JP7158252B2 - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

Description

本開示は、プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関するものである。

従来、被処理体の温度が０℃以下に維持される低温環境下で、被処理体上のシリコン酸化膜をエッチングする技術がある。

特開２０１６－１２２７７４号公報

本開示は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された多層膜に形成されるホール又は溝のベンディングを抑制することができる技術を提供する。

開示するプラズマエッチング方法は、１つの実施態様において、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された多層膜をプラズマによりエッチングする第１のエッチング工程と、前記多層膜がエッチングされて形成されるホール又は溝の内側壁のうち、前記シリコン窒化膜に対応する部分の、当該ホール又は当該溝の深さ方向に対する傾斜を減少させる処理条件で、前記多層膜をプラズマによりエッチングする第２のエッチング工程とを含む。

開示するプラズマエッチング方法の１つの態様によれば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された多層膜に形成されるホール又は溝のベンディングを抑制することができるという効果が得られる。

図１は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置の一例を示す縦断面図である。 図２は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置によってエッチングされるウェハＷの構造の一例を示す図である。 図３は、本実施形態に係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４は、ウェハＷの温度を変更してＯＮＯＮ膜をエッチングした場合のＯＮＯＮ膜のエッチングレートの変化を示す図である。 図５は、ウェハＷの温度を変更してＯＮＯＮ膜をエッチングした場合のマスク選択比の変化を示す図である。 図６は、ウェハＷの温度を変更してＯＮＯＮ膜をエッチングした場合の変位率の３σの変化を示す図である。 図７は、ウェハの温度を変更して単層のシリコン酸化膜又は単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合の実験結果を示す図である。 図８は、希ガスの流量を変更して混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状の変化を示す図である。 図９は、希ガスの流量、並びに、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更した場合のホールの形状の変化を示す図である。 図１０は、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更してＯＮＯＮ膜をエッチングした場合のＯＮＯＮ膜のエッチングレートの変化を示す図である。 図１１は、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更してＯＮＯＮ膜をエッチングした場合のマスク選択比の変化を示す図である。 図１２は、第２のエッチング工程が開始されるタイミングの詳細を説明するための図である。 図１３は、変位量、Ｔｏｐ ＣＤ及びＢｔｍ ＣＤの関係の一例を説明するための図である。 図１４は、変位量、Ｔｏｐ ＣＤ及びＢｔｍ ＣＤの関係の一例を説明するための図である。 図１５は、希釈ガスの流量を変更して混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状の変化を示す図である。 図１６は、ハロゲン含有ガスの流量を変更して混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状の変化を示す図である。

以下に、開示するプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置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、本実施形態により開示技術が限定されるものではない。

従来、被処理体の温度が０℃以下に維持される低温環境下で、被処理体上のシリコン酸化膜をエッチングする技術がある。

ところで、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された多層膜をエッチングする場合、形成されるホール又は溝が途中で折れ曲がるベンディングが発生する虞がある。例えば、上述の低温環境下で、多層膜をエッチングする場合に、多層膜に形成されるホール又は溝のベンディングの程度が大きくなり、結果として、ホール又は溝の垂直性が低下することが知られている。そこで、多層膜に形成されるホール又は溝のベンディングを抑制することが期待されている。

［プラズマエッチング装置１０の構成］
図１は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置１０の一例を示す縦断面図である。図１に示すプラズマエッチング装置１０は、容量結合型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１０は、チャンバ１２を備えている。チャンバ１２は、略円筒形状を有している。チャンバ１２は、その内部空間を処理空間１２ｃとして提供している。チャンバ１２は、例えばアルミニウムから形成されている。チャンバ１２の内壁面には、耐プラズマ性を有する処理が施されている。例えば、チャンバ１２の内壁面には、陽極酸化処理が施されている。チャンバ１２は、電気的に接地されている。

また、チャンバ１２の側壁には、通路１２ｐが形成されている。被処理体の一例であるウェハＷは、処理空間１２ｃに搬入されるとき、また、処理空間１２ｃから搬出されるときに、通路１２ｐを通る。この通路１２ｐは、ゲートバルブ１２ｇにより開閉可能となっている。

チャンバ１２の底部上には、支持部１３が設けられている。支持部１３は、絶縁材料から形成されている。支持部１３は、略円筒形状を有している。支持部１３は、処理空間１２ｃ内において、チャンバ１２の底部から鉛直方向に延在している。支持部１３は、ステージ１４を支持している。ステージ１４は、処理空間１２ｃ内に設けられている。

ステージ１４は、下部電極１８及び静電チャック２０を有している。ステージ１４は、電極プレート１６を更に備え得る。電極プレート１６は、例えばアルミニウムといった導体から形成されており、略円盤形状を有している。下部電極１８は、電極プレート１６上に設けられている。下部電極１８は、例えばアルミニウムといった導体から形成されており、略円盤形状を有している。下部電極１８は、電極プレート１６に電気的に接続されている。

静電チャック２０は、下部電極１８上に設けられている。静電チャック２０の上面の上には、ウェハＷが載置される。静電チャック２０は、誘電体から形成された本体を有する。静電チャック２０の本体内には、膜状の電極が設けられている。静電チャック２０の電極は、スイッチを介して直流電源２２に接続されている。静電チャック２０の電極に直流電源２２からの電圧が印加されると、静電チャック２０とウェハＷとの間で静電引力が発生する。発生した静電引力により、ウェハＷは静電チャック２０に引き付けられ、当該静電チャック２０によって保持される。

下部電極１８の周縁部上には、ウェハＷのエッジを囲むように、フォーカスリングＦＲが配置される。フォーカスリングＦＲは、エッチングの均一性を向上させるために設けられている。フォーカスリングＦＲは、限定されるものではないが、シリコン、炭化シリコン、又は、石英から形成され得る。

下部電極１８の内部には、流路１８ｆが設けられている。流路１８ｆには、チャンバ１２の外部に設けられているチラーユニット２６から配管２６ａを介して熱交換媒体（例えば冷媒）が供給される。流路１８ｆに供給された熱交換媒体は、配管２６ｂを介してチラーユニット２６に戻される。プラズマエッチング装置１０では、静電チャック２０上に載置されたウェハＷの温度が、熱交換媒体と下部電極１８との熱交換により、調整される。

プラズマエッチング装置１０には、ガス供給ライン２８が設けられている。ガス供給ライン２８は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスを、静電チャック２０の上面とウェハＷの裏面との間に供給する。

プラズマエッチング装置１０は、上部電極３０を更に備えている。上部電極３０は、ステージ１４の上方に設けられている。上部電極３０は、部材３２を介して、チャンバ１２の上部に支持されている。部材３２は、絶縁性を有する材料から形成されている。上部電極３０は、天板３４及び支持体３６を含み得る。天板３４の下面は、処理空間１２ｃ側の下面であり、処理空間１２ｃを画成している。天板３４は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体から形成され得る。天板３４には、複数のガス吐出孔３４ａが形成されている。複数のガス吐出孔３４ａは、当該天板３４をその板厚方向に貫通している。

支持体３６は、天板３４を着脱自在に支持するものであり、例えばアルミニウムといった導電性材料から形成され得る。支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。ガス拡散室３６ａからは、複数のガス吐出孔３４ａにそれぞれ連通する複数のガス通流孔３６ｂが下方に延びている。支持体３６には、ガス拡散室３６ａに処理ガスを導くガス導入口３６ｃが形成されている。ガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。

ガス供給管３８には、バルブ群４２及び流量制御器群４４を介して、ガスソース群４０が接続されている。ガスソース群４０は、複数のガスソースを含んでいる。複数のガスソースは、方法ＭＴで利用される処理ガスを構成する複数のガスのソースを含んでいる。バルブ群４２は、複数の開閉バルブを含んでいる。流量制御器群４４は、複数の流量制御器を含んでいる。複数の流量制御器の各々は、マスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器である。ガスソース群４０の複数のガスソースは、バルブ群４２の対応のバルブ、及び、流量制御器群４４の対応の流量制御器を介してガス供給管３８に接続されている。

プラズマエッチング装置１０では、チャンバ１２の内壁に沿って、シールド４６が着脱自在に設けられている。シールド４６は、支持部１３の外周にも設けられている。シールド４６は、チャンバ１２にエッチング副生物が付着することを防止する。シールド４６は、例えば、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。

支持部１３とチャンバ１２の側壁との間には、バッフルプレート４８が設けられている。バッフルプレート４８は、例えば、アルミニウム製の母材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成される。バッフルプレート４８には、複数の貫通孔が形成されている。バッフルプレート４８の下方、且つ、チャンバ１２の底部には、排気口１２ｅが設けられている。排気口１２ｅには、排気管５２を介して排気装置５０が接続されている。排気装置５０は、圧力制御弁、及び、ターボ分子ポンプといった真空ポンプを有している。

プラズマエッチング装置１０は、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４を更に備えている。第１の高周波電源６２は、プラズマ生成用の第１の高周波を発生する電源である。第１の高周波の周波数は、例えば、２７ＭＨｚ～１００ＭＨｚの範囲内の周波数である。第１の高周波電源６２は、整合器６６及び電極プレート１６を介して下部電極１８に接続されている。整合器６６は、第１の高周波電源６２の出力インピーダンスと負荷側（下部電極１８側）の入力インピーダンスを整合させるための回路を有している。なお、第１の高周波電源６２は、整合器６６を介して、上部電極３０に接続されていてもよい。

第２の高周波電源６４は、ウェハＷにイオンを引き込むための第２の高周波を発生する電源である。第２の高周波の周波数は、第１の高周波の周波数よりも低い。第２の高周波の周波数は、例えば４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数である。第２の高周波電源６４は、整合器６８及び電極プレート１６を介して下部電極１８に接続されている。整合器６８は、第２の高周波電源６４の出力インピーダンスと負荷側（下部電極１８側）の入力インピーダンスを整合させるための回路を有している。

プラズマエッチング装置１０は、直流電源部７０を更に備え得る。直流電源部７０は、上部電極３０に接続されている。直流電源部７０は、負の直流電圧を発生し、当該直流電圧を上部電極３０に与えることが可能である。

プラズマエッチング装置１０は、制御部８０を更に備え得る。制御部８０は、プロセッサ、記憶部、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり得る。制御部８０は、プラズマエッチング装置１０の各部を制御する。制御部８０では、入力装置を用いて、オペレータがプラズマエッチング装置１０を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができる。また、制御部８０では、表示装置により、プラズマエッチング装置１０の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、制御部８０の記憶部には、プラズマエッチング装置１０で実行される各種処理をプロセッサにより制御するための制御プログラム、及び、レシピデータが格納されている。制御部８０のプロセッサが制御プログラムを実行して、レシピデータに従ってプラズマエッチング装置１０の各部を制御することにより、所望の処理がプラズマエッチング装置１０で実行される。

例えば、制御部８０は、後述するプラズマエッチング方法を行うようにプラズマエッチング装置１０の各部を制御する。詳細な一例を挙げると、制御部８０は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された多層膜をプラズマによりエッチングする第１のエッチング工程を実行する。そして、制御部８０は、多層膜がエッチングされて形成されるホール又は溝の内側壁のうち、シリコン窒化膜に対応する部分の、当該ホール又は当該溝の深さ方向に対する傾斜を減少させる処理条件で、多層膜をプラズマによりエッチングする第２のエッチング工程を実行する。ここで、第１のエッチング工程及び第２のエッチング工程は、例えば、多層膜を有する被処理体の温度が０℃以下に維持される低温環境下で、実行される。また、第１のエッチング工程と第２のエッチング工程とは、少なくとも１回以上交互に繰り返されても良い。

［ウェハＷの構成］
図２は、本実施形態に係るプラズマエッチング装置１０によってエッチングされるウェハＷの構造の一例を示す図である。

ウェハＷは、例えば図２に示すように、ＯＮＯＮ膜２０２をシリコン基板２０１上に有する。また、ＯＮＯＮ膜２０２上には、所定パターンの開口を有するフォトレジスト２０３が形成されている。

ＯＮＯＮ膜２０２は、例えば図２に示すように、シリコン酸化膜２１１とシリコン窒化膜２１２とが交互に積層された多層膜である。ＯＮＯＮ膜２０２には、シリコン酸化膜２１１が例えば５層設けられ、シリコン窒化膜２１２が例えば５層設けられている。ただし、ＯＮＯＮ膜２０２に含まれるシリコン酸化膜２１１及びシリコン窒化膜２１２の積層数はこれに限られず、図２に示した積層数よりも多くても良く、少なくても良い。また、図２では、シリコン基板２０１上にシリコン酸化膜２１１が積層され、さらにシリコン酸化膜２１１上にシリコン窒化膜２１２が積層されているが、これに限定されない。

［プラズマエッチング方法］
次に、本実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。図３は、本実施形態に係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。

本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、まず、被処理体となるウェハＷがチャンバ１２内に搬入されてステージ１４上に載置される。続いて、ステージ１４の下部電極１８内の流路１８ｆを通流する冷媒の温度が調整されることによって、ステージ１４上に載置されたウェハＷの温度が０℃以下に維持される。このため、以降の処理（ステップＳ１０１及びＳ１０２）は、ウェハＷの温度が０℃以下に維持される低温環境下で、実行される。

続いて、制御部８０は、ＯＮＯＮ膜２０２をプラズマによりエッチングする第１のエッチング工程を実行する（ステップＳ１０１）。具体的には、制御部８０は、ガスソース群４０から処理ガスをチャンバ１２内に供給し、フォトレジスト２０３をマスクとして処理ガスのプラズマによりＯＮＯＮ膜２０２をエッチングする。

制御部８０は、例えば以下の処理条件で、ステップＳ１０１における第１のエッチング工程を実行する。
チャンバ１２内の圧力：３．３３３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波の電力（４０ＭＨｚ）：４．５ｋＷ
第２の高周波の電力（４００ｋＨｚ）：７ｋＷ
処理ガス：Ｈ２、ＣＨ２Ｆ２、ＮＦ３及びＨＢｒを含む混合ガス
ウェハの温度：０℃

ここで、ウェハＷの温度を変更してＯＮＯＮ膜２０２をエッチングした場合の実験結果について、図４～図６を参照して、説明する。図４は、ウェハＷの温度を変更してＯＮＯＮ膜２０２をエッチングした場合のＯＮＯＮ膜２０２のエッチングレートの変化を示す図である。図５は、ウェハＷの温度を変更してＯＮＯＮ膜２０２をエッチングした場合のマスク選択比の変化を示す図である。図６は、ウェハＷの温度を変更してＯＮＯＮ膜２０２をエッチングした場合の変位率の３σの変化を示す図である。

なお、図５において、マスク選択比は、ＯＮＯＮ膜２０２のエッチングレートをフォトレジスト２０３のエッチングレートで除算して得られる値である。マスク選択比は、その値が大きいほど、エッチング後におけるフォトレジスト２０３の残量が多いことを表し、その値が小さいほど、エッチング後におけるフォトレジスト２０３の残量が少ないことを表す。

また、図６において、変位率は、以下の式（１）で表される。
変位率（％）＝（Ｑ－Ｐ）／Ｐ×１００ ・・・ （１）
式（１）において、Ｐは、初期のフォトレジスト２０３における隣り合う２つの開口の中心間の距離であり、Ｑは、これら２つの開口の下方でエッチングによりＯＮＯＮ膜２０２に形成された２つのホールの底部の中心間の距離である。また、変位率の３σは、変位率の標準偏差σの３倍の値である。変位率の３σは、その値が大きいほど、ホールのベンディングの程度が大きいことを表し、その値が小さいほど、ホールのベンディングの程度が小さいことを表す。

図４及び図５を参照すると、ウェハＷの温度の低下に伴って、ＯＮＯＮ膜２０２のエッチングレート及びマスク選択比が上昇することが分かる。これに対して、図６を参照すると、ウェハＷの温度の低下に伴って、変位率の３σが上がることが分かる。すなわち、ウェハＷの温度の低下に伴って、ホールのベンディングの程度が大きくなり、その結果、ホールの垂直性が低下することが確認された。本願の発明者は、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの垂直性が低下する原因を究明するために、ウェハの温度を変更して単層のシリコン酸化膜又は単層のシリコン窒化膜をエッチングする実験を行った。この実験では、単層のシリコン酸化膜又は単層のシリコン窒化膜を有するウェハが用いられた。

図７は、ウェハの温度を変更して単層のシリコン酸化膜又は単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合の実験結果を示す図である。図７では、ウェハの温度を－２０℃、０℃又は６５℃に変更してエッチングを行った場合の単層のシリコン酸化膜（ＳｉＯ）及び単層のシリコン窒化膜（ＳｉＮ）の夫々の断面が示されている。

図７に示した実験結果を参照すると、単層のシリコン酸化膜に形成されるホールの断面形状は、ウェハの温度に関わらず、略矩形状となった。これに対して、単層のシリコン窒化膜に形成されるホールの断面形状は、ウェハの温度が０℃以下に維持される低温環境下では、先細り形状となった。言い換えると、ウェハの温度が０℃以下に維持される低温環境下では、単層のシリコン窒化膜に形成されるホールの内側壁に、大きな傾斜が発生した。図７に示した実験結果から、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの内側壁のうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜が、当該ホールの垂直性の低下を引き起こす要因となることが確認された。すなわち、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの内側壁のうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜が残存する状態で、ＯＮＯＮ膜２０２のエッチングが進行すると、ホールのベンディングの程度が大きくなる可能性があることが分かった。

図３の説明に戻る。続いて、制御部８０は、ＯＮＯＮ膜２０２がエッチングされて形成されるホールの内側壁のうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜を減少させる処理条件で、ＯＮＯＮ膜２０２をプラズマによりエッチングする第２のエッチング工程を実行する（ステップＳ１０２）。具体的には、制御部８０は、ガスソース群４０から処理ガスをチャンバ１２内に供給し、フォトレジスト２０３をマスクとして処理ガスのプラズマによりＯＮＯＮ膜２０２をエッチングする。第２のエッチング工程に適用される処理条件では、処理ガスとして、例えば、水素含有ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスが用いられる。水素含有ガスとしては、例えば、Ｈ２ガスや、ＣＨ４ガス、Ｃ２Ｈ６ガス、Ｃ２Ｈ２ガス、Ｃ３Ｈ６ガス等の炭化水素ガスが用いられる。フッ素含有ガスとしては、例えば、ＣＦ４ガス、ＮＦ３ガス、ＳＦ６ガス、ＣＨＦ３ガス、ＣＨ２Ｆ２ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＨＦガス、Ｆ２ガス等が用いられる。また、混合ガスは、希ガスを含んでも良い。希ガスとしては、例えば、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等が用いられる。

また、混合ガスが希ガスを含む場合、混合ガスにおいて、水素含有ガスの流量、フッ素含有ガスの流量及び希ガスの流量の合計に対する希ガスの流量の比は、３３％以上であることが好ましい。また、混合ガスが希ガスを含む場合、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比は、２５％～９０％の範囲内であることが好ましい。

また、第２のエッチング工程は、第１のエッチング工程で形成されるホールの開口部の中心位置を通り且つ当該ホールの深さ方向に延伸する基準軸に対する、当該ホールの底部の中心位置の変位の変位量に基づき決定されるタイミングで、開始される。

また、混合ガスは、希ガスに代えて、希釈ガス（dilution gas）を含んでも良い。希釈ガスは、例えば、窒素含有ガス、酸素含有ガス及び希ガスのうち少なくともいずれか一つである。窒素含有ガスとしては、例えば、Ｎ２ガス等が用いられる。酸素含有ガスとしては、例えば、ＣＯガス、ＣＯ２ガス、Ｏ２ガス等が用いられる。希ガスとしては、例えば、Ａｒガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス等が用いられる。なお、希釈ガスとして、種類が異なる複数の希ガスが用いられても良い。

また、混合ガスは、希ガスに代えて、フッ素以外のハロゲンを少なくとも含むガスを含んでも良い。フッ素以外のハロゲンを少なくとも含むガスは、フッ素以外のハロゲンを含んでいれば良く、フッ素以外のハロゲン及びフッ素を含むガスであっても良い。フッ素以外のハロゲンを少なくとも含むガスとしては、例えば、ＨＢｒガス、Ｃｌ２ガス、ＨＣｌガス、ＨＩガス、ＳｉＣｌ４ガス、ＣＦ３Ｉガス、ＣｌＦ３ガス、ＣＦ２Ｂｒ２ガス、ＣＣｌ４ガス等が用いられる。

制御部８０は、例えば以下の処理条件で、ステップＳ１０２における第２のエッチング工程を実行する。
チャンバ１２内の圧力：３．３３３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波の電力（４０ＭＨｚ）：４．５ｋＷ
第２の高周波の電力（４００ｋＨｚ）：７ｋＷ
処理ガス：Ｈ２／ＣＦ４／Ａｒ
ウェハの温度：０℃

［希ガスの添加とホールの形状との関係］
ここで、水素含有ガスとフッ素含有ガスと希ガスとを含む混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状について実験を行った。実験では、水素含有ガスとして、Ｈ２ガスを用い、フッ素含有ガスとして、ＣＦ４ガスを用い、希ガスとして、Ａｒガス又はＨｅガスを用い、且つ希ガスの流量を変更した。図８は、希ガスの流量を変更して混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状の変化を示す図である。なお、流量条件の間で比較するため、各々の流量条件においてエッチングされたシリコン窒化膜の深さは一定（１１００ｎｍ）に揃えている。

図８において、「Ｔｏｐ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの開口部の幅を示し、「Ｂｔｍ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの底部の幅を示す。また、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、「Ｔｏｐ ＣＤ」に対する「Ｂｔｍ ＣＤ」の比（％）を示す。「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、その値が１００％に近くなるほど、ホールの断面形状が矩形状に近づくことを表し、その値が小さいほど、ホールの断面形状が先細り形状に近づくことを表す。

また、図８の実験では、希ガスの流量以外は、主に以下の条件で行われた。
チャンバ１２内の圧力：３．３３３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波の電力（４０ＭＨｚ）：４．５ｋＷ
第２の高周波の電力（４００ｋＨｚ）：７ｋＷ
処理ガス及び流量：Ｈ２／ＣＦ４／Ａｒ又はＨｅ
＝１５０／５０／０、１００、２００、４００ｓｃｃｍ
ウェハの温度：０℃
エッチングされたシリコン窒化膜の深さ：１１００ｎｍ

図８に示した実験結果を参照すると、混合ガスにおける希ガスの添加量の増加に伴って、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」の値が大きくなり、ホールの断面形状が矩形状に近づいた。言い換えると、混合ガスにおける希ガスの添加量の増加に伴って、ホールの内側壁における傾斜が減少した。図８に示した実験結果から、混合ガスに希ガスが添加されることによって、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールのうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜を減少させることができることが確認された。

［希ガスの流量とホールの形状との関係］
次に、希ガスの流量、並びに、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更した場合のホールの形状について実験を行った。実験では、水素含有ガスとして、Ｈ２ガスを用い、フッ素含有ガスとして、ＣＦ４ガスを用い、希ガスとして、Ａｒガス又はＨｅガスを用い、且つ希ガスの流量を変更した。さらに、実験では、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更した。図９は、希ガスの流量、並びに、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更した場合のホールの形状の変化を示す図である。なお、流量条件の間で比較するため、各々の流量条件においてエッチングされたシリコン窒化膜の深さは一定（１１００ｎｍ）に揃えている。

図９において、「Ｔｏｐ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの開口部の幅を示し、「Ｂｔｍ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの底部の幅を示す。また、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、「Ｔｏｐ ＣＤ」に対する「Ｂｔｍ ＣＤ」の比（％）を示す。「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、その値が１００％に近くなるほど、ホールの断面形状が矩形状に近づくことを表し、その値が０％に近くなるほど、ホールの断面形状が先細り形状に近づくことを表す。また、「Ｈ２／（Ｈ２＋ＣＦ４）」は、Ｈ２ガスの流量及びＣＦ４ガスの流量の合計に対するＨ２ガスの流量の比（％）を表す。

また、図９の実験では、希ガスの流量、並びに、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比以外は、主に以下の条件で行われた。
チャンバ１２内の圧力：３．３３３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波の電力（４０ＭＨｚ）：４．５ｋＷ
第２の高周波の電力（４００ｋＨｚ）：７ｋＷ
処理ガス及び流量：Ｈ２／ＣＦ４／Ａｒ
＝５０、１００、１５０、１８０／１５０、１００、５０、２０／０、１００（Ｈ２ガスの流量、ＣＦ４ガスの流量及びＡｒガスの流量の合計を１００％とした場合における３３％）、２００（Ｈ２ガスの流量、ＣＦ４ガスの流量及びＡｒガスの流量の合計を１００％とした場合における５０％）、４００ｓｃｃｍ（Ｈ２ガスの流量、ＣＦ４ガスの流量及びＡｒガスの流量の合計を１００％とした場合における６６％）
ウェハの温度：０℃
エッチングされたシリコン窒化膜の深さ：１１００ｎｍ

図９に示した実験結果を参照すると、Ａｒガスの流量が０である場合、「Ｈ２／（Ｈ２＋ＣＦ４）」が５０％～７５％である範囲において、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」の値が０％となり、ホールの断面形状が先細り形状となった。

これに対して、Ｈ２ガスの流量、ＣＦ４ガスの流量及びＡｒガスの流量の合計に対するＡｒガスの流量が３３％以上である場合、「Ｈ２／（Ｈ２＋ＣＦ４）」に関わらず、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」の値が０％より大きく、ホールの断面形状が矩形状に近づいた。その結果、Ｈ２ガスの流量、ＣＦ４ガスの流量及びＡｒガスの流量の合計に対するＡｒガスの流量が３３％以上である場合、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールのうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜を減少させることができることが確認された。

［水素含有ガスの流量と、ＯＮＯＮ膜２０２のエッチングレート及びマスク選択比との関係］
次に、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更してＯＮＯＮ膜２０２をエッチングした場合の実験結果について、図１０及び図１１を参照して、説明する。図１０は、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更してＯＮＯＮ膜２０２をエッチングした場合のＯＮＯＮ膜２０２のエッチングレートの変化を示す図である。図１１は、水素含有ガスの流量及びフッ素含有ガスの流量の合計に対する水素含有ガスの流量の比を変更してＯＮＯＮ膜２０２をエッチングした場合のマスク選択比の変化を示す図である。

なお、図１０及び図１１の実験では、水素含有ガスとして、Ｈ２ガスを用い、フッ素含有ガスとして、ＣＦ４ガスを用い、希ガスとして、Ａｒガスを用いた。また、図１０及び図１１において、「Ｈ２／（Ｈ２＋ＣＦ４）」は、Ｈ２ガスの流量及びＣＦ４ガスの流量の合計に対するＨ２ガスの流量の比（％）を表す。また、図１１において、マスク選択比は、ＯＮＯＮ膜２０２のエッチングレートをフォトレジスト２０３のエッチングレートで除算して得られる値である。マスク選択比は、その値が大きいほど、エッチング後におけるフォトレジスト２０３の残量が多いことを表し、その値が小さいほど、エッチング後におけるフォトレジスト２０３の残量が少ないことを表す。

また、図１０及び図１１の実験では、Ｈ２ガスの流量及びＣＦ４ガスの流量以外は、主に以下の条件で行われた。
チャンバ１２内の圧力：３．３３３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波の電力（４０ＭＨｚ）：４．５ｋＷ
第２の高周波の電力（４００ｋＨｚ）：７ｋＷ
処理ガス及び流量：Ｈ２／ＣＦ４／Ａｒ
＝５０、１００、１５０、１８０／１５０、１００、５０、２０／０、２００ｓｃｃｍ
ウェハの温度：０℃

図１０及び図１１を参照すると、「Ｈ２／（Ｈ２＋ＣＦ４）」が２５％～９０％の範囲内である場合、Ａｒガスが添加された場合であっても、ＯＮＯＮ膜２０２のエッチングレート及びマスク選択比が比較的に高い値に維持されることが分かる。

［第２のエッチング工程が開始されるタイミング］
ここで、第２のエッチング工程が開始されるタイミングについて、更に詳細に説明する。図１２は、第２のエッチング工程が開始されるタイミングの詳細を説明するための図である。

図１２において、「ホールの深さ」は、第１のエッチング工程でＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの深さ（ｎｍ）を表す。「Ｔｏｐ ＣＤ」は、第１のエッチング工程でＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの開口部の幅（ｎｍ）を示し、「Ｔｏｐ ＣＤ － Ｂｔｍ ＣＤ」は、「Ｔｏｐ ＣＤ」と「Ｂｔｍ ＣＤ」との差分を示す。「変位量の３σ」は、第１のエッチング工程で形成されるホールの開口部の中心位置を通り且つ当該ホールの深さ方向に延伸する基準軸に対する、当該ホールの底部の中心位置の変位量の３σを示す。図１２において、「変位量の３σ」は、実線で表される。

また、「変位量」は、例えば以下の式（２）で求められる。
変位量（ｎｍ）＝Ｑ－Ｐ ・・・ （２）
式（２）において、Ｐは、初期のフォトレジスト２０３における隣り合う２つの開口の中心間の距離であり、Ｑは、これら２つの開口の下方でエッチングによりＯＮＯＮ膜２０２に形成された２つのホールの底部の中心間の距離である。また、変位量の３σは、変位量の標準偏差σの３倍の値である。

本実施形態では、第２のエッチング工程は、第１のエッチング工程で形成されるホールの開口部の中心位置を通り且つ当該ホールの深さ方向に延伸する基準軸に対する、当該ホールの底部の中心位置の変位の変位量に基づき決定されるタイミングで、開始される。例えば、第２のエッチング工程が開始されるタイミングは、図１２に示すように、変位量の３σが「Ｔｏｐ ＣＤ － Ｂｔｍ ＣＤ」の１／２倍以下となるタイミングである。

図１３及び図１４は、変位量、ＴｏＰ ＣＤ及びＢｔｍ ＣＤの関係の一例を説明するための図である。変位量の３σが「Ｔｏｐ ＣＤ － Ｂｔｍ ＣＤ」の１／２倍を超える場合、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールは、図１３に示すように、途中で折れ曲がる。

これに対して、変位量の３σが「Ｔｏｐ ＣＤ － Ｂｔｍ ＣＤ」の１／２倍以下である場合、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの折れ曲がりは、図１４に示すように、図１３に示すホールの折れ曲がりと比較して、抑制される。すなわち、図１３及び図１４を参照すると、第２のエッチング工程が、変位量の３σが「Ｔｏｐ ＣＤ － Ｂｔｍ ＣＤ」の１／２倍以下となるタイミングで開始されることにより、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールのベンディングが抑制されることが分かる。

［希釈ガスの添加とホールの形状との関係］
ここで、水素含有ガスとフッ素含有ガスと希釈ガスとを含む混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状について実験を行った。実験では、水素含有ガスとして、Ｈ２ガスを用い、フッ素含有ガスとして、ＣＦ４ガスを用い、希釈ガスとして、Ｎ２ガス、ＣＯガス、Ａｒガス又はＨｅガスを用い、且つ希釈ガスの流量を変更した。図１５は、希釈ガスの流量を変更して混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状の変化を示す図である。なお、流量条件の間で比較するため、各々の流量条件においてエッチングされたシリコン窒化膜の深さは一定（１１００ｎｍ）に揃えている。

図１５において、「Ｔｏｐ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの開口部の幅を示し、「Ｂｔｍ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの底部の幅を示す。また、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、「Ｔｏｐ ＣＤ」に対する「Ｂｔｍ ＣＤ」の比（％）を示す。「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、その値が１００％に近くなるほど、ホールの断面形状が矩形状に近づくことを表し、その値が小さいほど、ホールの断面形状が先細り形状に近づくことを表す。

また、図１５の実験では、希釈ガスの流量以外は、主に以下の条件で行われた。
チャンバ１２内の圧力：３．３３３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波の電力（４０ＭＨｚ）：４．５ｋＷ
第２の高周波の電力（４００ｋＨｚ）：７ｋＷ
処理ガス及び流量：Ｈ２／ＣＦ４／Ｎ２
＝１５０／５０／０、２０、４０、１００ｓｃｃｍ
又は
Ｈ２／ＣＦ４／ＣＯ
＝１５０／５０／０、１００、２００、４００ｓｃｃｍ
又は
Ｈ２／ＣＦ４／Ａｒ
＝１５０／５０／０、１００、２００、４００ｓｃｃｍ
又は
Ｈ２／ＣＦ４／Ｈｅ
＝１５０／５０／０、１００、２００、４００ｓｃｃｍ
ウェハの温度：０℃
エッチングされたシリコン窒化膜の深さ：１１００ｎｍ

図１５に示した実験結果を参照すると、混合ガスにおける希釈ガスの添加量の増加に伴って、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」の値が大きくなり、ホールの断面形状が矩形状に近づいた。言い換えると、混合ガスにおける希釈ガスの添加量の増加に伴って、ホールの内側壁における傾斜が減少した。図１５に示した実験結果から、混合ガスに希釈ガスが添加されることによって、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールのうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜を減少させることができることが確認された。

［フッ素以外のハロゲンを少なくとも含むガスの添加とホールの形状との関係］
ここで、水素含有ガスとフッ素含有ガスとフッ素以外のハロゲンを少なくとも含むガス（以下単に「ハロゲン含有ガス」と呼ぶ）とを含む混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状について実験を行った。実験では、水素含有ガスとして、Ｈ２ガスを用い、フッ素含有ガスとして、ＣＦ４ガスを用い、ハロゲン含有ガスとして、ＨＢｒガス又はＣｌ２ガスを用い、且つハロゲン含有ガスの流量を変更した。図１６は、ハロゲン含有ガスの流量を変更して混合ガスのプラズマにより単層のシリコン窒化膜をエッチングした場合のホールの形状の変化を示す図である。なお、流量条件の間で比較するため、各々の流量条件においてエッチングされたシリコン窒化膜の深さは一定（１１００ｎｍ）に揃えている。

図１６において、「Ｔｏｐ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの開口部の幅を示し、「Ｂｔｍ ＣＤ」は、単層のシリコン窒化膜に形成されたホールの底部の幅を示す。また、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、「Ｔｏｐ ＣＤ」に対する「Ｂｔｍ ＣＤ」の比（％）を示す。「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」は、その値が１００％に近くなるほど、ホールの断面形状が矩形状に近づくことを表し、その値が小さいほど、ホールの断面形状が先細り形状に近づくことを表す。

また、図１６の実験では、ハロゲン含有ガスの流量以外は、主に以下の条件で行われた。
チャンバ１２内の圧力：３．３３３Ｐａ（２５ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波の電力（４０ＭＨｚ）：４．５ｋＷ
第２の高周波の電力（４００ｋＨｚ）：７ｋＷ
処理ガス及び流量：Ｈ２／ＣＦ４／ＨＢｒ
＝１５０／５０／０、２０、４０ｓｃｃｍ
又は
Ｈ２／ＣＦ４／Ｃｌ２
＝１５０／５０／０、２０、４０ｓｃｃｍ
ウェハの温度：０℃
エッチングされたシリコン窒化膜の深さ：１１００ｎｍ

図１６に示した実験結果を参照すると、混合ガスにおけるハロゲン含有ガスの添加量の増加に伴って、「Ｂｔｍ ＣＤ／Ｔｏｐ ＣＤ」の値が大きくなり、ホールの断面形状が矩形状に近づいた。言い換えると、混合ガスにおけるハロゲン含有ガスの添加量の増加に伴って、ホールの内側壁における傾斜が減少した。図１６に示した実験結果から、混合ガスにハロゲン含有ガスが添加されることによって、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールのうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜を減少させることができることが確認された。

また、図１６に示した実験結果と図１５に示した実験結果とを比較すると、以下の点が確認された。すなわち、混合ガスにハロゲン含有ガスが添加される場合、混合ガスに希釈ガスが添加される場合と比較して、少ないガス流量で、ホールの断面形状を矩形状に近づけることができることが確認された。これは、混合ガスにハロゲン含有ガスが添加される場合、ホールの内側壁において、ホールの断面形状が先細り形状に近づく要因の一つである反応生成物の堆積量が減少するためであると考えられる。もしくは、ホールの内側壁に付着した反応生成物がハロゲン含有ガスに含まれるハロゲンよって低減又は除去されたためであると考えられる。

図３の説明に戻る。続いて、制御部８０は、第１のエッチング工程及び第２のエッチング工程の繰り返し回数が所定回数に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０３）。制御部８０は、第１のエッチング工程及び第２のエッチング工程の繰り返し回数が所定回数に到達していない場合（ステップＳ１０３Ｎｏ）、処理をステップＳ１０１に戻す。これにより、第１のエッチング工程（ステップＳ１０１）と第２のエッチング工程（ステップＳ１０２）とが、少なくとも１回以上交互に繰り返される。一方、制御部８０は、第１のエッチング工程及び第２のエッチング工程の繰り返し回数が所定回数に到達した場合（ステップＳ１０３Ｙｅｓ）、処理を終了する。

以上、本実施形態によれば、ＯＮＯＮ膜２０２を途中までエッチングし、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの内側壁のうち、シリコン窒化膜２１２に対応する部分の、当該ホールの深さ方向に対する傾斜を減少させる処理条件で、ＯＮＯＮ膜２０２をエッチングする。これにより、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールの垂直性の低下を引き起こす要因となる傾斜を減少させつつ、ＯＮＯＮ膜２０２のエッチングを進行させることができる。結果として、ＯＮＯＮ膜２０２に形成されるホールのベンディングを抑制することができる。

なお、開示の技術は、上記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種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、ＯＮＯＮ膜２０２にエッチングによりホールを形成する場合を例に説明したが、ＯＮＯＮ膜２０２にエッチングにより溝を形成しても良い。

また、上記実施形態では、第２のエッチング工程が開始されるタイミングは、変位量が「Ｔｏｐ ＣＤ － Ｂｔｍ ＣＤ」の１／２倍以下となるタイミングである場合を例に説明したが、開示の技術は、これに限られない。例えば、第２のエッチング工程が開始されるタイミングは、変位量が予め定められた量（例えば１０ｎｍ）以下となるタイミングであっても良い。

１０ プラズマエッチング装置
１２ チャンバ
１４ ステージ
３０ 上部電極
４０ ガスソース群
５０ 排気装置
６２ 第１の高周波電源
６４ 第２の高周波電源
８０ 制御部
２０１ シリコン基板
２０２ ＯＮＯＮ膜
２０３ フォトレジスト
２１１ シリコン酸化膜
２１２ シリコン窒化膜

Claims (13)

1. シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された多層膜をプラズマによりエッチングする第１のエッチング工程と、
   前記多層膜がエッチングされて形成されるホール又は溝の内側壁のうち、前記シリコン窒化膜に対応する部分の、当該ホール又は当該溝の深さ方向に対する傾斜を減少させる処理条件で、前記多層膜をプラズマによりエッチングする第２のエッチング工程と
   を含み、
   前記第２のエッチング工程は、前記第１のエッチング工程で形成される前記ホール又は前記溝の開口部の中心位置を通り且つ当該ホール又は当該溝の深さ方向に延伸する基準軸に対する、当該ホール又は当該溝の底部の中心位置の変位の変位量に基づき決定されるタイミングで、開始される
   ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 前記第１のエッチング工程及び前記第２のエッチング工程は、前記多層膜を有する被処理体の温度が０℃以下に維持される低温環境下で、実行されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
3. 前記第２のエッチング工程が開始されるタイミングは、前記変位量の３σが前記ホール又は前記溝の開口部の幅と前記ホール又は前記溝の底部の幅との差分の１／２倍以上となるタイミングであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
4. 前記第２のエッチング工程が開始されるタイミングは、前記変位量の３σが１０ｎｍ以上となるタイミングであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
5. 前記第１のエッチング工程と前記第２のエッチング工程とは、少なくとも１回以上交互に繰り返されることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載のプラズマエッチング方法。
6. 前記処理条件では、水素含有ガスとフッ素含有ガスとを含む混合ガスが用いられることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載のプラズマエッチング方法。
7. 前記混合ガスは、希ガスを更に含むことを特徴とする請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
8. 前記水素含有ガスの流量、前記フッ素含有ガスの流量及び前記希ガスの流量の合計に対する前記希ガスの流量の比は、３３％以上であることを特徴とする請求項７に記載のプラズマエッチング方法。
9. 前記水素含有ガスの流量及び前記フッ素含有ガスの流量の合計に対する前記水素含有ガスの流量の比は、２５％～９０％の範囲内であることを特徴とする請求項７又は８に記載のプラズマエッチング方法。
10. 前記混合ガスは、希釈ガス（dilution gas）を更に含むことを特徴とする請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
11. 前記希釈ガスは、窒素含有ガス、酸素含有ガス及び希ガスのうち少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１０に記載のプラズマエッチング方法。
12. 前記混合ガスは、フッ素以外のハロゲンを少なくとも含むガスを更に含むことを特徴とする請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
13. チャンバと、
    前記チャンバの内部を減圧するための排気部と、
    前記チャンバの内部に処理ガスを供給するためのガス供給部と、
    シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが交互に積層された多層膜をプラズマによりエッチングする第１のエッチング工程と、前記多層膜がエッチングされて得られる溝又はホールの内側壁のうち、前記シリコン窒化膜に対応する部分の、当該ホール又は当該溝の深さ方向に対する傾斜を減少させる処理条件で、前記多層膜をプラズマによりエッチングする第２のエッチング工程とを実行する制御部と
    を備え、
    前記第２のエッチング工程は、前記第１のエッチング工程で形成される前記ホール又は前記溝の開口部の中心位置を通り且つ当該ホール又は当該溝の深さ方向に延伸する基準軸に対する、当該ホール又は当該溝の底部の中心位置の変位の変位量に基づき決定されるタイミングで、開始される
    ことを特徴とするプラズマエッチング装置。

Images