JP6151215B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents

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Description

本発明の種々の側面及び実施形態はプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関するものである。
従来、プラズマエッチング装置は、フォトレジストをマスクとしてエッチングを行う。ここで、プラズマエッチング装置によってマスクとして用いられるフォトレジストの特性を向上するための手法がある。例えば、四塩化ケイ素ガス及びメタンガスの少なくともいずれか一方のプラズマによりフォトレジストにシリコン含有堆積物を保護層として堆積させる手法がある。
特表２０１０−５１６０５９号公報 国際公開第２０１４／０２４８３３号
しかしながら、上述した従来技術では、エッチングにより形成されるラインの荒れを抑え、かつ、エッチング後に残存するフォトレジストの高さを維持することが困難であった。したがって、ラインの荒れと、フォトレジストの高さの維持とを両立させることが望まれていた。
本発明の一側面に係るプラズマエッチング方法は、堆積工程と、エッチング工程とを含む。堆積工程は、下地層と、所定のパターンを有するフォトレジストとが順に積層された被処理体の前記フォトレジストに対して、四塩化ケイ素ガス、メタンガス及び水素ガスを含む第１の処理ガスのプラズマによりケイ素及び炭素を含む保護層を堆積させる。エッチング工程は、前記保護層が堆積された前記フォトレジストをマスクとして、前記第１の処理ガスとは異なる第２の処理ガスのプラズマにより前記下地層をエッチングする。
本発明の種々の側面及び実施形態によれば、エッチングにより形成されるラインの荒れを抑え、かつ、エッチング後に残存するフォトレジストの高さを維持することができるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置が実現される。
図１は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置の一例を示す断面図である。 図２は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置のチャンバの周囲に配置されたマルチポール磁石を模式的に示す水平断面図である。 図３は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置のセグメント磁石の回転動作及びその際の磁場の変化を説明するための図である。 図４は、第１の実施形態における被処理体の構造の一例を示す断面図である。 図５は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法の流れの一例を示す図である。 図６は、比較例１及び実施例１〜２における処理結果を示す図である。 図７は、比較例２及び実施例１，３における処理結果を示す図である。 図８は、比較例３，４及び実施例１，４における処理結果を示す図である。 図９は、比較例３，４及び実施例１，４における処理結果を示す図である。 図１０は、比較例３，４及び実施例１，４における処理結果を示す図である。
以下、図面を参照して種々の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付すこととする。
本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、下地層と、所定のパターンを有するフォトレジストとが順に積層された被処理体のフォトレジストに対して、四塩化ケイ素ガス、メタンガス及び水素ガスを含む第１の処理ガスのプラズマによりケイ素及び炭素を含む保護層を堆積させる堆積工程と、保護層が堆積されたフォトレジストをマスクとして、第１の処理ガスとは異なる第２の処理ガスのプラズマにより下地層をエッチングするエッチング工程とを含む。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、前記堆積工程は、前記被処理体に対してバイアス電圧を印加しない。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング方法は、１つの実施形態において、前記フォトレジストに前記保護層が堆積された後に、前記被処理体と対向して配置された、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加した状態で、水素ガス及び不活性ガスを含む第３の処理ガスのプラズマにより前記保護層を硬化させる硬化工程をさらに含み、前記エッチング工程は、硬化された前記保護層が堆積された前記フォトレジストをマスクとして、前記第２の処理ガスのプラズマにより前記下地層をエッチングする。
また、本実施形態に係るプラズマエッチング装置は、１つの実施形態において、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チャンバと、チャンバ内を減圧するための排気部と、チャンバ内に処理ガスを供給するためのガス供給部と、下地層と、所定のパターンを有するフォトレジストとが順に積層された被処理体のフォトレジストに対して、四塩化ケイ素ガス、メタンガス及び水素ガスを含む第１の処理ガスのプラズマによりケイ素及び炭素を含む保護層を堆積させ、保護層が堆積されたフォトレジストをマスクとして、第１の処理ガスとは異なる第２の処理ガスのプラズマにより下地層をエッチングする各工程を実行する制御部とを備えた。
（第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置）
図１は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置の一例を示す断面図である。図１に示す例では、プラズマエッチング装置１００として、平行平板型プラズマエッチング装置を示した。図１に示すように、プラズマエッチング装置１００は、チャンバ（処理容器）１を有する。チャンバ（処理容器）１は、気密に構成され、小径の上部１ａと大径の下部１ｂとからなる段つき円筒状をなし、壁部が例えばアルミニウムで形成される。
チャンバ１内には、被処理体となるウエハＷを水平に支持する支持テーブル２が設けられる。支持テーブル２は、例えば、アルミニウムで形成されており、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持される。また、支持テーブル２の上方の外周には、例えば、Ｓｉで形成されたフォーカスリング５が設けられる。支持テーブル２と支持台４とは、ボールねじ７を含むボールねじ機構により昇降可能となっており、支持台４の下方の駆動部分は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）製のベローズ８で覆われている。ベローズ８の外側にはベローズカバー９が設けられている。なお、フォーカスリング５の外側には、バッフル板１０が設けられており、バッフル板１０、支持台４、ベローズ８を通してチャンバ１と導通している。チャンバ１は接地されている。
チャンバ１の下部１ｂの側壁には、排気ポート１１が形成されており、排気ポート１１には排気系１２が接続されている。チャンバ１は、排気系１２の真空ポンプを作動させることで内部を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバ１の下部１ｂの側壁上側には、ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ１３が設けられている。排気系１２を「減圧部」とも称する。
支持テーブル２には、整合器１４を介してプラズマ形成用の第１の高周波電源１５が接続されており、第１の高周波電源１５から所定の周波数の高周波電力が支持テーブル２に供給されるようになっている。支持テーブル２に対向してその上方には、後述のシャワーヘッド２０が互いに平行に設けられている。シャワーヘッド２０は、支持テーブル２上のウエハＷと対向して配置され、プラズマ生成空間と接する面、すなわち対向面を形成する。シャワーヘッド２０は、接地されている。支持テーブル２及びシャワーヘッド２０は１対の電極として機能する。このため、以下では適宜、支持テーブル２を「下部電極」とも称し、シャワーヘッド２０を「上部電極」とも称する。
シャワーヘッド２０には、ローバスフィルタ（ＬＰＦ）４１を介して可変直流電源４２が電気的に接続されている。この可変直流電源４２は、オン・オフスイッチ４３により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源４２の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ４３のオン・オフは、後述するプロセスコントローラ５０によって制御されるようになっている。チャンバ１内にプラズマが発生する際には、必要に応じてプロセスコントローラ５０によりオン・オフスイッチ４３がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド２０に所定の負の直流電圧が印加される。
第１の高周波電源１５の給電線には、整合器２５を介して第２の高周波電源２６が接続されている。第２の高周波電源２６は、第１の高周波電源１５の周波数よりも低い高周波電力を供給し、プラズマ形成用の高周波電力に重畳されるようになっている。
支持テーブル２の表面上にはウエハＷを静電吸着して保持するための静電チャック６が設けられている。静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されており、電極６ａには直流電源１６が接続されている。そして電極６ａに直流電源１６から電圧が印加されることにより、静電力例えばクーロン力によってウエハＷが吸着される。
支持テーブル２の内部には、冷媒室１７が設けられており、冷媒室１７には、冷媒が冷媒導入管１７ａを介して導入され冷媒排出管１７ｂから排出されて循環し、その冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。
また、チャンバ１が排気系１２により排気されて真空に保持されていても、冷媒室１７に循環される冷媒によりウエハＷを有効に冷却可能なように、冷却ガスが、ガス導入機構１８によりガス供給ライン１９を介して静電チャック６の表面とウエハＷの裏面との間に導入される。このように冷却ガスを導入することにより、冷媒の冷熱がウエハＷに有効に伝達され、ウエハＷの冷却効率を高くすることができる。冷却ガスとしては、例えばＨｅなどを用いることができる。
シャワーヘッド２０は、チャンバ１の天壁部分に支持テーブル２に対向するように設けられている。シャワーヘッド２０は、シリコン含有物質で形成され、例えば、シリコンで形成される。シャワーヘッド２０は、下面に多数のガス吐出孔２２が設けられており、上部にガス導入部２０ａを有している。また、シャワーヘッド２０は、内部には空間２１が形成されている。ガス導入部２０ａにはガス供給配管２３ａが接続されており、ガス供給配管２３ａの他端には、エッチングガス及び希釈ガスからなる処理ガスを供給する処理ガス供給系２３が接続されている。処理ガス供給系２３を「ガス供給部」とも称する。
このような処理ガスが、処理ガス供給系２３からガス供給配管２３ａ、ガス導入部２０ａを介してシャワーヘッド２０の空間２１に至り、ガス吐出孔２２から吐出される。
チャンバ１の上部１ａの周囲には、同心状に、マルチポール磁石２４が配置されており、支持テーブル２とシャワーヘッド２０との間の処理空間の周囲に磁界を形成するようになっている。マルチポール磁石２４は、図示しない回転機構により回転可能となっている。
図２は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置のチャンバの周囲に配置されたマルチポール磁石を模式的に示す水平断面図である。マルチポール磁石２４は、図２の水平断面図に示すように、永久磁石からなる複数のセグメント磁石３１が図示しない支持部材により支持された状態でリング状に配置されて構成されている。この例では、１６個のセグメント磁石３１がリング状（同心円状）にマルチポール状態で配置されている。すなわち、マルチポール磁石２４においては、隣接する複数のセグメント磁石３１同士の磁極の向きが互いに逆向きになるように配置されており、したがって、磁力線が図示のように隣接するセグメント磁石３１間に形成され、処理空間の周辺部のみに例えば０．０２〜０．２Ｔ（２００〜２０００Ｇａｕｓｓ）、好ましくは０．０３〜０．０４５Ｔ（３００〜４５０Ｇａｕｓｓ）の磁場が形成され、ウエハ配置部分は実質的に無磁場状態となる。このように磁場強度が規定されるのは、磁場が強すぎると洩れ磁場の原因となり、弱すぎるとプラズマ閉じ込め効果が得られなくなるためである。ただし、適正な磁場強度は装置構造等にも依存するため、その範囲は装置によって異なるものである。なお、ウエハ配置部分における実質的に無磁場状態とは、完全に磁場が存在しない場合のみならず、ウエハ配置部分にエッチング処理に影響を与える磁場が形成されず、実質的にウエハ処理に影響を与えない磁場が存在する場合も含む。なお、図２は、図１の装置のチャンバの周囲に配置されたマルチポール磁石２４を模式的に示す水平断面図である。
図２に示す状態では、ウエハ周辺部に例えば磁束密度４２０μＴ（４．２Ｇａｕｓｓ）以下の磁場が印加されており、これによりプラズマを閉じ込める機能が発揮される。
図３は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置のセグメント磁石の回転動作及びその際の磁場の変化を説明するための図である。各セグメント磁石３１は、図示しないセグメント磁石回転機構により垂直方向の軸を中心に回転自在に構成されている。図２及び図３（ａ）に示すように、各セグメント磁石３１の磁極がチャンバ１側に向いた状態から、例えば、図３（ｂ）、図３（ｃ）と隣接するセグメント磁石３１が同期して逆方向に回転する。したがって、１つおきのセグメント磁石３１は同方向に回転する。なお、図３（ｂ）は、セグメント磁石３１が４５度回転した状態を示しており、図３（ｃ）は、セグメント磁石３１が９０度回転した状態を示している。セグメント磁石３１をこのように回転させることにより、実質的にマルチポール磁場が形成される状態とマルチポール磁場が形成されない状態との間で切替可能となっている。エッチングする膜の種類によっては、マルチポール磁場が有効に作用する場合と、作用しない場合とがあるから、このようにマルチポール磁場を形成した状態と形成しない状態とを切替可能とすることにより、膜に応じて適切なエッチング条件を選択することができる。
また、プラズマエッチング装置１００の各構成部は、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマエッチング装置１００を管理するための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１００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フェース５１が接続されている。
また、プロセスコントローラ５０には、プラズマエッチング装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラムや処理条件データ等が記録されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。
また、ユーザーインタフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出され、プロセスコントローラ５０が実行することで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマエッチング装置１００での所望の処理が行われても良い。レシピは、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどのコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させて利用したりすることも可能である。プロセスコントローラ５０は、「制御部」とも称する。
例えば、プロセスコントローラ５０は、後述するプラズマエッチング方法を行うようにプラズマエッチング装置１００の各部を制御する。より詳細な一例をあげて説明すると、プロセスコントローラ５０は、被処理体のフォトレジストに対して、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガス、メタン（ＣＨ４）ガス及び水素（Ｈ２）ガスを含む第１の処理ガスのプラズマによりケイ素（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）を含む保護層を堆積させる。そして、プロセスコントローラ５０は、保護層が堆積されたフォトレジストをマスクとして、第１の処理ガスとは異なる第２の処理ガスのプラズマにより下地層をエッチングする各工程を実行する。プラズマエッチング方法の詳細については後述する。ここで、被処理体とは、例えば、ウエハＷである。また、下地層は、例えば、シリコン含有反射防止（ＳｉＡＲＣ）層である。
図４は、第１の実施形態における被処理体の構造の一例を示す断面図である。図４に示す例では、被処理体は、例えば、ＴＥＯＳ（Tetraethoxysilane、テトラエトキシシラン）層２０１、Ｓｉ（ポリシリコン）層２０２、有機平坦化層（ＯＰＬ）２０３及びＳｉＡＲＣ層２０４が順に積層されている。さらに、ＳｉＡＲＣ層２０４の上には、ＰＲ（フォトレジスト）２０５が形成されている。ＳｉＡＲＣ層２０４は、下地層の一例である。なお、図４に示す構造は一例である。
（プラズマエッチング方法）
第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法は、所定のパターンに形成されたフォトレジストをマスクとして下地層をプラズマエッチングする。
例えば、まず、ゲートバルブ１３を開にして被処理体となるウエハＷをチャンバ１内に搬入し、支持テーブル２に載置した後、支持テーブル２を図示の位置まで上昇させ、排気系１２の真空ポンプにより排気ポート１１を介してチャンバ１内を排気する。
そして、例えば、処理ガス供給系２３からエッチングガス及び希釈ガスを含む処理ガスが所定の流量でチャンバ１内に導入され、チャンバ１内を所定の圧力にし、その状態で第１の高周波電源１５から支持テーブル２に所定の高周波電力を供給する。この際に、ウエハＷは、直流電源１６から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加されることで、クーロン力により静電チャック６に吸着保持される。また、この際、上部電極であるシャワーヘッド２０と下部電極である支持テーブル２との間に高周波電界が形成される。これにより処理空間に供給された処理ガスがプラズマ化され、以下に詳細に説明するように、所定のパターンに形成されたフォトレジストをマスクとした下地層のプラズマエッチングが行われる。
なお、この際、マルチポール磁石２４により、処理空間の周囲に図２に示すような磁場を形成することにより、プラズマ閉じ込め効果が発揮され、ウエハＷのエッチングレートを均一化することができる。
また、プラズマ生成用の第１の高周波電源１５は、所望のプラズマを形成するためにその周波数及び出力が適宜設定される。ウエハＷの直上のプラズマ密度を高くする観点からは、周波数が４０ＭＨｚ以上であることが好ましい。また、第２の高周波電源２６は、プラズマのイオンエネルギーをコントロールするための高周波電力を供給するものであり、その周波数は第１の高周波電源１５の周波数よりも小さく３．２ＭＨｚ以上であることが好ましい。
また、エッチングの形状性を良好にするためには、ウエハＷの温度を調節することも有効である。そのために冷媒室１７が設けられており、冷媒室１７に冷媒が循環され、冷熱が支持テーブル２を介してウエハＷに対して伝熱され、これによりウエハＷの処理面が所望の温度に制御される。エッチングの形状性、つまり、異方性を良好にするためには、ウエハＷの温度を例えば３０〜９０℃程度に調整することが好ましい。
また、プラズマエッチングの際に使用するガス種とその流量比を選択することにより、エッチング形状の均一化を図ることができる。また、他の処理条件の好ましい範囲として、チャンバ１内のガス圧力は０．１３〜６．６７Ｐａ（１〜５０ｍＴｏｒｒ）、第１の高周波電源１５の周波数を１００ＭＨｚ、第２の高周波電源２６の周波数を１３ＭＨｚ、マルチポール磁石２４によって形成される処理空間での磁場の強さを５．６〜４５．４μＴ（５６〜４５４Ｇ）とする。このような条件を採用することで、マスクパターンの疎密差に関わらずウエハＷのエッチング形状を均一化することができる。
第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法について更に詳細に説明する。図５は、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法の流れの一例を示す図である。
図５に示すように、プラズマエッチング装置は、処理開始タイミングが到来すると（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、被処理体のフォトレジストに対して、ＳｉＣｌ４ガス、ＣＨ４ガス及びＨ２ガスを含む第１の処理ガスのプラズマによりＳｉ及びＣを含む保護層を堆積させる堆積工程を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、プラズマエッチング装置は、処理ガス供給系２３からＳｉＣｌ４ガス、ＣＨ４ガス及びＨ２ガスを含む第１の処理ガスをチャンバ１内に供給し、第１の処理ガスのプラズマを生成することによって、被処理体のフォトレジストに対してＳｉ及びＣを含む保護層を堆積させる。このとき、プラズマエッチング装置は、被処理体に対してバイアス電圧を印加しない。ここで、ＳｉＣｌ４ガスの流量とＣＨ４ガスの流量との総和に対するＣＨ４ガスの流量の比率は、好ましくは、０％よりも大きく８０％以下である。
より詳細な一例を挙げて説明する。プラズマエッチング装置のプロセスコントローラ５０は、シャワーヘッド２０からチャンバ１内に、ＳｉＣｌ４ガス、ＣＨ４ガス及びＨ２ガスを含む第１の処理ガスを導入し、第１の高周波電源１５から高周波電力を供給することで、第１の処理ガスからプラズマを生成する。このとき、プロセスコントローラ５０は、第２の高周波電源２６からの高周波電力の供給を中止することによって、被処理体へバイアス電圧を印加しない。すると、プラズマ中でＨがＳｉＣｌ４からＣｌを引き抜き、Ｓｉが被処理体のフォトレジストに向けて降下する。さらに、ＣＨ４ガスから生成されるＣ系反応生成物が被処理体のフォトレジストに向けて降下する。すると、Ｓｉ及びＣを含む保護層が、被処理体のフォトレジストに堆積される。この結果、Ｓｉ及びＣを含む保護層によってフォトレジストの表面の荒れが改善され、かつ、フォトレジストの耐プラズマ性が向上する。
続いて、プラズマエッチング装置は、保護層が堆積されたフォトレジストをマスクとして、第１の処理ガスとは異なる第２の処理ガスのプラズマにより下地層をエッチングするエッチング工程を行う（ステップＳ１０３）。具体的には、プラズマエッチング装置は、処理ガス供給系２３から第２の処理ガスをチャンバ１内に供給し、第２の処理ガスのプラズマを生成することによって、下地層をエッチングする。ここで、下地層は、例えば図４に示したＳｉＡＲＣ層２０４である。また、第２の処理ガスは、例えば、ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ｏ２ガスである。
より詳細な一例を挙げて説明する。プラズマエッチング装置のプロセスコントローラ５０は、シャワーヘッド２０からチャンバ１内に、第２の処理ガスを導入し、第１の高周波電源１５から高周波電力を供給することで、第２の処理ガスからプラズマを生成する。また、プロセスコントローラ５０は、第２の高周波電源２６から高周波電力を供給することで、プラズマ中のイオンを被処理体へ引き込む。その結果、下地層がエッチングされる。
上述したように、第１の実施形態によれば、被処理体のフォトレジストに対して、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）ガス、メタン（ＣＨ４）ガス及び水素（Ｈ２）ガスを含む第１の処理ガスのプラズマによりケイ素（Ｓｉ）及び炭素（Ｃ）を含む保護層を堆積させ、保護層が堆積されたフォトレジストをマスクとして、第１の処理ガスとは異なる第２の処理ガスのプラズマにより下地層をエッチングする。このため、第１の実施形態によれば、フォトレジストの表面の荒れを改善するとともに、フォトレジストの耐プラズマ性を向上することが可能となる。その結果、第１の実施形態によれば、エッチングにより形成されるラインの荒れを抑え、かつ、エッチング後に残存するフォトレジストの高さを維持することができる。
また、第１の実施形態によれば、堆積工程において、被処理体に対してバイアス電圧を印加しない。その結果、第１の実施形態によれば、被処理体に対してバイアス電圧を印加することなく、Ｓｉ及びＣを含む保護層を堆積させることができる。
（他の実施形態）
以上、第１の実施形態に係るプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置について説明したが、開示の技術はこれに限定されるものではない。以下では、他の実施形態について説明する。
（硬化工程）
例えば、フォトレジストに保護層が堆積された後に、被処理体と対向して配置された、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加した状態で、水素（Ｈ２）ガス及び不活性ガスを含む第３の処理ガスのプラズマにより保護層を硬化させる硬化工程をさらに行っても良い。不活性ガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガスが用いられる。硬化工程が行われる場合、エッチング工程は、硬化された保護層が堆積されたフォトレジストをマスクとして、第２の処理ガスにより下地層をエッチングする。
ここで、硬化工程のより詳細な一例を説明する。プラズマエッチング装置のプロセスコントローラ５０は、シャワーヘッド２０からチャンバ１内に、Ｈ２ガス及び不活性ガスを含む第３の処理ガスを導入し、第１の高周波電源１５から高周波電力を供給することで、第３の処理ガスからプラズマを生成する。また、プロセスコントローラ５０は、プラズマが形成される際に、上部電極であるシャワーヘッド２０に可変直流電源４２から所定の極性及び大きさの負の直流電圧を印加する。より好ましくは、プロセスコントローラ５０は、プラズマ処理空間に対向するシャワーヘッド２０の対向面に対する所定のスパッタ効果が得られる程度にシャワーヘッド２０の対向面の自己バイアス電圧Ｖｄｃが深くなるように、つまり、シャワーヘッド２０の対向面でのＶｄｃの絶対値が大きくなるように、可変直流電源４２からの負の直流電圧を印加する。
その結果、シャワーヘッド２０の対向面に対するイオンの衝突が加速し、シャワーヘッド２０を形成しているシリコンの降下量や電子ビームの降下量が増加する。例えば、シャワーヘッド２０からチャンバ１内に導入される第３の処理ガスに不活性ガスとしてＡｒガスが含まれている場合を想定する。この場合、プラズマ中のＡｒイオンがシャワーヘッド２０の対向面に衝突し、シャワーヘッド２０を形成するシリコンが被処理体のフォトレジスト上の保護層に向けて降下する。すると、Ｓｉ及びＣを含むフォトレジストの表面にシリコン含有堆積物が堆積する。この結果、フォトレジストの表面の荒れを改善するとともに、フォトレジストの耐プラズマ性をさらに向上することが可能となる。その結果、第１の実施形態によれば、エッチングにより形成されるラインの荒れをより一層抑え、かつ、エッチング後に残存するフォトレジストの高さを維持することができる。
以下に、開示のプラズマエッチング方法について、実施例を挙げてさらに詳細に説明する。ただし、開示のプラズマエッチング方法は、下記の実施例に限定されるものではない。
（比較例１）
比較例１では、被処理体に対して、下記の条件でエッチング工程を行った。
（エッチング工程）
処理ガス：ＣＦ４／ＣＨＦ３／Ｏ２＝２００／２５／５ｓｃｃｍ
圧力：５．３Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波電源からの高周波電力：５００Ｗ
第２の高周波電源からの高周波電力：５０Ｗ
上部電極への直流電圧：０Ｖ
処理時間：４０秒
（実施例１）
実施例１では、被処理体に対して、保護層を堆積させる堆積工程を行い、その後、エッチング工程を行った。エッチング工程は、比較例１と同一の条件を用いて行った。堆積工程は、以下の条件を用いて行った。
（堆積工程）
処理ガス：ＳｉＣｌ４／Ｈｅ／Ｈ２／ＣＨ４＝５０／２００／１００／２０ｓｃｃｍ
圧力：１．３Ｐａ（１０ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波電源からの高周波電力：５００Ｗ
第２の高周波電源からの高周波電力：０Ｗ
上部電極への直流電圧：０Ｖ
処理時間：１０秒
（実施例２）
実施例２では、被処理体に対して、保護層を堆積させる堆積工程を行い、保護層を硬化させる硬化工程を行い、その後、エッチング工程を行った。エッチング工程は、比較例１と同一の条件を用いて行った。堆積工程は、実施例１と同一の条件を用いて行った。硬化工程は、以下の条件を用いて行った。
（硬化工程）
処理ガス：Ｈ２／Ａｒ＝１００／８００ｓｃｃｍ
圧力：６．５Ｐａ（５０ｍＴｏｒｒ）
第１の高周波電源からの高周波電力：３００Ｗ
第２の高周波電源からの高周波電力：０Ｗ
上部電極への直流電圧：−１ｋＶ
処理時間：２０秒
（比較例１及び実施例１〜２についての処理結果）
図６は、比較例１及び実施例１〜２における処理結果を示す図である。図６では、処理前における被処理体、比較例１におけるエッチング工程の後の被処理体、実施例１における堆積工程の後の被処理体、実施例１におけるエッチング工程の後の被処理体、実施例２における硬化工程の後の被処理体、及び実施例２におけるエッチング工程の後の被処理体について、それぞれ、断面及び上面を拡大した写真のトレース図を示している。
図６において、「Ｉｎｉｔｉａｌ」は、処理前における被処理体を示す。「Ｉｎｉｔｉａｌ＋ＳｉＡＲＣ」は、比較例１におけるエッチング工程の後の被処理体を示す。「Ｃｏａｔ」は、実施例１における堆積工程の後の被処理体を示す。「Ｃｏａｔ＋ＳｉＡＲＣ」は、実施例１におけるエッチング工程の後の被処理体を示す。「Ｃｏａｔ＋ＤＣＳ」は、実施例２における硬化工程の後の被処理体を示す。「Ｃｏａｔ＋ＤＣＳ＋ＳｉＡＲＣ」は、実施例２におけるエッチング工程の後の被処理体を示す。
また、図６では、比較例１及び実施例１〜２における各工程の後に残存するフォトレジスト（ライン）の線幅である「Ｌ−ＣＤ」と、各工程の後に残存するフォトレジストの高さである「ＰＲ Ｒｅｍａｉｎ」とを併せて示した。また、図６では、比較例１及び実施例１〜２における各工程の後のＬＷＲ（Line Width Roughness）、ＬＥＲ（Line Edge Roughness）及びＳＷＲ（Space Width Roughness）の値を示すとともに、ＬＷＲとＬＥＲとＳＷＲとを合計した値である「ＳＵＭ」を併せて示した。なお、ＬＷＲ、ＬＥＲ、ＳＷＲ及びＳＵＭは、それぞれ、ラインの不均一性の度合いを示し、値が小さいほど、ラインの荒れが小さいことを示す。
図６に示すように、堆積工程を行わない比較例１と比較して、堆積工程を行った実施例１〜２では、実施例１〜２のいずれにおいても、エッチング後のラインの線幅、フォトレジストの高さ及びラインの荒れが改善された。すなわち、実施例１〜２では、比較例１と比較して、エッチングにより形成されるラインの荒れを抑え、かつ、エッチング後に残存するフォトレジストの高さを維持することが可能であった。
また、硬化工程を行わない実施例１と比較して、硬化工程を行った実施例２では、エッチング後のラインの荒れがさらに改善された。
（比較例２）
比較例２では、実施例１の堆積工程において、処理ガス及び処理ガスの流量として、ＳｉＣｌ４／Ｈｅ／Ｈ２／ＣＨ４＝５０／２００／０／２０ｓｃｃｍを用いた。その他の点については、実施例１と同様である。
（実施例３）
実施例３では、実施例１の堆積工程において、処理ガス及び処理ガスの流量として、ＳｉＣｌ４／Ｈｅ／Ｈ２／ＣＨ４＝５０／２００／２００／２０ｓｃｃｍを用いた。その他の点については、実施例１と同様である。
（比較例２及び実施例１，３についての処理結果）
図７は、比較例２及び実施例１，３における処理結果を示す図である。図７では、比較例２における堆積工程の後の被処理体、実施例１における堆積工程の後の被処理体、及び実施例３における堆積工程の後の被処理体について、それぞれ、断面及び上面を拡大した写真のトレース図を示している。
図７において、「Ｈ２：０ｓｃｃｍ」は、比較例２における堆積工程の後の被処理体を示す。「Ｈ２：１００ｓｃｃｍ」は、実施例１における堆積工程の後の被処理体を示す。「Ｈ２：２００ｓｃｃｍ」は、実施例３における堆積工程の後の被処理体を示す。
また、図７では、比較例２及び実施例１，３における堆積工程の後に残存するフォトレジスト（ライン）の線幅である「Ｌ−ＣＤ」と、堆積工程の後に残存するフォトレジストの高さである「ＰＲ Ｒｅｍａｉｎ」とを併せて示した。また、図７では、比較例２及び実施例１，３における堆積工程の後のＬＷＲ、ＬＥＲ及びＳＷＲの値を示すとともに、ＬＷＲとＬＥＲとＳＷＲとを合計した値である「ＳＵＭ」を併せて示した。なお、ＬＷＲ、ＬＥＲ、ＳＷＲ及びＳＵＭは、それぞれ、ラインの不均一性の度合いを示し、値が小さいほど、ラインの荒れが小さいことを示す。
図７に示すように、処理ガスにＨ２を含まない比較例１と比較して、処理ガスにＨ２を含む実施例１，３では、実施例１，３のいずれにおいても、堆積工程の後のラインの線幅及びフォトレジストの高さが改善された。また、処理ガスにＨ２を含む実施例１，３では、処理ガスにＨ２を含まない比較例１と同等に、堆積工程の後のラインの荒れが維持された。
このように、処理ガスにＨ２を含まない比較例１と比較して、処理ガスにＨ２を含む実施例１，３では、フォトレジストの高さを改善することが可能となる。言い換えると、さらにエッチング工程が継続して行われた場合であっても、処理ガスにＨ２を含む実施例１，３では、処理ガスにＨ２を含まない比較例１と比較して、綺麗にエッチングすることが可能となる。その結果、実施例１，３では、比較例１と比較して、エッチングにより形成されるラインの荒れを同等に抑えつつ、かつ、エッチング後に残存するフォトレジストの高さをより高く維持することが可能である。
（比較例３）
比較例３では、実施例１の堆積工程において、処理ガス及び処理ガスの流量として、ＳｉＣｌ４／Ｈｅ／Ｈ２／ＣＨ４＝５０／２００／１００／０ｓｃｃｍを用いた。その他の点については、実施例１と同様である。
（比較例４）
比較例４では、実施例１の堆積工程において、処理ガス及び処理ガスの流量として、ＳｉＣｌ４／Ｈｅ／Ｈ２／ＣＨ４＝０／２００／１００／５０ｓｃｃｍを用いた。その他の点については、実施例１と同様である。
（実施例４）
実施例４では、実施例１の堆積工程において、処理ガス及び処理ガスの流量として、ＳｉＣｌ４／Ｈｅ／Ｈ２／ＣＨ４＝２０／２００／１００／５０ｓｃｃｍを用いた。その他の点については、実施例１と同様である。
（比較例３，４及び実施例１，４についての処理結果）
図８〜図１０は、比較例３，４及び実施例１，４における処理結果を示す図である。図８では、比較例３における堆積工程の後の被処理体、比較例４における堆積工程の後の被処理体、実施例１における堆積工程の後の被処理体、及び実施例４における堆積工程の後の被処理体について、それぞれ、断面及び上面を拡大した写真のトレース図を示している。
図８において、「ＳｉＣｌ４／ＣＨ４＝５０／０」は、比較例３における堆積工程の後の被処理体を示す。「ＳｉＣｌ４／ＣＨ４＝０／５０」は、比較例４における堆積工程の後の被処理体を示す。「ＳｉＣｌ４／ＣＨ４＝５０／２０」は、実施例１における堆積工程の後の被処理体を示す。「ＳｉＣｌ４／ＣＨ４＝２０／５０」は、実施例４における堆積工程の後の被処理体を示す。
また、図８では、比較例３，４及び実施例１，４における堆積工程の後に残存するフォトレジスト（ライン）の線幅である「Ｌ−ＣＤ」と、堆積工程の後に残存するフォトレジストの高さである「ＰＲ Ｒｅｍａｉｎ」とを併せて示した。また、図８では、比較例２及び実施例１，３における堆積工程の後のＬＷＲ、ＬＥＲ及びＳＷＲの値を示すとともに、ＬＷＲとＬＥＲとＳＷＲとを合計した値である「ＳＵＭ」を併せて示した。なお、ＬＷＲ、ＬＥＲ、ＳＷＲ及びＳＵＭは、それぞれ、ラインの不均一性の度合いを示し、値が小さいほど、ラインの荒れが小さいことを示す。
また、図９では、比較例３，４及び実施例１，４における堆積工程の後の「ＳＵＭ」（＝ＬＷＲ＋ＬＥＲ＋ＳＷＲ）と、ＳｉＣｌ４ガスの流量とＣＨ４ガスの流量との総和に対するＣＨ４ガスの流量の比率との関係を示した。図９において、縦軸は、比較例３，４及び実施例１，４における堆積工程の後の「ＳＵＭ」（＝ＬＷＲ＋ＬＥＲ＋ＳＷＲ）を示し、横軸は、ＳｉＣｌ４ガスの流量とＣＨ４ガスの流量との総和に対するＣＨ４ガスの流量の比率を示す。
また、図１０では、比較例３，４及び実施例１，４における堆積工程の後に残存するフォトレジストの高さである「ＰＲ Ｒｅｍａｉｎ」と、ＳｉＣｌ４ガスの流量とＣＨ４ガスの流量との総和に対するＣＨ４ガスの流量の比率との関係を示した。図１０において、縦軸は、比較例３，４及び実施例１，４における堆積工程の後に残存するフォトレジストの高さである「ＰＲ Ｒｅｍａｉｎ」を示し、横軸は、ＳｉＣｌ４ガスの流量とＣＨ４ガスの流量との総和に対するＣＨ４ガスの流量の比率を示す。なお、以下では、ＳｉＣｌ４ガスの流量とＣＨ４ガスの流量との総和に対するＣＨ４ガスの流量の比率を、「ＣＨ４比率」と呼ぶ。
図８及び図９に示すように、ＣＨ４比率が８０％よりも大きい比較例４と比較して、ＣＨ４比率が０％よりも大きく８０％以下である実施例１，４では、実施例１，４のいずれにおいても、堆積工程の後のラインの荒れが改善された。また、図８及び図１０に示すように、ＣＨ４比率が０である比較例３並びにＣＨ４比率が８０％よりも大きい比較例４と比較して、ＣＨ４比率が０％よりも大きく８０％以下である実施例１，４では、実施例１，４のいずれにおいても、堆積工程の後のフォトレジストの高さが改善された。
このように、ＣＨ４比率が０％である比較例３並びにＣＨ４比率が８０％よりも大きい比較例４と比較して、ＣＨ４比率が０％よりも大きく８０％以下である実施例１，４では、堆積工程の後のラインの荒れを抑えつつ、堆積工程の後のフォトレジストの高さをより高く維持することが可能である。言い換えると、さらにエッチング工程が継続して行われた場合であっても、ＣＨ４比率が０％よりも大きく８０％以下である実施例１，４ではＣＨ４比率が０％である比較例３並びにＣＨ４比率が８０％よりも大きい比較例４と比較して、綺麗にエッチングすることが可能となる。その結果、実施例１，４では、比較例３，４と比較して、エッチングにより形成されるラインの荒れを抑えつつ、かつ、エッチング後に残存するフォトレジストの高さをより高く維持することが可能である。
１ チャンバ
２ 支持テーブル
３ 絶縁板
４ 支持台
１１ 排気ポート
１２ 排気系
１８ ガス導入機構
２３ 処理ガス供給系
５０ プロセスコントローラ
１００ プラズマエッチング装置

Claims (3)

  1. 下地層と、所定のパターンを有するフォトレジストとが順に積層された被処理体の前記フォトレジストに対して、四塩化ケイ素ガス、メタンガス及び水素ガスを含む第１の処理ガスのプラズマによりケイ素及び炭素を含む保護層を堆積させる堆積工程と、
    前記保護層が堆積された前記フォトレジストをマスクとして、前記第１の処理ガスとは異なる第２の処理ガスのプラズマにより前記下地層をエッチングするエッチング工程と
    を含み、
    前記堆積工程は、前記被処理体に対してバイアス電圧を印加せず、
    前記四塩化ケイ素ガスの流量と前記メタンガスの流量との総和に対する前記メタンガスの流量の比率は、８０％以下であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 前記フォトレジストに前記保護層が堆積された後に、前記被処理体と対向して配置された、シリコンを含む上部電極に負の直流電圧を印加した状態で、水素ガス及び不活性ガスを含む第３の処理ガスのプラズマにより前記保護層を硬化させる硬化工程をさらに含み、
    前記エッチング工程は、硬化された前記保護層が堆積された前記フォトレジストをマスクとして、前記第２の処理ガスのプラズマにより前記下地層をエッチングす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。
  3. 前記第２の処理ガスは、ＣＦ４ガス、ＣＨＦ３ガス及びＯ２ガスを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
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