JP7209567B2 - エッチング方法およびエッチング装置 - Google Patents

Description

本開示は、エッチング方法およびエッチング装置に関する。

近時、半導体デバイスの製造過程で微細化エッチングが行われている。例えば、高アスペクト比の溝やホールの内面のＳｉＮやＳｉを等方的にエッチングする技術が求められている。

ＳｉＮをエッチングする技術としては、特許文献１に記載されているように、ＮＦ_３ガスのようなフッ素含有ガスをプラズマ化し、フッ素ラジカルおよびフッ素イオンによりＳｉＮをエッチングするものが知られている。また、特許文献１には、フッ素含有ガスがＯ_２ガスのような酸素源を含むことにより、ＳｉＯ_２のエッチングを抑えつつＳｉＮをエッチングできることが記載されている。

特表２０１４－５０８４２４号公報

本開示は、微細凹部の内面に形成されたＳｉＮまたはＳｉを均一にエッチングすることができるエッチング方法およびエッチング装置を提供する。

本開示の一態様に係るエッチング方法は、凹部を有し、凹部の内面にＳｉＮまたはＳｉからなるエッチング対象部が存在し、前記エッチング対象部の表面にカーボンが内在するダメージ層が形成されている基板を処理容器内に設ける工程と、処理容器内で基板に対して酸素含有プラズマ処理を行い、前記ダメージ層から前記カーボンを除去するとともに前記凹部のトップ部における前記エッチング対象部の表面を優先的に改質させる工程と、次いで、前記エッチング対象部を等方的にドライエッチングする工程と、を有する。

本開示によれば、凹部の内面に形成されたＳｉＮまたはＳｉを均一にエッチングすることができる。

具体的な実施形態に係るエッチング方法を示すフローチャートである。 エッチングが行われる基板の構造の一例を示す断面図である。 図２の基板をエッチングした際の理想的な状態を示す断面図である。 エッチングが行われる基板の構造の他の例を示す断面図である。 図４の基板をエッチングした際の理想的な状態を示す断面図である。 図２の構造の基板をそのまま等方的にエッチングした際の状態を示す断面図である。 ＳｉＮの等方的ドライエッチングを行う際のＦラジカルの濃度分布を示す図である。 一実施形態において酸素含有プラズマ処理を行った際のＯラジカルの濃度分布を示す図である。 エッチング対象部の表面にカーボンを内在するダメージ層が形成されている際の酸素含有プラズマ処理の作用を説明するための図である。 本実施形態のエッチング方法に用いる処理システムの一例を概略的に示す部分断面平面図である。 図１０の処理システムに搭載された、本実施形態のエッチング方法を実施するエッチング装置として機能するプロセスモジュールの一例を概略的に示す断面図である。 実験例２における効果を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら、実施形態について説明する。

＜経緯および概要＞
最初に、本開示の実施形態に係るエッチング方法の経緯および概要について説明する。
例えば、３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置に存在する、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）とシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を多層積層したＯＮＯＮ積層構造においては、積層方向に形成された溝を介してＳｉＮを等方的にドライエッチングする工程がある。

このような、ＯＮＯＮ積層構造においては、厚さが１μｍ以上にもおよび、形成される溝は高アスペクト比であるため、ローディング（Depth Loading）効果により、溝トップ部のＳｉＮが優先的にエッチングされてしまう。このため、溝トップ部のＳｉＮのエッチングを抑制して、溝トップ部と溝ボトム部で同程度のエッチング量でエッチングすることが求められている。

また、このような高アスペクト比の溝の内面全体に形成されたＳｉＮをエッチングする場合もあるが、この場合もローディング効果により溝トップ部のＳｉＮが優先的にエッチングされてしまう。

さらに、高アスペクト比の溝の内面にＳｉが存在する場合もあり、そのＳｉをエッチングする場合も、同様な問題が生じる。さらにまた、このような問題は、溝に限らずホールについても同様に生じる。

そこで、一実施形態では、凹部を有し、凹部の内面にＳｉＮまたはＳｉからなるエッチング対象部が存在する基板を処理容器内に設け、処理容器内で基板に対して酸素含有プラズマ処理を行い、凹部トップ部のエッチング対象部の表面を優先的に改質させ、次いで、エッチング対象部を等方的にドライエッチングする。

これにより、凹部トップ部において他の部分よりもエッチング対象部が相対的にエッチングされ難くなり、ローディング効果を低減して、凹部の内面のエッチング対象部を均一にエッチングすることができる。

＜具体的な実施形態＞
次に、具体的な実施形態について説明する。
図１は、具体的な実施形態に係るエッチング方法を示すフローチャートである。
最初に、凹部を有し、凹部の内面にＳｉＮまたはＳｉからなるエッチング対象部が存在する基板を処理容器内に設ける（ステップ１）。次に、処理容器内で基板に対して酸素含有プラズマ処理を行い、凹部トップ部のエッチング対象部の表面を優先的に改質させる（ステップ２）。次に、エッチング対象部を等方的にドライエッチングする（ステップ３）。ステップ２とステップ３を繰り返してもよい。

基板は、特に限定されるものではないが、シリコンウエハに代表される半導体ウエハが例示される。エッチング対象部を構成するＳｉＮまたはＳｉは、典型的には膜である。ＳｉＮ膜は、例えば、Ｓｉプリカーサとして、ＳｉＨ_４ガス、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２、Ｓｉ_２Ｃｌ_６等のシラン系ガスと、ＮＨ_３ガス、Ｎ_２ガス、ヒドラジン系化合物ガス等の窒素含有ガスを用いて、熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ、ＡＬＤ等により成膜される。また、Ｓｉ膜は、例えば、Ｓｉプリカーサとして、ＳｉＨ_４ガス、Ｓｉ_２Ｈ_６ガス等のシラン系ガスを用いて熱ＣＶＤにより成膜される。Ｓｉ膜は、Ｂ、Ｐ、Ｃ、Ａｓ等がドープされていてもよい。

基板に形成される凹部は、溝であってもホールであってもよい。溝の幅またはホールの径が小さく、凹部のアスペクト比が大きいほど、ローディング効果が大きくなるため、本実施形態の効果が発揮されやすい。溝の幅およびホールの径は、３００ｎｍ以下が好ましく、凹部のアスペクト比は２５以上が好ましい。

図２は、エッチングが行われる基板の構造の一例を示す断面図であり、３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置用のＯＮＯＮ積層構造が形成された半導体ウエハ（以下、単にウエハと記す）を示すものである。

本例において、ウエハＷは、シリコン基体１００の上に下部構造１０１を介して、ＳｉＯ_２膜１１１とＳｉＮ膜１１２との積層構造部１０２を有している。ＳｉＯ_２膜１１１とＳｉＮ膜１１２の積層数は実際には１００層程度である。積層構造部１０２には、積層方向に貫通する溝（スリット）１０３が形成されており、溝１０３の内面には全面にスリットＳｉＮ膜１１３が形成されている。

この状態から、溝１０３の内面の全面に形成されるスリットＳｉＮ膜１１３の全部、および積層構造部１０２のＳｉＮ膜１１２の一部を一括して等方的にエッチングし、理想的には図３に示す状態にする。

また、図４は、エッチングが行われる基板の構造の他の例を示す断面図であり、同じ３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置用のＯＮＯＮ積層構造が形成されたウエハを示すものであるが、溝１０３の内面にスリットＳｉＮ膜１１３が存在しない場合である。すなわち、溝１０３の内面に、ＯＮＯＮ積層構造を構成するＳｉＯ_２膜１１１とＳｉＮ膜１１２とが存在している場合である。

本例の場合も、図４の状態から、積層構造部１０２のＳｉＮ膜１１２の一部を等方的にエッチングし、理想的には図５に示す状態にする。

しかし、図２の構造のウエハＷにおいて、そのままＳｉＮを等方的にエッチングする場合、実際には、図６に示すように、ローディング効果により溝１０３のトップ部のＳｉＮが優先的にエッチングされて、溝１０３のトップ部とボトム部でＳｉＮのエッチングが不均一になってしまう。図４の構造のウエハＷにおいても同様である。

これは、ＳｉＮの等方的ドライエッチングを行う際、エッチャントとして一般的に用いられるＦラジカルの濃度が、図７に示すように、溝１０３のボトム部よりもトップ部のほうが高くなるためである。

このような現象は、以上のようなＯＮＯＮ積層構造のスリットＳｉＮや積層ＳｉＮをエッチングする場合のみならず、溝やホールの内面の全面に形成されたＳｉＮのみをエッチングする場合や、Ｓｉをエッチングする場合も同様に生じる。

そこで、本実施形態では、エッチング対象部であるＳｉＮまたはＳｉのエッチングに先立って、酸素含有プラズマ処理を行って、エッチング対象部の表面を改質する。

酸素含有プラズマ処理を行うことにより、プラズマ中の酸素ラジカル（Ｏラジカル）がエッチング対象部（ＳｉＮまたはＳｉ）に作用し、エッチング対象部の表面が酸化されて改質層１２０が形成される。このような改質層１２０により、相対的にエッチングされ難くなる。このとき、図８に示すように、Ｏラジカルの濃度は、凹部（溝）１０３のトップ部で高く、ボトム部で低くなるので、凹部トップ部が優先的に改質され、エッチング対象部表面の改質層１２０の厚さは凹部トップ部のほうが厚くなる。

したがって、酸素含有プラズマ処理により、エッチング対象部の凹部トップ部におけるエッチング量を相対的に抑制することができる。これにより、凹部トップ部のエッチング量と凹部ボトム部のエッチング量との差を抑制することができ、より均一なエッチングを実現することができる。

また、エッチング対象部の表面にカーボンを内在するダメージ層が形成されている場合があり、このようなダメージ層がエッチングを阻害する。このような場合に、酸素含有プラズマ処理を行うことにより、図９に示すように、例えばスリットＳｉＮ膜１１３の表面のダメージ層１３０からカーボンをＣＯとして取り除くことができ、凹部全体のエッチング対象部のエッチング量を増加させることができる。

このため、エッチング対象部の表面にカーボンを内在するダメージ層が形成されている場合には、酸素含有プラズマ処理により、エッチング対象部の凹部トップ部のエッチング量を相対的に抑制する効果と、ダメージ層からカーボンを取り除いてエッチング量を増加させる効果の両方が奏される。したがって、ダメージ層が形成されたエッチング対象部を酸素含有プラズマ処理した後ドライエッチングすることにより、凹部全体のエッチング対象部のエッチング量を増加させつつ、凹部トップ部のエッチング量と凹部ボトム部のエッチング量との差を抑制することができる。

ステップ２の酸素含有プラズマ処理は、処理容器内に収容された基板に対し、酸素含有プラズマを作用させる。このときの酸素含有プラズマ処理は、プラズマ中の主に酸素ラジカル（Ｏラジカル）を作用させることが好ましく、そのためにリモートプラズマを用いることが好ましい。リモートプラズマは、基板が配置される処理空間とは別個のプラズマ生成空間で酸素含有プラズマを生成させ、プラズマを処理空間に搬送する。このとき、酸素含有プラズマ中の酸素イオン（Ｏ_２イオン）は搬送中に失活しやすく、主にＯラジカルが処理空間に供給される。Ｏラジカルを主体とする処理を行うことにより、基板に対するダメージを低減することができる。このときのプラズマ源は特に限定されず、誘導結合プラズマやマイクロ波プラズマ等を用いることができる。

また、このとき用いるガスは、Ｏ_２ガス単独でもよいが、Ｏ_２ガスに、Ｈ_２ガスおよび希ガスの少なくとも一方を加えてもよい。Ｈ_２ガスを添加することにより、酸化能力を高めることができる。また、希ガスを加えることにより、プラズマを安定させることができる。希ガスは、特に限定されないが、Ａｒガスが好ましい。また、このときの圧力は、１～３０００ｍＴｏｒｒ（０．１３～４００Ｐａ）が好ましい。この範囲とすることで、凹部トップ部でのエッチング抑制効果をより高めることができる。

ステップ２において、各ガスの流量は、装置に応じて適宜設定される。また、Ｏ_２ガス流量に対するＨ_２ガス流量の比Ｈ_２／Ｏ_２は、１以下が好ましい。また、プラズマ生成パワーについても装置によるが、５０～９５０Ｗが好ましい。また、ステップ２の時間は１０～１８０ｓｅｃが好ましく、基板温度は５～８５℃が好ましい。より好ましくは、１５～８５℃である。

ステップ３のエッチング対象部を等方的にドライエッチングする工程は、ＳｉＯ_２等の他の材料に対して選択的にＳｉＮやＳｉをエッチングできることが好ましく、フッ素含有ガスを用いて行われることが好ましい。このドライエッチングは、プラズマによる処理でも、プラズマを用いないガスエッチングでもよいが、プラズマを用いた処理が好ましく、リモートプラズマを用いたフッ素ラジカル（Ｆラジカル）を主体とした処理がより好ましい。リモートプラズマでは、基板が配置される処理空間とは別個のプラズマ生成空間でフッ素含有プラズマを生成させ、プラズマを処理空間に搬送する。このとき、プラズマ中のフッ素イオン（Ｆイオン）は搬送中に失活しやすく、主にフッ素ラジカル（Ｆラジカル）が処理空間に供給される。Ｆラジカルを主体とする処理を行うことにより、基板に対するダメージを低減することができる。このときのプラズマ源は特に限定されず、誘導結合プラズマやマイクロ波プラズマ等を用いることができる。

ステップ３のエッチング工程の際には、上述したように、酸素含有プラズマ処理により、改質層が凹部トップ部で厚く形成されるので、凹部トップ部と凹部ボトム部におけるエッチング量の差が抑制される。また、エッチング対象部の表面にカーボンを内在するダメージ層が形成されている場合、酸素含有プラズマ処理により凹部全体のエッチング対象部のエッチング量を増加させつつ、凹部トップ部のエッチング量と凹部ボトム部のエッチング量との差を抑制することができる。

フッ素含有ガスとしては、ＨＦ、ＮＦ_３を挙げることができる。これらの中では、ＮＦ_３ガスが好ましい。ＮＦ_３ガス等を単独で用いてもよいが、ＮＦ_３ガス等に、Ｏ_２ガスを添加してもよい。Ｏ_２ガスを添加することにより、エッチングの際にもＯラジカルによる凹部トップ部の改質効果（酸化効果）を得ることができる。また、ＮＦ_３ガス等に、希ガスを添加してもよい。希ガスを添加することにより、プラズマを安定させることができる。希ガスは、特に限定されないが、Ａｒガスが好ましい。ＮＦ_３ガス等と、Ｏ_２ガスと、希ガスとを用いてもよい。圧力は、１～３０００ｍＴｏｒｒ（０．１３～４００Ｐａ）が好ましい。この範囲とすることで、凹部トップ部のエッチング量と凹部ボトム部のエッチング量との差を抑制する効果をより高めることができる。このとき、各ガスの流量は、装置に応じて適宜設定される。また、Ｏ_２ガスを添加する場合に、Ｏ_２ガス流量に対するＮＦ_３ガス等の流量の比ＮＦ_３／Ｏ_２は０．０１以上が好ましい。また、プラズマ生成パワーについては５０～９５０Ｗの範囲が好ましい。また、基板温度は５～８５℃の範囲が好ましい。より好ましくは、１５～８５℃である。ステップ３の時間はエッチング対象部のエッチング量に応じて適宜設定される。

ステップ２の酸素含有プラズマ処理と、ステップ３の等方的ドライエッチングとは同一処理容器内で行うことが好ましい。これにより、スループットを高く維持することができる。例えば、同一のリモートプラズマ装置を用い、ステップ２およびステップ３をいずれもラジカル処理で行うことができる。

上述したように、ステップ２およびステップ３を繰り返してもよい。エッチング対象部のエッチングすべき量によっては、１回の酸素含有プラズマ処理で改質効果が十分でない場合がある。そのような場合は、ステップ２およびステップ３を適宜繰り返すことで十分な改質効果が得られる。

＜処理システムの一例＞
次に、本実施形態のエッチング方法に用いる処理システムの一例について説明する。図１０は、本実施形態のエッチング方法に用いる処理システムの一例を概略的に示す部分断面平面図である。

図１０に示すように、処理システム１０は、複数のウエハＷを保管しウエハＷの搬入出を行う搬入出部１１と、２枚のウエハＷを同時に搬送する搬送室としてのトランスファモジュール１２と、トランスファモジュール１２から搬入された基板であるウエハＷにＳｉＮ膜エッチング処理や加熱処理を施す複数のプロセスモジュール１３とを備える。各プロセスモジュール１３およびトランスファモジュール１２は内部が真空雰囲気に維持される。

処理システム１０では、搬入出部１１に保管されたウエハＷをトランスファモジュール１２に内蔵された搬送アーム１４によって搬送し、プロセスモジュール１３の内部に配置された２つのステージ１５のそれぞれに１枚ずつウエハＷを載置する。次いで、処理システム１０では、ステージ１５に載置された各ウエハＷへプロセスモジュール１３でＳｉＮ膜エッチング処理や加熱処理を施した後に、処理済みのウエハＷを搬送アーム１４によって搬入出部１１に搬出する。

搬入出部１１は、複数のウエハＷを収容する容器であるＦＯＵＰ１６の載置台としての複数のロードポート１７と、保管されたウエハＷを各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６から受け取り、または、プロセスモジュール１３で所定の処理が施されたウエハＷをＦＯＵＰ１６に引き渡すローダーモジュール１８と、ローダーモジュール１８およびトランスファモジュール１２の間においてウエハＷを受け渡しするために一時的にウエハＷを保持する２つのロードロックモジュール１９と、加熱処理が施されたウエハＷを冷却するクーリングストレージ２０とを有する。

ローダーモジュール１８は内部が大気圧雰囲気の矩形の筐体からなり、その矩形の長辺を構成する一側面に複数のロードポート１７が並設される。さらに、ローダーモジュール１８は、内部においてその矩形の長手方向に移動可能な搬送アーム（図示せず）を有する。該搬送アームは各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６からロードロックモジュール１９にウエハＷを搬入し、または、ロードロックモジュール１９から各ＦＯＵＰ１６にウエハＷを搬出する。

各ロードロックモジュール１９は、大気圧雰囲気の各ロードポート１７に載置されたＦＯＵＰ１６に収容されたウエハＷを、内部が真空雰囲気のプロセスモジュール１３に引き渡すため、ウエハＷを一時的に保持する。各ロードロックモジュール１９は２枚のウエハＷを保持するバッファープレート２１を有する。また、各ロードロックモジュール１９は、ローダーモジュール１８に対して気密性を確保するためのゲートバルブ２２ａと、トランスファモジュール１２に対して気密性を確保するためのゲートバルブ２２ｂとを有する。さらに、ロードロックモジュール１９には図示しないガス導入系及びガス排気系が配管によって接続され、内部が大気圧雰囲気と真空雰囲気とで切り替え可能となっている。

トランスファモジュール１２は未処理のウエハＷを搬入出部１１からプロセスモジュール１３に搬入し、処理済みのウエハＷをプロセスモジュール１３から搬入出部１１に搬出する。トランスファモジュール１２は内部が真空雰囲気の矩形の筐体からなり、２枚のウエハＷを保持して移動する２つの搬送アーム１４と、各搬送アーム１４を回転可能に支持する回転台２３と、回転台２３を搭載した回転載置台２４と、回転載置台２４をトランスファモジュール１２の長手方向に移動可能に案内する案内レール２５とを含む。また、トランスファモジュール１２は、ゲートバルブ２２ｂ、さらに後述する各ゲートバルブ２６を介して、搬入出部１１のロードロックモジュール１９、および、各プロセスモジュール１３へ接続される。トランスファモジュール１２では、搬送アーム１４が、ロードロックモジュール１９から２枚のウエハＷを各プロセスモジュール１３へ搬送し、処理が施された２枚のウエハＷを各プロセスモジュール１３から他のプロセスモジュール１３やロードロックモジュール１９に搬出する。

処理システム１０において、各プロセスモジュール１３はエッチング対象部であるＳｉＮまたはＳｉのエッチング、加熱処理のいずれかを実行する。すなわち、６個のプロセスモジュール１３のうち、所定個数がエッチングに用いられ、残部がエッチング後の残渣除去のための加熱処理に用いられる。エッチング用のプロセスモジュール１３および加熱処理用のプロセスモジュール１３の数はそれぞれの処理時間に応じて適宜決定される。

処理システム１０は、制御部２７を有している。制御部２７は、処理システム１０の各構成要素の動作を制御するＣＰＵを有する主制御部と、入力装置（キーボード、マウス等）、出力装置（プリンタ等）、表示装置（ディスプレイ等）、記憶装置（記憶媒体）を有している。制御部２７の主制御部は、例えば、記憶装置に内蔵された記憶媒体、または記憶装置にセットされた記憶媒体に記憶された処理レシピに基づいて、処理システム１０に所定の動作を実行させる。

＜エッチング装置＞
次に、上記処理システム１０に搭載された、本実施形態のエッチング方法を実施するエッチング装置として機能するプロセスモジュール１３の一例について説明する。図１１は、図１０の処理システムにおいて、エッチング装置として機能するプロセスモジュール１３の一例を概略的に示す断面図である。

図１１に示すように、エッチング装置として機能するプロセスモジュール１３は、ウエハＷを収容する密閉構造の処理容器２８を備える。処理容器２８は、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、上端が開放され、処理容器２８の上端は天井部となる蓋体２９で閉塞されている。処理容器２８の側壁部２８ａにはウエハＷの搬出入口３０が設けられ、当該搬出入口３０は上述したゲートバルブ２６によって開閉可能とされる。

また、処理容器２８の内部の底部には、上述したように、ウエハＷをそれぞれ１枚ずつ水平状態で載置する２つのステージ１５（一方のみ図示されている）が配置されている。ステージ１５は略円柱状を呈し、ウエハＷを直接載置する載置プレート３４と、載置プレート３４を支持するベースブロック３５とを有する。載置プレート３４の内部にはウエハＷを温調する温度調節機構３６が設けられている。温度調節機構３６は、例えば、温度調節用媒体（例えば、水またはガルデン）が循環する管路（図示せず）を有し、当該管路内を流れる温度調節用媒体とウエハＷの熱交換を行うことによってウエハＷの温度調整を行う。また、ステージ１５にはウエハＷを処理容器２８の内部へ搬出入する際に用いる複数の昇降ピン（図示せず）が載置プレート３４の上面に対して突没可能に設けられている。

処理容器２８の内部は仕切板３７によって上方のプラズマ生成空間Ｐと、下方の処理空間Ｓに仕切られる。仕切板３７は、プラズマ生成空間Ｐにおいて誘導結合プラズマが生成される際にプラズマ中のイオンのプラズマ生成空間Ｐから処理空間Ｓへの透過を抑制する、いわゆるイオントラップとして機能する。プラズマ生成空間Ｐはプラズマが生成される空間であり、処理空間ＳはウエハＷにラジカル処理によるエッチングが施される空間である。処理容器２８の外部には、エッチングに用いる処理ガスをプラズマ生成空間Ｐに供給する第１のガス供給部６１と、調圧ガス、パージガスまたは希釈ガス等のプラズマ化しないガス、例えばＮ_２ガスまたはＡｒガス等の不活性ガスを処理空間Ｓに供給する第２のガス供給部６２が設けられている。また、処理容器２８の底部には排気機構３９が接続されている。排気機構３９は真空ポンプを有し、処理空間Ｓの内部の排気を行う。

仕切板３７の下には、ウエハＷに対向するように遮熱板４８が設けられている。遮熱板４８は、プラズマ生成空間Ｐでのプラズマ生成を繰り返すことにより仕切板３７に熱が蓄積されるため、その熱が処理空間Ｓにおけるラジカル分布に影響を与えることを抑制するためのものである。遮熱板４８は、仕切板３７よりも大きく形成され、周縁部を構成するフランジ部４８ａは処理容器２８の側壁部２８ａに埋設されている。なお、フランジ部４８ａには冷却機構５０、例えば、冷媒流路、チラーやペルチェ素子が埋設されている。

第１のガス供給部６１は、Ｏ_２ガス、Ｈ_２ガス、ＮＦ_３ガス、希ガス、例えばＡｒガスをプラズマ生成空間Ｐに供給する。これらのガスは、プラズマ生成空間Ｐでプラズマ化される。なお、希ガスはプラズマ生成ガスとして機能するが、圧力調整ガスやパージガス等としても機能する。

また、プロセスモジュール１３はＲＦアンテナを用いる誘導結合型のプラズマエッチング装置として構成されている。処理容器２８の天井部となる蓋体２９は、例えば、円形の石英板から形成され、誘電体窓として構成される。蓋体２９の上には、処理容器２８のプラズマ生成空間Ｐに誘導結合プラズマを生成するための環状のＲＦアンテナ４０が形成され、ＲＦアンテナ４０は整合器４１を介して高周波電源４２に接続されている。高周波電源４２は、誘導結合の高周波放電によるプラズマの生成に適した所定の周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波電力を所定の出力値で出力する。整合器４１は、高周波電源４２側のインピーダンスと負荷（ＲＦアンテナ４０やプラズマ）側のインピーダンスの整合をとるためのリアクタンス可変の整合回路（図示せず）を有する。

プロセスモジュール１３のうち、加熱処理を実施する加熱処理装置として機能するものについては、詳細は図示しないが、図１１に示すエッチング装置と同様、処理容器内に２つのステージ１５が配置されている。ただし、エッチング装置とは異なり、プラズマ生成機構を有しておらず、処理容器内に不活性ガスを供給しつつ、ステージ１５内に設けられたヒーターによりステージ１５上に載置されたウエハＷを所定温度に加熱する構成になっており、エッチング後のウエハＷを加熱することにより、ウエハＷ上のエッチング残渣または反応生成物を除去する。

上記処理システム１０により、上記実施形態に係るエッチング方法を実施する際には、最初に、ローダーモジュール１８の搬送アームによりＦＯＵＰ１６から、例えば図２に示された構造を有するウエハＷを取り出し、ロードロックモジュール１９に搬入する。ロードロックモジュール１９を真空引きした後、ロードロックモジュール１９内のウエハＷをトランスファモジュール１２の搬送アーム１４により、エッチング装置として機能するプロセスモジュール１３に搬入する（ステップ１）。

次に、第２のガス供給部６２から、調圧ガスとして例えばＮ_２ガスを処理容器２８内に導入し、処理容器２８内の圧力を例えば１０００～４０００ｍＴｏｒｒ（１３３～５３３Ｐａ）にしつつ、温度調節機構３６により５～８５℃に温調されたステージ１５上で、ウエハＷを所定時間、例えば３０ｓｅｃ保持し、ウエハ温度を所定温度に安定化させる。

次に、処理容器２８内をパージした後、処理容器２８内の圧力を、好ましくは１～３０００ｍＴｏｒｒ（０．１３～４００Ｐａ）、例えば５００ｍＴｏｒｒ（６６．５Ｐａ）とし、ステップ２の酸素含有プラズマ処理を行う。酸素含有プラズマ処理は、第１のガス供給部６１からプラズマ生成空間ＰへＯ_２ガスを供給するとともに、ＲＦアンテナ４０に高周波電力を供給して誘導結合プラズマであるＯ_２プラズマを生成する。このとき、Ｏ_２ガスに加えて、Ｈ_２ガスおよびＡｒガス等の希ガスの少なくとも１種を供給してもよい。

プラズマ生成空間Ｐで生成されたＯ_２プラズマは、処理空間Ｓに搬送される。この際に、仕切板３７でＯ_２イオンが失活し、Ｏ_２プラズマの中の主にＯラジカルが選択的に処理空間Ｓに導入される。このＯラジカルにより、ウエハＷのエッチング対象部に改質処理（酸化処理）が施される。このとき、凹部トップ部のほうがＯラジカルの濃度が高いので、エッチング対象部表面の凹部トップ部が優先的に改質され、相対的にエッチングされ難い改質層の厚さは凹部トップ部のほうが厚くなる。このため、その後のエッチングにおいて、エッチング対象部の凹部トップ部のエッチング量を他の部分に比較して相対的に抑制することができる。これにより、凹部トップ部のエッチング量と凹部ボトム部のエッチング量との差を抑制することができ、より均一なエッチングを実現することができる。また、Ｏラジカルを主体とする処理であるため、ウエハＷに対するイオンダメージが小さい。

また、エッチング対象部の表面にカーボンを内在するダメージ層が形成されている場合、酸素含有プラズマ処理を行うことにより、エッチング対象部表面のダメージ層からカーボンをＣＯとして取り除くことができる。このため、次のエッチング工程において、凹部全体のエッチング対象部のエッチング量を増加させることができる。

この効果と、改質層の形成によりエッチング対象部の凹部トップ部のエッチング量を相対的に抑制する効果との相乗効果により、エッチング後、凹部全体のエッチング対象部のエッチング量を増加させつつ、凹部トップ部のエッチング量と凹部ボトム部のエッチング量との差を抑制することができる。

このとき、ガス流量については、Ｏ_２ガス流量：１～１０００ｓｃｃｍ、Ｈ_２ガス流量：１～５００ｓｃｃｍ、希ガス（Ａｒガス）流量：１～１５００ｓｃｃｍが好ましい。また、プラズマ生成パワーについては５０～９５０Ｗが好ましい。また、処理時間は、１０～１８０ｓｅｃが好ましい。

以上のような酸素含有プラズマ処理の後、処理容器２８内のパージを行い、処理空間Ｓ内からエッチングガスを排出する。

次に、処理容器２８内の圧力を、好ましくは１～３０００ｍＴｏｒｒ（０．１３～４００Ｐａ）、例えば２２５ｍＴｏｒｒ（３０Ｐａ）とし、ステップ３の等方的ドライエッチングを行う。等方的ドライエッチングは、第１のガス供給部６１からプラズマ生成空間Ｐへフッ素含有ガスであるＮＦ_３ガスを供給するとともに、ＲＦアンテナ４０に高周波電力を供給して誘導結合プラズマであるフッ素含有プラズマを生成する。このとき、ＮＦ_３ガスに加えて、Ｏ_２ガスおよびＡｒガス等の希ガスの少なくとも１種を供給してもよい。

プラズマ生成空間Ｐで生成されたフッ素含有プラズマは、処理空間Ｓに搬送される。この際に、仕切板３７でＦイオンが失活し、プラズマの中の主にＦラジカルが選択的に処理空間Ｓに導入される。このＦラジカルにより、エッチング対象部であるＳｉＮ膜またはＳｉ膜が等方的にエッチングされる。このとき、上述したように、酸素含有プラズマ処理により、Ｏラジカル濃度が高い凹部トップ部のエッチング対象部においてより厚い改質層が形成されるので、凹部トップ部と凹部ボトム部におけるエッチング量の差が抑制される。また、エッチング対象部の表面にカーボンを内在するダメージ層が形成されている場合、酸素含有プラズマ処理により凹部全体のエッチング対象部のエッチング量を増加させつつ、凹部トップ部のエッチング量と凹部ボトム部のエッチング量との差を抑制することができる。

また、エッチングの際に、ＮＦ_３ガスに、さらにＯ_２ガスを加えることにより、エッチングの際にもＯラジカルによる凹部トップ部の改質効果（酸化効果）を得ることができる。この効果を得るためには、Ｏ_２ガス流量に対するＮＦ_３ガス流量の比ＮＦ_３／Ｏ_２は０．０１以上が好ましい。また、ガス流量については、ＮＦ_３ガス流量：１～１０００ｓｃｃｍ、Ｏ_２ガス流量：１～１０００ｓｃｃｍ、希ガス（Ａｒガス）流量：１～１５００ｓｃｃｍが好ましい。また、プラズマ生成パワーについては５０～９５０Ｗの範囲が好ましい。また、処理時間は、エッチング量に応じて適宜設定される。

エッチング対象部のエッチングすべき量によっては、１回の酸素含有プラズマ処理で改質効果が十分でない場合があるが、その場合には、上記ステップ２とステップ３とを所定回繰り返す。

エッチング終了後、処理容器２８内のパージを行い、処理後のウエハＷをトランスファモジュール１２に内蔵された搬送アーム１４によって処理容器２８から搬出する。エッチング後の残渣除去のための加熱処理が必要な場合は、搬送アーム１４によりエッチング後のウエハＷを加熱装置として機能するプロセスモジュール１３に搬送し、加熱処理を行う。エッチング処理または加熱処理が終了した後、ウエハＷを搬送アーム１４により、ロードロックモジュール１９に搬送し、ロードロックモジュール１９を大気雰囲気にした後、ローダーモジュール１８の搬送アームにより、ロードロックモジュール１９内のウエハＷをＦＯＵＰ１６に戻す。

以上のような処理システム１０により、エッチング対象部の酸素含有プラズマ処理と、等方的ドライエッチング処理とを、同一処理容器内で連続して行うことができるので、高スループットで処理を行うことができる。

＜実験例＞

以下、実験例について説明する。
［実験例１］
ここでは、上記図１０～１１に示す処理システム１０のエッチング装置として機能するプロセスモジュール１３を用いて、図２の構造のウエハに対し、以下のケースＡ～ＣによりスリットＳｉＮ膜および積層ＳｉＮ膜のエッチングを実施した。

ケースＡでは、酸素含有プラズマ処理を行わず、ＮＦ_３ガス、Ａｒガス、Ｏ_２ガスを用いて等方的エッチング処理のみを行った。この際の条件は、以下の通りとした。
圧力：１５０～３００ｍＴｏｒｒ（２０～４０Ｐａ）
ガス流量：ＮＦ_３＝１～１００ｓｃｃｍ
Ｏ_２：１～４００ｓｃｃｍ
Ａｒガス＝１～２００ｓｃｃｍ
ステージ（載置プレート）温度：５～６０℃
時間：４８０ｓｅｃ
高周波電力：４００～８００Ｗ

ケースＢでは、Ｏ_２ガス、Ｈ_２ガス、Ａｒガスを用いて酸素含有プラズマ処理を行った後、ＮＦ_３ガス、Ａｒガス、Ｏ_２ガスを用いて等方的エッチング処理を行った。この際の条件は以下の通りとした。
・酸素含有プラズマ処理
圧力：４００～６００ｍＴｏｒｒ（５３．２～７９．８Ｐａ）
ガス流量：Ｏ_２＝２００～４００ｓｃｃｍ
Ｈ_２＝１～１００ｓｃｃｍ
Ａｒ＝１～１００ｓｃｃｍ
ステージ（載置プレート）温度：５～６０℃
時間：６０ｓｅｃ
高周波電力：４００～８００Ｗ
・エッチング処理
ケースＡと同じ

ケースＣでは、ケースＢと同様、酸化プラズマ処理の後、等方的エッチング処理を行い、酸素含有プラズマ処理の際のＯ_２ガス流量をケースＢよりも増加させ、等方的エッチング処理のトータルガス流量をケースＢよりも増加させた。この際の条件は以下の通りとした。

・酸素含有プラズマ処理
圧力：４００～６００ｍＴｏｒｒ（５３．２～７９．８Ｐａ）
ガス流量：Ｏ_２＝５００～７００ｓｃｃｍ
Ｈ_２＝１～１００ｓｃｃｍ
Ａｒ＝１～１００ｓｃｃｍ
ステージ（載置プレート）温度：５～６０℃
時間：６０ｓｅｃ
高周波電力：４００～８００Ｗ
・エッチング処理
圧力：１５０～３００ｍＴｏｒｒ（２０～４０Ｐａ）
ガス流量：ＮＦ_３＝１～１００ｓｃｃｍ
Ｏ_２：１００～４００ｓｃｃｍ
Ａｒガス＝５０～２５０ｓｃｃｍ
ステージ（載置プレート）温度：５～６０℃
時間：４８０ｓｅｃ
高周波電力：４００～８００Ｗ

ケースＡ～Ｃでエッチングした後の、溝（スリット）深さ方向４点（トップ、ミドル１、ミドル２、ボトム）について、積層ＳｉＮのエッチング量、およびトップとボトムのエッチング量の差（ΔＥＡ）を求めた。その結果を以下に示す。
・ケースＡ
トップ ：２１．８ｎｍ
ミドル１：１９．８ｎｍ
ミドル２：１７．２ｎｍ
ボトム ：１１．２ｎｍ
ΔＥＡ ：１０．６ｎｍ
・ケースＢ
トップ ：２５．１ｎｍ
ミドル１：２５．１ｎｍ
ミドル２：２１．２ｎｍ
ボトム ：２１．２ｎｍ
ΔＥＡ ：３．９ｎｍ
・ケースＣ
トップ ：２０．５ｎｍ
ミドル１：２０．５ｎｍ
ミドル２：２０．６ｎｍ
ボトム ：１９．８ｎｍ
ΔＥＡ ：０．７ｎｍ

以上の結果から、酸素含有プラズマ処理を行わないケースＡと、酸素含有プラズマ処理を行ったケースＢを比較すると、酸素含有プラズマ処理を行うことにより、溝トップ部と溝ボトム部のエッチング量の差を低減できることが確認された。また、いずれも酸素含有プラズマ処理を行ったケースＢとケースＣを比較すると、エッチング処理の際にＯ_２ガス量が多いケースＣのほうが、溝トップ部と溝ボトム部のエッチング量の差を低減できることが確認された。

なお、図４の構造のウエハに対しても、同様にケースＡ～Ｃにより積層ＳｉＮ膜のエッチングを実施したところ、同様の結果が得られた。

［実験例２］
ここでは、スリットＳｉＮ膜の表面にダメージ層が形成されたウエハに対し、酸素含有プラズマ処理を行ってからエッチングした場合と、酸素含有プラズマ処理を行わずにエッチングした場合とについて、スリットＳｉＮ膜および積層ＳｉＮ膜のエッチングを実施した。具体的には、装置として処理システム１０のプロセスモジュール１３を用い、ウエハとして、図２の構造を有し、スリットＳｉＮ膜の表面にダメージ層が形成されたウエハを用いた。これらについて、溝（スリット）深さ方向３点（トップ、ミドル、ボトム）の積層ＳｉＮのエッチング量、およびトップとボトムのエッチング量の差（ΔＥＡ）を求めた。

なお、酸素含有プラズマ処理の条件は実験例１のケースＢと同様とし、エッチングの条件は、時間が４４１ｓｅｃとした他は、実験例１のケースＡと同様とした。

その結果を図１２に示す。この図に示すように、スリットＳｉＮ膜の表面にダメージ層が形成されている場合は、酸素含有プラズマ処理により、エッチング対象部表面のダメージ層からカーボンをＣＯとして取り除く効果と、溝トップ部の改質度合を相対的に大きくする効果により、全体的にエッチング量を多くできるとともに、トップとボトムのエッチング量の差（ΔＥＡ）を小さくできることが確認された。

＜他の適用＞
以上、実施形態について説明したが、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。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主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。

例えば、上記実施形態では、スリットＳｉＮ膜と積層ＳｉＮ膜の一部をエッチングする場合、およびスリットＳｉＮ膜が存在せず、積層ＳｉＮ膜をエッチングする場合について示したが、これに限らず、任意の構造部に形成された凹部の内面に存在するＳｉＮやＳｉについても適用可能である。

また、上記実施形態の装置は例示に過ぎず、種々の構成の装置を用いることができる。また、被処理基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、半導体ウエハに限らず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１３ プロセスモジュール（エッチング装置）
１５ ステージ
２８ 処理容器
３７ 仕切板
３９ 排気機構
４０ ＲＦアンテナ
４２ 高周波電源
６１ 第１のガス供給部
６２ 第２のガス供給部
１００ シリコン基体
１０２ 積層構造部
１０３ 溝（凹部）
１１１ ＳｉＯ_２膜
１１２ ＳｉＮ膜
１１３ スリットＳｉＮ膜
１２０ 改質層
１３０ ダメージ層
Ｐ プラズマ生成空間
Ｓ 処理空間
Ｗ ウエハ（基板）

Claims (19)

1. 凹部を有し、凹部の内面にＳｉＮまたはＳｉからなるエッチング対象部が存在し、前記エッチング対象部の表面にカーボンが内在するダメージ層が形成されている基板を処理容器内に設ける工程と、
   処理容器内で基板に対して酸素含有プラズマ処理を行い、前記ダメージ層から前記カーボンを除去するとともに前記凹部のトップ部における前記エッチング対象部の表面を優先的に改質させる工程と、
   次いで、前記エッチング対象部を等方的にドライエッチングする工程と、
   を有する、エッチング方法。
2. 前記凹部は、溝またはホールである、請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記凹部は、直径または幅が３００ｎｍ以下、アスペクト比が２５以上である、請求項２に記載のエッチング方法。
4. 前記基板は、ＳｉＯ_２とＳｉＮの積層構造を有し、前記凹部が前記積層構造に形成されており、前記凹部の内面に前記積層構造の前記ＳｉＯ_２と前記ＳｉＮが存在し、前記積層構造の前記ＳｉＮの一部が前記エッチング対象部である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
5. 前記基板は、ＳｉＯ_２とＳｉＮの積層構造を有し、前記積層構造は、前記凹部の内面に他のＳｉＮを有し、前記エッチング対象部が前記他のＳｉＮの全部、および前記積層構造の前記ＳｉＮの一部であり、前記ドライエッチングする工程は、前記他のＳｉＮと前記積層構造の前記ＳｉＮの一部をエッチングする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
6. 前記酸素含有プラズマ処理は、Ｏ_２ガス単独、またはＯ_２ガスと、Ｈ_２ガスおよび希ガスの少なくとも１種とを用いて行う、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のエッチング方法。
7. 前記酸素含有プラズマ処理は、リモートプラズマにより行い、基板に対して酸素含有プラズマ中の酸素ラジカルを主体とした処理を行う、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のエッチング方法。
8. 前記酸素含有プラズマ処理は、０．１３～４００Ｐａの範囲の圧力で行う、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエッチング方法。
9. 前記ドライエッチングする工程は、フッ素含有ガスにより行う、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のエッチング方法。
10. 前記フッ素含有ガスは、ＮＦ_３ガスを含む、請求項９に記載のエッチング方法。
11. 前記ドライエッチングする工程は、前記フッ素含有ガスとＯ_２ガスとにより行う、請求項９または請求項１０に記載のエッチング方法。
12. 前記ドライエッチングする工程は、Ｏ_２ガスの流量に対するフッ素含有ガスの流量の比が、０．０１以上になるように行う、請求項１１に記載のエッチング方法。
13. 前記ドライエッチングする工程は、ラジカルを主体とするプラズマ処理により行う、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のエッチング方法。
14. 前記ドライエッチングする工程は、０．１３～４００Ｐａの範囲の圧力で行う、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のエッチング方法。
15. 前記改質させる工程と前記ドライエッチングする工程は、同一処理容器内で行う、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のエッチング方法。
16. 前記改質させる工程と前記ドライエッチングする工程は、複数回繰り返す、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のエッチング方法。
17. 凹部を有し、凹部の内面にＳｉＮまたはＳｉからなるエッチング対象部が存在し、前記エッチング対象部の表面にカーボンが内在するダメージ層が形成されている基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器を、上部のプラズマ生成空間および下部の処理空間に仕切る仕切部と、
    前記プラズマ生成空間に、酸素ガス、フッ素含有ガスを供給するガス供給部と、
    前記プラズマ生成空間に酸素ガスおよび／またはフッ素含有ガスのプラズマを生成するプラズマ生成機構と、
    前記処理空間に設けられた前記基板を載置する載置台と、
    前記処理容器内を真空排気する排気機構と、
    制御部と、
    を有し、
    前記制御部は、
    前記基板を処理容器内に設ける工程と、
    前記プラズマ生成空間に酸素含有プラズマを生成させ、前記プラズマ生成空間から前記処理空間に前記酸素含有プラズマ中の主に酸素ラジカルを前記処理空間に搬送させて、前記酸素ラジカルにより、前記ダメージ層から前記カーボンを除去するとともに前記凹部のトップ部における前記エッチング対象部の表面を優先的に改質させる工程と、
    前記プラズマ生成空間にフッ素含有プラズマを生成させ、前記プラズマ生成空間から前記処理空間に前記フッ素含有プラズマ中の主にフッ素ラジカルを前記処理空間に搬送させて、前記フッ素ラジカルにより、前記エッチング対象部をエッチングする工程と
    を実行させるように制御する、エッチング装置。
18. 前記制御部は、前記改質させる工程と、前記エッチングする工程が複数回繰り返されるように制御する、請求項１７に記載のエッチング装置。
19. 前記制御部は、前記エッチングする工程の際、酸素ガスが添加されるように制御する、請求項１７または請求項１８に記載のエッチング装置。

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