半導体装置の製造方法
【課題】穴部の側壁を基板の表面に対して垂直に形成するとともに、高速にシリコン層をエッチングするプラズマエッチング方法を提供する。
【解決手段】レジスト層をマスクとしてシリコン層をプラズマエッチングする方法であって、前記プラズマエッチング工程が、所定の比率で混合した堆積性ガスおよびエッチング性ガスの混合ガスを処理容器内に導入し、該混合ガス雰囲気で前記被処理基板をプラズマエッチングする第１のエッチングステップと、前記処理容器内に前記堆積性ガスを導入し、前記第１のエッチングステップによりプラズマエッチングされた被処理基板を該堆積性ガスが主体の雰囲気で堆積処理する堆積ステップ、および、前記処理容器内に前記エッチング性ガスを導入し、前記堆積ステップにより堆積処理された被処理基板を該エッチング性ガスが主体の雰囲気でプラズマエッチングする第２のエッチングステップを、複数回繰り返す。
【解決手段】レジスト層をマスクとしてシリコン層をプラズマエッチングする方法であって、前記プラズマエッチング工程が、所定の比率で混合した堆積性ガスおよびエッチング性ガスの混合ガスを処理容器内に導入し、該混合ガス雰囲気で前記被処理基板をプラズマエッチングする第１のエッチングステップと、前記処理容器内に前記堆積性ガスを導入し、前記第１のエッチングステップによりプラズマエッチングされた被処理基板を該堆積性ガスが主体の雰囲気で堆積処理する堆積ステップ、および、前記処理容器内に前記エッチング性ガスを導入し、前記堆積ステップにより堆積処理された被処理基板を該エッチング性ガスが主体の雰囲気でプラズマエッチングする第２のエッチングステップを、複数回繰り返す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマによりエッチングを行うプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造分野では、半導体装置の微細化により集積度を上げる試みが多く行われてきた。また、近年では三次元実装と呼ばれる半導体装置の積層によって単位面積あたりの集積度を上げる試みが盛んに行われている。
【０００３】
積層された半導体装置は、例えばシリコン層からなる基板を貫通して形成された電極を具備しており、この電極を介して電気的に接続されるようになっている。このような基板を貫通する電極を形成するには、塗布装置を用いて基板にレジストを塗布し、露光装置を用いて露光を行った後、現像装置により現像を行ってレジスト膜からなるレジストパターンを形成する。そして、形成したレジストパターンをマスクとして、例えばプラズマエッチング装置を用いて基板をエッチングすることで、貫通孔またはビアホールなどの穴部を形成する。
【０００４】
最近では、１００μｍ以上の深さ寸法を有する穴部を形成することが要求されており、プラズマエッチングを長時間にわたって行うことが求められている。また、最近の半導体装置には更なる微細化が要求されているため、１０〜２０μｍ程度の比較的小さい直径寸法を有する穴部を形成することが求められている。しかし、半導体装置の微細化に伴い、形状精度を確保するためにはレジスト膜の厚さを薄くしなくてはならない。一方、レジスト膜のエッチング速度に対するシリコン層のエッチング速度、すなわち選択比はあまり高くない。そのため、プラズマエッチングを長時間行うと、マスクが除去されてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、小さな内径寸法と大きな深さ寸法を有し、内径寸法に対する深さ寸法の比であるアスペクト比が大きな穴部を形成する場合には、マスクとして、レジスト膜に代え、シリコン酸化膜を用いることがある（例えば、特許文献１参照。）。シリコン酸化膜は、シリコン層に対してレジスト膜よりも高い選択比を有するため、プラズマエッチングを長時間行っても、マスクが除去されることを防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−９７４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レジストパターンの上面及び側壁に保護膜を形成するステップと、その後、シリコン層をプラズマエッチングするステップとを含む従来のエッチングプロセスでは、保護膜がプラズマに対して長時間曝露されても耐えうるように、形成する保護膜を厚くせざるを得ない。そうすると、保護膜を形成するステップに要する時間が増加するため、プラズマエッチング全体に要する時間も増加する。従って、高速にシリコン層をエッチングすることができず、半導体装置の生産性が低下してしまう。
【０００８】
また、形成される穴部の直径寸法の小径化に伴って、穴部の直径寸法に対する穴部の側壁に形成された保護膜の厚さ寸法の割合が大きくなる。そのため、穴部の深さ方向に沿った保護膜の厚さ寸法のばらつきなどにより垂直な側壁形状を得ることが難しくなる。さらに、形成される穴部の直径寸法の小径化に伴って、保護膜を堆積させるためのエッチングガスが穴部の側壁に到達しにくくなり、保護膜の形成が難しくなる。その結果、アンダーカットの発生を抑制することができず、穴部の側壁を基板の表面に対して垂直に形成することが困難となる。
【０００９】
本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、レジストパターンが形成された基板の表面をエッチングして穴部を形成する場合に、穴部の側壁を基板の表面に対して垂直に形成するとともに、高速にシリコン層をエッチングすることのできるプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この半導体装置の製造方法は、シリコン層の主面に所定のパターンにパターニングされたレジスト層が形成されてなる被処理基板を処理容器内に保持し、前記レジスト層をマスクとして前記シリコン層をプラズマエッチングするプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記プラズマエッチング工程が、所定の比率で混合した堆積性ガスおよびエッチング性ガスの混合ガスを前記処理容器内に導入し、該混合ガス雰囲気で前記被処理基板をプラズマエッチングする第１のエッチングステップと、前記処理容器内に前記堆積性ガスを導入し、前記第１のエッチングステップによりプラズマエッチングされた被処理基板を該堆積性ガスが主体の雰囲気で堆積処理する堆積ステップ、および、前記処理容器内に前記エッチング性ガスを導入し、前記堆積ステップにより堆積処理された被処理基板を該エッチング性ガスが主体の雰囲気でプラズマエッチングする第２のエッチングステップを、複数回繰り返すステップと、を有している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、穴部の側壁を基板の表面に対して垂直に形成するとともに、高速にシリコン層をエッチングすることのできるプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ダイナミックプロセスについて説明するプラズマ発光強度を示す図である。
【図２】通常プロセスとダイナミックプロセスのエッチングレート比を示す図である。
【図３】実施形態のプロセスにおけるガス組成の例を示す図である。
【図４】スキャロップの発生原理を説明する図である。
【図５】アスペクト比の高いビアを形成した場合のビアの様子を示す図である。
【図６】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図７】実施形態の製造方法を実現する製造装置の構成を示す図である。
【図８】ダイポールリング磁石２４の水平断面を示す図である。
【図９】電界ＥＬと水平磁界Ｂの関係を示す図である。
【図１０】実施形態の製造装置におけるガス調整部の構成を示す図である。
【図１１】実施形態の製造方法のプロセスを示すフローチャートである。
【図１２Ａ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１２Ｂ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１２Ｃ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１２Ｄ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１３】実施形態の製造方法により形成したビアの具体例を示す図である。
【図１４】ビアの比較例を示す図である。
【図１５】プラズマエッチングにより得られたビア形状を示す図である。
【図１６】プラズマエッチングによりビアを形成した場合のエッチングレートを示す図である。
【図１７Ａ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｂ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｃ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｄ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｅ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｆ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（プラズマエッチングによるビア形成）
プラズマエッチングにより高アスペクト比のビアを形成する場合に、例えば、ＳＦ６ガスを用いてシリコン層をエッチングすることを考えると、反応式（１）に示すように、フッ素ラジカルとＳｉとが反応してＳｉＦ４（四フッ化シリコン）が生成される。
４Ｆ＊ ＋ Ｓｉ → ＳｉＦ４ ……（１）
【００１４】
ビア内で生成されたＳｉＦ４はビアの外へと排出される。しかし、シリコンのエッチング速度が数十μｍ／分程度の高さになると、ＳｉＦ４の生成量が多くなり、ビア内に新たに供給されるフッ素ラジカルの量とビアから排出される反応生成物（ＳｉＦ４）の量とが略同じオーダーとなってしまう。そのため、ビア内におけるＳｉＦ４の分圧が高くなり、フッ素ラジカルの分圧が抑えられるため、エッチング速度（エッチングレート）を高めることが難しくなる。すなわち、形成するビアが深くなればなるほど、エッチングレートが頭打ちとなってしまう。
【００１５】
これに対し、フッ素ラジカルの反応の割合を高めたエッチング条件を採用すると、エッチング反応が等方的なため、開口したビア上部でボウイング（BOWING）形状とよばれる形状異常が顕著となってしまう。すなわち、フッ素ラジカルの反応を高めるだけでは、高アスペクト比のビアを高いエッチングレートで実現することが難しい。そこで、実施形態のプラズマエッチング方法では、高いエッチングレートと整ったビア形状を維持するため、通常のプラズマエッチングプロセスに加えて、二つ以上のステップを複数サイクル行うダイナミックプロセスを採用する。
【００１６】
（ダイナミックプロセス）
ダイナミックプロセスは、比較的短時間の堆積ステップ（デポステップ）およびエッチングステップ（エッチングステップ）を複数回繰り返すプロセスであり、それぞれの工程の間にプラズマ化の過渡状態を意図的に形成させてもよい。すなわち、デポステップとエッチングステップとを連続的に少なくとも３回以上繰り返すものであり、ステップ間でプラズマを消さないことが望ましい。
【００１７】
図１は、ダイナミックプロセスによるプラズマ発光強度の一例を示している。図１に示す例は、プラズマの発生条件を、
圧力：４．７Ｐａ（３５ｍTorr）
高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００／４０００Ｗ
処理ガス（第１工程（１０秒））：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝６０／６５／２００ｓｃｃｍ
処理ガス（第２工程（１０秒））：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝８０／６５／２００ｓｃｃｍ
としたものであり、波長２５０−２７０：ＣＦの発光強度を示している。図１に示すダイナミックプロセスの例では、堆積が優勢な第１工程とエッチングが優勢な第２工程とを概ね１０秒間隔で繰り返している。また図１に示すように、ダイナミックプロセスでは、第１工程と第２工程の遷移点とプラズマ発光強度の変化点とを意図的にずらすようにして、第１工程から第２工程へと移ってもしばらく第１工程のプラズマ発光強度が維持されるとともに、第２工程から第１工程へと移ってもしばらく第２工程のプラズマ発光強度が維持されるようにプラズマ発生条件が制御される。すなわち、プラズマの過渡状態を意図的に形成している。このとき、第１工程および第２工程の処理時間はそれぞれ１秒〜１５秒程度としてこれを複数回繰り返すことが望ましい。なお、第１工程における処理ガスの総流量と第２工程における処理ガスの総流量とは同一または概ね同程度が望ましい。
【００１８】
図２は、プラズマエッチングのみ（エッチング工程のみ）によりビアを形成した場合のエッチングレート比率（伸び率）と、図１に示すようなダイナミックプロセスによりビアを形成した場合のエッチングレート比率とを比較した図である。図２に示すように、ビアの深さが２０ｕｍから４０ｕｍへと深くなると、エッチング工程のみの場合、エッチングレートが６割以下にまで落ち込んでしまうことがわかる。一方、ダイナミックプロセスによる場合では、エッチング工程のみの場合と比べて２０％程度良好なエッチングレートを維持することができることがわかる。
【００１９】
このように、ダイナミックプロセスでは、プラズマエッチングのみのプロセスと比較して、良好なエッチングレートを維持しつつ、高選択比で良好な形状のパターンを形成することができる。
【００２０】
（ダイナミックプロセスの限界）
図３は、プラズマエッチングのみのプロセス（以下「Ｎｏｎ−ＤＹＰ」とも称する。）に用いるガス種の例と、ダイナミックプロセス（以下「ＤＹＰ」とも称する。）に用いるガス種の例とを比較して示している。図３に示すように、プラズマエッチングのみのプロセスでは、ＳｉＦｘラジカルを生成し酸素と反応させてＳｉＯｘ系保護膜を形成するデポ性ガス（ＳｉＦ４とＯ２）と、前述の反応式（１）に示すフッ素ラジカルを供給するエッチング性（ＳＦ６）とが混合されている。一方、ダイナミックプロセスでは、デポステップにおいてはデポ性ガスを主体としたガスを供給し、エッチングステップにおいてはエッチング性ガスを主体としたガスを供給する。ダイナミックプロセスのエッチングステップにおいて酸素を供給しているのは、ビアの入口を保護するためである。
【００２１】
図４に示すように、プラズマエッチングのみのプロセスとダイナミックプロセスの場合とを比較すると、ダイナミックプロセスでは、堆積成分が強いデポステップと、エッチング成分がプラズマエッチングのみのプロセスよりも強いエッチングステップとが比較的短いサイクルで繰り返されるから、ビアの側壁に縞状の凹凸（スキャロップ）が形成されやすいことがわかる。ここで、図４に示すように、等方的に進むエッチャントラジカルがビア内に進入した場合を考えると、ダイナミックプロセスでは、プラズマエッチングのみのプロセスと比較して、エッチャントラジカルがビアの側壁に形成されたスキャロップに捉えられ（トラップされ）、スキャロップがより成長してボウイング形状が形成されやすい。そのため、ダイナミックプロセスにより高アスペクト比のビアを形成する場合、図５に示すようにスキャロップやボウイングが形成されやすい傾向にあり、ビアの形状を悪化させる原因となる。
【００２２】
そこで、実施形態のプラズマエッチング方法では、図６に示すように、ビアの深さが浅くダイナミックプロセスにおいてボウイングしやすい段階ではプラズマエッチングのみのプロセスを行い、それよりもビアの深さが深い段階ではダイナミックプロセスを行う。これにより、デポ膜生成によるビア側壁荒れを無くす効果、マスクデポによる選択比を向上させる効果が期待できる。
【００２３】
（実施形態に係るプラズマエッチング装置）
図７は、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実現するプラズマエッチング装置１００の構成を模式的に示すものである。プラズマエッチング装置１００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、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成されている。
【００２４】
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。載置台２は、例えば表面を陽極酸化処理された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、導体の支持台４に支持されており、絶縁板３を介してボールネジ７を含む昇降機構（図示せず）により昇降可能に構成されている。ボールネジ７を含む昇降機構は、処理チャンバー１に配設されている。昇降機構は、ステンレス鋼よりなるベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。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。
【００２５】
載置台２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２ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２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。
【００２６】
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、クーロン力等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。
【００２７】
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。
【００２８】
シャワーヘッド１６は、処理チャンバー１の天井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。
【００２９】
本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃが設けられ、このガス拡散室１６ｃ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１６ｄが形成されている。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１６ｅが、上記したガス通流孔１６ｄ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に供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内の処理空間１ｂ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。
【００３０】
本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃへ処理ガスを導入するためのガス導入口１６ｇが形成されている。このガス導入口１６ｇにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、ガス導入口１６ｇへ送られるガスの種類や混合比を調節するガス調整部１５ｂを介して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。ガス調整部１５ｂには、ガス供給配管１５ａに加えて、ガス供給配管１５ａを介してガス拡散室１６ｃ内のガスを廃棄する排気装置１５ｃや、処理空間１ｂに直接追加ガスを供給可能な追加ガス供給配管１５ｇなども接続されている。
【００３１】
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。
【００３２】
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、その上部に天板を有している。
【００３３】
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、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。
【００３４】
載置台２の処理時における上下方向の位置に対応する処理チャンバー１の周囲には、環状または同心状に延在するダイポールリング磁石２４が配置されている。ダイポールリング磁石２４は、図８の横断面図に示すように、リング状の磁性体からなるケーシング２６内に、複数個、例えば１６個の異方性セグメント柱状磁石２５を周方向に一定間隔で配列してなる。図８において、各異方性セグメント柱状磁石２５の中に示す矢印は磁化の方向を示している。図８に示すように、各異方性セグメント柱状磁石２５の磁化の方向を、ケーシング２６の周方向に沿って少しずつずらすことで、全体として一方向に向かう一様な水平磁界Ｂを形成することができる。
【００３５】
従って、載置台２とシャワーヘッド１６との間の空間には、図９に模式的に示すように、第１の高周波電源１０ａにより鉛直方向のＲＦ電界ＥＬが形成されるとともに、ダイポールリング磁石２４により水平磁界Ｂが形成される。これらの直交電磁界を用いるマグネトロン放電により、載置台２の表面近傍に高密度のプラズマを生成することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
ここで、図１０を参照して、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂについて詳細に説明する。図１０に示すように、処理ガス供給源１５は、堆積工程に用いるデポ性ガス（デポジションガス）を供給するデポジションガス源１５ｄと、エッチング工程に用いるエッチングガス源１５ｅと、追加ガスを供給する追加ガス源１５ｆとを有している。デポジションガス源１５ｄは、例えば図３に示すデポ性のガスとしてＳｉＦ４やＯ２などのガスを供給する。エッチングガス源１５ｅは、例えば図３に示すエッチング性のガスとしてＳＦ６やＨＢｒなどのガスを供給する。デポジションガス源１５ｄ、エッチングガス源１５ｅおよび追加ガス源１５ｆが供給するそれぞれのガス種の混合比や供給量は、プロセスコントローラ６１からの制御指示により決定される。すなわち、図３に示す例では、プラズマエッチングのみのプロセスではデポジションガス源１５ｄおよびエッチングガス源１５ｅがＳＦ６、Ｏ２、ＳｉＦ４およびＨＢｒなどのガスを所定の流量で供給する。同様に、ダイナミックプロセスのデポステップでは、デポジションガス源１５ｄがＳｉＦ４およびＯ２などのガスを所定の流量で供給し、同じくエッチングステップでは、デポジションガス源１５ｄおよびエッチングガス源１５ｅがＳＦ６、ＨＢｒおよびＯ２などのガスを所定の流量で供給する。
【００４０】
ガス調整部１５ｂは、プラズマエッチングのみのプロセスやダイナミックプロセスでの処理ガスの供給タイミングを制御する。ガス調整部１５ｂが処理ガスの供給流量や混合比を制御してもよい。ガス調整部１５ｂは、デポジションガス源１５ｄの供給管に接続されたデポジション供給バルブＶｄｓ、エッチングガス源１５ｅの供給管に接続されたエッチングガス供給バルブＶｅｓを備えており、デポジション供給バルブＶｄｓおよびエッチングガス供給バルブＶｅｓの出力は、ガス拡散室１６ｃに接続されたガス供給配管１５ａに接続されている。また、ガス調整部１５ｂは、デポジションガス源１５ｄの供給管に接続されたデポジション排気バルブＶｄｖ、エッチングガス源１５ｅの供給管に接続されたエッチングガス排気バルブＶｅｖを備えており、デポジション排気バルブＶｄｓおよびエッチングガス排気バルブＶｅｖの出力は、排気装置１５ｃに接続されている。さらに、ガス供給配管１５ａには、ガス拡散室１６ｃ内のガスを排気する拡散室排気バルブＶｖａｃが接続されており、拡散室排気バルブＶｖａｃの出力は、排気装置１５ｃに接続されている。追加ガス源１５ｆには、追加ガスバルブＶａｄｄが接続されており、追加ガスバルブＶａｄｄの出力は、追加ガス供給配管１５ｇに接続されている。
【００４１】
ガス調整部１５ｂに備えられたそれぞれのバルブは、プロセスコントローラ６１からの制御指示により開閉制御される。すなわち、プロセスコントローラ６１は、ガス調整部１５ｂが有する各々のバルブを制御して、デポガス・エッチングガスのガス拡散室１６ｃへの供給量およびガス拡散室１６ｃからの排気量を制御するとともに、処理空間１ｂへの追加ガスの供給量および排気量を制御することで、プラズマエッチングのみのプロセス、ダイナミックプロセスのデポステップ、およびダイナミックプロセスのエッチングステップそれぞれの動作状態を実現する。ガス調整部１５ｂが流量や混合比などを制御したデポガスやエッチングガスは、ガス供給配管１５ａを介してガス拡散室１６ｃに供給され、このガス拡散室１６ｃから、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内の処理空間１ｂにシャワー状に分散されて供給される。
【００４２】
（プラズマエッチング装置の動作）
このように構成されたプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷをプラズマエッチングする手順の概略について説明する。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。図示しない昇降機構により、載置台２は処理の所定位置に上昇する。
【００４３】
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（デポ性ガスやエッチング性ガス）が導入される。処理チャンバー１内が所定の圧力に達したところで処理チャンバー１内の圧力が保持され、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に周波数が例えば２．０ＭＨｚ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吸着される。ダイポールリング磁石２４は、水平磁界Ｂを発生する。
【００４４】
この場合に、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。半導体ウエハＷが存在する処理空間１ｂに放電が生じ、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がエッチング処理される。この時、必要に応じてオン・オフスイッチ５３がオンとされ、可変直流電源５２から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。
【００４５】
実施形態に係るプラズマエッチング方法は、デポ性ガスおよびエッチング性ガスを混合し所定時間プラズマエッチング処理する工程と、デポ性ガスを供給したデポステップおよびエッチング性ガスを供給したエッチングステップを比較的短いサイクルで複数回繰り返す工程とからなる。
【００４６】
全ての処理が終了すると、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。
【００４７】
次に、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法について詳細に説明する。
【００４８】
（第１の実施形態のプラズマエッチング方法）
図１１は、実施形態のプラズマエッチング方法を説明するフローチャート、図１２Ａ〜１２Ｄは、実施形態に係るプラズマエッチング方法の各工程におけるウエハの状態を模式的に示す断面図である。図１２Ａ〜１２Ｄでは、ウエハＷ上における一つの開口部１５４ａの付近の領域を拡大して示している。図１１に示すように、実施形態のプラズマエッチング方法では、プラズマエッチングのみのプロセス（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程）と、ダイナミックプロセス（ＤＹＰ工程）とを有している。
【００４９】
まず、プラズマエッチング方法が適用されるウエハＷの構成の一例について説明する。図１２Ａに示すように、ウエハＷは、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）層よりなる基体１５１上に、第１のハードマスク膜１５２、第２のハードマスク膜１５３及びマスク膜１５４が、下側からこの順番で積層されている。第１のハードマスク膜１５２として、例えば厚さ寸法ｔ１を有する窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を用いることができ、厚さ寸法ｔ１を例えば０．５μｍとすることができる。第２のハードマスク膜１５３として、例えば厚さ寸法ｔ２を有する酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜を用いることができ、厚さ寸法ｔ２を例えば０．５μｍとすることができる。マスク膜１５４として、例えば厚さ寸法ｔ３を有するレジスト層とすることができ、厚さ寸法ｔ３を例えば２．５μｍとすることができる。また、マスク膜１５４には、予めフォトリソグラフィ工程を行うことで、開口径（直径寸法）Ｄ１が例えば８μｍの円形の開口部１５４ａが、複数箇所にパターニングされている。
【００５０】
なお、第１のハードマスク膜１５２及び第２のハードマスク膜１５３は、第１のハードマスク膜１５２が酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜であり、第２のハードマスク膜１５３が窒化シリコン（ＳｉＮ）膜であってもよい。このようなウエハＷを、処理チャンバー１内に搬入して、載置台２の上に載置する。
【００５１】
プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御して、ＳＦ６、Ｏ２、ＳｉＦ４およびＨＢｒのガスを、例えば図３の「Ｎｏｎ−ＤＹＰ」に示す流量で処理チャンバー１に所定時間供給し、シリコン層をエッチングする（ステップＳ８１。以下「Ｓ８１」のように称する。）。なお、ステップ８１は、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程に相当する。具体的には、排気装置７３により処理チャンバー１内を排気した状態で、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂにより処理ガス（混合ガス）を所定の流量で処理空間１ｂに導入し、処理チャンバー１内の圧力を設定値にする。また、直流電源１２によりウエハＷを載置台２に静電引力により固定することによって支持した状態で、第１の高周波電源１０ａにより第１の高周波電力を載置台２に供給する。すると、シャワーヘッド１６より吐出されたエッチングガスはマグネトロン放電によりプラズマ化され、プラズマ化したプラズマはウエハＷに照射される。
【００５２】
そして、プラズマをウエハＷに照射することで、図１２Ｂに示すように、マスク膜１５４の各々の開口部１５４ａにおいて、下層側である第２のハードマスク膜１５３及び第１のハードマスク膜１５２にそれぞれ開口部１５３ａ、１５２ａが形成され、基体１５１に穴部１５１ａが形成される。
【００５３】
なお、プラズマによってマスク膜１５４もエッチングされるが、マスク膜１５４のエッチング速度に対する第２のハードマスク膜１５３、第１のハードマスク膜１５２及びシリコン層１５１のエッチング速度の比である選択比がかなり大きい。そのため、図１２Ｂでは、マスク膜１５４の膜厚の変化の図示を省略している（図１２Ｃにおいても同様。）。エッチングガスがプラズマ化して生成したフッ素ラジカルＦ＊が穴部１５１ａに到達すると、前述の反応式（１）により、ＳｉＦ４が生成される。そして、生成されたＳｉＦ４が穴部１５１ａの外へ排出されることにより、シリコン層１５１がエッチングされる。
【００５４】
一方、エッチングガスがプラズマ化する際には酸素ラジカルＯ＊が生成される。上記反応式（１）により生成したＳｉＦ４が何れかのプラズマと反応することによって、または、フッ素ラジカルＦ＊とＳｉとが反応することによって、フッ化シリコンのラジカルＳｉＦｘ＊が生成される。そして、一例として下記反応式（２）
Ｏ＊＋ＳｉＦｘ＊→ＳｉＯＦｘ （２）
に示すように、酸素ラジカルＯ＊がフッ化シリコンのラジカルＳｉＦｘ＊と反応することによって、ＳｉＯ系の保護膜１５５（例えばＳｉＯＦｘ）が穴部１５１ａの側壁に堆積する。
【００５５】
図１２Ｂに示すように、保護膜１５５は、マスク膜１５４の上面、マスク膜１５４の開口部１５４ａの側壁、第２のハードマスク膜１５３の開口部１５３ａの側壁、第１のハードマスク膜１５２の開口部１５２ａの側壁、及びシリコン層１５１の穴部１５１ａの側壁１５１ｂ（図１２Ｃ参照。）に堆積する。一方、シリコン層１５１の穴部１５１ａの底面１５１ｃは、ウエハＷ表面から最も遠いため、マスク膜１５４の上面からシリコン層１５１の穴部１５１ａの側壁１５１ｂにかけての部分と比較して、保護膜１５５の堆積速度が小さい。従って、穴部１５１ａを深さ方向にエッチングするエッチング速度が穴部１５１ａを横方向にエッチングするエッチング速度に対して大きくなる異方性エッチングを行うことができ、穴部１５１ａの側壁１５１ｂをウエハＷ表面に対して垂直にすることができる。
【００５６】
所定時間が経過すると、プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御して、Ｏ２およびＳｉＦ４のガスを、例えば図３のＤＹＰ・デポステップに示す流量で処理チャンバー１に所定時間供給し、ウエハＷに対して堆積処理する（Ｓ８２）。ステップ８２は、ＤＹＰ工程の一要素である。具体的には、ガス調整部１５ｂは、処理チャンバー１内を排気するとともに、図３のデポステップに示すような流量でＯ２およびＳｉＦ４のガスを処理空間１ｂに導入し、処理チャンバー１内の圧力を設定値にする。このとき、処理チャンバー１内の圧力を一定に保ちつつ供給する処理ガスを変更することで、プラズマ発光状態を維持させてもよい。シャワーヘッド１６より吐出されたデポ性ガスはマグネトロン放電によりプラズマ化され、プラズマ化したプラズマはウエハＷに照射される。このとき、堆積工程を維持する時間は、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程）の処理時間よりも短くする。
【００５７】
堆積工程の処理時間が経過すると、プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御して、ＳＦ６、Ｏ２およびＨＢｒのガスを、例えば図３のＤＹＰ・エッチングステップに示す流量で処理チャンバー１に所定時間供給し、ウエハＷのシリコン層１５１をエッチングする（Ｓ８３）。ステップ８３は、ＤＹＰ工程の一要素である。具体的には、ガス調整部１５ｂは、処理チャンバー１内を排気するとともに、図３のエッチングステップに示すような流量でＳＦ６、Ｏ２およびＨＢｒのガスを処理空間１ｂに導入し、処理チャンバー１内の圧力を設定値にする。このとき、処理チャンバー１内の圧力を一定に保ちつつ供給する処理ガスを変更し、プラズマの遷移状態が維持されるように制御する。シャワーヘッド１６より吐出されたエッチング性ガスはマグネトロン放電によりプラズマ化され、プラズマ化したプラズマはウエハＷに照射される。このとき、第２のエッチング工程を維持する時間は、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程）の処理時間よりも短くする。
【００５８】
第２のエッチング工程の処理時間が経過すると、プロセスコントローラ６１は、ＤＹＰ工程（堆積工程Ｓ８２および第２のエッチング工程Ｓ８３）が所定回数繰り返されたか判定する（Ｓ８４）。ステップ８２の堆積工程とステップ８３の第２のエッチング工程とが所定回数繰り返されていない場合（Ｓ８４のＮｏ）、プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御してステップ８２および８３を繰り返す（Ｓ８２・Ｓ８３）。
【００５９】
ステップ８２の堆積工程とステップ８３の第２のエッチング工程とが所定回数繰り返された場合（Ｓ８４のＹｅｓ）、プロセスコントローラ６１は処理を終了する。図１２Ｃは、ステップ８１の処理と、複数回のステップ８２および８３の各処理とを行ったウエハＷの断面を示している。ステップ８１および複数回のステップ８２・８３を行うことによって、シリコン層１５１のエッチングが終了し、図１２Ｃに示すように、穴部１５１ａが形成される。
【００６０】
次いで、マスク膜１５４を、例えばＯ２ガスを含むエッチングガスをプラズマ化したプラズマによりアッシングし、マスク膜１５４がアッシングされたウエハＷの表面の洗浄を行う。続いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、電解めっきまたは無電解めっき等により、穴部１５１ａ内に例えば銅（Ｃｕ）などの配線金属１５６を埋め込む。次いで、図１２Ｄに示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）加工により、ウエハＷの表面に形成された余剰な配線金属１５６を除去する。第２のハードマスク膜１５３または第１のハードマスク１５２が窒化シリコン膜よりなるときは、窒化シリコン膜をＣＭＰのストッパ膜として作用させ、窒化シリコン膜の上端位置においてＣＭＰ加工の終点検出を行ってもよい。
【００６１】
実施例として、図７に示したプラズマエッチング装置を使用し、以下に示す条件でシリコンウエハのプラズマエッチングを実施した。
Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程Ｓ８１）：
（１）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／７５Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝９０／１１０／８００／１００［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
（２）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（３）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２９００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（４）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：３０００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：１分。
ＤＹＰ工程（堆積工程Ｓ８２）：
（５）圧力：３００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝０／３５０／３００／０／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：６秒；
ＤＹＰ工程（第２のエッチング工程Ｓ８３）：
（６）圧力：１００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝５７０／１８０／０／５０／０［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
ＤＹＰ工程（Ｓ８２およびＳ８３）の繰り返し回数：５２回。
【００６２】
実施例１によるビア形成結果を図１３に示す。図１３に示す２つの電子顕微鏡写真のうち、左側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程のみによるビア形成結果の断面を示し、右側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程およびＤＹＰ工程全てを経たビア形成結果の断面を示している。図１１に示すように、深さ１１６．０［ｕｍ］、テーパー角８８．９度の良好なビアを形成することができた。
【００６３】
一方、比較例として、図７に示したプラズマエッチング装置を使用し、以下に示す条件でシリコンウエハのプラズマエッチングを実施した。
Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程Ｓ８１）：
（１）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／７５Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝９０／１１０／８００／１００［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
（２）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（３）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２９００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（４）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：３０００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分。
ＤＹＰ工程（堆積工程Ｓ８２）
（５）圧力：３００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝０／３５０／３００／０／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：６秒；
ＤＹＰ工程（第２のエッチング工程Ｓ８３）
（６）圧力：１００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝５７０／１８０／０／５０／０［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
ＤＹＰ工程（Ｓ８２およびＳ８３）の繰り返し回数：５２回。
【００６４】
すなわち、比較例は、第１のエッチング工程Ｓ８１の維持時間を図１３に示す実施例のそれよりも長くしたものである。比較例によるビア形成結果を図１４に示す。図１４に示す２つの電子顕微鏡写真のうち、左側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程のみによるビア形成結果の断面を示し、右側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程およびＤＹＰ工程全てを経たビア形成結果の断面を示している。図１２に示すように、比較例では最終的なビアの深さが浅く、かつビア壁面に荒れが生じてボウイングが発生してしまっている。比較例では、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程の処理時間が長いため当該工程のみにより形成された時点のビアは実施例のそれよりも深く、ビア底部の径が小さくなっている（実施例：７．７［ｕｍ］、比較例：５．１［ｕｍ］）。そのため、ＤＹＰ工程のエッチングステップにおいてエッチング性ガスがビア底部にまで十分届かず、ビアの深さが浅くなってしまったと考えられる。また、ＤＹＰ工程のエッチングステップにおいてエッチング性ガスがビア底部まで行き渡らなかった結果、ＤＹＰ工程のデポステップにおいてデポ性ガスがビア内に十分導入されず、ビア壁面が荒れてしまったと考えられる。
【００６５】
この結果を踏まえると、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程は、ビア底部の径が小さくなりすぎない段階でＤＹＰ工程へと移行した方が良好であることがわかる。この例では、ビア底部の径が５．１［ｕｍ］以下となる前にＮｏｎ−ＤＹＰ工程からＤＹＰ工程へ移行することが望ましい。
【００６６】
（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程とＤＹＰ工程との切替タイミング）
図１３および１４に示すように、実施形態の方法では、プラズマエッチングのみのＮｏｎ−ＤＹＰ工程において形成されたビア底部の径が小さいと、続くＤＹＰ工程が円滑に進まないことがわかる。すなわち、ＤＹＰ工程においてデポ性ガスやエッチング性ガスをビア底部まで十分に行き渡らせることが望ましい。そこで、プラズマエッチングにおける処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａの出力電力とを変化させて得られたビア形状を調べた。図１５は、処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａのプラズマ発生電力の条件を変えてプラズマエッチング（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程）により得られたビア形状を示す図である。
【００６７】
図１５に示すように、第１の高周波電源１０ａのプラズマ発生電力が小さいと、ビアの底部に向けて径が徐々に狭くなる形状となり、ウエハＷ内の形状も不揃いになる傾向がみられる。一方、処理チャンバー１内の圧力を一定としてプラズマ発生電力を大きくすると、ビア壁面が垂直となってビア底部の径の大きさが確保され、かつビア形状自体も揃う傾向がみられる。すなわち、処理チャンバー１内の圧力が同じであれば、プラズマ発生電力が大きい方がビア形状が整ってビア底部の径の大きさも十分確保できることがわかる。
【００６８】
一方、アスペクト比の高いビアを形成する場合、高いエッチングレートを維持することも重要な要素となる。そこで、プラズマエッチングにおける処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａの出力電力とを変化させてビアを形成し、それぞれの条件におけるエッチングレートを調べた。図１６は、処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａのプラズマ発生電力の条件を変えてプラズマエッチング（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程）によりビアを形成した場合のエッチングレートを示す図である。図１６に示すように、処理チャンバー１内の圧力が大きくなると、概ねエッチングレートが高くなる傾向がみられる。しかし、処理チャンバー１内の圧力を一定としてプラズマ発生電力を大きくすると、ある電力を境にエッチングレートが下がってしまうことがわかる。
【００６９】
すなわち、良好なエッチングレートとビア底部の径の大きさを確保する観点からすると、プラズマ発生電力をより大きくしつつ、エッチングレートが最も良好となる処理ガス圧力を設定すればよいことになる。
【００７０】
（第２の実施形態のプラズマエッチング方法）
次に、他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。この実施形態に係るプラズマエッチング方法では、第１の実施の形態に係るプラズマエッチング装置と同一の装置を用いることができる。従って、第１の実施形態と共通する要素については共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。
【００７１】
この実施形態に係るプラズマエッチング方法は、三次元実装される半導体装置に貫通電極を形成するために、ＴＳＶ（Through-Silicon Via）技術を用いてウエハに貫通孔を形成するものである。従って、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、貫通孔を形成するためのウエハ（以下、「デバイスウエハ」ともいう。）がサポートウエハに接着剤を介して貼り合わされたウエハをエッチングする点で、第１の実施の形態と相違する。
【００７２】
図１７Ａ〜１７Ｆは、本実施形態に係るプラズマエッチング方法を含む半導体装置の製造方法の各工程におけるウエハの状態を模式的に示す断面図である。
【００７３】
貼り合わせウエハは、図１７Ｃに示すように、デバイスウエハＷと、サポートウエハＳＷを有する。デバイスウエハＷは、表面Ｗａにトランジスタ等の半導体装置が形成された基板である。サポートウエハＳＷは、デバイスウエハＷを、裏面Ｗｂを研削して薄化したときに、薄化されたデバイスウエハＷを補強するための基板である。デバイスウエハＷは、接着剤Ｇを介してサポートウエハＳＷに貼り合わされている。
【００７４】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、始めに、シリコンウエハ等よりなるデバイスウエハＷの表面にトランジスタ２０１を形成し、トランジスタ２０１が形成されたデバイスウエハＷ上に層間絶縁膜２０２を形成する（図１７Ａ）。
【００７５】
次いで、層間絶縁膜２０２上に、配線構造２０３を形成する。層間絶縁膜２０２上に、配線層２０４、絶縁膜２０５を交互に積層するとともに、絶縁膜２０５を貫通して上下の配線層２０４間を電気的に接続するビアホール２０６を形成する（図１７Ｂ）。
【００７６】
次いで、デバイスウエハＷを上下反転させ、デバイスウエハＷの表面Ｗａを、接着剤Ｇを介してサポートウエハＳＷと貼り合わせることによって、貼り合わせウエハを準備する。サポートウエハＳＷは、デバイスウエハＷを、裏面Ｗｂを研削して薄化したときに、薄化されたデバイスウエハＷを補強し、反りを防ぐ支持体となる基板であり、例えばシリコンウエハなどからなる。そして、貼り合わせウエハを、例えば研削装置に備えられた支持部に支持し、ウエハＷの裏面Ｗｂ側を研削し、研削前の厚さＴ１が所定厚さＴ２になるように薄化する（図１７Ｃ）。所定厚さＴ２を、例えば５０〜２００μｍとすることができる。
【００７７】
なお、図１７Ａ〜１７Ｆでは、図示を容易にするために、層間絶縁膜２０２及び配線構造２０３の厚さが誇張して描かれているが、実際は、層間絶縁膜２０２及び配線構造２０３の厚さは、ウエハＷの基体自体の厚さに比べ極めて小さい。
【００７８】
次いで、ウエハＷの裏面Ｗｂにレジストを塗布し、露光し、現像することによって、図示しないレジストパターンを形成する。そして、第１の実施の形態と同様のプラズマエッチング工程を行い、ウエハＷの裏面Ｗｂをエッチングして貫通孔Ｖを形成する。そして、貫通孔Ｖが形成されたウエハＷの裏面Ｗｂに残存するレジストを、第１の実施の形態に係るプラズマエッチング方法と同様にアッシングして除去する（図１７Ｄ）。貫通孔Ｖの径を、例えば１〜１０μｍとすることができる。また、貫通孔Ｖの深さは、ウエハＷの裏面Ｗｂを研削して薄化した後のウエハＷの基体自体の厚さに相当するものであり、例えば５０〜２００μｍとすることができる。
【００７９】
次いで、貫通孔Ｖの内周面を被覆するように、例えばポリイミド等の絶縁膜２０７を形成し、内周面が絶縁膜２０７で被覆された貫通孔Ｖ内に、電解めっき法等により貫通電極２０８を形成する（図１７Ｅ）。
【００８０】
次いで、サポートウエハＳＷをウエハＷから剥がすことによって、薄化され、貫通電極２０８が形成されたウエハＷを得る。例えば紫外光（ＵＶ光）を照射することによって、光反応性の接着剤Ｇの接着力を低下させて剥がすことができる（図１７Ｆ）。
【００８１】
本実施の形態でも、図１７Ｄに示したプラズマエッチング工程において、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程およびＤＹＰ工程を組み合わせたプラズマエッチングを行う。これにより、ビア壁面が荒れず高アスペクト比のビアを形成することができる。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１…処理チャンバー、２…載置台、１５…処理ガス供給源、１６…シャワーヘッド、１０ａ…第１の高周波電源、１０ｂ…第２の高周波電源、６０…制御部、２００…プラズマエッチング装置、Ｗ…半導体ウエハ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマによりエッチングを行うプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造分野では、半導体装置の微細化により集積度を上げる試みが多く行われてきた。また、近年では三次元実装と呼ばれる半導体装置の積層によって単位面積あたりの集積度を上げる試みが盛んに行われている。
【０００３】
積層された半導体装置は、例えばシリコン層からなる基板を貫通して形成された電極を具備しており、この電極を介して電気的に接続されるようになっている。このような基板を貫通する電極を形成するには、塗布装置を用いて基板にレジストを塗布し、露光装置を用いて露光を行った後、現像装置により現像を行ってレジスト膜からなるレジストパターンを形成する。そして、形成したレジストパターンをマスクとして、例えばプラズマエッチング装置を用いて基板をエッチングすることで、貫通孔またはビアホールなどの穴部を形成する。
【０００４】
最近では、１００μｍ以上の深さ寸法を有する穴部を形成することが要求されており、プラズマエッチングを長時間にわたって行うことが求められている。また、最近の半導体装置には更なる微細化が要求されているため、１０〜２０μｍ程度の比較的小さい直径寸法を有する穴部を形成することが求められている。しかし、半導体装置の微細化に伴い、形状精度を確保するためにはレジスト膜の厚さを薄くしなくてはならない。一方、レジスト膜のエッチング速度に対するシリコン層のエッチング速度、すなわち選択比はあまり高くない。そのため、プラズマエッチングを長時間行うと、マスクが除去されてしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、小さな内径寸法と大きな深さ寸法を有し、内径寸法に対する深さ寸法の比であるアスペクト比が大きな穴部を形成する場合には、マスクとして、レジスト膜に代え、シリコン酸化膜を用いることがある（例えば、特許文献１参照。）。シリコン酸化膜は、シリコン層に対してレジスト膜よりも高い選択比を有するため、プラズマエッチングを長時間行っても、マスクが除去されることを防止できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−９７４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レジストパターンの上面及び側壁に保護膜を形成するステップと、その後、シリコン層をプラズマエッチングするステップとを含む従来のエッチングプロセスでは、保護膜がプラズマに対して長時間曝露されても耐えうるように、形成する保護膜を厚くせざるを得ない。そうすると、保護膜を形成するステップに要する時間が増加するため、プラズマエッチング全体に要する時間も増加する。従って、高速にシリコン層をエッチングすることができず、半導体装置の生産性が低下してしまう。
【０００８】
また、形成される穴部の直径寸法の小径化に伴って、穴部の直径寸法に対する穴部の側壁に形成された保護膜の厚さ寸法の割合が大きくなる。そのため、穴部の深さ方向に沿った保護膜の厚さ寸法のばらつきなどにより垂直な側壁形状を得ることが難しくなる。さらに、形成される穴部の直径寸法の小径化に伴って、保護膜を堆積させるためのエッチングガスが穴部の側壁に到達しにくくなり、保護膜の形成が難しくなる。その結果、アンダーカットの発生を抑制することができず、穴部の側壁を基板の表面に対して垂直に形成することが困難となる。
【０００９】
本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、レジストパターンが形成された基板の表面をエッチングして穴部を形成する場合に、穴部の側壁を基板の表面に対して垂直に形成するとともに、高速にシリコン層をエッチングすることのできるプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この半導体装置の製造方法は、シリコン層の主面に所定のパターンにパターニングされたレジスト層が形成されてなる被処理基板を処理容器内に保持し、前記レジスト層をマスクとして前記シリコン層をプラズマエッチングするプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法であって、前記プラズマエッチング工程が、所定の比率で混合した堆積性ガスおよびエッチング性ガスの混合ガスを前記処理容器内に導入し、該混合ガス雰囲気で前記被処理基板をプラズマエッチングする第１のエッチングステップと、前記処理容器内に前記堆積性ガスを導入し、前記第１のエッチングステップによりプラズマエッチングされた被処理基板を該堆積性ガスが主体の雰囲気で堆積処理する堆積ステップ、および、前記処理容器内に前記エッチング性ガスを導入し、前記堆積ステップにより堆積処理された被処理基板を該エッチング性ガスが主体の雰囲気でプラズマエッチングする第２のエッチングステップを、複数回繰り返すステップと、を有している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、穴部の側壁を基板の表面に対して垂直に形成するとともに、高速にシリコン層をエッチングすることのできるプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ダイナミックプロセスについて説明するプラズマ発光強度を示す図である。
【図２】通常プロセスとダイナミックプロセスのエッチングレート比を示す図である。
【図３】実施形態のプロセスにおけるガス組成の例を示す図である。
【図４】スキャロップの発生原理を説明する図である。
【図５】アスペクト比の高いビアを形成した場合のビアの様子を示す図である。
【図６】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図７】実施形態の製造方法を実現する製造装置の構成を示す図である。
【図８】ダイポールリング磁石２４の水平断面を示す図である。
【図９】電界ＥＬと水平磁界Ｂの関係を示す図である。
【図１０】実施形態の製造装置におけるガス調整部の構成を示す図である。
【図１１】実施形態の製造方法のプロセスを示すフローチャートである。
【図１２Ａ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１２Ｂ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１２Ｃ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１２Ｄ】実施形態の製造方法によるビア形成を示す図である。
【図１３】実施形態の製造方法により形成したビアの具体例を示す図である。
【図１４】ビアの比較例を示す図である。
【図１５】プラズマエッチングにより得られたビア形状を示す図である。
【図１６】プラズマエッチングによりビアを形成した場合のエッチングレートを示す図である。
【図１７Ａ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｂ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｃ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｄ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｅ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【図１７Ｆ】実施形態の製造方法によるビア形成の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（プラズマエッチングによるビア形成）
プラズマエッチングにより高アスペクト比のビアを形成する場合に、例えば、ＳＦ６ガスを用いてシリコン層をエッチングすることを考えると、反応式（１）に示すように、フッ素ラジカルとＳｉとが反応してＳｉＦ４（四フッ化シリコン）が生成される。
４Ｆ＊ ＋ Ｓｉ → ＳｉＦ４ ……（１）
【００１４】
ビア内で生成されたＳｉＦ４はビアの外へと排出される。しかし、シリコンのエッチング速度が数十μｍ／分程度の高さになると、ＳｉＦ４の生成量が多くなり、ビア内に新たに供給されるフッ素ラジカルの量とビアから排出される反応生成物（ＳｉＦ４）の量とが略同じオーダーとなってしまう。そのため、ビア内におけるＳｉＦ４の分圧が高くなり、フッ素ラジカルの分圧が抑えられるため、エッチング速度（エッチングレート）を高めることが難しくなる。すなわち、形成するビアが深くなればなるほど、エッチングレートが頭打ちとなってしまう。
【００１５】
これに対し、フッ素ラジカルの反応の割合を高めたエッチング条件を採用すると、エッチング反応が等方的なため、開口したビア上部でボウイング（BOWING）形状とよばれる形状異常が顕著となってしまう。すなわち、フッ素ラジカルの反応を高めるだけでは、高アスペクト比のビアを高いエッチングレートで実現することが難しい。そこで、実施形態のプラズマエッチング方法では、高いエッチングレートと整ったビア形状を維持するため、通常のプラズマエッチングプロセスに加えて、二つ以上のステップを複数サイクル行うダイナミックプロセスを採用する。
【００１６】
（ダイナミックプロセス）
ダイナミックプロセスは、比較的短時間の堆積ステップ（デポステップ）およびエッチングステップ（エッチングステップ）を複数回繰り返すプロセスであり、それぞれの工程の間にプラズマ化の過渡状態を意図的に形成させてもよい。すなわち、デポステップとエッチングステップとを連続的に少なくとも３回以上繰り返すものであり、ステップ間でプラズマを消さないことが望ましい。
【００１７】
図１は、ダイナミックプロセスによるプラズマ発光強度の一例を示している。図１に示す例は、プラズマの発生条件を、
圧力：４．７Ｐａ（３５ｍTorr）
高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００／４０００Ｗ
処理ガス（第１工程（１０秒））：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝６０／６５／２００ｓｃｃｍ
処理ガス（第２工程（１０秒））：Ｃ４Ｆ６／Ｏ２／Ａｒ＝８０／６５／２００ｓｃｃｍ
としたものであり、波長２５０−２７０：ＣＦの発光強度を示している。図１に示すダイナミックプロセスの例では、堆積が優勢な第１工程とエッチングが優勢な第２工程とを概ね１０秒間隔で繰り返している。また図１に示すように、ダイナミックプロセスでは、第１工程と第２工程の遷移点とプラズマ発光強度の変化点とを意図的にずらすようにして、第１工程から第２工程へと移ってもしばらく第１工程のプラズマ発光強度が維持されるとともに、第２工程から第１工程へと移ってもしばらく第２工程のプラズマ発光強度が維持されるようにプラズマ発生条件が制御される。すなわち、プラズマの過渡状態を意図的に形成している。このとき、第１工程および第２工程の処理時間はそれぞれ１秒〜１５秒程度としてこれを複数回繰り返すことが望ましい。なお、第１工程における処理ガスの総流量と第２工程における処理ガスの総流量とは同一または概ね同程度が望ましい。
【００１８】
図２は、プラズマエッチングのみ（エッチング工程のみ）によりビアを形成した場合のエッチングレート比率（伸び率）と、図１に示すようなダイナミックプロセスによりビアを形成した場合のエッチングレート比率とを比較した図である。図２に示すように、ビアの深さが２０ｕｍから４０ｕｍへと深くなると、エッチング工程のみの場合、エッチングレートが６割以下にまで落ち込んでしまうことがわかる。一方、ダイナミックプロセスによる場合では、エッチング工程のみの場合と比べて２０％程度良好なエッチングレートを維持することができることがわかる。
【００１９】
このように、ダイナミックプロセスでは、プラズマエッチングのみのプロセスと比較して、良好なエッチングレートを維持しつつ、高選択比で良好な形状のパターンを形成することができる。
【００２０】
（ダイナミックプロセスの限界）
図３は、プラズマエッチングのみのプロセス（以下「Ｎｏｎ−ＤＹＰ」とも称する。）に用いるガス種の例と、ダイナミックプロセス（以下「ＤＹＰ」とも称する。）に用いるガス種の例とを比較して示している。図３に示すように、プラズマエッチングのみのプロセスでは、ＳｉＦｘラジカルを生成し酸素と反応させてＳｉＯｘ系保護膜を形成するデポ性ガス（ＳｉＦ４とＯ２）と、前述の反応式（１）に示すフッ素ラジカルを供給するエッチング性（ＳＦ６）とが混合されている。一方、ダイナミックプロセスでは、デポステップにおいてはデポ性ガスを主体としたガスを供給し、エッチングステップにおいてはエッチング性ガスを主体としたガスを供給する。ダイナミックプロセスのエッチングステップにおいて酸素を供給しているのは、ビアの入口を保護するためである。
【００２１】
図４に示すように、プラズマエッチングのみのプロセスとダイナミックプロセスの場合とを比較すると、ダイナミックプロセスでは、堆積成分が強いデポステップと、エッチング成分がプラズマエッチングのみのプロセスよりも強いエッチングステップとが比較的短いサイクルで繰り返されるから、ビアの側壁に縞状の凹凸（スキャロップ）が形成されやすいことがわかる。ここで、図４に示すように、等方的に進むエッチャントラジカルがビア内に進入した場合を考えると、ダイナミックプロセスでは、プラズマエッチングのみのプロセスと比較して、エッチャントラジカルがビアの側壁に形成されたスキャロップに捉えられ（トラップされ）、スキャロップがより成長してボウイング形状が形成されやすい。そのため、ダイナミックプロセスにより高アスペクト比のビアを形成する場合、図５に示すようにスキャロップやボウイングが形成されやすい傾向にあり、ビアの形状を悪化させる原因となる。
【００２２】
そこで、実施形態のプラズマエッチング方法では、図６に示すように、ビアの深さが浅くダイナミックプロセスにおいてボウイングしやすい段階ではプラズマエッチングのみのプロセスを行い、それよりもビアの深さが深い段階ではダイナミックプロセスを行う。これにより、デポ膜生成によるビア側壁荒れを無くす効果、マスクデポによる選択比を向上させる効果が期待できる。
【００２３】
（実施形態に係るプラズマエッチング装置）
図７は、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング方法を実現するプラズマエッチング装置１００の構成を模式的に示すものである。プラズマエッチング装置１００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、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成されている。
【００２４】
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。載置台２は、例えば表面を陽極酸化処理された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、導体の支持台４に支持されており、絶縁板３を介してボールネジ７を含む昇降機構（図示せず）により昇降可能に構成されている。ボールネジ７を含む昇降機構は、処理チャンバー１に配設されている。昇降機構は、ステンレス鋼よりなるベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。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。
【００２５】
載置台２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２ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２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。
【００２６】
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、クーロン力等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。
【００２７】
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。
【００２８】
シャワーヘッド１６は、処理チャンバー１の天井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。
【００２９】
本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃが設けられ、このガス拡散室１６ｃ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１６ｄが形成されている。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１６ｅが、上記したガス通流孔１６ｄ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に供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内の処理空間１ｂ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。
【００３０】
本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃへ処理ガスを導入するためのガス導入口１６ｇが形成されている。このガス導入口１６ｇにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、ガス導入口１６ｇへ送られるガスの種類や混合比を調節するガス調整部１５ｂを介して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。ガス調整部１５ｂには、ガス供給配管１５ａに加えて、ガス供給配管１５ａを介してガス拡散室１６ｃ内のガスを廃棄する排気装置１５ｃや、処理空間１ｂに直接追加ガスを供給可能な追加ガス供給配管１５ｇなども接続されている。
【００３１】
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。
【００３２】
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、その上部に天板を有している。
【００３３】
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、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。
【００３４】
載置台２の処理時における上下方向の位置に対応する処理チャンバー１の周囲には、環状または同心状に延在するダイポールリング磁石２４が配置されている。ダイポールリング磁石２４は、図８の横断面図に示すように、リング状の磁性体からなるケーシング２６内に、複数個、例えば１６個の異方性セグメント柱状磁石２５を周方向に一定間隔で配列してなる。図８において、各異方性セグメント柱状磁石２５の中に示す矢印は磁化の方向を示している。図８に示すように、各異方性セグメント柱状磁石２５の磁化の方向を、ケーシング２６の周方向に沿って少しずつずらすことで、全体として一方向に向かう一様な水平磁界Ｂを形成することができる。
【００３５】
従って、載置台２とシャワーヘッド１６との間の空間には、図９に模式的に示すように、第１の高周波電源１０ａにより鉛直方向のＲＦ電界ＥＬが形成されるとともに、ダイポールリング磁石２４により水平磁界Ｂが形成される。これらの直交電磁界を用いるマグネトロン放電により、載置台２の表面近傍に高密度のプラズマを生成することができる。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
ここで、図１０を参照して、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂについて詳細に説明する。図１０に示すように、処理ガス供給源１５は、堆積工程に用いるデポ性ガス（デポジションガス）を供給するデポジションガス源１５ｄと、エッチング工程に用いるエッチングガス源１５ｅと、追加ガスを供給する追加ガス源１５ｆとを有している。デポジションガス源１５ｄは、例えば図３に示すデポ性のガスとしてＳｉＦ４やＯ２などのガスを供給する。エッチングガス源１５ｅは、例えば図３に示すエッチング性のガスとしてＳＦ６やＨＢｒなどのガスを供給する。デポジションガス源１５ｄ、エッチングガス源１５ｅおよび追加ガス源１５ｆが供給するそれぞれのガス種の混合比や供給量は、プロセスコントローラ６１からの制御指示により決定される。すなわち、図３に示す例では、プラズマエッチングのみのプロセスではデポジションガス源１５ｄおよびエッチングガス源１５ｅがＳＦ６、Ｏ２、ＳｉＦ４およびＨＢｒなどのガスを所定の流量で供給する。同様に、ダイナミックプロセスのデポステップでは、デポジションガス源１５ｄがＳｉＦ４およびＯ２などのガスを所定の流量で供給し、同じくエッチングステップでは、デポジションガス源１５ｄおよびエッチングガス源１５ｅがＳＦ６、ＨＢｒおよびＯ２などのガスを所定の流量で供給する。
【００４０】
ガス調整部１５ｂは、プラズマエッチングのみのプロセスやダイナミックプロセスでの処理ガスの供給タイミングを制御する。ガス調整部１５ｂが処理ガスの供給流量や混合比を制御してもよい。ガス調整部１５ｂは、デポジションガス源１５ｄの供給管に接続されたデポジション供給バルブＶｄｓ、エッチングガス源１５ｅの供給管に接続されたエッチングガス供給バルブＶｅｓを備えており、デポジション供給バルブＶｄｓおよびエッチングガス供給バルブＶｅｓの出力は、ガス拡散室１６ｃに接続されたガス供給配管１５ａに接続されている。また、ガス調整部１５ｂは、デポジションガス源１５ｄの供給管に接続されたデポジション排気バルブＶｄｖ、エッチングガス源１５ｅの供給管に接続されたエッチングガス排気バルブＶｅｖを備えており、デポジション排気バルブＶｄｓおよびエッチングガス排気バルブＶｅｖの出力は、排気装置１５ｃに接続されている。さらに、ガス供給配管１５ａには、ガス拡散室１６ｃ内のガスを排気する拡散室排気バルブＶｖａｃが接続されており、拡散室排気バルブＶｖａｃの出力は、排気装置１５ｃに接続されている。追加ガス源１５ｆには、追加ガスバルブＶａｄｄが接続されており、追加ガスバルブＶａｄｄの出力は、追加ガス供給配管１５ｇに接続されている。
【００４１】
ガス調整部１５ｂに備えられたそれぞれのバルブは、プロセスコントローラ６１からの制御指示により開閉制御される。すなわち、プロセスコントローラ６１は、ガス調整部１５ｂが有する各々のバルブを制御して、デポガス・エッチングガスのガス拡散室１６ｃへの供給量およびガス拡散室１６ｃからの排気量を制御するとともに、処理空間１ｂへの追加ガスの供給量および排気量を制御することで、プラズマエッチングのみのプロセス、ダイナミックプロセスのデポステップ、およびダイナミックプロセスのエッチングステップそれぞれの動作状態を実現する。ガス調整部１５ｂが流量や混合比などを制御したデポガスやエッチングガスは、ガス供給配管１５ａを介してガス拡散室１６ｃに供給され、このガス拡散室１６ｃから、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内の処理空間１ｂにシャワー状に分散されて供給される。
【００４２】
（プラズマエッチング装置の動作）
このように構成されたプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷをプラズマエッチングする手順の概略について説明する。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。図示しない昇降機構により、載置台２は処理の所定位置に上昇する。
【００４３】
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（デポ性ガスやエッチング性ガス）が導入される。処理チャンバー１内が所定の圧力に達したところで処理チャンバー１内の圧力が保持され、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に周波数が例えば２．０ＭＨｚ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吸着される。ダイポールリング磁石２４は、水平磁界Ｂを発生する。
【００４４】
この場合に、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。半導体ウエハＷが存在する処理空間１ｂに放電が生じ、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がエッチング処理される。この時、必要に応じてオン・オフスイッチ５３がオンとされ、可変直流電源５２から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。
【００４５】
実施形態に係るプラズマエッチング方法は、デポ性ガスおよびエッチング性ガスを混合し所定時間プラズマエッチング処理する工程と、デポ性ガスを供給したデポステップおよびエッチング性ガスを供給したエッチングステップを比較的短いサイクルで複数回繰り返す工程とからなる。
【００４６】
全ての処理が終了すると、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。
【００４７】
次に、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法について詳細に説明する。
【００４８】
（第１の実施形態のプラズマエッチング方法）
図１１は、実施形態のプラズマエッチング方法を説明するフローチャート、図１２Ａ〜１２Ｄは、実施形態に係るプラズマエッチング方法の各工程におけるウエハの状態を模式的に示す断面図である。図１２Ａ〜１２Ｄでは、ウエハＷ上における一つの開口部１５４ａの付近の領域を拡大して示している。図１１に示すように、実施形態のプラズマエッチング方法では、プラズマエッチングのみのプロセス（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程）と、ダイナミックプロセス（ＤＹＰ工程）とを有している。
【００４９】
まず、プラズマエッチング方法が適用されるウエハＷの構成の一例について説明する。図１２Ａに示すように、ウエハＷは、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）層よりなる基体１５１上に、第１のハードマスク膜１５２、第２のハードマスク膜１５３及びマスク膜１５４が、下側からこの順番で積層されている。第１のハードマスク膜１５２として、例えば厚さ寸法ｔ１を有する窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を用いることができ、厚さ寸法ｔ１を例えば０．５μｍとすることができる。第２のハードマスク膜１５３として、例えば厚さ寸法ｔ２を有する酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜を用いることができ、厚さ寸法ｔ２を例えば０．５μｍとすることができる。マスク膜１５４として、例えば厚さ寸法ｔ３を有するレジスト層とすることができ、厚さ寸法ｔ３を例えば２．５μｍとすることができる。また、マスク膜１５４には、予めフォトリソグラフィ工程を行うことで、開口径（直径寸法）Ｄ１が例えば８μｍの円形の開口部１５４ａが、複数箇所にパターニングされている。
【００５０】
なお、第１のハードマスク膜１５２及び第２のハードマスク膜１５３は、第１のハードマスク膜１５２が酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜であり、第２のハードマスク膜１５３が窒化シリコン（ＳｉＮ）膜であってもよい。このようなウエハＷを、処理チャンバー１内に搬入して、載置台２の上に載置する。
【００５１】
プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御して、ＳＦ６、Ｏ２、ＳｉＦ４およびＨＢｒのガスを、例えば図３の「Ｎｏｎ−ＤＹＰ」に示す流量で処理チャンバー１に所定時間供給し、シリコン層をエッチングする（ステップＳ８１。以下「Ｓ８１」のように称する。）。なお、ステップ８１は、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程に相当する。具体的には、排気装置７３により処理チャンバー１内を排気した状態で、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂにより処理ガス（混合ガス）を所定の流量で処理空間１ｂに導入し、処理チャンバー１内の圧力を設定値にする。また、直流電源１２によりウエハＷを載置台２に静電引力により固定することによって支持した状態で、第１の高周波電源１０ａにより第１の高周波電力を載置台２に供給する。すると、シャワーヘッド１６より吐出されたエッチングガスはマグネトロン放電によりプラズマ化され、プラズマ化したプラズマはウエハＷに照射される。
【００５２】
そして、プラズマをウエハＷに照射することで、図１２Ｂに示すように、マスク膜１５４の各々の開口部１５４ａにおいて、下層側である第２のハードマスク膜１５３及び第１のハードマスク膜１５２にそれぞれ開口部１５３ａ、１５２ａが形成され、基体１５１に穴部１５１ａが形成される。
【００５３】
なお、プラズマによってマスク膜１５４もエッチングされるが、マスク膜１５４のエッチング速度に対する第２のハードマスク膜１５３、第１のハードマスク膜１５２及びシリコン層１５１のエッチング速度の比である選択比がかなり大きい。そのため、図１２Ｂでは、マスク膜１５４の膜厚の変化の図示を省略している（図１２Ｃにおいても同様。）。エッチングガスがプラズマ化して生成したフッ素ラジカルＦ＊が穴部１５１ａに到達すると、前述の反応式（１）により、ＳｉＦ４が生成される。そして、生成されたＳｉＦ４が穴部１５１ａの外へ排出されることにより、シリコン層１５１がエッチングされる。
【００５４】
一方、エッチングガスがプラズマ化する際には酸素ラジカルＯ＊が生成される。上記反応式（１）により生成したＳｉＦ４が何れかのプラズマと反応することによって、または、フッ素ラジカルＦ＊とＳｉとが反応することによって、フッ化シリコンのラジカルＳｉＦｘ＊が生成される。そして、一例として下記反応式（２）
Ｏ＊＋ＳｉＦｘ＊→ＳｉＯＦｘ （２）
に示すように、酸素ラジカルＯ＊がフッ化シリコンのラジカルＳｉＦｘ＊と反応することによって、ＳｉＯ系の保護膜１５５（例えばＳｉＯＦｘ）が穴部１５１ａの側壁に堆積する。
【００５５】
図１２Ｂに示すように、保護膜１５５は、マスク膜１５４の上面、マスク膜１５４の開口部１５４ａの側壁、第２のハードマスク膜１５３の開口部１５３ａの側壁、第１のハードマスク膜１５２の開口部１５２ａの側壁、及びシリコン層１５１の穴部１５１ａの側壁１５１ｂ（図１２Ｃ参照。）に堆積する。一方、シリコン層１５１の穴部１５１ａの底面１５１ｃは、ウエハＷ表面から最も遠いため、マスク膜１５４の上面からシリコン層１５１の穴部１５１ａの側壁１５１ｂにかけての部分と比較して、保護膜１５５の堆積速度が小さい。従って、穴部１５１ａを深さ方向にエッチングするエッチング速度が穴部１５１ａを横方向にエッチングするエッチング速度に対して大きくなる異方性エッチングを行うことができ、穴部１５１ａの側壁１５１ｂをウエハＷ表面に対して垂直にすることができる。
【００５６】
所定時間が経過すると、プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御して、Ｏ２およびＳｉＦ４のガスを、例えば図３のＤＹＰ・デポステップに示す流量で処理チャンバー１に所定時間供給し、ウエハＷに対して堆積処理する（Ｓ８２）。ステップ８２は、ＤＹＰ工程の一要素である。具体的には、ガス調整部１５ｂは、処理チャンバー１内を排気するとともに、図３のデポステップに示すような流量でＯ２およびＳｉＦ４のガスを処理空間１ｂに導入し、処理チャンバー１内の圧力を設定値にする。このとき、処理チャンバー１内の圧力を一定に保ちつつ供給する処理ガスを変更することで、プラズマ発光状態を維持させてもよい。シャワーヘッド１６より吐出されたデポ性ガスはマグネトロン放電によりプラズマ化され、プラズマ化したプラズマはウエハＷに照射される。このとき、堆積工程を維持する時間は、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程）の処理時間よりも短くする。
【００５７】
堆積工程の処理時間が経過すると、プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御して、ＳＦ６、Ｏ２およびＨＢｒのガスを、例えば図３のＤＹＰ・エッチングステップに示す流量で処理チャンバー１に所定時間供給し、ウエハＷのシリコン層１５１をエッチングする（Ｓ８３）。ステップ８３は、ＤＹＰ工程の一要素である。具体的には、ガス調整部１５ｂは、処理チャンバー１内を排気するとともに、図３のエッチングステップに示すような流量でＳＦ６、Ｏ２およびＨＢｒのガスを処理空間１ｂに導入し、処理チャンバー１内の圧力を設定値にする。このとき、処理チャンバー１内の圧力を一定に保ちつつ供給する処理ガスを変更し、プラズマの遷移状態が維持されるように制御する。シャワーヘッド１６より吐出されたエッチング性ガスはマグネトロン放電によりプラズマ化され、プラズマ化したプラズマはウエハＷに照射される。このとき、第２のエッチング工程を維持する時間は、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程）の処理時間よりも短くする。
【００５８】
第２のエッチング工程の処理時間が経過すると、プロセスコントローラ６１は、ＤＹＰ工程（堆積工程Ｓ８２および第２のエッチング工程Ｓ８３）が所定回数繰り返されたか判定する（Ｓ８４）。ステップ８２の堆積工程とステップ８３の第２のエッチング工程とが所定回数繰り返されていない場合（Ｓ８４のＮｏ）、プロセスコントローラ６１は、処理ガス供給源１５およびガス調整部１５ｂを制御してステップ８２および８３を繰り返す（Ｓ８２・Ｓ８３）。
【００５９】
ステップ８２の堆積工程とステップ８３の第２のエッチング工程とが所定回数繰り返された場合（Ｓ８４のＹｅｓ）、プロセスコントローラ６１は処理を終了する。図１２Ｃは、ステップ８１の処理と、複数回のステップ８２および８３の各処理とを行ったウエハＷの断面を示している。ステップ８１および複数回のステップ８２・８３を行うことによって、シリコン層１５１のエッチングが終了し、図１２Ｃに示すように、穴部１５１ａが形成される。
【００６０】
次いで、マスク膜１５４を、例えばＯ２ガスを含むエッチングガスをプラズマ化したプラズマによりアッシングし、マスク膜１５４がアッシングされたウエハＷの表面の洗浄を行う。続いて、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、電解めっきまたは無電解めっき等により、穴部１５１ａ内に例えば銅（Ｃｕ）などの配線金属１５６を埋め込む。次いで、図１２Ｄに示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）加工により、ウエハＷの表面に形成された余剰な配線金属１５６を除去する。第２のハードマスク膜１５３または第１のハードマスク１５２が窒化シリコン膜よりなるときは、窒化シリコン膜をＣＭＰのストッパ膜として作用させ、窒化シリコン膜の上端位置においてＣＭＰ加工の終点検出を行ってもよい。
【００６１】
実施例として、図７に示したプラズマエッチング装置を使用し、以下に示す条件でシリコンウエハのプラズマエッチングを実施した。
Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程Ｓ８１）：
（１）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／７５Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝９０／１１０／８００／１００［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
（２）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（３）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２９００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（４）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：３０００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：１分。
ＤＹＰ工程（堆積工程Ｓ８２）：
（５）圧力：３００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝０／３５０／３００／０／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：６秒；
ＤＹＰ工程（第２のエッチング工程Ｓ８３）：
（６）圧力：１００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝５７０／１８０／０／５０／０［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
ＤＹＰ工程（Ｓ８２およびＳ８３）の繰り返し回数：５２回。
【００６２】
実施例１によるビア形成結果を図１３に示す。図１３に示す２つの電子顕微鏡写真のうち、左側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程のみによるビア形成結果の断面を示し、右側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程およびＤＹＰ工程全てを経たビア形成結果の断面を示している。図１１に示すように、深さ１１６．０［ｕｍ］、テーパー角８８．９度の良好なビアを形成することができた。
【００６３】
一方、比較例として、図７に示したプラズマエッチング装置を使用し、以下に示す条件でシリコンウエハのプラズマエッチングを実施した。
Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程（第１のエッチング工程Ｓ８１）：
（１）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／７５Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝９０／１１０／８００／１００［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
（２）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２５００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（３）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２９００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分；
（４）圧力：２００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：３０００Ｗ／０Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ＝１４０／１４０／９００／１８０［ｓｃｃｍ］、処理時間：２分。
ＤＹＰ工程（堆積工程Ｓ８２）
（５）圧力：３００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝０／３５０／３００／０／１５０［ｓｃｃｍ］、処理時間：６秒；
ＤＹＰ工程（第２のエッチング工程Ｓ８３）
（６）圧力：１００［ｍＴ］、高周波電力（Ｈ／Ｌ）：２０００Ｗ／２００Ｗ、処理ガス：ＳＦ６／Ｏ２／ＳｉＦ４／ＨＢｒ／ＳｉＣｌ４＝５７０／１８０／０／５０／０［ｓｃｃｍ］、処理時間：１０秒；
ＤＹＰ工程（Ｓ８２およびＳ８３）の繰り返し回数：５２回。
【００６４】
すなわち、比較例は、第１のエッチング工程Ｓ８１の維持時間を図１３に示す実施例のそれよりも長くしたものである。比較例によるビア形成結果を図１４に示す。図１４に示す２つの電子顕微鏡写真のうち、左側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程のみによるビア形成結果の断面を示し、右側はＮｏｎ−ＤＹＰ工程およびＤＹＰ工程全てを経たビア形成結果の断面を示している。図１２に示すように、比較例では最終的なビアの深さが浅く、かつビア壁面に荒れが生じてボウイングが発生してしまっている。比較例では、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程の処理時間が長いため当該工程のみにより形成された時点のビアは実施例のそれよりも深く、ビア底部の径が小さくなっている（実施例：７．７［ｕｍ］、比較例：５．１［ｕｍ］）。そのため、ＤＹＰ工程のエッチングステップにおいてエッチング性ガスがビア底部にまで十分届かず、ビアの深さが浅くなってしまったと考えられる。また、ＤＹＰ工程のエッチングステップにおいてエッチング性ガスがビア底部まで行き渡らなかった結果、ＤＹＰ工程のデポステップにおいてデポ性ガスがビア内に十分導入されず、ビア壁面が荒れてしまったと考えられる。
【００６５】
この結果を踏まえると、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程は、ビア底部の径が小さくなりすぎない段階でＤＹＰ工程へと移行した方が良好であることがわかる。この例では、ビア底部の径が５．１［ｕｍ］以下となる前にＮｏｎ−ＤＹＰ工程からＤＹＰ工程へ移行することが望ましい。
【００６６】
（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程とＤＹＰ工程との切替タイミング）
図１３および１４に示すように、実施形態の方法では、プラズマエッチングのみのＮｏｎ−ＤＹＰ工程において形成されたビア底部の径が小さいと、続くＤＹＰ工程が円滑に進まないことがわかる。すなわち、ＤＹＰ工程においてデポ性ガスやエッチング性ガスをビア底部まで十分に行き渡らせることが望ましい。そこで、プラズマエッチングにおける処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａの出力電力とを変化させて得られたビア形状を調べた。図１５は、処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａのプラズマ発生電力の条件を変えてプラズマエッチング（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程）により得られたビア形状を示す図である。
【００６７】
図１５に示すように、第１の高周波電源１０ａのプラズマ発生電力が小さいと、ビアの底部に向けて径が徐々に狭くなる形状となり、ウエハＷ内の形状も不揃いになる傾向がみられる。一方、処理チャンバー１内の圧力を一定としてプラズマ発生電力を大きくすると、ビア壁面が垂直となってビア底部の径の大きさが確保され、かつビア形状自体も揃う傾向がみられる。すなわち、処理チャンバー１内の圧力が同じであれば、プラズマ発生電力が大きい方がビア形状が整ってビア底部の径の大きさも十分確保できることがわかる。
【００６８】
一方、アスペクト比の高いビアを形成する場合、高いエッチングレートを維持することも重要な要素となる。そこで、プラズマエッチングにおける処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａの出力電力とを変化させてビアを形成し、それぞれの条件におけるエッチングレートを調べた。図１６は、処理チャンバー１内の圧力と第１の高周波電源１０ａのプラズマ発生電力の条件を変えてプラズマエッチング（Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程）によりビアを形成した場合のエッチングレートを示す図である。図１６に示すように、処理チャンバー１内の圧力が大きくなると、概ねエッチングレートが高くなる傾向がみられる。しかし、処理チャンバー１内の圧力を一定としてプラズマ発生電力を大きくすると、ある電力を境にエッチングレートが下がってしまうことがわかる。
【００６９】
すなわち、良好なエッチングレートとビア底部の径の大きさを確保する観点からすると、プラズマ発生電力をより大きくしつつ、エッチングレートが最も良好となる処理ガス圧力を設定すればよいことになる。
【００７０】
（第２の実施形態のプラズマエッチング方法）
次に、他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。この実施形態に係るプラズマエッチング方法では、第１の実施の形態に係るプラズマエッチング装置と同一の装置を用いることができる。従って、第１の実施形態と共通する要素については共通の符号を付して示し、重複する説明を省略する。
【００７１】
この実施形態に係るプラズマエッチング方法は、三次元実装される半導体装置に貫通電極を形成するために、ＴＳＶ（Through-Silicon Via）技術を用いてウエハに貫通孔を形成するものである。従って、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、貫通孔を形成するためのウエハ（以下、「デバイスウエハ」ともいう。）がサポートウエハに接着剤を介して貼り合わされたウエハをエッチングする点で、第１の実施の形態と相違する。
【００７２】
図１７Ａ〜１７Ｆは、本実施形態に係るプラズマエッチング方法を含む半導体装置の製造方法の各工程におけるウエハの状態を模式的に示す断面図である。
【００７３】
貼り合わせウエハは、図１７Ｃに示すように、デバイスウエハＷと、サポートウエハＳＷを有する。デバイスウエハＷは、表面Ｗａにトランジスタ等の半導体装置が形成された基板である。サポートウエハＳＷは、デバイスウエハＷを、裏面Ｗｂを研削して薄化したときに、薄化されたデバイスウエハＷを補強するための基板である。デバイスウエハＷは、接着剤Ｇを介してサポートウエハＳＷに貼り合わされている。
【００７４】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、始めに、シリコンウエハ等よりなるデバイスウエハＷの表面にトランジスタ２０１を形成し、トランジスタ２０１が形成されたデバイスウエハＷ上に層間絶縁膜２０２を形成する（図１７Ａ）。
【００７５】
次いで、層間絶縁膜２０２上に、配線構造２０３を形成する。層間絶縁膜２０２上に、配線層２０４、絶縁膜２０５を交互に積層するとともに、絶縁膜２０５を貫通して上下の配線層２０４間を電気的に接続するビアホール２０６を形成する（図１７Ｂ）。
【００７６】
次いで、デバイスウエハＷを上下反転させ、デバイスウエハＷの表面Ｗａを、接着剤Ｇを介してサポートウエハＳＷと貼り合わせることによって、貼り合わせウエハを準備する。サポートウエハＳＷは、デバイスウエハＷを、裏面Ｗｂを研削して薄化したときに、薄化されたデバイスウエハＷを補強し、反りを防ぐ支持体となる基板であり、例えばシリコンウエハなどからなる。そして、貼り合わせウエハを、例えば研削装置に備えられた支持部に支持し、ウエハＷの裏面Ｗｂ側を研削し、研削前の厚さＴ１が所定厚さＴ２になるように薄化する（図１７Ｃ）。所定厚さＴ２を、例えば５０〜２００μｍとすることができる。
【００７７】
なお、図１７Ａ〜１７Ｆでは、図示を容易にするために、層間絶縁膜２０２及び配線構造２０３の厚さが誇張して描かれているが、実際は、層間絶縁膜２０２及び配線構造２０３の厚さは、ウエハＷの基体自体の厚さに比べ極めて小さい。
【００７８】
次いで、ウエハＷの裏面Ｗｂにレジストを塗布し、露光し、現像することによって、図示しないレジストパターンを形成する。そして、第１の実施の形態と同様のプラズマエッチング工程を行い、ウエハＷの裏面Ｗｂをエッチングして貫通孔Ｖを形成する。そして、貫通孔Ｖが形成されたウエハＷの裏面Ｗｂに残存するレジストを、第１の実施の形態に係るプラズマエッチング方法と同様にアッシングして除去する（図１７Ｄ）。貫通孔Ｖの径を、例えば１〜１０μｍとすることができる。また、貫通孔Ｖの深さは、ウエハＷの裏面Ｗｂを研削して薄化した後のウエハＷの基体自体の厚さに相当するものであり、例えば５０〜２００μｍとすることができる。
【００７９】
次いで、貫通孔Ｖの内周面を被覆するように、例えばポリイミド等の絶縁膜２０７を形成し、内周面が絶縁膜２０７で被覆された貫通孔Ｖ内に、電解めっき法等により貫通電極２０８を形成する（図１７Ｅ）。
【００８０】
次いで、サポートウエハＳＷをウエハＷから剥がすことによって、薄化され、貫通電極２０８が形成されたウエハＷを得る。例えば紫外光（ＵＶ光）を照射することによって、光反応性の接着剤Ｇの接着力を低下させて剥がすことができる（図１７Ｆ）。
【００８１】
本実施の形態でも、図１７Ｄに示したプラズマエッチング工程において、Ｎｏｎ−ＤＹＰ工程およびＤＹＰ工程を組み合わせたプラズマエッチングを行う。これにより、ビア壁面が荒れず高アスペクト比のビアを形成することができる。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１…処理チャンバー、２…載置台、１５…処理ガス供給源、１６…シャワーヘッド、１０ａ…第１の高周波電源、１０ｂ…第２の高周波電源、６０…制御部、２００…プラズマエッチング装置、Ｗ…半導体ウエハ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン層の主面に所定のパターンにパターニングされたレジスト層が形成されてなる被処理基板を処理容器内に保持し、前記レジスト層をマスクとして前記シリコン層をプラズマエッチングするプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記プラズマエッチング工程が、
所定の比率で混合した堆積性ガスおよびエッチング性ガスの混合ガスを前記処理容器内に導入し、該混合ガス雰囲気で前記被処理基板をプラズマエッチングする第１のエッチングステップと、
前記処理容器内に前記堆積性ガスを導入し、前記第１のエッチングステップによりプラズマエッチングされた被処理基板を該堆積性ガスが主体の雰囲気で堆積処理する堆積ステップ、および、前記処理容器内に前記エッチング性ガスを導入し、前記堆積ステップにより堆積処理された被処理基板を該エッチング性ガスが主体の雰囲気でプラズマエッチングする第２のエッチングステップを、複数回繰り返すステップと、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記繰り返すステップは、プラズマを途中で消すことなく連続的に少なくとも３回以上前記堆積ステップおよび前記第２のエッチングステップを繰り返すことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記混合ガスは、ＳＦ６、Ｏ２およびＳｉＦ４のガスを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記堆積性ガスは、Ｏ２およびＳｉＦ４のガスを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記エッチング性ガスは、ＳＦ６およびＯ２のガスを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記繰り返すステップは、前記第１のエッチングステップによる処理時間よりも長時間継続することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】
シリコン層の主面に所定のパターンにパターニングされたレジスト層が形成されてなる被処理基板を処理容器内に保持し、前記レジスト層をマスクとして前記シリコン層をプラズマエッチングするプラズマエッチング工程を有する半導体装置の製造方法であって、
前記プラズマエッチング工程が、
所定の比率で混合した堆積性ガスおよびエッチング性ガスの混合ガスを前記処理容器内に導入し、該混合ガス雰囲気で前記被処理基板をプラズマエッチングする第１のエッチングステップと、
前記処理容器内に前記堆積性ガスを導入し、前記第１のエッチングステップによりプラズマエッチングされた被処理基板を該堆積性ガスが主体の雰囲気で堆積処理する堆積ステップ、および、前記処理容器内に前記エッチング性ガスを導入し、前記堆積ステップにより堆積処理された被処理基板を該エッチング性ガスが主体の雰囲気でプラズマエッチングする第２のエッチングステップを、複数回繰り返すステップと、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記繰り返すステップは、プラズマを途中で消すことなく連続的に少なくとも３回以上前記堆積ステップおよび前記第２のエッチングステップを繰り返すことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記混合ガスは、ＳＦ６、Ｏ２およびＳｉＦ４のガスを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記堆積性ガスは、Ｏ２およびＳｉＦ４のガスを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記エッチング性ガスは、ＳＦ６およびＯ２のガスを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記繰り返すステップは、前記第１のエッチングステップによる処理時間よりも長時間継続することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１２Ｄ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１７Ｄ】
【図１７Ｅ】
【図１７Ｆ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１２Ｄ】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７Ａ】
【図１７Ｂ】
【図１７Ｃ】
【図１７Ｄ】
【図１７Ｅ】
【図１７Ｆ】
【公開番号】特開２０１３−８４６９５（Ｐ２０１３−８４６９５Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２２３７７（Ｐ２０１１−２２２３７７）
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【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５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【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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