JP7311652B2 - エッチング方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体デバイスを製造する工程として処理室内に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料の表面に予め形成された複数の膜層から構成された膜構造の処理対象の膜層を処理するエッチング方法に係り、特に、試料上面の膜構造として処理対象の酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とが積層されたものにおいて処理室内にガスの粒子を供給して酸化シリコン膜をエッチングして除去するエッチング方法に関する。
半導体デバイスでは、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、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」が多用されるようになる。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きたが、微細化の進展により、薬液の表面張力によるパタ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。さらには、大量の薬液処理が必要なことも問題である。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必要が生じている。
半導体デバイス中では、酸化シリコン膜が多く使われることから、そのドライエッチングプロセスも、以前から多数の公知例がある。例えば、特開平０７－１６９７３８号公報（特許文献１）には、アルコールとＣＦ系のガスにより、０℃以下でプラズマを用いて酸化シリコン系材料層をエッチングする技術が記載されている。また、特開２０１３－０７４２００号公報（特許文献２）には、フッ化水素とメタノールの混合ガスを用いて、プラズマを用いないで、３０℃以下で堆積物をエッチング除去するものが記載されている。
一方で、半導体デバイスを製造する工程において、三次元構造の半導体素子である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。中でも３Ｄ－ＮＡＮＤ構造では、酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）と窒化シリコン膜（ＳｉＮ）が交互に多数積層されていて、そこに深い穴形状や溝形状が形成された構造から、酸化シリコン膜を選択的に等方的に横方向に少量エッチングすることが求められる。
このような課題に対しても、特開２０１６－０２５１９５号公報（特許文献３）、ＵＳ０９６１３８２３Ｂ号公報（特許文献４）、特開平０７－１５３７３７号公報（特許文献５）、ＵＳ０５５７１３７５Ｂ号公報（特許文献６）には、フッ化水素とアルコールにより、プラズマを用いないで、０～３０℃、あるいは、室温～４０℃のような温度で酸化シリコン膜をエッチングすることが記載されている。さらに、上記特許文献３，４，５には、窒化シリコンに関する記載がある。
さらにまた、特開２００５－１６１４９３号公報（特許文献７）には、フッ化水素とアルコールから生成したＨＦ２ －により、プラズマを用いないで、窒化シリコン膜上に形成された酸化シリコン膜を有する構造体をエッチングする点、およびその後に当該構造体を加熱、さらに冷却する技術が記載されている。また、ＵＳ１０３１９６０３Ｂ号公報（特許文献８）には、－２０℃以下で、酸素を含む前駆体とフッ素を含む前駆体を用いて、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜が積層した構造から窒化シリコン膜を選択的に横方向にエッチングする技術が開示されている。
さらに、ＵＳ０９４３１２６８Ｂ号公報（特許文献９）には、酸化シリコン膜の表面にＯＨ含有種を吸着させて活性にした後、無水ＨＦによってエッチングを行う方法で、反応で生成した水を基板の表面から加熱して除去することで、エッチングを制御する技術が開示されている。
特開平０７－１６９７３８号公報 特開２０１３－０７４２００号公報 特開２０１６－０２５１９５号公報 ＵＳ０９６１３８２３Ｂ号公報 特開平０７－１５３７３７号公報 ＵＳ０５５７１３７５Ｂ号公報 特開２００５－１６１４９３号公報 ＵＳ１０３１９６０３Ｂ号公報 ＵＳ０９４３１２６８Ｂ号公報
しかしながら、上記の従来技術では、次のような点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。
すなわち、背景技術に記載されるように、従来のフッ酸水溶液やバッファードフッ酸水溶液によるウエットエッチングでは、微細な隙間のエッチング残りの問題や、エッチングの制御性が悪いという問題がある。一方、ドライエッチングの場合には、高い酸化シリコン膜のエッチングレートと低い窒化シリコン膜のエッチングレートを両立することは難しく、窒化シリコン膜に対して、高い選択比で酸化シリコン膜をエッチングすることは難しいという問題があった。
このため、従来の技術では酸化シリコンの膜層と窒化シリコンの膜層が上下方向に積層された膜構造において酸化シリコン膜をエッチングする工程では、加工の精度が低く所期の加工後の膜構造の形状が得られず処理の歩留まりが損なわれてしまうという問題について、十分に考慮されていなかった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い酸化シリコン膜のエッチングレートと低い窒化シリコン膜のエッチングレートを両立し、窒化シリコン膜に対して、高い選択比で酸化シリコン膜を高精度にエッチングする方法を提供する。
本発明のエッチング方法は、処理室内に配置されたウエハ上に予め形成された、酸化シリコン膜が窒化シリコン膜に上下に挟まれて積層された膜層の端部が溝または穴の側壁を構成する膜構造を、前記処理室内に処理用の気体を供給してエッチングするドライエッチング方法であって、フッ化水素ガスを供給し、前記ウエハを－３０℃以下の低温、望ましくは－３０～－６０℃に冷却して、前記酸化シリコン膜を前記端部から横方向にエッチングすることを特徴とする。
酸化シリコン膜を高いエッチングレートでエッチングすることと、窒化シリコン膜を低いエッチングレートでエッチングすることを両立することができ、その結果、窒化シリコン膜に対して、高い選択比で酸化シリコン膜を高精度にエッチングに除去することが可能である。
本発明の実施例に係るエッチング処理装置の構成の全体を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す本実施例に係るエッチング処理装置が実施するエッチング処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図２に示すエッチング処理の工程が実施されるウエハ上の膜構造の一例を模式的に示す縦断面図である。 図３に示すウエハ上の膜構造に対するエッチング処理において選択比が低い場合の処理後の形状の一例を模式的に示す縦断面図である。 図２に示す実施例にエッチング処理の変形例の流れを示すフローチャートである。 図１に示す実施例に係るエッチング処理装置が図５に示す変形例に係るエッチング処理を行う際の動作の流れを示すタイムチャートである。 図２に示す実施例に係るエッチング処理におけるウエハの温度の変化に対するエッチングレートおよび選択比の変化を示すグラフである。 図２に示すエッチング処理の別の変形例に係るエッチング処理の工程を実施した結果を示すグラフである。 本発明の別の実施例に係るエッチング処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
発明者らは、プラズマを用いたＣＶＤ（chemical vapor deposition）によりウエハ表面に形成された酸化シリコン膜（ＳｉＯ2膜）および窒化シリコン膜（ＳｉＮ）のそれぞれの単層膜について、プラズマを用いないエッチングの検討を行った。より具体的には、フッ化水素（ＨＦ）ガスを単独で、あるいはフッ化水素ガスとアルゴンＡｒ等の不活性ガスとを混合させてウエハが配置された処理室内に供給した場合の上記単層膜のエッチングについて詳細に検討を行った。その結果、図７を用いて後述するように、エッチング中の圧力３００Ｐａの条件では、ウエハが保持されているステージを冷却するために循環している冷媒の温度を調節するチラーの設定温度を－３０℃より高い値にした場合では、酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜のエッチングが全く起きないのに対して、－３０℃以下、特に－５０℃以上の温度にした場合に酸化シリコン膜のエッチレートが急激に大きくなり、２０ｎｍ／ｍｉｎ以上となることを見出した。
これに対して、窒化シリコン膜のエッチレートは、－３０℃以下の低温でも１ｎｍ／ｍｉｎ以下の小さいままで変化しないことがわかった。さらに、－４０℃より低い温度の範囲の場合では、温度が低いほど酸化シリコン膜のエッチングレートは徐々に低下していくことがわかった。その結果、窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチングレートの選択比は－３５℃乃至－５５℃の範囲においてその前後での値より相対的に高いことが判った。
ところで、酸化シリコン膜が、フッ化水素ガスとアルコールや水のガスを合わせて用いた場合にエッチングされることは、一般に知られている。この際の酸化シリコン膜を反応式は、上記特許文献７にも開示されているように、下記で示される。
２ＨＦ＋ＭＯＨ → ＨＦ２ －＋ＭＯＨ２ ＋・・・（式１）
ＳｉＯ２＋２ＨＦ２ －＋ＭＯＨ２ ＋ → ＳｉＦ４＋２Ｈ２Ｏ＋２ＭＯＨ・・・（式２）
ここでＭは、Ｈ、ＣＨ３、ＣＨ２ＣＨ３等の原子または分子を表す。
例えば、フッ化水素ガスとメタノール（メチルアルコール）とを用いた場合は、フッ化水素（ＨＦ）２分子とメタノール（ＣＨ３ＯＨ）とが反応して式１に従って活性種であるＨＦ２ －を生成する。このＨＦ２ －がＳｉＯ２と反応しＳｉＦ４（沸点－９４.８℃）を生成し、当該ＳｉＦ４が揮発してエッチングが生起する。上記の式２で表される反応ではＨＦ２ －が当該反応を担っている一方で、メタノールはフッ化水素２分子からＨ＋を引き抜いて、ＨＦ２ －を生成させる役割を果たしている。
これに対して、本発明者らが見出した上記フッ化水素ガス単独あるいはフッ化水素ガスとＡｒ等の不活性ガスと混合させて供給すると共にプラズマを用いない酸化シリコン膜のエッチングでは、処理室の外部から処理室内にアルコールや水の供給は行ってはいない。しかしながら、酸化シリコン膜のエッチングレートがある程度大きいことから、ＨＦ２ －が活性種となって酸化シリコン膜のエッチングが起きていると考えられる。発明者らは、アルコールや水分を処理室外から供給していない条件でＨＦ２ －を生じさせるのは酸化シリコン膜の表面に存在する微量の水分（Ｈ２Ｏ）が原因であると考えた。
上記（式１）に示されるように、反応の活性種であるＨＦ２ －を生成するためには、ＭＯＨ、ここではＭ＝Ｈである水（Ｈ２Ｏ）が必要である。しかし、上記（式２）で示されるように水は反応生成物でもあり、反応を促進する上では水が除去されることが必要となると考えられる。水が過剰に存在すると、特許文献９に記載されているように、以下の（式３）で示される反応が生起して酸化シリコンであるＳｉＯ２が再生成され珪（ケイ）フッ化水素酸Ｈ２ＳｉＦ６が生成される。
３ＳｉＦ４＋２Ｈ２Ｏ → ＳｉＯ２＋２Ｈ２ＳｉＦ６・・・（式３）
このため、酸化シリコンであるＳｉＯ２の再生成されることを抑制することがためには、水を速やかに除去することが必要である。本発明では、－３０℃以下の低温で酸化シリコン膜のエッチレートが急激に大きくなることを利用した。
すなわち、－３５℃は、飽和溶液に近い５０％の濃度のフッ化水素酸水溶液の融点である。発明者らは、このことから、酸化シリコン膜表面では反応で生成した水が、供給されたフッ化水素のガスと混合して飽和溶液に近いフッ化水素酸となりこれが固体となることで、酸化シリコン膜表面から水が除去された状態となり、エッチングの反応が生じると考えた。一方、－３０℃より高温の場合には、フッ化水素酸が液体のまま存在して水が除去されない状態となって、（式３）で表される酸化シリコンが生成する反応が起きてエッチングが進行しないと考えられる。
なお、例えば外部からの加熱等を行って、反応で生じる水を完全に除去してしまうと、活性種であるＨＦ２ －を生成する（式１）の反応が起きなくなるために、エッチングは連続的に進まないものとなってしまう。一方、上記の通り、－３５℃という温度は、酸化シリコン表面でフッ化水素酸が固体となる温度であり、酸化シリコン表面に水がある程度存在し続ける状態で、なおかつ固体となることで水が除去されてエッチングが起きる。本実施の形態では、上記水を固体化することにより（式３）の反応を生じさせない、エッチングに係る反応の連携から外し、酸化シリコン膜のエッチングを促進させている。
以上のように、本実施の形態によれば、ウエハの温度を－３０℃以下－６０℃以上、望ましくは温度－３５℃～－５０℃に維持した状態でフッ化水素ガスを単独で、あるいはフッ化水素ガスとＡｒ等の不活性ガスとを混合させてウエハ表面に供給することにより、ウエハ表面の酸化シリコン膜の高いエッチングレートと窒化シリコン膜の低いエッチングレートとを両立することができ、窒化シリコン膜に対して高い選択比で酸化シリコン膜を高精度にエッチングすることができる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
［エッチング処理装置］
図１を用いて、本発明の実施例に係るエッチング処理装置１００の構成を説明する。図１は、本発明の実施例に係るエッチング処理装置の構成の全体を模式的に示す縦断面図である。
本図において、エッチング処理装置１００は、上下方向に中心軸を有した円筒形の金属製の真空容器であるベースチャンバ１１を備えた下部ユニット５７と、ベースチャンバ１１の上方に載置されてベースチャンバ１１の円形の天井面を構成する上部ユニット５８とを備えている。さらに下方には、ベースチャンバ１１内部を排気して減圧する排気ポンプを含む真空排気部６３が配置されている。
ベースチャンバ１１の内部には、その側壁と底部とに囲まれた空間であって内側が減圧される処理室１が配置されている。円筒形を有した処理室１の内部には、その上面にウエハ２が載置される円筒形を有した支持台であるウエハステージ３が配置されている。ウエハステージ３の外周側のベースチャンバ１１の底部には、処理室１の内外を連通する貫通孔が少なくとも１つ配置され、これら貫通孔の開口が処理室１の内部のガスや粒子が排出される排気口を構成する。
さらに、処理室１の天井面の中心部であってウエハ２表面の膜層を処理するためのガスが導入される空間を挟んでウエハステージ３の上面上方には、石英等の誘電体製の円板であるシャワープレート２３が当該上面と対向して配置され、上部ユニット５８として処理室１の天面を構成している。シャワープレート２３には複数の貫通孔が備えられ、当該貫通孔を通して処理ガスが処理室１内に供給される。本実施例の処理ガスは、ウエハ２表面に予め配置された処理対象の膜層と反応する少なくとも１種類の反応性ガスとこれを所定の割合に希釈する希ガスとを含む複数種類の元素が混合された混合ガスである。
処理ガスは、シャワープレート２３の貫通孔に連通して配置された処理ガス供給用の管路の上にガス種毎に配置されたマスフローコントローラ５０によってガス種毎にその流量または速度が調整され、複数本のガス用の配管が１つに纏められてガスが合流して処理ガスとしてシャワープレート２３の貫通孔に供給される。また、マスフローコントローラ５０の下流側で合流した処理ガス供給用の管路のさらに下流側には、ガス分配器５１が配置され、ガス分配器５１からシャワープレート２３までの間には、複数本のガス供給用の管路であるガス供給管５６がこれらと連結されて、これらの管路の下端はシャワープレート２３の中心部または外周部に配置された貫通孔に連通して配置されている。
本実施例では、シャワープレート２３の貫通孔に連通して配置された各々のガス供給管５６を通って中心部と外周側部分とで流量や組成を各々で独立に調節された処理ガスが処理室１内に上部中央部から供給され、処理室１の中心付近と外周付近との各々の領域で処理ガスの分圧の分布が所望のものに調節される。なお、図１の例では、処理用ガスの原料となる元素としてＡｒ，Ｎ２，ＨＦが記載されているが、他の種類のものから構成された処理ガスも供給しても良い。
さらに、本実施例では、処理ガスとして液体の原料を気化させて得られたガスがシャワープレート２３の貫通孔を通して処理室１内に供給されても良い。例えば、原料として液体のＨＦまたはこれを含む物質が用いられ、貯留部内に溜められたこれらの原料の液を図示しないベーパー供給器において気化することで得られたガスが処理用ガスとして用いられても良い。
原料の蒸気から構成された処理ガスが処理室１内に導入されていない間は、ガス分配器５１と貯留部との間を連結する管路上の１つのバルブが閉じられて、液体の原料と処理室１との間が遮断される。原料の蒸気が流れる配管上にヒータを配置して、当該ヒータからの熱を受けて配管内部を加熱して原料の蒸気が管内部で凝縮しないようにすることが望ましい。
ベースチャンバ１１内の処理室１の下部においてウエハステージ３の下方には処理室１内部を排気して減圧するための排気ポンプを含む排気装置１５が真空排気配管１６を介して連通して接続されている。排気装置１５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等の処理室１内部を所定の真空度まで減圧できる排気ポンプを備えているものとする。また、処理室１内部の圧力を調節するため、ベースチャンバ１１の底部材を連通した排気口と排気装置１５との間を連結して連通する真空排気配管１６上に調圧バルブ１４が配置されている。調圧バルブ１４は、真空排気配管１６の排気が流れる流路を横方向に横切って配置された板状のフラップを少なくとも１つ備えて当該フラップを回転または流路を横切る方向に移動させることで流路断面積を増減することで、内部を流れる排気の流量または速度を増減する構成を備えている。
ベースチャンバ１１とその上方の円筒形の上部ユニット５８とは後者が取り付けられた状態で、ベースチャンバ１１の円筒形の側壁上端の上方に、円筒形の上部ユニット５８の底面の外周端部が、これらの間にＯリング等のシール部材を挟んで処理室１の内外を気密に封止するように載せられて取り付けられる。上部ユニット５８の下部の中央部はシャワープレート２３が配置され、さらにシャワープレート２３の外周側の領域にリング形状を有したＩＲランプユニット５９が配置されると共に、ＩＲランプユニット５９のＩＲ光透過窓７２が上部ユニット５８の下面であって処理室１の天面を構成している。さらに、上部ユニット５８は、ＩＲランプユニット５９及びその中心部に配置されたシャワープレート２３の上方とその上方でこれに連結されたガス供給管５６の周囲とを囲む金属製の円筒形の上部ユニットカバー６２を備えている。
本例では、ウエハステージ３の上面の外周側領域の上方に、当該上面とこれに載せられたウエハ２をリング状に囲んでＩＲランプユニット５９が配置されている。ＩＲランプユニット５９は、ハロゲンランプ等の赤外光の波長域を含む複数波長の電磁波を放射するリング状のランプ６０を備え、ランプ６０から透過窓７２を透過して処理室１内に放射された電磁波が周囲からウエハ２に照射される。本例の放射される電磁波は、可視光から赤外光の波長域のものを多く含む電磁波（ここではＩＲ光と呼ぶ）を放出するものとする。
ＩＲランプユニット５９は、シャワープレート２３の周囲に３重のリング状に配置されたランプ６０と、ランプ６０の上方でこれを覆って配置され放射されたＩＲ光を処理室１の中央側及び下方向（載置されたウエハ２の方向）に向けて反射するリング形状の反射板６１と、ランプ６０の下方に配置され石英等のＩＲ光が透過する誘電体製のリング状の部材でシャワープレート２３を囲むＩＲ光透過窓７２を備えている。本例のＩＲランプ６０は、上方から見て、シャワープレート２３または処理室１の上下方向の中心の周囲に複数本が同心状に配置されたサークル型（円形状）のランプ６０－１，６０－２，６０－３が用いられる。これら複数本のランプに代えて螺旋状に配置された１本のランプが用いられても良い。また本実施例では３周分のランプが設置されているものとしたが、２周、４周などとしてもよい。
ランプ６０は、電力を供給するランプ用電源７３が接続されており、これらの間を電気的に接続する給電経路上には高周波電力のノイズが低減してランプ用電源７３に流入することを抑制するための高周波カットフィルタ７４が配置されている。また、ランプ用電源７３はランプ６０－１，６０－２，６０－３の各々に供給される電力を独立に制御できる機能を有している。
リング形状にシャワープレート２３を囲むＩＲランプユニット５９は、ＩＲ光透過窓７２のリング状の処理室１に面した天面部とその内周端部の上方に接続されシャワープレート２３とその背面側で貫通孔に連結されたガス供給管５６を囲む円筒形の内周側壁部とを有している。円筒形の内周側壁部も天面部と同様にＩＲ光が透過する誘電体製の部材で構成されて、放射されるＩＲ光は円筒形部を通してシャワープレート２３に照射されると共に、これを透過して処理室１内に放射される。
ウエハステージ３の円板または円筒形の金属製部材の内部には、ウエハステージ３を冷却して温度を調節するための冷媒が内側を流れる流路３９が配置され、流路３９の出入口と連結されたチラー３８において温度が所定の範囲内の値に調節された冷媒が供給されて循環する。本実施例のチラー３８は、冷媒または金属製の部材を少なくとも－３０℃乃至－６０℃、好ましくは－３５℃乃至－５０℃の範囲の温度に調節できるものが用いられる。さらに、金属製の部材の上面には、ウエハ２がその上に載せられる上面を構成する誘電体製の膜が配置され、当該誘電体製の膜内にはウエハ２を静電吸着によって固定するための直流電力が供給される複数の板状の電極板３０が内蔵されている。それぞれの電極板３０には、ＤＣ電源３１各々が接続されている。
また、ウエハ２の温度を効率よく調節するため、ウエハステージ３の誘電体膜の上面には、ヘリウム（Ｈｅ）ガス５５が供給される供給口が配置されウエハ２が載せられた状態でウエハ２の裏面と誘電体膜との間にＨｅガス５５を供給して、ウエハ２と流路３９との間の熱伝達を促進できるように構成されている。また、誘電体膜はウエハ２を静電気により吸着した状態で加熱や冷却を行っても、ウエハ２の裏面に傷がつくことを抑制するためポリイミド等の樹脂で構成されている。
また、ウエハステージ３の金属製の部材の内部には、ウエハステージ３または金属製の部材の温度を検知する温度検知器（センサ）としての熱電対７０が配置され熱電対温度計７１に接続されている。熱電対温度計７１からの出力は図示しないエッチング処理装置１００の動作を制御する制御部に送信されて、制御部内の演算器が記憶装置内に格納された予め定められたソフトウエアに記載されたアルゴリズムに基づいて、温度の値を検出すると共に、当該検出された値及びこれから得られるウエハ２の径方向の所期の温度の分布との差に応じて、所望のウエハ２の温度の分布となるように、ランプ用電源７３にランプ６０－１，６０－２，６０－３各々からのＩＲ光の出力を独立に調節する指令信号を送信する。
なお、本実施例のエッチング処理装置１００において、ウエハステージ３を冷却するための機構としては、冷媒が内側を循環する流路３９により冷媒を循環させるもの以外にも、ウエハステージ３内部に供給される電力に応じて温度差を形成する熱電変換デバイスであるペルチェ素子等を用いることもできる。また、フッ化水素ガス及びメタノールガス等の処理ガスに曝される処理室１のウエハステージ３以外の内側壁面を、例えば４０℃乃至１２０℃の範囲内の温度に加熱することができる。これにより、処理室１の内部部材の表面にフッ化水素ガス及びメタノールガスが吸着することを抑制し、内部の部材に腐食が生起することを低減することができる。
前記チラー３８の設定温度に対して、熱電対７０による熱電対温度計７１によりウエハステージ３のステージ温度は、±１℃以内の差であり、また熱電対７０で別途、測定したウエハ２の温度は、±3℃以内の差（ウエハステージ３のステージ温度に対しては、±２℃以内）であった。
また本発明で用いるエッチング処理装置１００は、処理室１などフッ化水素ガスにさらされるウエハステージ３以外のベースチャンバ１１の内部を加温することができる。例えば、温度としては、４０℃から１２０℃程度を用いことができる。これにより、ベースチャンバ１１内部にフッ化水素ガスなどが吸着することを防ぐことができ、ベースチャンバ１１内部の腐食を極力軽減することが可能となる。
［エッチングプロセスのフロー］
次に、図１に示す本実施例に係るエッチング処理装置１００が実施するウエハ２に対するエッチング処理の工程を、図２，３，４を用いて説明する。図２は、図１に示す本実施例に係るエッチング処理装置が実施するエッチング処理の流れの一例を示すフローチャートである。
図２の例においては、まず、処理室１の水平方向の周りを囲むベースチャンバ１１の側壁部分に配置されウエハ２が処理室１の内外の間で搬入出される搬送口であるゲート（図示省略）を通して、ベースチャンバ１１に隣接して配置された図示しない別の真空容器であって内部の減圧された空間に備えられたロボットアーム等のウエハ搬送機械の先端部上に載せられたウエハ２が処理室１内のウエハステージ３上方に搬入された後にウエハステージ３上面上方に突出した３本以上のピン先端上に受け渡される。ウエハ２は、ロボットアームが処理室１から退出しゲートが機密に閉塞された後に、ピンのウエハステージ３内部への降下と収納とによりウエハステージ３上面に載置され、静電吸着用ＤＣ電源３１からの電力がウエハステージ３の上面を構成するアルミナやイットリア等のセラミクス製の誘電体膜内に配置された静電吸着用電極３０に供給されることにより、誘電体膜上面上に吸着され保持される。
この後、ウエハ２の裏面と誘電体膜との間の隙間には、ウエハステージ３とウエハ２との間の熱伝達を促進するためＨｅガス５５等の伝熱性を有したガスが供給されることで、ウエハ２の温度は流路３９を流れる冷媒の温度に近い温度にされたウエハステージ３に漸近し、図２のステップＳ１０１に示されるウエハ冷却の工程が行われる。本例のウエハ２上面に予め形成された酸化ケイ素膜のエッチング処理では、ウエハ２の温度は－３０℃乃至－６０℃、好ましくは－３５℃乃至－５０℃の範囲内の値に維持される。このため流路３９を流れる冷媒は、エッチング処理中のウエハ２の温度より低い温度、例えば－４０℃以下の値の温度にされて流路３９に供給されて循環する。
次に、ステップＳ１０２として、ＨＦガスを希釈するためのＡｒガス５２がマスフローコントローラ５０、ガス分配器５１、さらにはシャワープレート２３を介して処理室１内部に上方から供給される。本例において、開始された希釈用のＡｒガス５２の供給をウエハ２上面の処理対象の窒化ケイ素膜のエッチング処理の終点が判定されるまで継続しても良く、途中で停止または供給と停止とを複数回繰り返す（断続させる）ことを行っても良い。また、希釈用のガスとしてＡｒガス５２の代わりに他の不活性ガス、例えば窒素Ｎ２のガスを用いることもできる。
次に、ステップＳ１０３として、ウエハ２がウエハステージ３上面に保持されその温度が－３０℃乃至－６０℃、好ましくは－３５℃乃至－５０℃の範囲に維持された状態で、ＨＦガスが所定の流量で所定の時間だけ処理室１に供給される。供給されたＨＦガスはウエハ２表面の酸化ケイ素膜の表面に到達し、酸化ケイ素と反応して酸化ケイ素が除去されてエッチング行われる。
本実施例では、希釈ガスとして、ＡｒやＮ２などの不活性ガスを用いることができる。希釈ガスの添加量が多いほど、エッチングレートは低下する傾向があるので、それによってエッチングレートを制御することも可能である。
本実施例では、ステップＳ１０３中の処理室１の圧力は１０Ｐａ乃至２０００Ｐａの範囲内の値が望ましい、特に１００Ｐａ乃至１０００Ｐａの間の値が望ましい。後述するように、圧力が高い方が、酸化シリコン膜のエッチングレートが高くなるとともにエッチングが起きる温度が若干、高温化する。一方、圧力を高くした場合は、後述するように、それに伴って、窒化シリコン膜のエッチングレートもわずかに上昇する傾向があり、選択比は大きく向上しない結果となった。
所定の時間だけステップＳ１０３におけるＨＦガスの供給が行われた後、ガス分配器５１の流量調節器の動作により、処理室１へのＨＦガスの供給が停止される（ステップＳ１０４）。当該ステップＳ１０４中も、調圧バルブ１４の開度および排気装置１５の排気ポンプの回転数はステップＳ１０３のものと同等に調節されており、処理室１内へのＨＦガスの供給が停止することで処理室１内の気相中に残留したＨＦガスは処理室１内に形成された反応性生物あるいは他のガスの粒子と共に処理室１外に排気口および真空排気配管１６を通して排出され、処理室１内が減圧される。続いて、ウエハ２とウエハステージ３との間に供給されていたＨｅガス５５の供給が停止される。それと同時にバルブ５４を開いて、ウエハ２の裏面の圧力を処理室１内の圧力と同程度にする（つまり、ウエハ２の裏面のＨｅガス５５を抜く）。
当該ステップＳ１０４の後に続けて、ウエハ２の後処理の工程を行っても良い。
本実施例が対象とする膜の構造の例を、図３を用いて説明する。図３は、図２に示すエッチング処理の工程が実施されるウエハ上の膜構造の一例を模式的に示す縦断面図である。
図３（ａ）示すように、ウエハ２のシリコン製の基板１０１上には、酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）１０３と窒化シリコン膜（ＳｉｘＮｙ、ＳｉＮ膜）１０２が上下方向に交互に複数積層された膜構造であって上下方向（深さ方向）に複数の膜層を貫通して孔あるいは溝形状が形成された膜構造が配置されている。このような膜構造は、孔または溝は最上層の膜層（本図では酸化シリコン膜１０３）表面に開口部１０４を有しており、３Ｄ－ＮＡＮＤで必要とされる構造である。
この膜構造では、数十乃至数百層が積層されたものである。本例の酸化シリコン膜１０３の膜厚さは数ｎｍ乃至１００ｎｍ、窒化シリコン膜１０２の膜厚さは数ｎｍ乃至１００ｎｍであることから、膜構造全体の厚さ１０５は、数μｍから数十μｍである。また、開口部１０４の幅は数十ｎｍ乃至数百ｎｍである。
図２に示すエッチング処理の工程を用いることにより、図３（ｂ）に示すように、孔または溝の側壁面を構成する各酸化シリコン膜１０３の端面は開口部１０４から孔または溝内部に侵入したＨＦガスと反応してその上下の窒化シリコン膜１０２に対して高い選択比でエッチングされる。端面がエッチングされ除去された各酸化シリコン膜１０３の端面は供給されたＨＦガスと再度反応して除去されることで、各酸化シリコン膜１０３はその上下を挟む窒化シリコン膜１０２の端面の位置が大きく変化しないのに対して横方向（図上左右方向）にエッチングが進行する。本例での横方向へのエッチングの寸法１０６は数ｎｍから数十ｎｍであり、１０ｎｍ程度が最適である。
酸化シリコン膜１０３の横方向へのエッチングに際して、窒化シリコン膜１０２に対する選択比は１５以上、特には２０以上が望ましい。選択比が低い場合では窒化シリコン膜１０２のエッチングが酸化シリコン膜１０３のエッチングと並行して進むことになる。このような場合には、図４に示すように、窒化シリコン膜１０２のエッチング後の端部の形状が矩形ではない丸くなってしまい、このような形状の膜構造から形成される半導体デバイスの性能に悪影響が及ぼされる虞がある。図４は、図３に示すウエハ上の膜構造に対するエッチング処理において選択比が低い場合の処理後の形状の一例を模式的に示す縦断面図である。
発明者らの経験によれば、図３（ａ）に示す酸化シリコン膜１０３と窒化シリコン膜１０２とが積層された膜構造に対する本例のエッチング処理について、選択比が１５以上、より望ましくは２０以上である場合には、溝または孔の側壁面を構成する各膜層の端面に、図３（ｂ）で示すような矩形により近い形状が得られる。一方、選択比が１５未満、特に１０以下である場合には、図４に示したような窒化シリコン膜の端部の形状が丸みを帯びたものになってしまい望ましくない。
発明者らの検討によれば、ウエハ２の温度を変えて酸化シリコン膜１０３と窒化シリコン膜１０２とが交互に積層された図３（ａ）に示す膜構造のエッチング処理を行ったところ、－３０℃では予想されたようにエッチングがほとんど進まず、－５５℃ではエッチング量がやや小さく、－３５℃～－５０℃でのエッチングを行ったものが、図３（ｂ）の形状となることがわかった。また、これらのエッチング後に加熱を行ったところ、加工後の積層膜の表面には残渣等の残留物や生成物による表面形状の粗れは小さいことが判った。
図３で示される基板１０１としては、シリコン製の基板やシリコンゲルマニウム製の基板のものが挙げられるが、これに限定されるものではない。酸化シリコン膜（ＳｉＯ２膜）１０３と窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）１０２は、交互に積層され形成されたものである。これらは、プラズマＣＶＤや化学蒸着法（ＣＶＤ法）、原子層堆積法（ＡＬＤ法）、スパッタ法、前駆体の塗布法及び焼成法のような方法で形成されたものでも良い。
エッチングの対象である酸化シリコン膜１０３が窒化シリコン膜１０２に上下に挟まれて積層された膜層の端部が溝や孔の側壁を構成する膜構造のエッチングに際して、これらの膜の表面や端部に堆積物や付着物が生じる場合がある。このような堆積物や付着物は、図１に示すエッチング処理装置１００が備えるランプ６０から放射される赤外線等の電磁波をウエハ２に照射することで膜構造を加熱して表面に生じた堆積物や付着物を熱分解し脱離させることが出来る。これによって図３に示す膜構造の表面をより平滑にすることができる。
なお、このようなウエハ２の加熱は、ランプ６０を用いるものに限定されない。例えば、ウエハステージ３内に配置されたヒータ等の加熱器を用いてウエハステージ３からの熱伝達でウエハ２を加熱しても良く、ウエハ２を図１に示すエッチング処理装置１００の処理室１から外部に搬送し別の加熱装置内部で加熱を行っても良い。また、ランプ６０－１，６０－２，６０－３が電磁波を照射する際には、処理室１内にＡｒガスやＮ２ガス等の不活性ガスを導入しても良い。
上記のような上下方向に交互に積層された窒化シリコン膜１０２および酸化シリコン膜１０３の端部が溝や孔の側壁を構成する膜構造のエッチング処理中に、窒化シリコン膜１０２の表面や溝や孔の側壁の表面に処理中に生成された生成物が付着あるいは堆積するが場合がある。発明者らがこのような付着物、堆積物を全反射赤外吸収スペクトルで分析したところ、これらは、ケイフッ化アンモニウムを含むものであることが判明した。
発明者らの検討によれば、上記した処理の条件ではアンモニアは使用されていないものの、窒化シリコン膜１０２の一部がエッチングされることにより、窒化膜の窒素からアンモニアが生成して、ケイ（珪）フッ化アンモニウム（ＮＨ４）２ＳｉＦ６が生じる場合があると想定される。一方、安全データシート等の情報によれば、ケイフッ化アンモニウムは１４５℃で分解することが知られている。
発明者らは、上記のように酸化シリコン膜１０３をＨＦガス供給してエッチング処理する工程の終了後に、膜構造あるいはウエハ２を減圧された処理室１内で加熱して昇温させることにより、生成されたケイフッ化アンモニウムを含む堆積物を除去することができる、という知見を得た。そこで、図２で示したエッチング処理の工程のフローに、後処理としてのウエハ２を加熱して堆積物を除去する工程を追加したものを、上記した実施例の変形例として次に説明する。
図５は、図２に示す実施例にエッチング処理の変形例の流れを示すフローチャートである。本図では、図２に示したステップＳ１０１からステップＳ１０４の工程に続いてウエハ２を加熱する工程を含むステップＳ１０５およびウエハ２を冷却する工程を含むステップＳ１０６が追加された処理の流れが示されている。
図６は、図１に示す実施例に係るエッチング処理装置が図５に示す変形例に係るエッチング処理を行う際の動作の流れを示すタイムチャートである。図５，６において、ステップＳ１０１乃至Ｓ１０４の工程は図２に示したものと同じである。ステップＳ１０１乃至Ｓ１０４の工程がこの後にウエハ２を加熱する工程を行う必要のないウエハ２の処理の条件のものである場合は、図６のタイムチャートに示されたこれら加熱と冷却の工程（ステップＳ１０５、Ｓ１０６）は省略されて良い。
すなわち、図２の例と同様、未処理のウエハ２が処理室１内に搬送されウエハステージ３上面に載置されてウエハステージ３上面の誘電体膜上面上に吸着され保持された後、ウエハ２の裏面と誘電体膜との間の隙間にＨｅガス５５等の伝熱性を有したガスが供給されウエハ２の冷却の工程が行われる（ステップＳ１０１）。本変形例においても、ウエハ２の温度は－３０℃乃至－６０℃、好ましくは－３５℃乃至－５０℃の範囲内の値に維持される。
次に、ステップＳ１０２として、ＨＦガスを希釈するためのＡｒガス５２が処理室１内部に上方から供給され、次に、ウエハ２の温度が－３０℃乃至－６０℃、好ましくは－３５℃乃至－５０℃の範囲に維持された状態で、ＨＦガスが所定の流量で所定の時間だけ処理室１に供給され、供給されたＨＦガスとウエハ２表面の酸化ケイ素膜との反応により酸化ケイ素が除去されてエッチング行われる（ステップＳ１０３）。
ステップＳ１０３が所定の時間行われた後、処理室１へのＨＦガスの供給が停止され、処理室１内の気相中に残留したＨＦガスや処理室１内に形成された反応性生物あるいは他のガスの粒子が処理室１外に排出され処理室１０１内が減圧され、続いて、ウエハ２とウエハステージ３との間に供給されていたＨｅガス５５の供給が停止される（ステップＳ１０４）。それと同時にバルブ５４を開いてウエハ２の裏面の圧力を処理室１内の圧力と同程度にする（つまり、ウエハ２の裏面のＨｅガス５５を抜く）。
本図の例では、ステップＳ１０５におけるウエハ２の加熱には図１に示されたＩＲ（赤外）ランプ６０－１，６０－２，６０－３を含むＩＲランプユニット５９が用いられる。ステップＳ１０５の開始と共に、図示しない制御器からの司令信号に応じてランプ用電源７３からの電力がランプ６０－１，６０－２，６０－３に供給されて赤外線域を含む電磁波がウエハ２上に照射される。このようなウエハ２の加熱および冷却の工程は、所定の量の酸化シリコン膜１０３のエッチングが得られるまでステップＳ１０１乃至Ｓ１０４を１纏まりとして複数回繰り返された後で行われても良いし、ステップＳ１０１乃至Ｓ１０４に引き続いて行われる１纏まりの工程（サイクル）の一部として、少なくとも１回のサイクル毎に行われても良い。
加熱するための構成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３を加熱する方法や、加熱のみを行う装置にウエハ２を別途搬送し加熱処理を行う方法でもよい。また、ＩＲランプユニット５９からの電磁波の照射の際には、Ａｒガスや窒素ガスを導入することができる。また、付着物や堆積物を除去する加熱は、必要に応じて、複数回行っても良いし、付着物や堆積物の量が許容範囲内と判定された場合には上記加熱および冷却のステップＳ１０５，Ｓ１０６を行なわないことも可能である。
なお、ステップＳ１０５においてウエハ２を所定の時間または所定の温度まで加熱されたことが制御器に判定された後には、ＩＲランプユニット５９の動作が停止されステップＳ１０５が終了する。その後、ウエハステージ３内部の流路３９への所定温度の冷媒の供給とウエハ２とウエハステージ３との間へのＨｅガスの供給が維持された状態で、ウエハ２を冷却するステップＳ１０６が行われる。所定の時間あるいは所定の温度に到達したことが制御器に検出されるまで、ウエハ２の冷却が継続された後、ステップＳ１０６が停止されて、ウエハ２の酸化シリコン膜１０３のエッチング処理の工程が終了される。
また、エッチングの後の堆積物や残渣を除去する後処理としては、真空中での加熱に変えて、水洗による除去も可能である。またＯ２プラズマを用いて表面の付着物を脱離、揮発させて除去するクリーニング処理を用いることができる。
［エッチング結果１］
図２乃至図６に示した工程を用いて行ったエッチング処理の結果の一例を、図７を用いて示す。図７は、図２に示す実施例に係るエッチング処理におけるウエハの温度の変化に対するエッチングレートおよび選択比の変化を示すグラフである。本図においては、流路３９に供給される冷媒の温度を－２５℃乃至－５５℃の範囲で変化させた各々の場合でのプラズマＣＶＤにより形成された酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の各々の単層膜のエッチングレートを測定した結果が点および線として示されている。
本例において、酸化シリコン膜１０３をエッチングして除去する工程であるステップＳ１０３で処理室１に導入した処理用のガスは、フッ化水素４００ｓｃｃｍに対して希釈ガスとしてのＡｒを１００ｓｃｃｍが添加された混合ガスが用いられた。さらに、当該工程中の処理室１内の圧力は３００Ｐａ、エッチングの時間は１２０ｓ（ｓｅｃ、秒）とした。
また、当該エッチング処理の工程の終了後に、ステップＳ１０４において２０秒間の排気を行った後、冷媒の温度の設定は前のステップのものを維持したまでＡｒを処理室１に５００ｓｃｃｍの流量で供給し調圧バルブ１４の開度を１００％（全開の状態）で所定のランプ強度で５０秒間加熱した。この時の最高到達温度は、約２５０℃であった。また、その後、ランプを切って、Ａｒを５００ｓｃｃｍ流した状態で１２０秒間放冷した。
図７（ａ）には、流路３９を循環して流れる冷媒の温度の設定に対して、酸化シリコン膜、及び窒化シリコン膜のエッチングレートを点線および実線でプロットした結果を示している。
本図から、冷媒の設定温度が－３０℃より高い場合では、酸化シリコン膜１０３、窒化シリコン膜１０２のいずれもエッチングは生起していないと言える。また、－３０℃以下の温度の条件では、酸化シリコン膜１０３のエッチングレートが急激に増大していることが判る。これらの処理の条件において、酸化シリコン膜１０３のエッチングレートは、－４０℃に極大値として３０ｎｍ／ｍｉｎの値を示している。さらに、それより－４０℃以下の低温になるとエッチングレートは減少する傾向が示されている。
これに対して、窒化シリコン膜のエッチングレートは、－３０℃～－５５℃の範囲で、１ｎｍ／ｍｉｎ以下であり、エッチングは起きないことがわかった。したがって、用いた条件において、－３５℃～－５５℃の範囲では、窒化シリコン膜に対して、酸化シリコン膜が選択的にエッチングされることがわかった。図７（ｂ）には、選択比として、窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチングレートを、チラーの設定温度に対して、グラフ化したものを示している。点のばらつきがあるが、－３５℃～－５５℃では、約５０以上の選択比を示すことがわかる。
以上の結果から、高い酸化シリコン膜のエッチングレートと低い窒化シリコン膜のエッチングレートを両立することができ、窒化シリコン膜に対して、高い選択比で酸化シリコン膜を高精度にエッチングするには、ウエハ温度－３５℃～－５５℃が望ましい。酸化シリコン膜のエッチングレートが高いことから、ウエハ温度－３５℃～－４５℃がより望ましい。
また、本例の酸化シリコン膜１０３のエッチングには、図５に示したステップＳ１０１乃至Ｓ１０６を１纏まりの工程（サイクル）として複数回繰り返して行なうこともできる。この場合は、図６のタイムチャートを必要な回数繰り返すものとなる。例えば、堆積物が多い場合等に短時間のエッチング、真空中の加熱による除去を繰り返すことにより、その除去がより容易となる。
［エッチング結果２］
実施例１あるいは変形例として説明したエッチング処理装置１００で実施されるウエハ２の処理の工程に係るエッチングの条件のうち圧力を高くしてエッチングを行った結果について、別の変形例として図８を用いて以下に説明する。図８は、図２に示すエッチング処理の別の変形例に係るエッチング処理の工程を実施した結果を示すグラフである。
実施例１等と同様に、プラズマを用いずにフッ化水素ガスを処理室１内に導入してウエハ２上に予め形成された酸化シリコン膜および窒化シリコン膜の積層された膜構造のエッチングを、冷媒の温度を－２５℃乃至－５５℃の範囲内で複数の値に変化させて実施して、各々の温度でのエッチング処理の結果を検出した。ここで、エッチング処理に用いた処理用のガスは、フッ化水素４００ｓｃｃｍに希釈ガスとしてのＡｒを１００ｓｃｃｍが添加された混合ガスである。図２等で示した実施例または変形例における処理中の処理室内１の圧力３００Ｐａに対して圧力を５００Ｐａ、他を同じにした条件で、ステップＳ１０３を１２０秒間行うエッチング工程を実施した。
また、ステップＳ１０３の酸化シリコン膜１０３のエッチングの工程が終了し、フッ化水素ガスの供給を停止した後に、ステップＳ１０４の工程として２０秒間排気した後、ステップＳ１０５として冷媒の温度の設定は維持して処理室１内にＡｒを５００ｓｃｃｍで供給しつつ調圧バルブ１４を１００％開けた（全開の）状態で所定の電力をＩＲランプユニット５９に供給してランプ６０－１，６０－２，６０－３からの電磁波を照射してウエハ２を５０秒間加熱した。このステップＳ１０５におけるウエハ２の最高の温度は約２５０℃であった。ランプ６０－１，６０－２，６０－３の電磁波の照射を停止してステップＳ１０５を終了した後、処理室１内にＡｒを５００ｓｃｃｍ供給しつつ、ウエハ２を１２０秒間冷却した。
図８（ａ）に、冷媒の設定された温度の変化に対する検出された酸化シリコン膜、及び窒化シリコン膜の単層膜のエッチングレートの変化を点線及び実線とで結果を示した。
本図によれば、流路３９を流れる冷媒の設定された温度が－３０℃より高い場合には、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜のいずれもエッチングは起きないことがわかった。また－３０℃以下になると、酸化シリコン膜のエッチングレートが急に大きくなることがわかった。用いた条件において、酸化シリコン膜のエッチングレートは、－３５℃に最大値を持ち、４０ｎｍ／ｍｉｎを示した。さらに、－３５℃より低温になるとエッチングレートは減少する傾向を示した。
図７（ａ）に示したエッチング処理中の処理室１内の圧力が３００Ｐａの条件の場合に比べて、圧力５００Ｐａで処理された図８（ａ）の場合には、酸化シリコン膜のエッチングレートを示す実線のプロファイルは高温側に少しシフトしていることがわかる。
上記の通り、本実施例、変形例では、ＨＦ２ －が活性種となって、エッチングが起きていると考えられる。（式１）にも記載のように、ＨＦ２ －を生じさせるのは、酸化シリコン膜の表面にある微量の水と考えられる。その一方で、（式２）で示されるように水は、反応生成物でもあり、反応を進めるためには、水の除去が不可欠である。
上記実施例、変形例では、酸化シリコン膜のエッチング処理中に、ウエハ２またはこれを支持するウエハステージ３の温度は、－３０℃以下の値に維持される。ここで、－３５℃は飽和溶液に近い５０％の濃度のフッ化水素酸水溶液の融点であり、酸化シリコン膜の表面では反応で生成した水が供給されているフッ化水素のガスと混合して飽和溶液に近いフッ化水素酸となり、それが固体となることで、水分がウエハ２の膜構造の表面から除去されたことになり、酸化シリコン膜のエッチング処理が進行すると想定される。
本変形例では、処理中の処理室１内の圧力を実施例１における３００Ｐａから５００Ｐａに増加させたことで、上記フッ化水素酸がより固体に成り易くなったため、図８（ａ）に示すようにグラフが高温側にシフトしたと考えられる。また－３５℃でのエッチングレートが図７（ａ）のものより増大していることにも、そのことが寄与していると考えられる。
これに対して、窒化シリコン膜のエッチングレートは、－３０℃～－５５℃の範囲で、２ｎｍ／ｍｉｎ以下であり、エッチングは殆ど生じていないことが判った。このことから、用いた条件において、－３５℃～－５５℃の範囲では、窒化シリコン膜に対して酸化シリコン膜が選択的にエッチングされることが判った。
図８（ｂ）には、冷媒の設定温度の変化に対する窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチングレートの比率の変化を点と実線とで示している。当該比率はこれら膜同士の間の選択比を示していると考えられる。本図には、点のばらつきがあるものの、－３５℃では選択比７０と高い一方で－４０℃～－５５℃では選択比が２０～５０程度となり、圧力を５００Ｐａに上げた本変形例においては全体としてはやや選択比が下がることがわかった。
なお、発明者らは、図３（ａ）に示す酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を有する膜構造を備えたウエハ２に対して、本変形例の圧力の条件で冷媒の温度を変えて図５に示すステップＳ１０１乃至Ｓ１０６の工程を実施した。処理の結果に対する発明者らの検討によれば、－３０℃で少しエッチングが起きたが、エッチング量が小さかった。－３５℃～－５０℃でのエッチングを行ったものが、所望の図３（ｂ）の形状となることが判った。また、エッチング後に加熱を行ったことで加工表面に残渣等は見られず付着物や凹凸の生起が抑えられていた。
［エッチング処理装置］
次に、図９を用いて本発明の実施例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。図９は、本発明の別の実施例に係るエッチング処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
本図に示すエッチング処理装置９００おいて、図１に示す実施例のエッチング処理装置１００の構成上の差異は、処理室１およびウエハステージ３を内蔵するベースチャンバ１１の上方に、処理室１と円筒形状を有した流路２７を介して連通されたプラズマ源９０１が配置されている点である。本例のプラズマ源９０１は、ベースチャンバ１１と連結され同様に真空容器を構成する石英チャンバー１２の内部の空間に処理用のガスが供給されてプラズマが形成され、プラズマ中の反応性の高い粒子による真空容器内壁のクリーニングや反応性の高いガスの生成に用いられる。
プラズマ源９０１は、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）を内部で形成するための石英等の誘電体製で円筒形を有した石英チャンバー１２がベースチャンバ１１の上方で、ＩＲランプユニット５９を挟んで配置されている。石英チャンバー１２の外側壁の周囲には、プラズマ形成のための高周波電力が供給されて高周波電界を形成するコイルであるＩＣＰコイル２０が上下方向に複数段巻かれて配置されている。
ＩＣＰコイル２０には高周波電源２１が整合機２２を介して電気的に接続されている。高周波電力の周波数は数十ＭＨｚの周波数帯が用いられ、本例では１３．５６ＭＨｚである。石英チャンバー１２の側壁上端上方には円板形状の天板２５が配置され、石英チャンバー１２内部の円筒形の放電室と外部のエッチング処理装置９００の周囲の雰囲気との間を気密に区画するように間にＯリング等のシールが挟まれて、両者が連結されている。
天板２５には処理ガスや不活性ガスが内部を通る複数本のガス供給用の管路であるガス供給管５６が接続されている。天板２５の下方には、円板形状を有して上下方向に複数の貫通孔が配置されたガス分散板２４及びその下方のシャワープレート２３が配置されている。ガス供給管５６を通り供給された処理ガスや不活性ガスは、ガス分散板２４とシャワープレート２３の貫通孔を通り分散されて石英チャンバー１２内部に上方から下向きに導入される。
ガスは、図１の実施例と同様に、ガス種毎に設置されたマスフローコントローラ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の下流側にはガス分配器５１が設置されており、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の値を各々で独立に調節可能に構成され、石英チャンバー１２内の各種類のガスの分圧の分布が調節される。なお、図９ではＡｒ、Ｎ２、ＨＦ、Ｏ２を容器内に供給されるガスとして記載してあるが、必要に応じて、他のガスを用いても良い。
石英チャンバー１２および天板２５で囲まれた円筒形を有した空間に導入されたガスはＩＣＰコイル２０に供給された高周波電力により形成された誘導磁界により形成された高周波の誘導電界により励起され、電離、解離を生起してプラズマが生成される。すなわち、上記円筒形の空間は放電室である。
放電室下方のＩＲランプユニット５９の中央には円筒形の流路２７が配置され、さらに下方の処理室１の上部と連通されている。この流路２７内部には、石英等の誘電体製であって透過性を有した材料から構成され、上下方向に複数の貫通孔が形成された円板であるスリット板２６が配置されている。貫通孔の形状は平面形が矩形でも円形、楕円形でもよく、スリットに限られない。スリット板２６の貫通孔は、放電室内に形成されたプラズマ中で生成されたイオンや電子等の荷電粒子を遮蔽すると共に、活性種（ラジカル）や中性のガスの粒子を通過させて下方の処理室１に進入させる。
また、本例の処理装置は、処理室などフッ化水素ガスにさらされるウエハステージ３以外の真空容器の内部を加温することができる。例えば、ベースチャンバ１１の壁面を、４０℃乃至１２０℃の間の温度に維持することができる。これにより、処理室１の内部壁面にフッ化水素等のガスの粒子や生成物が吸着することを防ぐことができ、チャンバー内部の腐食を抑制することが可能となる。
［エッチングプロセス］
図９に示すエッチング処理装置９００を用いて、実施例１と同じ工程のウエハ２のエッチング処理を行った。エッチング処理装置９００はＩＣＰプラズマのプラズマ源９０２を搭載していることから、ウエハ２のエッチング処理の工程の開始前に、放電室内に酸素を導入して酸素プラズマを形成し、酸素プラズマで形成された荷電粒子や反応性を有した粒子により処理室１または放電室の内部の壁面のクリーニングを行った。
このクリーニング工程の条件としては、酸素（Ｏ２）の供給量は１０００ｓｃｃｍ、放電室または処理室１内部の圧力として５０Ｐａで、ＩＣＰコイルに供給される高周波電力が１５００Ｗの条件で、当該クリーニングのためのプラズマの形成を３００秒間行った。この工程によって、内部の異物などを減少させることができた。
また、エッチング処理のステップＳ１０３の工程の条件として、冷媒の設定される温度を－４０℃として、プラズマを用いないでフッ化水素ガスを放電室を介して処理室内に導入して、ウエハ２上に予め形成された酸化シリコン膜のおよび窒化シリコン膜の単層膜の各々をエッチングした。ここで、これらのエッチングの際に用いたガスは、フッ化水素６００ｓｃｃｍとＡｒ１００ｓｃｃｍとを混合した混合ガスが用いられた。エッチング処理中の処理室１内の圧力は３００Ｐａに維持され、１２０秒間のエッチングを行った。
さらに、エッチング処理の工程終了後に処理室１内を３０秒間排気した後、ウエハ２を処理室１外部に搬出し、酸化シリコン膜および窒化シリコン膜各々の膜厚とエッチングレートとを検出した。その結果、酸化シリコン膜のエッチングレートは３６ｎｍ／ｍｉｎであった。これに対して、窒化シリコン膜のエッチングレートは、０．９ｎｍ／ｍｉｎであり、窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチングの選択比は４０となった。
さらに、図３（ａ）に示す酸化シリコン膜１０３と窒化シリコン膜１０２とが積層された膜構造を、図２に示したエッチング処理の工程を用いてエッチング処理した。この際のステップＳ１０３の工程の時間は６０秒とした。ここでは、エッチング後に加熱を行わなかったが、加工表面に目立った残渣等は見られず、きれいであった。その結果、図３（ｂ）のように矩形に近い形状で、選択的に酸化シリコン膜がエッチングできることがわかった。
さらに、別の処理の条件として、冷媒の設定温度を－４５℃として、ウエハ２上の酸化シリコン膜および窒化シリコン膜の単層膜の各々のエッチングを行った。ここでエッチングの際に用いたガスは、フッ化水素５００ｓｃｃｍとＮ２１００ｓｃｃｍを混合した混合ガスが用いられた。処理中の処理室１内の圧力は３００Ｐａで、６０秒間のエッチングを行った。
また、エッチング後に３０秒間排気した後にＩＲランプユニット５９を用いてウエハ２を５０秒間加熱した。この際のウエハ２の温度は約２５０℃が最高であった。その後、ウエハ２の冷却を１２０秒間行った。さらに、上記と同じ条件で、フッ化水素ガス及びＮ２を供給してエッチング処理の工程及びＩＲランプユニット５９によるウエハ２の加熱の工程を再度繰り返した。
この後、ウエハ２を処理室１外に搬出し各膜層の膜厚とエッチングレートとを検出した。その結果、酸化シリコン膜のエッチングレートは３２ｎｍ／ｍｉｎであった。これに対して、窒化シリコン膜のエッチングレートは０．５ｎｍ／ｍｉｎであり、窒化シリコン膜に対する酸化シリコン膜のエッチングの選択比は６４となった。
さらに、同じ条件を用いて、図３（ａ）に示す酸化シリコン膜１０３と窒化シリコン膜１０２との積層膜を備える膜構造を、図２に示すエッチング処理の工程を用いてエッチングした。この結果、図３（ｂ）のように、各膜層の端部は矩形に近い形状となり選択的に酸化シリコン膜１０３がエッチングされていることが判った。また、エッチング処理のステップの後にウエハ２の加熱を行ったことやエッチングのステップを２回繰り返したことで、膜構造の加工表面に残渣等は見られず付着物の低減が見られた。
１・・・処理室、
２・・・ウエハ、
３・・・ウエハステージ、
１１・・・ベースチャンバ、
１２・・・石英チャンバー、
１３・・・放電領域、
１４・・・調圧バルブ、
１５・・・排気装置、
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・・・高ガス分散版、
２５・・・天板、
２６・・・スリット板、
２７・・・流路、
３０・・・静電吸着用電極、
３１・・・静電吸着用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、
５１・・・ガス分配器、
５４・・・バルブ、
５５・・・Ｈｅガス、
５９・・・ＩＲランプユニット、
６０－１，６０－２，６０－３・・・ランプ、
６１・・・反射板、
６４・・・ランプ用電源、
７０・・・熱電対、
７１・・・熱電対温度計、
７２・・・透過窓、
７３・・・ランプ用電源、
７４・・・高周波カットフィルタ、
１０１・・・基板、
１０２・・・窒化シリコン膜、
１０３・・・酸化シリコン膜、
１０４・・・開口部。

Claims (15)

  1. 処理室内に配置されたウエハの上に予め形成された、酸化シリコン膜が窒化シリコン膜に上下に挟まれて積層された膜層の端部が溝または穴の側壁を構成する膜構造を、前記処理室内に処理用の気体を供給してプラズマを用いない状態でエッチングするドライエッチング方法であって、
    フッ化水素のガスを供給し、前記ウエハの温度を－３０℃以下、なおかつ－６０℃以上にして、前記酸化シリコン膜を前記端部から横方向にエッチングすることを特徴とするエッチング方法。
  2. 請求項１に記載のエッチング方法において、前記ウエハの温度を－３５℃以下－５０℃以上でエッチングすることを特徴とするエッチング方法。
  3. 請求項１に記載のエッチング方法において、前記ウエハをエッチング後に真空中で加熱することを特徴とするエッチング方法。
  4. 請求項１に記載のエッチング方法において、前記ウエハを前記フッ化水素のガスを供給してエッチングする工程と前記ウエハをエッチング後に真空中で加熱する工程を複数回繰り返すことを特徴とするエッチング方法。
  5. 請求項１に記載のエッチング方法において、前記フッ化水素のガスに、さらに不活性ガスを供給することを特徴とするエッチング方法。
  6. 請求項２に記載のエッチング方法において、前記エッチング後の加熱が、ランプ加熱であることを特徴とするエッチング方法。
  7. 請求項２に記載のエッチング方法において、前記ウエハをエッチング後に真空中で加熱することを特徴とするエッチング方法。
  8. 請求項２に記載のエッチング方法において、前記ウエハを前記フッ化水素のガスを供給してエッチングする工程と前記ウエハをエッチング後に真空中で加熱する工程を複数回繰り返すことを特徴とするエッチング方法。
  9. 請求項２に記載のエッチング方法において、前記フッ化水素のガスに、さらに不活性ガスを供給することを特徴とするエッチング方法。
  10. 請求項３に記載のエッチング方法において、前記エッチング後の加熱が、ランプ加熱であることを特徴とするエッチング方法。
  11. 請求項３に記載のエッチング方法において、前記ウエハを前記フッ化水素のガスを供給してエッチングする工程と前記ウエハをエッチング後に真空中で加熱する工程を複数回繰り返すことを特徴とするエッチング方法。
  12. 請求項３に記載のエッチング方法において、前記フッ化水素のガスに、さらに不活性ガスを供給することを特徴とするエッチング方法。
  13. 請求項４に記載のエッチング方法において、前記エッチング後の加熱が、ランプ加熱であることを特徴とするエッチング方法。
  14. 請求項４に記載のエッチング方法において、前記フッ化水素のガスに、さらに不活性ガスを供給することを特徴とするエッチング方法。
  15. 請求項５に記載のエッチング方法において、前記エッチング後の加熱が、ランプ加熱であることを特徴とするエッチング方法。
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