特許 6154820 プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6154820

(24)【登録日】2017年6月9日

(45)【発行日】2017年6月28日

(54)【発明の名称】プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20170619BHJP

   H01L 27/11556 20170101ALI20170619BHJP

   H01L 27/11582 20170101ALI20170619BHJP

   H01L 29/788 20060101ALI20170619BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20170619BHJP

   H01L 29/792 20060101ALI20170619BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 105A

   H01L27/11556

   H01L27/11582

   H01L29/78 371

【請求項の数】7

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2014-544572(P2014-544572)

(86)(22)【出願日】2013年10月31日

(86)【国際出願番号】JP2013079520

(87)【国際公開番号】WO2014069559

(87)【国際公開日】20140508

【審査請求日】2016年9月2日

(31)【優先権主張番号】61/725,565

(32)【優先日】2012年11月13日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】特願2012-241634(P2012-241634)

(32)【優先日】2012年11月1日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100120075

【弁理士】

【氏名又は名称】大山 浩明

(72)【発明者】

【氏名】小川 和人

(72)【発明者】

【氏名】中川 顕

(72)【発明者】

【氏名】小西 英紀

【審査官】 齊田 寛史

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−２６３４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１９５５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０３８８６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／３３６

Ｈ０１Ｌ ２７／１１５５６

Ｈ０１Ｌ ２７／１１５８２

Ｈ０１Ｌ ２９／７８８

Ｈ０１Ｌ ２９／７９２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理室内に被処理基板を配置し，処理ガスのプラズマを生成することによって，前記被処理基板に形成された多層膜を，パターニングされたマスク層をマスクとしてプラズマエッチングするプラズマ処理方法であって，
前記多層膜は，下地のシリコン膜上に形成された比誘電率の異なる第１膜及び第２膜が交互に積層された積層膜を有し，
フルオロカーボン系ガスと酸素ガスを含む処理ガスを前記処理室内に導入してプラズマを生成し，プラズマエッチングを行うことによって，前記積層膜に所定深さまで凹部を形成するメインエッチング工程と，その後に下地シリコン膜が露出するまで凹部を形成するオーバーエッチング工程とを行い，
前記オーバーエッチング工程は，前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記メインエッチングよりも増加させて行う第１オーバーエッチングと，前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記第１オーバーエッチングよりも減少させて行う第２オーバーエッチングとを２回以上繰り返すことを特徴とするプラズマ処理方法。

【請求項2】

前記処理ガスは，ハイドロフルオロカーボン系ガスを含み，
前記第２オーバーエッチングでは，前記処理ガス中の前記ハイドロフルオロカーボン系ガスの流量比をゼロにするか又は前記第１オーバーエッチングよりも減少させることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。

【請求項3】

前記第２オーバーエッチングでは，前記処理ガスにＣＦ_４ガスとＮＦ_３ガスのいずれか又は両方を含めることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理方法。

【請求項4】

前記第１オーバーエッチングと前記第２オーバーエッチングの繰り返し回数は６回以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ処理方法。

【請求項5】

前記第２オーバーエッチングの処理条件は，前記メインエッチング工程の処理条件と同様であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプラズマ処理方法。

【請求項6】

前記積層膜を構成する第１膜と第２膜のうち，一方はシリコン酸化膜であり，他方はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ処理方法。

【請求項7】

処理室内に処理ガスのプラズマを生成することによって，被処理基板に形成された多層膜を，パターニングされたマスク層をマスクとしてプラズマエッチングするプラズマ処理装置であって，
前記処理室内に設けられた上部電極と，
前記上部電極に対向して設けられ，下地のシリコン膜上に形成された比誘電率の異なる第１膜及び第２膜が交互に積層された積層膜を有する前記多層膜が形成された前記被処理基板を配置する下部電極と，
前記下部電極にプラズマ生成用高周波電力を印加する第１高周波電源と，
前記下部電極にバイアス用高周波電力を印加する第２高周波電源と，
フルオロカーボン系ガスと酸素ガスを含む処理ガスを前記処理室内に導入してプラズマを生成し，プラズマエッチングを行うことによって，前記積層膜に所定深さまで凹部を形成するメインエッチング工程と，その後に下地シリコン膜が露出するまで凹部を形成するオーバーエッチング工程とを行う制御部と，を備え，
前記制御部は，前記オーバーエッチング工程にて前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記メインエッチングよりも増加させて行う第１オーバーエッチングと，前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記第１オーバーエッチングよりも減少させて行う第２オーバーエッチングとを２回以上繰り返すことを特徴とするプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は，被処理基板上に形成された多層膜をプラズマを用いてエッチングするプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリ等の三次元積層半導体メモリは，異なる種類の層を交互に多数積層したような積層膜を備える（例えば下記特許文献１参照）。この積層膜には，下地膜まで貫通する深い凹部（ホール（穴）やトレンチ（溝））が形成されることがあり，この深い凹部の形成にはプラズマエッチングが用いられる。

【0003】

このような多層膜をエッチングするプラズマ処理においては，積層膜を構成する種類の異なる層ごとにエッチングを行っていたのでは積層数が多いほどエッチング回数も増大し，スループットが低下してしまう。このため，種類の異なる層をエッチングするために必要な各ガスをすべて含む処理ガスを用いて，積層膜をプラズマエッチングすることで，１回のプラズマエッチングで異なる種類の層にわたって貫通する凹部を形成することができる。

【0004】

このように積層膜をエッチングする際には，積層膜上に凹部を形成するための開口部がパターニングされたマスク層を積層膜上に形成し，そのマスク層をマスクとして積層膜をプラズマエッチングする。具体的にはプラズマエッチングするメインエッチングとその後に深穴の下端（底部）形状（ボトムＣＤ値）を広げるオーバーエッチングを行うことによって，深穴を形成することが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９−２６６９４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで，このような積層膜のエッチングでは，メインエッチングにおいては積層膜を掘り進めていく際に開口幅が広がらないようにする必要があり，オーバーエッチングでは深穴の下端（底部）の形状（ボトムＣＤ）を広げて整えることによって，テーパ形状になることを防ぐようにする必要がある。深穴の下端（底部）がテーパ形状になってしまうと，例えば後工程において，Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｓｉエッチングの際に補正できずに素子の電気特性に影響を与える虞があるなどの問題がある。深穴の下端（底部）がテーパ状にならないようにするには，メインエッチングでは他のガスよりも酸素ガスの流量比を小さくしてＣＦ系ポリマの堆積量（付着量）を多くし，オーバーエッチングでは他のガスよりも酸素ガスの流量比を大きくしてＣＦ系ポリマの堆積量を少なくすればよい。

【0007】

ところが，そうすると，ＣＦ系ポリマの堆積量が少ないオーバーエッチングの時間を長くすれば，深穴の下端（底部）形状はテーパ状にならないように調整できても，下地シリコン層まで大きくエッチングされてしまう下地ロスが発生する。逆にＣＦ系ポリマの堆積量が多いメインエッチングの時間を長くすれば，下地シリコン層へのエッチング（下地ロス）を抑制できても，深穴の下端（底部）形状の調整を十分に行えなくなってしまう。

【0008】

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的とするところは，多層膜をプラズマエッチングする際に，凹部の下端（底部）形状を拡大しながらも，下地ロスを抑制できるプラズマ処理方法等を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，処理室内に被処理基板を配置し，処理ガスのプラズマを生成することによって，前記被処理基板に形成された多層膜を，パターニングされたマスク層をマスクとしてプラズマエッチングするプラズマ処理方法であって，前記多層膜は，下地のシリコン膜上に形成された比誘電率の異なる第１膜及び第２膜が交互に積層された積層膜を有し，フルオロカーボン系ガスと酸素ガスを含む処理ガスを前記処理室内に導入してプラズマを生成し，プラズマエッチングを行うことによって，前記積層膜に所定深さまで凹部を形成するメインエッチング工程と，その後に下地シリコン膜が露出するまで凹部を形成するオーバーエッチング工程とを行い，前記オーバーエッチング工程は，前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記メインエッチングよりも増加させて行う第１オーバーエッチングと，前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記第１オーバーエッチングよりも減少させて行う第２オーバーエッチングとを２回以上繰り返すことを特徴とするプラズマ処理方法が提供される。

【0010】

このような本願発明によれば，多層膜をプラズマエッチングする際に，メインエッチング工程後に，ＣＦ系ポリマの堆積量が少ない第１オーバーエッチングと，ＣＦ系ポリマの堆積量が多い第２オーバーエッチングとを２回以上繰り返すオーバーエッチング工程を行うことができるので，凹部の下端形状を拡大しながらも，ＣＦ系ポリマが下地のシリコン膜の保護膜として機能して下地シリコン膜のエッチングを抑制することができる。これにより，下地ロスを抑制することができる。

【0011】

さらに第１オーバーエッチングと第２オーバーエッチングとを繰り返すことで，メインエッチングで残った多層膜のエッチングを進行させつつ，下地シリコン膜が露出するとエッチングの進行が抑制されるので，下地ロスのばらつきも抑制することができる。

【0012】

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，前記処理室内に処理ガスのプラズマを生成することによって，被処理基板に形成された多層膜を，パターニングされたマスク層をマスクとしてプラズマエッチングするプラズマ処理装置であって，前記処理室内に設けられた上部電極と，前記上部電極に対向して設けられ，下地のシリコン膜上に形成された比誘電率の異なる第１膜及び第２膜が交互に積層された積層膜を有する前記多層膜が形成された前記被処理基板を配置する下部電極と，前記下部電極にプラズマ生成用高周波電力を印加する第１高周波電源と，前記下部電極にバイアス用高周波電力を印加する第２高周波電源と，フルオロカーボン系ガスと酸素ガスを含む処理ガスを前記処理室内に導入してプラズマを生成し，プラズマエッチングを行うことによって，前記積層膜に所定深さまで凹部を形成するメインエッチング工程と，その後に下地シリコン膜が露出するまで凹部を形成するオーバーエッチング工程とを行う制御部とを備え，前記制御部は，前記オーバーエッチング工程にて前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記メインエッチングよりも増加させて行う第１オーバーエッチングと，前記フルオロカーボン系ガスに対する前記酸素ガスの流量比を前記第１オーバーエッチングよりも減少させて行う第２オーバーエッチングとを２回以上繰り返すことを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

【0013】

また，上記処理ガスは，ハイドロフルオロカーボン系ガスを含み，前記第２オーバーエッチングでは，前記処理ガス中の前記ハイドロフルオロカーボン系ガスの流量比をゼロにするか又は前記第１オーバーエッチングよりも減少させるようにしてもよい。また，上記第２オーバーエッチングでは，前記処理ガスに前記ＣＦ_４ガスとＮＦ_３ガスのいずれか又は両方を含めるようにしてもよい。

【0014】

また，上記第１オーバーエッチングと前記第２オーバーエッチングの繰り返し回数は６回以上であることが好ましい。また，上記第２オーバーエッチングの処理条件は，前記メインエッチング工程の処理条件と同様であってもよい。なお，上記積層膜を構成する第１膜と第２膜のうち，一方は例えばシリコン酸化膜であり，他方は例えばシリコン窒化膜である。

【0015】

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，処理室内に被処理基板を配置し，処理ガスのプラズマを生成することによって，前記被処理基板に形成された多層膜を，パターニングされたマスク層をマスクとしてプラズマエッチングするプラズマ処理方法であって，前記多層膜は，下地膜上に形成された比誘電率の異なる第１膜及び第２膜が交互に積層された積層膜を有し，第1のガスと第２のガスを含む処理ガスを前記処理室内に導入してプラズマを生成し，プラズマエッチングを行うことによって，前記積層膜に所定深さまで凹部を形成するメインエッチング工程と，その後に下地膜が露出するまで凹部を形成するオーバーエッチング工程とを行い，前記オーバーエッチング工程は，前記第１のガスに対する前記第２のガスの流量比を前記メインエッチングよりも増加させて行う第１オーバーエッチングと，前記第１のガスに対する前記第２のガスの流量比を前記第１オーバーエッチングよりも減少させて行う第２オーバーエッチングとを２回以上繰り返すことを特徴とするプラズマ処理方法。

【0016】

また，上記第２オーバーエッチングでは，前記処理ガス中の前記第１のガスの流量比をゼロにするか又は前記第１オーバーエッチングよりも減少させるようにしてもよい。また，上記第２オーバーエッチングでは，前記処理ガスに第３のガスを含めるようにしてもよい。

【0017】

また，上記第１オーバーエッチングと前記第２オーバーエッチングの繰り返し回数は６回以上であることが好ましい。また，上記第２オーバーエッチングの処理条件は，前記メインエッチング工程の処理条件と同様であってもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば，多層膜をプラズマエッチングする際に，凹部の下端（底部）形状を拡大しながらも，下地ロスを抑制でき，さらにそのばらつきも抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理方法による多層膜のエッチング処理工程を経て製造可能な三次元積層半導体メモリの構造を概念的に示す図である。

【図2A】図１に示すＡ−Ａ断面図である。

【図2B】図１に示すＢ−Ｂ断面図である。

【図3】同実施形態にかかるエッチング処理を実施可能なプラズマ処理装置の構成例を示す縦断面図である。

【図4】同実施形態における多層膜の膜構造を説明するための断面図である。

【図5】図４に示す多層膜に対してメインエッチングした場合を観念的に示す断面図である。

【図6A】図５に示すメインエッチング後の多層膜に対してデポレスプロセスのオーバーエッチングを１回だけ行った場合を観念的に示す断面図である。

【図6B】図５に示すメインエッチング後の多層膜に対してデポレスプロセスの第１オーバーエッチングとデポプロセスの第２オーバーエッチングを１回ずつ行った場合を観念的に示す断面図である。

【図6C】図５に示すメインエッチング後の多層膜に対してデポレスプロセスの第１オーバーエッチングとデポプロセスの第２オーバーエッチングを複数回交互に繰り返した場合を観念的に示す断面図である。

【図7】同実施形態におけるエッチング処理の概略を示すフローチャートである。

【図8A】同実施形態におけるエッチング処理の工程図であって，本実施形態にかかるエッチング処理前の多層膜を説明するための断面図である。

【図8B】図８Ａに続く工程図であって，メインエッチング工程後の状態を説明するための断面図である。

【図8C】図８Ｂに続く工程図であって，オーバーエッチング工程の途中の状態を説明するための断面図である。

【図8D】図８Ｃに続く工程図であって，オーバーエッチング工程後の状態を説明するための断面図である。

【図9A】第１の実験にかかる比較例のエッチング処理を行った場合の実験結果を示す図であって，凹部断面の走査型電子顕微鏡写真のトレースを図示したものである。

【図9B】第１の実験にかかる本実施形態のエッチング処理を行った場合の実験結果を示す図であって，凹部断面の走査型電子顕微鏡写真のトレースを図示したものである。

【図10A】第２の実験にかかる比較例のエッチング処理を行った場合の実験結果を示す図であって，凹部断面の走査型電子顕微鏡写真のトレースを図示したものである。

【図10B】第２の実験にかかる本実施形態のエッチング処理を行った場合の実験結果を示す図であって，凹部断面の走査型電子顕微鏡写真のトレースを図示したものである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書中１ｍＴｏｒｒは（１０^−３×１０１３２５／７６０）Ｐａとする。

【0021】

（三次元積層半導体メモリの構造）
先ず，本発明の一実施形態に係るプラズマ処理方法による工程を経て製造可能な三次元積層半導体メモリの具体的構成例について，図面を参照しながら説明する。ここでは三次元積層半導体メモリの一例として３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリを挙げる。図１は，３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリの構造を概念的に示した斜視図である。図２Ａは，図１に示す３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリのＡ−Ａ断面図である。図２Ｂは，図１に示す３Ｄ−ＮＡＮＤフラッシュメモリのＢ−Ｂ断面図である。

【0022】

図１に示すＮＡＮＤフラッシュメモリは，例えばそれぞれが消去の一単位となる複数のブロックから構成される。図１には，二つのブロックＢＫ１，ＢＫ２が例示されている。ソース拡散層ＤＬは，半導体基板内に形成され，例えばすべてのブロックに共通して１つ設けられる。ソース拡散層ＤＬは，コンタクトプラグＰＳを介してソース線ＳＬに接続される。ソース拡散層ＤＬ上には，例えば比誘電率の異なる第１膜と第２膜が交互に積層された積層膜を有する多層膜が形成される。なお，図１では，多層膜は図示の便宜のために６層構造であるが，例えば３６層，１２８層など数十層〜百層を超える多層膜であってもよく，それ以上であってもよい。

【0023】

図１に示すように，最上層を除く残りの５つの膜は，各ブロックＢＫ１，ＢＫ２内でそれぞれプレート状に形成され，そのＸ方向の端部はそれぞれの膜にコンタクトをとるために階段形状に形成される。これにより，多層膜は略ピラミッド状になる。最下層は，ソース線側セレクトゲート線ＳＧＳとなり，最下層及び最上層を除く残りの４つの膜は，４つのワード線ＷＬとなる。

【0024】

最上層は，Ｘ方向に延びるライン状の複数の導電線から構成される。１つのブロックＢＫ１内には，例えば６本の導電線が配置される。最上層の例えば６本の導電線は，６つのビット線側セレクトゲート線ＳＧＤとなる。

【0025】

そして，ＮＡＮＤセルユニットを構成するための複数の活性層ＡＣは，複数の膜を突き抜けてソース拡散層ＤＬに達するように，Ｚ方向（半導体基板の表面に対して鉛直方向）に柱状に形成される。

【0026】

複数の活性層ＡＣの上端は，Ｙ方向に延びる複数のビット線ＢＬに接続される。また，ソース線側セレクトゲート線ＳＧＳは，コンタクトプラグＰＳＧを介して，Ｘ方向に延びる引き出し線ＳＧＳ１に接続され，ワード線ＷＬはそれぞれコンタクトプラグＰＷ１〜ＰＷ４を介してＸ方向に延びる引き出し線Ｗ１〜Ｗ４に接続される。

【0027】

さらに，ビット線側セレクトゲート線ＳＧＤは，それぞれコンタクトプラグＰＳＤを介して，Ｘ方向に延びる引き出し線ＳＧＤ１に接続される。複数のビット線ＢＬ及び引き出し線ＳＧＳ１，引き出し線Ｗ１〜Ｗ４は例えば金属から構成される。

【0028】

図２Ａに示すように，上記ソース線側セレクトゲート線ＳＧＳ及びワード線ＷＬ１〜ＷＬ４は，コンタクトプラグＰＳＧ，コンタクトプラグＰＷ１〜ＰＷ４を介してＸ方向に延びる引き出し線ＳＧＳ１，引き出し線Ｗ１〜Ｗ４から図示しないドライバを構成するトランジスタに接続される。

【0029】

図２Ｂに示すように，上記複数の活性層ＡＣは，複数の膜ＳＧＤ，ＷＬ４，ＷＬ３，ＷＬ２，ＷＬ１，ＳＧＳを突き抜けてソース拡散層ＤＬに達するように，Ｚ方向（半導体基板の表面に対して鉛直方向）に柱状に形成される。

【0030】

これらの複数の活性層ＡＣを形成するには，複数の膜ＳＧＳ，ＷＬ１〜ＷＬ４，ＳＧＤなどで構成される積層膜に深穴（深いホール）を形成する必要がある。この深穴は，積層膜上にパターニングされたマスク層を形成し，これをマスクとしてプラズマエッチングを行うことによって形成される。本実施形態にかかるプラズマ処理方法は，このような多層膜にプラズマエッチングによって深穴を形成する際に，その処理条件（ガス種，ガス流量比，高周波電力など）を工夫することで，深穴のエッチング形状を改善できるものである。

【0031】

（プラズマ処理装置の全体構成）
次に，本実施形態にかかるプラズマ処理方法を実施可能なプラズマ処理装置の構成例について図面を参照しながら説明する。ここでは，互いに対向して平行に配置される上部電極と下部電極を備えた平行平板型（容量結合型）のプラズマエッチング装置として構成したプラズマ処理装置を例に挙げる。図３は，本実施形態にかかるプラズマ処理装置１００の概略構成を示す縦断面図である。

【0032】

図３に示すように，プラズマ処理装置１００は，例えば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形の処理室（チャンバ）１１０を有する。処理室１１０の筐体は接地されている。

【0033】

処理室１１０内には，被処理基板としての半導体ウエハ（以下「ウエハ」と称する）Ｗを載置する載置台１１２が設けられている。載置台１１２は，例えばアルミニウムからなり，絶縁性の筒状保持部１１４を介して処理室１１０の底から鉛直上方に延びる筒状支持部１１６に支持されている。載置台１１２の上面であって静電チャック１４０の周縁部には，エッチングの面内均一性を高めるために，例えばシリコンから構成されたフォーカスリング１１８が配置されている。

【0034】

処理室１１０の側壁と筒状支持部１１６との間には排気路１２０が形成されている。排気路１２０には環状のバッフル板１２２が取り付けられている。排気路１２０の底部には排気口１２４が設けられ，この排気口１２４は排気管１２６を介して排気部１２８に接続されている。排気部１２８は図示しない真空ポンプを有しており，処理室１１０内の処理空間を所定の真空度まで減圧する。処理室１１０の側壁には，ウエハＷの搬入出口を開閉する搬送用のゲートバルブ１３０が取り付けられている。

【0035】

載置台１１２には，プラズマ生成用の第１高周波電源１３１及びプラズマ中のイオン引き込み用（バイアス用）の第２高周波電源１３２がそれぞれ整合器１３３及び整合器１３４を介して電気的に接続されている。

【0036】

第１高周波電源１３１は，処理室１１０内にてプラズマを生成するために適した周波数，例えば４０ＭＨｚの第１高周波電力を載置台１１２に印加する。第２高周波電源１３２は，載置台１１２上のウエハＷにプラズマ中のイオンを引き込むのに適した低めの周波数，例えば３．２ＭＨｚの第２高周波電力を載置台１１２にバイアスとして印加する。このようにして載置台１１２は下部電極としても機能する。処理室１１０の天井部には，後述するシャワーヘッド１３８が接地電位の上部電極として設けられている。これにより，第１高周波電源１３１からの高周波電力は載置台１１２とシャワーヘッド１３８との間に容量的に印加される。

【0037】

載置台１１２の上面にはウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１４０が設けられている。静電チャック１４０は導電膜からなる電極１４０ａを一対の膜の間に挟み込んだものである。電極１４０ａには直流電圧源１４２がスイッチ１４３を介して電気的に接続されている。静電チャック１４０は，直流電圧源１４２からの電圧により，クーロン力でウエハＷを静電チャック上に吸着保持する。この静電チャック１４０の上面とウエハＷの裏面との間には，伝熱ガス供給部１５２によってＨｅガス等の伝熱ガスがガス供給ライン１５４を介して供給されるようになっている。

【0038】

処理室１１０の天井部のシャワーヘッド１３８は，多数のガス通気孔１５６ａを有する電極板１５６と，この電極板１５６を着脱可能に支持する電極支持体１５８とを有する。電極支持体１５８の内部にバッファ室１６０が設けられ，このバッファ室１６０のガス導入口１６０ａには，ガス供給配管１６４を介して処理ガス供給部１６２が接続されている。これにより，処理ガス供給部１６２からの処理ガスは，ガス供給配管１６４を介してガス導入口１６０ａからバッファ室１６０に導入されて拡散し，多数のガス通気孔１５６ａから処理室１１０内に噴出される。

【0039】

載置台１１２の内部には冷却機構が設けられている。この冷却機構は，例えば載置台１１２内に設けられた冷媒管１８２に，チラーユニット１８４からの所定温度の冷媒（例えば冷却水）を配管１８６，１８８を介して循環供給するように構成される。また，静電チャック１４０の下側にはヒータ１９０が設けられている。ヒータ１９０には交流電源１９２から所望の交流電圧が印加される。かかる構成によれば，チラーユニット１８４による冷却とヒータ１９０による加熱によってウエハＷを所望の温度に調整することができる。また，これらの温度制御は，制御部２００からの指令に基づき行われる。

【0040】

制御部２００は，プラズマ処理装置１００に設けられた各部，例えば上述した排気部１２８，交流電源１９２，直流電圧源１４２，静電チャック用のスイッチ１４３，第１高周波電源１３１，第２高周波電源１３２，整合器１３３，１３４，伝熱ガス供給部１５２，処理ガス供給部１６２及びチラーユニット１８４などを制御する。なお，制御部２００は，図示しないホストコンピュータに接続されている。

【0041】

制御部２００には，オペレータが管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや，稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなる操作部２１０が接続されている。また，制御部２００には，ウエハＷのエッチング処理などを実行するためのプログラムやプログラムを実行するために必要な処理条件（レシピ）などが記憶された記憶部２２０が接続されている。

【0042】

この処理条件は各部を制御する制御パラメータ，設定パラメータなどの複数のパラメータ値をまとめたものである。処理条件は例えば処理ガスの流量比，処理室内圧力，高周波電力などのパラメータ値を有する。後述する本実施形態のプラズマ処理のように，複数回のエッチング（例えば各メインエッチング，オーバーエッチングなど）を行う場合には，各エッチングについての処理条件を別々に記憶するようにしてもよい。

【0043】

なお，これらのプログラムや処理条件はハードディスクや半導体メモリに記憶されていてもよく，またＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶部２２０の所定位置にセットするようになっていてもよい。なお，制御部２００の機能は，ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく，またハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよく，さらにソフトウエアとハードウエアの両方を用いて実現されてもよい。

【0044】

（プラズマ処理装置の動作）
次に，このような構成のプラズマ処理装置１００の動作について説明する。プラズマ処理装置１００において，ウエハＷに対してプラズマエッチング処理を行なう際には，先ずゲートバルブ１３０を開口して搬送アーム上に保持されたウエハＷを処理室１１０内に搬入する。ウエハＷは，図示しないリフトピン（リフタピン）により保持され，リフトピンが降下することにより静電チャック１４０上に載置される。ウエハＷを搬入後，ゲートバルブ１３０が閉じられ，処理ガス供給部１６２から処理ガスを所定の流量および流量比で処理室１１０内に導入し，排気部１２８により処理室１１０内の圧力を設定値に減圧する。

【0045】

さらに，第１高周波電源１３１からプラズマ生成用の所定のパワーの高周波電力を載置台１１２に供給するとともに，第２高周波電源１３２からバイアス用の所定のパワーの高周波電力を載置台１１２に重畳して供給する。また，直流電圧源１４２から電圧を静電チャック１４０の電極１４０ａに印加して，ウエハＷを静電チャック１４０上に固定し，伝熱ガス供給部１５２から静電チャック１４０の上面とウエハＷの裏面との間に伝熱ガスとしてＨｅガスを供給する。

【0046】

この状態で，シャワーヘッド１３８から処理ガスが導入されると，第１高周波電源１３１からの高周波電力を載置台１１２へ供給することにより処理ガスがプラズマ化される。こうして，上部電極（シャワーヘッド１３８）と下部電極（載置台１１２）との間のプラズマ生成空間にてプラズマが生成され，そのプラズマによってウエハＷの表面に形成された多層膜などがエッチングされる。また，第２高周波電源１３２からの高周波電力を載置台１１２へ供給することによりウエハＷに向かってプラズマ中のイオンを引き込むことができる。

【0047】

エッチングが終了すると，ウエハＷは図示しないリフトピンにより持ち上げられ載置台１１２から離脱され，ゲートバルブ１３０が開かれる。上記リフトピンで保持されたウエハＷはゲートバルブ１３０から差し込まれた図示しない搬送アームによって搬出される。そして，次のウエハＷが搬送アームにより処理室１１０内へ搬入され，そのウエハＷのエッチングが行われる。このような処理を繰り返すことで複数のウエハＷが連続して処理される。

【0048】

（被エッチング膜）
次に，本実施形態にかかるプラズマ処理によりエッチングを行う被エッチング膜の膜構造について図面を参照しながら説明する。ここでは，被エッチング膜として，ウエハＷの表面に形成された多層膜を例に挙げる。この多層膜をプラズマ処理によってエッチングすることで，多層膜に複数の深い凹部（ホール又はトレンチ）を形成する。図４は被エッチング膜としての多層膜の膜構造を示す断面図である。

【0049】

図４に示す膜構造は，下地のシリコン膜３１０上に形成された多層膜３２０とこの多層膜上に形成されたマスク層３３０を有する。ここでの多層膜３２０は，異なる２種類の膜（第１膜３４２と第２膜３４４）が交互に多数積層された積層膜３４０とその下層のエッチングストップ膜３５０を有する。エッチングストップ膜３５０は，例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）である。

【0050】

積層膜３４０の積層数は，例えば３６層である。なお，積層膜３４０の積層数は，これに限られるものではなく，数十層以上でもよく，百層を超える積層膜３４０であってもよい。積層膜３４０を構成する第１膜３４２及び第２膜３４４は，比誘電率が異なる膜である。比誘電率が異なる膜として，本実施形態では第１膜３４２をシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜），第２膜３４４をシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）とした場合を例に挙げる。

【0051】

なお，第１膜３４２と第２膜３４４を構成する膜の種類はこれに限られるものではない。例えば第１膜３４２と第２膜３４４を構成する膜を上記と逆にしてもよい。すなわち第２膜３４４をシリコン酸化膜，第１膜３４２をシリコン窒化膜としてもよい。

【0052】

また第１膜３４２と第２膜３４４を構成する膜の種類の組合せも，シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の組合せに限られるものではなく，別の種類の膜を組合せてもよい。シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）とポリシリコン膜の組合せであってもよい。この場合，ポリシリコン膜は，不純物をドーピングしたものであってもよく，またドーピングしないものであってもよい。

【0053】

なお，ポリシリコン膜は，このような不純物ドーピングの有無により比誘電率を異ならせることができるので，第１膜３４２と第２膜３４４の組合せを，ポリシリコン膜（ドーピングなし）とポリシリコン（不純物ドーピング）の組合せにしてもよい。ポリシリコン膜にドーピングする不純物としては，例えばボロン等が挙げられる。

【0054】

マスク層３３０は，多層膜３２０に複数の凹部を形成するための複数の開口がパターニングされたアモルファスカーボン膜で構成される。マスク層３３０として用いるアモルファスカーボン膜にはボロンを含有するタイプでも，含有しないタイプでもよい。なお，マスク層３３０の材料としては，アモルファスカーボン膜に限られるものではなく，その他の有機膜であってもよい。また，マスク層３３０はポリシリコン膜などであってもよい。

【0055】

このような多層膜３２０をプラズマエッチングする際には，積層膜３４０を構成する種類の異なる層ごとにエッチングを行っていたのでは積層数が多いほどエッチング回数も増大し，スループットが低下してしまう。このため，種類の異なる層をエッチングするために必要な各ガスをすべて含む処理ガスを用いて，積層膜をプラズマエッチングすることで，１回のプラズマエッチングで異なる種類の層にわたって貫通する凹部を形成することができる。

【0056】

ここでは，第１膜３４２と第２膜３４４を一度にエッチングできる処理ガスとして，例えば第１のガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスとＣ_４Ｆ_６ガスのようなフルオロカーボン系ガス（ＣＦ系ガス）と第２のガスとして酸素ガス（Ｏ_２ガス）を含む処理ガスを用いてプラズマエッチングを行う。その際，エッチングストップ膜３５０の途中までエッチングするメインエッチング工程ＭＥと，その後に下地のシリコン膜までエッチングするオーバーエッチング工程ＯＥとに分けて，凹部へのＣＦ系ポリマの堆積量を調整しながらプラズマエッチングを行う。

【0057】

具体的には，メインエッチング工程ＭＥでは，ＣＦ系ポリマの堆積量を多くしながらエッチングを行うことで，開口幅が大きく広がらないように抑制しながら主に深さ方向に凹部を掘り進める。これに対して，オーバーエッチング工程ＯＥでは，ＣＦ系ポリマの堆積量を少なくしながらエッチングを行うことで，底部の開口幅（ボトムＣＤ値）を広げてエッチング形状を整える。

【0058】

このようなＣＦ系ポリマの堆積量は，例えばフルオロカーボン系ガスの流量に対する酸素ガスの流量を調整することで調整できる。すなわち，フルオロカーボン系ガスの流量に対する酸素ガスの流量を少なくすればＣＦ系ポリマの堆積量が多くなり，フルオロカーボン系ガスの流量に対する酸素ガスの流量を多くすればＣＦ系ポリマの堆積量が少なくなる。このため，オーバーエッチング工程ＯＥでは，メインエッチング工程ＭＥよりもフルオロカーボン系ガスの流量に対する酸素ガスの流量を多くしてＣＦ系ポリマの堆積量を抑えることで，底部の開口幅（ボトムＣＤ値）を広げることができる。

【0059】

ところが，このようなオーバーエッチング工程ＯＥでは，ＣＦ系ポリマの堆積量が少ないので，オーバーエッチング工程ＯＥのエッチング時間を長くするほど，下地シリコン膜３１０までエッチングされて下地ロスが大きくなってしまうという問題がある。

【0060】

このような下地ロスを抑制するためには，メインエッチング工程ＭＥの時間を長くしてオーバーエッチング工程ＯＥを短くすることも考えられるが，そのようにすると凹部のボトムＣＤ値の調整が不十分となる。

【0061】

このように，ボトムＣＤ値の調整と下地ロスの抑制とはトレードオフとなり，メインエッチング工程ＭＥとオーバーエッチング工程ＯＥの時間を調整するだけでは，ボトムＣＤ値の十分に調整しながら，下地ロスを抑制するには限界がある。

【0062】

そこで，本発明者らは，様々な実験を行ったところ，オーバーエッチング工程ＯＥにおいて，ＣＦ系ポリマの堆積量が少ないプラズマエッチング（デポレスプロセス）とＣＦ系ポリマの堆積量が多いプラズマエッチング（デポスプロセス）とを繰り返すことで，ボトムＣＤ値を十分に調整しながら，下地ロスも抑制できることを見出した。

【0063】

この場合のＣＦ系ポリマの堆積量の調整は，例えばＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量比を変えることによって行うことができる。具体的には，ＣＦ系ポリマの堆積量が少ないプラズマエッチング（デポレスプロセス）は，ＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量比を大きくし，ＣＦ系ポリマの堆積量が多いプラズマエッチング（デポプロセス）は，ＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量比を小さくする。

【0064】

ここで，図４に示す多層膜３２０をメインエッチングＭＥとオーバーエッチングＯＥによってエッチングしたときの凹部のボトム形状について図面を参照しながらより詳細に説明する。図５は，図４に示す多層膜３２０を所定の深さ（ここではエッチングストップ膜３５０）までプラズマエッチングすることによってメインエッチング工程ＭＥを行った場合を観念的に示す断面図である。

【0065】

図６Ａ〜図６Ｃは，図５に示す上記メインエッチング工程後に，それぞれ別のオーバーエッチング工程ＯＥを行った場合を観念的に示す断面図である。図６ＡはオーバーエッチングＯＥとして酸素ガスの流量比を増加したプラズマエッチング（デポレスプロセス）を１回だけ行った場合である。図６ＢはオーバーエッチングＯＥとして酸素ガスの流量比を増加させたプラズマエッチング（デポレスプロセス）と酸素ガスの流量比を減少させたプラズマエッチング（デポプロセス）を１回ずつ連続して行った場合であり，図６Ｃはこれらのプラズマエッチングを２回以上交互に繰り返した場合を観念的に示す断面図である。

【0066】

オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセス後にデポプロセスを行った場合（図６Ｂ，図６Ｃ）は，デポレスプロセスのみを行った場合（図６Ａ）と同様にボトムＣＤ値を十分に調整しながら，デポレスプロセスのみを行った場合（図６Ａ）よりも下地ロスを低減できることが分かった。

【0067】

これは，デポレスプロセスとデポプロセスではいずれも，エッチングストップ膜（ここではシリコン酸化膜）３５０のエッチングを進行させることができるのに対して，デポプロセスでは下地シリコン膜３１０のエッチングを抑制できるからと考えられる。

【0068】

このため，デポレスプロセスとデポプロセスによってオーバーエッチング工程ＯＥを行うと，デポレスプロセスにてボトムＣＤ値（穴径や溝幅）が拡大しながらエッチングストップ膜（シリコン酸化膜）３５０のエッチングが進み，下地シリコン膜３１０が露出するとデポプロセスではエッチングが進まなくなる。これにより，デポレスプロセス後にデポプロセスを行うことで，図６ＢのようにボトムＣＤ値を十分に調整しながら下地ロスを抑えることができる。

【0069】

さらに，オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスとデポプロセスを複数回交互に繰り返した場合（図６Ｃ）は，１回ずつ行った場合（図６Ｂ）に比して下地ロスのばらつきも低減できることが分かった。

【0070】

これは，デポプロセスではＣＦ系ポリマの堆積量が多いので下地シリコン膜３１０が露出するとその露出面にも堆積（付着）し，これが保護膜として機能するので，次に行うデポレスプロセスによる下地シリコン膜３１０のエッチングを抑制できるからと考えられる。

【0071】

このため，オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスとデポプロセスを複数回交互に繰り返すことで，エッチングストップ膜（シリコン酸化膜）３５０のエッチングは進行するのに対して，下地シリコン膜３１０が露出するとエッチングの進行が抑制されることになる。これにより，メインエッチング工程実行後の凹部の深さにばらつきがあっても，オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスとデポプロセスを複数回交互に繰り返すことで，凹部の深さのばらつきが徐々に小さくなっていくので，図６Ｃに示すように下地ロスのばらつきも抑制できる。

【0072】

本実施形態にかかるプラズマエッチング処理は，このようにデポレスプロセスとデポプロセスを複数回交互に繰り返すオーバーエッチング工程ＯＥを行うことによって，ボトムＣＤ値を十分に調整しながら下地ロスを抑制し，そのばらつきも抑制することができるようにしたものである。

【0073】

（多層膜のエッチング処理）
次に，このような本実施形態にかかる多層膜のプラズマエッチング処理について図面を参照しながらより詳細に説明する。プラズマエッチング処理は，予め設定された処理条件に基づいて制御部２００により実行される。図７は制御部にて実行されるプラズマエッチング処理の概略を示すフローチャートである。ここでは，図１に示す多層膜に複数の活性層ＡＣを形成するために，多層膜を貫通する深穴を形成するプラズマエッチング処理を例に挙げる。

【0074】

具体的には図８Ａに示すような多層膜３２０が形成されたウエハＷにプラズマエッチング処理を実行する。ここでの多層膜は図８Ａに示すように，下地シリコン膜３１０上にエッチングストップ膜（ここではシリコン酸化膜）３５０を介して形成される第１膜３４２と第２膜３４４が交互に積層された積層膜３４０と，この積層膜３４０上に形成され，開口部がパターニングされたマスク層３３０とが形成されている。

【0075】

図７に示すプラズマエッチング処理では，ステップＳ１１０にて穴径の広がりを抑制しながら所定の深さ（ここではエッチングストップ膜３５０の途中）まで穴を掘り進めるメインエッチング工程ＭＥを実行し，その後のステップＳ１２０〜Ｓ１４０にて下地シリコン膜へのエッチングを抑制しながら，穴の底部のボトムＣＤ値を拡大してその底部の形状を整えるオーバーエッチング工程ＯＥを実行する。

【0076】

図８Ｂ〜図８Ｄは，本実施形態にかかる多層膜のプラズマエッチング処理についての各工程の断面図を観念的に示したものである。図８Ｂはメインエッチング工程ＭＥ後の状態を示す。図８Ｃはオーバーエッチング工程ＯＥの途中の状態を示し，図８Ｄはオーバーエッチング工程ＯＥ後の状態を示す。

【0077】

（メインエッチング工程）
図７のステップＳ１１０に示すメインエッチング工程ＭＥでは，マスク層３３０をエッチングマスクとして図８Ａに示す多層膜３２０を所定の深さ，ここでは図８Ｂに示すようにエッチングストップ膜３５０の途中までメインエッチングを行う。なお，ＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量比は，好ましくは０．２〜０．５である。

【0078】

具体的にはメインエッチング工程ＭＥでは，第１膜３４２と第２膜３４４をエッチングするためのＣＦ系ガスとしてのＣ_４Ｆ_８ガスとＣ_４Ｆ_６ガスと，酸素ガス（Ｏ_２ガス）とを含む処理ガスを用いてプラズマエッチングを行う。その他，処理ガスはＡｒガスを含むようにしてもよく，例えばＣＨ_２Ｆ_２ガスなどのハイドロフルオロカーボン系ガス（ＣＨＦ系ガス）を含むようにしてもよい。

【0079】

また，本実施形態では，第１膜（シリコン酸化膜）３４２と第２膜（シリコン窒化膜）３４４をエッチングするためのＣＦ系ガスとしてＣ_４Ｆ_８ガスとＣ_４Ｆ_６ガスを用いた場合を例に挙げたが，これに限られるものではなく，Ｃ_４Ｆ_８ガスとＣ_４Ｆ_６ガス以外のフロロカーボン系ガス（ＣＦ系ガス）を用いるようにしてもよい。

【0080】

なお，ここでは１回のメインエッチングで多層膜３２０を所定の深さまでエッチングする場合を例に挙げているが，これに限られるものではなく，ガス種やガス流量を変えて２回以上のメインエッチングを実行することによって多層膜３２０を所定の深さまでエッチングするようにしてもよい。この場合，積層膜に形成する穴の深さが深いほど，このメインエッチングの回数を増やすようにしてもよい。

【0081】

（オーバーエッチング工程）
次に，図７のステップＳ１２０〜Ｓ１４０に示すオーバーエッチング工程ＯＥでは，ＣＦ系ポリマの堆積量が少ないデポレスプロセスである第１オーバーエッチングと，ＣＦ系ポリマの堆積量が多いデポプロセスである第２オーバーエッチングを所定回数交互に繰り返し行う。

【0082】

第１，第２オーバーエッチングでは，メインエッチングと同様に，第１膜３４２と第２膜３４４をエッチングするためのＣＦ系ガスとしてのＣ_４Ｆ_８ガスとＣ_４Ｆ_６ガスと，酸素ガス（Ｏ_２ガス）とを含む処理ガスを用いてプラズマエッチングを行う。その他，処理ガスはＡｒガスを含むようにしてもよく，ＣＨＦ系ガス（例えばＣＨ_２Ｆ_２ガスなど）を含むようにしてもよい。

【0083】

この場合，第１オーバーエッチングではＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量をメインエッチングよりも増加させることでＣＦ系ポリマの堆積量を減少させることができ，第２オーバーエッチングではＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量を第１オーバーエッチングよりも減少させることでＣＦ系ポリマの堆積量を増加させることができる。この場合，第１オーバーエッチングのＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量比は，０．６〜０．９であることが好ましく，第２オーバーエッチングのＣＦ系ガス流量に対する酸素ガス流量比は，０．２〜０．５であることが好ましい。

【0084】

このようなステップＳ１２０の第１オーバーエッチングとステップＳ１３０の第２オーバーエッチングを実行した後に，ステップＳ１４０にて所定の繰り返し回数に達したか判断する。このとき，未だ所定の繰り返し回数に達していない場合はステップＳ１２０に戻り，所定の繰り返し数になるまでステップＳ１２０の第１オーバーエッチングとステップＳ１３０の第２オーバーエッチングとを交互に繰り返す。これにより，図８Ｂに示すようにメインエッチング後に穴深さにばらつきがあっても，図８Ｃに示すように下地シリコン膜３１０が露出していない穴ではエッチングの進行が促進され，下地シリコン膜３１０が露出した穴ではエッチングの進行が抑制される。

【0085】

こうして第１，第２オーバーエッチングを交互に繰り返すことで，穴の深さが均一に調整され，下地ロスのばらつきが修正される。そして，所定の繰り返し回数に達した場合には，一連のプラズマエッチング処理を終了する。これにより，図８Ｄに示すようにすべての穴についてエッチングが完了する。

【0086】

このように，ＣＦ系ポリマの堆積量が少ない第１オーバーエッチングとＣＦ系ポリマの堆積量が多い第２オーバーエッチングとを複数回交互に繰り返すオーバーエッチング工程ＯＥを行うことによって，ボトムＣＤ値を広げながら，下地ロスを抑制し，そのばらつきも抑制することができる。

【0087】

なお，上記処理ガスにＣＨＦ系ガスを含む場合には，第２オーバーエッチングにおいてはそのＣＨＦ系ガスの流量をゼロにするか又は減少させることで，下地ロスの抑制効果をより高めることができる。これは，処理ガスに水素原子（Ｈ）が含まれると下地シリコン膜３１０がエッチングされ易くなるところ，その水素原子（Ｈ）を減らすことによって下地シリコン膜３１０のエッチング抑制効果を高めることができるからである。

【0088】

さらに，第２オーバーエッチングでは，処理ガスに第３のガスとしてＣＦ_４ガス，ＮＦ_３ガスを添加してもよい。ＣＦ_４ガスやＮＦ_３ガスは，横方向にエッチングし易いので，ボトムＣＤ値を広げる効果を高めることができる。さらに，ＣＦ_４ガスやＮＦ_３ガスを処理ガスに添加することで，酸素原子（Ｏ）を減少させることもできるので，酸素ガス（Ｏ_２ガス）をより減少させるのと同様にＣＦ系ポリマの堆積量を増やす効果がある。このため，下地ロスの抑制効果をより一層高めることができる。

【0089】

なお，第１，第２オーバーエッチングは，少なくとも２回以上繰り返すことが好ましく，６回以上繰り返すことがより好ましい。この繰り返し回数は，メインエッチング後の穴深さのばらつきなどによっても決定することができる。例えばメインエッチング後の穴深さのばらつきが大きいほど，第１，第２オーバーエッチングの繰り返し回数を増やすことで，下地ロスのばらつきも抑制できる。

【0090】

また，図７に示すフローチャートでは，オーバーエッチング工程ＯＥにおいて，メインエッチング工程ＭＥの後に，第１オーバーエッチング，第２オーバーエッチングの順に所定回数交互に繰り返す場合を例に挙げて説明したが，これに限られるものではない。例えばメインエッチング工程ＭＥの後に，第１オーバーエッチングを行ってから，第２オーバーエッチング，第１オーバーエッチングの順に所定回数交互に繰り返すようにしてもよい。また，第２オーバーエッチングの処理条件は，メインエッチング工程ＭＥの処理条件と同じであってもよい。

【0091】

また，オーバーエッチング工程ＯＥにおいて，バイアス用の第２高周波電力をパルス変調しパルス状に印加するようにしてもよい。これによりボトムＣＤ値をより広げることができる。

【0092】

以下，この点についてより詳細に説明する。バイアス用の第２高周波電力を連続波形として，プラスのイオンを打ち込み続けると，穴の底部にはプラスの電荷がチャージされる。その状態で更にプラスのイオンを穴に打ち込むと，穴の底部にチャージされているプラスの電荷とイオンとが反発し合うので，その電荷チャージ量によってはイオンを穴の底部に打ち込み難くなり，穴の底部のエッチングが進行され難くなる虞がある。

【0093】

この点，バイアス用の第２高周波電力を高速でパルス変調しパルス状にして印加することにより，第２高周波電力を印加している間に穴の底部にチャージされたプラスの電荷は，第２高周波電力を印加していない間に穴の底部からディスチャージされる。これによれば，パルス状に高周波電力を印加することで穴の底部に溜まったプラスの電荷を減らすことができる。これにより，プラスの電荷とイオンとの反発が抑制されるため，穴の底部にプラスのイオンを打ち込み易くなる。その結果，穴底のエッチングが促進されボトムＣＤ値を広げる効果を高めることができる。

【0094】

（第１の実験結果）
次に，本実施形態にかかるエッチング処理の効果を確認するために行った第１の実験の結果について説明する。図９Ａ，図９Ｂはそれぞれ，図８Ａに示すような積層膜３４０に対して第１の実験にかかるエッチング処理を行って形成した凹部（ここではホール（穴））のボトム断面の走査型電子顕微鏡ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真のトレースを図示したものである。

【0095】

図９Ａは，メインエッチング工程ＭＥの後，オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスのプラズマエッチングを１回だけ行った比較例の実験結果である。図９Ｂは同様のメインエッチング工程ＭＥの後に，オーバーエッチング工程としてデポレスプロセスの第１オーバーエッチングとデポプロセスの第２オーバーエッチングを複数回繰り返して行った本実施形態の実験結果である。

【0096】

図９Ａではメインエッチング工程ＭＥとして２回のメインエッチングを行った後に，オーバーエッチング工程ＯＥとして１回のオーバーエッチングを行った。具体的にはメインエッチング工程ＭＥでは下記処理条件１−１で積層膜３４０の約９０％程度まで第１メインエッチングを行った後に下記処理条件１−２で第２メインエッチングを２１５秒間行い，続くオーバーエッチング工程ＯＥでは下記処理条件１−３で第１オーバーエッチングを１回だけ２００秒間行った。

【0097】

図９Ｂではメインエッチング工程ＭＥとして図９Ａと同様の２回のメインエッチングを行った後に，オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスの第１オーバーエッチングとデポプロセスの第２オーバーエッチングを，図９Ａのオーバーエッチング工程ＯＥとほぼ同様の時間内に６回繰り返し行ったものである。

【0098】

具体的にはメインエッチング工程ＭＥでは図９Ａと同様に，下記処理条件１−１で積層膜３４０の約９０％程度まで第１メインエッチングを行った後に下記処理条件１−２で第２メインエッチングを２１５秒間行い，続くオーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスの下記処理条件１−３で行う第１オーバーエッチングと，これよりも酸素ガス流量を減らすなどによりデポプロセスとした下記処理条件１−４で行う第２オーバーエッチングとを交互に６回繰り返した。

【0099】

第２オーバーエッチングの処理条件１−４は，第１オーバーエッチングの処理条件１−３に比して，酸素ガス流量を少なくし，さらにＣ_４Ｆ_８ガスをそれよりもＣＦ系ポリマを堆積させ易いＣＦ_４ガスに変えてＮＦ_３ガスも加えることで，ＣＦ系ポリマの堆積量をより多くすることができるようにしたデポプロセスである。ここでは，オーバーエッチング工程ＯＥの合計時間を図９Ａの場合とほぼ同様の２００秒間になるように，第１，第２オーバーエッチングの１回分の時間はそれぞれ，２３秒，１０秒としている。

【0100】

［処理条件１−１］第１メインエッチング
処理室内圧力：１５〜３０ｍＴｏｒｒ
第１高周波電力の周波数／パワー：４０ＭＨｚ／７００〜１５００Ｗ
第２高周波電力の周波数／パワー：３．２ＭＨｚ／５０００〜７０００Ｗ
処理ガス流量比：Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／ＣＨ_２Ｆ_２／Ａｒ／Ｏ_２＝１００／８０／１００／８０／１３５

【0101】

［処理条件１−２］第２メインエッチング
処理室内圧力：１５〜３０ｍＴｏｒｒ
第１高周波電力の周波数／パワー：４０ＭＨｚ／７００〜１５００Ｗ
第２高周波電力の周波数／パワー：３．２ＭＨｚ／５０００〜７０００Ｗ
処理ガス流量比：Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／ＣＨ_２Ｆ_２／ＮＦ_３／Ａｒ／Ｏ_２＝４５／４６／３４／１０／１００／４３

【0102】

［処理条件１−３］第１オーバーエッチング
処理室内圧力：３５〜７０ｍＴｏｒｒ
第１高周波電力の周波数／パワー：４０ＭＨｚ／６００〜１４００Ｗ
第２高周波電力の周波数／パワー：３．２ＭＨｚ／５０００〜７０００Ｗ
処理ガス流量比：Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＨＦ_３／Ａｒ／Ｏ_２＝２０／７０／５０／２０／４００／１１０

【0103】

［処理条件１−４］第２オーバーエッチング
処理室内圧力：３５〜７０ｍＴｏｒｒ
第１高周波電力の周波数／パワー：４０ＭＨｚ／６００〜１４００Ｗ
第２高周波電力の周波数／パワー：３．２ＭＨｚ／５０００〜７０００Ｗ
処理ガス流量比：ＣＦ_４／Ｃ_４Ｆ_６／ＣＨ_２Ｆ_２／ＮＦ_３／Ａｒ／Ｏ_２＝４５／４６／３４／１００／１００／４３

【0104】

このような第１の実験結果によれば，本実施形態による場合（図９Ｂ）は，比較例による場合（図９Ａ）に比して，下地シリコン膜３１０への穴の深さが浅くなっているとともに，各穴の深さもほぼ揃っていて下地ロスのばらつきが抑制されていることが分かる。下地シリコン膜３１０のエッチング量を測定してみたところ，第１オーバーエッチング１回だけの比較例による場合（図９Ａ）は１２０ｎｍであるのに対して，第１，第２オーバーエッチングを交互に６回繰り返した本実施形態による場合（図９Ｂ）は４７ｎｍとなり，下地ロスも大幅に減少していることが分かる。なお，図９Ａと図９Ｂのいずれの場合もボトムの穴径はほぼ同様に広がっている。

【0105】

また，上記第１，第２オーバーエッチングを交互に２回繰り返した場合，４回繰り返した場合も同様の実験を行って下地シリコン膜３１０のエッチング量を測定したところ，２回繰り返した場合は９０ｎｍ，４回繰り返した場合は４７ｎｍとなり，いずれの場合も第１オーバーエッチング１回だけの１２０ｎｍよりも減少していることが分かった。しかも，２回，４回，６回と繰り返し回数を増やすほど，下地ロスも少なくなっていることが分かった。

【0106】

これにより，本実施形態のオーバーエッチング工程によれば，ボトムＣＤ値を拡大しながらも，下地ロスを大幅に抑制することができ，そのばらつきも抑制できることが実験でも明らかになった。

【0107】

（第２の実験結果）
次に，上記第１の実験結果とは別の処理条件によって本実施形態にかかるエッチング処理の効果を確認するために行った第２の実験の結果について説明する。図１０Ａ，図１０Ｂはそれぞれ，図８Ａに示すような積層膜３４０に対して第２の実験にかかるエッチング処理を行って形成した凹部（ここではホール（穴））のボトム断面の走査型電子顕微鏡ＳＥＭ写真のトレースを図示したものである。

【0108】

図１０Ａは，メインエッチング工程ＭＥの後，オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスのプラズマエッチングを１回だけ行った比較例の実験結果である。図１０Ｂは同様のメインエッチング工程ＭＥの後に，オーバーエッチング工程としてデポレスプロセスの第１オーバーエッチングとデポプロセスの第２オーバーエッチングを複数回繰り返して行った本実施形態の実験結果である。

【0109】

図１０Ａではメインエッチング工程ＭＥとして１回のメインエッチングを行った後に，オーバーエッチング工程ＯＥとして１回のオーバーエッチングを行った。具体的にはメインエッチング工程ＭＥでは下記処理条件２−１でメインエッチングをエッチングストップ膜３５０に到達するまで行った後に，続くオーバーエッチング工程ＯＥでは下記処理条件２−２で第１オーバーエッチングを１回だけ１８０秒間行った。

【0110】

図１０Ｂではメインエッチング工程ＭＥとして図１０Ａと同様の１回のメインエッチングを行った後に，オーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスの第１オーバーエッチングとデポプロセスの第２オーバーエッチングを，図１０Ａのオーバーエッチング工程ＯＥとほぼ同様の時間内に９回繰り返し行ったものである。

【0111】

具体的にはメインエッチング工程ＭＥでは図１０Ａと同様に，下記処理条件２−１でメインエッチングをエッチングストップ膜３５０に到達するまで行い，続くオーバーエッチング工程ＯＥとしてデポレスプロセスの下記処理条件２−２で行う第１オーバーエッチングと，これよりも酸素ガス流量を減らすなどによりデポプロセスとした下記処理条件２−３で行う第２オーバーエッチングとを交互に９回繰り返した。

【0112】

第２オーバーエッチングの処理条件２−３は，第１オーバーエッチングの処理条件２−２に比して，酸素ガス流量を少なくし，さらにＣＨＦ系ガス（ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＨＦ_３）をゼロ（添加しない）とすることで，ＣＦ系ポリマの堆積量を多くするとともに下地シリコン膜３１０のエッチングをより抑制できるようにしたデポプロセスである。ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＨＦ_３比は，好ましくは０〜１０であり，より好ましくは０〜７である。ここでは，オーバーエッチング工程ＯＥの合計時間を図１０Ａの場合と同様の１８０秒間になるように，第１，第２オーバーエッチングの１回分の時間はそれぞれ１０秒としている。

【0113】

［処理条件２−１］
処理室内圧力：２０〜４０ｍＴｏｒｒ
第１高周波電力の周波数／パワー：４０ＭＨｚ／５００〜１３００Ｗ
第２高周波電力の周波数／パワー：３．２ＭＨｚ／５０００〜７０００Ｗ
処理ガス流量比：Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／ＣＨ_２Ｆ_２／Ａｒ／Ｏ_２＝５０〜６０／９０〜１００／９５／１００／１４５

【0114】

［処理条件２−２］
処理室内圧力：３５〜７０ｍＴｏｒｒ
第１高周波電力の周波数／パワー：４０ＭＨｚ／６００〜１４００Ｗ
第２高周波電力の周波数／パワー：３．２ＭＨｚ／５０００〜７０００Ｗ
処理ガス流量比：Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＨＦ_３／Ａｒ／Ｏ_２＝２０〜２５／６５〜７０／３５〜５０／２０／４００／１１０

【0115】

［処理条件２−３］
処理室内圧力：３５〜７０ｍＴｏｒｒ
第１高周波電力の周波数／パワー：４０ＭＨｚ／６００〜１４００Ｗ
第２高周波電力の周波数／パワー：３．２ＭＨｚ／５０００〜７０００Ｗ
処理ガス流量比：Ｃ_４Ｆ_８／Ｃ_４Ｆ_６／ＣＨ_２Ｆ_２／ＣＨＦ_３／Ａｒ／Ｏ_２＝２０〜２５／６５〜７５／０／０／１２００／８０

【0116】

このような第２の実験結果によっても，本実施形態による場合（図１０Ｂ）は，比較例による場合（図１０Ａ）に比して，下地シリコン膜３１０への穴の深さが浅くなっているとともに，各穴の深さもほぼ揃っていて下地ロスのばらつきが抑制されていることが分かる。下地シリコン膜３１０のエッチング量を測定してみたところ，第１オーバーエッチング１回だけの比較例による場合（図１０Ａ）は１２４ｎｍであるのに対して，第１，第２オーバーエッチングを交互に９回繰り返した本実施形態による場合（図１０Ｂ）は３６ｎｍとなり，下地ロスも大幅に減少していることが分かる。なお，図１０Ａと図１０Ｂのいずれの場合もボトムの穴径はほぼ同様に広がっている。

【0117】

これにより，第１の実験とは別の処理条件を用いた第２の実験においても，本実施形態のオーバーエッチング工程によれば，ボトムＣＤ値を拡大しながらも，下地ロスを大幅に抑制することができ，そのばらつきも抑制できることが分かった。

【0118】

以上詳述したように，本実施形態にかかるプラズマエッチング処理によれば，ボトムＣＤ値を拡大しながらも，下地ロスを抑制することができ，そのばらつきも抑制できる。

【0119】

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0120】

例えば，上記実施形態では，積層膜に凹部としてホール（穴）を形成する実施形態について説明したが，本発明に係るプラズマ処理方法は，積層膜に凹部としてラインアンドスペース（Ｌ＆Ｓ）などのトレンチ（溝）を形成する場合にも適用可能である。

【0121】

また，本発明においてプラズマ処理を施される被処理基板は，半導体ウエハに限られず，例えば，フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ：Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）用の大型基板，ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。また，プラズマ処理装置としては，平行平板型容量結合型プラズマの一例を示したが，これに限られるものではなく，誘導結合プラズマＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ），ＲＬＳＡプラズマ，マグネトロンプラズマにも適用可能である。

【産業上の利用可能性】

【0122】

本発明は，被処理基板上の多層膜をプラズマを用いてエッチングするプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に適用可能である。

【符号の説明】

【0123】

１００ プラズマ処理装置
１１０ 処理室
１１２ 載置台
１１４ 筒状保持部
１１６ 筒状支持部
１１８ フォーカスリング
１２０ 排気路
１２２ バッフル板
１２４ 排気口
１２６ 排気管
１２８ 排気部
１３０ ゲートバルブ
１３３，１３４ 整合器
１３８ シャワーヘッド
１４０ 静電チャック
１４０ａ 電極
１４２ 直流電圧源
１４３ スイッチ
１５２ 伝熱ガス供給部
１５４ ガス供給ライン
１５６ 電極板
１５６ａ ガス通気孔
１５８ 電極支持体
１６０ バッファ室
１６０ａ ガス導入口
１６２ 処理ガス供給部
１６４ ガス供給配管
１８２ 冷媒管
１８４ チラーユニット
１８６，１８８ 配管
１９０ ヒータ
１９２ 交流電源
２００ 制御部
２１０ 操作部
２２０ 記憶部
３１０ 下地シリコン膜
３２０ 多層膜
３３０ マスク層
３４０ 積層膜
３５０ エッチングストップ膜
ＡＣ 活性層
Ｗ ウエハ

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】