(57)【要約】【課題】被エッチング膜に所望する形状のホールまたはトレンチを形成することのできるプラズマ処理装置およびドライエッチング方法を提供する。【解決手段】ウェハの主面上に形成された、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜とが交互に積層された多層膜に、プラズマを用いたエッチングによりホールまたはトレンチを形成する際に、ウェハを搭載する試料台に供給される高周波電力を、予め求められた、マスクの歪み量とウェハへの入熱量との相関データに基づいて設定する。また、エッチング中のウェハへの入熱量を温度センサ等によって求め、求められたエッチング中のウェハへの入熱量に基いて、多層膜をエッチングする時間を制御する。【選択図】図１０
2015211139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理室と、
プラズマを生成するために、前記プラズマ処理室の内部に第１高周波電力を供給する第１高周波電源と、
前記プラズマ処理室の内部に配置された試料台と、
前記試料台に第２高周波電力を供給する第２高周波電源と、
を備え、
前記試料台上にウェハを載置して、前記ウェハの主面上に形成された被エッチング膜をエッチングするプラズマ処理装置であって、
前記被エッチング膜上に、パターニングされたマスクが形成されており、
前記第２高周波電力は、予め求められた、前記マスクの歪み量と前記ウェハへの入熱量との相関データに基づいて設定される、プラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
エッチング中に前記ウェハへの入熱量を求める第１の機構、
をさらに備え、
前記第１の機構により求められたエッチング中の前記ウェハへの入熱量に基いて、前記被エッチング膜をエッチングする時間が制御される、プラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記第１の機構は、温度センサであり、
前記温度センサによって得られた積算温度からエッチング中の前記ウェハへの入熱量を求める、プラズマ処理装置。
【請求項４】
ウェハの主面上に形成された被エッチング膜と、前記被エッチング膜上に形成され、パターニングされたマスクとを有する被処理物に対して、プラズマを用いたエッチングを実施することにより、前記被エッチング膜にホールまたはトレンチを形成するドライエッチング方法であって、
エッチングガスは、フルオロカーボンガスを含み、
前記被エッチング膜は、前記ウェハを搭載する試料台に高周波電力を供給することによってエッチングされ、
前記高周波電力は、予め求められた、前記マスクの歪み量と前記ウェハへの入熱量との相関データに基づいて設定される、ドライエッチング方法。
【請求項５】
請求項４記載のドライエッチング方法において、
エッチング中の前記ウェハへの入熱量を求め、
求められたエッチング中の前記ウェハへの入熱量に基いて、前記被エッチング膜をエッチングする時間が制御される、ドライエッチング方法。
【請求項６】
請求項５記載のドライエッチング方法において、
エッチング中の前記ウェハへの入熱量は、温度センサによって得られた積算温度から求める、ドライエッチング方法。
【請求項７】
請求項５記載のドライエッチング方法において、
エッチング中の前記ウェハへの入熱量は、前記プラズマの発光スペクトルの変化量から求める、ドライエッチング方法。
【請求項８】
請求項５記載のドライエッチング方法において、
エッチング中の前記ウェハへの入熱量は、光を用いる寸法計測法により得られた測定対象の計測値から求める、ドライエッチング方法。
【請求項９】
請求項４記載のドライエッチング方法において、
前記高周波電力は、第１電力と、第２電力とを有し、
前記高周波電力が供給される期間は、前記第１電力が供給される第１期間と、前記第１期間の後、前記第２電力が供給される第２期間とを有し、
前記第１電力は、０Ｗ以上、前記第２電力以下である、ドライエッチング方法。
【請求項１０】
請求項９記載のドライエッチング方法において、
前記第２電力の前記第２期間のＤｕｔｙ比は、５０％以上、９５％以下である、ドライエッチング方法。
【請求項１１】
請求項４記載のドライエッチング方法において、
前記エッチングガスは、前記フルオロカーボンガス、酸素含有ガスおよび希釈ガスを混合したガスである、ドライエッチング方法。
【請求項１２】
請求項４記載のドライエッチング方法において、
前記エッチングガスは、前記フルオロカーボンガス、フッ素含有ガス、酸素含有ガスおよび希釈ガスを混合したガスである、ドライエッチング方法。
【請求項１３】
請求項４記載のドライエッチング方法において、
前記マスクは、アモルファスカーボンからなる、ドライエッチング方法。
【請求項１４】
請求項４記載のドライエッチング方法において、
前記被エッチング膜は、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とが交互に積層された多層膜、または多結晶シリコン膜と酸化シリコン膜とが交互に積層された多層膜を含む、ドライエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置およびドライエッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、国際特許公開ＷＯ１３／１１８６６０号公報（特許文献１）がある。この公報には、基板上に比誘電率の異なる第１の膜および第２の膜が交互に積層された多層膜をプラズマによりエッチングし、多層膜に所定形状の穴または溝を形成するための半導体製造装置の製造方法が記載されている。この半導体製造装置の製造方法は、多層膜をＣ４Ｆ８とＨＢｒを含む混合ガスを用いたエッチングを実行する第１の工程と、多層膜をガス比を変更したＣ４Ｆ８とＨＢｒを含む混合ガスを用いたエッチングを実行する第２の工程と、第２の工程後、多層膜の下地層に穴または溝が到達するまでオーバーエッチングを実行する第３の工程とを含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際特許公開ＷＯ１３／１１８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば３次元構造のメモリ素子を有するフラッシュメモリでは、ＡＣＬ（Amorphous Carbon Layer：アモルファスカーボン層）をマスクに用いたエッチングによって、互いに比誘電率の異なる第１の膜と第２の膜とを交互に積層した多層膜（ペア層、積層膜などとも言う）にホール（穴）またはトレンチ（溝）が形成されている。しかし、この際、マスクの高さ不足および変形、またはマイクロローディングなどにより、所望する形状のホールまたはトレンチが形成できないという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、被エッチング膜に所望する形状のホールまたはトレンチを形成することのできるプラズマ処理装置およびドライエッチング方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、試料台上にウェハを載置し、ウェハの主面上に形成された被エッチング膜を、パターニングされたマスクを用いてエッチングするプラズマ処理装置において、予め求められた、マスクの歪み量とウェハへの入熱量との相関データに基づいて、試料台に供給される高周波電力を設定する。
【０００７】
また、本発明は、ウェハの主面上に形成された被エッチング膜を、パターニングされたマスクを用いてプラズマによりエッチングして、被エッチング膜にホールまたはトレンチを形成するドライエッチング方法において、予め求められた、マスクの歪み量とウェハへの入熱量との相関データに基づいて、ウェハを搭載する試料台に供給される高周波電力を設定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、被エッチング膜に所望する形状のホールまたはトレンチを形成することのできるプラズマ処理装置およびドライエッチング方法を提供することができる。
【０００９】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施例による平行平板型の有磁場ＶＨＦドライエッチング装置の概略図である。
【図２】本実施例によるエッチング前の被エッチング膜の構造を示す要部断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、比較例として示すマスクの高さが不足した場合のエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、比較例として示すマスクに歪みが発生した場合のエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、比較例として示すマイクロローディングが発生した場合のエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。
【図６】マスクの歪み（長径／短径）と規格化されたマスクへの入熱量との関係を示すグラフ図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、マスクの歪み（長径／短径）が１．０、０．９および０．６の場合のエッチング後のマスクの形状を示す平面図である。
【図８】規格化されたエッチングレートと規格化されたホールのアスペクト比との関係を示すグラフ図である。
【図９】本実施例による最適なエッチング条件を解析する手順を示す工程図である。
【図１０】本実施例による被エッチング膜のエッチングの手順を示す工程図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、本実施例によるエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１２】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。
【００１３】
また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１４】
また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１５】
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態において、窒化シリコン、窒化ケイ素またはシリコンナイトライド等というときは、Ｓｉ３Ｎ４は勿論であるが、それのみではなく、シリコンの窒化物で類似組成（例えば化学量論的組成からずれた組成）の絶縁膜を含むものとする。また、酸化シリコンまたは酸化珪素等というときも、ＳｉＯ２は勿論であるが、それのみでなく、シリコンの酸化物で類似組成（例えば化学量論的組成からずれた組成）の絶縁膜を含むものとする。
【００１６】
また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
近年、フラッシュメモリの高集積化に伴い、チャネルまたはゲート電極を鉛直方向に積層化するという３次元構造のメモリ素子が検討されている。このような３次元構造のメモリ素子を実現するためには、多結晶シリコン膜と酸化シリコン膜、または窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを交互に積層した多層膜に対して、高アスペクト比のホールまたはトレンチを形成することのできるエッチング技術が必要である。特に、フラッシュメモリに適用される３次元構造のメモリ素子では、チャネル用のホールを形成する際、電界集中を減らすための真円形状で、かつ特性ばらつきを軽減するための垂直な円柱形状のホールを実現するためのエッチングが要求される。
【００１８】
しかし、詳細は後述するが（後述の２．多層膜のエッチング方法の課題参照）、エッチングの際に用いるマスクの高さが不足する問題が発生する。また、この問題を解決するためにマスク選択比を改善するとマスクに堆積物が付着し、堆積物への入熱によりマスクが変形して、ホールの形状が真円形状からずれるという問題が発生する。さらに、堆積物への入熱を抑制するためにウェハに印加するバイアスを低減すると、マイクロローディングが発生し、ホールの径および深さのばらつきが生じて、メモリ素子の特性ばらつきが悪化するという問題が発生する。
【００１９】
本実施例によるプラズマ処理装置およびドライエッチング方法によれば、これらの問題を解決して、多層膜に所望する形状のホールまたはトレンチを形成することができる。
【実施例】
【００２０】
≪ドライエッチング装置の構成≫
本実施例によるプラズマ処理装置を図１を用いて説明する。図１は、本実施例による平行平板型の有磁場ＶＨＦ（Very High Frequency）ドライエッチング装置の概略図である。
【００２１】
有磁場ＶＨＦドライエッチング装置における真空容器は、プラズマ処理室としてのエッチングチャンバー（処理室、プラズマ処理室とも言う）２０６と、ＶＨＦ放射アンテナ２１１と、真空ポンプ（図示は省略）と、圧力制御バルブ（図示は省略）とを備えている。
【００２２】
エッチング用のガスは、マスフローコントローラ（図示は省略）およびストップバルブ（図示は省略）を通過した後、第１ガス導入口２０７と、第２ガス導入口２０９とを通して、シャワープレート２１２の同心円状にエッチングチャンバー２０６の内部へ導入される。このようにエッチングチャンバー２０６の内部へ導入されたエッチング用のガスがプラズマ発生手段により照射された電磁波のエネルギーによって解離されて、プラズマが生成し、維持される。
【００２３】
プラズマ発生手段は、２００ＭＨｚのＶＨＦ波のソース用電源（第１高周波電源）２０１と、ソース電磁波用整合器２０２と、第１電磁石２０４および第２電磁石２０５からなる磁場発生手段とを有している。第１電磁石２０４および第２電磁石２０５を用いて、プラズマ生成分布は均一化される。発生磁場はシャワープレート２１２近傍で１０ｍＴ以下である。
【００２４】
ウェハ２１３を載置するウェハステージ（試料台とも言う）２１６は、ウェハ２１３の載置面の外周側および側壁を覆って配置されたリング形状のフォーカスリング２１４と、サセプタ２１５とを備えており、ウェハステージ２１６の複数部分は、複数の温度制御手段等（図示は省略）を用いて、互いに異なる所定の温度にそれぞれ制御される。ウェハステージ２１６には、プラズマ中からウェハ２１３にイオンを引き込み、そのイオンエネルギーを制御するための４ＭＨｚのＲＦバイアス電源（第２高周波電源）２１９と、ＲＦバイアス整合器２１７とが接続されている。
【００２５】
ＲＦバイアス電源２１９には、２レベルでＴＭ（Time Modulation）バイアスの発振が可能な電源を用いた。これにより、１２インチ径のウェハ２１３に対して、連続正弦波時相当で最小電力１Ｗ程度から最大電力６ｋＷ程度の出力ができ、かつ、チャージアップダメージ（電子シューディング）の低減および垂直加工性の効果を得ることができる。ＲＦバイアス電源２１９は０．１〜１０ｋＨｚの範囲で、高バイアスパワーと低バイアスパワーという２レベルの電力と、それぞれの期間を設けることが可能であり、低バイアスパワーは０Ｗから高バイアスパワーまでの範囲で設定することが可能である。また、高バイアスパワーの時間（ｔ１）と１周期時間（ｔ２）との比（ｔ１／ｔ２）をＤｕｔｙ比と定義し、ＴＭバイアスの周期とＤｕｔｙ比とを用いて高バイアスパワーおよび低バイアスパワーのそれぞれの時間を制御する。
【００２６】
また、有磁場ＶＨＦドライエッチング装置には、プラズマを透過するバイアス電流のＶＨＦ放射アンテナ２１１への割合を制御するバイアス経路制御機構２２０が備わっており、バイアス経路制御機構２２０によって、プラズマの分布をより高精度に制御することが可能である。さらに、ＴＭバイアスの高バイアスパワーと低バイアスパワーとに応じたプラズマインピーダンスの変化に追随して放電を安定化させるために、ソース電磁場用整合器２０２およびバイアス経路制御機構２２０には、ＲＦバイアス電源２１９から周期情報が入力される。
【００２７】
なお、図中、符号２０３で示す部位はフィルタユニット、符号２０８で示す部位は石英天板、符号２１０で示す部位はガス分配プレート、符号２１８で示す部位はＥＳＣ（Electro Static Chucks）用直流電源である。
【００２８】
≪多層膜のエッチング方法≫
１．被エッチング膜の構造
図２は、本実施例によるエッチング前の被エッチング膜の構造を示す要部断面図である。
【００２９】
図２に示すように、ウェハ基板１０１の主面上にストッパ膜１０２が形成されている。ストッパ膜１０２は、例えば酸化シリコン膜である。ストッパ膜１０２上には、酸化シリコン膜１０３と窒化シリコン膜１０４とが交互に積層された多層膜１０８が形成されている。酸化シリコン膜１０３の層数は、例えば１１層、窒化シリコン膜１０４の層数は、例えば１２層であり、酸化シリコン膜１０３および窒化シリコン膜１０４のそれぞれの厚さは、例えば１５〜４０ｎｍである。さらに、多層膜１０８上には、キャップ酸化シリコン膜１０５が形成され、キャップ酸化シリコン膜１０５上には、キャップ窒化シリコン膜１０６が形成されている。キャップ酸化シリコン膜１０５およびキャップ窒化シリコン膜１０６のそれぞれの厚さは、例えば５０〜１５０ｎｍである。
【００３０】
キャップ窒化シリコン膜１０６上には、パターニングされた炭素を含有するＡＣＬ１０７からなるマスクが形成されている。このパターニングされたＡＣＬ１０７をマスクとして、キャップ窒化シリコン膜１０６、キャップ酸化シリコン膜１０５および多層膜１０８はエッチングされる。本実施例による被エッチング膜は、キャップ窒化シリコン膜１０６、キャップ酸化シリコン膜１０５および多層膜１０８であり、窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを交互に積層した構造であるが、これは一例であって、この構造に限定されるものではない。例えば多結晶シリコン膜と酸化シリコン膜とを交互に積層した構造であってもよい。
【００３１】
２．多層膜のエッチング方法の課題
まず、本実施例による多層膜のエッチング方法がより明確になると思われるため、本発明者らが見出した多層膜にホールを形成するエッチングにおいて生じる不具合について図３〜図５を用いて説明する。図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、比較例として示すマスクの高さが不足した場合のエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、比較例として示すマスクに歪が発生した場合のエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、比較例として示すマイクロローディングが発生した場合のエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。
【００３２】
図３〜図５には、ウェハ基板１０１の主面上に順次形成されたストッパ膜１０２、多層膜１０８、キャップ酸化シリコン膜１０５およびキャップ窒化シリコン膜１０６を、ＡＣＬ１０７をマスクとしてエッチングした後の被エッチング膜の形状が示されている。エッチングガスには、フルオロカーボン、例えばＣＨｘＦｙ系ガスを含む混合ガスを用いた。
【００３３】
図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように、マスクの高さが不足した場合は、マスクの残り量の不足によるキャップ窒化シリコン膜１０６の肩落ちが発生し、また、多層膜１０８がテーパ形状となるという問題が発生する。
【００３４】
そこで、マスク選択比を改善するために、ＣＨｘＦｙ比を増加したエッチングガスを用いて被エッチング膜をエッチングした。その結果を図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。
【００３５】
図４（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように、ＣＨｘＦｙ比を増加したエッチングガスを用いることにより、マスクの上面に堆積物が付着するので、ストッパ膜１０２まで被エッチング膜をエッチングしてもマスクの高さは十分に残っている。しかし、プラズマからの入熱のため、マスクの上面に付着した堆積物の応力が変化してマスクの形状が変形する。その結果、ホールの形状に歪みが発生する。
【００３６】
そこで、次に、プラズマからの入熱を抑制するために、ウェハに印加するバイアスを低減した。その結果を図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。
【００３７】
図５（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示すように、ウェハに印加するバイアスを低減することにより、マスクの高さは十分に残り、また、ホールの形状に歪みは発生しない。しかし、ウェハに印加するバイアスが低減すると、イオンエネルギーが低下したことに伴ってマイクロローディングが顕在化し、ホールの径および深さのばらつきが増大する。
【００３８】
以上のことから、多層膜１０８にホールを形成するエッチングにおいては、ホールの形状の歪み（真円度：Distortion）、ホールの径および深さのばらつき（Intra-loading）並びにホールの垂直性を満たすように、エッチング条件を設定することが必要であることが分かる。
【００３９】
ところで、ホールの形状の歪みの原因としては、プラズマを用いたエッチングによるマスクの変形が考えられる。特に、マスクに付着したＣ（炭素）系堆積物へのプラズマからの入熱が、マスクの変形の主原因であると考えられる。
【００４０】
図６は、マスクの歪み（長径／短径）と規格化されたマスクへの入熱量との関係を示すグラフ図である。図６では、マスクに形成されたホールの長径と短径との比をマスクの歪みとし、ホールの径の設計寸法をパラメータとしている。図７（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、マスクに形成されたホールの歪み（長径／短径）が１．０、０．９および０．６の場合のエッチング後のマスクの形状を示す平面図である。
【００４１】
図６および図７に示すように、処理時間またはイオンエネルギーの増加によってマスクへの入熱量が増加すると、マスクに形成されたホールの歪みは悪化する傾向にある。また、マスクに形成されたホールの歪みは、パターンレイアウト、例えばホールの径または隣り合うホール間の距離にも大きく依存する。
【００４２】
このため、ホールの歪みの悪化を抑制するためには、ウェハに印加するバイアスを低くしてエッチングを実施することが望ましい。しかし、ウェハに印加するバイアスを低くすると処理時間が長くなるため、積算入熱量を調整する必要がある。また、Ｏ２の添加量を調整することによってＣ（炭素）系堆積物を削減する方法もあるが、同時にマスク選択比が低下する。
【００４３】
従って、ホールの歪みの悪化を抑制するためには、Ｃ（炭素）系堆積物の量を制御しつつ低イオンエネルギーでエッチングすることが望ましい。しかし、この場合は、ホールの径またはホールのアスペクト比に対するエッチングレートの依存性、すなわちマイクロローディングとの両立が必要となる。
【００４４】
プラズマを用いたエッチングでは、エッチング面に対する等方性ラジカル入射および異方性イオン入射によってエッチングが進行する。そのため、ホールのアスペクト比が高い場合、具体的にはエッチングの進行によりホールが深くなる場合、またはそれぞれが互いに異なる設計寸法を有する複数のホールの中でホールの径が小さい場合などは、エッチング面に入射する等方性ラジカルの入射量が減少して、エッチングレートが低下する。
【００４５】
図８は、規格化されたエッチングレートと規格化されたホールのアスペクト比との関係を示すグラフ図である。図８では、ウェハに印加するバイアスをパラメータとしている。
【００４６】
図８に示すように、エッチングレートはホールのアスペクト比に依存しており、ホールのアスペクト比が増加するに従って減少する。これがマイクロローディングである。設計寸法が同じであってもプロセス工程の影響、例えば露光マスクにおける寸法ばらつき、被エッチング膜の厚さばらつき、被エッチング膜の表面粗さなどにより、ホールの径にばらつきが存在する場合、このばらつきに起因してホールの深さにばらつきが発生する。これをintra-loadingという。
【００４７】
特に、プラズマを用いたエッチングでは、ホールの形成が矩形の断面形状ではなく先細りの断面形状となって、エッチングが進行していく。このため、intra-loadingが存在する場合には、ホールの深さがばらつくだけでなく、ストッパ膜に到達するタイミングが異なることから、前記図５に示したように、ストッパ膜に形成されるホールの底部の径（ボトム径）もばらつく。このintra-loadingを低減するには、エッチング反応のイオン性を増加する必要がある。つまり、ウェハに印加するバイアスを増加して、イオンエネルギーを高くする必要がある。しかし、これは先のホールの歪みと相反する事象となり、また、マスク選択比も低下する傾向となる。
【００４８】
以上、説明したように、フルオロカーボンを含む混合ガスを用いた多層膜のエッチングでは、ホールの歪みおよびintra-loadingを抑制すること、さらには、同時に所望するマスク選択比を得ることが要求される。このためは、イオンエネルギーを制御するウェハに印加するバイアス、および処理時間の最適化が重要となる。
【００４９】
３．本実施例における基本思想
本実施例では、複数のステップに分けてエッチングを行う。この場合、まず、「第１ステップ」では、ホールの歪みを抑制し、かつ高マスク選択比が得られる条件、すなわち低イオンエネルギーの条件を適用してエッチングを行う。しかし、エッチングが進行してホールが深くなるに従ってintra-loadingが顕著になる。そこで、「第２ステップ」として、高イオンエネルギーの条件を適用してエッチングを行う。高イオンエネルギーは、例えばウェハに印加するバイアスを増加することにより実現することができる。intra-loadingが顕著になる前にホールの歪みが悪化する場合には、intra-loadingが顕著になる前に「第２ステップ」に移行してもよい。この２つのステップの切り替えにより、ホールの歪みおよびintra-loadingを低減することができる。また、マスク選択比を確保する、またはホールの歪みをさらに低減する場合には、「第３ステップ」として、ウェハに印加するバイアスを時間変調してもよい。
【００５０】
４．本実施例における多層膜のエッチング条件の設定方法
本実施例による最適なエッチング条件（ウェハに印加するバイアスおよび処理時間）を解析する手順について図９を用いて説明する。図９は、本実施例による最適なエッチング条件を解析する手順を示す工程図である。イオンエネルギーはウェハに印加するバイアス（以下、単にウェハバイアスと記す）によって制御される。本実施例では、図９に示す手順に従って最適なエッチング条件を決定し、そのエッチング条件を使用してエッチングを行う。なお、ウェハに印加するバイアスとは、具体的には、前記図１に示す有磁場ＶＨＦドライエッチング装置に備わるＲＦバイアス電源２１９からウェハステージ２１６へ印加されるバイアスである。
【００５１】
（工程Ｓ１）まず、ホールの径およびピッチなどの被エッチング膜のパターンレイアウト情報を入力する。
【００５２】
（工程Ｓ２）次に、被エッチング膜の構造の情報、特にマスク（例えば前記図２に示すＡＣＬ１０７）の厚さおよび多層膜の膜厚（例えば前記図２に示す酸化シリコン膜１０３および窒化シリコン膜１０４の各膜厚）などを入力する。
【００５３】
（工程Ｓ３）次に、マスクの歪み量およびマスクへの入熱量のデータベースを参照して、被エッチング膜のパターンレイアウトにおいてマスクに歪みが発生しない最大入熱量Ｑ０を算出する。
【００５４】
（工程Ｓ４）次に、「第１ステップ」のウェハバイアスＷ１および「第２ステップ」のウェハバイアスＷ２の初期値を設定する。ここで、「第１ステップ」のウェハバイアスＷ１は「第２ステップ」のウェハバイアスＷ２よりも小さい（Ｗ１＜Ｗ２）。
【００５５】
（工程Ｓ５）次に、マイクロローディングのデータベースを参照して、ウェハバイアスＷ１，Ｗ２においてマイクロローディングが悪化する最大アスペクト比を見積もる。なお、ウェハバイアスＷ２においてマイクロローディングが悪化する最大アスペクト比は、設計仕様のアスペクト比以上であることが望ましいので、ウェハバイアスＷ２においてもマイクロローディングが悪化する最大アスペクト比を見積もる。しかし、本実施例では、ウェハバイアスＷ２においてマイクロローディングが悪化する最大アスペクト比は、必ずしも設計仕様のアスペクト比以上でなければならないということではない。また、エッチングレートのデータベースを参照して、ホールの径と最大アスペクト比から、「第１ステップ」の処理時間Ｔ１を算出する。
【００５６】
（工程Ｓ６）次に、被エッチング膜の構造から、「第２ステップ」でホールがストッパ膜（例えば前記図２に示すストッパ膜１０２）に到達する「第２ステップ」の処理時間Ｔ２を算出する。
【００５７】
（工程Ｓ７）次に、「第１ステップ」のウェハバイアスＷ１および処理時間Ｔ１、並びに「第２ステップ」のウェハバイアスＷ２および処理時間Ｔ２から積算入熱量Ｑを算出する。そして、この積算入熱量Ｑが最大入熱量Ｑ０よりも大きい場合には、ウェハバイアスＷ１，Ｗ２の初期の設定値を変更して、前記工程Ｓ３〜工程Ｓ６を繰り返す。
【００５８】
（工程Ｓ８）次に、エッチングレートのデータベースを参照して、「第２ステップ」が終わった場合のマスクの高さを算出する。マスクの高さの残り量が十分でない場合には、ウェハバイアスＷ１，Ｗ２の初期の設定値を変更して、前記工程Ｓ３〜工程Ｓ７を繰り返す。
【００５９】
（工程Ｓ９）マスクの高さの残り量が十分である場合には、「第１ステップ」のウェハバイアスＷ１および処理時間Ｔ１、並びに「第２ステップ」のウェハバイアスＷ２および処理時間Ｔ２を確定する。
【００６０】
（工程Ｓ１０）さらに、ホールの径を拡大する必要がある場合は、オーバーエッチングとして「第３ステップ」を追加する。
【００６１】
本実施例において算出された、「第１ステップ」、「第２ステップ」および「第３ステップ」のエッチング条件の一例を以下に示す。
【００６２】
「第１ステップ」のエッチング条件は、［ガス比］ＣＨ２Ｆ２：Ｃ４Ｆ６：Ｏ２＝１２：１０：１３、［圧力］Ｐｒｅ１＝２Ｐａ、［ウェハバイアス］Ｗ１＝１．６ｋＷ、［処理時間］Ｔ１＝６５０秒である。
【００６３】
「第２ステップ」のエッチング条件は、［ガス比］ＣＨ２Ｆ２：Ｃ４Ｆ６：Ｏ２＝１２：１０：１３［圧力］Ｐｒｅ２＝２Ｐａ、［ウェハバイアス］Ｗ２＝３．５ｋＷ、［処理時間］Ｔ２＝６５０秒である。
【００６４】
「第３ステップ」のエッチング条件は、［ガス比］ＣＨ２Ｆ２：Ｃ４Ｆ６：Ｏ２：ＮＦ３＝１１：１１：１０：４、［圧力］Ｐｒｅ３＝０．６Ｐａ、［ウェハバイアス］ＷＨｉｇｈ／ＷＬｏｗ＝３．５ｋＷ／０．５ｋＷ（ＴＭバイアス：ｆ＝０．５Ｈｚ、Ｄｕｔｙ比＝９０％）、［処理時間］Ｔ３＝４４０秒である。
【００６５】
本実施例では、ＣＨｘＦｙ系ガスと酸素含有ガスとの混合ガスを用いる。ＣＨｘＦｙ系ガスはエッチングガス堆積性を有し、ＣＨｘＦｙ系ガスとしては、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、Ｃ２ＨＦ５、Ｃ２Ｈ２Ｆ４、Ｃ２Ｈ３Ｆ３、ＣＨ４、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｃ２Ｈ２Ｆ４、ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ３Ｆ８、Ｃ４Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８等が使用される。また、酸素含有ガスとしては、Ｏ２、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＯＳ等が使用される。また、添加ガスとして、例えばＮＦ３、ＳＦ６などのフッ素含有ガスを使用してもよい。また、希釈ガスとして、例えばＡｒ、Ｈｅなどの希ガスまたはＮ２などのガスを使用してもよい。
【００６６】
また、ここでは、高バイアスパワーのＤｕｔｙ比を９０％としたが、５０％以上、９５％以下の範囲で設定することができる。
【００６７】
５．本実施例における多層膜のエッチング方法
本実施例による多層膜のエッチング方法について図１０を用いて説明する。図１０は、本実施例による被エッチング膜のエッチングの手順を示す工程図である。本実施例では、前記図９に示す手順に従って決定された最適なエッチング条件を使用してエッチングを行う。
【００６８】
（工程Ｐ１）まず、被エッチング膜が形成されたウェハをプラズマ処理処置（例えば前記図１に示す有磁場ＶＨＦドライエッチング装置）のエッチングチャンバーの内部へ導入する。
【００６９】
（工程Ｐ２）次に、エッチング条件に指定されたエッチングガスをエッチングチャンバーの内部へ導入し、圧力を調整する。その後、ソース用電源（第１高周波電源）により電磁波をエッチングチャンバーの内部へ導入してプラズマを生成させる。その後、エッチング条件に指定されたウェハバイアスがＲＦバイアス電源（第２高周波電源）からウェハを載置したウェハステージに印加されて、ウェハに形成された被エッチング膜のエッチングが開始される。
【００７０】
（工程Ｐ３）、（工程Ｐ７）および（工程Ｐ８）被エッチング膜のエッチング中は、リアルタイムでエッチング状況がモニタされる。通常は、プラズマからの発光スペクトルをモニタして、特定の波長または複数の波長を解析することにより、エッチングの深さや終点判定などを行う。本実施例では、特にマスクの歪み量を把握することが必要であるため、マスクの歪み量の指標をリアルタイムでモニタする必要がある。そこで、本実施例では、ウェハ近傍に設置した温度センサのデータをリアルタイムでモニタし、積算温度からウェハへの入熱量を解析する。
【００７１】
本実施例では、マスクの歪み量の指標を温度センサにより得られた積算温度から解析したが、これに限定されるものではない。例えばプラズマ中のＣ（炭素）関連の発光スペクトルの変化量をマスクの歪み量の指標とすることができる。また、例えばｉｎ−ｓｉｔｕＯＣＤ（Optical Critical Dimension；光を用いた寸法計測）法を適用し、そのモデルと測定対象との一致度を示す指標であるＧＯＦ（Goodness of Fit）値の変化量をマスクの歪み量の指標とすることができる。
【００７２】
処理時間中であっても、ウェハへの入熱量（歪み量指標）がエッチング条件に指定されたステップの入熱量（閾値）を超えた場合は、ステップを終了し、次のステップへ移行する。
【００７３】
（工程Ｐ４）、（工程Ｐ６）および（工程Ｐ８）また、同時に、終点判定もリアルタイムでモニタしており、処理時間中であっても、終点と判定された場合は、ステップを終了し、次のステップへ移行する。
【００７４】
（工程Ｐ５）および（工程Ｐ８）ウェハへの入熱量（歪み量指標）がエッチング条件に指定されたステップの入熱量（閾値）を超えない場合は、指定された処理時間（最大処理時間）までエッチングを行い、その後、次のステップへ移行する。
【００７５】
（工程Ｐ９）総ステップ数のエッチングを行った後、エッチングが終了する。
【００７６】
（工程Ｐ１０）その後、ウェハをエッチングシステムのエッチングチャンバーから搬出する。
【００７７】
本実施例では、ホールの径を拡大するために「第３ステップ」を適用している。「第３ステップ」では、マスク選択比を確保するためにＴＭバイアスを適用する。ＴＭバイアスではＯＦＦ周期中に堆積物が成長するため、マスク選択比が大幅に改善する。ただし、堆積物が厚くなり過ぎると、マスク歪み量が増大する懸念があるため、本実施例ではＯＦＦ周期にもＴＭバイアスを印加できる機能を適用した。つまり、ＯＮ／ＯＦＦ駆動ではなく、高ウェハバイアスおよび低ウェハバイアスを周期的に印加できる機能を適用した。高ウェハバイアスは、例えば３．５ｋＷ、低ウェハバイアスは、例えば０．５ｋＷである。
【００７８】
図１１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ、本実施例によるエッチング後のマスクおよび被エッチング膜の形状を示す要部断面図、エッチング後のマスクの形状を示す平面図およびエッチング後の被エッチング膜の下地膜であるストッパ膜に形成されたホールの底部の形状を示す平面図である。
【００７９】
図１１に示すように、本実施例によるエッチング条件およびプラズマ処理装置を用いることにより、ホールの形状の歪み（Distortion）並びにホールの径および深さのばらつき（Intra-loading）がなく、ホールの垂直性を満たすエッチングを行うことができる。
【００８０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００８１】
例えば前記実施例では、本発明を多層膜に複数のホールを形成するエッチング工程に適用した場合を例示したが、これに限定されるものではなく、例えば多層膜に複数のトレンチを形成するエッチング工程にも適用することもできる。
【符号の説明】
【００８２】
１０１  ウェハ基板
１０２  ストッパ膜
１０３  酸化シリコン膜
１０４  窒化シリコン膜
１０５  キャップ酸化シリコン膜
１０６  キャップ窒化シリコン膜
１０７  ＡＣＬ
１０８  多層膜（ペア層、積層膜）
２０１  ソース用電源
２０２  ソース電磁波用整合器
２０３  フィルタユニット
２０４  第１電磁石
２０５  第２電磁石
２０６  エッチングチャンバー（処理室、プラズマ処理室）
２０７  第１ガス導入口
２０８  石英天板
２０９  第２ガス導入口
２１０  ガス分配プレート
２１１  ＶＨＦ放射アンテナ
２１２  シャワープレート
２１３  ウェハ
２１４  フォーカスリング
２１５  サセプタ
２１６  ウェハステージ（試料台）
２１７  ＲＦバイアス整合器
２１８  ＥＳＣ用直流電源
２１９  ＲＦバイアス電源
２２０  バイアス経路制御機構
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１１】
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