JP7724281B2 - エッチング方法及びエッチング装置 - Google Patents

エッチング方法及びエッチング装置

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Description

本開示は、エッチング方法及びエッチング装置に関する。
特許文献１には、パターンつきフォトレジストマスクと、その下に配された中間マスク層と、その下に配された機能性有機質マスク層と、その下に配されたエッチング層とによって形成されるスタックにおいて、前記エッチング層内のエッチング構成の限界寸法（ＣＤ）を制御するための方法が開示されている。
日本国 特開２０１０－１０９３７３号公報
本開示にかかる技術は、エッチング対象層にパターンを形成するためのマスクとなる有機材料層に対して、高アスペクト比のホールを適切に形成する。
本開示の一態様のエッチング装置は、処理チャンバと、前記処理チャンバ内に設けられる基板支持体と、プラズマ生成部と、制御部と、を備え、前記制御部は、（ａ）前記処理チャンバ内の前記基板支持体上に、下地層と、前記下地層上の有機材料層と、を有する基板を提供する制御と、（ｂ）酸素含有ガスを含む処理ガスから生成したプラズマを用いて、前記有機材料層に凹部を形成する制御と、を実行し、前記（ｂ）工程において、（ｂ１）前記基板支持体に第１のレベルでバイアス電力を供給することで、前記有機材料層をエッチングする制御と、（ｂ２）前記基板支持体に前記バイアス電力を供給しない、又は前記基板支持体に前記第１のレベルよりも低い第２のレベルで前記バイアス電力を供給することで、前記凹部の側壁に保護膜を形成する制御と、を繰り返し実行し、前記（ｂ２）工程の期間が１０ミリ秒以上となるように、前記（ｂ１）工程の期間の周期を規定する周波数、及び前記（ｂ１）工程の期間と前記（ｂ２）工程の期間の合計に対して前記（ｂ１）工程の期間の占める割合、の少なくともいずれか一方を制御する。
なお、本開示の技術において「Ｄｕｔｙ比」とは、パルス状に供給される高周波電力の１周期（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）当たりのＯＮ時間（高周波電力を供給する時間）の割合（ｏｎ ｄｕｔｙ）のことを言うものとする。
また、本開示の技術において「真円度」とは、有機材料層に形成されるホールの断面形状における最大径に対する最小径の割合（ｍｉｎ径／ＭＡＸ径）のことを言うものとする。
本開示によれば、エッチング対象層にパターンを形成するためのマスクとなる有機材料層に対して、高アスペクト比のホールを適切に形成することができる。
プラズマ処理システムの構成の一例を模式的に示す縦断面図である。 エッチング処理前後のエッチング対象層及び有機材料層の様子を示す説明図である。 有機材料層における真円度の悪化及びボーイングの発生の様子を示す説明図である。 基板支持体に対する高周波電力の供給例を示すグラフである。 実施例にかかるエッチング処理結果の一例を示す説明図である。 実施例にかかるエッチング処理結果の一例を示す説明図である。
半導体デバイスの製造工程では、半導体基板（以下、単に「基板」という。）の表面に積層して形成されたエッチング対象層（例えばシリコン含有膜）に対して、パターンが形成されたマスク層（例えばＡｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＡＣＬ）をマスクとしたエッチング処理が行われている。このマスク層に対するパターンの形成は、一般的にプラズマ処理装置で行われる。
上述した特許文献１には、プラズマ処理装置（エッチングチャンバ）の内部で、マスク層（中間マスク層及び機能性有機質層）をエッチングするための方法が開示されている。具体的には、マスク層が形成された基板が搬入されたエッチングチャンバの内部にエッチングガスを導入した後、高周波（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ：ＲＦ）源からの高周波を電極に供給することでエッチングチャンバの内部にプラズマを生成し、中間マスク層及び機能性有機質層を、順次、選択的にエッチングする。
ところで、マスク層に対するパターンの形成に際しては、ホールのトップにおける孔形状を、底部における孔形状にそのまま転写することが重要になる。しかしながら近年、基板表面に形成されるパターンの微細化に伴って、マスク層に高アスペクト比のホール（マスクパターン）を形成することが求められ、これにより当該ホールの底部における真円度の悪化が懸念されている。
従来、この真円度の改善手法としては、数百Ｈｚ以上の高周波バイアス用の高周波電力をＯＮ／ＯＦＦ駆動させることが行われている。しかしながら、ホールの底部における真円度の改善とホールの側壁におけるボーイング（Ｂｏｗｉｎｇ）形状の発生とがトレードオフの関係にあり、この方法ではホールの断面形状を均一に制御できなくなるという課題があった。
本開示に係る技術は上記事情に鑑みてなされたものであり、エッチング対象層にパターンを形成するためのマスクとなる有機材料層に対して、高アスペクト比のホールを適切に形成する。以下、一実施形態にかかるプラズマ処理システム、及び本実施形態にかかるエッチング方法を含むプラズマ処理方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
＜プラズマ処理システム＞
先ず、一実施形態にかかるプラズマ処理システムについて説明する。図１は、プラズマ処理システムの構成の概略を示す縦断面図である。
プラズマ処理システムは、誘導結合型（ＩＣＰ）のプラズマ処理装置１及び制御部２を含む。プラズマ処理装置１は、プラズマ処理チャンバ１０、ガス供給部２０、電源３０及び排気システム４０を含む。プラズマ処理チャンバ１０は、誘電体窓を含む。また、プラズマ処理装置１は、基板支持体１１、ガス導入部及びアンテナ１４を含む。基板支持体１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置される。アンテナ１４は、プラズマ処理チャンバ１０の上、又は上方（すなわち誘電体窓１０１の上、又は上方）に配置される。プラズマ処理チャンバ１０は、誘電体窓１０１、プラズマ処理チャンバ１０の側壁１０２及び基板支持体１１により規定されたプラズマ処理空間１０ｓを有する。プラズマ処理チャンバ１０は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するための少なくとも１つのガス供給口と、プラズマ処理空間１０ｓからガスを排出するための少なくとも１つのガス排出口とを有する。
基板支持体１１は、本体部１１１及びリングアセンブリ１１２を含む。本体部１１１は、基板（ウェハ）Ｗを支持するための中央領域１１１ａ（基板支持面）と、リングアセンブリ１１２を支持するための環状領域１１１ｂ（リング支持面）とを有する。本体部１１１の環状領域１１１ｂは、平面視で本体部１１１の中央領域１１１ａを囲んでいる。基板Ｗは、中央領域１１１ａ上に配置され、リングアセンブリ１１２は、中央領域１１１ａ上の基板Ｗを囲むように環状領域１１１ｂ上に配置される。
一実施形態において、本体部１１１は、図示しない基台及び図示しない静電チャックを含む。基台は、導電性部材を含む。基台の導電性部材は下部電極として機能する。静電チャックは、基台の上に配置される。静電チャックの上面は、上述の中央領域１１１ａ及び環状領域１１１ｂを有する。リングアセンブリ１１２は、１又は複数の環状部材を含み、１又は複数の環状部材のうち少なくとも１つはエッジリングである。
また、図示は省略するが、基板支持体１１は、静電チャック、リングアセンブリ１１２及び基板Ｗのうち少なくとも１つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、伝熱媒体、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、ブラインやガスのような伝熱流体が流れる。また、基板支持体１１は、基板Ｗの裏面と基板支持面との間に伝熱ガスを供給するように構成された伝熱ガス供給部を含んでもよい。
ガス導入部は、ガス供給部２０からの少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに導入するように構成される。一実施形態において、ガス導入部は、中央ガス注入部（Ｃｅｎｔｅｒ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ：ＣＧＩ）１３を含む。中央ガス注入部１３は、基板支持体１１の上方に配置され、誘電体窓１０１に形成された中央開口部に取り付けられる。中央ガス注入部１３は、少なくとも１つのガス供給口１３ａ、少なくとも１つのガス流路１３ｂ、及び少なくとも１つのガス導入口１３ｃを有する。ガス供給口１３ａに供給された処理ガスは、ガス流路１３ｂを通過してガス導入口１３ｃからプラズマ処理空間１０ｓに導入される。なお、ガス導入部は、中央ガス注入部１３に加えて又はその代わりに、側壁１０２に形成された１又は複数の開口部に取り付けられる１又は複数のサイドガス注入部（Ｓｉｄｅ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ：ＳＧＩ）を含んでもよい。
ガス供給部２０は、少なくとも１つのガスソース２１及び少なくとも１つの流量制御器２２を含んでもよい。一実施形態において、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２１からそれぞれに対応の流量制御器２２を介して中央ガス注入部１３に供給するように構成される。各流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部２０は、少なくとも１つの処理ガスの流量を変調又はパルス化する１又はそれ以上の流量変調デバイスを含んでもよい。
電源３０は、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ処理チャンバ１０に結合されるＲＦ電源３１を含む。ＲＦ電源３１は、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のような少なくとも１つのＲＦ信号（ＲＦ電力）を、基板支持体１１の導電性部材（下部電極）及びアンテナ１４に供給するように構成される。これにより、プラズマ処理空間１０ｓに供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマが形成される。従って、ＲＦ電源３１は、プラズマ処理チャンバ１０において１又はそれ以上の処理ガスからプラズマを生成するように構成されるプラズマ生成部の少なくとも一部として機能し得る。また、バイアスＲＦ信号を下部電極に供給することにより、基板Ｗにバイアス電位が発生し、形成されたプラズマ中のイオンを基板Ｗに引き込むことができる。
一実施形態において、ＲＦ電源３１は、第１のＲＦ生成部３１ａ及び第２のＲＦ生成部３１ｂを含む。第１のＲＦ生成部３１ａは、アンテナ１４に結合され、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ生成用のソースＲＦ信号（ソースＲＦ電力：以下、「高周波電力ＨＦ」という場合がある。）を生成するように構成される。一実施形態において、ソースＲＦ信号は、１３ＭＨｚ～１５０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第１のＲＦ生成部３１ａは、異なる周波数を有する複数のソースＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のソースＲＦ信号は、アンテナ１４に供給される。
第２のＲＦ生成部３１ｂは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して下部電極に結合され、バイアス電力としてのバイアスＲＦ信号（バイアスＲＦ電力：以下、「高周波電力ＬＦ」という場合がある。）を生成するように構成される。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、ソースＲＦ信号よりも低い周波数を有する。一実施形態において、バイアスＲＦ信号は、４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。一実施形態において、第２のＲＦ生成部３１ｂは、異なる周波数を有する複数のバイアスＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のバイアスＲＦ信号は、下部電極に供給される。また、種々の実施形態において、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。
また、電源３０は、一例では、プラズマ処理チャンバ１０に結合されるＤＣ電源３２を含んでもよい。ＤＣ電源３２は、バイアスＤＣ生成部３２ａを含む。一実施形態において、バイアスＤＣ生成部３２ａは、下部電極に接続され、バイアスＤＣ信号を生成するように構成される。生成されたバイアスＤＣ信号は、下部電極に供給される。一実施形態において、バイアスＤＣ信号が、静電チャック内の電極のような他の電極に供給されてもよい。種々の実施形態において、バイアスＤＣ信号は、パルス化されてもよい。なお、バイアスＤＣ生成部３２ａは、ＲＦ電源３１に加えて設けられてもよく、第２のＲＦ生成部３１ｂに代えて設けられてもよい。
アンテナ１４は、１又は複数のコイルを含む。一実施形態において、アンテナ１４は、同軸上に配置された外側コイル及び内側コイルを含んでもよい。この場合、ＲＦ電源３１は、外側コイル及び内側コイルの双方に接続されてもよく、外側コイル及び内側コイルのうちいずれか一方に接続されてもよい。前者の場合、同一のＲＦ生成部が外側コイル及び内側コイルの双方に接続されてもよく、別個のＲＦ生成部が外側コイル及び内側コイルに別々に接続されてもよい。
排気システム４０は、例えばプラズマ処理チャンバ１０の底部に設けられたガス排出口１０ｅに接続され得る。排気システム４０は、圧力調整弁及び真空ポンプを含んでもよい。圧力調整弁によって、プラズマ処理空間１０ｓの内部圧力が調整される。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。
制御部２は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置１に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部２は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１の各要素を制御するように構成され得る。一実施形態において、制御部２の一部又は全てがプラズマ処理装置１に含まれてもよい。制御部２は、例えばコンピュータ２ａを含んでもよい。コンピュータ２ａは、例えば、処理部（ＣＰＵ）２ａ１、記憶部２ａ２、及び通信インターフェース２ａ３を含んでもよい。処理部２ａ１は、記憶部２ａ２に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部２ａ２は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース２ａ３は、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１との間で通信してもよい。
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な追加、省略、置換、及び変更がなされてもよい。また、異なる実施形態における要素を組み合わせて他の実施形態を形成することが可能である。
例えば、本実施形態においてはプラズマ処理システムが誘導結合型（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）のプラズマ処理装置１を有する場合を例に説明を行ったが、プラズマ処理システムの構成はこれに限定されるものではない。例えばプラズマ処理システムは、容量結合プラズマ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＣＣＰ）、ＥＣＲプラズマ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ－ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｌａｓｍａ）、ヘリコン波励起プラズマ（Ｈｅｌｉｃｏｎ Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ：ＨＷＰ）、又は、表面波プラズマ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ：ＳＷＰ）等のプラズマ生成部を含む処理装置を有していてもよい。また、ＡＣ（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ）プラズマ生成部及びＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）プラズマ生成部を含む、種々のタイプのプラズマ生成部を含む処理装置が用いられてもよい。
＜プラズマ処理方法＞
次に、以上のように構成されたプラズマ処理装置１を用いて行われる有機材料層のエッチング処理について説明する。
本実施形態では、図２（ａ）に示すように、基板Ｗ上に、エッチング対象層Ｅ（例えばＳｉＯｘ膜）、下地層Ｇ（例えばＳｉＮ膜）、有機材料層Ｍ及びマスクパターンＰがこの順に下から形成されている。有機材料層Ｍは、例えば、アモルファスカーボン層（Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｌａｙｅｒ：ＡＣＬ）を有する。そしてプラズマ処理装置１では、図２（ｂ）に示すように本実施形態にかかるエッチング方法により有機材料層Ｍにパターンを形成する。更に、有機材料層Ｍをマスクとしてエッチング対象層Ｅにエッチング処理を行い、エッチング対象層Ｅにパターン形成してもよい。
先ず、プラズマ処理チャンバ１０の内部に基板Ｗを搬入し、基板支持体１１上に基板Ｗを載置する。その後、静電チャック内の電極に直流電圧を供給することにより、基板Ｗはクーロン力によって静電チャックに静電吸着される。また、基板Ｗの搬入後、排気システム４０によってプラズマ処理チャンバ１０の内部を所望の真空度まで減圧する。
次に、ガス供給部２０から中央ガス注入部１３を介してプラズマ処理空間１０ｓに有機材料層Ｍ用のエッチングガスを含む処理ガスを供給する。有機材料層Ｍ用のエッチングガスは、例えばＣＯガス、ＣＯ２ガス、Ｏ２ガス、Ｏ３ガス、ＣＯＳガス及びＨ２Ｏガスからなる群から選択される少なくとも１種の酸素含有ガスであってよい。処理ガスは、Ａｒガスなどの希釈ガスを含んでもよい。また、第１のＲＦ生成部３１ａによりプラズマ生成用の高周波電力ＨＦをアンテナ１４に供給し、処理ガスを励起させてプラズマを生成する。また更に、第２のＲＦ生成部３１ｂによりバイアス用の高周波電力ＬＦを下部電極に供給し、基板Ｗに対してイオンを引き込むことにより、有機材料層Ｍをエッチングする。図２（ｂ）に示したように有機材料層Ｍがエッチングされ、有機材料層ＭにマスクパターンとしてのホールＨが形成される。なお、有機材料層Ｍに形成されるホールＨは、本開示の技術においては「凹部」と表現される場合がある。
ここで、近年のマスクパターンの微細化の要望により高アスペクト比のホールＨを形成する場合、ホールＨが深く形成されるに従い、当該ホールＨの底部に到達するイオン量が減少する。そうすると、上述したように、ホールＨの底部における真円度が悪化することが懸念される。
かかるホールＨの底部における真円度を改善する手法として、従来、数百Ｈｚ以上の高周波数でバイアス用の高周波電力ＬＦをＯＮ／ＯＦＦ駆動させること、すなわち、高周波電力ＬＦの供給と停止とを所定の周期で繰り返すことが行われているが、かかる場合、ホールＨの側壁が弓なり形状となる、いわゆるボーイング（ホールＨのＣＤ値不均一）が生じるおそれがある（図３を参照）。
そこで本実施形態においては、かかるホールＨに対するボーイングの形成、及び当該ホールＨの底部における真円度の悪化を抑制するため、エッチングに際して、バイアス電力である高周波電力ＬＦを、所定の周期でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルスで基板支持体に供給する。一例では、図４に示すように、基板支持体に高周波電力ＬＦを供給（ＯＮ）する第１の期間Ｐ１と、高周波電力ＬＦの供給を停止（ＯＦＦ）する第２の期間Ｐ２とを繰り返す周期を規定する周波数（以下、「パルス周波数」ともいう。）を１００Ｈｚ以下、第１の期間Ｐ１と第２の期間Ｐ２の合計時間に対する第１の期間Ｐ１の時間の割合（Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２））を示すＤｕｔｙ比を２０％以上６０％以下とする高周波電力ＬＦを基板支持体（下部電極）に供給する。なお、高周波電力ＬＦは、ＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルスでなく、図４に示したようにＨｉｇｈ－Ｌｏｗ制御で基板支持体（下部電極）に供給されてもよい。
図５は、実施例に係るエッチング処理結果の一例を模式的に示す説明図であって、（ａ）比較例として高周波電力ＬＦを連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ：ＣＷ）で供給した場合、（ｂ）～（ｅ）実施例として高周波電力ＬＦをパルス周波数２Ｈｚ～２００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比５０％のパルスで供給した場合におけるそれぞれの「真円度」及び「ボーイングＣＤ値（ＢＢ Ｂｉａｓ：ホールＨにおけるＭＡＸＣＤ値とボトムＣＤ値の差分）」を示したものである。
また図６は、実施例に係るエッチング処理結果の一例を模式的に示す説明図であって、（ａ）比較例として高周波電力ＬＦを連続波で供給した場合、（ｂ）～（ｄ）実施例として高周波電力ＬＦをＤｕｔｙ比３０％～９０％、ＯＦＦ時間５０ｍｓｅｃ（パルス波において高周波電力ＬＦが供給されない時間）のパルスで供給した場合、におけるそれぞれの「真円度」及び「ボーイングＣＤ値」を示したものである。なお、比較例である図６（ａ）は、図５（ａ）に示した比較例と同様のものである。
図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、エッチング処理において下部電極に高周波電力ＬＦを連続波で供給した場合、ホールＨの底部における真円度はある程度改善されるものの、側壁にボーイングが生じていることがわかる。具体的には、ホールＨの底部形状（Ｈｏｌｅ底形状）は略円形となっているものの、断面形状においてＭＡＸＣＤ値とボトムＣＤ値とに差分が生じ、ホールＨの形状が弓なりになっていることがわかる。
一方、図５（ｂ）～（ｅ）に示すように、エッチング処理において下部電極に供給する高周波電力ＬＦのＯＮ／ＯＦＦの周期が長くなるに従い、ホールＨの底部における真円度が改善されていくことがわかる。具体的には、（ｃ）パルス周波数５０Ｈｚにおいて真円度が（ａ）比較例とほぼ同値になり、（ｄ）パルス周波数１０Ｈｚ以下においては真円度が「１」に近づき、すなわちホールＨの最大径と最小径との差が小さくなり真円度が改善されていることがわかる。
続いて、図６（ｂ）～（ｄ）に示すように、下部電極に供給する高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比に依らず、ホールＨのボーイングが抑制されることがわかる。また、図５（ｅ）と図６（ｂ）とを比較することにより、同一のパルス周波数条件でＤｕｔｙ比を変化させる場合には、Ｄｕｔｙ比が小さくなると、ボーイングが改善されていることがわかる。換言すれば、高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比が小さくなるに従い、ホールＨのボーイングが改善傾向にあることが予測される。
一方、図６（ｂ）～（ｄ）に示したように、ＯＦＦ時間を固定（図６の例においては５０ｍｓｅｃ）して高周波電力ＬＦのＤｕｔｙ比を大きくした場合、高周波電力ＬＦのＯＮ／ＯＦＦの周期であるパルス周波数が小さくなるため、真円度が改善する傾向にあることがわかる。
このように、下部電極に高周波電力ＬＦを低周波のパルス状に供給することで、ホールＨの底部における真円度を改善できるとともに、当該ホールＨに生じるボーイングを低減できる。
これは、バイアス用の高周波電力ＬＦをパルス状に供給することで、当該高周波電力ＬＦのＯＮ時間においてはホールＨにイオンを積極的に引き込んでエッチングを進行させることができ、ＯＦＦ時間においてはホールＨの底部にイオンを引き込む作用が小さくなりホールＨの側壁に保護膜としてのポリマー（エッチングガスによる反応生成物）を均一かつ強固に生成する作用が大きくなることに起因すると考えられる。換言すれば、ＯＦＦ時間において形成されたポリマーにより、ＯＮ時間におけるエッチングからホールＨの側壁を保護することができ、これによりボーイングの発生が抑制される。
また更に、高周波電力ＬＦとして、低周波数のものを用いれば、高アスペクト比のホールＨの底部に到達するイオンを増加させることができ、これにより当該底部におけるエッチングを従来と比較して促進できる。
以上、図５及び図６に示す結果からわかるように、エッチングにおいて下部電極に高周波電力ＬＦを低周波のパルス状の出力で供給することによって、ホールＨの真円度を改善し、トレードオフ関係にあるボーイングも抑制できる。
一例のプラズマ処理装置１を用いて行われる基板Ｗのプラズマ処理の説明に戻る。
有機材料層Ｍのエッチングによりマスクパターンが形成されると、ＲＦ電源３１からの高周波電力ＨＦ及び高周波電力ＬＦの供給、及びガス供給部２０による処理ガスの供給を停止する。
次に、ガス供給部２０から中央ガス注入部１３を介してプラズマ処理空間１０ｓにエッチング対象層Ｅ用のエッチングガスを含む処理ガスを供給する。エッチング対象層Ｅ用のエッチングガスは、例えばＣＦ４、ＣＨＦ３及びＯ２からなる群から選択される少なくとも１種のガスであってよい。処理ガスは、Ａｒガスなどの希釈ガスを含んでもよい。また、第１のＲＦ生成部３１ａによりプラズマ生成用の高周波電力ＨＦをアンテナ１４に供給し、処理ガスを励起させてプラズマを生成する。そして、生成されたプラズマの作用によって、基板Ｗにエッチング処理が施される。このエッチング処理では、図２（ｃ）に示したように有機材料層Ｍをマスクとしてエッチング対象層Ｅ及び下地層Ｇがエッチングされ、基板Ｗ上にマスクパターンが転写される。
エッチング対象層Ｅのエッチング処理においては、上述したように有機材料層Ｍに対して適切に、すなわち真円度が良好でボーイングが抑制されたマスクパターン（ホールＨ）が形成されているため、当該マスクパターンを適切にエッチング対象層Ｅに転写できる。
その後、基板Ｗの表面に形成されたエッチング対象層Ｅに対するマスクパターンの転写が完了すると、エッチング対象層に対するエッチング処理を終了する。エッチング処理を終了する際には、先ず、ＲＦ電源３１からの高周波電力ＨＦの供給及びガス供給部２０による処理ガスの供給を停止する。また、プラズマ処理中に高周波電力ＬＦを供給していた場合には、この高周波電力ＬＦの供給も停止する。次いで、基板Ｗの裏面への伝熱ガスの供給を停止し、静電チャックによる基板Ｗの吸着保持を停止する。
エッチング処理が施された基板Ｗは、その後、図示しない基板搬送機構によりプラズマ処理チャンバ１０から搬出され、基板Ｗに対する一連のプラズマ処理が終了する。なお、この例では、有機材料層Ｍのエッチングと、エッチング対象層Ｅのエッチングとを共通のプラズマ処理装置１で行うことを示したが、それぞれを別のプラズマ処理装置を用いて行ってもよい。
以上のように本実施形態によれば、有機材料層Ｍのエッチングに際して、バイアス用の高周波電力ＬＦを低周波のパルス状の出力で下部電極に供給することで、適切にホールＨ（マスクパターン）の底部における真円度を改善できるとともに、当該ホールＨの側壁に生じるボーイングを抑制できる。従来、これらホールＨにおける真円度を改善する場合には、当該ホールＨに対するボーイングの発生がトレードオフの関係にあったが、本実施形態によれば、下部電極に高周波電力ＬＦを低周波のパルス状の出力で供給することによって適切にホールＨの真円度を改善し、ボーイングを抑制できる。
またこの時、高周波電力ＬＦのパルス周波数を２Ｈｚ以上１００Ｈｚ未満、かつＤｕｔｙ比を２０％以上９０％以下に制御、望ましくはパルス周波数を２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下、Ｄｕｔｙ比を３０％以上９０％以下に制御することで、更に適切にホールＨにおける真円度、及びボーイングの改善を図ることができる。
具体的には、上記エッチング方法により形成されたホールＨは、図５及び図６にも示したように、真円度が０．９０以上であり、かつ、ボーイングＣＤ値（ＢＢ Ｂｉａｓ）が４０ｎｍ以下となることが確認できた。
なお、以上の実施形態においては高周波電力ＬＦのパルス周波数及びＤｕｔｙ比を制御することでホールＨの真円度及びボーイングを改善したが、本開示に係る技術におけるエッチング処理での制御項目はこれに限定されるものではない。
図５に示したように、上記実施形態においては高周波電力ＬＦのＯＮ時間の割合であるＤｕｔｙ比を５０％で一定に制御した状態で、ＯＮ／ＯＦＦ周期（パルス周波数）を下げることでホールＨの真円度を改善した。しかしながら、図５からもわかるように、高周波電力ＬＦのＯＮ時間の割合であるＤｕｔｙ比を５０％で一定に制御した状態でＯＦＦ時間を増加させることにより、ホールＨの真円度を改善できる、ということができる。すなわち、パルス状に供給される高周波電力ＬＦのＯＦＦ時間を制御することで、ホールＨの真円度を改善できる。
具体的には、図５に示したように、下部電極に対して高周波電力ＬＦをパルス状の出力で供給し、かかるパルス出力のＯＦＦ時間を１０ｍｓｅｃ以上に制御することで、上記実施形態と同様にホールＨの真円度、及びボーイングの改善を図ることができる。一例では、パルス出力のＯＦＦ時間が１０ｍｓｅｃ以上になるよう高周波電力ＬＦのパルス周波数およびＤｕｔｙ比を設定してよい。例えば、パルス周波数５０Ｈｚを選択する場合、Ｄｕｔｙは５０％以下にすればよい。またパルス周波数２Ｈｚを選択する場合、Ｄｕｔｙは９８％以下にすればよい。例えば、Ｄｕｔｙ比が２０％であれば、高周波電力ＬＦのパルス周波数を８０Ｈｚ以下にすればよい。Ｄｕｔｙ比が９０％であれば、高周波電力ＬＦのパルス周波数を１０Ｈｚ以下にすればよい。また別の例では、パルス出力のＤｕｔｙ比は２０％以上６０％以下、望ましくは５０％に制御することが好ましい。
なお、以上の実施例の結果を総括すれば、下部電極に高周波電力ＬＦを低周波のパルスで供給し、プラズマ処理空間１０ｓに発生した酸素ラジカルと有機材料層Ｍとの反応時間を長く（反応性を高く）することにより、ホールＨの真円度を改善できるものと考えられる。係る点を鑑みれば、例えば高周波電力ＬＦを低周波のパルス状の出力で供給することに加え、例えば、プラズマ処理チャンバ１０の内部圧力や内部温度を上昇、又は処理ガス中の酸素含有ガス比率を上昇させ、酸素ラジカルと有機材料層Ｍとの反応性を向上させることによって、ホールＨの真円度をさらに改善できると考えられる。
なお、以上の実施形態においては、第２のＲＦ生成部３１ｂにより下部電極にバイアスＲＦ信号（高周波電力ＬＦ）を供給する場合を例に説明を行ったが、バイアス用の電力の種類はこれに限定されるものではない。具体的には、第２のＲＦ生成部３１ｂからのバイアスＲＦ信号に代えて、又はバイアスＲＦ信号に加えて、図１に示したＤＣ電源３２のバイアスＤＣ生成部３２ａからバイアス用の直流電圧（バイアスＤＣ信号）を下部電極に供給してもよい。バイアス用の直流電圧は、基板Ｗに負の電位が生じるように下部電極に供給してよい。一例では、バイアス用の直流電圧は、負極性を有するパルス電圧として下部電極に供給される。この場合、パルス電圧は、矩形波のパルスであってもよく、三角波のパルスであってもよく、インパルスであってもよく、又はその他の電圧波形のパルスを有していてもよい。
そして、このようにバイアスＤＣ生成部３２ａから直流電圧を下部電極に供給する場合であっても、当該直流電圧を１０ミリ秒のＯＦＦ期間を持つようにパルス化することにより、ホールＨの真円度の悪化を抑制できると共に、ホールＨの側壁にボーイングが生じることを適切に抑制できる。
なお、上記実施形態においては、高周波電力ＬＦのＯＮ／ＯＦＦ制御によりプラズマ処理装置１におけるエッチング処理を行う場合を例に説明を行ったが、上記したように、プラズマ処理装置１においては、高周波電力ＬＦのＯＮ／ＯＦＦ制御に代えてＨｉｇｈ－Ｌｏｗ制御によりエッチング処理を行ってもよい。
具体的には、エッチングに際して、図４に示したように基板支持体に対してバイアス電力である高周波電力ＬＦを第１のレベルで供給する第１の期間と、基板支持体に対してバイアス電力である高周波電力ＬＦを第１のレベルよりも低い第２のレベルで供給する第２の期間と、を予め定められた周期で繰り替す。
本実施形態では、第２のレベル（Ｌｏｗレベル）で高周波電力ＬＦを供給する第２の期間が上記実施形態におけるＯＦＦ時間に相当し、ホールＨの底部にイオンを引き込む作用が小さくなり、ホールＨの側壁に保護膜としてのポリマーを形成する。
また、第１のレベル（Ｈｉｇｈレベル）で高周波電力ＬＦを供給する第１の期間が上記実施形態におけるＯＮ時間に相当し、ホールＨの側壁に形成されたポリマー（保護膜）によりホールＨの側壁を保護しつつ、同ホールＨにイオンを積極的に引き込んで底部でのエッチングを進行できる。
そして、本発明者らが鋭意検討を行ったところ、このように基板支持体に対する高周波電力ＬＦの供給をＨｉｇｈ－Ｌｏｗ制御する場合であっても、上記したＯＮ／ＯＦＦ制御の場合と同様の条件によりエッチングを進行できることを確認できた。
すなわち、第１の期間と第２の期間を含む周期のうち、第２の期間の時間を１０ミリ秒以上に制御することで、上記実施形態と同様にホールＨの真円度、及びボーイングを改善できる。
またこの時、高周波電力ＬＦのパルス周波数を２Ｈｚ以上１００Ｈｚ未満、かつＤｕｔｙ比を２０％以上９０％以下に制御、望ましくはパルス周波数を２Ｈｚ以上５０Ｈｚ以下、Ｄｕｔｙ比を３０％以上９０％以下に制御することで、上記実施形態と同様に、更に適切にホールＨにおける真円度、及びボーイングを改善できる。
具体的には、本エッチング方法により形成されたホールＨにおいても、上記実施形態に示したＯＮ／ＯＦＦ制御に係るエッチング方法と同様に、真円度が０．９０以上であり、かつ、ボーイングＣＤ値（ＢＢ Ｂｉａｓ）が４０ｎｍ以下となることが確認できた。
なお、このように高周波電力ＬＦをＨｉｇｈ－Ｌｏｗ制御する場合における「Ｄｕｔｙ比」とは、高周波電力の１周期（第１の期間＋第２の時間）当たりの第１の期間（高周波電力ＬＦを第１のレベルレベルで供給する時間）の割合を言うものとする。
また、このように高周波電力ＬＦをＨｉｇｈ－Ｌｏｗ制御する場合における「パルス周波数」とは、高周波電力をＨｉｇｈ－Ｌｏｗ切替する切替頻度を言うものとする。換言すれば、Ｈｉｇｈ－Ｌｏｗ制御する場合における「パルス周波数」とは、第１の期間及び第２の期間のうち少なくともいずれかの周期を規定するパルス周波数と言える。
なお、以上の実施形態においては有機材料層Ｍとして、基板Ｗ上に例えばＡＣＬ膜が形成されている場合を例に説明を行ったが、有機材料層Ｍの種類及び積層数等はこれに限定されるものではなく、適宜設定できる。
また、以上の実施形態においては、基板Ｗ上にエッチング対象層Ｅ及び下地層Ｇが積層して形成されている場合を例に説明を行ったが、エッチング対象層Ｅや下地層Ｇの種類や積層数等も上記実施例に限定されるものではなく、適宜設定できる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。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、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
１ プラズマ処理装置
１０ プラズマ処理チャンバ
１０ｓ プラズマ処理空間
１１ 基板支持体
３１ ＲＦ電源
Ｇ 下地層
ＬＦ 高周波電力
Ｍ 有機材料層
Ｗ 基板

Claims (8)

  1. 処理チャンバと、
    前記処理チャンバ内に設けられる基板支持体と、
    プラズマ生成部と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    （ａ）前記処理チャンバ内の前記基板支持体上に、下地層と、前記下地層上の有機材料層と、を有する基板を提供する制御と、
    （ｂ）酸素含有ガスを含む処理ガスから生成したプラズマを用いて、前記有機材料層に凹部を形成する制御と、
    を実行し、前記（ｂ）工程において、
    （ｂ１）前記基板支持体に第１のレベルでバイアス電力を供給することで、前記有機材料層をエッチングする制御と、
    （ｂ２）前記基板支持体に前記バイアス電力を供給しない、又は前記基板支持体に前記第１のレベルよりも低い第２のレベルで前記バイアス電力を供給することで、前記凹部の側壁に保護膜を形成する制御と、
    を繰り返し実行し、
    前記（ｂ２）工程の期間が１０ミリ秒以上となるように、前記（ｂ１）工程の期間の周期を規定する周波数、及び前記（ｂ１）工程の期間と前記（ｂ２）工程の期間の合計に対して前記（ｂ１）工程の期間の占める割合、の少なくともいずれか一方を制御する、エッチング装置。
  2. 前記（ｂ１）工程の期間において、前記保護膜により前記凹部の側壁を保護しつつ、前記凹部の底部をエッチングする、請求項１に記載のエッチング装置。
  3. 前記（ｂ１）工程の期間の周期を規定する周波数は２Ｈｚ以上１００Ｈｚ未満である、請求項１又は２に記載のエッチング装置。
  4. 前記（ｂ１）工程の期間と前記（ｂ２）工程の期間の合計時間に対して前記（ｂ１）工程の期間の占める割合は、２０％以上９０％以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載のエッチング装置。
  5. 前記酸素含有ガスは、ＣＯガス、ＣＯ２ガス、Ｏ２ガス、Ｏ３ガス、ＣＯＳガス及びＨ２Ｏガスからなる群から選択される少なくとも１種のガスを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のエッチング装置。
  6. 前記処理ガスは不活性ガスをさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載のエッチング装置。
  7. 前記（ｂ２）工程において前記有機材料層に形成された前記凹部は、真円度が０．９０以上であり、かつ、ボーイングＣＤ値が４０ｎｍ以下である、請求項１～６のいずれか一項に記載のエッチング装置。
  8. 基板のエッチング方法であって、
    （ａ）処理チャンバ内の基板支持体上に、下地層と、前記下地層上の有機材料層と、を有する基板を提供する工程と、
    （ｂ）酸素含有ガスを含む処理ガスから生成したプラズマを用いて、前記有機材料層に凹部を形成する工程と、
    を含み、前記（ｂ）工程において、
    （ｂ１）前記基板支持体に第１のレベルでバイアス電力を供給することで、前記有機材料層をエッチングする第１の期間と、
    （ｂ２）前記基板支持体に前記バイアス電力を供給しない、又は前記基板支持体に前記第１のレベルよりも低い第２のレベルで前記バイアス電力を供給することで、前記凹部の側壁に保護膜を形成する第２の期間と、
    を繰り返し、
    前記第２の期間が１０ミリ秒以上となるように、前記第１の期間の周期を規定する周波数、及び前記第１の期間と前記第２の期間の合計に対して前記第１の期間の占める割合、の少なくともいずれか一方を制御する、エッチング方法。
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