JP6211947B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関するものである。
半導体装置の一種として、３次元構造を有するＮＡＮＤ型フラッシュメモリデバイスが知られている。３次元構造を有するＮＡＮＤ型フラッシュメモリデバイスの製造においては、誘電率の異なる二つの層が交互に設けられることによって構成される多層膜のエッチングを行って、当該多層膜に深いホールを形成する工程が行われる。このような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。
具体的に、特許文献１には、多層膜上にアモルファスカーボン製のマスクを有する被処理体を、ＣＨ２Ｆ２ガス、Ｎ２ガス、及びＮＦ３を含む処理ガスのプラズマに晒すことによって、当該多層膜のエッチングが行われている。また、特許文献１には、エッチングにおいて、チャンバ内の圧力をランプダウンさせることが記載されている。
米国特許出願公開第２０１３／００５９４５０号明細書
上述した多層膜のエッチングようにエッチング対象の膜に深いホールを形成するためのエッチングにおいては、エッチングの最後までマスクが維持されることが必要である。即ち、マスク選択比が要求される。しかしながら、特許文献１に記載された処理ガスのプラズマに対しては、マスクを維持することが困難なことがある。
したがって、本技術分野においては、ホールのような深い形状のエッチングにおいて、マスク選択比を改善することが必要となっている。
一側面においては、半導体装置の製造方法が提供される。この製造方法は、（ａ）互いに異なる誘電率を有し、交互に積層された第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜を含む多層膜、並びに、該多層膜上に設けられたマスクを有する被処理体を、プラズマ処理装置の処理容器内に準備する工程と、（ｂ）多層膜をエッチングする工程であって、水素ガス、臭化水素ガス、及び三フッ化窒素ガスを含み、且つ、炭化水素ガス、フルオロハイドロカーボンガス、及びフルオロカーボンガスのうち少なくとも一つを含む処理ガスを処理容器内に供給し、プラズマ処理装置の処理容器内において処理ガスのプラズマを生成する、該工程と、を含む。
この製造方法の工程（ｂ）において用いられる処理ガスは、とりわけ、炭素及び水素を含む。また、この処理ガスには、比較的多くの原子数の水素が含まれる。これにより、工程（ｂ）のエッチング中に、炭素を含み、且つ、高い硬度を有する保護膜がマスクの表面に形成される。その結果、エッチングの終了時まで、マスクの形状を維持することが可能となる。即ち、多層膜に対する深い形状のエッチングにおいて、マスク選択比を改善することが可能となる。
一形態において、前記プラズマ処理装置は容量結合型プラズマ処理装置であってもよく、多層膜をエッチングする工程（ｂ）において、プラズマ処理装置の上部電極又は下部電極にプラズマ生成用の高周波電力を供給し、プラズマ処理装置の下部電極に高周波バイアス電力を供給してもよい。一形態において、フルオロハイドロカーボンガスは、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ３Ｆガス、又はＣＨＦ３ガスであってもよい。また、一形態において、炭化水素ガスは、ＣＨ４ガスであってもよい。また、一形態において、第１の誘電体膜は酸化シリコン膜であり、第２の誘電体膜は窒化シリコン膜であってもよい。さらに、一形態において、マスクは、アモルファスカーボン製であってもよい。或いは、マスクは、有機ポリマーから構成されていてもよい。
また、一形態においては、工程（ｂ）が行われている期間内において被処理体の温度が変更されてもよい。被処理体の温度が低い場合には、多層膜のエッチングレートが高くなり、多層膜に形成される形状の幅、例えばホールの径が大きくなる。一方、被処理体の温度が高い場合には、多層膜のエッチングレートは低くなるが、厚い保護膜を形成することができ、深さ方向において深部に近くなるほど幅が細くなり且つ全体的に細い幅を有する形状、例えばホールを形成することができる。したがって、工程（ｂ）の途中で、被処理体の温度を変更することにより、高い垂直性及び細い幅を有する形状を形成することが可能となる。
一形態においては、工程（ｂ）において、第１の期間中の被処理体の温度が、当該第１の期間の後の第２の期間の被処理体の温度よりも高く設定される。即ち、一形態においては、工程（ｂ）の第１の期間において、被処理体の温度が比較的高い温度に設定され、工程（ｂ）の第２の期間において被処理体の温度が比較的低い温度に設定される。この形態によれば、第１の期間において、深さ方向において深部に近いほど細くなる幅を有する形状を形成することができ、また、当該形状を画成する面に厚い保護膜を形成することができる。そして、第２の期間において、深部における形状の幅を広げることができる。これにより、細い幅を有し且つ高い垂直性を有する形状、例えばホールを形成することが可能となる。
一形態においては、工程（ｂ）において、第１の期間中の被処理体の温度が、当該第１の期間の後の第２の期間の被処理体の温度よりも低く設定される。即ち、一形態においては、工程（ｂ）の第１の期間において、被処理体の温度が比較的低い温度に設定され、工程（ｂ）の第２の期間において被処理体の温度が比較的高い温度に設定される。この形態によれば、第１の期間において、高いエッチングレートを確保し、第２の期間において、細い形状、例えばホールを形成することができる。
以上説明したように、本発明の一側面によれば、多層膜に対する深い形状のエッチングにおいて、マスク選択比を改善することが可能となる。
一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す流れ図である。 工程ＳＴ１において準備されるウエハの一例を示す図である。 プラズマ処理装置の一例を概略的に示す図である。 図３に示すバルブ群、流量制御器群、及びガスソース群を詳細に示す図である。 工程ＳＴ２においてエッチングされている状態のウエハを示す図である。 実験例２及び実験例３の結果を示す三つのグラフである。 実験例４及び実験例５の結果を示す二つのグラフである。
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附すこととする。
図１は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す流れ図である。図１に示す方法ＭＴは、例えば、３次元構造を有するＮＡＮＤフラッシュメモリの製造に用いることができるものであり、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含んでいる。工程ＳＴ１は、被処理体（以下、「ウエハ」という）Ｗを準備する工程であり、工程ＳＴ２は、ウエハＷの多層膜をエッチングする工程である。
図２は、工程ＳＴ１において準備されるウエハの一例を示す図である。図２に示すウエハＷは、下地層ＵＬ、多層膜ＩＬ、及び、マスクＭＳＫを有する。下地層ＵＬは、基板上に設けられた多結晶シリコン製の層であり得る。この下地層ＵＬ上には、多層膜ＩＬが設けられている。多層膜ＩＬは、誘電率の異なる二つの誘電体膜ＩＬ１及びＩＬ２が交互に積層された構造を有している。一実施形態では、誘電体膜ＩＬ１は酸化シリコン膜であり、誘電体膜ＩＬ２は窒化シリコン膜である。誘電体膜ＩＬ１の厚みは、例えば、５ｎｍ〜５０ｎｍであり、誘電体膜ＩＬ２の厚みは、例えば、１０ｎｍ〜７５ｎｍである。多層膜ＩＬ上には、マスクＭＳＫが設けられている。マスクＭＳＫは、多層膜ＩＬにホールといった深い形状を形成するためのパターンを有している。マスクＭＳＫは、例えば、アモルファスカーボン製であり得る。或いは、マスクＭＳＫは、有機ポリマーから構成されていてもよい。
再び図１を参照する。方法ＭＴの工程ＳＴ１では、ウエハＷがプラズマ処理装置の処理容器内に準備される。一例においては、プラズマ処理装置は容量結合型プラズマ処理装置であり得る。以下、方法ＭＴの実施に用いることが可能なプラズマ処理装置の一例について説明する。図３は、プラズマ処理装置の一例を概略的に示す図であり、当該プラズマ処理装置の縦断面における構造を示している。
図３に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合型プラズマエッチング装置であり、略円筒状の処理容器１２を備えている。処理容器１２の内壁面は、陽極酸化処理されたアルミニウムから構成されている。この処理容器１２は保安接地されている。
処理容器１２の底部上には、絶縁材料から構成された略円筒状の支持部１４が設けられている。支持部１４は、処理容器１２内において、処理容器１２の底部から鉛直方向に延在している。支持部１４は、処理容器１２内に設けられた載置台ＰＤを支持している。具体的には、図３に示すように、支持部１４は、当該支持部１４の内壁面において載置台ＰＤを支持し得る。
載置台ＰＤは、その上面においてウエハＷを保持する。載置台ＰＤは、下部電極１６及び支持部１８を含み得る。下部電極１６は、例えばアルミニウムといった金属から構成されており、略円盤形状をなしている。この下部電極１６の上面の上には、支持部１８が設けられている。
支持部１８は、ウエハＷを支持するものであり、ベース部１８ａ及び静電チャック１８ｂを含んでいる。ベース部１８ａは、例えばアルミニウムといった金属製から構成されており、略円盤形状をなしている。ベース部１８ａは、下部電極１６上に設置されており、下部電極１６に電気的に接続されている。静電チャック１８ｂは、ベース部１８ａの上に設けられている。静電チャック１８ｂは、導電膜である電極を一対の絶縁層又は絶縁シート間に配置した構造を有している。静電チャック１８ｂの電極には、直流電源２２が電気的に接続されている。この静電チャック１８ｂは、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力によりウエハＷを吸着保持することができる。
支持部１８のベース部１８ａの周縁部上には、ウエハＷの周縁及び静電チャック１８ｂを囲むようにフォーカスリングＦＲが配置されている。フォーカスリングＦＲは、エッチングの均一性を向上させるために設けられている。フォーカスリングＦＲは、エッチング対象の膜の材料によって適宜選択される材料から構成されており、例えば、石英から構成され得る。
ベース部１８ａの内部には、冷媒流路２４が設けられている。冷媒流路２４は、一実施形態に係る温調機構を構成している。冷媒流路２４には、外部に設けられたチラーユニットから配管２６ａ，２６ｂを介して所定温度の冷媒が循環供給される。このように循環される冷媒の温度を制御することにより、支持部１８上によって支持されたウエハＷの温度が制御される。
また、プラズマ処理装置１０には、ガス供給ライン２８が設けられている。ガス供給ライン２８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１８ｂの上面とウエハＷの裏面との間に供給する。
また、プラズマ処理装置１０は、上部電極３０を備えている。上部電極３０は、載置台ＰＤの上方において、当該載置台ＰＤと対向配置されている。下部電極１６と上部電極３０とは、互いに略平行に設けられている。これら上部電極３０と下部電極１６との間には、ウエハＷにプラズマ処理を行うための処理空間Ｓが画成されている。
上部電極３０は、絶縁性遮蔽部材３２を介して、処理容器１２の上部に支持されている。この上部電極３０は、電極板３４及び電極支持体３６を含み得る。電極板３４は、処理空間Ｓに面しており、複数のガス吐出孔３４ａを画成している。この電極板３４は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体から構成され得る。
電極支持体３６は、電極板３４を着脱自在に支持するものであり、例えばアルミニウムといった導電性材料から構成され得る。この電極支持体３６は、水冷構造を有し得る。電極支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。このガス拡散室３６ａからは、ガス吐出孔３４ａに連通する複数のガス通流孔３６ｂが下方に延びている。また、電極支持体３６には、ガス拡散室３６ａに処理ガスを導くガス導入口３６ｃが形成されており、このガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。
ガス供給管３８には、バルブ群４２及び流量制御器群４４を介して、ガスソース群４０が接続されている。図４は、図３に示すバルブ群、流量制御器群、及びガスソース群を詳細に示す図である。図４に示すように、ガスソース群４０は、複数（Ｎ個）のガスソース４０１〜４０５を含んでいる。ガスソース４０１〜４０５はそれぞれ、Ｈ２ガス、ＨＢｒガス、ＮＦ３ガス、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ４ガスのソースである。なお、ガスソース４０１は、任意の水素ガスのソースであることができ、ガスソース４０３は、任意のフルオロカーボン系ガスのソースであることができる。フルオロカーボン系ガスは、フルオロカーボンガス又はフルオロハイドロカーボンガスであり得る。フルオロカーボンガスとしては、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＦ４ガスが例示され、フルオロハイドロカーボンガスとしては、ＣＨ２Ｆ２ガスの他に、ＣＨ３Ｆガス、ＣＨＦ３ガスが例示される。また、ガスソース４０４は、任意の炭化水素ガスのソースであることができる。
流量制御器群４４は、複数（Ｎ個）の流量制御器４４１〜４４５を含んでいる。流量制御器４４１〜４４５は、対応のガスソースから供給されるガスの流量を制御する。これら流量制御器４４１〜４４５は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）であってもよく、ＦＣＳであってもよい。バルブ群４２は、複数（Ｎ個）のバルブ４２１〜４２５を含んでいる。ガスソース４０１〜４０５はそれぞれ、流量制御器４４１〜４４５及びバルブ４２１〜４２５を介して、ガス供給管３８に接続されている。ガスソース４０１〜４０５のガスは、ガス供給管３８からガス拡散室３６ａに至り、ガス通流孔３６ｂ及びガス吐出孔３４ａを介して処理空間Ｓに吐出される。
図３に戻り、プラズマ処理装置１０は、接地導体１２ａを更に備え得る。接地導体１２ａは、略円筒状をなしており、処理容器１２の側壁から上部電極３０の高さ位置よりも上方に延びるように設けられている。
また、プラズマ処理装置１０では、処理容器１２の内壁に沿ってデポシールド４６が着脱自在に設けられている。デポシールド４６は、支持部１４の外周にも設けられている。デポシールド４６は、処理容器１２にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するものであり、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。
処理容器１２の底部側においては、支持部１４と処理容器１２の内壁との間に排気プレート４８が設けられている。排気プレート４８は、例えば、アルミニウム材にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。この排気プレート４８の下方において処理容器１２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、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、処理容器１２内を所望の真空度まで減圧することができる。また、処理容器１２の側壁にはウエハＷの搬入出口１２ｇが設けられており、この搬入出口１２ｇはゲートバルブ５４により開閉可能となっている。
処理容器１２の内壁には、導電性部材（ＧＮＤブロック）５６が設けられている。導電性部材５６は、高さ方向においてウエハＷと略同じ高さに位置するように、処理容器１２の内壁に取り付けられている。この導電性部材５６は、グランドにＤＣ的に接続されており、異常放電防止効果を発揮する。なお、導電性部材５６はプラズマ生成領域に設けられていればよく、その設置位置は図３に示す位置に限られるものではない。
また、プラズマ処理装置１０は、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４を更に備えている。第１の高周波電源６２は、プラズマ生成用の第１の高周波（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を発生する電源であり、２７〜１００ＭＨｚの周波数、一例においては１００ＭＨｚの高周波電力を発生する。第１の高周波電源６２は、整合器６６を介して下部電極１６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１６側）の入力インピーダンスを整合させるための回路である。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２の高周波電源６４は、ウエハＷにイオンを引き込むための第２の高周波電力、即ち高周波バイアス電力を発生する電源であり、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、一例においては４００ｋＨｚの高周波電力を発生する。第２の高周波電源６４は、整合器６８を介して下部電極１６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１６側）の入力インピーダンスを整合させるための回路である。
また、プラズマ処理装置１０は、直流電源部７０を更に備えている。直流電源部７０は、上部電極３０に接続されている。直流電源部７０は、負の直流電圧を発生し、当該直流電圧を上部電極３０に与えることが可能である。
また、一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、制御部Ｃｎｔを更に備え得る。この制御部Ｃｎｔは、プロセッサ、記憶部、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。この制御部Ｃｎｔでは、入力装置を用いて、オペレータがプラズマ処理装置１０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、また、表示装置により、プラズマ処理装置１０の稼働状況を可視化して表示すことができる。さらに、制御部Ｃｎｔの記憶部には、プラズマ処理装置１０で実行される各種処理をプロセッサにより制御するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマ処理装置１０の各部に処理を実行させるためのプログラム、即ち、処理レシピが格納される。
具体的に、制御部Ｃｎｔは、流量制御器４４１〜４４５、バルブ４２１〜４２５、排気装置５０に制御信号を送出し、工程ＳＴ２のエッチング時に処理ガスが処理容器１２内に供給され、且つ、当該処理容器１２内の圧力が設定された圧力となるように、制御を実行する。
また、一実施形態において、制御部Ｃｎｔは、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４からの高周波電力が、当該高周波電力のＯＮとＯＦＦがパルス状に切り換えられて下部電極１６に供給されるよう、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４に制御信号を送出することができる。また、制御部Ｃｎｔは、高周波電力がＯＮとなっている期間よりも絶対値の大きな負の直流電圧が、高周波電力がＯＦＦになっている期間に上部電極３０に印加されるよう、直流電源部７０に制御信号を送出することができる。なお、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力のＯＮ及びＯＦＦの周波数は、例えば、１ｋＨｚ〜４０ｋＨｚである。ここで、高周波電力のＯＮ及びＯＦＦの周波数とは、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力がＯＮの期間とＯＦＦの期間とからなる期間を１周期とする周波数である。また、１周期において高周波電力がＯＮの期間が占めるデューティー比は、例えば、５０％〜９０％である。また、直流電源部の直流電圧値の切り替えは、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力のＯＮ及びＯＦＦの切り換えに同期され得る。
再び図１を参照して、方法ＭＴの説明を続ける。工程ＳＴ１では、処理容器１２内に搬送されたウエハＷが載置台ＰＤ上に配置され、静電チャック１８ｂによって吸着保持される。次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ２が行われる。
工程ＳＴ２では、多層膜ＩＬのエッチングが行われる。このため、工程ＳＴ２では、ガスソース群４０からの処理ガスが処理容器１２内に供給され、処理容器内の圧力が所定の圧力に設定される。この処理ガスは、水素ガス、ＨＢｒガス、及びＮＦ３ガスを含み、且つ、炭化水素ガス、フルオロハイドロカーボンガス、及びフルオロカーボンガスのうち少なくとも一つを含む。例えば、処理ガスは、Ｈ２ガス、ＨＢｒガス、ＮＦ３ガス、ＣＨ４ガス、ＣＨ２Ｆ２ガスを含む。また、工程ＳＴ２では、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４からの高周波電力が下部電極１６に与えられる。工程ＳＴ２における各種条件は、例えば、以下に示される範囲内の条件に設定される。
・Ｈ２ガスの流量：５０〜３００ｓｃｃｍ
・ＨＢｒガスの流量：５〜５０ｓｃｃｍ
・ＮＦ３ガスの流量：５０〜１００ｓｃｃｍ
・ＣＨ４ガスの流量：５〜５０ｓｃｃｍ
・ＣＨ２Ｆ２ガスの流量：４０〜８０ｓｃｃｍ
・第１の高周波電源６２の高周波電力の周波数：２７〜１００ＭＨｚ
・第１の高周波電源６２の高周波電力：５００〜２７００Ｗ
・第２の高周波電源６４の高周波電力の周波数：０．４〜１３ＭＨｚ
・第２の高周波電源６４の高周波電力：１０００〜４０００Ｗ
・処理容器１２内の圧力：２．６６〜１３．３Ｐａ （２０〜１００ｍＴ）
また、一実施形態では、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力のＯＮとＯＦＦがパルス状に切り換えられてもよい。また、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力のＯＮとＯＦＦの切り換えに同期させて、上述したように、上部電極３０に印加される負の直流電圧の絶対値の大小が切り換えられてもよい。この形態では、高周波電力がＯＮであるときにプラズマが生成され、高周波電力がＯＦＦであるときに、ウエハＷ直上のプラズマが消失する。また、高周波電力がＯＦＦであるときに上部電極３０に印加される負の直流電圧により、正イオンが上部電極３０に引き込まれて衝突する。これにより、上部電極３０から二次電子が放出される。放出された二次電子は、マスクＭＳＫを改質し、マスクＭＳＫのエッチング耐性を向上させる。また、二次電子は、ウエハＷの帯電状態を中和し、その結果、後続のエッチング時に多層膜ＩＬに形成されたホール内へのイオンの直進性が高められる。なお、第１の高周波電源６２及び第２の高周波電源６４の高周波電力のＯＮとＯＦＦの切り換えに関する条件、及び、上部電極３０に印加される負の直流電圧の条件は、例えば、次の通りである。
・高周波電力のＯＮとＯＦＦの周波数：１〜４０ｋＨｚ
・一周期において高周波電力がＯＮの期間が占めるデューティー比：５０〜９０％
・高周波電力がＯＮの期間の負の直流電圧の絶対値：１５０〜５００Ｖ
・高周波電力がＯＦＦの期間の負の直流電圧の絶対値：３５０〜１０００Ｖ
この工程ＳＴ２では、処理容器１２内において処理ガスのプラズマが生成される。即ち、フッ素の活性種、水素の活性種、及び臭素の活性種が発生する。これらの活性種によって、図５に示すように、マスクＭＳＫの開口部の下方において、多層膜ＩＬがエッチングされる。また、工程ＳＴ２では、処理ガスに含まれる炭素を含有する保護膜ＰＦがマスクＭＳＫの表面に付着する。工程ＳＴ２に用いられる処理ガスは、水素ガス、ＨＢｒガスといった水素を含有するガスを含んでいるので、処理ガスには、比較的多くの原子数の水素が含まれる。したがって、水素の活性種によって保護膜ＰＦが改質され、保護膜ＰＦの硬度が高められる。その結果、工程ＳＴ２のエッチングの終了時まで、マスクの形状を維持することが可能となる。即ち、多層膜ＩＬに対する深い形状のエッチングにおいて、マスク選択比を改善することが可能となる。
また、処理ガスのプラズマ中には、比較的多くの水素の活性種が含まれているので、誘電体膜ＩＬ２が窒化シリコン膜である場合には、当該誘電体膜ＩＬ２のエッチングレートが大きくなる。その結果、多層膜ＩＬのエッチングレートが高められる。
さらに、処理ガスのプラズマ中には、臭素の活性種が含まれているので、多層膜ＩＬに形成されるホールを画成する面にＳｉＢｒＯといったエッチング副生成物の膜が形成される。これにより、多層膜ＩＬに形成されるホールを画成する面が、滑らかな面となる。
一実施形態においては、工程ＳＴ２が行われている期間内においてウエハＷの温度が変更されてもよい。ウエハＷの温度が低い場合には、多層膜ＩＬのエッチングレートが高くなり、多層膜に形成される形状の幅、例えばホールの径が大きくなる。一方、被処理体の温度が高い場合には、多層膜のエッチングレートは低くなるが、厚い保護膜を形成することができ、深さ方向において深部に近くなるほど細くなり且つ全体的に細い幅を有する形状を形成することができる。したがって、工程ＳＴ２の途中で、ウエハＷの温度を変更することにより、高い垂直性及び細い幅を有する形状、例えばホールを形成することが可能となる。
具体的な一例の工程ＳＴ２では、第１の期間中のウエハＷの温度が、第１の期間の後の第２の期間中のウエハＷの温度よりも高く設定される。即ち、工程ＳＴ２の第１の期間において、被処理体の温度が比較的高い温度に設定され、工程ＳＴ２の第２の期間において被処理体の温度が比較的低い温度に設定される。例えば、第１の期間は、工程ＳＴ２の開始から途中の時点までの期間であり、第２の期間は当該途中の時点から工程ＳＴ２の終了までの期間である。また、例えば、第１の期間のウエハＷの温度は、３０℃であり、第２の期間のウエハＷの温度は、１０℃である。かかる工程ＳＴ２によれば、第１の期間において、深さ方向において深部に近いほど細くなる幅を有する形状を形成することができ、また、ホールといった形状を画成する面に厚い保護膜を形成することができる。そして、第２の期間において、深部における形状の幅を広げることができる。これにより、細い幅を有し且つ高い垂直性を有する形状、例えばホールを形成することが可能となる。
具体的な別の一例の工程ＳＴ２では、第１の期間中のウエハＷの温度が、第１の期間の後の第２の期間中のウエハＷの温度よりも低く設定される。即ち、工程ＳＴ２の第１の期間において、被処理体の温度が比較的低い温度に設定され、工程ＳＴ２の第２の期間において被処理体の温度が比較的低い高いに設定される。例えば、第１の期間のウエハＷの温度は、１０℃であり、第２の期間のウエハＷの温度は、３０℃である。かかる工程ＳＴ２によれば、第１の期間において、高いエッチングレートを確保し、第２の期間において、細い幅を有する形状、例えばホールを形成することができる。
ここで、プラズマ処理装置１０を用いて行った実験例１及び比較例について説明する。実験例１及び比較例では、１２層の酸化シリコン膜及び１２層の窒化シリコン膜を有し、２４００ｎｍの総厚を有する多層膜ＩＬを備えたウエハを用いて、多層膜ＩＬを貫通するホールを形成した。実験例１では、Ｈ２ガス、ＨＢｒガス、ＮＦ３ガス、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ４ガスを含む処理ガスを用いて、エッチングを行った。一方、比較例では、Ｃ４Ｆ６ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、ＣＨ２Ｆ２ガス、Ａｒガスを含む処理ガスを用いてエッチングを行った。
その結果、実験例１ではマスク選択比は１２．６であり、比較例ではマスク選択比は４．８であった。ここで、マスク選択比は、マスク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であり、その値が大きい方がマスクのダメージが少ないこと、即ち、マスクが維持されることを示す尺度である。また、実験例１では多層膜のエッチングレートは、４００ｎｍ／ｍｉｎであり、比較例では多層膜のエッチングレートは１７５ｎｍ／ｍｉｎであった。この実験例１及び比較例の結果から明らかなように、方法ＭＴによれば、マスク選択比が改善されることが確認された。さらに、方法ＭＴによれば、多層膜のエッチングレートが高められることが確認された。
次いで、プラズマ処理装置１０を用いて行った実験例２及び実験例３について説明する。実験例２では、第１の高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに設定し、第２の高周波電力の周波数を４００ｋＨｚに設定して、実験例１と同様のウエハをエッチングした。また、実験例３では、第１の高周波電力の周波数を６０ＭＨｚに設定し、第２の高周波電力の周波数を４００ｋＨｚに設定して、実験例１と同様のウエハをエッチングした。実験例２及び実験例３のエッチングに関する他の条件は、実験例１のエッチングに関する条件と同様である。
そして、実験例２及び実験例３のそれぞれについて、エッチングによって形成されたホールの深部における幅、ホールの上部における幅、及び、ホールの上部における幅に対するホールの深部における幅の比を求めた。図６にその結果を示す。図６の（ａ）には、実験例２及び実験例３のエッチングによって形成されたホールの上部における幅、即ち、「Ｔｏｐ ＣＤ」が示されている。また、図６の（ｂ）には、実験例２及び実験例３のエッチングによって形成されたホールの深部における幅、即ち、「Ｂｏｔｔｏｍ ＣＤ」が示されている。また、実験例２及び実験例３のエッチングによって形成されたホールの上部における幅に対するホールの深部における幅の比、即ち、「Ｂ／Ｔ Ｒａｔｉｏ」が示されている。図６の（ａ）に示すように、実験例２の場合、即ち、第１の高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに設定した場合に、実験例３の場合、即ち、第１の高周波電力を６０ＭＨｚに設定した場合よりも、ホールの上部における幅が狭くなることが確認された。また、図６の（ｂ）に示すように、第１の高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに設定した場合に、第１の高周波電力を６０ＭＨｚに設定した場合よりも、ホールの深部における幅が広くなることが確認された。また、図６の（ｃ）に示すように、第１の高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに設定した場合に、第１の高周波電力を６０ＭＨｚに設定した場合よりも、ホールの上部の幅に対するホールの深部の幅の比が１００％に近づくことが確認された。このことから、周波数を１００ＭＨｚに近づけることにより、垂直性の高いホール、即ち、深さ方向において幅の変動が少ないホールを形成することが可能であることが確認された。なお、第１の高周波電力が１００ＭＨｚに近づけることにより垂直性の高いホールが形成される理由は、第１の高周波電力が高くなるほど、プラズマの密度が高くなり、保護膜の量が増え、且つ、エッチングに寄与する活性種の量も増え、その結果、ホールの上部の幅が広がることが抑制され、また、ホールの深部の形成が促進されることによるものと考えられる。
次いで、プラズマ処理装置１０を用いて行った実験例４及び実験例５について説明する。実験例４では、第１の高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに設定し、第２の高周波電力の周波数を４００ｋＨｚに設定して、実験例１と同様のウエハをエッチングした。また、実験例５では、第１の高周波電力の周波数を１００ＭＨｚに設定し、第２の高周波電力の周波数を３．２ＭＨｚに設定して、実験例１と同様のウエハをエッチングした。実験例４及び実験例５のエッチングに関する他の条件は、実験例１のエッチングに関する条件と同様である。なお、実験例４では、第１の高周波電力、即ち、「ＨＦ」を５００Ｗ、１２５０Ｗ、２０００Ｗの３種に設定して３回のエッチングを行った。また、実験例５では、「ＨＦ」を５００Ｗ、１５００Ｗ、２０００Ｗの３種に設定して３回のエッチングを行った。
そして、実験例４及び実験例５のエッチングの際のエッチングレートを求めた。図７にその結果を示す。図７の（ａ）には、実験例４において求めたエッチングレートを示すグラフが示されており、図７の（ｂ）には、実験例５において求めたエッチングレートを示すグラフが示されている。図７のグラフにおいて、横軸は、ウエハの直径上の位置を示しており、ウエハの中心位置は「０」である。また、図７において、縦軸はエッチングレートを示している。図７の（ｂ）に示すように、実験例５、即ち、第２の高周波電力の周波数を３．２ＭＨｚに設定した実験例では、ウエハの中央付近において局所的にエッチングレートが高くなる傾向があった。一方、実験例４、即ち、第２の高周波電力の周波数を４００ｋＨｚに設定した実験例では、ウエハの径方向におけるエッチングレートの均一性が高められることが確認された。このことから、第２の高周波電力の周波数を４００ｋＨｚに近づけることにより、エッチングレートの面内均一性を高めることができることが確認された。
以上、実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、プラズマ処理装置は、容量結合型プラズマ処理装置に限定されるものではなく、誘導結合型プラズマ処理装置であってもよく、或いは、マイクロ波を導波管及びアンテナを介して処理容器内に導入してプラズマを形成するプラズマ処理装置であってもよい。
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、ＰＤ…載置台、１６…下部電極、１８ｂ…静電チャック、３０…上部電極、４０…ガスソース群、５０…排気装置、６２…第１の高周波電源（プラズマ生成用）、６４…第２の高周波電源（イオン引き込み用）、７０…直流電源部、Ｃｎｔ…制御部、Ｗ…ウエハ（被処理体）、ＩＬ…多層膜、ＩＬ１，ＩＬ２…誘電体膜、ＭＳＫ…マスク、ＭＴ…半導体装置の製造方法。

Claims (9)

  1. 半導体装置の製造方法であって、
    互いに異なる誘電率を有し、交互に積層された第１の誘電体膜及び第２の誘電体膜を含む多層膜、並びに、該多層膜上に設けられたマスクを有する被処理体を、プラズマ処理装置の処理容器内に準備する工程であり、該第１の誘電体膜は酸化シリコン膜であり、該第２の誘電体膜は窒化シリコン膜である、該工程と、
    前記多層膜をエッチングする工程であって、水素ガス、臭化水素ガス、及び三フッ化窒素ガスを含み、且つ、炭化水素ガス、フルオロハイドロカーボンガス、及びフルオロカーボンガスのうち少なくとも一つを含む処理ガスを前記処理容器内に供給し、前記プラズマ処理装置の前記処理容器内において前記処理ガスのプラズマを生成する、該工程と、
    を含み、
    前記多層膜をエッチングする工程において、前記処理ガスに含まれる炭素を含有する保護膜が前記マスクの表面に形成され、前記プラズマからの水素の活性種により前記保護膜が改質され、前記第１の誘電体膜及び前記第２の誘電体膜が前記マスクに対して選択的にエッチングされる、
    製造方法。
  2. 前記プラズマ処理装置は容量結合型プラズマ処理装置であって、
    前記多層膜をエッチングする工程において、前記プラズマ処理装置の上部電極又は下部電極にプラズマ生成用の高周波電力を供給し、前記プラズマ処理装置の下部電極に高周波バイアス電力を供給する、請求項１記載の製造方法。
  3. 前記フルオロハイドロカーボンガスは、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ３Ｆガス、又はＣＨＦ３ガスである、請求項１又は２に記載の製造方法。
  4. 前記炭化水素ガスは、ＣＨ４ガスである、請求項１〜３の何れか一項に記載の製造方法。
  5. 前記マスクは、アモルファスカーボン製である、請求項１〜４の何れか一項に記載の製造方法。
  6. 前記多層膜をエッチングする工程が行われている期間内において前記被処理体の温度が変更される、請求項１〜５の何れか一項に記載の製造方法。
  7. 前記多層膜をエッチングする工程では、第１の期間中の前記被処理体の温度が、該第１の期間の後の第２の期間中の前記被処理体の温度よりも高く設定される、請求項６に記載の製造方法。
  8. 前記多層膜をエッチングする工程では、第１の期間中の前記被処理体の温度が、該第１の期間の後の第２の期間中の前記被処理体の温度よりも低く設定される、請求項６に記載の製造方法。
  9. 前記多層膜をエッチングする工程では、該多層膜のエッチングによって該多層膜に形成された形状を画成する面に、前記プラズマからの臭素を含むエッチング副生成物の膜が形成される、請求項１〜８の何れか一項に記載の製造方法。
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