(57)【要約】【課題】マスク膜厚の薄い試料を高精度な高アスペクト比のエッチングを実現する。【解決の手段】酸化膜からなる絶縁膜２０３上に形成した反射防止膜２０２とこの上に生成したフォトレジスト膜からなる酸化膜エッチングマスク２０１からなる試料に、エッチングガスを供給してプラズマを生成し、高周波電圧を印加して絶縁膜をエッチングするプラズマ処理方法において、Ａｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙの混合ガスからなるエッチングガスにより絶縁膜２０３のエッチングを行い（ａ）、ホール２０４のアスペクト比が４以上になった（ｂ）時点で、ＣＯを添加しかつ酸素添加量をエッチングがストップする量に減少したプラズマに一定時間暴露してマスク２０１上にＣやＣ２のデポ膜を堆積させた（ｃ）後、再度酸素添加量をエッチングできる量に増大させたエッチングガスを用いて酸化膜２０３にアスペクト比の高いホール２０４形成する（ｄ）。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生成し、試料に高周波電圧を印加することにより絶縁膜をエッチングする装置において、
一度エッチストップを発生させマスク上にデポ膜を堆積させた後、再度エッチングを行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理方法において、
該絶縁膜が酸化膜であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のプラズマ処理方法において、
被処理材の酸化膜エッチングマスクがフォトレジストであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載のプラズマ処理方法において、
エッチストップをアスペクト比４以上の場所で発生させ一定時間プラズマに暴露し、再度エッチングが進行する条件でエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項４記載のプラズマ処理方法において、
エッチストップを酸素添加量をステップ的に増減することにより制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項５記載のプラズマ処理方法において、
エッチングガスがＡｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙの混合ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項５記載のプラズマ処理方法において、エッチストップ時のエッチングガスがＡｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙ，ＣＯの混合ガスであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項５記載のプラズマ処理方法において、エッチストップ時のエッチングガスがＡｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙ，ＣＯの混合ガスであり、酸素量をエッチングが停止する量に減少させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エッチング処理をプラズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また被処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現している。従来のプラズマ処理方法は、特に高アスペクト比のホール加工を行う際、エッチングガスＡｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙ（例えばＣ４Ｆ８，Ｃ５Ｆ８，Ｃ４Ｆ６等），ＣＯを用いてエッチング処理を行っている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
デバイスの微細化に伴い、レジストマスクの露光も短波長側へシフトし、そのためレジスト厚さが薄くなり、エッチング処理を行う際に高マスク選択比を確保することが要求されてきた。しかし今後の更なる微細化ではエッチング処理における高マスク選択比の確保にも限界がある。更なる高アスペクト比のホール加工のために、レジストマスクのパターン転写技術など新たな技術も提案されているが、工程数が増えるなどの問題があった。
【０００４】
従来、ＳｉＯ２の薄膜にコンタクトホールを形成する場合、マスクであるフォトレジスト（ＰＲ）に対し選択的にエッチングを行うため、エッチングガスであるＡｒ、Ｏ２、ＣｘＦｙ（例えばＣ４Ｆ８、Ｃ５Ｆ８、Ｃ３Ｆ６、Ｃ４Ｆ６等）およびＣＯを用いてエッチングを行っている。このエッチング処理では、コンタクトホールのようにアスペクト比が高い穴加工では、付着係数の低いラジカル例えばＣＦ２は穴底部まで到達するが、付着係数の高いＣやＣ２はマスク上に選択的に堆積する（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｈ．Ｈａｙａｓｈｉ  ｅｔ．ａｌ．：１９９６  ＤＰＳ（ＤＲＹ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ）  ｐ１３５
【非特許文献２】
Ｍ．Ｉｚａｗａ  ｅｔ．ａｌ．：１９９９  ＤＰＳ（ＤＲＹ  ＰＲＯＣＥＳＳ  ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ）  ｐ２９１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、プラズマ処理装置におけるマスク膜厚の薄い高アスペクト比のエッチングにおいて、高精度な高アスペクト比のエッチングを実現可能な処理条件を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理方法では、プラズマ処理装置におけるエッチング処理中に一度エッチストップを発生させ、マスク上にデポ膜を堆積させることにより消耗したマスク上にマスクを自ら形成し、高アスペクト比のエッチングを実現することが可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１から図４を用いて説明する。図１は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一例であるエッチング装置の縦断面図である。真空容器１０１の上部開口部には、円筒状の処理容器１０２に、導電体からなる平板状のアンテナ電極１０３、電磁波を透過可能な誘電体窓１０４を気密に設け、内部に処理室を形成している。処理容器１０２の外周部には、磁場発生用コイル１０５が設けてある。アンテナ電極１０３は、エッチングガスを流すため、多孔構造となっており、ガス供給装置１０７が接続されている。また、真空容器１０１の下部には、真空排気口１０６を介して真空排気装置（図示省略）が接続されている。
【０００９】
アンテナ電極１０３上部には、同軸線路１０８が設けられ、フィルタ１０９、整合器１１０を介してプラズマ生成用の高周波電源１１１（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）が接続されている。また、アンテナアンテナ電極１０３には、同軸線路１０８、フィルタ１１２、整合器１１３を介してアンテナバイアス電源１１４（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。ここで、フィルター１０９は、高周波電源１１１からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を効果的にカットする。フィルタ１１２は、アンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。
【００１０】
真空容器１０１内の下部には、被処理材１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５には、フィルタ１１７、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。また、基板電極１１５には、フィルタ１２０を介して被処理材１１６を静電吸着させるための静電チャック電源１２１が接続されている。ここで、フィルタ１１７は、基板バイアス電源１１９からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。通常、高周波電力は、プラズマ中で吸収されるため基板電極１１５側へ流れることはないが、電源動作の安全のためフィルタ１１７を設けてある。フィルタ１２０は、静電チャック電源１２１からのＤＣ電力を通過させ、高周波電源１１１、アンテナバイアス電源１１４、基板バイアス電源１１９からの電力を効果的にカットする。
【００１１】
アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９は、位相制御器１２２に接続されており、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９から出力する高周波の位相を制御可能となっている。この場合、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９の周波数は、同一周波数とした。
【００１２】
位相制御器１２２は、アンテナバイアス電源１１４側のフィルタ１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルタ１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、それぞれの電圧波形の位相が１８０°±４５°以内の所望の位相差になるように、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９とに位相をずらした小振幅の信号を出力する。この場合のアンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９は、アンプ機能を有するのみで良い。
【００１３】
上記のように構成されたプラズマ処理装置において、処理室内部を真空排気装置（図示省略）により減圧した後、ガス供給装置１０７によりエッチングガスを処理室内に導入し、所望の圧力に調整する。高周波電源１１１より発振された、例えば、周波数４５０ＭＨｚの高周波電力は、同軸線路１０８を伝播し、上部電極１０３および誘電体窓１０４を介して処理室内に導入される。処理室内に導入された高周波電力による電界は、磁場発生用コイル１０５（例えば、ソレノイドコイル）により処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。また、アンテナバイアス電源１１４より高周波電力（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が、同軸線路１０８を介してアンテナ電極１０３に供給される。また基板電極１１５に載置された被処理材１１６は、基板バイアス電源１１９より高周波電力（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が供給され、表面処理（例えばエッチング処理）される。この場合、アンテナバイアス電源と基板バイアス電源との位相差は、１８０°とした。
【００１４】
アンテナバイアス電源１１４によってアンテナ電極１０３に高周波電圧を印加することにより、アンテナ電極に所望の材料を用いた場合、該材料とプラズマ中のラジカルとが反応し、生成されるプラズマの組成を制御できる。例えば、酸化膜エッチングの場合、アンテナ電極１０３の材料にＳｉを用いることによって、酸化膜のエッチング特性、特にＳｉＯ２／ＰＲ（フォトレジスト）選択比等に影響するプラズマ中のＦラジカル量を減少させることが可能になる。
【００１５】
上記構成のプラズマ処理装置では、主として４５０ＭＨｚの高周波電源１１１によってプラズマを生成し、アンテナバイアス電源１１４によってプラズマ組成を制御し、基板バイアス電源１１９によってプラズマ中のイオンの被処理材１１６への入射エネルギーを制御している。このようなプラズマ処理装置では、プラズマ生成（イオン量）とプラズマ組成（ラジカル濃度比）を独立に制御できるというメリットがある。
【００１６】
エッチングガスにＣＯを添加することにより、これらＣやＣ２を供給することが可能であり、マスク上に選択的に保護膜を形成し、フォトレジストのエッチレートを低減することが可能である。しかし、コンタクトホール底部でエッチストップせずにエッチングを進行させるためには、ある程度のＯ２添加量が必要であり、マスクも徐々に削れてしまうことから、ＡｒＦ等のレジストマスクでは高アスペクトのコンタクトホールの加工にはマスク残膜量の点で限界がある。
【００１７】
図２を用いて、本発明のエッチング処理方法を説明する。図２は、模式図であり縦方向のスケールと横方向のスケールを異ならせてあり、ホールを示す部分では、縦方向が圧縮されて示されている。導電性配線層２０５の上に形成された絶縁膜（例えば酸化膜：ＳｉＯ２）２０３上に反射防止膜（ＢＡＲＣ）２０２およびレジストマスク２０１を設けたサンプルを、Ａｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙの混合ガスからなるエッチングガスに添加される酸素の量をエッチストップの発生しない酸素量としてエッチング処理を行う（図２（ａ））。
【００１８】
ホール底部に堆積するデポ膜の厚さにより、入射するイオンのイオンエネルギーが小さくイオン射程が短い場合にエッチングが停止する。（図２（ｂ））。この処理によるエッチングが停止する状態を、本明細書では、エッチストップという。
【００１９】
次に、Ａｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙ，ＣＯの混合ガスからなるエッチングガスを用いてエッチストップの発生する酸素量で一定期間放電することにより、マスク２０１上に付着係数の高いＣやＣ２からなるデポ膜が形成される（図２（Ｃ））。先に述べたように、エッチストップ時には、アスペクト比４以上のホール２０４の底部には付着係数の高いＣやＣ２は入射しないので、ホール底部にはデポ膜は成長せず、マスク２０１上に選択的にデポ膜が形成される。
【００２０】
十分にデポ膜が形成された後、Ａｒ，Ｏ２，ＣｘＦｙの混合ガスからなるエッチングガス中の酸素量を再度増加させエッチングを進行させることにより、被エッチング膜を所望の深さまでエッチングすることが可能である（図２（ｄ））。
【００２１】
次に、図２の場合とは異なり、エッチストップを発生させない程度にエッチングガス中の酸素量を減少させ、マスク上にデポを堆積させた場合のホール加工形状を図３に示す。エッチング進行中にエッチングガス中の酸素量を減少させるとホール径が減少し、その後酸素量を増加させても、減少したホール径に沿ってエッチングが進行するため、最終的にマスクに対して穴径の小さいホールが形成される。コンタクトホールではホール底部の面積が電気的特性に対し重要であり、穴径の縮小は問題となる。
【００２２】
また、最初にアスペクト比４以上までのエッチングを行わずにマスク２０１上にデポ膜を堆積すると、マスク２０１上面とホール２０４の底部に十分なアスペクト比差がないことから、マスク上だけでなく、ホール底部にもデポ膜が形成されてしまい、これ以降のホール加工が困難となる。
【００２３】
図４を用いて、酸素ステップを用いた場合と用いない場合の、酸化膜残膜量、レジスト残膜量および酸素添加量の時間変化を説明する。ここで、酸素ステップとは、エッチステップを行わせる処理をいう。図中、時刻Ｔ１は酸化膜の削れ量がアスペクト４となる時刻であり、時間（Ｔ２−Ｔ１）はマスク上へのデポレートと堆積させるデポ膜厚より決定される。
【００２４】
破線に示すように、酸素ステップを用いない場合には所望の酸化膜厚さをエッチングするのに必要なレジストマスク量が不足しており正確なホールを生成することができないが、実線に示すように酸素ステップを用い、マスク上にデポ膜を堆積させることにより、所望の酸化膜厚さをエッチングすることが可能である。
本発明によれば、アスペクト比１５以上のホールを加工することができる。
【００２５】
上記実施例では、基板へのイオンの引き込み効率の高い方法である、アンテナバイアス電源１１４（例えば、周波数８００ｋＨｚ）と基板バイアス電源１１９（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が位相制御された場合について述べたが、上下バイアス電源の位相制御を行わず、例えばアンテナバイアス電源１１４の周波数１３．５６ＭＨｚの場合でも同様の効果がある。
【００２６】
また、上記実施例ではＵＨＦ−ＥＣＲエッチング装置について述べたが、２周波放電、マグネトロン放電、誘導結合型放電（ＩＣＰ，ＴＣＰ）、磁気中性線放電（ＮＬＤ）、ＲＩＥ等の、他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、薄膜マスクの高アスペクト比のホール加工プロセスにおいて、アスペクト比４以上まで一度エッチング処理を行い、その後マスク上に選択的にデポ膜を形成させることにより、高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用する第１の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図。
【図２】本発明のエッチング方法を示す概念図。
【図３】本発明を適用しない場合のエッチング方法を示す概念図。
【図４】本発明を適用した場合の酸化膜残膜量とレジスト残膜量の時間変化を示す特性図。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０２…処理容器、１０３…アンテナ電極、１０４…誘電体窓、１０５…磁場発生コイル、１０６…真空排気口、１０７…ガス供給装置、１０８…同軸線路、１０９，１１２，１１７，１２０…フィルタ、１１０，１１３，１１８…整合器、１１１…高周波電源、１１４…アンテナバイアス電源、１１５…基板電極、１１６…被処理材、１１９…基板バイアス電源、１２１…静電チャック電源、１２２…位相制御器、２０１…フォトレジスト膜、２０２…ＢＡＲＣ膜、２０３…酸化膜、２０４…ホール、２０５…導電性配線層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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