特開 2024-87783 エッチング方法およびエッチング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024087783

(43)【公開日】2024-07-01

(54)【発明の名称】エッチング方法およびエッチング装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20240624BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 105A

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023206042

(22)【出願日】2023-12-06

(31)【優先権主張番号】18/067,917

(32)【優先日】2022-12-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【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】100099944

【弁理士】

【氏名又は名称】高山 宏志

(72)【発明者】

【氏名】佐古 卓司

(72)【発明者】

【氏名】野口 恭兵

(72)【発明者】

【氏名】細野 真樹

(72)【発明者】

【氏名】山本 真弘

(72)【発明者】

【氏名】ジュレン アロザメナ

【テーマコード（参考）】

5F004

【Ｆターム（参考）】

5F004BA03

5F004BB25

5F004BB26

5F004CA02

5F004CA04

5F004DA00

5F004DA17

5F004DA20

5F004DA24

5F004DA26

5F004DB01

5F004EA28

5F004EB01

5F004EB04

(57)【要約】

【課題】基板に存在する深い凹部の側面に形成されたＳｉをエッチングする際に、表面ラフネスを良好にしつつエッチング後のＳｉの厚さを均一にできるエッチング方法およびエッチング装置を提供する。
【解決手段】基板に存在する凹部の側面に形成されたＳｉをエッチングするエッチング方法は、基板に対してラジカル酸化処理を施し、Ｓｉの表面に酸化膜を生成することと、酸化膜に対してガスによる化学的処理を行うことと、化学的処理により生成された反応生成物を除去することとを有し、酸化膜を形成することは、酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理を行う第１段階と、酸素含有ガスとエッチングガスのプラズマによりラジカル処理を行う第２段階とを有し、酸化膜を生成することと、化学的処理を行うことと、反応生成物を除去することを複数回繰り返す。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に存在する凹部の側面に形成されたＳｉをエッチングするエッチング方法であって、
前記基板に対してラジカル酸化処理を施し、前記Ｓｉの表面に酸化膜を生成することと、
前記酸化膜に対してガスによる化学的処理を行うことと、
前記化学的処理により生成された反応生成物を除去することと、
を有し、
前記酸化膜を形成することは、酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理を行う第１段階と、酸素含有ガスとエッチングガスのプラズマによりラジカル処理を行う第２段階と、を有し、
前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うこと、前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返す、エッチング方法。

【請求項2】

前記第１段階を行う際の圧力よりも前記第２段階を行う際の圧力のほうが低い、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項3】

前記第１段階では前記凹部の上部のＳｉを酸化し、前記第２段階では前記凹部の下部のＳｉをエッチングしながら酸化する、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項4】

前記酸素含有ガスは、Ｏ_２ガス単独、または、Ｏ_２ガスと、Ｈ_２ガスおよび希ガスの少なくとも１種との混合ガスである、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項5】

前記エッチングガスはフッ素含有ガスを含む、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項6】

前記フッ素含有ガスはＮＦ_３ガスである、請求項５に記載のエッチング方法。

【請求項7】

前記プラズマは、前記基板が配置される処理空間とは別個のプラズマ生成空間で生成されるリモートプラズマであり、前記プラズマ中のラジカルが前記基板に供給される、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項8】

前記化学的処理を行うことと前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返す、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項9】

前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うこととを同一の処理容器内で実施する、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項10】

前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを同一の処理容器内で実施する、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項11】

前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを同一の処理容器内で実施する、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項12】

前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを別個の処理容器で実施する、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項13】

前記凹部は、深さが４μｍ以上である、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項14】

前記凹部は、アスペクト比が６０以上である、請求項１３に記載のエッチング方法。

【請求項15】

前記ガスによる化学的処理は、フッ素含有ガスを含む処理ガスにより行う、請求項１に記載のエッチング方法。

【請求項16】

前記フッ素含有ガスを含む処理ガスは、フッ素含有ガスと、Ｈ_２Ｏガスまたは還元性ガスとを含む、請求項１５に記載のエッチング方法。

【請求項17】

前記フッ素含有ガスを含む処理ガスは、前記フッ素含有ガスとしてＨＦガスを含み、前記還元性ガスとしてＮＨ_３ガスを含む、請求項１５に記載のエッチング方法。

【請求項18】

前記反応生成物は、前記化学的処理の後、生成されたフッ化アンモニウム系化合物である、請求項１７に記載のエッチング方法。

【請求項19】

基板に存在する凹部の側面に形成されたＳｉをエッチングするエッチング装置であって、
基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内に設けられた前記基板を載置する載置台と、
酸素含有ガスを含むガスのプラズマを生成して前記基板に対してラジカル酸化処理を行いＳｉの表面に酸化膜を生成するラジカル酸化機構と、
前記処理容器内に酸素含有ガスを含むガスを供給する第１のガス供給機構と、
前記処理容器内に前記酸化膜に対して化学的処理を行うガスを供給する第２のガス供給機構と、
前記載置台を温調する温調機構と、
前記処理容器内を真空排気する排気機構と、
制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記基板に対してラジカル酸化処理を施し、前記Ｓｉの表面に酸化膜を生成することと、
前記酸化膜に対してガスによる化学的処理を行うことと、
前記化学的処理により生成された反応生成物を除去することと、
が実行され、
前記酸化膜を形成することとして、酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理を行う第１段階と、酸素含有ガスとエッチングガスのプラズマによりラジカル処理を行う第２段階と、が実行され、かつ、前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返すように、前記ラジカル酸化機構、前記第１のガス供給機構、前記第２のガス供給機構、前記温調機構、および前記排気機構を制御する、エッチング装置。

【請求項20】

前記処理容器を、上部のプラズマ生成空間および下部の処理空間に仕切る仕切部をさらに有し、前記ラジカル酸化機構は、前記プラズマ生成空間で酸素含有プラズマを生成し、前記仕切部を通過した酸素ラジカルにより前記基板にラジカル酸化処理を施す、請求項１９に記載のエッチング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、エッチング方法およびエッチング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの製造過程では、シリコン（Ｓｉ）をエッチングしてスリミングする工程がある。このような工程のエッチングではウエットエッチングが多用されている。例えば、特許文献１にはポリシリコンをウエットエッチングでエッチングする方法が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平９－２６０３６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、基板に存在する深い凹部の側面に形成されたＳｉをエッチングする際に、表面ラフネスを良好にしつつエッチング後のＳｉの厚さを均一にできるエッチング方法およびエッチング装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様に係るエッチング方法は、基板に存在する凹部の側面に形成されたＳｉをエッチングするエッチング方法であって、前記基板に対してラジカル酸化処理を施し、前記Ｓｉの表面に酸化膜を生成することと、前記酸化膜に対してガスによる化学的処理を行うことと、前記化学的処理により生成された反応生成物を除去することと、を有し、前記酸化膜を形成することは、酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理を行う第１段階と、酸素含有ガスとエッチングガスのプラズマによりラジカル処理を行う第２段階と、を有し、前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うこと、前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返す。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、基板に存在する深い凹部の側面に形成されたＳｉをエッチングする際に、表面ラフネスを良好にしつつエッチング後のＳｉの厚さを均一にできるエッチング方法およびエッチング装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】一実施形態に係るエッチング方法の一例を示すフローチャートである。

【図2】一実施形態のエッチング方法が適用される基板の構造の一例を示す断面図である。

【図3】一実施形態に係るエッチング方法の他の例を示すフローチャートである。

【図4】図２の構造の基板においてＳｉ膜をエッチングした状態を示す図である。

【図5】凹部の側面に形成されたＳｉ膜をエッチングする際に、ラジカル酸化処理を１段階で行った場合のＳｉ膜のトップ－ボトムローディングを説明するための図である。

【図6】ラジカル酸化処理の第１段階で凹部の上部のＳｉ膜が酸化された状態を模式的に示す断面図である。

【図7】ラジカル酸化処理の第２段階で凹部の下部のＳｉ膜がエッチングされた状態を模式的に示す断面図である。

【図8】ラジカル酸化処理の第２段階で凹部の下部のＳｉ膜が酸化された状態を模式的に示す断面図である。

【図9】一実施形態のエッチング方法に用いる処理システムの一例を概略的に示す部分断面平面図である。

【図10】図９の処理システムに搭載された、一実施形態のエッチング方法を実施するエッチング装置として機能するプロセスモジュールの一例を概略的に示す断面図である。

【図11】実験例において、実験１～３の条件でＳｉ膜をエッチングした際のトップ－ボトムローディングの結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、添付図面を参照しながら、実施形態について説明する。

【0009】

＜エッチング方法＞
図１は、一実施形態に係るエッチング方法の一例を示すフローチャートである。
本実施形態に係るエッチング方法は、基板に存在する凹部の側面に形成されたＳｉ膜をエッチングするものである。最初に、凹部の側面にＳｉ膜が形成された基板に対してラジカル酸化処理を施し、Ｓｉ膜の表面に酸化膜を生成する（ステップＳＴ１）。次いで、酸化膜に対しガスによる化学的処理を行う（ステップＳＴ２）。次いで、ステップＳＴ２の化学的処理により生成された反応生成物を除去する（ステップＳＴ３）。これらのステップＳＴ１～ステップＳＴ３を複数回繰り返す。これにより、基板の凹部側面に存在するＳｉ膜を所望の量でエッチングする。

【0010】

以下、詳細に説明する。
基板の構造としては、図２に示すように、基体１００の上に構造部１０１を有し、構造部１０１に凹部１０２が形成され、凹部の側面にＳｉ膜１０３が形成されたものが例示され、Ｓｉ膜１０３がエッチング対象となる。基板としては、基体１００がシリコンのような半導体で構成される半導体ウエハが例示される。凹部１０２としては、ホールやトレンチが例示される。また、凹部１０２の深さとしては、４μｍ以上が例示される。さらに、凹部１０２のアスペクト比としては、６０以上が例示される。

【0011】

構造部１０１の構造は特に限定されないが、例えば、３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置に用いられる、ＳｉＯ_２膜とＳｉＮ膜とが交互に複数積層されてなるＯＮＯＮ積層構造部が例示され、この場合は、凹部１０２としてＯＮＯＮ積層構造部の積層方向に貫通するメモリホールが例示される。メモリホールには、多層構造のメモリ膜を介してＳｉ膜１０３としてチャネルとなる結晶Ｓｉ膜が形成される。

【0012】

ステップＳＴ１のラジカル酸化処理は、酸素含有プラズマを生成し、処理容器内に収容された基板に対し、酸素含有プラズマ中の酸素ラジカル（Ｏラジカル）を作用させ、Ｓｉの表面に酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成する処理である。このとき、酸素含有プラズマ中の主にＯラジカルを基板に供給可能なように、リモートプラズマを用いることが好ましい。リモートプラズマは、基板が配置される処理空間とは別個のプラズマ生成空間で酸素含有ガスのプラズマを生成させ、プラズマを処理空間に搬送する。酸素含有プラズマ中の酸素イオン（Ｏ_２イオン）は搬送中に失活しやすく、主にＯラジカルが処理空間に供給される。基板に対して主にＯラジカルが作用することにより、基板に対するイオンダメージを低減することができる。プラズマ源は特に限定されず、誘導結合プラズマやマイクロ波プラズマ等を用いることができる。

【0013】

ステップＳＴ１のラジカル酸化処理は、主に酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理を行う第１段階（サブステップＳＴ１－１）と、酸素含有ガスとエッチングガスのプラズマによりラジカル処理を行う第２段階（サブステップＳＴ１－２）とを有する。第１段階では凹部の上部のＳｉ膜をラジカル酸化し、第２段階では凹部の下部のＳｉ膜をエッチングしながらラジカル酸化する。

【0014】

このとき用いる酸素含有プラズマを生成するための酸素含有ガスは、Ｏ_２ガス単独であってもよいし、Ｏ_２ガスと、Ｈ_２ガス、および希ガスの少なくとも１種との混合ガスであってもよい。希ガスは、特に限定されないが、Ａｒガスが好ましい。Ｈ_２ガスを添加することにより酸化能力を高めることができる。

【0015】

第２段階で用いるエッチングガスとしては、フッ素含有ガスを含むガスを好適に用いることができる。フッ素含有ガスのプラズマに含まれるフッ素ラジカルによりＳｉ膜およびＳｉ酸化膜がエッチングされる。フッ素含有ガスとしてはＮＦ_３ガス、ＳＦ_６ガス、Ｆ_２ガス等を用いることができる。これらの中ではＮＦ_３ガスが好適である。第２段階で用いるエッチングガスとしては、フッ素含有ガスの他にＨ_２ガス等が含まれていてもよい。

【0016】

好適な具体例としては、第１段階をＯ_２ガス、Ｈ_２ガス、Ａｒガスを用いて行い、第２段階をこれらにさらにＮＦ_３ガスを加えて行う例を挙げることができる。この場合に、Ｈ_２ガスは酸化処理のガスとしてもエッチングのためのガスとしても機能する。

【0017】

ステップＳＴ１の際の圧力は、４０～１５００ｍＴｏｒｒ（５３．３～１９９．９Ｐａ）が好ましく、１０００～１５００ｍＴｏｒｒ（１３３．３～１９９．９Ｐａ）がより好ましい。第２段階（サブステップＳＴ１－２）は、第１段階よりも低圧で行うことが好ましく、１０～３０ｍＴｏｒｒの範囲が好ましい。このように第２段階（サブステップＳＴ１－２）を低圧で行うことにより、凹部のボトム側の酸化を促進することができる。ステップＳＴ１の際の基板温度は１５～１２０℃の範囲が好ましい。また、ステップＳＴ１の時間は、第１段階も第２段階も２０～１５０ｓｅｃの範囲が好ましい。各ガスの流量は、装置に応じて適宜設定される。

【0018】

ステップＳＴ２の酸化膜に対しガスによる化学的処理を行う工程では、ガスによる化学的処理として、フッ素含有ガスを含む処理ガスを用いた化学的処理を挙げることができる。この処理により、酸化膜と処理ガスとを反応させて、加熱等により除去可能な化合物を生成させる。

【0019】

処理ガスに含まれるフッ素含有ガスとしては、フッ化水素（ＨＦ）ガス等を挙げることができ、フッ素含有ガス以外のガスとしては、Ｈ_２Ｏガス、および還元性ガスを挙げることができる。還元性ガスとしては、アンモニア（ＮＨ_３）ガス、アミン系ガスを挙げることができる。Ｆ含有ガスと、Ｈ_２Ｏガスまたは還元性ガスとを酸化膜と反応させることにより、比較的容易に除去可能な化合物を生成することができる。

【0020】

これらの中では、フッ素含有ガスとしてＨＦガスを用い、還元性ガスとしてＮＨ_３ガスを用いたものが好ましい。ＨＦガスとＮＨ_３ガスとにより、従来から酸化物除去処理として知られている化学的酸化物除去処理（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ；ＣＯＲ）を行うことができる。ＣＯＲ処理では、酸化膜の表面にＨＦガスとＮＨ_３ガスとを吸着させ、これらを酸化膜と反応させてフッ化アンモニウム系化合物であるケイフッ化アンモニウム（ＡＦＳ）を生成させる。

【0021】

このようなＣＯＲ処理では、圧力が６．６６～４００Ｐａ（５０～３０００ｍＴｏｒｒ）の範囲が好ましく、１３．３～２６６．６Ｐａ（１００～２０００ｍＴｏｒｒ）の範囲がより好ましい。また、この際の基板温度は、０～１２０℃の範囲が好ましく、２０～１００℃の範囲がより好ましい。

【0022】

ステップＳＴ２は、ステップＳＴ１と同一の処理容器内で行うことができる。同一の処理容器内で行うことによりスループットを高めることができる。もちろん、これらを別個の処理容器で行ってもよい。

【0023】

ステップＳＴ３の反応生成物を除去する工程は、基板を所望の温度にした状態で、処理容器を排気しながら処理容器内に不活性ガスを供給することにより行われる。この工程は、ステップＳＴ２のガスによる化学的処理と同一の処理容器内で行ってもよいし、別個の処理容器で行ってもよい。いずれの場合も基板温度は適宜設定すればよく、ステップＳＴ２と同じでも異なっていてもよいが、ステップＳＴ３をステップＳＴ２と同一の処理容器内で行う場合は、基板温度をステップＳＴ２と同じ温度で行うことによりスループットを高めることができる。ステップＳＴ２がＣＯＲ処理のときは、同一の処理容器内でステップＳＴ２およびステップＳＴ３を行う際の基板温度は８０～１２０℃の範囲が好ましい。ステップＳＴ３をステップＳＴ２と別個の処理容器で行う場合は、ステップＳＴ３をステップＳＴ２よりも高い温度に加熱して反応生成物の除去を促進してもよい。ステップＳＴ３を別個の処理容器で行う場合は、ステップＳＴ２の温度をより低温にすることができる。また、図３に示すように、ステップＳＴ２とステップＳＴ３とを繰り返してもよい。

【0024】

ガス種や、温度・圧力等の条件によっては、ステップＳＴ２とステップＳＴ３とを同時に行うことができる。例えば、ＣＯＲ処理をＡＦＳが分解する温度で行うことにより、ステップＳＴ２のガスによる化学的処理と、ステップＳＴ３の反応生成物を除去する工程を同時に進行させることができる。また、全ての処理が終了した後、別個の処理容器で残渣除去のための加熱処理を行ってもよい。

【0025】

ステップＳＴ１～ステップＳＴ３までを同一の処理容器で行ってもよい。この場合は、スループットを高める観点から、ステップＳＴ１～ステップＳＴ３までを同じ温度で行うことが好ましく、ステップＳＴ２がＣＯＲ処理の場合、その際の基板温度は８０～１２０℃の範囲が好ましい。

【0026】

図２に例示される基板の場合には、ステップＳＴ１～ステップＳＴ３が行われることにより、図４に示すように、Ｓｉ膜１０３がエッチングされてスリミングされる。

【0027】

従来行われていたＳｉのウエットエッチングでは、Ｓｉの結晶粒界もしくは結晶面に沿ったエッチングが進むため、表面のラフネスが悪くなる。これに対し、本実施形態では、ラジカル酸化処理によりＳｉ表面に酸化膜を生成することと、ガスによる化学的処理を含む処理により酸化膜を除去することとを繰り返す。このとき、ラジカル酸化処理は酸素ラジカルによる表面反応であるため、結晶粒界もしくは結晶面に依存せずに薄い酸化膜が形成され、次いで、その酸化膜のみを除去するので、表面ラフネスが良好である。そして、これらを所望の回数繰り返すことにより、良好な制御性で所望の量のエッチングを行うことができる。

【0028】

しかし、単に、酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理のみでは、凹部の深さが非常に深い場合、特に４μｍ以上の場合に、エッチング後の凹部側面のＳｉ膜の厚さを均一にすることが困難となる。このような傾向は、凹部のアスペクト比が６０以上の場合に顕著となる。具体的には、図５に示すように、エッチング後の凹部のボトム側においてＳｉ膜の厚さが厚くなるトップ－ボトムローディングが生じてしまう。

【0029】

これは、凹部が深くなると、酸素ラジカルが凹部のボトム側まで到達し難く、ボトム側に到達する酸素ラジカルが少ないためと考えられる。すなわち、凹部のボトム側に到達する酸素ラジカルが少ないことにより凹部のボトム側のＳｉ膜が酸化され難くなり、その結果、Ｓｉ膜のボトム側のエッチング量が低下する。このため、エッチング後のＳｉ膜はボトム側で厚くなってしまい、Ｓｉ膜の厚さを均一にすることが困難となる。

【0030】

そこで、本実施形態では、ステップＳＴ１のラジカル酸化処理を、主に酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理を行う第１段階（サブステップＳＴ１－１）と、酸素含有ガスとエッチングガスのプラズマによりラジカル処理を行う第２段階（サブステップＳＴ１－２）の２段階で行う。

【0031】

このとき、第１段階では、酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理により、例えば図６に示すように、主にＳｉ膜１０３の上部を酸化してＳｉ酸化膜１０４を形成する。その後の第２段階では、Ｓｉ膜の下部（ボトム側）をエッチングしながら酸化する。これにより例えば図７に示すように、上部のＳｉ酸化膜１０４をマスクとしてエッチングガスのプラズマによるラジカル処理により凹部１０２の下部（ボトム側）のＳｉ膜１０３をエッチングする。それと同時に、酸素含有ガスのプラズマによるラジカル処理により、例えば図８に示すように、凹部１０２の下部（ボトム側）のＳｉ膜１０３を酸化する。

【0032】

このように、第２段階で凹部のボトム側のＳｉ膜をエッチングすることにより、ボトム側のＳｉ膜自体の膜厚を薄くするので、ステップＳＴ２およびステップＳＴ３を行った後にボトム側のＳｉ膜の膜厚が厚くなることが抑制される。その結果、エッチング後のＳｉ膜の厚さをトップからボトムまで均一にすることができる。

【0033】

また、第２段階の圧力を１０～３０ｍＴｏｒｒと低圧にすることにより、凹部のボトム側の酸化を促進することができ、エッチング後のＳｉ膜の均一化に有利である。

【0034】

＜処理システムの一例＞
次に、本実施形態のエッチング方法に用いる処理システムの一例について説明する。図９は、本実施形態のエッチング方法に用いる処理システムの一例を概略的に示す部分断面平面図である。

【0035】

図９に示すように、処理システム１０は、複数の基板Ｗを保管し基板Ｗの搬入出を行う搬入出部１１と、２枚の基板Ｗを同時に搬送する搬送室としてのトランスファモジュール１２と、トランスファモジュール１２から搬入された基板Ｗに処理を施す複数のプロセスモジュール１３とを備える。各プロセスモジュール１３およびトランスファモジュール１２は内部が真空雰囲気に維持される。

【0036】

処理システム１０では、搬入出部１１に保管された基板Ｗをトランスファモジュール１２に内蔵された搬送アーム１４によって搬送し、プロセスモジュール１３の内部に配置された２つのステージ１５のそれぞれに１枚ずつ基板Ｗを載置する。次いで、処理システム１０では、ステージ１５に載置された各基板Ｗへプロセスモジュール１３で処理を施した後に、処理済みの基板Ｗを搬送アーム１４によって搬入出部１１に搬出する。

【0037】

搬入出部１１は、複数の基板Ｗを収容する容器であるＦＯＵＰ１６の載置台としての複数のロードポート１７と、保管された基板Ｗを各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６から受け取り、または、プロセスモジュール１３で処理が施された基板ＷをＦＯＵＰ１６に引き渡すローダーモジュール１８と、ローダーモジュール１８およびトランスファモジュール１２の間において基板Ｗを受け渡しするために一時的に基板Ｗを保持する２つのロードロックモジュール１９と、加熱処理が施された基板Ｗを冷却するクーリングストレージ２０とを有する。

【0038】

ローダーモジュール１８は内部が大気圧雰囲気の矩形の筐体からなり、その矩形の長辺を構成する一側面に複数のロードポート１７が並設される。さらに、ローダーモジュール１８は、内部においてその矩形の長手方向に移動可能な搬送アーム（図示せず）を有する。該搬送アームは各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６からロードロックモジュール１９に基板Ｗを搬入し、または、ロードロックモジュール１９から各ＦＯＵＰ１６に基板Ｗを搬出する。

【0039】

各ロードロックモジュール１９は、大気圧雰囲気の各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６に収容された基板Ｗを、内部が真空雰囲気のプロセスモジュール１３に引き渡すため、基板Ｗを一時的に保持する。各ロードロックモジュール１９は２枚の基板Ｗを保持するバッファープレート２１を有する。また、各ロードロックモジュール１９は、ローダーモジュール１８に対して気密性を確保するためのゲートバルブ２２ａと、トランスファモジュール１２に対して気密性を確保するためのゲートバルブ２２ｂとを有する。さらに、ロードロックモジュール１９には図示しないガス導入系およびガス排気系が配管によって接続され、内部が大気圧雰囲気と真空雰囲気とで切り替え可能となっている。

【0040】

トランスファモジュール１２は未処理の基板Ｗを搬入出部１１からプロセスモジュール１３に搬入し、処理済みの基板Ｗをプロセスモジュール１３から搬入出部１１に搬出する。トランスファモジュール１２は内部が真空雰囲気の矩形の筐体からなり、２枚の基板Ｗを保持して移動する２つの搬送アーム１４と、各搬送アーム１４を回転可能に支持する回転台２３と、回転台２３を搭載した回転載置台２４と、回転載置台２４をトランスファモジュール１２の長手方向に移動可能に案内する案内レール２５とを含む。また、トランスファモジュール１２は、ゲートバルブ２２ｂ、さらに後述する各ゲートバルブ２６を介して、搬入出部１１のロードロックモジュール１９、および、各プロセスモジュール１３へ接続される。トランスファモジュール１２では、搬送アーム１４が、ロードロックモジュール１９から２枚の基板Ｗを各プロセスモジュール１３へ搬送し、処理が施された２枚の基板Ｗを各プロセスモジュール１３から他のプロセスモジュール１３やロードロックモジュール１９に搬出する。

【0041】

処理システム１０において、各プロセスモジュール１３はエッチング対象部であるＳｉ膜のエッチングを行うためのものである。プロセスモジュール１３は、上記ステップＳＴ１～ＳＴ３を一括して行うものであってよいし、ステップＳＴ１およびステップＳＴ２を行うものと、ステップＳＴ３を行うものを別個に含んでいてもよい。

【0042】

処理システム１０は、制御部２７を有している。制御部２７は、処理システム１０の各構成要素の動作を制御するＣＰＵを有する主制御部と、入力装置（キーボード、マウス等）、出力装置（プリンタ等）、表示装置（ディスプレイ等）、記憶装置（記憶媒体）を有している。制御部２７の主制御部は、例えば、記憶装置に内蔵された記憶媒体、または記憶装置にセットされた記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて、処理システム１０に所定の動作を実行させる。

【0043】

＜エッチング装置＞
次に、上記処理システム１０に搭載された、本実施形態のエッチング方法を実施するエッチング装置として機能するプロセスモジュール１３の一例について説明する。図１０は、図９の処理システムにおいて、エッチング装置として機能するプロセスモジュール１３の一例を概略的に示す断面図である。

【0044】

図１０に示すように、エッチング装置として機能するプロセスモジュール１３は、基板Ｗを収容する密閉構造の処理容器２８を備える。処理容器２８は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、上端が開放され、処理容器２８の上端は天井部となる蓋体２９で閉塞されている。処理容器２８の側壁部２８ａには基板Ｗの搬出入口３０が設けられ、当該搬出入口３０は上述したゲートバルブ２６によって開閉可能とされる。

【0045】

また、処理容器２８の内部の底部には、上述したように、基板Ｗをそれぞれ１枚ずつ水平状態で載置する２つのステージ１５（一方のみ図示されている）が配置されている。ステージ１５は略円柱状を呈し、基板Ｗを直接載置する載置プレート３４と、載置プレート３４を支持するベースブロック３５とを有する。載置プレート３４の内部には基板Ｗを温調する温調機構３６が設けられている。温調機構３６は、例えば、温調媒体が循環する管路（図示せず）を有し、当該管路内を流れる温調媒体と基板Ｗの熱交換を行うことによって基板Ｗの温調を行う。制御温度が高温の場合は、温調機構３６はヒーターであってもよく、温調媒体が循環する管路とヒーターの両方を設けてもよい。また、ステージ１５には基板Ｗを処理容器２８の内部へ搬出入する際に用いる複数の昇降ピン（図示せず）が載置プレート３４の上面に対して突没可能に設けられている。

【0046】

処理容器２８の内部は仕切板３７によって上方のプラズマ生成空間Ｐと、下方の処理空間Ｓに仕切られる。仕切板３７は、プラズマ生成空間Ｐにおいて誘導結合プラズマが生成される際にプラズマ中のイオンのプラズマ生成空間Ｐから処理空間Ｓへの透過を抑制する、いわゆるイオントラップとして機能する。プラズマ生成空間Ｐはプラズマが生成される空間であり、処理空間Ｓは基板Ｗにラジカル処理によるエッチングが施される空間である。処理容器２８の外部には、第１のガス供給部６１と第２のガス供給部６２とが設けられている。

【0047】

第１のガス供給部６１は、Ｏ_２ガス、Ｈ_２ガス、フッ素含有ガスであるＮＦ_３ガス、希ガス（例えばＡｒガス）をプラズマ生成空間Ｐに供給する。これらのガスは、プラズマ生成空間Ｐでプラズマ化される。なお、希ガスはプラズマ生成ガスとして機能するが、圧力調整ガスやパージガス等としても機能する。

【0048】

第２のガス供給部６２は、化学的処理に用いる処理ガス、例えば上述したようなＨＦガスとＮＨ_３ガス、および、調圧ガス、パージガスまたは希釈ガス等として用いられる希ガスを処理空間Ｓに供給する。

【0049】

処理容器２８の底部には排気機構３９が接続されている。排気機構３９は真空ポンプを有し、処理空間Ｓの内部の排気を行う。

【0050】

仕切板３７の下には、基板Ｗに対向するように遮熱板４８が設けられている。遮熱板４８は、プラズマ生成空間Ｐでのプラズマ生成を繰り返すことにより仕切板３７に熱が蓄積されるため、その熱が処理空間Ｓにおけるラジカル分布に影響を与えることを抑制するためのものである。遮熱板４８は、仕切板３７よりも大きく形成され、周縁部を構成するフランジ部４８ａは処理容器２８の側壁部２８ａに埋設されている。なお、フランジ部４８ａには冷却機構５０、例えば、冷媒流路、チラーやペルチェ素子が埋設されている。

【0051】

処理容器２８の天井部となる蓋体２９は、例えば、円形の石英板から形成され、誘電体窓として構成される。蓋体２９の上には、処理容器２８のプラズマ生成空間Ｐに誘導結合プラズマを生成するための環状のＲＦアンテナ４０が形成され、ＲＦアンテナ４０は整合器４１を介して高周波電源４２に接続されている。高周波電源４２は、誘導結合の高周波放電によるプラズマの生成に適した所定の周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波電力を所定の出力値で出力する。整合器４１は、高周波電源４２側のインピーダンスと負荷（ＲＦアンテナ４０やプラズマ）側のインピーダンスの整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路（図示せず）を有する。

【0052】

なお、加熱処理のみを実施するプロセスモジュールを設ける場合は、上記構成のプロセスモジュールからプラズマ生成機構および仕切り板を除いた構成のものを用いる。

【0053】

上記処理システム１０により、上記実施形態に係るエッチング方法を実施する際には、最初に、ローダーモジュール１８の搬送アームによりＦＯＵＰ１６から、例えば図２に示された構造を有する基板Ｗを取り出し、ロードロックモジュール１９に搬入する。ロードロックモジュール１９を真空引きした後、ロードロックモジュール１９内の基板Ｗをトランスファモジュール１２の搬送アーム１４により、エッチング装置として機能するプロセスモジュール１３に搬入する。そして、エッチング装置として機能するプロセスモジュール１３で、上述したステップＳＴ１～ステップＳＴ３に相当する処理を以下のようにして実施する。

【0054】

このとき、プロセスモジュール１３のステージ１５の温度は、予め、温調機構３６により所望の基板温度に温調しておく。例えば、上述したステップＳＴ１～ステップＳＴ３までを同一の処理容器で行う場合の好ましい基板温度である８０～１２０℃に温調しておく。この状態で、ステージ１５上に載置された基板Ｗを所定時間、例えば１２０ｓｅｃ保持し、ウエハ温度を所定温度に安定化させる。

【0055】

次に、処理容器２８内をパージした後、処理容器２８内の圧力を、好ましくは４０～１５００ｍＴｏｒｒ（５３．３～１９９．９Ｐａ）、より好ましくは１０００～１５００ｍＴｏｒｒ（１３３．３～１９９．９Ｐａ）とし、酸素含有プラズマを生成してステップＳＴ１のラジカル酸化処理を行う。

【0056】

ラジカル酸化処理を行うに際しては、まず、第１段階として、第１のガス供給部６１からプラズマ生成空間Ｐへ酸素含有ガスを供給するとともに、ＲＦアンテナ４０に高周波電力を供給して誘導結合プラズマを生成する。プラズマ生成空間Ｐで生成されたプラズマは、仕切板３７を介して処理空間Ｓに搬送される。この際に、仕切板３７で酸素イオンが失活し、プラズマの中の主にＯラジカルが選択的に処理空間Ｓに導入される。このＯラジカルにより、基板Ｗの凹部側面に形成されたＳｉ膜の上部がラジカル酸化され、酸化膜が生成される。

【0057】

次に、第２段階として、第１のガス供給部６１からプラズマ生成空間Ｐへ酸素含有ガスおよびエッチングガスであるフッ素含有ガスを供給するとともに、ＲＦアンテナ４０に高周波電力を供給して誘導結合プラズマを生成する。プラズマ生成空間Ｐで生成されたプラズマは、仕切板３７を介して処理空間Ｓに搬送され、酸素イオンおよびフッ素イオンは仕切板３７で失活し、プラズマの中のＯラジカルおよびＦラジカルが選択的に処理空間Ｓに導入される。Ｆラジカルにより、基板Ｗの凹部側面の上部のＳｉ酸化膜をマスクとして凹部の下部（ボトム側）のＳｉ膜がエッチングされるとともに、Ｏラジカルにより、凹部の下部（ボトム側）のＳｉ膜を酸化する。第２段階の圧力を１０～３０ｍＴｏｒｒと低圧にすることにより、凹部のボトム側の酸化を促進することができる。

【0058】

このとき、酸素含有ガスとしては、Ｏ_２ガス単独でもよいし、Ｏ_２ガスに、Ｈ_２ガスを添加してもよい。また、さらにＡｒガス等の希ガスを供給してもよい。また、エッチングガスであるフッ素含有ガスとしては、ＮＦ_３ガスを用いることができ、Ｈ_２ガスを添加してもよい。

【0059】

ガス流量については、Ｏ_２ガス流量：２０～２００ｓｃｃｍが好ましい。また、Ｈ_２ガス、希ガス（Ａｒガス）を供給する場合には、それぞれ２００ｓｃｃｍ以下、３０～２００ｓｃｃｍが好ましい。また、フッ素含有ガスであるＮＦ_３ガスの流量は、０．１～５ｓｃｃｍが好ましい。プラズマ生成パワーについては４００～８００Ｗが好ましい。

【0060】

以上のようなラジカル酸化処理の後、処理容器２８内をパージし、酸化膜に対し、ステップＳＴ２のガスによる化学的処理を行う。このとき、処理容器２８内の圧力を、好ましくは１００～１５００ｍＴｏｒｒ（１３．３～２００Ｐａ）の範囲とし、温調機構３６によりステージ１５（基板Ｗ）の温度を８０～１２０℃の温度に保持したまま、第２のガス供給部６２からフッ素含有ガスを含む処理ガス、例えば、ＨＦガスおよびＮＨ_３ガスを処理容器２８の処理空間Ｓに供給する。これにより、処理ガスが酸化膜と反応して分解しやすい反応生成物が生成される。例えばＨＦガスおよびＮＨ_３ガスが基板Ｗに吸着し、これらが酸化膜と反応し、フッ化アンモニウム系化合物であるＡＦＳを生成する。

【0061】

ＨＦガスおよびＮＨ_３ガスを用いた場合のガス流量は、好ましくは、ＨＦガス流量：５０～１００ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガス流量：３００～４００ｓｃｃｍ、不活性ガス（Ａｒガス）流量：２００～４００ｓｃｃｍとする。

【0062】

以上のような化学的処理の後、処理容器２８内をパージし、ステップＳＴ３の反応生成物の除去処理を行う。ここでは、例えばフッ化アンモニウム系化合物であるＡＦＳの除去処理を行う。ＡＦＳの除去は、温調機構３６によりステージ１５（基板Ｗ）の温度を８０～１２０℃の温度に保持したままの状態で、処理容器２８を排気しながら処理容器２８内に不活性ガスを供給し、ＡＦＳを昇華させる。

【0063】

この反応生成物除去処理は、ラジカル酸化処理およびガスによる化学的処理と別個の装置の処理容器内で行ってもよい。この場合は、反応生成物除去処理をラジカル酸化処理およびガスによる化学的処理よりも高い温度、例えば３００℃程度まで加熱してもよいため、ラジカル酸化処理およびガスによる化学的処理をより低温化することができる。

【0064】

以上のラジカル酸化処理、ガスによる化学的処理、および反応生成物の加熱除去処理を複数回繰り返し、所望の厚さでＳｉ膜をエッチングする。このようにラジカル酸化処理を行って酸化膜を生成し、その後、ガスによる化学的処理および反応生成物の除去処理を行うので、良好な表面ラフネスでＳｉ膜のエッチングを行うことができ、制御性も良好である。また、ラジカル酸化処理を第１段階および第２段階の２段階とすることで、基板の凹部の下部（ボトム側）のＳｉ膜をエッチングしつつ酸化処理を行うことができるので、深い凹部であっても、エッチング後の凹部側面のＳｉ膜の厚さを均一にすることができる。

【0065】

＜実験例＞
次に、実験例について説明する。
ここでは、図２に示す構造を有する基板に対して、図９、１０に示す装置によりＳｉ膜のエッチングを実施した。基板は、凹部として、深さが４μｍ以上、アスペクト比が６０以上のホールを有し、ホールの側面に厚さ１０ｎｍのＳｉ膜が形成されたものとした。

【0066】

この基板に対し、図１０で示したエッチング装置を用いてＳｉ膜のエッチングを行った。エッチングに際しては、本実施形態に従って、最初に２段階のラジカル酸化処理を行い、その後、Ｓｉ酸化膜の除去処理である化学的処理を行い、さらに反応生成物除去処理を行った（実験１）。これらの条件を以下に示す。

【0067】

１．ラジカル酸化処理
・第１段階
圧力：５０～１００ｍＴｏｒｒ
温度：８０～１２０℃
Ｏ_２ガス流量：２０～２００ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量：３０～２００ｓｃｃｍ
時間：２０～１５０ｓｅｃ
・第２段階
圧力：１０～３０ｍＴｏｒｒ
温度：８０～１２０℃
Ｏ_２ガス流量：２０～２００ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量：３０～２００ｓｃｃｍ
ＮＦ_３ガス流量：０．１～５ｓｃｃｍ
Ｈ_２ガス流量：２００ｓｃｃｍ以下
時間：２０～１５０ｓｅｃ
２．化学的処理
圧力：１００～１５００ｍＴｏｒｒ
温度：８０～１２０℃
ＨＦガス流量：５０～１００ｓｃｃｍ
ＮＨ_３ガス流量：３００～４００ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量：２００～４００ｓｃｃｍ
Ｎ_２ガス流量：１０～２０００ｓｃｃｍ
時間：６０～３００ｓｅｃ
３．反応生成物除去処理
温度：８０～１２０℃
圧力：１０～５０００ｍＴｏｒｒ（１．３３～６６７Ｐａ）
Ｎ_２ガス流量：１０～２０００ｓｃｃｍ

【0068】

また、上記条件のうち、ラジカル酸化処理の第１段階および第２段階の条件を以下のように変更し、その後、実験１と同じ条件で化学的処理および生成物除去処理を行った（実験２）。
・第１段階
圧力：１０００～１５００ｍＴｏｒｒ
温度：８０～１２０℃
Ｏ_２ガス流量：２０～２００ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量：３０～２００ｓｃｃｍ
時間：２０～１５０ｓｅｃ
・第２段階
圧力：１０～３０ｍＴｏｒｒ
温度：８０～１２０℃
Ｏ_２ガス流量：２０～２００ｓｃｃｍ
Ａｒガス流量：３０～２００ｓｃｃｍ
ＮＦ_３ガス流量：０．１～５ｓｃｃｍ
Ｈ_２ガス流量：２００ｓｃｃｍ以下
時間：２０～１５０ｓｅｃ

【0069】

また、比較のため、ラジカル酸化処理を行わず、化学的処理および反応生成物除去処理を行った（実験３）。

【0070】

その結果、図１１に示すように、実験３では、エッチング後のＳｉ膜のトップ－ボトムローディングが４．３ｎｍと大きな値となったが、ラジカル酸化処理を２段階で行った実験１ではＳｉ膜のトップ－ボトムローディングが２．４ｎｍに改善された。また、ラジカル酸化処理を２段階で行い、さらに条件をチューニングした実験２では、Ｓｉ膜のトップ－ボトムローディングが０．４ｎｍとなり、エッチング後のＳｉ膜の厚さ均一性が極めて高いものとなった。

【0071】

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

【0072】

例えば、上記実施形態の装置は例示に過ぎず、種々の構成の装置を用いることができる。また、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、半導体ウエハに限らず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

【符号の説明】

【0073】

１３ プロセスモジュール（エッチング装置）
１５ ステージ
２８ 処理容器
３７ 仕切板
３９ 排気機構
４０ ＲＦアンテナ
４２ 高周波電源
６１ 第１のガス供給部
６２ 第２のガス供給部
１００ 基体
１０１ 構造部
１０２ 凹部
１０３ Ｓｉ膜
Ｐ プラズマ生成空間
Ｓ 処理空間
Ｗ 基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】