JP6180824B2

JP6180824B2 - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置

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Publication number: JP6180824B2
Application number: JP2013138558A
Authority: JP
Inventors: 弘樹松丸; 学下田; 道拓狩野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2013-07-02
Filing date: 2013-07-02
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-07-02
Also published as: JP2015012249A

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に関する。

被処理体に形成されたシリコン膜等の被エッチング膜を所望のマスクパターンにエッチングする技術が提案されている。例えば、特許文献１では、四フッ化ケイ素ガスＳｉＦ_４と水素ガスＨ_２とを含むガスから保護膜として機能するシリコン含有被膜をマスクの露出面に形成し、マスク及びシリコン含有被膜を介して被エッチング膜をエッチングする方法が提案されている。

特開２００８−６０５６６号公報

アスペクト比（ＡＲ：ＡｓｐｅｃｔＲａｔｉｏ）が高くなると、エッチングによりシリコン含有被膜に形成された穴の側壁の垂直性を確保することが難しくなる。例えば、エッチングにより生成された生成物が穴の開口部の周辺に堆積することで穴の間口が狭くなると、その堆積した生成物によりエッチングの進行が阻害される。これにより、エッチング形状を垂直に維持することが困難になる。

上記課題に対して、一側面では、シリコン膜を含む被エッチング膜のエッチング性能を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置され、被処理体を載置する第２の電極とを有する処理室内にて被処理体をプラズマエッチングする方法であって、前記第１の電極又は前記第２の電極のいずれかに第１の高周波電力を印加し、前記第２の電極に前記第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力を印加し、前記処理室内に臭化水素ガスＨＢｒと酸素ガスＯ_２とフッ素系ガスとを含む処理ガスを供給し、前記処理ガスから生成されたプラズマにより被処理体に形成された少なくともシリコン膜を含む被エッチング膜を所望のマスクパターンにエッチングする、ステップを有し、前記エッチングするステップは、前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力を連続的又は間欠的に印加する第１のエッチングステップと、前記第１のエッチングステップの後に前記第１の高周波電力を連続的又は間欠的に印加し、前記第２の高周波電力を間欠的に印加する第２のエッチングステップとを有する、ことを特徴とするプラズマエッチング方法が提供される。

また、上記課題を解決するために、他の態様によれば、第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置され、被処理体を載置する第２の電極と、処理室内にて被処理体をプラズマエッチングする処理を制御する制御部と、を有するプラズマエッチング装置であって、前記制御部は、前記第１の電極又は前記第２の電極のいずれかに第１の高周波電力を印加し、前記第２の電極に前記第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力を印加し、前記処理室内に臭化水素ガスＨＢｒと酸素ガスＯ_２とフッ素系ガスとを含む処理ガスを供給し、前記処理ガスから生成されたプラズマにより被処理体に形成された少なくともシリコン膜を含む被エッチング膜を所望のマスクパターンにエッチングする、処理を制御し、更に、前記エッチングするステップにおいて、前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力を連続的に印加する第１のエッチングステップと、前記第１のエッチングステップの後に前記第１の高周波電力を連続的又は間欠的に印加し、前記第２の高周波電力を間欠的に印加する第２のエッチングステップとを制御する、ことを特徴とするプラズマエッチング装置が提供される。

一の態様によれば、シリコン膜を含む被エッチング膜のエッチング性能を向上させることができる。

一実施形態に係るエッチング工程の概略を説明するための図。一実施形態に係るエッチング工程におけるバイプロダクトの生成例。一実施形態に係るエッチング処理を示したフローチャート。一実施形態に係るエッチング処理におけるレシピ例。一実施形態に係る高周波電力の間欠的な印加についての定義を示した図。一実施形態に係るトップＣＤ、ボトムＣＤ、マスクリメイン、エッチング深さの実験結果例。一実施形態に係るＬＦパワーを可変にした場合のトップＣＤ、ボトムＣＤ、マスクリメイン、エッチング深さの実験結果例。一実施形態に係るプラズマエッチング装置の縦断面図。一実施形態に係るダイポールリング磁石を示した横断面図。

以下、本発明を実施するため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、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。なお、圧力値については、１Ｔｏｒｒを１３３．３２２Ｐａとして換算可能である。

［エッチング工程の概略］
まず、本発明の一実施形態に係るエッチング工程の概略について、図１を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係るエッチング工程の概略を示す。図１には、被エッチング膜としてシリコン層（Ｓｉ）１０１が示されている。シリコン膜１０１上には、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）１０２を挟んでシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）１０３が形成されている。なお、シリコン酸化膜１０２は、シリコン含有酸化膜（ＳｉＯｘ）のマスクの一例である。

本実施形態では、被エッチング膜は、シリコン層１０１の単層膜である。ただし、本実施形態に係る被エッチング膜は、シリコンの単層膜に限らず、例えば、シリコン膜とシリコン含有層（例えば、シリコン酸化膜）との積層膜等、少なくともシリコンを含有する膜であればよい。

本実施形態に係るエッチング工程は、図１（ａ）の前処理工程、図１（ｂ）〜図１（ｄ）のメインエッチング工程の順に実行される。以下では、図１（ｂ）のメインエッチング工程を「メインエッチング工程Ａ」と称し、図１（ｃ）及び図１（ｄ）のメインエッチング工程を「メインエッチング工程Ｂ」と称する。

（前処理工程）
図１（ａ）に示した前処理工程では、ホールのパターンが形成されているシリコン酸化膜１０３をマスクとして、シリコン窒化膜１０２がエッチングされる。図１（ａ）に示した前処理工程におけるプロセス条件は以下の通りである。
＜前処理工程：プロセス条件＞
圧力５０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電力（ＨＦ：プラズマ励起用）４００Ｗ
第２の高周波電力（ＬＦ：バイアス用）１５００Ｗ／パルスなし
ガス種三フッ化窒素ＮＦ_３
（メインエッチング工程Ａ）
以上の前処理工程後、図１（ｂ）〜図１（ｄ）に示したメインエッチング工程にて、シリコン膜１０１のエッチングが行われる。図１（ｂ）に示したメインエッチング工程Ａでは、シリコン酸化膜１０３をマスクとして、シリコン膜１０１がテーパ状にエッチングされる。図１（ｂ）に示したメインエッチング工程Ａにおけるプロセス条件は以下の通りである。
＜メインエッチング工程Ａ：プロセス条件＞
圧力１５０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電力（ＨＦ：プラズマ励起用）３５０Ｗ〜４００Ｗ
第２の高周波電力（ＬＦ：バイアス用）９００〜１１００Ｗ／パルスなし
ガス種臭化水素ＨＢｒ、三フッ化窒素ＮＦ_３、酸素Ｏ_２
なお、本実施形態では、メインエッチング工程Ａにて第２の高周波電力を連続して印加する。しかし、メインエッチング工程Ａにて第２の高周波電力をパルス状に印加してもよい。また、メインエッチング工程Ａにて第１の高周波電力を、第２の高周波電力に同期させてパルス状に印加してもよい。

（メインエッチング工程Ｂ）
メインエッチング工程Ｂのうち、図１（ｃ）は、アスペクト比が低いとき、図１（ｄ）は、アスペクト比が高いときのエッチング状態を示す。メインエッチング工程Ｂにおけるプロセス条件については、後程説明する。

アスペクト比は、シリコン層１０１における穴の開口部の直径に対する穴の深さｈである。以下では、図１（ｄ）に示したように、シリコン層１０１における穴の開口部の直径をトップＣＤ（ＴｏｐＣＤ）で示し、穴の底部の直径をボトムＣＤ（ＢｔｍＣＤ）で示し、シリコン層１０１における穴の開口部から底部までの長さを深さｈで示す。図１（ｄ）に示したように、アスペクト比が高くなる程エッチングの穴が深くなり、穴の側壁の形状を垂直に保つことが難しくなる。その理由を以下に説明する。

一般的なエッチングのプロセス条件では、エッチング中に生成された生成物が、エッチングの穴の開口部に堆積し、エッチングの進行を阻害する。図２を参照しながら、エッチング中に生成物が開口部に堆積するメカニズムについて説明する。

図２の右側に示したように、エッチング中、プラズマエッチングによりシリコン膜１０１からシリコン２００が削られる。削られたシリコン２００は、開口部Ｏｐに向かって移動する。シリコン２００の一部は、開口部Ｏｐを通って穴の外に排出されるが、残りの一部は酸素ガスと反応してシリコン酸化物（ＳｉＯ_ｘ）となり開口部Ｏｐ付近に付着する。開口部Ｏｐに付着したシリコン酸化物３００は、エッチングの穴の間口を狭める。

エッチングにより削られたシリコン２００が開口部Ｏｐから排出される速度が、酸化シリコン３００となり堆積する速度よりも早い場合、開口部Ｏｐ付近に付着する酸化シリコン３００の量は少ない。よって、図２の左上図のように、エッチング穴の開口部Ｏｐの間口は堆積物３００により狭められていない。このため、エッチングの進行は妨げられず、アスペクト比が高く、垂直なエッチングの穴が形成される。

これに対して、エッチングにより削られたシリコン２００が開口部Ｏｐから排出される速度が、酸化シリコン３００となり堆積する速度よりも遅い場合、開口部Ｏｐ付近に付着する酸化シリコン３００の量は多い。よって、図２の左下図のように、エッチング穴の開口部Ｏｐの間口は酸化シリコン３００により狭められる。この場合、エッチングの進行は阻害され、エッチング性能の低下を引き起こし、垂直なエッチングの穴が形成され難い。よって、エッチング中の堆積物３００の堆積を極力回避し、開口部Ｏｐを広げることで、エッチングの進行を良好にし、エッチング性能を向上させることが好ましい。

ここで、穴の開口部Ｏｐの堆積物３００が、イオンが穴の内部へ垂直方向に移動することを妨害するため、エッチングの進行が阻害されていると仮定することもできる。この仮定では、第２の高周波電力のパワーを上げ、イオンの叩き込みを強めればエッチングが進行するとも想定される。そこで、発明者は、第２の高周波電力のパワーを上げ、イオンエネルギーを高めた状態でエッチングを行った。これによれば、第２の高周波電力のパワーを上げる程、堆積物３００の量が増えるという結果が得られた。この結果に応じて、堆積物３００の量を減らすために、第２の高周波電力のパワーを下げ、イオンエネルギーを弱めた状態でエッチング処理を行うことも考えられる。しかし、この場合には、イオンエネルギーの低下により穴の内部へ垂直方向に移動するイオンが減り、アスペクト比の高いエッチングが困難になる。

以下に説明する一実施形態では、エッチングされた穴の開口部Ｏｐへの堆積物を減らすことと、アスペクト比の高いエッチングを実現することとを両立させることが可能なプラズマエッチング方法を提案する。

［エッチング方法］
以下、一実施形態に係るプラズマエッチング方法について、図３を参照しながら説明する。一実施形態に係るプラズマエッチング方法は、プラズマエッチング装置の制御部（図８において後述）が、図４（ａ）の「パルス印加あり」のレシピ例に設定されたプロセス条件及び手順に従い、エッチングを実行することで実現される。ただし、図４のレシピ例には、図１（ｂ）のメインエッチング工程Ａのプロセス条件及び手順を省略し、図１（ｃ）及び図１（ｄ）のメインエッチング工程Ｂのプロセス条件及び手順のみを示す。なお、図１（ｂ）のメインエッチング工程Ａのプロセス条件については前述したため、ここでは説明を省略する。図４（ｂ）には、「パルス印加なし（連続波の印加）」のレシピ例（スタンダード）を比較例として示した。

図３にて本実施形態に係るプラズマエッチング方法を説明する前に、高周波電力を間欠的に印加する場合に使用する文言を説明する。本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、図５に示したように、少なくとも第２の高周波電力（ＬＦ：バイアス用）をメインエッチング工程Ｂにおいて間欠的、すなわちパルス状に印加する。

本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、上部電極と下部電極との間に高周波電力を印加してプラズマを発生させる容量結合型のプラズマエッチング装置を用いて実施される。図５に一実施形態に係る容量結合型のプラズマエッチング装置１を模式的に示す。より詳しい装置構成は、図８にて後程説明する。

容量結合型のプラズマエッチング装置１には、第１の高周波電源１５及び第２の高周波電源２６が設けられている。チャンバＣ（処理室）内には半導体ウエハ（以下、ウエハと称呼する。）を載置する載置台２が設けられている。載置台２は下部電極としても機能する。

本実施形態では、プラズマ生成用の第１の高周波電力（ＨＦ）が第１の高周波電源１５から載置台２に印加される。なお、第１の高周波電力は、下部電極に印加されてもよいし、上部電極に印加されてもよい。

また、バイアス用の第２の高周波電力（ＬＦ）が第２の高周波電源２６から載置台２に印加される。第２の高周波電力は、バイアス用の高周波電力である。

前処理工程及びメインエッチング工程Ａでは、第１の高周波電力及び第２の高周波電力は、連続的に載置台２に印加される。

これに対して、メインエッチング工程Ｂでは、第１の高周波電力のみが連続的に載置台２に印加され、第２の高周波電力は間欠的に印加される。つまり、本実施形態のメインエッチング工程Ｂでは、第１の高周波電力は連続波であり、第２の高周波電力はパルス波である。ただし、メインエッチング工程Ｂにおいて、第１の高周波電力及び第２の高周波電力を同期させてパルス状に印加してもよい。

図５に示したように、高周波電力が間欠的に印加される場合、高周波電力が載置台２に印加されている時間をＴｏｎとし、印加されていない時間をＴｏｆｆとする。高周波電力が印加されている時間Ｔｏｎには、１／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）の周波数のパルス状の高周波電力が載置台２に印加される。

デューティー比は、印加されている時間Ｔｏｎ及び印加されていない時間Ｔｏｆｆの総時間に対する印加されている時間Ｔｏｎの比率、すなわち、Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）で示される。

本実施形態に係るプラズマエッチング方法を説明する。図３に示したプラズマエッチング方法が開始されると、制御部は、プラズマエッチング装置１にウエハが搬入されたかを判定する（Ｓ１０）。制御部は、ウエハが搬入されるまでＳ１０の処理を繰り返し、ウエハが搬入された場合、Ｓ１２に進む。搬入されたウエハには、図１（ａ）の前処理工程が施されている。

制御部は、上述したメインエッチング工程Ａのプロセス条件にて、図１（ｂ）に示したように、シリコン膜１０１をテーパ状にエッチングする（Ｓ１２）。

次に、制御部は、メインエッチング工程Ｂを開始する（Ｓ１４）。制御部は、図４（ａ）に示したレシピの手順に従い、メインエッチング工程Ｂのエッチングを実行する。図４（ａ）の「パルス印加あり」のレシピ例では、メインエッチング工程Ｂはステップ１〜ステップ５のステップ毎にプロセス条件が定められている。図４（ｂ）の「パルス印加なし」のレシピ例も同様に、メインエッチング工程Ｂはステップ１〜ステップ５のステップ毎にプロセス条件が定められている。

まず、制御部は、チャンバＣ内に臭化水素ガスＨＢｒと酸素ガスＯ_２と四フッ化ケイ素ガスＳｉＦ_４と三フッ化窒素ＮＦ_３とを含む処理ガスを供給する（Ｓ１６）。また、制御部は、チャンバＣ内の圧力を、２００ｍＴｏｒｒに制御する（Ｓ１８）。図４（ａ）の「パルス印加あり」のレシピ例及び図４（ｂ）の「パルス印加なし」のレシピ例も同様である。

次に、制御部は、第１の高周波電力及び第２の高周波電力を印加する（Ｓ２０）。本実施形態では、図４（ａ）に示したように、第１の高周波電力は連続波であり、第２の高周波電力はパルス波である。具体的には、制御部は、第１の高周波電力のパワーをステップ２にて５００Ｗに制御する。また、制御部は、第２の高周波電力の周波数を１０ｋＨｚ、第２の高周波電力のデューティー比を３０％〜５０％、第２の高周波電力のパワーをステップ２にて１９６０Ｗ〜２８００Ｗに制御する。

なお、図４（ｂ）の「パルス印加なし」の場合、第１及び第２の高周波電力は連続波であり、第１の高周波電力のパワーをステップ２にて５００Ｗに制御し、第２の高周波電力のパワーをステップ２にて１４００Ｗに制御する。

次に、図４（ａ）に示したレシピの手順に従い、制御部は、第２の高周波電力のパワーをステップ３，４，５にてそれぞれ２１００Ｗ〜３０００Ｗ、２２４０Ｗ〜３２００Ｗ、２３８０Ｗ〜３４００Ｗの順に段階的に上げながら間欠的に印加する（Ｓ２２）。また、制御部は、チャンバ内の圧力を２００ｍＴｏｒｒ（ステップ１，２）、１８０ｍＴｏｒｒ（ステップ３，４）、１５０ｍＴｏｒｒ（ステップ５）の順に段階的に下げ（Ｓ２４）、所定時間後に本処理を終了する。

図４（ｂ）の「パルス印加なし」の場合、第２の高周波電力のパワーをステップ３，４，５にてそれぞれ１５００Ｗ、１６００Ｗ、１７００Ｗに制御する。図４（ｂ）の「パルス印加なし」の場合のチャンバ内の圧力は、図４（ａ）の「パルス印加あり」の場合と同様である。

以上、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した。なお、Ｓ２２では、少なくとも第２の高周波電力を間欠的に印加すればよく、第２の高周波電力のパワーを段階的に上げなくてもよい。また、Ｓ２４のチャンバ内の圧力を段階的に下げるステップは行わず、チャンバ内の圧力は一定であってもよい。
ただし、Ｓ２２にて第２の高周波電力のパワーを段階的に上げながら第２の高周波電力を間欠的に印加することが好ましい。また、Ｓ２４にてチャンバ内の圧力を段階的に下げることが好ましい。

［効果例］
次に、本実施形態に係るプラズマエッチング方法による効果について、図６を参照しながら説明する。図６では、上記プラズマエッチング方法において第２の高周波電力をパルス状に印加した場合を「ＬＦパルス」と表記する。また、上記プラズマエッチング方法において第２の高周波電力とともに第１の高周波電力をパルス状に印加した場合を「ＨＦ＋ＬＦパルス」と表記する。また、第２の高周波電力は連続的に印加し、第１の高周波電力をパルス状に印加した場合を「ＨＦパルス」と表記する。最後に、比較例として、第１及び第２の高周波電力を連続的に印加した場合を「連続波」と表記する。なお、印加する高周波電力のパルス波のデューティー比は５０％に設定された。

図６（ａ）は、トップＣＤ（図１（ｄ）のＴｏｐＣＤ）の直径を示す。図６（ｂ）は、ボトムＣＤ（図１（ｄ）のＢｔｍＣＤ）の直径を示す。図６（ｃ）は、マスクリメイン（図１（ｄ）のシリコン酸化膜１０３の残量）を示す。図６（ｄ）は、シリコン深さ（図１（ｄ）のシリコン膜１０１のエッチング深さｈ）を示す。

図６（ａ）に示したトップＣＤの結果では、ＬＦパルスのトップＣＤの値が最も大きく、ＨＦパルス、（ＨＦ＋ＬＦ）パルス、連続波の順にトップＣＤの値が小さくなった。この結果から、連続波よりもパルス波の高周波電力を印加する方がトップＣＤの値は大きくなることがわかる。

次に、図６（ｂ）に示したボトムＣＤの結果では、連続波、（ＨＦ＋ＬＦ）パルス、ＨＦパルス、ＬＦパルスのボトムＣＤの値はほぼ同じであった。

次に、図６（ｃ）に示したマスクリメインの結果から、連続波に対して（ＨＦ＋ＬＦ）パルス及びＬＦパルスの高周波電力を印加した場合には、マスクの残量が多くなった。一方、連続波に対してＨＦパルスの高周波電力を印加した場合には、マスクの残量が少なくなった。

次に、図６（ｄ）に示したシリコン深さの結果では、連続波、（ＨＦ＋ＬＦ）パルス、ＨＦパルス、ＬＦパルスのシリコン深さはほぼ同じであった。

以上から、エッチング穴の開口部に堆積物を堆積させずに高いエッチング性能を得るためには、高周波電力をパルス状に印加することが、連続的に印加するよりも好ましいことがわかった。ただし、マスクリメインの結果も考慮すると、シリコン膜１０１を高いアスペクト比でエッチングする場合、（ＨＦ＋ＬＦ）パルス、ＬＦパルスの高周波電力を印加することが、連続波やＨＦパルスの高周波電力を印加するよりも好ましいことがわかった。

前述したように、エッチングにより削られたシリコンが酸素ガスと反応して酸化シリコンとなり堆積する速度が、反応せずに穴から出て行くシリコンの速度よりも早い場合、エッチングされた穴の開口部に酸化シリコンが堆積し、穴の間口は堆積物によって狭くなる。

ここで、単位時間当たりのシリコンのエッチング量が多くなる程、酸化シリコンの堆積量は多くなる。よって、酸化シリコンの堆積量を減らし、穴の間口を広く維持し、エッチングの性能を高くするためには、単位時間当たりのシリコンのエッチング量を少なくすることが有効である。

単位時間当たりのシリコンのエッチング量を少なくするための一例としては、バイアス用の高周波電力のパワーを下げる方法がある。しかし、単にバイアス用の高周波電力のパワーを下げると、イオンエネルギーの不足により、エッチングされた穴の側壁の垂直性を確保できなくなるという不具合が生じる。

これに対して、バイアス用の高周波電力のパワーをパルス状に印加すると、パルスがオンのときに十分なイオンエネルギーが得られることにより、エッチングされた穴の側壁の垂直性を確保することができる。また、パルスがオフのときにイオンエネルギーが減ることにより、単位時間当たりのシリコンのエッチング量を減らすことができる。

単位時間当たりのシリコンのエッチング量を減らすためには、デューティー比は下げた方がよいが、エッチングレートを考えるとデューティー比は３０％以上が好ましい。また、本実施形態において、パルス状にする高周波電力の周波数は、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚが好ましい。

［パワー］
次に、発明者は、バイアス用の高周波電力のパワーを可変にして、エッチングされた穴の側壁の垂直性の確保と、単位時間当たりのシリコンのエッチング量の低減との両立を図るための適正なパワー値を調べる実験を行った。その結果を図７に示す。

図７（ａ）は、連続波の第２の高周波電力を印加した場合のエッチング結果を示す。エッチング結果としては、マスクリメイン、トップＣＤ、ボトムＣＤ，シリコン深さの値が示されている。図７（ｂ）〜図７（ｄ）は、本実施形態に係るプラズマエッチング方法を使用して、パルス状の第２の高周波電力（ＬＦパルス）を印加した場合のエッチング結果を示す。図７（ｂ）に示した第２の高周波電力のパワーは、図７（ａ）に示したパワーの１．５倍である。図７（ｃ）、図７（ｄ）のそれぞれの高周波電力のパワーは、図７（ａ）に示したパワーの１．７倍、１．９倍である。なお、図７（ｅ）は、第２の高周波電力が連続波の場合であって、図７（ａ）の場合よりも１０００Ｗ高いパワーのバ高周波電力を連続的に印加した場合である。

なお、すべての場合において、第１の高周波電力のパワーは５００Ｗに固定されている。

この結果、図７（ａ）の連続波及び図７（ｂ）のＬＦパルスを印加した場合のエッチング形状の垂直性及びエッチングされたシリコンの深さは、ほぼ同等になっていることがわかる。また、図７（ｂ）の場合よりも更にパワーが高いＬＦパルスを印加した図７（ｃ）及び図７（ｄ）の場合のエッチング結果から、パルス状に印加する第２の高周波電力のパワーは高い程、良好なエッチング結果が得られることがわかる。特に、図７（ｃ）及び図７（ｄ）の場合のエッチング結果では、トップＣＤとボトムＣＤとの差が小さくエッチング形状が垂直で、かつ、エッチングされたシリコンの深さが深く、エッチングの性能が高くなっていることがわかる。

一方、図７（ａ）に対して第２の高周波電力のパワーが１０００Ｗ高い連続波を印加した図７（ｅ）のエッチング結果から、ＬＦパルスを印加した図７（ｂ）〜図７（ｄ）の場合と比較して、マスクリメインの残量が少なく、トップＣＤとボトムＣＤとの差が大きくエッチング形状の垂直性が得られず、かつ、シリコンのエッチング深さが浅い。以上から、連続波の第２の高周波電力の１．５倍以上のパワーのパルス状のバイアス用の第２の高周波電力を印加すると、シリコンを深くかつ垂直にエッチングできることが証明された。また、連続波の第２の高周波電力の場合には、パワーを上げても良好なエッチング結果が得られないことが分かった。

以上の結果から、本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、バイアス用の第２の高周波電力、又は、プラズマ生成用及びバイアス用の高周波電力（第１及び第２の高周波電力）をパルス状に印加する。これにより、単位時間当たりのシリコンのエッチング量を減らすことで、エッチング中に堆積物によってエッチングの開口部が狭くなることを回避できる。この結果、エッチング性能を阻害せず、シリコンを深くかつ垂直にエッチングすることができる。

また、アスペクト比が高くなる程、エッチングされた穴を垂直形状にすることが難しくなることを考慮して、本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、エッチングが進みアスペクト比が高くなる程、バイアス用の高周波電力のパワーを段階的に上げ、かつチャンバ内の圧力を段階的に下げる。これにより、アスペクト比が高くなる程イオンエネルギーを高めることで、エッチングの穴の垂直形状を維持することができる。

また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、チャンバ内に臭化水素ガスＨＢｒと酸素ガスＯ_２とフッ素系ガスとを含む処理ガスを供給する。例えば、フッ素系ガスとしては、三フッ化窒素ガスＮＦ_３、四フッ化炭素ＣＦ_４、六フッ化硫黄ＳＦ_６等が挙げられるが、これに限らない。

なお、処理ガスに四フッ化ケイ素ガスＳｉＦ_４を含んでもよい。これによれば、マスク選択比を上げることができる。これにより、アスペクト比が高いエッチング穴を形成することができる。

［プラズマエッチング装置の全体構成］
最後に、上記各実施形態係るエッチング方法を用いてウエハＷをプラズマエッチングするプラズマエッチング装置の一例について、図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、一実施形態に係る容量結合型のプラズマエッチング装置の全体構成を示した縦断面図である。図９は、一実施形態に係るダイポールリング磁石を示した横断面図である。

一実施形態に係る容量結合型のプラズマエッチング装置１は、マグネトロン反応性イオンエッチング（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ；ＲＩＥ）型のプラズマエッチング装置として構成されている。プラズマエッチング装置１は、例えばアルミニウム又はステンレス鋼等の金属よりなるチャンバＣを有している。

チャンバＣの内部には、例えばウエハＷを載置するための載置台２が設けられている。載置台２は、例えばアルミニウムからなり、絶縁部材３を介して導体よりなる支持部４に支持されている。載置台２の上面の周囲には、例えばシリコンや石英よりなるフォーカスリング５が配置されている。載置台２の上面には、ウエハＷを静電吸着力により保持するための静電チャック６が設けられている。載置台２及び支持部４は、ボールネジ７を含む昇降機構により昇降可能となっており、支持部４の下方に設けられる昇降駆動部（図示せず）は、ステンレス鋼よりなるベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。フォーカスリング５の下面はバッフル板１０に接続されており、フォーカスリング５は、バッフル板１０、支持部４及びベローズ８を介してチャンバＣと導通している。チャンバＣは接地されている。

チャンバＣは、上部チャンバ１ａと、上部チャンバ１ａより径が大きい下部チャンバ１ｂとを有する。下部チャンバ１ｂの側壁には排気口１１が形成されている。排気口１１には排気管を介して排気装置１２が接続されている。排気装置１２の真空ポンプを作動させることにより、チャンバＣ内の処理空間を所定の真空度まで減圧する。下部チャンバ１ｂの側壁には、また、ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が取り付けられている。

載置台２には、整合器１４を介してプラズマ生成および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）用の第１の高周波電源１５が電気的に接続されている。第１の高周波電源１５は、プラズマ生成用の高周波電力（ＨＦ）として、例えば１００ＭＨｚの周波数を有する高周波電力を載置台２に供給する。

載置台２には、また、整合器２５を介して第２の高周波電源２６が電気的に接続されている。第２の高周波電源２６は、バイアス用の高周波電力（ＬＦ）として、例えば１３．４ＭＨｚの周波数を有する高周波電力を載置台２に重畳的に供給する。

チャンバＣの天井部には、後述するシャワーヘッド２０が接地電位に保持された上部電極として設けられている。従って、第１の高周波電源１５からの高周波電力（ＨＦ）は、載置台２とシャワーヘッド２０との間に供給される。

静電チャック６は、導電膜よりなる電極６ａを一対の絶縁シート６ｂの間に挟み込んだものである。電極６ａには直流電圧源１６が電気的に接続されている。ウエハＷは、直流電圧源１６からの直流電圧による静電引力によって、静電チャック６に静電吸着される。

載置台２の内部には、例えば円周方向に延在する冷媒室１７が設けられている。冷媒室１７には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管１７ａ、１７ｂを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。載置台２上のウエハＷは、循環する冷媒の温度によって所定の処理温度に制御される。

更に、ガス導入機構１８からの伝熱ガス、たとえばＨｅガスが、ガス供給ライン１９を介して静電チャック６の上面とウエハＷの裏面との間に供給される。ガス導入機構１８は、エッチング加工のウエハ面内均一性を高めるため、ウエハ中心部とウエハ周縁部とでガス圧つまり背圧を独立的に制御できるようになっている。

天井部のシャワーヘッド２０は、載置台２の上面と平行に対向する下面に多数のガス吐出口２２を有している。ガス吐出面の内側にはバッファ室２１が設けられている。バッファ室２１のガス導入口２０ａには、ガス供給配管２３ａを介してガス供給源２３が接続されている。ガス供給源２３からは、処理ガスが供給される。

上部チャンバ１ａの周囲には、環状または同心状に延在するダイポールリング磁石２４が配置されている。ダイポールリング磁石２４は、図９の横断面図に示すように、リング状の磁性体からなるケーシング３２内に、複数個例えば１６個の異方性セグメント柱状磁石３１を周方向に一定間隔で配列してなる。図９において、各異方性セグメント柱状磁石３１の中に示す矢印は磁化の方向を示しており、図示のように各異方性セグメント柱状磁石３１の磁化の方向を周方向に沿って少しずつずらすことで、全体として一方向に向う一様な水平磁界Ｂを形成することができる。

従って、載置台２とシャワーヘッド２０との間の空間には、第１の高周波電源１５からの高周波電力により鉛直方向にＲＦ電界が形成されるとともに、ダイポールリング磁石２４により水平方向に磁界が形成される。これらの直交電磁界を用いるマグネトロン放電により、載置台２の表面近傍には高密度のプラズマが生成される。

上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部４０によって、統括的に制御される。制御部４０は、ＣＰＵ４１（Central Processing Unit），ＲＯＭ４２（Read Only Memory）、ＲＡＭ４３（Random Access Memory）を有する。ＣＰＵ４１は、ＲＡＭ４３等の記憶領域に格納された各種レシピ（例えば、図４のレシピ）に従ってプラズマ処理を実行する。レシピには、プロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、処理室内温度（上部電極温度、処理室の側壁温度、静電チャックの温度など）、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、処理ガスの流量、伝熱ガスの流量などが記載されている。

このように構成されたプラズマエッチング装置１において、プラズマエッチングを行うには、先ずウエハＷが、ゲートバルブ１３からチャンバＣ内に搬入され、載置台２の上に載置される。

次いで、ウエハＷが載置された載置台２を図示の高さ位置まで上昇させ、排気装置１２の真空ポンプにより排気口１１を介してチャンバＣ内を排気する。そして、ガス供給源２３より処理ガスを所定の流量でチャンバＣ内に導入し、チャンバＣ内の圧力を設定値にする。更に、第１の高周波電源１５及び第２の高周波電源２６から所定の高周波電力（ＨＦ，ＬＦ）が載置台２に印加される。また、直流電源１６より直流電圧を静電チャック６の電極６ａに印加し、ウエハＷを静電チャック６に吸着させる。シャワーヘッド２０から導入された処理ガスはマグネトロン放電により電離又は解離してプラズマが生成される。

上記実施形態では、ガス供給源２３から臭化水素ガスＨＢｒと酸素ガスＯ_２とフッ素系ガスとを含む処理ガスが供給される。処理ガスから生成されたプラズマにより、ウエハＷに形成されたシリコン膜１０１がシリコン酸化膜１０３のマスクパターンにエッチングされる。

図８の容量結合型プラズマエッチング装置１では、プラズマ生成用の高周波電力（第１の高周波電力）を載置台２に印加したが、プラズマ生成用の高周波電力（第１の高周波電力）は、シャワーヘッド２０に印加してもよい。

なお、上部電極として機能するシャワーヘッド２０は、第１の電極に相当する。また、載置台２は、被処理体を載置する第２の電極に相当する。また、第１又は第２の電極のいずれかに印加する高周波電力（ＨＦ）は、第１の高周波電力に相当する。第２の電極に印加する第１の高周波電力より低い高周波電力（ＬＦ）は、第２の高周波電力に相当する。

以上、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上記実施形態により説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明に係るプラズマエッチング方法の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

例えば、上記プラズマエッチング方法を実行可能な装置は、図８の容量結合型プラズマエッチング装置１に限られない。例えば、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ装置、誘導結合型のプラズマ装置、ヘリコン波励起型プラズマ装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ装置等を用いて上記プラズマエッチング方法を実行することができる。

本発明において処理を施される被処理体は、３００ｍｍのウエハＷに限られず、４５０ｍｍのウエハや、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display)用、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板にも適用できる。

１：プラズマエッチング装置、２：載置台（下部電極）、１５：第１の高周波電源、２０：シャワーヘッド（上部電極）、２６：第２の高周波電源、４０：制御部、１０１：シリコン膜、１０２：シリコン窒化膜、１０３：シリコン酸化膜、Ｃ：チャンバ

Claims

第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置され、被処理体を載置する第２の電極とを有する処理室内にて被処理体をプラズマエッチングする方法であって、
前記第１の電極又は前記第２の電極のいずれかに第１の高周波電力を印加し、
前記第２の電極に前記第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力を印加し、
前記処理室内に臭化水素ガスＨＢｒと酸素ガスＯ_２とフッ素系ガスとを含む処理ガスを供給し、
前記処理ガスから生成されたプラズマにより被処理体に形成された少なくともシリコン膜を含む被エッチング膜を所望のマスクパターンにエッチングする、
ステップを有し、
前記エッチングするステップは、
前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力を連続的に印加する第１のエッチングステップと、
前記第１のエッチングステップの後に前記第１の高周波電力を連続的又は間欠的に印加し、前記第２の高周波電力を間欠的に印加する第２のエッチングステップとを有する、
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
前記第２のエッチングステップでは、
間欠的に印加される高周波電力のデューティー比は３０％以上である、
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。
前記第２のエッチングステップでは、
前記処理ガスに四フッ化ケイ素ガスＳｉＦ_４を含む前記処理ガスを供給する、
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。
前記第２のエッチングステップでは、
前記第２の高周波電力のパワーを段階的に上げ、前記処理室内の圧力を段階的に下げる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
第１の電極と、前記第１の電極に対向して配置され、被処理体を載置する第２の電極と、処理室内にて被処理体をプラズマエッチングする処理を制御する制御部と、を有するプラズマエッチング装置であって、
前記制御部は、
前記第１の電極又は前記第２の電極のいずれかに第１の高周波電力を印加し、
前記第２の電極に前記第１の高周波電力の周波数よりも低い周波数の第２の高周波電力を印加し、
前記処理室内に臭化水素ガスＨＢｒと酸素ガスＯ_２とフッ素系ガスとを含む処理ガスを供給し、
前記処理ガスから生成されたプラズマにより被処理体に形成された少なくともシリコン膜を含む被エッチング膜を所望のマスクパターンにエッチングする、
処理を制御し、
更に、前記エッチングするステップにおいて、前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力を連続的に印加する第１のエッチングステップと、前記第１のエッチングステップの後に前記第１の高周波電力を連続的又は間欠的に印加し、前記第２の高周波電力を間欠的に印加する第２のエッチングステップとを制御する、
ことを特徴とするプラズマエッチング装置。