JP7113681B2 - エッチング処理方法およびエッチング処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エッチング処理方法およびエッチング処理装置に関する。
半導体デバイスの分野では、低消費電力化や記憶容量増大に対する要求のため、更なる微細化、およびデバイス構造の３次元化が進んでいる。３次元構造のデバイスの製造では、３次元構造のデバイスに比べ構造が立体的で複雑であるため、従来のウエハ面に対して垂直方向にエッチングを行う「垂直性(異方性)エッチング」に加え、横方向にもエッチングが可能な「等方性エッチング」が多用されている。
従来、等方性のエッチングは薬液を用いたウエット処理により行っていたが、微細化の進展により、薬液の表面張力によるパターン倒れや微細な隙間のエッチング残りの問題が顕在化している。そのため、等方性エッチングでは、従来の薬液を用いたウエット処理から、薬液を用いないドライ処理に置き換える傾向が強まっている。
特許文献１は、ドライエッチングの一例として、酸化膜除去処理が施されたウエハＷの溝の隅部に残存する隅部ＳｉＯ２層へＨＦガスの分子を吸着させ、余剰のＨＦガスを排出し、ＨＦガスの分子が吸着した隅部ＳｉＯ２層へ向けてＮＨ３ガスを供給し、隅部ＳｉＯ２層、ＨＦガス及びＮＨ３ガスを反応させてＡＦＳを生成し、ＡＦＳを昇華させて除去する基板処理方法を開示している。
特開２０１７－９２１４４号公報
しかるに、今後、例えば次世代３Ｄ－ＮＡＮＤフラッシュメモリの積層膜加工やＦｉｎ型ＦＥＴのゲート周りの加工においては、酸化膜を多結晶シリコン膜やシリコン窒化膜に対して高選択かつ等方的に、原子層レベルの制御性でエッチングする技術が求められることが予想されるが、特許文献１の技術では対応できない虞れがある。また、特許文献１の技術によれば、処理中にウエハの異物汚染の虞れもある。
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、異物汚染の抑制と、エッチング量の高精度な制御とを両立できるエッチング処理方法およびエッチング装置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、代表的な本発明のエッチング処理方法の一つは、
真空容器内部の処理室内に配置され、シリコンを含む部材から構成された処理対象の膜層をエッチング処理する方法であって、
前記処理室内に少なくともフッ化水素を含むガスを導入して前記処理対象の膜層の表面にフッ化水素分子を供給する第１のステップと、
前記処理室内部を排気して前記フッ化水素を含むガスを除く第２のステップと、
前記処理室内に窒化水素を含むガスを導入し、またはＮ ２ ガス及びＨ ２ ガスを導入した上でプラズマを発生させて前記処理対象の膜層の表面に窒化水素分子を供給して前記膜層の表面に窒素及び水素並びにフッ素を含む化合物の層を形成する第３のステップと、
前記第３のステップの終了後に前記処理室内部を排気して窒化水素を含むガスを除く排気ステップと、を１組のステップセットとして、前記ステップセットを複数回繰り返す膜形成の工程と、
前記膜形成の工程後に、前記処理対象の膜層の表面に形成された前記化合物の層を除く膜除去の工程と、を備えた
ことにより達成される。
代表的な本発明のエッチング処理装置の一つは、
シリコンを含む部材から構成された処理対象を内部に載置した真空容器と、
前記真空容器内にフッ化水素ガスを供給する第１ガス源と、
前記真空容器内に窒化水素ガスを供給する第２ガス源と、
前記真空容器内の排気を行う排気装置と、
前記処理対象を加熱する加熱装置と、
制御部とを有する、エッチング処理装置であって、
前記制御部は、
前記第１ガス源から、前記真空容器内にフッ化水素ガスを導入して前記処理対象の膜層の表面にフッ化水素分子を供給し、前記排気装置により、前記真空容器内部を排気して前記フッ化水素ガスを除き、前記第２ガス源から、前記真空容器内に窒化水素ガスを導入して前記膜層の表面に窒素及び水素並びにフッ素を含む化合物の層を形成し、前記化合物の層の形成後に前記真空容器内部を排気して窒化水素を含むガスを除くステップセットを複数回繰り返し、
更に前記加熱装置により前記処理対象を加熱して、前記膜層の表面に形成された前記化合物の層を除くように、制御を行うことにより達成される。
代表的な本発明のエッチング処理装置の一つは、
シリコンを含む部材から構成された処理対象を内部に載置した真空容器と、
前記真空容器内にフッ化水素ガスを供給する第１ガス源と、
前記真空容器内にＮ２ガスとＨ２ガスを供給する第２ガス源と、
前記真空容器内にプラズマを発生させるプラズマ装置と、
前記真空容器内の排気を行う排気装置と、
前記処理対象を加熱する加熱装置と、
制御部とを有する、エッチング処理装置であって、
前記制御部は、
前記第１ガス源から、前記真空容器内にフッ化水素ガスを導入して前記処理対象の膜層の表面にフッ化水素分子を供給し、前記排気装置により、前記真空容器内部を排気して前記フッ化水素ガスを除き、前記第２ガス源から、前記真空容器内にＮ２ガスとＨ２ガスを導入し、前記プラズマ装置により、前記真空容器内にプラズマを発生させてＮＨ３分子を生成して、前記膜層の表面に窒素及び水素並びにフッ素を含む化合物の層を形成し、前記化合物の層の形成後に前記真空容器内部を排気して窒化水素を含むガスを除くステップセットを複数回繰り返し、
更に前記加熱装置により前記処理対象を加熱して、前記膜層の表面に形成された前記化合物の層を除くように、制御を行うことにより達成される。
本発明によれば、酸化膜の等方性ドライエッチングにおいて、異物発生の抑制とエッチング量の高精度な制御とを両立させることが可能となる。
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となる。
参考例の、フッ化水素と窒化水素を同時に供給することで酸化膜をエッチングする工程の概略図である。 図１に示したエッチング処理方法において、エッチング量のガス照射時間依存性を示した図であり、縦軸にエッチング量、横軸にガス照射時間を取って示している。 参考例の、フッ化水素と窒化水素を個別に供給することで酸化膜をエッチングする工程の概要図である。 図３に示したエッチング処理方法において、エッチング量のガス照射時間依存性を示した図であり、縦軸にエッチング量、横軸にガス照射時間を取って示している。 本発明の第一、二の実施形態に係るエッチング処理方法の処理手順の一例を示す概略図である。 本発明のエッチング手法を用いた場合の、エッチング量とガス照射の繰り返し回数の関係の実験結果を示した図である。 本発明の第一の実施形態に係るエッチング処理装置の概略を示す断面図である。 本発明の第一の実施形態に係るエッチング処理方法のタイムシーケンスを示す図である。 本発明の第二の実施形態に係るエッチング処理装置の概略を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態の変形例に係るエッチング処理方法のタイムシーケンスを示す図である。
以下、図面を参照して、本発明にかかる実施の形態を説明する。ここで、本明細書中、「ガスを除く」というときは、投入したガスの７０％以上を除くことであり、好ましくは９０％以上を除くことであり、より好ましくは９９％以上を除くことである。
まず、参考例として示す酸化膜の等方性ドライエッチング方法を、図１を用いて説明する。一例として、酸化膜１が結晶性シリコン基板（ウエハ）上に成膜された膜構造を想定している。
本手法では、まず真空容器内などの真空環境下において、フッ化水素と窒化水素の混合ガスを酸化膜１の表面に照射し、吸着したフッ化水素分子と窒化水素分子が酸化膜１の表面と反応し、珪フッ化アンモニウム（ＮＨ４）２ＳｉＦ６からなる表面改質層２を形成する。次にシリコン基板に熱エネルギーを付与し、基板をおよそ１２０℃以上に加熱することで、改質層２を熱分解反応によって揮発性の高い分子へと変える。これによって改質層を脱離させることで酸化膜１をエッチングすることができる。
酸化膜１のエッチング量は、表面に形成される改質層２の膜厚として制御することになるが、一般的に改質層２の膜厚は、フッ化水素と窒化水素の混合ガスの照射時間の１/２乗に比例することが知られている（図２）。よって酸化膜１の除去量を増加させるには、フッ化水素と窒化水素の照射時間を長くする必要がある。
しかし、図１に示す手法では気相中にフッ化水素と窒化水素が混在するため、気相中または真空装置の内壁の表面において、ＨＦ＋ＮＨ３→ＮＨ４Ｆの反応が進み、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）が生成され、異物汚染の問題が生じる。この問題は、エッチング量を増加させるために、混合ガスの照射時間を延長した場合に特に顕著になる。
以上のフッ化アンモニウムによる異物汚染を解決する例として、図３に示すようにフッ化水素ガスと窒化水素ガスとを個別に酸化膜１に照射する方法がある。本手法ではまず、真空装置内にフッ化水素ガスを導入し、その分子を酸化膜１表面に吸着させる。次に気相中のフッ化水素ガスを真空排気した後に、窒化水素ガスを導入する。これにより、先に吸着したフッ化水素分子と、後に吸着した窒化水素分子が酸化膜１表面と反応し、珪フッ化アンモニウムからなる表面改質層２が形成される。
次に、シリコン基板に熱エネルギーを付与し、基板をおよそ１２０℃以上に加熱することで、改質層２を熱分解反応によって揮発性の高い分子へと変える。これによって改質層を脱離させることで、酸化膜１をエッチングすることができる。この場合、フッ化水素ガスの照射後に真空排気を行い、フッ化水素ガスと窒化水素ガスの混合を防ぐことで、上述したフッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）の発生による異物汚染を防ぐことができる。
フッ化水素ガスまたは窒化水素ガスの照射時間と酸化膜１のエッチング量（改質層２の膜厚）の関係を、図４に示す。フッ化水素ガスと窒化水素ガスを同時に照射した場合（図２）と異なり、ガス照射時間の増加に対して、所定時間経過後にエッチング量の増加が飽和する。よって所望のエッチング量を得るためには、フッ化水素ガスの照射と照射後の真空排気、窒化水素ガスの照射、さらに基板への熱エネルギーの付与による脱離までを一セットとした工程を、複数回繰り返す必要がある。
吸着時のウエハ温度は７０℃以下であるのに対し、脱離時のウエハ温度は１２０℃以上であるため、ウエハを加熱した後には、次のガス照射までにウエハを吸着時の温度まで冷却する必要がある。よって本手法では、ウエハの加熱と冷却が複数回繰り返されることになるため、ウエハの熱膨張と収縮によってウエハの裏面とウエハを設置するウエハステージとの間に擦れが生じ、上述とは別の異物汚染が発生してしまう虞れがある。
以上で述べたように酸化膜の従来の等方性ドライエッチング手法（図１、３）においては、（１）異物汚染の抑制と、（２）エッチング量の高精度な制御の二点を両立させることができないという課題がある。これに対し、本発明の実施形態によれば、かかる課題を解消できる。
本発明にかかる実施形態としてのエッチング手法における処理手順の概要を、図５に示す。まず第一のステップとして、処理対象である酸化膜１の表面にフッ化水素ガスを供給し、吸着させる。次に第二のステップとして気相中に残留したフッ化水素ガスを真空排気する。次に第三のステップとして酸化膜１の表面に窒化水素ガスを供給し、吸着させる。表面に吸着したフッ化水素分子と窒化水素分子は酸化膜１の表面と反応して、窒素および水素並びにフッ素を含む化合物の改質層２を形成する。
続けて前記第一から前記第三のステップ（ステップセットともいう）をＮ回繰り返すことで改質層２を所望の膜厚まで成長させる。次に熱エネルギーをウエハに付与することで改質層２を揮発性の分子へと熱分解させ、脱離させることで酸化膜１をエッチングする。エッチング量は前記第一から前記第三のステップを繰り返す回数（Ｎ）で制御することができる。ステップセットは、前記第一から前記第三のステップと異なるステップを有していてよい。
実際に酸化膜１のエッチング量の前記第一から前記第三のステップを繰り返す回数への依存性を検討した結果を、図６に示す。エッチング量が繰り返し回数に対して単調に増加していることから、エッチング量を第一から第三のステップの繰り返し回数によって制御できることが明らかである。また前記第１のステップの開始前或いは前記第３のステップの終了後に処理室内部を真空排気して窒化水素ガスを除くことで、窒化水素ガスとフッ化水素ガスの混合を防止することができる。
［実施形態１］
まず、図７を用いて本発明の実施形態１に係るエッチング処理装置の全体構成を含めて、概略を説明する。真空容器である処理室３はベースチャンバー１１により構成され、その中にはウエハ４を載置するためのウエハステージ５が設置されている。処理室上側の中心部にはシャワープレート２３が設置されており、処理ガスは前記シャワープレート２３を介して前記処理室３へ供給される。
処理ガスは、ガス種毎に設置されたマスフローコントローラー（第１ガス源、第２ガス源）５０によって供給流量が調整される。また、マスフローコントローラー５０の下流側にはガス分配器５１が設置されており、前記処理室３の中心付近に供給するガスと、外周付近に供給するガスの流量や組成をそれぞれ独立に制御して供給できるようにし、処理ガスの分圧の空間分布を詳細に制御できるようにしている。
なお、図７ではＡｒ、Ｎ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６、ＨＦ、Ｈ２Ｏ、ＮＦ３、Ｏ２、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ３ＯＨを処理ガスとして図に記載してあるが、他のガスを用いてもよい。
前記処理室３の下部には処理室を減圧するため、真空排気配管１６を介して、排気手段１５が接続されている。排気手段には例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプで構成されるものとするが、それに限られない。また、前記処理室３の圧力を調整するため、調圧手段１４が排気手段１５につながる真空排気配管１６に設置されている。
前記ウエハステージ５の上部には、前記ウエハ４を加熱するためのＩＲランプユニット（加熱装置）が設置されている。ＩＲランプユニットは、主にＩＲランプ６０、ＩＲ光を反射する反射板６１、ＩＲ光透過窓７２からなる。前記ＩＲランプ６０にはサークル型（円形状）のランプ部６０－１、６０－２、６０－３を用いる。
なお、ＩＲランプから放射される光は、可視光から赤外光領域の光を主とする光（ここではＩＲ光と呼ぶ）であるものとする。本実施形態では３サークルのランプ部６０－１、６０－２、６０－３が同心円状に設置されているものとしたが、２サークル、又は４サークル以上としてもよい。前記ＩＲランプ６０の上方には、ＩＲ光を下方（ウエハ設置方向）に向けて反射するための前記反射板６１が設置されている。
前記ＩＲランプ６０にはＩＲランプ用電源７３が接続されており、その途中には高周波電力のノイズがＩＲランプ用電源に流入しないようにするための高周波カットフィルタ７４が設置されている。また、前記ＩＲランプ６０に供給する電力を独立に制御できるような機能が前記ＩＲランプ用電源７３には設けられており、ウエハの加熱量の径方向分布を調節できるようになっている（配線は一部図示を省略した）。ＩＲランプ６０の中央には処理ガス導入用のシャワープレートを設置するための空間が形成されている。
前記ウエハステージ５にはステージを冷却するための冷媒の流路３９が内部に形成されており、チラー３８によって冷媒が流路３９を介して循環供給されるようになっている。また、前記ウエハ４を静電吸着によって固定するため、板状の電極板３０がステージに埋め込まれており、それぞれにＤＣ電源３１が接続されている。
また、前記ウエハ４を効率よく冷却するため、前記ウエハ４の裏面と前記ウエハステージ５との間にＨｅガスを供給できるようになっている。また、ウエハ４を吸着したまま、加熱・冷却を行っても、ウエハの裏面に傷がつかないようにするため、前記ウエハステージ５の表面（ウエハ戴置面）はポリイミド等の樹脂でコーティングされているものとする。また前記ウエハステージ５の内部にはステージの温度を測定するための熱電対７０が設置されており、この熱電対７０は熱電対温度計７１に接続されている。なお、以上の各部は、不図示の制御部（プロセッサ）にケーブルにより接続されて、動作制御が行われる。
次に本実施形態で提案するエッチングプロセスについて図８を用いて説明する。図８のシーケンスは、制御部により制御される。まず前記処理室３に設けられた搬送口（図示省略）を介して前記ウエハ４を前記処理室３に搬送した後に、静電吸着のための前記ＤＣ電源３１の給電により前記ウエハ４を前記ウエハステージ５に固定するとともに、前記ウエハ４の裏面にウエハ冷却用のＨｅガスを供給する。
次にＨＦガスを希釈するためのＡｒガス５２、およびＮＨ３ガスを希釈するためのＡｒガス５３を、前記マスフローコントローラー５０、前記ガス分配器５１、さらには前記シャワープレート２３を介して前記処理室３に供給する。以後、エッチング処理が終了するまで希釈用の前記Ａｒガス５２、５３を流し続ける。
続いて第一のステップとしてＨＦガスを前記処理室３に供給し、前記ウエハ４の表面にＨＦ分子を吸着させる。続いて第二のステップとして、希釈用の前記Ａｒガス５２、５３を流した状態でＨＦガスの供給を停止し、気相中に残留したＨＦガスを排気する（除く）。
続いて第三のステップとしてＮＨ３ガスを前記処理室３に供給し、前記ウエハ４の表面にＮＨ３分子を吸着させる。この際、前記第一のステップで吸着させたＨＦ分子と、前記第三のステップで吸着させたＮＨ３分子が膜表面と反応し、当該膜表面に窒素、水素、珪素、ならびにフッ素を含む化合物の改質層２を形成する。
以上の第一から第三のステップを一つの工程（ステップセットともいう）として、複数回繰り返す。図６に示すように、本ステップセットを繰り返すことで前記改質層２の膜厚（エッチング量）を段階的に増加させることができる。
なお第三のステップ（ＮＨ３ガスの供給）と、次のステップセットの第一のステップ（ＨＦガスの供給）の間には、希釈用の前記Ａｒガス５２、５３を流した状態でＮＨ３ガスの供給を停止し、気相中に残留したＮＨ３ガスを排気する排気ステップを実施する。ここで、第二のステップまたは排気ステップにおいて処理室３の圧力が前記第一および第三のステップにおける処理室３の圧力より低くなるようにすると好ましい。
前記改質層２の膜厚を所望の値まで増加させた後に、ウエハ冷却用の前記Ｈｅガスの供給を停止する。次に前記ＩＲランプ６０によって前記ウエハ４を加熱し、当該膜表面に形成した前記改質層２を熱分解、脱離させ、当該膜をエッチングする。
なお本実施形態ではウエハの加熱に前記ＩＲランプ６０を用いたが、加熱方法はこれに限定されるものではなく、例えばウエハステージを加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハを別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。また本実施形態では、前記第一から前記第三のステップを一つのステップセットとして複数回繰り返した後に、ウエハを加熱することで当該対象膜をエッチングしているが、複数回のガス照射とウエハ加熱の組み合わせをさらに繰り返して所望のエッチング量を得る方法を用いてもよい。
この場合、前記ウエハ４を加熱した後に、ウエハ裏面に前記Ｈｅガスを供給することで、前記ウエハ４を前記ウエハステージ５の温度（冷媒温度）まで冷却することで、次のＨＦガス、ＮＨ３ガスの繰り返し照射工程に備える。エッチングが終了したら静電吸着を中断してウエハ４を取り出す。ウエハ裏面の前記Ｈｅガスの排気はバルブ５４を介して、前記排気手段１５を用いて行う。
なお本実施形態で示したエッチング処理では、ＨＦガスを照射した後にＮＨ３ガスを照射する順序となっているが、逆にＮＨ３ガスを照射した後にＨＦガスを照射する順序としてもよい。
［実施形態２］
次に、図９を用いて本発明の実施形態２に係るエッチング処理装置の全体構成を含めて概略を説明する。処理室３はベースチャンバー１１により構成され、その中にはウエハ４を載置するためのウエハステージ５が設置されている。前記処理室３の上方には、ＩＣＰ放電方式を用いたプラズマ源（ＩＣＰプラズマ源）が設置されている。ＩＣＰプラズマ源はプラズマによるチャンバー内壁のクリーニングやプラズマによる反応性ガスの生成に用いる。
ＩＣＰプラズマ源を構成する円筒型の石英チャンバー１２が、前記処理室３の上方に設置されており、石英チャンバー１２の外側にはＩＣＰコイル２０が設置されている。前記ＩＣＰコイル２０にはプラズマ生成のための高周波電源２１が、整合機２２を介して接続されている。高周波電源２１の高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚなど、数十ＭＨｚの周波数帯を用いるものとする。前記石英チャンバー１２の上部には天板２５が設置されている。前記天板２５の下部にはガス分散板２４とシャワープレート２３が設置されており、処理ガスは前記ガス分散板２４と前記シャワープレート２３を介して前記石英チャンバー１２内に導入される。石英チャンバー１２と高周波電源２１とでプラズマ装置を構成する。
処理ガスはガス種毎に設置されたマスフローコントローラー５０によって供給流量が調整される。また、マスフローコントローラー５０の下流側にはガス分配器５１が設置されており、前記石英チャンバー１２の中心付近に供給するガスと外周付近に供給するガスの流量や組成をそれぞれ独立に制御して供給できるようにし、処理ガスの分圧の空間分布を詳細に制御できるようにしている。
なお、図７ではＡｒ、Ｎ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６、ＨＦ、Ｈ２Ｏ、ＮＦ３、Ｏ２、ＮＨ３、Ｈ２、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ３ＯＨを処理ガスとして図に記載してあるが、他のガスを用いてもよい。
前記処理室３の下部には処理室を減圧するため、真空排気配管１６を介して、排気手段１５が接続されている。排気手段には例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプで構成されるものとするがそれに限られない。また、前記処理室３の圧力を調整するため、調圧手段１４が前記排気手段１５につながる真空排気配管１６に設置されている。
前記ウエハステージ５の上部には前記ウエハ４を加熱するためのＩＲランプユニットが設置されている。ＩＲランプユニットは主にＩＲランプ６０、ＩＲ光を反射する反射板６１、ＩＲ光透過窓７２からなる。前記ＩＲランプ６０にはサークル型（円形状）のランプ部６０－１、６０－２、６０－３を用いる。
なお、ＩＲランプ６０から放射される光は可視光から赤外光領域の光を主とする光（ここではＩＲ光と呼ぶ）を放出するものとする。本実施形態では３サークルのランプ部６０－１、６０－２、６０－３が同心円状に設置されているものとしたが、２サークル、４サークル以上としてもよい。前記ＩＲランプ６０の上方にはＩＲ光を下方（ウエハ設置方向）に向けて反射するための前記反射板６１が設置されている。
前記ＩＲランプ６０にはＩＲランプ用電源７３が接続されており、その途中には高周波電力のノイズがＩＲランプ用電源に流入しないようにするための高周波カットフィルタ７４が設置されている。また、前記ＩＲランプ６０に供給する電力が独立に制御できるような機能が前記ＩＲランプ用電源７３に設けられており、ウエハの加熱量の径方向分布を調節できるようになっている（配線は一部図示を省略した）。
ＩＲランプユニットの中央には流路２７が形成されている。この流路２７にはプラズマ中で生成されたイオンや電子を遮蔽し、中性のガスや中性のラジカルのみを透過させてウエハに照射するための複数の穴の開いたスリット板２６が設置されている。
前記ウエハステージ５にはステージを冷却するための冷媒の流路３９が内部に形成されており、チラー３８によって冷媒が流路３９を介して循環供給されるようになっている。また、前記ウエハ４を静電吸着によって固定するため、板状の電極板３０がステージに埋め込まれており、それぞれにＤＣ電源３１が接続されている。
また、前記ウエハ４を効率よく冷却するため、前記ウエハ４の裏面と前記ウエハステージ５との間にＨｅガスを供給できるようになっている。また、ウエハを吸着したまま、加熱・冷却を行っても、ウエハの裏面に傷がつかないようにするため、前記ウエハステージ５の表面（ウエハ戴置面）はポリイミド等の樹脂でコーティングされているものとする。また前記ウエハステージ５の内部にはステージの温度を測定するための熱電対７０が設置されており、この熱電対は熱電対温度計７１に接続されている。
次に本実施形態で提案するエッチングプロセスについて図９を用いて説明する。本実施形態のシーケンスは、図８に示すものを流用でき、かかるシーケンスも不図示の制御部により制御される。まず前記処理室３に設けられた搬送口（図示省略）を介して前記ウエハ４を前記処理室３に搬送した後に、静電吸着のための前記ＤＣ電源３１の給電により前記ウエハ４を前記ウエハステージ５に固定するとともに、前記ウエハ４の裏面にウエハ冷却用のＨｅガスを供給する。
次にＨＦガスを希釈するためのＡｒガス５２、およびＮＨ３ガスを希釈するためのＡｒガス５３を、前記マスフローコントローラー５０、前記ガス分配器５１、前記ガス分散板２４さらには前記シャワープレート２３を介して前記石英チャンバー１２内部に供給する。前記石英チャンバー１２に供給されたガスは、さらに前記流路２７、前記スリット板２６を介して前記処理室３に供給される。以後、エッチング処理が終了するまで希釈用の前記Ａｒガス５２、５３を流し続ける。
続いて第一のステップとしてＨＦガスを前記処理室３に供給し、前記ウエハ４の表面にＨＦ分子を吸着させる。続いて第二のステップとして、希釈用の前記Ａｒガス５２、５３を流した状態でＨＦガスの供給を停止し、気相中に残留したＨＦガスを排気する（除く）。続いて第三のステップとしてＮＨ３ガスを前記処理室３に供給し、前記ウエハ４の表面にＮＨ３分子を吸着させる。この際、前記第一のステップで吸着させたＨＦ分子と、前記第三のステップで吸着させたＮＨ３分子が膜表面と反応し、当該膜表面に窒素、水素、珪素、ならびにフッ素を含む化合物の改質層２を形成する。
以上の第一から第三のステップのセットを一つの工程（ステップセットともいう）として、複数回繰り返す。図６に示すように、本ステップセットを繰り返すことで前記改質層２の膜厚を段階的に増加させることができる。なお第三のステップ（ＮＨ３の供給）と、次のステップセットの第一のステップ（ＨＦの供給）の間には、希釈用の前記Ａｒガス５２、５３を流した状態でＮＨ３ガスの供給を停止し、気相中に残留したＮＨ３ガスを排気する排気ステップを実施する。ここで、第二のステップまたは排気ステップにおいて処理室３の圧力が前記第一および第三のステップにおける処理室３の圧力より低くなるようにすると好ましい。
前記改質層２の膜厚を所望の値まで増加させた後に、ウエハ冷却用の前記Ｈｅガスの供給を停止する。次に前記ＩＲランプ６０によって前記ウエハ４を加熱し、当該膜表面に形成した前記改質層２を熱分解、脱離させ、当該膜をエッチング（膜を除去）する。
なお本実施形態ではウエハの加熱に前記ＩＲランプ６０を用いたが、加熱方法はこれに限定されるものではなく、例えばウエハステージを加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハを別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。また本実施形態では、前記第一から前記第三のステップを一つのステップセットとして複数回繰り返した後にウエハを加熱することで当該対象膜をエッチングするが、複数回のガス照射とウエハ加熱の組み合わせをさらに繰り返して所望のエッチング量を得る方法を用いてもよい。
この場合、前記ウエハ４を加熱した後に、ウエハ裏面に前記Ｈｅガスを供給することで、前記ウエハ４を前記ウエハステージ５の温度（冷媒温度）まで冷却することで、次のＨＦガス、ＮＨ３ガスの繰り返し照射工程に備える。エッチングが終了したら静電吸着を中断にしてウエハを取り出す。ウエハ裏面の前記Ｈｅガスの排気はバルブ５４を介して、前記排気装置５５を用いて行う。
なお本実施形態で示したエッチング処理ではＨＦガスを照射した後にＮＨ３ガスを照射する順序となっているが、逆にＮＨ３ガスを照射した後にＨＦガスを照射する順序としてもよい。
以上に示したＨＦガスとＮＨ３ガスを用いる手法に加えて、図９に示した本実施形態に用いる処理装置では、プラズマ生成によってＮＨ３を生成し、これを適用することでＮＨ３ガスに代替させることができる。以下の変形例では、プラズマ生成によるＮＨ３ガスの代替手法に関して図１０を用いて説明する。
［変形例］
まず前記処理室３に設けられた搬送口（図示省略）を介して、前記ウエハ４を前記処理室３に搬送した後に、静電吸着のための前記ＤＣ電源３１の給電により前記ウエハ４を前記ウエハステージ５に固定するとともに、前記ウエハ４の裏面にウエハ冷却用のＨｅガスを供給する。
次にＮ２ガスとＨ２ガスを、前記マスフローコントローラー５０、前記ガス分配器５１、前記ガス分散板２４さらには前記シャワープレート２３を介して前記石英チャンバー１２内部に供給する。前記石英チャンバー１２に供給されたＮ２ガスとＨ２ガスは、さらに前記流路２７、前記スリット板２６を介して前記処理室３に供給される。以後、エッチング処理が終了するまでＮ２ガス、Ｈ２ガスを流し続ける。
以降、エッチングに用いるガスは全て前記マスフローコントローラー５０、前記ガス分配器５１、前記ガス分散板２４、前記シャワープレート２３、前記流路２７、さらには前記スリット板２６を介して前記処理室３に供給される。
まず第一のステップとして、ＨＦガスを前記処理室３に供給し、前記ウエハ４の表面にＨＦ分子を吸着させる。続いて第二のステップとして、Ｎ２ガスとＨ２ガスを流した状態でＨＦガスの供給を停止し、気相中に残留したＨＦガスを排気する。続いて第三のステップとして前記高周波電源２１をＯＮにして放電領域１３内にてプラズマを生成し、前記石英チャンバー１２内のＮ２ガス、Ｈ２ガスに適用する。これによりＮ２分子とＨ２分子とが反応して、ＮＨ３分子が生成される。
プラズマ中で生成されたＮＨ３分子は前記流路２７、さらには前記スリット板２６を介して前記処理室３に供給され、前記ウエハ４の表面に吸着する。この際、前記第一のステップで吸着させたＨＦ分子と、前記第三のステップで吸着させたＮＨ３分子が膜表面と反応し、当該膜表面に窒素、水素、珪素、ならびにフッ素を含む化合物の改質層２を形成する。
続いてＮ２ガスとＨ２ガスを流した状態で前記高周波電源２１をＯＦＦにして、プラズマ生成を停止する。以上の第一から第三のステップのセットを一つの工程（ステップセットともいう）として、複数回繰り返す。図６に示すように、本ステップセットを繰り返すことで前記改質層２の膜厚を段階的に増加させる。なお第三のステップ（ＮＨ３分子の吸着）と、次のステップセットの第一のステップ（ＨＦガスの供給）の間には、Ｎ２ガスとＨ２ガスを流した状態でＲＦ電力の供給を停止し、気相中に残留したＮＨ３ガスを排気するステップを実施する。
前記改質層２の膜厚を所望の値まで増加させた後に、ウエハ冷却用の前記Ｈｅガスの供給を停止する。次に前記ＩＲランプ６０によって前記ウエハ４を加熱し、当該膜表面に形成した前記改質層２を熱分解、脱離させ、当該膜をエッチング（膜を除去）する。なお本実施形態ではウエハの加熱に前記ＩＲランプ６０を用いたが、加熱方法はこれに限定されるものではなく、例えばウエハステージを加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハを別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。
また本実施形態では、前記第一から前記第三のステップを一つのステップセットとして複数回繰り返した後にウエハを加熱することで当該対象膜をエッチングしているが、複数回のガス照射とウエハ加熱の組み合わせをさらに繰り返して所望のエッチング量を得る方法を用いてもよい。この場合、前記ウエハ４を加熱した後に、ウエハ裏面に前記Ｈｅガスを供給することで、前記ウエハ４を前記ウエハステージ５の温度（冷媒温度）まで冷却することで、次のＨＦ、ＮＨ３ガスの繰り返し照射工程に備える。エッチングが終了したら静電吸着をオフにしてウエハを取り出す。ウエハ裏面の前記Ｈｅガスの排気はバルブ５４を介して、前記排気装置５５を用いて行う。
なお本実施形態で示したエッチング処理ではＨＦガスを照射した後にＮ２ガスとＨ２ガスを照射する順序となっているが、逆にＮ２ガスとＨ２ガスを照射した後にＨＦガスを照射する順序としてもよい。
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
１ 酸化膜（ＳｉＯ２）
２ 改質層
３ 処理室
４ ウエハ
５ ウエハステージ
１１ ベースチャンバー
１２ 石英チャンバー
１３ 放電領域
１４ 調圧手段
１５ 排気手段
１６ 真空排気配管
２０ ＩＣＰコイル
２１ 高周波電源
２２ 整合機
２３ シャワープレート
２４ ガス分散板
２５ 天板
２６ スリット板
２７ 流路
３０ 電極板
３１ ＤＣ電源
３８ チラー
３９ 冷媒の流路
５０ マスフローコントローラー
５１ ガス分配器
５２ Ａｒガス
５３ Ａｒガス
５４ バルブ
５５ 排気装置
６０ ＩＲランプ
６１ 反射板
７０ 熱電対
７１ 熱電対温度計
７２ ＩＲ光透過窓
７３ ＩＲランプ用電源
７４ 高周波カットフィルタ

Claims (8)

  1. 真空容器内部の処理室内に配置され、シリコンを含む部材から構成された処理対象の膜層をエッチング処理する方法であって、
    前記処理室内に少なくともフッ化水素を含むガスを導入して前記処理対象の膜層の表面にフッ化水素分子を供給する第１のステップと、
    前記処理室内部を排気して前記フッ化水素を含むガスを除く第２のステップと、
    前記処理室内に窒化水素を含むガスを導入し、またはＮ ２ ガス及びＨ ２ ガスを導入した上でプラズマを発生させて前記処理対象の膜層の表面に窒化水素分子を供給して前記膜層の表面に窒素及び水素並びにフッ素を含む化合物の層を形成する第３のステップと、
    前記第３のステップの終了後に前記処理室内部を排気して窒化水素を含むガスを除く排気ステップと、を１組のステップセットとして、前記ステップセットを複数回繰り返す膜形成の工程と、
    前記膜形成の工程後に、前記処理対象の膜層の表面に形成された前記化合物の層を除く膜除去の工程と、を備えた
    エッチング処理方法。
  2. 請求項１に記載のエッチング処理方法であって、
    前記第２のステップまたは前記排気ステップにおける前記処理室の圧力を、前記第１のステップおよび前記第３のステップにおける前記処理室の圧力より低くする
    エッチング処理方法。
  3. 請求項１または２に記載のエッチング処理方法であって、
    前記少なくともフッ化水素を含むガスの前記処理室内への導入が停止された後かつ前記窒化水素を含むガスの導入が開始される前に、前記第２のステップが実施される
    エッチング処理方法。
  4. 請求項１または２に記載のエッチング処理方法であって、
    前記少なくともフッ化水素を含むガスの前記処理室内への導入が停止された後かつ前記プラズマが生成される前に、前記第２のステップが実施される
    エッチング処理方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエッチング処理方法であって、
    前記膜除去の工程において、前記処理対象を加熱して前記化合物の層を除去する
    エッチング処理方法。
  6. 請求項５に記載のエッチング処理方法であって、
    前記膜除去の工程の後に前記処理対象を冷却するステップを備えた
    エッチング処理方法。
  7. シリコンを含む部材から構成された処理対象を内部に載置した真空容器と、
    前記真空容器内にフッ化水素ガスを供給する第１ガス源と、
    前記真空容器内に窒化水素ガスを供給する第２ガス源と、
    前記真空容器内の排気を行う排気装置と、
    前記処理対象を加熱する加熱装置と、
    制御部とを有する、エッチング処理装置であって、
    前記制御部は、
    前記第１ガス源から、前記真空容器内にフッ化水素ガスを導入して前記処理対象の膜層の表面にフッ化水素分子を供給し、前記排気装置により、前記真空容器内部を排気して前記フッ化水素ガスを除き、前記第２ガス源から、前記真空容器内に窒化水素ガスを導入して前記膜層の表面に窒素及び水素並びにフッ素を含む化合物の層を形成し、前記化合物の層の形成後に前記真空容器内部を排気して窒化水素を含むガスを除くステップセットを複数回繰り返し、
    更に前記加熱装置により前記処理対象を加熱して、前記膜層の表面に形成された前記化合物の層を除くように、制御を行う
    エッチング処理装置。
  8. シリコンを含む部材から構成された処理対象を内部に載置した真空容器と、
    前記真空容器内にフッ化水素ガスを供給する第１ガス源と、
    前記真空容器内にＮ２ガスとＨ２ガスを供給する第２ガス源と、
    前記真空容器内にプラズマを発生させるプラズマ装置と、
    前記真空容器内の排気を行う排気装置と、
    前記処理対象を加熱する加熱装置と、
    制御部とを有する、エッチング処理装置であって、
    前記制御部は、
    前記第１ガス源から、前記真空容器内にフッ化水素ガスを導入して前記処理対象の膜層の表面にフッ化水素分子を供給し、前記排気装置により、前記真空容器内部を排気して前記フッ化水素ガスを除き、前記第２ガス源から、前記真空容器内にＮ２ガスとＨ２ガスを導入し、前記プラズマ装置により、前記真空容器内にプラズマを発生させてＮＨ３分子を生成して、前記膜層の表面に窒素及び水素並びにフッ素を含む化合物の層を形成し、前記化合物の層の形成後に前記真空容器内部を排気して窒化水素を含むガスを除くステップセットを複数回繰り返し、
    更に前記加熱装置により前記処理対象を加熱して、前記膜層の表面に形成された前記化合物の層を除くように、制御を行う
    エッチング処理装置。
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