JP6745199B2 - 銅層をエッチングする方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、銅層をエッチングする方法に関するものである。
半導体デバイスの製造においては、相互接続ラインやコンタクトといった配線を形成するプロセスが行われる。このプロセスとしては、例えば従来からダマシンプロセスと呼ばれるプロセスが用いられている。ダマシンプロセスでは、エッチングによって層間絶縁膜に溝や穴といった形状を形成し、形成した溝や穴に金属材料を埋め込む処理が行われる。しかしながら、近年の配線の微細化に伴い、ダマシンプロセスでは、微細な穴や溝に対する金属材料の埋込みが困難になってきているといった種々の問題が発生している。このようなダマシンプロセスの問題に対処するため、銅層を成膜した後に当該銅層をエッチングすることによって微細な銅配線を形成するプロセスが提案されている。このようなプロセスについては、非特許文献１に開示されている。非特許文献１に開示されているプロセスでは、水素ガスとアルゴンガスとを含有する処理ガスのプラズマに銅層が曝されることによって、銅層がエッチングされる。
Ｆａｎｇｙｕ Ｗｕ他、"Ｌｏｗ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｅｔｃｈｉｎｇ ｏｆ Ｃｕ ｂｙ Ｈｙｄｏｒｇｅｎ−Ｂａｓｅｄ Ｐｌａｓｍａｓ"、 ＡＣＳ ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＆ ＩＮＴＥＲＦＡＣＥＳ, ２０１０， Ｖｏｌ． ２、Ｎｏ．８、ｐ．２１７５−２１７９
しかしながら、水素ガスとアルゴンガスとを含有する処理ガスのプラズマによるエッチングでは銅配線の側面の垂直性を確保することが困難である。そこで、本技術分野において、被処理体の銅層をエッチングすることで形成されるパターン側面の垂直性を向上させることが必要である。
一態様においては、被処理体の銅層をエッチングする方法が提供される。被処理体は、銅層と銅層上に設けられたマスクとを備える。この方法は、被処理体が収容されているプラズマ処理装置の処理容器内に第１のガスのプラズマを生成する第１の工程と、第１の工程の後に、処理容器内に第２のガスのプラズマを生成する第２の工程と、第２の工程の後に、処理容器内に第３のガスのプラズマを生成する第３の工程と、を含むシーケンスを繰り返し実行して銅層をエッチングし、第１のガスは、ハイドロカーボンガスを含有し、第２のガスは、希ガス、または、希ガスと水素ガスとの混合ガス、の何れかを含有し、第３のガスは、水素ガスを含有する。
この一態様によれば、シーケンス毎に、第１の工程において、銅層上に炭素を含有する膜が形成され、第１の工程に引き続く第２の工程において、炭素を含有する膜に対しスパッタが行われ、当該膜が除去されると共に、当該膜に含まれている炭素が銅層に拡散して銅と炭素との混合層が銅層の表面に形成されつつ混合層が同時に除去され、第２の工程に引き続く第３の工程において、混合層中と、マスクによって画定されるパターンの溝（マスクによって画定される溝であり、エッチング後にはエッチングによって形成される銅層のトレンチを含む）の側面（マスクの側面を含むと共に、エッチング後にはエッチングによって形成される銅層のトレンチの側面を含む）とにおける余剰な炭素が除去されるので、シーケンスが繰り返し行われる場合に余剰炭素によってエッチングが停止することなく、銅層のエッチングが可能となる。また、パターンの溝の側面の余剰炭素が低減されることによって、パターンの溝の側面の垂直性が向上される。
一実施形態において、第２の工程において第２のガスのプラズマによってエッチングされる銅層の銅の量は、第１の工程において第１のガスのプラズマによってエッチングされる銅層の銅の量および第３の工程において第３のガスのプラズマによってエッチングされる銅層の銅の量のいずれよりも多い。このように銅層の除去を主として第２の工程において実施することは化学アシストによる銅層のエッチングにつながるので、銅層の除去が主として物理的スパッタリングによってなされて銅層の加工形状がテーパー状になることを抑制することにつながる。
一実施形態において、第１の工程において第１のガスのプラズマによってマスク上および銅層上に形成される膜の膜厚は、０．８［ｎｍ］以上１．２［ｎｍ］以下である。この一実施形態によれば、第１の工程において第１のガスのプラズマによってマスク上および銅層上に形成される膜の膜厚が０．８［ｎｍ］以上１．２［ｎｍ］以下であるので、第２の工程で実施されるスパッタによるエッチングが高選択比で実現され、マスクによって画定されるパターンの溝の側面の垂直性が向上され、よって、銅層の加工の垂直性が向上され得る。
一実施形態において、第１の工程の実行時間は、第１の工程の実行時においてマスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比に応じて増減される。一実施形態によれば、第１の工程の実行時間は、エッチングの進行に応じて増大するパターンの溝のアスペクト比に応じて増減され得る。従って、アスペクト比に応じて第１の工程の実行時間が増減され得るので、第１の工程の実行時にマスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比の変化によらずに、第１のガスのプラズマによって均一な膜が銅層およびマスクの表面に形成され得る。なお、パターンの溝のアスペクト比とは、溝の幅と溝の高さとの比である。
一実施形態において、第２の工程の実行時間は、第２の工程の実行時においてマスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比に応じて増減される。この一実施形態によれば、第２の工程の実行時間は、エッチングの進行に応じて増大するパターンの溝のアスペクト比に応じて増減される。従って、第２の工程の実行時にマスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比のエッチング進行に伴う変化に応じて第２の工程の実行時間が増減され得るので、上記の第２の工程の実行時間内において更に、第２の工程の実行時にマスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比によらずに、第１の工程で形成され炭素を含有する膜に対するエッチング、更には、第２の工程で形成される銅と炭素とを含有する混合層に対するエッチングが、第２のガスのプラズマによって好適に行われ得る。
一実施形態において、第２の工程において、第２のガスのプラズマを生成する場合に被処理体に印加するバイアス電圧は、１００［Ｖ］以上且つ４００［Ｖ］以下の範囲にある。この一実施形態によれば、第２の工程において、第２のガスのプラズマを生成する場合に被処理体に印加するバイアス電圧が１００［Ｖ］以上且つ４００［Ｖ］以下の範囲にあるので、第２の工程において、第１の工程により堆積したハイドロカーボンの膜を貫通するのに十分なイオンエネルギーが得られ、ハイドロカーボン膜と銅層との混合層を形成し、さらに混合層をスパッタリングによって除去することが可能となる。なお、この場合にバイアス電圧によって加速されるイオンのエネルギーは、２００［ｅＶ］以下の範囲に相当する。更に、銅層に対するエッチングのほうがマスクに対するエッチングよりも速く進行するので第２の工程で行われるスパッタが高選択比で実現され、マスクによって画定されるパターンの溝の側面の垂直性が向上される。このように、有機層と銅層の混合の効果によってスパッタされた副生成物の揮発性が増すので、銅層加工において垂直性が向上され得る。
一実施形態において、第２の工程の実行時間は、実行時間の条件を除く第２の工程のプロセス条件のもとで膜をエッチングし膜を除去するために必要となる時間の２．０倍以上３．５倍以下である。この一実施形態によれば、第２の工程の実行時間は、第１の工程で堆積させたハイドロカーボンの膜をエッチングしこのハイドロカーボンの膜を除去するために必要となる時間の２．０倍以上３．５倍以下である。従って、第２の工程中に第１の工程で堆積したハイドロカーボンの膜と銅層とがイオンエネルギーによって混合され、化学アシストによって銅層に対するエッチングが可能になる。更に、ハイドロカーボンの膜が完全に除去されて銅層の銅に対する純粋なスパッタリングに移行する前に第２の工程の後に実行される第３の工程に移行できる。このように、第２の工程において混合層が完全に除去される前に第２の工程が停止することによって、銅層の加工の垂直性が増すと共に、第２の工程の後に実行される第３の工程によって余剰な炭素が除去されエッチング進行に伴う炭素の堆積が抑制されることによって銅層に対するエッチングが確実に実行される。
一実施形態において、第３の工程において、第３のガスのプラズマを生成する場合に被処理体に印加するバイアス電圧は、１００［Ｖ］より大きく且つ６００［Ｖ］より小さい範囲にある。この一実施形態によれば、第３の工程において、第３のガスのプラズマを生成する場合に被処理体に印加するバイアス電圧が１００［Ｖ］より大きく且つ６００［Ｖ］より小さい範囲にあるので、第３の工程における銅層に対するスパッタ能は第２の工程による銅層のスパッタ能に比べて小さい。さらに、この一実施形態によれば、第３の工程において、第３のガスのプラズマを生成する場合に被処理体に印加するバイアス電圧が１００［Ｖ］より大きく且つ６００［Ｖ］より小さい範囲にあるので、第３の工程における炭素を含有する層に対するスパッタ能のほうが銅層に対するスパッタ能よりも大きい。従って、第３の工程において、第１の工程で第１のガスのプラズマによって形成され炭素を含有する膜と、第２の工程で第２のガスのプラズマによって形成され炭素と銅とを含有する混合層とから、炭素の除去が選択的に行われ得る。このことは、水素の銅に対するスパッタレートが低いこと、および、炭素はハイドロカーボンガスが形成されることによって効率よく除去されること、等に起因する。なお、この場合にバイアス電圧によって加速されるイオンのエネルギーは、５０［ｅＶ］より大きく且つ３００［ｅＶ］より小さい範囲に相当する。
一実施形態において、第１のガスは、ＣＨ４ガスを含有する。この一実施形態によれば、第１のガスがＣＨ４ガスを含有するので、第１の工程において、炭素を含有する膜がマスク上および銅層上に形成され得る。
一実施形態において、プラズマ装置の上部電極の電極板は、炭化シリコンまたは銅を含有し、上部電極は、処理容器内において被処理体を支持する載置台の上方に設けられる。この一実施形態によれば、上部電極の電極板が炭化シリコンまたは銅を含有するので、上部電極の電極板に対し、シーケンスで行われるエッチングによって銅が堆積した場合に、電極板に銅原子が拡散することによる電極板の導電性の変化が低減され得る。ひいては、エッチングプロセスの再現性が向上され得る。
一実施形態において、プラズマ処理装置の上部電極と下部電極との間において、直流電圧を印加する、または、高周波電圧を印加する第４の工程を更に備え、上部電極は、処理容器内において被処理体を支持する載置台の上方に設けられ、下部電極は、載置台に設けられ、第４の工程は、シーケンスが繰り返し実行されて銅層のエッチングが終了し、被処理体が搬出された後に実行される。一実施形態によれば、プラズマ処理装置のクリーニングをするために第４の工程を更に備える。第４の工程では、プラズマの存在下で上部電極に対して、負の静電圧を印加する、または、高周波電圧を印加する。第４の工程は、第１の工程〜第３の工程からなる上記のシーケンスが繰り返し実行されて銅層のエッチングが終了し、被処理体がプラズマ処理装置から搬出された後に実行される。すなわち、プラズマ処理装置の上部電極にプラズマからイオンが引き込まれ、上部電極に付着した銅を含有する堆積物がスパッタされることによって除去され得る。
一実施形態において、被処理体は、下地層を更に備え、銅層は、この下地層上に設けられる。一実施形態に係る方法は、シーケンスを繰り返し実行して銅層を下地層に至るまでエッチングした後であって且つこの下地層をエッチングする前において、この下地層上に残留するこの銅層の銅を除去する第５の工程を更に備え得る。この一実施形態によれば、銅層を下地層に至るまでエッチングした後に下地層に銅が残留する場合においても、下地層に対するエッチングの実行前に銅の除去が行われるので、下地層に対するエッチングが当該銅によって阻害されることを防止し得る。
一実施形態において、下地層の材料は、Ｔａ、ＴａＮまたはＲｕであり、第５の工程では、フッ化水素酸またはクエン酸を用いたウェット洗浄によって下地層上に残留する銅を除去し得る。この一実施形態によれば、特に下地層がＴａ、ＴａＮまたはＲｕの場合に、第５の工程において、フッ化水素酸またはクエン酸を用いたウェット洗浄を用いることによって、下地層上に残留する銅の除去が可能となり得る。
以上説明したように、上記の一態様によれば、被処理体の銅層をエッチングすることで形成されるパターン側面の垂直性を向上させることが可能となる。
図１は、一実施形態の方法を示す流れ図である。 図２は、（ａ）部、（ｂ）部、（ｃ）部、および（ｄ）部を含み、図２の（ａ）部は、図１に示す方法の各工程の実行前の被処理体の主要な構成箇所を例示する断面図であり、図２の（ｂ）部〜（ｄ）部は、図１に示す方法の各工程の実行後の被処理体の主要な構成箇所の状態を示す断面図である。 図３は、図１に示す方法に含まれるシーケンスの複数回の実行後における被処理体の主要な箇所の状態を例示する断面図である。 図４は、図１に示す方法の実行に用いることが可能なプラズマ処理装置の一例を示す図である。 図５は、図１に示す方法に含まれるシーケンスの実行中において被処理体の表面の炭素の量の変化を模式的に示す図である。 図６は、図１に示す方法のシーケンスのプロセス条件を決定するために用いられるシミュレーション結果を示す図である。 図７は、図１に示す方法のシーケンスのプロセス条件を決定するために用いられる測定結果を示す図である。 図８は、（ａ）部および（ｂ）部を含み、図８の（ａ）部および図８の（ｂ）部は、図７に示す測定結果を説明するための表を示す図であり、図８の（ａ）部には、図７の縦軸の値と横軸の値とに対応する条件で被処理体をエッチングした場合に得られたエッチング後の銅層におけるパターンの溝の側面のテーパー角が示されており、図８の（ｂ）部には、図７の縦軸の値と横軸の値との比が示されている。 図９は、図１に示す方法のシーケンスのプロセス条件を決定するために用いられる他のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、図１に示す方法によって銅層が下地層に至るまでエッチングされた被処理体の主要な構成箇所の状態を示す断面図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において同一または相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。図１は、被処理体の銅層をエッチングする一実施形態に係る方法を示す流図である。図１に示す方法ＭＴは、被処理体の銅層をエッチングする方法の一実施形態である。図１に示す方法ＭＴは、図１に示す工程ＳＴ１、シーケンスＳＱを含む。また、方法ＭＴは、図１に示す工程ＳＴ４を含む場合がある。図２の（ａ）部は、図１に示す方法ＭＴの適用対象である被処理体（以下、ウエハＷという）の主要な構成箇所を例示する断面図である。図３は、図１に示す方法ＭＴに含まれるシーケンスＳＱの複数回の実行後におけるウエハＷの主要な箇所の状態を例示する断面図である。
まず、図２の（ａ）部を参照して、方法ＭＴの適用対象であるウエハＷの構成について説明する。図２の（ａ）部には、図１に示す方法ＭＴの各工程の実行前のウエハＷの主要な構成箇所を例示する断面図が示されている。図２の（ａ）部に示すウエハＷは、方法ＭＴの実行前において、エッチング等の処理が施されて得られる。より具体的には、例えば、第１の層（図２の（ａ）部に示す被エッチング層ＥＬ）、第２の層、第３の層、第４の層、第５の層がこの順に積層され第５の層上にマスクが設けられたウエハに対して、第２の層〜第５の層に対しエッチング等の処理が順次施されることによって、図２の（ａ）部に示すウエハＷが得られる。被エッチング層ＥＬは銅層である。第２の層の材料は、具体的には、例えばＴｉＷ等であり、第３の層の材料は例えばＳｉＮ等であり、第４の層の材料は例えば有機膜等であり、第５の層の材料は例えばＳｉＯＮ等であり、マスクの材料は例えばフォトレジスト等である。更に、第１の層は、Ｔａ，ＴａＮまたはＲｕ等の材料を有する第６の層（図１０に示す下地層ＭＬ）上に積層されている。このように、方法ＭＴは、第１の層〜第６の層から成るウエハに対して施される一連の処理工程の一部であり、特に、第１の層である被エッチング層ＥＬをエッチングする工程（銅層をエッチングする工程）に対応している。なお、マスクは、ウエハ上においてパターンを画定しており、当該パターンは、ウエハに対するエッチングによって、被エッチング層ＥＬに転写される。
図２の（ａ）部に示す被エッチング層ＥＬの主面ＳＦには、マスクＭＫが設けられている。マスクＭＫは、第２の層等がエッチングされて得られたものとなっている。従って、マスクＭＫは、第２の層の材料と同じ例えばＴｉＷ等を含有する。
次に、方法ＭＴの実行に用いることが可能なプラズマ処理装置の構成について説明する。方法ＭＴは、プラズマ処理装置によって実行される。図４は、図１に示す方法ＭＴの実行に用いることが可能なプラズマ処理装置の一例を示す図である。図４には、方法ＭＴの種々の実施形態で利用可能なプラズマ処理装置１０の断面構造が概略的に示されている。
図４に示すように、プラズマ処理装置１０は、平行平板の電極を備えるプラズマエッチング装置であり、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、略円筒形状を有しており、処理空間Ｓｐを画定する。処理容器１２は、例えば、アルミニウムから構成されており、その内壁面には陽極酸化処理が施されている。処理容器１２は保安接地されている。
処理容器１２の底部上には、略円筒状の支持部１４が設けられている。支持部１４は、例えば、絶縁材料から構成されている。支持部１４を構成する絶縁材料は、石英のように酸素を含み得る。支持部１４は、処理容器１２内において、処理容器１２の底部から鉛直方向（処理容器１２内において処理容器１２の底部の上方）に延在している。処理容器１２内には、載置台ＰＤが設けられている。載置台ＰＤは、支持部１４によって支持されている。
載置台ＰＤは、載置台ＰＤの上面においてウエハＷを保持する。ウエハＷの主面ＦＷは、載置台ＰＤの上面に接触するウエハＷの裏面の反対側にあり、上部電極３０に向いている。載置台ＰＤは、下部電極ＬＥおよび静電チャックＥＳＣを有している。下部電極ＬＥは、第１プレート１８ａおよび第２プレート１８ｂを含んでいる。第１プレート１８ａおよび第２プレート１８ｂは、例えばアルミニウムといった金属から構成されており、略円盤形状をなしている。第２プレート１８ｂは、第１プレート１８ａ上に設けられており、第１プレート１８ａに電気的に接続されている。
第２プレート１８ｂ上には、静電チャックＥＳＣが設けられている。静電チャックＥＳＣは、導電膜である電極を、一対の絶縁層の間または一対の絶縁シートの間に配置した構造を有している。静電チャックＥＳＣの電極には、直流電源２２がスイッチ２３を介して電気的に接続されている。ウエハＷは、載置台ＰＤに載置されている場合に、静電チャックＥＳＣに接する。静電チャックＥＳＣは、直流電源２２からの直流電圧により生じるクーロン力等の静電力によりウエハＷを吸着する。これにより、静電チャックＥＳＣは、ウエハＷを保持することができる。
第２プレート１８ｂの周縁部上には、ウエハＷのエッジおよび静電チャックＥＳＣを囲むようにフォーカスリングＦＲが配置されている。フォーカスリングＦＲは、エッチングの均一性を向上させるために設けられている。フォーカスリングＦＲは、エッチング対象の膜の材料によって適宜選択される材料から構成されており、例えば、石英から構成され得る。なお、フォーカスリングＦＲの材料は、上部電極３０の電極板３４と同様に、炭化シリコン、銅を含有し得る。
第２プレート１８ｂの内部には、冷媒流路２４が設けられている。冷媒流路２４は、温調機構を構成している。冷媒流路２４には、処理容器１２の外部に設けられたチラーユニット（図示略）から配管２６ａを介して冷媒が供給される。冷媒流路２４に供給される冷媒は、配管２６ｂを介してチラーユニットに戻される。このように、冷媒流路２４には、冷媒が循環するように供給される。この冷媒の温度を制御することによって、静電チャックＥＳＣによって支持されたウエハＷの温度が制御され得る。
プラズマ処理装置１０には、ガス供給ライン２８が設けられている。ガス供給ライン２８は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスを、静電チャックＥＳＣの上面とウエハＷの裏面との間に供給する。
プラズマ処理装置１０には、ウエハＷの温度を調節するヒータＨＴが設けられている。ヒータＨＴは、静電チャックＥＳＣに内蔵されている、または、第２プレート１８ｂ内に埋め込まれている。ヒータＨＴには、ヒータ電源ＨＰが接続されている。ヒータ電源ＨＰからヒータＨＴに電力が供給されることにより、静電チャックＥＳＣの温度が調整され、静電チャックＥＳＣ上に載置されるウエハＷの温度が調整されるようになっている。
プラズマ処理装置１０は、上部電極３０を備えている。上部電極３０は、処理容器１２内において載置台ＰＤの上方に載置台ＰＤと対向するように設けられている。下部電極ＬＥと上部電極３０とは、互いに略平行に設けられており、平行平板電極を構成する。上部電極３０と下部電極ＬＥとの間には、ウエハＷにプラズマ処理を行うための処理空間Ｓｐが提供されている。
上部電極３０は、絶縁性遮蔽部材３２を介して、処理容器１２の上部に支持されている。絶縁性遮蔽部材３２は、絶縁材料から構成されている。上部電極３０は、電極板３４および電極支持体３６を含み得る。電極板３４は、処理空間Ｓｐに面しており、電極板３４には複数のガス吐出孔３４ａが設けられている。電極板３４は、一実施形態では、炭化シリコンまたは銅を含有し得る。
電極支持体３６は、電極板３４を着脱自在に支持するものであり、例えばアルミニウムといった導電性材料から構成され得る。電極支持体３６は、水冷構造を有し得る。電極支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。ガス拡散室３６ａからは、ガス吐出孔３４ａに連通する複数のガス通流孔３６ｂが下方（処理容器１２内において載置台ＰＤに向かう方向）に延びている。電極支持体３６には、ガス拡散室３６ａに処理ガスを導くガス導入口３６ｃが形成されており、ガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。
ガス供給管３８には、バルブ群４２および流量制御器群４４を介して、ガスソース群４０が接続されている。ガスソース群４０は、複数のガスソースを有している。複数のガスソースは、ハイドロカーボン系ガス（ＣｘＨｙガス（ｘ、ｙは１〜１０の整数））のソース、水素ガスのソース、ハロゲン含有ガスのソース、および、希ガスのソース、等を含み得る。
バルブ群４２は、複数のバルブを含んでおり、流量制御器群４４は、マスフローコントローラといった複数の流量制御器を含んでいる。ガスソース群４０の複数のガスソースのそれぞれは、バルブ群４２の対応のバルブ、および、流量制御器群４４の対応の流量制御器を介して、ガス供給管３８に接続されている。したがって、プラズマ処理装置１０は、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択された一以上のガスソースからのガスを、個別に調整された流量で、処理容器１２内に供給することが可能である。
プラズマ処理装置１０では、処理容器１２の内壁に沿ってデポシールド４６が着脱自在に設けられている。デポシールド４６は、支持部１４の外周にも設けられている。デポシールド４６は、処理容器１２にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するものである。
処理容器１２の底部側、且つ、支持部１４と処理容器１２の側壁との間には排気プレート４８が設けられている。排気プレート４８の下方、且つ、処理容器１２には、排気口１２ｅが設けられている。排気口１２ｅには、排気管５２を介して排気装置５０が接続されている。排気装置５０は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、処理容器１２内の空間を所望の真空度まで減圧することができる。処理容器１２の側壁にはウエハＷの搬入出口１２ｇが設けられており、搬入出口１２ｇはゲートバルブ５４により開閉可能となっている。なお、処理容器１２内の圧力制御には、圧力計およびＡＰＣ（圧力計からの信号に応じて弁体の開閉度を制御するバルブ）が更に用いられ得る。
プラズマ処理装置１０は、第１の高周波電源６２および第２の高周波電源６４を更に備えている。第１の高周波電源６２は、プラズマ生成用の第１の高周波電力を発生する電源であり、２７〜１００［ＭＨｚ］の周波数、一例においては６０［ＭＨｚ］の高周波電力を発生する。また、第１の高周波電源６２は、パルス仕様を備えており、周波数５〜１０［ｋＨｚ］、Ｄｕｔｙ５０〜１００％で制御可能である。第１の高周波電源６２は、整合器６６を介して上部電極３０に接続されている。整合器６６は、第１の高周波電源６２の出力インピーダンスと負荷側（下部電極ＬＥ側）の入力インピーダンスとを整合させるための回路である。なお、第１の高周波電源６２は、整合器６６を介して下部電極ＬＥに接続されていてもよい。
第２の高周波電源６４は、ウエハＷにイオンを引き込むための第２の高周波電力、すなわち高周波バイアス電力を発生する電源であり、４００［ｋＨｚ］〜４０．６８［ＭＨｚ］の範囲内の周波数、一例においては１３．５６［ＭＨｚ］の周波数の高周波バイアス電力を発生する。また、第２の高周波電源６４は、パルス仕様を備えており、周波数５〜４０［ｋＨｚ］、Ｄｕｔｙ２０〜１００％で制御可能である。第２の高周波電源６４は、整合器６８を介して下部電極ＬＥに接続されている。整合器６８は、第２の高周波電源６４の出力インピーダンスと負荷側（下部電極ＬＥ側）の入力インピーダンスとを整合させるための回路である。
プラズマ処理装置１０は、電源７０を更に備えている。電源７０は、上部電極３０に接続されている。電源７０は、処理空間Ｓｐ内に存在する正イオンを電極板３４に引き込むための電圧を、上部電極３０に印加する。一例においては、電源７０は、負の直流電圧を発生する直流電源である。このような電圧が電源７０から上部電極３０に印加されると、処理空間Ｓｐに存在する正イオンが、電極板３４に衝突する。これにより、電極板３４から二次電子および／または電極材料が放出され得る。また同様に、電極板３４に付着した銅を含有する堆積物も放出され得る。
制御部Ｃｎｔは、プロセッサ、記憶部、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。具体的に、制御部Ｃｎｔは、バルブ群４２、流量制御器群４４、排気装置５０、第１の高周波電源６２、整合器６６、第２の高周波電源６４、整合器６８、電源７０、ヒータ電源ＨＰ、およびチラーユニットに接続されている。
制御部Ｃｎｔは、入力されたレシピに基づくプログラムに従って動作し、制御信号を送出する。制御部Ｃｎｔからの制御信号によって、静電チャックＥＳＣに接続された直流電源２２およびスイッチ２３と、ガスソース群４０から供給されるガスの選択および流量と、排気装置５０の排気と、第１の高周波電源６２および第２の高周波電源６４からの電力供給と、電源７０からの電圧印加と、ヒータ電源ＨＰの電力供給と、チラーユニットからの冷媒流量および冷媒温度と、を制御することが可能である。なお、本明細書において開示される方法ＭＴ（銅層をエッチングする方法）の各工程は、制御部Ｃｎｔによる制御によってプラズマ処理装置１０の各部を動作させることによって、実行され得る。
再び図１を参照し、方法ＭＴについて詳細に説明する。以下では、方法ＭＴの実行にプラズマ処理装置１０が用いられる例について説明を行う。また、以下の説明において、図２の（ａ）部と共に、図２の（ｂ）〜（ｄ）部を参照する。図２の（ｂ）部〜（ｄ）部は、図１に示す方法ＭＴの各工程の実行後のウエハＷの主要な構成箇所の状態を示す断面図である。
工程ＳＴ１においては、図２の（ａ）部に示すウエハＷが、処理容器１２の載置台ＰＤ上に用意される。工程ＳＴ１に引き続くシーケンスＳＱは、工程ＳＴ２１（第１の工程），ＳＴ２２（第２の工程），ＳＴ２３（第３の工程）を備える。工程ＳＴ２１は、工程ＳＴ１に引き続き実行され、工程ＳＴ２２は、工程ＳＴ２１に引き続き実行され、工程ＳＴ２３は、工程ＳＴ２２に引き続き実行される。シーケンスＳＱを繰り返し実行することによって、銅を含有する被エッチング層ＥＬのエッチングを高選択比で進めることができる。
工程ＳＴ２１は、ウエハＷが収容されているプラズマ処理装置１０の処理容器１２内に第１のガスのプラズマを生成する工程である。工程ＳＴ２１では、第１のガスのプラズマによって、図２の（ｂ）部に示すように、マスクＭＫによって画定されているパターンの溝（マスクＭＫによって画定される溝であり、エッチング後にはエッチングによって形成される被エッチング層ＥＬのトレンチを含む。以下同様。）の側面ＦＣ（マスクＭＫの側面を含むと共に、エッチング後にはエッチングによって形成される被エッチング層のトレンチの側面を含む。以下同様。）、および、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに対して、ハイドロカーボン膜（以下、ＨＣ膜８１という）が形成される。具体的には、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択したガスソースから、第１のガスを処理容器１２内に供給する。第１のガスは、ハイドロカーボンガスであり得る。第１のガスは、具体的には、例えばＣＨ４ガスであり得る。排気装置５０を動作させることによって、処理容器１２内の圧力を所定の圧力に設定する。第１の高周波電源６２から高周波電力を供給する。第２の高周波電源６４から高周波バイアス電力を供給する。これによって、プラズマが生成される。生成されたプラズマによって、図２の（ｂ）部に示すように、側面ＦＣ、および、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに対して、ＨＣ膜８１が形成される。なお、工程ＳＴ２１の実行時間は、工程ＳＴ２１の実行時においてマスクＭＫによって画定されているパターンの溝のアスペクト比に応じて増減され得る。なお、パターンの溝のアスペクト比とは、溝の幅と溝の高さとの比である。
工程ＳＴ２２は、ウエハＷが収容されているプラズマ処理装置１０の処理容器１２内に第２のガスのプラズマを生成する工程である。工程ＳＴ２２では、図２の（ｃ）部に示すように、第２のガスのプラズマによって、主面ＳＦに形成されたＨＣ膜８１がスパッタされて除去されると共に、ＨＣ膜８１に含まれている炭素が主面ＳＦから被エッチング層ＥＬの内側に拡散して銅と炭素とを含有する混合層８２が被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに形成される。工程ＳＴ２２のスパッタの時間は、主面ＳＦ上においてＨＣ膜８１が完全に除去され、さらに混合層８２の一部も更に除去されるが、混合層８２が完全に除去されないように設定される。具体的には、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択したガスソースから、第２のガスを処理容器１２内に供給する。第２のガスは、希ガス、または、希ガスと水素ガスとの混合ガス、の何れかを含有し得る。排気装置５０を動作させることによって、処理容器１２内の圧力を所定の圧力に設定する。第１の高周波電源６２から高周波電力を供給する。第２の高周波電源６４から高周波バイアス電力を供給する。これによって、プラズマが生成される。生成されたプラズマによって、図２の（ｃ）部に示すように、主面ＳＦに形成されたＨＣ膜８１がスパッタされて除去されると共に、ＨＣ膜８１に含まれている炭素が主面ＳＦから被エッチング層ＥＬの内側に拡散して銅と炭素とを含有する混合層８２が被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに形成され、さらに、混合層８２がスパッタリングによって活性化し有機銅化合物を形成してスパッタされた副生成物の揮発性が増すので、混合層８２が存在している間は垂直性の高いエッチングが可能となる。工程ＳＴ２２の実行時間を更に延長していった場合に、工程ＳＴ２２の実行中に混合層８２が完全に除去される場合があり、ＨＣ膜８１が完全に除去された後には、被エッチング層ＥＬの銅は物理的スパッタリングのみによって除去され、被エッチング層ＥＬの加工形状はテーパー状となり、側面ＦＣにはスパッタリングされた銅が付着し得る。
第２のガスに含まれる希ガスは、具体的には、例えばアルゴンガス（Ａｒガス）であり得る。第２のガスに含まれ得る希ガスは、アルゴンガスの他に、ヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガス等であり得る。これらの希ガスが用いられる場合、被エッチング層ＥＬに含有される銅に対するスパッタ能は、ＨＣ膜８１や混合層８２に含有される炭素に対するスパッタ能、および、マスクＭＫに含有されるタングステン（Ｗ）等の重元素に対するスパッタ能に比較して十分に多い。従って、希ガスを用いたスパッタは、ウエハＷに対して高選択比のスパッタとなり得る。なお、本実施形態では、以下の説明において、第２のガスの希ガスとしてアルゴンガスのみが例示的に示されるが、本実施形態における以下の記載では、第２のガスがアルゴンガスの場合に奏される全ての作用・効果は、他の希ガスにおいても同様に奏される。
工程ＳＴ２３は、ウエハＷが収容されているプラズマ処理装置１０の処理容器１２内に第３のガスのプラズマを生成する工程である。工程ＳＴ２３では、図２の（ｄ）部に示すように、第３のガスのプラズマによって、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに形成され工程ＳＴ２２によって露出された混合層８２から炭素が除去される。更に、側面ＦＣに形成されたＨＣ膜８１も除去される。具体的には、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択したガスソースから、第３のガスを処理容器１２内に供給する。第３のガスは、水素ガスを含有し得る。排気装置５０を動作させることによって、処理容器１２内の圧力を所定の圧力に設定する。第１の高周波電源６２から高周波電力を供給する。第２の高周波電源６４から高周波バイアス電力を供給する。これによって、プラズマが生成される。生成されたプラズマによって、図２の（ｄ）部に示すように、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに形成され工程ＳＴ２２によって露出された混合層８２から炭素が除去されることによって混合層８２が除去され、更に、側面ＦＣに形成されたＨＣ膜８１も除去される。なお、シーケンスＳＱが工程ＳＴ２３を含まない場合には、工程ＳＴ２２の実行後に残る混合層８２中の炭素濃度は、シーケンスＳＱが繰り返し行われるごとに増加していき、余剰な炭素が累積し、その結果、エッチングが遂には停止する。また、側面ＦＣに堆積したハイドロカーボン膜が厚くなることによって、パターンの溝の形状もテーパー状となり得る。
以上のように、１回のシーケンスＳＱの実行によって、銅を含有する被エッチング層ＥＬにおいてマスクＭＫに覆われていない部分が高選択比でエッチングされ得る。
シーケンスＳＱに引き続く工程ＳＴ３では、シーケンスＳＱの繰り返し回数が、予め設定された回数に達したか否かを判定し、当該回数に達していないと判定した場合（工程ＳＴ３；Ｎｏ）、シーケンスＳＱを再び実行し、当該回数に達したと判定した場合（工程ＳＴ３：Ｙｅｓ）、方法ＭＴに係る処理が終了され、引き続く所定の処理が実行される。すなわち、工程ＳＴ３では、シーケンスＳＱの繰り返し回数が予め設定された回数に達するまで、シーケンスＳＱの実行が繰り返し行われることによって、銅を含有する被エッチング層ＥＬに対し所望の深さに至るまで高選択比のエッチングが可能となる。シーケンスＳＱの繰り返し回数は、被エッチング層ＥＬに対するエッチングの深さに応じて決定され得る。
シーケンスＳＱの実行時における被エッチング層ＥＬの主面ＳＦ上に形成されたＨＣ膜８１および混合層８２に含まれる炭素の量の変化が、図５に示されている。図５の横軸は、時間を表し、図５の縦軸は、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに付着している炭素の量を表している。図５に示すＴｓｑは、シーケンスＳＱの実行時間を表しており、図５に示すＴｓｔ２１は、工程ＳＴ２１の実行時間を表しており、図５に示すＴｓｔ２２は、工程ＳＴ２２の実行時間を表しており、図５に示すＴｓｔ２３は、工程ＳＴ２３の実行時間を表している。工程ＳＴ２１において、第１のガスのプラズマによってＨＣ膜８１が被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに形成されることによって、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに付着する炭素の量が増加する。工程ＳＴ２２では、第２のガスのプラズマによってＨＣ膜８１がスパッタされるので、ＨＣ膜８１に対するスパッタが時間と共に進むにつれて、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに付着している炭素の量も減少するが、工程ＳＴ２２の終了時においても、炭素は被エッチング層ＥＬの主面ＳＦにおいて残留する。工程ＳＴ２２の終了時点で被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに残留する炭素は、混合層８２に含まれる炭素であり、工程ＳＴ２２の終了時点でＨＣ膜８１は全て除去される。工程ＳＴ２２の終了時点で被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに残留する炭素は、工程ＳＴ２３において全て除去される。すなわち、工程ＳＴ２３では、第３のガスのプラズマによって、工程ＳＴ２２の終了時点で被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに残留する炭素が混合層８２から除去される。
また、工程ＳＴ２２において第２のガスのプラズマによってエッチングされる被エッチング層ＥＬの銅の量は、工程ＳＴ２１において第１のガスのプラズマによってエッチングされる被エッチング層ＥＬの銅の量および工程ＳＴ２３において第３のガスのプラズマによってエッチングされる被エッチング層ＥＬの銅の量のいずれよりも多い。
次に、図６〜図９を参照して、シーケンスＳＱで用いられるプロセス条件について、さらに具体的に説明する。図６は、図１に示す方法ＭＴのシーケンスのプロセス条件を決定するために用いられるシミュレーション結果を示す図である。図９は、図１に示す方法ＭＴのシーケンスのプロセス条件を決定するために用いられる他のシミュレーション結果を示す図である。図７は、図１に示す方法ＭＴのシーケンスのプロセス条件を決定するために用いられる測定結果を示す図である。図８の（ａ）部および図８の（ｂ）部は、図７に示す測定結果を説明するための表を示す図である。図８の（ａ）部には、図７の縦軸の値と横軸の値とに対応する条件でウエハＷをエッチングした場合に得られたエッチング後の被エッチング層ＥＬにおける側面ＦＣのテーパー角［°］が示されている。図８の（ｂ）部には、図７の縦軸の値と横軸の値との比が示されている。図８の（ａ）部のテーパー角［°］は、図３に示す角度θ［°］を示している。図３に示す角度θ［°］は、側面ＦＣと被エッチング層ＥＬの主面ＳＦとの成す角度（鋭角）であり（あるいは、当該角度θは、側面ＦＣと、板状のウエハＷの表面（ウエハＷの主面ＦＷおよびウエハＷの裏面）に沿って延びる面との成す角度（鋭角）であるということもできる）、側面ＦＣの傾斜を表している。図３に示す基準線ＬＮ１は、側面ＦＣに平行であり、図３に示す基準線ＬＮ２は、被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに平行である（あるいは、基準線ＬＮ２は、板状のウエハＷの表面（ウエハＷの主面ＦＷおよびウエハＷの裏面）に沿って延びる面に平行である）。
まず、図６を参照して、工程ＳＴ２２のプロセス条件について説明する。図６の横軸は、アルゴンイオンのエネルギー（Ion energy）［ｅＶ］を表しており、図６の縦軸は、銅層（Ｃｕ）に対するスパッタ能を、マスクＭＫに用いられ得る各種材料（Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｓｉ）に対するスパッタ能で割って得られる商の値（Sputter yield ratio to Cu）を表している。図６に示すように、アルゴンイオンのエネルギーが２００［ｅＶ］以下の場合に、各種材料層よりも銅層に対するスパッタ能が顕著に多くなることがわかる。すなわち、工程ＳＴ２２において、アルゴンイオンのエネルギーが２００［ｅＶ］以下の場合に、銅を含有する被エッチング層ＥＬに対するエッチングのほうが、マスクＭＫに対するエッチングよりも速く進行することがわかる。よって、アルゴンイオンのエネルギーが２００［ｅＶ］以下の場合に、工程ＳＴ２２で実行される銅スパッタは、高選択比で実現され得る。
工程ＳＴ２２において、アルゴンイオンのエネルギーの値［ｅＶ］は、第２の高周波電源６４によってウエハＷに印加するバイアス電圧の値［Ｖ］の１／２程度であり、マスクＭＫに対する高選択比を実現するのに望ましい２００［ｅＶ］程度のイオンエネルギーを実現するために実際にウエハＷに印加するバイアス電圧は４００［Ｖ］以下が望ましいことがわかる。また、工程ＳＴ２２において、銅層に対するスパッタの効果を得るために必要なアルゴンイオンのエネルギーを得るために必要なエネルギーは典型的には５０［ｅＶ］程度であり、したがって第２の高周波電源６４によってウエハＷに印加するバイアス電圧の値［Ｖ］は１００［Ｖ］程度であるので、工程ＳＴ２２において、第２のガスのプラズマを生成する場合にウエハＷに印加するバイアス電圧は、１００［Ｖ］以上且つ４００［Ｖ］以下の範囲にあり得る。なお、図６に示すアルゴンイオンのエネルギーは、ウエハＷに入射する時のアルゴンイオンのエネルギーを表している。
図７、図８の（ａ）部を参照して、工程ＳＴ２２のプロセス条件について更に説明する。図７の横軸は、ハイドロカーボン膜に対するスパッタ量［ｎｍ］を表しており、図７の縦軸は、ハイドロカーボン膜の膜厚［ｎｍ］を表している。図７の横軸に示すハイドロカーボン膜に対するスパッタ量［ｎｍ］は、工程ＳＴ２２におけるＨＣ膜８１に対するスパッタの速さが一定であるとして、工程ＳＴ２２の実行時間に対応している。図７の縦軸に示す膜厚のハイドロカーボン膜は、測定用に用いられた銅層の表面（被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに対応している測定用のウエハ上に形成された銅の平面）に形成された膜であり、図７の縦軸に示す膜厚のハイドロカーボン膜の膜厚は、マスクＭＫが設けられた被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに形成されるＨＣ膜８１の膜厚よりも概ね０．３［ｎｍ］程度大きい値である。すなわち、図７の縦軸に示す膜厚の値［ｎｍ］から０．３を差し引いた値は、工程ＳＴ２１で形成されるＨＣ膜８１の膜厚に対応している。図８の（ａ）部および図８の（ｂ）部に示す表の列方向（ハイドロカーボン膜のスパッタ量）は、図７の横軸に対応しており、図８の（ａ）部および図８の（ｂ）部に示す表の行方向（ハイドロカーボン膜の膜厚）は、図７の縦軸に対応している。
図７および図８の（ａ）部からわかるように、工程ＳＴ２１において第１のガスのプラズマによって被エッチング層ＥＬ上（主面ＳＦ）に形成されるＨＣ膜８１の膜厚は、１．０［ｎｍ］（図７の縦軸の値では１．３［ｎｍ］）を含む０．８［ｎｍ］以上１．２［ｎｍ］以下の範囲（図７の縦軸の値では１．１［ｎｍ］以上１．５［ｎｍ］以下の範囲）にある場合に、シーケンスＳＱ後における側面ＦＣのテーパー角が比較的に大きく、９０［°］に近い。更に、図７の横軸（ハイドロカーボン膜に対するスパッタ量）の値が、図７の縦軸の１．１［ｎｍ］以上１．５［ｎｍ］以下の２．０倍以上３．５倍以下の範囲（図７の横軸の値では２．２［ｎｍ］以上５．３［ｎｍ］以下の範囲）にある場合に、シーケンスＳＱ後における側面ＦＣのテーパー角が比較的に大きく、９０［°］に近い。すなわち、工程ＳＴ２２の実行時間（スパッタ時間）は、この実行時間の条件を除く工程ＳＴ２２のプロセス条件のもとで、０．８［ｎｍ］以上１．２［ｎｍ］以下の範囲（図７の縦軸の値では１．１［ｎｍ］以上１．５［ｎｍ］以下の範囲）にある膜厚のＨＣ膜８１をエッチングし除去するために必要となる時間の２．０倍以上３．５倍以下の範囲（図７では図７の曲線Ｃ１と曲線Ｃ２とによって挟まれた領域であり、より具体的には、例えばエリアＡＬを含む領域である）にある場合に、シーケンスＳＱ後における側面ＦＣのテーパー角が比較的に大きく、９０［°］に近い。なお、このような範囲内にある工程ＳＴ２２の実行時間（スパッタ時間）は、エッチングの進行に伴うエッチング対象となっているパターンの溝のアスペクト比の変化に応じて、更に増減され得る。
なお、図８の（ａ）部のテーパー角の分布と、図８の（ｂ）部の比（（ハイドロカーボン膜のスパッタ量）／（ハイドロカーボン膜の膜厚））の分布とには、逆の相関があることがわかる。すなわち、（ハイドロカーボン膜のスパッタ量）／（ハイドロカーボン膜の膜厚）の値が小さいほど、すなわち、ハイドロカーボン膜のスパッタ量が相対的に少ないほど、エッチング後における側面ＦＣのテーパー角は大きく、９０［°］に近くなり、よって、高選択比が実現され得る。
図９を参照して、工程ＳＴ２３のプロセス条件について説明する。図９の横軸は、水素イオンのエネルギー（Ion energy）［ｅＶ］を表しており、図９の縦軸は、スパッタ能（Sputter yield）［ａ．ｕ．］（任意単位）を表している。図９に示すシミュレーション結果ＧＲ１は、炭素層に対するスパッタ能を表しており、図９に示すシミュレーション結果ＧＲ２は、銅層に対するスパッタ能を表している。図９に示すように、水素イオンのエネルギーが５０［ｅＶ］より大きく且つ３００［ｅＶ］より小さい場合に、炭素層に対するスパッタ能のほうが、銅層に対するスパッタ能よりも多いことがわかる。すなわち、工程ＳＴ２３において、水素イオンのエネルギーが５０［ｅＶ］より大きく且つ３００［ｅＶ］より小さい場合に、炭素を含有する混合層８２に対するスパッタが十分に行われ、混合層８２が十分に除去された後でも、銅を含有する被エッチング層ＥＬに対するエッチングは抑制され得る。よって、水素イオンのエネルギーが５０［Ｖ］より大きく且つ３００［Ｖ］より小さい範囲にある場合に、工程ＳＴ２３では、炭素を含有するＨＣ膜８１および混合層８２中から炭素の除去が銅に比べて選択的に行われ得る。工程ＳＴ２３において、水素イオンのエネルギーの値［ｅＶ］は、第２の高周波電源６４によってウエハＷに印加するバイアス電圧の値［Ｖ］の１／２程度であるので、工程ＳＴ２３において、第３のガスのプラズマを生成する場合にウエハＷに印加するバイアス電圧は、１００［Ｖ］より大きく且つ６００［Ｖ］より小さい範囲にあり得る。なお、図９に示す水素イオンのエネルギーは、ウエハＷに入射する時の水素イオンのエネルギーを表している。
なお、方法ＭＴにおいては、シーケンスＳＱ（特に工程ＳＴ２２）で行われるエッチングによって生じる（飛散する）銅および有機物等が処理容器１２の内側に付着し堆積する場合がある。銅および有機物等が上部電極３０に堆積すると、上部電極３０の電極板３４の表面の導電性が変化し、プロセスの再現性も低下する。有機物は酸素や水素等のプラズマにより容易に除去できるが、銅については除去が困難であり、例えばＳｉ製の電極板３４を使用すると銅がＳｉ中に拡散してしまい除去がさらに困難となる。この状況に対し、上部電極３０の電極板３４が炭化シリコンまたは銅を含有する場合には、電極板３４へ銅が堆積した場合に電極板３４中に銅原子が拡散することによる導電性の変化が少ない。更に、方法ＭＴは、図１に示すように、炭化シリコンまたは銅を含有する電極板３４を用いて、上部電極３０と下部電極ＬＥとの間において、直流電圧を印加する、または、６０［ＭＨｚ］程度の高周波電圧を印加する工程ＳＴ４（第４の工程）を更に備え得る。工程ＳＴ４は、上記のように電極（特に上部電極３０）に対する処置を行う工程であり、図１に示すように、前記シーケンスが繰り返し実行されて前記銅層のエッチングが終了し、ウエハＷが搬出された後に実行される。
以下、工程ＳＴ２１、工程ＳＴ２２、および工程ＳＴ２３のそれぞれのプロセス条件の実施例を示す。
＜工程ＳＴ２１＞
・処理容器１２内の圧力の値［ｍＴｏｒｒ］：１０［ｍＴｏｒｒ］
・第１の高周波電源６２の高周波電力の値［Ｗ］：３００［Ｗ］
・第２の高周波電源６４の高周波電力の値［Ｗ］：０［Ｗ］(高周波電圧０［Ｖ］)
・処理ガス：ＣＨ４ガス
・処理ガスの流量［ｓｃｃｍ］：１００［ｓｃｃｍ］
・処理時間［ｓ］：３［ｓ］
＜工程ＳＴ２２＞
・処理容器１２内の圧力の値［ｍＴｏｒｒ］：５［ｍＴｏｒｒ］
・第１の高周波電源６２の高周波電力の値［Ｗ］：３００［Ｗ］
・第２の高周波電源６４の高周波電力の値［Ｗ］：５０［Ｗ］(高周波電圧２００［Ｖ］)
・処理ガス：Ａｒガス
・処理ガスの流量［ｓｃｃｍ］：１００［ｓｃｃｍ］
・処理時間［ｓ］：１０［ｓ］
＜工程ＳＴ２３＞
・処理容器１２内の圧力の値［ｍＴｏｒｒ］：１０［ｍＴｏｒｒ］
・第１の高周波電源６２の高周波電力の値［Ｗ］：３００［Ｗ］
・第２の高周波電源６４の高周波電力の値［Ｗ］：１００［Ｗ］(高周波電圧６００［Ｖ］)
・処理ガス：Ｈ２ガスおよびＮ２ガス
・処理ガスの流量［ｓｃｃｍ］：（Ｈ２）１５０［ｓｃｃｍ］、（Ｎ２）１５０［ｓｃｃｍ］
・処理時間［ｓ］：５［ｓ］
＜シーケンスＳＱ（工程ＳＴ２１〜ＳＴ２３）＞
・静電チャックＥＳＣの温度［℃］：１２０［℃］
・処理容器の温度［℃］：８０［℃］
・繰り返し回数［回］：８０［回］
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、シーケンスＳＱ毎に、工程ＳＴ２１において、銅を含有する被エッチング層ＥＬ上に炭素を含有するＨＣ膜８１が形成され、工程ＳＴ２１に引き続く工程ＳＴ２２において、炭素を含有するＨＣ膜８１に対しスパッタが行われ、ＨＣ膜８１が除去されると共に、ＨＣ膜８１に含まれている炭素が被エッチング層ＥＬに拡散して銅と炭素との混合層８２が被エッチング層ＥＬの主面ＳＦに形成されつつ混合層８２が同時に除去され、工程ＳＴ２２に引き続く工程ＳＴ２３において、混合層８２中と、マスクＭＫによって画定されるパターンの溝（マスクＭＫによって画定される溝であり、エッチング後にはエッチングによって形成される被エッチング層ＥＬのトレンチを含む）の側面ＦＣ（マスクＭＫの側面を含むと共に、エッチング後にはエッチングによって形成される被エッチング層ＥＬのトレンチの側面を含む）とにおける余剰な炭素が除去されるので、シーケンスＳＱが繰り返し行われる場合に余剰炭素によってエッチングが停止することなく、被エッチング層ＥＬの銅のエッチングが可能となる。また、パターンの溝の側面ＦＣの余剰炭素が低減されることによって、パターンの溝の側面ＦＣの垂直性が向上される。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、銅を含有する被エッチング層ＥＬの除去を主として工程ＳＴ２２において実施することは化学アシストによる被エッチング層ＥＬのエッチングにつながるので、被エッチング層ＥＬの除去が主として物理的スパッタリングによってなされて被エッチング層ＥＬの加工形状がテーパー状になることを抑制することにつながる。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２１において第１のガスのプラズマによってマスクＭＫ上および被エッチング層ＥＬ上に形成されるＨＣ膜８１の膜厚が０．８［ｎｍ］以上１．２［ｎｍ］以下であるので、工程ＳＴ２２で実施されるスパッタによるエッチングが高選択比で実現され、マスクＭＫによって画定されるパターンの溝の側面の垂直性が向上され、よって、銅層の加工の垂直性が向上され得る。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２１の実行時間は、エッチングの進行に応じて増大するパターンの溝のアスペクト比に応じて増減され得る。従って、アスペクト比に応じて工程ＳＴ２１の実行時間が増減され得るので、工程ＳＴ２１の実行時にマスクＭＫによって画定されているパターンの溝のアスペクト比の変化によらずに、第１のガスのプラズマによって均一な膜が被エッチング層ＥＬの主面ＳＦおよびマスクＭＫの表面に形成され得る。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２２の実行時間は、エッチングの進行に応じて増大するパターンの溝のアスペクト比に応じて増減される。従って、工程ＳＴ２２の実行時にマスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比のエッチング進行に伴う変化に応じて工程ＳＴ２２の実行時間が増減され得るので、上記の工程ＳＴ２２の実行時間内において更に、第２の工程の実行時にマスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比によらずに、工程ＳＴ２１で形成され炭素を含有するＨＣ膜８１に対するエッチング、更には、工程ＳＴ２２で形成される銅と炭素とを含有する混合層８２に対するエッチングが、第２のガスのプラズマによって好適に行われ得る。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２２において、第２のガスのプラズマを生成する場合にウエハＷに印加するバイアス電圧が１００［Ｖ］以上且つ４００［Ｖ］以下の範囲にあるので、工程ＳＴ２１により堆積したＨＣ膜８１を貫通するのに十分なイオンエネルギーが得られ、ハイドロカーボンのＨＣ膜８１と被エッチング層ＥＬとの混合層８２を形成し、さらに混合層８２をスパッタリングによって除去することが可能となる。なお、この場合にバイアス電圧によって加速されるイオンのエネルギーは、２００［ｅＶ］以下の範囲に相当する。更に、銅を含有する被エッチング層ＥＬに対するエッチングのほうがマスクＭＫに対するエッチングよりも速く進行するので工程ＳＴ２２で行われるスパッタが高選択比で実現され、マスクＭＫによって画定されるパターンの溝の側面の垂直性が向上される。このように、有機層と銅層の混合の効果によってスパッタされた副生成物の揮発性が増すので、銅層加工において垂直性が向上され得る。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２２の実行時間は、工程ＳＴ２１で堆積させたＨＣ膜８１をエッチングし、ＨＣ膜８１を除去するために必要となる時間の２．０倍以上３．５倍以下である。従って、工程ＳＴ２２の実行時間が、この実行時間の条件を除く工程ＳＴ２２のプロセス条件のもとで膜をエッチングし膜を除去するために必要となる時間の２．０倍以上３．５倍以下である。従って、工程ＳＴ２２中に工程ＳＴ２１で堆積したＨＣ膜８１と被エッチング層ＥＬとがイオンエネルギーによって混合され、化学アシストによって銅を含有する被エッチング層ＥＬに対するエッチングが可能になる。更に、ＨＣ膜８１が完全に除去されて被エッチング層ＥＬの銅に対する純粋なスパッタリングに移行する前に工程ＳＴ２２の後に実行される工程ＳＴ２３に移行できる。このように、工程ＳＴ２２において混合層８２が完全に除去される前に工程ＳＴ２２が停止することによって銅層の加工の垂直性が増すと共に、工程ＳＴ２２の後に実行される工程ＳＴ２３によって余剰な炭素が除去されエッチング進行に伴う炭素の堆積が抑制されることによって銅を含有する被エッチング層ＥＬに対するエッチングが確実に実行される。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２３において、第３のガスのプラズマを生成する場合にウエハＷに印加するバイアス電圧が１００［Ｖ］より大きく且つ６００［Ｖ］より小さい範囲にあるので、工程ＳＴ２３における被エッチング層ＥＬに対するスパッタ能は工程ＳＴ２２による被エッチング層ＥＬのスパッタ能に比べて小さい。さらに、方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２３において、第３のガスのプラズマを生成する場合にウエハＷに印加するバイアス電圧が１００［Ｖ］より大きく且つ６００［Ｖ］より小さい範囲にあるので、工程ＳＴ２３における炭素を含有する層に対するスパッタ能のほうが銅層に対するスパッタ能よりも大きい。従って、工程ＳＴ２３において、工程ＳＴ２１で第１のガスのプラズマによって形成され炭素を含有するＨＣ膜８１と、工程ＳＴ２２で第２のガスのプラズマによって形成され炭素と銅とを含有する混合層８２とから、炭素の除去が選択的に行われ得る。このことは、水素の銅に対するスパッタレートが低いこと、および、炭素はハイドロカーボンの膜が形成されることによって効率よく除去されること、等に起因する。なお、この場合にバイアス電圧によって加速されるイオンのエネルギーは、５０［ｅＶ］より大きく且つ３００［ｅＶ］より小さい範囲に相当する。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、第１のガスがＣＨ４ガスを含有するので、工程ＳＴ２１において、炭素を含有するＨＣ膜８１がマスクＭＫ上および被エッチング層ＥＬ上に形成され得る。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、上部電極３０の電極板３４が炭化シリコンまたは銅を含有するので、上部電極３０の電極板３４に対し、シーケンスＳＱで行われるエッチングによって銅が堆積した場合に、電極板３４に銅原子が拡散することによる電極板３４の導電性の変化が低減され得る。ひいては、エッチングプロセスの再現性が向上され得る。
一実施形態に係る方法ＭＴによれば、プラズマ処理装置１０のクリーニングをするために工程ＳＴ４を更に備える。工程ＳＴ４では、プラズマの存在下で上部電極３０に対して、負の静電圧を印加する、または、高周波電圧を印加する。工程ＳＴ４は、シーケンスＳＱが繰り返し実行されて被エッチング層ＥＬのエッチングが終了し、ウエハＷがプラズマ処理装置１０から搬出された後に実行される。すなわち、プラズマ処理装置１０の上部電極３０にプラズマからイオンが引き込まれ、上部電極３０に付着した銅を含有する堆積物がスパッタされることによって除去され得る。
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
例えば、シーケンスＳＱが複数回数だけ実行され被エッチング層ＥＬが第６の層（図１０に示す下地層ＭＬ）に至るまでエッチングされた後に、図１に示す工程ＳＴ５（第５の工程）を方法ＭＴに追加することができる。工程ＳＴ５は、第６の層の材料がＴａである場合に適用され得るものであるが、更に、第６の層がＴａＮまたはＲｕである場合にも同様に適用され得る。シーケンスＳＱが複数回数だけ実行され被エッチング層ＥＬが下地層ＭＬに至るまでエッチングされると（工程ＳＴ３：ＹＥＳの後、更には、工程ＳＴ４の後）、図１０に示すように、当該エッチングによって被エッチング層ＥＬに形成された溝ＴＲ（マスクＭＫによって画定されるパターンの溝）を介して下地層ＭＬが露出され得るが、溝ＴＲ内において下地層ＭＬの表面ＳＦ１に被エッチング層ＥＬの材料である銅（Ｃｕ）が残留する場合がある。図１０に示す残留層ＲＭが、被エッチング層ＥＬに対するエッチングによって生じたＣｕの残留物である。
下地層ＭＬに対するエッチングには、下地層ＭＬの材料がＴａの場合にフルオロカーボン系ガスのプラズマが用いられ得るが、上記したように、被エッチング層ＥＬの溝ＴＲ内においてＴａの下地層ＭＬの表面ＳＦ１にＣｕの残留層ＲＭが堆積している場合には、下地層ＭＬに対するエッチングは、下地層ＭＬの表面ＳＦ１に残留するＣｕの残留層ＲＭによって阻害され得るので、困難となる場合がある。このような下地層ＭＬに対するエッチングに係る困難を回避するために、図１に示すように、一実施形態に係る方法ＭＴは、溝ＴＲ内における下地層ＭＬの表面ＳＦ１に残留するＣｕの残留層ＲＭをウェット洗浄によって除去する工程ＳＴ５を更に備え得る。工程ＳＴ５は、シーケンスＳＱを繰り返し実行して被エッチング層ＥＬを下地層ＭＬに至るまでエッチングした後であって且つ下地層ＭＬをエッチングする前において、下地層ＭＬ上に残留する被エッチング層ＥＬの銅を除去する工程である。工程ＳＴ５では、フッ化水素酸またはクエン酸等の酸性溶液を用いたウェット洗浄によって下地層ＭＬ上に残留する銅を除去する。具体的には、工程ＳＴ５のウェット洗浄において、例えば、０．５ｗｔ％（重量パーセント）程度の希フッ化水素酸（ＤＨＦ）、または、８ｗｔ％程度のクエン酸が用いられ得る。工程ＳＴ５の実行時間［ｍｉｎ］は、例えば、０．５ｗｔ％程度の希フッ化水素酸（ＤＨＦ）が用いられる場合には、２．５［ｍｉｎ］程度であり得る。希フッ化水素酸やクエン酸等の酸性溶液による酸の作用によって残留層ＲＭのＣｕがイオンとなって溶け出されることにより、Ｃｕの残留層ＲＭが下地層ＭＬの表面ＳＦ１から良好に除去され得る。
以上により、被エッチング層ＥＬを下地層ＭＬに至るまでエッチングした後に下地層ＭＬにＣｕが残留する場合においても、工程ＳＴ５において下地層ＭＬに対するエッチングの実行前にＣｕの除去が行われるので、下地層ＭＬに対するエッチングがＣｕによって阻害されること防止し得る。特に、下地層ＭＬがＴａ、ＴａＮまたはＲｕの場合に、工程ＳＴ５においては、フッ化水素酸またはクエン酸を用いたウェット洗浄を用いることによって、下地層ＭＬ上に残留するＣｕの除去が可能となり得る。
なお、Ｃｕの残留層ＲＭの除去にウェット洗浄ではなくドライエッチングを用いる場合には、ドライエッチングの実行時に生じるスパッタリングの作用によって、残留層ＲＭに接するＴａ、ＴａＮまたはＲｕの下地層ＭＬに残留層ＲＭのＣｕが打ち込まれ、溝ＴＲ内における下地層ＭＬ上にＣｕとＴａ、ＴａＮまたはＲｕとの金属間化合物が形成され得る。このようなＣｕとＴａ、ＴａＮまたはＲｕとの金属間化合物が溝ＴＲ内の下地層ＭＬの表面ＳＦ１に形成された状態において、Ｔａ、ＴａＮまたはＲｕの下地層ＭＬをエッチングするためにフルオロカーボン系ガスのプラズマを溝ＴＲ内に供給する場合、溝ＴＲ内の下地層ＭＬの表面ＳＦ１にＣｕのフッ化物が形成されることとなるが、Ｃｕのフッ化物の蒸気圧は比較的に低く、よって、Ｃｕのフッ化物を気化させることによってＣｕを飛散させることが困難となる。このために、Ｃｕの残留層ＲＭの除去、更には、下地層ＭＬに対するエッチングが、共に困難となり得る。従って、Ｃｕの残留層ＲＭの除去には、ドライエッチングではなく、工程ＳＴ５のように、フッ化水素酸またはクエン酸等の酸性溶液を用いたウェット洗浄が好適である。
ここで、下地層ＭＬに対するエッチングで用いられるプロセス条件の具体的な一例を以下に示す。ガスソース群４０は、下地層ＭＬのエッチングに用いる下記のフルオロカーボン系ガス（ＣＦ４ガスおよびＣ４Ｆ８ガス）のガスソースを更に含み得る。
・処理容器１２内の圧力の値［ｍＴｏｒｒ］：５０［ｍＴｏｒｒ］
・第１の高周波電源６２の高周波電力の値［Ｗ］：５００［Ｗ］
・第２の高周波電源６４の高周波電力の値［Ｗ］：１００［Ｗ］
・処理ガス：ＣＦ４ガスおよびＣ４Ｆ８ガス
・処理ガスの流量［ｓｃｃｍ］：１３５［ｓｃｃｍ］（ＣＦ４ガス）、３０［ｓｃｃｍ］（Ｃ４Ｆ８ガス）
・処理時間［ｓ］：８０［ｓ］
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１２ｅ…排気口、１２ｇ…搬入出口、１４…支持部、１８ａ…第１プレート、１８ｂ…第２プレート、２２…直流電源、２３…スイッチ、２４…冷媒流路、２６ａ…配管、２６ｂ…配管、２８…ガス供給ライン、３０…上部電極、３２…絶縁性遮蔽部材、３４…電極板、３４ａ…ガス吐出孔、３６…電極支持体、３６ａ…ガス拡散室、３６ｂ…ガス通流孔、３６ｃ…ガス導入口、３８…ガス供給管、４０…ガスソース群、４２…バルブ群、４４…流量制御器群、４６…デポシールド、４８…排気プレート、５０…排気装置、５２…排気管、５４…ゲートバルブ、６２…第１の高周波電源、６４…第２の高周波電源、６６…整合器、６８…整合器、７０…電源、８１…ＨＣ膜、８２…混合層、ＡＬ…エリア、Ｃ１…曲線、Ｃ２…曲線、Ｃｎｔ…制御部、ＥＬ…被エッチング層、ＥＳＣ…静電チャック、ＦＣ…側面、ＦＲ…フォーカスリング、ＦＷ…主面、ＧＲ１…シミュレーション結果、ＧＲ２…シミュレーション結果、ＨＰ…ヒータ電源、ＨＴ…ヒータ、ＬＥ…下部電極、ＬＮ１…基準線、ＬＮ２…基準線、ＭＫ…マスク、ＳＦ…主面、ＰＤ…載置台、Ｓｐ…処理空間、Ｗ…ウエハ、ＭＴ…方法、ＴＲ…溝、ＭＬ…下地層、ＲＭ…残留層。

Claims (13)

  1. 被処理体の銅層をエッチングする方法であって、該被処理体は、該銅層と該銅層上に設けられたマスクとを備え、該方法は、
    前記被処理体が収容されているプラズマ処理装置の処理容器内に第１のガスのプラズマを生成する第１の工程と、
    前記第１の工程の後に、前記処理容器内に第２のガスのプラズマを生成する第２の工程と、
    前記第２の工程の後に、前記処理容器内に第３のガスのプラズマを生成する第３の工程と、
    を含むシーケンスを繰り返し実行して前記銅層をエッチングし、
    前記第１のガスは、ハイドロカーボンガスを含有し、
    前記第２のガスは、希ガス、または、希ガスと水素ガスとの混合ガス、の何れかを含有し、
    前記第３のガスは、水素ガスを含有し、
    前記第２の工程において前記第２のガスのプラズマによってエッチングされる前記銅層の銅の量は、前記第１の工程において前記第１のガスのプラズマによってエッチングされる該銅層の銅の量および前記第３の工程において前記第３のガスのプラズマによってエッチングされる該銅層の銅の量のいずれよりも多い、
    方法。
  2. 被処理体の銅層をエッチングする方法であって、該被処理体は、該銅層と該銅層上に設けられたマスクとを備え、該方法は、
    前記被処理体が収容されているプラズマ処理装置の処理容器内に第１のガスのプラズマを生成する第１の工程と、
    前記第１の工程の後に、前記処理容器内に第２のガスのプラズマを生成する第２の工程と、
    前記第２の工程の後に、前記処理容器内に第３のガスのプラズマを生成する第３の工程と、
    を含むシーケンスを繰り返し実行して前記銅層をエッチングし、
    前記第１のガスは、ハイドロカーボンガスを含有し、
    前記第２のガスは、希ガス、または、希ガスと水素ガスとの混合ガス、の何れかを含有し、
    前記第３のガスは、水素ガスを含有し、
    前記第１の工程において前記第１のガスのプラズマによって前記マスク上および前記銅層上に形成される膜の膜厚は、０．８ｎｍ以上１．２ｎｍ以下である、
    方法。
  3. 被処理体の銅層をエッチングする方法であって、該被処理体は、該銅層と該銅層上に設けられたマスクとを備え、該方法は、
    前記被処理体が収容されているプラズマ処理装置の処理容器内に第１のガスのプラズマを生成する第１の工程と、
    前記第１の工程の後に、前記処理容器内に第２のガスのプラズマを生成する第２の工程と、
    前記第２の工程の後に、前記処理容器内に第３のガスのプラズマを生成する第３の工程と、
    を含むシーケンスを繰り返し実行して前記銅層をエッチングし、
    前記第１のガスは、ハイドロカーボンガスを含有し、
    前記第２のガスは、希ガス、または、希ガスと水素ガスとの混合ガス、の何れかを含有し、
    前記第３のガスは、水素ガスを含有し、
    前記第２の工程において前記第２のガスのプラズマによってエッチングされる前記銅層の銅の量は、前記第１の工程において前記第１のガスのプラズマによってエッチングされる該銅層の銅の量および前記第３の工程において前記第３のガスのプラズマによってエッチングされる該銅層の銅の量のいずれよりも多く、
    前記第１の工程において前記第１のガスのプラズマによって前記マスク上および前記銅層上に形成される膜の膜厚は、０．８ｎｍ以上１．２ｎｍ以下である、
    方法。
  4. 前記第２の工程の実行時間は、該実行時間の条件を除く該第２の工程のプロセス条件のもとで前記膜をエッチングし該膜を除去するために必要となる時間の２．０倍以上３．５倍以下である、
    請求項２または請求項３に記載の方法。
  5. 前記第１の工程の実行時間は、前記エッチングの進行に応じて増大する前記マスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比に応じて、前記第１の工程において前記銅層上に形成される膜が前記アスペクト比の変化によらずに均一に形成されるように、増減される、
    請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
  6. 前記第２の工程の実行時間は、前記エッチングの進行に応じて増大する前記マスクによって画定されているパターンの溝のアスペクト比に応じて、前記第２の工程においてなされるエッチングが、前記アスペクト比の変化によらずに均一に行われるように、増減される、
    請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
  7. 前記第２の工程において、前記第２のガスのプラズマを生成する場合に前記被処理体に印加するバイアス電圧は、１００Ｖ以上且つ４００Ｖ以下の範囲にある、
    請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
  8. 前記第３の工程において、前記第３のガスのプラズマを生成する場合に前記被処理体に印加するバイアス電圧は、１００Ｖより大きく且つ６００Ｖより小さい範囲にある、
    請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
  9. 前記第１のガスは、ＣＨ４ガスを含有する、
    請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
  10. 前記プラズマ処理装置の上部電極の電極板は、炭化シリコンまたは銅を含有し、
    前記上部電極は、前記処理容器内において前記被処理体を支持する載置台の上方に設けられる、
    請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
  11. 前記プラズマ処理装置の上部電極と下部電極との間において、直流電圧を印加する、または、高周波電圧を印加する第４の工程を更に備え、
    前記上部電極は、前記処理容器内において前記被処理体を支持する載置台の上方に設けられ、
    前記下部電極は、前記載置台に設けられ、
    前記第４の工程は、前記シーケンスが繰り返し実行されて前記銅層のエッチングが終了し、前記被処理体が搬出された後に実行される、
    請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法。
  12. 前記被処理体は、下地層を更に備え、前記銅層は、該下地層上に設けられ、
    当該方法は、
    前記シーケンスを繰り返し実行して前記銅層を前記下地層に至るまでエッチングした後であって且つ該下地層をエッチングする前において、該下地層上に残留する該銅層の銅を除去する第５の工程を更に備える、
    請求項１〜１１の何れか一項に記載の方法。
  13. 前記下地層の材料は、Ｔａ、ＴａＮまたはＲｕであり、
    前記第５の工程では、フッ化水素酸またはクエン酸を用いたウェット洗浄によって前記下地層上に残留する銅を除去する、
    請求項１２に記載の方法。
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