プラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体
【課題】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、かつ、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することのできるプラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体を提供する。
【解決手段】エッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にホールを形成するプラズマエッチング方法であって、酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、メインエッチング工程の後、エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う工程を含む。
【解決手段】エッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にホールを形成するプラズマエッチング方法であって、酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、メインエッチング工程の後、エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う工程を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置の製造工程においては、処理チャンバー内に配置した基板（例えば、半導体ウエハ）にプラズマを作用させてエッチングを行うプラズマエッチング方法が使用されている。例えば、半導体装置の製造工程において、二酸化シリコン膜にコンタクトホールを形成する場合などにおいてこのプラズマエッチング方法が使用されている。なお、コンタクトホールにおいては、高アスペクト比のコンタクトホール（ＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact））が要求されるようになっており、側壁形状を垂直に維持しつつこのようなコンタクトホールを形成することが困難になりつつある。
【０００３】
このようなプラズマエッチング方法では、高い堆積性を有するガス条件のプラズマを作用させて保護膜を形成する期間と、低い堆積性を有するガス条件のプラズマを作用させてエッチングを進行させる期間とを交互に繰り返して実行し、側壁形状を垂直に維持しながらコンタクトホール等を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００６−５２３０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したとおり、半導体装置の製造工程においては、高アスペクト比のコンタクトホールが要求されるようになっており、プラズマエッチングによって、側壁形状を垂直に維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを形成することが困難になっている。
【０００６】
また、本発明者等が詳査したところ、上記のような高アスペクト比のコンタクトホールを形成する際に、次のような問題が発生することが判明した。すなわち、高アスペクト比のコンタクトホールをエッチング可能なメインエッチング工程のエッチング条件で、引き続きオーバーエッチング工程を実施した場合、縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図８のグラフに示されるように、オーバーエッチング工程（エッチング時間６８０秒付近以降）では、メインエッチング工程に比べてミニマムバーが急激に減少してしまうという問題が発生する。また、ミニマムバーの急激な減少を抑制するため、オーバーエッチング工程で堆積物が多くなる条件でエッチングを行うと、上部開口径（Ｔｏｐ ＣＤ）が小さいため、ホールが塞がってしまう。
【０００７】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、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、かつ、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することのできるプラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプラズマエッチング方法の一態様は、処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング方法であって、前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング工程を有する半導体装置の方法であって、前記プラズマエッチング工程は、前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、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、かつ、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することのできるプラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に用い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。
【図２】一実施形態に係るプラズマエッチング方法の工程を説明するための図。
【図３】一実施形態に係るプラズマエッチング方法の工程を示すフローチャート。
【図４】一実施形態に係るプラズマエッチング方法におけるエッチング時間とミニマムバー及びホール深さとの関係を示すグラフ。
【図５】他の実施形態に係るプラズマエッチング方法におけるエッチング時間とミニマムバー及びホール深さとの関係を示すグラフ。
【図６】ＥＰＤにより検出される信号波形の例を示すグラフ。
【図７】エッチング時間とエッチング深さとの関係の例を示すグラフ。
【図８】従来技術におけるエッチング時間とミニマムバー及びホール深さとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に使用するプラズマエッチング装置の構成を示すものである。まず、プラズマエッチング装置の構成について説明する。
【００１３】
プラズマエッチング装置は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理チャンバー１を有している。この処理チャンバー１は、円筒状とされ、例えば表面に陽極酸化被膜を形成されたアルミニウム等から構成されている。処理チャンバー１内には、被処理基板である半導体ウエハＷを水平に支持する載置台２が設けられている。
【００１４】
載置台２は、その基材２ａが導電性の金属、例えばアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。この載置台２は、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、載置台２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。さらに、載置台２及び支持台４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材３ａが設けられている。
【００１５】
載置台２の基材２ａには、第１の整合器１１ａを介して第１の高周波電源１０ａが接続され、また、第２の整合器１１ｂを介して第２の高周波電源１０ｂが接続されている。第１の高周波電源１０ａは、プラズマ発生用のものであり、この第１の高周波電源１０ａからは所定周波数（２７ＭＨｚ以上例えば４０ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。また、第２の高周波電源１０ｂは、イオン引き込み用（バイアス用）のものであり、この第２の高周波電源１０ｂからは第１の高周波電源１０ａより低い所定周波数（１３．５６ＭＨｚ以下、例えば３．２ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。一方、載置台２の上方には、載置台２と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド１６が設けられており、シャワーヘッド１６と載置台２は、一対の電極（上部電極と下部電極）として機能するようになっている。
【００１６】
載置台２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａを介在させて構成されており、電極６ａには直流電源１２が接続されている。そして電極６ａに直流電源１２から直流電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるよう構成されている。
【００１７】
支持台４の内部には、冷媒流路４ａが形成されており、冷媒流路４ａには、冷媒入口配管４ｂ、冷媒出口配管４ｃが接続されている。そして、冷媒流路４ａの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、支持台４及び載置台２を所定の温度に制御可能となっている。また、載置台２等を貫通するように、半導体ウエハＷの裏面側にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するためのバックサイドガス供給配管３０が設けられており、このバックサイドガス供給配管３０は、図示しないバックサイドガス供給源に接続されている。これらの構成によって、載置台２の上面に静電チャック６によって吸着保持された半導体ウエハＷを、所定の温度に制御可能となっている。
【００１８】
上記したシャワーヘッド１６は、処理チャンバー１の天壁部分に設けられている。シャワーヘッド１６は、本体部１６ａと電極板をなす上部天板１６ｂとを備えており、絶縁性部材４５を介して処理チャンバー１の上部に支持されている。本体部１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１６ｂを着脱自在に支持できるように構成されている。
【００１９】
本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄが設けられ、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄの下部に位置するように、本体部１６ａの底部には、多数のガス通流孔１６ｅが形成されている。ガス拡散室１６ｃ，１６ｄは、中央部に設けられたガス拡散室１６ｃと、周縁部に設けられたガス拡散室１６ｄとに２分割されており、中央部と周縁部とで独立に処理ガスの供給状態を変更できるようになっている。
【００２０】
また、上部天板１６ｂには、当該上部天板１６ｂを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔１６ｆが、上記したガス通流孔１６ｅと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部１６ａ等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド１６を所望温度に冷却できるようになっている。
【００２１】
上記した本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄへ処理ガスを導入するための２つのガス導入口１６ｇ，１６ｈが形成されている。これらのガス導入口１６ｇ，１６ｈにはガス供給配管１５ａ，１５ｂが接続されており、このガス供給配管１５ａ，１５ｂの他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給源１５が接続されている。ガス供給配管１５ａには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｃ、及び開閉弁Ｖ１が設けられている。また、ガス供給配管１５ｂには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｄ、及び開閉弁Ｖ２が設けられている。
【００２２】
そして、処理ガス供給源１５からプラズマエッチングのための処理ガスが、ガス供給配管１５ａ，１５ｂを介してガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給され、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄから、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給される。
【００２３】
また、ガス供給配管１５ｂには、付加ガス供給配管１５１の一端が接続されており、付加ガス供給配管１５１の他端は付加ガス供給源１５０に接続されている。付加ガス供給配管１５１には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５２、及び開閉弁Ｖ３が設けられている。これらの機構によって、上記した処理ガス供給源１５からの処理ガスに加えて、付加ガス供給源１５０からの付加ガスを、周縁部に設けられたガス拡散室１６ｄから半導体ウエハＷの周縁部に向けて供給できるようになっている。
【００２４】
上記した上部電極としてのシャワーヘッド１６には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１を介して可変直流電源５２が電気的に接続されている。この可変直流電源５２は、オン・オフスイッチ５３により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源５２の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５３のオン・オフは、後述する制御部６０によって制御されるようになっている。なお、後述のように、第１の高周波電源１０ａ、第２の高周波電源１０ｂから高周波が載置台２に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部６０によりオン・オフスイッチ５３がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド１６に所定の直流電圧が印加される。
【００２５】
処理チャンバー１の側壁からシャワーヘッド１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１ａは、その上部に天壁を有している。
【００２６】
処理チャンバー１の底部には、排気口７１が形成されており、この排気口７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより処理チャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、処理チャンバー１の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口７４が設けられており、この搬入出口７４には、当該搬入出口７４を開閉するゲートバルブ７５が設けられている。
【００２７】
図中７６，７７は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド７６は、処理チャンバー１の内壁面に沿って設けられ、処理チャンバー１にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止する役割を有している。このデポシールド７６の半導体ウエハＷと略同じ高さ位置には、直流的にグランドに接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）７９が設けられており、これにより異常放電が防止される。
【００２８】
上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。
【００２９】
ユーザインターフェース６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置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。
【００３０】
記憶部６３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１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、ユーザインターフェース６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置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憶媒体（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。
【００３１】
なお、処理チャンバー１の側壁部には、終点検出装置（ＥＰＤ）８０が配設されており、処理チャンバー１の側壁部に配設された窓８１を介して、処理チャンバー１内の処理空間におけるプラズマの発光強度の変化を検出してエッチング処理の終点を検出できる構成となっている。
【００３２】
次に、上記構成のプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷに形成された二酸化シリコン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、ゲートバルブ７５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搬入出口７４から処理チャンバー１内に搬入され、載置台２上に載置される。この後、搬送ロボットを処理チャンバー１外に退避させ、ゲートバルブ７５を閉じる。そして、排気装置７３の真空ポンプにより排気口７１を介して処理チャンバー１内が排気される。
【００３３】
処理チャンバー１内が所定の真空度になった後、処理チャンバー１内には処理ガス供給源１５から所定の処理ガス（エッチングガス）が導入され、処理チャンバー１内が所定の圧力に保持される。この時、処理ガス供給源１５からの処理ガスの供給状態を、中央部と周縁部とで異ならせることができ、また、処理ガスの全体の供給量のうち、中央部からの供給量と周縁部からの供給量との比率を所望の値に制御することができる。さらに、必要に応じて、周縁部に付加ガス供給源１５０からの付加ガスを供給することができる。
【００３４】
そして、この状態で第１の高周波電源１０ａから載置台２に、周波数が例えば４０ＭＨｚの高周波電力が供給される。また、第２の高周波電源１０ｂからは、イオン引き込みのため、載置台２の基材２ａに周波数が例えば３．２ＭＨｚの高周波電力（バイアス用）が供給される。このとき、直流電源１２から静電チャック６の電極６ａに所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハＷはクーロン力により静電チャック６に吸着される。
【００３５】
上述のようにして下部電極である載置台２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１６と下部電極である載置台２との間には電界が形成される。この電界により、半導体ウエハＷが存在する処理空間には放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハＷ上に形成されたに二酸化シリコン層等がエッチング処理される。
【００３６】
また、前述したとおり、プラズマ処理中にシャワーヘッド１６に直流電圧を印加することができるので次のような効果がある。すなわち、プロセスによっては、高い電子密度でかつ低いイオンエネルギーであるプラズマが要求される場合がある。このような場合に直流電圧を用いれば、半導体ウエハＷに打ち込まれるイオンエネルギーが抑えられつつプラズマの電子密度が増加されることにより、半導体ウエハＷのエッチング対象となる膜のエッチングレートが上昇すると共にエッチング対象の上部に設けられたマスクとなる膜へのスパッタレートが低下して選択性が向上する。
【００３７】
そして、上記したエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給、直流電圧の供給及び処理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１内から搬出される。
【００３８】
次に、図２、図３を参照して本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法について、高アスペクト比のコンタクトホールを形成する場合について説明する。図２は、プラズマエッチングされる半導体ウエハＷの断面構成を模式的に示すものであり、図３は、プラズマエッチング工程を示すフローチャートである。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、半導体ウエハＷには、エッチストップ層としての窒化シリコン層２０１（厚さ３０ｎｍ）の上に二酸化シリコン層２０２（厚さ２０００ｎｍ）が形成されている。二酸化シリコン層２０２（厚さ２０００ｎｍ）の上には、窒化シリコン層２０３（厚さ１００ｎｍ）、二酸化シリコン層２０４（厚さ１００ｎｍ）、マスク層としてのポリシリコン層２０５（厚さ５００ｎｍ）が形成されている。ポリシリコン層２０５に形成された開口２０６の上部開口径（Ｔｏｐ ＣＤ）は３９ｎｍ、底部開口径（Ｂｏｔｔｏｍ ＣＤ）は３０ｎｍ、隣接する開口２０６同士の間の間隔は４０ｎｍとなっている。
【００４０】
上記の状態からまず、二酸化シリコン層２０４と窒化シリコン層２０３とを順次エッチングして、図２（ｂ）の状態とする。この後、二酸化シリコン層２０２をエッチングして高アスペクト比のホール２１０を形成するエッチング工程を行う。このエッチング工程は、二酸化シリコン層２０２を底部近傍までエッチングするメインエッチング工程（図３の工程３０１）と、底部の窒化シリコン層２０１が露出する直前又は露出し始めてから行うエッチング工程（以下、オーバーエッチング工程と称する。）（図３の工程３０２）との２段階の工程によって行う。
【００４１】
上記のメインエッチングを二酸化シリコン層２０２の底部近傍まで行って図２（ｃ）の状態とし、この後、オーバーエッチング工程を行う。このオーバーエッチング工程は、処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程（図３の工程３０３）と、処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程（図３の工程３０４）とを交互に所定回数となるまで複数回繰り返して行う工程（図３の工程３０５）によって行う。
【００４２】
上記第１エッチング工程は、堆積物が多いエッチング条件であり、図２（ｄ）に示すように、ホール２１０内に保護膜２１１が形成される。一方、第２エッチング工程は、堆積物が少ないエッチング条件であり、図２（ｅ）に示すように、ホール２１０内に形成された保護膜２１０がエッチングによって除去されるとともに、ホール２１０の底部がエッチングされる。図２（ｅ）に示すように、ホール２１０内に形成された保護膜２１０がエッチングによって除去された後に、再度第１エッチング工程を行って図２（ｆ）に示すように、ホール２１０内に保護膜２１１を形成する。
【００４３】
このように、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを複数回繰り返して行った後、最後に第２エッチング工程を行って、図２（ｇ）に示すように、エッチストップ層としての窒化シリコン層２０１に至る高アスペクト比のホール２１０を形成する。
【００４４】
上記オーバーエッチング工程における第１エッチング工程及び第２エッチング工程の１回の時間は、短くした方が、保護膜２１１の状況をより細かく制御することが可能となる。しかし、処理チャンバー１内のガスの略全部を、置き換えるには数秒程度かかる。このため、第１エッチング工程及び第２エッチング工程の１回の時間は、数秒から十数秒程度、例えば３秒〜１５秒程度とすることが好ましく、５秒〜１０秒程度とすることがさらに好ましい。また、このオーバーエッチング工程は、１分〜数分程度行う。このため、第１エッチング工程と第２エッチング工程とによる１サイクルを、数サイクルから数十サイクル程度行う。
【００４５】
上記のように、本実施形態では、オーバーエッチング工程を、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う。これは、以下のような理由による。すなわち、例えば、前記したメインエッチング工程のエッチング条件で引き続きオーバーエッチング工程を実施した場合、縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図６のグラフに示されるように、オーバーエッチング工程では、メインエッチング工程に比べてミニマムバーが急激に減少する。
【００４６】
これは、メインエッチング工程では二酸化シリコン層２０２のエッチングによって消費されていたフッ素イオンが、オーバーエッチング工程では過剰となってホール２１０の側壁部分をエッチングするためと推測される。一方、前述したとおり、このミニマムバーの急激な減少を抑制するため、オーバーエッチング工程で堆積物が多くなる条件でエッチングを行うと、上部開口径（Ｔｏｐ ＣＤ）が小さいため、ホール２１０が塞がってしまう。
【００４７】
このため、本実施形態では、オーバーエッチング工程を、堆積物が多いエッチング条件の第１エッチング工程と、堆積物が少ないエッチング条件の第２エッチング工程とを短時間で交互に複数回繰り返して行い、保護膜２１１を形成しながらオーバーエッチング工程を実施する。これによって、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの減少を抑制することができ、かつ、ホール２１０が堆積物で塞がってしまうことを防止することができる。
【００４８】
ここで、上記したメインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えは、例えば、図１に示した終点検出装置（ＥＰＤ）８０による検出結果に基づいて行うことができる。すなわち、例えば、縦軸を発光強度、横軸をエッチング時間として図６のグラフに示すように、波長３８７ｎｍの窒素に由来する光の発光強度を検出し、その変化を測定すると、底部の窒化シリコン層２０１が露出し始め、窒化シリコン層２０１のエッチングが始まるとその発光強度が上昇し始める。したがって、例えば、この波長３８７ｎｍの光の発光強度が上昇し始めるポイント（ジャストタイム）を、メインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えポイントとすることができる。
【００４９】
なお、図６のグラフにおける波長３８７ｎｍの光の発光強度の変化は、以下の条件で酸化膜をエッチングした際のものである。
圧力：４．０Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ６／ＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２＝３０／２０／３００／２６ｓｃｃｍ
周縁部側に追加するガス：Ｃ４Ｆ８／Ｏ２＝４／７ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：２３００Ｗ／４５００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
【００５０】
また、縦軸を酸化膜のエッチング深さ、横軸をエッチング時間とした図７のグラフに示すように、酸化膜のエッチング深さとエッチング時間の関係は、１つのエッチング条件では、略リニアな関係（図７に示す例ではｙ＝１．３８ｘ＋１１５７）となる。このような関係を、予め各エッチング時間において、ＳＥＭによる断面観察を行うことによって測定しておき、酸化膜のエッチング深さが一定の深さとなるエッチング時間において、メインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えを行ってもよい。図７のグラフに示す例では、酸化膜の厚さが２１００ｎｍであり、例えば酸化膜のエッチング時間６８３秒で酸化膜のエッチングが終了するので、例えばこのタイミングでメインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えを行うことができる。
【００５１】
第１実施例として、図１に示したプラズマエッチング装置を用い、次のようなエッチング条件で二酸化シリコン層２０２のプラズマエッチングを行った。
【００５２】
（メインエッチング工程）
圧力：２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２／ＣＯ＝３７／３３／３００／４０／１８０ｓｃｃｍ
周縁部側に追加するガス：Ｃ４Ｆ８／Ｏ２＝５／５ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：２５００Ｗ／７８００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：４０％
【００５３】
（オーバーエッチング工程）
（第１エッチング工程）
圧力：２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝５４／２００／５２ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１０００Ｗ／６０００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：４０％
１回のエッチング時間：１０秒
（第２エッチング工程）
圧力：２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝８５／２００／２５ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１０００Ｗ／６０００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：４０％
１回のエッチング時間：１０秒
【００５４】
縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図４のグラフに、上記第１実施例において測定したミニマムバーの値及びホール深さの値を示す。この図４のグラフに示されるように、第１実施例では、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することができた。
【００５５】
次に、第２実施例として、上記第１実施例のオーバーエッチング工程における第２エッチング工程の処理ガスのうち、Ｃ４Ｆ８をＣ３Ｆ８とした点以外は、第１実施例と同一の処理条件としたプラズマエッチングを行った。この結果第２実施例におけるミニマムバーの値の変化は、第１実施例の場合と略同様になった。
【００５６】
次に、第３実施例として、メインエッチング工程も、上記第１実施例のオーバーエッチング工程と同様のエッチング条件で、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを繰り返し複数回行い、引き続きオーバーエッチング工程も同様にしてエッチングを行った。縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図５のグラフに、この第３実施例において測定したミニマムバーの値及びホール深さの値を示す。この第３実施例においても、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することができた。
【００５７】
以上説明したとおり、本実施形態及び実施例によれば、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、かつ、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することのできるプラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法を提供することができる。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。
【符号の説明】
【００５８】
Ｗ……半導体ウエハ、２０１……窒化シリコン層（エッチストップ層）、２０２……二酸化シリコン層、２０３……窒化シリコン層、２０４……二酸化シリコン層、２０５……ポリシリコン層、２０６……開口、２１０……ホール、２１１……保護膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体装置の製造工程においては、処理チャンバー内に配置した基板（例えば、半導体ウエハ）にプラズマを作用させてエッチングを行うプラズマエッチング方法が使用されている。例えば、半導体装置の製造工程において、二酸化シリコン膜にコンタクトホールを形成する場合などにおいてこのプラズマエッチング方法が使用されている。なお、コンタクトホールにおいては、高アスペクト比のコンタクトホール（ＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact））が要求されるようになっており、側壁形状を垂直に維持しつつこのようなコンタクトホールを形成することが困難になりつつある。
【０００３】
このようなプラズマエッチング方法では、高い堆積性を有するガス条件のプラズマを作用させて保護膜を形成する期間と、低い堆積性を有するガス条件のプラズマを作用させてエッチングを進行させる期間とを交互に繰り返して実行し、側壁形状を垂直に維持しながらコンタクトホール等を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００６−５２３０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したとおり、半導体装置の製造工程においては、高アスペクト比のコンタクトホールが要求されるようになっており、プラズマエッチングによって、側壁形状を垂直に維持しつつ高アスペクト比のコンタクトホールを形成することが困難になっている。
【０００６】
また、本発明者等が詳査したところ、上記のような高アスペクト比のコンタクトホールを形成する際に、次のような問題が発生することが判明した。すなわち、高アスペクト比のコンタクトホールをエッチング可能なメインエッチング工程のエッチング条件で、引き続きオーバーエッチング工程を実施した場合、縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図８のグラフに示されるように、オーバーエッチング工程（エッチング時間６８０秒付近以降）では、メインエッチング工程に比べてミニマムバーが急激に減少してしまうという問題が発生する。また、ミニマムバーの急激な減少を抑制するため、オーバーエッチング工程で堆積物が多くなる条件でエッチングを行うと、上部開口径（Ｔｏｐ ＣＤ）が小さいため、ホールが塞がってしまう。
【０００７】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、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、かつ、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することのできるプラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のプラズマエッチング方法の一態様は、処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング方法であって、前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う工程を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の半導体装置の製造方法の一態様は、処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング工程を有する半導体装置の方法であって、前記プラズマエッチング工程は、前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、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、かつ、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することのできるプラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法並びにコンピュータ記憶媒体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に用い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。
【図２】一実施形態に係るプラズマエッチング方法の工程を説明するための図。
【図３】一実施形態に係るプラズマエッチング方法の工程を示すフローチャート。
【図４】一実施形態に係るプラズマエッチング方法におけるエッチング時間とミニマムバー及びホール深さとの関係を示すグラフ。
【図５】他の実施形態に係るプラズマエッチング方法におけるエッチング時間とミニマムバー及びホール深さとの関係を示すグラフ。
【図６】ＥＰＤにより検出される信号波形の例を示すグラフ。
【図７】エッチング時間とエッチング深さとの関係の例を示すグラフ。
【図８】従来技術におけるエッチング時間とミニマムバー及びホール深さとの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に使用するプラズマエッチング装置の構成を示すものである。まず、プラズマエッチング装置の構成について説明する。
【００１３】
プラズマエッチング装置は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理チャンバー１を有している。この処理チャンバー１は、円筒状とされ、例えば表面に陽極酸化被膜を形成されたアルミニウム等から構成されている。処理チャンバー１内には、被処理基板である半導体ウエハＷを水平に支持する載置台２が設けられている。
【００１４】
載置台２は、その基材２ａが導電性の金属、例えばアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。この載置台２は、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、載置台２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。さらに、載置台２及び支持台４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材３ａが設けられている。
【００１５】
載置台２の基材２ａには、第１の整合器１１ａを介して第１の高周波電源１０ａが接続され、また、第２の整合器１１ｂを介して第２の高周波電源１０ｂが接続されている。第１の高周波電源１０ａは、プラズマ発生用のものであり、この第１の高周波電源１０ａからは所定周波数（２７ＭＨｚ以上例えば４０ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。また、第２の高周波電源１０ｂは、イオン引き込み用（バイアス用）のものであり、この第２の高周波電源１０ｂからは第１の高周波電源１０ａより低い所定周波数（１３．５６ＭＨｚ以下、例えば３．２ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるようになっている。一方、載置台２の上方には、載置台２と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド１６が設けられており、シャワーヘッド１６と載置台２は、一対の電極（上部電極と下部電極）として機能するようになっている。
【００１６】
載置台２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａを介在させて構成されており、電極６ａには直流電源１２が接続されている。そして電極６ａに直流電源１２から直流電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるよう構成されている。
【００１７】
支持台４の内部には、冷媒流路４ａが形成されており、冷媒流路４ａには、冷媒入口配管４ｂ、冷媒出口配管４ｃが接続されている。そして、冷媒流路４ａの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、支持台４及び載置台２を所定の温度に制御可能となっている。また、載置台２等を貫通するように、半導体ウエハＷの裏面側にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するためのバックサイドガス供給配管３０が設けられており、このバックサイドガス供給配管３０は、図示しないバックサイドガス供給源に接続されている。これらの構成によって、載置台２の上面に静電チャック６によって吸着保持された半導体ウエハＷを、所定の温度に制御可能となっている。
【００１８】
上記したシャワーヘッド１６は、処理チャンバー１の天壁部分に設けられている。シャワーヘッド１６は、本体部１６ａと電極板をなす上部天板１６ｂとを備えており、絶縁性部材４５を介して処理チャンバー１の上部に支持されている。本体部１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１６ｂを着脱自在に支持できるように構成されている。
【００１９】
本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄが設けられ、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄの下部に位置するように、本体部１６ａの底部には、多数のガス通流孔１６ｅが形成されている。ガス拡散室１６ｃ，１６ｄは、中央部に設けられたガス拡散室１６ｃと、周縁部に設けられたガス拡散室１６ｄとに２分割されており、中央部と周縁部とで独立に処理ガスの供給状態を変更できるようになっている。
【００２０】
また、上部天板１６ｂには、当該上部天板１６ｂを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔１６ｆが、上記したガス通流孔１６ｅと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部１６ａ等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド１６を所望温度に冷却できるようになっている。
【００２１】
上記した本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃ，１６ｄへ処理ガスを導入するための２つのガス導入口１６ｇ，１６ｈが形成されている。これらのガス導入口１６ｇ，１６ｈにはガス供給配管１５ａ，１５ｂが接続されており、このガス供給配管１５ａ，１５ｂの他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給源１５が接続されている。ガス供給配管１５ａには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｃ、及び開閉弁Ｖ１が設けられている。また、ガス供給配管１５ｂには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｄ、及び開閉弁Ｖ２が設けられている。
【００２２】
そして、処理ガス供給源１５からプラズマエッチングのための処理ガスが、ガス供給配管１５ａ，１５ｂを介してガス拡散室１６ｃ，１６ｄに供給され、このガス拡散室１６ｃ，１６ｄから、ガス通流孔１６ｅ及びガス導入孔１６ｆを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給される。
【００２３】
また、ガス供給配管１５ｂには、付加ガス供給配管１５１の一端が接続されており、付加ガス供給配管１５１の他端は付加ガス供給源１５０に接続されている。付加ガス供給配管１５１には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５２、及び開閉弁Ｖ３が設けられている。これらの機構によって、上記した処理ガス供給源１５からの処理ガスに加えて、付加ガス供給源１５０からの付加ガスを、周縁部に設けられたガス拡散室１６ｄから半導体ウエハＷの周縁部に向けて供給できるようになっている。
【００２４】
上記した上部電極としてのシャワーヘッド１６には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１を介して可変直流電源５２が電気的に接続されている。この可変直流電源５２は、オン・オフスイッチ５３により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源５２の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５３のオン・オフは、後述する制御部６０によって制御されるようになっている。なお、後述のように、第１の高周波電源１０ａ、第２の高周波電源１０ｂから高周波が載置台２に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部６０によりオン・オフスイッチ５３がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド１６に所定の直流電圧が印加される。
【００２５】
処理チャンバー１の側壁からシャワーヘッド１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１ａは、その上部に天壁を有している。
【００２６】
処理チャンバー１の底部には、排気口７１が形成されており、この排気口７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより処理チャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、処理チャンバー１の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口７４が設けられており、この搬入出口７４には、当該搬入出口７４を開閉するゲートバルブ７５が設けられている。
【００２７】
図中７６，７７は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド７６は、処理チャンバー１の内壁面に沿って設けられ、処理チャンバー１にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止する役割を有している。このデポシールド７６の半導体ウエハＷと略同じ高さ位置には、直流的にグランドに接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）７９が設けられており、これにより異常放電が防止される。
【００２８】
上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。
【００２９】
ユーザインターフェース６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置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。
【００３０】
記憶部６３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１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、ユーザインターフェース６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置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憶媒体（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。
【００３１】
なお、処理チャンバー１の側壁部には、終点検出装置（ＥＰＤ）８０が配設されており、処理チャンバー１の側壁部に配設された窓８１を介して、処理チャンバー１内の処理空間におけるプラズマの発光強度の変化を検出してエッチング処理の終点を検出できる構成となっている。
【００３２】
次に、上記構成のプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷに形成された二酸化シリコン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、ゲートバルブ７５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搬入出口７４から処理チャンバー１内に搬入され、載置台２上に載置される。この後、搬送ロボットを処理チャンバー１外に退避させ、ゲートバルブ７５を閉じる。そして、排気装置７３の真空ポンプにより排気口７１を介して処理チャンバー１内が排気される。
【００３３】
処理チャンバー１内が所定の真空度になった後、処理チャンバー１内には処理ガス供給源１５から所定の処理ガス（エッチングガス）が導入され、処理チャンバー１内が所定の圧力に保持される。この時、処理ガス供給源１５からの処理ガスの供給状態を、中央部と周縁部とで異ならせることができ、また、処理ガスの全体の供給量のうち、中央部からの供給量と周縁部からの供給量との比率を所望の値に制御することができる。さらに、必要に応じて、周縁部に付加ガス供給源１５０からの付加ガスを供給することができる。
【００３４】
そして、この状態で第１の高周波電源１０ａから載置台２に、周波数が例えば４０ＭＨｚの高周波電力が供給される。また、第２の高周波電源１０ｂからは、イオン引き込みのため、載置台２の基材２ａに周波数が例えば３．２ＭＨｚの高周波電力（バイアス用）が供給される。このとき、直流電源１２から静電チャック６の電極６ａに所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハＷはクーロン力により静電チャック６に吸着される。
【００３５】
上述のようにして下部電極である載置台２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１６と下部電極である載置台２との間には電界が形成される。この電界により、半導体ウエハＷが存在する処理空間には放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハＷ上に形成されたに二酸化シリコン層等がエッチング処理される。
【００３６】
また、前述したとおり、プラズマ処理中にシャワーヘッド１６に直流電圧を印加することができるので次のような効果がある。すなわち、プロセスによっては、高い電子密度でかつ低いイオンエネルギーであるプラズマが要求される場合がある。このような場合に直流電圧を用いれば、半導体ウエハＷに打ち込まれるイオンエネルギーが抑えられつつプラズマの電子密度が増加されることにより、半導体ウエハＷのエッチング対象となる膜のエッチングレートが上昇すると共にエッチング対象の上部に設けられたマスクとなる膜へのスパッタレートが低下して選択性が向上する。
【００３７】
そして、上記したエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給、直流電圧の供給及び処理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１内から搬出される。
【００３８】
次に、図２、図３を参照して本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法について、高アスペクト比のコンタクトホールを形成する場合について説明する。図２は、プラズマエッチングされる半導体ウエハＷの断面構成を模式的に示すものであり、図３は、プラズマエッチング工程を示すフローチャートである。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、半導体ウエハＷには、エッチストップ層としての窒化シリコン層２０１（厚さ３０ｎｍ）の上に二酸化シリコン層２０２（厚さ２０００ｎｍ）が形成されている。二酸化シリコン層２０２（厚さ２０００ｎｍ）の上には、窒化シリコン層２０３（厚さ１００ｎｍ）、二酸化シリコン層２０４（厚さ１００ｎｍ）、マスク層としてのポリシリコン層２０５（厚さ５００ｎｍ）が形成されている。ポリシリコン層２０５に形成された開口２０６の上部開口径（Ｔｏｐ ＣＤ）は３９ｎｍ、底部開口径（Ｂｏｔｔｏｍ ＣＤ）は３０ｎｍ、隣接する開口２０６同士の間の間隔は４０ｎｍとなっている。
【００４０】
上記の状態からまず、二酸化シリコン層２０４と窒化シリコン層２０３とを順次エッチングして、図２（ｂ）の状態とする。この後、二酸化シリコン層２０２をエッチングして高アスペクト比のホール２１０を形成するエッチング工程を行う。このエッチング工程は、二酸化シリコン層２０２を底部近傍までエッチングするメインエッチング工程（図３の工程３０１）と、底部の窒化シリコン層２０１が露出する直前又は露出し始めてから行うエッチング工程（以下、オーバーエッチング工程と称する。）（図３の工程３０２）との２段階の工程によって行う。
【００４１】
上記のメインエッチングを二酸化シリコン層２０２の底部近傍まで行って図２（ｃ）の状態とし、この後、オーバーエッチング工程を行う。このオーバーエッチング工程は、処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程（図３の工程３０３）と、処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程（図３の工程３０４）とを交互に所定回数となるまで複数回繰り返して行う工程（図３の工程３０５）によって行う。
【００４２】
上記第１エッチング工程は、堆積物が多いエッチング条件であり、図２（ｄ）に示すように、ホール２１０内に保護膜２１１が形成される。一方、第２エッチング工程は、堆積物が少ないエッチング条件であり、図２（ｅ）に示すように、ホール２１０内に形成された保護膜２１０がエッチングによって除去されるとともに、ホール２１０の底部がエッチングされる。図２（ｅ）に示すように、ホール２１０内に形成された保護膜２１０がエッチングによって除去された後に、再度第１エッチング工程を行って図２（ｆ）に示すように、ホール２１０内に保護膜２１１を形成する。
【００４３】
このように、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを複数回繰り返して行った後、最後に第２エッチング工程を行って、図２（ｇ）に示すように、エッチストップ層としての窒化シリコン層２０１に至る高アスペクト比のホール２１０を形成する。
【００４４】
上記オーバーエッチング工程における第１エッチング工程及び第２エッチング工程の１回の時間は、短くした方が、保護膜２１１の状況をより細かく制御することが可能となる。しかし、処理チャンバー１内のガスの略全部を、置き換えるには数秒程度かかる。このため、第１エッチング工程及び第２エッチング工程の１回の時間は、数秒から十数秒程度、例えば３秒〜１５秒程度とすることが好ましく、５秒〜１０秒程度とすることがさらに好ましい。また、このオーバーエッチング工程は、１分〜数分程度行う。このため、第１エッチング工程と第２エッチング工程とによる１サイクルを、数サイクルから数十サイクル程度行う。
【００４５】
上記のように、本実施形態では、オーバーエッチング工程を、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを交互に複数回繰り返して行う。これは、以下のような理由による。すなわち、例えば、前記したメインエッチング工程のエッチング条件で引き続きオーバーエッチング工程を実施した場合、縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図６のグラフに示されるように、オーバーエッチング工程では、メインエッチング工程に比べてミニマムバーが急激に減少する。
【００４６】
これは、メインエッチング工程では二酸化シリコン層２０２のエッチングによって消費されていたフッ素イオンが、オーバーエッチング工程では過剰となってホール２１０の側壁部分をエッチングするためと推測される。一方、前述したとおり、このミニマムバーの急激な減少を抑制するため、オーバーエッチング工程で堆積物が多くなる条件でエッチングを行うと、上部開口径（Ｔｏｐ ＣＤ）が小さいため、ホール２１０が塞がってしまう。
【００４７】
このため、本実施形態では、オーバーエッチング工程を、堆積物が多いエッチング条件の第１エッチング工程と、堆積物が少ないエッチング条件の第２エッチング工程とを短時間で交互に複数回繰り返して行い、保護膜２１１を形成しながらオーバーエッチング工程を実施する。これによって、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの減少を抑制することができ、かつ、ホール２１０が堆積物で塞がってしまうことを防止することができる。
【００４８】
ここで、上記したメインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えは、例えば、図１に示した終点検出装置（ＥＰＤ）８０による検出結果に基づいて行うことができる。すなわち、例えば、縦軸を発光強度、横軸をエッチング時間として図６のグラフに示すように、波長３８７ｎｍの窒素に由来する光の発光強度を検出し、その変化を測定すると、底部の窒化シリコン層２０１が露出し始め、窒化シリコン層２０１のエッチングが始まるとその発光強度が上昇し始める。したがって、例えば、この波長３８７ｎｍの光の発光強度が上昇し始めるポイント（ジャストタイム）を、メインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えポイントとすることができる。
【００４９】
なお、図６のグラフにおける波長３８７ｎｍの光の発光強度の変化は、以下の条件で酸化膜をエッチングした際のものである。
圧力：４．０Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ６／ＣＦ４／Ａｒ／Ｏ２＝３０／２０／３００／２６ｓｃｃｍ
周縁部側に追加するガス：Ｃ４Ｆ８／Ｏ２＝４／７ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：２３００Ｗ／４５００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：５０％
【００５０】
また、縦軸を酸化膜のエッチング深さ、横軸をエッチング時間とした図７のグラフに示すように、酸化膜のエッチング深さとエッチング時間の関係は、１つのエッチング条件では、略リニアな関係（図７に示す例ではｙ＝１．３８ｘ＋１１５７）となる。このような関係を、予め各エッチング時間において、ＳＥＭによる断面観察を行うことによって測定しておき、酸化膜のエッチング深さが一定の深さとなるエッチング時間において、メインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えを行ってもよい。図７のグラフに示す例では、酸化膜の厚さが２１００ｎｍであり、例えば酸化膜のエッチング時間６８３秒で酸化膜のエッチングが終了するので、例えばこのタイミングでメインエッチング工程とオーバーエッチング工程との切り換えを行うことができる。
【００５１】
第１実施例として、図１に示したプラズマエッチング装置を用い、次のようなエッチング条件で二酸化シリコン層２０２のプラズマエッチングを行った。
【００５２】
（メインエッチング工程）
圧力：２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２／ＣＯ＝３７／３３／３００／４０／１８０ｓｃｃｍ
周縁部側に追加するガス：Ｃ４Ｆ８／Ｏ２＝５／５ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：２５００Ｗ／７８００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：４０％
【００５３】
（オーバーエッチング工程）
（第１エッチング工程）
圧力：２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝５４／２００／５２ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１０００Ｗ／６０００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：４０％
１回のエッチング時間：１０秒
（第２エッチング工程）
圧力：２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒｒ）
処理ガス：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝８５／２００／２５ｓｃｃｍ
高周波電力（高い周波数／低い周波数）：１０００Ｗ／６０００Ｗ
直流電圧：−１５０Ｖ
中央部のガス流量比：４０％
１回のエッチング時間：１０秒
【００５４】
縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図４のグラフに、上記第１実施例において測定したミニマムバーの値及びホール深さの値を示す。この図４のグラフに示されるように、第１実施例では、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することができた。
【００５５】
次に、第２実施例として、上記第１実施例のオーバーエッチング工程における第２エッチング工程の処理ガスのうち、Ｃ４Ｆ８をＣ３Ｆ８とした点以外は、第１実施例と同一の処理条件としたプラズマエッチングを行った。この結果第２実施例におけるミニマムバーの値の変化は、第１実施例の場合と略同様になった。
【００５６】
次に、第３実施例として、メインエッチング工程も、上記第１実施例のオーバーエッチング工程と同様のエッチング条件で、第１エッチング工程と第２エッチング工程とを繰り返し複数回行い、引き続きオーバーエッチング工程も同様にしてエッチングを行った。縦軸をミニマムバー（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｂａｒ（隣接するホール同士の間の最も薄い部位の隔壁の厚み））及びホール深さ、横軸をエッチング時間とした図５のグラフに、この第３実施例において測定したミニマムバーの値及びホール深さの値を示す。この第３実施例においても、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することができた。
【００５７】
以上説明したとおり、本実施形態及び実施例によれば、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、かつ、オーバーエッチング工程におけるミニマムバーの急激な減少を抑制することのできるプラズマエッチング方法及び半導体装置の製造方法を提供することができる。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。
【符号の説明】
【００５８】
Ｗ……半導体ウエハ、２０１……窒化シリコン層（エッチストップ層）、２０２……二酸化シリコン層、２０３……窒化シリコン層、２０４……二酸化シリコン層、２０５……ポリシリコン層、２０６……開口、２１０……ホール、２１１……保護膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング方法であって、
前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、
前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、
前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程と
を交互に複数回繰り返して行う工程を含む
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマエッチング方法であって、
前記第１エッチング工程及び前記第２エッチング工程を行う１回の時間が、３秒から１５秒の範囲内である
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項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、
前記エッチストップ層が窒化シリコンから構成されている
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項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、
前記マスク層が、ポリシリコンから構成されている
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項５】
処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング工程を有する半導体装置の方法であって、
前記プラズマエッチング工程は、
前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、
前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、
前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程と
を交互に複数回繰り返して行う工程を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１エッチング工程及び前記第２エッチング工程を行う１回の時間が、３秒から１５秒の範囲内である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の半導体装置の製造方法であって、
前記エッチストップ層が窒化シリコンから構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７いずれか１項記載の半導体装置の製造方法であって、
前記マスク層が、ポリシリコンから構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
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処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と
を具備したプラズマエッチング装置を制御する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が実行されるように前記プラズマエッチング装置を制御する
ことを特徴とするコンピュータ記憶媒体。
【請求項１０】
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処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と
を具備したプラズマエッチング装置を制御する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、請求項５〜８いずれか１項記載の半導体装置の製造方法が実行されるように前記プラズマエッチング装置を制御する
ことを特徴とするコンピュータ記憶媒体。
【請求項１】
処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング方法であって、
前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、
前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、
前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程と
を交互に複数回繰り返して行う工程を含む
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマエッチング方法であって、
前記第１エッチング工程及び前記第２エッチング工程を行う１回の時間が、３秒から１５秒の範囲内である
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項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、
前記エッチストップ層が窒化シリコンから構成されている
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項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、
前記マスク層が、ポリシリコンから構成されている
ことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項５】
処理チャンバー内に被処理基板を収容し、前記処理チャンバー内に導入した処理ガスのプラズマを発生させ、当該プラズマによって前記被処理基板のエッチストップ層上に形成された酸化シリコン膜にマスク層を介してホールを形成するプラズマエッチング工程を有する半導体装置の方法であって、
前記プラズマエッチング工程は、
前記酸化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、
前記メインエッチング工程の後、前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程とを具備し、
前記エッチストップ層が少なくとも一部露出した状態で行うエッチング工程は、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ６ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第１エッチング工程と、
前記処理ガスを、Ｃ４Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガス、又は、Ｃ３Ｆ８ガスとＡｒガスとＯ２ガスとの混合ガスとした第２エッチング工程と
を交互に複数回繰り返して行う工程を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１エッチング工程及び前記第２エッチング工程を行う１回の時間が、３秒から１５秒の範囲内である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の半導体装置の製造方法であって、
前記エッチストップ層が窒化シリコンから構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７いずれか１項記載の半導体装置の製造方法であって、
前記マスク層が、ポリシリコンから構成されている
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
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処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と
を具備したプラズマエッチング装置を制御する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマエッチング方法が実行されるように前記プラズマエッチング装置を制御する
ことを特徴とするコンピュータ記憶媒体。
【請求項１０】
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処理ガスを供給する処理ガス供給機構と、
前記処理ガスのプラズマを発生させるプラズマ発生機構と
を具備したプラズマエッチング装置を制御する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、請求項５〜８いずれか１項記載の半導体装置の製造方法が実行されるように前記プラズマエッチング装置を制御する
ことを特徴とするコンピュータ記憶媒体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９５５７６（Ｐ２０１２−１９５５７６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３９９７８（Ｐ２０１２−３９９７８）
【出願日】平成２４年２月２７日（２０１２．２．２７）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月２７日（２０１２．２．２７）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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