WO2013114882A1 - 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

プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 Download PDF

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plasma etching
etching
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彰規 北村
健太 安田
俊介 石田
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東京エレクトロン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a plasma etching method and a plasma etching apparatus.
  • plasma etching is used in which an etching gas is turned into plasma to act on a substrate to be processed (semiconductor wafer) and a metal film such as tungsten (W) formed on the substrate to be processed is etched.
  • a so-called capacitively coupled plasma etching apparatus in which an upper electrode and a lower electrode are disposed in a processing chamber so as to face each other, and plasma is generated by applying high-frequency power between these electrodes. It has been known. It is known that charging damage when forming a contact hole in an insulating film is prevented by making the applied high-frequency power into a pulse shape (see, for example, Patent Document 2).
  • a metal film such as tungsten (W) may be etched through a hard mask made of a silicon oxide film or the like.
  • an etching gas composed of a mixed gas of O 2 gas and CF 4 gas is conventionally used.
  • the etching selectivity of the hard mask to the tungsten film is about 1.
  • the etching shape (tapered shape etc.) of the portion where the pattern is sparsely arranged are difficult to maintain well.
  • the present invention has been made in response to the above-described circumstances, and can improve the etching selectivity of the hard mask to the metal film and improve the etching shape even when the pattern is dense / dense. It is an object of the present invention to provide a plasma etching method and a plasma etching apparatus that can perform the same.
  • One aspect of the plasma etching method of the present invention includes a processing chamber that accommodates a substrate to be processed, a lower electrode that is disposed in the processing chamber and on which the substrate to be processed is placed, and is disposed in the processing chamber.
  • a plasma etching apparatus comprising: an upper electrode facing the lower electrode; an etching gas supply mechanism for supplying a predetermined etching gas into the processing chamber; and an exhaust mechanism for exhausting the processing chamber.
  • a plasma etching method for etching a metal layer of a substrate to be processed through a hard mask wherein a first etching gas comprising a mixed gas of O 2 gas, CF 4 gas, and HBr gas is used as the etching gas.
  • a second etching gas composed of a mixed gas of O 2 gas and CF 4 gas as the etching gas.
  • the second step to be used is continuously and alternately repeated a plurality of times, and the lower electrode has a first high-frequency power having a first frequency and a second frequency having a second frequency lower than the first frequency.
  • a high-frequency power is applied, and the first high-frequency power is applied in a pulse shape.
  • One aspect of the plasma etching apparatus of the present invention includes a processing chamber that accommodates a substrate to be processed, a lower electrode that is disposed in the processing chamber and on which the substrate to be processed is placed, and is disposed in the processing chamber.
  • An upper electrode opposed to the lower electrode an etching gas supply mechanism for supplying a predetermined etching gas into the processing chamber, an exhaust mechanism for exhausting the processing chamber, and the lower electrode at a first frequency.
  • a the plasma etching apparatus as the etching gas, a first etching gas comprising a mixed gas of O 2 gas and CF 4 gas and HBr gas
  • a first step as the etching gas
  • a controller for controlling the first high frequency power to be applied in a pulsed manner, wherein the metal layer of the substrate to be processed is etched through a hard mask.
  • a plasma etching method and a plasma etching apparatus that can improve the etching selectivity of the hard mask to the metal film and can improve the etching shape even when the pattern is dense / dense. Can be provided.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a schematic cross-sectional configuration of a plasma etching apparatus according to an embodiment.
  • a plasma etching apparatus 110 shown in FIG. 1 is configured to be airtight, and has, for example, a cylindrical processing chamber 111 (cylindrical container) that accommodates a wafer W having a diameter of 300 mm.
  • a disk-shaped mounting table 112 on which the wafer W is mounted is disposed.
  • the processing chamber 111 has a tubular side wall 113 and a disk-shaped lid 114 that covers the upper end of the side wall 113.
  • annular baffle plate 134 having a large number of exhaust holes is disposed around the mounting table 112 in the processing chamber 111.
  • an exhaust mechanism such as TMP (TurboMolecular Pump) and DP (Dry pump) (not shown) is connected to the bottom of the processing chamber 111, and the pressure in the processing chamber 111 is evacuated through the baffle plate 134. A predetermined reduced pressure atmosphere can be maintained.
  • a first high frequency power source 115 is connected to the mounting table 112 via a first matching unit 116, and a second high frequency power source 117 is connected via a second matching unit 118.
  • the first high frequency power supply 115 applies high frequency power for plasma generation, for example, high frequency power of 80 MHz to 150 MHz (100 MHz in this embodiment) to the mounting table 112.
  • the second high frequency power source 117 applies bias power having a frequency lower than that of the first high frequency power source 115 to the mounting table 112.
  • the frequency of the high-frequency power of the second high-frequency power source 117 is 13.56 MHz.
  • An electrostatic chuck 120 having an electrode plate 119 inside is disposed on the mounting table 112.
  • the electrostatic chuck 120 is made of a disk-shaped ceramic member, and a DC power source 121 is connected to the electrode plate 119.
  • a positive DC voltage is applied to the electrode plate 119, a negative potential is generated on the surface (back surface) of the semiconductor wafer W on the electrostatic chuck 120 side, and an electric field is generated between the electrode plate 119 and the back surface of the wafer W.
  • the semiconductor wafer W is attracted and held on the electrostatic chuck 120 by the Coulomb force resulting from this electric field.
  • a focus ring 122 is mounted on the mounting table 112 so as to surround the semiconductor wafer W held by suction.
  • the focus ring 122 is made of, for example, quartz.
  • a shower head 123 (moving electrode) is disposed above the processing chamber 111 so as to face the mounting table 112.
  • the shower head 123 further supports the cooling plate 126, a disk-shaped conductive upper electrode plate 125 having a number of gas holes 124, a cooling plate 126 that detachably supports the upper electrode plate 125, and the cooling plate 126. It has a shaft 127 and a processing gas receiving portion 128 disposed at the upper end of the shaft 127.
  • the shower head 123 is grounded via the lid 114 and the side wall 113, and functions as a ground electrode for plasma generation power applied in the processing chamber 111.
  • a quartz member 125 a is disposed on the upper electrode plate 125 so as to cover the surface facing the mounting table 112.
  • the shaft 127 has a gas flow path 129 that penetrates the inside in the vertical direction, and the cooling plate 126 has a buffer chamber 130 inside.
  • the gas flow path 129 connects the processing gas receiving unit 128 and the buffer chamber 130, and each gas hole 124 communicates between the buffer chamber 130 and the processing chamber 111.
  • the gas hole 124, the processing gas receiving portion 128, the gas flow path 129, and the buffer chamber 130 constitute a processing gas introduction system.
  • the processing gas introduction system introduces the processing gas (etching gas) supplied to the processing gas receiving unit 128 into a processing space in the processing chamber 111 between the shower head 123 and the mounting table 112.
  • the outer diameter of the upper electrode plate 125 is set slightly smaller than the inner diameter of the processing chamber 111, so the shower head 123 does not contact the side wall 113. That is, the shower head 123 is disposed so as to play loosely in the processing chamber 111.
  • the shaft 127 passes through the lid 114, and the upper portion of the shaft 127 is connected to a lift mechanism (not shown) disposed above the plasma etching apparatus 110.
  • the lift mechanism moves the shaft 127 in the vertical direction in the figure.
  • the shower head 123 moves up and down like a piston in the processing chamber 111 along the central axis of the processing chamber 111. Thereby, the gap which is the distance of the processing space which exists between the shower head 123 and the mounting base 112 can be adjusted.
  • the bellows 131 is an elastic pressure partition made of stainless steel, for example, and one end thereof is connected to the lid 114 and the other end is connected to the shower head 123.
  • the bellows 131 has a sealing function that shields the inside of the processing chamber 111 from the outside of the processing chamber 111.
  • a plurality of segment magnets 135 made of permanent magnets are arranged outside the processing chamber 111 in a ring shape so as to surround the processing chamber 111, and a magnetic field can be formed inside the processing chamber 111. It has become.
  • the etching gas supplied to the processing gas receiving unit 128 is introduced into the processing space via the processing gas introduction system, and the introduced etching gas is generated by the high frequency power applied to the processing space and the magnet 135. It is excited by the action of a magnetic field to become plasma. Positive ions in the plasma are attracted toward the semiconductor wafer W mounted on the mounting table 112 by a negative bias potential resulting from the bias power applied to the mounting table 112, and the semiconductor wafer W is etched. .
  • the operation of the plasma etching apparatus 110 configured as described above is controlled centrally by a control unit 150 including a CPU and the like.
  • the control unit 150 includes an operation unit 151 and a storage unit 152.
  • the operation unit 151 includes a keyboard on which a process administrator inputs a command to manage the plasma etching apparatus 110, a display that visualizes and displays the operating status of the plasma etching apparatus 110, and the like.
  • the storage unit 152 stores a recipe in which a control program (software) for realizing various processes executed by the plasma etching apparatus 110 under the control of the control unit 150 and processing condition data are stored. Then, if necessary, an arbitrary recipe is called from the storage unit 152 by an instruction from the operation unit 151 and is executed by the control unit 150, so that the desired in the plasma etching apparatus 110 is controlled under the control of the control unit 150. Is performed.
  • recipes such as control programs and processing condition data may be stored in a computer-readable computer recording medium (eg, hard disk, CD, flexible disk, semiconductor memory, etc.), or For example, it can be transmitted from other devices as needed via a dedicated line and used online.
  • a procedure for plasma etching the tungsten (W) layer and the like formed on the semiconductor wafer W by the plasma etching apparatus 110 having the above configuration will be described.
  • a gate valve (not shown) provided in the processing chamber 111 is opened, and the semiconductor wafer W is loaded into the processing chamber 111 via a load lock chamber (not shown) by a transfer robot (not shown) and placed on the mounting table 112. Placed. Thereafter, the transfer robot is retracted out of the processing chamber 111 and the gate valve is closed. Then, the inside of the processing chamber 111 is exhausted by an exhaust mechanism (not shown).
  • a predetermined etching gas is introduced into the processing chamber 111 from the processing gas supply system, and the processing chamber 111 has a predetermined pressure, for example, 0.665 Pa (5 mTorr) or less.
  • high-frequency power is supplied from the first high-frequency power supply 115 and the second high-frequency power supply 117 to the mounting table 112.
  • a predetermined DC voltage is applied from the DC power supply 121 to the electrode plate 119 of the electrostatic chuck 120, and the semiconductor wafer W is attracted to the electrostatic chuck 6 by Coulomb force or the like.
  • an electric field is formed between the shower head 123 as the upper electrode and the mounting table 112 as the lower electrode by applying high-frequency power to the mounting table 112 as the lower electrode as described above.
  • a discharge occurs in the processing space where the semiconductor wafer W exists, and a predetermined plasma etching is performed on the semiconductor wafer W by the etching gas converted into plasma.
  • the supply of high-frequency power and the supply of the etching gas are stopped, and the semiconductor wafer W is unloaded from the processing chamber 111 by a procedure reverse to the procedure described above.
  • FIG. 2 schematically shows an enlarged cross-sectional structure of the semiconductor wafer in the present embodiment.
  • a silicon oxide film 301 as a hard mask patterned in a predetermined pattern is formed on the uppermost layer of the semiconductor wafer, and a metal film is formed below the silicon oxide film 301.
  • a tungsten (W) layer 302 is formed.
  • a lower layer film (TiN film) 303 made of another material is formed below the tungsten (W) layer 302.
  • the left side shows a portion where patterns are densely formed
  • the right side shows a portion where patterns are formed sparsely.
  • the tungsten (W) layer 302 is plasma-etched into a predetermined pattern using the silicon oxide film 301 as a mask to obtain the state shown in FIG. At this time, the silicon oxide film 301 is also etched by plasma etching, and the remaining thickness is reduced.
  • Example 1 As Example 1, the plasma etching apparatus 110 shown in FIG. 1 is used, a Si substrate (semiconductor wafer) having a diameter of 300 mm is used, and a tungsten (W) layer formed on the semiconductor wafer is formed thereon. Plasma etching was performed through a hard mask (made of a silicon oxide film) formed and patterned into a predetermined pattern. The conditions for plasma etching are as follows, and the first step and the second step were repeated four times in succession. In the fourth (last) second step, the etching time was extended to 26 seconds.
  • the first high frequency in the above embodiment is applied at a power of 600 W, a pulse period of 10 kHz, and a duty ratio of 50%.
  • a power application state such as a power waveform shown in the graph of FIG. 3B is shown in which the vertical axis represents high-frequency power and the horizontal axis represents time.
  • the effective power in this case is the same as when high-frequency power is continuously applied at a power of 300 W, as shown in the graph of FIG.
  • Example 1 the plasma etching apparatus 110 shown in FIG. 1 was used as in Example 1 under the following plasma etching conditions, and a Si substrate (semiconductor wafer) having a diameter of 300 mm was used.
  • the tungsten (W) layer formed on the semiconductor wafer was plasma etched through a hard mask (made of a silicon oxide film) formed thereon and patterned in a predetermined pattern.
  • Processing chamber pressure 0.655 Pa (5 mTorr) or less
  • First high frequency frequency 100 MHz
  • power 300 W Second high frequency frequency 13.56 MHz
  • power 250 W Processing time 70.3 seconds
  • Comparative Example 2 plasma etching was performed under the same etching conditions as in Comparative Example 1 except that the power of the first high frequency (frequency 100 MHz) was 600 W.
  • A indicates a distance from an adjacent pattern at the bottom of the silicon oxide film 301 which is a hard mask.
  • B indicates the interval (maximum value) between adjacent patterns in the tungsten layer 302.
  • C indicates a distance from an adjacent pattern at the bottom of the tungsten layer 302.
  • the value of B ⁇ A can be used as the bowing index indicating the degree of bowing.
  • the side wall portion of the tungsten layer 302 is not vertical but is tapered obliquely.
  • the shape can be evaluated by the taper angle F shown in FIG. 4, and the closer the taper angle F is to 90 °, the more preferable the shape.
  • reference numeral 304 shown in FIG. 4 denotes a deposit deposited on the side wall portion of the tungsten layer 302. In the portion where the pattern is sparsely arranged, the amount of etching of the tungsten layer 302 increases, so the amount of the deposit 304 also increases, and the sidewall shape becomes tapered.
  • the etching selectivity (the etching rate of the tungsten layer 302 divided by the etching rate of the silicon oxide film 301), the bowing index of the portion where the pattern is dense, and the pattern in the above example and the comparative examples 1 and 2
  • Etching selectivity 1.6 Boeing index: -0.1nm Taper angle: 49 °
  • Etching selectivity 1.0 Boeing index: 0.3 nm Taper angle: 34.7 °
  • the plasma etching is performed in a state where all of the etching selectivity, the bowing index, and the taper angle are favorable as compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2. It was. Note that, as in the embodiment, when the pulsed high frequency power is used, the etching selectivity is improved when the high frequency power is turned off, while the sputtering amount of the ion-based mask is reduced, while the high frequency power is turned off. In this case, it is assumed that the tungsten layer can be etched by the action of the long-lived fluorine radical.
  • the pulse frequency is preferably in the range of 1 kHz to 100 kHz, for example.
  • the duty ratio is preferably in the range of about 20 to 70%.
  • the first process in which deposits are deposited and the second process in which deposits are not deposited are alternately and repeatedly performed, thereby generating bowing in a portion where the pattern is densely arranged.
  • the taper angle can be prevented from decreasing at portions where the patterns are sparsely arranged.
  • the time of the first step and the second step is preferably 2 seconds or more, and more preferably 3 seconds or more in consideration of the gas switching time.
  • the ratio of the first step and the second step is set to 3:16. However, this ratio is again before the deposit deposited in the first step is completely removed in the second step. It is preferable to set the timing at which the first step can be performed. For example, it is preferable to set the timing to 1: 3 to 1: 8.
  • this invention is not limited to said embodiment and Example, Of course, various deformation
  • the plasma etching is started from the first step in which the deposit is deposited has been described, but the plasma etching may be started from the second step.
  • the present invention can be used in the field of manufacturing semiconductor devices. Therefore, it has industrial applicability.

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Abstract

　プラズマエッチング装置を用い、被処理基板の金属層をハードマスクを介してエッチングするプラズマエッチング方法であって、エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとＨＢｒガスの混合ガスからなる第１エッチングガスを用いる第１工程と、エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとの混合ガスからなる第２エッチングガスを用いる第２工程と、を連続して交互に複数回繰り返して実施するとともに、下部電極に、第１の周波数の第１高周波電力と、第１の周波数より低い第２の周波数の第２高周波電力とを印加し、かつ、第１高周波電力をパルス状に印加する。

Description

プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置
　本発明は、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。
　従来から、半導体装置の製造工程では、エッチングガスをプラズマ化して被処理基板（半導体ウエハ）に作用させ、被処理基板に形成されたタングステン（Ｗ）等の金属膜をエッチングするプラズマエッチングが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。また、このようなプラズマエッチングとしては、処理チャンバー内に上部電極と下部電極が対向するように配置され、これらの電極間に高周波電力を印加してプラズマを発生させる所謂容量結合型のプラズマエッチング装置が知られている。印加する高周波電力をパルス状とすることによって、絶縁膜にコンタクトホールを形成する際のチャージングダメージを防止することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００－１７３９８６号公報 特開２００９－２８３８９３号公報
　ところで、上記のプラズマエッチングにより、例えば、酸化シリコン膜等からなるハードマスクを介して、例えば、タングステン（Ｗ）等の金属膜をエッチングする場合がある。このようなプラズマエッチングでは、従来Ｏ２ガスとＣＦ４ガスの混合ガスからなるエッチングガスを用いている。
　しかしながら、上記のように、酸化シリコン膜等からなるハードマスクを介して、タングステン膜をエッチングする場合、ハードマスクのタングステン膜に対するエッチング選択比（タングステン膜のエッチング速度をハードマスクのエッチング速度で割算したもの）がとり難く、エッチング選択比が１程度となってしまうという問題があった。また、例えば、パターンに疎密がある場合、即ち、パターンが密に配置された部分と、パターンが疎に配置された部分がある場合、パターンが密に配置された部分のエッチング形状（ボーイング形状等）と、パターンが疎に配置された部分のエッチング形状（テーパ形状等）を、共に良好に維持することが難しいという問題があった。
　本発明は、上記の事情に対処してなされたもので、ハードマスクの金属膜に対するエッチング選択比を向上させることができるとともに、パターンに疎密がある場合であっても、エッチング形状を良好にすることの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を提供しようとするものである。
　本発明のプラズマエッチング方法の一態様は、被処理基板を収容する処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、前記処理チャンバー内に配設され、前記下部電極と対向する上部電極と、前記処理チャンバー内に所定のエッチングガスを供給するエッチングガス供給機構と、前記処理チャンバー内を排気する排気機構とを具備したプラズマエッチング装置を用い、前記被処理基板の金属層をハードマスクを介してエッチングするプラズマエッチング方法であって、前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとＨＢｒガスの混合ガスからなる第１エッチングガスを用いる第１工程と、前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとの混合ガスからなる第２エッチングガスを用いる第２工程と、を連続して交互に複数回繰り返して実施するとともに、前記下部電極に、第１の周波数の第１高周波電力と、前記第１の周波数より低い第２の周波数の第２高周波電力とを印加し、かつ、前記第１高周波電力をパルス状に印加することを特徴とする。
　本発明のプラズマエッチング装置の一態様は、被処理基板を収容する処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、前記処理チャンバー内に配設され、前記下部電極と対向する上部電極と、前記処理チャンバー内に所定のエッチングガスを供給するエッチングガス供給機構と、前記処理チャンバー内を排気する排気機構と、前記下部電極に、第１の周波数の第１高周波電力を印加する第１高周波電力供給機構と、前記下部電極に、前記第１の周波数より低い第２の周波数の第２高周波電力を印加する第２高周波電力供給機構と、を具備したプラズマエッチング装置であって、前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとＨＢｒガスの混合ガスからなる第１エッチングガスを用いる第１工程と、前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとの混合ガスからなる第２エッチングガスを用いる第２工程と、を連続して交互に複数回繰り返して実施するとともに、前記下部電極に、前記第１高周波電力をパルス状に印加するよう制御する制御部を備え、前記被処理基板の金属層を、ハードマスクを介してエッチングすることを特徴とする。
　本発明によれば、ハードマスクの金属膜に対するエッチング選択比を向上させることができるとともに、パターンに疎密がある場合であっても、エッチング形状を良好にすることの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を提供することができる。
本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略構成を模式的に示す図。 本発明の実施形態に係る半導体ウエハの断面構成を模式的に示す図。 高周波電力の印加状態を説明するためのグラフ。 パターンの密部分におけるボーイング及び疎部分におけるテーパ角を説明するための図。
　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。図１は、実施形態に係るプラズマエッチング装置の概略断面構成を模式的に示す図である。図１に示すプラズマエッチング装置１１０は、気密に構成され、例えば、直径が３００ｍｍのウエハＷを収容する円筒状の処理チャンバー１１１（筒状容器）を有し、処理チャンバー１１１内の下方には半導体ウエハＷを載置する円板形状の載置台１１２が配置されている。処理チャンバー１１１は円管状の側壁１１３と、側壁１１３の上方の端部を覆う円板状の蓋１１４とを有する。
　また、処理チャンバー１１１内の載置台１１２の周囲には、多数の排気孔を有する環状のバッフル板１３４が配設されている。一方、処理チャンバー１１１の底部には、図示しないＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）及びＤＰ（Dry Pump）等の排気機構が接続されており、バッフル板１３４を介して排気を行い処理チャンバー１１１内の圧力を所定の減圧雰囲気に維持できるようになっている。
　載置台１１２には、第１の高周波電源１１５が第１の整合器１１６を介して接続され、且つ第２の高周波電源１１７が第２の整合器１１８を介して接続されている。第１の高周波電源１１５は、プラズマ生成用の比較的高い周波数、例えば８０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下（本実施形態では、１００ＭＨｚ）の高周波電力を載置台１１２に印加する。また、第２の高周波電源１１７は、第１の高周波電源１１５より低い周波数のバイアス電力を載置台１１２に印加する。本実施形態において、第２の高周波電源１１７の高周波電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚとされている。
　載置台１１２の上部には、電極板１１９を内部に有する静電チャック１２０が配置されている。静電チャック１２０は、円板状のセラミック部材で構成され、電極板１１９には、直流電源１２１が接続されている。電極板１１９に正の直流電圧が印加されると、半導体ウエハＷにおける静電チャック１２０側の面（裏面）には負の電位が生じて電極板１１９及びウエハＷの裏面の間に電界が生じ、この電界に起因するクーロン力により、半導体ウエハＷは静電チャック１２０に吸着保持される。
　また、載置台１１２には、吸着保持された半導体ウエハＷを囲うように、フォーカスリング１２２が載置されている。フォーカスリング１２２は、例えば、石英等から構成されている。
　処理チャンバー１１１内の上方には、載置台１１２と対向するようにシャワーヘッド１２３（移動電極）が配置されている。シャワーヘッド１２３は、多数のガス穴１２４を有する円板状の導電性の上部電極板１２５と、該上部電極板１２５を着脱可能に釣支するクーリングプレート１２６と、クーリングプレート１２６をさらに釣支するシャフト１２７と、シャフト１２７の上端に配される処理ガス受入部１２８とを有する。シャワーヘッド１２３は、蓋１１４及び側壁１１３を介して接地され、処理チャンバー１１１内に印加されるプラズマ生成電力に対する接地電極として機能する。なお、上部電極板１２５には、載置台１１２との対向面を覆うように、石英部材１２５ａが配設されている。
　シャフト１２７は、内部を上下方向に貫通するガス流路１２９を有し、クーリングプレート１２６は内部にバッファ室１３０を有する。ガス流路１２９は、処理ガス受入部１２８とバッファ室１３０を接続し、各ガス穴１２４は、バッファ室１３０と処理チャンバー１１１内を連通する。シャワーヘッド１２３において、ガス穴１２４、処理ガス受入部１２８、ガス流路１２９及びバッファ室１３０は処理ガス導入系を構成する。該処理ガス導入系は処理ガス受入部１２８に供給された処理ガス（エッチングガス）を処理チャンバー１１１内の、シャワーヘッド１２３と載置台１１２の間に存在する処理空間へ導入する。
　シャワーヘッド１２３において、上部電極板１２５の外径は、処理チャンバー１１１の内径よりも若干小さく設定されるため、シャワーヘッド１２３は側壁１１３に接触しない。すなわち、シャワーヘッド１２３は処理チャンバー１１１内に遊合するように配置される。また、シャフト１２７は蓋１１４を貫通し、該シャフト１２７の上部は、プラズマエッチング装置１１０の上方に配置されたリフト機構（図示しない）に接続される。リフト機構はシャフト１２７を図中上下方向に移動させるが、このとき、シャワーヘッド１２３は処理チャンバー１１１内において該処理チャンバー１１１の中心軸に沿い、ピストンのように上下動する。これにより、シャワーヘッド１２３と載置台１１２の間に存在する処理空間の距離であるギャップを調整することができる。
　ベローズ１３１は、例えば、ステンレスからなる伸縮自在な圧力隔壁であり、その一端は蓋１１４に接続され、他端はシャワーヘッド１２３に接続される。そして、ベローズ１３１は、処理チャンバー１１１内を処理チャンバー１１１外部から遮蔽するシール機能を有する。また、処理チャンバー１１１の外側には、永久磁石からなる複数のセグメント磁石１３５が処理チャンバー１１１の周囲を取り囲むようにリング状に配設されており、処理チャンバー１１１の内部に磁場を形成できる構成となっている。
　プラズマエッチング装置１１０では、処理ガス受入部１２８へ供給されたエッチングガスが処理ガス導入系を介して処理空間へ導入され、導入されたエッチングガスは、処理空間へ印加された高周波電力と磁石１３５による磁場の作用によって励起されてプラズマとなる。プラズマ中の正イオンは、載置台１１２に印加されるバイアス電力に起因する負のバイアス電位によって載置台１１２に載置された半導体ウエハＷに向けて引きこまれ、半導体ウエハＷにエッチング処理を施す。
　上記構成のプラズマエッチング装置１１０は、ＣＰＵ等を備えた制御部１５０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部１５０は、操作部１５１と、記憶部１５２とを具備している。
　操作部１５１は、工程管理者がプラズマエッチング装置１１０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１１０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１５２には、プラズマエッチング装置１１０で実行される各種処理を制御部１５０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、操作部１５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部１５２から呼び出して制御部１５０に実行させることで、制御部１５０の制御下で、プラズマエッチング装置１１０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録媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）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。
　次に、上記構成のプラズマエッチング装置１１０で、半導体ウエハＷに形成されたタングステン（Ｗ）層等をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、処理チャンバー１１１に設けられた図示しないゲートバルブが開かれ、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処理チャンバー１１１内に搬入され、載置台１１２上に載置される。この後、搬送ロボットを処理チャンバー１１１外に退避させ、ゲートバルブを閉じる。そして、図示しない排気機構により処理チャンバー１１１内が排気される。
　処理チャンバー１１１内が所定の真空度になった後、処理チャンバー１１１内には処理ガス供給系から所定のエッチングガスが導入され、処理チャンバー１１１内が所定の圧力、例えば０．６６５Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）以下に保持され、この状態で第１高周波電源１１５、第２高周波電源１１７から載置台１１２に、高周波電力が供給される。このとき、直流電源１２１から静電チャック１２０の電極板１１９に所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハＷはクーロン力等により静電チャック６へ吸着される。
　この場合に、上述のようにして下部電極である載置台１１２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１２３と下部電極である載置台１１２との間には電界が形成される。これによって、半導体ウエハＷが存在する処理空間には放電が生じ、それによってプラズマ化したエッチングガスにより、半導体ウエハＷに所定のプラズマエッチングが施される。
　そして、所定のプラズマ処理が終了すると、高周波電力の供給及びエッチング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が処理チャンバー１１１内から搬出される。
　図２に、本実施形態における半導体ウエハの断面構造を拡大して模式的に示す。図２（ａ）に示すように、半導体ウエハの最上層には、所定パターンにパターニングされたハードマスクとしてのシリコン酸化膜３０１が形成されており、このシリコン酸化膜３０１の下側には金属膜としてのタングステン（Ｗ）層３０２が形成されている。また、タングステン（Ｗ）層３０２の下側には、他の材料からなる下層膜（ＴｉＮ膜）３０３が形成されている。なお、図２中左側にはパターンが密に形成されている部分を示しており、右側にはパターンが疎に形成されている部分を示している。
　そして、図２（ａ）に示す状態から、シリコン酸化膜３０１をマスクとして、タングステン（Ｗ）層３０２を所定パターンにプラズマエッチングし、図２（ｂ）に示す状態とする。この際、プラズマエッチングによりシリコン酸化膜３０１もエッチングされ、その残りの厚さが減少する。
（実施例１）
　実施例１として、図１に示したプラズマエッチング装置１１０を使用し、Ｓｉ基板（半導体ウエハ）としては直径３００ｍｍのものを使用し、半導体ウエハに形成されたタングステン（Ｗ）層を、その上に形成され所定パターンにパターニングされたハードマスク（シリコン酸化膜からなる）を介してプラズマエッチングした。プラズマエッチングの条件は、以下のとおりであり、第１工程と第２工程を、連続して夫々４回繰り返して実施した。なお、４回目（最後）の第２工程は、エッチング時間を２６秒に延長した。
（第１工程）
　処理チャンバー内圧力：０．６５５Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）以下
　処理ガス：Ｏ２／ＣＦ４／ＨＢｒ＝３５／３０／３０ｓｃｃｍ
　第１の高周波：周波数１００ＭＨｚ、電力６００Ｗ、パルス周期１０ｋＨｚ、デューティー比５０％
　第２の高周波：周波数１３．５６ＭＨｚ、電力２００Ｗ
　処理時間：３秒
　載置台温度：６０℃
（第２工程）
　処理チャンバー内圧力：０．６５５Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）以下
　処理ガス：Ｏ２／ＣＦ４＝３５／５０ｓｃｃｍ
　第１の高周波：周波数１００ＭＨｚ、電力６００Ｗ、パルス周期１０ｋＨｚ、デューティー比５０％
　第２の高周波：周波数１３．５６ＭＨｚ、電力２００Ｗ
　処理時間：１６秒
　載置台温度：６０℃
　上記実施例における第１の高周波は、電力６００Ｗ、パルス周期１０ｋＨｚ、デューティー比５０％で印加されている。この場合、縦軸を高周波電力、横軸を時間とした図３（ｂ）のグラフに示す電力波形のような電力の印加状態となっている。そして、この場合の実効電力は、図３（ａ）のグラフに示すように、連続的に電力３００Ｗで高周波電力を印加した場合と同じになる。
　次に、比較例１として、以下のプラズマエッチング条件で、実施例１と同様に図１に示したプラズマエッチング装置１１０を使用し、Ｓｉ基板（半導体ウエハ）としては直径３００ｍｍのものを使用し、半導体ウエハに形成されたタングステン（Ｗ）層を、その上に形成され所定パターンにパターニングされたハードマスク（シリコン酸化膜からなる）を介してプラズマエッチングした。
（比較例１）
　処理チャンバー内圧力：０．６５５Ｐａ（５ｍＴｏｒｒ）以下
　処理ガス：Ｏ２／ＣＦ４＝２０／２５ｓｃｃｍ
　第１の高周波：周波数１００ＭＨｚ、電力３００Ｗ
　第２の高周波：周波数１３．５６ＭＨｚ、電力２５０Ｗ
　処理時間：７０．３秒
　載置台温度：６０℃
　次に、比較例２として、第１の高周波（周波数１００ＭＨｚ）の電力を６００Ｗとした以外は、上記の比較例１と同様なエッチング条件でプラズマエッチングを行った。
　上記した比較例１，２では、パターンが密に配置された部分において、そのエッチング形状にボーイングが発生し、パターンが疎に配置された部分において、そのエッチング形状にテーパか発生し易い傾向がある。すなわち、図４（ａ）に示すように、パターンが密に配置された部分では、タングステン層３０２の側壁部が削られて隣接するパターンの間隔が拡がる傾向を示す。
　なお、図４において、Ａは、ハードマスクであるシリコン酸化膜３０１の底部における隣接するパターンとの間隔を示している。また、Ｂは、タングステン層３０２における隣接するパターンとの間隔（最大値）を示している。さらに、Ｃは、タングステン層３０２の底部における隣接するパターンとの間隔を示している。この場合、ボーイングの程度を示すボーイング指数としては、Ｂ－Ａの値を用いることができる。
　また、図４（ｂ）に示すように、パターンが疎に配置された部分では、タングステン層３０２の側壁部が垂直にならず、斜めにテーパ状になる。この場合、図４中に示すテーパ角Ｆによって、その形状を評価することができ、このテーパ角Ｆが９０°に近付くほど好ましい形状であることを示している。なお、図４に示す３０４は、タングステン層３０２の側壁部に堆積した堆積物を示している。パターンが疎に配置された部分では、タングステン層３０２のエッチングされる量が多くなるため、堆積物３０４の量も多くなり、その側壁形状がテーパ状となってしまう。
　ここで、比較例１，２のプラズマエッチング条件でエッチングを行った場合、例えば、酸素流量を増やすことによって、堆積物の量を増やすことができ、パターンが密に配置された部分におけるボーイング量を減少させることができる。しかしながら、この場合、パターンが疎に配置された部分における堆積物も増加するので、この部分におけるテーパ角が小さくなり、側壁形状が垂直な状態から離れてしまう。
　上記実施例及び比較例１、比較例２におけるエッチング選択比（タングステン層３０２のエッチング速度をシリコン酸化膜３０１のエッチング速度で割算したもの）と、パターンが密の部分のボーイング指数と、パターンが疎の部分のテーパ角を測定したところ、以下のとおりとなった。
（実施例）
　エッチング選択比：１．６
　ボーイング指数：－０．１ｎｍ
　テーパ角：４９°
（比較例１）
　エッチング選択比：１．０
　ボーイング指数：０．３ｎｍ
　テーパ角：３４．７°
（比較例２）
　エッチング選択比：０．８
　ボーイング指数：８．８ｎｍ
　テーパ角：３８．３°
　以上のとおり、実施例では、比較例１、比較例２に比べて、エッチング選択比、ボーイング指数、テーパ角のいずれもが良好な状態でプラズマエッチングが行われていることを確認することができた。なお、実施例のように、パルス状の高周波電力を使用した場合にエッチング選択比が向上するのは、高周波電力のオフ時に、イオン主体のマスクのスパッタ量が低減する一方、高周波電力のオフ時においても、長寿命のフッ素ラジカルの作用によってタングステン層をエッチングすることが可能であるためと推測される。なお、パルスの周波数は、例えば１ｋＨｚ～１００ｋＨｚの周波数の範囲とすることが好ましい。また、デューティー比は、２０～７０％程度の範囲とすることが好ましい。
　また、実施例では、堆積物が堆積する第１工程と、堆積物が堆積しない第２工程を交互に連続して繰り返して実施することにより、パターンが密に配置されている部分におけるボーイングの発生を抑制するとともに、パターンが疎に配置されている部分におけるテーパ角の減少を抑制することができる。またこれらの第１工程、第２工程の時間は、ガスの切り換え時間を考慮すれば、２秒以上とすることが好ましく、３秒以上とすることがさらに好ましい。また、実施例では、第１工程と第２工程の割合を、３：１６としたが、この割合は、第１工程で堆積した堆積物が、第２工程において完全に除去される前に再度第１工程を行えるタイミングとすることが好ましく、例えば、１：３から１：８程度とすることが好ましい。
　なお、本発明は上記の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは、勿論である。例えば、実施例では、プラズマエッチングを、堆積物が堆積する第１工程から開始した場合について説明したが、第２工程から開始してもよい。
　本発明は、半導体装置の製造分野等で利用することができる。したがって、産業上の利用可能性を有する。
　１１１……処理チャンバー、１１２……載置台、１１５……第１高周波電源、１１７……第２高周波電源、１２３……シャワーヘッド、Ｗ……半導体ウエハ。

Claims (5)

  1. 　被処理基板を収容する処理チャンバーと、
    　前記処理チャンバー内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、
    　前記処理チャンバー内に配設され、前記下部電極と対向する上部電極と、
    　前記処理チャンバー内に所定のエッチングガスを供給するエッチングガス供給機構と、
    　前記処理チャンバー内を排気する排気機構と
    を具備したプラズマエッチング装置を用い、前記被処理基板の金属層をハードマスクを介してエッチングするプラズマエッチング方法であって、
    　前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとＨＢｒガスの混合ガスからなる第１エッチングガスを用いる第１工程と、
    　前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとの混合ガスからなる第２エッチングガスを用いる第２工程と、
    　を連続して交互に複数回繰り返して実施するとともに、
    　前記下部電極に、第１の周波数の第１高周波電力と、前記第１の周波数より低い第２の周波数の第２高周波電力とを印加し、かつ、前記第１高周波電力をパルス状に印加する
    　ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 　請求項１記載のプラズマエッチング方法であって、
    　前記金属層がタングステン層からなり、前記ハードマスクが酸化シリコン層からなる
    　ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  3. 　請求項１又は２記載のプラズマエッチング方法であって、
    　前記第１の周波数が８０ＭＨｚ以上１５０ＭＨｚ以下である
    　ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  4. 　請求項１～３いずれか１項記載のプラズマエッチング方法であって、
    　前記第１高周波電力を、１ｋＨｚ～１００ｋＨｚのパルス周波数でパルス状に印加する
    　ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  5. 　被処理基板を収容する処理チャンバーと、
    　前記処理チャンバー内に配設され、前記被処理基板が載置される下部電極と、
    　前記処理チャンバー内に配設され、前記下部電極と対向する上部電極と、
    　前記処理チャンバー内に所定のエッチングガスを供給するエッチングガス供給機構と、
    　前記処理チャンバー内を排気する排気機構と、
    　前記下部電極に、第１の周波数の第１高周波電力を印加する第１高周波電力供給機構と、
    　前記下部電極に、前記第１の周波数より低い第２の周波数の第２高周波電力を印加する第２高周波電力供給機構と、
    　を具備したプラズマエッチング装置であって、
    　前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとＨＢｒガスの混合ガスからなる第１エッチングガスを用いる第１工程と、
    　前記エッチングガスとして、Ｏ２ガスとＣＦ４ガスとの混合ガスからなる第２エッチングガスを用いる第２工程と、
    　を連続して交互に複数回繰り返して実施するとともに、
    　前記下部電極に、前記第１高周波電力をパルス状に印加するよう制御する制御部を備え、
    　前記被処理基板の金属層を、ハードマスクを介してエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング装置。
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