JP5213496B2 - プラズマエッチング方法及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、被処理基板にプラズマを用いてドライエッチング加工を施すプラズマエッチング方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関する。

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスで用いられているエッチングは、リソグラフィ技術により形成したレジストパターンをマスクとして、被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）の表面の膜を所望の回路パターンに加工する。従来より、枚葉式のエッチングには、容量結合型のプラズマエッチング装置が多用されている。

一般に、容量結合型のプラズマエッチング装置は、真空チャンバとして構成される処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板を載置し、両電極間に高周波を印加する。そうすると、両電極の間で高周波電界によって加速された電子、電極から放出された電子、あるいは加熱された電子が処理ガスの分子と電離衝突を起こして、処理ガスのプラズマが発生し、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板表面に所望の微細加工たとえばエッチング加工が施される。

プラズマエッチングに要求されるエッチング加工の形状・寸法精度は、半導体素子の微細化に合わせてますます厳しくなっている。従来より、エッチングプロセスの中でエッチングと同時にパターンおよびレジストの側壁に堆積または形成される膜（デポジション）がいわゆる側壁保護膜としてエッチング断面形状の制御に利用されている。デポジションのレートを高くすると、パターン側壁が中性の反応活性種やイオン衝撃から保護され、アンダーカットやボーイング形状が生じ難くなる。もっとも、デポジションレートが大きすぎると、エッチングレートが低下して、行き過ぎたテーパ形状やエッチング反応停止の原因となり、またエッチング時間が長引くとレジストの後退または膜減りが大きくなって結果的に寸法精度が低下する。

したがって、不所望なボーイング形状またはテーパ形状の発生を防止して、異方性加工の精度を向上させるには、エッチング優位のプロセスとデポジション優位のプロセスとを巧みに調和させることが必要である。そのために、従来は、１回の連続したエッチングプロセスをエッチングガスのケミストリーに応じて複数のステップに分割し、エッチングを促進するエッチャントガスをチャンバ内に供給するエッチング優位のステップと、デポジションを促進するエッチャントガスをチャンバ内に供給するデポジション優位のステップとを時系列的に組み合わせるマルチステップの手法を採っている。
特表平７−５０３８１５

しかしながら、上記のようなエッチングガスを複数のステップで切り替える従来のマルチステップ法は、複数のガス供給源を必要とするためエッチング装置が大掛かりになるうえ、エッチング促進プロセスとデポジション促進プロセスとの間の遷移がステップ的で不連続に行われるため、パターン側壁に段差が生じやすく、エッチング形状を任意かつ精細に制御するのが難しかった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、容量結合型のプラズマエッチング装置を用いてエッチング形状を任意かつ精密に制御できるようにしたプラズマエッチング方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるプラズマエッチング方法は、真空可能な処理容器内で第１の電極と第２の電極とを所定の間隔を空けて平行に配置し、前記第１の電極に対向させて被処理基板を第２の電極で支持し、前記処理容器内を所定の圧力に真空排気し、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望のエッチングガスを供給し、前記第１の電極または第２の電極に第１の高周波を印加して前記処理空間で前記エッチングガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板の表面の被加工膜をエッチングするプラズマエッチング方法であって、エッチング処理中に前記処理容器内で前記基板から離れた場所で前記プラズマ中の反応種と反応してエッチングされる所定の部材に直流電圧を印加し、少なくとも前記エッチングガスに係るプロセスパラメータを一定に保つ１ステップのエッチングプロセスにおいて、前記被加工膜に対して所望のエッチング特性が得られるように予め設定された時間−電圧の関数にしたがって前記直流電圧を時間軸上で連続的に可変する。

エッチングプロセス中に、処理容器内では、基板表面の被加工膜がエッチングされる一方で、直流印加部材の表面も同一のプラズマでエッチングされ、双方でプラズマ中の反応種が消費される。本発明においては、直流印加部材に印加される直流電圧を予め設定された時間−電圧の関数にしたがって時間軸上で時々刻々と連続的に可変することにより、直流印加部材表面における反応種の消費量を時々刻々と連続的に可変し、その反射として被加工膜に対するエッチング特性（たとえばエッチングレート）を時々刻々と連続的に可変する。これにより、１ステップのエッチングプロセスを通じて、エッチングガスの種類・流量を一定に保ったまま、エッチングを促進するプロセスとデポジションを促進するプロセスとの強弱関係を連続的またはアナログ的に、かつ高速に可変制御することが可能であり、ひいてはエッチング形状を任意かつ精細に制御することができる。

直流印加部材に印加する直流電圧を負極性の値で可変する場合は、その絶対値を大きくするほど、イオンアシスト効果が働いて直流印加部材表面のエッチング反応（つまり反応種の消費）が促進される。したがって、本発明の好ましい一態様においては、直流電圧を負極性の値で可変し、エッチングプロセスにおいて、被加工膜に対するエッチングを増速する時は直流電圧の絶対値を小さくし、被加工膜に対するエッチングを減速する時は直流電圧の絶対値を大きくする。あるいは、直流電圧を負極性の値で可変し、エッチングプロセスにおいて、被加工膜へのデポジションを増速する時は直流電圧の絶対値を大きくし、被加工膜へのデポジションを減速する時は直流電圧の絶対値を小さくする。

本発明の第２の観点におけるプラズマエッチング方法は、真空可能な処理容器内で第１の電極と第２の電極とを所定の間隔を空けて平行に配置し、前記第１の電極に対向させて被処理基板を第２の電極で支持し、前記処理容器内を所定の圧力に真空排気し、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望のエッチングガスを供給し、前記第１の電極または第２の電極に第１の高周波を印加して前記処理空間で前記エッチングガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板表面の被加工膜をエッチングするプラズマエッチング方法であって、エッチング処理中に前記処理容器内で前記基板から離れた場所で前記プラズマ中の反応種と反応してエッチングされる所定の部材に直流電圧を印加し、少なくとも前記エッチングガスに係るプロセスパラメータを一定に保つ１ステップのエッチングプロセスにおいて、前記被加工膜で所望のエッチング特性が得られるように予め設定された時間−デューティの関数にしたがって前記直流電圧を時間軸上で一定サイクル毎に第１の電圧値と第２の電圧値との間で切り替える。

本発明においては、上記第２の観点における方法のように直流電圧印加部材に印加する直流電圧を予め設定された時間−デューティの関数にしたがって時間軸上で一定サイクル毎に第１の電圧値と第２の電圧値との間で切り替える方式によっても、１ステップのエッチングプロセスを通じて、エッチングガスの種類・流量を一定に保ったまま、エッチングを促進するプロセスとデポジションを促進するプロセスとの強弱関係を実質的に連続的に、かつ高速に可変制御することが可能であり、ひいてはエッチング形状を任意かつ精細に制御することができる。加えて、この方式は、定電圧の直流電源を使用可能とする利点もある。

直流印加部材に印加する直流電圧を負極性の値で可変する場合は、その絶対値が大きいほど、デューティが大きいほど、イオンアシスト効果が働いて直流印加部材表面のエッチング反応（つまり反応種の消費）が促進される。したがって、本発明の好ましい一態様においては、第１および第２の電圧値が負極性の値をとり、第１の電圧値の絶対値が第２の電圧値の絶対値よりも大きく、エッチングプロセスにおいて、被加工膜に対するエッチングを増速する時は直流電圧が第１の電圧値を有している期間のデューティを小さくし、被加工膜に対するエッチングを減速する時は直流電圧が第１の電圧値を有している期間のデューティを大きくする。あるいは、エッチングプロセスにおいて、被加工膜へのデポジションを増速する時は、直流電圧が第１の電圧値を有している期間のデューティを大きくし、被加工膜へのデポジションを減速する時は、直流電圧が第１の電圧値を有している期間のデューティを小さくする。

本発明において、直流電圧印加部材は、好適には、基板と対向する１の電極であり、あるいは第２の電極上で基板の周囲に環状に配置されるフォーカスリングであってもよい。

本発明の好適な一態様においては、直流電圧印加部材がシリコンを含有し、エッチングガスがフロロカーボンガスを含む。もっとも、本発明は、フロロカーボンガス以外のエッチャントガスを使用するアプリケーションにも適用可能であり、その場合は直流電圧印加部材を当該エッチャントガスの反応種によってエッチングされるような材質で構成すればよい。

本発明は、特に異方性エッチング加工に好適に適用可能である。その場合、好ましくは、基板にプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波を第２の電極に印加してよい。

また、本発明におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、本発明のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御する。

本発明のプラズマエッチング方法またはコンピュータ読み取り可能な記憶媒体によれば、上記のような構成および作用により、容量結合型のプラズマエッチング装置を用いてエッチング形状を任意かつ精密に制御することができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明のプラズマエッチング方法で使用するプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、下部２周波印加方式を採るカソードカップルの容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円板状のサセプタ１２が下部電極として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。この筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部（内壁部）１６とチャンバ１０の側壁との間に環状の排気路１８が形成されており、この排気路１８の入口にリング状のバッフル板（排気リング）２０が取り付けられ、排気路１８の底に排気口２２が設けられている。排気口２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６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内の処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。

サセプタ１２には、第１および第２の高周波電源３０，３２がマッチングユニット３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。ここで、第１高周波電源３０は、主としてプラズマの生成に寄与する周波数（通常４０ＭＨｚ以上）の第１高周波を出力する。第２高周波電源３２は、主としてサセプタ１２上の半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに寄与する周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の第２高周波を出力する。マッチングユニット３４には、第１高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための第１整合器と、第２高周波電源３２側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための第２整合器とが収容されている。

サセプタ１２は半導体ウエハＷよりも一回り大きな直径または口径を有している。サセプタ１２の上には、処理対象の半導体ウエハＷが載置され、その半導体ウエハＷを囲むようにフォーカスリング（補正リング）３８が設けられる。

サセプタ１２の上面にはウエハ吸着用の静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は、膜状または板状の誘電体の中にシート状またはメッシュ状の導電体を挟んでいる。該導電体にはチャンバ１０の外に配置される直流電源４２がスイッチ４４および給電線４６を介して電気的に接続されている。直流電源４２より印加される直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷを静電チャック４０上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室４８が設けられている。この冷媒室４８には、チラーユニット（図示せず）より配管５０，５２を介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック４０上の半導体ウエハＷの温度を制御できる。さらに、ウエハ温度の精度を一層高めるために、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５４およびサセプタ１２内部のガス通路５６を介して静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間に供給される。

チャンバ１０の天井には、サセプタ１２と平行に向かい合って上部電極を兼ねるシャワーヘッド６０が設けられている。このシャワーヘッド６０は、サセプタ１２と向かい合う電極板６２と、この電極板６２をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体６４を有し、電極支持体６４の内部にガス拡散室６６を設け、このガス拡散室６６からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔６８を電極支持体６４および電極板６２に形成している。電極板６２とサセプタ１２との間の空間がプラズマ生成空間または処理空間ＰＳとなる。ガス拡散室６６の上部に設けられるガス導入口６６ａには、処理ガス供給部７０からのガス供給管７２が接続されている。

上部電極６０において、処理時にプラズマに曝される電極板６２の材質は重要である。本発明では、プラズマ中の反応種と反応してエッチングされる材質が望ましく、たとえばＣＦ系のガスつまりフロロカーボンガスをエッチングガスに用いる場合は、電極板６２の材質をＳiあるいはＳiＣ等のＳi含有導電材とするのが好ましい。電極支持体６４はたとえばアルマイト処理されたアルミニウムで構成されてよい。シャワーヘッド（上部電極）６０とチャンバ１０との間にはリング状の絶縁体６５が挿入され、シャワーヘッド（上部電極）６０は電気的にフローティング状態でチャンバ１０に取り付けられている。

チャンバ１０の外に設置される可変直流電源７４の出力端子は、オン・オフ切替スイッチ７６および直流給電ライン７８を介して上部電極６０に電気的に接続されている。可変直流電源７４は、制御部８０の制御の下でたとえば−２０００〜＋１０００Ｖの値をとる可変の直流電圧Ｖ_DCを出力できるように構成されている。

直流給電ライン７８の途中に設けられるフィルタ回路８２は、可変直流電源７４からの直流電圧Ｖ_DCをスルーで上部電極６０に印加する一方で、サセプタ１２から処理空間ＰＳおよび上部電極６０を通って直流給電ライン７８に入ってきた高周波を接地ラインへ流して可変直流電源７４側へは流さないように構成されている。

また、チャンバ１０内で処理空間ＰＳに面する適当な箇所としてたとえばバッフル板２０の上面あるいは支持部材１６の頂部付近あるいは上部電極６０の半径方向外側に、たとえばＳｉ，ＳｉＣ等の導電性部材からなるリング状のＤＣグランドパーツ（直流接地電極）８４が取り付けられている。このＤＣグランドパーツ８４は、接地ライン８６を介して常時接地されている。プラズマエッチング中に可変直流電源７４より上部電極６０に直流電圧Ｖ_DCを印加すると、プラズマを介して上部電極６０とＤＣグランドパーツ８４との間で直流の電子電流が流れるようになっている。

制御部８０は、マイクロコンピュータを含み、外部メモリまたは内部メモリに格納されるソフトウェア（プログラム）およびレシピ情報にしたがって、装置内の各部、特に排気装置２６、高周波電源３０，３２、マッチングユニット３４、静電チャック用スイッチ４４、処理ガス供給部７０、可変直流電源７４、ＤＣ印加用スイッチ８２等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）を制御する。

このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ２８を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック４０の上に載置する。そして、処理ガス供給部７０よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値に調節する。さらに、第１および第２高周波電源３０、３２をオンにして第１高周波（４０ＭＨｚ以上）および第２高周波（１３．５６ＭＨｚ以下）をそれぞれ所定のパワーで出力させ、これらの高周波をマッチングユニット３４および給電棒３６を介してサセプタ１２に印加する。また、スイッチ４４をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を閉じ込める。シャワーヘッド６０より吐出されたエッチングガスは両電極１２，６０間で高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷ表面の被加工膜が所望のパターンにエッチングされる。

この容量結合型プラズマエッチング装置は、サセプタ１２に４０ＭＨｚ以上というプラズマ生成に適した比較的高い周波数の第１高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。それと同時に、サセプタ１２に１３．５６ＭＨｚ以下というイオン引き込みに適した比較的低い周波数の第２高周波を印加することにより、半導体ウエハＷの被加工膜に対して選択性の高い異方性のエッチングを施すことができる。もっとも、プラズマ生成用の第１高周波は如何なるプラズマプロセスでも必ず使用されるが、イオン引き込み用の第２高周波はプロセスによっては使用されないことがある。

この容量結合型プラズマエッチング装置は、下部２周波印加方式において、可変直流電源７４より可変の直流電圧Ｖ_DCを上部電極６０に印加する構成および機能を有している。プラズマエッチング中に直流電圧Ｖ_DCが上部電極６０に印加されると、直流電圧Ｖ_DCの極性および絶対値と、ガスの種類・流量と、プラズマの状態およびチャンバないし電極の構造・材質等との相互作用により半導体ウエハＷ上のエッチング特性が一定の影響を受ける。

図２に、この実施形態のプラズマエッチング装置を使用して行ったブランケットＳiＯＣ膜のエッチングにおいて、上部電極６０に印加する直流電圧Ｖ_DCを０Ｖ、−４５０Ｖ、−９００Ｖの３通りに選び、かつ各直流電圧値の下でエッチングガス（混合ガス）に含まれるフロロカーボンガスの流量Ｍ(sccm)を６通りに選んだ場合のウエハ上のエッチング量分布特性を示す。主なエッチング条件は下記のとおりである。
ウエハ口径： ３００ｍｍ
エッチングガス： Ｃ₄Ｆ₈／Ａｒ／Ｎ₂＝Ｍ／１０００／１５０sccm
チャンバ内の圧力： ５０mTorr
高周波電力： ４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝１５００／０Ｗ
温度： 上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝６０／６０／２０℃
エッチング時間： ３０秒

図２において、Ｖ_DC＝０Ｖでは、Ｃ₄Ｆ₈流量Ｍ＝１７sccm辺りでＳiＯＣのエッチングレート（Ｅ／Ｒ）が極大になり、Ｍ＝２０sccmになるとＥ／Ｒは極大値から幾らか低くなる。これに対して、Ｖ_DC＝−４５０Ｖでは、Ｃ₄Ｆ₈流量Ｍ＝１１sccm辺りでＥ／Ｒが極大になり、Ｍ＝１４sccmでＥ／Ｒは極大値から相当低くなる。Ｖ_DC＝−９００Ｖでは、やはりＣ₄Ｆ₈流量Ｍ＝１１sccm辺りでＥ／Ｒが極大になり、Ｍ＝１４sccmでＥ／Ｒは極大値から一層顕著に低くなる。

図２のデータを基に、Ｖ_DC＝０Ｖ、−４５０Ｖ、−９００Ｖの各場合についてＣ₄Ｆ₈流量とＳiＯＣのＥ／Ｒ（平均値）との関係をグラフにすると、図３のようになる。図３のグラフから、Ｃ₄Ｆ₈流量＝１４sccm〜１８sccmの領域では、Ｅ／ＲはＶ_DC＝０Ｖで３５０〜３６０nm／min、Ｖ_DC＝−４５０Ｖで２００〜２４０nm／min、Ｖ_DC＝−９００Ｖで１３０〜１５０nm／minであり、Ｖ_DCの値によってＳiＯＣのＥ／Ｒが大きく異なることがわかる。別の見方をすると、この流量領域ではＶ_DCをパラメータとすることで、ＳiＯＣのＥ／Ｒを大きな変化率でダイナミックに可変できることがわかる。

因みに、ブランケットＳiＯ₂膜のエッチングにおいて、上部電極６０に直流電圧Ｖ_DCを印加しないでこの実施形態のプラズマエッチング装置を使用し、エッチングガスに含まれるフロロカーボンガスＣ_xＦ_yの種類を1,3-Ｃ₄Ｆ₆、c-Ｃ₅Ｆ₈、c-Ｃ₄Ｆ₈、1,3-Ｃ₅Ｆ₈の４通りに選んだ場合のＣ_xＦ_y流量とＳiＯ₂のエッチングレート（Ｅ／Ｒ）との関係を図４にグラフで示す。

図４のグラフから、Ｃ_xＦ_y流量＝３０sccm付近では、フロロカーボンガスＣ_xＦ_yの種類によってＥ／Ｒが大幅に違ってくることがわかる。つまり、フロロカーボンガスＣ_xＦ_yとしてエッチング性の強いＣ₄Ｆ₈を用いるかデポジション性の強いＣ₅Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₆を用いるかの違いによって、Ｅ／Ｒが数倍違ってくることがわかる。従来のマルチステップ法は、まさに、この性質を利用して、エッチング性の強いＣ₄Ｆ₈を使用するステップと、デポジション性の強いＣ₅Ｆ₈，Ｃ₄Ｆ₆を使用するステップとを時系列的に組み合わせている。

ここで注目すべき点は、図３のグラフが図４のグラフと非常によく似ていることである。すなわち、Ｅ／Ｒを可変するために、マルチステップ法がガスを切り替える手法を採るのに対して、本発明は上部電極６０に印加する直流電圧Ｖ_DCの値を可変する手法を採ることの対照性と等価性をこれらのグラフから読み取ることができる。

もっとも、等価性はプロセス上の作用的なものに止まり、プロセス上の効果は対照的である。すなわち、マルチステップ法はエッチング促進プロセスとデポジション促進プロセスとの間の調整がステップ的であり、また切替時にガスの置換に相当の時間を要するのに対して、本発明は直流電圧Ｖ_DCの値を連続的に変えることによってエッチング促進プロセスとデポジション促進プロセスとの強弱関係を連続的またはアナログ的に任意のバランスで、かつ高速に可変制御することができる。

この実施形態のプラズマエッチング装置においては、エッチングガスの高周波放電により、フロロカーボンガスＣ_xＦ_yが解離してＦ原子やＣＦ₃等の反応種が生成される。これらの反応種は半導体ウエハＷ表面の被加工膜と反応し、揮発性の生成物（たとえばＳiＦ₄）を作ると同時に、デポジションとなる重合膜（たとえば（ＣＦ₂）_n）も作る。上部電極６０の電極板６２がＳｉ含有導電材の場合は、半導体ウエハＷ表面だけでなく電極板６２表面でも同様の反応が起こり、双方で反応種が消費される。ここで、上部電極６０に負極性（≦０Ｖ）の直流電圧Ｖ_DCが印加されると、イオンアシスト効果が働いて電極板６２表面のエッチング反応（つまり反応種の消費）が促進され、ＣリッチなＣＦｘが多量に発生し、半導体ウエハＷ表面ではエッチングレートが低下してデボジションが強まる。負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を大きくするほど、電極板６２表面におけるイオンアシスト効果が大きくなり、上記の作用に基づく半導体ウエハＷ表面におけるエッチングレートの減速とデボジションの増速が強まる。

また、プラズマエッチングにおいては、エッチングレートだけでなくパターンマスクや下地膜との選択性も重要なエッチング特性である。図３には、この実施形態のプラズマエッチング装置を使用し、上記ＳiＯＣ膜のエッチングと同一のエッチング条件で、マスク材料としてよく使われるＳiＮ（ブランケット）膜のエッチングを行った実験で得られたＥ／Ｒのデータもグラフとして示している。図３に示すように、ＳiＮのＥ／Ｒは、ＳiＯＣのＥ／Ｒよりも格段に低いうえ、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜が大きいほど低くなることがわかる。

図３のデータを基に、フロロカーボンガスとして使用したＣ₄Ｆ₈の各流量に対してＳiＯＣのＥ／ＲとＳiＮのＥ／Ｒとの比をとると、図５に示すようなＳiＯＣ／ＳiＮの選択比のグラフが得られる。図５のグラフから、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を大きくするほどＳiＯＣ／ＳiＮ選択比が高くなり、特にこの実施形態のＤＣ印加方式によるＥ／Ｒ制御に好適なＣ₄Ｆ₈流量領域（４〜２０sccm）においてはＶ_DC＝−４５０Ｖで約２０の選択比が得られ、Ｖ_DC＝−９００Ｖにすると約２５の選択比が得られる。

したがって、ＳiＯＣ膜のエッチングでＳiＮ層をレジスト（マスク）に用いた場合は、フロロカーボンガスの流量を適宜の範囲または値に選かで、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を４５０Ｖ以上（好ましくは９００Ｖ以上）に選ぶと、十分大きなマスク選択比を得ることができる。

また、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を大きくしてデボジションを増速させると、パターン側壁だけでなく、レジスト表面でも保護膜が有効に働き、かつレジスト自体が堅く変質する傾向があり、これらの作用もマスク選択比の増大に寄与する。このように、異方性エッチングにおいて異方性形状の制御と選択性を両立できることは大きな利点になる。

この実施形態では、上記のような知見に基づいて、プラズマエッチング装置の制御部８０で使用するソフトウェアの中に、エッチングプロセスの種類・内容・条件に応じて直流電圧Ｖ_DCを時々刻々とリアルタイムで可変制御するためのプログラム（以下、「ＤＣ可変プログラム」と称する。）を組み込んでいる。

このＤＣ可変プログラムは、直流電圧Ｖ_DC以外の全てのプロセスパラメータ（ＲＦ電力、圧力、ガス種・ガス流量等）を一定に保つ１ステップのエッチングプロセス毎に用意されてよく、たとえば図６に示すように、１ステップのエッチングプロセスの開始時間ｔ_sから終了時間ｔ_eまでのプロセス経過時間を横軸にとり、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を縦軸にとった時間−ＤＣ電圧の関数を設定する。この時間−ＤＣ電圧の関数は、エッチングプロセスの種類・内容・条件に応じて１次関数Ｆ_A、２次関数Ｆ_Bあるいは指数関数Ｆ_Cなど任意の関数を利用してよく、異なる関数を合成したものでもよい。

典型的な手法として、エッチングプロセスを通じて負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値を０に固定した場合に得られたエッチング加工形状を理想の加工形状と比較し、その比較誤差をキャンセルするように負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を時間軸上で適宜可変する関数を設定し、実際のアプリケーションで使用してよい。

たとえば、図７に示すように、絶縁膜１００に厳密に垂直形状のコンタクトホール１０２を形成するのが理想のエッチング加工であるとする。この場合、実施形態のプラズマエッチング装置を使用し、所与の１ステップのエッチングプロセスにおいて所要のプロセスパラメータをすべて一定に保ち、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜も一定（たとえば０Ｖ）に保ってエッチングを行った場合に、たとえば図８の（Ａ）に示すようにコンタクトホール１０６の開口部から底に向かって漸次的にボーイング形状が拡大するようなエッチング形状、あるいは図８の（Ｂ）に示すようにコンタクトホール１０２の中間部で局所的にボーイング形状になるようなエッチング形状が得られたとする。図中、１０４はレジスト、１０６は下地膜または下地基板である。

図８の（Ａ）に示すようなケースに対しては、図９に示すように、エッチングプロセスの時間経過につれて負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を線形的に増大させる関数を好適に設定し、使用することができる。

図８の（Ｂ）に示すようなケースに対しては、図１０に示すように、エッチングプロセス経過時間の中間で負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜が山状に極大になるような関数を好適に設定し、使用することができる。

図８の（Ａ），（Ｂ）のケースのように、｜Ｖ_DC｜＝０Ｖのときにパターン内でボーイング形状が発生する箇所ではデポジションプロセスを増速するように直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を大きめにすればよく、ボーイングの度合いが大きいほど｜Ｖ_DC｜を大きくすればよい。反対に、｜Ｖ_DC｜＝０Ｖのときにテーパ形状になる箇所を垂直に補正したいときは、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を小さめにすればよい。

上記した実施形態では、直流電圧Ｖ_DC以外の全てのプロセスパラメータを一定に保つ１ステップのエッチングプロセスにおいて、半導体ウエハＷ上の被加工膜に対して所望のエッチング特性が得られるように予め設定された時間−ＤＣ電圧の関数にしたがって直流電圧Ｖ_DCを時間軸上で連続的に可変するようにした。

本発明の別の手法として、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を時間軸上で連続的に可変する代わりに、図１１に示すように、負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値｜Ｖ_DC｜を時間軸上で一定サイクルＴ_S毎に第１の電圧値Ｖ_Hと第２の電圧値Ｖ_L（ただし、Ｖ_H＞Ｖ_L）との間で切り替える方式も可能である。この場合は、半導体ウエハＷ表面の被加工膜に対して所望のエッチング特性が得られるように予め設定された時間−デューティの関数にしたがって各サイクルＴ_Sのデューティ（１００×Ｔ_H／Ｔ_S）を可変してよい。基本的にはデューティ∝｜Ｖ_DC｜とみなしてよく、かかる時間−デューティの関数は図６、図９、図１０に対応するものに設定されてよい。このデューティ可変方式においては、上部電極６０に直流電圧Ｖ_DCを印加する直流電源として、一定電圧（たとえば−９００Ｖ）を出力する定電圧源を可変直流電源７４の代わりに使用することもできる。その場合、第２の電圧値Ｖ_Lをグランド電位（０Ｖ）に選んでよい。

また、本発明における１ステップのエッチングプロセスにおいては、少なくともエッチングガスに係るパラメータ（たとえばガス種、ガス流量等）を一定にすることが必須条件であり、他のプロセスパラメータ（たとえばＲＦ電力、圧力等）をプロセスの最中に適宜可変することも可能である。

また、本発明における１ステップのエッチングプロセスの加工対象膜は、一層膜に限るものではなく、多層膜（たとえばＴＥＯＳ／ＳＯＧの二層膜）も可能である。

また、上記実施形態では上部電極６０に直流電圧Ｖ_DCを印加したが、同様の作用効果を得るために、図示省略するが、たとえばフォーカスリング３８に直流電圧Ｖ_DCを好適に印加することができる。この場合、フォーカスリング３８をＳiあるいはSiＣ等のＳi含有導電部材で構成するのが好ましい。

上記実施形態は、直流電圧印加部材がシリコンを含有し、エッチングガスがフロロカーボンガスを含むプラズマエッチングに係るものであった。しかし、本発明は、フロロカーボンガス以外のエッチャントガスを使用するアプリケーションにも適用可能であり、その場合は直流電圧印加部材を当該エッチャントガスの反応種によってエッチングされるような材質で構成すればよい。

本発明においては、好適には直流電圧Ｖ_DCを負極性（≦０Ｖ）で用いるが、必要に応じて直流電圧Ｖ_DCを正極性（≧０Ｖ）で用いることも可能である。

図１２に、上記実施形態におけるプラズマエッチング方法を行うために上記プラズマ処理装置（図１）の各部の制御および全体のシーケンスを制御する制御部８０の構成例を示す。

この構成例の制御部８０は、バス１５０を介して接続されたプロセッサ（ＣＰＵ）１５２、メモリ（ＲＡＭ）１５４、プログラム格納装置（ＨＤＤ）１５６、フロッピドライブあるいは光ディスクなどのディスクドライブ（ＤＲＶ）１５８、キーボードやマウスなどの入力デバイス（ＫＥＹ）１６０、表示装置（ＤＩＳ）１６２、ネットワーク・インタフェース（ＣＯＭ）１６４、および周辺インタフェース（Ｉ／Ｆ）１６６を有する。

プロセッサ（ＣＰＵ）１５２は、ディスクドライブ（ＤＲＶ）１５８に装填されたＦＤあるいは光ディスクなどの記憶媒体１６８から所要のプログラムのコードを読み取って、ＨＤＤ１５６に格納する。あるいは、所要のプログラムをネットワークからネットワーク・インタフェース１６４を介してダウンロードすることも可能である。そして、プロセッサ（ＣＰＵ）１５２は、各段階または各場面で必要なプログラムのコードをＨＤＤ１５６からワーキングメモリ（ＲＡＭ）１５４上に展開して各ステップを実行し、所要の演算処理を行って周辺インタフェース１６６を介して装置内の各部（特に、排気装置２６、高周波電源３０，３２、処理ガス供給部７０、可変直流電源７４、切替スイッチ７６等）を制御する。上記実施形態で説明したプラズマエッチング方法を実施するためのプログラムは全てこのコンピュータシステムで実行される。

本発明で用いる容量結合型プラズマエッチング装置は、上記実施形態のような下部２周波印加方式に限定されるものではなく、たとえばサセプタ（下部電極）に単一の高周波を印加する下部一周波印加方式や、上部電極に単一の高周波を印加する上部一周波印加方式等も可能である。

本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング方法で用いる容量結合型プラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態においてブランケットＳiＯＣ膜のエッチングおよびブランケットＳiＮのエッチングでそれぞれ得られたエッチングレート分布特性の図である。 実施形態において、上部電極に印加する直流電圧をパラメータとしてフロカーボンガスの流量とＳiＯＣのエッチングレートとの関係をグラフにした図である。 従来方法によるブランケットＳiＯ₂膜のエッチングで得られるＣ_xＦ_y流量とエッチングレート（Ｅ／Ｒ）との関係をグラフで示す図である。 実施形態において得られたＣ₄Ｆ₈流量とＳiＯＣ／ＳiＮ選択比との関係をグラフで示す図である。 実施形態におけるＤＣ可変プログラムで使用する時間−ＤＣ電圧の関数の種種の形式を示す図である。 理想的なエッチング形状の一例を模式的に示す断面図である。 上部電極に印加する直流電圧を０Ｖに固定した場合に得られる仮想の不所望なエッチング形状の例を模式的に示す断面図である。 図８の一方のケースに対して好適に適用可能な時間−ＤＣ電圧の関数の一例を示す図である。 図８の他方のケースに対して好適に適用可能な時間−ＤＣ電圧の関数の一例を示す図である。 実施形態における直流電圧を時間軸上で一定サイクル毎に第１の電圧値と第２の電圧値との間で切り替える方式を示す波形図である。 実施形態における制御部の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ チャンバ（処理容器）
１２ サセプタ（下部電極）
２６ 排気装置
３０ 第１高周波電源
３２ 第２高周波電源
３８ フォーカスリング
６０ 上部電極（シャワーヘッド）
６２ 電極板
７０ 処理ガス供給部
７４ 可変直流電源
７８ 直流給電ライン
８０ 制御部

Claims (13)

1. 真空可能な処理容器内で第１の電極と第２の電極とを所定の間隔を空けて平行に配置し、前記第１の電極に対向させて被処理基板を第２の電極で支持し、前記処理容器内を所定の圧力に真空排気し、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望のエッチングガスを供給し、前記第１の電極または第２の電極に第１の高周波を印加して前記処理空間で前記エッチングガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板の表面の被加工膜をエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   エッチング処理中に前記処理容器内で前記基板から離れた場所で前記プラズマ中の反応種と反応してエッチングされる所定の部材に直流電圧を印加し、
   少なくとも前記エッチングガスに係るプロセスパラメータを一定に保つ１ステップのエッチングプロセスにおいて、前記被加工膜で所望のエッチング特性が得られるように予め設定された時間−電圧の関数にしたがって前記直流電圧を時間軸上で連続的に可変するプラズマエッチング方法。
2. 前記エッチングプロセスにおいて前記直流電圧以外の全てのプロセスパラメータを一定に保つ請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
3. 前記直流電圧を負極性の値で可変し、前記エッチングプロセスにおいて、前記被加工膜に対するエッチングを増速する時は前記直流電圧の絶対値を小さくし、前記被加工膜に対するエッチングを減速する時は前記直流電圧の絶対値を大きくする請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
4. 前記直流電圧を負極性の値で可変し、前記エッチングプロセスにおいて、前記被加工膜へのデポジションを増速する時は前記直流電圧の絶対値を大きくし、前記被加工膜へのデポジションを減速する時は前記直流電圧の絶対値を小さくする請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
5. 真空可能な処理容器内で第１の電極と第２の電極とを所定の間隔を空けて平行に配置し、前記第１の電極に対向させて被処理基板を第２の電極で支持し、前記処理容器内を所定の圧力に真空排気し、前記第１の電極と前記第２の電極との間の処理空間に所望のエッチングガスを供給し、前記第１の電極または第２の電極に第１の高周波を印加して前記処理空間で前記エッチングガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板表面の被加工膜をエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   エッチング処理中に前記処理容器内で前記基板から離れた場所で前記プラズマ中の反応種と反応してエッチングされる所定の部材に直流電圧を印加し、
   少なくとも前記エッチングガスに係るプロセスパラメータを一定に保つ１ステップのエッチングプロセスにおいて、前記被加工膜で所望のエッチング特性が得られるように予め設定された時間−デューティの関数にしたがって前記直流電圧を時間軸上で一定サイクル毎に第１の電圧値と第２の電圧値との間で切り替えるプラズマエッチング方法。
6. 前記エッチングプロセスにおいて前記直流電圧以外の全てのプロセスパラメータを一定に保つ請求項５に記載のプラズマエッチング方法。
7. 前記第１および第２の電圧値が負極性の値をとり、
   前記第１の電圧値の絶対値が前記第２の電圧値の絶対値よりも大きく、
   前記エッチングプロセスにおいて、前記被加工膜に対するエッチングを増速する時は前記直流電圧が前記第１の電圧値を有している期間のデューティを小さくし、前記被加工膜に対するエッチングを減速する時は前記直流電圧が前記第１の電圧値を有している期間のデューティを大きくする請求項５または請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
8. 前記第１および第２の電圧値が負極性の値をとり、
   前記第１の電圧値の絶対値が前記第２の電圧値の絶対値よりも大きく、
   前記エッチングプロセスにおいて、前記被加工膜へのデポジションを増速する時は、前記直流電圧が前記第１の電圧値を有している期間のデューティを大きくし、前記被加工膜へのデポジションを減速する時は、前記直流電圧が前記第１の電圧値を有している期間のデューティを小さくする請求項５または請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
9. 前記直流電圧印加部材が前記第１の電極である請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
10. 前記直流電圧印加部材が、前記第２の電極上で前記基板の周囲に環状に配置されるフォーカスリングである請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
11. 前記直流電圧印加部材がシリコンを含有し、前記エッチングガスがフロロカーボンガスを含む請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
12. 前記基板にプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波を前記第２の電極に印加する請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
13. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマ処理装置を制御することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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