JP7738439B2 - 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。

半導体デバイスの製造過程では、シリコン（Ｓｉ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）をエッチングしてスリミングする工程がある。このような工程のエッチングではウエットエッチングが多用されている。例えば、特許文献１にはポリシリコンをウエットエッチングでエッチングする方法が記載されている。

特開平９－２６０３６１号公報

本開示は、ＳｉまたはＳｉＮをエッチングする際に、表面ラフネスを良好にして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、基板に存在するＳｉまたはＳｉＮをエッチングするエッチング方法であって、ＳｉまたはＳｉＮを有する基板に対してラジカル酸化処理を施し、ＳｉまたはＳｉＮの表面に酸化膜を生成することと、前記酸化膜に対してガスによる化学的処理を行うことと、前記化学的処理により生成された反応生成物を除去することと、を有し、前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返し、前記ラジカル酸化処理は、酸素含有ガスにより生成された酸素含有プラズマにより行われ、前記酸素含有ガスは、Ｏ _２ ガスとＦ含有ガスの混合ガスであり、前記基板は、その側面に前記ＳｉまたはＳｉＮが存在する凹部を有し、前記ラジカル酸化処理は、圧力と、前記酸素含有ガス中の前記Ｆ含有ガスの割合との少なくとも一方を調整することにより、前記凹部の深さ方向における前記酸化膜の厚さの分布を制御することを含む。

本開示によれば、ＳｉやＳｉＮをエッチングする際に、表面ラフネスを良好にして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が提供される。

一実施形態に係るエッチング方法の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係るエッチング方法の他の例を示すフローチャートである。 一実施形態のエッチング方法が適用される基板の構造の一例を示す断面図である。 図３の構造においてチャネルとなるｐｏｌｙ－Ｓｉ膜をエッチングした状態を示す図である。 一実施形態のエッチング方法が適用される基板の構造の他の例を示す断面図である。 図５の構造において、ＯＮＯＮ積層構造部のＳｉＮ膜をリセスエッチした状態を示す断面図である。 図３の構造においてラジカル酸化ステップの条件を変化させ、ラジカル酸化ステップと酸化物除去ステップを繰り返した場合の、Ｔｏｐ、Ｍｉｄ、Ｂｔｍのサイクル数とＳｉエッチング量との関係を示す図である。 ラジカル酸化処理の際の圧力とＦ含有ガスであるＮＦ_３ガスの割合によりトップ－ボトムローディングが制御可能な推定メカニズムを示す図である。 一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９の処理システムに搭載された、一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。

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。

＜エッチング方法＞
図１は、一実施形態に係るエッチング方法の一例を示すフローチャートである。
本実施形態に係るエッチング方法は、基板に存在するＳｉまたはＳｉＮをエッチングするものである。最初に、エッチング対象部であるＳｉまたはＳｉＮを有する基板に対してラジカル酸化処理を施し、ＳｉまたはＳｉＮの表面に酸化膜を生成する（ステップＳＴ１）。次いで、酸化膜に対しガスによる化学的処理を行う（ステップＳＴ２）。次いで、ステップＳＴ２の化学的処理により生成された反応生成物を除去する（ステップＳＴ３）。これらのステップＳＴ１～ステップＳＴ３を複数回繰り返す。これにより、基板に存在するＳｉまたはＳｉＮを所望の量でエッチングする。

以下、詳細に説明する。
ステップＳＴ１のラジカル酸化処理は、酸素含有プラズマを生成し、処理容器内に収容された基板に対し、酸素含有プラズマ中の酸素ラジカル（Ｏラジカル）を作用させ、ＳｉまたはＳｉＮの表面に酸化膜（ＳｉＯ_２膜）を形成する。このとき、酸素含有プラズマ中の主にＯラジカルを基板に供給可能なように、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ガスのプラズマを生成させ、プラズマを処理空間に搬送する。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。基板に対して主にＯラジカルが作用することにより、基板に対するイオンダメージを低減することができる。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、このとき用いる酸素含有プラズマを生成するための酸素含有ガスは、Ｏ_２ガス単独であってもよいし、Ｏ_２ガスと、Ｈ_２ガス、フッ素（Ｆ）含有ガス、および希ガスの少なくとも１種との混合ガスであってもよい。Ｆ含有ガスとしてはＮＦ_３ガス、ＳＦ_６ガス、Ｆ_２ガス等を用いることができる。これらの中ではＮＦ_３ガスが好適である。希ガスは、特に限定されないが、Ａｒガスが好ましい。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。Ｆ含有ガスを加えることによりＦラジカルが生成され、Ｆラジカルにより酸化膜およびＳｉがエッチングされる。Ｆ含有ガスの割合は、Ｆ含有ガス／Ｏ_２ガスで０．５～５％が好ましい。Ｈ_２ガスは、Ｈ_２ガス／（Ｏ_２ガス＋Ｈ_２ガス）で０～８０％が好ましい。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。

ステップＳＴ１の際の圧力は、２５～５００ｍＴｏｒｒ（３．３３～６６．７Ｐａ）が好ましい。基板温度は１５～１２０℃が好ましい。また、ステップＳＴ１の時間は、６０～１８０ｓｅｃの範囲が好ましい。各ガスの流量は、装置に応じて適宜設定される。

ステップＳＴ２の酸化膜に対しガスによる化学的処理を行う工程では、ガスによる化学的処理として、Ｆ含有ガスを含む処理ガスを用いた化学的処理を挙げることができる。この処理により、酸化膜と処理ガスとを反応させて、加熱等により除去可能な化合物を生成させる。

処理ガスに含まれるＦ含有ガスとしては、フッ化水素（ＨＦ）ガス等を挙げることができ、Ｆ含有ガス以外のガスとしては、Ｈ_２Ｏガス、および還元性ガスを挙げることができる。還元性ガスとしては、アンモニア（ＮＨ_３）ガス、アミン系ガスを挙げることができる。Ｆ含有ガスと、Ｈ_２Ｏガスまたは還元性ガスとを酸化膜と反応させることにより、比較的容易に除去可能な化合物を生成することができる。

これらの中では、フッ素含有ガスとしてＨＦガスを用い、還元性ガスとしてＮＨ_３ガスを用いたものが好ましい。ＨＦガスとＮＨ_３ガスとにより、従来から酸化物除去処理として知られている化学的酸化物除去処理（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ；ＣＯＲ）を行うことができる。ＣＯＲ処理では、酸化膜の表面にＨＦガスとＮＨ_３ガスとを吸着させ、これらを酸化膜と反応させてフッ化アンモニウム系化合物であるケイフッ化アンモニウム（ＡＦＳ）を生成させる。

このようなＣＯＲ処理では、圧力が６．６６～４００Ｐａ（５０～３０００ｍＴｏｒｒ）の範囲が好ましく、１３．３～２６６．６Ｐａ（１００～２０００ｍＴｏｒｒ）の範囲がより好ましい。また、この際の基板温度は、０～１２０℃の範囲が好ましく、２０～１００℃の範囲がより好ましい。

ステップＳＴ２は、ステップＳＴ１と同一の処理容器内で行うことができる。同一の処理容器内で行うことによりスループットを高めることができる。もちろん、これらを別個の処理容器で行ってもよい。

ステップＳＴ３の反応生成物を除去する工程は、基板を所望の温度にした状態で、処理容器を排気しながら処理容器内に不活性ガスを供給することにより行われる。この工程は、ステップＳＴ２のガスによる化学的処理と同一の処理容器内で行ってもよいし、別個の処理容器で行ってもよい。いずれの場合も基板温度は適宜設定すればよく、ステップＳＴ２と同じでも異なっていてもよいが、ステップＳＴ３をステップＳＴ２と同一の処理容器内で行う場合は、基板温度をステップＳＴ２と同じ温度で行うことによりスループットを高めることができる。ステップＳＴ３をステップＳＴ２と別個の処理容器で行う場合は、例えば１９０～３００℃に加熱して反応生成物の除去を促進してもよい。また、図２に示すように、ステップＳＴ２とステップＳＴ３とを繰り返してもよい。特に、ＳｉＮをＣＯＲ処理する場合には、ＨＦ／ＮＨ_３ガスによりＳｉＮがエッチングされるおそれがあるので、ステップＳＴ２とステップＳＴ３とを短時間で繰り返すことにより、インキュベーションタイムを利用してＳｉＮのエッチングを防止することが好ましい。ステップＳＴ２とステップＳＴ３とを繰り返す場合も、同一の処理容器内で行ってもよいし、別個の処理容器で行ってもよい。

なお、ガス種や、温度・圧力等の条件によっては、ステップＳＴ２とステップＳＴ３とを同時に行うことができる。例えば、ＣＯＲ処理をＡＦＳが分解する温度で行うことにより、ステップＳＴ２のガスによる化学的処理と、ステップＳＴ３の反応生成物を除去する工程を同時に進行させることができる。また、全ての処理が終了した後、別個の処理容器で残渣除去のための加熱処理を行ってもよい。

従来行われていたＳｉのウエットエッチングでは、Ｓｉの結晶粒界もしくは結晶面に沿ったエッチングが進むため、表面のラフネスが悪くなる。これに対し、本実施形態では、プラズマ酸化処理によりＳｉ表面に酸化膜を生成することと、ガスによる化学的処理を含む処理により酸化膜を除去することとを繰り返す。このとき、ラジカル酸化処理は酸素ラジカルによる表面反応であるため、結晶粒界もしくは結晶面に依存せずに薄い酸化膜が形成され、次いで、その酸化膜のみを除去するので、表面ラフネスが良好である。そして、これらを所望の回数繰り返すことにより、良好な制御性で所望の量のエッチングを行うことができる。

実際に本実施形態のエッチング方法でｐｏｌｙ－Ｓｉブランケットウエハのエッチングを行って、表面ラフネスを確認した。ここでは、ラジカル酸化ステップを４００～１２５０ｍＴｏｒｒで行った後、ＣＯＲ処理およびＡＦＳ除去処理を含む酸化膜除去ステップを行うサイクルを４～２２サイクル行い、平均膜厚および表面ラフネスを測定した。表面ラフネスとしてはＲａを測定した。その結果、平均エッチング量は３．６１～１６．４９ｎｍとなり、Ｒａは４サイクルで０．１６５６ｎｍ、１５サイクルで０．１９８６ｎｍ、１８サイクルで０．１９８８ｎｍ、２２サイクルで０．２０６８ｎｍとなった。これは、イニシャルの表面ラフネスである０．１２７ｎｍとほぼ同等の値であり、良好な表面ラフネスとなることが確認された。これに対し、ウエットエッチングの場合は、Ｒａが０．６ｎｍとなり、本実施形態の場合のほぼ３倍の値となった。

本実施形態のエッチング方法が適用される基板の構造は特に限定されないが、例えば、３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置に用いられる構造を挙げることができる。図３は、そのような基板の構造の一例を示す断面図である。

本例においては、基板である半導体ウエハ（ウエハ）Ｗは、シリコン基体１００の上に、ＳｉＯ_２膜１１１とＳｉＮ膜１１２とが交互に複数積層されてなるＯＮＯＮ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。ＯＮＯＮ積層構造部１０２の上には上部構造１１０が設けられ、上部構造１１０およびＯＮＯＮ積層構造部１０２の積層方向に貫通するメモリーホール１０３が形成されており、メモリーホール１０３には、多層構造のメモリ膜１０４と、チャネルとなるＳｉ膜１０５が形成されている。Ｓｉ膜１０５は結晶Ｓｉ膜である。本例では、図４に示すように、チャネルとなるＳｉ膜１０５をエッチングしてスリミングする。

図５は、３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置に用いられる基板の構造の他の例を示す断面図である。本例においては、基板であるウエハＷは、同様に、シリコン基体１００の上に、ＳｉＯ_２膜１１１とＳｉＮ膜１１２とが交互に複数積層されてなるＯＮＯＮ積層構造部１０２と上部構造１１０とを有している。上部構造１１０とＯＮＯＮ積層構造部１０２には、積層方向に貫通するスリット１０６が形成されている。本例では、図６に示すように、ＯＮＯＮ積層構造部１０２の複数のＳｉＮ膜１１２を３～５ｎｍ程度リセスエッチする。

このような３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置では、メモリーホール１０３やスリット１０６は非常に深いものとなる。このように深い凹部では、凹部の側面に存在するＳｉやＳｉＮの酸化処理の際に、トップ－ボトムローディング（間口と最深部との間のローディング）により、深さ方向で所望の膜厚均一性を有する酸化膜が得られないことがある。このようなトップ－ボトムローディングは、３Ｄ－ＮＡＮＤ型不揮発性半導体装置に限らず、深さが４μｍ以上の凹部の側面部分のエッチングで問題となる。

このようなトップ－ボトムローディングを制御する手法として、ラジカル酸化処理の際の圧力および／または酸素含有ガス中のＦ含有ガスの割合を調整することが有効であることが見出された。

図７は、図３の構造においてラジカル酸化ステップの条件を変化させ、ラジカル酸化ステップと酸化物除去ステップを繰り返した場合の、Ｔｏｐ、ｍｉｄｄｌｅ（Ｍｉｄ）、ｂｏｔｔｏｍ（Ｂｔｍ）のサイクル数とＳｉエッチング量との関係を示す図である。この図に示すように、ラジカル酸化ステップが高圧条件（１６０ｍＴｏｒｒ）の（ａ）では、エッチング量がＢｔｍよりもＴｏｐのほうが大きいＴｏｐファーストとなることがわかる。ラジカル酸化ステップが低圧条件（５０ｍＴｏｒｒ）の（ｂ）では、エッチング量がＴｏｐとＢｔｍでほぼ同じの均一なエッチングとなることがわかる。ラジカル酸化ステップが低圧条件（５０ｍＴｏｒｒ）でＮＦ_３をＯ_２ガスに対して４％添加した（ｃ）では、エッチング量がＴｏｐよりもＢｔｍのほうが大きいＢｔｍファーストとなることがわかる。

これらの結果から、ラジカル酸化ステップの圧力およびＮＦ_３／Ｏ_２を調整することにより、エッチング特性をＴｏｐ＞Ｂｔｍ、Ｔｏｐ＝Ｂｔｍ、Ｔｏｐ＜Ｂｔｍに調整できることがわかる。すなわち、ラジカル酸化ステップの際の圧力および／または酸素含有ガス中のＦ含有ガスの割合を変化させることにより、エッチング量をＴｏｐ＞Ｂｔｍ、Ｔｏｐ＝Ｂｔｍ、Ｔｏｐ＜Ｂｔｍのいずれにも調整可能であり、トップ－ボトムローディングを制御できることが確認された。

次に、このようにトップ－ボトムローディングを制御可能な推定メカニズムについて説明する。図８は、ラジカル酸化処理の際の圧力とＦ含有ガスであるＮＦ_３ガスの割合によりトップ－ボトムローディングが制御可能な推定メカニズムを示す図である。

図８の（ａ）の高圧条件では、平均自由行程が短いため、Ｏラジカルは底部へ到達することが妨げられる。ＯラジカルはＳｉ膜１０５の主にＴｏｐ部分にアタックし、生成される酸化膜１０５ａはＴｏｐ部分が厚くなり、Ｓｉ膜１０５のエッチングはＴｏｐファーストとなる。また、（ｂ）の低圧条件では、平均自由行程が長いため、Ｏラジカルは底部にも到達する。このため、ＯラジカルはＳｉ膜１０５に均一にアタックし、生成される酸化膜１０５ａは均一な厚さとなり、Ｓｉ膜１０５は均一にエッチングされる。（ｃ）は高圧でかつＮＦ_３ガスを添加した条件である。この条件では、平均自由行程が短いため、ＯラジカルもＦラジカルも底部へ到達することが妨げられる。ＯラジカルはＳｉ膜１０５の主にＴｏｐ部分に酸化膜１０５ａを生成する。ＦラジカルはＴｏｐ部分の酸化膜１０５ａをエッチングするが、その作用は小さく、（ａ）と同様、Ｓｉ膜１０５のエッチングはＴｏｐファーストとなる。（ｄ）は低圧でかつＮＦ_３ガスを添加した条件である。この条件では平均自由行程が長く、ＯラジカルはＳｉ膜１０５に均一にアタックする。一方、Ｆラジカルは底部へ移動しやすく、底部においてＳｉ膜１０５をエッチングし、結果としてＳｉ膜１０５のエッチングはＢｔｍファーストとなる。

＜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９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９に示すように、処理システム１０は、複数の基板Ｗを保管し基板Ｗの搬入出を行う搬入出部１１と、２枚の基板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Ｗに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に保管された基板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枚ずつ基板Ｗを載置する。次いで、処理システム１０では、ステージ１５に載置された各基板Ｗへプロセスモジュール１３で処理を施した後に、処理済みの基板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、複数の基板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、保管された基板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で処理が施された基板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の間において基板Ｗを受け渡しするために一時的に基板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基板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に基板Ｗを搬入し、または、ロードロックモジュール１９から各ＦＯＵＰ１６に基板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に収容された基板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、基板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枚の基板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およ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は未処理の基板Ｗを搬入出部１１からプロセスモジュール１３に搬入し、処理済みの基板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枚の基板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枚の基板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枚の基板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ＳｉまたはＳｉＮのエッチングを行うためのものである。プロセスモジュール１３は、上記ステップＳＴ１～ＳＴ３を一括して行うものであってよいし、ステップＳＴ１およびステップＳＴ２を行うものと、ステップＳＴ３を行うものを別個に含んでいてもよい。

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１０は、図９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１０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、基板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には基板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、基板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、基板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の内部には基板Ｗを温調する温調機構３６が設けられている。温調機構３６は、例えば、温調媒体が循環する管路（図示せず）を有し、当該管路内を流れる温調媒体と基板Ｗの熱交換を行うことによって基板Ｗの温調を行う。制御温度が高温の場合は、温調機構３６はヒーターであってもよく、温調媒体が循環する管路とヒーターの両方を設けてもよい。また、ステージ１５には基板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は基板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、第１のガス供給部６１と第２のガス供給部６２とが設けられている。

第１のガス供給部６１は、Ｏ_２ガス、Ｈ_２ガス、フッ素含有ガスである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。

第２のガス供給部６２は、化学的処理に用いる処理ガス、例えば上述したようなＨＦガスとＮＨ_３ガス、および、調圧ガス、パージガスまたは希釈ガス等として用いられる希ガスを処理空間Ｓに供給する。

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、基板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。

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。

なお、加熱処理のみを実施するプロセスモジュールを設ける場合は、上記構成のプロセスモジュールからプラズマ生成機構および仕切り板を除いた構成のものを用いる。

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３に示された構造を有する基板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内の基板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。

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１０００～２０００ｍＴｏｒｒ（１３３．３～２６６．６Ｐａ）にしつつ、温調機構３６により８０～１２０℃に温調されたステージ１５上で、基板Ｗを所定時間、例えば１２０ｓｅｃ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５０～３００ｍＴｏｒｒ（６．６７～４０Ｐａ）とし、酸素含有プラズマを生成してラジカル酸化処理を行う。

ラジカル酸化処理を行うに際しては、まず、第１のガス供給部６１からプラズマ生成空間Ｐへ酸素含有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酸素含有プラズマを生成する。このとき、酸素含有ガスとしては、Ｏ_２ガス単独でもよいし、Ｏ_２ガスに、Ｈ_２ガスまたはＦ含有ガスを添加してもよい。また、さらにＡｒガス等の希ガスを供給してもよい。

次いで、プラズマ生成空間Ｐで生成された酸素含有ガスのプラズマを、仕切り板３７を介して処理空間Ｓに搬送する。この際に、仕切板３７でＯ_２イオンが失活し、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、基板ＷのＳｉまたはＳｉＮの表面部分が酸化し、酸化膜が生成される。この際の処理はＯラジカルを主体とする処理であるため、基板Ｗに対するイオンダメージが小さい。

このとき、ガス流量については、Ｏ_２ガス流量：５０～２００ｓｃｃｍが好ましい。また、Ｈ_２ガス、Ｆ含有ガス、希ガス（Ａｒガス）を供給する場合には、それぞれ２００ｓｃｃｍ以下、３～１０ｓｃｃｍ、３０～２００ｓｃｃｍが好ましい。また、プラズマ生成パワーについては４００～８００Ｗ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内をパージし、酸化膜に対しガスによる化学的処理を行う。このとき、処理容器２８内の圧力を、好ましくは１００～１５００ｍＴｏｒｒ（１３．３～２００Ｐａ）の範囲とし、温調機構３６によりステージ１５（基板Ｗ）の温度を８０～１２０℃の温度に保持した後、第２のガス供給部６２からＦ含有ガスを含む処理ガス、例えば、ＨＦガスおよびＮＨ_３ガスを処理容器２８の処理空間Ｓに供給する。これにより、処理ガスが酸化膜と反応して分解しやすい反応生成物が生成される。例えばＨＦガスおよびＮＨ_３ガスが基板Ｗに吸着し、これらが酸化膜と反応し、フッ化アンモニウム系化合物であるＡＦＳを生成する。

ＨＦガスおよびＮＨ_３ガスを用いた場合のガス流量は、好ましくは、ＨＦガス流量：５０～１００ｓｃｃｍ、ＮＨ_３ガス流量：３００～４００ｓｃｃｍ、不活性ガス（Ａｒガス）流量：２００～４００ｓｃｃｍとする。

以上のような化学的処理の後、処理容器２８内をパージし、反応生成物、例えばフッ化アンモニウム系化合物であるＡＦＳの除去処理を行う。ＡＦＳの除去は、温調機構３６によりステージ１５（基板Ｗ）の温度を８０～１２０℃の温度に保持した状態で、処理容器２８を排気しながら処理容器２８内に不活性ガスを供給し、ＡＦＳを昇華させる。この昇華処理は、別個の装置の処理容器内で行ってもよい。

以上のラジカル酸化処理、ガスによる化学的処理、および反応生成物の加熱除去処理を複数回繰り返し、所望の厚さでＳｉまたはＳｉＮをエッチングする。このようにラジカル酸化処理を行って酸化膜を生成し、その後、ガスによる化学的処理および反応生成物の除去処理を行うので、良好な表面ラフネスでＳｉまたはＳｉＮのエッチングを行うことができ、制御性も良好である。

＜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、全ての点において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 ＯＮＯＮ積層構造部
１０３ メモリーホール（凹部）
１０５ Ｓｉ膜（チャネル）
１０５ａ 酸化膜
１０６；スリット（凹部）
１１１ ＳｉＯ_２膜
１１２ ＳｉＮ膜
Ｐ プラズマ生成空間
Ｓ 処理空間
Ｗ 基板

Claims (14)

1. 基板に存在するＳｉまたはＳｉＮをエッチングするエッチング方法であって、
   ＳｉまたはＳｉＮを有する基板に対してラジカル酸化処理を施し、ＳｉまたはＳｉＮの表面に酸化膜を生成することと、
   前記酸化膜に対してガスによる化学的処理を行うことと、
   前記化学的処理により生成された反応生成物を除去することと、
   を有し、
   前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返し、
   前記ラジカル酸化処理は、酸素含有ガスにより生成された酸素含有プラズマにより行われ、
   前記酸素含有ガスは、Ｏ _２ ガスとＦ含有ガスの混合ガスであり、
   前記基板は、その側面に前記ＳｉまたはＳｉＮが存在する凹部を有し、
   前記ラジカル酸化処理は、圧力と、前記酸素含有ガス中の前記Ｆ含有ガスの割合との少なくとも一方を調整することにより、前記凹部の深さ方向における前記酸化膜の厚さの分布を制御することを含む、
   エッチング方法。
2. 前記化学的処理を行うことと前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返す、請求項１に記載のエッチング方法。
3. 前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うこととを同一の処理容器内で実施する、請求項１または請求項２に記載のエッチング方法。
4. 前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを同一の処理容器内で実施する、請求項１または請求項２に記載のエッチング方法。
5. 前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを同一の処理容器内で実施する、請求項１または請求項２に記載のエッチング方法。
6. 前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを別個の処理容器で実施する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のエッチング方法。
7. 前記Ｆ含有ガスはＮＦ_３ガスである、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のエッチング方法。
8. 前記酸素含有プラズマは、前記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リモートプラズマにより生成される、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. 前記ガスによる化学的処理は、フッ素含有ガスを含む処理ガスにより行う、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のエッチング方法。
10. 前記フッ素含有ガスを含む処理ガスは、フッ素含有ガスと、Ｈ_２Ｏガスまたは還元性ガスとを含む、請求項９に記載のエッチング方法。
11. 前記フッ素含有ガスを含む処理ガスは、前記フッ素含有ガスとしてＨＦガスを含み、前記還元性ガスとしてＮＨ_３ガスを含む、請求項１０に記載のエッチング方法。
12. 前記反応生成物は、前記化学的処理の後、生成されたフッ化アンモニウム系化合物である、請求項１１に記載のエッチング方法。
13. 基板に存在するＳｉまたはＳｉＮをエッチングするエッチング装置であって、
    基板を収容する処理容器と、
    前記処理容器内に設けられた前記基板を載置する載置台と、
    前記処理容器内に酸素含有ガスを供給する第１のガス供給機構と、
    前記酸素含有ガスにより生成された酸素含有プラズマによりラジカル酸化処理を行い、ＳｉまたはＳｉＮの表面に酸化膜を生成するラジカル酸化機構と、
    前記処理容器内に前記酸化膜に対して化学的処理を行うガスを供給する第２のガス供給機構と、
    前記載置台を温調する温調機構と、
    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、
    ＳｉまたはＳｉＮを有する基板に対してラジカル酸化処理を施し、ＳｉまたはＳｉＮの表面に酸化膜を生成することと、
    前記酸化膜に対してガスによる化学的処理を行うことと、
    前記化学的処理により生成された反応生成物を除去することと、
    が実行されるように、前記ラジカル酸化機構、前記第１のガス供給機構、前記第２のガス供給機構、前記温調機構、および前記排気機構を制御し、
    かつ、前記酸化膜を生成することと、前記化学的処理を行うことと、前記反応生成物を除去することとを複数回繰り返すように制御し、
    前記酸素含有ガスは、Ｏ _２ ガスとＦ含有ガスの混合ガスであり、
    前記基板は、その側面に前記ＳｉまたはＳｉＮが存在する凹部を有し、
    前記ラジカル酸化処理は、圧力と、前記酸素含有ガス中の前記Ｆ含有ガスの割合との少なくとも一方を調整することにより、前記凹部の深さ方向における前記酸化膜の厚さの分布を制御することを含む、
    エッチング装置。
14. 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をさらに有し、前記ラジカル酸化機構は、前記プラズマ生成空間で前記酸素含有プラズマを生成し、前記仕切り部を通過させて前記基板にラジカル酸化処理を施す、請求項１３に記載のエッチング装置。