JPWO2014046083A1 - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

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Abstract

プラズマエッチング方法は、第1の工程と、第2の工程とを含む。第1の工程は、処理チャンバの内部に収容された基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、被処理膜にホールを形成する。第2の工程は、除去工程と、堆積工程と、伸延(深エッチング)工程とを繰り返し実行する。除去工程は、エッチング処理を実行することによって形成されたホールの入口部に付着した反応生成物を除去する。堆積工程は、除去工程によって反応生成物が除去されたホールの側壁部に堆積物を堆積させる。伸延(深エッチング)工程は、堆積工程によって堆積物が側壁部に堆積されたホールを、エッチング処理を進行させることによって伸延(深エッチング)する。

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関する。
従来、基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、被処理膜にホールを形成する技術が知られている。この技術では、エッチング処理を進行させることによってホールを伸延する。ただし、エッチング処理の進行に伴って、ホールの入口部に対して反応生成物が累積的に付着する。このため、ホールの入口部が反応生成物により閉塞されるネッキングが発生する恐れがある。
これに対して、エッチング処理の進行中にホールの入口部に付着した反応生成物を除去する技術が提案されている。例えば特許文献1には、エッチング処理を一時的に停止し、ホールの入口部に付着した反応生成物を選択的に除去し、エッチング処理を再開する一連の処理を繰り返し実行することが開示されている。
米国特許第7547636号明細書
しかしながら、従来技術のように、エッチング処理の進行中にホールの入口部に付着した反応生成物を除去するだけでは、エッチング処理の進行に伴ってホールの側壁部が括れるボーイングが発生するため、ホールの形状が劣化するという問題がある。
本発明の一側面に係るプラズマエッチング方法は、第1の工程と、第2の工程とを含む。第1の工程は、処理チャンバの内部に収容された基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、前記被処理膜にホールを形成する。第2の工程は、除去工程と、堆積工程と、伸延工程とを繰り返し実行する。除去工程は、前記エッチング処理を実行することによって形成された前記ホールの入口部に付着した反応生成物を除去する。堆積工程は、前記除去工程によって反応生成物が除去された前記ホールの側壁部に堆積物を堆積させる。伸延工程は、前記堆積工程によって堆積物が側壁部に堆積された前記ホールを、前記エッチング処理を進行させることによって伸延する。
本発明の種々の側面及び実施形態によれば、ホールの形状を改善することができるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置が実現される。
図1は、実施形態に係る基板処理システムの構成の概略を示す説明図である。 図2は、本実施形態に係るプラズマエッチング方法における各条件のタイムチャート及び各タイミングのエッチング状態を示す図である。 図3は、本実施形態における堆積物の各部の名称を定義するための図である。 図4は、本実施形態における堆積ガスの種類の違いによる堆積物の堆積態様の変化を示す図である。 図5は、堆積ガスとして添加されるCOSの流量とボーイングとの対応関係を示す図である。 図6は、堆積ガスとして添加されるCHFの流量とボーイングとの対応関係を示す図である。 図7は、本実施形態における堆積工程の処理時間の最適値について説明するための図である。 図8は、実施例のプラズマエッチング方法の流れを示すフローチャートである。 図9は、実施例のプラズマエッチング方法の効果について説明するための図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。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構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
プラズマエッチング方法は、処理チャンバの内部に収容された基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、被処理膜にホールを形成する第1の工程と、エッチング処理を実行することによって形成されたホールの入口部に付着した反応生成物を除去する除去工程と、除去工程によって反応生成物が除去されたホールの側壁部に堆積物を堆積させる堆積工程と、堆積工程によって堆積物が側壁部に堆積されたホールを、エッチング処理を進行させることによって伸延する伸延工程とを複数回繰り返し実行する第2の工程とを含む。
プラズマエッチング方法は、1つの実施形態において、除去工程は、CF系ガスを処理チャンバに供給し、CF系ガスをプラズマ化させることによって、反応生成物を除去し、堆積工程は、除去工程によって供給されたCF系ガスが処理チャンバに残存している期間であるCF系ガス残存期間において堆積ガスを処理チャンバに供給し、堆積ガスをプラズマ化させることによって、ホールの側壁部に堆積物を堆積させ、伸延工程は、CF系ガス残存期間においてエッチング処理を進行させることによって、ホールを伸延する。
プラズマエッチング方法は、1つの実施形態において、堆積ガスは、CHF3及びArを含む。
プラズマエッチング方法は、1つの実施形態において、堆積ガスは、さらに、COSを含む。
プラズマエッチング方法は、1つの実施形態において、堆積工程の処理時間は、10秒以内である。
プラズマエッチング方法は、1つの実施形態において、第2の工程は、除去工程と堆積工程と伸延工程とを少なくとも8回以上繰り返し実行する。
プラズマエッチング装置は、1つの実施形態において、内部に基板を収容する処理チャンバと、処理チャンバの内部に処理ガスを供給するガス供給部と、処理チャンバの内部に収容された基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、被処理膜にホールを形成し、エッチング処理を実行することによって形成されたホールの入口部に付着した反応生成物を除去する除去工程と、除去工程によって反応生成物が除去されたホールの側壁部に堆積物を堆積させる堆積工程と、堆積工程によって堆積物が側壁部に堆積されたホールを、エッチング処理を進行させることによって伸延する伸延工程とを複数回繰り返し実行する制御部とを備える。
プラズマエッチング装置は、1つの実施形態において、CF系ガスを処理チャンバに供給し、CF系ガスをプラズマ化させることによって、反応生成物を除去し、堆積工程は、除去工程によって供給されたCF系ガスが処理チャンバに残存している期間であるCF系ガス残存期間において堆積ガスを処理チャンバに供給し、堆積ガスをプラズマ化させることによって、ホールの側壁部に堆積物を堆積させ、伸延工程は、CF系ガス残存期間においてエッチング処理を進行させることによって、ホールを伸延(深エッチング)する。
図1は、実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成を模式的に示すものである。プラズマエッチング装置200は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理チャンバ1を有している。この処理チャンバ1は、円筒状とされ、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成されている。
処理チャンバ1内には、被処理基板である半導体ウエハWを水平に支持する載置台2が設けられている。載置台2は例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。この載置台2は、絶縁板3を介して導体の支持台4に支持されている。また、載置台2の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング5が設けられている。さらに、載置台2及び支持台4の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材3aが設けられている。
載置台2には、第1の整合器11aを介して第1の高周波電源10aが接続され、また、第2の整合器11bを介して第2の高周波電源10bが接続されている。第1の高周波電源10aは、プラズマ発生用のものであり、この第1の高周波電源10aからは所定周波数(27MHz以上例えば40MHz)の高周波電力が載置台2に供給されるようになっている。また、第2の高周波電源10bは、イオン引き込み用(バイアス用)のものであり、この第2の高周波電源10bからは第1の高周波電源10aより低い所定周波数(13.56MHz以下、例えば2MHz)の高周波電力が載置台2に供給されるようになっている。一方、載置台2の上方には、載置台2と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド16が設けられており、シャワーヘッド16と載置台2は、一対の電極(上部電極と下部電極)として機能するようになっている。
載置台2の上面には、半導体ウエハWを静電吸着するための静電チャック6が設けられている。この静電チャック6は絶縁体6bの間に電極6aを介在させて構成されており、電極6aには直流電源12が接続されている。そして電極6aに直流電源12から直流電圧が印加されることにより、クーロン力等によって半導体ウエハWが吸着されるよう構成されている。
支持台4の内部には、冷媒流路4aが形成されており、冷媒流路4aには、冷媒入口配管4b、冷媒出口配管4cが接続されている。そして、冷媒流路4aの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、支持台4及び載置台2を所定の温度に制御可能となっている。また、載置台2等を貫通するように、半導体ウエハWの裏面側にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス(バックサイドガス)を供給するためのバックサイドガス供給配管30が設けられており、このバックサイドガス供給配管30は、図示しないバックサイドガス供給源に接続されている。これらの構成によって、載置台2の上面に静電チャック6によって吸着保持された半導体ウエハWを、所定の温度に制御可能となっている。
上記したシャワーヘッド16は、処理チャンバ1の天井部分に設けられている。シャワーヘッド16は、本体部16aと電極板をなす上部天板16bとを備えており、絶縁性部材45を介して処理チャンバ1の上部に支持されている。本体部16aは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板16bを着脱自在に支持できるように構成されている。
本体部16aの内部には、ガス拡散室16cが設けられ、このガス拡散室16cの下部に位置するように、本体部16aの底部には、多数のガス通流孔16dが形成されている。また、上部天板16bには、当該上部天板16bを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔16eが、上記したガス通流孔16dと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室16cに供給された処理ガスは、ガス通流孔16d及びガス導入孔16eを介して処理チャンバ1内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部16a等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド16を所望温度に冷却できるようになっている。
上記した本体部16aには、ガス拡散室16cへ処理ガスを導入するためのガス導入口16gが形成されている。このガス導入口16gにはガス供給配管15aが接続されており、このガス供給配管15aの他端には、プラズマエッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給源15が接続されている。
ガス供給配管15aには、上流側から順にマスフローコントローラ(MFC)15b、及び開閉弁V1が設けられている。そして、処理ガス供給源15からプラズマエッチングのための処理ガスとして、例えばAr、O、C、HBr、NF、C、CF等のガスが、ガス供給配管15aを介してガス拡散室16cに供給され、このガス拡散室16cから、ガス通流孔16d及びガス導入孔16eを介して処理チャンバ1内にシャワー状に分散されて供給される。
本実施形態における処理ガス供給源15は、エッチング処理用のエッチングガスとして、CF系ガスを供給する。CF系ガスは、例えばC及びCのうち少なくともいずれか一つのガスである。また、処理ガス供給源15は、デポ除去処理用のガスとして、CF系ガスを供給する。CF系ガスは、例えばC及びCのうち少なくともいずれか一つのガスである。また、処理ガス供給源15は、デポ堆積処理用のガスとして、堆積ガスを供給する。堆積ガスは、例えばCHF及びAr、又は、CHF、Ar及びCOSである。なお、処理ガス供給源15は、その他、プラズマエッチング装置200の各種処理に用いられるガス(例えばO2ガス等)を供給する。処理ガス供給源15は、ガス供給部の一例である。
上記した上部電極としてのシャワーヘッド16には、ローパスフィルタ(LPF)51を介して可変直流電源52が電気的に接続されている。この可変直流電源52は、オン・オフスイッチ53により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源52の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ53のオン・オフは、後述する制御部60によって制御されるようになっている。なお、後述のように、第1の高周波電源10a、第2の高周波電源10bから高周波が載置台2に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部60によりオン・オフスイッチ53がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド16に所定の直流電圧が印加される。
処理チャンバ1の側壁からシャワーヘッド16の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体1aが設けられている。この円筒状の接地導体1aは、その上部に天板を有している。
処理チャンバ1の底部には、排気口71が形成されており、この排気口71には、排気管72を介して排気装置73が接続されている。排気装置73は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより処理チャンバ1内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、処理チャンバ1の側壁には、ウエハWの搬入出口74が設けられており、この搬入出口74には、当該搬入出口74を開閉するゲートバルブ75が設けられている。
図中76,77は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド76は、処理チャンバ1の内壁面を覆うように沿って設けられ、デポシールド77は、支持台4及び載置台2の周囲を囲むように設けられている。これらのデポシールド76,77は、処理チャンバ1の内壁等にエッチング副生物(デポ)が付着することを防止する役割を有している。
また、プラズマエッチング装置200には、制御部60が設けられている。上記構成のプラズマエッチング装置200は、制御部60によって、その動作が統括的に制御される。この制御部60には、CPUを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ61と、ユーザインターフェース62と、記憶部63とが設けられている。
ユーザインターフェース62は、工程管理者がプラズマエッチング装置200を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置200の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
記憶部63には、プラズマエッチング装置200で実行される各種処理をプロセスコントローラ61の制御にて実現するための制御プログラム(ソフトウエア)や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース62からの指示等にて任意のレシピを記憶部63から呼び出してプロセスコントローラ61に実行させることで、プロセスコントローラ61の制御下で、プラズマエッチング装置200での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体(例えば、ハードディスク、CD、フレキシブルディスク、半導体メモリ等)などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
例えば、制御部60は、後述するプラズマエッチング方法を行うようにプラズマエッチング装置200の各部を制御する。より詳細な一例を挙げて説明すると、制御部60は、基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、被処理膜にホールを形成する。その後、制御部60は、ホールの入口部に付着した反応生成物を除去する工程と、反応生成物が除去されたホールの側壁部に堆積物を堆積させる工程と、堆積物が側壁部に堆積されたホールをエッチング処理を進行させることによって伸延(深エッチング)する工程とを複数回繰り返し実行する。ここで、基板とは、例えば、半導体ウエハWである。また、被処理膜とは、例えば、TEOS膜等の酸化膜である。
次に、本実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。ここでは、図1に示したプラズマエッチング装置200で、半導体ウエハWに形成された酸化膜をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、ゲートバルブ75が開かれ、半導体ウエハWが図示しない搬送ロボット等により、図示しないロードロック室を介して搬入出口74から処理チャンバ1内に搬入され、載置台2上に載置される。この後、搬送ロボットを処理チャンバ1外に退避させ、ゲートバルブ75を閉じる。そして、排気装置73の真空ポンプにより排気口71を介して処理チャンバ1内が排気される。
処理チャンバ1内が所定の真空度になった後、処理チャンバ1内には処理ガス供給源15から所定の処理ガス(エッチングガス)が導入され、処理チャンバ1内が所定の圧力、例えば15mTorrに保持され、この状態で第1の高周波電源10aから載置台2に、周波数が例えば40MHzの高周波電力が供給される。また、第2の高周波電源10bからは、イオン引き込みのため、載置台2に周波数が例えば2.0MHzの高周波電力(バイアス用)が供給される。このとき、直流電源12から静電チャック6の電極6aに所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハWはクーロン力により吸着される。
この場合に、上述のようにして下部電極である載置台2に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド16と下部電極である載置台2との間には電界が形成される。半導体ウエハWが存在する処理空間には放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハW上に形成された酸化膜がプラズマエッチングされる。この時、必要に応じてオン・オフスイッチ53がオンとされ、可変直流電源52から上部電極としてのシャワーヘッド16に所定の直流電圧が印加される。
そして、上記したプラズマエッチングが終了すると、高周波電力の供給、直流電圧の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハWが処理チャンバ1内から搬出される。
次に、本実施形態に係るプラズマエッチング方法について更に詳細に説明する。図2は、本実施形態に係るプラズマエッチング方法における各条件のタイムチャート及び各タイミングのエッチング状態を示す図である。図2に示す例では、半導体ウエハW上に酸化膜であるTEOS膜101が形成されており、TEOS膜101上に所定のパターンのマスク膜102が形成されている半導体ウエハWを準備し、TEOS膜101をプラズマエッチングする例について説明する。
本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、図2上部のタイムチャートにしたがって、エッチングガス及びデポ除去処理用ガスとしてのCF系ガスの供給、及びデポ堆積処理用ガスとしての堆積ガスの供給等を制御する。図2上部のタイムチャートにおいて、横軸は経過時間を示し、縦軸は処理チャンバ1内のガスのプラズマの発光強度を示している。
まず、プラズマエッチング方法は、半導体ウエハWに形成されたTEOS膜101をエッチングするエッチング処理を実行することによって、TEOS膜101にホールを形成するホール形成工程を実行する。具体的には、制御部60は、図2上部に示すように、ある時刻0において、エッチングガスとしてのCF系ガスの供給を開始し、CF系ガスをプラズマ化する。例えば、制御部60は、CF系ガスとして、C/Cの混合ガスを供給することができる。ホール形成工程は、第1の工程の一例である。
時刻0から所定時間経過後の時刻t1には、図2下部に示すように、TEOS膜101がエッチングされてホール(第1のホール)103が形成される。さらに、ホール103の入口部101aには、エッチング処理の実行によって生成された反応生成物(デポ)104が付着する。同時にホール103の開口近辺にホール103の入口部101aがデポ104により閉塞されるネッキング部105aが形成される。このままエッチングするとホール内の形状が括り、ボーイングが形成されて良好な形状にならない。
続いて、プラズマエッチング方法は、ホール103の入口部に付着したデポ104を除去する除去工程を実行する。具体的には、制御部60は、図2上部に示すように、時刻t1〜時刻t2の期間、デポ除去用ガスとしてのCF系ガスを継続的に供給し、CF系ガスをプラズマ化させる。例えば、制御部60は、CF系ガスとして、C/Cの混合ガスを供給することができる。また、制御部60は、CF系ガスとして、Cを供給することもできる。また、制御部60は、エッチングガスとしてのCF系ガスをプラズマ化させる高周波電力よりも低い高周波電力を用いて、デポ除去用ガスとしてのCF系ガスをプラズマ化させる。
このように、デポ除去用ガスとしてのCF系ガスをプラズマ化させると、図2下部に示すように、ホール103の入口部101aに付着したデポ104が除去される。その結果、ホール103の入口部がデポ104により閉塞されるネッキングが発生することを抑制することができる。
続いて、プラズマエッチング方法は、デポ104が除去されたホール103の側壁部に堆積物105を堆積させる堆積工程を実行する。具体的には、制御部60は、図2上部に示すように、時刻t2〜t3の期間、デポ除去用ガスとしてのCF系ガスの供給を停止し、デポ堆積用ガスとしての堆積ガスを供給し、堆積ガスをプラズマ化させる。例えば、制御部60は、堆積ガスとして、CHF/Arの混合ガスを供給することができる。また、制御部60は、堆積ガスとして、CHF/Ar/COSの混合ガスを供給することもできる。
このように、堆積ガスをプラズマ化させると、図2下部に示すように、マスク膜102の表面部及びホール103の側壁部に堆積物105が堆積される。ホール103の側壁部に堆積された堆積物105は、プラズマ耐性を備えた保護膜となる。その結果、ホール103の側壁部が括れるボーイングが発生することを抑制することができる。また、堆積ガスとして、CHF/Ar、又は、CHF/Ar/COSが用いられると、ホール103の側壁部に堆積物105が均一に堆積される。堆積ガスの種類の違いによる堆積物105の堆積態様の変化については、後に詳述する。
また、制御部60は、除去工程によって供給されたCF系ガスが処理チャンバ1に残存している期間であるCF系ガス残存期間において堆積ガスを供給し、堆積ガスをプラズマ化させる。換言すれば、制御部60は、処理チャンバ1内のCF系ガスが堆積ガスにより完全に置換されていないCF系ガス残存期間に含まれる時刻t2〜t3の期間、堆積ガスを供給し、堆積ガスをプラズマ化させる。CF系ガス残存期間に含まれる時刻t2〜t3の期間、すなわち、堆積工程の処理時間は、例えば10sec以内に設定することができる。堆積工程の処理時間の最適値については、後に詳述する。
続いて、プラズマエッチング方法は、堆積工程によって堆積物105が側壁部に堆積されたホール103を、エッチング処理を進行させることによって伸延する伸延工程を実行する。具体的には、制御部60は、図2上部に示すように、時刻t3〜t4の期間、堆積ガスの供給を停止し、エッチングガスとしてのCF系ガスの供給を再開し、CF系ガスをプラズマ化する。
時刻t4には、図2下部に示すように、ホール103が伸延(深エッチング)され、第2のホールが形成される。ホール(第2のホール)103の側壁部は、保護膜としての堆積物105を介してプラズマ中のイオンから保護される。これにより、ボーイングの発生が抑制される。
また、制御部60は、CF系ガス残存期間においてエッチングガスとしてのCF系ガスを供給し、CF系ガスをプラズマ化させる。換言すれば、制御部60は、処理チャンバ1内のCF系ガスが堆積ガスにより完全に置換されていないCF系ガス残存期間に含まれる時刻t3〜t4の期間に、エッチングガスとしてのCF系ガスを供給し、CF系ガスをプラズマ化させる。ここで、エッチングガスとしてのCF系ガスをプラズマ化させる高周波電力は、堆積ガスをプラズマ化させる高周波電力よりも大きい。制御部60は、処理チャンバ1内のCF系ガスが堆積ガスにより完全に置換されていないCF系ガス残存期間においてCF系ガスをプラズマ化させるので、過剰な高周波電力による堆積ガスのプラズマ化を抑制することができる。結果として、堆積ガスのプラズマ中のイオンがホール103の側壁部に衝突してボーイングが発生することを抑制することが可能となる。
その後、プラズマエッチング方法は、除去工程と堆積工程と伸延(深エッチング)工程とを複数回繰り返し実行する。除去工程と堆積工程と伸延(深エッチング)工程とは、第2の工程の一例である。
このように、本実施形態のプラズマエッチング方法は、ホール形成工程の後に除去工程と堆積工程と伸延(深エッチング)工程とを繰り返し実行することで、エッチング処理中にホールの入口部に付着したデポを除去しつつ、プラズマ耐性を備えた堆積物をホールの側壁部に堆積させる。このため、本実施形態のプラズマエッチング方法は、ホールに係るネッキング及びボーイングの発生を抑制することができる。その結果、本実施形態のプラズマエッチング方法は、エッチング処理中にホールの入口部に付着したデポを除去する従来技術と比較して、ホールの形状を改善することができる。
また、本実施形態のプラズマエッチング方法は、CF系ガス残存期間において堆積ガスを処理チャンバ1に供給し、堆積ガスをプラズマ化させることによって、ホールの側壁部に堆積物を堆積させる。そして、本実施形態のプラズマエッチング方法は、CF系ガス残存期間においてエッチング処理を進行させることによって、ホールを伸延(深エッチング)する。このため、本実施形態のプラズマエッチング方法は、処理チャンバ1内のCF系ガスが堆積ガスにより完全に置換されていないCF系ガス残存期間においてCF系ガスをプラズマ化させることができ、過剰な高周波電力による堆積ガスのプラズマ化を抑制することができる。結果として、堆積ガスのプラズマ中のイオンがホールの側壁部に衝突してボーイングが発生することを抑制することが可能となる。
次に、本実施形態における堆積ガスの種類の違いによる堆積物105の堆積態様の変化について説明する。ここでは、堆積物105の堆積態様の変化を説明する前に、堆積物の各部の名称を定義する。図3は、本実施形態における堆積物の各部の名称を定義するための図である。例えば、堆積物105のFlat部は、図3に示すように、TEOS膜101(又はマスク膜102)の表面部から堆積物105の垂直方向の頂部までの部位を指す。また、例えば、堆積物105のNeck部は、ホール103の側面部から堆積物105の水平方向の頂部までの部位を指す。また、例えば、堆積物105のBtm部は、ホール103の底部から堆積物105の垂直方向の頂部までの部位を指す。
図4は、本実施形態における堆積ガスの種類の違いによる堆積物の堆積態様の変化を示す図である。図4の左部の堆積態様は、堆積工程の堆積ガスとしてC/Arを用いた場合の堆積物105の堆積態様(ホール103の入口部付近及びホール103の底部付近の堆積態様)を示している。また、図4の中央部の例は、堆積工程の堆積ガスとしてCHF/Arを用いた場合の堆積物105の堆積態様(ホール103の入口部付近及びホール103の底部付近の堆積態様)を示している。また、図4の右部の例は、堆積工程の堆積ガスとしてCHF/Ar/COSを用いた場合の堆積物105の堆積態様(ホール103の入口部付近及びホール103の底部付近の堆積態様)を示している。なお、堆積工程のその他の条件として15mT、300−0W、60sec又は120secが用いられた。
また、図4において、「Depo Rate flat」は、堆積物105のFlat部の堆積レート(nm/sec)を示す。また、「Depo Rate neck」は、堆積物105のNeck部の堆積レート(nm/sec)を示す。また、「Depo (neck/flat)」は、「Depo Rate neck」/「Depo Rate flat」を示し、1に近いほど堆積物105の均一性が良好であることを示す。また、「Neck position」は、堆積物105のFlat部のうち最も垂直方向に突出した部分の位置から堆積物105のNeck部のうち最も水平方向に突出した部分の位置までの距離(nm)を示し、値が大きいほど堆積物105の均一性が良好であることを示す。また、「Depo Rate Btm」は、堆積物105のBtm部の堆積レート(nm/sec)を示す。
図4に示すように、堆積ガスとしてCHF/Ar、又は、CHF/Ar/COSを用いることで、C/Arと比較して、「Depo Rate flat」及び「Depo Rate neck」を低い値に維持しつつ良好な「Depo (neck/flat)」と「Neck position」とを得ることが可能である。さらに、CHF/Ar/COSを用いることで、CHF/Arと比較して、「Depo Rate flat」、「Depo Rate neck」及び「Depo Rate Btm」を高い値に維持することが可能である。
このように、堆積工程の堆積ガスとしてCHF/Ar、又は、CHF/Ar/COSを用いることで、ホールの形状をさらに改善することが可能となる。換言すれば、堆積工程においてホールの入口付近に余分な堆積物を堆積させることなく、ホールの側壁部に堆積物を均一に堆積させることができるので、ボーイングの発生を効率的に抑制することができる。その結果、堆積工程の堆積ガスとしてCHF/Ar、又は、CHF/Ar/COSを用いる場合には、C/Arを用いる場合と比較して、ホールの形状をさらに改善することができる。また、堆積工程の堆積ガスとしてCHF/Ar/COSを用いる場合には、堆積レートを良好に維持しつつ、ボーイングの発生を抑制することができる。
ここで、堆積工程の堆積ガスとして用いられるCHF及びCOSについてさらに詳細に説明する。図5は、堆積ガスとして添加されるCOSの流量とボーイングとの対応関係を示す図である。図5において、横軸は、堆積ガスとして添加されるCOSの流量(sccm)を示しており、縦軸は、ボーイングCD(Critical Dimension)(nm)を示している。なお、ボーイングCDとは、ホール103のうち側壁部が最も括れた部分の径である。ボーイングCDの値が小さいほど、ボーイングの発生が抑制されていることを意味する。
また、図5に示す例では、堆積工程においてC/Ar=15/300sccmである堆積ガスにCOSを添加した場合に得られる結果を示した。また、図5に示す例では、堆積工程においてC/Ar=15/300sccmである堆積ガスにCOSを添加した場合に得られる結果を示した。また、図5に示す例では、堆積工程においてCHF/Ar=100/300sccmである堆積ガスにCOSを添加した場合に得られる結果を示した。
図5に示すように、堆積ガスとしてC/Ar/COSを用いた堆積工程を実行した場合には、COSの流量が12sccmとなるまでボーイングCDが減少し続け、COSの流量が12sccm以上となると、ネッキングが発生した。また、堆積ガスとしてC/Ar/COSを用いた堆積工程を実行した場合には、COSの流量が12sccmとなるまでボーイングCDが減少し続け、COSの流量が12sccm以上となると、ネッキングが発生した。これに対して、堆積ガスとしてCHF/Ar/COSを用いた堆積工程を実行した場合には、COSの流量が12sccmとなるまでボーイングCDが減少し続け、COSの流量が12sccm以上でも、ネッキングが発生することなくボーイングCDが飽和した。さらに、堆積ガスとしてCHF/Ar/COSを用いた堆積工程を実行した場合には、堆積ガスとしてC/Ar/COSを用いた堆積工程を実行した場合と比較して、ボーイングCDが小さくなった。図5の例では、ボーイングCDが6.4nmだけ減少した。従って、好ましいCOSガス流量は、9sccm以上であり、より好ましくは10sccm以上である。
図6は、堆積ガスとして添加されるCHFの流量とボーイングとの対応関係を示す図である。図6において、横軸は、堆積ガスとして添加されるCHFの流量(sccm)を示しており、縦軸は、ボーイングCD(nm)を示している。
また、図6に示す例では、堆積工程においてAr/COS=300/12sccmである堆積ガスにCHFを添加した場合に得られる結果を示した。
図6に示すように、堆積ガスに添加されるCHFが100sccmとなるまでボーイングCDが減少し続け、堆積ガスに添加されるCHFが100sccm以上となると、ボーイングCDが飽和した。従って、好ましいCHFガス流量は、100sccm以上である。
このように、CHF及びCOSを含む堆積ガスを用いて堆積工程を実行することで、ホールに係るネッキング及びボーイングの発生を効率良く抑制することができる。その結果、ホールの形状をさらに改善することができる。
次に、本実施形態における堆積工程の処理時間の最適値について詳細に説明する。図7は、本実施形態における堆積工程の処理時間の最適値について説明するための図である。図7では、堆積工程の処理時間とボーイングとの対応関係を示している。図7において、横軸は、堆積工程の処理時間(sec)を示しており、縦軸は、ボーイングCDを示している。
また、図7に示す例では、C/Ar=15/300sccmである堆積ガスを用いて堆積工程を実行した場合に得られる結果を示した。また、図7に示す例では、C/Ar=15/300sccmである堆積ガスを用いて堆積工程を実行した場合に得られる結果を示した。また、図7に示す例では、CHF/Ar=100/300sccmである堆積ガスを用いて堆積工程を実行した場合に得られる結果を示した。また、図7に示す例では、CHF/Ar/COS=100/300/12sccmである堆積ガスを用いて堆積工程を実行した場合に得られる結果を示した。
図7に示すように、堆積ガスとしてC/Arを用いた堆積工程を実行した場合には、堆積工程の処理時間が10secとなるまでボーイングCDが減少し続け、堆積工程の処理時間が10sec以上となると、クロッギングが発生した。また、堆積ガスとしてC/Arを用いた堆積工程を実行した場合には、堆積工程の処理時間が10secとなるまでボーイングCDが減少し続け、堆積工程の処理時間が10sec以上となると、クロッギングが発生した。
これに対して、堆積ガスとしてCHF/Arを用いた堆積工程を実行した場合には、堆積工程の処理時間が10secとなるまでボーイングCDが減少し続け、堆積工程の処理時間が10secより長くなると、ネッキングが発生することなくボーイングCDが増大した。これは、堆積工程の処理時間が10secより長くなると、処理チャンバ1内のCF系ガスが堆積ガスとしてのCHFによりほぼ完全に置換され、堆積工程の後の伸延工程においてCHFのプラズマ中のイオンがホールの側壁部に衝突するためであると考えられる。また、堆積ガスとしてCHF/Ar/COSを用いた堆積工程を実行した場合には、堆積工程の処理時間が10secとなるまでボーイングCDが減少し続け、堆積工程の処理時間が10secより長くなると、クロッギングが発生することなくボーイングCDの増大が抑制された。これは、堆積ガスにCOSを添加することによって、COS起因の堆積膜がホール側壁に付着し、この膜が伸延工程におけるCHF起因のホール側壁へのイオン衝突をある程度緩和させるためと考えられる。
このように、堆積工程の処理時間は、8sec以上15sec以内が好ましく、9sec以上12sec以内がより好ましい。10sec以内に設定されることが更に好ましい。堆積工程の処理時間を前記の範囲に設定することで、堆積工程の後の伸延工程においてCHFのプラズマ中のイオンがホールの側壁部に衝突することを回避することができる。その結果、ボーイングの発生を効率的に抑制することができる。
次に、プラズマエッチング方法の実施例について説明する。図8は、実施例のプラズマエッチング方法の流れを示すフローチャートである。図8に示す例では、半導体ウエハW上に酸化膜であるTEOS膜101が形成されており、TEOS膜101上に所定のパターンのマスク膜102が形成されている半導体ウエハWを準備し、TEOS膜101をプラズマエッチングする例について説明する。
まず、実施例のプラズマエッチング方法では、ホール形成工程を実行する(ステップS101)。具体的には、制御部60は、CF系ガスとしてC/C/Ar/O=70/10/300/78sccmを処理チャンバ1へ供給する。そして、制御部60は、例えば180sec間、高周波電力2025/7800Wを用いてC/C/Ar/Oをプラズマ化させる。これにより、TEOS膜101にホール103が形成される。
続いて、実施例のプラズマエッチング方法では、除去工程を実行する(ステップS102)。具体的には、制御部60は、CF系ガスとしてC/Ar/O=60/300/20sccmを処理チャンバ1へ供給する。そして、制御部60は、例えば10sec間、高周波電力500/1500Wを用いてC/Ar/Oをプラズマ化させる。これにより、ホール103の入口部に付着したデポ104が除去される。
続いて、実施例のプラズマエッチング方法では、堆積工程を実行する(ステップS103)。具体的には、制御部60は、堆積ガスとしてCHF/Ar/COS=100/300/12sccmを処理チャンバ1へ供給する。そして、制御部60は、例えば10sec間、高周波電力300/0Wを用いてCHF/Ar/COSをプラズマ化させる。これにより、マスク膜102の表面部及びホール103の側壁部に堆積物105が堆積される。
続いて、実施例のプラズマエッチング方法では、伸延(深エッチング)工程を実行する(ステップS104)。具体的には、制御部60は、CF系ガスとしてC/C/Ar/O=70/10/300/78sccmを処理チャンバ1へ供給する。そして、制御部60は、例えば30sec間、高周波電力2025/7800Wを用いてC/C/Ar/Oをプラズマ化させる。これにより、ホール103が伸延(深エッチング)される。
続いて、実施例のプラズマエッチング方法では、ステップS102〜S104の繰り返し回数が8回に到達したか否かを判定する(ステップS105)。繰り返し回数が8回に到達していない場合には(ステップS105;No)、処理がステップS102に戻される。一方、繰り返し回数が8回に到達した場合には(ステップS105;Yes)、処理が終了する。
以上、実施例のプラズマエッチング方法によれば、ホール形成工程の後に除去工程と堆積工程と伸延(深エッチング)工程とを8回繰り返し実行することで、エッチング処理中にホールの入口部に付着したデポを除去しつつ、プラズマ耐性を備えた堆積物をホールの側壁部に堆積させる。このため、実施例のプラズマエッチング方法は、ホールに係るネッキング及びボーイングの発生を抑制することができる。その結果、実施例のプラズマエッチング方法は、エッチング処理中にホールの入口部に付着したデポを除去する従来技術と比較して、ホールの形状を改善することができる。
次に、実施例のプラズマエッチング方法の効果について説明する。図9は、実施例のプラズマエッチング方法の効果について説明するための図である。図9の右側の例は、実施例のプラズマエッチング方法を実行した場合に得られたホールの形状を示している。また、図9の左側の例は、比較例のプラズマエッチング方法を実行した場合に得られたホールの形状を示している。比較例のプラズマエッチング方法では、C/C/Ar/O=70/10/300/78sccmを処理チャンバ1へ供給し、その後、例えば450sec間、高周波電力2025/7800Wを用いてC/C/Ar/Oをプラズマ化した。
図9に示すように、実施例のプラズマエッチング方法を実行した場合には、比較例のプラズマエッチング方法を実行した場合と比較して、ボーイングCDが小さくなる。さらに、実施例のプラズマエッチング方法を実行した場合には、比較例のプラズマエッチング方法を実行した場合と比較して、ボトムCDが大きくなる。すなわち、実施例のプラズマエッチング方法は、ホール形成工程の後に除去工程と堆積工程と伸延(深エッチング)工程とを8回繰り返し実行することで、ホールの形状を改善することが可能となる。
1 処理チャンバ
2 載置台
15 処理ガス供給源
16 シャワーヘッド
10a 第1の高周波電源
10b 第2の高周波電源
60 制御部
200 プラズマエッチング装置
W 半導体ウエハ

Claims (12)

  1. 処理チャンバの内部に収容された基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、前記被処理膜にホールを形成する第1の工程と、
    前記エッチング処理を実行することによって形成された前記ホールの入口部に付着した反応生成物を除去する除去工程と、前記除去工程によって反応生成物が除去された前記ホールの側壁部に堆積物を堆積させる堆積工程と、前記堆積工程によって堆積物が側壁部に堆積された前記ホールを、前記エッチング処理を進行させることによって伸延(深エッチング)する伸延(深エッチング)工程とを複数回繰り返し実行する第2の工程と
    を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 前記除去工程は、CF系ガスを前記処理チャンバに供給し、前記CF系ガスをプラズマ化させることによって、前記反応生成物を除去し、
    前記堆積工程は、前記除去工程によって供給された前記CF系ガスが前記処理チャンバに残存している期間であるCF系ガス残存期間において堆積ガスを前記処理チャンバに供給し、前記堆積ガスをプラズマ化させることによって、前記ホールの側壁部に前記堆積物を堆積させ、
    前記伸延(深エッチング)工程は、前記CF系ガス残存期間において前記エッチング処理を進行させることによって、前記ホールを伸延することを特徴とする請求項1に記載のプラズマエッチング方法。
  3. 前記堆積ガスは、CHF3及びArを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマエッチング方法。
  4. 前記堆積ガスは、さらに、COSを含むことを特徴とする請求項3に記載のプラズマエッチング方法。
  5. 前記堆積工程の処理時間は、8秒以上15秒以内であることを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマエッチング方法。
  6. 前記第2の工程は、前記除去工程と前記堆積工程と前記伸延(深エッチング)工程とを少なくとも8回以上繰り返し実行することを特徴とする請求項1又は2に記載のプラズマエッチング方法。
  7. 内部に基板を収容する処理チャンバと、
    前記処理チャンバの内部に処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理チャンバの内部に収容された基板に形成された被処理膜をエッチングするエッチング処理を実行することによって、前記被処理膜にホールを形成し、前記エッチング処理を実行することによって形成された前記ホールの入口部に付着した反応生成物を除去する除去工程と、前記除去工程によって反応生成物が除去された前記ホールの側壁部に堆積物を堆積させる堆積工程と、前記堆積工程によって堆積物が側壁部に堆積された前記ホールを、前記エッチング処理を進行させることによって伸延(深エッチング)する伸延(深エッチング)工程とを複数回繰り返し実行する制御部と
    を備えたことを特徴とするプラズマエッチング装置。
  8. 前記除去工程は、CF系ガスを前記処理チャンバに供給し、前記CF系ガスをプラズマ化させることによって、前記反応生成物を除去し、
    前記堆積工程は、前記除去工程によって供給された前記CF系ガスが前記処理チャンバに残存している期間であるCF系ガス残存期間において堆積ガスを前記処理チャンバに供給し、前記堆積ガスをプラズマ化させることによって、前記ホールの側壁部に前記堆積物を堆積させ、
    前記伸延(深エッチング)工程は、前記CF系ガス残存期間において前記エッチング処理を進行させることによって、前記ホールを伸延することを特徴とする請求項7に記載のプラズマエッチング装置。
  9. 処理室内に収容された第1の膜と第1の膜の下に形成する第2の膜を有する基板をエッチングガスでエッチングすることによって、前記第2の膜にホールを形成するプラズマエッチング方法において、
    前記処理室内に前記第1の膜と前記第1の膜の下に形成する前記第2の膜を有する前記基板を準備する工程と、
    前記第1の膜をマスクとして前記第2の膜を第1のエッチングガスでエッチングする第1のエッチング処理を実行することによって、第1のホールを形成する工程と、
    前記第1のホールの上方の前記第1の膜の開口部近辺に反応生成物を形成する工程と、
    前記反応生成物を第2のエッチングガスでエッチングして除去する工程と、
    前記第1のホール内の側壁部に第3のエッチングガスにより堆積物を形成する工程と、
    前記堆積物が側壁部に堆積された前記第1のホールを、前記第1のエッチングガスで前記第1のエッチング処理を進行させることによって伸延(深エッチング)する工程と、
    を有し、
    前記反応生成物を除去する工程と前記堆積物を形成する工程と前記第1のホールを伸延(深エッチング)する工程とを複数回繰すことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  10. 前記第1及び第2のエッチンガスは、CF系のガスを含むガスであることを特徴とする請求項9に記載のプラズマエッチング方法。
  11. 前記第3のエッチングガスは、CHF3及COSを少なくとも含むことを特徴とする請求項9又は10に記載のプラズマエッチング方法。
  12. 前記堆積物を形成する工程の処理時間は、8秒以上15秒以内であることを特徴とする請求項9又は10に記載のプラズマエッチング方法。
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