JP4509842B2 - エッチング方法、エッチング装置、コンピュータプログラム及びコンピュータ記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明はエッチング方法に関し、更に詳しくは酸化シリコン膜を下地とした窒化シリコン膜を、酸化シリコンを主成分とするハードマスクをマスクとしてエッチングするエッチング方法及びエッチング装置に関し、またその方法を実行するためのコンピュータプログラム及びコンピュータ記憶媒体に関する。

半導体デバイスの高集積化及び薄膜化を進めるために膜種や構造について種々検討されており、例えばＣＭＯＳのゲート構造についても新しい構造が提案されている。この背景には従来のＣＭＯＳのゲート構造においては、シリコン膜の上にゲート絶縁膜を形成しており、このゲート絶縁膜の薄膜化が進められてきたがこの薄膜化が進むとリーク電流が大きくなることから、従来のゲート構造については限界にきているという事情がある。

新しいＣＭＯＳのゲート構造として例えば３次元ゲート構造と呼ばれるものがある。この構造によれば微細で、かつ立体的形状を有するゲート電極を形成する必要がある。また材料面では、従来の多結晶シリコン電極に替えて、メタルゲート電極の検討が進められており、次世代の半導体素子作成プロセスでは、かなり複雑なプロセスが要求される。

これらのプロセスの一つとして、下地が酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜である窒化シリコン（ＳｉＮ）膜をエッチングするプロセスが検討されており、エッチングにより形成された窒化シリコン膜のパターンは、後のゲート電極形成に使用されることになる。
ところで一般にはある種の膜をエッチングする場合、基板表面のエッチング速度は完全には均一ではなく、特に中心部と周縁部との間でエッチング速度を揃えることが困難であることから、膜をエッチングして下地膜が露出した後もエッチングが継続され、このエッチングはオーバエッチングと呼ばれる。通常オーバエッチングする場合には、下地膜に対して高選択比が確保される必要があるが、この選択比としては下地膜に対して高くてもせいぜい７から１０ぐらいである。

しかしここで検討している半導体素子構造においては、下地膜である酸化シリコン膜は例えば５ｎｍと極めて薄く、このような場合にはオーバエッチングを行うために例えば２０から４０程度もの高選択比が要求される。特許文献１には酸化シリコン膜をマスクとして窒化シリコン膜をエッチングする際に酸化シリコン膜に対する窒化シリコン膜の選択比を高くするために、エッチングガスとしてＣＨ_３ＦガスとＯ_２ガスとを含み、ＣＨ_３Ｆガスに対するＯ_２ガスの混合比（Ｏ_２／ＣＨ_３Ｆ）を４〜９とした混合ガスを用いてエッチングを行う手法が開示されている。従って下地が酸化シリコン膜である窒化シリコン膜をエッチングするプロセスにおいて、オーバエッチング時にこの混合ガスを用いれば、下地の酸化シリコン膜が薄くても、当該下地膜の膜減りを抑えながら窒化シリコン膜をエッチングすることができる。

ところが前記混合ガスを用いる場合、以下のような問題が発生する。図１０（ａ）は、既述の窒化シリコン膜をエッチングする前の積層体を示す図であり、図中１１はシリコン（Ｓｉ）膜、１２は酸化シリコン膜、１３は窒化シリコン膜、１４はハードマスクである窒素含有酸化シリコン（ＳｉＯＮ）膜、１５はレジスト膜であり、１６はレジスト膜１５に形成されたレジストパターンである。この積層体において、一般的なエッチングを行うとすると、レジスト膜１５をマスクとしてＳｉＯＮ膜１４をエッチングし、さらにレジスト膜１５をアッシングして除去し、その後に前記特許文献１に記載の混合ガスによってＳｉＯＮ膜１４をマスクとしてエッチングを行うことになる。
しかし、ここで既述のように酸化シリコン膜１２に対して極めて高い選択比を持ったガスによりエッチングを行うということは、窒化シリコン膜１３に対するエッチング作用が大きいということであり、そしてこの窒化シリコン膜１３とハードマスクを構成するＳｉＯＮ膜１４とは材質が似ていることから、前記混合ガスはＳｉＯＮ膜１４にも局所的にダメージを与えることになる。そして前記ＳｉＯＮ膜１４は例えば５０ｎｍと薄く、また当該ＳｉＯＮ膜１４がスペックに見合った面内均一性が確保されていても完全に均一ではないことから、ＳｉＯＮ膜１４に孔１８が穿孔されてしまう。この点は実験で確認している。この孔１８が穿孔される現象を突き抜け現象（ピティング）と呼ぶことにすると、ピティングが発生するとこの孔１８を介して窒化シリコン膜１３の表面がダメージを受け、後工程に影響を及ぼす。

そこで窒化シリコン膜１３をエッチングする際にレジスト膜１５をアッシングせずに残しておくことによりＳｉＯＮ膜１４を保護することも考えられるが、前記混合ガスは酸素を多く含んでいるため、窒化シリコン膜をエッチングする際にこのレジスト膜１５のアッシングも進行するので、ＳｉＯＮ膜１４を保護しようとすると当該レジスト膜１５の膜厚は大きくしなければならず、そうするとエッチング形状が悪化する。即ちエッチング形状をを良好にするためには、レジスト膜１５を薄くする要請がある。このような事情から上述のエッチングを行うにあたり、窒化シリコン膜を損傷するおそれのないエッチング方法が求められている。
なお特許文献２には、窒化シリコンのハードマスクを形成する手法として、窒化シリコン層の上にある反射防止膜を、その上のレジストマスクのアッシング時における酸素プラズマにより酸化してこれを保護層とすることで、窒化シリコン層を薄くできる技術が記載されているが、本発明の課題を解決できる技術ではない。
特開２００３−２２９４１８号公報 特開２０００−２６９２２０号公報

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであって、その目的は酸化シリコン膜を下地とした窒化シリコン膜を、酸化シリコンを主成分とするハードマスクをマスクとしてエッチングするにあたり、窒化シリコン膜を損傷するおそれのない技術を提供することにある

本発明のエッチング方法は、酸化シリコン膜を下地とした窒化シリコン膜が、窒素含有酸化シリコンから成るハードマスクに覆われ、前記ハードマスク上に、パターンが形成されたレジスト膜が成膜された積層体について、窒化シリコン膜をエッチングするエッチング方法において、
レジスト膜をマスクとしてハードマスクをエッチングし、ハードマスクにマスクパターンを形成する工程と、
レジスト膜をアッシングする工程と、
ハードマスクの表面部を前記アッシングとは異なる条件で酸化する酸化工程と、
窒化シリコン膜のパターンの底部に露出する下地の酸化シリコン膜のエッチングが十分抑えられる程度の、酸化シリコン膜に対する窒化シリコン膜の高い選択比で、窒化シリコン膜をオーバエッチングするオーバエッチング工程と、
前記ハードマスクにマスクパターンを形成する工程の後、前記オーバエッチング工程の前に行われ、窒化シリコン膜をオーバエッチングする時の前記選択比よりも小さい選択比で、当該窒化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、を含み、
前記オーバエッチング工程は、アッシング工程及び酸化工程の後に行われ、
前記酸化工程は、前記オーバエッチング工程に支障をきたさず、且つオーバエッチング時におけるハードマスクの耐性を高める程度の厚さを酸化する工程であることを特徴とする。

前記メインエッチング工程は、例えばレジスト膜をアッシングする工程の後、前記酸化工程の前に行われる。また前記メインエッチング工程は、ハードマスクにマスクパターンを形成する工程の後、レジスト膜をアッシングする工程の前に行われる。また前記酸化工程は、酸素ガスをプラズマ化したプラズマにより行われてもよい。さらに前記オーバエッチング工程は、例えば炭素、フッ素及び水素を含むガスと、酸素ガスとを含んだ混合ガスをプラズマ化したプラズマにより行われてもよい。前記酸化工程は、基板に酸素ガスを供給する工程と、その上方に基板が載置される下部電極に５０Ｗ〜２００Ｗの電力を供給すると共に、前記基板を挟んで当該下部電極と対向する上部電極に３００Ｗ〜１５００Ｗの電力を供給する工程と、各電極に供給された電力により酸素ガスをプラズマ化する工程と、を含んでいてもよい。

この積層体において前記ハードマスクの厚さは例えば５０ｎｍ以下であり、前記酸化シリコン膜の厚さは例えば５ｎｍ以下であり、また窒化シリコン膜の厚さは例えば５０ｎｍ以上である。

本発明のエッチング装置は基板が載置される載置台を備えた気密な処理容器と、処理容器内に処理ガスを供給する手段と、処理容器内の圧力を調整する手段と、処理容器内のガスをプラズマ化する手段とを備え、処理ガスをプラズマ化したプラズマにより基板に対してエッチングを行う装置において、既述のエッチング方法を実施するように、各手段を制御する制御部を設けたことを特徴とする。

また本発明のコンピュータプログラムは、処理容器内に処理ガスを導入して、基板に対してエッチングを行う装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムであって、既述のエッチング方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とする。さらに本発明のコンピュータ記憶媒体は上述のコンピュータプログラムが記憶されていることを特徴とする。

本発明は、酸化シリコン膜を下地としかつ酸化シリコンを主成分とするハードマスクに覆われた窒化シリコン膜をエッチングするにあたり、レジスト膜をアッシングした後、予めハードマスクの表面部を前記アッシングとは異なる条件で酸化しておいて、窒化シリコン膜を下地の酸化シリコン膜に対する高い選択比でオーバエッチングするようにしている。従ってハードマスクの表面部に形成された酸化膜がオーバエッチングの際のハードマスクの保護層の役割を果たすため、ハードマスクに対するダメージが抑えられ、ピティングの発生が防がれる。その結果、窒化シリコン膜の表面がダメージを受けることなく、良好なエッチングを実現することができる。
そして下地膜である酸化シリコン膜が例えば５ｎｍ以下と極薄膜であり、またエッチングの対象である窒化シリコン膜の膜厚が下地膜に比べて十分厚い場合には、オーバエッチング時における下地の酸化シリコン膜に対する窒化シリコンの選択比はかなり高い選択比とする必要があり、そうするとハードマスクに対するエッチング作用も大きくなることから、ハードマスクが薄い場合には、特に有効な手法であるといえる。

以下、本発明におけるエッチング方法について説明するが、先ず当該方法を実施するために用いられるエッチング装置の一例について図１を用いて説明する。図１に示したエッチング装置２は表面がアルマイト加工され、例えば内部が密閉空間となっている処理室２１と、この処理室２１内の底面中央に配設された載置台３と、載置台３の上方に当該載置台３と対向するように設けられた上部電極４とを備えている。

前記処理室２１は電気的に接地されており、また処理室２１の底面の排気口２２には排気装置２３が配管２４を介して接続されている。この排気装置２３には圧力調整部（不図示）が含まれており、当該圧力調整部が後述の制御部２Ａからの制御信号を受けることで、その信号に従い排気装置２３が処理室２１内を真空排気して処理室２１内が所望の真空度に維持されるように構成されている。なお図１において、２５は処理室２１の側壁に形成された被処理体の搬送口であり、この搬送口２５はゲートバルブ２６により開閉自在に構成されている。

載置台３は、下部電極３１と、この下部電極３１を下方から支持する支持体３２とからなり、処理室２１の底面に絶縁部材３３を介して配設されている。載置台３の上部には静電チャック３４が設けられ、当該静電チャック３４を介して載置台３上にウエハＷが載置される。静電チャック３４は絶縁材料により構成され、この静電チャック３４の内部には高圧直流電源３５に接続された電極板３６が設けられている。当該高圧直流電源３５から電極板３６に電圧が印加されることによって静電チャック３４表面に静電気が発生する結果、当該静電チャック３４は載置されたウエハＷを静電吸着できるように構成されている。静電チャック３４には後述するバックサイドガスを当該静電チャック３４の上部に放出するための貫通孔３４ａが設けられている。

載置台３内には所定の冷媒（例えば、従来公知のフッ素系流体、水等）が通る冷媒流路３７が形成されており、冷媒が当該冷媒流路３７を流れることで載置台３が冷却され、この載置台３を介して当該載置台３上に載置された被処理体が所望の温度に冷却されるように構成されている。また下部電極３１には温度センサ（図示せず）が装着され、当該温度センサを介して下部電極３１上の被処理体の温度が常時監視されている。
また載置台３の内部にはＨｅ（ヘリウム）ガス等の熱伝導性ガスをバックサイドガスとして供給するガス流路３８が形成されており、当該ガス流路３８は載置台３の上面の複数箇所で開口している。これらの開口部は静電チャック３４に設けられた前記貫通孔３４ａと連通しており、ガス流路３８にバックサイドガスを供給すると、当該バックサイドガスは貫通孔３４ａを介して静電チャック３４の上部へ流出する。このバックサイドガスが静電チャック３４と静電チャック３４上に載置された被処理体との隙間全体に均等に拡散することにより、前記隙間における熱伝導性が高まるようになっている。

前記下部電極３１はハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３ａを介して接地され、また下部電極３１には例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電源３１ａが整合器３１ｂを介して接続されている。また下部電極３１の外周縁には静電チャック３４を囲むようにフォーカスリング３９が配置され、当該フォーカスリング３９を介してプラズマ発生時に当該プラズマが載置台３上の被処理体に集束するように構成されている。

上部電極４は中空状に形成され、その下面には処理室２１内へ処理ガスを分散供給するための多数の孔４１が例えば均等に分散されるように形成されてガスシャワーヘッドを構成している。また上部電極４の上面中央にはガス導入管４２が形成され、このガス導入管４２は絶縁部材２７を介して処理室２１の上面中央を貫通している。そしてこのガス導入管４２は上流に向かうと５つに分岐して分岐管４２Ａ〜４２Ｅを構成し、分岐管４２Ａ〜４２Ｅの端部は夫々処理室２１内に供給される処理ガスが貯留されたＣＦ_４（四フッ化炭素）ガス供給源４５Ａ、ＣＨ_３Ｆ（フッ化メチル）ガス供給源４５Ｂ、Ｏ_２（酸素）ガス供給源４５Ｃ、Ａｒ（アルゴン）ガス供給源４５Ｄ及びＣＨＦ_３（三フッ化メタン）ガス供給源４５Ｅに接続されている。分岐管４２Ａ〜４２Ｅには夫々上流へ向けてバルブ４３Ａ〜４３Ｅ、流量制御部４４Ａ〜４４Ｅが順次介設されている。このバルブ４３Ａ〜４３Ｅ及び流量制御部４４Ａ〜４４Ｅはガス供給系４６を構成し、ガス供給系４６は後述の制御部２Ａからの制御信号により各ガス供給源４５Ａ〜４５Ｅからの各処理ガスの給断及び流量を制御する。

また上部電極４はローパスフィルタ（ＬＰＦ）４７を介して接地されており、また当該上部電極４には下部電極３１よりも周波数の高い、例えば６０ＭＨｚの高周波電源４ａが整合器４ｂを介して接続されている。なお図示は省略しているが高周波電源４ａ，３１ａは制御部２Ａに接続されており、制御信号に従い各高周波電源から各電極に供給される電力が制御される。

このようなエッチング装置２は、排気装置２３によって処理室２１内を真空排気するとともに各処理ガス供給源４５Ａ〜４５Ｅから所定の処理ガスを所定の流量で処理室２１内に供給した状態において、下部電極３１及び上部電極４に夫々高周波電力を印加すると上部電極４に印加された高周波電力によって処理室２１内で前記処理ガスがプラズマ化（活性化）し、また下部電極３１に印加された高周波電力によってウエハＷにバイアス電位が発生し、イオン種を被処理体側に引き込んでエッチング形状の垂直性を高めるようにして載置台３上に載置された被処理体に対して所定のエッチング処理または酸化処理が施されるように構成されている。

またこのエッチング装置２には例えばコンピュータからなる制御部２Ａが設けられている。制御部２Ａはプログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部などを備えており、前記プログラムには制御部２Ａがエッチング装置２の各部に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることで被処理体に対してパターンの形成が実施できるように命令が組まれている。また、例えばメモリには処理圧力、処理時間、ガス流量、電力値などの処理パラメータの値が書き込まれる領域を備えており、ＣＰＵがプログラムの各命令を実行する際これらの処理パラメータが読み出され、そのパラメータ値に応じた制御信号がこのエッチング装置２の各部位に送られることになる。このプログラム（処理パラメータの入力用画面に関連するプログラムも含む）は、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）などに格納されて制御部２Ａにインストールされる。

次に、前記エッチング装置２を用いた本発明のエッチング方法の一実施形態について図２及び図３を参照しながら説明する。まず、ゲートバルブ２６を開いて処理室２１内に図示しない搬送機構により基板であるウエハＷが搬入される。このウエハＷが載置台３上に水平に載置された後、搬送機構が処理室２１から退去してゲートバルブ２６が閉じられる。引き続きガス流路３８からバックサイドガスが供給されてウエハＷと静電チャック３４間の熱伝導性が高まることでウエハＷが所定の温度に冷却される。その後は以下のステップが行われるがここで先ず前記ウエハＷについて説明しておく。なお膜の材質については、図面との対応を容易にするため、化学記号で記載する。ウエハＷは図２（ａ）で示されるような積層体であり、説明するとＳｉ層５１上にＳｉＯ_２膜５２、ＳｉＮ膜５３、及びＳｉＯＮ膜５４が積層され、当該ＳｉＯＮ膜５４上には有機物を主成分とする有機膜であるレジスト膜５５が形成されている。当該レジスト膜５５にはレジストパターン５６が形成されている。

ＳｉＯＮ膜５４は後述するようにＳｉＮ膜５３をエッチングする際のハードマスクとして機能するのみならず、レジストパターン５６形成工程におけるレジスト膜５５の露光時の反射防止膜としても機能する。ところでＳｉＯＮ膜５４の厚さは例えば５０ｎｍ以下であり、ＳｉＮ膜５３の厚さは例えば５０ｎｍ以上であり、ＳｉＯ_２膜５２の厚さは例えば５ｎｍ以下である。

〔本発明のエッチング方法の第１の実施の形態〕
（ステップ１：ＳｉＯＮ膜５４のエッチング）
排気装置２３により排気管２４を介して処理室２１内の排気が行われて、処理室２１内が所定の圧力に維持され、処理室２１内に流量制御を受けたＣＨＦ_３ガス、ＣＦ_４ガス及びＡｒガスからなる混合ガスが供給される。続いて上部電極４及び下部電極３１に夫々高周波電力が印加されて各処理ガスがプラズマ化される。このようにして図２（ｂ）に示すようにレジスト膜５５をマスクとしてレジストパターンに５６沿ってＳｉＯＮ膜５４がエッチングされ、マスクパターン５７が形成される。

（ステップ２：レジスト膜５５のアッシング）
高周波電源４ａ，３１ａがオフにされプラズマの発生が停止されるとともに処理室２１内へのＣＨＦ_３ガス、ＣＦ_４ガス及びＡｒガスの供給が停止される。排気装置２３により処理室２１内に残留したガスが排気され、その後に処理室２１内へのＯ_２ガスの供給が行われる。処理室２１内のガスがステップ１で用いた混合ガスからＯ_２ガスに置換されたら上部電極４、下部電極３１に夫々所定の高周波電力が印加されることによりＯ_２ガスがプラズマ化する。このプラズマ化によってＳｉＯＮ膜５４上に残留していたレジスト膜５５がアッシングされて除去される（図２（ｃ））。このアッシング工程におけるＯ_２ガスの流量は例えば３００ｓｃｃｍであり、また上部電極４の供給電力は例えば３００Ｗ、下部電極３１の供給電力は例えば１００Ｗである。

（ステップ３：前駆パターン５８の形成）
高周波電源４ａ，３１ａがオフにされプラズマの発生が停止されるとともに処理室２１内へのＯ２ガスの供給が停止される。処理室２１内に残留しているＯ_２ガスが排気され、その後で流量制御されたＣＦ₄ガス、ＣＨＦ₃ガス、及びＡｒガスが処理室２１内に供給される。処理室２１内のガスがこれらの処理ガスからなる混合ガスに置換されたら上部電極４、下部電極３１に夫々所定の高周波電圧が印加され、前記混合ガスがプラズマ化することで図３（ａ）に示すようにＳｉＯＮ膜５４をマスクとしてＳｉＮ膜５３のメインエッチングが行われ、ＳｉＮ膜５３に前駆パターン５８が形成される。この工程におけるエッチングは垂直形状の確保及びＳｉＯＮ膜５４へのダメージを抑えるために、ＳｉＯ_２膜５２に対するＳｉＮ膜５３の選択比（ＳｉＮ膜５３のエッチング速度／ＳｉＯ_２膜５２のエッチング速度）が例えば１〜３である条件下にて行われる。

またこのステップ３においては処理ガスの一部としてＣＦ系ガスであるＣＦ₄ガスを用いているため、ＣＦ₄ガスの活性種に起因してポリマー成分が前駆パターン５８の側壁に保護膜として付着されながらエッチングが進行する。このようにすることで前駆パターン５８の側壁を高い垂直性をもって形成し、最終的に形成されるパターン５９の形状を制御して垂直性の高い凹部を形成することを図っている。

このステップ３におけるメインエッチング工程はＳｉＯ_２膜５２がエッチングされることを防ぐため、図３（ａ）に示すように前駆パターン５８の底部がＳｉＮ膜５３に留まるように、即ちウエハＷの全面に亘ってＳｉＮ膜５３の下地膜であるＳｉＯ_２膜５２が露出する少し前の段階で停止するように行われる。
後述するステップ５で行われるオーバエッチングはこのステップ３よりＳｉＯ_２膜５２に対するＳｉＮ膜５３の選択比がかなり高い条件で行われるために、このステップ３に比べるとエッチング中におけるパターンの側壁保護作用が期待できず、またステップ５で行われるオーバエッチング時間が長くなるほどＳｉＯＮ膜５４が受けるダメージが大きくなる。この点を考慮すると、この前駆パターン５８はＳｉＮ膜５３のできるだけ深部まで形成されることが好ましく、エッチング速度の面内のばらつきを考慮すると、ＳｉＮ膜５３の厚さに対して例えば平均して８５％程度の深さまで形成されることが好ましい。

（ステップ４：ＳｉＯＮ膜５４の酸化）
高周波電源４ａ，３１ａがオフにされてプラズマの発生が停止されるとともに処理室２１内へのＣＦ_４ガス、ＣＨＦ_３ガス及びＡｒガスの供給が停止される。排気装置２３により処理室２１内に残留したガスが除去され、その後に処理室２１内へＯ_２ガスが供給される。処理室２１内のガスがＯ_２ガスに置換されたら上部電極４、下部電極３１に夫々所定の電力を印加してＯ_２ガスをプラズマ化させてＳｉＯＮ膜５４の酸化を行う。このステップ４の酸化工程において、Ｏ_２ガスの流量は例えば１２００ｓｃｃｍであり、また上部電極４の供給電力は例えば３００Ｗ〜１５００Ｗ、下部電極３１の供給電力は例えば５０Ｗ〜２００Ｗであるが、当該酸化工程はステップ３におけるアッシング工程とは異なる条件で行われる。
図３（ｂ）はこの酸化終了後のウエハＷを示したものであり、ＳｉＯＮ膜５４の表面はＯ_２ガスを用いたプラズマ処理によって酸化されている。５４ａはＳｉＯＮ膜５４を酸化した酸化層である。このステップ４はステップ５におけるオーバエッチングを行う際にＳｉＯＮ膜５４に対するＳｉＮ膜５３の選択性を向上させる、つまりこのオーバエッチング時におけるＳｉＯＮ膜５４の耐性を高めてＳｉＯＮ膜５４を保護するために行うが、ＳｉＯＮ膜５４の表面の例えば１〜数十原子層が酸化されればよく、この酸化処理が過剰に行われると前駆パターン５８の表面の酸化が進行して、ステップ５でエッチングが正常に行われにくくなる懸念がありパターン５９形成に支障をきたすおそれがある。

（ステップ５：パターン５９の形成）
高周波電源４ａ，３１ａがオフにされてプラズマの発生が停止される。また処理室２１内に残留しているガスが排気され、処理室２１内へ流量制御されたＯ_２ガス、ＣＨ₃Ｆガス、及びＡｒガスが供給される。処理室２１内のガスがこれらの処理ガスにより構成される混合ガスに置換されたら、上部電極４及び下部電極３１に夫々所定の電力を印加してこの混合ガスをプラズマ化させる。このようにしてステップ３におけるメインエッチング工程で残留しているＳｉＮ膜５３をエッチングして、露出したＳｉＯ₂膜５２を面内全体でＳｉＮ膜５３が確実に除去できるタイミングだけエッチング（オーバエッチング）することによりパターン５９を形成する（図３（ｃ））。

このステップ５においてはＳｉＯ_２膜５２のエッチングを抑えるため、前記ステップ３よりもＳｉＯ_２膜５２に対するＳｉＮ膜５３の選択比が高い条件下で反応を行う。具体的に例えばＯ_２ガスに対するＣＨ_３Ｆガスの割合が例えば４〜９となるように処理室２１に供給され、前記選択比が例えば２０以上となるような条件でエッチングが行われる。

以上のように第１の実施形態におけるエッチング方法においては、ＳｉＯＮ膜５４をハードマスクとしてＳｉＮ膜５３に対し下地のＳｉＯ_２膜５２が露出する少し前までメインエッチングを行って前駆パターン５８を形成し、次いでＳｉＯＮ膜５４の表面部を酸化した後、オーバエッチングを行ってＳｉＮ膜５３の残りの部位をエッチングしＳｉＯ_２膜５２を露出させるようにしている。オーバエッチング工程は、下地のＳｉＯ₂膜５２が極めて薄いことから、ＳｉＯ₂膜５２に対するＳｉＮ膜５３の選択比をかなり高くした状態で行われ、このためＳｉＮ膜５３の成分と類似するハードマスクであるＳｉＯＮ膜５４に対しても大きなエッチング作用が働くが、このＳｉＯＮ膜５４は酸化されていて保護膜が形成されており、またＳｉＮ膜５３の大部分は既にメインエッチングで除去されていてオーバエッチングの処理時間は短いことからオーバエッチングの際にＳｉＯＮ膜５４が受けるダメージが抑えられ、ピディングの発生が防止され、その結果として、ＳｉＮ膜５３の表面へのダメージを抑えられる。従ってレジスト膜５５が薄く形成された既述の積層体に対しても良好なパターン５９を形成することができる。

なお本発明ではＳｉＮ膜をエッチングする際のハードマスクとして酸化シリコンを主成分とする膜例えばＳｉＯＮ膜を使用しているが、ＳｉＯＮに限られず他の材質例えばＳｉＯＣあるいはＳｉＣＯＨをハードマスクとして使用することができる。

〔本発明のエッチング方法の第２の実施の形態〕
以下に本発明における他の実施形態について図４及び図５を参照しながら説明する。先ず図４（ａ）で示すような先の実施形態と同様の積層構造を有するウエハＷを処理室２１内に搬入し、当該処理室２１内にＣＨＦ_３、ＣＦ_４及びＡｒからなる混合ガスを供給して、図４（ｂ）に示すようにレジスト膜５５をマスクとしてＳｉＯＮ膜５４のエッチング及びＳｉＮ膜５３のメインエッチングを行い、マスクパターン５７、前駆パターン５８を形成する。メインエッチングは先に説明した実施形態のステップ３と同様にＳｉＯ_２膜５２が露出される少し前の段階で停止するようにし、従って前駆パターン５８の底部はＳｉＮ膜５３に留まっている。

続けて第１の実施形態のステップ２と同様に残留しているレジスト膜５５のアッシング除去を行い（図４（ｃ））、さらに前記ステップ４と同様にＳｉＯＮ膜５４の表面を酸化し酸化層５４ａを形成した後（図５（ａ））、前記ステップ５と同様に前駆パターン５８における残りのＳｉＮ膜５３をＳｉＯ_２膜５２に達するまでオーバエッチングすることでパターン５９を形成する（図５（ｂ））。

この実施形態においてもオーバエッチングの前にハードマスクであるＳｉＯＮ膜５４の表面部を酸化しているのでＳｉＯＮ膜５４がオーバエッチング時に受けるダメージが抑えられ、ＳｉＯＮ膜５４におけるピティングの発生を防ぐことができるため先の実施形態と同様の効果が得られる。
なお、さらに他の実施形態として第１の実施形態におけるステップ４とステップ３とを入れ替えるようにしてもよい。即ち図２（ｃ）のようにＳｉＯＮ膜５４上のレジスト膜５５をアッシングで除去した後、当該ＳｉＯＮ膜５４の表面部を既述のように酸化し、その後メインエッチングを行うようにしてもよい。

（実施例１）
実施例１では既述の実施形態で説明した積層構造を有するウエハＷに対して、既述のエッチング装置２を用いて最初の実施形態で説明したステップに従い、前記ウエハＷにパターン５９の形成を行った。この実施例１の各ステップにおける条件は以下のように設定した。

（ステップ１：ＳｉＯＮ膜５４のエッチング工程）
混合ガスの圧力：２０〜５０ｍＴｏｒｒ（２．６７〜６．６７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００〜６００Ｗ／０〜４００Ｗ （但しＵは上部電源、Ｌは下部電極を示す。）
混合ガスの流量比：ＣＨＦ₃／ＣＦ₄／Ａｒ＝０〜２００／２００〜４００／６００ｓｃｃｍ
（ステップ２：レジスト膜５５のアッシング工程）
Ｏ_２ガスの圧力：２００ｍＴｏｒｒ（２６．７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００Ｗ／１００Ｗ
Ｏ_２ガスの流量：３００ｓｃｃｍ
（ステップ３：前駆パターン５８の形成工程）
混合ガスの圧力：２０〜５０ｍＴｏｒｒ（２．６７〜６．６７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００〜６００Ｗ／０〜４００Ｗ
混合ガスの流量比：ＣＨＦ_３／ＣＦ_４／Ａｒ＝０〜２００／２００〜４００／６００ｓｃｃｍ
（ステップ４：ＳｉＯＮ膜５４の酸化工程）
Ｏ_２ガスの圧力：２００ｍＴｏｒｒ（２６．７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００〜１５００Ｗ／５０〜２００Ｗ
Ｏ_２ガスの流量：１２００ｓｃｃｍ
（ステップ５：パターン５９の形成工程）
混合ガスの圧力：１２０ｍＴｏｒｒ（１６．０Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：５００Ｗ／１００〜３００Ｗ
ＣＨ_３Ｆ／Ｏ_２／Ａｒ＝３／１３／９０ｓｃｃｍ

（実施例２）
実施例２では第２の実施形態で説明した手順に従い、実施例１で用いたウエハＷと同じ構成のウエハＷに対して前記エッチング装置２を用いてパターン５９を形成した。この実施例２において最初に行われるレジスト膜５５をマスクとしてＳｉＯＮ膜５４及びＳｉＮ膜５３をエッチングする工程は以下の条件にて行った。
混合ガスの圧力：２０〜５０ｍＴｏｒｒ（２．６７〜６．６７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００〜６００Ｗ／０〜４００Ｗ
ＣＨＦ_３／ＣＦ_４／Ａｒ＝０〜２００／２００〜４００／６００ｓｃｃｍ
この工程に続けて行われるレジスト膜５５をアッシングする工程及びＳｉＯＮ膜５４を酸化する工程、ＳｉＮ膜５３をオーバエッチングする工程は夫々実施例１と同様の反応条件で、つまり実施例１における前記ステップ２、ステップ４、ステップ５に夫々記載の反応条件で順次処理を行った。

（比較例）
比較例においては各実施例で用いたウエハと同様の構成のウエハＷに対して、前記エッチング装置２を用いて、図６に示すようにしてエッチングを行った。即ち第１の実施形態に係る図２に示すと同様にしてＳｉＯＮ膜５４をエッチングし、次いでレジスト膜５５をアッシングする（図６（ａ））。その後ＳｉＯＮ膜５４を図３（ｂ）に示す工程と同様にして酸化し（図６（ｂ））、しかる後、ＳｉＮ膜５３に対してオーバエッチングの条件でいわば高選択比エッチングを行って、ＳｉＮ膜５３を除去してパターン５９を形成する（図６（ｃ））。この比較例の各ステップの反応条件は実施例１に記載した各ステップの条件と同じとした。

図７及び図８に各実施例及び比較例により形成されたパターン５９を模式的に示した。この模式図は処理されたウエハＷの表面を走査電子顕微鏡により観察した結果に基づいて描いている。図７（ａ）は実施例１に対応し、形成されたパターン５９の側壁は略垂直に形成されていた。図７（ｂ）は実施例２に対応し、形成されたパターン５９の底部に飛散したレジストの残渣６１がわずかに観察されたものの、この残渣６１は特に問題となる量ではなかった。またこの実施例２においては実施例１と同様にパターン５９の側壁は略垂直に形成されていた。図６（ｃ）は比較例に対応しパターン５９はテーパ形状となっており、またパターン５９の底部には剣山のような大きな残渣６２が発生していた。テーパ形状となったのは前駆パターン５８を形成せずにＳｉＯ_２膜５２に対して高選択比が得られる条件下でパターン５９を形成したため、各実施例に比べるとこの比較例においてはポリマーの付着による、凹部の側壁保護作用が弱かったことが原因であると考えられる。また残渣６２が現れたのもＳｉＯＮ膜５４を酸化する際にＳｉＯＮ膜５４とともに露出していたＳｉＮ膜５３の表面部分が酸化され、ＳｉＯ_２膜５２に対して高選択条件下でのエッチングでは、その酸化された部分が薄いマスクとなってＳｉＮ膜５３のエッチングが阻害されて残渣となったものと考えられる。従って各実施例及び比較例から、本発明のエッチング方法を適用することで側壁が略垂直であり、残渣の発生が抑えられた良好な形状を有するパターン５９が得られることが示された。

また図８においては上段に各実施例及び比較例におけるパターンの側面図を、下段にこれらのパターンの上面図を夫々示した。実施例１及び実施例２においてはＳｉＯＮ膜５４にピティングは見られなかったが、比較例においてはピティングが発生しており、図に示すようなＳｉＯＮ膜５４を貫き底部がＳｉＮ膜５３に達する孔７１が穿孔されていた。これは比較例においては前駆パターン５８を形成していないため、ＳｉＮ膜５３に対して高選択条件下で行うエッチング時間が各実施例よりも長くなり、ＳｉＯＮ膜５４が受けるダメージが大きくなったことが原因であると考えられる。従って各実施例及び比較例からＳｉＯＮ膜５４に与えるダメージを抑えピティングの発生を防止するために本発明のエッチング方法は有効であることが示された。

続いてパターン５９の形成過程におけるＳｉＯＮ膜５４を酸化する工程について、上部電極４、下部電極３１に与える電力を夫々変化させることでＳｉＯＮ膜５４の酸化を行い、これらの各電力と形成されたパターンの形状との関連を検証する試験を行った。この検証試験におけるパターン５９の形成の手順としては先に述べた実施形態１と略同様のステップを踏まえて行ったがＳｉＯＮ膜５４をエッチングしてマスクパターン５７を形成する工程は２回に分けて行った。具体的に述べると最初にＳｉＮ膜５３に対して選択性の低い条件下でレジスト膜５５をマスクとしてエッチングを行い、続けてＳｉＮ膜５３に対して選択性の高い条件下でレジスト膜５５をマスクとしてオーバエッチングを行った。それ以降は先に述べた実施形態と同様のステップ２〜５を経て反応を進行させ、ステップ５が終了した後にエッチングで付着した微量のポリマーを除去するために再度アッシングを行った。

ＳｉＯＮ膜５４を高選択条件でエッチングするためにエッチング装置としては既述のエッチング装置２と略同様の構成を持つエッチング装置を用いたが、当該エッチング装置は処理ガス供給源としてエッチング装置２に備えられていたガス供給源４５Ａ〜４５Ｅの他にＣＦ系ガスであるＣ_４Ｆ_８（オクタフルオロシクロブタン）ガス供給源を備えており、他の処理ガスと同様に流量制御部及びバルブを介して、所定の流量のＣ_４Ｆ_８ガスが処理室２１内に供給されるように構成されている。

以下に各工程における反応条件を示す。
第１段階（ＳｉＯＮ膜５４を、ＳｉＮ膜５３に対して選択性の低い条件下でエッチングを行う段階）
混合ガスの圧力：２０〜５０ｍＴｏｒｒ（２．６７〜６．６７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００〜６００Ｗ／０〜４００Ｗ
混合ガスの流量比：ＣＨＦ_３／ＣＦ_４／Ａｒ＝０〜２００／２００〜４００／６００ｓｃｃｍ

第２段階（ＳｉＯＮ膜５４を、ＳｉＮ膜５３に対して選択性の高い条件下でオーバエッチングを行う段階）
混合ガスの圧力：５０〜１００ｍＴｏｒｒ（６．６７〜１３．３Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：１００Ｗ／５００Ｗ
混合ガスの流量比：Ｃ_４Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２＝０〜５０／８００／０〜５０ｓｃｃｍ

第３段階（最初の実施形態のステップ２に相当）
Ｏ_２ガスの圧力：２００ｍＴｏｒｒ（２６．７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００Ｗ／１００Ｗ
酸素ガスの流量：３００ｓｃｃｍ

第４段階（最初の実施形態のステップ３に相当）
混合ガスの圧力：２０〜５０ｍＴｏｒｒ（２．６７〜６．６７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００〜６００Ｗ／０〜４００Ｗ
混合ガスの流量比：ＣＨＦ_３／ＣＦ_４／Ａｒ＝０〜２００／２００〜４００／６００ｓｃｃｍ

第５段階（最初の実施形態のステップ４に相当）
Ｏ_２ガスの圧力：２００ｍＴｏｒｒ（２６．７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００〜１５００Ｗ／５０〜２００Ｗ
Ｏ_２ガスの流量：１２００ｓｃｃｍ

第６段階（最初の実施形態のステップ５に相当）
混合ガスの圧力：１２０ｍＴｏｒｒ（１６．０Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：５００Ｗ／１００〜３００Ｗ
ＣＨ_３Ｆ／Ｏ_２／Ａｒ＝３／１３／９０ｓｃｃｍ

第７段階（エッチングで付着した微量のポリマーを除去する工程）
Ｏ_２ガスの圧力：２００ｍＴｏｒｒ（２６．７Ｐａ）
高周波電源の電力（Ｕ／Ｌ）：３００Ｗ／１００Ｗ
Ｏ_２＝１２００ｓｃｃｍ

以上の工程を経て形成された結果を図９に示す。図９中の左の表の縦軸は前記第５段階において上部電源４に加えた電力、横軸は下部電源３１に加えた電力を夫々示しており表中の数字は図中右で示すθ、つまり形成されたパターン５９の側壁の水平面に対する角度を示している。この図から上部電極４に加える電力に対して下部電極３１に加える電力を小さくして前駆パターン５８へのＯ_２プラズマの引き込みを小さくするとθが９０°に近い、良好なパターン形状が得られることが明らかになった。

本発明のエッチング方法で使用するエッチング装置の一例を示す縦断側面図である。 本発明の第１の実施形態における工程の一例を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態における工程の一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態における工程の他の一例を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態における工程の他の一例を示す説明図である。 比較例における工程を示す説明図である。 実施例及び比較例において形成されたパターンの状態を示す説明図である。 実施例及び比較例において形成されたパターンの状態を示す説明図である。 前記エッチング装置における電極に与える電力とパターンの形状とを検証した試験結果を示した表である。 従来のエッチング方法により形成されたパターンの縦断側面図である。

符号の説明

２１ 処理室
３ 載置台
３１ 下部電極
４ 上部電極
５２ ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜
５３ ＳｉＮ（窒化シリコン）膜
５４ ＳｉＯＮ（窒素含有酸化シリコン）膜
５５ レジスト膜
５８ 前駆パターン
５９ パターン

Claims (12)

1. 酸化シリコン膜を下地とした窒化シリコン膜が、窒素含有酸化シリコンから成るハードマスクに覆われ、前記ハードマスク上に、パターンが形成されたレジスト膜が成膜された積層体について、窒化シリコン膜をエッチングするエッチング方法において、
   レジスト膜をマスクとしてハードマスクをエッチングし、ハードマスクにマスクパターンを形成する工程と、
   レジスト膜をアッシングする工程と、
   ハードマスクの表面部を前記アッシングとは異なる条件で酸化する酸化工程と、
   窒化シリコン膜のパターンの底部に露出する下地の酸化シリコン膜のエッチングが十分抑えられる程度の、酸化シリコン膜に対する窒化シリコン膜の高い選択比で、窒化シリコン膜をオーバエッチングするオーバエッチング工程と、
   前記ハードマスクにマスクパターンを形成する工程の後、前記オーバエッチング工程の前に行われ、窒化シリコン膜をオーバエッチングする時の前記選択比よりも小さい選択比で、当該窒化シリコン膜をエッチングするメインエッチング工程と、
   下地の酸化シリコン膜が露出する前に前記窒化シリコン膜のエッチングを停止する工程と、
   を含み、
   前記オーバエッチング工程は、アッシング工程及び酸化工程の後に行われ、
   前記酸化工程は、前記オーバエッチング工程に支障をきたさず、且つオーバエッチング時におけるハードマスクの耐性を高める程度の厚さを酸化する工程であることを特徴とするエッチング方法。
2. 前記メインエッチング工程は、レジスト膜をアッシングする工程の後、前記酸化工程の前に行われることを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
3. 前記メインエッチング工程は、ハードマスクにマスクパターンを形成する工程の後、レジスト膜をアッシングする工程の前に行われることを特徴とする請求項１記載のエッチング方法。
4. 前記酸化工程は、酸素ガスをプラズマ化したプラズマにより行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載のエッチング方法。
5. 前記酸化工程は、基板に酸素ガスを供給する工程と、
   その上方に基板が載置される下部電極に５０Ｗ〜２００Ｗの電力を供給すると共に、前記基板を挟んで当該下部電極と対向する上部電極に３００Ｗ〜１５００Ｗの電力を供給する工程と、
   各電極に供給された電力により酸素ガスをプラズマ化する工程と、
   を含むことを特徴とする請求項４記載のエッチング方法。
6. 前記オーバエッチング工程は、炭素、フッ素及び水素を含むガスと、酸素ガスとを含んだ混合ガスをプラズマ化したプラズマにより行われることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一つに記載のエッチング方法。
7. 前記ハードマスクの厚さが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一つに記載のエッチング方法。
8. 前記酸化シリコン膜の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一つに記載のエッチング方法。
9. 窒化シリコン膜の厚さが５０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか一つに記載のエッチング方法。
10. 基板が載置される載置台を備えた気密な処理容器と、処理容器内に処理ガスを供給する手段と、処理容器内の圧力を調整する手段と、処理容器内のガスをプラズマ化する手段とを備え、処理ガスをプラズマ化したプラズマにより基板に対してエッチングを行う装置において、
    請求項１ないし９のいずれかのエッチング方法を実施するように、各手段を制御する制御部を設けたことを特徴とするエッチング装置。
11. 処理容器内に処理ガスを導入して、基板に対してエッチングを行う装置に用いられ、コンピュータ上で動作するコンピュータプログラムであって、
    請求項１ないし１０のいずれかのエッチング方法を実施するようにステップが組まれていることを特徴とするコンピュータプログラム。
12. 請求項１１記載のコンピュータプログラムが記憶されていることを特徴とするコンピュータ記憶媒体。

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