JP7061981B2 - プラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法 - Google Patents

プラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法 Download PDF

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Description

本開示の種々の側面および実施形態は、プラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法に関する。
例えば、下記特許文献１には、高周波ソース電力および高周波バイアス電力を周期的にオン／オフし、パルス高周波ソース電力に対してパルス高周波バイアス電力の位相を遅延させる技術が開示されている。これにより、ドライエッチングにおけるチャージアップ損傷を防止することができると記載されている。
特開２０００－３１１８９０号公報
本開示は、エッチングにより形成されるホールの形状を改善することができるプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法を提供する。
本開示の一側面は、プラズマエッチング装置であって、処理容器と、ステージと、ガス供給部と、第１の高周波電源と、第２の高周波電源と、制御装置とを備える。ステージは、処理容器内に設けられ、エッチング対象となる膜が積層された基板が載置される。ガス供給部は、処理容器内に処理ガスを供給する。第１の高周波電源は、処理容器内に第１の高周波電力を供給することにより、処理容器内に供給された処理ガスをプラズマ化する。第２の高周波電源は、第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力をステージに供給する。制御装置は、第１の高周波電力および第２の高周波電力の供給および供給停止を制御する。また、制御装置は、第１の高周波電力および第２の高周波電力の供給および供給停止を所定周期毎に制御する。また、第１の高周波電力および第２の高周波電力は、排他的に供給される。また、第１の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合は、第２の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合よりも低い。
本開示の種々の側面および実施形態によれば、エッチングにより形成されるホールの形状を改善することができる。
図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。 図２は、本開示の一実施形態におけるパルス信号の一例を示す図である。 図３は、パルス信号の他の例を示す図である。 図４は、パルス信号の他の例を示す図である。 図５は、パルス信号の他の例を示す図である。 図６は、パルス信号の他の例を示す図である。 図７は、本開示の一実施形態におけるプラズマエッチング方法の一例を示すフローチャートである。 図８は、ウエハの一例を示す断面図である。 図９は、比較実験に用いられたパルス信号を示す図である。 図１０は、第１の実験において形成されたホールの形状の一例を示す断面図である。 図１１は、第２の実験において形成されたホールの形状の一例を示す断面図である。 図１２は、第１の高周波電力の大きさを変えた場合のエッチングレートの一例を示す図である。 図１３は、第１の高周波電力に適用されるパルス信号のデューティ比を変えた場合のエッチングレートの一例を示す図である。 図１４は、第２の高周波電力に適用されるパルス信号のデューティ比を変えた場合のエッチングレートの一例を示す図である。
以下に、開示されるプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により、開示されるプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法が限定されるものではない。
ところで、近年の半導体デバイスの微細化および高密度化の進行により、基板に形成されるホールにおいて、隣接するホールどうしの間隔が狭くなっている。また、半導体デバイス内にキャパシタ等の構造物が形成される場合、構造物の体積をある程度確保するためには、構造物のアスペクト比を大きくする必要がある。アスペクト比の大きい構造物を形成するためには、アスペクト比が大きいホールを形成する必要がある。
ホールをドライエッチングにより形成する場合は、ホールの底部の幅に対して側壁の幅が大きくなるいわゆるボーイングが発生する場合がある。ホールのアスペクト比が大きくなるほど、ボーイングが発生しやすくなる。ボーイングが発生すると、隣接するホールどうしがつながってしまう場合がある。
そこで、本開示は、エッチングにより形成されるホールの形状を改善することができる技術を提供する。
［プラズマエッチング装置１の構成］
図１は、本開示の一実施形態におけるプラズマエッチング装置１の一例を示す概略断面図である。本実施形態におけるプラズマエッチング装置１は、例えば容量結合型平行平板プラズマエッチング装置である。プラズマエッチング装置１は、装置本体２および制御装置３を有する。装置本体２は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムによって形成され、内部に略円筒形状の空間が形成された処理容器１０を有する。なお、処理容器１０は、無垢のアルミニウムあるいはセラミックス等が溶射されたアルミニウム等によって形成されてもよい。処理容器１０は接地されている。
処理容器１０内には、エッチング対象となる膜が積層された基板の一例であるウエハＷが載置される略円筒形状のステージ１１が設けられる。ステージ１１は、下部電極１２、エッジリング１３、および静電チャック１４を有する。下部電極１２は、例えばアルミニウム等で形成されており、絶縁部材１２ａを介して処理容器１０の底部によって支持されている。
下部電極１２の上面には、ウエハＷを静電気力で吸着保持する静電チャック１４が設けられている。静電チャック１４は、導電膜で形成された電極１４ａが一対の絶縁膜１４ｂで挟まれた構造を有する。電極１４ａには直流電源１４０が電気的に接続されている。ウエハＷは、静電チャック１４の上面に載置され、直流電源１４０から供給された直流電圧によって静電チャック１４の表面に生じた静電気力により静電チャック１４の上面に吸着保持される。
下部電極１２の上面には、静電チャック１４を囲むように、例えば単結晶シリコン等で形成された導電性のエッジリング１３が設けられる。エッジリング１３は、フォーカスリングと呼ばれることもある。エッジリング１３により、ウエハＷの表面においてプラズマ処理の均一性が向上する。下部電極１２の側面は、例えば石英等で形成された円筒形状の内壁部材１２ｂによって囲まれている。
下部電極１２には、スイッチ１８３および整合器１８１を介して第２の高周波電源１８０が接続されている。第２の高周波電源１８０は、イオン引き込み用（バイアス用）の電源であり、３００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば２ＭＨｚの第２の高周波電力を発生させる。第２の高周波電源１８０が発生させた第２の高周波電力は、スイッチ１８３がオン状態の間に、整合器１８１およびスイッチ１８３を介して、下部電極１２に供給される。整合器１８１は、第２の高周波電源１８０の内部（または出力）インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させる。
制御装置３は、所定のデューティ比の周期信号であるパルス信号ＬＦを発生させ、発生させたパルス信号ＬＦをスイッチ１８３に供給する。スイッチ１８３は、制御装置３から供給されたパルス信号ＬＦに基づいて、第２の高周波電源１８０から下部電極１２への第２の高周波電力の供給および供給停止を制御する。スイッチ１８３は、例えば、パルス信号ＬＦの電圧がＨｉｇｈである場合にオン状態となり、第２の高周波電源１８０からの第２の高周波電力を下部電極１２へ供給する。一方、例えば、パルス信号ＬＦの電圧がＬｏｗある場合に、スイッチ１８３はオフ状態となり、第２の高周波電源１８０から下部電極１２への第２の高周波電力の供給を停止する。
下部電極１２の内部には、例えば環状の流路１２０が形成されている。流路１２０には、外部に設けられた図示しないチラーユニットから、配管１２１ａおよび配管１２１ｂを介して冷媒が循環供給される。流路１２０内を循環する冷媒によって下部電極１２が冷却されることにより、下部電極１２上の静電チャック１４を介してウエハＷが冷却される。
また、静電チャック１４上に載置されたウエハＷと静電チャック１４との間には、図示しない伝熱ガス供給機構から、例えばＨｅガス等の伝熱ガスが、配管１４１を介して供給される。配管１４１を介して供給される伝熱ガスにより、静電チャック１４とウエハＷとの間の熱の移動量が調整される。これにより、ウエハＷの温度を所定の温度に制御することができる。
ステージ１１の周囲には、ステージ１１を囲むように排気路７１が設けられている。排気路７１内には、複数の貫通口を有するバッフル板７５が設けられている。また、排気路７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、例えばターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有しており、処理容器１０内を所望の真空度まで減圧することができる。
処理容器１０の側壁には、開口７４が設けられており、開口７４は、ゲートバルブＧによって開閉される。また、処理容器１０の内側壁およびステージ１１の側壁には、デポシールド７６およびデポシールド７７が着脱自在に設けられている。デポシールド７６およびデポシールド７７によって、処理容器１０およびステージ１１の側壁に反応副生成物（デポ）が付着することが防止される。
ステージ１１の上方には、ステージ１１の下部電極１２と対向するようにシャワーヘッド１６が設けられている。シャワーヘッド１６は、下部電極１２に対する上部電極として機能する。下部電極１２とシャワーヘッド１６とは、互いに略平行となるように処理容器１０内に設けられている。以下では、静電チャック１４上に載置されたウエハＷと、シャワーヘッド１６の下面との間の空間を処理空間Ｓと記載する。
シャワーヘッド１６は、絶縁部材４５を介して処理容器１０の上部に支持されている。シャワーヘッド１６は、天板保持部１６０および天板１６１を有する。天板保持部１６０は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等により形成されており、その下部に天板１６１を着脱自在に支持する。天板１６１は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＣ、石英等のシリコン含有物質で形成されている。
天板保持部１６０の内部には、拡散室１６２が形成されている。また、天板保持部１６０の底部には、拡散室１６２に連通する複数の流通口１６３が形成されている。また、天板保持部１６０の上部には、拡散室１６２に処理ガスを導入するための導入口１６５が形成されている。導入口１６５には、配管１５３を介してガス供給部１５が接続されている。
ガス供給部１５は、複数のガス供給源１５０ａ～１５０ｃ、複数のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５１ａ～１５１ｃ、および複数のバルブ１５２ａ～１５２ｃを有する。ガス供給源１５０ａは、例えばＣ４Ｆ６ガスの供給源である。ガス供給源１５０ｂは、例えばＣ３Ｆ８ガスの供給源である。ガス供給源１５０ｃは、例えばＯ２ガスの供給源である。
ＭＦＣ１５１ａは、ガス供給源１５０ａから供給されたＣ４Ｆ６ガスの流量を制御し、流量が制御されたＣ４Ｆ６ガスを、バルブ１５２ａおよび配管１５３を介してシャワーヘッド１６に供給する。ＭＦＣ１５１ｂは、ガス供給源１５０ｂから供給されたＣ３Ｆ８ガスの流量を制御し、流量が制御されたＣ３Ｆ８ガスを、バルブ１５２ｂおよび配管１５３を介してシャワーヘッド１６に供給する。ＭＦＣ１５１ｃは、ガス供給源１５０ｃから供給されたＯ２ガスの流量を制御し、流量が制御されたＯ２ガスを、バルブ１５２ｃおよび配管１５３を介してシャワーヘッド１６へ供給する。
また、天板１６１には、天板１６１を厚さ方向に貫通するように複数の吐出口１６４が設けられている。１つの吐出口１６４は、１つの流通口１６３に連通している。導入口１６５を介して拡散室１６２内に供給されたＣ４Ｆ６ガス、Ｃ３Ｆ８ガス、およびＯ２ガスを含む処理ガスは、拡散室１６２内を拡散し、複数の流通口１６３および吐出口１６４を介して処理空間Ｓ内にシャワー状に供給される。
また、天板保持部１６０には、スイッチ１７３および整合器１７１を介して第１の高周波電源１７０が接続されている。第１の高周波電源１７０は、プラズマ生成用の電源であり、１３．５６ＭＨｚ以上の周波数、例えば６０ＭＨｚの第１の高周波電力を発生させる。第１の高周波電源１７０が発生させた第１の高周波電力は、スイッチ１７３がオン状態の間に、整合器１７１およびスイッチ１７３を介して、天板保持部１６０に供給される。整合器１７１は、第１の高周波電源１７０の内部（または出力）インピーダンスと負荷インピーダンスとを整合させる。
制御装置３は、所定のデューティ比の周期信号であるパルス信号ＨＦを発生させ、発生させたパルス信号ＨＦをスイッチ１７３に供給する。スイッチ１７３は、制御装置３から供給されたパルス信号ＨＦに基づいて、第１の高周波電源１７０から天板保持部１６０への第１の高周波電力の供給および供給停止を制御する。スイッチ１７３は、例えば、パルス信号ＨＦの電圧がＨｉｇｈである場合にオン状態となり、第１の高周波電源１７０からの第１の高周波電力を天板保持部１６０へ供給する。一方、例えば、パルス信号ＨＦの電圧がＬｏｗある場合に、スイッチ１７３はオフ状態となり、第１の高周波電源１７０から天板保持部１６０への第１の高周波電力の供給を停止する。
また、天板保持部１６０には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７５を介して直流電源１７４が接続されている。直流電源１７４は、ＬＰＦ１７５を介して、負の直流電圧を天板保持部１６０に供給する。直流電源１７４は、電圧供給部の一例である。なお、シャワーヘッド１６には、図示しないヒータや、冷媒を循環させるための図示しない配管等の温度調整機構が設けられており、ウエハＷの処理中にシャワーヘッド１６を所望の範囲内の温度に制御できるようになっている。
上記のように構成された装置本体２は、メモリ、プロセッサ、および入出力インターフェイスを備える制御装置３によって制御される。プロセッサは、メモリ内に格納されたプログラムを読み出して実行することにより、メモリ内に格納されたレシピやデータに基づいて、入出力インターフェイスを介して、装置本体２の各部を制御する。
［オフセットパルスを用いた高周波電力の供給］
本実施形態におけるプラズマエッチング装置１では、制御装置３によって例えば図２に示されるようなパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦが生成される。図２（ａ）および図２（ｂ）は、本開示の一実施形態におけるパルス信号の一例を示す図である。パルス信号ＨＦは、第１の高周波電力の供給および供給停止に用いられ、パルス信号ＬＦは、第２の高周波電力の供給および供給停止に用いられる。
パルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦは、周期Ｔ0で繰り返される周期パルス信号である。パルス信号ＨＦは、例えば図２（ａ）に示されるように、周期Ｔ0の中で、期間ＴHにおいてＨｉｇｈ状態（以下Ｈ状態と記載する）となり、それ以外の期間において、Ｌｏｗ状態（以下Ｌ状態と記載する）となる。スイッチ１７３は、パルス信号ＨＦがＨ状態の時にオン状態となり、第１の高周波電源１７０から天板保持部１６０に第１の高周波電力を供給する。一方、スイッチ１７３は、パルス信号ＨＦがＬ状態の時にオフ状態となり、第１の高周波電源１７０から天板保持部１６０への第１の高周波電力の供給を停止する。
パルス信号ＬＦは、例えば図２（ｂ）に示されるように、周期Ｔ0の中で、期間ＴLにおいてＨ状態となり、それ以外の期間において、Ｌ状態となる。スイッチ１８３は、パルス信号ＬＦがＨ状態の時にオン状態となり、第２の高周波電源１８０から下部電極１２に第２の高周波電力を供給する。一方、スイッチ１８３は、パルス信号ＬＦがＬ状態の時にオフ状態となり、第２の高周波電源１８０から下部電極１２への第２の高周波電力の供給を停止する。
周期Ｔ0の長さに対するＨ状態の長さをデューティ比と定義する。本実施形態において、パルス信号ＨＦのデューティ比は、例えば１０％以上２０％以下の範囲内の値である。また、パルス信号ＬＦのデューティ比は、パルス信号ＨＦのデューティ比よりも高く、例えば５０％以上の値である。
また、本実施形態において、パルス信号ＨＦがＬ状態からＨ状態に変化するタイミングｔ0と、パルス信号ＬＦがＨ状態からＬ状態に変化するタイミングｔ0とは一致している。また、本実施形態において、周期Ｔ0の中でパルス信号ＨＦまたはパルス信号ＬＦのいずれか一方がＨ状態となっている期間は、他方がＬ状態となっている。即ち、周期Ｔ0の中でパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦは、排他的に供給される。これにより、処理容器１０内でプラズマを安定的に生成することができる。
また、プラズマを安定的に着火するためには、パルス信号ＨＦの期間ＴHが６０μ秒以上の長さである必要がある。２０％のデューティ比でパルス信号ＨＦの期間ＴHが６０μ秒以上の長さになるためには、パルス信号ＨＦの１周期Ｔ0の長さが３００μ秒以上である必要がある。従って、パルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦの周波数は、３．３ｋＨｚ以下である必要がある。
また、パルス信号ＨＦの期間ＴLが長すぎると、着火したプラズマが失火してしまう。そのため、パルス信号ＨＦの周波数は例えば１ｋＨｚ以上であり、かつ、パルス信号ＨＦのデューティ比は例えば１０％以上であることが好ましい。従って、パルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦの周波数は、１ｋＨｚ以上３．３ｋＨｚ以下の範囲内の周波数であることが好ましい。
また、本実施形態において、周期Ｔ0には、パルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦの両方がＬ状態となっている期間Ｔ1が含まれることが好ましい。これにより、ハードウエアの制御が容易となる。
なお、プラズマの安定性の観点では、パルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦのデューティ比は、例えば図３（ａ）および（ｂ）に示されるような関係であってもよい。図３（ａ）および（ｂ）は、パルス信号の他の例を示す図である。プラズマの安定性の観点では、例えば図３（ａ）および（ｂ）に示されるように、パルス信号ＬＦのデューティ比は、パルス信号ＨＦのデューティ比より低くてもよい。
また、プラズマの安定性の観点では、パルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦのデューティ比は、例えば図４（ａ）および（ｂ）に示されるような関係であってもよい。図４（ａ）および（ｂ）は、パルス信号の他の例を示す図である。プラズマの安定性の観点では、例えば図４（ａ）および（ｂ）に示されるように、パルス信号ＬＦのデューティ比は、パルス信号ＨＦのデューティ比と同じ値であってもよい。
ただし、図３または図４に示されたパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦでは、処理容器１０内でプラズマを安定的に生成することができるものの、後述するホールの形状の改善の観点では十分ではない。
なお、例えば図５（ａ）および（ｂ）に示されるようなパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦでは、処理容器１０内でプラズマが不安定になってしまうので好ましくない。図５（ａ）および（ｂ）は、パルス信号の他の例を示す図である。図５（ａ）および（ｂ）に例示されたパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦでは、パルス信号ＨＦがＬ状態からＨ状態に変化するタイミングと、パルス信号ＬＦがＨ状態からＬ状態に変化するタイミングとが一致していない。そのため、処理容器１０内でプラズマが不安定になってしまう。
また、例えば図６（ａ）および（ｂ）に示されるようなパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦにおいても、処理容器１０内でプラズマが不安定になってしまうので好ましくない。図６（ａ）および（ｂ）は、パルス信号の他の例を示す図である。図６（ａ）および（ｂ）に例示されたパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦでは、パルス信号ＨＦがＬ状態からＨ状態に変化するタイミングｔ0と、パルス信号ＬＦがＨ状態からＬ状態に変化するタイミングｔ0とが一致している。しかし、パルス信号ＨＦがＨ状態の期間とパルス信号ＬＦがＨ状態の期間とが期間ΔＴにおいて重なっている。そのため、処理容器１０内でプラズマが不安定になってしまう。
［プラズマエッチング方法］
図７は、本開示の一実施形態におけるプラズマエッチング方法の一例を示すフローチャートである。図７に例示されたプラズマエッチング方法は、主に制御装置３が装置本体２の各部を制御することによって実現される。
まず、未処理のウエハＷが処理容器１０内に搬入される（Ｓ１０）。ステップＳ１０では、例えば図８に示されるようなウエハＷが処理容器１０内に搬入される。図８は、ウエハＷの一例を示す断面図である。ウエハＷは、基板１００、シリコン含有膜１０１、およびマスク膜１０２を有する。シリコン含有膜１０１は、シリコン酸化膜１０３およびシリコン窒化膜１０４を含む。マスク膜１０２には、シリコン含有膜１０１に形成されるホールの開口部の形状に沿ったパターンが形成されている。
ステップＳ１０では、ゲートバルブＧが開かれ、図示しない搬送機構により未処理のウエハＷが処理容器１０内に搬入され、静電チャック１４上に載置される。そして、ゲートバルブＧが閉じられ、直流電源１４０から静電チャック１４内の電極１４ａに直流電圧が供給される。これにより、ウエハＷが静電チャック１４の上面に吸着保持される。そして、図示しないチラーユニットにより、下部電極１２の流路１２０内を循環する冷媒の温度が調整されることにより、ウエハＷの温度が所定の温度に調節される。ステップＳ１０は、載置工程の一例である。
次に、処理容器１０内の圧力が調整される（Ｓ１１）。ステップＳ１１では、排気装置７３によって、所定の真空度まで処理容器１０内のガスが排気され、バルブ１５２ａ～１５２ｃが開かれる。そして、ＭＦＣ１５１ａによって、ガス供給源１５０ａから処理容器１０内に供給されるＣ４Ｆ６ガスの流量が調整される。また、ＭＦＣ１５１ｂによって、ガス供給源１５０ｂから処理容器１０内に供給されるＣ３Ｆ８ガスの流量が調整される。また、ＭＦＣ１５１ｃによって、ガス供給源１５０ｃから処理容器１０内に供給されるＯ２ガスの流量が調整される。Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ３Ｆ８ガス、およびＯ２ガスを含む処理ガスは、シャワーヘッド１６の拡散室１６２内を拡散し、処理容器１０の処理空間Ｓ内にシャワー状に供給される。ステップＳ１１は、供給工程の一例である。
次に、シャワーヘッド１６を介して、処理容器１０内に第１の高周波電力の供給が開始される（Ｓ１２）。ステップＳ１２では、制御装置３が、例えば図２（ａ）に示されたパルス信号ＨＦを発生させ、スイッチ１７３がパルス信号ＨＦに基づいて第１の高周波電源１７０からシャワーヘッド１６への第１の高周波電力の供給および供給停止を制御する。処理空間Ｓ内に第１の高周波電力が供給されることにより、処理空間Ｓ内に供給された処理ガスがプラズマ化される。ステップＳ１２は、プラズマ生成工程の一例である。
次に、下部電極１２に第２の高周波電力の供給が開始される（Ｓ１３）。ステップＳ１３では、制御装置３が、例えば図２（ｂ）に示されたパルス信号ＬＦを発生させ、スイッチ１８３がパルス信号ＬＦに基づいて第２の高周波電源１８０から下部電極１２への第２の高周波電力の供給および供給停止を制御する。下部電極１２に第２の高周波電力が供給されることにより、処理空間Ｓ内に生成されたプラズマに含まれるイオンが静電チャック１４上のウエハＷに引き込まれる。ウエハＷに引き込まれたイオンによって、マスク膜１０２のパターンに沿ってウエハＷがエッチングされる。ステップＳ１３は、イオン引込工程の一例である。
次に、所定時間が経過したか否かが判定される（Ｓ１４）。所定時間は、例えば、シリコン含有膜１０１に形成されるホールが所定の深さになるのに要する時間である。所定時間が経過していない場合（Ｓ１４：Ｎｏ）、再びステップＳ１４の処理が実行される。
一方、所定時間が経過した場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、第１の高周波電力および第２の高周波電力の供給が停止される（Ｓ１５）。そして、バルブ１５２ａ～１５２ｃが閉じられ、処理容器１０内への処理ガスの供給が停止される（Ｓ１６）。
そして、処理容器１０内の処理ガスが排気された後、直流電源１４０から静電チャック１４内の電極１４ａへの直流電圧の供給が停止される。そして、ゲートバルブＧが開かれ、図示しない搬送機構により処理済みのウエハＷが処理容器１０内から搬出される（Ｓ１７）。そして、本フローチャートに示されたプラズマエッチング方法が終了する。
図７に例示されたプラズマエッチング方法における主な処理条件は、例えば以下の通りである。
圧力：１０～３０ｍＴｏｒｒ
ガス種：Ｃ４Ｆ６／Ｃ３Ｆ８／Ｏ２
第１の高周波電力：２０００～３０００Ｗ
第２の高周波電力：７０００～１００００Ｗ
パルス信号の周期：１～１０ｋＨｚ
シャワーヘッド１６に供給される負の直流電圧：－５００～－３００Ｖ
［比較実験］
本実施形態におけるプラズマエッチングと、比較例におけるプラズマエッチングとを比較する実験を行った。比較例におけるプラズマエッチングでは、例えば図９（ａ）および（ｂ）に示されるようなパルス信号が用いられた。図９（ａ）および（ｂ）は、比較実験に用いられたパルス信号を示す図である。
比較実験に用いられたパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦは、例えば図９（ａ）および（ｂ）に示されるように、周期Ｔ0の中で、いずれも期間ＴaにおいてＨ状態となっている。比較実験に用いられたパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦのデューティ比（Ｔa／Ｔ0）は、いずれも２０％である。
一方、本実施形態におけるパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦは、例えば図２（ａ）および（ｂ）に示されたパルス信号である。即ち、周期Ｔ0の中で、パルス信号ＨＦがＬ状態からＨ状態に変化するタイミングｔ0と、パルス信号ＬＦがＨ状態からＬ状態に変化するタイミングｔ0とが一致している。また、パルス信号ＨＦとパルス信号ＬＦとでＨ状態の期間が重ならない。また、パルス信号ＬＦのデューティ比は、パルス信号ＨＦのデューティ比よりも高い。実験では、デューティ比が１０％のパルス信号ＨＦと、デューティ比が６０％のパルス信号ＬＦが用いられた。それ以外の処理条件については、比較例の処理条件と本実施形態の処理条件とは同一である。
図１０（ａ）および（ｂ）は、第１の実験において形成されたホールの形状の一例を示す断面図である。図１０（ａ）には、比較例の処理条件でウエハＷに形成されたホールが示されており、図１０（ｂ）には、本実施形態の処理条件でウエハＷに形成されたホールが示されている。以下では、シリコン酸化膜１０３におけるホールの幅の最大値をシリコン酸化膜１０３のボーイング値、シリコン窒化膜１０４におけるホールの幅の最大値をシリコン窒化膜１０４のボーイング値と定義する。
比較例の処理条件で形成されたホールでは、シリコン酸化膜１０３のボーイング値が２６．１ｎｍであり、シリコン窒化膜１０４のボーイング値が２６．８ｎｍであった。一方、本実施形態の処理条件で形成されたホールでは、シリコン酸化膜１０３のボーイング値が２４．９ｎｍであり、シリコン窒化膜１０４のボーイング値が２３．６ｎｍであった。即ち、本実施形態の処理条件で形成されたホールでは、比較例の処理条件で形成されたホールに比べて、シリコン酸化膜１０３のボーイング値が１．２ｎｍ改善しており、シリコン窒化膜１０４のボーイング値が３．２ｎｍ改善している。
図１１（ａ）～（ｃ）は、第２の実験において形成されたホールの形状の一例を示す断面図である。第２の実験では、パルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦのいずれか一方のみを用いてプラズマエッチングが行われた。図１１（ａ）は、デューティ比１０％のパルス信号ＨＦのみを用いて形成されたホールの形状を示し、図１１（ｂ）は、デューティ比６０％パルス信号ＬＦのみを用いて形成されたホールの形状を示す。また、図１１（ｃ）は、本実施形態の処理条件におけるパルス信号ＨＦおよびパルス信号ＬＦを用いて形成されたホールの形状を示す。図１１（ａ）のプラズマエッチングでは、第２の高周波電力の供給は停止されており、図１１（ｂ）のプラズマエッチングでは、第１の高周波電力の供給は停止されている。それ以外の処理条件については、同一である。
デューティ比１０％のパルス信号ＨＦのみを用いてプラズマエッチングが行われた場合、例えば図１１（ａ）に示されるように、反応副生成物（いわゆるデポ）によりマスク膜１０２の開口が閉塞してしまい、エッチングが停止した。即ち、デューティ比１０％のパルス信号ＨＦを用いることにより、ホールにデポを堆積させることができる。
また、デューティ比６０％のパルス信号ＬＦのみを用いてプラズマエッチングが行われた場合、例えば図１１（ｂ）に示されるように、ホールが形成された。図１１（ｂ）に示されたホールにおいて、シリコン酸化膜１０３のボーイング値は２２．１ｎｍであり、シリコン窒化膜１０４のボーイング値は２１．７ｎｍであった。
また、デューティ比１０％のパルス信号ＨＦと、デューティ比６０％のパルス信号ＬＦとを用いてプラズマエッチングが行われた場合、例えば図１１（ｃ）に示されるように、ホールが形成された。図１１（ｃ）に示されたホールにおいて、シリコン酸化膜１０３のボーイング値は２１．６ｎｍであり、シリコン窒化膜１０４のボーイング値は２０．３ｎｍであった。即ち、本実施形態の処理条件で形成されたホールでは、デューティ比６０％のパルス信号ＬＦのみで形成されたホールに比べて、シリコン酸化膜１０３のボーイング値が０．５ｎｍ改善しており、シリコン窒化膜１０４のボーイング値が１．４ｎｍ改善している。
図１１（ａ）～（ｃ）に示された第２の実験の結果から明らかなように、デューティ比６０％のパルス信号ＬＦが適用された第２の高周波電力により、ホールのエッチングが進行する。これに、デューティ比１０％のパルス信号ＨＦが適用された第１の高周波電力を加えることにより、ホールの側壁にデポを堆積させながらエッチングを進めることができる。これにより、本実施形態の処理条件で形成されたホールでは、ボーイングが抑制された。
ここで、パルス信号ＨＦが適用された第１の高周波電力によってデポが堆積される条件を調べた。図１２（ａ）～（ｃ）は、第１の高周波電力の大きさを変えた場合のエッチングレートの一例を示す図である。図１２（ａ）は、第１の高周波電力が５００Ｗの場合のエッチングレートを示している。図１２（ｂ）は、第１の高周波電力が２０００Ｗの場合のエッチングレートを示している。図１２（ｃ）は、第１の高周波電力が５５００Ｗの場合のエッチングレートを示している。図１２（ａ）～（ｃ）では、パルス信号ＨＦに代えて、常時Ｈ状態の信号がスイッチ１７３に入力された。また、図１２（ａ）～（ｃ）では、エッチングレートの測定対象となる膜は、シリコン酸化膜である。
図１２（ａ）～（ｃ）の結果から明らかなように、第１の高周波電力が小さくなるほど、エッチングレートが低下している。第１の高周波電力が５００Ｗの場合のエッチングレートは、ほぼ０であるため、第１の高周波電力が５００Ｗ以下であれば、第１の高周波電力によってデポが堆積されると考えられる。
図１３（ａ）～（ｃ）は、第１の高周波電力に適用されるパルス信号ＨＦのデューティ比を変えた場合のエッチングレートの一例を示す図である。図１３（ａ）～（ｃ）において、第１の高周波電力は２０００Ｗである。図１３（ａ）は、図１２（ｂ）と同一の測定結果である。図１３（ｂ）では、デューティ比２０％のパルス信号ＨＦがスイッチ１７３に入力された。図１３（ｃ）では、デューティ比１０％のパルス信号ＨＦがスイッチ１７３に入力された。
図１３（ａ）～（ｃ）の結果から明らかなように、パルス信号ＨＦのデューティ比が低くなるほど、エッチングレートが低下している。デューティ比２０％のパルス信号ＨＦでは、例えば図１３（ｂ）に示されるように、エッチングレートがほぼ０である。そのため、第１の高周波電力が２０００Ｗである場合、パルス信号ＨＦのデューティ比が２０％以下であれば、第１の高周波電力によってデポが堆積されると考えられる。
図１２および図１３の実験結果から、第１の高周波電力をＰ（Ｗ）、パルス信号ＨＦのデューティ比をＤ（％）とした場合、下記の関係式（１）を満たす条件であれば、第１の高周波電力によってデポが堆積されると考えられる。
Ｐ×Ｄ／１００≦５００ ・・・（１）
なお、安定的なプラズマを生成するという観点では、パルス信号ＨＦのデューティ比は、１０％以上であることが好ましい。従って、パルス信号ＨＦのデューティ比は、１０％以上２０％以下の範囲内の値であることが好ましい。
図１４（ａ）および（ｂ）は、第２の高周波電力に適用されるパルス信号ＬＦのデューティ比を変えた場合のエッチングレートの一例を示す図である。図１４（ａ）は、デューティ比２０％のパルス信号ＨＦと、デューティ比２０％のパルス信号ＬＦとを用いた場合のエッチングレートを示す。また、図１４（ａ）は、デューティ比２０％のパルス信号ＨＦと、デューティ比６０％のパルス信号ＬＦとを用いた場合のエッチングレートを示す。図１４（ａ）および（ｂ）では、エッチングレートの測定対象となる膜は、シリコン酸化膜である。
図１４（ａ）および（ｂ）の結果から明らかなように、パルス信号ＬＦのデューティ比が高くなると、エッチングレートが上がる。図１４（ｂ）の実験では、パルス信号ＬＦのデューティ比は６０％であったが、その後の実験の結果、パルス信号ＬＦのデューティ比が５０％以上であれば、エッチングレートの向上が見られた。従って、パルス信号ＬＦのデューティ比は、５０％以上であることが好ましい。
以上、一実施形態について説明した。上記したように、本実施形態のプラズマエッチング装置１は、処理容器１０と、ステージ１１と、ガス供給部１５と、第１の高周波電源１７０と、第２の高周波電源１８０と、制御装置３とを備える。ステージ１１は、処理容器１０内に設けられ、エッチング対象となる膜が積層されたウエハＷが載置される。ガス供給部１５は、処理容器１０内に処理ガスを供給する。第１の高周波電源１７０は、処理容器１０内に第１の高周波電力を供給することにより、処理容器１０内に供給された処理ガスをプラズマ化する。第２の高周波電源１８０は、第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力をステージに供給する。制御装置３は、第１の高周波電力および第２の高周波電力の供給および供給停止を制御する。また、制御装置３は、第１の高周波電力および第２の高周波電力の供給および供給停止を所定周期毎に制御する。また、第１の高周波電力および第２の高周波電力は、排他的に供給される。また、第１の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合は、第２の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合よりも低い。これにより、エッチングによりウエハＷに形成されるホールの形状を改善することができる。
また、上記した実施形態において、第１の高周波電力および第２の高周波電力の供給および供給停止が制御される１周期の中には、第１の高周波電力および第２の高周波電力のいずれも供給されない期間が含まれる。これにより、ハードウエアの制御が容易となる。
また、上記した実施形態において、制御装置３は、第２の高周波電力の供給が停止されるタイミングで、第１の高周波電力の供給を開始する。これにより、処理容器１０内にプラズマを安定的に生成することができる。
また、上記した実施形態において、制御装置３は、第１の高周波電力の供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合が１０％以上２０％以下の範囲内の割合となるように第１の高周波電力の供給および供給停止を制御する。これにより、ホールの側壁のエッチングを抑制しながら、ホールの深さ方向のエッチングを進行させることができる。
また、上記した実施形態において、制御装置３は、第２の高周波電力の供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合が５０％以上の割合となるように第２の高周波電力の供給および供給停止を制御する。これにより、所望の深さのホールを迅速に形成することができる。
また、上記した実施形態におけるプラズマエッチング装置１は、ガス供給部１５から供給された処理ガスを処理容器１０内にシャワー状に供給するシャワーヘッド１６と、シャワーヘッド１６に負の直流電圧を供給する直流電源１７４とをさらに備える。これにより、エッチングの精度を向上させることができる。
また、上記した実施形態において、エッチング対象となる膜は、シリコン含有絶縁膜である。また、シリコン含有絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸窒化膜の少なくともいずれかを含む膜である。これにより、エッチング対象となる膜に形成されるホールの形状を改善することができる。
また、上記した実施形態におけるプラズマエッチング方法は、載置工程と、供給工程と、プラズマ生成工程と、イオン引込工程とを含む。載置工程では、処理容器１０内に設けられたステージ１１上に、エッチング対象となる膜が積層されたウエハＷが載置される。供給工程では、処理容器１０内に処理ガスが供給される。プラズマ生成工程では、処理容器１０内に第１の高周波電力が供給されることにより、処理容器１０内に供給された処理ガスがプラズマ化される。イオン引込工程では、第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力がステージ１１に供給されることにより、処理ガスのプラズマに含まれるイオンがウエハＷに引き込まれる。これにより、エッチングによりウエハＷに形成されるホールの形状を改善することができる。
［その他］
なお、本願に開示された技術は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
例えば、上記した実施形態では、第１の高周波電力がシャワーヘッド１６に供給されるが、開示の技術はこれに限られない。他の例として、第１の高周波電力は下部電極１２に供給されてもよい。
また、上記した実施形態では、プラズマ源の一例として容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）が用いられたが、開示の技術はこれに限られない。プラズマ源としては、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ）、電子サイクロトン共鳴プラズマ（ＥＣＰ）、またはヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ）等が用いられてもよい。
なお、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
Ｇ ゲートバルブ
ＨＦ パルス信号
ＬＦ パルス信号
Ｓ 処理空間
Ｗ ウエハ
１ プラズマエッチング装置
２ 装置本体
３ 制御装置
１０ 処理容器
１１ ステージ
１２ 下部電極
１２０ 流路
１２１ 配管
１２ａ 絶縁部材
１２ｂ 内壁部材
１３ エッジリング
１４ 静電チャック
１４ａ 電極
１４ｂ 絶縁膜
１４０ 直流電源
１４１ 配管
１５ ガス供給部
１５０ ガス供給源
１５１ ＭＦＣ
１５２ バルブ
１５３ 配管
１６ シャワーヘッド
１６０ 天板保持部
１６１ 天板
１６２ 拡散室
１６３ 流通口
１６４ 吐出口
１６５ 導入口
１７０ 第１の高周波電源
１７１ 整合器
１７３ スイッチ
１７４ 直流電源
１７５ ＬＰＦ
１８０ 第２の高周波電源
１８１ 整合器
１８３ スイッチ
４５ 絶縁部材
７１ 排気路
７２ 排気管
７３ 排気装置
７４ 開口
７５ バッフル板
７６ デポシールド
７７ デポシールド
１００ 基板
１０１ シリコン含有膜
１０２ マスク膜
１０３ シリコン酸化膜
１０４ シリコン窒化膜

Claims (10)

  1. 処理容器と、
    前記処理容器内に設けられ、エッチング対象となる膜が積層された基板が載置され、下部電極として機能するステージと、
    前記ステージに対向して設けられる上部電極と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内に第１の高周波電力を供給することにより、前記処理容器内に供給された前記処理ガスをプラズマ化する第１の高周波電源と、
    前記第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力を前記ステージに供給する第２の高周波電源と、
    前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力の供給および供給停止を制御する制御装置と
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力の供給および供給停止を所定周期毎に制御し、
    前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力は、１つの周期内において、前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力のうちいずれか一方が供給される間、前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力のうちいずれか他方の供給が停止されるように、排他的に供給され、
    前記第１の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合は、前記第２の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合よりも低いプラズマエッチング装置。
  2. 前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力の供給および供給停止が制御される１周期の中には、前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力のいずれも供給されない期間が含まれる請求項１に記載のプラズマエッチング装置。
  3. 前記制御装置は、
    前記第２の高周波電力の供給が停止されるタイミングで、前記第１の高周波電力の供給を開始する請求項１または２に記載のプラズマエッチング装置。
  4. 前記制御装置は、
    前記第１の高周波電力の供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合が１０％以上２０％以下の範囲内の割合となるように前記第１の高周波電力の供給および供給停止を制御する請求項１から３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング装置。
  5. 前記制御装置は、
    前記第２の高周波電力の供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合が５０％以上の割合となるように前記第２の高周波電力の供給および供給停止を制御する請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマエッチング装置。
  6. 前記ガス供給部から供給された前記処理ガスを前記処理容器内にシャワー状に供給するシャワーヘッドと、
    前記シャワーヘッドに負の直流電圧を供給する電圧供給部と
    をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載のプラズマエッチング装置。
  7. 前記エッチング対象となる膜は、シリコン含有絶縁膜である請求項１から６のいずれか一項に記載のプラズマエッチング装置。
  8. 前記シリコン含有絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン酸窒化膜の少なくともいずれかを含む膜である請求項７に記載のプラズマエッチング装置。
  9. 前記第１の高周波電力は、前記上部電極に供給される請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマエッチング装置。
  10. 処理容器内に設けられ、下部電極として機能するステージ上に、エッチング対象となる膜が積層された基板を載置する載置工程と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給する供給工程と、
    前記処理容器内に、前記ステージに対向して設けられる上部電極を介して第１の高周波電力を供給することにより、前記処理容器内に供給された前記処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成工程と、
    前記第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力を前記ステージに供給することにより、前記処理ガスのプラズマに含まれるイオンを前記基板に引き込むイオン引込工程と
    を含み、
    プラズマ生成工程およびイオン引込工程において、前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力の供給および供給停止は、所定周期毎に互いに独立に制御され、
    前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力は、１つの周期内において、前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力のうちいずれか一方が供給される間、前記第１の高周波電力および前記第２の高周波電力のうちいずれか他方の供給が停止されるように、排他的に供給され、
    前記第１の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合は、前記第２の高周波電力における供給および供給停止の１周期あたりの供給時間の割合よりも低いプラズマエッチング方法。
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