JP2007266522A - プラズマ処理装置およびそれを用いた加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスパルスを用いたプラズマ加工において、反応生成物を迅速に除去し、均一性の高いエッチングを高速で行うことができるプラズマ処理装置及び加工方法の提供。
【解決手段】プラズマ処理装置９は、プラズマを生成するプラズマ生成室１と、被加工物６が設置される加工室５と、プラズマ生成室１内に時間的に間欠的に加工用ガスを導入するガス導入部（パルスノズル）１０１とを備える。ガス導入部１０１からプラズマ生成室１内に時間的に間欠的に加工用ガスを導入することによって衝撃波を発生させ、この衝撃波によって被加工物６表面に滞留する反応生成物を除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造やガラス基板などの上に微細加工を施す技術、半導体製造技術を応用したＭＥＭＳ(Ｍｉｃｒｏ−ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ)やＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）あるいは液晶ディスプレイやマイクロマシンの作製、ナノテクノロジーやμ−ＴＡＳ(Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ)に関する。本発明は特に、誘導結合型プラズマのプラズマ発生方法及びそのプラズマ発生方法を利用してプラズマを発生するプラズマ源及びそのプラズマ源を使用する加工装置（処理装置）および加工方法に関する。

近年、半導体集積回路やナノテクノロジーなどの分野では、その加工パターンが著しく微細化され、高精度・高選択比、ならびに高アスペクト比の加工が要求されている。かかる分野の加工においては、プラズマを用いた加工装置が広く採用されている。尚、ここで述べる「加工」とは、プラズマもしくはプラズマ中の粒子（これには、正イオン、負イオン、電子が含まれる）およびプラズマの発生や消滅によって生成されるラジカルや中性粒子を用いてエッチングを行うことを意味している。よって本出願においては、「エッチング」および「加工」という表記が混在しているが、何れも同様な意味である。
このようなプラズマを用いた加工装置（以下、本発明ではこれらをプラズマ処理装置とも言う）としては、真空容器中でプラズマを発生させ、プラズマにより生じた正イオン、ラジカル粒子等を利用して被処理物に対して加工を施す技術、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置が用いられている。そして上記の真空容器中で発生させたプラズマを利用する加工技術においては、更に生産性を向上するために高密度なプラズマが必要とされており、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｏｒｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）やＩＣＰから派生したＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）等のプラズマ発生方式が用いられている。これらのプラズマ発生方法を用いると、本来、プラズマが持つ性質である電磁波遮断の性質、いわゆるカットオフ周波数（プラズマ密度に依存して電磁波を遮断）を超えて電磁界がプラズマ内部まで浸透し、容易に１０^１２／ｃｍ^３を超える高密度プラズマを生成することができる。
プラズマ中のガスをパルス状にすることにより加工速度や加工精度、面内均一性などの加工特性を向上する技術としては、次のようなものがあった。
特開平５−２９９３７８号公報には、非平衡プラズマの発生および制御のために反応ガス媒体の圧力を周期的若しくは振動的に増減、変動させる手段を設ける技術が開示されている。この発明では、具体的に圧力を変動させる手段として、振動ダイヤフラムを使用している。つまり、振動ダイヤフラムでプラズマ生成室内の圧力を時間的に変化させることで非平衡プラズマを効果的に発生させ、常にイオン化率および活性度を高く維持し、加工速度を向上させ、エッチングや膜形成加工を効果的に行っている。
特開平７−２２６３９７号公報では、トレンチエッチングの際、側壁保護膜の異常な形成を防止するために、側壁保護膜形成用ガスの供給流量を、複数種のガス間でパルス状に繰り返し変化させる技術を開示している。これらを実施することによって、エッチング時の側壁保護膜の異常な形成を防止し、適正なエッチングが行われるようにしている。
特開平７−２６３３５３号公報では、プラズマ室と処理室とを分離した構造でエッチングを行う装置において、該処理装置を大口径化した場合、排気系の大幅な増強が必要であるという問題点、及びプラズマ室と処理室とを分離する電極がプラズマでスパッタリングされることにより電極物質による汚染が被処理物に生じるという問題点の解決のため、プラズマ室へパルス的にガスを供給するガス供給手段を備えたプラズマ処理装置を開示している。こうすることによって、プラズマ生成室と加工室との間の圧力差を維持したまま、大面積プラズマにより大口径の被加工物を均一に処理している。
特開２０００−３０６８８４号公報では、シリコンウェハなどの被処理物に対してトレンチエッチングを行う際、エッチング反応で生成される反応生成物の排気効率がウェハの中央部においては周辺部に比べて著しく低下し、反応生成物が滞留し、被処理物表面にイオン・ラジカル等が到達しにくくなる一方、被処理物の周辺部ではウェハの口径に関係なく反応生成物が効率良く排気され、被処理物表面にイオン・ラジカル等が到達しやすくなり、エッチングが不均一となるという問題点を解決する技術を開示している。つまり、この発明では、バッファ室を通して所定のガスをパルス的に反応室に供給することにより、パルスガスバルブのＯＦＦ期間中に中心部のエッチング反応生成物の排気を促し、それによって被処理物付近での反応生成物の滞留を防止する技術を開示している。
プラズマをパルス状に発生することにより、プラズマ中で生じるイオン種や活性種がパルスの周期に対応して時間変化することが知られている。これは古くから、非定常プラズマとして研究されてきた。最近では、この非定常プラズマをプラズマプロセスに応用する研究が盛んになっている。例えば、プラズマへの電磁場の入力がされている場合、プラズマを構成する粒子は、電子と正イオンが支配的であるが、プラズマへの電磁場の入力を停止すると、残留ガスへの電子の付着が起こるため、負イオンを多く発生することが知られている（特開平９−１３９３６４号公報（特許第２８４２３４４号））。
特開平５−２９９３７８号公報 特開平７−２２６３９７号公報 特開平７−２６３３５３号公報 特開２０００−３０６８８４号公報 特開平９−１３９３６４号公報

特開平５−２９９３７８公報に開示されている技術では、プラズマ中に生成されるイオンやラジカルの量を意図的に制御できないため、ますます微細化の進む加工に対応できない。加えて、大口径化する被加工物の中心部と周辺部との間で加工均一性が確保できない。なぜならば、被加工物中心で発生した反応生成物を効果的に除去することができないからである。
特開平７−２６３３５３公報では、プラズマ生成室と加工室との間に圧力差を設けることで大面積の均一加工を実現しているが、その一方で加工速度は低下してしまう。
上述のように、従来のＲＩＥ装置を用いた場合、プラズマによる加工中に、被加工物たとえばウェハ表面に反応生成物が滞留することで、加工が妨げられるとう問題点があった。そこで上述の特開２０００−３０６８８４公報で開示されているように、ガスをパルス的に導入することにより反応生成物の除去を促す技術が提案されているが、それだけでは十分とはいえない。なぜならば、今後ますます大口径化するウェハにおいては、中央部の反応性生物が排気されるまでの時間が長くなり、生産性が著しく低下することがあり、更には被処理物（本発明では被加工物とも言う）と反応生成物との間には、ファンデルワールス力や、分極に伴う電気的な相互作用により引力が発生する場合があり、このようなときには、ただ単にガスの導入を止めることにより被処理物表面での圧力を下げるだけでは、反応性生物の除去にとっては不十分だからである。加えて、今後、配線幅がより微細化されるが、より微細化された配線の間に反応性生物が入り込んだ場合、従来の方法では除去することが困難になってしまう。
そこで、本発明の目的は、被処理物が大口径化してもその中心部も含めて反応生成物を迅速に除去でき、ファンデルワールス力、電気的引力が作用(被加工物と反応生成物との間に)する場合、または配線が微細化した場合などのように従来においては反応生成物の迅速且つ十分な除去が極めて困難であったような場合においても迅速に十分に反応生成物を除去できるようにすることで、被加工物の均一で高精度な加工を実現し、しかも高い加工速度を維持できるプラズマ処理装置および加工方法を提供することにある。

本発明の上記目的を達成するため、特許請求の範囲の各請求項に記載の発明が提供される。
請求項１に記載の発明は、プラズマを生成するプラズマ生成室と、被加工物が設置される加工室と、時間的に間欠的にガスを導入するガス導入部とを備えたプラズマ処理装置であって、ガス導入部から加工用ガスを時間的に間欠的にプラズマ生成室内に導入することによって生じる衝撃波を利用して、被加工物の表面やその近傍に滞留する反応生成物を弾き出し、除去するように構成されていることを特徴とする。
一般的に、真空中（本発明の場合はプラズマ生成室内）にノズルやオリフィスを介していわゆる常温、常圧程度の（例えば、２０℃、１気圧程度の）ガスを導入すると、ノズルやオリフィス出口においてガスの流速のマッハ数（流速と音速の速度の比）が１となる。ガスは下流に向かって更に膨張し、マッハ数が１を超える。この際、衝撃波が発生する。本発明において、加工用ガスの導入を時間的に、つまり経過時間に対して間欠的にした場合は、以下のようになる。加工用ガスを導入する前のプラズマ生成室内の圧力は、加工室下流に設けられた真空ポンプによって排気され、およそ１０^−５Pa台の高真空に保たれている。このような真空が保持されたプラズマ生成室内に加工用ガスを時間的に間欠的に導入することにより、プラズマ生成室内に衝撃波が時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に繰り返し発生する。
こうして発生した衝撃波は、以下のようにして伝播する。一例として、プラズマ生成室の形状を軸対称な円筒状とし、この下流側には被加工物が収容される加工室が配置され、更にその下流側に真空ポンプが配置された態様において説明する。なお、ここでは、衝撃波の伝播について述べるため、加工用ガスのことを単にガスと記述しているが、これは本発明におけるプラズマ処理装置に用いる加工用ガスのことである。プラズマ生成室の中心軸上で、かつ上流側にガス導入部を設置し、このガス導入部から時間的に間欠的にガスを導入し、前記ガス導入部とは反対方向である下流側へガスを排気する場合を考える。プラズマ生成室に時間的に間欠的にガスを導入することによって、ガス導入部出口で衝撃波が時間的に間欠的に繰り返し発生する。この衝撃波の一つ一つは、前記プラズマ生成室の中を、プラズマ生成室の中心軸に直交する薄い円盤状となって、数百ｍ／ｓｅｃから数ｋｍ／ｓｅｃの速度で下流に向かって伝播する。
ここで言う衝撃波とは、非常に短い時間内に発生する急峻なる正から負への圧力の変動のことである。より具体的には、次のように述べる事ができる。例えば、衝撃波とは、プラズマ生成室内のある一定位置で観測した場合、数ｍｓｅｃ程度以下の短い時間内において、圧力が数ＭＰａ（メガパスカル）程度に上昇し、その後の数十ｍｓｅｃ程度の時間において負圧に転じ、やがては時間的に間欠的にガスを導入する前の圧力と同じに戻ることである。また、圧力とは、ガス分子の運動量である事が知られている。すなわち、圧力には方向性がある（ベクトル量）。分子の運動と言う観点から見た衝撃波は、数ＭＰａに相当する単位体積当たりの分子が、ごく薄い領域に圧力面（これを衝撃波面と言う）を形成し、この薄い圧力面がある一定方向に向かって揃ってマッハ数を超えた速度で伝播する現象である。なお、本発明における負圧とは、加工用ガスが時間的に間欠的に導入されたことによって発生した衝撃波の進行方向とは逆方向のガス流（ガス分子の流れ）のことである。
前記衝撃波がプラズマ生成室を通過し加工室内へと伝播して、加工室に収容された被加工物表面に達した際、該衝撃波の急峻なる圧力の変動によって被加工物表面や、その付近の反応生成物を弾き出し、前記反応生成物が被加工物表面やその付近から加工室内の空間中へ拡散することを促進する。なお、本発明における被加工物表面とは、例えば半導体用基板を例にとると、幾何学的な最表面だけでなく、レジストや微細配線などで形成された凹凸のある部分において、その凹凸内部の壁面、より具体的にはトレンチや微細配線などの側壁部の表面部も含んでいる。
ガスを時間的に間欠的に導入することによって、プラズマ生成室内に発生する衝撃波は、時間的に、つまり時間的に間欠的に繰り返し発生し、時間的に間欠的に被加工物に到達する。前期衝撃波は、トレンチや微細配線の内部にも反射を繰り返しながら底部まで到達する。よって被加工物表面やその付近に滞留する反応生成物は、時間的に間欠的に照射される衝撃波によって被加工物表面やその付近から時間的に間欠的に繰り返し弾き出される。こうして時間的に間欠的に被加工物表面やその付近から弾き出された前記反応生成物は、被加工物表面やその付近を離れ、加工室内の空間中へ拡散する。このため、加工の妨げとなる反応生成物を被加工物表面やその付近から迅速に十分に除去することが出来るので、加工速度および加工精度の向上、加工の均一性が保たれる。なお、前記衝撃波による被加工物である例えばウェハの破損や破壊は発生しない。なぜならば、ステージにより、被加工物が裏面全面から保持されており、例えば変形等のウェハを破損させる原因の発生が無いからである。すなわち、前記衝撃波による作用は、被加工物の表面のみに作用すると考えて差し支えない。
さらに、ガスを時間的に間欠的に導入することで、プラズマ生成時において次に示すようなメリットがある。一般に、プラズマ生成には、それに適したガスの圧力範囲がある。プラズマ化に適した圧力領域は、およそ０．１Ｐａから２０Ｐａ程度の範囲である。衝撃波のように、最大圧力がＭＰａ（メガパスカル）台に達するような圧力領域では、投入された放電電力に対してガスの圧力（密度）が高すぎるため、プラズマ化は困難である。しかし、圧力が上昇もしくは減少する過程では、プラズマ化に適した圧力領域を経る。このプラズマ化に適した圧力領域に入ったところで、プラズマが発生する。すなわち、衝撃波の前後でプラズマ化する圧力領域が存在し、その領域でプラズマが生成される。但し、衝撃波の直前の圧力上昇する時間が数ｍｓｅｃ以下と極端に短いため、衝撃波直前ではプラズマ生成ができない場合がある。従って実質的には衝撃波の後側にプラズマが生成している領域があると考えてよいから、ここでは、衝撃波による高圧部分が通過し、圧力が減じる段階について述べる。衝撃波が通過した直後、急速に圧力が減少し、プラズマ化に適した圧力領域に入り、プラズマが生成される。前記プラズマは、時間的に間欠的に加工用ガスがプラズマ生成室内に導入されるため、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に生成される。これを、ガスパルスプラズマと呼ぶ。
しかし、更にその後に圧力が減じてしまうため、プラズマとして放電を維持できなくなる。つまり、ここでプラズマの発生と消滅が起きている。一般に、プラズマがエネルギーを失って消滅する過程をアフターグローと呼ぶが、ここでもその意味で用いる。アフターグロー中では、プラズマ中の電子がガス分子に衝突してエネルギーを失う。この電子がエネルギーを失う過程で、ラジカルや、塩素や酸素、フッ素系のガスのような負性ガスの場合には、負イオンを形成する。すなわち、衝撃波の前後で発生したプラズマ中には、イオンとラジカル、あるいは負性ガスにおける負イオンのような化学的活性種が混在した状態となる。
前記衝撃波を構成する負イオンなどの化学的活性種は、衝撃波の進行と共に被加工物表面に到達する。これら化学的活性種などの作用により、加工速度が向上する。即ち本発明によるプラズマ発生装置によれば、被加工物全面に反応性生物が皮膜状に形成された場合だけでなく、微細配線部やトレンチなどの側壁に付着した反応性生物も迅速且つ十分に除去可能であるため、全体的な加工速度の向上だけでなく、局所的な加工速度の不均一を是正し、加工精度も向上できるため、例えば半導体製造における生産ラインに導入した際に、製造される半導体素子の歩留まりが向上するというメリットがある。
なお、ここで加工用ガスを時間的に間欠的に導入するために用いるガス導入部は、パルスノズルを用いる事ができる。前記パルスノズルは、加工用ガスとの化学反応を避けるため、加工用ガスと接触する金属表面を化学的に安定な物質でコーティングされているか、より好ましくはテフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂製であることが望ましい。具体的には、ガス導入部の構成部品において、加工用ガスが直接触れる流路はもちろんのこととして、バルブやバルブシートの材質は、テフロン（登録商標）などのフッ素系樹脂製であるか、テフロン（登録商標）やフッ素系樹脂でコーティングされたものであることが望ましい。
請求項２に記載の発明は、請求項１において示したプラズマ処理装置において、加工用ガスを導入するガス導入部を少なくとも二つ有しており、そのうちの少なくとも一つから加工用ガスを定常的に上記プラズマ生成室内に導入し、別の少なくとも一つからは上記ガスを時間的に間欠的に上記プラズマ生成室内に導入するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置である。
少なくとも二つあるガス導入部のうち一つのガス導入部からは、定常的に加工用ガスが導入される。これを、定常的ガス導入部と呼ぶ。また、少なくとも二つあるガス導入部のうち、別の一つのガス導入部からは、時間的に間欠的に加工用ガスが導入される。これを、間欠的ガス導入部と呼ぶ。なお、述べるまでもないが、定常的ガス導入部および間欠的ガス導入部は、おのおの一つである必要はなく、それぞれ複数個備えられていても良い。なお、ここでは簡略化のために、定常的ガス導入部と間欠的ガス導入部を、それぞれ一つずつ備えたプラズマ処理装置について述べる。
間欠的ガス導入部から、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に加工用ガスを導入しただけでは、そのガスをプラズマ化できない場合がある。そこで、定常的ガス導入部から常に一定流量の加工用ガスをプラズマ生成室に導入し、間欠的ガス導入部から時間的に間欠的に加工用ガスをプラズマ生成室に導入することで、この問題を解決する。定常的ガス導入部から一定流量の加工用ガスをプラズマ生成室に導入し、プラズマ生成室内の圧力を０．１から数Ｐａ程度に保ち、プラズマを時間的に連続して生成しておく。次に、間欠的ガス導入部から、加工用ガスを時間的に間欠的にプラズマ生成室に導入する。該時間的に間欠的に導入された加工用ガスによって、プラズマ生成室内に衝撃波が時間的に間欠的に繰り返し発生する。こうすることによって、間欠的ガス導入部から導入される加工用ガスだけではプラズマ化しなかった条件においても容易に確実にプラズマ化でき、さらには時間的に間欠的に繰り返す衝撃波の作用や効果を併せて得ることができる。また上記のように一定流量の加工用ガスを常時プラズマ化しておくことにより常時被加工物を加工できるので加工速度が向上できるという利点もある。
間欠的ガス導入部から導入される加工用ガスによって生じた衝撃波の作用や効果は、請求項１に関して説明した内容と同じである。なぜならば、プラズマ生成室内の圧力は、定常的ガス導入部から導入された加工用ガスによって加工用ガスを導入しない場合に比べて高くはなっているが、衝撃波の厚みが異なるだけで、最大圧力や圧力上昇時間または下降時間に大きな差異が無いためである。ゆえに、ここでは衝撃波の作用や効果についての詳細説明を省略する。
なお、定常的ガス導入部から導入されるガスと間欠的ガス導入部から導入されるガスとを、そのいずれも「加工用ガス」と同じ表記にしたが、これらの加工用ガスは同じ種類のガスであってもよいが、異種のガスであってもよい。
請求項３に記載の発明は、プラズマ生成室内に生成されるプラズマが、誘導結合型プラズマであることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置である。
加工速度を向上するためには、ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させて、基板表面でのエッチング速度を高める必要がある。ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させるためには、プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成する必要がある。プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成するために、高密度プラズマである誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｒｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を用いることが出来る。この誘導結合型プラズマおよびその発生機構を用いることによって、プラズマ密度を高めることが出来るので、被加工物の表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度自体の向上も併せて図ることが出来る。
なお、ここで述べる誘導結合型プラズマには、ＩＣＰのほか、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）やそれに類似する方式も含んでいる。
請求項４に記載の発明は、上記プラズマはプラズマ生成用高周波電源を用いて生成されたプラズマであって、当該高周波電源を時間変調運転することにより、時間的に断続したパルス状に生成されたプラズマであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置である。なお、時間変調運転とは、短い時間周期で電源出力のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すプラズマ生成用高周波電源の運転方法を言う。なお、この短い時間周期のことを、変調周期もしくは変調周波数と言う。
一例として、プラズマ生成用高周波電源の発振周波数を１３．５６ＭＨｚ、変調周波数を１０ｋＨｚ、出力のＯＮ／ＯＦＦの時間の比、即ちONとOFFの合計時間を基準値１としたときのON時間を０．５とした場合を考える。なお、前記出力のＯＮ／ＯＦＦの比をデューティー比と言い、以下、ＤＲと略記する。ＤＲが０．５であるから、電源出力がＯＮになっている時間、およびＯＦＦになっている時間は等しく、それぞれ５０μｓｅｃである。つまり、先の５０μｓｅｃでプラズマが生成され、次の５０μｓｅｃでは放電維持のためのエネルギー投入が無く、アフターグローとなる。このように、プラズマ生成用高周波電源を時間変調運転して生成したプラズマを、パルスプラズマまたはパルス放電プラズマと呼び、プラズマ生成用高周波電源を連続波で用いて生成したプラズマを、連続波放電プラズマと呼び、互いを区別することがある。
請求項４で示したプラズマはパルスプラズマである。パルスプラズマは、プラズマを構成するイオン種や活性種が、その変調周期に応じた周期で変化している。これを塩素やＳＦ_６などのような負性ガスに適用すると、前記アフターグロー中に負イオンを多量に形成する。一般にプラズマを構成する粒子種は、電子と正イオンであるが、前述のように負性ガスを用いたパルスプラズマの場合、正イオンと負イオンで構成されるプラズマとなる。これをイオン−イオンプラズマと呼ぶ。イオン−イオンプラズマを利用すると、以下のような利点がある。一般に、プラズマによる加工は、ラジカルと被加工物との化学反応が生じている部位に、イオンを衝突させることで加速度的に加工を進めるのが特徴である。しかしながら、従来の反応性イオンエッチングに見られるような正イオンを使った場合、正イオンのエネルギーが大きすぎることや正イオンの電荷による帯電により、基板へのダメージが大きかった。そこへ負イオンを多量に含むイオン−イオンプラズマを用いてプラズマ加工を行うと、正イオンに代わって負イオンを用いることができる。負イオンは、ガス分子に電子が付着することによって生成されるため、運動エネルギーが小さい。ゆえに、負イオンを利用してプラズマ加工を行うと、基板へのダメージが低減できる。このように本発明によれば被加工物表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度を大きく向上できるうえ被加工物へのダメージの少ない加工を行うことが出来る。
請求項５に記載の発明は、上記プラズマ生成室内に、一つまたは複数のプラズマ電位制御用の電位制御電極を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置である。
プラズマによる加工を行う際、生成されたプラズマ内のイオンにエネルギーを与えたり、エネルギーを減じることが必要となる場合がある。プラズマ中のイオンは、プラズマ電位程度のポテンシャルエネルギーを有している。被加工物をアース電位にした場合は、プラズマ電位とアース電位との差に相当するエネルギーが、イオンに与えられる。例えば一価の正イオンを考えた場合、プラズマ電位が１００Ｖで、被加工物がアース電位であった場合、被加工物に到達する正イオンのエネルギーは、およそ１００ｅＶ（エレクトロンボルトもしくは電子ボルト）になる。
プラズマの電位は、プラズマが接する壁との相互作用で決まる。一般にプラズマ生成室は石英のような誘電体で作られているから、プラズマ生成室壁面と接するプラズマの電位は浮動電位となる。浮動電位は、電子とイオンの壁面での消滅の数量比で決まる。しかしながら、プラズマに対して十分な大きさを持った導電体を、プラズマに接するように挿入すると、その導電体の電位にプラズマの電位が引きずられ、即ち影響を受けて、プラズマの電位がその導電体の電位とほぼ等しくなる。ゆえに、前記導電体に電圧を加えると、適切な電圧の値の範囲内でプラズマの電位を制御できる。ここでは、この電極を電位制御電極と呼ぶ。電位制御電極に適切な電位を印加すると、プラズマの電位を制御できる。すなわち、イオンのエネルギーを制御できる。従って、被加工物表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、イオンのエネルギーを制御することによって、加工速度や加工精度を向上させたり、被加工物へのダメージを抑制することができる。あるいは、場合によってはイオンのエネルギーを意図的に高め、スパッタリングによる薄膜形成などの用途に用いることもできる。
該電位制御電極に接続される電源は、直流電源の他、交流電源若しくは１ｋＨｚ乃至１ＭＨｚの高周波電源であっても良い。より好ましくは、１ｋＨｚ乃至１ＭＨｚのバイポーラ電源を用いるのが良い。
請求項６に記載の発明は、前記電位制御電極の内、少なくとも１つは、平板状で前記プラズマ生成室と加工室とを仕切り、且つ、被加工物に対向するように設置されており、該少なくとも１つの電位制御電極は、被加工物に向かう方向に形成された複数の小孔を備え、前記小孔は、該小孔の中心軸を含む断面における形状が矩形状であるか、あるいは台形状に被加工物に向かって広がる形状であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置である。
本項のプラズマ処理装置は、請求項６に記載のプラズマ処理装置において、少なくとも１つの電位制御電極が平板状であり、これが上記プラズマ生成室と加工室とを仕切り、かつ被加工物に対向する位置に置かれている。該電位制御電極にてプラズマ生成室と加工室とを仕切ることにより、上記プラズマ生成室と加工室との両室間の圧力差を維持することが出来る。そして当該電位制御電極には被加工物に向けて複数の小孔が形成されており、これらの小孔からは、プラズマ中の荷電粒子、ラジカルや中性粒子のほか、プラズマ生成室でプラズマ化されなかったガス分子が放出される。換言すればこれらの小孔から上記の粒子や分子が被加工物に向かって照射される。
なお、該小孔は、被加工物に向かってまっすぐな形状、すなわち小孔の断面形状が矩形状であってもよいが、被加工物に向かって広がる形状、すなわち小孔の断面形状が台形状をしていてもよい。ここでいう「台形状」とは、通常の台形状のほか、ラバール管や超音速ノズル状の形状を含み、これらの形状は、プラズマ生成室内の圧力が数Ｐａを越えるような比較的圧力が高い場合には、プラズマ生成質から加工室へのガスの流れを円滑にする効果があり、比較的圧力の高い領域において好ましい形状である。
該小孔がまっすぐな、あるいは広がる形状であることによって、該小孔から放出される各種粒子に、被加工物に向かう方向性を持たせることができる。こうすることによって該小孔から放出される粒子を効果的に被加工物に照射できるので、本発明によれば被加工物表面やその付近の反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度および加工精度が向上する。
請求項７に記載の発明は、プラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、ガス導入部からプラズマ生成室内に時間的に間欠的に加工用ガスを導入する導入工程と、上記時間的に間欠的に導入された加工用ガスをプラズマ化するプラズマ化工程と、上記プラズマ化した加工用ガスを被加工物に照射して被加工物を加工する加工工程と、上記加工工程で生成された反応生成物を、上記加工用ガスを時間的に間欠的に導入することによって発生した衝撃波により除去する除去工程と、を含むことを特徴とする被加工物の加工方法である。
時間的に間欠的に加工用ガスをガス導入部からプラズマ生成室内に導入することによって、プラズマ生成室内に時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に繰り返し衝撃波が発生する。前記導入された加工用ガスをプラズマ化する工程において、その衝撃波の前後に、しかし実質的には特に後側にプラズマが生成され、そのプラズマが衝撃波の伝播によって例えば半導体基板などの被加工物に向けて照射され、加工室内の被加工物へ到達し、加工が行われる。前記プラズマは、時間的に間欠的に加工用ガスがプラズマ生成室内に導入される事によって、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に生成されたガスパルスプラズマである。
次に、衝撃波の伝播と衝撃波の効果、およびガスパルスプラズマによる加工に付いて述べる。
前記プラズマ生成室内に生成された衝撃波の第１波が、被加工物に到達する。この際、被加工物は加工が為されていないため、その表面もしくはその近傍に反応生成物が存在せず、前記衝撃波による反応性生物の弾き出し効果はない。しかし万が一、被加工物表面にサブミクロン程度以下の微細なゴミが付着していた場合、前記第１波の衝撃波によって、前記微細なゴミが弾き出される効果がある。
前記第１波の衝撃波の直後に第１のガスパルスプラズマが被加工物に到達し、これにより被加工物は、所定の加工が行われる。
続いて第２波の衝撃波が被加工物に到達する。被加工物表面やその付近に滞留していた反応生成物が第２波の衝撃波によって弾き出され、迅速かつ十分に除去される。その直後に第２のガスパルスプラズマが到達して被加工物が加工される。その際、第２波の衝撃波によって、被加工物表面やその近傍から反応生成物が除去されている為、設計図どおりの高精度加工が行われる。以降、第２波の衝撃波による効果と第２のガスパルスプラズマによる加工が、時間的に、つまり経過時間に対して間欠的に繰り返される。
なお、ガスパルスプラズマ中には、プラズマの生成消滅過程で生じたラジカルや負性ガスを使った場合には負イオンが多量に生成されており、これらも併せて被加工物表面へ到達することによって、加工速度が向上する。
請求項８に記載の発明は、少なくとも２つのガス導入部を備えたプラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、少なくとも２つあるガス導入部のうち、少なくとも１つのガス導入部からプラズマ生成室内に定常的に加工用ガスを導入し、別の少なくとも１つのガス導入部から時間的に間欠的に加工用ガスを導入する導入工程と、上記定常的に導入された加工用ガスと上記時間的に間欠的に導入された加工用ガスとをプラズマ化するプラズマ化工程と、上記プラズマ化した加工用ガスを被加工物に照射して被加工物を加工する加工工程と、上記加工工程で生成された反応生成物を、加工用ガスを時間的に間欠的に導入することによって発生した衝撃波により除去する除去工程と、を含むことを特徴とする被加工物の加工方法である。
ここでは、説明の簡略化のために、定常的ガス導入部と間欠的ガス導入部をそれぞれ１つづつ備えたプラズマ処理装置における加工方法について述べる。
定常的ガス導入部からは、一定の流量の加工用ガスがプラズマ生成室に継続して導入されており、このガスにより時間的に連続したプラズマを生成する。前記定常的に導入された加工用ガスによって定常的連続的に被加工物が加工されるが、被加工物表面やその付近に反応性生物が滞留し、加工特性を悪化させることがある。なお、本発明における被加工物表面とは、例えば半導体用基板を例にとると、幾何学的な最表面だけでなく、レジストや微細配線などで形成された凹凸のある部分において、その凹凸内部の壁面、より具体的にはトレンチや微細配線などの側壁部の表面部も含んでいる。
そこに、間欠的ガス導入部から時間的に間欠的に加工用ガスを導入する。これによって、プラズマ生成室内には、時間的に間欠的に繰り返し衝撃波が発生する。この衝撃波は加工室内へと伝播し、被加工物に到達して、前記反応生成物を、被加工物表面から弾き出し、あるいは引き剥がすことによって、加工の局所的な遅延、すなわち加工の不均一の原因である反応生成物を迅速且つ十分に除去するから、加工速度の向上と加工精度の向上が実現できる。加工精度は、被加工物全面にわたるような全体的なものと、例えば微細配線内部のような局所的なものとがある。例えば現在の半導体製造ラインで最も問題となっているのは、微細配線内部のような局所的なものであることが多く、こうした部分に反応生成物が残留することが、半導体素子の歩留まりを大きく左右する要因となっている。よって、本発明によれば、微細配線内部に残留する反応生成物も迅速かつ十分に除去できるので、例えば半導体製造において、半導体素子の歩留まりを向上する事ができる。
加えて、請求項７で示した間欠的ガスの導入だけではプラズマが生成されない場合においても、定常的ガス導入部から導入した加工ガスによってプラズマを連続的に生成しておくことで、間欠的ガス導入部から導入した加工ガスに対しても確実にプラズマ化出来るから、上記の問題を解決できる。
請求項９に記載の発明は、上記プラズマとして誘導結合型プラズマを用いることを特徴とする請求項７または８に記載の被加工物の加工方法である。
加工速度を向上するためには、ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させて、被加工物(例えば半導体基板など)の表面でのエッチング速度を高める必要がある。ラジカルや負イオンなどの化学的活性種の量を増加させるためには、プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成する必要がある。プラズマ生成室内に高密度のプラズマを生成するために、高密度プラズマである誘導結合型プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｒｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）を用いることが出来る。上述したように、誘導結合型プラズマ発生機構によって高密度のプラズマを発生することが出来るので、被加工物表面及びその近傍に滞留する反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、加工速度を向上した加工方法を得ることが出来る。
請求項１０に記載の発明は、被加工物の加工に用いるプラズマが、プラズマ生成用高周波電源を用いて生成されたプラズマであって、該高周波電源を時間変調運転することにより、時間的に断続したパルス状に生成されたプラズマであることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の被加工物の加工方法である。
時間変調運転で生成されたプラズマ中には、通常の運転によって生じる正イオンのほかに、ラジカルや負性ガスを使うと負イオンが多量に生成される。これらラジカルや負イオンが衝撃波の伝播によって被加工物に到達し、被加工物表面及びその近傍に滞留する反応生成物を迅速且つ十分に除去するばかりでなく、加工速度と加工精度を向上させ、さらに被加工物へのダメージを低減する加工方法が得られる。
請求項１１に記載の発明は、上記プラズマ生成室内に、１つまたは複数の電位制御電極を備えて、プラズマの電位を制御することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の被加工物の加工方法である。
電位制御電極に適正な電圧を印加すると、プラズマ電位を制御することができるので、そのプラズマ中のイオンのエネルギーを制御することができる。イオンのエネルギーを制御することができれば、被加工物へのダメージを抑制した加工方法が得られる。例えば、電位制御電極に印加する電圧をプラス１ｋＶ乃至マイナス１ｋＶ、好ましくはプラス５００Ｖ乃至マイナス５００Ｖ，より好ましくはプラス１００Ｖ乃至マイナス１００Ｖの範囲に限れば、被処理物上に形成されたデバイスなどに対する、イオンなどによるダメージを避ける加工方法を得ることが出来る。従って本発明の加工方法を用いれば、反応生成物を迅速且つ十分に除去できるばかりでなく、被加工物のダメージを抑制した加工を行うことが出来る。
請求項１２に記載の発明は、前記電位制御電極の内、少なくとも１つの電位制御電極として平板状電位制御電極を備えたプラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、該電位制御電極の設置位置としては、プラズマ生成室と加工室とを仕切り且つ被加工物に対向する位置に設置し、該電位制御電極の態様としては、被加工物に向かう方向に形成された複数の小孔を備え、前記小孔は該小孔の中心軸を含む断面における形状が矩形状であるか、あるいは台形状に被加工物に向かって広がる形状である態様の電位制御電極を用い、これによって前記プラズマ生成室内から放出される粒子に被加工物に向かう方向性を持たせて照射すること、を特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の被加工物の加工方法である。
上述したようなプラズマ生成室と加工室とを仕切る位置に上述したような小孔を備えた平板状の電位制御電極を設置して被加工物を加工する方法によれば、上記小孔からプラズマ中の粒子やラジカル、中性粒子に方向性を持たせて被加工物に向けて照射することができるため、より高速で高精度な加工が可能となる。

本発明によれば、被加工物表面やその付近に滞留した反応生成物を迅速にかつ十分に除去できるから、均一性の高いエッチングを高速で行うことが出来る。さらに本発明によれば大口径（大面積）の被加工物に対しても、また被加工物と反応生成物との間にファンデルワールス力や電気的引力が作用するような被加工物または配線が微細化された半導体ウェハ等の被加工物に対しても同様な効果を得ることが出来るため、主に半導体素子の歩留まり向上による半導体素子の生産性を向上する事ができる。

以下、本発明に係るプラズマ処理装置および加工方法の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態におけるプラズマ処理装置９の全体構成を示す図である。図１に示すように、プラズマ処理装置９は、内部でプラズマを発生させるプラズマ生成室１を有し、半導体基板、ガラス、有機物、セラミックなどを素材とする被加工物６が配置される加工室５とを有する真空装置である。この真空装置は、プラズマ生成用の時間変調機能を付与された高周波電源４と、プラズマの電位を制御するための電位制御電極１０３と、加工用ガスを時間的に間欠的に導入するためのガス導入部（パルスノズル）１０１と、ガスを排気するための真空ポンプ８と、そして被加工物６を保持するためのステージ７とを有する。

プラズマ生成室１の外周には誘導結合型のコイル２が配置されている。このコイル２は、例えば８ｍｍφ程度の外径を有する銅製の水冷パイプをコイル状に２ターン巻いたものである。このコイル２を、プラズマ生成室１の外周を取り巻くように設置する。このコイル２は、マッチングボックス３を介して高周波電源４に接続されており、本例では、１３．５６ＭＨｚの高周波電圧がコイル２に印加される。なお、プラズマ生成に使用される高周波電源４の発振周波数は、１３．５６ＭＨｚに限定されるものではなく、１００ｋＨｚから１０ＧＨｚまでの範囲の周波数を、加工プロセスに応じで適宜、選択することができる。

プラズマ生成室１に加工用ガスを流し（導入し）、上記コイル２と高周波電源４から供給される高周波電力とによってプラズマ生成室１内にプラズマが発生する。コイルに高周波電流を流すことでプラズマ生成室１内に磁界が生じ、磁界の時間変化が電界を誘導し、その電界で電子が加速されてプラズマが生成される。これを、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｒｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）と言う。なお、ここで示したコイル２のターン数（巻き数）は２に限るものではなく、プラズマ生成室１の大きさやプロセス条件によって、１乃至２０ターン程度の中から適宜選択することができる。被加工物６がφ３００ｍｍウェハであった場合には、１乃至３ターンであることが好ましい。

プラズマ生成室１の上部には、ガスを導入するガス導入部がある。このガス導入部は、時間的に、即ち時間経過に対して間欠的に加工用ガスをプラズマ生成室１内に導入するために、パルスノズル１０１を採用している。このパルスノズル１０１は、図示していないガス供給配管を介して図示していないガス供給源に接続されている。この図示していないガス供給源からはＳＦ_６，ＣＨＦ_３，ＣＦ_４，Ｃｌ_２，Ａｒ，Ｏ_２，Ｎ_２，Ｃ_４Ｆ_８，ＣＦ_３Ｉ，Ｃ_２Ｆ_６などの加工用ガスが、パルスノズル１０１を通してプラズマ生成室１に供給される。

パルスノズル１０１から時間的に間欠的に導入された加工用ガスは、プラズマ生成室１内で衝撃波２０６を形成する。衝撃波２０６は、プラズマ生成室１または加工室５内の一定の観測点で観測した場合、ミリ秒以下のごく短い時間内に、例えばその直前まで１０^−５Pa程度であったその観測点の圧力が数ＭＰａという高圧まで一気に上昇し、その直後に負圧に転じ、やがては時間的に間欠的に加工用ガスが導入される前の圧力（本発明出願においては絶対圧力が１０^−５Pa台から１Pa程度の真空状態であって時間的に間欠的にガスが導入されることによりプラズマ生成室１や加工室５などの内圧が変動している状態以外での圧力）に戻る現象であり、プラズマ処理装置９として観測すればパルスノズル１０１の出口から加工室５に向かって超音速で進行する高い圧力面を有する波面と言える。これが衝撃波２０６である。

次に、図２を用いて、プラズマ生成質１内に発生する衝撃波２０６とガスパルスプラズマ１０２について説明する。前記衝撃波２０６において、プラズマ化するのに適した圧力領域になる部分が、プラズマ生成用の高周波電源４から投入された高周波電力によりプラズマ化される。これをガスパルスプラズマ２０２と呼ぶ。なお、前記ガスパルスプラズマ２０２は、図１における時間的に間欠的に生成されるガスパルスプラズマ１０２の内の一つを表したものである。このガスパルスプラズマ２０２は、略円盤状の領域を有するプラズマであって、その前縁側には衝撃波２０６を形成して伝播する。ガスパルスプラズマ２０２中には、イオンのほかに連続放電によるプラズマでは得られない多量のラジカルや負性ガスを用いた場合には、多量の負イオンが生成される。このラジカルや負イオンが、衝撃波２０６に引き続くガスパルスプラズマ２０２の伝播によって被加工物に到達し、化学的反応が起こる。この化学反応が起こっている部位に、次の衝撃波２０６が到達し、被加工物表面やその近傍に滞留する反応生成物を弾き出す。続いてガスパルスプラズマ２０２が被加工物表面に到達し、該ガスパルスプラズマ２０２中のイオンのエネルギーによって加工速度が著しく向上する。このように、衝撃波２０６による反応生成物の弾き出しの後、ラジカルによる化学反応とイオンによる加工促進とを繰り返すことにより、より高速で高精度な加工が可能となる。

さらに、プラズマ生成室１内に発生した衝撃波２０６には、次に示すような効果がある。パルスノズル１０１からプラズマ生成室１内に導入された加工用ガスは、パルスノズル出口で超音速に達し、プラズマ生成室１内でさらに膨張して衝撃波２０６を形成する。この衝撃波２０６の圧力は数ＭＰａに達し、伝播速度は数ｋｍ／ｓｅｃに達する。この衝撃波２０６が被加工物６に到達し、被加工物表面や該表面に形成された微細配線内部に滞留する反応生成物を弾き出すから、反応生成物の一般的な除去方法である自然昇華に対してより一層高速かつ十分な除去が可能となる。なお、ここで述べる滞留とは、反応生成物が被加工物表面や微細配線などの構造物に物理的に付着するか、ファンデルワールス力や電気的引力等でひきつけられていたり、あるいは漂っている場合も含んでいる。この衝撃波２０６が被加工物表面に到達すると、衝撃波２０６の超高圧によって被加工物表面に滞留している反応生成物が弾き出される。その後、被加工物表面において急速に圧力が減じ、負圧になると、弾き出された反応生成物が、被加工物表面からプラズマ生成室側へ向けて引き離される。被加工物６から引き離された反応生成物は加工室５内に拡散し、加工室５に設けられた真空ポンプ８によってプラズマ処理装置の外部へ排気される。すなわち、プラズマ生成室１内に形成された衝撃波２０６によって、被加工物６から反応生成物を効率良く、十分に取り除くことができる。

なお、パルスノズル１０１は、被加工物６に向かって設置するのが好ましい。なぜならば、衝撃波２０６が被加工物６に直接、当たるようにするためである。必ずしもプラズマ生成装置の中心軸上に無くても良いが、プラズマ生成室１や加工室５の内壁での反射波の影響を防ぐために、プラズマ生成室１の中心軸上に配置するのが好ましい。

以上に述べたように、本発明におけるプラズマ処理装置９においては、衝撃波２０６およびガスパルスプラズマ２０２により、被加工物表面やその近傍に滞留する反応生成物を効率よく十分に除去できるため、高速でかつ高精度な加工が可能となる。なぜならば、反応生成物が被加工物表面やその近傍に残留していると、局所的に加工が妨げられるため、例えばアスペクト比の高い加工等の高精度加工が困難であったが、本発明によれば、前記反応生成物を十分に除去できるため、上記のような高速でかつ高精度な加工が可能となる。

時間的に間欠的に導入する加工用ガスの導入条件は、一例を用いて説明すれば、例えば以下のとおりである。直径３００ｍｍ半導体基板を加工する処理装置にあって、プラズマ生成室の内径が３５０ｍｍであるような場合、加工用ガスを時間的に間欠的に導入する周期をガスの導入周期と言い、ガスの導入周期は、実効排気速度が１０００Ｌ／ｓｅｃの真空ポンプ８を搭載したプラズマ処理装置９において、１Ｈｚ乃至１ｋＨｚが好ましく、より好ましくは１０Ｈｚから１００Ｈｚである。

次に、絶対流量を決めるパルスノズル１０１の開時間をガスパルス幅と呼び、ガスパルス幅は、０．１ｍｓｅｃ乃至１０ｍｓｅｃであり、より好ましくは０．５ｍｓｅｃ乃至２ｍｓｅｃである。ガス導入周期の内、一回のガス導入を１ガスパルスと呼び、１ガスパルス当たりのガス量は、標準状態（０℃、１気圧）において０．５ｃｍ^３乃至１００ｃｍ^３であり、より好ましくは１ｃｍ^３乃至１０ｃｍ^３である。

また、図１において、プラズマ生成室１内部の上端には、導電体で形成された電位制御電極１０３が配置されている。前記電位制御電極１０３としては、プラズマ生成室１内に生成されたガスパルスプラズマ１０２または２０２の電位を制御するという要件を満たしていれば良いので、必ずしもプラズマ生成室１の上部にある必要は無い。例えば、プラズマ生成室１内壁に沿う形で円筒状もしくは矩形状であっても良く、必ずしもプラズマ生成室１内壁に沿う形でなくても良い。

電位制御電極１０３は、電位制御電源１０４に接続されている。電位制御電極１０３は、パルスノズル１０１を貫通させる以外には穴のない金属やシリコン、グラファイトであってもよく、あるいは多数の穴をあけられていて、そこからガスをパルス状に導入するように形成されていても良い。ちなみにその場合には、ガスの導入周期、ガスパルス幅などを制御する機構が別途必要となる場合がある。電位制御電源１０４に電圧を印加することで、設置されている被加工物６を配置したステージ７との間に所定の電圧を印加することができる。接続する電位制御電源１０４としては、直流の場合は、逆電流を流すことができるバイポーラ電源を用いることが好ましい。これは、イオンより電子の移動度が高いために逆電流が流れることがあり、これによる電源の破損を防ぐためである。電位制御電極１０３に直流電圧を加えることで、プラズマ中の荷電粒子に一定方向のエネルギーを与えることができる。例えば、正イオンに対しては、電位制御電極１０３に正の電圧を印加すると、その分だけプラズマ電位が上昇し、プラズマ電位とステージ７（接地電位）の差分のエネルギーを持って、被加工物に正イオンが入射する。また、負イオンに対しては、電位制御電極１０３に負の電圧を印加すると、その分だけプラズマ電位が下がり、プラズマ電位とステージ７（接地電位）の差分のエネルギーを持って、被加工物に負イオンが入射する。この時、電位制御電極１０３に印加する電圧を、交流電源または周波数変調運転されたバイポーラ電源、あるいは高周波電源に置き換えた場合、正イオンと負イオンを交互に照射することができる。これは、ゲートＰｏｌｙシリコン酸化膜加工など半導体製造プロセスに特に有効で、この際に印加する交流あるいは高周波の周波数は、１Ｈｚから１０ＭＨｚ程度までの広い範囲で利用可能である。好ましくは１ｋＨｚから５ＭＨｚであり、より好ましくは１００ｋＨｚから１ＭＨｚである。なお、ステージに交流電圧や高周波を印加して基板ダメージを軽減する方法を用いても良い。

本発明における第２の実施形態を図３に示す。図３に示すように、図１のプラズマ処理装置９に対して、間欠的ガス導入部（パルスノズル３０１）のほかに、常に一定量の加工用ガスを別途、導入するための定常的ガス導入部３０５を具備している。定常的ガス導入部３０５から定常的にガスを導入することで定常的にプラズマを生成しておき、パルスノズル３０１からガスを時間的に間欠的に併せて導入する。時間的に間欠的に導入された加工用ガスによってプラズマ生成室１内には、時間的に間欠的に繰り返し衝撃波２０６が発生し、加工室５の中へと伝播する。この衝撃波によって、被加工物表面や微細配線内に滞留する反応生成物の除去が効率良く十分に行なわれる。

なお、電位制御電極３０３については、図１で説明した内容と同一なため、詳細な説明は省略する。

しかし加えて、定常的なガス導入方法については、さらに以下の方法が適用できる。電位制御電極３０３とプラズマ生成室１との間に僅かな隙間を設け、この僅かな隙間からプラズマ生成室１内にガスを導入できる。あるいは、電位制御電極３０３に多数の穴を開けるか多孔質（ポーラス状）の材料で製作し、ガスを電極全面から均一にプラズマ生成室１内へ導入することもできる。

定常的に導入するガス流量は１ｓｃｃｍ乃至５００ｓｃｃｍが好ましく、より好ましくは５ｓｃｃｍ乃至５０ｓｃｃｍである。ガスを導入する条件は、図１において説明した内容と同じであるが、定常的にガスを導入することによってプラズマ生成室１および加工室５内の圧力が高くなるので、パルス状に導入するガス導入周期およびガスパルス幅および１ガスパルス当たりのガス量をそれぞれあるいは単独に１０％乃至５０％減ずるか、実効排気速度が１５００Ｌ／ｓｅｃ乃至３０００Ｌ／ｓｅｃの排気ポンプを用いるか、あるいはそれらを組み合わせて用いるのが良い。

本発明における第３の実施形態を図４に示す。本実施形態は、プラズマ生成室１の上部に設けられた電位制御電極４０３に加え、図１に示したプラズマ処理装置９のプラズマ生成室１の下流に、もう一つの電位制御電極４０５を配したものである。このもう一つの電位制御電極４０５を、電位制御下部電極と呼ぶことにする。電位制御電源４０４は、その一方の極が上部に設けられた電位制御電極４０３へ、他の極が電位制御下部電極４０５へ、それぞれ接続される。こうすることによって、電位制御電極４０３と電位制御下部電極４０５との間に電位差を発生させ、プラズマ中の荷電粒子にエネルギーを与えることができる。本例では、電位制御電源４０４を一台使用した例を示したが、電位制御電極４０３と電位制御下部電極４０５へ、それぞれ独立した電源を接続して用いてもよい。これら電位制御電源には、直流電源を用いることもできるが、バイポーラ電源を用いるのが好ましい。なぜならばプラズマ中の電子の移動度がイオンよりも大きいために、逆電流が流れ込むことがあり、直流電源の場合、これを損傷してしまう可能性があるからである。あるいは、これら電位制御電源には交流電源や高周波電源を用いることも可能である。

電位制御下部電極４０５の材質は、金属やグラファイトなどの導体を用いればよい。それらの表面は、腐食防止処理やスパッタ防止処理を施すと、なお良い。

次に、電位制御下部電極の構造例を示す。図５には、メッシュ状の電位制御下部電極５０１の例を示す。なお、メッシュ状とは、網の目状のことを言う。前記メッシュ状の電位制御株電極５０は、プラズマ生成室１内に生成されるプラズマの密度が、例えば１０^１１ｃｍ^−３未満の比較的薄いプラズマを用いる場合に有効である。メッシュの間隔は、プラズマ密度にも依るが、細かいメッシュを用いると、衝撃波２０６の効果作用が薄れてしまう。よってメッシュ間隔は、数メッシュ／インチ乃至１００メッシュ／インチ程度のものを用いるのが良い。

図６には、板状で多数の穴が開けられた電位制御下部電極６０１の例を示す。電位制御下部電極は、これらいずれの形状であってもよいし、これらに類似する全ての形状を取ることができる。

また、図６に示した電位制御下部電極６０１の内、電位制御下部電極６０１に開けられた小孔６０２の形状が、図７に示すように被加工物に向かってまっすぐな形状をしている場合（小孔７０１の場合）、この穴７０１の中でイオンと残留ガス分子との電荷交換により、高速中性原子（分子を含む）を得ることができる。この高速中性原子（分子を含む）は、被加工物へ向かって方向性を持つため、加工速度および加工精度がそれぞれ向上する。また、図８に示すように、多数開けられた小孔が被加工物に向かって台形状に広がるような形状をしていても（小孔８０１の場合）、ラバール管の原理により、ラジカルに被加工物へ向かって方向性を持たせる効果が得られるため、加工速度および加工精度がそれぞれ向上する。

次に、本実施形態におけるプラズマ処理装置の動作について図１を参照して説明する。本実施形態では、一例として被加工物として半導体基板を取り上げ、当該半導体基板のシリコン酸化膜上に形成されたＰｏｌｙシリコンをエッチング（ゲートエッチング）する場合を例に説明する。

まず、排気ポンプを作動させることにより、プラズマ生成室１および加工室５を真空排気した後に、パルスノズル１０１から例えばＳＦ_６ガスをプラズマ生成室１に導入する。そして、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を高周波電源によって５０μ秒間コイルに印加する。この高周波電圧の印加によってプラズマ生成室１内には高周波電界が形成される。プラズマ生成室１内に導入されたガスは、この高周波電界によって加速された電子により電離され、プラズマ生成室１内に高密度プラズマが生成される。このときに形成されるプラズマは、主として正イオンと加熱された電子とからなるプラズマである。

そして、高周波電源による高周波電圧の印加を５０μ秒間停止する。プラズマ生成室１内に生成されたプラズマは、エネルギーの入力が絶たれ、拡散と共に自然消滅の過程に移行する。これをアフターグローと言う。高周波電源による高周波電圧を上記の通り５０μ秒間停止した後は、再び高周波電源４による５０μ秒間の高周波電圧の印加によってプラズマ源内においてプラズマ中の電子が加熱され、上述したサイクルが繰り返される。即ち、高周波電圧の印加（５０μ秒間）と印加の停止（５０μ秒間）を交互に繰り返す。この高周波電圧の印加の停止時間（５０μ秒間）は、プラズマ中の電子が、残留している処理ガスに付着して、負イオンが生成されるのに要する時間よりも十分に長く、且つプラズマ中の電子密度が低下してプラズマが消滅するよりも十分に短い時間であり、高周波電圧の印加時間（５０μ秒間）は、この高周波電圧の印加を停止している間に低下したプラズマ中の電子のエネルギーを回復させるのに十分な時間である。これをパルスプラズマ、あるいはパルス変調プラズマと呼ぶ。

パルスプラズマにおいてＳＦ_６ガスのような負性ガスを用いた場合、アフターグロー中の電子は、非弾性衝突を経て電子温度が低下し、残留ガス分子に付着して負イオンを生成する。すなわち、正イオンと共に負イオンが共存した状態のプラズマを効率的に形成することができる。これを特に、イオン−イオンプラズマと呼ぶ。なお、ここでは、高周波電圧の印加の停止時間を５０μ秒に設定する例について述べたが、５０μ秒乃至１００μ秒に設定することで、プラズマ中に正イオンのみならず負イオンを多量に生成することができる。

ここで、図1において、電位制御電源１０４により−５０Ｖの電圧を電位制御電極１０３に印加すると、電位制御電極１０３と被加工物６を保持したステージ７との間に電位差が生じる。従って、プラズマ源内の負イオンは、この電位差によってステージに向けて加速される。

プラズマで活性化されたフッ素原子あるいはフッ素イオンは加工室５の内部に放射される。このフッ素原子等は、ステージに載置された被加工物６（半導体基板）に照射される。照射されたフッ素原子等は、被加工物６の被加工層（Ｐｏｌｙシリコン層）において、Ｓｉ＋４Ｆ→ＳｉＦ４↑という熱的化学反応により、ＳｉＦ４として自発的に昇華する。このようにしてマスクで覆われていないＰｏｌｙシリコン層エッチングが進行する。ここで、マスクは有機物から構成されたレジストである。

加工室５には、被加工物６（ウェーハ即ち半導体基板）を保持するステージ７が配置されており、このステージ７の上面に被加工物６が載置されている。加工室５にはガスを排出するための排気ポンプ（真空ポンプ８）が接続されている。なお、加工室５と真空ポンプ８との間には図示していないゲートバルブなどのバルブを配置することが好ましい。この真空ポンプ８によって加工室５は所定の圧力に維持される。ここで用いる真空ポンプ８は、腐食防止処理を施したネジ溝ターボ分子ポンプやドライポンプを用いるのが好ましい。また、加工室５内には、エッチング状態を計測してエッチング終点を検出する終点検出部を配置することが好ましい。この終点検出部としては、例えば四重極質量分析器を用いることができるが、より好ましくはレーザ干渉やエリプソメトリなどを利用し、オン・ウェハ・モニタリング（ウェハ上のその場観察）を行うのが良い。

なお、上述した実施形態においては、ＩＣＰ型コイルを用いて高密度のプラズマを形成することが好ましい態様ではあるが、ＴＣＰ（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）やＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、ヘリコン波、マイクロ波等を用いてプラズマを生成することとしてもよい。また、前記プラズマを生成する高周波電源の発振周波数も、先に述べた１３．５６ＭＨｚに限られるものではなく、加工プロセスに応じて１ＭＨｚ乃至２０ＧＨｚのいずれかの周波数を用いることができるし、周波数変調を行って用いても良い。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態におけるプラズマ処理装置を示す模式図。 本発明におけるガスパルスプラズマと衝撃波とを示す模式図。 本発明の第２の実施形態におけるプラズマ処理装置を示す模式図。 本発明の第３の実施形態におけるプラズマ処理装置を示す模式図。 本発明におけるメッシュ状をした電位制御下部電極を示す模式図。 本発明における板状で複数の小孔を備えた電位制御下部電極を示す模式図。 本発明における複数の小孔が被加工物に向かってまっすぐな構造をした電位制御下部電極を示す模式図。 本発明における複数の小孔が被加工物に向かって円錐状に広がる構造をした電位制御下部電極を示す模式図。

符号の説明

１ プラズマ生成室
２ コイル（プラズマ生成用）
３ マッチングボックス
４ 高周波電源（プラズマ生成用）
５ 加工室
６ 被加工物
７ ステージ
８ 真空ポンプ
９ プラズマ処理装置
１０１，３０１，４０１ パルスノズル
１０２，２０２，３０２，４０２ ガスパルスプラズマ
１０３，３０３，４０３ 電位制御電極
１０４，３０４，４０４ 電位制御電源
２０６ 衝撃波
３０５ 定常的にガスを導入するガス導入部
４０５ 電位制御下部電極
５０１ メッシュ状をした電位制御下部電極
６０１ 板状をした電位制御下部電極
６０２ 板状をした電位制御下部電極に開けられた複数の小孔とそれを上面から見た拡大図
７０１ 被加工物に向かってまっすぐな構造をした、電位制御下部電極の複数の小孔とその断面の拡大図
８０１ 被加工物に向かって台形状に広がる構造をした、電位制御下部電極の複数の小孔とその断面の拡大図

Claims (12)

1. プラズマを生成するプラズマ生成室と、被加工物が設置される加工室と、前記プラズマ生成室内に時間的に間欠的に加工用ガスを導入するガス導入部とを備え、該ガス導入部から前記プラズマ生成室内に時間的に間欠的に加工用ガスを導入することによって衝撃波を発生させ、該衝撃波によって被加工物表面に滞留する反応生成物を除去するように構成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記プラズマ生成室に加工用ガスを導入する前記ガス導入部が少なくとも二つ設けられており、そのうちの少なくとも一つから加工用ガスを定常的に前記プラズマ生成室内に導入し、別の少なくとも一つから加工用ガスを時間的に間欠的に前記プラズマ生成室内に導入するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記プラズマ生成室内に生成されるプラズマが誘導結合型プラズマであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記プラズマは、プラズマ生成用高周波電源を用いて生成されたプラズマであって、該高周波電源を時間変調運転することにより、時間的に断続したパルス状に生成されたプラズマであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記プラズマ生成室内に、１つまたは複数のプラズマ電位を制御する電位制御電極を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記電位制御電極の内、少なくとも１つは、平板状で前記プラズマ生成室と加工室とを仕切り、且つ、被加工物に対向するように設置されており、該少なくとも１つの電位制御電極は、被加工物に向かう方向に形成された複数の小孔を備え、前記小孔は、該小孔の中心軸を含む断面における形状が矩形状であるか、あるいは台形状に被加工物に向かって広がる形状であることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
7. プラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、ガス導入部からプラズマ生成室内に時間的に間欠的に加工用ガスを導入する導入工程と、前記時間的に間欠的に導入された加工用ガスをプラズマ化するプラズマ化工程と、前記プラズマ化した加工用ガスを被加工物に照射して被加工物を加工する加工工程と、前記加工工程で生成された反応生成物を、前記加工用ガスを時間的に間欠的に導入することによって発生した衝撃波により除去する除去工程と、を含むことを特徴とする被加工物の加工方法。
8. 少なくとも２つのガス導入部を備えたプラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、少なくとも２つあるガス導入部のうち、少なくとも１つのガス導入部からプラズマ生成室内に定常的に加工用ガスを導入し、別の少なくとも１つのガス導入部から時間的に間欠的に加工用ガスを導入する導入工程と、前記定常的に導入された加工用ガスと前記時間的に間欠的に導入された加工用ガスとをプラズマ化するプラズマ化工程と、前記プラズマ化した加工用ガスを被加工物に照射して被加工物を加工する加工工程と、前記加工工程で生成された反応生成物を、加工用ガスを時間的に間欠的に導入することによって発生した衝撃波により除去する除去工程と、を含むことを特徴とする被加工物の加工方法。
9. 前記プラズマとして誘導結合型プラズマを用いることを特徴とする請求項７または８に記載の被加工物の加工方法。
10. 前記プラズマは、プラズマ生成用高周波電源を用いて生成されたプラズマであって、該高周波電源を時間変調運転することにより、時間的に断続したパルス状に生成されたプラズマであることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の被加工物の加工方法。
11. 前記プラズマ生成室内に、１つまたは複数の電位制御電極を備えて、プラズマの電位を制御することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の被加工物の加工方法。
12. 前記電位制御電極の内、少なくとも１つの電位制御電極として平板状電位制御電極を備えたプラズマ処理装置を用いる被加工物の加工方法であって、該電位制御電極の設置位置としては、プラズマ生成室と加工室とを仕切り且つ被加工物に対向する位置に設置し、該電位制御電極の態様としては、被加工物に向かう方向に形成された複数の小孔を備え、前記小孔は該小孔の中心軸を含む断面における形状が矩形状であるか、あるいは台形状に被加工物に向かって広がる形状である態様の電位制御電極を用い、これによって前記プラズマ生成室内から放出される粒子に被加工物に向かう方向性を持たせて照射すること、を特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の被加工物の加工方法。

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