JP2000200772A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フォトレジスト膜層を損傷することなくエッ
チストップの発生を防止することが可能なプラズマ処理
方法を提供する。 【解決手段】 エッチング装置３００の処理室１０２内
にＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒから成る処理ガスを導入した後に
プラズマを生成し，下部電極１０６上のウェハＷに形成
されたＳｉＯ₂膜層２０２をエッチングする。分析器３
０２は，プラズマ中を通過した赤外レーザ光から赤外レ
ーザ吸収分析法によりプラズマ中のエッチャントと副生
成物の各含有量を測定する。制御器３０２は，測定され
る各含有量と，予め設定されているコンタクトホール２
０４のアスペクト比の増加に対応するエッチャントと副
生成物の各含有量とが同一になるようにＯ₂の添加量を
調整し，アスペクト比の増加に応じて添加量が連続的に
増加されるＯ₂が処理ガスに添加される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，プラズマ処理方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来，気密な処理室内に被処理体，例え
ば半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）の載置
台を兼ねた下部電極と，接地された上部電極とを対向配
置したプラズマエッチング装置が提案されている。当該
装置では，まず下部電極上にウェハを載置した後，処理
室内に所定の処理ガスを導入すると共に，処理室内を真
空引きして所定の減圧雰囲気に維持する。次いで，下部
電極に高周波電力を印加することにより，処理ガスを解
離させてプラズマを生成し，該プラズマにより，例えば
ウェハの被処理面に形成されたＳｉＯ₂膜層にエッチン
グ処理を施し，所定のコンタクトホールを形成してい
る。

【０００３】また，上記ＳｉＯ₂膜層にコンタクトホー
ルを形成する場合には，処理ガスとして少なくともＣＦ
（フルオロカーボン）系ガスとＯ₂を含むガス，例えば
Ｃ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒとＯ₂との混合ガスが用いられてい
る。Ｃ₄Ｆ₈は，解離するとＦ^*（フッ素ラジカル）やＣ
Ｆ^*（フルオロカーボンラジカル）などのラジカル，イ
オンおよび電子が生じ，その中のラジカルとイオンの競
合反応によってＳｉＯ₂膜層がエッチングされる。ま
た，Ｃ₄Ｆ₈は，カーボン（Ｃ）を含むガスであるため，
処理時にはカーボンやＣＦ系化合物など反応生成物が生
成される。従って，その反応生成物がＳｉＯ₂膜層上に
形成されたフォトレジスト膜層，特にエッチングパター
ン開口部の肩部に付着，堆積すると，上記反応生成物に
よって肩部がイオンの衝突から保護されるために，パタ
ーンの開口部が広がらず，所定の狭小なコンタクトホー
ルが形成される。

【０００４】また，上記Ｏ₂は，エッチストップの発生
を抑制するために処理ガスに添加されている。すなわ
ち，Ｏ₂を処理ガスに添加すると，少なくとも上記反応
生成物を除去する作用があることが経験的に見出されて
おり，そのＯ₂を処理ガスに適量添加すれば，コンタク
トホールの底部への上記反応生成物の堆積が軽減され，
エッチストップの発生を防止することができる。ただ
し，Ｏ₂を処理ガスに過剰に添加すると，コンタクトホ
ール底部に堆積した反応生成物のみ成らず，フォトレジ
スト膜層に堆積した反応生成物も除去されてしまい，上
記肩部がエッチングされてパターンの開口径が広がって
しまう。従って，上記処理ガスには，エッチストップの
発生を防止し，かつフォトレジスト膜層の肩部の削れ量
が比較的少量になるように，例えばＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒ
の流量がそれぞれ１０ｓｃｃｍと５０ｓｃｃｍと２００
ｓｃｃｍである場合には，５ｓｃｃｍのＯ₂を常時添加
して，エッチング処理を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，最近の
半導体素子の超微細化および超高集積化傾向に伴って，
コンタクトホールの深さに対して内径が相対的に小さ
い，いわゆる高アスペクト比のコンタクトホールを形成
する場合に，上述の如く処理ガスにＯ₂を添加しても，
エッチストップが発生することがある。また，そのエッ
チストップを解消するべく，Ｏ₂の添加量を増加させる
と，上述の如くフォトレジスト膜層およびその肩部が削
られてしまい，コンタクトホールの内径が広がっていわ
ゆるＣＤロス(critical dimension loss)が生じたり，
ＳｉＯ₂膜層を必要量エッチングする前にフォトレジス
ト膜層が全てなくなってしまうために，狭小なコンタク
トホールを形成することができない。

【０００６】本発明は，従来の技術が有する上記のよう
な問題点に鑑みて成されたものであり，その目的は，マ
スクパターンに損傷を与えることなく，エッチストップ
の発生を防止し，高アスペクト比のコンタクトホールを
形成することが可能な新規かつ改良されたプラズマ処理
方法を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，本発明の第１の観点によれば，請求項１に記載の発
明のように，処理室内に導入された少なくともフルオロ
カーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，処理室内に
配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜層に対
してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法において，処
理ガスには，酸素が間欠的に添加されることを特徴とす
る，プラズマ処理方法が提供される。

【０００８】かかる構成によれば，酸素を処理ガスに間
欠的に添加するので，例えば，ＳｉＯ₂膜層に対してプ
ラズマエッチング処理を施してコンタクトホールを形成
する際に，エッチストップの発生を防止できる量のＯ₂
を処理ガスに添加しても，ＳｉＯ₂膜層上に形成された
フォトレジスト膜層およびその肩部が損傷し難くなる。
例えばＣ₄Ｆ₈を含む処理ガスでエッチング処理を行う場
合には，Ｏ₂の添加時にエッチストップの発生を防止す
るために上記従来のエッチング方法よりも多くのＯ₂を
添加しても，Ｏ₂の無添加時にフォトレジスト膜層に反
応生成物を堆積させることができるため，該フォトレジ
スト膜層およびその肩部を保護できる。その結果，フォ
トレジスト膜層に形成されたパターンの開口径が広がら
ず，かつエッチストップが起こらないので，高アスペク
ト比のコンタクトホールを形成することができる。

【０００９】また，酸素を，例えば請求項２に記載の発
明のように，周期的（パルス的）に処理ガスに添加すれ
ば，上記エッチストップの発生の防止と，反応生成物の
堆積をより確実に行うことができると共に，Ｏ₂の添加
制御を容易に行うことができる。

【００１０】さらに，酸素の添加時間を，例えば請求項
３に記載の発明のように，酸素の無添加時間よりも相対
的に短くすれば，Ｏ₂の全導入量（投入量）を従来のよ
うな連続導入の場合の全導入量以下にしても，フォトレ
ジスト膜層およびその肩部の損傷を最小限に止めながら
エッチストップの発生を防止することができる。

【００１１】また，酸化シリコン膜層にコンタクトホー
ルを形成する処理においては，エッチストップはアスペ
クト比の増加に比例して起こりやすくなる。そこで，例
えば請求項４に記載の発明のように，プラズマ処理によ
って酸化シリコン膜層にコンタクトホールを形成する場
合に，酸素の添加量をコンタクトホールのアスペクト比
の増加に応じて増加させれば，エッチングの進行に伴っ
てアスペクト比が大きくなっても，エッチストップの発
生を確実に防止できる。また，アスペクト比が小さい処
理初期には，Ｏ₂の添加量を少なくできるので，フォト
レジスト膜層の損傷を防止できる。なお，本明細書中に
おいて，アスペクト比とは，コンタクトホールの内径
（幅）ａと深さ（高さ）ｂとの比（ｂ／ａ）をいう。

【００１２】さらに，例えば請求項５に記載の発明によ
れば，アスペクト比の変化とプラズマの成分変化との関
係を予め求め，プラズマの成分変化に応じて酸素の添加
量を調整することができる。アスペクト比の変化は，処
理中には測定することが困難であるが，本発明を採用す
ればアスペクト比の変化に対応するプラズマの成分変化
に基づいてＯ₂の添加量を調整できるので，上記アスペ
クト比の変化に応じたＯ₂の添加量調整を容易かつ確実
に行うことができる。

【００１３】また，一般に，例えば請求項６に記載の発
明のように，Ｏ₂をプラズマ安定化後から添加しても，
上記エッチストップは，エッチングがある程度進行した
後に起こるので，処理に影響を及ぼすことがない。

【００１４】また，本発明の第２の観点によれば，請求
項７に記載の発明のように，処理室内に導入された少な
くともフルオロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化し
て，処理室内に配置された被処理体に形成された酸化シ
リコン膜層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方
法において，処理ガスには，酸素が添加されると共に，
酸素の添加量を相対的に増減させることを特徴とする，
プラズマ処理方法が提供される。

【００１５】かかる構成によれば，処理ガスに添加する
Ｏ₂の添加量を相対的に増減させるので，上記請求項１
に記載の発明と同様に，そのＯ₂の添加量が相対的に多
いときにエッチストップの発生を防止し，またＯ₂の添
加量が相対的に少ないときにフォトレジスト膜層に反応
生成物を堆積させて，そのフォトレジスト膜層を保護す
ることができるため，高アスペクト比のコンタクトホー
ルを形成することができる。

【００１６】また，酸素の添加量の増減を，例えば請求
項８に記載の発明のように，周期的に行えば，上記請求
項２に記載の発明と同様に，エッチストップの発生の防
止と，フォトレジスト膜層の保護を確実に行うことがで
きると共に，Ｏ₂の添加量制御を容易に行うことができ
る。

【００１７】さらに，酸素の添加量の増加時間を，例え
ば請求項９に記載の発明のように，酸素の添加量の減少
時間よりも相対的に短くすれば，上記請求項３に記載の
発明と同様に，フォトレジスト膜層の損傷を最小限に止
めながら，エッチストップの発生を防止することができ
る。

【００１８】また，例えば請求項１０に記載の発明のよ
うに，プラズマ処理によって酸化シリコン膜層にコンタ
クトホールを形成する場合に，酸素の添加量を，コンタ
クトホールのアスペクト比の増加に応じて増加させれ
ば，上記請求項４に記載の発明と同様に，処理に伴って
アスペクト比が大きくなっても，フォトレジスト膜を損
傷させずにエッチストップの発生を確実に防止できる。

【００１９】さらに，例えば請求項１１に記載の発明の
ように，アスペクト比の変化とプラズマの成分変化との
関係を予め求め，プラズマの成分変化に応じて酸素の添
加量を調整すれば，上記請求項５に記載の発明と同様
に，上記アスペクト比に応じたＯ₂の添加量調整を容易
かつ確実に行うことができる。

【００２０】また，添加量の増減を，例えば請求項１２
に記載の発明のように，プラズマの安定化後に行えば，
上記請求項６に記載の発明と同様に，プラズマを確実に
生成することができると共に，プラズマの不安定性に起
因するプロセスへの悪影響を生じさせることなく，エッ
チストップの発生を確実に防止することができる。

【００２１】また，本発明の第３の観点によれば，請求
項１３に記載の発明のように，処理室内に導入された少
なくともフルオロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化
して，処理室内に配置された被処理体に形成された酸化
シリコン膜層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理
方法において，処理ガスには，酸素が添加されると共
に，酸素の添加量は，酸化シリコン膜層に形成されたコ
ンタクトホールのアスペクト比の増加に応じて増加され
ることを特徴とする，プラズマ処理方法が提供される。

【００２２】かかる構成によれば，アスペクト比の増加
に応じてＯ₂の添加量が増加され，コンタクトホール底
部に導入されるＯ₂量を増やすことができるので，アス
ペクト比の増加に伴うエッチストップの発生を確実に防
止できる。また，アスペクト比が小さい時にはＯ₂の添
加量が少なく，さらにＯ₂の全投入量を従来よりも少な
くできるので，フォトレジスト膜層およびその肩部の損
傷を防止できる。

【００２３】また，例えば請求項１４に記載の発明のよ
うに，アスペクト比の変化とプラズマの成分変化との関
係を予め求め，プラズマの成分変化に応じて酸素の添加
量を調整すれば，上記請求項５や請求項１１に記載の発
明と同様に，アスペクト比の増加に応じたＯ₂の添加量
調整を容易かつ確実に行うことができる。

【００２４】また，酸素の添加量を，例えば請求項１５
に記載の発明のように，連続的に増加させたり，あるい
は例えば請求項１６に記載の発明のように，段階的に増
加させれば，アスペクト比の増加に応じて所望の状態で
Ｏ₂を処理ガスに添加することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に，添付図面を参照しながら
本発明にかかるプラズマ処理方法をエッチング方法に適
用した実施の形態について説明する。

【００２６】（第１の実施の形態） （１）エッチング装置の全体構成 まず，図１を参照しながら，第１の実施の形態のエッチ
ング方法が適用されるエッチング装置１００について説
明する。同図に示すエッチング装置１００の処理室１０
２は，導電性の気密な処理容器１０４内に形成されてお
り，この処理室１０２内には，ウェハＷの載置台を兼ね
た導電性の下部電極１０６が配置されている。また，下
部電極１０６上には，ウェハＷを吸着保持する静電チャ
ック１０８が設けられており，この静電チャック１０８
には，高圧直流電圧を出力する高圧直流電源１１０が接
続されている。さらに，下部電極１０６上には，静電チ
ャック１０８上に載置されたウェハＷの周囲を囲むよう
にフォーカスリング１１２が設けられている。

【００２７】また，下部電極１０６には，その周囲を囲
むようにバッフル板１１４が取り付けられており，この
バッフル板１１４に形成された複数の貫通孔１１４ａを
介して処理室１０２と，処理容器１０４内下方に接続さ
れている排気管１１６とが連通している。さらに，排気
管１１６には，不図示の真空ポンプが接続されている。
また，下部電極１０６には，整合器１１８を介して高周
波電力を出力する高周波電源１２０が接続されている。
さらに，処理容器１０２の外部には，処理室１０２内に
磁界を形成する磁石１２２が設けられている。

【００２８】また，下部電極１０６の載置面に対向する
処理室１０２の天井部には，導電性の上部電極１２４が
配置されており，図示の例では，処理容器１０４を介し
て接地されている。さらに，上部電極１２４には，多数
のガス吐出孔１２４ａが形成されており，それらガス吐
出孔１２４ａは，第１ガス供給管１２６と第２ガス供給
管１２８に接続されたガス拡散室１３０と連通してい
る。また，第１ガス供給管１２６には，第１開閉バルブ
１３２および第１流量調整バルブ（マスフローコントロ
ーラ）１３４を介して第１ガス供給源１３６と，第２開
閉バルブ１３８および第２流量調整バルブ１４０を介し
て第２ガス供給源１４２と，第３開閉バルブ１４４およ
び第３流量調整バルブ１４６を介して第３ガス供給源１
４８がそれぞれ接続されている。さらに，図示の例で
は，第１ガス供給源１３６からはＣ₄Ｆ₈が供給され，第
２ガス供給源１４２からはＣＯが供給され，第３ガス供
給源１４８からはＡｒが供給される。

【００２９】また，第２ガス供給管１２８には，第４開
閉バルブ１５０および第４流量調整バルブ１５２を介し
て，Ｏ₂を供給する第４ガス供給源１５４が接続されて
いる。さらに，第１〜第４流量調整バルブ１３４，１４
０，１４６，１５２には，上記各ガスの流量を制御する
制御器１５６が接続されている。

【００３０】（２）Ｏ₂の添加によるエッチストップの
解消現象 次に，図２を参照しながら，処理ガスへのＯ₂の添加に
よってエッチストップが起こらなくなる現象について説
明する。発明者らの知見によれば，Ｏ₂の添加によって
エッチストップが解消される理由としては，主に以下の
２つの説が考えられる。

【００３１】（ａ）第１説 例えば，Ｏ₂が添加されていないＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒの
混合ガスを用いて，図２（ａ）に示すように，Ｓｉ（シ
リコン）基板２００上に形成されたＳｉＯ₂膜層２０２
に対してエッチング処理を施し，コンタクトホール２０
４を形成する。この際，正イオン（Ｉ⁺）は，シースに
より加速され，コンタクトホール２０４内に入るが，電
子（ｅ^-）は等方的に入射するため，コンタクトホール
２０４のホール径（内径）が小さくなると，コンタクト
ホール２０４内に入るものと入らないものとが生じ，コ
ンタクトホール２０４内の下部側壁が正（プラス）の電
荷に帯電する。

【００３２】正電荷のチャージ量がある程度以上になる
と，イオンがコンタクトホール２０４内に入り込めなく
なり，そのイオンがコンタクトホール２０４底面に到達
しなくなる。その結果，ラジカルとイオンのバランスが
崩れてしまい，エッチストップが生じる。ただし，アス
ペクト比が小さい場合は，ほとんど正電荷に帯電しない
のでラジカルとイオンのバランスも崩れず，エッチスト
ップは生じない。これに対して，アスペクト比が大きい
場合は，上述の如くイオンがコンタクトホール２０４底
部に到達できず，イオンとラジカルの比が変わり，エッ
チストップが生じる。

【００３３】そこで，上記処理ガスにＯ₂を添加する
と，Ｏ₂が解離してＯ^*（酸素ラジカル）および負イオン
が生じ，このＯの負イオンがコンタクトホール２０４内
に侵入すると，Ｏの負イオンやＯ^*の作用によって上記
正電荷の帯電が解消する。従って，内径が略０．１８μ
ｍ以下のような非常に狭小なコンタクトホール２０４を
形成する場合でも，イオンがコンタクトホール２０４底
部に到達する。そして，イオンとＣ_xＦ_yラジカルとＳｉ
Ｏ₂とが適度なバランスで反応して，コンタクトホール
２０４底部のＳｉＯ₂膜層２０２が適度にエッチングさ
れ，エッチストップの発生が防がれる。

【００３４】（ｂ）第２説 堆積種は，入射の立体角が大きく，図２（ｂ）に示すよ
うに，コンタクトホール２０４内の側壁上部に堆積しや
すく，ＣＦ_xポリマー（堆積物）２１０が形成される。
さらに，このＣＦ_xポリマー２１０にイオン（Ｉ⁺）が衝
突し，Ｃ／Ｆ比の高い成分がコンタクトホール２０４内
下方にスパッタリングされていく。つまり，ＣＦ_xポリ
マー２１０がスパッタと再堆積を繰り返し，Ｃリッチな
堆積物（反応生成物）２１２が形成される。そして，こ
の堆積物２１２は，微細コンタクトホール２０４でのＳ
ｉＯ₂膜層２０２のエッチング速度低下の主な原因とな
る。従って，かかる原因を踏まえて，コンタクトホール
２０４側壁を垂直に形成することが重要となる。

【００３５】そこで，処理ガスにＯ₂を添加すれば，上
述の如くＯ₂が解離して生成されるＯ^*と，コンタクトホ
ール２０４底部の堆積物２１２とが反応し，例えばＣ
Ｏ，ＣＯ₂，ＣＯＦ_xなどとなってコンタクトホール２０
４の外部に排出される。その結果，コンタクトホール２
０４底部に堆積していた難エッチング性の堆積物２１２
が除去されるため，イオン２１０とラジカルとの比のエ
ッチングバランスが適切になり，エッチストップの発生
を防止することができる。

【００３６】以上説明したように，いずれの説を採用す
るにせよ，処理ガスへＯ₂を添加することによりエッチ
ストップを防止できる。しかしながら，上記エッチスト
ップの発生を確実に防止するためには，コンタクトホー
ル２０４のアスペクト比が大きくなる（狭小化）に伴っ
て，Ｏ₂の添加量を増加させなければならないが，上述
した従来のエッチング方法のように，Ｏ₂を処理ガスに
常時一定量添加したのでは，ＳｉＯ₂膜層２０２上に形
成されているフォトレジスト膜層２０６およびその肩部
もエッチングされてしまう。そこで，本実施の形態は，
後述の如く所定の間隔でＯ₂の添加および無添加を交互
に切り替えながら処理ガスにＯ₂を添加することで，エ
ッチストップの発生を確実に防止できる量のＯ₂を処理
ガスに添加して，フォトレジスト膜層２０６およびその
肩部が損傷することなく，高アスペクト比のコンタクト
ホール２０４を形成する。

【００３７】（３）エッチング工程およびＯ₂の添加量
制御構成 次に，図１〜図３を参照しながら，エッチング工程およ
びＯ₂の添加量（流量）制御構成について説明する。ま
ず，図１に示すように，ウェハＷを，例えば２０℃に設
定された下部電極１０６の静電チャック１０８上に載置
して吸着保持する。このウェハＷは，図２に示すよう
に，Ｓｉ基板２００上にＳｉＯ₂膜層２０２が形成され
ていると共に，そのＳｉＯ₂膜層２０２の上面が所定の
パターンが形成されたフォトレジスト膜層２０６によっ
て覆われている。また，図１に示す処理室１０２の内壁
面および上部電極１２４の温度は，例えば６０℃に設定
されている。

【００３８】次いで，制御器１５６により第１〜第３流
量調整バルブ１３４，１４０，１４６を適宜調整して，
例えばＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒから成る混合ガスをそれぞれ
１０ｓｃｃｍと５０ｓｃｃｍと２００ｓｃｃｍの流量で
処理室１０２内に導入する。この際，第４流量調整バル
ブ１５２は閉じられており，Ｏ₂の供給は停止されてい
る。また，処理室１０２内は，バッフル板１１４の貫通
孔１１４ａと排気管１１６を介して真空引きされ，例え
ば４０ｍＴｏｒｒの圧力に維持されている。その後，下
部電極１０６に対して，例えば１３．５６ＭＨｚで１７
００Ｗの高周波電力を印加すると，上部電極１２４と下
部電極１０６との間にプラズマが生成され，該プラズマ
中のイオンやラジカルによってＳｉＯ₂膜層２０２に所
定のエッチング処理が施される。

【００３９】また，上記プラズマの生成状態は，例えば
プラズマの発光スペクトルを検出するセンサによって監
視されており，このセンサからの情報が制御器１５６に
伝達されている。そして，制御器１５６は，プラズマが
安定化し，ＳｉＯ₂膜層２０２に安定したエッチング処
理が施されていると判断すると，所定のパルス電圧を第
４流量調整バルブ１５２に印加する。第４流量調整バル
ブ１５２は，上記パルス電圧のオンの時にはバルブを開
放して，Ｏ₂をガス拡散室１３０内に供給し，上記パル
ス電圧のオフの時には，バルブを閉じてＯ₂の供給を停
止する。その結果，Ｏ₂は，図３に示すように，上記パ
ルス電圧のオン，オフに同期してガス拡散室１３０内に
滞在する処理ガスに添加され，該処理ガスがガス吐出孔
１２４ａを介して，処理室１０２内に供給される。

【００４０】また，Ｏ₂の添加時の最大流量は，上記従
来のエッチング方法でのＯ₂の流量よりも多く設定さ
れ，本実施の形態では，例えば１０ｓｃｃｍに設定され
ている。さらに，１周期当たりのＯ₂の添加時間は，数
ｍ秒〜数１０ｍ秒，例えば５ｍ秒〜１０ｍ秒に設定さ
れ，またＯ₂の無添加時間は，そのＯ₂の添加時間よりも
長く設定されている。従って，Ｏ₂の添加時間が無添加
時間に比べて非常に少ないので，常時Ｏ₂を添加したな
らばフォトレジスト膜層２０６が削られてしまう量のＯ
₂を処理ガスに添加しても，フォトレジスト膜層２０６
にＣＦ系化合物などの反応生成物（保護膜）を形成する
ことができ，損傷されやすいフォトレジスト膜層２０６
の肩部が削られることがない。さらに，Ｏ₂の全導入量
は，従来の連続導入の場合の全導入量以下なので，上記
損傷の発生を確実に防止できる。

【００４１】本実施の形態は，以上のように構成されて
おり，処理ガスに添加するＯ₂の添加および無添加を所
定周期で切り替えるので，フォトレジスト膜層２０６に
形成されているパターンを初期の状態に維持しながら，
コンタクトホール２０４内部側壁部のチャージ現象を防
止し，かつコンタクトホール底部２０４への反応生成物
（堆積物）２０８，２１２の堆積を抑制して，エッチス
トップの発生を防止することができる。

【００４２】（第２の実施の形態）次に，第２の実施の
形態のエッチング方法について説明する。なお，本実施
の形態を適用可能なエッチング装置は，上記第１の実施
の形態で説明したエッチング装置１００と同一なので，
略同一の機能および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。た
だし，上記第１の実施の形態では，Ｏ₂を処理ガスに断
続的に添加するのに対して，本実施の形態では，Ｏ₂の
添加量を相対的に増減させることを特徴としている。

【００４３】すなわち，本実施の形態では，プラズマ生
成前の処理室１０２内に，Ｃ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒから成る
混合ガスを，それぞれ例えば１０ｓｃｃｍと５０ｓｃｃ
ｍと２００ｓｃｃｍの流量で導入すると共に，例えば流
量が５ｓｃｃｍのＯ₂も同時に導入する。この際，それ
ら各ガスの流量は，上記第１の実施の形態と同様に，制
御器１５６から第１〜第４流量調整バルブ１３４，１４
０，１４６，１５２に印加する電圧によって調整されて
いる。なお，本実施の形態の場合には，プラズマ生成前
からＯ₂を処理ガスに添加しているが，Ｏ₂の添加量は微
量なのでプラズマの生成やフォトレジスト膜層２０６に
影響を及ぼすことはない。

【００４４】次いで，下部電極１０６に対して所定の高
周波電力を印加し，処理室１０２内にプラズマを生成す
る。そして，制御器１５６は，上記第１の実施の形態と
同様に，プラズマが安定化したことを確認すると，制御
器１５６から第４流量調整バルブ１５２の開度を調整し
て，ガス拡散室１３０内に導入されるＯ₂の流量，すな
わち図４に示すように処理ガスへのＯ₂の添加量を増減
する。本実施の形態の場合には，Ｏ₂の流量は５ｓｃｃ
ｍと１０ｓｃｃｍとの間で増減を反復するように構成さ
れている。なお，本実施の形態においては，ガス拡散室
１３０内に高い流量，例えば１０ｓｃｃｍでＯ₂を供給
する時間は，数ｍ秒〜数１０ｍ秒，例えば５ｍ秒〜１０
ｍ秒に設定されている。これに対して，ガス拡散室１３
０内に低い流量，例えば５ｓｃｃｍでＯ₂を供給する時
間は，高い流量でＯ₂を供給する時間よりも長く設定さ
れている。

【００４５】本実施の形態は，以上のように構成されて
おり，処理ガスに添加するＯ₂の添加量を所定周期で増
減させるので，Ｏ₂が処理ガス中に常時多く含まれるこ
とがない。その結果，フォトレジスト膜層２０６に形成
されたパターンを初期の状態に維持しながら，エッチス
トップが発生することなく，所定の高アスペクト比のコ
ンタクトホール２０４を形成することができる。また，
Ｏ₂をプラズマ生成前後を通して処理ガスに添加するの
で，従来の処理プロセスと略同一の条件で処理を行うこ
とができる。さらに，処理中には，Ｏ₂が処理ガスに常
時添加されるので，エッチストップの発生をより確実に
防止することができる。

【００４６】（第３の実施の形態）次に，第３の実施の
形態のエッチング方法について説明する。なお，本実施
の形態は，コンタクトホール２０４のアスペクト比の変
化に対応するプラズマの成分変化に応じてＯ₂の添加量
を調整する点が，上記第１および第２の実施の形態と異
なる。

【００４７】（１）エッチング装置の全体構成 まず，図５を参照しながら，本実施の形態のエッチング
方法が適用されるエッチング装置３００について説明す
る。なお，上述したエッチング装置１００と略同一の機
能および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。図５に示すエ
ッチング装置３００の制御器１５６には，例えば赤外レ
ーザ吸収分光法（ＩＲ−ＬＡＳ）により処理室１０２内
のプラズマの成分変化を測定する分析器３０２が接続さ
れている。この分析器３０２は，不図示の光源から出力
され，処理室１０２内に生成されたプラズマ中を通過し
た赤外レーザ光が，処理室１０２側壁に設けられた光透
過性の検出窓３０４と，磁石１２２に設けられた貫通口
３０６とを介して分光器３０２の受光部に入力されるよ
うに配置されている。

【００４８】（２）コンタクトホールのアスペクト比の
変化とプラズマの成分変化との関係 次に，図６および図７を参照しながら，コンタクトホー
ル２０４のアスペクト比の変化とプラズマの成分変化と
の関係について説明する。Ｏ₂が添加されていないＣ₄Ｆ
₈とＣＯとＡｒから成る処理ガスを用いてウェハＷのＳ
ｉＯ₂膜層２０２にエッチング処理を行うと，図６
（ａ）に示すように，所定のエッチング時間経過後，す
なわちＳｉＯ₂膜層２０２に形成されるコンタクトホー
ル２０４のアスペクト比が所定の大きさ以上になるとエ
ッチングレートが低下し，最終的にはエッチングが進行
しなくなる。

【００４９】この際，図６に示すように，実質的に一定
のエッチングレートが確保される区間（Ａ）には，Ｓｉ
Ｏ₂膜層２０２に図７（ａ）に示すいわゆるμトレンチ
のコンタクトホール２０４が形成される。エッチングが
進行し，エッチングレートが低下する区間（Ｂ）には，
ＳｉＯ₂膜層２０２のエッチング状態が不安定となっ
て，図７（ｂ）に示すようにコンタクトホール２０４の
底部が凸凹形状になる。さらに，エッチングレートが実
質的に０になる区間（Ｃ）には，図７（ｃ）に示すよう
にコンタクトホール２０４底部に上述した反応生成物２
０８や堆積物２１２（以下，「反応生成物等２０８，２
１２」という。）が堆積し，かつコンタクトホール２０
４内部側壁部のチャージ現象によりエッチストップが起
こる。

【００５０】次に，エッチング時間（アスペクト比）と
コンタクトホール２０４底部の反応生成物等２０８，２
１２の堆積量との関係について着目すると，図６（ｂ）
に示すように，反応生成物等２０８，２１２は，エッチ
ング初期の段階，すなわちアスペクト比が小さい段階か
らコンタクトホール２０４底部に堆積するが，区間
（Ａ）内での堆積量であれば図７（ａ）に示すように所
定のエッチングが行われる。また，反応生成物等２０
８，２１２が区間（Ｂ）内の堆積量になると，図７
（ｂ）に示すようにエッチングに影響を及ぼす。さら
に，区間（Ｃ）内の堆積量，すなわち区間（Ｂ）と区間
（Ｃ）との境のエッチストップ境界量以上になると，図
７（ｃ）に示すようにエッチストップを引き起こす。

【００５１】このように，アスペクト比（エッチング時
間）の増加と，エッチングレート，エッチング形状およ
びコンタクトホール２０４底部の反応生成物等２０８，
２１２の堆積量とは，密接な関係にある。従って，アス
ペクト比の増加に応じてＯ₂の添加量を増加させれば，
エッチストップの発生を防止できるだけではなく，所望
のエッチングレートおよびエッチング形状を得ることが
できる。また，アスペクト比が小さい処理初期には，Ｏ
₂の添加量を少なくできるので，フォトレジスト膜層２
０６およびパターン肩部の損傷を最小限に止めることが
できる。さらに，Ｏ₂の全導入量（投入量）は，従来の
ような連続導入の場合の全導入量以下にできるので，上
記フォトレジスト膜層２０６の肩部の削れを確実に防止
できる。また，処理初期でＯ₂の添加量を少なくした分
だけ，その後にＯ₂を上記よりもさらに多く添加するこ
とができるので，エッチストップの発生を確実に防止で
きる。

【００５２】ただし，エッチング処理中には，実際のコ
ンタクトホール２０４のアスペクト比を測定することは
非常に困難である。そこで，本実施の形態では，アスペ
クト比の増加に対応して変化するプラズマの成分変化に
基づいてＯ₂の添加量を調整する。ここで，アスペクト
比の増加とプラズマの成分変化との関係について説明す
ると，図６（ｃ）に示すように，上述した所定のエッチ
ングが行われる区間（Ａ）内では，プラズマ中のエッチ
ャントであるＣＦ，ＣＦ₂およびＣＦ₃の総含有量（以
下，「ＣＦ類総含有量」という。）は，一定である。ま
た，ＳｉＯ₂膜層２０２のエッチングにより生じた副生
成物（バイプロダクト）の１つであるＳｉＦ₂の含有量
も一定である。また，エッチングが進行し難くなる区間
（Ｂ）内では，ＣＦ類総含有量が増加すると共に，Ｓｉ
Ｆ₂の含有量が減少する。さらに，実質的にエッチング
が進行しない区間（Ｃ）内では，ＣＦ類総含有量は一定
となり，ＳｉＦ₂の含有量はほぼゼロになる。

【００５３】このように，コンタクトホール２０４のア
スペクト比およびエッチング形状の変化と，処理室１０
２内のプラズマ中のＣＦ類総含有量およびＳｉＦ₂の含
有量の変化とは，相関関係にあるので，実際の処理時に
は上記プラズマの成分変化を測定し，該成分変化に応じ
て処理ガスに添加するＯ₂の添加量を調整すれば，アス
ペクト比およびエッチング形状に応じてＯ₂の添加量を
調整した場合とほぼ同様の制御を行うことができる。

【００５４】（３）エッチング工程およびＯ₂の添加量
制御構成 次に，図５，図６（ｃ）および図８を参照しながら，エ
ッチング工程およびＯ₂の添加量制御構成について説明
する。なお，上記第１の実施の形態と同一の工程につい
ては，重複説明を省略する。分析器３０２には，不図示
の光源から出力された赤外レーザ光が入力されており，
エッチング処理の開始により処理室１０２内にプラズマ
が生成されると，上記赤外レーザ光がプラズマ中を通過
する。分析器３０２は，プラズマ中を通過した赤外レー
ザ光から赤外レーザ吸収分光法によりプラズマに含まれ
る成分のうち，上述したＣＦ，ＣＦ₂およびＣＦ₃の各含
有量と，ＳｉＦ₂の含有量を求め，それら各含有量情報
を制御器１５６に出力する。

【００５５】また，制御器１５６には，図６（ｃ）に示
すアスペクト比の増加に応じたプラズマ中のＣＦ類総含
有量およびＳｉＦ₂の含有量の変化情報が予め設定され
ている。従って，制御器１５６は，分析器３０２から入
力されたＣＦ，ＣＦ₂，ＣＦ₃の総含有量（ＣＦ類総含有
量）およびＳｉＦ₂の含有量の変化時，すなわちＣＦ類
総含有量が増加し，ＳｉＦ₂の含有量が減少する時にＯ₂
の流量を調整する。かかる構成により，図８に示すよう
に，実質的にコンタクトホール２０４のアスペクト比の
増加に応じてＯ₂の添加量が連続的に増加され，コンタ
クトホール２０４底部へのＯ₂の導入量が増加されるの
で，フォトレジスト膜層２０６およびその肩部が損傷せ
ずにエッチストップが発生することなく，高アスペクト
比のコンタクトホール２０４を形成することができる。

【００５６】以上，本発明の好適な実施の形態につい
て，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかか
る構成に限定されるものではない。特許請求の範囲に記
載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，
各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，そ
れら変更例および修正例についても本発明の技術的範囲
に属するものと了解される。

【００５７】例えば，上記第１および第２の実施の形態
において，所定の周期ごとに一定量のＯ₂を間欠的に，
あるは増減させながら処理ガスに添加する構成を例に挙
げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるもの
ではない。例えば，上記第３の実施の形態と同様にアス
ペクト比の増加，すなわちプラズマの成分変化に応じて
Ｏ₂の添加量を増加させながら，図９に示すようにＯ₂を
間欠的（パルス的）に添加したり，あるいは図１０に示
すようにＯ₂をパルス的に増減させて添加したり，図１
１に示すようにＯ₂を曲線的に増減させて添加すれば，
上記第３の実施の形態と同様の効果を奏することができ
る。さらに，上記プラズマの成分変化に応じて，図１３
に示すようにＯ₂の添加量を連続的かつ直線的に増加さ
せても，上記と同様の効果を奏することができる。

【００５８】また，上記第３の実施の形態において，Ｏ
₂の添加量を連続的に増加させる構成を例に挙げて説明
したが，本発明はかかる構成に限定されるものではな
く，例えば図１２に示すように，プラズマの成分変化に
応じてＯ₂の添加量を段階（多段階）的に増加させる構
成を採用しても同様の効果を奏することができる。

【００５９】さらに，上記第３の実施の形態において，
プラズマの成分変化に基づいてＯ₂の添加量を調整する
構成を例に挙げて説明したが，Ｏ₂以外の処理ガスの流
量や，処理室内の圧力や，電極に印加する高周波電力
や，電極や処理室内壁の温度などもプラズマの成分変化
に応じて調整することができる。

【００６０】また，上記第３の実施の形態において，プ
ラズマの成分変化を赤外レーザ吸収分析法により測定す
る構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に
限定されるものではなく，例えばレーザ誘起蛍光法（Ｌ
ＩＦ）や，発光分光法（ＯＥＳ）や，四重極質量分析法
などによりプラズマ成分の含有量を求めても，本発明を
実施することができる，さらに，プラズマの電位や温度
の変化に基づいてＯ₂の添加量を調整することもでき
る。

【００６１】さらに，上記第３の実施の形態において，
実測したプラズマの成分変化に応じてＯ₂の添加量を調
整する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構
成に限定されるものではなく，コンタクトホールのアス
ペクト比の増加とエッチング時間との関係を予め求めて
おき，該エッチング時間の経過に応じてＯ₂の添加量を
増加させる構成を採用しても本発明を実施することがで
きる。

【００６２】また，上記第１〜第３の実施の形態におい
て，処理ガスとしてＣ₄Ｆ₈とＣＯとＡｒの混合ガスにＯ
₂を添加する構成を例に挙げ説明したが，本発明はかか
る構成に限定されるものではなく，少なくともフルオロ
カーボンを含む処理ガスであれば，他の処理ガスを採用
しても本発明を実施することができる。

【００６３】さらに，上記第１〜第３の実施の形態にお
いて，Ｏ₂とその他の処理ガスをガス拡散室に導入した
後，ガス吐出孔を介して処理室内に供給する構成を例に
挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるも
のではなく，Ｏ₂を処理室内に直接供給しても本発明を
実施することができる。

【００６４】また，上記第１〜第３の実施の形態におい
て，Ｏ₂の流量（添加量）を，電圧で開度を調整する流
量調整バルブで行う構成を例に挙げて説明したが，本発
明はかかる構成に限定されるのもではなく，Ｏ₂の流量
を適宜調整できれば，他の流量調整手段を用いても本発
明を実施することができる。

【００６５】さらに，上記第１〜第３の実施の形態にお
いて，プラズマの状態を光学センサで検出する構成を例
に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定される
ものではなく，例えば予めプラズマが安定する時間を求
めておき，実際の処理時にはその時間に基づいてＯ₂の
添加量制御を行う構成を採用しても本発明を実施するこ
とができる。

【００６６】また，上記第１〜第３の実施の形態におい
て，下部電極のみに高周波電力を印加するエッチング装
置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定
されるものではなく，例えば上部電極と下部電極の両方
や，上部電極のみに高周波電力を印加する構成を有する
プラズマ処理装置にも本発明を適用することができる。
また，本発明は，上記磁石を備えたエッチング装置のみ
ならず，その様な磁石を備えていないプラズマ処理装置
にも適用することができる。

【００６７】

【発明の効果】本発明によれば，Ｏ₂を間欠的に処理ガ
スに添加しながら，あるいはＯ₂の添加量を相対的に増
減させながら処理を行うので，エッチングマスクの損傷
を最小限に止めることができると共に，例えばコンタク
トホール底部に堆積した反応生成物を除去し，コンタク
トホール内壁面のチャージング現象の発生を防止して，
エッチストップの発生を防止することができる。その結
果，超微細な高アスペクト比のコンタクトホールを，所
望の形状で形成することができる。また，アスペクト比
の増加に応じてＯ₂の添加量を増加させながら処理を行
えるので，エッチストップの発生をより確実に防止で
き，さらにＯ₂の全投入量を削減できるのでエッチング
マスクが損傷することがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能なエッチング装置を示す概略
的な断面図である。

【図２】（ａ）はＯ₂の添加によるエッチストップの解
消現象の第１説を説明するための概略的な説明図であ
り，（ｂ）はＯ₂の添加によるエッチストップの解消現
象の第２説を説明するための概略的な説明図である。

【図３】図１に示すエッチング装置に適用されるＯ₂の
添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図であ
る。

【図４】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための
概略的な説明図である。

【図５】本発明を適用可能な他のエッチング装置を示す
概略的な断面図である。

【図６】（ａ）はエッチング時間（コンタクトホールの
アスペクト比）とエッチングレートとの関係を説明する
ための概略的な説明図であり，（ｂ）はエッチング時間
（コンタクトホールのアスペクト比）とコンタクトホー
ル底部の反応生成物等の堆積量との関係を説明するため
の概略的な説明図であり，（ｃ）はエッチング時間（コ
ンタクトホールのアスペクト比）とプラズマ成分の含有
量との関係を説明するための概略的な説明図である。

【図７】（ａ）は図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す区間
（Ａ）でのコンタクトホールの形状を示す概略的な断面
図であり，（ｂ）は図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す区間
（Ｂ）でのコンタクトホールの形状を示す概略的な断面
図であり，（ｃ）は図６（ａ）〜図６（ｃ）に示す区間
（Ｃ）でのコンタクトホールの形状を示す概略的な断面
図である。

【図８】図５に示すエッチング装置に適用されるＯ₂の
添加量の制御構成を説明するための概略的な説明図であ
る。

【図９】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するための
概略的な説明図である。

【図１０】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するため
の概略的な説明図である。

【図１１】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するため
の概略的な説明図である。

【図１２】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するため
の概略的な説明図である。

【図１３】他のＯ₂の添加量の制御構成を説明するため
の概略的な説明図である。

【符号の説明】

１００，３００ エッチング装置 １０２ 処理室 １０６ 下部電極 １２４ 上部電極 １２４ａ ガス吐出孔 １２６，１２８ 第１および第２ガス供給管 １３０ ガス拡散室 １３４，１４０，１４６，１５２ 第１〜第４流量
調整バルブ １３６，１４２，１４８，１５４ 第１〜第４ガス
供給源 １５６ 制御器 ２０２ ＳｉＯ₂膜層 ２０４ コンタクトホール ２０６ フォトレジスト膜層 ３０２ 分析器 Ｗ ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 博之 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の１ 東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者 北村 彰規 山梨県韮崎市藤井町北下条2381番地の１ 東京エレクトロン山梨株式会社内 Ｆターム(参考） 4K057 DA11 DA12 DA20 DB20 DD03 DD08 DE06 DE14 DE20 DG07 DJ02 DJ03 DJ06 DM02 DM03 DM08 DM22 DM23 DM35 DN01 5F004 AA00 AA01 BA04 BA08 BA09 BA13 BB11 BB18 BB22 BB28 CA02 CB02 CB03 DA00 DA23 DB03 EB01

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室内に導入された少なくともフルオ
   ロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，前記処理
   室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜
   層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法におい
   て，前記処理ガスには，酸素が間欠的に添加されること
   を特徴とする，プラズマ処理方法。
2. 【請求項２】 前記酸素は，周期的に前記処理ガスに添
   加されることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ
   処理方法。
3. 【請求項３】 前記酸素の添加時間は，前記酸素の無添
   加時間よりも相対的に短いことを特徴とする，請求項１
   または２のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
4. 【請求項４】 前記酸化シリコン膜層には，コンタクト
   ホールが形成され，前記酸素の添加量は，前記コンタク
   トホールのアスペクト比の増加に応じて増加されること
   を特徴とする，請求項１，２または３のいずれかに記載
   のプラズマ処理方法。
5. 【請求項５】 前記アスペクト比の変化と前記プラズマ
   の成分変化との関係を予め求め，前記プラズマの成分変
   化に応じて前記酸素の添加量を調整することを特徴とす
   る，請求項４に記載のプラズマ処理方法。
6. 【請求項６】 前記酸素の添加は，前記プラズマの安定
   化後に行われることを特徴とする，請求項１，２，３，
   ４または５のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
7. 【請求項７】 処理室内に導入された少なくともフルオ
   ロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，前記処理
   室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン膜
   層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法におい
   て，前記処理ガスには，酸素が添加されると共に，前記
   酸素の添加量を相対的に増減させることを特徴とする，
   プラズマ処理方法。
8. 【請求項８】 前記酸素の添加量の増減は，周期的に行
   われることを特徴とする，請求項７に記載のプラズマ処
   理方法。
9. 【請求項９】 前記酸素の添加量の増加時間は，前記酸
   素の添加量の減少時間よりも相対的に短いことを特徴と
   する，請求項７または８のいずれかに記載のプラズマ処
   理方法。
10. 【請求項１０】 前記酸化シリコン膜層には，コンタク
    トホールが形成され，前記酸素の添加量は，前記コンタ
    クトホールのアスペクト比の増加に応じて増加されるこ
    とを特徴とする，請求項７，８または９のいずれかに記
    載のプラズマ処理方法。
11. 【請求項１１】 前記アスペクト比の変化と前記プラズ
    マの成分変化との関係を予め求め，前記プラズマの成分
    変化に応じて前記酸素の添加量を調整することを特徴と
    する，請求項１０に記載のプラズマ処理方法。
12. 【請求項１２】 前記添加量の増減は，前記プラズマの
    安定化後に行われることを特徴とする，請求項７，８，
    ９，１０または１１のいずれかに記載のプラズマ処理方
    法。
13. 【請求項１３】 処理室内に導入された少なくともフル
    オロカーボンを含む処理ガスをプラズマ化して，前記処
    理室内に配置された被処理体に形成された酸化シリコン
    膜層に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法にお
    いて，前記処理ガスには，酸素が添加されると共に，前
    記酸素の添加量は，前記酸化シリコン膜層に形成された
    コンタクトホールのアスペクト比の増加に応じて増加さ
    れることを特徴とする，プラズマ処理方法。
14. 【請求項１４】 前記アスペクト比の変化と前記プラズ
    マの成分変化との関係を予め求め，前記プラズマの成分
    変化に応じて前記酸素の添加量を調整することを特徴と
    する，請求項１３に記載のプラズマ処理方法。
15. 【請求項１５】 前記酸素の添加量は，連続的に増加さ
    れることを特徴とする，請求項１３または１４のいずれ
    かに記載のプラズマ処理方法。
16. 【請求項１６】 前記酸素の添加量は，段階的に増加さ
    れることを特徴とする，請求項１３または１４のいずれ
    かに記載のプラズマ処理方法。