JP7138529B2 - エッチング方法 - Google Patents

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Description

本開示の種々の側面および実施形態は、エッチング方法に関する。
半導体の加工方法の一つとして、ＡＬＥ（Atomic Layer Etching）法が知られている（例えば、下記非特許文献１参照）。ＡＬＥ法では、エッチャントガスの分子を被処理体の表面に吸着させることにより被処理体の表面に改質層を形成する第１ステップと、被処理体にイオンを照射することにより被処理体の表面に形成された改質層を除去する第２ステップとが行われる。ＡＬＥ法によりシリコン酸化膜をエッチングする場合、第１のステップでは、例えばＡｒ／Ｃ4Ｆ8のプラズマを用いてシリコン酸化膜の表面にＣＦ系の改質層が形成され、形成された改質層が第２ステップで除去される（例えば、下記非特許文献２参照）。
Keren J. Kanarik, Thorsten Lill, Eric A. Hudson, Saravanapriyan Sriraman, Samantha Tan, Jeffrey Marks, Vahid Vahedi, and Richard A. Gottscho, "Overview of atomic layer etching in the semiconductor industry" Journal of Vacuum Science & Technology A 33, 020802 (2015); doi: 10.1116/1.4913379 Takayoshi Tsutsumi, Hiroki Kondo, Masaru Hori, Masaru Zaitsu, Akiko Kobayashi, Toshihisa Nozawa, and Nobuyoshi Kobayashi, "Atomic layer etching of SiO2 by alternating an O2 plasma with fluorocarbon film deposition" Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films 35, 01A103 (2017)
本開示は、チャンバ内に付着する反応副生成物（いわゆるデポ）を抑制し、被処理体へのイオンダメージを低減することができるエッチング方法を提供する。
本開示の一側面は、エッチング方法であって、改質工程と、除去工程とを含む。改質工程では、シリコン酸化膜を有する被処理体にフッ素含有ガスを供給することにより、シリコン酸化膜の表面に改質層が形成される。除去工程では、改質層が形成された被処理体を、アンモニアを含むガスのプラズマに晒すことにより、被処理体から改質層が除去される。また、改質工程と除去工程とは、交互に複数回繰り返される。
本開示の種々の側面および実施形態によれば、チャンバ内に付着するデポを抑制し、被処理体へのイオンダメージを低減することができる。
図１は、本開示の一実施形態におけるエッチング装置の一例を示す概略断面図である。 図２は、ＣｌＦ3ガスに対するエッチング量の一例を示す図である。 図３は、ＳｉＯ2の被処理体のＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）分析結果の一例を示す図である。 図４Ａは、ＡＬＥシーケンスＡの一例を示す図である。 図４Ｂは、ＡＬＥシーケンスＢの一例を示す図である。 図４Ｃは、ＡＬＥシーケンスＣの一例を示す図である。 図４Ｄは、ＡＬＥシーケンスＤの一例を示す図である。 図４Ｅは、ＡＬＥシーケンスＥの一例を示す図である。 図４Ｆは、ＡＬＥシーケンスＦの一例を示す図である。 図４Ｇは、ＡＬＥシーケンスＧの一例を示す図である。 図５は、各ＡＬＥシーケンスにおける被処理体の膜厚の変化量の一例を示す図である。 図６は、プラズマ照射時間と１サイクルあたりのエッチング量との関係の一例を示す図である。 図７は、ＣｌＦ3ガスの供給時間と１サイクルあたりのエッチング量との関係の一例を示す図である。 図８は、ＡＬＥサイクルとエッチング量との関係の一例を示す図である。 図９は、被処理体の温度とエッチングレートとの関係の一例を示す図である。 図１０は、被処理体の温度とＡＬＥシーケンスＤにおけるエッチング量との関係の一例を示す図である。 図１１は、本開示の一実施形態におけるエッチング方法の一例を示すフローチャートである。
以下に、開示されるエッチング方法の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態により、開示されるエッチング方法が限定されるものではない。
ところで、Ｃ4Ｆ8ガスのプラズマを用いた場合、チャンバ内でＣＦ系のポリマーがデポとして形成され、チャンバの内壁に付着する。そのため、エッチングの処理を続けるためには、チャンバの内壁に付着したデポを除去するために定期的にチャンバ内をクリーニングする必要がある。チャンバ内のクリーニングが実行されている間は、プロセスが停止するため、スループットが低下する。
また、従来技術では、第２ステップにおいて、プラズマ中のイオンを被処理体に照射することにより、被処理体の表面の改質層が除去される。しかし、被処理体に照射されたイオンの中には、改質層の下層の被処理体に到達するものもある。改質層の下層の被処理体にイオンが到達すると、エッチングにより除去される部分以外の被処理体の部分がイオンの衝撃によりダメージを受けることになる。
そこで、本開示は、チャンバ内に付着するデポを抑制し、被処理体へのイオンダメージを低減することができるエッチング技術を提供する。
［エッチング装置１の構成］
図１は、本開示の一実施形態におけるエッチング装置１の一例を示す概略断面図である。エッチング装置１は、装置本体１０および制御装置１１を有する。装置本体１０は、例えば図１に示すように、表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等により形成され、内部に略円筒形状の処理空間を画成するチャンバ２１を有する。チャンバ２１は、保安接地されている。本実施形態におけるチャンバ２１は、例えば容量結合型の平行平板プラズマ処理装置として構成されている。チャンバ２１内には、セラミックス等で形成された絶縁板２２を介して支持台２３が配置される。支持台２３上にはサセプタ２４が設けられている。支持台２３およびサセプタ２４は、例えばアルミニウム等で形成されている。サセプタ２４は、下部電極として機能する。
サセプタ２４の略中央上部には、被処理体Ｗを静電気力で吸着保持する静電チャック２５が設けられている。静電チャック２５は、導電膜等で形成された電極２６を一対の絶縁層で挟んだ構造を有する。電極２６には直流電源２７が電気的に接続されている。なお、静電チャック２５には、被処理体Ｗを加熱するための図示しないヒータが設けられている。
サセプタ２４の上部には、静電チャック２５を囲むようにエッジリング２５ａが配置されている。エッジリング２５ａにより、被処理体Ｗのエッジ付近におけるプラズマの均一性が向上する。エッジリング２５ａは、例えば単結晶シリコン等により形成される。支持台２３およびサセプタ２４の周囲には、支持台２３およびサセプタ２４を囲むように、内壁部材２８が設けられている。内壁部材２８は、例えば石英等により略円筒状に形成されている。
支持台２３の内部には、例えば支持台２３の周方向に沿って流路２９が形成されている。流路２９には、外部に設けられた図示しないチラーユニットから配管３０ａおよび配管３０ｂを介して、所定温度に制御された冷媒が循環供給される。流路２９内を冷媒が循環することにより、冷媒との熱交換により静電チャック２５上の被処理体Ｗを冷却することができる。また、静電チャック２５の上面と、静電チャック２５上に載置された被処理体Ｗの裏面との間には、図示しないガス供給機構から供給された伝熱ガスが、配管３１を介して供給される。伝熱ガスは、例えばヘリウムガスである。流路２９内を循環する冷媒と、静電チャック２５に設けられたヒータとにより、静電チャック２５上の被処理体Ｗの温度を所定の温度に調整することができる。
下部電極として機能するサセプタ２４の上方には、チャンバ２１内の処理空間を介してサセプタ２４と対向するように上部電極４０が設けられている。上部電極４０とサセプタ２４との間の空間であって、チャンバ２１に囲まれた空間が、プラズマが生成される処理空間である。上部電極４０は、天板４２と、天板４２を支持する天板支持部４１とを有する。
天板支持部４１は、絶縁部材４５を介して、チャンバ２１の上部に支持されている。天板支持部４１は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等の、熱伝導性が比較的に高い導電性材料により略円板状に形成されている。また、天板支持部４１は、処理空間で生成されたプラズマによって加熱された天板４２の熱を放散する放熱板としても機能する。天板支持部４１には、処理ガスを導入するガス導入口４６と、ガス導入口４６から導入された処理ガスを拡散させる拡散室４３と、拡散室４３内に拡散された処理ガスを下方に通流させる流路である複数の流通口４３ａとが形成されている。
天板４２には、天板４２を天板４２の厚さ方向に貫く複数のガス吐出口４２ａが形成されている。各ガス吐出口４２ａは、天板支持部４１の流通口４３ａのいずれかと連通するように配置されている。これにより、拡散室４３内に供給された処理ガスは、流通口４３ａおよびガス吐出口４２ａを介してチャンバ２１内にシャワー状に供給される。
また、上部電極４０には、整合器４７を介して高周波電源４８が電気的に接続されている。高周波電源４８は、４００ｋＨｚ～１００ＭＨｚの周波数の高周波電力、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、整合器４７を介して上部電極４０に印加する。高周波電力が上部電極４０に印加されることにより、上部電極４０とサセプタ２４との間の処理空間内に処理ガスのプラズマが生成される。高周波電源４８から供給される高周波電力の大きさおよびＯＮ／ＯＦＦは、後述する制御装置１１によって制御される。
天板支持部４１のガス導入口４６には、配管５４を介してガス供給機構５０が接続されている。ガス供給機構５０は、複数のガス供給源５１、複数のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）５２、および複数のバルブ５３を有する。配管５４には、複数のバルブ５３が接続されている。また、１つのバルブ５３には、１つのＭＦＣ５２を介して、１つのガス供給源５１が接続されている。バルブ５３が開状態に制御された場合、対応するガス供給源５１から供給されたガスは、ＭＦＣ５２によって流量が制御され、配管５４を介してチャンバ２１内に供給される。
実施形態において、ガス供給機構５０は、例えばフッ素含有ガスの供給源であるガス供給源５１、アンモニア（ＮＨ3）ガスの供給源であるガス供給源５１、およびパージガスの供給源であるガス供給源５１等を有する。本実施形態において、フッ素含有ガスは、例えばＣｌＦ3ガスである。本実施形態において、パージガスは、例えばＡｒガスである。なお、パージガスは、他の希ガスやＮ2ガス等の不活性ガスであってもよい。それぞれのＭＦＣ５２によるガスの流量の調整、および、それぞれのバルブ５３の開閉は、後述する制御装置１１によって制御される。
チャンバ２１の底部には排気口７１が設けられており、排気口７１には排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、例えばＤＰ（Dry Pump）やＴＭＰ（Turbo Molecular Pump）等の真空ポンプを有しており、チャンバ２１内を所望の圧力まで減圧することができる。排気装置７３は、後述する制御装置１１によって制御される。
チャンバ２１の側壁には被処理体Ｗの搬入および搬出を行うための開口７４が設けられている。開口７４は、ゲートバルブＧにより開閉可能となっている。また、チャンバ２１の内壁には、壁面に沿ってデポシールド７６が着脱自在に設けられている。また、内壁部材２８の外周面には、内壁部材２８の外周面に沿ってデポシールド７７が着脱自在に設けられている。デポシールド７６およびデポシールド７７は、チャンバ２１の内壁および内壁部材２８にデポが付着することを防止する。静電チャック２５上に載置された被処理体Ｗと略同じ高さのデポシールド７６の位置には、導電性部材により構成され、グランドに接続されたＧＮＤブロック７９が設けられている。ＧＮＤブロック７９により、チャンバ２１内の異常放電が防止される。
上記した装置本体１０は、制御装置１１によって、その動作が統括的に制御される。制御装置１１は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリと、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサと、入出力インターフェイスとを有する。
メモリには、制御プログラムや処理レシピ等が格納されている。プロセッサは、制御プログラムをメモリから読み出して実行し、メモリに格納されたレシピ等に基づいて、入出力インターフェイスを介して装置本体１０の各部を制御する。これにより、装置本体１０によって被処理体Ｗに対するエッチング処理が行われる。なお、メモリ内の制御プログラムや処理レシピ等は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体等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、例えば通信回線を介して伝送されたものを利用したりすることも可能である。コンピュータで読み取り可能な記録媒体とは、例えば、ハードディスク、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、フレキシブルディスク、半導体メモリ等である。
ここで、本実施形態では、図１に例示されたエッチング装置１を用いて、ＡＬＥ法によりシリコン酸化膜を有する被処理体Ｗのエッチングが行われる。本実施形態のＡＬＥ法では、まず、被処理体Ｗにフッ素含有ガスを供給することにより、シリコン酸化膜の表面に改質層が形成される改質工程が実行される。そして、改質層が形成された被処理体Ｗを、アンモニアを含むガスのプラズマに晒すことにより、被処理体Ｗから改質層が除去される除去工程が実行される。改質工程と除去工程とは、交互に複数回繰り返される。
［ＣｌＦ3ガスを用いた被処理体Ｗの表面の改質］
本実施形態では、被処理体Ｗとして例えばＳｉＯ2の熱酸化膜が用いられ、フッ素含有ガスとして例えばＣｌＦ3ガスが用いられる。ここで、ＳｉＯ2の被処理体ＷをＣｌＦ3ガスに晒したところ、エッチング量は、例えば図２のようになった。図２は、ＣｌＦ3ガスに対するエッチング量の一例を示す図である。図２では、ＣｌＦ3ガスのプラズマを用いた場合のエッチング量についても併せて例示されている。
ＳｉＯ2の被処理体ＷをＣｌＦ3ガスに晒したところ、例えば図２に示されるように、被処理体Ｗの温度が１００℃、２００℃、または３００℃のいずれの場合においても、被処理体Ｗはほとんどエッチングされなかった。
次に、ＣｌＦ3ガスに晒された後の被処理体Ｗと、ＣｌＦ3ガスのプラズマに晒された後の被処理体Ｗについて、ＸＰＳ分析を行ったところ、例えば図３のような結果となった。図３は、ＳｉＯ2の被処理体ＷのＸＰＳ分析結果の一例を示す図である。なお、図３では、被処理体Ｗの温度が１００℃の場合の結果について示されている。
例えば図３に示されるように、ＣｌＦ3ガスに晒された被処理体Ｗには、フッ素結合を示すピークが見られる。一方、ＣｌＦ3ガスのプラズマに晒された被処理体Ｗには、フッ素結合を示すピークは見られない。一般的にフッ素（Ｆ）を含むエッチングガスをチャンバ２１内に流す際、プラズマに含まれる高エネルギー粒子の衝突により活性なフッ素原子、ラジカル、およびイオンが発生する。ＡＬＥの第一処理である改質工程を、プラズマを用いて行う場合、活性度が高すぎるために被処理体Ｗの表面がエッチングされてしまう。その場合、自己飽和的な表面改質処理とはならず、エッチングの均一性が悪化することが課題としてある。これに対し、プラズマアシストを用いないＣｌＦ3ガスへの暴露による熱的処理により表面改質を行うことで、改質工程において被処理体Ｗの表面がエッチングされることなく被処理体Ｗの表面を十分にフッ化させることが可能となる。
［ＣｌＦ3ガスにより改質された被処理体Ｗの表面のエッチング］
次に、ＣｌＦ3ガスにより改質されたＳｉＯ2の被処理体Ｗの表面のエッチングについて実験を行った。実験では、図１に示されたエッチング装置１を用いて、図４Ａ～図４Ｇに示されるＡＬＥシーケンスＡ～Ｇが行われた。図４Ａ～図４Ｇには、各ガスのガス供給源５１に対応するバルブ５３の状態（開状態または閉状態）、および、上部電極４０に高周波電力（以下、ＲＦと記載する）を印加するか否か（ＯＮ／ＯＦＦ）が示されている。
なお、図４Ａ～図４Ｇには、それぞれのＡＬＥシーケンスにおいて複数回行われるサイクルの中の１サイクルが示されている。また、図４Ａ～図４Ｇに示されたそれぞれのＡＬＥシーケンスでは、不活性ガスの一例であるＡｒガスが２０００ｓｃｃｍの流量で継続的に供給されている。また、図４Ａ～図４Ｇに示されたそれぞれのＡＬＥシーケンスにおいてＣｌＦ3ガスがチャンバ２１に供給される場合のＣｌＦ3ガスの流量は５００ｓｃｃｍである。また、図４Ａ～図４Ｇに示されたそれぞれのＡＬＥシーケンスにおいて、被処理体Ｗの温度は１００℃であり、チャンバ２１内の圧力は１Ｔｏｒｒである。
図４Ａは、ＡＬＥシーケンスＡの一例を示す図である。ＡＬＥシーケンスＡでは、期間Ｔ１においてチャンバ２１内にＡｒガスとＣｌＦ3ガスとが供給され、期間Ｔ２においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。そして、期間Ｔ３においてチャンバ２１内にＡｒガスとＮＨ3ガスとが供給され、期間Ｔ４においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。期間Ｔ３におけるＮＨ3ガスの流量は、１０００ｓｃｃｍである。
図４Ｂは、ＡＬＥシーケンスＢの一例を示す図である。ＡＬＥシーケンスＢでは、期間Ｔ１においてチャンバ２１内にＡｒガスとＣｌＦ3ガスとが供給され、期間Ｔ２においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。そして、期間Ｔ３において高周波電源４８から上部電極４０に高周波電力が印加され、チャンバ２１内にＡｒガスのプラズマが生成される。期間Ｔ３において印加される高周波電力は３００Ｗである。そして、期間Ｔ４において、Ａｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。
図４Ｃは、ＡＬＥシーケンスＣの一例を示す図である。ＡＬＥシーケンスＣでは、期間Ｔ１においてチャンバ２１内にＡｒガスとＣｌＦ3ガスとが供給され、期間Ｔ２においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。そして、期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内にＡｒガスとＨ2ガスとが供給され、期間Ｔ４において高周波電源４８から上部電極４０に高周波電力が印加される。これにより、期間Ｔ４において、チャンバ２１内にＡｒガスおよびＨ2ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内に供給されるＨ2ガスの流量は、５００ｓｃｃｍである。期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。そして、期間Ｔ５において、Ａｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。
図４Ｄは、ＡＬＥシーケンスＤの一例を示す図である。ＡＬＥシーケンスＤでは、期間Ｔ１においてチャンバ２１内にＡｒガスとＣｌＦ3ガスとが供給され、期間Ｔ２においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。そして、期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内にＡｒガスとＮＨ3ガスとが供給され、期間Ｔ４において高周波電源４８から上部電極４０に高周波電力が印加される。これにより、期間Ｔ４において、チャンバ２１内にＡｒガスおよびＮＨ3ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内に供給されるＮＨ3ガスの流量は、１０００ｓｃｃｍである。期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。そして、期間Ｔ５において、Ａｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。
図４Ｅは、ＡＬＥシーケンスＥの一例を示す図である。ＡＬＥシーケンスＥでは、期間Ｔ１においてチャンバ２１内にＡｒガスとＣｌＦ3ガスとが供給され、期間Ｔ２においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。そして、期間Ｔ３においてチャンバ２１内にＡｒガスとＮＨ3ガスとが供給され、期間Ｔ４においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。期間Ｔ３においてチャンバ２１内に供給されるＮＨ3ガスの流量は、１０００ｓｃｃｍである。そして、期間Ｔ５において高周波電源４８から上部電極４０に高周波電力が印加され、チャンバ２１内にＡｒガスのプラズマが生成される。期間Ｔ５において印加される高周波電力は３００Ｗである。そして、期間Ｔ６において、Ａｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。
図４Ｆは、ＡＬＥシーケンスＦの一例を示す図である。ＡＬＥシーケンスＦでは、期間Ｔ１においてチャンバ２１内にＡｒガスとＣｌＦ3ガスとが供給され、期間Ｔ２においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。そして、期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内にＡｒガスとＮ2ガスとが供給され、期間Ｔ４において高周波電源４８から上部電極４０に高周波電力が印加される。これにより、期間Ｔ４において、チャンバ２１内にＡｒガスおよびＮ2ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内に供給されるＮ2ガスの流量は、１０００ｓｃｃｍである。期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。そして、期間Ｔ５において、Ａｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。
図４Ｇは、ＡＬＥシーケンスＧの一例を示す図である。ＡＬＥシーケンスＧでは、期間Ｔ１においてチャンバ２１内にＡｒガスとＣｌＦ3ガスとが供給され、期間Ｔ２においてＡｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。そして、期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内にＡｒガスとＮ2ガスとＨ2ガスとが供給され、期間Ｔ４において高周波電源４８から上部電極４０に高周波電力が印加される。これにより、期間Ｔ４において、チャンバ２１内にＡｒガス、Ｎ2ガス、およびＨ2ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。期間Ｔ３およびＴ４においてチャンバ２１内に供給されるＮ2ガスおよびＨ2ガスの流量は、それぞれ５００ｓｃｃｍである。期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。そして、期間Ｔ５において、Ａｒガスにより被処理体Ｗの表面がパージされる。
図５は、各ＡＬＥシーケンスにおける被処理体Ｗの膜厚の変化量の一例を示す図である。図５に示された各ＡＬＥシーケンスにおける膜厚の変化量は、エッチング前の被処理体Ｗの膜厚と、ＡＬＥシーケンスを１０サイクル繰り返した後の被処理体Ｗの膜厚との差を示している。即ち、被処理体Ｗがエッチングされると、膜厚の変化量はプラスの値となる。逆に膜厚が増加すると、膜厚の変化量はマイナスの値となる。
ＡＬＥシーケンスＣ、Ｆ、およびＧでは、膜厚の変化量の値がマイナスの値となっており、被処理体Ｗはエッチングされていない。また、ＡＬＥシーケンスＡ、Ｂ、およびＥでは、ＡＬＥシーケンスが１０サイクル繰り返されても膜厚の変化量の値が１Å以下となっており、被処理体Ｗはほとんどエッチングされていない。
これに対し、ＡＬＥシーケンスＤは、１０サイクル繰り返されることにより、膜厚の変化量が約４Å程度となっており、被処理体Ｗがエッチングされている。従って、ＡＬＥシーケンスＡ～Ｇの中では、ＡＬＥシーケンスＤが好ましいＡＬＥシーケンスである。以下では、ＡＬＥシーケンスＤについて他の実験を行う。
ここで、ＡＬＥシーケンスＤによる被処理体Ｗのエッチングメカニズムを考察すると、以下のようになると考えられる。ＡＬＥシーケンスＤでは、図４Ｄに示されるように、期間Ｔ１においてＳｉＯ2の被処理体ＷにＣｌＦ3ガスが供給され、被処理体Ｗの表面がフッ化され、改質層が形成される（改質工程）。そして、期間Ｔ２において、被処理体Ｗの表面がＡｒガスでパージされることにより、被処理体Ｗに過剰に付着したＣｌＦ3ガスの分子が除去される（第１のパージ工程）。
次に、期間Ｔ３において、チャンバ２１内にＮＨ3ガスが供給され、期間Ｔ４において、ＡｒガスおよびＮＨ3ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。そして、ＳｉＯ2のフッ化物である改質層に、プラズマに含まれる活性種が照射されることにより、改質層が、（ＮＨ4）2ＳｉＦ6（ケイフッ化アンモニウム）やＯ2等に変化する。ケイフッ化アンモニウムの昇華温度は約１００℃であり、被処理体Ｗの温度が１００℃以上の温度に保たれているため、ケイフッ化アンモニウムは気体となって被処理体Ｗの表面から離脱する。これにより、被処理体Ｗの表面から改質層が除去され、被処理体Ｗがエッチングされる（除去工程）。そして、期間Ｔ５において、被処理体Ｗの表面がＡｒガスでパージされることにより、被処理体Ｗの表面付近のケイフッ化アンモニウムの気体等が排気される（第２のパージ工程）。
ここで、ＡＬＥシーケンスＤにおける除去工程では、プラズマに含まれる活性種がＳｉＯ2のフッ化物である改質層に照射されることにより、改質層をケイフッ化アンモニウム等に変化させる。そのため、改質層に高いエネルギーのイオンを照射し、イオンの衝撃により改質層を弾き飛ばす従来のＡＬＥの除去工程に比べて、被処理体Ｗに衝突するイオンの量が少ない。従って、ＡＬＥシーケンスＤにおける除去工程では、従来のＡＬＥの除去工程と比べて、被処理体Ｗへのイオンダメージを低減することができる。
また、ＡＬＥシーケンスＤにおける改質工程では、ＣｌＦ3ガスの熱的な反応により被処理体Ｗの表面にＳｉＯ2のフッ化物である改質層が形成される。そのため、ＡＬＥシーケンスＤにおける改質工程は、ＣＦ系のガスのプラズマを用いて被処理体Ｗの表面に改質層を形成する従来のＡＬＥの改質工程に比べて、チャンバ２１の内壁に付着するデポが少ない。そのため、チャンバ２１内をクリーニングする周期を長くすることができ、プロセスのスループットを向上させることができる。
［エッチング量のプラズマ照射時間依存性］
図６は、プラズマ照射時間と１サイクルあたりのエッチング量との関係の一例を示す図である。図６の実験では、ＡＬＥシーケンスＤにおいて、期間Ｔ１が４秒に設定され、期間Ｔ２が２秒に設定され、期間Ｔ３が１秒に設定され、期間Ｔ５が１０秒に設定された。また、被処理体Ｗの温度は、１００℃に設定されている。また、期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。
図６に示されるように、ＡｒガスとＮＨ3ガスとを含む混合ガスのプラズマの被処理体Ｗへの照射時間、即ち、期間Ｔ４が長くなるほど、１サイクルあたりの被処理体Ｗのエッチング量が多くなる傾向にある。また、プラズマの照射時間が長くなるほど、プラズマ照射時間の変化量に対する、１サイクルあたりの被処理体Ｗのエッチング量の変化量は小さくなる傾向にある。
［エッチング量のＣｌＦ3ガス供給時間依存性］
図７は、ＣｌＦ3ガスの供給時間と１サイクルあたりのエッチング量との関係の一例を示す図である。図７の実験では、ＡＬＥシーケンスＤにおいて、期間Ｔ２が２秒に設定され、期間Ｔ３が１秒に設定され、期間Ｔ４が２秒に設定され、期間Ｔ５が１０秒に設定された。また、被処理体Ｗの温度は、１００℃に設定されている。また、期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。
例えば図７に示されるように、ＣｌＦ3ガスの供給時間、即ち、期間Ｔ１が長くなると、１サイクルあたりの被処理体Ｗのエッチング量が多くなる傾向が見られる。しかし、期間Ｔ１が２秒以上になると、１サイクルあたりの被処理体Ｗのエッチング量はほとんど変化していない。即ち、ＣｌＦ3ガスが供給される期間Ｔ１が２秒以上であれば、被処理体Ｗ表面は十分にフッ化されると考えられる。
［エッチング量のＡＬＥサイクル依存性］
図８は、ＡＬＥサイクルとエッチング量との関係の一例を示す図である。図８の実験では、ＡＬＥシーケンスＤにおいて、期間Ｔ１が２秒に設定され、期間Ｔ２が２秒に設定され、期間Ｔ３が１秒に設定され、期間Ｔ５が１０秒に設定された。また、被処理体Ｗの温度は、１００℃に設定されている。また、期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。
図８に示されるように、ＡｒガスとＮＨ3ガスとを含む混合ガスのプラズマが被処理体Ｗに照射される期間Ｔ４が長い方が、期間Ｔ４が短い方よりも全体的にエッチング量が多い。しかし、期間Ｔ４がいずれの長さであっても、ＡＬＥサイクル数の変化に対して、エッチング量が線形に変化している。そのため、ＡＬＥシーケンスＤにおいて、ＡＬＥサイクル数を制御することで、エッチング量を精度よく制御することができる。また、ＡｒガスとＮＨ3ガスとを含む混合ガスのプラズマが被処理体Ｗに照射される期間Ｔ４を短くすることにより、エッチング量をより精度よく制御することも可能となる。
［エッチングレートの温度依存性］
図９は、被処理体Ｗの温度とエッチングレートとの関係の一例を示す図である。図９では、それぞれの温度の被処理体Ｗについて、被処理体Ｗの表面にＣｌＦ3ガスを供給することにより被処理体Ｗのエッチング量が測定された。図９の実験において供給されるＣｌＦ3ガスの流量は５００ｓｃｃｍである。
例えば図９に示されるように、被処理体Ｗの温度が３００℃以下では、被処理体Ｗはほとんどエッチングされていない。しかし、被処理体Ｗの温度が３５０℃以上になると、被処理体Ｗの表面にＣｌＦ3ガスが供給されることにより、被処理体Ｗのエッチングが進行する。ＣｌＦ3ガスの供給により被処理体Ｗがエッチングされると、ＡＬＥサイクルとエッチング量との相関が崩れ、エッチング量の制御が難しくなる。そのため、ＣｌＦ3ガスの供給による被処理体Ｗのエッチング量は少ないことが好ましい。従って、被処理体Ｗの温度は、３００℃以下であることが好ましい。
図１０は、被処理体Ｗの温度とＡＬＥシーケンスＤにおけるエッチング量との関係の一例を示す図である。図１０では、ＡＬＥシーケンスＤにおける期間Ｔ１が２秒に設定され、期間Ｔ２が２秒に設定され、期間Ｔ３が１秒に設定され、期間Ｔ４が４秒に設定され、期間Ｔ５が１０秒に設定された。また、期間Ｔ１において供給されるＣｌＦ3ガスの流量は５００ｓｃｃｍであり、期間Ｔ３およびＴ４において供給されるＮＨ3ガスの流量は１０００ｓｃｃｍである。また、期間Ｔ４において印加される高周波電力は３００Ｗである。
例えば図１０に示されるように、被処理体Ｗのエッチング量のばらつきの度合いを示す３σは、被処理体Ｗの温度が１００℃以上３００℃以下の範囲内では２５％未満と小さい値となっている。一方、被処理体Ｗの温度が４００℃以上の場合、３σの値が６５％以上と大きな値となっている。また、被処理体Ｗの温度が５０℃以下の場合も、３σの値が４５％以上と大きな値となっている。そのため、被処理体Ｗの温度が１００℃以上３００℃以下の範囲内であれば、被処理体Ｗのエッチング量のばらつきを低減することができる。従って、被処理体Ｗの温度は、１００℃以上３００℃以下の範囲内の温度であることが好ましい。
以上の結果を総合すると、ＳｉＯ2の被処理体Ｗのエッチングは、ＡＬＥシーケンスＤで行われることが好ましく、ＡＬＥシーケンスＤの主な条件は、以下の通りである。
被処理体Ｗの温度：１００℃～３００℃
チャンバ２１内の圧力：０．５～１０Ｔｏｒｒ
ＣｌＦ3ガスの流量：１～１０００ｓｃｃｍ
ＮＨ3ガスの流量：１００～２０００ｓｃｃｍ
Ａｒガスの流量：０～１００００ｓｃｃｍ
ＲＦの電力：１００～１０００Ｗ
なお、Ａｒガスは、パージ以外の期間には供給されなくてもよい。
［エッチング方法］
図１１は、本開示の一実施形態におけるエッチング方法の一例を示すフローチャートである。図１１に例示されたエッチング方法は、制御装置１１によって装置本体１０の各部が制御されることにより実行される。図１１に例示されたエッチング方法は、図４Ｄに示されたＡＬＥシーケンスＤに対応する。
まず、ゲートバルブＧが開かれ、図示しないロボットアームにより、未処理の被処理体Ｗが開口７４を介してチャンバ２１内に搬入され、静電チャック２５の上に載置される（Ｓ１０）。そして、ゲートバルブＧが閉じられる。そして、制御装置１１は、静電チャック２５内に設けられた図示しないヒータ、および、図示しないチラーユニットを制御して、被処理体Ｗの温度を所定温度に設定する（Ｓ１１）。
次に、制御装置１１は、Ａｒガスを供給するガス供給源５１に対応するバルブ５３を開き、排気装置７３を駆動し、チャンバ２１内の圧力を所定の圧力に設定する（Ｓ１２）。そして、制御装置１１は、被処理体Ｗの温度およびチャンバ２１内の圧力が安定するまで所定時間待機する（Ｓ１３）。
次に、制御装置１１は、改質工程を実行する（Ｓ１４）。改質工程では、ＣｌＦ3ガスを供給するガス供給源５１に対応するバルブ５３が開かれる。そして、ＭＦＣ５２によって所定流量に調整されたＣｌＦ3ガスおよびＡｒガスがそれぞれチャンバ２１内に供給される。これにより、被処理体Ｗの表面がフッ化され、被処理体Ｗの表面に改質層が形成される。本実施形態において、ステップＳ１４の改質工程は例えば４秒間実行される。
次に、制御装置１１は、第１のパージ工程を実行する（Ｓ１５）。第１のパージ工程では、ＣｌＦ3ガスを供給するガス供給源５１に対応するバルブ５３が閉じられ、ＭＦＣ５２によって所定流量に調整されたＡｒガスがチャンバ２１内に供給される。これにより、被処理体Ｗに過剰に付着したＣｌＦ3ガスの分子やフッ化に寄与しないＣｌの原子等が除去される。ステップＳ１５の第１のパージ工程は例えば２秒間実行される。
次に、制御装置１１は、除去工程を実行する（Ｓ１６）。除去工程では、ＮＨ3ガスを供給するガス供給源５１に対応するバルブ５３が開かれる。そして、ＭＦＣ５２によって所定流量に調整されたＮＨ3ガスおよびＡｒガスがそれぞれチャンバ２１内に供給される。
そして、高周波電源４８から上部電極４０に高周波電力が印加されることにより、チャンバ２１内にＡｒガスおよびＮＨ3ガスを含む混合ガスのプラズマが生成される。そして、ステップＳ１４において被処理体Ｗの表面に形成された改質層に、プラズマに含まれる活性種が照射されることにより、改質層がケイフッ化アンモニウムやＯ2等に変化する。そして、ケイフッ化アンモニウムやＯ2等が被処理体Ｗの表面から気化して離脱することにより、被処理体Ｗの表面から改質層が除去される。ステップＳ１６において、ＡｒガスおよびＮＨ3ガスを含む混合ガスのプラズマの照射は、例えば４秒間行われる。
次に、制御装置１１は、第２のパージ工程を実行する（Ｓ１７）。第２のパージ工程では、高周波電源４８から上部電極４０への高周波電力の印加が停止され、ＮＨ3ガスを供給するガス供給源５１に対応するバルブ５３が閉じられる。そして、ＭＦＣ５２によって所定流量に調整されたＡｒガスがチャンバ２１内に供給される。これにより、被処理体Ｗの表面付近のケイフッ化アンモニウムの気体等が排気される。ステップＳ１７の第２のパージ工程は例えば１０秒間実行される。
次に、制御装置１１は、Ａｒガスを供給するガス供給源５１に対応するバルブ５３を閉じ、ステップＳ１４～Ｓ１７が所定サイクル実行されたか否かを判定する（Ｓ１８）。所定サイクルは、被処理体Ｗからエッチングにより除去される部材の厚さに応じて予め定められる。ステップＳ１４～Ｓ１７が所定サイクル実行されていない場合（Ｓ１８：Ｎｏ）、制御装置１１は、再びステップＳ１４に示された処理を実行する。
一方、ステップＳ１４～Ｓ１７が所定サイクル実行された場合（Ｓ１８：Ｙｅｓ）、ゲートバルブＧが開かれ、図示しないロボットアームにより、被処理体Ｗが開口７４を介してチャンバ２１内から搬出される（Ｓ１９）。そして、制御装置１１は、未処理の被処理体Ｗが存在するか否かを判定する（Ｓ２０）。未処理の被処理体Ｗが存在する場合（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、制御装置１１は、再びステップＳ１０に示された処理を実行する。一方、未処理の被処理体Ｗが存在しない場合（Ｓ２０：Ｎｏ）、制御装置１１は、本フローチャートに示されたエッチング方法を終了する。
以上、エッチング方法の実施形態について説明した。本実施形態におけるエッチング方法は、改質工程と、除去工程とを含む。改質工程では、ＳｉＯ2膜を有する被処理体ＷにＣｌＦ3ガス等のフッ素含有ガスを供給することにより、ＳｉＯ2膜の表面に改質層が形成される。除去工程では、改質層が形成された被処理体Ｗを、アンモニアを含むガスのプラズマに晒すことにより、被処理体Ｗから改質層が除去される。また、改質工程と除去工程とは、交互に複数回繰り返される。これにより、チャンバ２１内に付着するデポを抑制し、被処理体Ｗのイオンダメージを低減することができる。
また、上記した実施形態の改質工程および除去工程における被処理体Ｗの温度は、１００℃以上３００℃以下の範囲内の温度である。これにより、改質工程において被処理体Ｗをエッチングすることなく被処理体Ｗの表面をフッ化させることができる。また、除去工程においてエッチング量のばらつきを低く抑えることができる。
また、上記した実施形態のエッチング方法には、改質工程と除去工程の間に行われる、被処理体Ｗの表面を不活性ガスによりパージする第１のパージ工程がさらに含まれる。これにより、被処理体Ｗに過剰に付着したＣｌＦ3ガスの分子やフッ化に寄与しないＣｌの原子等を除去することができる。
また、上記した実施形態のエッチング方法には、除去工程と改質工程の間に行われる、被処理体Ｗの表面を不活性ガスによりパージする第２のパージ工程がさらに含まれる。これにより、除去工程で発生したケイフッ化アンモニウムの気体等が被処理体Ｗの表面付近から排気され、次の改質工程において被処理体Ｗの表面が効率よくフッ化される。
［その他］
なお、本願に開示された技術は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
例えば、上記した実施形態の改質工程において、チャンバ２１内にはＣｌＦ3ガスが供給されるが、開示の技術はこれに限られない。改質工程においてチャンバ２１内に供給されるガスは、フッ素含有ガスであれば、ＣｌＦ3ガス、ＨＦガス、ＣＨＦ3ガス、またはＣＨ3Ｆガスのうち少なくともいずれかを含むガスであってもよい。
また、上記した実施形態のエッチング方法では、ＳｉＯ2膜等のシリコン酸化膜がエッチングされるが、開示の技術はこれに限られない。例えば、ＳｉＮ膜等のシリコン酸化膜以外のシリコン含有膜を有する被処理体Ｗのエッチングにおいても開示の技術を適用することができる。ただし、その場合、ステップＳ１４の改質工程の前に、シリコン含有膜の表面を酸化させる酸化工程がさらに実行される。これにより、改質工程において被処理体Ｗの表面にフッ化膜である改質層を形成し、除去工程において、改質層をケイフッ化アンモニウム等に変化させて昇華させることができる。
また、上記した実施形態における除去工程では、プラズマ源の一例として容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）が用いられるが、開示の技術はこれに限られず、容量結合型プラズマ以外のプラズマ源を用いて除去工程が行われてもよい。容量結合型プラズマ以外のプラズマ源としては、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、マイクロ波励起表面波プラズマ（ＳＷＰ）、電子サイクロトン共鳴プラズマ（ＥＣＰ）、およびヘリコン波励起プラズマ（ＨＷＰ）等が挙げられる。
なお、今回開示された実施形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
Ｇ ゲートバルブ
Ｗ 被処理体
１ エッチング装置
１０ 装置本体
１１ 制御装置
２１ チャンバ
２４ サセプタ
２５ 静電チャック
２５ａ エッジリング
４０ 上部電極
４１ 天板支持部
４２ 天板
４２ａ ガス吐出口
４３ 拡散室
４７ 整合器
４８ 高周波電源
５０ ガス供給機構

Claims (5)

  1. シリコン酸化膜を有する被処理体にフッ素含有ガスを供給することにより、前記シリコン酸化膜の表面に改質層を形成する改質工程と、
    前記被処理体の表面を不活性ガスによりパージする第１のパージ工程と、
    前記改質層が形成された前記被処理体を、アンモニアを含むガスのプラズマに晒すことにより、前記被処理体から前記改質層を除去する除去工程と
    を含み、
    前記改質工程と前記除去工程とは、交互に複数回繰り返されるエッチング方法。
  2. 前記フッ素含有ガスは、
    ＣｌＦ3ガス、ＨＦガス、ＣＨＦ3ガス、またはＣＨ3Ｆガスのうち少なくともいずれかを含むガスである請求項１に記載のエッチング方法。
  3. 前記改質工程および前記除去工程における前記被処理体の温度は、１００℃以上３００℃以下の範囲内の温度である請求項１または２に記載のエッチング方法。
  4. シリコンを含有する前記被処理体の表面を酸化させることにより前記被処理体の表面に前記シリコン酸化膜を形成する酸化工程をさらに含み、
    前記酸化工程は、前記改質工程の前に行われる請求項１から３のいずれか一項に記載のエッチング方法。
  5. 前記除去工程と前記改質工程の間に行われる、前記被処理体の表面を不活性ガスによりパージする第２のパージ工程をさらに含む請求項１から４のいずれか一項に記載のエッチング方法。
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