JP7160291B2 - エッチング方法、及びエッチング装置 - Google Patents

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Description

本開示は、エッチング方法、及びエッチング装置に関するものである。
エッチング対象膜をエッチングする手法の一つとして、Ｑｕａｓｉ－ＡＬＥ（Atomic Layer Etching）法と呼ばれる手法が知られている。Ｑｕａｓｉ－ＡＬＥ法では、処理ガスに基づくポリマ層をエッチング対象膜に堆積させ、ポリマ層とエッチング対象膜とを希ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングする（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－１７３２４０号公報
本開示は、エッチング量を適切に制御することができる技術を提供する。
本開示の一態様によるエッチング方法は、エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスの圧力が前記被処理体の温度に対する該第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で該第１の処理ガスに基づく吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程と、前記吸着物と前記エッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、前記エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程とを含む。
本開示によれば、エッチング量を適切に制御することができるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係るエッチング装置の断面の一例を概略的に示す図である。 図２は、実施形態に係る第１の処理ガスの蒸気圧曲線の一例を示す図である。 図３は、実施形態に係るウェハの膜厚の時間的変化の一例を示す図である。 図４は、ウェハの温度が－１１０℃である場合のＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化をエリプソメータにより測定した結果を示すグラフである。 図５は、ウェハの温度が－１１０℃である場合のＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化をＱＭＳにより測定した結果を示すグラフである。 図６は、ウェハの温度が－１１５℃である場合のＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化をエリプソメータにより測定した結果を示すグラフである。 図７は、ウェハの温度が－１１５℃である場合のＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化をＱＭＳにより測定した結果を示すグラフである。 図８は、ウェハの温度が－１２０℃である場合のＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化をエリプソメータにより測定した結果を示すグラフである。 図９は、ウェハの温度が－１２０℃である場合のＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化をＱＭＳにより測定した結果を示すグラフである。 図１０は、実施形態に係るエッチング方法の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
ところで、Ｑｕａｓｉ－ＡＬＥ法では、処理ガスに基づくポリマ層をエッチング対象膜に堆積させる際に、エッチング対象膜に堆積されるポリマ層の堆積量が時間の経過とともに線形に増加する傾向がある。エッチング対象膜に堆積されるポリマ層の堆積量が時間の経過とともに線形に増加すると、ポリマ層の厚さを原子層単位で制御することが困難である。結果として、Ｑｕａｓｉ－ＡＬＥ法では、ポリマ層と反応してエッチングされるエッチング対象膜のエッチング量を適切に制御することが困難であるという問題がある。
［エッチング装置の構成］
まず、実施形態に係るエッチング装置について、図１に基づき説明する。図１は、実施形態に係るエッチング装置１０の断面の一例を概略的に示す図である。図１に示すエッチング装置１０は、容量結合型エッチング装置である。
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、略円筒形状を有する。チャンバ１２は、その内部空間を処理空間として提供している。チャンバ１２の内壁面には、耐プラズマ性を有する被膜が形成されている。この被膜は、アルマイト膜、又は、酸化イットリウムから形成された膜であり得る。チャンバ１２は、接地されている。チャンバ１２の側壁には、開口１２ｇが形成されている。チャンバ１２の外部からチャンバ１２へのウェハＷの搬入時、及び、チャンバ１２からチャンバ１２の外部へのウェハＷの搬出時に、ウェハＷは開口１２ｇを通過する。チャンバ１２の側壁には、開口１２ｇの開閉のために、ゲートバルブ１４が取り付けられている。
チャンバ１２の底部上には、支持部１５が設けられている。支持部１５は、略円筒形状を有している。支持部１５は、例えば、絶縁材料から構成されている。支持部１５は、チャンバ１２内において、チャンバ１２の底部から上方に延在している。チャンバ１２内には、ステージ１６が設けられている。ステージ１６は、支持部１５によって支持されている。
ステージ１６は、半導体ウェハ（以下、「ウェハＷ」という。）を載置する。ウェハＷは、被処理体の一例である。ステージ１６は、下部電極１８及び静電チャック２０を有している。下部電極１８は、第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂを含んでいる。第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂは、例えばアルミニウムといった金属から構成されており、略円盤形状を有している。第２プレート１８ｂは、第１プレート１８ａ上に設けられており、第１プレート１８ａに電気的に接続されている。
静電チャック２０は、第２プレート１８ｂ上に設けられている。静電チャック２０は、絶縁層、及び、当該絶縁層内に設けられた膜状の電極を有している。静電チャック２０の電極には、直流電源２２がスイッチ２３を介して電気的に接続されている。静電チャック２０の電極には、直流電源２２から直流電圧が印加される。静電チャック２０の電極に直流電圧が印加されると、静電チャック２０は、静電引力を発生して、ウェハＷを当該静電チャック２０に引き付けて、当該ウェハＷを保持する。なお、静電チャック２０内には、ヒータが内蔵されていてもよく、当該ヒータには、チャンバ１２の外部に設けられたヒータ電源が接続されていてもよい。
第２プレート１８ｂの周縁部上には、フォーカスリング２４が設けられる。フォーカスリング２４は、略環状の板である。フォーカスリング２４は、ウェハＷのエッジ及び静電チャック２０を囲むように配置される。フォーカスリング２４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２４は、例えば、シリコン、石英といった材料から形成され得る。
第２プレート１８ｂ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から、配管２６ａを介して冷媒が供給される。流路１８ｆに供給された冷媒は、配管２６ｂを介してチラーユニットに戻される。即ち、流路１８ｆとチラーユニットとの間では、冷媒が循環される。この冷媒の温度を制御することにより、ステージ１６（又は静電チャック２０）の温度及びウェハＷの温度が調整される。なお、冷媒としては、例えばガルデン（登録商標）が例示される。
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。
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１６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。上部電極３０は、電極板３４及び支持体３６を含み得る。電極板３４の下面は、チャンバ１２に面している。電極板３４には、複数のガス吐出孔３４ａが設けられている。この電極板３４は、シリコン又は酸化シリコンといった材料から形成され得る。
支持体３６は、電極板３４を着脱自在に支持するものであり、アルミニウムといった導電性材料から形成されている。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、ガス吐出孔３４ａに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、少なくとも、第１の処理ガスのガスソースと、第２の処理ガスのガスソースとを含んでいる。第１の処理ガスは、ウェハＷのエッチング対象膜に物理吸着されるガスである。第２の処理ガスは、エッチング対象膜のエッチングに用いられるガスである。なお、複数のガスソースは、第１の処理ガス及び第２の処理ガス以外のガスのソースを含んでいてもよい。
バルブ群４２は複数のバルブを含んでおり、流量制御器群４４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といった複数の流量制御器を含んでいる。ガスソース群４０の複数のガスソースはそれぞれ、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。
支持部１５とチャンバ１２の側壁との間にはバッフル部材４８が設けられている。バッフル部材４８は、例えば、板状の部材であり、アルミニウム製の母材の表面にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより形成され得る。バッフル部材４８には、当該バッフル部材４８を貫通する複数の孔が形成されている。バッフル部材４８の下方において、チャンバ１２の底部には、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、圧力調整弁といった圧力制御器、及び、ターボ分子ポンプといった真空ポンプを有しており、チャンバ１２を所望の圧力に減圧することができる。
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の高周波電力（高周波電気エネルギー）を発生する電源である。第１の高周波電力は、例えば２７～１００ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。第１の高周波電源６２は、整合器６３を介して上部電極３０に接続されている。整合器６３は、第１の高周波電源６２の出力インピーダンスと負荷側（上部電極３０側）の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６３を介して下部電極１８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の高周波電力（高周波電気エネルギー）を発生する電源である。第２の高周波電力は、例えば４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。第２の高周波電源６４は、整合器６５を介して下部電極１８に接続されている。整合器６５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）のインピーダンスを整合させるための回路を有している。
エッチング装置１０は、制御部７０によって、その動作が統括的に制御される。制御部７０には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を備えエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ７１と、ユーザインターフェース７２と、記憶部７３とが設けられている。
ユーザインターフェース７２は、工程管理者がエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、エッチング装置の稼動状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
記憶部７３には、エッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ７１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読み取り可能なコンピュータ記録媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）に記憶されてより。制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送されてもよい。
制御部７０は、プロセスコントローラ７１が記憶部７３に格納された制御プログラムや処理条件データに基づいて動作することにより、装置全体の動作を制御する。
［エッチング方法］
次に、エッチング装置１０によりウェハＷをエッチングする流れの一例を説明する。エッチング装置１０は、まず物理吸着工程を実行する。すなわち、エッチング装置１０は、エッチング対象膜が形成されたウェハＷを冷却しながら、第１の処理ガスの圧力がウェハＷの温度に対する第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で該第１の処理ガスに基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。そして、エッチング装置１０は、エッチング工程を実行する。すなわち、エッチング装置１０は、吸着物とエッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングする。エッチング対象膜は、例えばシリコン含有膜である。シリコン含有膜としては、例えばＳｉＯ２膜が挙げられる。第１の処理ガスは、例えばＣＦ系ガスである。ＣＦ系ガスとしては、例えばＣ４Ｆ８が挙げられる。第２の処理ガスは、例えば希ガスである。希ガスとしては、例えばＡｒが挙げられる。なお、物理吸着工程とエッチング工程とは、複数のサイクル繰り返されても良い。また、物理吸着工程とエッチング工程との間に、第１の処理ガスを第３の処理ガスで置換する置換工程が実行されても良い。第３の処理ガスは、例えば第２の処理ガスと同一であっても良い。
ところで、エッチング対象膜をエッチングする手法の一つであるＱｕａｓｉ－ＡＬＥ法では、処理ガスに基づくポリマ層をエッチング対象膜に堆積させる際に、エッチング対象膜に堆積されるポリマ層の堆積量が時間の経過とともに線形に増加する傾向がある。エッチング対象膜に堆積されるポリマ層の堆積量が時間の経過とともに線形に増加すると、ポリマ層の厚さを原子層単位で制御することが困難である。結果として、Ｑｕａｓｉ－ＡＬＥ法では、ポリマ層と反応してエッチングされるエッチング対象膜のエッチング量を所望の量に制御することが困難であるという問題がある。
そこで、エッチング装置１０は、エッチング対象膜が形成されたウェハＷを冷却しながら、第１の処理ガスの圧力がウェハＷの温度に対する第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で該第１の処理ガスに基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。ウェハＷを冷却しながら、第１の処理ガスの圧力が飽和蒸気圧よりも小さい条件下で吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させることで、吸着物の吸着量が時間の経過とともに一定値に飽和するため、吸着物の厚さを原子層単位で高精度に制御することができる。結果として、吸着物と反応してエッチングされるエッチング対象膜のエッチング量を所望の量に適切に制御することができる。
図２は、実施形態に係る第１の処理ガスの蒸気圧曲線の一例を示す図である。図２には、第１の処理ガスであるＣ４Ｆ８の蒸気圧曲線が示されている。Ｃ４Ｆ８の飽和蒸気圧は、温度が高くなるほど、大きくなる。このため、ウェハＷの温度が高くなるほど、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物がエッチング対象膜に物理吸着し難くなる。よって、エッチングに寄与するのに十分な量の物理吸着を引き起こすウェハＷの温度には上限があり、エッチング装置１０は、上限の温度よりも低い温度までウェハＷを冷却する。本実施形態のエッチング装置１０は、第１の処理ガスとしてＣ４Ｆ８を用いる場合、ウェハＷを、例えば－１１５℃以下の温度まで冷却する。
また、Ｃ４Ｆ８の圧力がウェハＷの温度に対する飽和蒸気圧よりも小さい場合、エッチング対象膜に物理吸着する吸着物の吸着量が時間の経過とともに一定値に飽和する。この現象は、吸着平衡と呼ばれる。本実施形態のエッチング装置１０は、ウェハＷを冷却しながら、Ｃ４Ｆ８の圧力がウェハＷの温度に対するＣ４Ｆ８の飽和蒸気圧よりも小さい条件下でＣ４Ｆ８に基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。例えば、エッチング装置１０は、ウェハＷを－１１５℃以下の温度まで冷却しながら、Ｃ４Ｆ８の圧力がウェハＷの温度に対するＣ４Ｆ８の飽和蒸気圧よりも小さい条件下でＣ４Ｆ８に基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。図２には、ウェハＷの温度が－１１５℃以下である場合に設定されるＣ４Ｆ８の圧力の範囲が斜線の範囲で示されている。ウェハＷを冷却しながら、Ｃ４Ｆ８の圧力が飽和蒸気圧よりも小さい条件下で吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させることで、吸着物の吸着量が時間の経過とともに一定値に飽和するため、吸着物の厚さを原子層単位で高精度に制御することができる。結果として、吸着物と反応してエッチングされるエッチング対象膜のエッチング量を所望の量に適切に制御することができる。
次に、図３を参照して、ウェハＷをエッチングする流れの具体例を説明する。図３は、実施形態に係るウェハＷの膜厚の時間的変化の一例を示す図である。図３の上側には、物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に８サイクル繰り返し実行した場合のウェハＷの膜厚の時間的変化がグラフで示されている。図３の下側には、図３の上側のグラフのうち、７サイクル目に相当する部分が拡大されて示されている。ウェハＷには、エッチング対象膜としてＳｉＯ２膜が形成されている。
エッチング装置１０は、冷媒を循環させて、ウェハＷを－１２０℃まで冷却する。そして、エッチング装置１０は、ウェハＷを冷却しながら、Ｃ４Ｆ８の圧力がウェハＷの温度に対するＣ４Ｆ８の飽和蒸気圧よりも小さい条件下でガスソース群４０からＣ４Ｆ８をチャンバ１２内に供給して吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。このとき、エッチング装置１０は、チャンバ１２内にプラズマを生成しない。図３には、７サイクル目の物理吸着工程が実行されている期間Ｔ１が示されている。ウェハＷでは、エッチング対象膜に物理吸着する吸着物の吸着量が時間の経過とともに一定値に飽和し、ウェハＷの膜厚が一定値に飽和する。つまり、物理吸着工程は、吸着物の吸着量が飽和するまで、所定時間（例えば期間Ｔ１の時間）だけ継続される。なお、エッチング装置１０は、吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる際に、チャンバ１２の壁の温度をウェハＷの温度よりも高い値に調整してもよい。チャンバ１２の壁の温度の調整は、例えばヒータなどの加熱手段を用いて実行される。チャンバ１２の壁の温度をウェハＷの温度よりも高い値に調整することにより、チャンバ１２の壁に物理吸着する吸着物の吸着量を低減することができる。
エッチング装置１０は、エッチング対象膜にＣ４Ｆ８に基づく吸着物を物理吸着させた後、ガスソース群４０からＡｒをチャンバ１２内に供給して、Ｃ４Ｆ８をＡｒで置換する。図３には、７サイクル目の置換工程が実行されている期間Ｔ２が示されている。Ｃ４Ｆ８がＡｒで置換されることにより、Ｃ４Ｆ８の分圧が減少して、エッチング対象膜に物理吸着する吸着物の一部が揮発する。エッチング対象膜に物理吸着する吸着物の一部が揮発するに連れて、ウェハＷでは、吸着物の吸着量が減少し、ウェハＷの膜厚が減少する。しかし、吸着物の他の一部は、揮発することなく残留物としてエッチング対象膜に残留する。これにより、吸着物の厚さが所定の厚さに調整される。
エッチング装置１０は、Ｃ４Ｆ８をＡｒで置換した後、ガスソース群４０からＡｒをチャンバ１２内に供給しつつ、第１の高周波電源６２から第１の高周波電力を上部電極３０に印加してチャンバ１２内にＡｒのプラズマを生成してエッチングを行う。このとき、エッチング装置１０は、第２の高周波電源６４から第２の高周波電力を下部電極１８に印加してもよい。図３には、７サイクル目のエッチング工程が実行されている期間Ｔ３が示されている。Ａｒのプラズマが生成されることにより、エッチング対象膜上の吸着物に対するＡｒイオンの衝突が促進され、吸着物とエッチング対象膜との反応が引き起こされる。吸着物とエッチング対象膜とが反応することにより、ウェハＷでは、吸着物の厚さに応じてエッチング対象膜がエッチングされてエッチング対象膜の厚さが時間の経過とともに減少し、ウェハＷの膜厚が減少する。吸着物とエッチング対象膜との反応が完了すると、エッチング対象膜の厚さの減少が停止する。つまり、エッチング工程は、吸着物とエッチング対象膜との反応が完了するまで、継続される。
このように、エッチング装置１０は、ウェハＷを冷却しながら、Ｃ４Ｆ８の圧力がウェハＷの温度に対するＣ４Ｆ８の飽和蒸気圧よりも小さい条件下で吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させることで、吸着物の吸着量を一定値に飽和させることができる。これにより、エッチング装置１０は、吸着物の厚さを原子層単位で高精度に制御することができ、結果として、吸着物と反応してエッチングされるエッチング対象膜のエッチング量を所望の量に適切に制御することができる。
ところで、エッチング装置１０では、エッチング対象膜に吸着物を物理吸着させた場合であっても、エッチング対象膜のエッチングを行う前に吸着物の全てが揮発する場合がある。例えば、エッチング装置１０では、ＳｉＯ２膜に物理吸着した、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物は、ウェハＷの温度が比較的に高い温度（例えば、－１１５℃よりも高い温度）である場合、エッチングを行う前に吸着物の全てが揮発する場合がある。エッチングを行う前に吸着物の全てが揮発すると、吸着物とエッチング対象膜との反応が実現されないため、エッチング対象膜のエッチングが実現されない。
図４は、ウェハＷの温度が－１１０℃である場合のＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化をエリプソメータにより測定した結果を示すグラフである。図５は、ウェハＷの温度が－１１０℃である場合のＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化をＱＭＳ（Quadrupole Mass Spectrometer）により測定した結果を示すグラフである。図４及び図５は、チャンバ１２内に供給されるＣ４Ｆ８の圧力を変えて、ＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さ及びＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度を測定した結果である。図４及び図５には、Ｃ４Ｆ８の圧力ごとに、ＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化及びＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化がグラフにより示されている。
図４のグラフは、ウェハＷの温度が－１１０℃である場合、チャンバ１２内にＣ４Ｆ８が供給されることにより、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物がＳｉＯ２膜に物理吸着することを示している。図５のグラフは、ウェハＷの温度が－１１０℃である場合、ＳｉＯ２膜に一旦物理吸着した吸着物の全てがＣ４Ｆ８の排気が開始された後にガス成分として速やかに揮発することを示している。
図６は、ウェハＷの温度が－１１５℃である場合のＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化をエリプソメータにより測定した結果を示すグラフである。図７は、ウェハＷの温度が－１１５℃である場合のＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化をＱＭＳにより測定した結果を示すグラフである。図６及び図７は、チャンバ１２内に供給されるＣ４Ｆ８の圧力を変えて、ＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さ及びＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度を測定した結果である。図６及び図７には、Ｃ４Ｆ８の圧力ごとに、ＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化及びＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化がグラフにより示されている。
図６のグラフは、ウェハＷの温度が－１１５℃である場合、チャンバ１２内にＣ４Ｆ８が供給されることにより、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物がＳｉＯ２膜に物理吸着することを示している。図７のグラフは、ウェハＷの温度が－１１５℃である場合、ＳｉＯ２膜に一旦物理吸着した吸着物がＣ４Ｆ８の排気が開始された後にガス成分として緩やかに揮発することを示している。図４と図５と図６と図７とは、ウェハＷの温度が－１１５℃である場合、ウェハＷの温度が－１１０℃である場合と比較して、ＳｉＯ２膜に一旦物理吸着した吸着物がＳｉＯ２膜に残留する時間を長くすることができることを示している。
図８は、ウェハＷの温度が－１２０℃である場合のＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化をエリプソメータにより測定した結果を示すグラフである。図９は、ウェハＷの温度が－１２０℃である場合のＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化をＱＭＳにより測定した結果を示すグラフである。図８及び図９は、チャンバ１２内に供給されるＣ４Ｆ８の圧力を変えて、ＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さ及びＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度を測定した結果である。図８及び図９には、Ｃ４Ｆ８の圧力ごとに、ＳｉＯ２膜上の吸着物の厚さの時間的変化及びＳｉＯ２膜付近のガス成分の強度の時間的変化がグラフにより示されている。
図８のグラフは、ウェハＷの温度が－１２０℃である場合、チャンバ１２内にＣ４Ｆ８が供給されることにより、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物がＳｉＯ２膜に物理吸着することを示している。図９のグラフは、ウェハＷの温度が－１２０℃である場合、ＳｉＯ２膜に一旦物理吸着した吸着物がＣ４Ｆ８の排気が開始された後にガス成分として緩やかに揮発することを示している。図６と図７と図８と図９とは、ウェハＷの温度が－１２０℃である場合、ウェハＷの温度が－１１５℃である場合と比較して、ＳｉＯ２膜に一旦物理吸着した吸着物がＳｉＯ２膜に残留する時間を長くすることができることを示している。
そこで、本実施形態のエッチング装置１０は、ウェハＷを－１１５℃以下の温度まで冷却しながら、吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。これにより、エッチングを行う前に吸着物の全てが揮発する事態を回避することができるため、エッチング対象膜のエッチングを安定的に実現することができる。
ただし、ウェハＷが－１１５℃以下の温度まで冷却された場合でも、第１の処理ガスであるＣ４Ｆ８の圧力がウェハＷの温度に対するＣ４Ｆ８の飽和蒸気圧よりも十分に低い場合には、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物が揮発し易くなる。例えば、Ｃ４Ｆ８の圧力が０．５Ｐａよりも小さい場合、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物が揮発し易くなる。そこで、本実施形態のエッチング装置１０は、第１の処理ガスの圧力が第１の処理ガスの種類に応じて予め定められた下限値以上であり、且つ第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。例えば、第１の処理ガスがＣ４Ｆ８である場合、第１の処理ガスの種類に応じて予め定められた下限値は、例えば０．５Ｐａである。第１の処理ガスの圧力を第１の処理ガスの種類に応じて予め定められた下限値以上とすることにより、吸着物の揮発を抑制することができる。
次に、本実施形態に係るエッチング方法の流れを簡単に説明する。図１０は、実施形態に係るエッチング方法の流れの一例を示すフローチャートである。
エッチング装置１０は、流路１８ｆとチラーユニットとの間で冷媒を循環させて、ステージ１６及びウェハＷを－１１５℃以下まで冷却する（ステップＳ１１）。
エッチング装置１０は、ウェハＷを冷却しながら、Ｃ４Ｆ８の圧力がウェハＷの温度に対するＣ４Ｆ８の飽和蒸気圧よりも小さい条件下でガスソース群４０からＣ４Ｆ８をチャンバ１２内に供給して吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる（ステップＳ１２）。ステップＳ１２は、物理吸着工程の一例である。ステップＳ１２におけるＣ４Ｆ８は、第１の処理ガスの一例である。
エッチング装置１０は、ガスソース群４０からＡｒをチャンバ１２内に供給して、Ｃ４Ｆ８をＡｒで置換する（ステップＳ１３）。Ｃ４Ｆ８がＡｒで置換されることにより、Ｃ４Ｆ８の分圧が減少して、エッチング対象膜に物理吸着する吸着物の一部が揮発する。吸着物の他の一部は、揮発することなく残留物としてエッチング対象膜に残留する。これにより、吸着物の厚さが所定の厚さに調整される。ステップＳ１３は、置換工程の一例である。ステップＳ１３におけるＡｒは、第３の処理ガスの一例である。
エッチング装置１０は、ガスソース群４０からＡｒをチャンバ１２内に供給しつつ、第１の高周波電源６２から第１の高周波電力を上部電極３０に印加してチャンバ１２内にＡｒのプラズマを生成してエッチング対象膜をエッチングする（ステップＳ１４）。ステップＳ１４は、エッチング工程の一例である。ステップＳ１４におけるＡｒは、第２の処理ガスの一例である。
エッチング装置１０は、ステップＳ１２～Ｓ１４が複数のサイクル繰り返されたか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１２～Ｓ１４が複数のサイクル繰り返されていない場合（ステップＳ１５Ｎｏ）、エッチング装置１０は、処理をステップＳ１２に移行する。これにより、物理吸着工程、置換工程及びエッチング工程が複数のサイクル繰り返される。
一方、ステップＳ１２～Ｓ１４が複数のサイクル実行された場合（ステップＳ１５Ｙｅｓ）、エッチング装置１０は、エッチング方法を終了する。
以上のように、本実施形態に係るエッチング方法は、物理吸着工程と、エッチング工程とを含む。物理吸着工程は、エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスの圧力が被処理体の温度に対する該第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で該第１の処理ガスに基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。エッチング工程は、吸着物とエッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングする。これにより、吸着物の厚さを原子層単位で高精度に制御することができ、結果として、吸着物と反応してエッチングされるエッチング対象膜のエッチング量を所望の量に適切に制御することができる。これにより、被処理体の面内におけるエッチング量の均一性を向上するとともに、被処理体ごとのエッチング量のばらつきを抑制することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、物理吸着工程は、吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる際に、被処理体が配置されるチャンバの壁の温度を被処理体の温度よりも高い値に調整する。これにより、チャンバの壁に物理吸着する吸着物の吸着量を低減することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、物理吸着工程は、吸着物の吸着量が飽和するまで、継続される。これにより、吸着物の厚さを所望の厚さに制御することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、物理吸着工程とエッチング工程とは、複数のサイクル繰り返される。これにより、繰り返される各サイクルにおけるエッチング量を所望の量に制御することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法は、第１の処理ガスを第３の処理ガスで置換する置換工程をさらに含む。これにより、残留ガスの影響によるエッチング不良の発生を抑制することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、第３の処理ガスは、第２の処理ガスと同一である。これにより、処理ガスの切り替えに起因したエッチング不良の発生を抑制することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、エッチング工程は、吸着物とエッチング対象膜との反応が完了するまで、継続される。これにより、自己制御的なエッチングを実現することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、第１の処理ガスは、ＣＦ系ガスを含む。これにより、ＣＦ系ガスに基づく吸着物と反応してエッチングされるエッチング対象膜のエッチング量を所望の量に適切に制御することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、物理吸着工程は、被処理体を－１１５℃以下の温度まで冷却しながら、吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。これにより、エッチングを行う前に吸着物の全てが揮発する事態を回避することができるため、エッチング対象膜のエッチングを安定的に実現することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、物理吸着工程は、第１の処理ガスの圧力が第１の処理ガスの種類に応じて予め定められた下限値以上であり、且つ第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる。これにより、吸着物の揮発を抑制することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、第１の処理ガスは、Ｃ４Ｆ８であり、第１の処理ガスの圧力は、０．５Ｐａ以上である。これにより、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物の揮発を抑制することができる。
また、本実施形態に係るエッチング方法において、第２の処理ガスは、希ガスを含む。これにより、吸着物とエッチング対象膜とを希ガスのプラズマにより反応させることができる。
［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、上記した実施形態において、物理吸着工程は１つのステップで実行されるが、２つのステップで実行されてもよい。例えば、物理吸着工程は、第１の工程と第２の工程とを含んでもよい。第１の工程では、第１の処理ガスの圧力が吸着物の吸着量を飽和させる圧力よりも高い値である条件下で吸着物を物理吸着させる。第２の工程では、第１の処理ガスの圧力が前記吸着物の吸着量を飽和させる圧力である条件下で前記吸着物を物理吸着させる。これにより、吸着物の吸着量が一定値に飽和するまでに要する時間を短縮することができる。
また、上記した実施形態において、物理吸着工程とエッチング工程とが繰り返される際に、第１の処理ガスの圧力及び被処理体（ウェハＷ）の温度は変更されないが、開示の技術はこれに限られない。例えば、物理吸着工程とエッチング工程とが繰り返される度に、第１の処理ガスの圧力及び被処理体の温度の少なくともいずれか一方が変更されてもよい。これにより、エッチングの進行に伴ってエッチング量を変化させることができる。
また、上記した実施形態では、物理吸着工程とエッチング工程との間に、第１の処理ガスを第３の処理ガスで置換する置換工程が行われる例を示したが、開示の技術はこれに限られない。例えば、物理吸着工程とエッチング工程との間に、第１の処理ガスを排気する排気工程が含まれてもよい。
また、上記した実施形態において、エッチング工程の後に、第２の処理ガスを排気する排気工程が含まれても良い。また、上記した実施形態において、エッチング工程の後に、第２の処理ガスを第４の処理ガスで置換する置換工程が含まれてもよい。
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。
１０ エッチング装置
１２ チャンバ
１６ ステージ
１８ 下部電極
１８ｆ 流路
２０ 静電チャック
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
７０ 制御部

Claims (18)

  1. エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスの圧力が前記被処理体の温度に対する該第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で該第１の処理ガスに基づく吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程と、
    前記吸着物と前記エッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、前記エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程と
    を含む、エッチング方法。
  2. 前記物理吸着工程は、前記吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる際に、前記被処理体が配置されるチャンバの壁の温度を前記被処理体の温度よりも高い値に調整する、請求項１に記載のエッチング方法。
  3. 前記物理吸着工程は、前記吸着物の吸着量が飽和するまで、継続される、請求項１又は２に記載のエッチング方法。
  4. 前記物理吸着工程は、
    前記第１の処理ガスの圧力が前記吸着物の吸着量を飽和させる圧力よりも高い値である条件下で前記吸着物を物理吸着させる第１の工程と、
    前記第１の処理ガスの圧力が前記吸着物の吸着量を飽和させる圧力である条件下で前記吸着物を物理吸着させる第２の工程と、
    を含む、請求項１に記載のエッチング方法。
  5. 前記物理吸着工程と前記エッチング工程とは、複数のサイクル繰り返される、請求項１に記載のエッチング方法。
  6. 前記物理吸着工程と前記エッチング工程とが繰り返される度に、前記物理吸着工程において前記第１の処理ガスの圧力及び前記被処理体の温度の少なくともいずれか一方が変更される、請求項５に記載のエッチング方法。
  7. 前記物理吸着工程と前記エッチング工程との間に、前記第１の処理ガスを排気する排気工程をさらに含む、請求項１に記載のエッチング方法。
  8. 前記物理吸着工程と前記エッチング工程との間に、前記第１の処理ガスを第３の処理ガスで置換する置換工程をさらに含む、請求項１に記載のエッチング方法。
  9. 前記第３の処理ガスは、前記第２の処理ガスと同一である、請求項８に記載のエッチング方法。
  10. 前記エッチング工程は、前記吸着物と前記エッチング対象膜との反応が完了するまで、継続される、請求項１に記載のエッチング方法。
  11. 前記エッチング工程の後に、前記第２の処理ガスを排気する排気工程をさらに含む、請求項１に記載のエッチング方法。
  12. 前記エッチング工程の後に、前記第２の処理ガスを第４の処理ガスで置換する置換工程をさらに含む、請求項１に記載のエッチング方法。
  13. 前記第１の処理ガスは、ＣＦ系ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載のエッチング方法。
  14. 前記物理吸着工程は、前記被処理体を－１１５℃以下の温度まで冷却しながら、前記吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる、請求項１に記載のエッチング方法。
  15. 前記物理吸着工程は、前記第１の処理ガスの圧力が前記第１の処理ガスの種類に応じて予め定められた下限値以上であり、且つ前記第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で前記吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる、請求項１に記載のエッチング方法。
  16. 前記第１の処理ガスは、Ｃ４Ｆ８であり、
    前記第１の処理ガスの圧力は、０．５Ｐａ以上である、請求項１５に記載のエッチング方法。
  17. 前記第２の処理ガスは、希ガスを含む、請求項１に記載のエッチング方法。
  18. 被処理体が配置されるチャンバと、
    前記チャンバ内を減圧するための排気部と、
    前記チャンバ内に処理ガスを供給するためのガス供給部と、
    エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスの圧力が前記被処理体の温度に対する該第１の処理ガスの飽和蒸気圧よりも小さい条件下で該第１の処理ガスに基づく吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程と、前記吸着物と前記エッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、前記エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程とを実行する制御部と、
    を有する、エッチング装置。
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