(57)【要約】      （修正有）【課題】高アスペクト比の深孔加工において、被エッチング材の開口におけるボーイングを抑制しつつ、高アスペクト比部での開口不足を解消する。【解決手段】プラズマエッチング装置により被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理する被エッチング材のプラズマエッチング方法において、フルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）を用いて前記マスクのマスクパターンの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させながら被エッチング材をエッチングする高堆積性の第１のステップと、フルオロカーボンガスを用いて前記マスクのマスクパターンの表面に近い開口側壁に付着させた堆積物を削りながら被エッチング材をエッチングする低堆積性の第２のステップと、を順次行う。【選択図】図８−１
2010272758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマエッチング装置により被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理する被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
前記パターニングされたマスクの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させるとともにマスクの表面から離れた開口側壁にボーイングを形成させ、
このマスクを用いて被エッチング材をエッチング処理する
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項２】
プラズマエッチング装置により被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理する被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
フルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）を用いて前記マスクのマスクパターンの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させながら被エッチング材をエッチングする第１のステップと、
フルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）を用いて前記マスクのマスクパターンの表面に近い開口側壁に付着させた堆積物を削りながら被エッチング材をエッチングする第２のステップと、を順次行う
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項２記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
前記第１のステップに続き行う前記第２のステップの処理圧力を、前記第１のステップの処理圧力より低くした
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
請求項２記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
前記第１のステップおよび第２のステップで用いられるフルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）の流量を、前記第１のステップよりも第２のステップでは小さく設定する
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項５】
請求項２記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
前記第１のステップおよび第２のステップで用いられるフルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）のＣ／Ｆ比を、第１のステップよりも第２のステップでは低いＣ／Ｆ比とする
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項６】
請求項２記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
前記第１のステップおよび第２のステップで用いるフルオロカーボンに添加するＯ２ガスの流量を、前記第１のステップよりも第２のステップでは大きくする
ことを特徴とする被エッチング材のエッチング方法。
【請求項７】
請求項２記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
被エッチング材を載置する電極温度を、前記第１のステップよりも前記第２のステップでは高温にする
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項８】
請求項７記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
前記エッチング装置が、被エッチング材を載置する電極を調温する直膨式の温調装置を備えた
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項９】
請求項２記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
前記第１のステップおよび第２のステップを３つ以上の多段ステップあるいは連続的に処理条件を変化させる
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
スキャトロメトリを用いてエッチング形状を検出し、フィードバック制御することにより長期間安定にエッチング形状を制御する
ことを特徴とする被エッチング材のプラズマエッチング方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項記載の被エッチング材のプラズマエッチング方法において、
フルオロカーボンからなるエッチングガスとして、環状構造を持つＣ５Ｆ６ガスを用いる
ことを特徴とする被エッチング材の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、半導体製造に用いられるプラズマエッチング置を用いた被エッチング材のプラズマエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＲＡＭに代表されるメモリ形成において、小さな面積で十分な静電容量を確保するために、ホール径７０ｎｍ以下で、アスペクト比３０以上の超微細ホール加工が求められている。しかも、集積化と最低容量確保のために狭ピッチ化が進み、ボーイングの抑制やマスク選択比の向上がますます重要な課題となっている。さらに、高アスペクト比部でのエッチレート低下の解消やボトムＣＤの確保が重要な課題として顕在化してきた。
【０００３】
既に、パターニングされたフォトレジストマスク表面にアモルファスカーボンを成膜することにより、フォトレジスト表面のエッチング耐性を強化し、開口部の寸法を小さくする（シュリンクする）エッチング方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、エッチング処理中のデポジッションの堆積速度を制御することによって、マスクパターンの残膜を確保しつつ、エッチストップを抑制できる半導体処理方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５８３０６号公報
【特許文献２】特開２００８−０８５０９２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】X. Niu、 N. Jakatdar、IEEE Trans. on Semiconduct. Manufact.、 Vol. 14、 pp97-111、 2001
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の方法は、エッチング処理前にレジスト上にアモルファスカーボン膜を堆積させるものであるが、微細ホールの場合には、この堆積によってマスクパターンの開口部が塞がってしまう恐れがあるため、十分なアモルファスカーボン膜を堆積させることは困難である。また、アモルファスカーボン膜の堆積量が十分でない場合に高アスペクト比の深孔加工に適用した際には、エッチング処理の初期段階でアモルファスカーボン膜がスパッタなどにより除去され、エッチング後半ではマスクのエッチング耐性やシュリンク効果が得られなくなる恐れがある。
【０００８】
特許文献２に記載のエッチング方法は、マスク選択比とエッチストップとのトレードオフを解決するものであり、マスク先端部の形状を制御することによって、エッチング初期から中期にかけて行われる低中アスペクト比部のエッチングの際に発生するボーイングを抑制するものではない。また、高アスペクト比部のエッチングではエッチストップが発生し難い点に着目し、エッチング最終段階においてデポジッションの堆積速度を高くすることでマスク選択比を改善しているが、高アスペクト比部でのエッチングレートの低下を更に悪化させる恐れがある。
【０００９】
本発明は、これらの問題点に鑑みなされたもので、プラズマエッチング装置を用いた被エッチング材を高アスペクト比で深孔加工する被エッチング材のプラズマエッチング方法において、被エッチング材の開口側壁に生成するボーイングを抑制しつつ、高アスペクト比底部での開口不足を解消するプラズマエッチング方法を提供するものである。
【００１０】
本発明は、上記被エッチング材を高アスペクト比で微細加工するプラズマエッチング方法において、被エッチング材のエッチング処理前半での低・中アスペクト比部をエッチングする際に、エッチング処理をしながらマスクの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させて開口を狭めると同時に高マスク選択比を実現し、被エッチング材でのボーイングの発生を回避することができるプラズマエッチング方法を提供するものである。さらに、エッチング処理後半の高アスペクト比部のエッチングでは、マスク表面近くの開口の側壁に堆積した堆積物を削ると同時に指向性の高いイオンを入射することで、ボーイングの原因となる側壁への入射イオンを低減し、被エッチング材のボーイングの拡大とエッチレート低下を招くことなく、ボトムＣＤの確保を実現できるプラズマエッチング方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、プラズマエッチング装置により被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて、前記被エッチング材をエッチングするプラズマエッチング方法において、前記マスクの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させて開口を狭める第１のステップに引き続き、第２のステップでは第１のステップに比べて堆積速度を低下させてマスクの表面に近い開口側壁に堆積させた堆積物をエッチングして薄くする（削る）と共に被エッチング材に入射するイオンの指向性を向上させる。
【００１２】
本発明の被エッチング材をエッチングするプラズマエッチング方法が適用されるプラズマエッチング装置は、処理室と、処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、処理室を減圧する真空排気手段と、被処理体を載置する電極を構成する被処理体戴置台と、被処理体を上下動させる上下機構と、プラズマ生成のための高周波電源と、電極の温度を制御する直膨式の温調装置とを有している。
【００１３】
本発明は、被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理するプラズマエッチング方法において、前記パターニングされたマスクの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させ開口を狭めると共にマスクの表面から離れた開口側壁部にボーイングを形成させて被エッチング材をプラズマエッチング処理する。
【００１４】
本発明は、処理室と、処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、処理室を減圧する真空排気手段と、被処理体を載置する被処理体戴置台と、被処理体をプラズマエッチング装置により被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理するプラズマエッチング方法において、前記マスクのマスクパターンの表面に近い開口の側壁に堆積物を堆積させて開口を狭めるようエッチングする第１のステップと、前記マスクのマスクパターンを開口部の堆積物をエッチングして被エッチング材をエッチングする第２のステップと、を順次行う。
【００１５】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、前記第２のステップは、前記第１のステップより処理圧力を低くした。
【００１６】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、前記第２のステップでは、前記第１のステップで用いられるフルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）の流量を、前記第１のステップよりも小さく設定する。
【００１７】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、前記第２のステップでは、前記第１のステップで用いられるフルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）よりも低いＣ／Ｆ比のフルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）を導入する。
【００１８】
本発明は、上記被エッチング材のプラズマエッチング方法において、前記第２のステップでは、前記第１のステップで用いられるＯ２ガスの流量を前記第１のステップよりも大きくすることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、上記被エッチング材のプラズマエッチング方法において、被エッチング材を載置する電極温度を、前記第２のステップでは、前記第１のステップよりも高温にする。
【００２０】
本発明は、上記被エッチング材のプラズマエッチング方法において、前記プラズマエッチング装置が、被エッチング材を載置する電極を調温する直膨式の温調装置を備えた。
【００２１】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、３つ以上の多段ステップあるいは連続的に処理条件を変化させる。
【００２２】
本発明は、上記プラズマエッチング方法において、スキャトロメトリを用いてエッチング形状を検出し、フィードバック制御することにより長期間安定にエッチング形状を制御する。
【００２３】
本発明は、処理室と、処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、処理室を減圧する真空排気手段と、被処理体を載置する被処理体戴置台と、被処理体を上下動させる上下機構と、プラズマ生成のための高周波電源とを有するプラズマエッチング装置により、被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理するプラズマエッチング方法において、エッチングガスとして、環状構造を持つＣ５Ｆ６ガスを用いることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、半導体製造工程において歩留りを向上させることができることから、産業上利用価値が高いプラズマエッチング方法である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】マスクテーパ角θとボーイング／ネッキングとの関係を示すグラフ。
【図２】マスクテーパ角θごとのアスペクト比（ホール深さ）に対するホール側壁に入射するイオンフラックス密度の関係を示すグラフ。
【図３】マスク先端部の形状ごとのアスペクト比（ホール深さ）に対するホール側壁に入射するイオンフラックス密度の関係を示すグラフ。
【図４】本発明の第１実施形態に係る、マスク先端部の形状の差に対応する深孔加工形状の断面模式図。
【図５】入射イオンの分散角σごとのアスペクト比（ホール深さ）に対するホール側壁に入射するイオンフラックス密度の関係を示すグラフ。
【図６】入射イオンの分散角σごとのアスペクト比（ホール深さ）に対するボトムへのイオン入射確率の関係を示すグラフ。
【図７】ガス圧力とＣＦポリマーのホール側壁への堆積速度の関係を示すグラフ。
【図８−１】エッチングシーケンスを示すグラフ（その1）。
【図８−２】エッチングシーケンスを示すグラフ（その２）。
【図９】本発明の第２実施形態に係る、深孔加工形状の断面模式図。
【図１０】本発明の第３実施形態に係るプラズマエッチング方法が適用されるプラズマエッチング装置の構成例を示す概略図（断面図）。
【図１１】環状構造を持つＣ５Ｆ６ガスの構造式。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
被エッチング材をマスクを用いて深孔エッチングした際に被エッチング材の開口（ホール）上部に発生するボーイングは、マスク開口に対して垂直に導入されないイオン等がマスクで反射されて被エッチング材の開口側壁に入射することで増大する。また、ホール底での加工寸法の縮小やエッチング速度の低下は、ホール底に到達するイオンの減少などが主な要因である。この発明の発明者は、反射イオンによる悪影響を被エッチング材上部のマスク部に留めることにより、被エッチング材でのボーイング発生を抑制する方法を見出した。また、高アスペクト比部でのエッチングの問題を解決するため、ホール側壁への入射イオンを増加させること無く、高アスペクト比部に直接入射するイオンを増加する方法を見出した。以下、本発明にかかる被エッチング材のプラズマエッチング方法の実施形態を説明する。
【実施例１】
【００２７】
本実施例では、被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて被エッチング材をエッチング処理するプラズマエッチング方法において、被エッチング材のエッチング時に前記パターニングされたマスクの表面の開口に近い開口側壁に堆積物を堆積させて開口を狭めてマスク表面より下方の開口側壁にボーイングの生成を留める第１のステップと、マスクの表面に近い開口側壁に堆積した堆積物をエッチングしながら被エッチング材をエッチングする第２のステップにより、被エッチング材の開口側壁のボーイングを抑制するエッチング方法を説明する。
【００２８】
深孔（高アスペクト比孔）エッチングにおいて、マスク選択比（被エッチング材のエッチング速度／マスクのエッチング速度）の低い条件のエッチングではマスクの表面に形成された開口の先端部がスパッタにより次第に削られ、マスク先端部が大きく開口したテーパ形状となる。マスク表面近くの開口がテーパ形状になった場合、図１に示すように、マスクテーパ角θ（マスク孔の底部における立ち上がり角）が小さくなるとボーイング／ネッキング比（ボーイング）が拡大するという問題がある。高アスペクト比にあってもボーイング／ネッキング比は１であることが望ましい。
【００２９】
図２は、エッチング工程におけるマスクテーパ角θごとのアスペクト比（ホール深さ）に対する開口（ホール）側壁へのイオン入射分布を計算した結果である。この計算結果によれば、マスクテーパ角θが小さいほど、ホール側壁に入射するイオンの数が増加する。マスクテーパ角θが９０°の場合は、側壁に入射するイオン密度はマスク部から被エッチング材（ＳｉＯ２）の底部まで略一定である。しかしながら、マスクテーパ角θが８８°の場合には、マスク部での側壁に入射するイオン密度は、マスクテーパ角θ９０°の場合に比較して大きく、被エッチング材部ではアスペクト比１程度からアスペクト比１２程度にかけて増大し、アスペクト比１８程度でテーパ各９０°の場合と同等になる。同様に、マスクテーパ角θが８６°の場合には、マスク部での側壁に入射するイオン密度は、マスクテーパ角θ９０°の場合に比較してさらに大きく、被エッチング材部ではアスペクト比１程度からアスペクト比５程度にかけて大きく増大し、アスペクト比１０程度でマスクテーパ各９０°の場合と同等になる。つまり、深孔エッチングにおいて、マスク開口が外側に開いたテーパ形状である場合には、マスクで反射されたイオンがホール側壁に入射することによりボーイングが増大すると考えられ、マスク形状を制御することがボーイングを抑制する上で重要であることがわかる。
【００３０】
次に、マスク表面の開口部（先端部）の形状を変化させた場合のアスペクト比（ホール深さ）に対するホール側壁へのイオン入射量について計算した結果を図３に示す。図３において、０は被エッチング材とマスクとの接する箇所を示し、縦軸（アスペクト比）は、正の部分がマスク部を、負の部分が被エッチング材部を、横軸に開口側壁に入射するイオン密度を示している。計算結果より、点線で示すマスクテーパ角θが垂直（９０°）なマスク形状であっても、マスク開口に入射するイオンの入射角が、あるばらつきを持っている場合、マスク開口側壁のみならず被エッチング材の開口（ホール）側壁にイオンが入射する。実際のエッチングにおいても、被処理体に入射するイオンは、プラズマと被エッチング材（被処理体）の間に存在するシース領域で加速されるが、この加速領域において中性ガス等と衝突することによりイオンの軌道が変化することで、イオンの入射角にはばらつきが存在する。一方、マスク先端部の寸法を大きくする、すなわち、マスク表面近くの開口を小さくすると、実線で示すように、マスク表面近くの開口（ホール）側壁の上部にイオンの入射が集中し、マスク下層に位置する被エッチング材部分でのホール側壁に入射するイオンが減少する。これはマスク表面近くの開口を狭くすることにより、狭くなった開口部分が高アスペクト比のホールとして機能するため、被処理体に対して垂直でないイオンは、マスク表面近くの開口側壁（先端部）で衝突を繰り返すことによってエネルギーを失い、マスク下層に配置された被エッチング材への影響が小さくなる。つまり、マスク表面近くの開口が狭い場合には、入射イオンの入射角に対する一種のフィルターとして機能することになり、垂直性の高いイオンのみが被エッチング材の加工に寄与し、被エッチング材でのボーイングの生成を抑制することができる。
【００３１】
また、ボーイング（被エッチング材上部の加工寸法の最大となる部分）の増大は、テーパ形状のマスクで反射されたイオンや入射角のばらつきだけではなく、深孔エッチング中に発生するネッキングによっても引き起こされる。ネッキングは、フルオロカーボンプラズマから輸送される堆積性ラジカルやスパッタされたマスクの一部が、主にホール上部に堆積することで発生する。開いたマスクテーパ角を有するテーパマスクと同様に、ネッキングで反射された入射イオンにより、ネッキング直下にボーイングが形成される。ネッキングが、ホール上部のマスクの表面近くに形成されている場合は、ボーイングもマスク内に留めることができる。エッチング速度のマスク選択比が低い場合には、エッチングの進行に伴ってネッキングおよびボーイングの発生位置が深さ方向に移動するため、エッチングが進行すると被エッチング材の開口にボーイングが発生することになる。したがって、被エッチング材の開口にボーイングが発生するのを抑制するためには、マスクの開口のネッキング発生位置から被エッチング材までの距離を十分に長く保つことによって、ボーイングをマスク内に発生させるとともに、高マスク選択比のプロセスを用いることにより、ネッキングおよびボーイング発生位置が深さ方向へ移動することを抑制することで、ボーイングをマスク内に留まらせることが可能になる。
【００３２】
以下、マスクの表面に近い開口を狭くする方法の具体例を説明する。まず、深孔エッチングにおいて、マスクの表面に近い開口を狭くする方法について説明する。マスク表面に近い開口の形状は、被処理体に入射するイオンによるスパッタや化学反応等による削れ量と、プラズマ中の堆積性ラジカルの堆積速度とのバランスにより決まる。したがって、マスク表面に近い開口を狭くするためには、少なくとも深孔エッチング条件において、被エッチング材の上面に形成されたマスク表面の平坦な部分において堆積性ラジカルであるＣＦ（フルオロカーボン）ポリマーが堆積することが必要である。この条件が満たされる場合に、マスク表面の近くの開口側壁部にＣＦポリマーが堆積し、開口を狭くすることが可能になる。しかし、被エッチング材のエッチング時の堆積速度が大きすぎる場合、マスク表面近くの開口が狭くなり過ぎることで非開口となる恐れがある。この場合には、被エッチング材のエッチング時の堆積速度を低下させるか、マスク開口に入射するイオンエネルギーを大きくすることでスパッタの効果を大きくし、非開口とすること無くマスク表面近くの開口を狭くすることができる。
【００３３】
マスク表面近くの開口を狭くするために堆積速度を高くする方法として、具体的には、エッチングに用いるフルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）は、高いＣ／Ｆ比のガスを用いることにより、堆積するＣＦポリマー量を増加することができる。（ここで、高いＣ／Ｆ比とは、Ｃ／Ｆ比が２／３以上を高いＣ／Ｆ比をいう）この結果、マスク表面近くの開口を狭くすると同時に、マスク表面にＣＦポリマーが堆積することによって被エッチング材のエッチングにおけるマスク選択比を向上することができる。また、同様の効果を得るために、フルオロカーボンガスＣｘＦｙの流量を増加することやＣＦポリマーを除去する効果のあるＯ２ガスの添加量を減少させることにより、マスク表面近くの開口を狭くすることができる。さらに、被エッチング材のエッチング処理圧力を高圧化することや被エッチング材を低温化することによっても同様の効果が得られる。一方、マスク表面近くの開口が塞がれることを解決する手段として、例えば、ウエハバイアス電力を増加させることにより、入射イオンを高エネルギー化することで、スパッタの効果を増大し、マスク表面近くの開口が塞がれることを抑制することができる。
【００３４】
次に、ボーイングをマスク内に発生させ、被エッチング材に影響を与えない方法を述べる。具体的には、マスク表面近くの開口を狭める場合と同様に、被エッチング材のエッチングに用いるフルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）として、高いＣ／Ｆ比のガスを用いることにより、被エッチング材のエッチング時に高いマスク選択比（被エッチング材のエッチング速度／マスクのエッチング速度：ここで高いまたは低い選択比とは、Ｃ／Ｆ比を変えることにより、相対的に選択比が高くなる，低くなることをいう）を実現することが可能となる。高いマスク選択比とすることにより、被エッチング材のエッチング中のマスクの減少が抑制され、マスクのエッチング速度が遅いのでボーイングの生成がマスク中に留まり、ボーイング位置をホール先端部に留めることが可能になる。マスク選択比を高くする方法としては、フルオロカーボンガス流量を増大することや、被エッチング材のエッチング圧力を高圧にすること、さらに被エッチング材の温度を低温にすることで、同様の効果が得られる。特に、マスク表面に近い開口を狭めた場合には、マスク開口のテーパ形状に起因するマスク開口内部でのイオン反射による被エッチング材のボーイングの発生を抑制できるだけでなく、ネッキングの発生位置をマスク表面近くの開口に形成したことにもなり、ネッキングに起因するボーイング発生位置をマスク表面近くの開口（ホール上部）に発生させることが可能になる。この結果、ボーイングの発生位置を被エッチング材の上部に設けたマスク内に留めることができる。しかしながら、高いマスク選択比を実現するエッチング条件を用いたとしても、マスク初期の厚さが十分でない場合、ボーイングが被エッチング材に発生する恐れがある。したがって、マスク厚さは、十分に厚いことが求められ、ホール加工寸法に対してマスク厚さのアスペクト比が１０以上となる、すなわち、マスク厚さ／ホール加工寸法の比が１０以上であることが望ましい。
【００３５】
本実施例の具体的エッチング条件について述べる。まず、従来の低堆積エッチング条件では、エッチングガスとして、例えばＡｒ／Ｃ４Ｆ６／Ｏ２混合ガスを使用し、Ａｒ／Ｃ４Ｆ６／Ｏ２＝５００／３０／３５ｓｃｃｍとした。この時の処理圧力を２Ｐａに設定した。アンテナより高周波電力を印加することで反応装置内にプラズマを生成し、この時のプラズマ発生用高周波電力を４００Ｗとした。また、下部電極に印加するバイアス電力は５ｋＷとし、電極温度は＋２０℃に設定した。
【００３６】
図４を用いて、マスク表面近くの開口を狭めた場合と通常の場合のそれぞれのホール形状を説明する。図４（ａ）は、評価したサンプルの初期形状である。エッチングのストッパ層であるシリコン窒化膜４３上に堆積された被エッチング材４２であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の上には、パターニングされたアモルファスカーボン膜（ＡＣＬ）からなるマスク４１が形成されている。従来のエッチング条件での処理形状を図４（ｄ）に示す。プラズマ中から供給される堆積性ラジカルによる堆積速度に対し、被処理体に入射するイオンのスパッタ効果が支配的な場合には、マスク選択比が低く、マスク表面近くの開口（先端部）が削れることによりマスク開口は上方に開いたテーパ形状となる（図４（ｄ））。さらに、被エッチング材のエッチングを進めた場合の処理形状を図４（ｅ）に示す。マスクはさらに減少し、より開いたテーパ形状となる。また、テーパ形状のマスクの開口側壁で反射されたイオンにより、被エッチング材の開口にボーイングが増大する（図４（ｅ））。
【００３７】
一方、本発明による高堆積エッチング条件で処理する場合には、例えば、ガス流量を２倍に増加し、Ａｒ／Ｃ４Ｆ６／Ｏ２＝１０００／６０／７０ｓｃｃｍとし、処理圧力を１０Ｐａと増大させた。この場合、図４（ｂ）に示すように、マスクはほとんど減少せず、また、マスク表面近くの開口を狭めることができる（図４（ｃ））。さらに、被エッチング材のエッチングを進展させても図４（ｆ）に示すように、被エッチング材のボーイングを拡大させること無く、高いアスペクト比の開口を加工することが可能になる。
【００３８】
なお、上記実施例では、同じガス系を用いて、流量と処理圧力のみの設定を変えることで、マスク形状を制御する方法を示した。さらに、被エッチング材のエッチングガスとしてＣ／Ｆ比の高いガスに変更することでも、同様の効果を得ることは可能である。特に、図１１に示す環状構造を持つＣ５Ｆ６ガスを用いることにより、ＣＦポリマーの堆積速度を高くすることや高マスク選択比に効果がある。また、Ｃ５Ｆ６ガスを構成するＦの一つをＨに置換しても良い。さらに、電極の設定温度を低温にすることや、電極とウエハの間に封入するヘリウムガス圧の圧力を高くすることにより、ウエハの冷却効率を高くすることによっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３９】
以上のように、第１の実施例によれば、プラズマエッチング装置により被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理する被エッチング材のプラズマエッチング方法において、前記パターニングされたマスクの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させるとともにマスクの表面から離れた開口側壁に第１のステップと、このマスクを用いて被エッチング材をエッチング処理する第２のステップからなる被エッチング材のプラズマエッチング方法を提供することができる。
【００４０】
さらに、第１の実施例によれば、プラズマエッチング装置により被エッチング材上にパターニングされて形成されたマスクを用いて前記被エッチング材をエッチング処理する被エッチング材のプラズマエッチング方法において、フルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）を用いて前記マスクのマスクパターンの表面に近い開口側壁に堆積物を付着させながら被エッチング材をエッチングする第１のステップと、フルオロカーボンガスＣｘＦｙ（ｘ＝１、２、３、４、５、６、ｙ＝４、５、６、８）を用いて前記マスクのマスクパターンの表面に近い開口側壁に付着させた堆積物を削りながら被エッチング材をエッチングする第２のステップと、を順次行う被エッチング材のプラズマエッチング方法を提供することができる。
【実施例２】
【００４１】
本実施例では、マスクパターンの表面に近い開口を狭めて被エッチング材をエッチングする第１のステップと、マスクパターンの表面に近い開口を削利ながら被エッチング材をエッチングする第２のステップとを順次行うことにより、ホール底部での加工寸法の縮小を抑制し、且つ、高アスペクト比におけるエッチレート低下を解消することのできるエッチング方法を説明する。
【００４２】
実施例１では、マスクの表面に近い開口を狭めることで、被エッチング材でのボーイング発生を抑制する方法を示した。しかし、マスクの表面に近い開口を狭めることにより、実効的なマスク径が小さくなるため、ホール底部の加工寸法（ボトムＣＤ）が設計値未満になってしまうおそれがある。また、入射イオンは、中性ガス等との衝突により、ある分散角を持つが、特に高ガス圧力での条件で分散角が大きい場合や、エッチング後半の高アスペクト比部のエッチングの際には、多くのイオンがボトムに到達するまでにホール側壁に衝突してしまい、直接ホール底に到達するイオンの減少によりエッチレートが低下するという問題がある。
【００４３】
実施例１に示す深孔エッチング後半でボトム寸法を十分に確保することができない問題において、ホール底部（ボトム）での加工寸法を拡大するために、被エッチング材のエッチングによりマスクの表面に近い開口を狭める第１のステップに続き、被エッチング材のエッチングによりマスクの表面に近い開口の堆積物を削る第２のステップにより、ボトムＣＤを拡大することができる。但し、マスクの開口の堆積物を削ると、実施例１に示したような入射角の大きいイオンを除去する効果が小さくなり、被エッチング材の開口の側壁にボーイングが発生する恐れがある。そこで、第２のステップにおいては、第１のステップよりも低い処理圧力を用いることにより、入射イオンの指向性を高めることで被エッチング材の開口の側壁へのボーイングの生成を抑制しつつ、エッチングレートの低下を改善することを可能にする。
【００４４】
図５に、入射イオンの分散角σごとのアスペクト比（ホール深さ）に対するホール側壁に入射するイオンフラックスの関係を示す。図５において、縦軸のアスペクト比は、マスク表面の開口の大きさが一定の場合のマスク表面からの開口の深さとして示される。この例では、アスペクト比−１０が被エッチング材とマスクとの境界面を表している。この図では、入射イオンの分散角σが、２°を実線で、５°を破線で、８°を点線で示している。この図から、イオン分散角σが小さいほど、マスク表面近くの開口の側壁（ホール上部側壁）に入射するイオンを減少することができることから、被エッチング材の開口側壁でのボーイング抑制効果があることがわかる。
【００４５】
また、図６に入射イオンの分散角σごとのアスペクト比（ホール深さ）と入射イオン数に対する直接ホール底に到達するイオン数の割合を示す。図６において、縦軸のアスペクト比は、マスク表面の開口の大きさが一定の場合のマスク表面からの開口の深さとして示される。この例では、アスペクト比−１０が被エッチング材とマスクとの境界面を表している。この図では、入射イオンの分散角σが、２°を実線で、５°を破線で、８°を点線で示している。入射イオンの分散角σが例えばσ＝８°の場合には、アスペクト比（ホール深さ）−１０において、入射イオンのうちの半数以上が、ホール底に到達する前にホール側壁に衝突してしまう。これに対し、分散角σが小さい場合（σ＝２°）には、ホール側壁に衝突することなく、直接ホール底（アスペクト比−２５）に到達するイオンが多数（およそ６割以上））存在する。このホール底に直接到達するイオン数の増加は、エッチングレートの増加につながる。したがって、イオンの指向性を高めることにより、ボーイングの抑制だけでなく、高アスペクト比部で発生するエッチングレートの低下を改善することが可能になる。
【００４６】
以下、マスク先端部の寸法を小さくする、すなわち，マスク表面近くの開口を大きくするための具体例について説明する。マスク表面に近い開口を狭め、且つ、入射するイオンの指向性を高める方法を示す。具体的には、マスク表面に近い開口を狭める第１のステップで使用した処理圧力に対して、マスク表面に近い開口の側壁に大成した堆積物を削利ながら被エッチング材をエッチングする第２のステップでは処理圧力を低くすることでマスク表面に近い開口を狭めることができると同時にイオンの指向性を高めることができる。
【００４７】
図７にフルオロカーボンプラズマにおける処理圧力とホール側壁への堆積速度と上はバイアスの関係を示す。ここでは、ウエハバイアスが０Wである場合に、堆積速度が２００ｎｍ／ｍｉｎとなるようにガス流量を調整している。ウエハバイアス０Ｗにおいて堆積速度がほぼ一定となる条件において、ウエハバイアスを５ｋＷに増加すると、堆積速度は低下する。特に、処理圧力が低圧である程、このホール側壁への堆積速度は低下する。これは、シース領域で加速されたイオンが被処理体に到達するまでに中性ガス等と衝突する確率が減少することにより、高エネルギーのイオンが被処理体に入射することでイオンスパッタの効果が大きくなるためである。この様に処理圧力を低圧化することによってイオンスパッタ効果が大きくなり、マスク表面に近い開口を狭めることができる。また、処理圧力の低圧化は、イオンと他のガス等との衝突確率が低くなるため、イオンの指向性が高くなり、被エッチング材の開口側壁でのボーイングを抑制することができる。さらに、直接孔底に到達するイオンが増加するために、エッチレートを改善することができる。
【００４８】
ここでは、低圧力にすることにより、マスク表面に近い開口を狭める方法を示したが、フルオロカーボンガスとして第１のステップで使用したフルオロカーボンガスに対して、第２のステップで使用するフルオロカーボンガスとして低いC／Ｆ比のフルオロカーボンガスを使用することや、第１のステップより第２のステップでのフルオロカーボンガス流量を減少させること、第１のステップより第２のステップでのO２ガス流量を増加させること、第１のステップより第２のステップでの電極温度を上昇させることにより、ホール側壁への堆積速度を低下させることができる。本実施形態では、被処理体を設置する電極の温度をコントロールする手段として、特開２００８−０３４４０８号公報、特開２００８−０３４４０９号公報記載の直膨式電極を用いることにより約１℃／ｓの高速制御を可能にしている。また、電極はヒーターを具備し、温度を上昇させることが出来る。さらに、ウエハバイアスを増加することでスパッタによる効果を大きくすることにより、同様の効果が期待できることは言うまでもない。
【００４９】
図８−１、８−２および図９を用いて、本実施例のエッチングシーケンスとそのホール形状の態様について述べる。図８―１（ａ）は、従来のエッチングシーケンスであり、図８−１（ｂ）は高アスペクト比加工に向けたステップエッチングシーケンスである。図８−１（ａ）に示す従来のシーケンスでは、エッチング条件を変化させずに一貫処理している。例えばガス条件をＡｒ／Ｃ４Ｆ６／Ｏ２＝１０００／６０／７０ｓｃｃｍとし、処理圧力を１０Ｐａとし、この条件で被エッチング材のエッチングを実施した場合の時刻ｔ１におけるエッチング形状は、図９（ａ）の様になる。図８−１（ａ）に示すように処理条件を変化させることなくエッチングを進めた場合には、マスク表面近くの開口寸法が小さく、ホール内に入射するイオンが制限されるために、時刻ｔ２では図９（ｂ）に示すようにボトムの開口寸法が十分に得られない。一方、図８−１（ｂ）のステップエッチングシーケンスの場合、第１のステップに対して、第２のステップでは処理圧力を低下させ、ガス流量を減少し、電極温度を上昇させている。例えば、第１のステップでは処理圧力を１０Ｐａとした場合に、時刻ｔ１以降の第２のステップでは処理圧力を２Ｐａに減圧すると、図９（ｃ）に示すようにマスク表面に近い開口の側壁はスパッタにより削られ、また、入射するイオンの指向性が高くなることで、被エッチング材の開口のボーイングを抑制しながら、孔底の加工寸法を広げることができる。
【００５０】
なお、上記実施例では、処理圧力のみの設定を変えることで、マスク形状および入射イオンの指向性を制御する方法を示したが、第１のステップに対して、第２のステップではフルオロカーボンガスとしてＣ／Ｆ比の低いガスに変更することや、電極の設定温度を上昇させること、電極とウエハの間に封入するヘリウムガス圧の圧力を低下させることのいずれかまたはそれらの組み合わせを選ぶことによっても、マスク表面近くの開口の側壁に堆積した堆積物を削る効果が得られることは言うまでもない。
【００５１】
また、上記実施例では、第１のステップから第２のステップへの２段階のステップであった。しかしながら、図８−２（ｃ）に示すように、ステップ数を３以上の複数のステップとし、ステップの進行につれて、順次処理圧力を低下させ、ガス流量を増加させ、電極温度を上げることにより、より被エッチング材に形成する開口の形状を高精度に制御することも可能である。さらに、複数のステップを組むことなく、図８−２（ｄ）に示すように連続的に各パラメータを変化させても良い。
【実施例３】
【００５２】
実施例１および実施例２に示す被エッチング材のエッチング方法において、長期間安定にエッチング形状を制御するエッチング方法について説明する。
【００５３】
まず、本発明によるプラズマエッチング方法を実施するプラズマエッチング装置構成の概要を図１０に示す。図１０の実施の形態は本発明を実施するプラズマエッチング装置の基本的構成である。プラズマエッチング装置は、ガス導入手段１０８と真空排気手段１１７を有する真空容器１０１に磁場コイル１０７が配置されており、同軸ケーブルによりアンテナ１０９に導入される電磁波と該磁場コイル１０７による磁場の相互作用で真空容器１０１内に導入されたガスをプラズマ化する。この時、バイアス用電源１１０より発振された電磁波を整合器１１１とブロッキングコンデンサを用いて試料設置電極１１４に印加することで、高速に被処理体１０２のプラズマ処理を行うことができる。本実施の形態におけるアンテナ１０９には第一の整合器１０４を介し４５０ＭＨｚのプラズマ生成用の第一の電源１０３と、第二の整合器１０６を介し、４ＭＨｚの第二の電源１０５の２つの周波数が印加されている。被処理体１０２は１２インチ径であり、該被処理体とアンテナ１０９の間隔は３ｃｍとなっている。アンテナ１０９は、シリコンで形成されており、また該シリコンの表面に形成した複数の孔から原料ガスが真空容器１０１内に導入される構成となっている。また処理室内を所定の圧力に減圧するため、例えばターボ分子ポンプなどの排気手段１１７と、処理室内を所定の圧力値に調節するためのガス圧力調整バルブ１１６が該排気手段の前段に設置されている。４ＭＨｚの第二の電源１０５の電磁波は、アンテナ１０９表面とプラズマとの間で形成される電位を調節する機能を持つ。該４ＭＨｚの第二の電源１０５の出力を調節することでシリコン表面の電位が任意に調節でき、アンテナ１０９とプラズマ内活性種の反応が制御できる。処理室内には被エッチング材（被処理体）１０２を戴置するためのステージ１１２が設置されている。該ステージ（戴置台）１１２には被処理体１０２を吸着するための試料設置電極１１４と被処理体を上に持ち上げるためのプッシャーピン（図示せず）が設置されている。また、試料設置電極１１４には温調装置１１５が接続されており、電極温度を制御することができる。
【００５４】
さらに、処理室内にはスキャトロメトリ装置を具備している。スキャトロメトリとは、非特許文献１に示すように、外部光を被処理体に照射した際の反射光の偏光状態を測定し、そこで得られるスペクトル分布から、データベースを基に解析し、被処理体の形状を計算により求める手法である。
【００５５】
実施例１および実施例２に示す本発明では、マスク形状を制御することが、ボーイングを抑制する上で重要である。スキャトロメトリにより、エッチング形状を求めることができる点を利用し、エッチング終了後、外部光源１１８、発光モニタ１１９、発光を解析する装置１２０から構成されるスキャトロメトリ装置により、エッチング形状を求めることができる。もし、マスク形状または被エッチング材の形状に変動があった場合は、通信線を介してフィードバック手段１２１に制御信号が送られ、さらに通信線を介してガス導入手段１０８、ガス圧力調整バルブ１１６、温調装置１１５に制御信号が送られ、形状変動を抑制することができる。例えば、マスク表面に近い開口が所望の狭め量となった場合には、フィードバック手段を介して、ＣＦポリマーの堆積速度を増加する効果のあるフルオロカーボンガス流量を増加することで、マスク表面近くの開口を狭めることができる。本実施例では、フィードバック制御するガスパラメータをフルオロカーボンガス流量としたが、ＣＦポリマーを除去する効果のあるＯ２流量を減少させることによっても同様の効果が得られることは言うまでも無い。また、ガス圧力調整装置や電極温度をコントロールすることにより、形状を安定化させることができるのは勿論である。
【００５６】
なお、上記プラズマエッチング装置では、エッチング終了後にスキャトロメトリ装置により形状を求めたが、エッチングをしながらスキャトロメトリにより形状を求め（in-situ観測）、フィードバックすることでエッチングしても良い。また、このプラズマエッチング装置では、スキャトロメトリ装置を、処理室に取り付けて計測しているが、ロードロック室やアンロードロック室に設置しても良い。さらに、エッチング装置とは別に、独立してスキャトロメトリ装置を追加しても良い（ex-situ観測）。この様に、スキャトロメトリ装置により求めた形状結果を基にフィードバックをかけることにより、長期安定して形状制御することが可能になる。また、スキャトロメトリ装置と同等あるいはそれを上回る形状測定結果が得られる手法であれば、スキャトロメトリ装置以外の形状測定手段であっても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００５７】
上記のプラズマエッチング装置では、プラズマの生成手段が被処理体の対面に配置された電極に被処理体と別の高周波電力を印加してプラズマを生成する手段について説明したが、プラズマの生成が被処理体の載置台に高周波電力を印加することでプラズマを生成する手段あるいはプラズマ生成手段が誘導結合方式または磁場と高周波電界の相互作用によってプラズマが生成されることを特徴とするプラズマエッチング装置であっても同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００５８】
なお、上記の実施例で対象とした具体的なエッチング方法は、Ａｒ／Ｃ４Ｆ６／Ｏ２＝１０００／６０／７０ｓｃｃｍ、処理圧力１０Ｐａ、半導体ウエハの設定温度２０℃、ウエハバイアス５ｋＷをスタート条件とした。ガス種、ガス流量、圧力、ウエハの設定温度およびウエハバイアスがこの条件から大きく逸脱しない範囲において、同様の効果が得られることは言うまでも無い。また、プラズマの原料ガスにフルオロカーボン系ガスを主成分とするＨＡＲＣエッチングにおいて、被処理体であるシリコン基板上のＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４のいずれか一つを主原料とする膜をエッチング処理するプロセスに適用できることは勿論である。なお、エッチングに用いる絶縁膜は、該プラズマエッチング装置を用いて被処理体であるシリコン基板上のＳｉＯ２、ＳｉＣ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＣＨ、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４の二種類以上の多層構造をエッチング処理することにも適用できることは勿論である。
【００５９】
以上説明したように、上記実施例によれば、被エッチング材のエッチング処理の進行に伴うアスペクト比の変化に連動させてエッチング条件を変更させてプラズマエッチングすることにより、高アスペクト比の深孔加工において、従来以上にボーイングを低減し、また、高アスペクト比部でのホール底加工寸法の縮小やエッチング速度の低下を解消することができるエッチング処理方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００６０】
４１…パターニングされたアモルファスカーボンマスク、
４２…シリコン酸化膜、
４３…シリコン窒化膜、
１０１…真空容器、
１０２…被処理体、
１０３…第一の電源、
１０４…第一の整合器、
１０５…第二の電源、
１０６…第二の整合器、
１０７…磁場コイル、
１０８…ガス供給手段、
１０９…アンテナ、
１１０…バイアス用電源、
１１１…第三の整合器、
１１２…ステージ、
１１３…フォーカスリング、
１１４…試料設置電極、
１１５…温調装置、
１１６…ガス圧力調整バルブ、
１１７…排気手段、
１１８…外部光源、
１１９…発光モニタ、
１２０…発光を解析する装置、
１２１…フィードバック手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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