特許 6185305 プラズマエッチング方法およびプラズマエッチング装置

(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】6185305

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】プラズマエッチング方法およびプラズマエッチング装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20170814BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 105A

   H01L21/302 104H

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-137118(P2013-137118)

(22)【出願日】2013年6月28日

(65)【公開番号】特開2015-12178(P2015-12178A)

(43)【公開日】2015年1月19日

【審査請求日】2016年3月2日

(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】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】石井 孝幸

【審査官】 鈴木 聡一郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２９１２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９８９８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２０４６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９８／０３２１６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−１６８０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０７７３８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０２

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／４６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に、Ｓｉ（シリコン）を含まない有機膜、マスク膜、レジスト膜が順に形成され、
前記レジスト膜は、所定のパターンを有し、前記レジスト膜をマスクとして前記マスク膜をエッチングしてマスクを形成し、
前記レジスト膜及びマスク膜をマスクとして、前記Ｓｉを含まない有機膜をＯ２（酸素）、ＣＯＳ（硫化カルボニル）、およびＣｌ２（塩素）を含む混合ガスのプラズマによりエッチングすることを含み、
前記Ｃｌ２の流量に対する前記ＣＯＳの流量の比は、０．３５〜０．５の範囲であることを特徴とするプラズマエッチング方法。

【請求項2】

前記Ｃｌ２の流量に対するＣＯＳの流量の比は、０．３５〜０．４５の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。

【請求項3】

前記ＣＯＳの流量およびＣｌ２の流量の合計に対するＯ２の流量の比は、１．５〜２．７の範囲であることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマエッチング方法。

【請求項4】

前記ＣＯＳの流量およびＣｌ２の流量の合計に対するＯ２の流量の比は、１．７〜１．９の範囲であることを特徴とする請求項３に記載のプラズマエッチング方法。

【請求項5】

マスク膜上に形成された所定のパターンを有するフォトレジスト膜をプラズマ処理する第１の工程と、
プラズマ処理された前記フォトレジスト膜のパターンに沿って前記マスク膜をプラズマによりエッチングして、前記マスク膜の下層に形成されている有機膜を露出させる第２の工程と、
Ｏ２（酸素）、ＣＯＳ（硫化カルボニル）、およびＣｌ２（塩素）を含む混合ガスのプラズマにより前記有機膜をエッチングする第３の工程と
を含み、
前記Ｃｌ２の流量に対する前記ＣＯＳの流量の比は、０．３５〜０．５の範囲であることを特徴とするプラズマエッチング方法。

【請求項6】

前記第３の工程におけるＣｌ２の流量に対するＣＯＳの流量の比は、０．３５〜０．４５の範囲であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマエッチング方法。

【請求項7】

前記第３の工程におけるＣＯＳの流量およびＣｌ２の流量の合計に対するＯ２の流量の比は、１．５〜２．７の範囲であることを特徴とする請求項５または６に記載のプラズマエッチング方法。

【請求項8】

前記第３の工程におけるＣＯＳの流量およびＣｌ２の流量の合計に対するＯ２の流量の比は、１．７〜１．９の範囲であることを特徴とする請求項７に記載のプラズマエッチング方法。

【請求項9】

被処理体に対してプラズマエッチング処理を行うための処理チャンバと、
前記処理チャンバ内を減圧する減圧部と、
前記処理チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給部と、
請求項１から８のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法を実行する制御部と
を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマエッチング方法およびプラズマエッチング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

プラズマによるエッチング工程において被処理膜に溝を形成する場合、溝の側壁が必要以上に削れることにより溝の中間の空間が膨れてしまうボーイングが発生することが知られている。微細化の進展により、このボーイングの問題が顕在化し、溝の幅を設計通りに制御することが難しくなっている。その対策として、下記の特許文献１には、エッチングガスにＣＯＳ（硫酸カルボニル）を添加する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−２０４６６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、エッチング工程において被処理膜に溝を形成する場合、溝の側壁が垂直であると溝の底（コーナー部）に反応生成物（デポ）が堆積し、その後に形成されたデバイスの性能に影響が出る。溝の側壁に所定の角度をなす傾斜（テーパ）をつけることで反応生成物（デポ）の除去が容易になる。また、その後に溝の側壁に膜を堆積させる工程で膜が付きやすくなる等の利点が生まれる。しかし、従来は、ボーイングの発生を抑制しつつ、所定のテーパを形成することが困難であった。

【0005】

また、上記特許文献１の技術では、ボーイングの発生をある程度抑えることはできるが、溝の側壁に所定のテーパを形成できるまでには至っていない。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面に係るプラズマエッチング方法は、基板上に、Ｓｉ（シリコン）を含まない有機膜、マスク膜、レジスト膜が順に形成され、前記レジスト膜は、所定のパターンを有し、前記レジスト膜をマスクとして前記マスク膜をエッチングしてマスクを形成し、前記レジスト膜及びマスク膜をマスクとして、前記有機膜を、Ｏ２（酸素）、ＣＯＳ、およびＣｌ２（塩素）を含む混合ガスのプラズマによりエッチングする。

【発明の効果】

【0007】

本発明の種々の側面および実施形態によれば、溝の形状を改善することができるプラズマエッチング方法およびプラズマエッチング装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係るエッチング装置の一例を示す縦断面図である。

【図2】図２は、実施形態に係るエッチング装置でエッチングされる半導体ウエハの構造の一例を説明するための模式図である。

【図3】図３は、処理ガスと溝の形状との関係の一例を示す模式図である。

【図4】図４は、実施形態に係るエッチング方法の手順の一例を示すフローチャートである。

【図5】図５は、ＣＯＳガスおよびＣｌ２ガスを含む処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面の実験結果の一例を示す図である。

【図6】図６は、テーパ角度の定義を説明するための模式図である。

【図7】図７は、ＣＯＳガスとＣｌ２ガスの流量の比に対するテーパ角度の計算結果の一例を示す図である。

【図8】図８は、ＣＯＳガスとＣｌ２ガスの流量の比に対するテーパ角度の変化の一例を示すグラフである。

【図9】図９は、ＣＯＳガス、Ｃｌ２ガス、およびＯ２ガスを含む処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面の実験結果の一例を示す図である。

【図10】図１０は、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比に対するＣＤ比およびテーパ角度の計算結果の一例を示す図である。

【図11】図１１は、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比に対するＣＤ比およびテーパ角度の変化の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

まず、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【0010】

図１は、実施形態に係るエッチング装置の一例を示す縦断面図である。本実施形態におけるプラズマエッチング装置は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されており、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状のチャンバ（処理容器）１０を有している。このチャンバ１０は保安接地されている。

【0011】

チャンバ１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上に例えばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、その上に被処理基板である半導体ウエハＷが載置される。この半導体ウエハＷには本発明のエッチング対象である有機膜が形成されている。

【0012】

サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は、導電膜からなる電極２０をＡｌ２Ｏ３等の誘電体の絶縁層で挟んだ構造を有する。電極２０には直流電源２２が電気的に接続されている。そして、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷが静電チャック１８に吸着保持される。

【0013】

静電チャック１８（半導体ウエハＷ）の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）２４が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。

【0014】

サセプタ支持台１４の内部には、例えば円周上に冷媒室２８が設けられている。この冷媒室２８には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によってサセプタ１６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御することができる。

【0015】

更に、図示しない伝熱ガス供給機構からの冷熱伝達用ガス（冷却ガス）、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。これらの構成によって、半導体ウエハＷを、所定の温度に制御可能となっている。

【0016】

下部電極であるサセプタ１６の上方には、サセプタ１６と対向するように平行に上部電極３４が設けられている。そして、上部電極３４および下部電極１６間の空間にプラズマが生成される。

【0017】

この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、チャンバ１０の上部に支持されており、サセプタ１６との対向面を構成しかつ多数のガス吐出孔３７を有する。また、上部電極３４は、導電性材料、例えばアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体３８を有する。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。

【0018】

電極支持体３８にはガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口６２が形成されており、このガス導入口６２にはガス供給管６４が接続され、ガス供給管６４には処理に必要なガスを供給するガス供給源６６が接続されている。ガス供給管６４には、複数のガス配管が接続されており、これらガス配管には流量制御器および開閉バルブ（いずれも図示せず）が設けられている。そして、処理に必要なガスは、ガス供給源６６からガス供給管６４を介してガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してシャワー状にプラズマ生成空間に吐出される。すなわち、上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。

【0019】

上部電極３４には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１を介して可変直流電源５０が電気的に接続されている。可変直流電源５０は、負極が上部電極３４側となるように接続されており、上部電極３４にマイナスの電圧を印加するようになっている。可変直流電源５０からの給電はオン・オフスイッチ５２によりオン・オフが可能となっている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１は後述する第１および第２の高周波電源からの高周波をトラップするものであり、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成される。

【0020】

チャンバ１０の側壁から上部電極３４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１０ａが設けられている。

【0021】

下部電極であるサセプタ１６には、第１の整合器４６を介して、第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。第１の高周波電源４８は、２７〜１００ＭＨｚの周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を出力する。第１の整合器４６は、第１の高周波電源４８の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１の高周波電源４８の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

【0022】

また、下部電極であるサセプタ１６には、第２の整合器８８を介して第２の高周波電源９０も電気的に接続されている。この第２の高周波電源９０から下部電極であるサセプタ１６に高周波電力が供給されることにより、半導体ウエハＷに高周波バイアスが印加され半導体ウエハＷにイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、４００ｋＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。第２の整合器８８は第２の高周波電源９０の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第２の高周波電源９０の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

【0023】

チャンバ１０の底部には排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０内を所望の真空度まで減圧可能となっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能となっている。また、チャンバ１０の内壁に沿ってチャンバ１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するためのデポシールド１１が着脱自在に設けられている。すなわち、デポシールド１１がチャンバ壁を構成している。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。チャンバ１０の底部のチャンバ壁側のデポシールド１１と内壁部材２６側のデポシールド１１との間には排気プレート８３が設けられている。デポシールド１１および排気プレート８３としては、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆したものを好適に用いることができる。

【0024】

デポシールド１１のチャンバ内壁を構成する部分の半導体ウエハＷとほぼ同じ高さの部分には、グランドにＤＣ的に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）９１が設けられており、これにより異常放電防止効果を発揮する。なお、この導電性部材９１は、プラズマ生成領域に設けられていれば、その位置は図１の位置に限定されず、例えばサセプタ１６の周囲に設ける等、サセプタ１６側に設けてもよく、また上部電極３４の外側にリング状に設ける等、上部電極３４近傍に設けてもよい。

【0025】

プラズマエッチング装置の各構成部、例えば電源系やガス供給系、駆動系、更には、第１の高周波電源４８、第２の高周波電源９０、整合器４６，８８等は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を含む制御部（全体制御装置）１００に接続されて制御される構成となっている。また、制御部１００には、オペレータ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等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なるユーザーインターフェース１０１が接続されている。

【0026】

更に、制御部１００には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理を制御部１００で実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマエッチング装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピが格納された記憶部１０２が接続されている。処理レシピは記憶部１０２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

【0027】

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース１０１からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部１０２から呼び出して制御部１００にて実行させることで、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。

【0028】

例えば、制御部１００は、後述するプラズマエッチング方法を実行するようにプラズマエッチング装置の各部を制御する。その一例を挙げて詳細な説明をする。制御部１００は、マスク膜２０３上に形成された所定のパターンを有するフォトレジスト膜２０４をプラズマ処理するようにプラズマエッチング装置の各部を制御する。そして、制御部１００は、プラズマ処理されたフォトレジスト膜２０４のパターンに沿ってマスク膜２０３をプラズマによりエッチングして、マスク膜２０３の下層に形成されている有機膜２０２を露出させるようにプラズマエッチング装置の各部を制御する。そして、制御部１００は、Ｏ２、ＣＯＳ、およびＣｌ２を含む混合ガスによるプラズマにより有機膜２０２をエッチングするようにプラズマエッチング装置の各部を制御する。

【0029】

図２は、実施形態に係るエッチング装置でエッチングされる半導体ウエハの構造の一例を説明するための模式図である。本実施形態では、一例として図２に示すような構造の半導体ウエハＷを用いる。

【0030】

ここで用いる半導体ウエハＷは、図２に示すように、基板上に下層膜２０１、有機膜２０２、マスク膜（無機膜）２０３、ＢＡＲＣ（有機膜）およびフォトレジスト（ＰＲ）膜２０４を順次形成した後、フォトレジスト膜２０４にフォトリソグラフィにより所定パターンを形成した構造を有している。

【0031】

本実施形態におけるエッチング対象膜である有機膜２０２としては、通常この分野で用いられる有機膜であって、シリコンが含まれていないものであれば制限はなく、アモルファスカーボン（ａ−Ｃ）やＳＯＣ（スピンオンカーボン）、ＳＯＨ（スピンオンハードマスク）等を好適に用いることができる。有機膜２０２の厚さは１００〜１０００ｎｍ程度で、例えば２００ｎｍである。

【0032】

マスク膜２０３としては、例えばＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）を好適に用いることができ、その厚さは１０〜１００ｎｍ程度で、例えばそれぞれ１２ｎｍおよびと２０ｎｍである。フォトレジスト膜２０４は、典型的にはＡｒＦ（フッ化アルゴン）レジストであり、その厚さは２０〜２００ｎｍ程度である。

【0033】

次に、本実施形態に係るプラズマエッチングの原理について図３を用いて説明する。図３は、処理ガスと溝の形状との関係の一例を示す模式図である。図３（ａ）は、処理ガスにＣＯＳもＣｌ２も含まれていないＣＦ系の処理ガスのプラズマによりマスク膜２０３をマスクとして有機膜２０２をエッチングした場合の溝の形状の一例を示す模式図である。図３（ａ）に示すように、有機膜２０２に形成された溝の形状は、溝の開口や底の幅に比べて溝の中央が膨らむ形状となるボーイングが生成される。そのため、溝を設計値通りの幅にするためには、ボーイングによる中央部分の膨らみを考慮して、マスク膜をエッチングするＢＴ工程においてマスク膜２０３に開けられる溝の幅を狭くすることにより、有機膜２０２の溝の開口を狭くする必要がある。

【0034】

しかし、マスク膜２０３の溝の幅を、高い精度を保ちながら狭くすることには高度な微細化の技術を必要とする。また、開口の狭い溝をエッチングにより有機膜２０２に形成できたとしても、溝の内部に比べて開口が狭いため、その後の工程において、内部に溜まった堆積物を除去したり、有機膜２０２に形成された溝の内壁に均一な膜を形成すること等が難しくなる場合がある。

【0035】

ここで、溝の開口の幅が溝の底の幅よりも広くなるように溝の内壁に傾斜（テーパ）が形成できれば、半導体の製造工程において内部に溜まった堆積物を除去したり、溝の内壁に均一な膜を形成すること等が容易になる。ただし、高密度化を達成するためには、溝の内壁の傾斜を緩やかにし過ぎることもできない。これらを考慮すると、テーパの角度は、８４°〜８９°であることが好ましい。より好ましくは、テーパの角度は、８４°〜８６°であるとよい。

【0036】

また、ボーイングの発生を抑える添加ガスとしては、ＣＯＳガスが知られている。図３（ｂ）は、処理ガスにＣＯＳガスを添加、又はＣＯＳ単ガスの処理ガスのプラズマによりマスク膜２０３をマスクとして有機膜２０２をエッチングした場合の溝の形状の一例を示す模式図である。図３（ｂ）に示すように、処理ガスにＣＯＳガスが添加されると、プラズマ中に生成されたＳ（硫黄）成分のイオンにより、溝の内壁にＳの堆積物が付着しながらエッチングされるので、ボーイングの発生がある程度抑えられる。しかし、ＣＯＳガスを用いることでボーイングが抑制されたとしても、不十分であり、且つテーパ形状が形成されない。そのため、依然としてボーイングの抑制及びテーパ形状を考慮した設計が必要となる。

【0037】

図３（ｃ）は、処理ガスにＣｌ２ガスを添加、又はＣｌ２単ガスの処理ガスのプラズマによりマスク膜２０３をマスクとして有機膜２０２をエッチングした場合の溝の形状の一例を示す模式図である。図３（ｃ）に示すように、ＣＯＳガスを用いた場合と同様に、処理ガスにＣｌ２ガスが添加されると、プラズマ中に生成されたＳｉＣｌｘ（塩化ケイ素）成分のイオンにより、溝の内壁にＳｉＣｌｘの堆積物が付着しながらエッチングされるので、ボーイングの発生がある程度抑えられる。しかし、Ｃｌ２ガスを用いることでボーイングが抑制されたとしても、不十分であり、且つテーパ形状が形成されない。そのため、依然としてボーイングの抑制及びテーパ形状を考慮した設計が必要となる。

【0038】

そこで、本実施形態の有機膜エッチング工程では、Ｏ２ガス／Ｃｌ２ガス／ＣＯＳガスを含む処理ガスのプラズマにより有機膜２０２をエッチングする。図３（ｄ）は、Ｏ２ガス／Ｃｌ２ガス／ＣＯＳガスを含む処理ガスのプラズマによりマスク膜２０３をマスクとして有機膜２０２をエッチングした場合の溝の形状の一例を示す模式図である。

【0039】

発明者は、鋭意研究の結果、処理ガスにＣＯＳガスおよびＣｌ２ガスが添加されると、図３（ｄ）に示すように、プラズマ中に生成されたＳ成分のイオンおよびＳｉＣｌｘ成分のイオンにより、溝の内壁にＳとＳｉＣｌｘの混合堆積物が付着しながらエッチングされるので、ボーイングの発生が大幅に抑えられることが分かった。これにより、溝の内壁をテーパ形状とすることができ、後の工程において溝の内部に溜まった堆積物の除去や、溝の内壁に均一な膜を形成すること等が容易になる。このように、本願発明のエッチング方法により有機膜をエッチングして、好ましいＣＤやテーパ形状の溝を形成した後、その有機膜２０２をマスクとして、例えばＳｉＯＮ膜、ＴｉＮ（メタルハードマスク）等の下層膜２０１をプラズマによりエッチングすることにより、下層膜２０１に形成される溝のＣＤ及び形状を高い精度で形成することが可能となる。さらに、その下層膜の下層に形成する膜を、下層膜をマスクとしてエッチングすることで、良好な形状の溝を形成することが可能となる。また、これにより、半導体装置の性能及び歩留まりを向上させることが可能となる。

【0040】

＜プラズマエッチング方法の実施形態＞
次に、本実施形態におけるプラズマエッチング方法の各工程について説明する。図４は、本実施形態に係るプラズマエッチング方法の手順の一例を示すフローチャートである。

【0041】

本実施形態におけるプラズマエッチング方法では、図４に示すように、まず、被処理体となる半導体ウエハＷがチャンバ１０内に搬入されてサセプタ１６上に載置され。そして、制御部１００は、排気装置８４の真空ポンプにより排気口８０を介してチャンバ１０内を所定の圧力まで排気し、チャンバ１０内に処理ガスを供給してプラズマ処理を実行する（ステップＳ１００）。

【0042】

例えば、制御部１００は、水素を含む処理ガスをガス供給源６６からチャンバ１０内に供給し、水素含有ガスのプラズマによりフォトレジスト膜の表面をプラズマ処理してレジスト膜を固化させる。プラズマ処理工程は、キュア工程とも称され、マスクとして用いられるフォトレジスト膜のＳＷＲ（Side Wall Roughness）やＬＥＲ（Line Edge Roughness）等を改善する。

【0043】

より詳細には、制御部１００は、例えば、以下の条件でフォトレジスト膜２０４をプラズマ処理を実行する。
チャンバ１０内の圧力：１０ｍＴ
上部電極３４に供給する高周波電力：２００Ｗ
上部電極３４に供給する電力の周波数：６０ＭＨｚ
下部電極（サセプタ１６）に供給する高周波電力：０Ｗ
供給ガスおよび流量比：Ｈ２（水素）／Ｎ２（窒素）／ＣＨ４（メタン）＝１８０／６０／１０ｓｃｃｍ
冷却ガスの圧力：２０／２０Ｔｏｒｒ
上部電極３４の温度：９０℃
チャンバ１０の内壁の温度：６０℃
サセプタ１６の中央の温度：１５℃
サセプタ１６のエッジの温度：５℃

【0044】

次に、制御部１００は、チャンバ１０内を排気し、チャンバ１０内に処理ガスを供給して、マスク膜２０３のエッチング工程を実行する（ステップＳ１０１）。例えば、制御部１００は、ＣＦ系ガス及びＣＨ系ガスを含む処理ガスをガス供給源６６からチャンバ１０内に供給し、プラズマ処理されたフォトレジスト膜２０４をマスクとしてＣＦ系ガス及びＣＨ系含有ガスによるプラズマによりＢＡＲＣ（有機膜）及びシリコン含有膜であるマスク膜２０３をエッチングして、マスク膜２０３の下層に形成されている、Ｓｉを含まない有機膜２０２を露出させる。マスク膜２０３のエッチング工程は、ＢＴ（Break Through）工程とも称される。この場合、マスク膜２０３上には、ＡｒＦ等のフォトレジスト膜２０４が所定の厚みで残される。

【0045】

より詳細には、制御部１００は、例えば、以下の条件でマスク膜２０３のエッチングを行う。
チャンバ１０内の圧力：１５ｍＴ
上部電極３４に供給する高周波電力：５００Ｗ
上部電極３４に供給する電力の周波数：６０ＭＨｚ
下部電極（サセプタ１６）に供給する高周波電力：１００Ｗ
下部電極（サセプタ１６）に供給する電力の周波数：１３ＭＨｚ
供給ガスおよび流量比：ＣＦ４（四フッ化炭素）／ＣＨ４／Ｏ２＝２５０／２０／８ｓｃｃｍ
冷却ガスの圧力：２０／２０Ｔｏｒｒ
上部電極３４の温度：９０℃
チャンバ１０の内壁の温度：６０℃
サセプタ１６の中央の温度：１５℃
サセプタ１６のエッジの温度：５℃

【0046】

次に、制御部１００は、チャンバ１０内を排気し、チャンバ１０内に処理ガスを供給して、Ｓｉを含まない有機膜２０２のエッチング工程を実行する（ステップＳ１０２）。例えば、制御部１００は、ＣＯＳおよびＣｌ２を含む処理ガスをガス供給源６６からチャンバ１０内に供給し、残膜のフォトレジスト膜２０４およびマスク膜２０３をマスクとして、ＣＯＳガスおよびＣｌ２ガス含有ガスのプラズマにより、Ｓｉを含まない有機膜２０２をエッチングする。

【0047】

より詳細には、制御部１００は、例えば、以下の条件で、Ｓｉを含まない有機膜２０２のエッチングを行う。
チャンバ１０内の圧力：１０ｍＴ
上部電極３４に供給する高周波電力：５００Ｗ
上部電極３４に供給する電力の周波数：６０ＭＨｚ
下部電極（サセプタ１６）に供給する高周波電力：２００Ｗ
下部電極（サセプタ１６）に供給する電力の周波数：１３．５６ＭＨｚ
供給ガス：Ｏ２／Ｈｅ（ヘリウム）／Ｃｌ２／ＣＯＳ
冷却ガスの圧力：２０／２０Ｔｏｒｒ
上部電極３４の温度：９０℃
チャンバ１０の内壁の温度：６０℃
サセプタ１６の中央の温度：１５℃
サセプタ１６のエッジの温度：５℃

【0048】

なお、Ｓｉを含まない有機膜２０２のエッチング工程においてチャンバ１０内に供給される処理ガスにはＯ２およびＨｅが多く含まれているため、プラズマが発生しにくい。そのため、制御部１００は、チャンバ１０内の圧力を一時的に２０ｍＴまで上げてからプラズマを発生させ、プラズマが安定的に発生した後に、チャンバ１０内の圧力を処理圧力である１０ｍＴまで下げる制御を行うことが好ましい。

【0049】

＜実施例１＞
次に、図２に示した膜構成の半導体ウエハＷを用いて、ＣＯＳガスおよびＣｌ２ガスの流量を変えてエッチングし、流量比と、ＣＤおよびテーパ角度との関係を調べる実験を行った。以下の実験結果では、マスク膜２０３／有機膜２０２／下層膜２０１＝２８／１７０／４０ｎｍの半導体ウエハＷを用いている。また、プロセス条件は、以下の３通りである。
供給ガス：Ｏ２／Ｈｅ／Ｃｌ２／ＣＯＳ＝５０／１６０／２０／８sccm ・・・（１）
＝５０／１６０／１３／６sccm ・・・（２）
＝５０／１６０／１６／８sccm ・・・（３）
各ガスの好ましい流量は、ＣＯＳガスでは３〜１０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２ガスでは１０〜２５ｓｃｃｍ、Ｈｅガスでは１００〜２００ｓｃｃｍ、Ｏ２ガスでは４５〜１００ｓｃｃｍである。その他のステップ及び条件は、前述の有機膜エッチングの条件と同様である。

【0050】

図５（ａ）〜（ｃ）は、ＣＯＳガスおよびＣｌ２ガスを含む処理ガスのプラズマによりエッチングした場合の溝の断面の実験結果の一例を示す。図５（ａ）は、上記（１）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面を示し、図５（ｂ）は、上記（２）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面を示し、図５（ｃ）は、上記（３）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面を示す。

【0051】

上記（１）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合には、図５（ａ）に示すように、溝の開口の幅が、溝の底の幅よりも広くなっており、溝の側壁の傾斜も妥当な範囲に含まれている。図５（ａ）の場合、溝の開口の幅は２７１ｎｍ、溝の底の幅は２３９ｎｍであった。なお、上記（１）に示した流量比の処理ガスでは、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比は、０．４である。

【0052】

また、上記（２）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合も、図５（ｂ）に示すように、溝の開口の幅が、溝の底の幅よりも広くなっており、溝の側壁にテーパが形成されている。図５（ｂ）の場合、溝の開口の幅は２６４ｎｍ、溝の底の幅は２５７ｎｍであった。なお、上記（２）に示した流量比の処理ガスでは、Ｃｌ２の流量に対するＣＯＳの流量の比は、０．４６である。

【0053】

また、上記（３）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合も、図５（ｃ）に示すように、溝の開口の幅が、溝の底の幅よりも広くなっており、溝の側壁にテーパが形成されている。図５（ｃ）の場合、溝の開口の幅は２７０ｎｍ、溝の底の幅は２５５ｎｍであった。なお、上記（３）に示した流量比の処理ガスでは、Ｃｌ２の流量に対するＣＯＳの流量の比は、０．５である。

【0054】

ここで、本明細書では、例えば図６に示すような角度θをテーパ角度と定義する。テーパ角度θは、溝の開口の幅をＴｏｐＣＤとし、溝の底の幅をＢｏｔｔｏｍＣＤとし、溝の深さ（有機膜２０２の厚み）をＬとして、例えば、下記の算出式（４）を用いて算出される。
θ＝ｔａｎ^-1｛Ｌ／（（ＴｏｐＣＤ−ＢｏｔｔｏｍＣＤ）／２）｝ ・・・（４）

【0055】

上記（１）〜（３）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合のそれぞれの溝の形状において、ＴｏｐＣＤとＢｏｔｔｏｍＣＤとからテーパ角度を算出すると、例えば図７に示すようになる。また、テーパ角度の計算結果をプロットすると、例えば図８に示すようなグラフになる。図７は、ＣＯＳガスとＣｌ２ガスの流量の比に対するテーパ角度の計算結果の一例を示す。図８は、ＣＯＳガスとＣｌ２ガスの流量の比に対するテーパ角度の変化の一例を示すグラフである。

【0056】

図７および図８からわかるように、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が増加するに従って、テーパ角度が増加する傾向がみられる。テーパ角度は、８４°〜８９°の範囲内となることが好ましい。図７および図８の結果を参照すると、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が０．４〜０．５の範囲であれば、テーパ角度が、ボーイングを抑制しつつ、好ましいテーパ角度の８４°〜８９°の範囲内になっていることがわかる。

【0057】

また、発明者は、更に鋭意研究を重ねた結果、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が０．３５〜０．５の範囲であれば、テーパ角度が、ボーイングを抑制しつつ、好ましいテーパ角度の８４°〜８９°の範囲に含まれることが分かった。そのため、処理ガスに含まれるＣＯＳガスとＣｌ２ガスの流量比は、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が０．３５〜０．５の範囲内であることが好ましい。

【0058】

また、テーパ角度の範囲は、より好ましくは、８４°〜８６°の範囲であるとよい。ここで、図７および図８の結果を参照すると、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が０．４であれば、テーパ角度が、ボーイングを抑制しつつ、好ましいテーパ角度の８４°〜８６°の範囲内になっていることがわかる。また、発明者は、更に鋭意研究を重ねた結果、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が０．３５〜０．４５の範囲であれば、テーパ角度が、ボーイングを抑制しつつ、好ましいテーパ角度の８４°〜８６°の範囲に含まれることが分かった。そのため、処理ガスに含まれるＣＯＳガスとＣｌ２ガスの流量比は、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が０．３５〜０．４５の範囲であることが更に好ましい。

【0059】

＜実施例２＞
次に、図２に示した膜構成の半導体ウエハＷを用いて、ＣＯＳガスおよびＣｌ２ガスに対してＯ２ガスの流量を変えてエッチングし、流量比と、ＣＤおよびテーパ角度との関係を調べる実験を行った。以下の実験におけるプロセス条件は、以下の３通りである。
供給ガス：Ｏ２／Ｈｅ／Ｃｌ２／ＣＯＳ＝４０／１６０／２０／８sccm ・・・（５）
＝５０／１６０／２０／８sccm ・・・（６）
＝７０／１６０／２０／８sccm ・・・（７）
各ガスの好ましい流量は、ＣＯＳガスでは３〜１０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２ガスでは１０〜２５ｓｃｃｍ、Ｈｅガスでは１００〜２００ｓｃｃｍ、Ｏ２ガスでは４５〜１００ｓｃｃｍである。その他のステップ及び条件は、実施例１における有機膜エッチングの条件と同様である。

【0060】

図９（ａ）〜（ｃ）は、ＣＯＳガス、Ｃｌ２ガス、およびＯ２ガスを含む処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面の実験結果の一例を示す。図９（ａ）は、上記（５）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面を示し、図９（ｂ）は、上記（６）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面を示し、図９（ｃ）は、上記（７）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合の溝の断面を示す。

【0061】

上記（５）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合には、図９（ａ）に示すように、溝の開口の幅が、溝の底の幅よりも広くなり過ぎており、溝の側壁の傾斜も小さくなり過ぎている。図９（ａ）の場合、溝の開口の幅は３８１ｎｍ、溝の底の幅は２５０ｎｍであった。この場合、溝の底の幅（ＢｏｔｔｏｍＣＤ）に対する溝の開口の幅（ＴｏｐＣＤ）の比であるＣＤ比は、１．５２である。また、上記（５）に示した流量比の処理ガスでは、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比は、１．４３である。

【0062】

また、上記（６）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合には、図９（ｂ）に示すように、溝の開口の幅が、溝の底の幅よりも広くなっているものの、溝の側壁の傾斜は妥当な範囲に含まれている。図９（ｂ）の場合、溝の開口の幅は２７１ｎｍ、溝の底の幅は２３９ｎｍであった。この場合、ＣＤ比は、１．１３である。また、上記（６）に示した流量比の処理ガスでは、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比は、１．７８である。

【0063】

また、上記（７）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合には、図９（ｃ）に示すように、溝の開口の幅が、溝の底の幅よりも広くなっているものの、溝の側壁のテーパの角度が急峻になっている。図９（ｃ）の場合、溝の開口の幅は２７９ｎｍ、溝の底の幅は２６５ｎｍであった。この場合、ＣＤ比は、１．０５である。また、上記（７）に示した流量比の処理ガスでは、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比は、２．５である。

【0064】

上記（５）〜（７）で示した流量比の処理ガスを用いてエッチングした場合のそれぞれの溝の形状において、ＴｏｐＣＤとＢｏｔｔｏｍＣＤとからＣＤ比およびテーパ角度を算出すると、例えば図１０に示すようになる。また、ＣＤ比およびテーパ角度の計算結果をプロットすると、例えば図１１に示すようなグラフになる。図１０は、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比に対するＣＤ比およびテーパ角度の計算結果の一例を示す。図１１は、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比に対するＣＤ比およびテーパ角度の変化の一例を示すグラフである。

【0065】

図１０および図１１の実験結果を参照すると、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比を増加させると、ＣＤ比は減少する一方、テーパ角度は増加する傾向にあることがわかる。

【0066】

また、図１０および図１１の実験結果を参照すると、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比が１．７８〜２．６３の範囲内が好ましい。その場合、テーパ角度が、好ましいテーパ角度の範囲である８４°〜８９°の範囲内の角度となっていることがわかる。

【0067】

また、発明者は、更に鋭意研究を重ねた結果、Ｃｌ２の流量とＣＯＳの流量の合計に対するＯ２の流量の比が１．５〜２．７の範囲であれば、テーパ角度が、好ましいテーパ角度の８４°〜８９°の範囲に含まれることが分かった。そのため、処理ガスにおいて、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比は、１．５〜２．７の範囲内であることが好ましい。

【0068】

また、図１０および図１１の実験結果を参照すると、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比が１．７８である場合に、テーパ角度が、より好ましいテーパ角度の範囲である８４°〜８６°の範囲内の角度となっていることがわかる。

【0069】

また、発明者は、更に鋭意研究を重ねた結果、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比が１．７〜１．９の範囲内であれば、テーパ角度が、より好ましいテーパ角度の８４°〜８６°の範囲内に含まれることが分かった。そのため、処理ガスにおいて、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比は、１．７〜１．９の範囲内であることが更に好ましい。従って、ボーイングを抑制しつつ、好ましいテーパ角度の範囲内の溝を形成するガス条件として、ＣＯＳガスの流量とＣｌ２ガスの流量の合計に対するＯ２ガスの流量の比が１．５〜２．７の範囲内が好ましく、また、Ｃｌ２ガスの流量に対するＣＯＳガスの流量の比が０．３５〜０．５の範囲が好ましい。

【0070】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者には明らかである。また、そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【符号の説明】

【0071】

１０ チャンバ
１６ サセプタ
３４ 上部電極
４８ 第１の高周波電源
５０ 可変直流電源
６６ ガス供給源
９０ 第２の高周波電源
１００ 制御部
１０２ 記憶部
Ｗ 半導体ウエハ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】