WO2023209812A1 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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Abstract

本発明では、トレンチの深さが大きくなった場合でも処理対象の膜を横方向へ均一に除去することを可能とするプラズマ処理方法を提供する。　本発明のプラズマ処理方法は、絶縁膜とタングステン膜が交互に積層された積層膜のタングステン膜をプラズマエッチングする方法である。堆積膜を堆積させる第１の堆積ステップと、第１の堆積ステップ後、エッチングする第１のエッチングステップと、堆積膜を堆積させる第２の堆積ステップと、第２の堆積ステップ後、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いてエッチングする第２のエッチングステップと、第２のエッチングステップ後、エッチングする第３のエッチングステップと、を有し、第１の堆積ステップと第１のエッチングステップを所定回、繰り返した後、第２の堆積ステップを行い、第２の堆積ステップと第２のエッチングステップと第３のエッチングステップを所定回、繰り返す。

Description

プラズマ処理方法
　本発明はプラズマ処理方法に関する。
　近年、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリ技術においては、メモリセルを縦方向に積む３次元構造のＮＡＮＤ型フラッシュメモリ（３Ｄ－ＮＡＮＤ）が主流となっている。
　３次元構造のＮＡＮＤ型フラッシュメモリの製造工程においては、先ずウエハ面に垂直方向に形成されたトレンチ（エッチング溝）に沿ってシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などからなる絶縁膜とタングステン膜（Ｗ）などからなる金属膜（ゲート電極膜）が各々１００層以上交互に重なる積層構造を形成する工程が実行される。
　次にプラズマを用いた等方性エッチングにより、トレンチ深さ方向に積層された前記複数のタングステン膜それぞれをウエハ面に平行な方向である横方向へ均一に除去するエッチング工程が実行される。
　このようなトレンチの中のタングステンを横方向に均一にエッチングするための方法として、特許文献１には、異方性のエッチングで溝底のタングステンを一旦除去した後に、等方的に側面のタングステンを除去する２ステップの加工方法が示されている。
　具体的には、異方性エッチングステップに関しては、プラズマを生成して、試料に高周波電力を印加することで、イオンを垂直に試料に入射させて、溝底のタングステンを除去する。等方性のエッチングに関しては、プラズマを生成して、試料に高周波バイアスを印加せずに処理する方法が開示されている。
特開２０１９－１７６１８４号公報
　次世代技術ではより一層の高集積化が要求され、積層数では２００層以上、トレンチ深さでは１２ｕｍ以上になる積層構造を扱う必要が生じる。このような積層構造におけるトレンチでは、従来技術で扱われるトレンチよりも深い位置にタングステン膜が位置している。このため、特許文献１に開示されたエッチング方法では十分に均一なエッチングを実現することが難しい。
　そこで、本発明では、トレンチの深さが大きくなった場合でも処理対象の膜を横方向へ均一に除去することを可能とするプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
　本発明は、絶縁膜とタングステン膜が交互に積層された積層膜のタングステン膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、堆積膜を堆積させる第１の堆積ステップと、前記第１の堆積ステップ後、前記タングステン膜をエッチングする第１のエッチングステップと、堆積膜を堆積させる第２の堆積ステップと、前記第２の堆積ステップ後、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いて前記タングステン膜をエッチングする第２のエッチングステップと、前記第２のエッチングステップ後、前記タングステン膜をエッチングする第３のエッチングステップと、を有し、前記第１の堆積ステップと前記第１のエッチングステップを所定回、繰り返した後、前記第２の堆積ステップを行い、前記第２の堆積ステップと前記第２のエッチングステップと前記第３のエッチングステップを所定回、繰り返すことを特徴とする。
　本発明によれば、トレンチの深さが大きくなった場合でも処理対象の膜を横方向へ均一に除去することを可能とする。
　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。 図２は、従来のプラズマ処理方法のフローチャート図である。 図３は、第１サイクルによる加工前と加工後の積層構造を示す模式図である。 図４は、従来の第２サイクルを第二積層構造に適用したときの状態を示す模式図である。 図５は、従来のプラズマ処理方法におけるトレンチの深さとエッチング量の関係を示す図である。 図６は、本実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャート図である。 図７は、本実施形態の第２サイクルを第二積層構造に適用したときの状態を示す模式図である。 図８は、本実施形態のプラズマ処理方法におけるトレンチの深さとエッチング量の関係を示す図である。 図９は、高周波電力の出力を０Ｗから４０Ｗまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。 図１０は、高周波電力の印加時間を３ｓから１１ｓまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。 図１１は、高周波電力を時間変調した場合のトレンチの深さとエッチング量の関係を示す図である。 図１２は、高周波電力の実効パワーを０Ｗから６０Ｗまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
　図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
　本開示において、方向を示すために、図面上に表記されたｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に示す方向を用いることがある。「上方」および「下方」については、これらを「ｚ軸プラス方向」、「ｚ軸マイナス方向」ということがあり、水平方向については、「ｘ軸方向」、「ｙ軸方向」、「横方向」ということがある。
　さらに、ｚ軸方向の長さを「高さ」または「深さ」と称し、ｘ軸方向とｙ軸方向で規定されるｘｙ平面上の長さを「幅」と称する。
＜プラズマ処理装置の説明＞
　以下、図１を参照して、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置について説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図である。本実施形態では、プラズマ処理装置の一例として、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）マイクロ波プラズマエッチング装置を示す。
　プラズマ処理装置１００において、真空容器１０１には、真空容器１０１内に処理ガスを導入するためのシャワープレート１０５（例えば石英製）、誘電体窓１０６（例えば石英製）が設置されている。誘電体窓１０６よりも下方の密封された空間は処理室１０７を形成する。シャワープレート１０５には処理ガスを流すための複数の孔が配置されており、ガス供給装置１０８から供給されたガスは複数の孔を通り処理室１０７に導入される。また、真空容器１０１には、真空排気口１０９を介して真空排気装置（図示せず）が接続されている。
　導波管１１０は誘電体窓１０６の上方に設けられており、プラズマを生成するための電磁波を処理室１０７に伝送する。導波管１１０へ伝送される高周波（プラズマ生成用高周波）は、第一の高周波電源１０４によって制御される発振器１０３から出力される。また、第一の高周波電源１０４はパルス発振器を備えており、時間変調された間欠的な高周波または連続的な高周波を出力することができる。高周波の周波数は特に限定されないが、本実施形態では２．４５ＧＨｚのマイクロ波（プラズマ生成用高周波）を使用する。
　処理室１０７の外周部には、磁場を形成する磁場発生用コイル１１１が設けられている。磁場発生用コイル１１１によって発生された磁場と導波管１１０から導入された電磁波の相互作用により、処理室１０７内にプラズマが生成される。磁場発生用コイル１１１はコイルケース１１２によって覆われている。
　試料台１０２は、シャワープレート１０５に対向する位置であって真空容器１０１の下部に設けられている。試料台１０２に設けられた電極は表面が溶射膜（図示せず）で被覆されており、高周波フィルタ１１６を介して直流電源１１７が接続されている。さらに、試料台１０２には、マッチング回路（整合器）１１４を介してバイアス用高周波電源である第二の高周波電源１１５が接続される。試料台１０２には、温度調節器（図示せず）が接続されている。搬送手段(図示せず)により、ウエハ１１３を真空容器１０１の処理室１０７に搬送し、試料台１０２に載置する。
　処理室１０７内に搬送されたウエハ１１３は、直流電源１１７から印加される直流電圧の静電気力で試料台１０２上に吸着され、温度調節される。ガス供給装置１０８によって所望の処理ガスが処理室１０７へ供給された後、真空容器１０１内が真空排気装置を介して所定の圧力に制御され、発振器１０３から供給された高周波に基づいて処理室１０７内にプラズマが発生する。試料台１０２に接続された第二の高周波電源１１５から高周波電力（ＲＦ－ｂｉａｓ）を印加することにより、プラズマからウエハ１１３へイオンを引き込み、ウエハ１１３がプラズマ処理（エッチング）される。また、第二の高周波電源１１５は、パルス発振器を備えるため、試料台１０２に時間変調された間欠的な高周波電力または、連続的な高周波電力を供給（印加）することができる。
［従来のプラズマ処理方法］
　先ず従来のプラズマ処理方法を適用した場合を説明する。図２は、従来のプラズマ処理方法のフローチャート図である。プラズマ処理方法による一連の加工工程は、所定の加工段階のウエハの積層構造（以下、「第一積層構造」という。）に対して適用される第１サイクル２０１と、第１サイクル２０１が行われた段階の積層構造（以下、「第二積層構造」という。）に対して適用される第２サイクル２０５を含む。以下に各サイクルに関して説明する。
　表１は、図２に示されるフローチャートにおける、各処理ステップの条件を示す。表１において、項目「Ａｒ」、「Ｈｅ」、「ＣＦ４」、「ＣＨＦ３」、「Ｃｌ２」、「Ｎ２」、「ＣＨ２Ｆ２」、「Ｃ４Ｆ８」は、ガス供給装置１０８によって供給されるガスの種類と流量を示す。項目「圧力」は、真空容器１０１内に設定される圧力値を示す。項目「マイクロ波」は、第一の高周波電源１０４によって出力され導波管１１０を通じて伝送されるマイクロ波（プラズマ生成用高周波）の電力を示す。項目「ＲＦ－ｂｉａｓ」は、第二の高周波電源１１５からウエハへ印加される高周波電力の条件（出力（Ｐｏｗｅｒ）（Ｗ）、周波数（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）（Ｈｚ）、デューティ比（Ｄｕｔｙ）（％）を示す。項目「時間」は、処理ステップが行われる時間（ｓ（秒））を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
＜第１サイクル２０１＞
　図３は、第１サイクル２０１による加工前と加工後の積層構造を示す模式図である。
　図３（ａ）は、第１サイクル２０１による加工が行われる前の第一積層構造を示す。ウエハ１１３は、絶縁膜とタングステン膜が交互に積層された積層膜を有する試料である。ウエハ１１３は、多結晶シリコン３０１による基板と基板に直立する芯（チャネル）を有する。また多結晶シリコン３０１の芯に沿って少なくとも２００層のシリコン酸化膜３０２と少なくとも２００層のタングステン膜３０３が交互に積層し、さらにタングステン膜３０３はシリコン酸化膜３０２の層の周りを囲むようにウエハ１１３の表面も覆っている。ウエハ１１３には溝構造であるトレンチ３０５が形成されている。なお、積層構造はトレンチに沿って絶縁膜と金属膜が交互に積層した構造であれば、シリコン酸化膜とタングステン膜に限定されない。
　図３（ｂ）は、第１サイクル２０１による加工が行われた時点での第二積層構造を示す。第１サイクル２０１は、堆積膜を堆積させる第１の堆積ステップ２０２と、第１の堆積ステップ２０２後、積層膜のタングステン膜をエッチングする第１のエッチングステップ２０３と、を含み、第１の堆積ステップ２０２と第１のエッチングステップ２０３を所定回、繰り返す。タングステン膜３０３のうち、シリコン酸化膜３０２の層の周りを囲みウエハ１１３の表面を覆っていた部分は除去され、積層構造がトレンチ３０５の側壁に沿って露出している。
　本実施形態において、トレンチ３０５の深さ（積層構造の最上部と最下部までの長さ）をｄｔ、幅をｗｔとすると、ｄｔが１５．２μｍ以上かつｗｔが１３４．５ｎｍ以下をとることもできる。また、ｄｔは１１．７μｍ以上かつｗｔは１６０ｎｍ以下の値をとることができる。アスペクト比をｄｔ／ｗｔとすると、前者のアスペクト比は１１３であり、後者のアスペクト比は７３である。なお、トレンチ３０５の深さと幅の関係はこれに限定されない。また、図３に示される積層構造はこれに限定されない。
　タングステン膜３０３の全層数を３４４層としたときに、トレンチ３０５の最深部のタングステン膜３０３（以下、「最下層」という。）から１～１０層をＢｏｔｔｏｍ部(Ｂ部)、８４～９３層をＭｉｄｄｌｅ－Ｂｏｔｔｏｍ部（ＭＢ部）、１６８～１７７層をＭｉｄｄｌｅ部（Ｍ部）２５１～２６０層をＴｏｐ－Ｍｉｄｄｌｅ部（ＴＭ部）、３３５～３４４層をＴｏｐ部（Ｔ部）と以下便宜上呼ぶこととする。
　前記各部の位置関係を、最下層を基準として数えた累積層数の全層数に対する割合で表現すると、Ｂ部は０％から３％、ＭＢ部は２４％から２７％、Ｍ部は４９％から５１％、ＴＭ部は７３％から７６％、Ｔ部は９７％から１００％に相当する。このように、トレンチ３０５の深さに対するタングステン膜３０３のエッチング量の均一性を評価する際には、最下層を基準として、０％（最下層）を含む所定層（Ｂ部）、２５％目の層を含む所定層（ＭＢ部）、５０％目の層を含む所定層（Ｍ部）、７５％目の層を含む所定層（ＴＭ部）、１００％目の層を含む所定層（Ｔ部）でのエッチング量の値を利用すればよい（所定層の例として１０層）。ただし、これに限定されるものではなく、各部の数や位置、所定層の数は、適宜設定することが可能である。
　第１の堆積ステップ２０２において、供給されるガスは、表１に示されるようにＡｒガス２９０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｈｅガス２９０ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＨＦ３ガス１０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃ４Ｆ８ガス１２ｍｌ／ｍｉｎである。真空容器１０１内の圧力は６Ｐａ、プラズマ生成用のマイクロ波は４００Ｗ、ウエハへ印加される高周波電力は１００Ｗ、１０００Ｈｚ、２２％、第１の堆積ステップ２０２の時間は１８ｓである。
　第１の堆積ステップ２０２は、ＣＨｘＦｙガスを主成分とするフロロカーボンを含む堆積膜をトレンチ３０５の内面に形成する。第１の堆積ステップ２０２は、エッチャントであるフッ素ラジカルの量と堆積膜の量のバランスを調整しトレンチ３０５のＴ部からＢ部まで深さ方向に沿って同じ割合でエッチングが進むように調整する機能を有する。また、以下の説明では、フロロカーボンを含む堆積膜を保護膜ということもある。
　同様に第１のエッチングステップ２０３において、供給されるガスは、Ａｒガス１５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｈｅガス１６２ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＦ４ガス１００ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ２ガス５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガス３０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃ４Ｆ８ガス９ｍｌ／ｍｉｎである。真空容器１０１内の圧力は５．９Ｐａ、プラズマ生成用のマイクロ波は７００Ｗである。ウエハへ高周波電力は印加されない。第１のエッチングステップ２０３の時間は５８．５ｓである。
　繰り返し判定ステップ２０４は、第１の堆積ステップ２０２と第１のエッチングステップ２０３が所定回、繰り返されたかどうか判定する。所定回まで到達してないと判定された場合、第１の堆積ステップ２０２に戻る。所定回に到達したと判定された場合、第１サイクル２０１は終了し、第２サイクル２０５の第２の堆積ステップ２０６に進む。
＜第２サイクル２０５＞
　図４は、従来の第２サイクル２０５を第二積層構造に適用したときの状態を示す模式図である。
　図４（ａ）は、第１サイクル２０１が終了した時点での第二積層構造を示す（図３（ｂ）参照）。
　第２の堆積ステップ２０６において、供給されるガスは、表１に示されるようにＡｒガス２９０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｈｅガス２９０ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＨＦ３ガス１０ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＨ２Ｆ２ガス５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃ４Ｆ８ガス１２ｍｌ／ｍｉｎである。項目「圧力」、「マイクロ波」、「ＲＦ－ｂｉａｓ」の条件は、第１サイクル２０１の第１の堆積ステップ２０２の条件と同じである。第２の堆積ステップ２０６の時間は１５ｓである。
　図４（ｂ）は、第２サイクル２０５の第２の堆積ステップ２０６が適用された時点での状態を示す。第２の堆積ステップ２０６によって、シリコン酸化膜３０２とタングステン膜３０３の表面にＣＨｘＦｙガスを主成分とするフロロカーボンの保護膜３０４が形成される。第２の堆積ステップ２０６は第１サイクルの第１の堆積ステップ２０２に対応する。
　同様に第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）２０７（以下、単に「第２のエッチングステップ２０７」ともいう。）において、供給されるガスは、Ａｒガス１５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｈｅガス１６２ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＦ４ガス７５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ２ガス３０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガス３０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃ４Ｆ８ガス１０ｍｌ／ｍｉｎである。真空容器１０１内の圧力は６．１Ｐａ、プラズマ生成用のマイクロ波は７００Ｗ、ウエハへ高周波電力は印加されない。第２のエッチングステップ２０７の時間は６３．５ｓである。
　繰り返し判定ステップ２０８は第１サイクル２０１の繰り返し判定ステップと同様である。図４（ｃ）は、第２の堆積ステップ２０６と第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）２０７の順番で第２サイクル２０５を４回実施した時点での積層構造の模式図である。この結果、保護膜３０４が除去され、タングステン膜３０３の横方向のエッチングが進行した。ただし後述するように、エッチング量はトレンチ３０５の深さ方向にばらつきがあり、ＭＢ部が最も大きくＢ部が最も少ない結果となった。
＜結果と考察＞
　上述した従来のプラズマ処理方法で積層構造を加工した結果と問題を説明する。図５は、従来のプラズマ処理方法におけるトレンチ３０５の深さとエッチング量の関係を示す図である。トレンチ３０５の深さ方向に対してＢ部、ＭＢ部、Ｍ部、ＴＭ部、Ｔ部の５箇所におけるタングステン膜３０３のエッチング量は、ＭＢ部で最大値２０．０１ｎｍ、Ｂ部で最小値の１１．０３ｎｍとなった。トレンチ深さ方向に対するエッチング量の最大値と最小値の差（以下、特に断りのない限り「エッチング量差」という。）５０１は８．９８ｎｍであり、許容値４ｎｍを上回った。ここに、各部のエッチング量は１０層の平均値を用いて表示する。また評価の判断基準として、エッチング量差の許容値を４ｎｍ以下とした。なお、４ｎｍは、トレンチ幅ｗｔのおよそ３％に該当する。
　エッチング量差５０１の値が大きくなり、エッチング量分布が悪化した要因について考える。トレンチ３０５の深さが１２ｕｍ以上と深い構造では、エッチングに寄与するエッチャントがＭＢ部までは到達するが、Ｂ部には十分な量のエッチャントが到達していない。その結果エッチングがほとんど行われなかったＢ部のリセス量は、他の箇所に比べて小さな値をとったと考えられる。
　また、エッチングが進んだときに発生する反応生成物は、トレンチ３０５内を上方に移動しエッチャントと反応する。かかる反応によりエッチャントが消費されるので、エッチングの進行が抑制されると考えられる。Ｔ部からＭ部では、トレンチ３０５内の下部方向から発生した反応生成物が供給されるのでエッチングの進行が適度に抑制され得る一方、ＭＢ部では、下部のＢ部においてエッチャントが少ないので反応生成物も少なく、ＭＢ部への反応生成物の供給も少ない。したがって反応生成物の供給が少ないＭＢ部ではエッチングが抑制されないまま過度に進行し、ＭＢ部とＢ部のエッチング量差が悪化したと考えられる。
［本実施形態のプラズマ処理方法］
　次に、本実施形態のプラズマ処理方法を説明する。図６は、本実施形態に係るプラズマ処理方法のフローチャート図である。本実施形態のプラズマ処理方法は、第２サイクル６０５において、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７（以下、単に「第２のエッチングステップ」ともいう。）が設けられている点で、上述した従来のプラズマ処理方法と異なる。そのほかの点では、図２の従来のプラズマ処理方法と同様のステップを有する。すなわち、第１サイクル６０１の第１の堆積ステップ６０２、第１のエッチングステップ６０３、繰り返し判定ステップ６０４は、図２に示される従来のプラズマ処理方法の第１サイクル２０１の第１の堆積ステップ２０２、第１のエッチングステップ２０３、繰り返し判定２０４に対応する。また、第２サイクル６０５の第２の堆積ステップ６０６、第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８、繰り返し判定ステップ６０９は、図２に示される従来のプラズマ処理方法の第２サイクル２０５の第２の堆積ステップ２０６、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）２０７、繰り返し判定ステップ２０８に対応する。なお、以下の説明において、上述の従来のプラズマ処理方法と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
　表２は、図６に示されるフローチャートにおける、第２サイクル６０５の条件を示す。第２サイクル６０５は、堆積膜を堆積させる第２の堆積ステップ６０６と、第２の堆積ステップ６０６後、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いてタングステン膜をエッチングする第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７（以下、単に「第２のエッチングステップ６０７」ともいう）と、第２のエッチングステップ６０７後、タングステン膜をエッチングする第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８（以下、単に「第３のエッチングステップ６０８」ともいう。）と、を有し、第１サイクル６０１の後、第２の堆積ステップ６０６を行い、第２の堆積ステップ６０６と第２のエッチングステップ６０７と第３のエッチングステップ６０８を所定回、繰り返す。
　第２の堆積ステップ６０６は、Ｃ４Ｆ８ガスを用いて行われる。第２の堆積ステップ６０６は、図２に示される第２サイクル２０５の第２の堆積ステップ２０６と同じ条件である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図７は、本実施形態の第２サイクル６０５を第二積層構造に適用したときの状態を示す模式図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、図４(a)および図４（ｂ）と同様なので説明は省略する。図７（ｃ）は、第２の堆積ステップ６０６と第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７と第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８の順番で第２サイクル６０５を所定回実施した時点での積層構造の模式図である。本実施形態においては、図７（ｃ）に示されるように、ＭＢ部とＢ部でエッチング量のばらつきが抑えられた。
　第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７は、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いてタングステン膜をエッチングするステップである。また第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７は、積層膜を有する試料が載置される試料台１０２に高周波電力を供給しながら行われる。表２に示されるように第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７において、供給されるガスは、Ａｒガス１５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｈｅガス１６２ｍｌ／ｍｉｎ、ＣＦ４ガス７５ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃｌ２ガス３０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガス３０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｃ４Ｆ８ガス１０ｍｌ／ｍｉｎである。真空容器１０１内の圧力は６．１Ｐａ、プラズマ生成用のマイクロ波は７００Ｗ、ウエハに印加される高周波電力（ＲＦ－ｂｉａｓ）は２０Ｗで、印加時間は５ｓである。
　第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８は、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７後、タングステン膜をエッチングするステップであり、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いて行われる。また第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８は、試料台１０２に高周波電力を供給せずに行われる。第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８において、ステップ時間が５８．５ｓであることと、ウエハに高周波電力（ＲＦ－ｂｉａｓ）が印加されない点を除いて、供給されるガス、圧力、マイクロ波の条件は、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７と同じである。
　なお、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７および第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８に用いられるフッ素を含有するガスとして、表２に示されるガスを含む混合ガスを示したが、本発明はこれに限定されるものではない。フッ素含有ガスとして、ＮＦ３ガスまたはＳＦ６のガスの少なくてもいずれかを含む混合ガスであってもよい。また、ＡｒガスおよびＨｅガスは、希釈ガスの機能を有する。
　図８は、本実施形態のプラズマ処理方法におけるトレンチの深さとエッチング量の関係を示す図である。エッチング量はＭＢ部で最大値１６．５２ｎｍ、Ｂ部で最小値１２．６３ｎｍとなった。トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差８０１は３．８９ｎｍとなり、エッチング量分布が改善した。
＜作用・効果＞
　第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７を設けて、ウエハにＲＦ－ｂｉａｓ（高周波電力）を適度に印加したことにより、トレンチ３０５内にイオンが引きこまれ、イオンの流れがＭＢ部のエッチャントをＢ部に引き込んだと考えられる。その結果、ＭＢ部の過剰なエッチング量が抑制される一方でＢ部のエッチング量が増加し、トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は改善したと考えられる。
　ただし第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７で高周波電力を印加することは、第２の堆積ステップ６０６で試料表面に付着したフロロカーボンの保護膜３０４のエッチングを過剰に促進し、また積層構造表面に位置するシリコン酸化膜３０２までエッチングしダメージを与えてしまう可能性がある。そこで好ましい使用可能な高周波電力の出力と印加時間の依存性に関し実験した。
［高周波電力の出力依存性］
　先ず、高周波電力の出力依存性について実験した。表２の条件のうち、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７の高周波電力の出力を０Ｗから４０Ｗまで変更しプラズマ処理を行った。図９は、高周波電力の出力を０Ｗから４０Ｗまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。ここで、Ｔ部からＢ部でエッチング量の最大値はＭＢ部、最小値はＢ部に現れるため、図９において、エッチング量の出力依存性を観察する代表的な場所としてＭＢ部とＢ部を選択した。高周波電力の出力を０Ｗ、１０Ｗ、２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗに変更してエッチング量分布を計測した。その結果高周波電力が０Ｗの時トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は最大値８．９９ｎｍとなった。高周波電力を０Ｗから２０Ｗに上げるとエッチング量差は減少し、２０Ｗの時に最小値３．８９ｎｍとなった。高周波電力を２０Ｗから４０Ｗに上げるとエッチング量差は増加し、４０Ｗでは４．１１ｎｍとなった。以上から高周波電力の出力が１０Ｗから３０Ｗの範囲でトレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は４ｎｍ以下となり、良いエッチング量分布になることが分かった。また、高周波電力の出力が４０Ｗの場合は積層構造表面にダメージが加わったことが確認された。このことから高周波電力については、４０Ｗ以上の出力を用いることは望ましくないことが分かった。以上から、高周波電力を５ｓ印加した際は高周波電力の出力を１０Ｗから３０Ｗの範囲とすることが望ましい。なお、高周波電力を電力量で規定する場合、望ましい高周波電力を５０Ｗ秒から１５０Ｗ秒の範囲であるということも可能である。
［高周波電力の印加時間依存性］
　次に、高周波電力の印加時間依存性について実験した。表２の条件のうち、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７の高周波電力の印加時間を３ｓから１１ｓに変更しプラズマ処理を行った。図１０は、高周波電力の印加時間を３ｓから１１ｓまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。ここでは、第２サイクル６０５において、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７と第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８の合計時間を一定にしながら高周波電力の印加時間を３ｓ、５ｓ、７ｓ、９ｓ、１１ｓと変化させ実験を行った。例えば、合計時間を６３．５ｓに設定して、ステップ６０７の印加時間が３ｓのときステップ６０８は６０．５ｓ、ステップ６０７が５ｓのときステップ６０８は５８．５ｓ、ステップ６０７が７ｓのときステップ６０８は５６．５ｓ、ステップ６０７が９ｓのときステップ６０８は５４．５ｓ、ステップ６０７が１１ｓのときステップ６０８は５２．５ｓとなるようにした。ただし合計時間はこの値に限られるものではない。これは第２の堆積ステップ６０６の時間に対して、高周波電源がＯＮ（ステップ６０７）とＯＦＦ（ステップ６０８）を合わせたエッチングステップの時間割合が変わると、その影響もエッチング量に生じることから、エッチングステップの合計時間は一定にして高周波電源の印加時間の変化の影響をより良好に把握するためである。
　高周波電力の印加時間を３ｓから５ｓに変更するとトレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は４．１７ｎｍから３．８９ｎｍに減少し、最小値を示した。５ｓから１１ｓと長くするとエッチング量差は増加し、１１ｓの時に最大値５．２５ｎｍをとる。高周波電力の印加時間が５ｓから９ｓでは、トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差が４ｎｍ以下を満たした。以上から、高周波電力を２０Ｗで印加した際は、印加時間を５ｓから９ｓの範囲とすることが望ましいことが分かった。なお、高周波電力を電力量で表現する場合、望ましい高周波電力を１００Ｗ秒から１８０Ｗ秒の範囲であるということも可能である。
＜作用・効果＞
　高周波電力の出力依存性と印加時間依存性の実験では、高周波電力の適切な範囲を超えて出力を上げまた印加時間を長くすると、トレンチ深さ方向のエッチング量差が悪化した。この原因について考えると、高周波電力の出力や印加時間が適切な範囲である場合はＭＢ部のエッチャントをＢ部に引き込む作用が生じている。しかし適切な範囲を超えると、Ｔ部からＭ部の間のエッチャントがＭＢ部に引き込まれる現象も発生する。そうするとＭＢ部のエッチャント量が増加し、Ｂ部よりもＭＢ部においてエッチングが進行し易くなり、その結果として、エッチング量差が悪化すると考えられる。
［高周波電力の時間変調］
　さらなるエッチング量分布改善を行うためにマイクロ波と高周波電力のＴＭ（Ｔｉｍｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）化を試みた。マイクロ波と高周波電力のＴＭ化とは、マイクロ波と高周波電力に時間変調された間欠的な高周波電力を用いることである。時間変調された間欠的な高周波電力のＯＮ時間（出力する時間）をＴＯＮ、ＯＦＦ時間（出力しない時間）をＴＯＦＦとした場合、Ｄｕｔｙ比＝ＴＯＮ／（ＴＯＮ＋ＴＯＦＦ）と定義する。マイクロ波と高周波電力のＴＭ化の条件は、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７と第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）６０８のマイクロ波を７００Ｗ、周波数１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比９０％と設定し、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７の高周波電力は周波数１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比３０％で実効パワーが２０Ｗになるように設定した。なお、実効パワーとは、出力とＤｕｔｙ比の積である。その時の第２サイクル６０５の詳細な条件を表３に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　図１１は、高周波電力を時間変調した場合のトレンチの深さとエッチング量の関係を示す図である。エッチング量はＭＢ部で最大値１６．０３ｎｍ、Ｂ部で最小値１３．０６ｎｍとなり、トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差９０１は２．９７ｎｍとなり改善した。
＜作用・効果＞
　マイクロ波がＯＦＦの時間で、エッチャントを供給するＣＦ４ガスなどがトレンチ３０５内に分散する。その状態でマイクロ波をＯＮにすると、マイクロ波をＴＭ化しない場合と比較して、エッチャントがトレンチ３０５内に分散して反応する。その結果、トレンチ深さ方向に対してのエッチング量差が改善したと考えられる。
［高周波電力の実効パワー依存性］
　次にマイクロ波と高周波電力をＴＭ化した状態で、エッチング量分布の実効パワー依存性について実験した。表３の条件のうち、第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）６０７の実効パワーが約０Ｗから約６０Ｗになるように、高周波電力のＤｕｔｙ比を３０％としたうえで、高周波電力の出力を０Ｗ（実効パワー０Ｗ）、３３．３Ｗ（実効パワー１０Ｗ）、６６．７Ｗ（実効パワー２０Ｗ）、１００Ｗ（実効パワー３０Ｗ）、１３３．３Ｗ（実効パワー４０Ｗ）、１６６．７Ｗ（実効パワー５０Ｗ）、２００Ｗ（実効パワー６０Ｗ）と変化させてプラズマ処理を行った。図１２は、高周波電力の実効パワーを０Ｗから６０Ｗまで変化させた場合のエッチング量差を示す図である。実効パワーが０Ｗの際のトレンチ深さ方向に対してのエッチング量差は７．８１ｎｍと最大値を示した。実効パワーを０Ｗから２０Ｗに上昇させるとエッチング量差は減少し、２０Ｗの際に２．９７ｎｍとなった。２０Ｗから６０Ｗに上昇させるとエッチング量差は増加し、６０Ｗの際に４．０２ｎｍとなった。また、６０Ｗまで積層構造表面のダメージが確認されなかった。このように、高周波電力の出力依存性の観点では出力が１０Ｗから３０Ｗの範囲で良好なエッチング量差が得られたが、高周波電力の実効パワー依存性の観点では１０Ｗから５０Ｗの範囲に拡大した。
＜作用・効果＞
　良好な実効パワー範囲が得られた要因としては、高周波電力の時間変調において述べたように、マイクロ波ＯＦＦ時のエッチャント供給ガスの分散が考えられる。また積層構造表面にダメージが生じない実効パワーの範囲が広がった要因としては、マイクロ波と高周波電力をＯＦＦにする時間を設けたことで積層構造表面の保護膜３０４とシリコン酸化膜３０２の上方からのエッチング量を低減できたことが考えられる。以上から、マイクロ波を出力７００Ｗ、周波数１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比９０％に設定し、高周波電力を周波数１０００Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比３０％に設定した際に実効パワーを１０Ｗから５０Ｗの範囲に設定することが望ましいと分かった。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
　例えば高周波電源の出力や印加時間、実効パワーなどの好適な範囲は、トレンチ深さ方向に対しての望ましいエッチング量差に応じて適宜調整し、定めることが可能である。
１００…プラズマ処理装置、１０１…真空容器、１０２…試料台、１０３…発振器
１０４…第一の高周波電源、１０５…シャワープレート、１０６…誘電体窓
１０７…処理室、１０８…ガス供給装置、１０９…真空排気口、１１０…導波管
１１１…磁場発生用コイル、１１２…コイルケース
１１３…ウエハ、１１４…マッチング回路、１１５…第二の高周波電源
１１６…高周波フィルタ、１１７…直流電源
２０１…第１サイクル、２０２…第１の堆積ステップ、
２０３…第１のエッチングステップ
２０４…繰り返し判定ステップ
２０５…第２サイクル、２０６…第２の堆積ステップ、
２０７…第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）
２０８…繰り返し判定ステップ、
３０１…多結晶シリコン、３０２…シリコン酸化膜、３０３…タングステン膜
３０４…保護膜、３０５…トレンチ
５０１、８０１、１１０１…エッチング量差
６０１…第１サイクル、６０２…第１の堆積ステップ
６０３…第１のエッチングステップ
６０４…繰り返し判定ステップ、
６０５…第２サイクル、６０６…第２の堆積ステップ
６０７…第２のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＮ）
６０８…第３のエッチングステップ（ＲＦ－ｂｉａｓ　ＯＦＦ）
６０９…繰り返し判定ステップ

Claims (5)

  1. 　絶縁膜とタングステン膜が交互に積層された積層膜のタングステン膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
    　堆積膜を堆積させる第１の堆積ステップと、
    　前記第１の堆積ステップ後、前記タングステン膜をエッチングする第１のエッチングステップと、
    　堆積膜を堆積させる第２の堆積ステップと、
    　前記第２の堆積ステップ後、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いて前記タングステン膜をエッチングする第２のエッチングステップと、
    　前記第２のエッチングステップ後、前記タングステン膜をエッチングする第３のエッチングステップと、を有し、
    　前記第１の堆積ステップと前記第１のエッチングステップを所定回、繰り返した後、前記第２の堆積ステップを行い、
    　前記第２の堆積ステップと前記第２のエッチングステップと前記第３のエッチングステップを所定回、繰り返すことを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記絶縁膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  3. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第３のエッチングステップは、Ｃｌ２ガスとＮ２ガスとＣＦ４ガスとＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
  4. 　請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第２のエッチングステップは、前記積層膜を有する試料が載置される試料台に高周波電力を供給しながら行われ、
    　前記第３のエッチングステップは、前記試料台に高周波電力を供給せずに行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 　請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第２の堆積ステップは、Ｃ４Ｆ８ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
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