JP7493378B2 - Etching method and substrate processing apparatus - Google Patents

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Description

本開示は、エッチング処理方法及び基板処理装置に関する。 This disclosure relates to an etching method and a substrate processing apparatus.

3D-NANDフラッシュメモリ等の三次元積層半導体メモリの製造には、プラズマを用いて積層膜に複数の穴を形成するエッチング工程がある。3D-NANDのデバイス構造を形成するエッチング工程の一例として、酸化シリコン層に穴をエッチング加工する際、基板のシリコン層、および中間に位置する金属層に対して、同時に且つ高選択的にエッチング加工する工程がある。このエッチング工程では、酸化シリコン層の中間に位置する金属層を露出する比較的浅い穴が形成されるとともに、金属層の下方にあるシリコン層を露出する深い穴が形成される。この時、酸化シリコン層に対する下地金属膜の選択比が高いプロセスを実行する必要がある。また、3D-NANDのデバイス構造以外においても、エッチング対象膜に対する下地層の選択比を高くして下地層のロスが少ないプロセスが求められている。 The manufacture of three-dimensional stacked semiconductor memories such as 3D-NAND flash memories involves an etching process in which multiple holes are formed in a stacked film using plasma. One example of an etching process for forming a 3D-NAND device structure is a process in which, when etching holes in a silicon oxide layer, the silicon layer of the substrate and the metal layer located in between are simultaneously and highly selectively etched. In this etching process, a relatively shallow hole is formed that exposes the metal layer located in the middle of the silicon oxide layer, and a deep hole is formed that exposes the silicon layer below the metal layer. At this time, it is necessary to execute a process in which the selectivity ratio of the underlying metal film to the silicon oxide layer is high. In addition to device structures other than 3D-NAND, a process that increases the selectivity of the underlying layer to the film to be etched and reduces the loss of the underlying layer is required.

高選択比を確保するためには、デポ性の高いプロセス条件を用いて、タングステン層上に保護膜を形成することが手法の一つである。例えば、特許文献1は、酸化層をエッチングする際に、エッチングストップ層の表面に保護膜を形成することができるとともに、ホールの開口の閉塞を抑制することが可能なプラズマ処理方法を提案する。 One method for ensuring a high selectivity is to form a protective film on the tungsten layer using highly depository process conditions. For example, Patent Document 1 proposes a plasma processing method that can form a protective film on the surface of an etching stop layer when etching an oxide layer and can suppress blocking of the opening of a hole.

特許文献2は、金属層選択比及びマスク選択比の両立を実現するために、フルオロカーボンガス又はハイドロフルオロカーボンガスと、酸素と、窒素と、COとを少なくとも含む処理ガスを供給し、処理ガスが供給された処理容器内にプラズマを発生させて積層膜をエッチングする方法を提案する。 Patent Document 2 proposes a method for etching a laminated film by supplying a process gas containing at least fluorocarbon gas or hydrofluorocarbon gas, oxygen, nitrogen, and CO, in order to achieve both a metal layer selectivity and a mask selectivity, and generating a plasma in a process vessel to which the process gas is supplied.

特開2014-090022号公報JP 2014-090022 A 特開2019-036612号公報JP 2019-036612 A

本開示は、エッチング対象膜に対する下地層の選択比を向上させることが可能なエッチング処理方法を提供する。 This disclosure provides an etching method that can improve the selectivity of the underlying layer relative to the film to be etched.

本開示の一の態様によれば、(i)シリコン含有絶縁層と、(ii)前記シリコン含有絶縁層のに配置され、それぞれ異なる深さに位置する下地層と、(iii)前記シリコン含有絶縁層の上層に配置されたマスク層とを少なくとも有する積層膜が形成された基板を処理容器内に準備する工程と、フルオロカーボンガスと、第2の希ガスとを少なくとも含む第1の処理ガスを前記処理容器内に供給する工程と、前記処理容器内で前記第1の処理ガスプラズマを発生させ、複数の前記下地層のうち第1の下地層が位置する第1の深さまで前記積層膜をエッチングする工程と、前記積層膜を前記第1の深さまでエッチングした後、前記第2の希ガスを前記第1の希ガスに切り替え、前記フルオロカーボンガスと、第1の希ガスとを少なくとも含む第2の処理ガスを前記処理容器内に供給する工程と、前記処理容器内で前記第2の処理ガスのプラズマを発生させ、複数の前記下地層のうち第2の下地層が位置する前記第1の深さよりも深い第2の深さまで前記積層膜をエッチングする工程と、を有し、前記第1のガスは、Arガスよりイオン化エネルギーが高く、イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子の運動量よりも低いガスであり、前記第2のガスは、Arガス、又はArガスよりイオン化エネルギーが低いガスである、ことを特徴とするエッチング処理方法が提供される。 According to one aspect of the present disclosure, a method for etching a silicon-containing insulating layer includes the steps of: preparing a substrate having a laminated film formed thereon, the laminated film including at least: ( i) a silicon-containing insulating layer; (ii) underlayers disposed within the silicon-containing insulating layer and located at different depths ; and (iii) a mask layer disposed on the silicon-containing insulating layer; supplying a first process gas including at least a fluorocarbon gas and a second rare gas into the process chamber ; generating plasma of the first process gas in the process chamber to etch the laminated film to a first depth where a first underlayer of the plurality of underlayers is located ; and , after etching the laminated film to the first depth, switching the second rare gas to the first rare gas and supplying the fluorocarbon gas and the first rare gas to the first rare gas. and generating a plasma of the second process gas in the process vessel to etch the laminated film to a second depth deeper than the first depth at which a second of the plurality of base layers is located, wherein the first rare gas is a gas having a higher ionization energy than Ar gas and a momentum of one ionized particle lower than the momentum of one particle of the ionized Ar gas, and the second rare gas is Ar gas or a gas having a lower ionization energy than Ar gas.

一の側面によれば、エッチング対象膜に対する下地層の選択比を向上させることができる。 According to one aspect, the selectivity of the underlayer to the film to be etched can be improved.

3DNANDフラッシュメモリの積層膜を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a stacked film of a 3D NAND flash memory. 一実施形態に係る基板処理装置の構成の一例を示す図。FIG. 1 is a diagram showing an example of a configuration of a substrate processing apparatus according to an embodiment. 一実施形態に係るエッチング処理方法におけるガス種の選択と効果を示す図。5A to 5C are diagrams showing the selection and effect of gas species in an etching method according to an embodiment; 各種の希ガスとプラズマ電子密度及びプラズマ電子温度との関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between various rare gases and plasma electron density and plasma electron temperature. プラズマ電子温度とガスの解離度との関係を示す図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between plasma electron temperature and the degree of gas dissociation. 解離度とホールの各面における堆積レートとの関係を示す図。FIG. 13 is a graph showing the relationship between the degree of dissociation and the deposition rate on each side of a hole. プラズマ電子温度とガスの解離との関係を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between plasma electron temperature and gas dissociation. 一実施形態に係る吸着係数と堆積するポリマーの一例を示す図。FIG. 1 shows an example of an adsorption coefficient and a polymer deposit according to an embodiment. 一実施形態に係るエッチング処理方法で使用する希ガスの種類とタングステン層のロスとの関係を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between the type of rare gas used in the etching method according to the embodiment and loss in a tungsten layer. 一実施形態に係るAr/Heの割合とCFの発光強度との関係を示す図。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the Ar/He ratio and the emission intensity of CF 2 according to an embodiment. ガス種毎の圧力とスパッタリングイールドとの関係を示す図。FIG. 4 is a graph showing the relationship between pressure and sputtering yield for each gas type. イオンがもつ運動量を説明するための図。FIG. 2 is a diagram for explaining the momentum of an ion. 一実施形態に係るエッチング処理方法を示すフローチャート。1 is a flowchart showing an etching method according to an embodiment. 一実施形態に係るエッチング処理方法を説明するための図。1A to 1C are diagrams for explaining an etching method according to an embodiment;

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Below, a description will be given of a mode for carrying out the present disclosure with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and duplicate descriptions may be omitted.

例えば、3DNANDの一工程であるMLC Multi-Level Contact(以下、「MLC」ともいう。)は、図1に示すように、電極として機能するタングステン層(W)130が異なる深さに段々に形成され、タングステン層(W)130上にある酸化シリコン層(SiO)140をエッチングする。この例では、タングステン層130と酸化シリコン層140は積層構造になり、積層膜を形成する。タングステン層130は、例えば60層から200層といった多数層の構造であり得る。 For example, in MLC Multi-Level Contact (hereinafter also referred to as "MLC"), which is one step of 3D NAND, a tungsten layer (W) 130 functioning as an electrode is formed in steps at different depths, and a silicon oxide layer (SiO 2 ) 140 on the tungsten layer (W) 130 is etched, as shown in Fig. 1. In this example, the tungsten layer 130 and the silicon oxide layer 140 are laminated to form a laminated film. The tungsten layer 130 can be a multi-layer structure, for example, 60 to 200 layers.

このとき、シリコン層(Si)110及び窒化シリコン層(SiN)120の上方にて異なる深さに位置するタングステン層130のそれぞれの深さまで一括で酸化シリコン層140をエッチングする。デバイス構造の世代が進むと更に積層数は増加し、それに伴いアスペクト比(Aspect Ratio(AR))も非常に高くなる事から、Depth Loadingもより顕著となり、エッチング時間の大幅な増加が予測される。 At this time, the silicon oxide layer 140 is etched in one go to the depth of each of the tungsten layers 130 located at different depths above the silicon layer (Si) 110 and the silicon nitride layer (SiN) 120. As the device structure advances in generation, the number of stacked layers increases, and the aspect ratio (AR) also becomes very high, which leads to more pronounced depth loading and a significant increase in etching time.

このため、長時間のエッチング時間において酸化シリコン層140に対するタングステン層130の選択比を高くする必要がある。特に複数のタングステン層130のうち浅い箇所に位置するタングステン層130では、タングステンが露出してからのオーバーエッチング時間が長くなる。このため、酸化シリコン層140に対するタングステン層130の高選択比が求められる。また、MLC以外の構造においても、エッチング対象膜に対する下地層が高選択比を有し、下地層のロスが少ないプロセスが望まれている。 For this reason, it is necessary to increase the selectivity of the tungsten layer 130 relative to the silicon oxide layer 140 during long etching times. In particular, in the tungsten layer 130 located at a shallower portion among the multiple tungsten layers 130, the overetching time after the tungsten is exposed is long. For this reason, a high selectivity of the tungsten layer 130 relative to the silicon oxide layer 140 is required. Also, in structures other than MLC, a process in which the base layer has a high selectivity relative to the film to be etched and loss of the base layer is small is desired.

そこで、本実施形態に係るエッチング処理方法では、フルオロカーボンガスと、希ガスとを少なくとも含む処理ガスを供給する。このとき、希ガスは、Arガスよりイオン化エネルギーが高く、イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子の運動量よりも低い第1のガスを含む。そして、第1のガスが供給された処理容器内にプラズマを発生させて積層膜をエッチングする。 In the etching method according to this embodiment, a process gas containing at least a fluorocarbon gas and a rare gas is supplied. At this time, the rare gas contains a first gas having a higher ionization energy than Ar gas and a momentum of one ionized particle lower than the momentum of one particle of the ionized Ar gas. Then, a plasma is generated in the process vessel to which the first gas is supplied, and the laminated film is etched.

酸化シリコン層140をエッチングしてタングステン層130が露出した直後からタングステン層130上に保護膜が形成されるまでの間、タングステン層130は希ガスのイオンによりスパッタされる。しかしながら、本エッチング処理方法に使用される希ガスに含まれる第1のガスは、Arガスよりイオン化エネルギーが高く、イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子の運動量よりも低いガスである。このため、スパッタリングイールドが低く、その分、タングステン層130のロスを小さくすることができる。また、高解離で吸着係数が低いプリカーサが生成され、露出したタングステン層130上に保護膜が形成されるため、更にタングステン層130のロスを小さくすることができる。 From immediately after the silicon oxide layer 140 is etched to expose the tungsten layer 130 until a protective film is formed on the tungsten layer 130, the tungsten layer 130 is sputtered by ions of a rare gas. However, the first gas contained in the rare gas used in this etching method has a higher ionization energy than Ar gas, and the momentum of one ionized particle is lower than that of one ionized Ar gas particle. Therefore, the sputtering yield is low, and the loss of the tungsten layer 130 can be reduced accordingly. In addition, a precursor with a high dissociation and low adsorption coefficient is generated, and a protective film is formed on the exposed tungsten layer 130, so the loss of the tungsten layer 130 can be further reduced.

以下では、エッチング対象膜である酸化シリコン層140のエッチングレート(エッチング速度)を維持しつつ、下地層のタングステン層130との選択比を向上させる、本実施形態に係るエッチング処理方法及び基板処理装置について説明する。 The following describes an etching method and substrate processing apparatus according to this embodiment, which maintains the etching rate (etching speed) of the silicon oxide layer 140, which is the film to be etched, while improving the selectivity with the tungsten layer 130, which is the underlying layer.

なお、以下の一実施形態の説明では、エッチング処理方法に使用される希ガスに含まれる第1のガスとしてHeガスを例に挙げて説明するが、これに限られない。第1のガスは、Arガスよりイオン化エネルギーが高く、イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子の持つ運動量よりも低いガスであればよい。 In the following description of one embodiment, He gas is used as an example of the first gas contained in the rare gas used in the etching process, but the present invention is not limited to this. The first gas may be any gas that has a higher ionization energy than Ar gas and a momentum of one ionized particle that is lower than the momentum of one particle of ionized Ar gas.

また、エッチング対象膜として酸化シリコン層140を例に挙げるが、エッチング対象膜はこれに限られず、シリコン含有絶縁層であればよい。シリコン含有絶縁層の他の例としては、窒化シリコン層、酸化シリコン層と窒化シリコン層との積層構造、有機含有酸化シリコンなどのLow-K膜層が挙げられる。 Although the silicon oxide layer 140 is given as an example of the film to be etched, the film to be etched is not limited to this and may be any silicon-containing insulating layer. Other examples of silicon-containing insulating layers include a silicon nitride layer, a laminated structure of a silicon oxide layer and a silicon nitride layer, and a low-k film layer such as organic-containing silicon oxide.

また、エッチング対象膜に対する下地層としてタングステン層130を例に挙げるが、下地層はこれに限られず、導電層であればよい。導電層の他の例としては、金属層又はシリコン層であってもよい。金属層としては、タングステンの他、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)が挙げられる。なお、シリコン層の一例としては、多結晶シリコン(Poly-Si)や非結晶シリコンなどの導電性を有するシリコン含有層が挙げられる。 Although a tungsten layer 130 is given as an example of a base layer for the film to be etched, the base layer is not limited to this and may be any conductive layer. Other examples of the conductive layer may be a metal layer or a silicon layer. In addition to tungsten, examples of metal layers include titanium (Ti), aluminum (Al), and copper (Cu). An example of a silicon layer is a silicon-containing layer having electrical conductivity, such as polycrystalline silicon (Poly-Si) or amorphous silicon.

また、MLC以外の構造に対するプロセスにおいて、エッチング対象膜に対する下地層が高選択比を有し、下地層のロスが少ないことが望まれている場合がある。その場合の構造においては、エッチング対象膜に対する下地層は、金属層又はシリコン層のような導電層に限定されない。例えば、Self-Aligned Contact(SAC)構造のようにエッチング対象膜がシリコン酸化膜であり、下地層がシリコン窒化膜の場合や、Via構造のようにエッチング対象膜が酸化シリコン層、Low-K膜層の少なくともいずれかであり、下地層が炭化シリコン層、炭化窒化シリコン層の少なくともいずれかである場合でも同様に下地層のロスが少ないことが望まれている。 In processes for structures other than MLC, it may be desirable for the underlayer to have a high selectivity to the film to be etched and for there to be little loss of the underlayer. In such structures, the underlayer for the film to be etched is not limited to a conductive layer such as a metal layer or a silicon layer. For example, in a Self-Aligned Contact (SAC) structure, where the film to be etched is a silicon oxide film and the underlayer is a silicon nitride film, or in a Via structure, where the film to be etched is at least one of a silicon oxide layer and a low-K film layer and the underlayer is at least one of a silicon carbide layer and a silicon carbonitride layer, there is a desire for there to be little loss of the underlayer.

[基板処理装置の構成]
先に、本実施形態に係るエッチング処理方法を実行する基板処理装置の構成の一例について、図2を参照して説明する。図2は、一実施形態に係る基板処理装置の構成の一例を示す図である。ここでは、基板処理装置1の一例として容量結合型プラズマエッチング装置を挙げる。
[Configuration of the Substrate Processing Apparatus]
First, an example of the configuration of a substrate processing apparatus that performs the etching method according to the present embodiment will be described with reference to Fig. 2. Fig. 2 is a diagram showing an example of the configuration of a substrate processing apparatus according to an embodiment. Here, a capacitively coupled plasma etching apparatus is given as an example of the substrate processing apparatus 1.

基板処理装置1は、例えばアルミニウム等の導電性材料からなる処理容器2と、処理容器2の内部にガスを供給するガス供給源11とを有する。処理容器2は電気的に接地されている。処理容器2の内部には下部電極21と、これに対向して平行に配置された上部電極22とを有する。下部電極21は、基板Wを載置する載置台としても機能する。 The substrate processing apparatus 1 has a processing vessel 2 made of a conductive material such as aluminum, and a gas supply source 11 that supplies gas into the inside of the processing vessel 2. The processing vessel 2 is electrically grounded. Inside the processing vessel 2, there is a lower electrode 21 and an upper electrode 22 arranged parallel to and facing the lower electrode 21. The lower electrode 21 also functions as a mounting table on which the substrate W is placed.

下部電極21には、第1整合器33を介して第1高周波電源32が接続され、第2整合器35を介して第2高周波電源34が接続される。第1高周波電源32は、例えば27MHz~100MHzの周波数の第1高周波電力(プラズマ生成用の高周波電力HF)を下部電極21に印加する。第2高周波電源34は、第1高周波電源32の周波数よりも低い、例えば400kHz~13MHzの第2高周波電力(イオン引き込み用の高周波電力LF)を下部電極21に印加する。 The lower electrode 21 is connected to a first high frequency power supply 32 via a first matcher 33, and to a second high frequency power supply 34 via a second matcher 35. The first high frequency power supply 32 applies a first high frequency power (high frequency power HF for plasma generation) having a frequency of, for example, 27 MHz to 100 MHz to the lower electrode 21. The second high frequency power supply 34 applies a second high frequency power (high frequency power LF for ion attraction) having a frequency lower than that of the first high frequency power supply 32, for example, 400 kHz to 13 MHz to the lower electrode 21.

なお、第1高周波電源32は、第1整合器33を介して上部電極22に接続されてもよい。また、第1高周波電源32と第2高周波電源34は、第1高周波電力の出力値と第2高周波電力の出力値を同期もしくは非同期にて間欠的(パルス的)に未出力(0W)から最大値の間で可変しながら印加してもよい。 The first high frequency power supply 32 may be connected to the upper electrode 22 via a first matching device 33. The first high frequency power supply 32 and the second high frequency power supply 34 may apply the first high frequency power output value and the second high frequency power output value synchronously or asynchronously while varying them intermittently (pulsed) between no output (0 W) and the maximum value.

第1整合器33は、第1高周波電源32の内部(または出力)インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第2整合器35は、第2高周波電源34の内部(または出力)インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。これにより、処理容器2の内部にプラズマが生成されているときには、第1高周波電源32及び第2高周波電源34の各々について、内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。 The first matching box 33 matches the load impedance to the internal (or output) impedance of the first high frequency power supply 32. The second matching box 35 matches the load impedance to the internal (or output) impedance of the second high frequency power supply 34. As a result, when plasma is generated inside the processing vessel 2, the internal impedance and the load impedance of each of the first high frequency power supply 32 and the second high frequency power supply 34 appear to match.

上部電極22は、その周縁部を被覆する絶縁物のシールドリング41を介して処理容器2の天井部に取り付けられている。上部電極22には、ガス供給源11から導入されたガスを導入するガス導入口45と、導入したガスを拡散する拡散室50が設けられている。ガス供給源11から出力されたガスは、ガス導入口45を介して拡散室50に供給され、ガス流路55を経て、孔28から処理空間Uに供給される。かかるようにして上部電極22は、ガスシャワーヘッドとしても機能する。 The upper electrode 22 is attached to the ceiling of the processing vessel 2 via an insulating shield ring 41 that covers its periphery. The upper electrode 22 is provided with a gas inlet 45 for introducing gas introduced from the gas supply source 11, and a diffusion chamber 50 for diffusing the introduced gas. Gas output from the gas supply source 11 is supplied to the diffusion chamber 50 via the gas inlet 45, passes through the gas flow path 55, and is supplied to the processing space U from the hole 28. In this way, the upper electrode 22 also functions as a gas shower head.

なお、上部電極22には、図示されない直流(DC)電源が接続されてもよい。直流(DC)電源は直流(DC)電圧を上部電極22に印加される。また、直流電源は第1高周波電源32と同期もしくは非同期にて直流電圧の出力値を間欠的(パルス的)に未出力(0W)から最大値の間で可変しながら印加してもよい。 A direct current (DC) power supply (not shown) may be connected to the upper electrode 22. The direct current (DC) power supply applies a direct current (DC) voltage to the upper electrode 22. The DC power supply may also apply the DC voltage while varying the output value between no output (0 W) and a maximum value intermittently (in a pulsed manner) in synchronization or asynchronously with the first high frequency power supply 32.

処理容器2の底面には排気口60が形成されており、排気口60に接続された排気装置65によって処理容器2の内部が排気される。これによって、処理容器2の内部を所定の真空度に維持することができる。処理容器2の側壁には、ゲートバルブGが設けられている。ゲートバルブGは、処理容器2から基板Wの搬入及び搬出を行う際に搬出入口を開閉する。 An exhaust port 60 is formed on the bottom surface of the processing vessel 2, and the inside of the processing vessel 2 is evacuated by an exhaust device 65 connected to the exhaust port 60. This allows the inside of the processing vessel 2 to be maintained at a predetermined vacuum level. A gate valve G is provided on the side wall of the processing vessel 2. The gate valve G opens and closes the loading/unloading port when loading and unloading the substrate W from the processing vessel 2.

基板処理装置1には、装置全体の動作を制御する制御部70が設けられている。制御部70は、CPU71、ROM72及びRAM73を有している。ROM72には、制御部70により実行される基本プログラム等が記憶されている。RAM73には、レシピが格納されている。レシピにはプロセス条件(エッチング条件)に対する基板処理装置1の制御情報が設定されている。制御情報には、プロセス時間、圧力(ガスの排気)、高周波電力や電圧、各種ガス流量、チャンバ内温度(例えば、基板の設定温度)等が含まれる。なお、レシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されていてもよい。また、レシピは、CD-ROM、DVD等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で、記憶領域の所定位置にセットするようにしてもよい。 The substrate processing apparatus 1 is provided with a control unit 70 that controls the operation of the entire apparatus. The control unit 70 has a CPU 71, a ROM 72, and a RAM 73. The ROM 72 stores basic programs executed by the control unit 70. The RAM 73 stores a recipe. The recipe sets control information for the substrate processing apparatus 1 with respect to process conditions (etching conditions). The control information includes process time, pressure (gas exhaust), high-frequency power and voltage, various gas flow rates, and temperature inside the chamber (for example, the set temperature of the substrate). The recipe may be stored in a hard disk or semiconductor memory. The recipe may also be set in a predetermined position in the storage area while being stored in a portable computer-readable storage medium such as a CD-ROM or DVD.

CPU71は、ROM72に格納された基本プログラムに基づき、基板処理装置1の全体の制御を行う。CPU71は、RAM73に格納されたレシピの手順に従い、所定の種類のガスを供給するように制御し、基板Wにエッチング処理方法等の所望の処理を制御する。 The CPU 71 controls the entire substrate processing apparatus 1 based on the basic program stored in the ROM 72. The CPU 71 controls the supply of a predetermined type of gas according to the recipe procedure stored in the RAM 73, and controls the desired processing, such as an etching processing method, for the substrate W.

[処理ガスの適正化]
次に、基板処理装置1を用いて行うエッチング処理方法において、酸化シリコン層140のエッチングレートの維持と、下地層のタングステン層130との選択比の向上の両立を図ることが可能な処理ガスの適正化について説明する。本実施形態では、シリコン層110、タングステン層130、酸化シリコン層140、マスク層100が順に積層された積層膜が形成された基板Wを処理する(図8参照)。
[Optimization of processing gas]
Next, an explanation will be given of optimization of the processing gas that can maintain the etching rate of the silicon oxide layer 140 and improve the selectivity with respect to the underlying tungsten layer 130 in the etching method performed using the substrate processing apparatus 1. In this embodiment, a substrate W on which a laminated film is formed in which a silicon layer 110, a tungsten layer 130, a silicon oxide layer 140, and a mask layer 100 are laminated in this order is processed (see FIG. 8).

本実施形態に係るエッチング処理方法では、処理ガスに、フルオロカーボンガスと希ガスとを少なくとも含む。そして、かかる処理ガスを供給する工程と、処理ガスが供給された処理空間Uにおいてプラズマを発生させて積層膜をエッチングする工程とを有する。 In the etching method according to this embodiment, the processing gas contains at least a fluorocarbon gas and a rare gas. The method includes a step of supplying the processing gas and a step of generating a plasma in the processing space U to which the processing gas is supplied, to etch the laminated film.

使用されるフルオロカーボンガスは、Cガス、Cガス、Cガス、Cガス、Cガスの少なくとも一つであってもよい。 The fluorocarbon gas used may be at least one of C4F6 gas , C4F8 gas , C3F8 gas, C6F6 gas, and C5F8 gas.

Heガスのイオン化エネルギーは「2372.3(kJ/mol)」であり、Arガスのイオン化エネルギー「1520.6(kJ/mol)」よりも大きい。よって、使用する希ガスは、Arガスよりイオン化エネルギーが高く、イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子のもつ運動量よりも低い第1のガスの一例として、Heガスを例に挙げて説明する。ただし、第1のガスはこれに限られず、例えばイオン化エネルギーが「2080.7(kJ/mol)」のNe(ネオン)ガス、Heガス及びNeガスの混合ガスを使用してもよい。第1のガスは、Arガスと、Heガス及びNeガスの少なくともいずれかとの混合ガスであってもよい。なお、第1のガスの「イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子のもつ運動量よりも低い」という特徴点については、後述する。 The ionization energy of He gas is 2372.3 (kJ/mol), which is greater than the ionization energy of Ar gas, 1520.6 (kJ/mol). Therefore, the rare gas used has a higher ionization energy than Ar gas, and the momentum of one ionized particle is lower than that of one particle of ionized Ar gas. He gas is used as an example of the first gas. However, the first gas is not limited to this, and a mixture of Ne (neon) gas, He gas, and Ne gas, which has an ionization energy of 2080.7 (kJ/mol), may be used. The first gas may be a mixture of Ar gas and at least one of He gas and Ne gas. The characteristic of the first gas that the momentum of one ionized particle is lower than that of one particle of ionized Ar gas will be described later.

処理ガスには、上記フルオロカーボンガス及び希ガスの他、Oガス、COガス、Nガス、Hガスが含まれてもよい。また、Cl、HBr、CF、CHF、NFなど、ハロゲン含有ガスが含まれてもよい。 The process gas may include O2 gas, CO gas, N2 gas, and H2 gas in addition to the above-mentioned fluorocarbon gas and rare gas. It may also include halogen-containing gases such as Cl2 , HBr, CF4 , CHF3 , and NF3 .

[エッチング処理方法におけるガス種の選択と効果]
次に、本実施形態に係るエッチング処理方法におけるガス種の選択と効果について、図3を参照しながら説明する。図3は、一実施形態に係るエッチング処理方法におけるガス種の選択と効果を示す図である。
[Selection and effect of gas species in etching processing method]
Next, the selection of gas species and the effects in the etching method according to this embodiment will be described with reference to Fig. 3. Fig. 3 is a diagram showing the selection of gas species and the effects in the etching method according to one embodiment.

本実施形態に係るエッチング処理方法では、使用するフルオロカーボンガスをCガスとし、使用する希ガスをHeガスとする。比較例では、使用するフルオロカーボンガスをCガスとし、使用する希ガスをArガスとする。つまり、本実施形態に係るエッチング処理方法では、希ガスを比較例で使用するArガスからArガスよりも軽いHeガスに変える。Arガスは重い希ガス(Heavy Noble Gas)の一例であり、HeガスはArガスよりも軽いため、軽い希ガス(Light Noble Gas)の一例である。 In the etching method according to the present embodiment, the fluorocarbon gas used is C4F6 gas, and the rare gas used is He gas. In the comparative example, the fluorocarbon gas used is C4F6 gas, and the rare gas used is Ar gas. That is, in the etching method according to the present embodiment, the rare gas is changed from the Ar gas used in the comparative example to He gas, which is lighter than Ar gas. Ar gas is an example of a heavy rare gas (Heavy Noble Gas), and He gas is an example of a light rare gas (Light Noble Gas) because it is lighter than Ar gas.

図4は、各種の希ガスとプラズマ電子密度及びプラズマ電子温度との関係を示す図である。図4の横軸は、2.45GHzのマイクロ波パワーが導入されるマイクロ放射窓からの距離を示し、縦軸(右)はプラズマ電子密度(Ne)を示し、縦軸(左)はプラズマ電子温度(Te)を示す。図4のグラフは、ガス種をArガスからHeガスに変えると、プラズマ電子密度が下がり、プラズマ電子温度(Te)が上がることを示している。その理由について説明する。 Figure 4 shows the relationship between various rare gases and plasma electron density and plasma electron temperature. The horizontal axis of Figure 4 indicates the distance from the microwave radiation window into which 2.45 GHz microwave power is introduced, the vertical axis (right) indicates plasma electron density (Ne), and the vertical axis (left) indicates plasma electron temperature (Te). The graph in Figure 4 shows that when the gas type is changed from Ar gas to He gas, the plasma electron density decreases and the plasma electron temperature (Te) increases. The reason for this will be explained.

Heガスのイオン化エネルギーは「2372.3kJ/mol」であり、Arガスのイオン化エネルギー「1520.6kJ/mol」よりも大きい。イオン化エネルギーは、原子又は分子から電子を引き離してイオン化するのに要するエネルギーのことであるから、Heガスでは、Arガスよりも電子軌道の最外殻から電子を引き出すエネルギーが高い。よって、HeガスはArガスよりも電離し難いため、Heガスの場合、Arガスよりもプラズマ電子密度が低くなる。プラズマ電子密度が低くなると、プラズマ中の一粒子当たりに与えられる温度は高くなる。その結果、図4に示すように、希ガスのガス種を、重い希ガスの一例であるArガスから軽い希ガスの一例であるHeガスに変えると、プラズマ電子密度が下がって、プラズマ電子温度が上がる。 The ionization energy of He gas is 2372.3 kJ/mol, which is greater than that of Ar gas, which is 1520.6 kJ/mol. Ionization energy is the energy required to ionize an atom or molecule by removing an electron from it. Therefore, He gas has a higher energy to remove electrons from the outermost shell of the electron orbit than Ar gas. Therefore, He gas is less likely to ionize than Ar gas, and therefore the plasma electron density is lower in He gas than in Ar gas. When the plasma electron density is lower, the temperature given to each particle in the plasma is higher. As a result, as shown in FIG. 4, when the type of rare gas is changed from Ar gas, which is an example of a heavy rare gas, to He gas, which is an example of a light rare gas, the plasma electron density is lowered and the plasma electron temperature is raised.

プラズマ電子温度が上がると1つの電子が持つエネルギーが高くなるため、電子とガスが衝突したときにガスが解離しやすく、また高解離したラジカルや更に電離したイオンといったプリカーサが生成されやすい。生成されたプリカーサはポリマーの堆積に寄与する。ラジカル性のプリカーサはプラズマから基板Wに対して等方的に作用し、イオン性のプリカーサは異方的に作用する。また、エッチング対象膜上に堆積したプリカーサは高周波電力LFによって基板Wに引き込まれた希ガスのイオンとの相互作用によってエッチング対象膜のエッチングを促進するエッチャントとして寄与する。図5の横軸にプラズマ電子温度を示し、Cガスの解離度との関係を示す。プラズマ電子温度が低いとCガスの解離は促進されにくく、低解離のプリカーサ(Cラジカル、C イオン等)が多く、高解離のプリカーサ(CFラジカル、CF イオン等)は少ない。プラズマ電子温度が高くなるとCガスの解離が進み、高解離のCFラジカルが増え、低解離のプリカーサは減る。よって、重い希ガスから軽い希ガスにすると、プラズマ中では低解離のプリカーサが減り、高解離のプリカーサが増える。つまり、重い希ガスから軽い希ガスにすると、C等の吸着係数(吸着力)が高いプリカーサが減り、CF等の吸着係数が低いプリカーサが増える。ただし、図6及び図7に示すように、処理空間Uに生成されるプラズマ生成領域Pには高解離のプリカーサ及び低解離のプリカーサの両方が存在し、高解離のプリカーサ及び低解離のプリカーサの比率が変わる。エッチングに使用する希ガスをArガスからHeガスに変えることで、高解離で吸着係数の低いプリカーサを、低解離で吸着係数の高いプリカーサよりも相対的に多くすることができる。プラズマ生成領域Pに生成されたプリカーサは、シース領域Sを通じて基板Wに供給される。 When the plasma electron temperature rises, the energy of one electron becomes higher, so that when the electron collides with the gas, the gas is easily dissociated, and precursors such as highly dissociated radicals and further ionized ions are easily generated. The generated precursors contribute to the deposition of polymers. Radical precursors act isotropically from the plasma to the substrate W, and ionic precursors act anisotropically. In addition, the precursors deposited on the film to be etched contribute as etchants that promote the etching of the film to be etched by interacting with the ions of the rare gas drawn into the substrate W by the high frequency power LF. The horizontal axis of FIG. 5 shows the plasma electron temperature, and the relationship with the degree of dissociation of C 4 F 6 gas is shown. When the plasma electron temperature is low, the dissociation of C 4 F 6 gas is not easily promoted, and there are many low dissociated precursors (C 3 F 4 radicals, C 3 F 4 + ions, etc.) and few highly dissociated precursors (CF 2 radicals, CF 2 + ions, etc.). When the plasma electron temperature increases, the dissociation of C4F6 gas advances, the number of highly dissociated CF radicals increases, and the number of poorly dissociated precursors decreases. Therefore, when a heavy rare gas is changed to a light rare gas, the number of poorly dissociated precursors decreases and the number of highly dissociated precursors increases in the plasma. In other words, when a heavy rare gas is changed to a light rare gas, the number of precursors with high adsorption coefficients (adsorption power) such as C3F4 decreases, and the number of precursors with low adsorption coefficients such as CF2 increases. However, as shown in Figures 6 and 7, both highly dissociated precursors and poorly dissociated precursors exist in the plasma generation region P generated in the processing space U, and the ratio of the highly dissociated precursors to the poorly dissociated precursors changes. By changing the rare gas used for etching from Ar gas to He gas, the number of precursors with high dissociation and low adsorption coefficients can be relatively increased compared to the precursors with low dissociation and high adsorption coefficients. The precursors generated in the plasma generation region P are supplied to the substrate W through the sheath region S.

なお、低解離から高解離への途中段階であるCラジカルやCイオンなどのプリカーサは低解離のプリカーサと高解離のプリカーサとの間の特性をもつ。また、図5においてCガスの解離パターンを示したが、Cガス以外のフルオロカーボンガスとして使用されるCガス、Cガス、Cガス、Cガスにおいてもプラズマ電子温度によって解離が促進される。使用されるガス種によっては、CFラジカル、CF イオンといったプリカーサが生成される。 Precursors such as C2F2 radicals and C2F + ions, which are intermediate stages from low dissociation to high dissociation , have characteristics between low dissociation precursors and high dissociation precursors. Although the dissociation pattern of C4F6 gas is shown in Figure 5, dissociation is also promoted by the plasma electron temperature in C4F8 gas , C3F8 gas , C6F6 gas, and C5F8 gas used as fluorocarbon gases other than C4F6 gas. Depending on the gas species used, precursors such as CF3 radicals and CF3 + ions are generated.

このように低解離のプリカーサは吸着係数が高く、図7のシース領域SにおいてCの挙動である左から右に向かう矢印「←」に示すように、マスク層100の上面やホール開口の上部(側面)に付き易い。このため、低解離のプリカーサはマスク層100の上面や側面にて消費され、ポリマー105を形成し、酸化シリコン層140に形成されたホールHの底面や側面まで到達し難い。なお、マスク層100は、図8に示すように、酸化シリコン層140上にあり、有機膜であってもよいし、他の材質であってもよい。 Thus, the low dissociation precursor has a high adsorption coefficient, and as shown by the arrow "←" pointing from left to right, which is the behavior of C 3 F 4 in the sheath region S in Fig. 7, it is likely to adhere to the upper surface of the mask layer 100 and the upper part (side surface) of the hole opening. Therefore, the low dissociation precursor is consumed on the upper surface and side surface of the mask layer 100, forms a polymer 105, and is difficult to reach the bottom surface and side surface of the hole H formed in the silicon oxide layer 140. The mask layer 100 is on the silicon oxide layer 140 as shown in Fig. 8, and may be an organic film or other material.

これに対して、高解離のプリカーサは吸着係数が低く、図7のシース領域SにおいてCFの挙動である右から左に向かう矢印「→」に示すように、マスク層100の上面や側面に付き難い。これにより、高解離のプリカーサはマスク層100の上面や側面にて消費されず、ホールH内の下に向かう矢印「→」に示すように、酸化シリコン層140に形成されたホールHの側面や底面まで到達し易い。そのため、低解離のプリカーサと比べて、高解離のプリカーサの方が、酸化シリコン層140に形成されたホールの側面や底面にポリマー105を形成しやすい。 In contrast, the highly dissociated precursor has a low adsorption coefficient and is less likely to adhere to the upper surface or side surface of the mask layer 100, as shown by the arrow "→" pointing from right to left, which is the behavior of CF2 in the sheath region S in Fig. 7. As a result, the highly dissociated precursor is not consumed on the upper surface or side surface of the mask layer 100, and is more likely to reach the side surface or bottom surface of the hole H formed in the silicon oxide layer 140, as shown by the arrow "→" pointing downward in the hole H. Therefore, the highly dissociated precursor is more likely to form a polymer 105 on the side surface or bottom surface of the hole formed in the silicon oxide layer 140, compared to the low dissociated precursor.

以上から、高解離で吸着係数が低いプリカーサは、マスク層100の上面や側面に付き難く、ホールHの側面や底面に付き易い。よって、図3に示すように、低解離で吸着係数が高いプリカーサを減らし、高解離で吸着係数が低いプリカーサを増やすことにより、ホールが閉塞し難く、ホール底に露出したタングステン層130にプリカーサを多く供給することできる。このためには、Cガスの解離を促進し、C、C等の低解離のラジカルを減らし、CF、CF等の高解離のラジカルを増やすようにプロセス条件を最適化することが重要である。 From the above, a precursor with a high dissociation and a low adsorption coefficient is unlikely to adhere to the upper surface or side surface of the mask layer 100, but is likely to adhere to the side surface or bottom surface of the hole H. Therefore, as shown in Fig. 3, by reducing the precursor with a low dissociation and a high adsorption coefficient and increasing the precursor with a high dissociation and a low adsorption coefficient , the hole is unlikely to be clogged, and a large amount of precursor can be supplied to the tungsten layer 130 exposed at the bottom of the hole. For this purpose, it is important to optimize the process conditions so as to promote the dissociation of C4F6 gas , reduce the low dissociation radicals such as C2F4 and C2F3 , and increase the high dissociation radicals such as CF2 and CF.

かかる理由から、本実施形態に係るエッチング処理方法では、希ガスにArガスよりも質量が小さいHeガスを用いる。これにより、吸着係数が高いプリカーサを減らし、吸着係数が低いプリカーサを増やすことができる。 For this reason, in the etching method according to this embodiment, He gas, which has a smaller mass than Ar gas, is used as the rare gas. This makes it possible to reduce precursors with high adsorption coefficients and increase precursors with low adsorption coefficients.

図8の積層膜を用いて更に説明すると、例えばC、C等の低解離のプリカーサが多くなると、図8(a)に示すようにマスク層100の上面や開口(側面)にポリマー105が堆積し、閉塞し易い(A参照)。また、マスク層100の上面や側面にてプリカーサが消費されるため、ホールH底のタングステン層130上やホールHの奥の側面に到達するプリカーサが少なく、タングステン層130上にポリマー105の堆積がされ難い(B参照)。 8, when the amount of low dissociation precursors such as C2F4 , C3F4 , etc. increases, polymer 105 is deposited on the upper surface and opening (side surface) of mask layer 100 as shown in Fig. 8(a) and tends to cause blockage (see A). In addition, because the precursors are consumed on the upper surface and side surface of mask layer 100, there are few precursors that reach tungsten layer 130 at the bottom of hole H or the side surface at the back of hole H, and polymer 105 is difficult to deposit on tungsten layer 130 (see B).

プラズマ電子温度が高いほどCガスの解離が進み、吸着係数が高いプリカーサが減り、吸着係数が低いプリカーサが増える。この結果、図8(b)に示すように、マスク層100の上面や開口にポリマー105の堆積がされ難くなり、閉塞し難くなる(A'参照)。また、マスク層100の上面や側面にて消費されるプリカーサが少なくなり、ホールH底のタングステン層130上やホールHの奥の側面に到達するプリカーサが多くなり、タングステン層130上にポリマー105が多く堆積するようになる(B'参照)。 The higher the plasma electron temperature, the more the C 4 F 6 gas dissociates, the fewer the precursors with a high adsorption coefficient, and the more the precursors with a low adsorption coefficient. As a result, as shown in FIG. 8B, the polymer 105 is less likely to be deposited on the upper surface and openings of the mask layer 100, and the openings are less likely to be blocked (see A'). Also, fewer precursors are consumed on the upper surface and side surfaces of the mask layer 100, and more precursors reach the tungsten layer 130 at the bottom of the hole H and the side surfaces at the back of the hole H, and the polymer 105 is more likely to be deposited on the tungsten layer 130 (see B').

以上の結果、希ガスにArガスを使用する比較例と比べて、希ガスにHeガスを使用する本実施形態に係るエッチング処理方法では、エッチングされたホールHの開口上部が閉塞することを抑制し、ホールH底までCF系ラジカルが入り込み易くする。この結果、エッチャントを十分に供給することで酸化シリコン層140のエッチングレートを維持できる。加えて、酸化シリコン層140の下地層であるタングステン層130上に保護膜としてポリマー105を形成することで、酸化シリコン層140に対するタングステン層130の選択比の向上を図ることができる。 As a result, compared to the comparative example in which Ar gas is used as the rare gas, the etching method according to the present embodiment in which He gas is used as the rare gas prevents the upper opening of the etched hole H from being blocked, and makes it easier for CF radicals to penetrate to the bottom of the hole H. As a result, the etching rate of the silicon oxide layer 140 can be maintained by supplying a sufficient amount of etchant. In addition, by forming the polymer 105 as a protective film on the tungsten layer 130, which is the underlayer of the silicon oxide layer 140, the selectivity of the tungsten layer 130 to the silicon oxide layer 140 can be improved.

この結果、下地層のロスの抑制(下地層のダメージの低減)を図ることができる。更に、ホールHの開口上部の閉塞を抑制することで酸化シリコン層140のエッチング形状がボーイング形状になることなくより垂直にすることができる。また、閉塞を抑制しホールHの間口の開口寸法を確保することによって、ホールHの間口に入り込むプリカーサ量や希ガスのイオン量が増え、結果、ホールH底まで到達するプリカーサや希ガスのイオンが増えるため、エッチング対象膜のエッチングを促進することでスループットの向上につながり、また、保護膜としてのポリマー105がより効果的に形成される。 As a result, loss of the underlayer can be suppressed (damage to the underlayer can be reduced). Furthermore, by suppressing blockage of the upper opening of hole H, the etching shape of the silicon oxide layer 140 can be made more vertical without becoming a bowing shape. Also, by suppressing blockage and ensuring the opening dimensions of the opening of hole H, the amount of precursor and rare gas ions that enter the opening of hole H increases, and as a result, the amount of precursor and rare gas ions that reach the bottom of hole H increases, which promotes etching of the film to be etched, leading to improved throughput and more effectively forming polymer 105 as a protective film.

[実験結果]
図9は、一実施形態及び比較例に係るエッチング処理方法で使用する希ガスの種類とタングステン層130のロスとの関係を示す実験結果である。一実施形態及び比較例に係るエッチング処理方法では、高周波電力、処理容器内の圧力、希ガス以外の処理ガスは同一のプロセス条件で実験を行った。線Eは比較例に係るエッチング処理方法において希ガスにArガスを使用したときのタングステン層130のロスを示し、線Fは本実施形態に係るエッチング処理方法において希ガスにHeガスを使用したときのタングステン層130のロスを示す。図9の横軸はオーバエッチターゲット(Over Etch Target(%)を示し、縦軸は正規化されたタングステン層130のロス量を示す。オーバエッチターゲットは、酸化シリコン層140のエッチングを開始してからタングステン層130が露出するまでのエッチング時間を100%としたときに、タングステン層130が露出したあとのエッチング時間をパーセンテージで示したものである。例えば、横軸の100%は、タングステン層130が露出した後に行ったエッチング時間が、酸化シリコン層140をタングステン層130が露出するまでエッチングしたときのエッチング時間と同じであることを示す。
[Experimental result]
9 shows the results of an experiment showing the relationship between the type of rare gas used in the etching method according to the embodiment and the comparative example and the loss of the tungsten layer 130. In the etching method according to the embodiment and the comparative example, the experiment was performed under the same process conditions for the high frequency power, the pressure in the processing vessel, and the processing gas other than the rare gas. Line E shows the loss of the tungsten layer 130 when Ar gas is used as the rare gas in the etching method according to the comparative example, and line F shows the loss of the tungsten layer 130 when He gas is used as the rare gas in the etching method according to the present embodiment. The horizontal axis of FIG. 9 indicates the over etch target (%), and the vertical axis indicates the normalized loss amount of the tungsten layer 130. The over etch target is expressed as a percentage of the etching time after the tungsten layer 130 is exposed, assuming that the etching time from the start of etching of the silicon oxide layer 140 until the tungsten layer 130 is exposed is 100%. For example, 100% on the horizontal axis indicates that the etching time performed after the tungsten layer 130 is exposed is the same as the etching time when the silicon oxide layer 140 is etched until the tungsten layer 130 is exposed.

なお、酸化シリコン層140をエッチングしてタングステン層130が露出した直後からタングステン層130上に保護膜が形成されるまでの間、タングステン層130は希ガスのイオンによりスパッタされる。しかし、保護膜が形成されるまでの間は瞬時的であり、また過渡的に増加するため、その間のタングステン層130のスパッタリングレートを正確に計測することは容易ではない。そのため、図9中の線Eおよび線Fのy切片をスパッタリングによるタングステン層130のロス量とし、スパッタリングレートに比例するものと考える。 The tungsten layer 130 is sputtered by rare gas ions from immediately after the silicon oxide layer 140 is etched to expose the tungsten layer 130 until a protective film is formed on the tungsten layer 130. However, since the time until the protective film is formed is instantaneous and increases transiently, it is not easy to accurately measure the sputtering rate of the tungsten layer 130 during that time. Therefore, the y-intercepts of lines E and F in Figure 9 are considered to be the amount of loss of the tungsten layer 130 due to sputtering, and are proportional to the sputtering rate.

希ガスにArガスを使用したときにタングステン層130が露出したときのロス量を1とする。希ガスにArガスを使用すると、オーバエッチターゲットのパーセンテージが上がるほど、ロス量が大きくなった。例えば、オーバエッチターゲットが100%のとき、タングステン層130のロス量は、約40%増えた。 The amount of loss when the tungsten layer 130 is exposed when Ar gas is used as the rare gas is set to 1. When Ar gas is used as the rare gas, the amount of loss increases as the percentage of the over-etch target increases. For example, when the over-etch target is 100%, the amount of loss of the tungsten layer 130 increases by about 40%.

これに対して、希ガスにHeガスを使用したときのタングステン層130のスパッタリングによるロス量は、比較例のArガスを使用したときと比べて少なく、スパッタリングによるロス量が26%改善された。また、オーバエッチターゲットが100%のとき、タングステン層130のロス量は、若干増える程度であり、比較例のArガスを使用したときと比べてロスレートは82%改善された。この時、ロスレートとは、図9中の線Eおよび線Fの傾きを示す。 In contrast, when He gas was used as the rare gas, the amount of loss due to sputtering of the tungsten layer 130 was less than when Ar gas was used in the comparative example, and the amount of loss due to sputtering was improved by 26%. Furthermore, when the overetch target was 100%, the amount of loss of the tungsten layer 130 only increased slightly, and the loss rate was improved by 82% compared to when Ar gas was used in the comparative example. In this case, the loss rate refers to the slope of lines E and F in Figure 9.

また、実験結果によれば、オーバエッチターゲットが100%の場合で比較した時、本実施形態に係るエッチング処理方法では、処理ガス中の希ガスをArガスからHeガスに変えることで、比較例と比べてタングステン層130上のポリマーの厚さを57%多く堆積させることができた。 In addition, according to the experimental results, when compared with the case where the overetch target is 100%, the etching method according to this embodiment was able to deposit 57% more polymer on the tungsten layer 130 than the comparative example by changing the rare gas in the processing gas from Ar gas to He gas.

また、オーバエッチターゲットが100%の処理を行った後、タングステン層130のロス量は、比較例と比べて34%低減させることができた。一方、酸化シリコン層140のエッチングレートは比較例と比べて7%低下するにとどまった。そのため、酸化シリコン層140に対するタングステン層130の選択比は、比較例と比べて50%改善できた。なお、有機膜のマスク層100のエッチングレートが比較例と比べて16%増加した。 After processing with a 100% overetch target, the loss of the tungsten layer 130 was reduced by 34% compared to the comparative example. On the other hand, the etching rate of the silicon oxide layer 140 was only reduced by 7% compared to the comparative example. Therefore, the selectivity of the tungsten layer 130 to the silicon oxide layer 140 was improved by 50% compared to the comparative example. The etching rate of the organic film mask layer 100 was increased by 16% compared to the comparative example.

以上の実験結果から、希ガスにHeガスを使用する本実施形態に係るエッチング処理方法では、酸化シリコン層140のエッチング速度の維持を図りつつ、酸化シリコン層140に対するタングステン層130の選択比の向上させることが可能であることがわかった。 The above experimental results show that the etching method according to this embodiment, which uses He gas as the rare gas, can improve the selectivity of the tungsten layer 130 relative to the silicon oxide layer 140 while maintaining the etching rate of the silicon oxide layer 140.

次に、一実施形態に係るAr/Heガスの割合に対するプラズマ中に存在するCFラジカルの発光強度の実験結果について、図10を参照して説明する。図10は、一実施形態に係るAr/Heガスの割合とCFラジカルを示す波長の発光強度との関係を示す図である。 Next, the experimental results of the emission intensity of CF2 radicals present in plasma versus the ratio of Ar/He gas according to one embodiment will be described with reference to Fig. 10. Fig. 10 is a diagram showing the relationship between the ratio of Ar/He gas according to one embodiment and the emission intensity of the wavelength showing the CF2 radical.

図10の横軸は、左から順にエッチング処理方法に使用する希ガスにArガスのみを使用した場合、ArガスとHeガスとの割合を約2:1にした場合、ArガスとHeガスとの割合を約1:2にした場合、Heガスのみを使用した場合を示す。いずれの場合も希ガスの総流量は同一に制御した。この条件でプラズマ中のCFラジカルを示す波長の発光強度を測定した。 The horizontal axis of Fig. 10 shows, from the left, the case where only Ar gas is used as the rare gas in the etching process, the case where the ratio of Ar gas to He gas is about 2:1, the case where the ratio of Ar gas to He gas is about 1:2, and the case where only He gas is used. In each case, the total flow rate of the rare gas was controlled to be the same. Under these conditions, the emission intensity of the wavelength indicating the CF2 radical in the plasma was measured.

測定の結果、図10の縦軸に示すCFラジカルを示す波長の発光強度は、Arガスに対するHeガスの割合を増やすほど大きくなった。以上から、本実施形態に係るエッチング処理方法に使用する希ガスは、反応ガスの高解離化を促進するためにはHeを使用することが好ましいことが分かった。また、Heガスの単ガスでなくても、Arガスの単ガスでなければよく、Arガスに対するHeガスの割合を制御することで、Cガスの解離度を制御し、吸着係数の高いプリカーサと吸着係数の低いプリカーサとの割合を制御できることがわかった。これにより、ホールの上面や側面(開口)に堆積するプリカーサの量と、ホール底や側面に堆積するプリカーサの量又はその割合を制御することができる。 As a result of the measurement, the emission intensity of the wavelength showing the CF2 radical shown on the vertical axis of FIG. 10 increased as the ratio of He gas to Ar gas increased. From the above, it was found that the rare gas used in the etching method according to this embodiment is preferably He gas in order to promote high dissociation of the reactive gas. In addition, it is not necessary to use only He gas, and it is sufficient to use only Ar gas. It was found that the dissociation degree of C4F6 gas can be controlled by controlling the ratio of He gas to Ar gas, and the ratio of precursors with high adsorption coefficients to precursors with low adsorption coefficients can be controlled. This makes it possible to control the amount of precursors deposited on the top surface and side surface (opening) of the hole and the amount or ratio of precursors deposited on the bottom and side surface of the hole.

例えば、図1に示す積層膜をエッチングする場合、ArガスとHeガスとの割合を以下のように制御してもよい。ただし、かかるエッチング処理方法は、ArガスとHeガスとを制御する一例であり、これに限らない。図1に示すように、タングステン層130が異なる深さに段違いに位置する場合、浅い領域に位置するタングステン層130を露出するエッチングの間は希ガスにArガスのみ又はArガスに対するHeガスの比が第1の割合で混合した混合ガスを使用してより高いエッチングレートでエッチングを行ってもよい。そして、深い領域に位置するタングステン層130を露出するエッチングの間は希ガスにArガスに対するHeガスの比が第1の割合より高い第2の割合で混合した混合ガス又はHeガスのみを使用してもよい。これによれば、浅い領域のエッチングはArガスのみ又はHeガスに対するArガスの割合が高い混合ガスを使用することで、Arガスに対するHeガスの割合が高い混合ガス又はHeガスのみを使用した場合よりも酸化シリコン層140のエッチングを促進できる。また、Arガスのみ又はHeガスに対するArガスの割合が高い混合ガスを使用することで、Arガスに対するHeガスの割合が高い混合ガス又はHeガスのみを使用した場合よりも、低解離で高吸着係数のプリカーサが生成され、マスク層100表面に厚く堆積したポリマー105が保護膜として作用し、酸化シリコン層140に対するマスク層100の選択比を上げることができる。また、タングステン層130が浅い領域に位置していると低解離で高吸着係数のプリカーサでも十分にタングステン層130表面に堆積し、保護膜としてポリマー105を形成することができる。一方、深い領域のエッチングは、Arガスに対するHeガスの割合が高い混合ガス又はHeガスのみを使用することで、Arガスのみ又はHeガスに対するArガスの割合が高い混合ガスを使用した場合よりもホールの開口を閉塞させずに、タングステン層130のロスを低減できる。すなわち、エッチングの深さに応じて希ガスとしてArガスとHeガスとの割合を制御することによって、酸化シリコン層140のエッチング速度、タングステン層130の選択比、およびマスク層100の選択比の両立が可能となる。 For example, when etching the laminated film shown in FIG. 1, the ratio of Ar gas to He gas may be controlled as follows. However, this etching method is an example of controlling Ar gas and He gas, and is not limited thereto. As shown in FIG. 1, when the tungsten layer 130 is located at different depths, etching may be performed at a higher etching rate by using only Ar gas or a mixed gas in which the ratio of He gas to Ar gas is mixed at a first ratio as a rare gas during etching to expose the tungsten layer 130 located in the shallow region. Then, during etching to expose the tungsten layer 130 located in the deep region, a mixed gas in which the ratio of He gas to Ar gas is mixed at a second ratio higher than the first ratio or only He gas may be used as a rare gas. According to this, by using only Ar gas or a mixed gas in which the ratio of Ar gas to He gas is high for etching the shallow region, etching of the silicon oxide layer 140 can be promoted more than when a mixed gas in which the ratio of He gas to Ar gas is high or only He gas is used. In addition, by using only Ar gas or a mixed gas with a high ratio of Ar gas to He gas, a precursor with low dissociation and high adsorption coefficient is generated, and the polymer 105 deposited thickly on the surface of the mask layer 100 acts as a protective film, and the selectivity of the mask layer 100 to the silicon oxide layer 140 can be increased by using only Ar gas or a mixed gas with a high ratio of He gas to Ar gas. In addition, if the tungsten layer 130 is located in a shallow region, even a precursor with low dissociation and high adsorption coefficient can be sufficiently deposited on the surface of the tungsten layer 130 to form the polymer 105 as a protective film. On the other hand, by using only a mixed gas with a high ratio of He gas to Ar gas or only He gas for etching of a deep region, the loss of the tungsten layer 130 can be reduced without blocking the opening of the hole, compared to the case of using only Ar gas or a mixed gas with a high ratio of Ar gas to He gas. That is, by controlling the ratio of Ar gas and He gas as rare gases according to the etching depth, it is possible to achieve both the etching rate of the silicon oxide layer 140, the selectivity of the tungsten layer 130, and the selectivity of the mask layer 100.

また、希ガスにArガスのみ又はArガスに対するHeガスの比が第1の割合で混合した混合ガスを使用したステップと、希ガスにArガスに対するHeガスの比が第1の割合より高い第2の割合で混合した混合ガス又はHeガスのみを使用したステップを、少なくとも1回以上繰り返しながらエッチングを行ってもよい。Arガスのみ又はHeガスに対するArガスの割合が高い混合ガスを使用したステップにおいて、低解離で高吸着係数のプリカーサが生成され、マスク層100表面にポリマー105が厚く堆積する。その後、Arガスに対するHeガスの割合が高い混合ガス又はHeガスのみを使用したステップにおいて、堆積したポリマー105が保護膜として作用し、酸化シリコン層140に対するマスク層100の選択比を上げてエッチングを行うことができる。すなわち、希ガスとしてArガスとHeガスとの割合が異なるステップを繰り返し制御することによって、酸化シリコン層140のエッチング速度、タングステン層130の選択比、およびマスク層100の選択比の両立が可能となる。このとき、Arガスのみ又はHeガスに対するArガスの割合が高い混合ガスを使用したステップでは、マスク層100の上面のみならず側面にもポリマー105が堆積するため、ホールの開口が閉塞しない程度に処理時間などを調整することが望ましい。 Etching may be performed by repeating at least once or more steps of using only Ar gas or a mixed gas in which the ratio of He gas to Ar gas is mixed at a first ratio as the rare gas, and using a mixed gas in which the ratio of He gas to Ar gas is mixed at a second ratio higher than the first ratio as the rare gas, or using only He gas. In the step in which only Ar gas or a mixed gas in which the ratio of Ar gas to He gas is high is used, a precursor with low dissociation and high adsorption coefficient is generated, and polymer 105 is deposited thickly on the surface of the mask layer 100. Then, in the step in which a mixed gas in which the ratio of He gas to Ar gas is high or only He gas is used, the deposited polymer 105 acts as a protective film, and etching can be performed by increasing the selectivity of the mask layer 100 to the silicon oxide layer 140. That is, by repeatedly controlling steps in which the ratios of Ar gas and He gas are different as the rare gas, it is possible to achieve both the etching rate of the silicon oxide layer 140, the selectivity of the tungsten layer 130, and the selectivity of the mask layer 100. At this time, in the step using only Ar gas or a mixed gas with a high ratio of Ar gas to He gas, polymer 105 accumulates not only on the top surface of mask layer 100 but also on the side surfaces, so it is desirable to adjust the processing time so that the opening of the hole is not blocked.

さらに、エッチングの深さに応じて希ガスとしてArガスとHeガスとの割合を制御することと、希ガスとしてArガスとHeガスとの割合が異なるステップを繰り返し制御することを組み合わせる。これによって、更に酸化シリコン層140のエッチング速度、タングステン層130の選択比、およびマスク層100の選択比の両立が可能となる。 In addition, the ratio of Ar gas and He gas as rare gases is controlled according to the etching depth, and steps in which the ratio of Ar gas and He gas as rare gases is different are repeatedly controlled. This makes it possible to achieve a balance between the etching rate of the silicon oxide layer 140, the selectivity of the tungsten layer 130, and the selectivity of the mask layer 100.

なお、Krガスのイオン化エネルギーは「1350.8(kJ/mol)」であり、Xeガスのイオン化エネルギーは「1170.4(kJ/mol)」であり、Arガスのイオン化エネルギーである「1520.6(kJ/mol)」より小さい。また、Krガスの準安定準位エネルギーは「9.92(eV)」であり、Xeガスの準安定準位エネルギーは「8.32(eV)」であり、Arガスの準安定準位エネルギーである「11.55(eV)」より小さい。このため、希ガスのガス種を、Arガスに代わって、Krガス、Xeガスを使用すると、Arガスを使用したときと同様に、低解離で高吸着係数のプリカーサが生成され、マスク層100表面に厚く堆積したポリマー105が保護膜として作用し、酸化シリコン層140に対するマスク層100の選択比を上げることが期待できる。 The ionization energy of Kr gas is 1350.8 (kJ/mol), and the ionization energy of Xe gas is 1170.4 (kJ/mol), which is smaller than the ionization energy of Ar gas, 1520.6 (kJ/mol). The metastable level energy of Kr gas is 9.92 (eV), and the metastable level energy of Xe gas is 8.32 (eV), which is smaller than the metastable level energy of Ar gas, 11.55 (eV). Therefore, when Kr gas or Xe gas is used instead of Ar gas as the rare gas species, a precursor with low dissociation and high adsorption coefficient is generated, as when Ar gas is used, and the polymer 105 deposited thickly on the surface of the mask layer 100 acts as a protective film, which is expected to increase the selectivity of the mask layer 100 to the silicon oxide layer 140.

[イオン化した粒子のもつ運動量]
以上、本実施形態に係るエッチング処理方法において、処理ガスに含まれる希ガスに含まれる第1のガスに、Arガスよりイオン化エネルギーが高いHeを使用した場合の作用、効果及び実験結果について説明した。
[Momentum of ionized particles]
The above describes the operation, effects, and experimental results of the etching method according to this embodiment when He, which has a higher ionization energy than Ar gas, is used as the first gas contained in the rare gas contained in the processing gas.

次に、第1のガスが、「Arガスよりイオン化エネルギーが高い」条件に加えて、「イオン化した一粒子のもつ運動量が、イオン化したArガスの一粒子のもつ運動量よりも低いガスである」条件を満たす必要がある理由について説明する。 Next, we will explain why the first gas must satisfy the condition that "the momentum of one ionized particle is lower than that of one ionized particle of Ar gas" in addition to the condition that "the ionization energy of the first gas is higher than that of Ar gas."

タングステン層130は、ホールの底面に露出すると、入射したイオンによりスパッタされる。希ガスにArガスを使用した場合には、Arイオンによりタングステン層130の表面がスパッタリングされる。希ガスにHeガスを使用した場合には、Heイオンによりタングステン層130の表面がスパッタリングされる。 When the tungsten layer 130 is exposed at the bottom of the hole, it is sputtered by the incident ions. When Ar gas is used as the rare gas, the surface of the tungsten layer 130 is sputtered by Ar ions. When He gas is used as the rare gas, the surface of the tungsten layer 130 is sputtered by He ions.

スパッタリングとは、加速された粒子が固体表面に衝突したときに運動量の交換によって固体を構成する原子が空間に放出される現象であり、物理的な反応である。スパッタリングイールドは、イオンを固体表面に衝突させたときに空間に放出される原子の個数である。すなわち、加速されたイオンを固体表面に衝突させたときの固体表面のスパッタリングレートは、加速されたイオンが持つ運動量に比例する。 Sputtering is a physical reaction that occurs when accelerated particles collide with a solid surface, causing the atoms that make up the solid to be released into space due to momentum exchange. The sputtering yield is the number of atoms released into space when ions collide with a solid surface. In other words, the sputtering rate of a solid surface when accelerated ions collide with it is proportional to the momentum of the accelerated ions.

図11は、ガス種毎の圧力とスパッタリングイールドとの関係を示す図である。図11の横軸は処理容器内の圧力を示し、縦軸はスパッタリングイールドを示す。図11の出典は、高周波希ガスプラズマのスパッタリング現象の研究/名古屋工業大学 増井寛二 [名古屋工業大学紀要50巻(1998)]である。 Figure 11 shows the relationship between pressure and sputtering yield for each gas type. The horizontal axis of Figure 11 shows the pressure inside the processing vessel, and the vertical axis shows the sputtering yield. The source of Figure 11 is "Research on the sputtering phenomenon of high-frequency rare gas plasma" by Masui Kanji, Nagoya Institute of Technology [Nagoya Institute of Technology Bulletin Vol. 50 (1998)].

図11では、スパッタリングイールドは、直径が60mmのターゲットに各種のガスを衝突させたときにターゲットの重さの減少(Weight Loss)で示される。これによれば、13×10-3(mmHg)前後の圧力において、Heのスパッタリングイールドは、Arのスパッタリングイールドよりも低い。このため、イオン衝突による脱離は、Heガスを用いた方が少ない。よって、希ガスにHeガスを使用すると、Arガスを使用するよりもスパッタリングレートは下がる傾向になる。 In Fig. 11, the sputtering yield is shown as the weight loss of a target having a diameter of 60 mm when various gases are collided with the target. According to this, at a pressure of about 13 x 10-3 (mmHg), the sputtering yield of He is lower than that of Ar. Therefore, desorption due to ion collision occurs less when He gas is used. Therefore, when He gas is used as the rare gas, the sputtering rate tends to be lower than when Ar gas is used.

図12にイオンがもつ運動量を説明するための図を示す。まず、プラズマ中のイオンの運動エネルギーKは、電荷量をq、プラズマ生成領域Pと基板Wとの間のシース領域Sにかかる電位をEとすると、式(1)で示される。mはイオンの質量、vはイオンの速度である。 Figure 12 shows a diagram to explain the momentum of ions. First, the kinetic energy K of an ion in plasma is expressed by equation (1), where q is the amount of charge and E is the potential applied to the sheath region S between the plasma generation region P and the substrate W. m is the mass of the ion, and v is the velocity of the ion.

Figure 0007493378000001
Figure 0007493378000001

式(1)を変形すると式(2)となる。 Transforming equation (1) gives equation (2).

Figure 0007493378000002
Figure 0007493378000002

イオンの運動量P=mvと式(2)とから、式(3)が導かれる。 Equation (3) is derived from the ion's momentum P = mv and equation (2).

Figure 0007493378000003
Figure 0007493378000003

Heイオンの一粒子当たりの質量は「4」であり、Arイオンの一粒子当たりの質量「18」よりも小さい。このため、式(3)から、Heイオンの一粒子当たりの運動量は、Arイオンの一粒子当たりの運動量よりも小さい。以上から、Heガスを使用すると、Arガスを使用するよりもタングステン層130の表面がスパッタされ難くなり、タングステン層130のスパッタリングレートが下がる方向に作用する。また、ホール底にタングステン層130が露出したときにタングステン層130の表面がスパッタされ、タングステン層130のスパッタリングレートが上がっても、その後、CF系ガスのプリカーサがタングステン層130の表面に堆積し、保護膜として作用する。このため、タングステン層130のロス量を抑制できたことがわかった。 The mass per particle of a He ion is "4", which is smaller than the mass per particle of an Ar ion, "18". Therefore, from formula (3), the momentum per particle of a He ion is smaller than the momentum per particle of an Ar ion. From the above, when He gas is used, the surface of the tungsten layer 130 is less likely to be sputtered than when Ar gas is used, and the sputtering rate of the tungsten layer 130 decreases. In addition, even if the surface of the tungsten layer 130 is sputtered when the tungsten layer 130 is exposed at the bottom of the hole and the sputtering rate of the tungsten layer 130 increases, the precursor of the CF-based gas is deposited on the surface of the tungsten layer 130 and acts as a protective film. Therefore, it was found that the amount of loss of the tungsten layer 130 could be suppressed.

これに対して、エッチングレートは、ラジカルの表面吸着とイオン衝突による脱離が相互に作用して決まる値である。この他、熱エネルギーによる脱離もイオン衝突による脱離とラジカルの表面吸着とが相互に作用するが、高周波電力HFによって基板Wに引き込まれるほどのイオンが存在する環境下では、イオン衝突による脱離に比べて寄与率が低いため、ここでは考慮しない。
エッチングレートを式(4)に示す。
In contrast, the etching rate is a value determined by the interaction between the surface adsorption of radicals and desorption due to ion collision. In addition, desorption due to thermal energy also occurs due to the interaction between desorption due to ion collision and the surface adsorption of radicals, but in an environment where there are ions present in an amount that can be attracted to the substrate W by the high frequency power HF, the contribution rate of this is lower than that of desorption due to ion collision, and therefore is not considered here.
The etching rate is shown in formula (4).

Figure 0007493378000004
Figure 0007493378000004

式(4)のkはイオン性脱離の反応確率、Eはイオン化エネルギー、Γionはイオン入射量であり、「kE・Γion」は「イオン衝突による脱離」を示す項である。式(4)のsは表面への吸着確率、Γradicalはラジカルの供給量であり、「s・Γradical」は「ラジカルの表面吸着」を示す項である。なお、nは、エッチング対象膜の材質を示す。 In formula (4), k is the reaction probability of ionic desorption, Ei is the ionization energy, Γion is the amount of incident ions, and " kEi · Γion " is a term indicating "desorption due to ion collision." In formula (4), s is the probability of adsorption to the surface, Γradical is the amount of radicals supplied, and "s· Γradical " is a term indicating "surface adsorption of radicals." Note that nc indicates the material of the film to be etched.

式(4)中のk(イオン性脱離の反応確率)は、スパッタリングイールドに比例するものであり、スパッタリングイールドが高いとエッチングレートは上がる傾向になり、スパッタリングイールドが低いとエッチングレートは下がる傾向になる。このため、希ガスにHeガスを使用すると、Arガスを使用するよりもスパッタリングイールドが下がるためにエッチングレートは下がる傾向になる。 In equation (4), k (the reaction probability of ionic desorption) is proportional to the sputtering yield; if the sputtering yield is high, the etching rate tends to increase, and if the sputtering yield is low, the etching rate tends to decrease. For this reason, when He gas is used as the rare gas, the sputtering yield is lower than when Ar gas is used, and the etching rate tends to decrease.

しかしながら、希ガスにHeガスを使用することによってフルオロカーボンガスが高解離し低吸着係数のプリカーサが生成される。これによって、ホールHの底部までエッチャントとなるラジカルが供給されることになるので、Γion(イオン入射量)が増加することとなる。これにより、希ガスにHeガスを使用してもエッチングレートが維持できたと考えられる。 However, by using He gas as the rare gas, the fluorocarbon gas is highly dissociated and a precursor with a low adsorption coefficient is generated. This causes radicals that become etchants to be supplied to the bottom of the hole H, increasing Γ ion (amount of ion incidence). It is believed that this is why the etching rate could be maintained even when He gas was used as the rare gas.

以上に説明したように、タングステン層130のロスを抑制し、酸化シリコン層140との選択比を上げるためには、プリカーサをホール底のタングステン層130上に到着させることと、イオンの運動量を小さくすることが重要であることがわかった。そこで、本実施形態に係るエッチング処理方法では、処理ガスに含まれる希ガスをArガスからHeガスに変える。これにより、酸化シリコン層140のエッチングレートを維持しつつ、酸化シリコン層140に対するタングステン層130の選択比の向上を図ることができる。 As explained above, in order to suppress the loss of the tungsten layer 130 and increase the selectivity with the silicon oxide layer 140, it has been found that it is important to make the precursor arrive on the tungsten layer 130 at the bottom of the hole and to reduce the momentum of the ions. Therefore, in the etching method according to this embodiment, the rare gas contained in the processing gas is changed from Ar gas to He gas. This makes it possible to improve the selectivity of the tungsten layer 130 to the silicon oxide layer 140 while maintaining the etching rate of the silicon oxide layer 140.

[エッチング処理方法]
次に、一実施形態に係るエッチング処理方法について、図13及び図14を参照しながら説明する。図13は、一実施形態に係るエッチング処理方法を示すフローチャートである。図14は、一実施形態に係るエッチング処理方法を説明するための図である。本エッチング処理方法は、図2の基板処理装置1にて実行され、図2の制御部70により制御される。
[Etching Method]
Next, an etching method according to an embodiment will be described with reference to Fig. 13 and Fig. 14. Fig. 13 is a flow chart showing the etching method according to an embodiment. Fig. 14 is a diagram for explaining the etching method according to an embodiment. This etching method is performed in the substrate processing apparatus 1 of Fig. 2 and is controlled by the control unit 70 of Fig. 2.

本処理が開始されると、まず、シリコン層110、タングステン層130、酸化シリコン層140、マスク層100の順に積層された積層膜が形成された基板Wを処理容器2内に搬入し、下部電極(載置台)21に載置する(ステップS1)。 When this process is started, first, a substrate W on which a laminate film is formed by stacking a silicon layer 110, a tungsten layer 130, a silicon oxide layer 140, and a mask layer 100 in that order is carried into the process vessel 2 and placed on the lower electrode (mounting table) 21 (step S1).

次に、Cガスなどのフルオロカーボンガス(Cガス)とHeガスを含む処理ガスを処理容器2内に供給する(ステップS2)。次に、第1高周波電源32及び第2高周波電源34から高周波電力HF、LFを印加し、プラズマを生成する(ステップS3)。次に、積層膜をエッチングし(ステップS4)、本処理を終了する。 Next , a process gas containing a fluorocarbon gas ( CxFy gas) such as C4F6 gas and He gas is supplied into the process vessel 2 (step S2). Next, high frequency powers HF and LF are applied from the first high frequency power source 32 and the second high frequency power source 34 to generate plasma (step S3). Next, the laminated film is etched (step S4), and the process is completed.

実施形態に係るエッチング処理方法によれば、積層膜をエッチングしている間、図14(a)に示すように、処理ガス中のCガスなどのフルオロカーボンガスが高解離する。そして、CF、CFラジカルやCF 、CF イオンなどのプリカーサ(図中ではCF、CF と示す)とHeイオンにより酸化シリコン層140がエッチングされる。 According to the etching method of the embodiment, while etching the stacked film, fluorocarbon gas such as C4F6 gas in the processing gas is highly dissociated as shown in Fig. 14A. Then, the silicon oxide layer 140 is etched by precursors such as CF2 and CF3 radicals, CF2 + and CF3 + ions (indicated as CFx and CFx + in the figure) and He ions.

その際、酸化シリコン層140の凹部の底部にプリカーサが堆積するが、同時にHeイオンとの相互作用で酸化シリコン層140のエッチングにエッチャントとして消費し、SiF、COのような揮発性ガスに変化するため、堆積物としてポリマーは形成されない。 At that time, the precursor is deposited at the bottom of the recess in the silicon oxide layer 140, but at the same time, it is consumed as an etchant for etching the silicon oxide layer 140 through interaction with He ions and is converted into volatile gases such as SiF4 and CO, so that no polymer is formed as a deposit.

図14(b)に示すように、酸化シリコン層140のエッチングが完了し、タングステン層130が露出すると、プリカーサはエッチャントとして消費されなくなるため、ポリマーとして堆積し始める。しかし、酸化シリコン層140のエッチングが完了した直後は、露出したタングステン層130表面にポリマーが堆積しておらず、タングステン層130の表面は主にHeイオンによりスパッタされ、タングステン層130のロスが発生する(記号G参照)。 As shown in FIG. 14(b), when etching of the silicon oxide layer 140 is completed and the tungsten layer 130 is exposed, the precursor is no longer consumed as an etchant and begins to deposit as a polymer. However, immediately after etching of the silicon oxide layer 140 is completed, no polymer has been deposited on the exposed surface of the tungsten layer 130, and the surface of the tungsten layer 130 is sputtered mainly by He ions, resulting in loss of the tungsten layer 130 (see symbol G).

その後、図14(c)に示すように、処理を継続すると、プリカーサがタングステン層130の表面にポリマーとして堆積し、保護膜として作用するため(記号I参照)、タングステン層130のエッチングレートは下がる。 As the process continues, the precursor is deposited as a polymer on the surface of the tungsten layer 130, acting as a protective film (see symbol I), as shown in FIG. 14(c), and the etching rate of the tungsten layer 130 decreases.

以上により、本実施形態に係るエッチング処理方法によれば、エッチング対象膜に対する下地層の選択比を向上させることができる。 As a result, the etching method according to this embodiment can improve the selectivity of the underlying layer relative to the film to be etched.

[希ガスの準安定準位エネルギー]
本実施形態に係るエッチング処理方法に使用する第1のガスの準安定状態の電位は、Arガスの準安定状態の電位よりも高いことが好ましい。例えば、Heガスの準安定準位エネルギーは「19.82(eV)」であり、Arガスの準安定準位エネルギー「11.55(eV)」よりも高い。準安定準位エネルギーが「16.62(eV)」のNeガスや、Heガス及びNeガスの混合ガスもArガスの準安定準位エネルギーよりも大きい。エッチング処理時、希ガスは、プラズマとの相互作用により準安定状態に励起される。通常の原子や分子が励起された場合、光などのエネルギーを放射して再び基底状態へ自然に遷移する平均時間(自然放出寿命)はマイクロ秒オーダー、あるいはそれ以下である。準安定状態の自然放出寿命は1秒のオーダーであるため、プラズマ生成空間にはエネルギーが高い準安定状態の希ガスが大量に存在できる。準安定状態の希ガスは、衝突によりエネルギーを放出して基底状態へ遷移する。
[Metastable energy of rare gases]
The potential of the metastable state of the first gas used in the etching method according to this embodiment is preferably higher than the potential of the metastable state of Ar gas. For example, the metastable level energy of He gas is 19.82 (eV), which is higher than the metastable level energy of Ar gas, 11.55 (eV). The metastable level energy of Ne gas, which has a metastable level energy of 16.62 (eV), and the mixed gas of He gas and Ne gas are also higher than the metastable level energy of Ar gas. During the etching process, the rare gas is excited to a metastable state by interaction with the plasma. When a normal atom or molecule is excited, the average time (spontaneous emission lifetime) for emitting energy such as light and naturally transitioning back to the ground state is on the order of microseconds or less. Since the spontaneous emission lifetime of the metastable state is on the order of one second, a large amount of rare gas in a metastable state with high energy can exist in the plasma generation space. The rare gas in a metastable state transitions to the ground state by emitting energy through collision.

したがって、Arガスの準安定準位エネルギーよりも大きい準安定準位エネルギーをもつHeガス及びNeガスでは、エネルギーが高い準安定状態の希ガスが大量に存在することとなる。これにより、プラズマ生成空間や基板Wへの輸送空間であるシース領域SにおいてこれらのガスがCガスなどのフルオロカーボンガスと衝突することにより、フルオロカーボンガスの解離度を高解離に制御できる。 Therefore, in the case of He gas and Ne gas, which have metastable level energies larger than that of Ar gas, a large amount of rare gas in a metastable state with high energy is present. As a result, these gases collide with fluorocarbon gas such as C4F6 gas in the plasma generation space or the sheath region S, which is the transport space to the substrate W, and the degree of dissociation of the fluorocarbon gas can be controlled to a high level.

これにより、一実施形態に係るエッチング処理方法では、Heガスを使用することで、Arガスを使用した場合よりも吸着係数が高いポリマーが減り、吸着係数が低いポリマーが増える。このため、エッチングするホールの開口の閉塞を抑制しつつ、下地層にポリマーを多く供給して、エッチング対象膜に対する下地層の選択比を向上させることができる。 As a result, in the etching method according to one embodiment, the use of He gas reduces the amount of polymers with a high adsorption coefficient and increases the amount of polymers with a low adsorption coefficient compared to the use of Ar gas. This makes it possible to supply a large amount of polymer to the underlayer while suppressing blockage of the opening of the hole to be etched, thereby improving the selectivity of the underlayer to the film to be etched.

今回開示された一実施形態に係るエッチング処理方法及び基板処理装置は、すべての点において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。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。 The etching method and substrate processing apparatus according to the presently disclosed embodiment should be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The above-described embodiment may be modified and improved in various ways without departing from the spirit and scope of the appended claims. The matters described in the above-described embodiments may be configured in other ways without any inconsistency, and may be combined without any inconsistency.

本開示の基板処理装置は、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプの装置でも適用可能である。 The substrate processing apparatus disclosed herein can be applied to any type of apparatus, including Capacitively Coupled Plasma (CCP), Inductively Coupled Plasma (ICP), Radial Line Slot Antenna (RLSA), Electron Cyclotron Resonance Plasma (ECR), and Helicon Wave Plasma (HWP).

1 基板処理装置
2 処理容器
11 ガス供給源
21 下部電極(載置台)
22 上部電極
32 第1高周波電源
34 第2高周波電源
70 制御部
100 マスク層
110 シリコン層
130 タングステン層
140 酸化シリコン層
H ホール
W 基板
1 Substrate processing apparatus 2 Processing vessel 11 Gas supply source 21 Lower electrode (mounting table)
22 Upper electrode 32 First high frequency power supply 34 Second high frequency power supply 70 Control unit 100 Mask layer 110 Silicon layer 130 Tungsten layer 140 Silicon oxide layer H Hole W Substrate

Claims (13)

(i)シリコン含有絶縁層と、(ii)前記シリコン含有絶縁層のに配置され、それぞれ異なる深さに位置する下地層と、(iii)前記シリコン含有絶縁層の上層に配置されたマスク層とを少なくとも有する積層膜が形成された基板を処理容器内に準備する工程と、
フルオロカーボンガスと、第2の希ガスとを少なくとも含む第1の処理ガスを前記処理容器内に供給する工程と、
前記処理容器内で前記第1の処理ガスプラズマを発生させ、複数の前記下地層のうち第1の下地層が位置する第1の深さまで前記積層膜をエッチングする工程と、
前記積層膜を前記第1の深さまでエッチングした後、前記第2の希ガスを第1の希ガスに切り替え、前記フルオロカーボンガスと、前記第1の希ガスとを少なくとも含む第2の処理ガスを前記処理容器内に供給する工程と、
前記処理容器内で前記第2の処理ガスのプラズマを発生させ、複数の前記下地層のうち第2の下地層が位置する前記第1の深さよりも深い第2の深さまで前記積層膜をエッチングする工程と、を有し、
前記第1のガスは、Arガスよりイオン化エネルギーが高く、イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子の運動量よりも低いガスであり、
前記第2のガスは、Arガス、又はArガスよりイオン化エネルギーが低いガスである、
ことを特徴とするエッチング処理方法。
A process of preparing a substrate having a laminated film formed thereon, the laminated film including at least : (i) a silicon-containing insulating layer; (ii) underlayers disposed in the silicon-containing insulating layer and positioned at different depths ; and (iii) a mask layer disposed on the silicon-containing insulating layer, in a processing chamber;
supplying a first process gas containing at least a fluorocarbon gas and a second rare gas into the process vessel ;
generating a plasma of the first process gas in the processing chamber , and etching the stacked film to a first depth at which a first base layer of the plurality of base layers is located ;
After etching the stacked film to the first depth, the second rare gas is switched to a first rare gas, and a second process gas containing at least the fluorocarbon gas and the first rare gas is supplied into the process chamber;
generating a plasma of the second process gas in the processing chamber, and etching the stacked film to a second depth deeper than the first depth at which a second base layer of the plurality of base layers is located;
the first rare gas has a higher ionization energy than Ar gas and a momentum of one ionized particle is lower than a momentum of one particle of the ionized Ar gas;
The second rare gas is Ar gas or a gas having an ionization energy lower than that of Ar gas.
1. An etching method comprising:
前記第1のガスの準安定状態の電位は、Arガスの準安定状態の電位よりも高い、
請求項に記載のエッチング処理方法。
The metastable state potential of the first rare gas is higher than the metastable state potential of Ar gas.
The etching method according to claim 1 .
前記第1のガスは、Heガス又はNeガスの少なくとも一つを含む、
請求項1または請求項2に記載のエッチング処理方法。
The first rare gas includes at least one of He gas and Ne gas.
The etching method according to claim 1 or 2 .
前記Arガスよりイオン化エネルギーが低いガスは、Krガス又はXeガスである、
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。
The gas having an ionization energy lower than that of Ar gas is Kr gas or Xe gas.
The etching method according to any one of claims 1 to 3 .
前記フルオロカーボンガスは、Cガス、Cガス、Cガス、Cガス、Cガスの少なくとも一つである、
請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。
The fluorocarbon gas is at least one of C4F6 gas , C4F8 gas , C3F8 gas, C6F6 gas, and C5F8 gas;
The etching method according to any one of claims 1 to 4 .
前記シリコン含有絶縁層は、酸化シリコン層で形成される、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。
The silicon-containing insulating layer is formed of a silicon oxide layer.
The etching method according to any one of claims 1 to 5 .
前記下地層は、導電層である、
請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。
The underlayer is a conductive layer.
The etching method according to any one of claims 1 to 6 .
前記導電層は、金属層又はシリコン層で形成される、
請求項に記載のエッチング処理方法。
The conductive layer is formed of a metal layer or a silicon layer.
The etching method according to claim 7 .
前記金属層は、タングステンで形成される、
請求項に記載のエッチング処理方法。
The metal layer is formed of tungsten.
The etching method according to claim 8 .
前記シリコン含有絶縁層は、酸化シリコン層で形成され、
前記下地層は、窒化シリコン層で形成される、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。
The silicon-containing insulating layer is formed of a silicon oxide layer,
The underlayer is formed of a silicon nitride layer.
The etching method according to any one of claims 1 to 5 .
前記シリコン含有絶縁層は、酸化シリコン層、Low-K膜層の少なくともいずれかで形成され、
前記下地層は、炭化シリコン層、炭化窒化シリコン層の少なくともいずれかで形成される、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。
The silicon-containing insulating layer is formed of at least one of a silicon oxide layer and a low-k film layer,
The underlayer is formed of at least one of a silicon carbide layer and a silicon carbonitride layer.
The etching method according to any one of claims 1 to 5 .
前記第2の深さまで前記積層膜をエッチングする工程は、The step of etching the film stack to the second depth includes:
第1のプリカーサの量が第2のプリカーサの量より相対的に多くなるように、前記第2の処理ガスから形成されたプラズマ中に前記第1のプリカーサを生成するステップを含み、generating a first precursor in a plasma formed from the second process gas such that an amount of the first precursor is relatively greater than an amount of the second precursor;
前記第1のプリカーサは、前記第2のプリカーサと比較して、高解離で吸着係数が低いプリカーサである、The first precursor has a high dissociation and a low adsorption coefficient compared to the second precursor.
請求項1乃至請求項11のいずれか一項に記載のエッチング処理方法。The etching method according to any one of claims 1 to 11.
処理容器と、
(i)シリコン含有絶縁層と、(ii)前記シリコン含有絶縁層のに配置され、それぞれ異なる深さに位置する下地層と、(iii)前記シリコン含有絶縁層の上層に配置されたマスク層とを少なくとも有する積層膜が形成された基板を載置する載置台と、
制御部と、を有する基板処理装置であって、
前記制御部は、
前記基板を前記処理容器内に準備する工程と、
フルオロカーボンガスと、第2の希ガスとを少なくとも含む第1の処理ガスを前記処理容器内に供給する工程と、
前記処理容器内で前記第1の処理ガスプラズマを発生させ、複数の前記下地層のうち第1の下地層が位置する第1の深さまで前記積層膜をエッチングする工程と、
前記積層膜を前記第1の深さまでエッチングした後、前記第2の希ガスを第1の希ガスに切り替え、前記フルオロカーボンガスと、前記第1の希ガスとを少なくとも含む第2の処理ガスを前記処理容器内に供給する工程と、
前記処理容器内で前記第2の処理ガスのプラズマを発生させ、複数の前記下地層のうち第2の下地層が位置する前記第1の深さよりも深い第2の深さまで前記積層膜をエッチングする工程と、を制御し、
前記第1の希ガスは、Arガスよりイオン化エネルギーが高く、イオン化した一粒子のもつ運動量がイオン化したArガスの一粒子の運動量よりも低いガスであり、
前記第2の希ガスは、Arガス、又はArガスよりイオン化エネルギーが低いガスである、
基板処理装置。
A processing vessel;
a mounting table for mounting a substrate having a laminated film formed thereon, the laminated film including at least: (i) a silicon-containing insulating layer; (ii) underlayers disposed in the silicon-containing insulating layer and positioned at different depths ; and (iii) a mask layer disposed on the silicon-containing insulating layer;
A substrate processing apparatus having a control unit,
The control unit is
providing the substrate in the process chamber;
supplying a first process gas containing at least a fluorocarbon gas and a second rare gas into the process vessel ;
generating a plasma of the first process gas in the processing chamber , and etching the stacked film to a first depth at which a first base layer of the plurality of base layers is located ;
After etching the stacked film to the first depth, the second rare gas is switched to a first rare gas, and a second process gas containing at least the fluorocarbon gas and the first rare gas is supplied into the process chamber;
generating a plasma of the second process gas in the processing chamber, and etching the stacked film to a second depth deeper than the first depth at which a second of the plurality of base layers is located;
the first rare gas has a higher ionization energy than Ar gas and a momentum of one ionized particle is lower than a momentum of one particle of the ionized Ar gas;
The second rare gas is Ar gas or a gas having an ionization energy lower than that of Ar gas.
Substrate processing equipment.
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