JPWO2019117130A1 - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

Abstract

プラズマエッチング方法は、エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスに基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程と、吸着物とエッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程とを含む。

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。

エッチング対象膜をエッチングする手法の一種として、エッチング対象膜を原子層単位でエッチングする原子層エッチング（ＡＬＥ：Atomic Layer Etching）法が知られている。

ＡＬＥ法としては、Ｒｅａｌ−ＡＬＥ法と呼ばれる手法と、Ｑｕａｓｉ−ＡＬＥ法と呼ばれる手法とが提案されている。Ｒｅａｌ−ＡＬＥ法では、処理ガスに基づく活性種をエッチング対象膜に化学吸着させ、活性種とエッチング対象膜とを希ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングする。また、Ｑｕａｓｉ−ＡＬＥ法では、処理ガスに基づくポリマ層をエッチング対象膜に堆積させ、ポリマ層とエッチング対象膜とを希ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングする。

特開平３−２６３８２７号公報 特開２０１５−１７３２４０号公報

しかしながら、Ｒｅａｌ−ＡＬＥ法では、処理ガスに基づく活性種をエッチング対象膜に化学吸着させるため、選択可能なエッチング対象膜が、処理ガスに対して化学反応性を有するよう基板温度を上げるか、プラズマを使い反応性を上げるため、使用できる処理ガスやその処理ガスに対応したエッチングチャンバ内のパーツの材料が制限される。また、プラズマを使う場合、エッチングチャンバ内のパーツと反応し、エッチングプロセス性能が変化する可能性がある。

また、Ｑｕａｓｉ−ＡＬＥ法では、エッチング対象膜に堆積されるポリマ層の厚さを原子層単位で制御することが困難であるため、エッチング対象膜のエッチング量を原子層単位で制御することが困難である。結果として、Ｑｕａｓｉ−ＡＬＥ法では、自己制御的なエッチング（self-limiting etching）が実現されないという問題がある。また、堆積させるポリマ層は、通常、プラズマを使ってフロロカーボンガスを解離させ、エッチング対象膜上に堆積させるが、エッチングチャンバ内のパーツにも堆積し、エッチングプロセス性能が変化する可能性がある。

開示するプラズマエッチング方法は、１つの実施態様において、エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスに基づく吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程と、前記吸着物と前記エッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、前記エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程とを含む。

開示するプラズマエッチング方法の１つの態様によれば、選択可能なエッチング対象膜の制限を受けることなく、自己制御的なエッチングを実現することができるという効果を奏する。

図１は、一実施形態に係るプラズマエッチング装置の断面の一例を概略的に示す図である。 図２は、ウェハの構造の一例を示す図である。 図３は、一実施形態に係るプラズマエッチング方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図４は、図３に示した各工程の実行後のウェハの断面の一例を示す図である。 図５は、一実施形態に係るプラズマエッチング方法における各条件のタイムチャートを示す図である。 図６Ａは、ウェハが−５０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に４サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜のエッチング量の測定結果を示す図である。 図６Ｂは、ウェハが−１１０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に４サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜のエッチング量の測定結果を示す図である。 図６Ｃは、ウェハが−１２０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に４サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜のエッチング量の測定結果を示す図である。 図７は、一実施形態に係るプラズマエッチング方法の処理の流れの他の一例を示すフローチャートである。 図８は、図７に示した各工程の実行後のウェハの断面の一例を示す図である。 図９は、物理吸着工程において冷却されたウェハＷの温度と、シリコン膜、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の各エッチング量との関係の一例を示す図である。 図１０は、ウェハが−１２０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に複数サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜のエッチング量の変化の測定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附すこととする。

［プラズマエッチング装置の構成］
まず、一実施形態に係るプラズマエッチング装置について、図１に基づき説明する。図１は、一実施形態に係るプラズマエッチング装置１０の断面の一例を概略的に示す図である。図１に示すプラズマエッチング装置１０は、容量結合型プラズマエッチング装置である。

プラズマエッチング装置１０は、チャンバ本体１２を備えている。チャンバ本体１２は、略円筒形状を有する。チャンバ本体１２は、その内部空間をチャンバ１２ｃとして提供している。チャンバ本体１２の内壁面には、耐プラズマ性を有する被膜が形成されている。この被膜は、アルマイト膜、又は、酸化イットリウムから形成された膜であり得る。チャンバ本体１２は、接地されている。チャンバ本体１２の側壁には、開口１２ｇが形成されている。チャンバ本体１２の外部からチャンバ１２ｃへのウェハＷの搬入時、及び、チャンバ１２ｃからチャンバ本体１２の外部へのウェハＷの搬出時に、ウェハＷは開口１２ｇを通過する。チャンバ本体１２の側壁には、開口１２ｇの開閉のために、ゲートバルブ１４が取り付けられている。

チャンバ本体１２の底部上には、支持部１５が設けられている。支持部１５は、略円筒形状を有している。支持部１５は、例えば、絶縁材料から構成されている。支持部１５は、チャンバ１２ｃ内において、チャンバ本体１２の底部から上方に延在している。チャンバ１２ｃ内には、ステージ１６が設けられている。ステージ１６は、支持部１５によって支持されている。

ステージ１６は、その上に載置されたウェハＷを保持するように構成されている。ステージ１６は、下部電極１８及び静電チャック２０を有している。下部電極１８は、第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂを含んでいる。第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂ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、略円盤形状を有している。第２プレート１８ｂは、第１プレート１８ａ上に設けられており、第１プレート１８ａに電気的に接続されている。

静電チャック２０は、第２プレート１８ｂ上に設けられている。静電チャック２０は、絶縁層、及び、当該絶縁層内に設けられた膜状の電極を有している。静電チャック２０の電極には、直流電源２２がスイッチ２３を介して電気的に接続されている。静電チャック２０の電極には、直流電源２２から直流電圧が印加される。静電チャック２０の電極に直流電圧が印加されると、静電チャック２０は、静電引力を発生して、ウェハＷを当該静電チャック２０に引き付けて、当該ウェハＷを保持する。なお、静電チャック２０内には、ヒータが内蔵されていてもよく、当該ヒータには、チャンバ本体１２の外部に設けられたヒータ電源が接続されていてもよい。

第２プレート１８ｂの周縁部上には、フォーカスリング２４が設けられる。フォーカスリング２４は、略環状の板である。フォーカスリング２４は、ウェハＷのエッジ及び静電チャック２０を囲むように配置される。フォーカスリング２４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２４は、例えば、シリコン、石英といった材料から形成され得る。

第２プレート１８ｂの内部には、流路１８ｆが設けられている。流路１８ｆには、チャンバ本体１２の外部に設けられているチラーユニットから、配管２６ａを介して冷媒が供給される。流路１８ｆに供給された冷媒は、配管２６ｂを介してチラーユニットに戻される。即ち、流路１８ｆとチラーユニットとの間では、冷媒が循環される。この冷媒の温度を制御することにより、ステージ１６（又は静電チャック２０）の温度及びウェハＷの温度が調整される。なお、冷媒としては、例えばガルデン（登録商標）が例示される。

プラズマエッチング装置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２０の上面とウェハＷの裏面との間に供給する。

プラズマエッチング装置１０は、上部電極３０を更に備えている。上部電極３０は、ステージ１６の上方に設けられている。上部電極３０は、部材３２を介して、チャンバ本体１２の上部に支持されている。上部電極３０は、電極板３４及び支持体３６を含み得る。電極板３４の下面は、チャンバ１２ｃに面している。電極板３４には、複数のガス吐出孔３４ａが設けられている。この電極板３４は、シリコン又は酸化シリコンといった材料から形成され得る。

支持体３６は、電極板３４を着脱自在に支持するものであり、アルミニウムといった導電性材料から形成されている。支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。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。支持体３６には、ガス拡散室３６ａにガスを導くガス導入口３６ｃが形成されている。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。ガスソース群４０は、複数のガスソースを含んでいる。複数のガスソースは、少なくとも、第１の処理ガスのガスソースと、第２の処理ガスのガスソースとを含んでいる。第１の処理ガスは、ウェハＷのエッチング対象膜に物理吸着されるガスである。第２の処理ガスは、エッチング対象膜のエッチングに用いられるガスである。なお、複数のガスソースは、第１の処理ガス及び第２の処理ガス以外のガスのソースを含んでいてもよい。

バルブ群４２は複数のバルブを含んでおり、流量制御器群４４はマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器といった複数の流量制御器を含んでいる。ガスソース群４０の複数のガスソースはそれぞれ、バルブ群４２の対応のバルブ及び流量制御器群４４の対応の流量制御器を介して、ガス供給管３８に接続されている。

支持部１５とチャンバ本体１２の側壁との間にはバッフル部材４８が設けられている。バッフル部材４８は、例えば、板状の部材であり、アルミニウム製の母材の表面にＹ２Ｏ３等のセラミックスを被覆することにより形成され得る。バッフル部材４８には、当該バッフル部材４８を貫通する複数の孔が形成されている。バッフル部材４８の下方において、チャンバ本体１２の底部には、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、圧力調整弁といった圧力制御器、及び、ターボ分子ポンプといった真空ポンプを有しており、チャンバ１２ｃを所望の圧力に減圧することができる。

プラズマエッチング装置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の高周波電力（高周波電気エネルギー）を発生する電源である。第１の高周波電力は、例えば２７〜１００ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。第１の高周波電源６２は、整合器６３を介して上部電極３０に接続されている。整合器６３は、第１の高周波電源６２の出力インピーダンスと負荷側（上部電極３０側）のインピーダンスを整合させるための回路を有している。なお、第１の高周波電源６２は、整合器６３を介して下部電極１８に接続されていてもよい。

第２の高周波電源６４は、ウェハＷにイオンを引き込むための第２の高周波電力（高周波電気エネルギー）を発生する電源である。第２の高周波電力は、例えば４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。第２の高周波電源６４は、整合器６５を介して下部電極１８に接続されている。整合器６５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１８側）のインピーダンスを整合させるための回路を有している。

プラズマエッチング装置１０は、制御部７０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部７０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ７１と、ユーザインターフェース７２と、記憶部７３とが設けられている。

ユーザインターフェース７２は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼動状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部７３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ７１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース７２からの指示等にて任意のレシピを記憶部７３から呼び出してプロセスコントローラ７１に実行させることで、プロセスコントローラ７１の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読み取り可能なコンピュータ記録媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

例えば、制御部７０は、後述するプラズマエッチング方法を実行するようにプラズマエッチング装置１０の各部を制御する。詳細な一例を挙げると、制御部７０は、エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスに基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程を実行する。そして、制御部７０は、吸着物とエッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程を実行する。ここで、被処理体は、例えば、ウェハＷである。また、物理吸着工程とエッチング工程とは、複数回交互に繰り返されても良い。

［ウェハＷの構成］
図２は、ウェハＷの構造の一例を示す図である。ウェハＷは、例えば図２に示すように、基板２０１上に、シリコン膜２０２、シリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４を有する。シリコン膜２０２、シリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４は、互いに隣接して配置されている。このうち、シリコン膜２０２又はシリコン酸化膜２０３は、エッチング対象膜の一例である。

［プラズマエッチング方法］
次に、プラズマエッチング装置１０によるプラズマエッチング方法の処理の流れの一例について説明する。図３は、一実施形態に係るプラズマエッチング方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図４は、図３に示した各工程の実行後のウェハＷの断面の一例を示す図である。以下の説明において、プラズマエッチング装置１０は、図２に示したウェハＷに対して、一連の処理を実行するものとする。

本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、まず、被処理体となるウェハＷがチャンバ１２ｃ内に搬入されてステージ１６上に載置される。この段階では、ウェハＷの断面は、例えば、図４の（ａ）に示す状態である。

続いて、プラズマエッチング装置１０は、工程の繰り返し回数をカウントするための変数ｍ、及び、工程の繰り返し回数の上限値を示す変数ｍ０について、設定値を設定する。プラズマエッチング装置１０は、例えば、変数ｍに「１」を設定し、変数ｍ０に例えば「１０」を設定する（ステップＳ１０１）。なお、変数ｍ０に設定される設定値は、任意の値である。変数ｍ０に設定される設定値が例えば「１」である場合、物理吸着工程とエッチング工程とが１回ずつ行われ、工程の繰り返しは行われない。

続いて、プラズマエッチング装置１０は、ウェハＷを第１の処理ガスの露点以下の温度まで冷却しながら、第１の処理ガスに基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程を実行する（ステップＳ１０２）。エッチング対象膜は、例えば、ウェハＷにおけるシリコン酸化膜２０３である。第１の処理ガスは、例えば、ＣＦ系ガスを含む。ＣＦ系ガスは、例えば、Ｃ４Ｆ８又はＣ５Ｆ８である。第１の処理ガスに基づく吸着物とエッチング対象膜とは、例えば、ファンデルワールス力によって互いに物理吸着されると考えられる。ファンデルワールス力は、分子間又は原子間に作用する引力であり、分子又は原子の温度が低くなるほど、影響力が増大する。このため、エッチング対象膜が第１の処理ガスに対する化学反応性を有さない場合であっても、ウェハＷが第１の処理ガスの露点以下の温度まで冷却される場合、第１の処理ガスが、ファンデルワールス力によってエッチング対象膜に物理吸着される。

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１０の制御部７０は、ステージ１６の流路１８ｆ内を循環する冷媒の温度を制御して、ウェハＷを第１の処理ガスであるＣ４Ｆ８の露点以下の温度（以下適宜「極低温（Cryogenic temperature）」と呼ぶ）まで冷却する。そして、制御部７０は、ウェハＷが極低温に維持された状態で、ガスソース群４０からチャンバ１２ｃ内に第１の処理ガスとしてＣ４Ｆ８を供給する。その結果、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物がファンデルワールス力によって原子層単位でエッチング対象膜に物理吸着される。

ステップＳ１０２に示した物理吸着工程の実行後のウェハＷの断面は、例えば図４の（ｂ）に示す状態となる。すなわち、ウェハＷが極低温まで冷却された状態で、Ｃ４Ｆ８がチャンバ１２ｃ内に供給されることにより、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５がエッチング対象膜であるシリコン酸化膜２０３上に物理吸着される。なお、ウェハＷ全体が極低温まで冷却されているので、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５は、シリコン酸化膜２０３上だけでなくシリコン膜２０２及びシリコン窒化膜２０４上にも物理吸着される。

続いて、プラズマエッチング装置１０は、吸着物とエッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程を実行する（ステップＳ１０３）。第２の処理ガスは、例えば、希ガスを含む。希ガスは、例えば、Ａｒ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１０の制御部７０は、ウェハＷが極低温まで冷却された状態で、ガスソース群４０からチャンバ１２ｃ内に第２の処理ガスとしてＡｒを供給し、Ｃ４Ｆ８をＡｒに置換し、第１の高周波電源６２からプラズマ生成用の第１の高周波電力を印加してＡｒのプラズマを生成する。この際、制御部７０は、第２の高周波電源６４からイオン引き込み用の第２の高周波電力を印加しても良い。Ａｒのプラズマが生成されることにより、エッチング対象膜上の吸着物に対するイオン（つまり、Ａｒイオン）の衝突が促進され、吸着物とエッチング対象膜との反応が引き起こされる。その結果、吸着物の厚さに応じてエッチング対象膜が原子層単位でエッチングされる。

ステップＳ１０３に示したエッチング工程の実行後のウェハＷの断面は、例えば図４の（ｃ）に示す状態となる。すなわち、エッチング対象膜であるシリコン酸化膜２０３上の吸着物２０５とシリコン酸化膜２０３との反応が引き起こされることにより、吸着物２０５の厚さに応じた厚さだけ、シリコン酸化膜２０３が選択的にエッチングされる。一方、エッチング対象ではないシリコン膜２０２及びシリコン窒化膜２０４と吸着物２０５との反応も引き起こされる。しかしながら、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５に由来する炭素含有物２０６，２０７がそれぞれシリコン膜２０２及びシリコン窒化膜２０４上に形成されるため、シリコン膜２０２及びシリコン窒化膜２０４のエッチングは、抑制される。

すなわち、ステップＳ１０３に示したエッチング工程において、以下の反応が引き起こされる。
ＳｉＯ２ ＋ ＣｘＦｙ → ＳｉＦ４（Ｇａｓ） ＋ ＣＯ ｏｒ ＣＯ２（Ｇａｓ）
Ｓｉ３Ｎ４ ＋ ＣｘＦｙ → ＳｉＦ４（Ｇａｓ） ＋ ＮＦ３（Ｇａｓ） ＋ Ｃ ｏｒ ＣＮ（Ｓｏｌｉｄ）
Ｓｉ ＋ ＣｘＦｙ → ＳｉＦ４（Ｇａｓ） ＋ ２Ｃ（Ｓｏｌｉｄ）

続いて、プラズマエッチング装置１０は、物理吸着工程とエッチング工程とを予め設定された回数だけ繰り返したか否か、つまり、変数ｍが変数ｍ０以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。プラズマエッチング装置１０は、変数ｍが変数ｍ０未満である場合（ステップＳ１０４Ｎｏ）、変数ｍを１増加させ（ステップＳ１０５）、処理をステップＳ１０２に戻して物理吸着工程とエッチング工程とを繰り返す。一方、プラズマエッチング装置１０は、変数ｍが変数ｍ０以上である場合には（ステップＳ１０４Ｙｅｓ）、処理を終了する。

なお、図３に示した処理手順は、上記の処理手順に限定されるものではなく、処理内容を矛盾させない範囲で適宜変更しても良い。例えば、制御部７０は、物理吸着工程とエッチング工程との間に、エッチング対象膜に物理吸着された吸着物の一部を蒸発又は昇華させることにより、吸着物の厚さを調整する調整工程を実行しても良い。

次に、一実施形態に係るプラズマエッチング方法についてさらに詳細に説明する。図５は、一実施形態に係るプラズマエッチング方法における各条件のタイムチャートを示す図である。ここでは、プラズマエッチング装置１０の制御部７０が、図２に示したウェハＷに対して、物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に繰り返し実行する場合を例に説明する。制御部７０は、物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に実行する際、図５のタイムチャートに従って、Ｃ４Ｆ８の供給、Ａｒの供給、第１の高周波電力の供給、及び第２の高周波電力の供給の各タイミングを制御する。

制御部７０は、まず、ウェハＷをＣ４Ｆ８の露点以下の温度（つまり、「極低温」）まで冷却しながら、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５をシリコン酸化膜２０３に物理吸着させる物理吸着工程を実行する。具体的には、制御部７０は、ウェハＷが極低温に維持された状態で、図５に示すように、時刻「ｔ０」〜時刻「ｔ１」の期間において、Ｃ４Ｆ８を供給する。これにより、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５がシリコン酸化膜２０３上に物理吸着される。時刻「ｔ０」〜時刻「ｔ１」の期間は、例えば、２ｓｅｃ程度とすることができる。

続いて、制御部７０は、シリコン酸化膜２０３に吸着物として物理吸着された吸着物２０５の一部を蒸発あるいは昇華させることにより、吸着物２０５の厚さを調整する調整工程を実行する。具体的には、制御部７０は、図５に示すように、時刻「ｔ１」において、Ｃ４Ｆ８の供給を停止するとともに、Ａｒの供給を開始する。これにより、時刻「ｔ１」〜時刻「ｔ２」の期間において、Ｃ４Ｆ８がＡｒによって置換されてＣ４Ｆ８の分圧が減少する。Ｃ４Ｆ８の分圧が減少すると、シリコン酸化膜２０３に物理吸着された、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５の一部が気化する。結果として、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５の厚さが所定の厚さ（例えば、１原子層に対応する厚さ）に調整される。時刻「ｔ１」〜時刻「ｔ２」の期間は、例えば、１０ｓｅｃ程度とすることができる。

続いて、制御部７０は、吸着物として物理吸着された吸着物２０５とシリコン酸化膜２０３とをＡｒのプラズマにより反応させることにより、シリコン酸化膜２０３をエッチングするエッチング工程を実行する。具体的には、制御部７０は、図５に示すように、ウェハＷの冷却及びＡｒの供給を続けたまま、時刻「ｔ２」〜時刻「ｔ４」の期間において、第１の高周波電力を印加してＡｒのプラズマを生成する。さらに、制御部７０は、時刻「ｔ３」〜時刻「ｔ４」の期間において、第２の高周波電力を印加してウェハＷへプラズマ中のイオンを引き込む。Ａｒのプラズマが生成されることにより、シリコン酸化膜２０３上の吸着物２０５に対するイオン（つまり、Ａｒイオン）の衝突が促進され、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５とシリコン酸化膜２０３との反応が引き起こされる。その結果、Ｃ４Ｆ８に基づく吸着物２０５の厚さに応じてエッチング対象膜が原子層単位でエッチングされる。時刻「ｔ２」〜時刻「ｔ４」の期間は、例えば、２５ｓｅｃ程度とすることができ、時刻「ｔ３」〜時刻「ｔ４」の期間は、例えば、２０ｓｅｃ程度とすることができる。

その後、制御部７０は、物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に複数回繰り返し実行する。

ここで、ウェハＷの温度とシリコン酸化膜２０３のエッチング量との関係について、図６Ａ〜図６Ｃを参照しながら、説明する。図６Ａは、ウェハＷが−５０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に４サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜２０３のエッチング量の測定結果を示す図である。図６Ｂは、ウェハＷが−１１０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に４サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜２０３のエッチング量の測定結果を示す図である。図６Ｃは、ウェハＷが−１２０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に４サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜２０３のエッチング量の測定結果を示す図である。なお、図６Ａ〜図６Ｃにおいて、「ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ」は、シリコン酸化膜２０３の厚さの初期値を示し、「ＡＬＥ ４ ｃｙｃｌｅｓ」は、各工程を順に４サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜２０３の厚さを示す。

図６Ａに示すように、ウェハＷの温度がＣ４Ｆ８の露点より高い−５０℃である場合、シリコン酸化膜２０３のエッチング量は、０．２ｎｍであった。このエッチング量は、予め定められた許容スペック量を満たすものではなかった。

また、図６Ｂに示すように、ウェハＷの温度がＣ４Ｆ８の露点より高い−１１０℃である場合、シリコン酸化膜２０３のエッチング量は、０．１ｎｍであった。このエッチング量は、予め定められた許容スペック量をみたすものではなかった。

これに対して、図６Ｃに示すように、ウェハＷの温度がＣ４Ｆ８の露点より低い−１２０℃である場合、シリコン酸化膜２０３のエッチング量は、１．５ｎｍであった。このエッチング量は、予め定められた許容スペックを満たすものであった。

ここで、ウェハＷが−１２０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に複数サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜２０３のエッチング量の変化について、図１０を参照しながら、説明する。図１０は、ウェハＷが−１２０℃まで冷却された状態で物理吸着工程、調整工程及びエッチング工程を順に複数サイクル繰り返し実行した場合のシリコン酸化膜２０３のエッチング量の変化の測定結果を示す図である。図１０（Ａ）には、シリコン酸化膜２０３のエッチング量の変化を示したグラフが示されている。図１０（Ｂ）には、図１０（Ａ）のグラフのうち、４サイクル目に相当する部分を拡大したグラフが示されている。

図１０（Ａ）に示すように、ウェハＷの温度がＣ４Ｆ８の露点より低い−１２０℃である場合、各サイクルにおいて、シリコン酸化膜２０３のエッチング量は、一定の変化幅で増加し、飽和した。すなわち、ウェハＷの温度がＣ４Ｆ８の露点より低い−１２０℃である場合、自己制御的なエッチングが実現されることが確認された。

また、図１０（Ｂ）に示すように、１サイクル当たりのシリコン酸化膜２０３のエッチング量は、０．４ｎｍであった。シリコン酸化膜２０３においてＳｉ−Ｏ結合の原子間距離は、例えば、１．６〜１．７Åであるため、０．４ｎｍは、おおよそ２つの原子層に相当する。すなわち、ウェハＷの温度がＣ４Ｆ８の露点より低い−１２０℃である場合、シリコン酸化膜２０３を原子層単位でエッチングすることができることが確認された。

次に、プラズマエッチング装置１０によるプラズマエッチング方法の処理の流れの他の一例について説明する。図７は、一実施形態に係るプラズマエッチング方法の処理の流れの他の一例を示すフローチャートである。図８は、図７に示した各工程の実行後のウェハＷの断面の一例を示す図である。以下の説明において、プラズマエッチング装置１０は、図２に示したウェハＷに対して、一連の処理を実行するものとする。

本実施形態に係るプラズマエッチング方法では、まず、被処理体となるウェハＷがチャンバ１２ｃ内に搬入されてステージ１６上に載置される。この段階では、ウェハＷの断面は、例えば、図８の（ａ）に示す状態である。

続いて、プラズマエッチング装置１０は、工程の繰り返し回数をカウントするための変数ｍ、及び、工程の繰り返し回数の上限値を示す変数ｍ０について、設定値を設定する。プラズマエッチング装置１０は、例えば、変数ｍに「１」を設定し、変数ｍ０に例えば「１０」を設定する（ステップＳ１１１）。なお、変数ｍ０に設定される設定値は、任意の値である。変数ｍ０に設定される設定値が例えば「１」である場合、物理吸着工程とエッチング工程とが１回ずつ行われ、工程の繰り返しは行われない。

続いて、プラズマエッチング装置１０は、ウェハＷを第１の処理ガスの昇華点以下の温度まで冷却しながら、第１の処理ガスに基づくパッシベーション膜を吸着物としてエッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程を実行する（ステップＳ１１２）。エッチング対象膜は、例えば、ウェハＷにおけるシリコン膜２０２である。第１の処理ガスは、例えば、ハロゲン及び酸素を含むガスを含む。ハロゲン及び酸素を含むガスは、例えば、ＳｉＦ４／Ｏ２又はＳｉ２Ｆ６／Ｏ２である。第１の処理ガスに基づくパッシベーション膜とエッチング対象膜とは、例えば、ファンデルワールス力によって互いに物理吸着されると考えられる。ファンデルワールス力は、分子間又は原子間に作用する引力であり、分子又は原子の温度が低くなるほど、増大する。このため、エッチング対象膜が第１の処理ガスに対する化学反応性を有さない場合であっても、ウェハＷが第１の処理ガスの昇華点以下の温度まで冷却される場合、第１の処理ガスに基づくパッシベーション膜が、ファンデルワールス力によってエッチング対象膜に物理吸着される。

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１０の制御部７０は、ステージ１６の流路１８ｆ内を循環する冷媒の温度を制御して、ウェハＷを第１の処理ガスであるＳｉＦ４／Ｏ２の昇華点以下の温度（以下適宜「極低温（Cryogenic temperature）」と呼ぶ）まで冷却する。そして、制御部７０は、ウェハＷが極低温に維持された状態で、ガスソース群４０からチャンバ１２ｃ内に第１の処理ガスとしてＳｉＦ４／Ｏ２を供給し、第１の高周波電源６２からプラズマ生成用の第１の高周波電力を印加してＳｉＦ４／Ｏ２のプラズマを生成する。この際、制御部７０は、第２の高周波電源６４からイオン引き込み用の第２の高周波電力を印加しても良い。その結果、ＳｉＦ４／Ｏ２に基づくパッシベーション膜である酸化被膜がファンデルワールス力によって原子層単位でエッチング対象膜に物理吸着される。

ステップＳ１１２に示した物理吸着工程の実行後のウェハＷの断面は、例えば図８の（ｂ）に示す状態となる。すなわち、ウェハＷが極低温まで冷却された状態で、ＳｉＦ４／Ｏ２のプラズマが生成されることにより、ＳｉＦ４／Ｏ２に基づくパッシベーション膜である酸化被膜２１５がエッチング対象膜であるシリコン膜２０２上に物理吸着される。なお、ウェハＷ全体が極低温まで冷却されているので、ＳｉＦ４／Ｏ２に基づく酸化被膜２１５は、シリコン膜２０２上だけでなくシリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４上にも物理吸着される。

続いて、プラズマエッチング装置１０は、吸着物とエッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程を実行する（ステップＳ１１３）。第２の処理ガスは、例えば、希ガスを含む。希ガスは、例えば、Ａｒ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１０の制御部７０は、ガスソース群４０からチャンバ１２ｃ内に第２の処理ガスとしてＡｒを供給し、ＳｉＦ４／Ｏ２をＡｒに置換し、第１の高周波電源６２からプラズマ生成用の第１の高周波電力を印加してＡｒのプラズマを生成する。この際、制御部７０は、第２の高周波電源６４からイオン引き込み用の第２の高周波電力を印加しても良い。Ａｒのプラズマが生成されることにより、エッチング対象膜上の吸着物に対するイオン（つまり、Ａｒイオン）の衝突が促進され、吸着物とエッチング対象膜との反応が引き起こされる。その結果、吸着物の厚さに応じてエッチング対象膜が原子層単位でエッチングされる。

ステップＳ１１３に示したエッチング工程の実行後のウェハＷの断面は、例えば図８の（ｃ）に示す状態となる。すなわち、エッチング対象膜であるシリコン膜２０２上の酸化被膜２１５とシリコン膜２０２との反応が引き起こされることにより、酸化被膜２１５の厚さに応じた厚さだけ、シリコン膜２０２が選択的にエッチングされる。一方、エッチング対象ではないシリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４は、シリコン膜２０２よりも結合解離エネルギーが大きいため、シリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４と酸化被膜２１５との反応は、抑制される。このため、シリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４のエッチングは、抑制される。

続いて、プラズマエッチング装置１０は、物理吸着工程とエッチング工程とを予め設定された回数だけ繰り返したか否か、つまり、変数ｍが変数ｍ０以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１４）。プラズマエッチング装置１０は、変数ｍが変数ｍ０未満である場合（ステップＳ１１４Ｎｏ）、変数ｍを１増加させ（ステップＳ１１５）、処理をステップＳ１１２に戻して物理吸着工程とエッチング工程とを繰り返す。一方、プラズマエッチング装置１０は、変数ｍが変数ｍ０以上である場合には（ステップＳ１１４Ｙｅｓ）、処理を終了する。

なお、図７に示した処理手順は、上記の処理手順に限定されるものではなく、処理内容を矛盾させない範囲で適宜変更しても良い。例えば、制御部７０は、物理吸着工程とエッチング工程との間に、エッチング対象膜に物理吸着された吸着物の一部を蒸発又は昇華させることにより、吸着物の厚さを調整する調整工程を実行しても良い。

図９は、物理吸着工程において冷却されたウェハＷの温度と、シリコン膜２０２、シリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４の各エッチング量との関係の一例を示す図である。図９において、「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（℃）」は、物理吸着工程において冷却されたウェハＷの温度（℃）を示す。また、図９において、「ａ−Ｓｉ（ｎｍ）」は、シリコン膜２０２のエッチング量（ｎｍ）を示し、「ＳｉＯ２（ｎｍ）」は、シリコン酸化膜２０３のエッチング量（ｎｍ）を示し、「ＳｉＮ（ｎｍ）」は、シリコン窒化膜２０４のエッチング量（ｎｍ）を示す。

図９に示すように、ウェハＷが−５０℃まで冷却された場合に、シリコン膜２０２のエッチング量が５１．６１２（ｎｍ）まで増加した。一方、シリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４のエッチング量は、シリコン膜２０２のエッチング量と比較して、小さかった。これは、シリコン酸化膜２０３及びシリコン窒化膜２０４は、シリコン膜２０２よりも結合解離エネルギーが大きいためであると考えられる。

以上、本実施形態によれば、エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスに基づく吸着物をエッチング対象膜に物理吸着させ、吸着物とエッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させて、エッチング対象膜をエッチングする。このため、選択可能なエッチング対象膜が、第１の処理ガスに対する化学反応性を有する物質に制限されず、且つ、吸着物の厚さに応じてエッチング対象膜のエッチング量を原子層単位で容易に制御することができる。この結果、選択可能なエッチング対象膜の制限を受けることなく、自己制御的なエッチングを実現することができる。

１０ プラズマエッチング装置
１２ チャンバ本体
１２ｃ チャンバ
１６ ステージ
１８ 下部電極
１８ｆ 流路
２０ 静電チャック
４０ ガスソース群
５０ 排気装置
６２ 第１の高周波電源
６４ 第２の高周波電源
７０ 制御部

Claims (9)

1. エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスに基づく吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程と、
   前記吸着物と前記エッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、前記エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程と
   を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。
2. 前記物理吸着工程と前記エッチング工程とは、複数回交互に繰り返され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. 前記物理吸着工程は、前記被処理体を前記第１の処理ガスの露点以下の温度まで冷却しながら、前記第１の処理ガスに基づく吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる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。
4. 前記エッチング対象膜は、シリコン酸化膜であり、
   前記第１の処理ガスは、ＣＦ系ガスを含むことを特徴とする請求項３に記載のプラズマエッチング方法。
5. 前記物理吸着工程は、前記被処理体を前記第１の処理ガスの昇華点以下の温度まで冷却しながら、前記第１の処理ガスに基づくパッシベーション膜を前記吸着物として前記エッチング対象膜に物理吸着させる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。
6. 前記エッチング対象膜は、シリコン膜であり、
   前記第１の処理ガスは、ハロゲン及び酸素を含むガスを含むことを特徴とする請求項５に記載のプラズマエッチング方法。
7. 前記第２の処理ガスは、希ガスを含む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。
8. 前記物理吸着工程と前記エッチング工程との間に、前記エッチング対象膜に物理吸着された吸着物の一部を蒸発又は昇華させることにより、前記吸着物の厚さを調整する調整工程をさらに含む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。
9. 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、
   前記チャンバ内を減圧するための排気部と、
   前記チャンバ内に処理ガスを供給するためのガス供給部と、
   エッチング対象膜が形成された被処理体を冷却しながら、第１の処理ガスに基づく吸着物を前記エッチング対象膜に物理吸着させる物理吸着工程と、前記吸着物と前記エッチング対象膜とを第２の処理ガスのプラズマにより反応させることにより、前記エッチング対象膜をエッチングするエッチング工程とを実行する制御部と
   を有することを特徴とするプラズマエッチング装置。

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