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(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】
(24)【登録日】2023-09-04
(45)【発行日】2023-09-12
(54)【発明の名称】エッチング方法及びプラズマ処理装置
(51)【国際特許分類】
   H01L 21/3065 20060101AFI20230905BHJP
【FI】
H01L21/302 105A
H01L21/302 101B
【請求項の数】 23
(21)【出願番号】P 2020169758
(22)【出願日】2020-10-07
(65)【公開番号】P2021153170
(43)【公開日】2021-09-30
【審査請求日】2023-05-01
(31)【優先権主張番号】P 2020049399
(32)【優先日】2020-03-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2019203326
(32)【優先日】2019-11-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(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】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100122507
【弁理士】
【氏名又は名称】柏岡 潤二
(72)【発明者】
【氏名】横山 喬大
(72)【発明者】
【氏名】戸村 幕樹
(72)【発明者】
【氏名】木原 嘉英
(72)【発明者】
【氏名】須田 隆太郎
(72)【発明者】
【氏名】大類 貴俊
【審査官】早川 朋一
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2019/178030(WO,A1)
【文献】米国特許出願公開第2018/0233356(US,A1)
【文献】特開2016-197719(JP,A)
【文献】特開平08-181116(JP,A)
【文献】特開昭64-082533(JP,A)
【文献】特開昭52-131470(JP,A)
【文献】特開平06-168914(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01L 21/306-21/308
H01L 21/311
H01L 21/3213
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
プラズマ処理装置のチャンバ内に基板を準備する工程であり、該基板はシリコン含有膜を含む、該工程と、
前記チャンバ内で処理ガスから形成されたプラズマからの化学種により前記シリコン含有膜をエッチングする工程であり、前記処理ガスは、ハロゲン元素、フッ化水素及びリンを含む、該工程と、
を含み、
前記シリコン含有膜は、互いに異なる膜種を有する二つ以上のシリコン含有膜を含む、エッチング方法。
【請求項2】
前記エッチングによって形成された開口を画成する側壁面上に保護膜を形成する工程を更に含み、
前記保護膜は前記処理ガスに含まれるリンを含む、
請求項1に記載のエッチング方法。
【請求項3】
エッチングする前記工程と保護膜を形成する前記工程が同時に発生する、請求項2に記載のエッチング方法。
【請求項4】
前記処理ガスは、前記リンを含む分子として、PF、PCl、PF,PCl,POCl、PH、PBr、又はPBrの少なくとも一つを含む、請求項1~3の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項5】
前記処理ガスは、前記ハロゲン元素及び前記リンを含む分子として、リンのハロゲン化物を含む、請求項1~3の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項6】
前記処理ガスは炭素を更に含む、請求項1~の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項7】
前記処理ガスは、フルオロカーボン及びハイドロフルオロカーボンからなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項6に記載のエッチング方法。
【請求項8】
前記処理ガスは、C 、C 、CH 、及びC からなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項6に記載のエッチング方法。
【請求項9】
前記処理ガスは酸素を更に含む、請求項1~の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項10】
前記シリコン含有膜はシリコン含有誘電体膜を含む、請求項1~の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項11】
前記シリコン含有膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン膜の少なくとも一つの膜を含む、請求項1~10の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項12】
前記二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を含む、請求項に記載のエッチング方法。
【請求項13】
前記処理ガスは、前記リンのソースであるリン含有ガスを含み、
前記シリコン含有膜をエッチングする前記工程において、前記処理ガスの全流量に対する前記リン含有ガスの流量の割合が設定されることにより、前記シリコン酸化膜のエッチングレートに対する前記シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜の交互の積層膜のエッチングレートの比が設定される、
請求項12に記載のエッチング方法。
【請求項14】
前記シリコン酸化膜のエッチングレートに対する前記積層膜のエッチングレートの前記比が、0.8以上、1.2以下となるように、前記処理ガスの全流量に対する前記リン含有ガスの流量の前記割合が設定される、請求項13に記載のエッチング方法。
【請求項15】
前記二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜及びシリコン膜を含む、請求項に記載のエッチング方法。
【請求項16】
前記二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びシリコン膜を含む、請求項に記載のエッチング方法。
【請求項17】
前記シリコン含有膜は、単層膜及び前記二つ以上のシリコン含有膜である多層膜を有し、
エッチングする前記工程において、前記単層膜及び前記多層膜が同時にエッチングされる、
請求項1~の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項18】
前記多層膜は、積層された一つ以上のシリコン酸化膜及び一つ以上のシリコン窒化膜、積層された一つ以上のシリコン酸化膜及び一つ以上の多結晶シリコン膜、又は、積層された一つ以上のシリコン酸化膜、一つ以上の多結晶シリコン膜、及び一つ以上のシリコン窒化膜を含む、請求項17に記載のエッチング方法。
【請求項19】
前記単層膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又は多結晶シリコン膜である、請求項17又は18に記載のエッチング方法。
【請求項20】
前記基板は、前記シリコン含有膜上に設けられたマスクを更に有する、請求項1~19の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項21】
エッチングする前記工程の開始時において、前記基板の温度が0℃以下の温度に設定される、請求項1~20の何れか一項に記載のエッチング方法。
【請求項22】
プラズマ処理装置のチャンバ内に基板を準備する工程であり、該基板はシリコン含有膜を含む、該工程と、
前記チャンバ内で処理ガスから形成されたプラズマからの化学種により前記シリコン含有膜をエッチングする工程であり、前記処理ガスは、フッ化水素及びリンを含む、該工程と、
を含み、
前記シリコン含有膜は、互いに異なる膜種を有する二つ以上のシリコン含有膜を含む、エッチング方法。
【請求項23】
チャンバと、
前記チャンバ内において基板を支持するように構成された基板支持器と、
前記基板のシリコン含有膜をエッチングするための処理ガスを前記チャンバ内に供給するように構成されたガス供給部であり、該シリコン含有膜は、互いに異なる膜種を有する二つ以上のシリコン含有膜を含み、該処理ガスはハロゲン元素、フッ化水素及びリンを含む、該ガス供給部と、
前記チャンバ内で前記処理ガスからプラズマを生成するために高周波電力を発生するように構成された高周波電源と、
を備えるプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の例示的実施形態は、エッチング方法及びプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電子デバイスの製造においては、基板のシリコン含有膜のプラズマエッチングが行われている。シリコン含有膜のプラズマエッチングにおいては、フルオロカーボンガスを含む処理ガスが用いられている。このようなプラズマエッチングについては、下記の特許文献1に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許出願公開第2016/0343580号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本開示は、シリコン含有膜のプラズマエッチングにおいて、横方向のエッチングを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一つの例示的実施形態において、エッチング方法が提供される。エッチング方法は、プラズマ処理装置のチャンバ内に基板を準備する工程を含む。基板は、シリコン含有膜を含む。エッチング方法は、チャンバ内で処理ガスから形成されたプラズマからの化学種によりシリコン含有膜をエッチングする工程を更に含む。処理ガスは、ハロゲン元素及びリンを含む。
【発明の効果】
【0006】
一つの例示的実施形態によれば、シリコン含有膜のプラズマエッチングにおいて横方向のエッチングを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
図1】一つの例示的実施形態に係るエッチング方法の流れ図である。
図2図1に示すエッチング方法が適用され得る一例の基板の部分拡大断面図である。
図3】一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。
図4図4の(a)は、図1に示すエッチング方法が適用された一例の基板の部分拡大断面図であり、図4の(b)は、リンを含まない処理ガスから形成されたプラズマによってエッチングされた一例の基板の部分拡大断面図である。
図5図5の(a)は、図1に示すエッチング方法が適用され得る別の例の基板の部分拡大断面図であり、図5の(b)は、図1に示すエッチング方法が適用された別の例の基板の部分拡大断面図である。
図6】第1の実験で求めた、処理ガス中のPFガスの流量とシリコン酸化膜のエッチングレートとの関係を示すグラフである。
図7】第1の実験で求めた、処理ガス中のPFガスの流量とシリコン酸化膜に形成された開口の最大幅の関係を示すグラフである。
図8】第3の実験で求めたPFガスの流量の割合とエッチングレートの比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、種々の例示的実施形態について説明する。
【0009】
一つの例示的実施形態において、エッチング方法が提供される。エッチング方法は、プラズマ処理装置のチャンバ内に基板を準備する工程を含む。基板は、シリコン含有膜を含む。エッチング方法は、チャンバ内で処理ガスから形成されたプラズマからの化学種によりシリコン含有膜をエッチングする工程を更に含む。処理ガスは、ハロゲン元素及びリンを含む。
【0010】
上記実施形態によれば、シリコンと処理ガスに含まれるリンを含む保護膜が、エッチングによってシリコン含有膜に形成された開口を画成する側壁面上に形成される。この保護膜により側壁面が保護されつつ、シリコン含有膜がエッチングされる。したがって、シリコン含有膜のプラズマエッチングにおいて、横方向のエッチングを抑制することが可能となる。
【0011】
一つの例示的実施形態において、エッチング方法は、エッチングによって形成された開口を画成する側壁面上に保護膜を形成する工程を更に含んでいてもよい。この保護膜は処理ガスに含まれるリンを含む。
【0012】
一つの例示的実施形態において、エッチングする工程と保護膜を形成する工程が同時に発生してもよい。
【0013】
一つの例示的実施形態において、処理ガスは、リンを含む分子として、PF、PCl、PF,PCl,POCl、PH、PBr、又はPBrの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【0014】
一つの例示的実施形態において、処理ガスは炭素及び水素を更に含んでいてもよい。
【0015】
一つの例示的実施形態において、処理ガスは、水素を含む分子として、H、HF、C、CH、又はNHの少なくとも一つを含んでいてもよい。ここで、x及びyの各々は自然数である。
【0016】
一つの例示的実施形態において、ハロゲン元素はフッ素であってもよい。
【0017】
一つの例示的実施形態において、処理ガスは酸素を更に含んでいてもよい。
【0018】
一つの例示的実施形態において、シリコン含有膜はシリコン含有誘電体膜であってもよい。
【0019】
一つの例示的実施形態において、シリコン含有膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン膜の少なくとも一つの膜を含んでいてもよい。
【0020】
一つの例示的実施形態において、シリコン含有膜は、互いに異なる膜種を有する二つ以上のシリコン含有膜を含んでいてもよい。
【0021】
一つの例示的実施形態において、二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を含んでいてもよい。或いは、二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜及びシリコン膜を含んでいてもよい。或いは、二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びシリコン膜を含んでいてもよい。
【0022】
一つの例示的実施形態において、基板は、シリコン含有膜上に設けられたマスクを更に有していてもよい。
【0023】
一つの例示的実施形態では、エッチングする工程の開始時において基板の温度が0℃以下の温度に設定されてもよい。
【0024】
別の例示的実施形態においては、プラズマ処理装置が提供される。プラズマ処理装置は、チャンバ、基板支持器、ガス供給部、及び高周波電源を備える。基板支持器は、チャンバ内において基板を支持するように構成されている。ガス供給部は、シリコン含有膜をエッチングするための処理ガスをチャンバ内に供給するように構成されている。処理ガスは、ハロゲン元素及びリンを含む。高周波電源は、チャンバ内で処理ガスからプラズマを生成するために高周波電力を発生するように構成されている。
【0025】
以下、図面を参照して種々の例示的実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【0026】
図1は、一つの例示的実施形態に係るエッチング方法の流れ図である。図1に示すエッチング方法(以下、「方法MT」という)は、工程ST1及び工程ST2を含む。方法MTは、シリコン含有膜を有する基板に適用される。方法MTでは、シリコン含有膜がエッチングされる。
【0027】
図2は、図1に示すエッチング方法が適用され得る一例の基板の部分拡大断面図である。図2に示す基板Wは、DRAM、3D-NANDのようなデバイスの製造に用いられ得る。基板Wは、シリコン含有膜SFを有する。基板Wは、下地領域URを更に有していてもよい。シリコン含有膜SFは、下地領域UR上に設けられ得る。シリコン含有膜SFは、シリコン含有誘電体膜であり得る。シリコン含有誘電体膜は、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を含み得る。シリコン含有誘電体膜は、シリコンを含有する膜であれば、他の膜種を有する膜であってもよい。また、シリコン含有膜SFは、シリコン膜(例えば多結晶シリコン膜)を含んでいてもよい。また、シリコン含有膜SFは、互いに異なる膜種を有する二つ以上のシリコン含有膜を含んでいてもよい。二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を含んでいてもよい。シリコン含有膜SFは、例えば、交互に積層された一つ以上のシリコン酸化膜及び一つ以上のシリコン窒化膜を含む多層膜であってもよい。或いは、二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜及びシリコン膜を含んでいてもよい。シリコン含有膜SFは、例えば、交互に積層された一つ以上のシリコン酸化膜及び一つ以上のシリコン膜を含む多層膜であってもよい。或いは、二つ以上のシリコン含有膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びシリコン膜を含んでいてもよい。
【0028】
基板Wは、マスクMKを更に有していてもよい。マスクMKは、シリコン含有膜SF上に設けられている。マスクMKは、工程ST2においてシリコン含有膜SFのエッチングレートよりも低いエッチングレートを有する材料から形成される。マスクMKは、有機材料から形成され得る。マスクMKは、例えば、アモルファスカーボン膜、フォトレジスト膜、又はSOC膜(スピンオンカーボン膜)から形成され得る。或いは、マスクMKは、窒化チタン、タングステン、炭化タングステンのような金属含有材料から形成された金属含有マスクであってもよい。マスクMKは、3μm以上の厚みを有し得る。
【0029】
マスクMKは、パターニングされている。即ち、マスクMKは、工程ST2においてシリコン含有膜SFに転写されるパターンを有している。マスクMKのパターンがシリコン含有膜SFに転写されると、シリコン含有膜SFにはホール又はトレンチのような開口が形成される。工程ST2においてシリコン含有膜SFに形成される開口のアスペクト比は20以上であってよく、40又は50以上であってもよい。
【0030】
方法MTでは、シリコン含有膜SFのエッチングのためにプラズマ処理装置が用いられる。図3は、一つの例示的実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図3に示すプラズマ処理装置1は、チャンバ10を備える。チャンバ10は、その中に内部空間10sを提供する。チャンバ10はチャンバ本体12を含む。チャンバ本体12は、略円筒形状を有する。チャンバ本体12は、例えばアルミニウムから形成される。チャンバ本体12の内壁面上には、耐腐食性を有する膜が設けられている。耐腐食性を有する膜は、酸化アルミニウム、酸化イットリウムなどのセラミックから形成され得る。
【0031】
チャンバ本体12の側壁には、通路12pが形成されている。基板Wは、通路12pを通して内部空間10sとチャンバ10の外部との間で搬送される。通路12pは、ゲートバルブ12gにより開閉される。ゲートバルブ12gは、チャンバ本体12の側壁に沿って設けられる。
【0032】
チャンバ本体12の底部上には、支持部13が設けられている。支持部13は、絶縁材料から形成される。支持部13は、略円筒形状を有する。支持部13は、内部空間10sの中で、チャンバ本体12の底部から上方に延在している。支持部13は、基板支持器14を支持している。基板支持器14は、内部空間10sの中で基板Wを支持するように構成されている。
【0033】
基板支持器14は、下部電極18及び静電チャック20を有する。基板支持器14は、電極プレート16を更に有し得る。電極プレート16は、アルミニウムなどの導体から形成されており、略円盤形状を有する。下部電極18は、電極プレート16上に設けられている。下部電極18は、アルミニウムなどの導体から形成されており、略円盤形状を有する。下部電極18は、電極プレート16に電気的に接続されている。
【0034】
静電チャック20は、下部電極18上に設けられている。基板Wは、静電チャック20の上面の上に載置される。静電チャック20は、本体及び電極を有する。静電チャック20の本体は、略円盤形状を有し、誘電体から形成される。静電チャック20の電極は、膜状の電極であり、静電チャック20の本体内に設けられている。静電チャック20の電極は、スイッチ20sを介して直流電源20pに接続されている。静電チャック20の電極に直流電源20pからの電圧が印加されると、静電チャック20と基板Wとの間に静電引力が発生する。基板Wは、その静電引力によって静電チャック20に引き付けられて、静電チャック20によって保持される。
【0035】
基板支持器14上には、エッジリング25が配置される。エッジリング25は、リング状の部材である。エッジリング25は、シリコン、炭化シリコン、又は石英などから形成され得る。基板Wは、静電チャック20上、且つ、エッジリング25によって囲まれた領域内に配置される。
【0036】
下部電極18の内部には、流路18fが設けられている。流路18fには、チャンバ10の外部に設けられているチラーユニットから配管22aを介して熱交換媒体(例えば冷媒)が供給される。流路18fに供給された熱交換媒体は、配管22bを介してチラーユニットに戻される。プラズマ処理装置1では、静電チャック20上に載置された基板Wの温度が、熱交換媒体と下部電極18との熱交換により、調整される。
【0037】
プラズマ処理装置1には、ガス供給ライン24が設けられている。ガス供給ライン24は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス(例えばHeガス)を、静電チャック20の上面と基板Wの裏面との間の間隙に供給する。
【0038】
プラズマ処理装置1は、上部電極30を更に備える。上部電極30は、基板支持器14の上方に設けられている。上部電極30は、部材32を介して、チャンバ本体12の上部に支持されている。部材32は、絶縁性を有する材料から形成される。上部電極30と部材32は、チャンバ本体12の上部開口を閉じている。
【0039】
上部電極30は、天板34及び支持体36を含み得る。天板34の下面は、内部空間10sの側の下面であり、内部空間10sを画成する。天板34は、発生するジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体から形成され得る。天板34は、天板34をその板厚方向に貫通する複数のガス吐出孔34aを有する。
【0040】
支持体36は、天板34を着脱自在に支持する。支持体36は、アルミニウムなどの導電性材料から形成される。支持体36の内部には、ガス拡散室36aが設けられている。支持体36は、ガス拡散室36aから下方に延びる複数のガス孔36bを有する。複数のガス孔36bは、複数のガス吐出孔34aにそれぞれ連通している。支持体36には、ガス導入口36cが形成されている。ガス導入口36cは、ガス拡散室36aに接続している。ガス導入口36cには、ガス供給管38が接続されている。
【0041】
ガス供給管38には、流量制御器群41及びバルブ群42を介して、ガスソース群40が接続されている。流量制御器群41及びバルブ群42は、ガス供給部を構成している。ガス供給部は、ガスソース群40を更に含んでいてもよい。ガスソース群40は、複数のガスソースを含む。複数のガスソースは、方法MTで用いられる処理ガスのソースを含む。流量制御器群41は、複数の流量制御器を含む。流量制御器群41の複数の流量制御器の各々は、マスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器である。バルブ群42は、複数の開閉バルブを含む。ガスソース群40の複数のガスソースの各々は、流量制御器群41の対応の流量制御器及びバルブ群42の対応の開閉バルブを介して、ガス供給管38に接続されている。
【0042】
プラズマ処理装置1では、チャンバ本体12の内壁面及び支持部13の外周に沿って、シールド46が着脱自在に設けられている。シールド46は、チャンバ本体12に反応副生物が付着することを防止する。シールド46は、例えば、アルミニウムから形成された母材の表面に耐腐食性を有する膜を形成することにより構成される。耐腐食性を有する膜は、酸化イットリウムなどのセラミックから形成され得る。
【0043】
支持部13とチャンバ本体12の側壁との間には、バッフルプレート48が設けられている。バッフルプレート48は、例えば、アルミニウムから形成された部材の表面に耐腐食性を有する膜(酸化イットリウムなどの膜)を形成することにより構成される。バッフルプレート48には、複数の貫通孔が形成されている。バッフルプレート48の下方、且つ、チャンバ本体12の底部には、排気口12eが設けられている。排気口12eには、排気管52を介して排気装置50が接続されている。排気装置50は、圧力調整弁及びターボ分子ポンプなどの真空ポンプを含む。
【0044】
プラズマ処理装置1は、第1の高周波電源62及び第2の高周波電源64を備えている。第1の高周波電源62は、第1の高周波電力を発生する電源である。第1の高周波電力は、プラズマの生成に適した周波数を有する。第1の高周波電力の周波数は、例えば27MHz~100MHzの範囲内の周波数である。第1の高周波電源62は、整合器66及び電極プレート16を介して下部電極18に接続されている。整合器66は、第1の高周波電源62の出力インピーダンスと負荷側(下部電極18側)のインピーダンスを整合させるための回路を有する。なお、第1の高周波電源62は、整合器66を介して、上部電極30に接続されていてもよい。第1の高周波電源62は、一例のプラズマ生成部を構成している。
【0045】
第2の高周波電源64は、第2の高周波電力を発生する電源である。第2の高周波電力は、第1の高周波電力の周波数よりも低い周波数を有する。第2の高周波電力が第1の高周波電力と共に用いられる場合には、第2の高周波電力は基板Wにイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電力として用いられる。第2の高周波電力の周波数は、例えば400kHz~13.56MHzの範囲内の周波数である。第2の高周波電源64は、整合器68及び電極プレート16を介して下部電極18に接続されている。整合器68は、第2の高周波電源64の出力インピーダンスと負荷側(下部電極18側)のインピーダンスを整合させるための回路を有する。
【0046】
なお、第1の高周波電力を用いずに、第2の高周波電力を用いて、即ち、単一の高周波電力のみを用いてプラズマを生成してもよい。この場合には、第2の高周波電力の周波数は、13.56MHzよりも大きな周波数、例えば40MHzであってもよい。また、この場合には、プラズマ処理装置1は、第1の高周波電源62及び整合器66を備えなくてもよい。この場合には、第2の高周波電源64は一例のプラズマ生成部を構成する。
【0047】
プラズマ処理装置1においてプラズマ処理が行われる場合には、ガスがガス供給部から内部空間10sに供給される。また、第1の高周波電力及び/又は第2の高周波電力が供給されることにより、上部電極30と下部電極18との間で高周波電界が生成される。生成された高周波電界が内部空間10sの中のガスからプラズマを生成する。
【0048】
プラズマ処理装置1は、制御部80を更に備え得る。制御部80は、プロセッサ、メモリなどの記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備えるコンピュータであり得る。制御部80は、プラズマ処理装置1の各部を制御する。制御部80では、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置1を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができる。また、制御部80では、表示装置により、プラズマ処理装置1の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、記憶部には、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、プラズマ処理装置1で各種処理を実行するために、プロセッサによって実行される。プロセッサは、制御プログラムを実行し、レシピデータに従ってプラズマ処理装置1の各部を制御する。
【0049】
再び図1を参照する。以下、方法MTについて、それがプラズマ処理装置1を用いて図2に示す基板Wに適用される場合を例にとって、説明する。プラズマ処理装置1が用いられる場合には、制御部80によるプラズマ処理装置1の各部の制御により、プラズマ処理装置1において方法MTが実行され得る。以下の説明においては、方法MTの実行のための制御部80によるプラズマ処理装置1の各部の制御についても説明する。
【0050】
方法MTは、工程ST1で開始する。工程ST1では、基板Wがチャンバ10内に準備される。基板Wは、チャンバ10内において静電チャック20上に載置されて、静電チャック20によって保持される。なお、基板Wは300mmの直径を有し得る。
【0051】
方法MTでは、次いで、工程ST2が実行される。工程ST2では、チャンバ10内で処理ガスから形成されたプラズマからの化学種によりシリコン含有膜SFがエッチングされる。
【0052】
工程ST2で用いられる処理ガスは、ハロゲン元素及びリンを含む。処理ガスに含まれるハロゲン元素は、フッ素であり得る。処理ガスは、フルオロカーボン又はハイドロフルオロカーボンの少なくとも一つを含み得る。フルオロカーボンは、例えばCF、C、C、又はCの少なくとも一つである。ハイドロフルオロカーボンは、例えばCH、CHF、又はCHFの少なくとも一つである。ハイドロフルオロカーボンは、二つ以上の炭素原子を含んでいてもよい。処理ガスは、リンを含む分子を含み得る。リンを含む分子は、十酸化四リン(P10)、八酸化四リン(P)、六酸化四リン(P)のような酸化物であってもよい。十酸化四リンは、五酸化二リン(P)と呼ばれることがある。リンを含む分子は、三フッ化リン(PF)、五フッ化リン(PF)、三塩化リン(PCl)、五塩化リン(PCl)、三臭化リン(PBr)、五臭化リン(PBr)、ヨウ化リン(PI)のようなハロゲン化物であってもよい。即ち、リンを含む分子は、ハロゲン元素としてフッ素を含んでいてもよい。或いは、リンを含む分子は、ハロゲン元素としてフッ素以外のハロゲン元素を含んでいてもよい。リンを含む分子は、フッ化ホスホリル(POF)、塩化ホスホリル(POCl)、臭化ホスホリル(POBr)のようなハロゲン化ホスホリルであってもよい。リンを含む分子は、ホスフィン(PH)、リン化カルシウム(Ca等)、リン酸(HPO)、リン酸ナトリウム(NaPO)、ヘキサフルオロリン酸(HPF)等であってもよい。リンを含む分子は、フルオロホスフィン類(HPF)であってもよい。ここで、xとyの和は、3又は5である。フルオロホスフィン類としては、HPF、HPFが例示される。処理ガスは、リンを含む分子をとして、これらの分子のうち一つ以上の分子を含み得る。例えば、処理ガスは、リンを含む分子として、PF、PCl、PF,PCl,POCl、PH、PBr、又はPBrの少なくとも一つを含み得る。なお、リンを含む分子は、液体又は固体である場合には、加熱等によって気化されてチャンバ10内に供給され得る。
【0053】
工程ST2で用いられる処理ガスは、炭素及び水素を更に含んでいてもよい。処理ガスは、水素を含む分子として、H、フッ化水素(HF)、炭化水素(C)、ハイドロフルオロカーボン(CH)、又はNHの少なくとも一つを含んでいてもよい。炭化水素は、例えばCH又はCである。ここで、x及びyの各々は自然数である。処理ガスは、炭素を含む分子として、フルオロカーボン又は炭化水素(例えばCH)を含んでいてもよい。処理ガスは、酸素を更に含んでいてもよい。処理ガスは、例えばOを含んでいてもよい。
【0054】
工程ST2で用いられる処理ガスは、リンのソースとして、リン含有ガスを含む。リン含有ガスは、上述したリンを含む分子のガスである。一実施形態において、工程ST2は、上述したように、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を含むシリコン含有膜SFに適用される。工程ST2では、処理ガスの全流量に対するリン含有ガスの流量の割合が設定されることにより、シリコン酸化膜のエッチングレートに対するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の交互の積層膜のエッチングレートの比が設定(制御)される。工程ST2では、シリコン酸化膜のエッチングレートとシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の交互の積層膜のエッチングレートとの間の差が小さくなるように、処理ガスの全流量に対するリン含有ガスの流量の割合が設定され得る。一実施形態では、シリコン酸化膜のエッチングレートに対するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の交互の積層膜のエッチングレートの比が、0.8以上、1.2以下となるように、処理ガスの全流量に対するリン含有ガスの流量の割合が設定される。処理ガスの全流量に対するリン含有ガスの流量の割合は、例えば、10%以上、50%以下に設定され得る。なお、工程ST2のエッチング中にリン含有ガスの流量を変更することにより、シリコン酸化膜のエッチングレートに対するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の交互の積層膜のエッチングレートの比が変更されてもよい。
【0055】
工程ST2では、チャンバ10内のガスの圧力が指定された圧力に設定される。工程ST2では、チャンバ10内のガスの圧力は、10mTorr(1.3Pa)以上、100mTorr(13.3Pa)以下の圧力に設定され得る。また、工程ST2では、チャンバ10内で処理ガスからプラズマを生成するために、第1の高周波電力及び/又は第2の高周波電力が供給される。第1の高周波電力のレベルは、2kW以上、10kW以下のレベルに設定され得る。第2の高周波電力のレベルは、2kW(基板Wの単位面積当りの電力のレベルでは2.83W/cm)以上のレベルに設定され得る。第2の高周波電力のレベルは、10kW(基板Wの単位面積当りの電力のレベルでは14.2W/cm)以上のレベルに設定されてもよい。
【0056】
工程ST2の実行のために、制御部80は、処理ガスをチャンバ10内に供給するようにガス供給部を制御する。また、制御部80は、チャンバ10内でのガスの圧力を指定された圧力に設定するように排気装置50を制御する。また、制御部80は、第1の高周波電力及び/又は第2の高周波電力を供給するように第1の高周波電源62及び第2の高周波電源64を制御する。
【0057】
一実施形態の方法MTにおいて、工程ST2の開始時の基板Wの温度は、0℃以下の温度に設定されてもよい。このような温度に基板Wの温度が設定されると、工程ST2におけるシリコン含有膜SFのエッチングレートが高くなる。工程ST2の開始時の基板Wの温度を設定するために、制御部80はチラーユニットを制御し得る。
【0058】
工程ST2では、処理ガスから形成されたプラズマからのハロゲン化学種により、シリコン含有膜SFがエッチングされる。一実施形態では、シリコン含有膜SFの全領域のうちマスクMKから露出されている部分がエッチングされる(図4の(a)を参照)。
【0059】
一実施形態においては、方法MTは、図1に示すように、工程ST3を更に含んでいてもよい。工程ST3では、工程ST2のエッチングによってシリコン含有膜SFに形成された開口を画成する側壁面上に保護膜PFが形成される(図4の(a)を参照)。保護膜PFは、シリコン及び工程ST2で用いられる処理ガスに含まれるリンを含む。一実施形態では、工程ST3は、工程ST2と同時に進行する。一実施形態では、保護膜PFは、処理ガスに含まれる炭素及び/又は水素を更に含んでいてもよい。一実施形態では、保護膜PFは、処理ガスに含まれるか又はシリコン含有膜SFに含まれる酸素を更に含んでいてもよい。工程ST2においてシリコン酸化膜をエッチングした実験例によれば、保護膜PFのXPS分析の結果、Si-Oの結合ピークとP-Oの結合ピークが観察された。また、工程ST2においてシリコン窒化膜をエッチングした実験例によれば、保護膜PFのXPS分析の結果、Si-Pの結合ピークとP-Nの結合ピークが観察された。
【0060】
処理ガスにリンが含まれなければ、図4の(b)に示すように、シリコン含有膜SFは、横方向にもエッチングされる。その結果、シリコン含有膜SFに形成される開口の幅が一部で広くなる。例えば、シリコン含有膜SFに形成される開口の幅はマスクMKの近傍で部分的に広くなる。
【0061】
一方、方法MTでは、保護膜PFが、エッチングによってシリコン含有膜SFに形成された開口を画成する側壁面上に形成される。この保護膜PFにより側壁面が保護されつつ、シリコン含有膜SFがエッチングされる。したがって、方法MTによれば、シリコン含有膜SFのプラズマエッチングにおいて、横方向のエッチングを抑制することが可能となる。
【0062】
以下、図5の(a)及び図5の(b)を参照する。図5の(a)は、図1に示すエッチング方法が適用され得る別の例の基板の部分拡大断面図であり、図5の(b)は、図1に示すエッチング方法が適用された別の例の基板の部分拡大断面図である。図5の(a)に示す基板Wにおいて、シリコン含有膜SFは、単層膜SL及び多層膜MLを有している。単層膜SLは、例えばシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又は多結晶シリコン膜である。多層膜MLは、積層された一つ以上のシリコン酸化膜及び一つ以上のシリコン窒化膜を含んでいてもよい。多層膜MLは、交互に積層された複数のシリコン酸化膜及び複数のシリコン窒化膜を含んでいてもよい。或いは、多層膜MLは、積層された一つ以上のシリコン酸化膜及び一つ以上の多結晶シリコン膜を含んでいてもよい。多層膜MLは、交互に積層された複数のシリコン酸化膜及び複数の多結晶シリコン膜を含んでいてもよい。或いは、多層膜MLは、積層された一つ以上のシリコン酸化膜、一つ以上の多結晶シリコン膜、及び一つ以上のシリコン窒化膜を含んでいてもよい。
【0063】
上述の方法MTは、図5の(a)に示す基板Wに適用され得る。方法MTの工程ST2では、単層膜SL及び多層膜MLが同時にエッチングされる。工程ST2では、上述したように、ハロゲン元素及びリンを含む処理ガスが用いられる。一例では、処理ガスは、H、C(x、y、zは、0以上の整数)、C以外のフッ素分子又はフッ素含有分子、フッ素以外のハロゲン元素又はフッ素以外のハロゲンを含有する分子、及び上述のリンを含む分子を含有し得る。処理ガスにおけるフッ素含有分子は、例えば、NF、SF、HFである。処理ガスにおけるハロゲン元素又はハロゲンを含有する分子は、例えばCl、HBr、HI,ClF、IFである。即ち、処理ガスにおけるハロゲン元素又はハロゲンを含有する分子は、フッ素を含んでいなくてもよい。或いは、処理ガスにおけるハロゲン元素又はハロゲンを含有する分子は、フッ素を含んでいてもよい。処理ガスの全流量に対するリンを含む分子を含有するガスの流量の割合は、例えば3%以上、20%以下である。また、工程ST2の開始時において基板Wの温度は0℃以下の温度、例えば-40℃又は-70℃に設定される。
【0064】
方法MTでは、図5の(b)に示すように、保護膜PFにより側壁面が保護されつつ、単層膜SL及び多層膜MLがエッチングされる。したがって、方法MTによれば、単層膜SL及び多層膜MLの同時のプラズマエッチングにおいて、横方向のエッチングを抑制することが可能となる。また、工程ST2において上述の処理ガスが用いられることにより、単層膜SLのエッチングレートと多層膜MLのエッチングレートとの差が低減される。
【0065】
以下、方法MTの評価のために行った第1の実験について説明する。第1の実験では、複数のサンプル基板を準備した。複数のサンプル基板の各々は、シリコン酸化膜及び当該シリコン酸化膜上に設けられたマスクを有していた。第1の実験では、方法MTを実行して、複数のサンプル基板のシリコン酸化膜をエッチングした。複数のサンプル基板それぞれのシリコン酸化膜のエッチング(工程ST2)に用いた処理ガスは、互いに異なる流量のPFガスを含んでいた。工程ST2における他の条件を以下に示す。
<工程ST2の条件>
工程ST2におけるチャンバ10内のガスの圧力:25mTorr(3.3Pa)
工程ST2で用いた処理ガス:50sccmのCHガス、100sccmのCFガス、50sccmのOガス
工程ST2における第1の高周波電力:40MHz、4500W
工程ST2における第2の高周波電力:400kHz、7000W
工程ST2における基板の温度(エッチング開始前の基板支持器の温度):-30℃
工程ST2の実行期間の時間長:600秒
【0066】
第1の実験では、複数のサンプル基板の各々について、シリコン酸化膜に形成された開口の最大幅及びシリコン酸化膜のエッチングレートを求めた。そして、工程ST2で用いた処理ガス中のPFガスの流量とシリコン酸化膜のエッチングレートとの関係を求めた。また、工程ST2で用いた処理ガス中のPFガスの流量とシリコン酸化膜に形成された開口の最大幅との関係を求めた。処理ガス中のPFガスの流量とシリコン酸化膜のエッチングレートとの関係を図6に示す。また、処理ガス中のPFガスの流量とシリコン酸化膜に形成された開口の最大幅の関係を図7に示す。図6に示すように、処理ガスにリンを含めることにより、シリコン酸化膜のエッチングレートが高くなることが確認された。なお、処理ガス中のPFガスの流量が20sccm以上である場合に、PFを添加しない場合に比べ、エッチングレートが1.5倍程度になることが確認された。また、図7に示すように、処理ガスにリンを含めることにより、側壁面が保護されて、シリコン酸化膜の開口の最大幅が小さくなること、即ち、シリコン酸化膜の開口の幅が一部で広くなることを抑制することが可能であることが確認された。特に、処理ガス中のPFガスの流量が15sccmである場合に、シリコン酸化膜の開口の幅が一部で広くなることを抑制する効果、即ち側壁面の保護効果が大きくなることが確認された。また、処理ガス中のPFガスの流量が50sccm以上である場合に、シリコン酸化膜の開口の幅が一部で広くなることがより顕著に抑制され得ることが確認された。即ち、処理ガス中のPFガスの流量が50sccm以上である場合に、側壁面の保護効果が顕著になることが確認された。
【0067】
以下、方法MTの評価のために行った第2の実験について説明する。第2の実験では、第1のサンプル基板及び第2のサンプル基板を準備した。第1のサンプル基板は、シリコン酸化膜である単層膜を有していた。第2のサンプル基板は、交互に積層された複数のシリコン酸化膜と複数のシリコン窒化膜を含む多層膜を有していた。第2の実験では、プラズマ処理装置1を用いて方法MTを実行して、第1のサンプル基板の単層膜及び第2のサンプル基板の多層膜をエッチングした。エッチング(工程ST2)に用いた処理ガスは、H、ハイドロフルオロカーボン、フッ素含有分子、ハロゲン含有分子、及び上述のリンを含む分子を含有していた。また、比較実験を行った。比較実験では、第2の実験の工程ST2で用いた処理ガスとは異なる処理ガスを用いて、第1のサンプル基板の単層膜及び第2のサンプル基板の多層膜をエッチングした。比較実験において用いた処理ガスは、リンを含む分子を含有しない点で、第2の実験の工程ST2で用いた処理ガスとは異なっていた。
【0068】
第2の実験及び比較実験では、単層膜のエッチングレートに対する多層膜のエッチングレートの比の値を求めた。比較実験では、エッチングの開始時の第1のサンプル基板及び第2のサンプル基板の各々の温度が-40℃であった場合に、比の値は約1.3であった。一方、第2の実験では、エッチングの開始時の第1のサンプル基板及び第2のサンプル基板の各々の温度が-40℃であった場合に、比の値は約1.17であった。また、第2の実験では、エッチングの開始時の第1のサンプル基板及び第2のサンプル基板の各々の温度が-70℃であった場合に、比の値は約1.05であった。これらの実験の結果から、工程ST2においてリンを含む分子を含有する処理ガスを用いることにより、単層膜のエッチングレートと多層膜のエッチングレートとの間の差を低減することが可能であることが確認された。また、単層膜のエッチングレートと多層膜のエッチングレートとの間の差は、エッチングの開始時の基板の温度が低いほど、より小さくなることが確認された。
【0069】
以下、方法MTの評価のために行った第3の実験について説明する。第3の実験では、複数の第1のサンプル基板及び複数の第2のサンプル基板を準備した。複数の第1のサンプル基板の各々は、シリコン酸化膜(単層膜)を有していた。複数の第2のサンプル基板の各々は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の交互の積層膜を有していた。第3の実験では、プラズマ処理装置1を用いて方法MTを実行して、複数の第1のサンプル基板の単層膜及び複数の第2のサンプル基板の積層膜をエッチングした。エッチング(工程ST2)において用いた処理ガスは、Hガス、ハイドロフルオロカーボンガス、フッ素含有分子のガス、フッ素を含有しないハロゲン含有分子のガス、及びハロゲンとリンを含有するガス(PFガス)を含んでいた。第3の実験では、エッチング時の温度及びPFガスの流量の割合の互いに異なる複数の組合せを、複数の第1のサンプル基板の単層膜のエッチングにおいて用いた。エッチング時の温度は、エッチングの開始時のサンプル基板の温度(熱媒の温度)である。また、PFガスの流量の割合は、処理ガスの全流量に対するPFガスの流量の割合である。また、複数の第1のサンプル基板の単層膜のエッチングにおいて用いたエッチング時の温度及びPFガスの流量の割合の複数の組合せを、複数の第2のサンプル基板の積層膜のエッチングにおいて用いた。なお、複数の第1のサンプル基板の単層膜及び複数の第2のサンプル基板の交互の積層膜のエッチング時の第2の高周波電力の実効パワーは、6kWであった。
【0070】
第3の実験では、複数の第1のサンプル基板の単層膜のエッチングの結果から、複数の第1のサンプル基板の単層膜の各々のエッチングレートを求めた。また、複数の第2のサンプル基板の積層膜のエッチングの結果から、複数の第2のサンプル基板の積層膜の各々のエッチングレートを求めた。そして、上述の複数の組合せの各々の下でのシリコン酸化膜(単層膜)のエッチングレートに対するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の交互の積層膜のエッチングレートの比を求めた。そして、PFガスの流量の割合とエッチングレートの比との関係を求めた。第3の実験で求めたPFガスの流量の割合とエッチングレートの比を図8のグラフに示す。図8に示すように、第3の実験の結果、PFガスの流量の割合を調整することにより、エッチングレートの比を調整することが可能であることが確認された。また、PFガスの流量の割合を10%以上、50%以下に設定することにより、エッチングの開始時のサンプル基板の温度に依存することなく、エッチングレートの比を0.8以上、1.2以下に設定することが可能であることが確認された。
【0071】
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な追加、省略、置換、及び変更がなされてもよい。また、異なる実施形態における要素を組み合わせて他の実施形態を形成することが可能である。
【0072】
例えば、方法MTにおいて用いられるプラズマ処理装置は、プラズマ処理装置1以外の容量結合型のプラズマ処理装置であってもよい。或いは、方法MTにおいて用いられるプラズマ処理装置は、誘導結合型のプラズマ処理装置、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ処理装置、又はマイクロ波といった表面波を用いてプラズマを生成するプラズマ処理装置等であってもよい。
【0073】
また、プラズマ処理装置は、第2の高周波電源64の代わりに又は第2の高周波電源64に加えて、負極性の直流電圧のパルスを断続的に又は周期的に下部電極18に印加するように構成された直流電源を備えていてもよい。
【0074】
以上の説明から、本開示の種々の実施形態は、説明の目的で本明細書で説明されており、本開示の範囲及び主旨から逸脱することなく種々の変更をなし得ることが、理解されるであろう。したがって、本明細書に開示した種々の実施形態は限定することを意図しておらず、真の範囲と主旨は、添付の特許請求の範囲によって示される。
【符号の説明】
【0075】
1…プラズマ処理装置、10…チャンバ、W…基板、SF…シリコン含有膜。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8