンが基板に入射することができる。これにより、十分に多数個の負イオンが縦穴構造の底に到達することができる。

上記のとおり、本発明による方法では、縦穴構造内に多数個の負イオンが到達する。すると、縦穴構造内に負イオンが到達することによる電子増殖作用（α作用）で、縦穴構造内の電子の数が増加する。これらの相乗作用によって、縦穴構造の底に到達する負の荷電粒子の数が十分に多数となる。

前記エッチング工程において、
前記下部電極に、前記重畳電圧をパルス化して印加することも好ましい。

この方法によると、下部電極への重畳電圧の印加が停止されるタイミングにおいて、イオンシース電界が消滅し、そのタイミングでプラズマ中の負イオンや電子が基板に入射することができる。これにより、縦穴構造の底に到達する負の荷電粒子の数が増加する。さらに、縦穴構造内に負イオンが到達することによる電子増殖作用（α作用）で縦穴構造内の電子の数が増加する。これらの相乗効果により縦穴構造の底に到達する負の荷電粒子の数が十分に多数となり、ノッチングの発生が十分に抑制される。

下部電極に重畳電圧をパルス化して印加する場合、該パルス化に係るパルス信号（具体的には、該パルス信号の周期、パルス幅、位相、等）は、誘導結合コイルに投入される高周波電力のパルス化に係るパルス信号と相関関係を有していることが好ましい。例えば、両パルス信号を相互に調整することにより、
前記エッチング工程において、
前記誘導結合コイルに対する前記高周波電力の投入が停止され、且つ、前記下部電極に対して前記重畳電圧が印加される第１状態と、前記誘導結合コイルに対して前記高周波電力が投入され、且つ、前記下部電極に対する前記重畳電圧の印加が停止される第２状態とが、交互に繰り返し形成されることが好ましい。

この構成によると、第１状態においてプラズマ中に負イオンが生成され、続く第２状態において該生成された負イオンが基板に引き込まれる。したがって、第１状態と第２状態が交互に繰り返し形成されることによって、負イオンを効率的に縦穴構造の底に引き込むことが可能となる。これにより、縦穴構造の底に到達する負イオンの数が増加する。ひいては、縦穴構造内に負イオンが到達することによる電子増殖作用（α作用）で縦穴構造内の電子の数も増加する。これらの相乗効果により縦穴構造の底に到達する負の荷電粒子の数が十分に多数となり、ノッチングの発生が十分に抑制される。

また、上記のプラズマ処理方法は、
前記処理チャンバー内に所定の成膜ガスが供給されている状態で、前記誘導結合コイルに、前記成膜ガスをプラズマ化するための前記高周波電力を投入する成膜工程と、
前記エッチング工程と前記成膜工程とを繰り返す繰り返し工程と、
をさらに備えることも好ましい。

この構成によると、成膜工程とエッチング工程が繰り返し行われることにより（所謂、ボッシュプロセス）、基板に高アスペクト比のパターンを形成することができる。

また、上記のプラズマ処理方法は、
前記エッチング工程が、
前記下部電極に対する前記重畳電圧の印加が開始されてから所定時間が経過した時点で、前記重畳電圧の印加を停止する切り換え工程、
を備えることが好ましい。

この構成によると、エッチング工程の前半（下部電極に重畳電圧が印加されている間）は、基板を異方的にエッチングして縦穴構造の底の保護膜を除去する処理が進行する。また、エッチング工程の後半（下部電極への重畳電圧の印加が停止されている間）は、基板を等方的にエッチングして保護膜が除去された底部分を掘り進める工程が進行する。これにより、基板を効率的に真っ直ぐに掘り進めることができる。

また、上記のプラズマ処理方法は、
前記切り換え工程において、前記誘導結合コイルに投入する前記高周波電力のパルス化を停止することが好ましい。

この構成によると、エッチング工程の前半において、ノッチングが発生することを抑制しつつ、エッチング工程の後半における基板のエッチング速度を高めることができる。

また、本発明は、プラズマ処理装置も対象としている。本発明に係るプラズマ処理装置は、
処理チャンバーと、
前記処理チャンバーの外部に配置された誘導結合コイルと、
前記処理チャンバーの内部にガスを導入するガス導入部と、
前記処理チャンバーの内部に配置された、基板が載置される下部電極と、
前記誘導結合コイルに、パルス化した高周波電力を投入する電力投入部と、
前記下部電極に、自己バイアスを形成するための第１周波数成分と前記第１周波数成分よりも周波数が低い第２周波数成分が重畳された重畳電圧を印加する電圧印加部と、
を備える。

この構成によると、誘導結合コイルにパルス化した高周波電力を投入することができる。また、下部電極に重畳電圧を印加することもできる。したがって、基板をエッチングする際にノッチングの発生を十分に抑制することができる。

前記電圧印加部は、
前記下部電極に印加される前記重畳電圧をパルス化するパルス化部、
を備えることも好ましい。

本発明によると、ノッチングの発生を十分に抑制することができる。

プラズマ処理装置の概略構成図。プラズマ処理装置において基板をプラズマエッチングする場合の処理の流れを示す図。エッチング工程および成膜工程を説明するための図。保護膜エッチング工程における基板付近の粒子の動きを説明するための図。実施例および比較例の各実験条件およびそれぞれにおけるノッチの大きさの測定結果をまとめた表を示す図。変形例に係る電圧印加部の構成を示す図。ノッチングの発生原理を説明するための図。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。また、図においては、説明の便宜上、本件発明と関連する要素のみが示されており、一部の要素については図示が省略されている。

＜１．プラズマ処理装置の構成＞
実施形態に係るプラズマ処理装置の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、プラズマ処理装置１００の要部構成を示す図である。

プラズマ処理装置１００は、内部に処理空間を形成する処理チャンバー１と、処理チャンバー１の内部にガスを供給するガス供給部２と、処理チャンバー１の外部に配置された誘導結合コイル３と、これに電力を投入する電力投入部４と、処理チャンバー１の内部に配置された下部電極５と、これに電圧を印加する電圧印加部６と、を備える。また、プラズマ処理装置１００は、これが備える各要素を制御する制御部７を備える。

処理チャンバー１には、その内部にガスを導入するためのガス導入口１１、および、処理チャンバー１の内部からガスを排気するための排気口１２が設けられている。ガス導入口１１にはガス供給部２が接続されている。また、排気口１２には、バルブ１２１および真空ポンプ１２２が介挿された配管１２３が接続されている。また、処理チャンバー１の天板部分には、誘電体窓１３が設けられている。さらに、処理チャンバー１には、その外部に配置された外部搬送装置のハンドを処理チャンバー１の内部に導入するための搬出入口（図示省略）及びこれを塞ぐロードロック（図示省略）が設けられている。

ガス供給部２は、エッチングガス（ここでは例えば、ＳＦ_６）を供給するエッチングガス供給源２１と、成膜ガス（ここでは例えば、Ｃ_４Ｆ_８）を供給する成膜ガス供給源２２と、酸素ガス（Ｏ_２）を供給する酸素ガス供給源２３と、を備える。各供給源２１，２２，２３は、配管２１０，２２０，２３０を介して、ガス導入口１１に接続されている。各配管２１０，２２０，２３０には、バルブ２１１，２２１，２３１、および、マスフローコントローラ２１２，２２２，２３２が介挿されている。

誘導結合コイル３は、渦巻状のコイルであり、処理チャンバー１の上側において誘電体窓１３と対向して設けられる。

電力投入部４は、誘導結合コイル３と接続されてこれに高周波電力を投入する要素であり、高周波電力をパルス化して誘導結合コイル３に投入することができるようになっている。電力投入部４は、具体的には、高周波電源４１と、整合器４２と、パルス信号機４３を備える。高周波電源４１は、所定の周波数（例えば、13.56MHz）の高周波電力を発振する電源であり、誘導結合コイル３の一端と整合器４２を介して接続されるとともに、誘導結合コイル３の他端と直接に接続されている。また、高周波電源４１は、パルス信号機４３と接続されている。このパルス信号機４３からパルス信号が出力されると、高周波電源４１は、該パルス信号にしたがった間隔（パルス）で、高周波電力を発振する。パルス信号機４３から出力されるパルス信号の周波数は、高周波電源４１から発振される高周波電力の周波数よりも十分に低いものとされる。具体的には例えば、パルスON：100μ秒から10,000μ秒、パルスOFF：10μ秒から5,000μ秒とすることができる。

下部電極５は、処理チャンバー１の内部において、誘電体窓１３を挟んで誘導結合コイル３と対向して設けられる。下部電極５の上には、処理対象となる基板９が載置される。下部電極５には、ここに載置された基板９を静電吸着するための静電チャック５１が設けられる。また、下部電極５には、ここに載置された基板９を冷却して所定温度に維持するための機構（図示省略）が設けられる。さらに、下部電極５には昇降機構（図示省略）が設けられており、下部電極５の高さ（すなわち、誘導結合コイル３と下部電極５の離間距離）を変更できるようになっている。

電圧印加部６は、第１周波数の電圧を出力する第１電源６１と、第１周波数よりも低い第２周波数の電圧を出力する第２電源６２とを備える。第１周波数は、該周波数の電圧が下部電極５に印加されることで、それに載置されている基板９に自己バイアスを形成することができるような周波数である。エッチングガスがＳＦ_６である場合、第１周波数は、10～60MHzであることが好ましい。一方、第２周波数は、第１周波数よりも十分小さな周波数であることが好ましく、例えば、10～800kHzであることが好ましい。一例として、第１周波数を13.56MHzとし、第２周波数を400kHzとすることができる。この場合、第１電源６１および第２電源６２の各々を、高周波電源により構成することができる。また、第１周波数の電圧波形および第２周波数の電圧波形（特に後者）は、正弦波とされることも好ましい。また、第２周波数の電圧と第１周波数の電圧との電力比は、「1：0.5」から「1：100」の範囲内とされることが好ましい。

第１電源６１は、第１整合器６１１を介して加算器６３に接続されている。また、第２電源６２は第２整合器６２１およびフィルタ６２２を介して該加算器６３に接続されている。また、加算器６３は、ブロッキングコンデンサ６４を介して下部電極５に接続されている。この構成において、第１電源６１および第２電源６２のそれぞれから、互いに周波数が異なる電圧が出力されると、各電圧が加算器６３において重畳されて重畳電圧とされ、これがブロッキングコンデンサ６４を介して、下部電極５に印加される。すなわち、下部電極５に、第１周波数成分と第２周波数成分が重畳された重畳電圧が印加される。

制御部７は、パーソナルコンピュータ等をハードウエア資源とし、該パーソナルコンピュータにインストールされた専用の制御・処理ソフトウエアを実行することにより、各種の機能要素が具現化される。また、制御部７には、液晶ディスプレイ等から成る表示部と、マウス、キーボード、タッチパネル等から構成される入力部が接続されている（図示省略）。

制御部７は、ガス供給部２（具体的には、各バルブ２１１，２２１，２３１、および、各マスフローコントローラ２１２，２２２，２３２）と電気的に接続されており、処理チャンバー１の内部に供給するガスの種類、供給のタイミング、供給量、等を制御する。また、制御部７は、電力投入部４（具体的には、高周波電源４１、整合器４２、および、パルス信号機４３）と電気的に接続されており、誘導結合コイル３に高周波電力を投入するタイミング、これをパルス化するパルス信号（すなわち、パルス信号機４３から出力されるパルス信号）の各パラメータ（周期、パルス幅、位相、等）を制御する。また、制御部７は、電圧印加部６（具体的には、各高周波電源６１，６２、各整合器６１１，６２１、および、加算器６３）と電気的に接続されており、下部電極５に重畳電圧を印加するタイミング、等を制御する。

＜２．プラズマ処理装置の動作＞
＜２－１．全体の流れ＞
プラズマ処理装置１００において基板９をプラズマエッチングする場合の処理の流れを、図１に加え図２、図３を参照しながら説明する。図２は、該処理の流れを示す図である。図３は、該処理の各段階における基板９の様子を示す図である。

ここでは、処理対象となる基板９は、図３（ａ）にその一部が示されるように、導電層である単結晶のＳｉからなる層（シリコン層）９１が、絶縁層であるＳｉＯ_２層（酸化層）９２の上に形成されたＳＯＩ基板であるとする。基板９の上には、マスク９０が形成されている。このマスク９０には、基板９に形成すべきパターンの形状に応じたスリット９０１が設けられている。

まず、マスク９０が形成された基板９を保持した外部搬送装置のハンドが、搬出入口を介して処理チャンバー１の内部に挿入され、該ハンドに保持されている基板９が、下部電極５上に載置される（ステップＳ１）。下部電極５に載置された基板９は静電チャック５１により静電吸着される。外部搬送装置のハンドが処理チャンバー１から退避すると、搬出入口が閉鎖され、処理チャンバー１の内部の空気が真空ポンプ１２２によって排気される。

処理チャンバー１の内部が所定の圧力まで減圧されると、エッチング工程が行われる（ステップＳ２）。このエッチング工程では、基板９のシリコン層９１をエッチングして縦穴構造を掘り進めるシリコンエッチング工程が行われる（ステップＳ２１、図３（ｂ））。この工程の具体的な動作の流れは後述する。

シリコンエッチング工程が終了すると、該工程で形成された縦穴構造の側面および底面に絶縁性の保護膜（ＣＦ系膜）８を形成する成膜工程が行われる（ステップＳ３、図３（ｃ））。この工程の具体的な動作の流れは後述する。

成膜工程が終了すると、再びエッチング工程が行われる（ステップＳ４）。成膜工程の後に行われるエッチング工程では、まず、縦穴構造の底部分の保護膜８を除去する保護膜エッチング工程が行われ（ステップＳ４１、図３（ｄ））が行われ、その後、切り換え工程を経て（ステップＳ４２）、上述したシリコンエッチング工程が行われる（ステップＳ４３、図３（ｅ））。この工程の具体的な動作の流れは後述する。

エッチング工程が終了すると、再びステップＳ３の成膜工程が行われる。以後、ステップＳ３の成膜工程とステップＳ４のエッチング工程が所定回数繰り返して行われる。繰り返し回数が増加するにつれて、基板９に形成される縦穴構造が深くなっていく（図３（ｆ））。なお、繰り返し工程が行われる間、ガス供給部２から処理チャンバー１の内部へ酸素ガスが連続して導入され続けることが好ましい。酸素ガスは、縦穴構造の底に形成される保護膜８を除去する機能を有するので、酸素ガスが導入されることにより保護膜８の除去に要する時間を短縮することができる。また、酸素ガスは、硫黄や炭素の除去にも寄与するので、処理チャンバー１の内部に、硫黄や炭素の副生物が析出するのを防ぐことができる。

繰り返し工程の繰り返し回数が所定数に到達すると（ステップＳ５でＹＥＳ）、処理チャンバー１の内部へのガスの供給が停止されるとともに、誘導結合コイル３に対する電力の投入が停止される。その後、処理チャンバー１の搬出入口が開放され、そこから外部搬送装置のハンドが挿入されて、下部電極５上の基板９を受け取って処理チャンバー１から搬出する（ステップＳ６）。

＜２－２．各工程の動作＞
続いて、上述した各工程の具体的な動作の流れを、図１～図３を参照しながら説明する。

シリコンエッチング工程（ステップＳ２１）
ここでは、まず、ガス供給部２から処理チャンバー１の内部にエッチングガス（ここではＳＦ_６）が導入される。そして、処理チャンバー１の内部にエッチングガスが供給されている状態で、電力投入部４が、誘導結合コイル３に高周波電力を投入する。ただし、ここでは、誘導結合コイル３には高周波電力をパルス化せずに投入する。誘導結合コイル３に高周波電力が投入されることにより、処理チャンバー１の内部に供給されているエッチングガスがプラズマ化される。そして、該プラズマに含まれる正イオン等により基板９のシリコン層９１がエッチングされて縦穴構造が掘り進められる（図３（ｂ））。

成膜工程（ステップＳ３）
ここでは、まず、ガス供給部２から処理チャンバー１の内部へのエッチングガスの導入が停止されるとともに、成膜ガス（ここではＣ_４Ｆ_８）の導入が開始される。そして、処理チャンバー１の内部に成膜ガスが供給されている状態で、電力投入部４が、誘導結合コイル３に高周波電力を投入する。ただし、ここでも、誘導結合コイル３には高周波電力をパルス化せずに投入する。誘導結合コイル３に高周波電力が投入されることにより、処理チャンバー１の内部に供給されている成膜ガスがプラズマ化され、基板９に形成されている縦穴構造の側壁および底面に、保護膜８として機能するＣＦ系の高分子が重合される（図３（ｃ））。

保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）
ここでは、まず、ガス供給部２から処理チャンバー１の内部への成膜ガスの導入が停止されるとともに、エッチングガスの導入が開始される。そして、処理チャンバー１の内部にエッチングガスが供給されている状態で、電力投入部４が、誘導結合コイル３に、高周波電力をパルス化して投入する。具体的には、誘導結合コイル３に、パルス信号機４３から出力されるパルス信号にしたがった間隔で発振された高周波電力を投入する。また、電圧印加部６が、下部電極５に、第１周波数成分と第２周波数成分が重畳された重畳電圧を印加する。具体的には、第１電源６１および第２電源６２のそれぞれから互いに周波数が異なる電圧を出力させ、これらの各電圧を加算器６３において重畳して、これをブロッキングコンデンサ６４を介して下部電極５に印加する。

誘導結合コイル３に高周波電力が投入されることにより、処理チャンバー１の内部に供給されているエッチングガスがプラズマ化される。一方で、下部電極５に重畳電圧が印加されることにより、プラズマ中の電子が、第１周波数成分により形成される電場の変動に追従して基板９に飛び込み、基板９が負の電位にバイアスされる。その結果、プラズマ中の正イオンが基板９に真っ直ぐに引き込まれて、基板９のエッチング（異方性エッチング）が進行する。これによって、縦穴構造の底部分の保護膜８が除去される（図３（ｄ））。

切り換え工程（ステップＳ４２）
ここでは、処理チャンバー１の内部へのエッチングガスの供給を継続しつつ、下部電極５への重畳電圧の印加を停止する。また、誘導結合コイル３に投入する高周波電力のパルス化を停止する。ただし、切り換え工程は、下部電極５に対する重畳電圧の印加が開始されてから所定時間が経過したタイミング（縦穴構造の底の保護膜８が十分に除去されたタイミング）で行われる。

シリコンエッチング工程（ステップＳ４３）
切り換え工程が行われることにより、ステップＳ２１と同様のシリコンエッチング工程が進行する。ここでは、ステップＳ４１で保護膜８が除去された縦穴構造の底部分がエッチングされ、これにより縦穴構造が掘り進められる（図３（ｅ））。

＜２－３．ノッチングの抑制＞
上記の処理に係る保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）によると、ノッチングの発生を十分に抑制することができる。その理由について、図４を参照しながら説明する。図４は、保護膜エッチング工程における基板９付近の粒子の動きを説明するための図である。

上記の保護膜エッチング工程では、下部電極５に、第１周波数成分と第２周波数成分が重畳された重畳電圧を印加する。これにより、第２周波数成分によって、プラズマ中の負イオンを縦穴構造の底に引き込むことができる。一方で、上記の保護膜エッチング工程では、誘導結合コイル３に高周波電力をパルス化して投入する。この構成によると、高周波電力が連続的に投入される場合と比べて、生成されるプラズマの電子温度が低くなり、プラズマ中に存在する負の荷電粒子の中で、電子が占める割合が低くなり、負イオンが占める割合が高くなる。こうなると、負イオンの引き込みが電子によって抑制されにくく、多数個の負イオンが第２周波数成分によって縦穴構造の底に引き込まれる。したがって、十分に多数個の負イオンが縦穴構造の底に到達することができる。

また、下部電極５に重畳電圧が印加されると、これに含まれる第２周波数成分の周波数に応じたタイミングで、基板９の上方に形成されるイオンシース電界が瞬間的に消滅するタイミングが形成され、このタイミングにおいてプラズマ中の負イオンが基板９に入射することができる。これにより、十分に多数個の負イオンが縦穴構造の底に到達することができる。

さらに、縦穴構造内に多数個の負イオンが到達すると、これによる電子増殖作用（α作用）で、縦穴構造内の電子の数が増加する。これらの相乗作用によって、縦穴構造の底に到達する負の荷電粒子の数が十分に多数となる。

このように、この保護膜エッチング工程では、基板９に形成されつつある縦穴構造の底に十分に多数の負の荷電粒子（電子および負イオン）を引き込むことができる。したがって、縦穴構造の底が酸化層９２との界面に到達した後も（図４に示される状態）、縦穴構造の底がチャージアップしにくい。したがって、ノッチングの発生が十分に抑制される。

＜３．実施例＞
以下に説明する実施例および比較例１～６の各処理条件で、サンプル１およびサンプル２のそれぞれをプラズマエッチングしてパターンを形成した。ただし、サンプル１およびサンプル２はいずれも、酸化層の上に厚さが200μmのシリコン層が形成されたＳＯＩ基板の上に、マスク（フォトレジスト膜）を設けたものである。マスクには、等間隔にスリットが設けられている。サンプル１に設けられるマスクのスリット幅は30μmであり、サンプル２に設けられるマスクのスリット幅は20μmである。これらのサンプル１，２に対してプラズマエッチングを行い、パターンの底が酸化層の表面に到達してからさらに一定時間プラズマエッチングを行って（オーバーエッチング）、形成されたパターンの底部に生じたノッチの大きさ（横方向の切れ込み距離）Ｌ（図７参照）を測定した。

共通の処理条件：プラズマ処理装置１００として、サムコ株式会社製の誘導結合プラズマ処理装置（RIE-800iPB）を用いた。また、エッチングガスとしてＳＦ_６を用い、成膜ガスとして、Ｃ_４Ｆ_８を用いた。また、成膜工程とエッチング工程の繰り返し回数は120回とした。また、保護膜エッチング工程以外の各工程の処理条件は、同じものとした。

本発明に係る実施例：保護膜エッチング工程を次の条件で行った。誘導結合コイル３に、周波数が13.56MHzの高周波電力を、パルスON：2,000μ秒、パルスOFF：660μ秒のパルス信号でパルス化して投入するとともに、下部電極５に、13.56MHzの高周波電圧（出力50W）と400kHzの高周波電圧（出力50W）を重畳した重畳電圧をパルス化せずに投入した。また、下部電極５に電圧を印加する時間（バイアス時間）は、4.8秒とした。

比較例１：保護膜エッチング工程を次の条件で行った。誘導結合コイル３に、周波数が13.56MHzの高周波電力をパルス化せずに投入するとともに、下部電極５に、13.56MHzの高周波電圧（出力50W）と400kHzの高周波電圧（出力50W）を重畳した重畳電圧をパルス化せずに投入した。また、バイアス時間は、1.6秒とした。

比較例２：保護膜エッチング工程を次の条件で行った。誘導結合コイル３に、周波数が13.56MHzの高周波電力をパルス化せずに投入するとともに、下部電極５に、400kHzの高周波電圧（出力300W）を、パルスON：2,000μ秒、パルスOFF：660μ秒のパルス信号でパルス化して投入した。また、バイアス時間は、1.6秒とした。

比較例３：保護膜エッチング工程を次の条件で行った。誘導結合コイル３に、周波数が13.56MHzの高周波電力をパルス化せずに投入するとともに、下部電極５に、400kHzの高周波電圧（出力100W）をパルス化せずに投入した。また、バイアス時間は、1.6秒とした。

比較例４：保護膜エッチング工程を次の条件で行った。誘導結合コイル３に、周波数が13.56MHzの高周波電力を、パルスON：2,000μ秒、パルスOFF：660μ秒のパルス信号でパルス化して投入するとともに、下部電極５に、13.56MHzの高周波電圧（出力100W）をパルス化せずに投入した。また、バイアス時間は、4.8秒とした。

比較例５：保護膜エッチング工程を次の条件で行った。誘導結合コイル３に、周波数が13.56MHzの高周波電力をパルス化せずに投入するとともに、下部電極５に、13.56MHzの高周波電圧（出力300W）を、パルスON：2,000μ秒、パルスOFF：660μ秒のパルス信号でパルス化して投入した。また、バイアス時間は、1.6秒とした。

比較例６：保護膜エッチング工程を次の条件で行った。誘導結合コイル３に、周波数が13.56MHzの高周波電力をパルス化せずに投入するとともに、下部電極５に、13.56MHzの高周波電圧（出力100W）をパルス化せずに投入した。また、バイアス時間は、1.6秒とした。

上記の実施例および比較例１～６の各処理条件で、サンプル１およびサンプル２のそれぞれに対してプラズマエッチングを行うことによって形成されたパターンの底部に生じたノッチの大きさＬの測定結果が、図５の表にまとめられている。この表から、本発明に係る実施例では、比較例１～６と比べて、ノッチングの発生が十分に抑制されていることがわかる。特に、パターンのアスペクト比が比較的高いサンプル２に着目すると、比較例１～６ではノッチングの発生が十分に抑制されていないのに対し、本発明に係る実施例ではノッチングの発生が十分に抑制されていることがわかる。つまり、本発明が、高アスペクト比のパターンを形成する場合に特に有効であることがわかる。

＜４．変形例＞
上記の実施形態に係る保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）において、誘導結合コイル３にパルス化した高周波電力を投入しつつ、下部電極５に、重畳電圧をパルス化して印加してもよい。この場合、図６に示されるように、下部電極５と接続される電圧印加部６ａにおいて、第１電源６１および第２電源６２をパルス信号機６５と接続すればよい。この構成において、パルス信号機６５からパルス信号が出力されると、第１電源６１および第２電源６２の各々が、該パルス信号にしたがった間隔（パルス）で、各周波数の電圧を出力する。つまり、各電源６１，６２が、同じタイミングで、異なる周波数の電圧を出力する。このようにして出力された各電圧が、加算器６３において重畳されて重畳電圧とされ、これがブロッキングコンデンサ６４を介して、下部電極５に印加されることで、下部電極５にパルス化された重畳電圧が印加される。パルス信号機６５から出力されるパルス信号の周波数は、第２周波数よりも十分に低いものとされる。具体的には例えば、パルスON：100μ秒から10,000μ秒、パルスOFF：10μ秒から5,000μ秒とすることができる。

保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）において、下部電極５にパルス化した重畳電圧を印加する場合、下部電極５への重畳電圧の印加が停止されるタイミングにおいて、イオンシース電界が消滅し、このタイミングでプラズマ中の負イオンや電子が基板に入射することができる。これにより、縦穴構造の底に到達する負の荷電粒子の数がさらに増加する。また、縦穴構造内に負イオンが到達することによる電子増殖作用（α作用）で縦穴構造内の電子の数が増加する。これらの相乗効果により縦穴構造の底に到達する負の荷電粒子の数が十分に多数となり、ノッチングの発生が十分に抑制される。

下部電極５に重畳電圧をパルス化して印加する場合、該パルス化に係るパルス信号（具体的には、パルス信号機６５から出力されるパルス信号の周期、パルス幅、位相、等）は、誘導結合コイル３に投入される高周波電力のパルス化に係るパルス信号（具体的には、パルス信号機４３から出力されるパルス信号の周期、パルス幅、位相、等）と相関関係を有していることが好ましい。例えば、両パルス周期が同じであってもよいし、一方のパルス周期が他方のパルス周期の整数倍であってもよい。また例えば、両パルスの位相が同じであってもよいし、９０度、あるいは、１８０度だけずれていてもよい。

さらに例えば、両パルス信号を相互に調整することにより、保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）において、誘導結合コイル３に対する高周波電力の投入が停止され、且つ、下部電極５に対して重畳電圧が印加される状態（第１状態）と、誘導結合コイル３に対して高周波電力が投入され、且つ、下部電極５に対する重畳電圧の印加が停止される状態（第２状態）とが、交互に繰り返し形成されることも好ましい。

また、上記の実施形態に係る保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）において、誘導結合コイル３にパルス化した高周波電力を投入しつつ、下部電極５に、重畳電圧ではなく、比較的小さな周波数（例えば、4MHz以下）のみを含む電圧（便宜上「低周波電圧」と呼ぶ）を印加してもよい。具体的には例えば、電圧印加部６において、低周波電源を設けて、該低周波電源から出力される低周波電圧を下部電極５に印加してもよい。この場合、低周波電圧の周波数は、10～800kHzとすることが好ましい。またこの場合に、低周波電源にパルス信号機を接続し、低周波電源から、該パルス信号機にしたがった間隔（パルス）で、低周波電圧を出力させて、これを下部電極５に印加してもよい。すなわち、下部電極５に、パルス化した低周波電圧を印加してもよい。

また、上記の実施形態に係る保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）において、誘導結合コイル３にパルス化した高周波電力を投入しつつ、下部電極５に、変調電圧を印加してもよい。変調電圧とは、周波数、振幅、位相、および波形の少なくとも一個が、時間とともに変化するような電圧である。該変化の態様は、連続的であってもよいし非連続的であってもよい。また、この場合に、変調電圧をパルス化して下部電極５に印加してもよい。

また、上記の実施形態において、下部電極５に印加する重畳電圧において重畳される周波数成分の一方（例えば、第１周波数成分）、あるいは両方を、変調してもよい。具体的には例えば、第１電源６１から出力される電圧を低周波で振幅変調し、該変調された電圧を、第２電源６２から出力される電圧と重畳して重畳電圧とし、これを下部電極５に印加してもよい。この場合、振幅変調の周波数は、第２周波数よりも低いものであることが好ましい。例えば第２周波数が400kHzの場合、第１周波数の電圧に対する振幅変調の周波数は200kHzとすることができる。

また、上記の実施形態において、基板９に形成されつつある全ての縦穴構造の底部が、導電層（ＳＯＩ基板の場合、シリコン層９１）にある間（すなわち、基板９に形成されつつあるいずれかの縦穴構造の底が酸化層９２との界面に到達するまでの時間帯）は、保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）において、誘導結合コイル３に対して高周波電力をパルス化せずに投入してもよく、下部電極５に、重畳電圧ではなく１個の周波数成分（例えば、第１周波数成分）のみを含む電圧を投入してもよい。

また、上記の実施形態において、保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）以外の各工程においても、誘導結合コイル３にパルス化された高周波電力を投入してもよい。また、保護膜エッチング工程（ステップＳ４１）以外の各工程においても、下部電極５に重畳電圧（あるいは、パルス化された重畳電圧）を印加してもよい。

１００…プラズマ処理装置
１…処理チャンバー
１１…ガス導入口
１２…排気口
１３…誘電体窓
２…ガス供給部
２１…エッチングガス供給源
２２…成膜ガス供給源
２３…酸素ガス供給源
３…誘導結合コイル
４…電力投入部
４１…高周波電源
４２…整合器
４３…パルス信号機
５…下部電極
５１…静電チャック
６…電圧印加部
６１…第１電源
６１１…第１整合器
６２…第２電源
６２１…第２整合器
６２２…フィルタ
６３…加算器
６４…ブロッキングコンデンサ
７…制御部
９…基板
９０…マスク
９１…シリコン層
９２…酸化層
８…保護膜

Claims

処理チャンバー内に配置された下部電極の上に基板を載置する載置工程と、
前記処理チャンバー内に所定のエッチングガスが供給されている状態で、前記処理チャンバーの外部に配置された誘導結合コイルに、前記エッチングガスをプラズマ化するための高周波電力を投入して前記基板のシリコン層をエッチングし、該シリコン層に縦穴構造を形成する、シリコンエッチング工程と、
前記処理チャンバー内に所定の成膜ガスが供給されている状態で、前記誘導結合コイルに、前記成膜ガスをプラズマ化するための前記高周波電力を投入して、前記縦穴構造の側壁および底面に保護膜を形成する成膜工程と、
前記処理チャンバー内に所定のエッチングガスが供給されている状態で、前記誘導結合コイルに、前記エッチングガスをプラズマ化するための高周波電力を投入するとともに、前記下部電極に、自己バイアスを形成するための第１周波数成分と前記第１周波数成分よりも周波数が低い第２周波数成分が重畳された重畳電圧を印加して、前記縦穴構造の底面に形成された前記保護膜をエッチングする保護膜エッチング工程と、
を備え、
前記シリコンエッチング工程と前記保護膜エッチング工程のうち該保護膜エッチング工程においてのみ、前記誘導結合コイルに投入される高周波電力がパルス化されている、プラズマ処理方法。
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記保護膜エッチング工程において、
前記下部電極に、前記重畳電圧をパルス化して印加する、
プラズマ処理方法。
請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
前記保護膜エッチング工程において、
前記誘導結合コイルに対する前記高周波電力の投入が停止され、且つ、前記下部電極に対して前記重畳電圧が印加される第１状態と、前記誘導結合コイルに対して前記高周波電力が投入され、且つ、前記下部電極に対する前記重畳電圧の印加が停止される第２状態とが、交互に繰り返し形成される、
プラズマ処理方法。
請求項１から３のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記シリコンエッチング工程と、前記成膜工程と、前記保護膜エッチング工程とが、この順に、繰り返される、プラズマ処理方法。
請求項４に記載のプラズマ処理方法であって、
前記保護膜エッチング工程において、前記下部電極に対する前記重畳電圧の印加が開始されてから所定時間が経過した時点で、前記重畳電圧の印加を停止して、該保護膜エッチング工程から前記シリコンエッチング工程に切り換える切り換え工程、
を備える、プラズマ処理方法。
請求項５に記載のプラズマ処理方法であって、
前記切り換え工程において、前記誘導結合コイルに投入する前記高周波電力のパルス化を停止する、
プラズマ処理方法。