プラズマエッチング方法
【課題】ネッキングやボウイングの発生を抑制し、高いエッチングレートで、高いマスク選択比を有するプラズマエッチング方法を提供すること。
【解決手段】被処理体の戴置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向して配置される上部電極を有するプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、フルオロカーボン系ガスを含む第１の処理ガスを用いてプラズマエッチングする第１のエッチング工程と、プラズマ生成用の高周波電力をオンにする第１条件とオフにする第２条件とを交互に繰り返しながら、前記第１条件の期間よりも前記第２条件の期間の方が印加電圧の絶対値が大きくなるように、前記上部電極に負の直流電圧を印加して、フルオロカーボン系ガスを含む第２の処理ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程であって、前記第１の処理ガスのラジカルの被処理体に対する付着性は、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、第２のエッチング工程とを含む、プラズマエッチング方法。
【解決手段】被処理体の戴置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向して配置される上部電極を有するプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、フルオロカーボン系ガスを含む第１の処理ガスを用いてプラズマエッチングする第１のエッチング工程と、プラズマ生成用の高周波電力をオンにする第１条件とオフにする第２条件とを交互に繰り返しながら、前記第１条件の期間よりも前記第２条件の期間の方が印加電圧の絶対値が大きくなるように、前記上部電極に負の直流電圧を印加して、フルオロカーボン系ガスを含む第２の処理ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程であって、前記第１の処理ガスのラジカルの被処理体に対する付着性は、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、第２のエッチング工程とを含む、プラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマにより基板に対してプラズマエッチングを施すプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理体である半導体ウエハに形成された所定の層に所定のパターンを形成するために、レジストをマスクとしてプラズマによりエッチングするプラズマエッチング処理が多用されている。
【０００３】
近年、半導体デバイスの微細化が進み、アスペクト比が２０以上のＨＡＲＣ（Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｎｔａｃｔ）エッチングが求められている。最近では、次世代ＨＡＲＣとしてアスペクト比４０を超えるような非常に高いアスペクト比のエッチングが要求されるに至っている。
【０００４】
このようなＨＡＲＣエッチングにおいては、フォトレジスト等のエッチングマスクは負に帯電しており、エッチング初期にはエッチング面において電荷が中和している。そして、エッチングが進行してアスペクト比が高くなると、ホールの底に正イオンがたまりエッチング面が正に帯電するようになる。このため、正イオンがホール内で反発により曲がってしまい、エッチング形状の曲がりや歪みが生じるようになる。また、このようにホールの底が正に帯電することにより、シェーディングダメージが懸念される。さらに、正イオンがホール底部に到達し難くなるため、エッチングレートの低下がもたらされる。
【０００５】
そこで、特許文献１等には、プラズマ生成用の高周波電力をパルス状に印加し、より多くの２次電子をホール底部に供給し、ホール底部の正の帯電を中和する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２１９４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、ＨＡＲＣエッチングのために付着性が高いラジカルを有する処理ガスでエッチングすると、ネッキングが発生し、エッチングレートの低下やボウイングの発生につながることがあった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ネッキングやボウイングの発生を抑制し、高いエッチングレートで、高いマスク選択比を有するプラズマエッチング方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、
被処理体の戴置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向して配置される上部電極を有するプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
フルオロカーボン系ガスを含む第１の処理ガスを用いてプラズマエッチングする第１のエッチング工程と、
プラズマ生成用の高周波電力をオンにする第１条件とオフにする第２条件とを交互に繰り返しながら、前記第１条件の期間よりも前記第２条件の期間の方が印加電圧の絶対値が大きくなるように、前記上部電極に負の直流電圧を印加して、フルオロカーボン系ガスを含む第２の処理ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程であって、前記第１の処理ガスのラジカルの被処理体に対する付着性は、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、第２のエッチング工程と
を含む、プラズマエッチング方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ネッキングやボウイングの発生を抑制し、高いエッチングレートで、高いマスク選択比を有するプラズマエッチング方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】処理ガスの付着性とホール形状の相関性を説明するための図であって、保護膜が形成されたホールの一例の概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施することが可能なプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。
【図３】図２のプラズマエッチング装置において第１の高周波電源に接続された第１の整合器の構造を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法における第１の高周波電源、第２の高周波電源、および第１の直流電源の状態を示すタイミングチャートの例である。
【図５】上部電極で負の直流電圧印加により発生した２次電子の挙動を示す模式図である。
【図６】高周波電力のオン・オフにともなうプラズマのオン・オフと、半導体ウエハＷへの電子の入射量の指標である半導体ウエハＷへの入射電子電流（Ａ）との関係を説明するためのグラフの一例である。
【図７】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの側壁形状の一例を説明するための概略図である。
【図８】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの側壁形状の他の例を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。
【００１３】
≪処理ガス≫
まず、本発明で使用できる処理ガスについて説明する。
【００１４】
図１に、処理ガスの付着性とホール形状の相関性を説明するための図であって、保護膜が形成されたホールの一例の概略図を示す。図１（ａ）と図１（ｂ）とでは、使用する処理ガスのラジカルの、被処理体（即ち、エッチング対象膜であり、例えば、処理基板、下地膜、酸化膜や窒化膜等のハードマスク、反射防止膜等）への付着性が異なり、図１（ａ）のラジカルは、図１（ｂ）のラジカルよりも相対的に付着性が高いと仮定している。
【００１５】
また、図１は、被処理体として、Ｓｉ基板１上に絶縁膜２が形成され、その上のフォトリソグラフィによりパターン化されたフォトレジスト膜がエッチングマスク３として形成された構造の半導体ウエハＷについて説明する。しかしながら、本発明は、この半導体ウエハＷの構造に限定されない。
【００１６】
図１（ａ）では、付着性が高いラジカルを使用しているため、エッチングマスク３表面及びホール４側面に、比較的厚い保護膜５が形成される。高アスペクト比のコンタクトホールのエッチング（ＨＡＲＣエッチング）を行う際には、高いマスク選択比を確保するため、付着性が高いラジカルを使用することが好ましい。しかしながら、ホール径が小さくなるにつれ、エッチングマスク３側面に生成した保護膜の膜厚が厚くなり、ホール入り口を塞ぐネッキングが生じやすくなる。それにより、ホール内部に侵入するイオン量が不足し、ホール底部のＣＤ（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）が縮小及び／又はエッチングレートの低下につながる。また、ネッキングの上方で入射イオンが反射され、ネッキングの下方でボウイング（側壁の抉れ）が発生することがある。
【００１７】
一方、図１（ｂ）では、上述のネッキングを回避するために、付着性が低いラジカルを使用している。付着性が低いラジカルを使用する場合、エッチングマスク３上の保護膜５は、薄膜として比較的広範囲に付着する傾向にある。そのため、プラズマ耐久性は、前述の場合と比較して悪化するため、ＨＡＲＣエッチングするための十分なマスク選択比が得られない。
【００１８】
そこで、本発明では、プラズマエッチング処理期間中に、処理ガスを少なくとも一回以上変更する。この時、エッチング初期（例えば、メインエッチング工程）においては、保護膜のエッチング対象膜への付着性が高い第１の処理ガスを選択し、エッチング時のマスク選択比を稼ぐ。その後、エッチング後期（オーバーエッチング工程）においては、保護膜がホール内部の側壁に薄く付着する第２の処理ガスを選択し、前述のネッキングを抑制してプラズマエッチングを行う。ネッキングを抑制してプラズマエッチングを進行させることで、アスペクト比が高い領域においてもホール垂直形状を良好にすることができる。なお、処理ガスの切り替えのタイミングは、エッチング条件、所望するアスペクト比等に依存し、当業者が適宜選択できるものである。
【００１９】
本発明で好ましく使用できる処理ガスとしては、フルオロカーボン系ガスを含む処理ガスである。使用できるフルオロカーボン系ガスとしては、特に制限はなく、例えば、ＣＦ、ＣＦ２、ＣＦ３，ＣＦ４、Ｃ２Ｆ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０、Ｃ５Ｆ８及び他のフルオロカーボン系ガス（ＣｘＦｙ）が挙げられる。フルオロカーボン系のガスは１種類を単独で使用しても良く、２種類以上を混合して併用しても良い。また、上述のフルオロカーボン系ガスに加えて、例えば、アルゴンガス及び／又は酸素ガスを含有するガスを添加しても良い。アルゴンガスや酸素ガスを添加することにより、エッチング時の電子温度が上昇する。そして、電子温度の上昇に伴い、ラジカル解離度が上昇するため、ホール内部に供給されるラジカル量が増加する。即ち、保護膜のデポレートを高くすることができる。
【００２０】
フルオロカーボン系ガスのラジカルの、エッチング対象膜への付着性は、通常、ラジカル１分子中のＦの数に対するＣの数（即ち、Ｃ／Ｆ比）に依存し、Ｃ／Ｆ比が大きいほど、エッチング対象膜への付着性は高くなる。この時、エッチング時の条件（例えば、温度や滞在時間）に応じて、処理ガスの解離を考慮して、処理ガスを選択する。例えば、フルオロカーボン系ガスとしてＣ４Ｆ６及びＣ４Ｆ８を使用した場合の例について説明する。Ｃ４Ｆ６のラジカルは、通常のエッチング温度では、一部ＣＦｘに解離するが、主としてＣ４Ｆ６のラジカルとして存在する。一方、Ｃ４Ｆ８のラジカルは、通常のエッチング温度では概ね解離し、主としてＣ２Ｆ４のラジカルとして存在する。そのため、プラズマエッチング初期（例えば、メインエッチング工程）では第１の処理ガスとして付着性が高いＣ４Ｆ６を使用して選択比を稼ぎ、プラズマエッチング後期（例えば、オーバーエッチング工程）では第２の処理ガスとして付着性が低いＣ４Ｆ８を使用する。
【００２１】
≪プラズマエッチング装置≫
次に、本発明の第１の実施形態のプラズマエッチング装置について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施することが可能なプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。
【００２２】
図２に示すプラズマエッチング装置は、容量結合型平行板プラズマエッチング装置として構成されており、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状のチャンバ（処理容器）１０を有している。このチャンバ１０は保安接地されている。
【００２３】
チャンバ１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上に、例えばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、その上に被処理体である半導体ウエハＷは戴置される。
【００２４】
サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は、導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層又は絶縁シートで挟んだ構造を有するものであり、電極２０には、直流電源２２が電気的に接続されている。そして、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷが静電チャック１８に吸着保持される。
【００２５】
静電チャック１８（半導体ウエハＷ）の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）２４が配置されている。サセプタ１６及びサセプタ支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。
【００２６】
サセプタ支持台１４の内部には、例えば円周上に冷媒室２８が設けられている。この冷媒室には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給されている。この冷媒の温度を変更することで、サセプタ上の半導体ウエハＷの処理温度を制御することができる。
【００２７】
さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。
【００２８】
下部電極であるサセプタ１６の上方には、サセプタ１６と対向するように平行に上部電極３４が設けられている。そして、上部および下部電極３４，１６間の空間がプラズマ生成空間となる。上部電極３４は、下部電極であるサセプタ１６上の半導体ウエハＷと対向してプラズマ生成空間と接する面、即ち対向面を形成する。
【００２９】
この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、チャンバ１０の上部に支持されている。また、上部電極３４は、サセプタ１６との対向面を構成しかつ多数の吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持し、導電性材料、例えばアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。電極板３６は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体が好ましい。また、後述するようにレジストを強化する観点から、シリコン含有物質が好ましい。このような観点から、電極板３６はシリコンやＳｉＣで構成されるのが好ましい。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からは、ガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。
【００３０】
電極支持体３８には、ガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口６２が形成されている。このガス導入口６２にはガス供給管６４が接続され、ガス供給管６４には処理ガス供給源６６が接続されている。処理ガス供給源６６は、制御部１００によって制御され、プロセスに応じて、複数の種類の処理ガスを所定の量、時間供給することができる。ガス供給管６４には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６８及び開閉バルブ７０が設けられ、処理ガスの供給量を制御することができる（ＭＦＣの代わりにＦＣＳでも良い）。そして、処理ガス供給源６６から、エッチングのための処理ガスとして、例えば前述の処理ガスがガス供給管６４からガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してシャワー状にプラズマ生成空間に吐出される。即ち、上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。
【００３１】
上部電極３４には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａを介して第１の直流電源５０が電気的に接続されている。第１の直流電源５０は、負極が上部電極３４側となるように接続されており、上部電極３４に負（マイナス）の電圧を印加するようになっている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａは後述する第１および第２の高周波電源からの高周波をトラップするものであり、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成される。
【００３２】
円筒状の接地導体１０ａは、チャンバ１０の側壁から上部電極３４の高さ位置よりも上方に延びるように設けられている。
【００３３】
下部電極であるサセプタ１６には、第１の整合器４６を介して、プラズマ生成用の第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。第１の高周波電源４８は、２７〜１００ＭＨｚの周波数、例えば４０ＭＨｚの高周波電力を出力する。第１の整合器４６は、第１の高周波電源４８の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１の高周波電源４８の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。第１の整合器４６は、図３に示すように、第１の高周波電源４６の給電ライン９６から分岐して設けられた第１の可変コンデンサ９７と、給電ライン９６のその分岐点の第１の高周波電源４８側に設けられた第２の可変コンデンサ９８と、分岐点の反対側に設けられたコイル９９とを有している。
【００３４】
サセプタ１６はまた、第２の整合器８８を介して第２の高周波電源９０も電気的に接続されている。この第２の高周波電源９０から下部電極であるサセプタ１６に高周波電力が供給されることにより、半導体ウエハＷにバイアスが印加され半導体ウエハＷにイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば３ＭＨｚの高周波電力を出力する。第２の整合器８８は第２の高周波電源９０の内部（又は出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第２の高周波電源９０の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。
【００３５】
第１の直流電源５０、第１の高周波電源４８、第２の高周波電源９０、第１の整合器４６及び第２の整合器８８は、電源コントローラ９５に電気的に接続されており、これらは電源コントローラ９５により制御される。
【００３６】
電源コントローラ９５は、第１の高周波電源４８のオン・オフ及び出力の制御が可能となっている。具体的には、第１の高周波電源４８を連続的にオンにしてプラズマを生成する状態及び交互にオン・オフし、例えばパルス状として、プラズマが存在している状態とプラズマが消滅した状態を交互に形成する状態に制御することが可能となっている。同様に、バイアス用の第２の高周波電源９０のオン・オフ及び出力の制御も可能となっており、プラズマ処理中に所定の出力で連続的にバイアスを印加する状態及び第２の高周波電源９０の出力を第１の高周波電源４８のオン・オフに同期して、例えばパルス状の出力を制御することが可能となっている。さらに、電源コントローラ９５は、第１の直流電源５０のオン・オフ制御及び電流・電圧制御を行うことが可能となっている。
【００３７】
本実施形態の場合、通常のプラズマエッチングと異なり、第１の高周波電源４８は、高周波電力が所定周期でオン・オフされるモードの際に、電源コントローラ９５が、第１の整合器４６における整合動作をこのオン・オフに同期させて切り換えるように制御する。
【００３８】
この場合に、電源コントローラ９５は、第１の高周波電力供給ユニット４８をオン・オフモードで動作させる際に、可変コンデンサがオン・オフに追従できない場合には、第１の整合器４６の動作を行わないように制御する。第２の整合器８８についても、基本的に第１の整合器４６と同様に構成されており、電源コントローラ９５は、第２の高周波電源９０の出力を第１の高周波電源４８のオン・オフに同期させて出力制御する際に、可変コンデンサがオン・オフに追従できない場合には、第２の整合器８８の動作を行わないように制御する。
【００３９】
しかしながら、第１の整合器４６及び第２の整合器８８の可変コンデンサの動作が十分に速い場合には、高出力の際に第１の整合器４６が第１の高周波電源４８の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスとが一致するような動作を行うように、また、第２の整合器８８が第２の高周波電源９０の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスとが一致するような動作を行うように制御してもよい。
【００４０】
チャンバ１０の底部に排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有しており、チャンバ１０内を所望の真空度まで減圧可能となっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能となっている。また、チャンバ１０の内壁に沿ってチャンバ１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するために、デポシールド１１が着脱自在に設けられている。即ち、デポシールド１１がチャンバ壁を構成している。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。チャンバ１０の底部のチャンバ壁側のデポシールド１１と内壁部材２６側のデポシールド１１との間には排気プレート８３が設けられている。デポシールド１１及び排気プレート８３としては、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆したものを好適に用いることができる。
【００４１】
デポシールド１１のチャンバ内壁を構成する部分のウエハＷと概ね同じ高さの部分には、グランドにＤＣ的に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）９１が設けられており、これにより異常放電防止効果を発揮する。なお、この導電性部材９１は、プラズマ生成領域に設けられていれば、その位置は図２の位置に限られない。例えば、サセプタ１６の周囲に設ける等、サセプタ１６側に設けてもよく、また上部電極３４の外側にリング状に設ける等、上部電極近傍に設けてもよい。
【００４２】
プラズマ処理装置の各構成部（例えば、電源系、ガス供給系、駆動系、電源コントローラ９５等）は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を含む制御部（全体制御装置）１００に接続されて制御される構成となっている。また、制御部１００には、オペレータがプラズマ処理装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理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なるユーザーインターフェース１０１が接続されている。
【００４３】
さらに、制御部１００には、プラズマ処理装置で実行される各種処理を制御部１００の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラム（即ち、処理レシピ）が格納された記憶部１０２が接続されている。処理レシピは記憶部１０２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
【００４４】
プラズマ処理装置での処理は、必要に応じて、ユーザーインターフェース１０１からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部１０２から呼び出して制御部１００に実行させることで、制御部１００の制御下で行われる。
【００４５】
≪プラズマエッチング方法≫
次に、上述の処理ガスとプラズマエッチング装置とを用いて行われる、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。
【００４６】
被処理体として、例えば、Ｓｉ基板上に絶縁膜が形成され、その上にエッチングマスクであるハードマスク膜が形成された構造の半導体ウエハＷを準備し、絶縁膜にプラズマエッチングを施す場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４７】
プラズマエッチングを施すに際しては、まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介して上記構成の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入し、サセプタ１６上に載置する。この状態でゲートバルブ８６を閉じ、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気しながら、処理ガス供給源６６から第１の処理ガスを所定の流量でガス拡散室４０へ供給する。さらに、ガス通流孔４１及びガス吐出孔３７を介してチャンバ１０内へ第１の処理ガスを供給しつつ、チャンバ内の圧力を例えば０．７５〜１１３ｍｍＴｏｒｒの範囲内の設定値とする。そして、所定の高周波電力と直流電圧を印加してウエハＷに対してプラズマエッチングを行う。このとき、半導体ウエハＷは、直流電源２２から静電チャック１８の電極２０に直流電圧を印加することにより静電チャック１８に固定されている。
【００４８】
本実施形態のプラズマエッチング方法の第１の工程として、付着性が高い第１の処理ガスを使用して、通常、第１の高周波電源４８からは２７〜１００ＭＨｚの周波数のプラズマ生成用の高周波電力を印加する。また、第２の高周波電源９０からは４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数のイオン引き込み用の高周波電力を印加する。第１の高周波電力及び第２の高周波電力の採り得る周波数を例示すると、第１の高周波電力としては、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、１００ＭＨｚを挙げることができ、第２の高周波電力としては、４００ｋＨｚ、８００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、３ＭＨｚ、１３ＭＨｚ、１３．６ＭＨｚを挙げることができる。プロセスに応じて適宜の組み合わせで用いることができるため、本発明はこの点において限定されない。
【００４９】
上部電極３４の電極板３６に形成されたガス吐出孔３７から吐出された第１の処理ガスは、高周波電力により生じた上部電極３４と下部電極であるサセプタ１６間のグロー放電中でプラズマ化する。このプラズマで生成される正イオンやラジカルによって、ハードマスク膜をエッチングマスクとして半導体ウエハＷの絶縁膜がエッチングされる。
【００５０】
このとき、下部電極にプラズマ形成用の高周波電力を印加することで、ウエハにより近い位置でプラズマを生成することができる。また、プラズマが広い領域に拡散せず処理ガスの解離を抑えることができるので、チャンバ１０内の圧力が高くプラズマ密度が低いような条件であっても、エッチングレートを上昇させることができる。また、プラズマ形成用の高周波電力の周波数が高い場合でも、比較的大きなイオンエネルギーを確保することができる。また、本実施形態のように下部電極にプラズマ形成用の高周波電力とイオン引き込み用の高周波電力を別々に印加することで、プラズマエッチングに必要なプラズマ形成の機能とイオン引き込みの機能とを独立に制御することが可能となる。したがって、高い微細加工性が要求されるエッチングの条件を満たすことが可能となる。さらに、プラズマ生成用に２７ＭＨｚ以上の高い周波数領域の高周波電力を供給しているので、プラズマを好ましい状態で高密度化することができ、より低圧の条件下でも高密度プラズマを生成することができる。
【００５１】
そして、プラズマが形成される際に、可変直流電源５０から上部電極３４に負の直流電圧を印加するので、プラズマ中の正イオンが上部電極３４に衝突してその近傍に２次電子が生成される。生成された２次電子は、鉛直方向下方へ加速され、加速された２次電子（高速電子）は被処理体である半導体ウエハＷに供給される。
【００５２】
エッチングは、プラズマ中の正イオンが支配的になって進行する。第１の工程でのエッチング初期では、エッチングにより形成されたコンタクトホールは浅く、電子がエッチング面に到達し、正イオンがエッチング面に供給されても電荷が中和する。したがって、エッチングが正常に進行する。
【００５３】
エッチングが進行して行き、コンタクトホールのアスペクト比が高くなってくると、電子はコンタクトホール内に到達し難くなり、コンタクトホール内には正イオンがたまって、エッチング面は正に帯電した状態となる。第１の工程では付着性が高いラジカルを使用しているため、プラズマエッチングが進行するにつれ、エッチングマスク表面及びホール側面に、比較的厚い保護膜が形成される。この状態のままエッチングを進行させると、エッチングのためにコンタクトホール内に進入した正イオンが、コンタクトホール内の正の電荷との間の反発により曲がり、エッチング形状の曲がりや歪みが生じるようになる。また、コンタクトホールの底部の正イオンによりシェーディングダメージが生じやすくなる。さらに、正イオンがホール底部に到達し難くなるため、エッチングレートの低下がもたらされる。特に、次世代ＨＡＲＣであるアスペクト比４０超のコンタクトホールを形成する場合には、このような不都合が顕著となる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、保護膜がホール内部の側壁に薄く付着する第２の処理ガスに切り替えて、ネッキングを抑制してプラズマエッチング方法の第２の工程を行う。
【００５５】
図４に、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法における第１の高周波電源、第２の高周波電源、および第１の直流電源の状態を示すタイミングチャートの例を示す。また、図５（ａ）に、プラズマシースが厚い場合における、上部電極で負の直流電圧印加により発生した２次電子の挙動を示す模式図を、図５（ｂ）に、プラズマシースが存在しない場合における、上部電極で負の直流電圧印加により発生した２次電子の挙動を示す模式図を示す。
【００５６】
図４に示すように、プラズマエッチング方法の第２の工程では、プラズマ生成用の第１の高周波電源４８を交互にオン・オフし、それに同期して第２のバイアス印加用の第２の高周波電源９０を交互にオン・オフする。即ち、第１の高周波電源４８によるプラズマ（グロープラズマ）が生成した状態（プラズマオン）とグロープラズマが消失した状態（プラズマオフ）とをパルス状に交互に繰り返す。
【００５７】
前述の通り、プラズマが形成される際には、可変直流電源から上部電極に負の直流電圧を印加するので、プラズマ中の正イオンが上部電極に衝突して、上部電極近傍に２次電子が生成される。生成した２次電子は、可変直流電源から上部電極へ印加した直流電圧値と、プラズマ電位との電位差により、処理空間の鉛直方向下向きへと加速される。この時、可変直流電源の極性、電圧値、電流値を所望のものにすることにより、２次電子（高速電子）は半導体ウエハに照射される。しかしながら、図５（ａ）に示すように、プラズマ処理が進行するプラズマオンの期間は、第１の高周波電源４８により生成されるプラズマのプラズマシースと、バイアス印加用の第２の高周波電源９０により生成されるプラズマシースとが合わさり、非常に厚いプラズマシースＳが形成される。そのため、２次電子がプラズマシースで反射されてしまう。一方、図５（ｂ）に示すように、プラズマオフの期間は、第１の高周波電源４８も、第２の高周波電源９０もオフとなっている。そのため、プラズマシースはほぼ完全に消滅し、２次電子（高速電子）を半導体ウエハＷに容易に到達させることができる。
【００５８】
本発明ではさらに、図４に示すように、第１の直流電源５０から上部電極３４に、プラズマのオン・オフに同期して、プラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加する。プラズマオフの期間に、印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加することにより、より多くの２次電子をホール内に供給することができる。
【００５９】
前述のプロセスにより照射・供給された２次電子は、エッチングマスク（特に、ＡｒＦフォトレジスト等の有機マスク）の組成を改質し、エッチングマスクは強化される。したがって、可変直流電源の印加電圧値及び印加電流値により上部電極近傍で生成する２次電子の量を制御し、さらに２次電子のウエハへの加速電圧を制御することで、エッチングマスクに対する所定の強化を図ることができる。このエッチングマスクのプラズマ耐性を向上させる効果は、特に、エッチングマスクとしてＡｒＦフォトレジスト等のプラズマ耐性が低い有機マスクを使用している場合に大きくなる。
【００６０】
第２の工程においては、ネッキングの抑制のために保護膜がホール内部に薄く付着する、エッチング対象膜へのラジカルの付着性が低い処理ガスを使用している。しかしながら、前述のプロセスにより、ホール内に供給された２次電子は、エッチングマスク（特に、有機マスク）のプラズマ耐性を向上させることができる。そのため、ＨＡＲＣエッチングにおいても、エッチングマスクの残膜の低下を効果的に防ぐことができる。
【００６１】
図６に、高周波電力のオン・オフにともなうプラズマのオン・オフと、半導体ウエハＷへの電子の入射量の指標である半導体ウエハＷへの入射電子電流（Ａ）との関係を説明するためのグラフの一例を示す。図６に示すように、高周波（ＲＦ）電力をオフにしてプラズマオフとした期間は、入射電子電流が増加しており、プラズマオフの期間に多量の電子が供給されることがわかる。
【００６２】
プラズマオンの期間に印加する直流電圧は、形成しようとするプラズマに応じた値にすればよく、例えば０〜−３００Ｖ程度が例示される。また、プラズマオフの期間に印加する直流電圧は、プラズマオンの期間よりも絶対値が大きければよいが、装置の耐性を考慮すると、−２０００Ｖよりも絶対値が小さいことが好ましい。
【００６３】
プラズマオフの期間は、５０μｓｅｃ以下が好ましい。５０μｓｅｃを超えるとエッチングに寄与していない時間が長くなって効率が低下してしまう。また、プラズマオフから、次のプラズマオフまでの期間、即ちパルスの間隔は、短くすることにより、半導体ウエハＷに２次電子が流入するタイミングが増え、ホール内への２次電子の供給量が増えるため、好ましい。例えば、５０μｓｅｃ（２０ｋＨｚ）、１００μｓｅｃ（１０ｋＨｚ）等にすることができる。また、パルスの間隔は、段階的に減少させても良い。さらに、プラズマオフから次のプラズマオフまでの期間に対する、プラズマオンの期間の割合は、例えば、７０％とすることができる。
【００６４】
なお、第１の直流電源５０からの直流電圧を、プラズマオンの期間にオフにし、プラズマオフの期間にオンにするようにしても良い。
【００６５】
また、本実施形態では、アルゴンガス流量が高いことが、上部電極の近傍に生じる２次電子の量を増やすことができるため好ましく、例えば、２７５ｓｃｃｍや、５５０ｓｃｃｍとすることができる。前述の通り、通常、アスペクト比が高い領域においては、ホールに供給される２次電子の量が不足する傾向にある。そのため、プラズマエッチング工程が進行するにつれ、アルゴンガス流量を増加させ、上部電極の近傍に生じる２次電子の量を増やすことが好ましい。
【００６６】
第２の処理ガスを用いた工程においても、通常、第１の高周波電源４８からは２７〜１００ＭＨｚの周波数、例えば４０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力を印加する。また、第２の高周波電源９０からは４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、例えば３ＭＨｚのイオン引き込み用の高周波電力を印加する。
【００６７】
したがって、本実施形態のように、プラズマエッチング方法の第１の工程として、先ずは付着性が高いラジカルを使用してマスク選択比を稼ぐ。続いて第２の工程として、付着性が低いラジカルを使用して、ネッキングを抑制する。この時、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させ、プラズマのオン・オフに同期して、プラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加し、マスク残膜の低下を効果的に防ぐ。本実施形態では、ネッキングが少ないため、エッチングレートの低下も防ぐことができる。これにより、ボトムＣＤ（Ｂｔｍ ＣＤ）を確保することができる。即ち、ホール垂直形状が良好で高いアスペクト比を実現できるプラズマエッチング方法を供することができる。
【００６８】
本発明は、第１の工程と第２の工程に限定されず、第３の工程を有してもよい。例えば、前述した第１の工程と第２の工程との間に、第１の処理ガスと第２の処理ガスとの間の付着性のラジカルを有する、第３の処理ガスを用いた第３の工程を有しても良い。
【００６９】
≪第１の実施形態≫
次に、この実施形態の方法の効果を確認した実験について説明する。
【００７０】
シリコン基板上に酸化膜が成膜され、その上にハードマスクとして窒化膜、酸化膜が順次積層し、さらに、Ｐｏｌｙ−Ｓｉが積層された被処理体を使用した。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ及びハードマスクを予めエッチング（パンチステップ）したサンプルを準備し、下記に詳細に示すエッチング条件により、プラズマエッチングを施した。
（１ステップ（前記第１の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝８０／４００／６０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、５００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ
（２ステップ（前記第３の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝４０／４０／４００／５０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、６００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：４００ｓｅｃ（ジャストエッチ）
（３ステップ（前記第２の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝８０／５５０／３７ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：２０ｋＨｚ（５０μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、１０００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ（オーバーエッチ）
この時、比較例として、３ステップ（前記第２の工程）において、第１の直流電源からの直流電圧を一定（１５０Ｖ）にした以外は、第１の実施形態と同様の工程により、プラズマエッチングを行った。
【００７１】
図７に第１の実施形態及び比較例のプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの垂直形状を説明するための概略図を示す。なお、図７（ａ）及び（ｃ）が第１の実施形態後の図であり、図７（ｂ）及び（ｄ）は比較例後の図である。
【００７２】
図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較することにより、第１の実施形態と比較例のプラズマエッチング方法においては、ボウイングＣＤはほぼ同程度である。しかしながら、第１の実施形態の方法を使用することにより、同一エッチング時間において、ボトムＣＤが大きく拡大していることがわかる。即ち、ボウイングＣＤを同程度に抑制しつつ、ボトムＣＤを確保でき、コンタクトホールの垂直形状を良好にすることができることがわかる。なお、ここで言うボウイングＣＤとは、コンタクトホール内において、ボウイングによって最も広がった部分の径のことを指す。また、図７（ｃ）及び図７（ｄ）では、より精度よくエッチング形状性を把握するために、ボウイングＣＤとボトムＣＤとの比（Ｂｔｍ／Ｂｏｗ ｒａｔｉｏ）を示す。図７（ｃ）及び図７（ｄ）との比較においても、第１の実施形態の方法を使用することにより、ボウイングＣＤを抑制しつつ、ボトムＣＤを確保できたことがわかる。さらに、第１の実施形態の方法は比較例の方法と比して、より多くの２次電子を半導体ウエハ上に供給するため、Ｐｏｌｙ−Ｓｉマスクの残膜量が多いことがわかる。
【００７３】
≪第２の実施形態≫
第１の実施形態における、３ステップ（前記第２の工程）のレシピを変更した以外は、第１の実施形態と同様の工程により、プラズマエッチングを施した。具体的なエッチング条件は、下記に示す。
（１ステップ（前記第１の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝８０／４００／６０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、５００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ
（２ステップ（前記第３の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝４０／４０／４００／５０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、６００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：４００ｓｅｃ（ジャストエッチ）
（３ステップ（前記第２の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝１００／５５０／３７ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：２０ｋＨｚ（５０μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、１０００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ（オーバーエッチ）
図８に第２の実施形態及び比較例のプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの垂直形状を説明するための概略図を示す。なお、図８（ａ）及び（ｃ）が第２の実施形態後の図であり、図８（ｂ）及び（ｄ）は比較例後の図である。
【００７４】
図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較することにより、第２の実施形態のプラズマエッチング方法では、比較例のプラズマエッチング方法と比して、ボウイングＣＤが大きく抑制されたことがわかる。さらに、第２の実施形態の方法を使用することにより、同一エッチング時間において、ボトムＣＤが大きく拡大していることがわかる。即ち、ボウイングＣＤを抑制しつつ、ボトムＣＤを確保でき、コンタクトホールの垂直形状を良好にすることができることがわかる。また、図８（ｃ）及び図８（ｄ）との比較においても、ボウイングＣＤを抑制しつつ、ボトムＣＤを確保できたことがわかる。さらに、第２の実施形態の方法でも、比較例の方法と比して、より多くの２次電子が半導体ウエハ上に供給されるため、Ｐｏｌｙ−Ｓｉマスクの残膜量が多いことがわかる。
【００７５】
≪第３の実施形態≫
本発明は、前述の通り、先ず、プラズマエッチング方法の第１の工程として、付着性が高いラジカルを使用してマスク選択比を稼ぐ。続いて第２の工程として、付着性が低いラジカルを使用して、ネッキングを抑制する。この時、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させ、さらに、プラズマのオン・オフに同期してプラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加し、マスク残膜の低下を効果的に防ぐ。
【００７６】
この時の第２の工程において、アルゴンガス流量が高いこと及び高周波電源のパルスの間隔を短くすることの効果を確認した実験について、表１を用いて説明する。
【００７７】
表１に、各エッチング条件におけるマスク選択比を示す。なお、表１における、ＤＣシンクロパルスとは、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させ、プラズマのオン・オフに同期して、プラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように、上部電極に負の直流電圧を印加した場合のエッチングのことを指す。また、シンクロパルスとは、第１の直流電源からの直流電圧を一定にし、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させた場合のエッチングのことを指す。
【００７８】
【表１】
通常、プラズマ発生のための高周波電源の出力を増大させると、エッチングレートを上昇させることができるが、マスク選択比は低下する。しかしながら、表１においてＤＣシンクロパルスを使用することで、マスク選択比の低下幅が抑制できていることがわかる。これは、ＤＣシンクロパルスを使用することにより、２次電子が大量に供給され、エッチングマスクが改質・強化されたことに起因する。
【００７９】
また、表１では、アルゴンガス流量を高くすることでも、マスク選択比が高くなることがわかる。これは、アルゴンガス流量を高くすることにより、上部電極（近傍）で発生する２次電子の量が増大したことに起因する。
【００８０】
さらに、表１では、高周波電源のパルスの間隔を短くすることでも、マスク選択比が高くなることがわかる。これは、グロープラズマが消失した状態での、２次電子の打ち込み回数が増えたことにより、２次電子のコンタクトホール内への供給量が増えたことに起因する。
【００８１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、本発明を実施する装置は、上に例示したものに限らず、例えば高周波電源を下部電極にプラズマ生成用のもの一つ設けたものであってもよい。また、上記実施形態では、プラズマエッチングの際に第１の直流電圧を印加したが、必須ではない。さらに、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させる方法は、上述の第１の工程及び第３の工程においても適用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１ Ｓｉ基板
２ 絶縁膜
３ エッチングマスク
４ ホール
５ 保護膜
１０ チャンバ（処理容器）
１６ サセプタ（下部電極）
３４ 上部電極
４６ 第１の整合器
４８ 第１の高周波電源
５０ 第１の直流電源
６６ 処理ガス供給源
８４ 排気装置
８８ 第２の整合器
９０ 第２の高周波電源
９５ 電源コントローラ
１００ 制御部
１０２ 記憶部
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマにより基板に対してプラズマエッチングを施すプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理体である半導体ウエハに形成された所定の層に所定のパターンを形成するために、レジストをマスクとしてプラズマによりエッチングするプラズマエッチング処理が多用されている。
【０００３】
近年、半導体デバイスの微細化が進み、アスペクト比が２０以上のＨＡＲＣ（Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｎｔａｃｔ）エッチングが求められている。最近では、次世代ＨＡＲＣとしてアスペクト比４０を超えるような非常に高いアスペクト比のエッチングが要求されるに至っている。
【０００４】
このようなＨＡＲＣエッチングにおいては、フォトレジスト等のエッチングマスクは負に帯電しており、エッチング初期にはエッチング面において電荷が中和している。そして、エッチングが進行してアスペクト比が高くなると、ホールの底に正イオンがたまりエッチング面が正に帯電するようになる。このため、正イオンがホール内で反発により曲がってしまい、エッチング形状の曲がりや歪みが生じるようになる。また、このようにホールの底が正に帯電することにより、シェーディングダメージが懸念される。さらに、正イオンがホール底部に到達し難くなるため、エッチングレートの低下がもたらされる。
【０００５】
そこで、特許文献１等には、プラズマ生成用の高周波電力をパルス状に印加し、より多くの２次電子をホール底部に供給し、ホール底部の正の帯電を中和する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２１９４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、ＨＡＲＣエッチングのために付着性が高いラジカルを有する処理ガスでエッチングすると、ネッキングが発生し、エッチングレートの低下やボウイングの発生につながることがあった。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ネッキングやボウイングの発生を抑制し、高いエッチングレートで、高いマスク選択比を有するプラズマエッチング方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、
被処理体の戴置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向して配置される上部電極を有するプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
フルオロカーボン系ガスを含む第１の処理ガスを用いてプラズマエッチングする第１のエッチング工程と、
プラズマ生成用の高周波電力をオンにする第１条件とオフにする第２条件とを交互に繰り返しながら、前記第１条件の期間よりも前記第２条件の期間の方が印加電圧の絶対値が大きくなるように、前記上部電極に負の直流電圧を印加して、フルオロカーボン系ガスを含む第２の処理ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程であって、前記第１の処理ガスのラジカルの被処理体に対する付着性は、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、第２のエッチング工程と
を含む、プラズマエッチング方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ネッキングやボウイングの発生を抑制し、高いエッチングレートで、高いマスク選択比を有するプラズマエッチング方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】処理ガスの付着性とホール形状の相関性を説明するための図であって、保護膜が形成されたホールの一例の概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施することが可能なプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。
【図３】図２のプラズマエッチング装置において第１の高周波電源に接続された第１の整合器の構造を示す図。
【図４】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法における第１の高周波電源、第２の高周波電源、および第１の直流電源の状態を示すタイミングチャートの例である。
【図５】上部電極で負の直流電圧印加により発生した２次電子の挙動を示す模式図である。
【図６】高周波電力のオン・オフにともなうプラズマのオン・オフと、半導体ウエハＷへの電子の入射量の指標である半導体ウエハＷへの入射電子電流（Ａ）との関係を説明するためのグラフの一例である。
【図７】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの側壁形状の一例を説明するための概略図である。
【図８】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの側壁形状の他の例を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。
【００１３】
≪処理ガス≫
まず、本発明で使用できる処理ガスについて説明する。
【００１４】
図１に、処理ガスの付着性とホール形状の相関性を説明するための図であって、保護膜が形成されたホールの一例の概略図を示す。図１（ａ）と図１（ｂ）とでは、使用する処理ガスのラジカルの、被処理体（即ち、エッチング対象膜であり、例えば、処理基板、下地膜、酸化膜や窒化膜等のハードマスク、反射防止膜等）への付着性が異なり、図１（ａ）のラジカルは、図１（ｂ）のラジカルよりも相対的に付着性が高いと仮定している。
【００１５】
また、図１は、被処理体として、Ｓｉ基板１上に絶縁膜２が形成され、その上のフォトリソグラフィによりパターン化されたフォトレジスト膜がエッチングマスク３として形成された構造の半導体ウエハＷについて説明する。しかしながら、本発明は、この半導体ウエハＷの構造に限定されない。
【００１６】
図１（ａ）では、付着性が高いラジカルを使用しているため、エッチングマスク３表面及びホール４側面に、比較的厚い保護膜５が形成される。高アスペクト比のコンタクトホールのエッチング（ＨＡＲＣエッチング）を行う際には、高いマスク選択比を確保するため、付着性が高いラジカルを使用することが好ましい。しかしながら、ホール径が小さくなるにつれ、エッチングマスク３側面に生成した保護膜の膜厚が厚くなり、ホール入り口を塞ぐネッキングが生じやすくなる。それにより、ホール内部に侵入するイオン量が不足し、ホール底部のＣＤ（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）が縮小及び／又はエッチングレートの低下につながる。また、ネッキングの上方で入射イオンが反射され、ネッキングの下方でボウイング（側壁の抉れ）が発生することがある。
【００１７】
一方、図１（ｂ）では、上述のネッキングを回避するために、付着性が低いラジカルを使用している。付着性が低いラジカルを使用する場合、エッチングマスク３上の保護膜５は、薄膜として比較的広範囲に付着する傾向にある。そのため、プラズマ耐久性は、前述の場合と比較して悪化するため、ＨＡＲＣエッチングするための十分なマスク選択比が得られない。
【００１８】
そこで、本発明では、プラズマエッチング処理期間中に、処理ガスを少なくとも一回以上変更する。この時、エッチング初期（例えば、メインエッチング工程）においては、保護膜のエッチング対象膜への付着性が高い第１の処理ガスを選択し、エッチング時のマスク選択比を稼ぐ。その後、エッチング後期（オーバーエッチング工程）においては、保護膜がホール内部の側壁に薄く付着する第２の処理ガスを選択し、前述のネッキングを抑制してプラズマエッチングを行う。ネッキングを抑制してプラズマエッチングを進行させることで、アスペクト比が高い領域においてもホール垂直形状を良好にすることができる。なお、処理ガスの切り替えのタイミングは、エッチング条件、所望するアスペクト比等に依存し、当業者が適宜選択できるものである。
【００１９】
本発明で好ましく使用できる処理ガスとしては、フルオロカーボン系ガスを含む処理ガスである。使用できるフルオロカーボン系ガスとしては、特に制限はなく、例えば、ＣＦ、ＣＦ２、ＣＦ３，ＣＦ４、Ｃ２Ｆ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ４Ｆ１０、Ｃ５Ｆ８及び他のフルオロカーボン系ガス（ＣｘＦｙ）が挙げられる。フルオロカーボン系のガスは１種類を単独で使用しても良く、２種類以上を混合して併用しても良い。また、上述のフルオロカーボン系ガスに加えて、例えば、アルゴンガス及び／又は酸素ガスを含有するガスを添加しても良い。アルゴンガスや酸素ガスを添加することにより、エッチング時の電子温度が上昇する。そして、電子温度の上昇に伴い、ラジカル解離度が上昇するため、ホール内部に供給されるラジカル量が増加する。即ち、保護膜のデポレートを高くすることができる。
【００２０】
フルオロカーボン系ガスのラジカルの、エッチング対象膜への付着性は、通常、ラジカル１分子中のＦの数に対するＣの数（即ち、Ｃ／Ｆ比）に依存し、Ｃ／Ｆ比が大きいほど、エッチング対象膜への付着性は高くなる。この時、エッチング時の条件（例えば、温度や滞在時間）に応じて、処理ガスの解離を考慮して、処理ガスを選択する。例えば、フルオロカーボン系ガスとしてＣ４Ｆ６及びＣ４Ｆ８を使用した場合の例について説明する。Ｃ４Ｆ６のラジカルは、通常のエッチング温度では、一部ＣＦｘに解離するが、主としてＣ４Ｆ６のラジカルとして存在する。一方、Ｃ４Ｆ８のラジカルは、通常のエッチング温度では概ね解離し、主としてＣ２Ｆ４のラジカルとして存在する。そのため、プラズマエッチング初期（例えば、メインエッチング工程）では第１の処理ガスとして付着性が高いＣ４Ｆ６を使用して選択比を稼ぎ、プラズマエッチング後期（例えば、オーバーエッチング工程）では第２の処理ガスとして付着性が低いＣ４Ｆ８を使用する。
【００２１】
≪プラズマエッチング装置≫
次に、本発明の第１の実施形態のプラズマエッチング装置について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実施することが可能なプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。
【００２２】
図２に示すプラズマエッチング装置は、容量結合型平行板プラズマエッチング装置として構成されており、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状のチャンバ（処理容器）１０を有している。このチャンバ１０は保安接地されている。
【００２３】
チャンバ１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上に、例えばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、その上に被処理体である半導体ウエハＷは戴置される。
【００２４】
サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は、導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層又は絶縁シートで挟んだ構造を有するものであり、電極２０には、直流電源２２が電気的に接続されている。そして、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷが静電チャック１８に吸着保持される。
【００２５】
静電チャック１８（半導体ウエハＷ）の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）２４が配置されている。サセプタ１６及びサセプタ支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。
【００２６】
サセプタ支持台１４の内部には、例えば円周上に冷媒室２８が設けられている。この冷媒室には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給されている。この冷媒の温度を変更することで、サセプタ上の半導体ウエハＷの処理温度を制御することができる。
【００２７】
さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。
【００２８】
下部電極であるサセプタ１６の上方には、サセプタ１６と対向するように平行に上部電極３４が設けられている。そして、上部および下部電極３４，１６間の空間がプラズマ生成空間となる。上部電極３４は、下部電極であるサセプタ１６上の半導体ウエハＷと対向してプラズマ生成空間と接する面、即ち対向面を形成する。
【００２９】
この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、チャンバ１０の上部に支持されている。また、上部電極３４は、サセプタ１６との対向面を構成しかつ多数の吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持し、導電性材料、例えばアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。電極板３６は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体が好ましい。また、後述するようにレジストを強化する観点から、シリコン含有物質が好ましい。このような観点から、電極板３６はシリコンやＳｉＣで構成されるのが好ましい。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からは、ガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。
【００３０】
電極支持体３８には、ガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口６２が形成されている。このガス導入口６２にはガス供給管６４が接続され、ガス供給管６４には処理ガス供給源６６が接続されている。処理ガス供給源６６は、制御部１００によって制御され、プロセスに応じて、複数の種類の処理ガスを所定の量、時間供給することができる。ガス供給管６４には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６８及び開閉バルブ７０が設けられ、処理ガスの供給量を制御することができる（ＭＦＣの代わりにＦＣＳでも良い）。そして、処理ガス供給源６６から、エッチングのための処理ガスとして、例えば前述の処理ガスがガス供給管６４からガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してシャワー状にプラズマ生成空間に吐出される。即ち、上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。
【００３１】
上部電極３４には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａを介して第１の直流電源５０が電気的に接続されている。第１の直流電源５０は、負極が上部電極３４側となるように接続されており、上部電極３４に負（マイナス）の電圧を印加するようになっている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａは後述する第１および第２の高周波電源からの高周波をトラップするものであり、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成される。
【００３２】
円筒状の接地導体１０ａは、チャンバ１０の側壁から上部電極３４の高さ位置よりも上方に延びるように設けられている。
【００３３】
下部電極であるサセプタ１６には、第１の整合器４６を介して、プラズマ生成用の第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。第１の高周波電源４８は、２７〜１００ＭＨｚの周波数、例えば４０ＭＨｚの高周波電力を出力する。第１の整合器４６は、第１の高周波電源４８の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１の高周波電源４８の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。第１の整合器４６は、図３に示すように、第１の高周波電源４６の給電ライン９６から分岐して設けられた第１の可変コンデンサ９７と、給電ライン９６のその分岐点の第１の高周波電源４８側に設けられた第２の可変コンデンサ９８と、分岐点の反対側に設けられたコイル９９とを有している。
【００３４】
サセプタ１６はまた、第２の整合器８８を介して第２の高周波電源９０も電気的に接続されている。この第２の高周波電源９０から下部電極であるサセプタ１６に高周波電力が供給されることにより、半導体ウエハＷにバイアスが印加され半導体ウエハＷにイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば３ＭＨｚの高周波電力を出力する。第２の整合器８８は第２の高周波電源９０の内部（又は出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第２の高周波電源９０の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。
【００３５】
第１の直流電源５０、第１の高周波電源４８、第２の高周波電源９０、第１の整合器４６及び第２の整合器８８は、電源コントローラ９５に電気的に接続されており、これらは電源コントローラ９５により制御される。
【００３６】
電源コントローラ９５は、第１の高周波電源４８のオン・オフ及び出力の制御が可能となっている。具体的には、第１の高周波電源４８を連続的にオンにしてプラズマを生成する状態及び交互にオン・オフし、例えばパルス状として、プラズマが存在している状態とプラズマが消滅した状態を交互に形成する状態に制御することが可能となっている。同様に、バイアス用の第２の高周波電源９０のオン・オフ及び出力の制御も可能となっており、プラズマ処理中に所定の出力で連続的にバイアスを印加する状態及び第２の高周波電源９０の出力を第１の高周波電源４８のオン・オフに同期して、例えばパルス状の出力を制御することが可能となっている。さらに、電源コントローラ９５は、第１の直流電源５０のオン・オフ制御及び電流・電圧制御を行うことが可能となっている。
【００３７】
本実施形態の場合、通常のプラズマエッチングと異なり、第１の高周波電源４８は、高周波電力が所定周期でオン・オフされるモードの際に、電源コントローラ９５が、第１の整合器４６における整合動作をこのオン・オフに同期させて切り換えるように制御する。
【００３８】
この場合に、電源コントローラ９５は、第１の高周波電力供給ユニット４８をオン・オフモードで動作させる際に、可変コンデンサがオン・オフに追従できない場合には、第１の整合器４６の動作を行わないように制御する。第２の整合器８８についても、基本的に第１の整合器４６と同様に構成されており、電源コントローラ９５は、第２の高周波電源９０の出力を第１の高周波電源４８のオン・オフに同期させて出力制御する際に、可変コンデンサがオン・オフに追従できない場合には、第２の整合器８８の動作を行わないように制御する。
【００３９】
しかしながら、第１の整合器４６及び第２の整合器８８の可変コンデンサの動作が十分に速い場合には、高出力の際に第１の整合器４６が第１の高周波電源４８の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスとが一致するような動作を行うように、また、第２の整合器８８が第２の高周波電源９０の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスとが一致するような動作を行うように制御してもよい。
【００４０】
チャンバ１０の底部に排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有しており、チャンバ１０内を所望の真空度まで減圧可能となっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能となっている。また、チャンバ１０の内壁に沿ってチャンバ１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するために、デポシールド１１が着脱自在に設けられている。即ち、デポシールド１１がチャンバ壁を構成している。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。チャンバ１０の底部のチャンバ壁側のデポシールド１１と内壁部材２６側のデポシールド１１との間には排気プレート８３が設けられている。デポシールド１１及び排気プレート８３としては、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆したものを好適に用いることができる。
【００４１】
デポシールド１１のチャンバ内壁を構成する部分のウエハＷと概ね同じ高さの部分には、グランドにＤＣ的に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）９１が設けられており、これにより異常放電防止効果を発揮する。なお、この導電性部材９１は、プラズマ生成領域に設けられていれば、その位置は図２の位置に限られない。例えば、サセプタ１６の周囲に設ける等、サセプタ１６側に設けてもよく、また上部電極３４の外側にリング状に設ける等、上部電極近傍に設けてもよい。
【００４２】
プラズマ処理装置の各構成部（例えば、電源系、ガス供給系、駆動系、電源コントローラ９５等）は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を含む制御部（全体制御装置）１００に接続されて制御される構成となっている。また、制御部１００には、オペレータがプラズマ処理装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理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なるユーザーインターフェース１０１が接続されている。
【００４３】
さらに、制御部１００には、プラズマ処理装置で実行される各種処理を制御部１００の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラム（即ち、処理レシピ）が格納された記憶部１０２が接続されている。処理レシピは記憶部１０２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。
【００４４】
プラズマ処理装置での処理は、必要に応じて、ユーザーインターフェース１０１からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部１０２から呼び出して制御部１００に実行させることで、制御部１００の制御下で行われる。
【００４５】
≪プラズマエッチング方法≫
次に、上述の処理ガスとプラズマエッチング装置とを用いて行われる、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法について説明する。
【００４６】
被処理体として、例えば、Ｓｉ基板上に絶縁膜が形成され、その上にエッチングマスクであるハードマスク膜が形成された構造の半導体ウエハＷを準備し、絶縁膜にプラズマエッチングを施す場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００４７】
プラズマエッチングを施すに際しては、まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介して上記構成の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入し、サセプタ１６上に載置する。この状態でゲートバルブ８６を閉じ、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気しながら、処理ガス供給源６６から第１の処理ガスを所定の流量でガス拡散室４０へ供給する。さらに、ガス通流孔４１及びガス吐出孔３７を介してチャンバ１０内へ第１の処理ガスを供給しつつ、チャンバ内の圧力を例えば０．７５〜１１３ｍｍＴｏｒｒの範囲内の設定値とする。そして、所定の高周波電力と直流電圧を印加してウエハＷに対してプラズマエッチングを行う。このとき、半導体ウエハＷは、直流電源２２から静電チャック１８の電極２０に直流電圧を印加することにより静電チャック１８に固定されている。
【００４８】
本実施形態のプラズマエッチング方法の第１の工程として、付着性が高い第１の処理ガスを使用して、通常、第１の高周波電源４８からは２７〜１００ＭＨｚの周波数のプラズマ生成用の高周波電力を印加する。また、第２の高周波電源９０からは４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数のイオン引き込み用の高周波電力を印加する。第１の高周波電力及び第２の高周波電力の採り得る周波数を例示すると、第１の高周波電力としては、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、１００ＭＨｚを挙げることができ、第２の高周波電力としては、４００ｋＨｚ、８００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、３ＭＨｚ、１３ＭＨｚ、１３．６ＭＨｚを挙げることができる。プロセスに応じて適宜の組み合わせで用いることができるため、本発明はこの点において限定されない。
【００４９】
上部電極３４の電極板３６に形成されたガス吐出孔３７から吐出された第１の処理ガスは、高周波電力により生じた上部電極３４と下部電極であるサセプタ１６間のグロー放電中でプラズマ化する。このプラズマで生成される正イオンやラジカルによって、ハードマスク膜をエッチングマスクとして半導体ウエハＷの絶縁膜がエッチングされる。
【００５０】
このとき、下部電極にプラズマ形成用の高周波電力を印加することで、ウエハにより近い位置でプラズマを生成することができる。また、プラズマが広い領域に拡散せず処理ガスの解離を抑えることができるので、チャンバ１０内の圧力が高くプラズマ密度が低いような条件であっても、エッチングレートを上昇させることができる。また、プラズマ形成用の高周波電力の周波数が高い場合でも、比較的大きなイオンエネルギーを確保することができる。また、本実施形態のように下部電極にプラズマ形成用の高周波電力とイオン引き込み用の高周波電力を別々に印加することで、プラズマエッチングに必要なプラズマ形成の機能とイオン引き込みの機能とを独立に制御することが可能となる。したがって、高い微細加工性が要求されるエッチングの条件を満たすことが可能となる。さらに、プラズマ生成用に２７ＭＨｚ以上の高い周波数領域の高周波電力を供給しているので、プラズマを好ましい状態で高密度化することができ、より低圧の条件下でも高密度プラズマを生成することができる。
【００５１】
そして、プラズマが形成される際に、可変直流電源５０から上部電極３４に負の直流電圧を印加するので、プラズマ中の正イオンが上部電極３４に衝突してその近傍に２次電子が生成される。生成された２次電子は、鉛直方向下方へ加速され、加速された２次電子（高速電子）は被処理体である半導体ウエハＷに供給される。
【００５２】
エッチングは、プラズマ中の正イオンが支配的になって進行する。第１の工程でのエッチング初期では、エッチングにより形成されたコンタクトホールは浅く、電子がエッチング面に到達し、正イオンがエッチング面に供給されても電荷が中和する。したがって、エッチングが正常に進行する。
【００５３】
エッチングが進行して行き、コンタクトホールのアスペクト比が高くなってくると、電子はコンタクトホール内に到達し難くなり、コンタクトホール内には正イオンがたまって、エッチング面は正に帯電した状態となる。第１の工程では付着性が高いラジカルを使用しているため、プラズマエッチングが進行するにつれ、エッチングマスク表面及びホール側面に、比較的厚い保護膜が形成される。この状態のままエッチングを進行させると、エッチングのためにコンタクトホール内に進入した正イオンが、コンタクトホール内の正の電荷との間の反発により曲がり、エッチング形状の曲がりや歪みが生じるようになる。また、コンタクトホールの底部の正イオンによりシェーディングダメージが生じやすくなる。さらに、正イオンがホール底部に到達し難くなるため、エッチングレートの低下がもたらされる。特に、次世代ＨＡＲＣであるアスペクト比４０超のコンタクトホールを形成する場合には、このような不都合が顕著となる。
【００５４】
そこで、本実施形態では、保護膜がホール内部の側壁に薄く付着する第２の処理ガスに切り替えて、ネッキングを抑制してプラズマエッチング方法の第２の工程を行う。
【００５５】
図４に、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法における第１の高周波電源、第２の高周波電源、および第１の直流電源の状態を示すタイミングチャートの例を示す。また、図５（ａ）に、プラズマシースが厚い場合における、上部電極で負の直流電圧印加により発生した２次電子の挙動を示す模式図を、図５（ｂ）に、プラズマシースが存在しない場合における、上部電極で負の直流電圧印加により発生した２次電子の挙動を示す模式図を示す。
【００５６】
図４に示すように、プラズマエッチング方法の第２の工程では、プラズマ生成用の第１の高周波電源４８を交互にオン・オフし、それに同期して第２のバイアス印加用の第２の高周波電源９０を交互にオン・オフする。即ち、第１の高周波電源４８によるプラズマ（グロープラズマ）が生成した状態（プラズマオン）とグロープラズマが消失した状態（プラズマオフ）とをパルス状に交互に繰り返す。
【００５７】
前述の通り、プラズマが形成される際には、可変直流電源から上部電極に負の直流電圧を印加するので、プラズマ中の正イオンが上部電極に衝突して、上部電極近傍に２次電子が生成される。生成した２次電子は、可変直流電源から上部電極へ印加した直流電圧値と、プラズマ電位との電位差により、処理空間の鉛直方向下向きへと加速される。この時、可変直流電源の極性、電圧値、電流値を所望のものにすることにより、２次電子（高速電子）は半導体ウエハに照射される。しかしながら、図５（ａ）に示すように、プラズマ処理が進行するプラズマオンの期間は、第１の高周波電源４８により生成されるプラズマのプラズマシースと、バイアス印加用の第２の高周波電源９０により生成されるプラズマシースとが合わさり、非常に厚いプラズマシースＳが形成される。そのため、２次電子がプラズマシースで反射されてしまう。一方、図５（ｂ）に示すように、プラズマオフの期間は、第１の高周波電源４８も、第２の高周波電源９０もオフとなっている。そのため、プラズマシースはほぼ完全に消滅し、２次電子（高速電子）を半導体ウエハＷに容易に到達させることができる。
【００５８】
本発明ではさらに、図４に示すように、第１の直流電源５０から上部電極３４に、プラズマのオン・オフに同期して、プラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加する。プラズマオフの期間に、印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加することにより、より多くの２次電子をホール内に供給することができる。
【００５９】
前述のプロセスにより照射・供給された２次電子は、エッチングマスク（特に、ＡｒＦフォトレジスト等の有機マスク）の組成を改質し、エッチングマスクは強化される。したがって、可変直流電源の印加電圧値及び印加電流値により上部電極近傍で生成する２次電子の量を制御し、さらに２次電子のウエハへの加速電圧を制御することで、エッチングマスクに対する所定の強化を図ることができる。このエッチングマスクのプラズマ耐性を向上させる効果は、特に、エッチングマスクとしてＡｒＦフォトレジスト等のプラズマ耐性が低い有機マスクを使用している場合に大きくなる。
【００６０】
第２の工程においては、ネッキングの抑制のために保護膜がホール内部に薄く付着する、エッチング対象膜へのラジカルの付着性が低い処理ガスを使用している。しかしながら、前述のプロセスにより、ホール内に供給された２次電子は、エッチングマスク（特に、有機マスク）のプラズマ耐性を向上させることができる。そのため、ＨＡＲＣエッチングにおいても、エッチングマスクの残膜の低下を効果的に防ぐことができる。
【００６１】
図６に、高周波電力のオン・オフにともなうプラズマのオン・オフと、半導体ウエハＷへの電子の入射量の指標である半導体ウエハＷへの入射電子電流（Ａ）との関係を説明するためのグラフの一例を示す。図６に示すように、高周波（ＲＦ）電力をオフにしてプラズマオフとした期間は、入射電子電流が増加しており、プラズマオフの期間に多量の電子が供給されることがわかる。
【００６２】
プラズマオンの期間に印加する直流電圧は、形成しようとするプラズマに応じた値にすればよく、例えば０〜−３００Ｖ程度が例示される。また、プラズマオフの期間に印加する直流電圧は、プラズマオンの期間よりも絶対値が大きければよいが、装置の耐性を考慮すると、−２０００Ｖよりも絶対値が小さいことが好ましい。
【００６３】
プラズマオフの期間は、５０μｓｅｃ以下が好ましい。５０μｓｅｃを超えるとエッチングに寄与していない時間が長くなって効率が低下してしまう。また、プラズマオフから、次のプラズマオフまでの期間、即ちパルスの間隔は、短くすることにより、半導体ウエハＷに２次電子が流入するタイミングが増え、ホール内への２次電子の供給量が増えるため、好ましい。例えば、５０μｓｅｃ（２０ｋＨｚ）、１００μｓｅｃ（１０ｋＨｚ）等にすることができる。また、パルスの間隔は、段階的に減少させても良い。さらに、プラズマオフから次のプラズマオフまでの期間に対する、プラズマオンの期間の割合は、例えば、７０％とすることができる。
【００６４】
なお、第１の直流電源５０からの直流電圧を、プラズマオンの期間にオフにし、プラズマオフの期間にオンにするようにしても良い。
【００６５】
また、本実施形態では、アルゴンガス流量が高いことが、上部電極の近傍に生じる２次電子の量を増やすことができるため好ましく、例えば、２７５ｓｃｃｍや、５５０ｓｃｃｍとすることができる。前述の通り、通常、アスペクト比が高い領域においては、ホールに供給される２次電子の量が不足する傾向にある。そのため、プラズマエッチング工程が進行するにつれ、アルゴンガス流量を増加させ、上部電極の近傍に生じる２次電子の量を増やすことが好ましい。
【００６６】
第２の処理ガスを用いた工程においても、通常、第１の高周波電源４８からは２７〜１００ＭＨｚの周波数、例えば４０ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力を印加する。また、第２の高周波電源９０からは４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、例えば３ＭＨｚのイオン引き込み用の高周波電力を印加する。
【００６７】
したがって、本実施形態のように、プラズマエッチング方法の第１の工程として、先ずは付着性が高いラジカルを使用してマスク選択比を稼ぐ。続いて第２の工程として、付着性が低いラジカルを使用して、ネッキングを抑制する。この時、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させ、プラズマのオン・オフに同期して、プラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加し、マスク残膜の低下を効果的に防ぐ。本実施形態では、ネッキングが少ないため、エッチングレートの低下も防ぐことができる。これにより、ボトムＣＤ（Ｂｔｍ ＣＤ）を確保することができる。即ち、ホール垂直形状が良好で高いアスペクト比を実現できるプラズマエッチング方法を供することができる。
【００６８】
本発明は、第１の工程と第２の工程に限定されず、第３の工程を有してもよい。例えば、前述した第１の工程と第２の工程との間に、第１の処理ガスと第２の処理ガスとの間の付着性のラジカルを有する、第３の処理ガスを用いた第３の工程を有しても良い。
【００６９】
≪第１の実施形態≫
次に、この実施形態の方法の効果を確認した実験について説明する。
【００７０】
シリコン基板上に酸化膜が成膜され、その上にハードマスクとして窒化膜、酸化膜が順次積層し、さらに、Ｐｏｌｙ−Ｓｉが積層された被処理体を使用した。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ及びハードマスクを予めエッチング（パンチステップ）したサンプルを準備し、下記に詳細に示すエッチング条件により、プラズマエッチングを施した。
（１ステップ（前記第１の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝８０／４００／６０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、５００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ
（２ステップ（前記第３の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝４０／４０／４００／５０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、６００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：４００ｓｅｃ（ジャストエッチ）
（３ステップ（前記第２の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝８０／５５０／３７ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：２０ｋＨｚ（５０μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、１０００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ（オーバーエッチ）
この時、比較例として、３ステップ（前記第２の工程）において、第１の直流電源からの直流電圧を一定（１５０Ｖ）にした以外は、第１の実施形態と同様の工程により、プラズマエッチングを行った。
【００７１】
図７に第１の実施形態及び比較例のプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの垂直形状を説明するための概略図を示す。なお、図７（ａ）及び（ｃ）が第１の実施形態後の図であり、図７（ｂ）及び（ｄ）は比較例後の図である。
【００７２】
図７（ａ）と図７（ｂ）とを比較することにより、第１の実施形態と比較例のプラズマエッチング方法においては、ボウイングＣＤはほぼ同程度である。しかしながら、第１の実施形態の方法を使用することにより、同一エッチング時間において、ボトムＣＤが大きく拡大していることがわかる。即ち、ボウイングＣＤを同程度に抑制しつつ、ボトムＣＤを確保でき、コンタクトホールの垂直形状を良好にすることができることがわかる。なお、ここで言うボウイングＣＤとは、コンタクトホール内において、ボウイングによって最も広がった部分の径のことを指す。また、図７（ｃ）及び図７（ｄ）では、より精度よくエッチング形状性を把握するために、ボウイングＣＤとボトムＣＤとの比（Ｂｔｍ／Ｂｏｗ ｒａｔｉｏ）を示す。図７（ｃ）及び図７（ｄ）との比較においても、第１の実施形態の方法を使用することにより、ボウイングＣＤを抑制しつつ、ボトムＣＤを確保できたことがわかる。さらに、第１の実施形態の方法は比較例の方法と比して、より多くの２次電子を半導体ウエハ上に供給するため、Ｐｏｌｙ−Ｓｉマスクの残膜量が多いことがわかる。
【００７３】
≪第２の実施形態≫
第１の実施形態における、３ステップ（前記第２の工程）のレシピを変更した以外は、第１の実施形態と同様の工程により、プラズマエッチングを施した。具体的なエッチング条件は、下記に示す。
（１ステップ（前記第１の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ａｒ／Ｏ２＝８０／４００／６０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、５００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ
（２ステップ（前記第３の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ６／Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝４０／４０／４００／５０ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：１０ｋＨｚ（１００μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、６００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：４００ｓｅｃ（ジャストエッチ）
（３ステップ（前記第２の工程））
エッチングガス：Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝１００／５５０／３７ｓｃｃｍ
圧力：２０ｍＴｏｒｒ
第１の高周波電源の出力：１７００Ｗ
第２の高周波電源の出力：６６００Ｗ
高周波電源のパルスの間隔：２０ｋＨｚ（５０μｓｅｃ）
第１の直流電源からの直流電圧：１５０Ｖ（プラズマオン時）、１０００Ｖ（プラズマオフ時）
エッチング時間：１８０ｓｅｃ（オーバーエッチ）
図８に第２の実施形態及び比較例のプラズマエッチング方法後の、コンタクトホールの垂直形状を説明するための概略図を示す。なお、図８（ａ）及び（ｃ）が第２の実施形態後の図であり、図８（ｂ）及び（ｄ）は比較例後の図である。
【００７４】
図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較することにより、第２の実施形態のプラズマエッチング方法では、比較例のプラズマエッチング方法と比して、ボウイングＣＤが大きく抑制されたことがわかる。さらに、第２の実施形態の方法を使用することにより、同一エッチング時間において、ボトムＣＤが大きく拡大していることがわかる。即ち、ボウイングＣＤを抑制しつつ、ボトムＣＤを確保でき、コンタクトホールの垂直形状を良好にすることができることがわかる。また、図８（ｃ）及び図８（ｄ）との比較においても、ボウイングＣＤを抑制しつつ、ボトムＣＤを確保できたことがわかる。さらに、第２の実施形態の方法でも、比較例の方法と比して、より多くの２次電子が半導体ウエハ上に供給されるため、Ｐｏｌｙ−Ｓｉマスクの残膜量が多いことがわかる。
【００７５】
≪第３の実施形態≫
本発明は、前述の通り、先ず、プラズマエッチング方法の第１の工程として、付着性が高いラジカルを使用してマスク選択比を稼ぐ。続いて第２の工程として、付着性が低いラジカルを使用して、ネッキングを抑制する。この時、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させ、さらに、プラズマのオン・オフに同期してプラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように負の直流電圧を印加し、マスク残膜の低下を効果的に防ぐ。
【００７６】
この時の第２の工程において、アルゴンガス流量が高いこと及び高周波電源のパルスの間隔を短くすることの効果を確認した実験について、表１を用いて説明する。
【００７７】
表１に、各エッチング条件におけるマスク選択比を示す。なお、表１における、ＤＣシンクロパルスとは、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させ、プラズマのオン・オフに同期して、プラズマオンの期間よりもプラズマオフの期間のほうが印加電圧の絶対値が大きくなるように、上部電極に負の直流電圧を印加した場合のエッチングのことを指す。また、シンクロパルスとは、第１の直流電源からの直流電圧を一定にし、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させた場合のエッチングのことを指す。
【００７８】
【表１】
通常、プラズマ発生のための高周波電源の出力を増大させると、エッチングレートを上昇させることができるが、マスク選択比は低下する。しかしながら、表１においてＤＣシンクロパルスを使用することで、マスク選択比の低下幅が抑制できていることがわかる。これは、ＤＣシンクロパルスを使用することにより、２次電子が大量に供給され、エッチングマスクが改質・強化されたことに起因する。
【００７９】
また、表１では、アルゴンガス流量を高くすることでも、マスク選択比が高くなることがわかる。これは、アルゴンガス流量を高くすることにより、上部電極（近傍）で発生する２次電子の量が増大したことに起因する。
【００８０】
さらに、表１では、高周波電源のパルスの間隔を短くすることでも、マスク選択比が高くなることがわかる。これは、グロープラズマが消失した状態での、２次電子の打ち込み回数が増えたことにより、２次電子のコンタクトホール内への供給量が増えたことに起因する。
【００８１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、本発明を実施する装置は、上に例示したものに限らず、例えば高周波電源を下部電極にプラズマ生成用のもの一つ設けたものであってもよい。また、上記実施形態では、プラズマエッチングの際に第１の直流電圧を印加したが、必須ではない。さらに、プラズマオンとプラズマオフの期間をパルス状に交互に形成させる方法は、上述の第１の工程及び第３の工程においても適用できる。
【符号の説明】
【００８２】
１ Ｓｉ基板
２ 絶縁膜
３ エッチングマスク
４ ホール
５ 保護膜
１０ チャンバ（処理容器）
１６ サセプタ（下部電極）
３４ 上部電極
４６ 第１の整合器
４８ 第１の高周波電源
５０ 第１の直流電源
６６ 処理ガス供給源
８４ 排気装置
８８ 第２の整合器
９０ 第２の高周波電源
９５ 電源コントローラ
１００ 制御部
１０２ 記憶部
Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体の戴置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向して配置される上部電極を有するプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
フルオロカーボン系ガスを含む第１の処理ガスを用いてプラズマエッチングする第１のエッチング工程と、
プラズマ生成用の高周波電力をオンにする第１条件とオフにする第２条件とを交互に繰り返しながら、前記第１条件の期間よりも前記第２条件の期間の方が印加電圧の絶対値が大きくなるように、前記上部電極に負の直流電圧を印加して、フルオロカーボン系ガスを含む第２の処理ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程であって、前記第１の処理ガスのラジカルの被処理体に対する付着性は、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、第２のエッチング工程と
を含む、プラズマエッチング方法。
【請求項２】
前記第１エッチング工程と前記第２エッチング工程との間に、フルオロカーボン系ガスを含む第３の処理ガスを用いてプラズマエッチングする工程を更に含み、
前記第３の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性は、前記第１の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より小さく、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、
請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項３】
前記第２条件の期間の間隔を段階的に減少させながらプラズマエッチングする、請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記第１の処理ガスに含まれるフルオロカーボン系ガスはＣ４Ｆ６であり、前記第２の処理ガスに含まれるフルオロカーボン系ガスはＣ４Ｆ８である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項５】
Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層をマスクとして、酸化シリコン膜をエッチングする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項１】
被処理体の戴置台として機能する下部電極と、前記下部電極に対向して配置される上部電極を有するプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
フルオロカーボン系ガスを含む第１の処理ガスを用いてプラズマエッチングする第１のエッチング工程と、
プラズマ生成用の高周波電力をオンにする第１条件とオフにする第２条件とを交互に繰り返しながら、前記第１条件の期間よりも前記第２条件の期間の方が印加電圧の絶対値が大きくなるように、前記上部電極に負の直流電圧を印加して、フルオロカーボン系ガスを含む第２の処理ガスを用いてプラズマエッチングするエッチング工程であって、前記第１の処理ガスのラジカルの被処理体に対する付着性は、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、第２のエッチング工程と
を含む、プラズマエッチング方法。
【請求項２】
前記第１エッチング工程と前記第２エッチング工程との間に、フルオロカーボン系ガスを含む第３の処理ガスを用いてプラズマエッチングする工程を更に含み、
前記第３の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性は、前記第１の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より小さく、前記第２の処理ガスのラジカルの前記被処理体に対する付着性より大きい、
請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項３】
前記第２条件の期間の間隔を段階的に減少させながらプラズマエッチングする、請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
前記第１の処理ガスに含まれるフルオロカーボン系ガスはＣ４Ｆ６であり、前記第２の処理ガスに含まれるフルオロカーボン系ガスはＣ４Ｆ８である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項５】
Ｐｏｌｙ−Ｓｉ層をマスクとして、酸化シリコン膜をエッチングする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
【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２０１３−３３８５６（Ｐ２０１３−３３８５６Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９２９６（Ｐ２０１１−１６９２９６）
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【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２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２日（２０１１．８．２）
【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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