(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体を導入する気体導入手段を有し、該気体導入手段により導入された気体からプラズマを生成するプラズマ生成室と、
被処理物を保持する被処理物保持手段を有し、該被処理物保持手段に保持された被処理物に対してプラズマにより所定の処理を行なうプラズマ処理室と、
前記プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマの解離度を低下させつつ前記プラズマ処理室に輸送するプラズマ輸送路と、
前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを気密状態で連結する連結手段とを備え、
前記連結手段は前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室との間に設けられた板状体であり、
前記プラズマ輸送路は前記板状体に形成された開口部であり、
前記プラズマ処理室は前記解離度を低下させつつ輸送されたプラズマを再励起する再励起手段を兼ね備え、
前記再励起手段は、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電圧を印加する手段であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
気体を導入する気体導入手段を有し、該気体導入手段により導入された気体からプラズマを生成するプラズマ生成室と、
被処理物を保持する被処理物保持手段を有し、該被処理物保持手段に保持された被処理物に対してプラズマにより所定の処理を行なうプラズマ処理室と、
前記プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマの解離度を低下させつつ前記プラズマ処理室に輸送するプラズマ輸送路と、
前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを気密状態で連結する連結手段とを備え、
前記連結手段は前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室との間に設けられた板状体であり、
前記プラズマ輸送路は前記板状体に形成された開口部であり、
前記プラズマ処理室は前記解離度を低下させつつ輸送されたプラズマを再励起する再励起手段を兼ね備え、
前記再励起手段は、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電力及び定電圧を印加する手段であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記板状体は前記被処理物保持手段に保持された被処理物と平行に設けられ、
前記プラズマ輸送路は前記板状体に分散して形成された複数の開口部であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
気体を導入する気体導入手段を有し、該気体導入手段により導入された気体からプラズマを生成するプラズマ生成室と、
被処理物を保持する被処理物保持手段を有し、該被処理物保持手段に保持された被処理物に対してプラズマにより所定の処理を行なうプラズマ処理室と、
前記プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマの解離度を低下させつつ前記プラズマ処理室に輸送するプラズマ輸送路と、
前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを気密状態で連結する連結手段とを備え、
前記プラズマ生成室は前記プラズマ処理室の外側において前記プラズマ処理室を囲むように設けられており、
前記連結手段は前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室との間に設けられた筒状体であり、
前記プラズマ輸送路は前記筒状体に形成された開口部であり、
前記プラズマ処理室は前記解離度を低下させつつ輸送されたプラズマを再励起する再励起手段を兼ね備え、
前記再励起手段は、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電圧を印加する手段であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
気体を導入する気体導入手段を有し、該気体導入手段により導入された気体からプラズマを生成するプラズマ生成室と、
被処理物を保持する被処理物保持手段を有し、該被処理物保持手段に保持された被処理物に対してプラズマにより所定の処理を行なうプラズマ処理室と、
前記プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマの解離度を低下させつつ前記プラズマ処理室に輸送するプラズマ輸送路と、
前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを気密状態で連結する連結手段とを備え、
前記プラズマ生成室は前記プラズマ処理室の外側において前記プラズマ処理室を囲むように設けられており、
前記連結手段は前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室との間に設けられた筒状体であり、
前記プラズマ輸送路は前記筒状体に形成された開口部であり、
前記プラズマ処理室は前記解離度を低下させつつ輸送されたプラズマを再励起する再励起手段を兼ね備え、
前記再励起手段は、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電力及び定電圧を印加する手段であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載のプラズマ処理装置を用いてプラズマ処理を行なうプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ生成室において、前記気体導入手段により導入された前記気体からプラズマを生成するプラズマ生成工程と、
前記プラズマ輸送路により、前記プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマの解離度を低下させつつ前記プラズマ処理室に輸送するプラズマ輸送工程と、
前記プラズマ処理室において、前記解離度を低下させつつ輸送されてきたプラズマを前記再励起手段により再励起すると共に、再励起されたプラズマを用いて前記被処理物に対して前記所定の処理を行なうプラズマ処理工程とを備えることを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマを利用してドライエッチング処理、薄膜形成又は表面改質処理等のプラズマ処理を行なうに際し、該プラズマ処理に適した状態のプラズマを供給する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プラズマ応用技術は半導体をはじめとする基幹産業において広く使用されている。特に、プラズマを利用して行なう、ドライエッチングによる微細加工、薄膜形成又は表面改質処理等のプロセス技術は、半導体デバイス製造上のキーテクノロジーとなっている。
【０００３】
従来、プラズマを用いるプロセス技術を実現する装置としては、平行平板型のＲＩＥ（Reactive Ion Etching) 装置に代表される容量結合型プラズマ（ＣＣＰ：Capacitively coupled Plasma ）装置、平行平板型ＲＩＥ装置に磁場を加えＥ×Ｂドリフトによる電子加速を利用するＭＥＲＩＥ（Magnetron Enhanced RIE）装置、及び平行平板型ＲＩＥ装置の２つの平行平板電極間に第３の電極を設けたトライオードＲＩＥ装置等が知られている。
【０００４】
これらの装置は数Ｐａ以上の圧力領域で使用されている。また、数１０Ｐａ以下の低圧力領域においてはＥＣＲ（Electron Cycrotron Resonanc)を利用したＥＣＲプラズマ装置が使用されている。また、実際の半導体のプロセス技術には適用されてはいないが、荷電粒子ビーム励起又はレーザ等の光励起を利用したプラズマ装置や、ホロー電極を用いたプラズマ装置等も知られている。さらに、近年では、数Ｐａ以下の定圧領域において容易に高密度且つ高解離なプラズマが生成可能な誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma) 装置、誘導結合プラズマ生成手段に磁場印加を組み合わせた有磁場誘導結合プラズマ装置、１／４波長アンテナ又は１／２波長アンテナ等のアンテナによる高周波輻射を用いる輻射アンテナプラズマ装置、高周波回転磁界による電子加速を利用するプラズマ装置、ランダウ減衰による電子加速機構を利用したヘリコン波プラズマ（ＨＥＷ：Helicon Wave Plasma)装置、表面波プラズマやスロットアンテナを利用したＥＣＲプラズマ装置等が開発されている。
【０００５】
以下、図面を参照しながら前記従来のプラズマ処理装置及びその動作について説明する。代表例として、プラズマ処理装置の１つである誘導結合型プラズマ装置を用いてドライエッチングを行なう場合について説明する。
【０００６】
図１４（ａ），（ｂ）は、従来の誘導結合型プラズマ処理装置の概略構成を示しており、図１４（ａ）は断面構造を表し、図１４（ｂ）は上部電極の平面構造を表している。
【０００７】
図１４（ａ）において、１０１はプラズマ処理を行なうための反応室であって、該反応室１０１は安全のために接地電位に固定されている。１０２は反応室１０１に気体を導入するための気体導入手段、１０３は反応室１０１内の気体等を排出するための排気手段である。また、１０４は下部電極としての試料台であって、該試料台１０４と反応室１０１とは絶縁体１０５によって互いに絶縁されている。試料台１０４には第１の高周波電源１０６が接続されており、該第１の高周波電源１０６の基準電位は反応室１０１と同じ接地電位である。第１の高周波電源１０６の周波数は約１００ＫＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度である。試料台１０４の上には被処理物としての半導体ウェハ１０７が載置されており、該半導体ウェハ１０７は、図示していない機械的又は静電的な保持機構により試料台１０４に保持されている。
【０００８】
図１４（ａ），（ｂ）に示すように、反応室１０１の上には、絶縁体１０８を介して誘導結合プラズマ生成用の誘導結合コイル１０９が設けられており、誘導結合コイル１０９は、絶縁体１０８と平行な面内にスパイラル状（渦巻き状）に巻かれたコイルであって、誘導結合コイル１０９の中心部は第２の高周波電源１１０が接続され、外周部は接地されている。第２の高周波電源１１０の基準電位は接地電位に固定されている。
【０００９】
以下、前記のように構成された従来のプラズマ処理装置の動作について説明する。
【００１０】
まず、気体導入手段１０２により反応室１０１内に半導体ウェハ１０７を処理するのに適した気体を導入すると共に、排気手段１０３により反応室１０１内の気体等を排気する。反応室１０１内の圧力が所定の圧力に達し安定すると、第１の高周波電源１０６及び第２の高周波電源１１０から、試料台１０４及び誘導結合コイル１０９に高周波電力をそれぞれ印加する。誘導結合コイル１０９に印加される高周波電力は、電磁誘導による電子加速を利用して高密度プラズマを生成する目的で使用される。試料台１０４に印加される高周波電力はプラズマからイオンを引き出すためのバイアスを得る目的で使用される、いわゆるＲＦバイアスである。
【００１１】
次に、半導体ウェハ１０７にプラズマを照射してプラズマ処理を行なった後、第１及び第２の高周波電源１０６，１１０からの高周波電力の供給を終了し、その後、気体導入手段１０２からの気体の導入を終了する。
【００１２】
次に、反応室１０１内の残留気体等を排気手段１０３により排出してプラズマ処理を終了する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のプラズマ処理装置及び処理方法においては、プラズマ処理に用いられるプラズマの解離度は、プラズマ生成手段におけるプラズマ源（結合方式：ＩＣＰ、ＥＣＲ、ＨＷＰ等）により略決まってしまい自由に変えることは困難である。特に最近の高密度プラズマを発生するプラズマ源により生成されるプラズマは解離度が高く、プラズマ処理に適しない場合があるという問題がある。
【００１４】
そこで、プラズマの解離度を低下させるために、プラズマ源に印加する高周波電力を小さくすることが考えられるが、高密度プラズマを発生するプラズマ源においては、印加電力を小さくするとプラズマ密度が急激に低下してしまい、所望密度のプラズマを得ることは困難である。従って、プラズマ源に印加する高周波電力を小さくする方法は、生成されるプラズマの解離度を制御性良く安定に低下させる目的には適しない。
【００１５】
プラズマの解離度が適切でないと、プラズマの組成、例えば、プラズマ中に生成されるラジカル（活性種）及びイオンの種類と量、各種ラジカルの生成比、各種イオンの生成比、ラジカルとイオンとの生成比、並びにラジカル、イオン及び電子の生成密度又は生成密度比等を適切にすることができない。
【００１６】
もっとも、導入するガスの種類又は導入流量比を制御することにより、プラズマの組成を変える方法は従来より行なわれてきたが、これらの方法は、あくまでもプラズマの解離度が決定された上でプラズマ組成を制御することを目的とするものであって、プラズマの解離度が制御できないときに、導入するガスの種類又は導入流量比を制御しても、プラズマ組成を制御できる範囲は狭いものになってしまう。
【００１７】
以上説明したように、プラズマの解離度が制御できない場合、被処理物に供給される、ラジカル及びイオンの種類、並びにラジカル、イオン、電子の量及び比率を制御することは極めて困難である。このため、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ、プラズマ表面処理等のプラズマ処理の制御は非常に難しいという第１の問題がある。
【００１８】
従来のプラズマ処理装置によるプラズマ処理において、プロセス条件の安定領域又は適用可能範囲は極めて狭い。特に、ドライエッチングの場合、イオンアシストエッチングという反応機構を主に利用して異方性形状の微細パターンの形成を行なっている。イオンアシストエッチングとは、被処理物の被エッチング表面にプラズマ等により生成されたラジカルを吸着させた後、ラジカルが吸着した被エッチング表面に、プラズマシース領域で加速され運動エネルギー（以下、イオンエネルギーと略す。）を得たイオンを飛来させて非弾性衝突を行なわせ、この非弾性衝突により失われた熱エネルギーにより、被エッチング表面に吸着していたラジカル、飛来したイオン又はこれらが分解した原子若しくは分子が被エッチング表面の原子と反応し、反応生成物が脱離して除去されることにより進行する反応を利用したエッチング技術である。このイオンアシストエッチングを制御するためには、被エッチング表面にプラズマから供給されるラジカルやイオンの種類若しくは量、ラジカルとイオンとのバランス及びイオンエネルギーを制御する必要がある。
【００１９】
被エッチング表面にプラズマから供給されるラジカルやイオンの種類、量及びバランスは、プラズマ密度、プラズマの解離度及び導入ガスの種類若しくは量等により概ね決定され、イオンエネルギーは、被処理物が保持される試料台（下部電極）に印加されるＲＦバイアスとしての高周波電力の供給電力により決定される。
【００２０】
しかしながら、従来のプラズマ処理装置においては、プラズマ源に供給される高周波電力とＲＦバイアスとして供給される高周波電力とが相互作用するので、プラズマの解離度とイオンエネルギーとを互いに独立して制御できないという第２の問題がある。
【００２１】
例えば、図１４に示す従来のプラズマ処理装置の場合、プラズマから供給されるラジカルやイオンの種類、量、及びラジカルとイオンとのバランスを制御するべく、第２の高周波電源１１０から供給される電力によりプラズマの生成条件を制御すると、他のプラズマパラメータが大きく影響を受け、イオンの運動エネルギーも変化してしまう。逆に、イオンの運動エネルギーを制御するべく、第１の高周波電源１０６からＲＦバイアスとして供給される高周波電力によりプラズマの生成条件を制御すると、やはり他のプラズマパラメータが大きく影響を受け、プラズマから供給されるラジカルやイオンの種類、量及びラジカルとイオンとのバランスが変化してしまう。
【００２２】
前記に鑑み、本発明は、プラズマ処理に用いられるプラズマの解離度を制御することを第１の目的とし、プラズマの解離度とイオンエネルギーとを独立して制御できるようにすることを第２の目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前記第１の目的を達成するため、本発明は、生成されたプラズマを該プラズマの解離度を低下させつつ輸送するものである。また、前記第２の目的を達成するため、本発明は、プラズマを生成するプラズマ生成室とプラズマ処理を行なうプラズマ処理室とを分離すると共に、プラズマ生成室で生成されたプラズマをプラズマ処理室にプラズマの解離度を低下させつつ輸送するものである。
【００２４】
本発明に係るプラズマ処理装置は、気体を導入する気体導入手段を有し該気体導入手段により導入された気体からプラズマを生成するプラズマ生成室と、被処理物を保持する被処理物保持手段を有し該被処理物保持手段に保持された被処理物に対してプラズマにより所定の処理を行なうプラズマ処理室と、前記プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマの解離度を低下させつつ前記プラズマ処理室に輸送するプラズマ輸送路とを備えている。
【００２５】
本発明に係るプラズマ処理装置によると、プラズマを生成するプラズマ生成室とプラズマ処理を行なうプラズマ処理室とが互いに独立して設けられているため、プラズマ源に供給される高周波電力と被処理物にバイアス電圧として供給される高周波電力との相互作用を回避できる。
【００２６】
また、プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマ処理室にプラズマの解離度を低下させつつ輸送するプラズマ輸送路を備えているため、プラズマ処理室に導入されるプラズマの解離度は、プラズマ生成室で生成されたときの解離度よりも低下している。この場合、プラズマ輸送路の距離又は断面積を変更することによりプラズマの解離度の低下度合いを変化させることができる。
【００２７】
以下、プラズマの解離度の低下度合いについて詳細に説明する。
【００２８】
まず、プラズマ生成室においてプラズマ状の気体が生成される。プラズマ状の気体とは、プラズマ状の電離気体、プラズマにより解離分解、励起若しくはイオン化された原子若しくは分子を含む気体、又は両者を含む気体のことを指し、以下においては、単にプラズマと称する。また、プラズマに含まれる電子の量はプラズマの状態により異なる。
【００２９】
プラズマ生成室で生成されたプラズマは、プラズマ源及びプラズマ生成条件により決定される解離状態にまで解離が進むと共に、プラズマの解離度に応じて生成されるプラズマ組成が決定される。ところが、プラズマ輸送路を輸送されるプラズマは励起されないため、輸送されるプラズマはいわゆるアフターグロー放電状態となるので、イオン又はラジカル等の中性粒子と電子とが反応し、正イオンが減少すると共に負イオンが生成される。また、分子−分子間、電子−原子間、電子−分子間又は原子−分子間の衝突による再結合等が生じる。従って、プラズマ輸送路の距離又は断面積を変化させることにより、プラズマの解離度を制御することができる。
【００３０】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記プラズマ処理室に設けられ、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に電圧を印加する電圧印加手段をさらに備えていることが好ましい。
【００３１】
本発明に係るプラズマ処理装置が電圧印加手段を備えている場合、前記電圧印加手段としては、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に定電圧を印加する手段を用いることができる。
【００３２】
このようにすると、被処理物にはＤＣ（直流）バイアス電位が発生する。
【００３３】
被処理物に印加される定電圧がプラズマの電位よりも大きい（正バイアス）場合には、被処理物にプラズマ処理室に存在するラジカルが等方的に供給されると共に、印加定電圧とプラズマ電位との差に対応する加速エネルギーを得た負イオンが被処理物に照射される。この負イオンの加速エネルギーは、印加される定電圧を調整することにより制御することが可能である。
【００３４】
被処理物に印加される定電圧がプラズマの電位と同じ（０バイアス）場合には、被処理物にプラズマ処理室に存在するラジカルが等方的に供給される。
【００３５】
被処理物に印加される定電圧がプラズマの電位よりも小さい（負バイアス）場合には、被処理物にプラズマ処理室に存在するラジカルが等方的に供給されると共に、印加定電圧とプラズマ電位との差に対応する加速エネルギーを得た正イオンが被処理物に照射される。この正イオンの加速エネルギーは、印加される定電圧を調整することにより制御することが可能である。
【００３６】
本発明に係るプラズマ処理装置が電圧印加手段を備えている場合、前記電圧印加手段としては、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電圧を印加する手段を用いることができる。
【００３７】
このようにすると、被処理物に高周波電力を印加する手段を備えているため、プラズマ処理室はＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）装置としての機能を持つ。すなわち、ＲＦバイアスが被処理物に発生するだけでなく、プラズマ処理室はプラズマ源としての機能も兼ね備えることになる。
【００３８】
印加される高周波電力の周波数及び大きさに応じて、被処理物はプラズマ電位よりも負にバイアスされ、プラズマ電位と被処理物の電位との電位差分（以下、直流イオン加速電圧と称する。）のエネルギーがイオンに与えられ、エネルギーを与えられたイオンが被処理物に照射される。この場合、印加される高周波電力の大きさによりイオンエネルギーを変えることができる。しかしながら、被処理物に高周波電力が印加されているため、被処理物に定電圧が印加されている場合とはその動作が異なり、プラズマ処理室に輸送されたプラズマはプラズマ処理室において再励起される。従って、ＲＩＥ装置（プラズマ処理室）には、プラズマ生成室で励起された後、ある程度まで解離されたプラズマが導入されるため、ＲＩＥ装置に非励起のガスを導入し、非励起のガスを励起する場合に比べて、解離度の高いプラズマが生成される。
【００３９】
また、プラズマ生成室又はプラズマ処理室において印加する高周波電力を変化させる場合、プラズマ生成室とプラズマ処理室とが互いに独立して設けられているため、高周波電力同士が相互に影響し合うことはない。プラズマ処理室の高周波電力を変化させた場合、被処理物に印加される高周波電力により励起されるプラズマの解離度は、直流イオン加速電圧の変化に比べて小さいので、被処理物に印加される高周波電力は直流イオン加速電圧の制御パラメータとして独立した状態で使用可能である。
【００４０】
本発明に係るプラズマ処理方法が電圧印加手段を備えている場合、前記電圧印加手段としては、前記被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電力及び定電圧を印加する手段を用いることができる。
【００４１】
このようにすると、被処理物に高周波電力及び定電圧を印加する手段を備えているため、プラズマ処理室はＲＩＥ装置としての機能を持ち、プラズマ処理室はプラズマ源としての機能も兼ね備えることになる。また、被処理物の電位を任意に変えることが可能になる。
【００４２】
本発明に係るプラズマ処理装置は、前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室とを気密状態で連結する連結手段をさらに備えていることが好ましい。
【００４３】
本発明に係るプラズマ処理装置が連結手段を備えている場合、前記連結手段はプラズマ生成室とプラズマ処理室との間に設けられた板状体であり、前記プラズマ輸送路は前記板状体に形成された開口部であることが好ましい。
【００４４】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記連結手段が板状体である場合、前記板状体は前記被処理物保持手段に保持された被処理物と平行に設けられ、前記プラズマ輸送路は前記板状体に分散して形成された複数の開口部であることが好ましい。
【００４５】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成室は前記プラズマ処理室の外側において前記プラズマ処理室を囲むように設けられており、前記連結手段は前記プラズマ生成室と前記プラズマ処理室との間に設けられた筒状体であり、前記プラズマ輸送路は前記筒状体に形成された開口部であることが好ましい。
【００４６】
本発明に係るプラズマ処理方法は、導入された気体からプラズマを生成するプラズマ生成工程と、生成されたプラズマをプラズマの解離度を低下させつつ輸送するプラズマ輸送工程と、輸送されてきたプラズマにより被処理物に対して所定の処理を行なうプラズマ処理工程とを備えている。
【００４７】
本発明に係るプラズマ処理方法によると、プラズマ生成室において生成されたプラズマをプラズマ処理室にプラズマの解離度を低下させつつ輸送するプラズマ輸送工程を備えているため、プラズマ処理室に導入されるプラズマの解離度は、プラズマ生成室で生成されたときの解離度よりも低下している。
【００４８】
本発明に係るプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理工程は、被処理物に対して高周波電圧を印加しつつ所定の処理を行なう工程を含むことが好ましい。
【００４９】
本発明に係るプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理工程は、被処理物に対して定電圧を印加しつつ所定の処理を行なう工程を含むことが好ましい。
【００５０】
本発明に係るプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理工程は、被処理物に対して高周波電圧及び定電圧を印加しつつ所定の処理を行なう工程を含むことが好ましい。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態に係るプラズマ発生装置及びその方法、並びにプラズマ処理装置及びその方法について、図面を参照しながら説明する。
【００５２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示しており、図１において、１１はプラズマを生成するプラズマ生成室、１２はプラズマによって試料に所定の処理を行なうプラズマ処理室であって、プラズマ生成室１１及びプラズマ処理室は安全のためにアース電位に固定されている。プラズマ生成室１１及びプラズマ処理室１２は、通常、ステンレススチール、アルミニウム等により形成されている。アルミニウムにより形成される場合には、表面が鏡面処理されているときや、アルマイト処理等が施されて表面が絶縁されているときがある。
【００５３】
プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２とは、互いに独立していると共に、図２（ａ），（ｂ）に示すような複数の開口部よりなるプラズマ輸送路１３を有する板状の連結部材１４によって互いに連結されており、プラズマ生成室１１で生成された解離度の高いプラズマは、プラズマ輸送路１３により解離度を低下されつつプラズマ処理室１２に輸送される。連結部材１４を構成する材料としては、ステンレススチール、アルミニウム等の金属板、これらの金属板に絶縁性薄膜をコーテイング若しくは溶射したもの、又はこれらの金属板の表面に陽極酸化によりアルマイト処理を施したもの等が用いられる。また、連結部材１４を構成する材料として、半導体シリコンに不純物がドープされてなるシリコン等の半導体材料、パイロリックカーボン又は導電性のセラミックを用いてもよい。このように連結部材１４が導電性材料により形成される場合には、プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２とは電気的に接続されて同電位に保たれる。また、連結部材１４を構成する材料として、アルマイト等のセラミック材料、石英等の無機系材料、又はフッ素炭化水素化合物等の有機系材料を用いてもよい。このように連結部材１４が絶縁性材料よりなる場合には、連結部材１４は電気的に浮遊状態で使用される。
【００５４】
プラズマ生成室１１には、気体を導入するための気体導入手段１５が設けられており、該気体導入手段１５には、図示しないコンピュータ制御されたマスフローコントローラによるガス供給手段を備えている。また、プラズマ処理室１２には、気体等を排出するための排気手段１６が設けられており、該排気手段１６は、図示しないターボ分子ポンプ、該ターボ分子ポンプの後段に設けられたドライポンプ又はロータリーポンプ、及びコンピュータと連動可能な排気制御装置から構成されているが、排気手段１６としては、これらに限らない。
【００５５】
プラズマ処理室１２の下部には、下部電極となる試料台１７が設けられている。試料台１７とプラズマ処理室１２とは絶縁体１８により互いに絶縁されていると共に、試料台１７の表面は薄い絶縁膜によって覆われている。また、試料台１７には第１の高周波電源１９が接続されており、該第１の高周波電源１９の基準電位は、プラズマ処理室１２と同じく接地電位である。第１の高周波電源１９の周波数は、約１００ＫＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度であるが、実用的な周波数であれば必ずしもこの限りではない。試料台１７の上には、被処理物としての半導体ウェハ（基板）２０が載置されており、該半導体ウェハ２０は、図示しない機械的又は静電的な保持機構により試料台１７に保持されている。
【００５６】
プラズマ生成室１１の上には、石英やアルミアルマイト等のセラミック等よりなる絶縁体２１を介してプラズマ生成用の誘導結合コイル２２が設けられている。第１の実施形態においては、誘導結合コイル２２としては、例えば、絶縁体２１と平行な面内にスパイラル状（渦巻き状）に巻かれたコイルが用いられる。誘導結合コイル２２としては、その形状は限定されず、誘導結合コイルとして働くものを適宜用いることができる。誘導結合コイル２２の一端（コイル中心端）には第２の高周波電源２３に接続されていると共に、誘導結合コイル２２の他端（コイル最外周端）は接地されており、第２の高周波電源２３の基準電位は接地電位に固定されている。第２の高周波電源２３の周波数としては、第１の高周波電源１９の周波数と同等又は大きい周波数が用いられる。
【００５７】
図２（ａ），（ｂ）は、連結部材１４の詳細を示しており、（ａ）は（ｂ）におけるII−II線の断面図であり、（ｂ）は平面図である。図２（ａ），（ｂ）に示すように、連結部材１４には、複数の開口部が同心円状且つ放射状に設けられており、複数の開口部によりプラズマ輸送路１３が構成されている。プラズマ輸送路１３を構成する開口部の数及び配置については、被処理物の表面に一様且つ均一なプラズマが照射されるように最適化されている。開口部の数、径及び長さ（連結部材１４の厚さ）については、プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２との設定圧力差によって決定される排気コンダクタンスを満足するように設計することが好ましい。従って、開口部の数が少ない場合には開口部の径を大きく設定し、開口部の数が多い場合には開口部の径を小さく設定する。
【００５８】
尚、プラズマ輸送路１３を構成する開口部の径としては、プラズマ生成室１１で生成されたプラズマがプラズマ輸送路１３を通過する際に開口部の周壁に付着しても、プラズマ輸送路１３の機能が損なわれない程度の大きさにすることが好ましい。また、開口部においてホロー効果による局部放電が生じ、該開口部から汚染物質が放出される恐れがある場合には、開口部の径をホロー効果による局部放電が生じない程度にするか、又は連結部材１４の材質をホロー効果による局部放電が生じないものにすることが好ましい。
【００５９】
以下、前記第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の基本動作について説明する。
【００６０】
まず、気体導入手段１５からプラズマ生成室１１に半導体ウェハ２０を処理するのに適した気体を導入すると共に、排気手段１６によりプラズマ処理室１２内の気体等を外部に排出する。これにより、プラズマ生成室１１内の気体もプラズマ輸送路１３及びプラズマ処理室１２を介して外部に排出される。
【００６１】
プラズマ生成室１１内の圧力及びプラズマ処理室１２内の圧力が所定値に達して安定すると、第１の高周波電源１９及び第２の高周波電源２３から試料台１７及び誘導結合コイル２２にそれぞれ高周波電力を印加する。誘導結合コイル２２に印加される高周波電力は電磁誘導による電子加速を利用して高密度プラズマを生成する目的で使用される。一方、試料台１７に印加される高周波電力はプラズマからイオンを引き出すためのバイアスを得る目的で使用されるＲＦバイアスである。
【００６２】
次に、所定の時間、半導体ウェハ２０にプラズマを照射してプラズマ処理を行なった後、第１の高周波電源１９及び第２の高周波電源２３からの高周波電力の印加を終了する。次に、気体導入手段１５による気体の導入を終了すると共に、所定時間後に、プラズマ生成室１１及びプラズマ処理室１２内の残留気体等を排気手段１６により排出する。プラズマ生成室１１及びプラズマ処理室１２内の圧力が所定の真空度に達した時点でプラズマ処理は完了する。
【００６３】
以下、前述した基本動作を基にして、前記第１の実施形態に係るプラズマ処理装置のプラズマ生成の制御動作及びプラズマ処理動作についてさらに詳細に説明する。
【００６４】
プラズマ生成室１１において、気体導入手段１５から導入された気体が誘導結合コイル２２によってプラズマ化される際、導入された気体は主として電子の非弾性散乱衝突により解離分解されたり、イオンに電子が付着して中性化されたり、電子が弾き飛ばされてイオン化されたりする現象が起きる。
【００６５】
図３は、ＣＦ4 のプラズマ中における反応過程の一部を示している。図３（Ａ−１）、（Ａ−２）、（Ａ−３）はＣＦ4 、ＣＦ3 及びＣＦ2 の中性粒子に電子が衝突して、Ｃと結合しているＦの一部が解離し、ＣＦ3 、ＣＦ2 及びＣＦが生成される反応過程を表している。図３（Ｂ）は、ＣＦ3+、ＣＦ2+及びＣＦ+ の各イオンに電子が衝突して付着（再結合）し、各イオンが中性化してＣＦ3 、ＣＦ2 及びＣＦになる反応過程を表している。図３（Ｃ−１）は、ＣＦ3+、ＣＦ2+及びＣＦ+ に電子が非弾性衝突し、最外殻の電子が１個弾き飛ばされ、中性粒子がイオン化する反応過程を表している。図３（Ｃ−２）、（Ｃ−３）、（Ｃ−４）は、ＣＦ4 、ＣＦ3 、ＣＦ2 及びＣＦの中性粒子に電子が非弾性衝突して、Ｃと結合しているＦの一部が解離すると共に残ったＣＦx （ｘ＝１〜３）の最外殻の電子が１個弾き飛ばされて中性粒子がイオン化する反応過程を表している。
【００６６】
図３に示したように、プラズマ生成室１１に導入された気体は、プラズマ放電により、プラズマ中で、電子の衝突により、解離、イオン化及びラジカル化を繰り返す。特に、誘導結合コイル２２により生成される誘導結合プラズマの場合、前記の反応は何度も繰り返し行われるため、高密度で高解離なプラズマが生成される。このため、ＣＦやＣＦ2 が多い状態、又はＣＦ+ やＣＦ2+が多い状態となる。また、電子はＣＦx （ｘ＝１〜４）と非弾性衝突を行なうため、中性粒子の多くはラジカルとなる。尚、図３には示されていないが、Ｆ（ラジカル）及びＦ+ （イオン）が生成されることは言うまでもない。
【００６７】
プラズマ生成室１１において生成されたプラズマは、連結部材１４のプラズマ輸送路１３を通ってプラズマ処理室１２に輸送される際にプラズマ励起を受けないので、図３（Ｂ）に示されるような正イオンの中性化が生じたり、ＣＦx （ｘ＝１〜４）に電子が付着してＣＦx-（ｘ＝１〜４）（負イオン）の生成が生じたり、ＣＦx （ｘ＝１〜３）ラジカル及びＣＦx+（ｘ＝１〜３）とＦとの再結合が生じたりする。これらの反応の進行度合いは、プラズマ輸送路１３の距離及び大きさ、つまり連結部材１４の厚さ及び開口部の径に依存する。
【００６８】
以上のように、プラズマ生成室１１からプラズマ処理室１２にプラズマ輸送路１３を通って輸送されるプラズマの組成は、第２の高周波電源２３のみならず、プラズマ輸送路１３の構成、特に、プラズマ輸送路の距離及び大きさにより制御可能となる。
【００６９】
一般に、平行平板の容量結合により生成されるＣＦ4 プラズマは解離度が小さいため、ＣＦ2 やＣＦの密度に対するＣＦ3 の密度の比率が大きい。これに対して、プラズマ生成室１１において誘導結合により生成されるプラズマは、高密度であるため、プラズマの解離度が大きいので、ＣＦ3 の密度は小さくなり、ＣＦ3 の大部分はＣＦやＣＦ2 に分解される。この現象は、第２の高周波電源２３の印加電力を大きくするつれてさらに進む。逆に、第２の高周波電源２３の印加電力を小さくしていくと、ＣＦ3 の密度が大きくなる前に全体のプラズマ密度が低下するので、実用上使用不可能なプラズマしか生成できない。
【００７０】
従って、従来のＲＩＥプラズマ処理装置によると十分な解離度が得られない一方、従来の誘導結合型プラズマ処理装置によると解離が進み過ぎたプラズマしか得られない。このため、従来においては、適度な解離度のプラズマを生成することができず、プラズマにより生成されるラジカル、イオン及び電子の生成密度又は生成密度比を制御することができなかったが、前記第１の実施形態によると、適度な解離度のプラズマを生成することが可能になる。
【００７１】
次に、プラズマ生成室１１で生成され、プラズマ輸送路１３を移動中に組成が調整された後、プラズマ処理室１２に導入されたプラズマは、第１の高周波電源１９によるＲＩＥ放電によって再励起を受けると共に、半導体ウェハ２０の電位は負にバイアスされるので、直流イオン加速電圧（プラズマの電位と半導体ウェハ２０の電位との直流電位差）が生じる。直流イオン加速電圧は、第１の高周波電源１９に印加される高周波電力の振幅が正のときに、電子が一瞬にして半導体ウェハ２０の表面を覆い、半導体ウェハ２０が負に帯電することにより生じる。プラズマバルク領域からシース領域にこぼれ出た正イオンは電位差分：Ｖｄｃにより加速されてイオンエネルギーを得る。
【００７２】
イオンエネルギーの大きさは、第１の高周波電源１９の周波数が数十ＭＨｚ以上の場合には、イオンが高周波電力に追従できないため、直流イオン加速電圧の大きさにより略決定される。また、ＲＩＥ放電の場合には、プラズマの解離度は、第２の高周波電源２３の印加電電力を変化させてもそれほど大きく変化せず、その大部分は直流イオン加速電圧の変化に寄与する。ところが、一般によく使われる１３．５６ＭＨｚ又はそれ以下の周波数の場合には、プラズマは、直流イオン加速電圧と、直流イオン加速電圧を中心に正弦波で供給される第１の高周波電源１９の交流印加電圧の振幅：Ｖｐｐ（peak to peak電圧）とが合成された電圧によりプラズマシース領域に形成される電界によって加速され、周波数に応じて高周波電力の１周期又は２周期分程度で加速される。このようにＲＩＥのプラズマ装置においては、いずれにしても、イオンエネルギーは第１の高周波電源１９の印加電力により制御することができる。この場合、プラズマ生成室１１とプラズマ反応室１３とは互いに独立して設けられているため、プラズマ生成室１１のプラズマは第１の高周波電源１９の影響を殆ど受けないと共に、プラズマ処理室１２のプラズマも第２の高周波電源２３の影響を殆ど受けない。
【００７３】
プラズマ生成室１１において生成されるプラズマはＲＩＥ放電によるものであるため、通常の場合には解離度は約５％前後であるが、第１の実施形態によると、プラズマ処理室１２には、解離されたり、又はイオン化若しくは負イオンの形成がなされたプラズマが導入されるので、プラズマの解離度は高い。すなわち、普通のＲＩＥプラズマよりもＣＦ、ＣＦ2 ラジカル、ＣＦ+ イオン、ＣＦ2+イオンが多く、且つ従来の誘導結合プラズマ程度には解離が進んでいないプラズマを生成することが可能となる。
【００７４】
また、プラズマの解離度は、連結部材１４のプラズマ輸送路１３の構造を変えることにより制御することができる。従って、被処理物である半導体ウェハ２０に供給されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの供給比、各種イオンの供給比、ラジカル、イオン及び電子の供給比率並びに被処理物に入射するイオンの運動エネルギーの制御が可能となる。この結果、半導体ウェハ２０の表面の微細構造中で生じる物理化学反応をラジカル、イオン及び電子の供給の面から制御可能となる。
【００７５】
また、連結部材１４の材料として、アルミニウム、シリコン、石英若しくはフッ化炭化水素系の絶縁体材料、又はパイロリックカーボンを用いる場合、プラズマ処理により連結部材１４の表面が何らかの堆積膜により被覆されない条件で使用すると、連結部材１４の材料からその成分がプラズマ中に供給される。このような場合、プラズマにより生成される生成物の成分は大きく影響を受ける。従って、連結部材１４の材料を最適化することにより、プラズマにより生成されるラジカル及びイオンの組成を変化させることが可能である。
【００７６】
また、連結部材１４がプラズマ生成室１１の壁部及びプラズマ処理室１２の壁部とそれぞれ電気的に絶縁されており、且つ連結部材１４に定電圧、高周波電力、又は定電圧及び高周波電力の両方が印加される場合には、連結部材１４に印加される定電圧の電位又は高周波電力の大きさを調節することにより、連結部材１４に適度なイオン照射を与えることが可能となり、連結部材１４の表面に堆積膜が形成されないようにすることが可能となる。連結部材１４の表面に堆積膜が形成されない状態で且つ連結部材１４の材料としてアルミニウム、シリコン又はパイロリックカーボン等を使うと、連結部材１４の材料からその成分をプラズマにより多く供給することができるので、プラズマにより生成されるラジカル及びイオンの組成をより正確に制御できる。
【００７７】
以上説明したように、第１の実施形態によると、以下の効果が得られる。
【００７８】
（１）プラズマ処理に寄与するプラズマの解離度、並びにラジカル、イオン及び電子の生成密度又は生成密度比を制御することができる。
【００７９】
（２）プラズマ処理に寄与するプラズマ中に生成されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの生成比及び各種イオンの生成比、並びにラジカルとイオンとの生成比を制御することができる。
【００８０】
（３）被処理物に供給されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの供給比、各種イオンの供給比、ラジカル、イオン及び電子の供給比率、並びに被処理物に入射する正イオンの運動エネルギーの制御が可能となる。
【００８１】
（４）プラズマ生成に寄与する第２の高周波電源２３と、ＲＦバイアスを試料台１７に印加する第１の高周波電源１９とが相互作用しないため、（１）に示したプラズマ生成状態と被処理物に入射するイオンの運動エネルギーとを独立に制御することができる。
【００８２】
従って、このような条件の下でプラズマ処理を行なうことにより、被処理物の表面上で生じる物理化学反応を高精度且つ安定して制御することが可能となり、高品質なプラズマ処理が可能となる。
【００８３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。第２の実施形態においては、プラズマ処理室１２の試料台１８に、第１の実施形態における第１の高周波電源１９に代えて定電圧源２５が接続されている点を除いては第１の実施形態と同様であるので、同一の部材については第１の実施形態と同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００８４】
以下、前記第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の基本動作について説明する。
【００８５】
プラズマ生成室１１で生成され、プラズマ輸送路１３により組成が調整されつつ輸送され、プラズマ処理室１２に導入されたプラズマは、再励起されることなくそのまま拡散し、排気手段３によってプラズマ処理室１２の外部に排出される。プラズマの解離度は、プラズマ輸送路１３を構成する開口部の径を大きくすると共に、連結部材１４の厚さを小さくしてプラズマ輸送路１３の距離を短くすることにより、プラズマ生成室１１において生成されたプラズマの解離度の低下を抑制することが可能である。すなわち、プラズマ輸送路１３の構成を変えることにより、プラズマの解離度を制御することができる。
【００８６】
次に、定電圧源２５により試料台１７に印加される定電圧の大きさに基づき、以下の３つの場合に分けてその動作を説明する。
【００８７】
試料台１７に印加される定電圧がプラズマの電位よりも大きい場合（正バイアス）には、半導体ウェハ２０にはプラズマ処理室１２に存在するラジカルが等方的に供給されると共に、印加される定電圧とプラズマ電位との差に応じた加速エネルギーを得た負イオンが照射される。この際、イオンエネルギーは、印加する定電圧を調整することにより、プラズマ生成室１１に供給される高周波電力等のプラズマ生成条件と相互作用することなく制御することが可能となる。
【００８８】
試料台１７に印加される定電圧がプラズマの電位と同じ場合（０バイアス）には、半導体ウェハ２０には主にプラズマ処理室１２に存在するラジカルが等方的に供給される。
【００８９】
試料台１７に印加される定電圧がプラズマの電位よりも小さい場合（負バイアス）には、半導体ウェハ２０にはプラズマ処理室１２に存在するラジカルが等方的に供給されると共に、印加される定電圧とプラズマ電位との差に応じた加速エネルギーを得た正イオンが照射供給される。この際、イオンエネルギーは、印加する定電圧を調整することにより、プラズマ生成室１１に供給される高周波電力等のプラズマ生成条件と相互作用することなく制御することが可能である。
【００９０】
以上説明したように、第２の実施形態によると、以下の効果が得られる。
【００９１】
（１）プラズマ処理に寄与するプラズマの解離度、並びにラジカル、イオン及び電子の生成密度又は生成密度比を制御することができる。
【００９２】
（２）プラズマ処理に寄与するプラズマ中に生成されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの生成比、各種イオンの生成比、並びにラジカルとイオンとの生成比を制御することができる。
【００９３】
（３）被処理物に供給されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの供給比、各種イオンの供給比、ラジカル、イオン及び電子の供給比率、並びに被処理物に入射するイオンの運動エネルギーの制御が可能となる。
【００９４】
（４）プラズマ生成室１１において高周波電源２３により供給される高周波電力と、定電圧源２５により試料台１７にＲＦバイアスとして供給される定電圧とが相互作用しないため、（１）に示すプラズマ生成状態と被処理物に入射するイオンの運動エネルギーとを独立に制御することができる。
【００９５】
（５）試料台１７に印加される定電圧とプラズマの電位との大小関係により、負イオン主体のイオンアシスト反応、ラジカル主体の表面処理、正イオン主体のイオンアシスト反応の３種類の反応形態を選ぶことが可能となる。その結果、目的に応じて最適なプラズマ処理を高精度に行なうことができる。
【００９６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。第３の実施形態においては、プラズマ処理室１２の試料台１８と接地との間に、第１の高周波電源１９及び定電圧源２５が接続されている点を除いて第１の実施形態と同様であるので、同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００９７】
以下、前記第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の基本動作について説明するが、第３の実施形態の動作については、第１の実施形態（高周波電力の印加時）の効果と第２の実施形態（定電圧の印加時）の効果とを重ね合わせて考えればよい。
【００９８】
以下、半導体ウェハ２０に生じる電位とプラズマの電位との電位差に基づき、３つに場合に分けて説明する。尚、第３の実施形態においては、半導体ウェハ２０の電位は、第１の高周波電源１９により発生する電位と定電圧源２５により発生する電位との合成電位により定まる。
【００９９】
（１）半導体ウェハ２０に生じる電位がプラズマの電位と同じ場合には、プラズマ処理室１２で生成されるラジカル等の中性粒子は等方拡散により半導体ウェハ２０に供給される。一方、合成電位が負の領域においては正イオンが半導体ウェハ２０に向けて照射され、合成電位が正の領域においては負イオン及び電子が半導体ウェハ２０に向けて照射される。なお、合成電位の負の領域と正の領域との境界は、プラズマ処理室１２のプラズマの電位と同じである。従って、正イオン及び負イオンの両方が存在するときには、半周期毎に両方のイオンが照射される。もっとも、第１の高周波電源１９の周波数としてイオンが追従できないような高い周波数を用いる場合には、イオンの照射は生じない。
【０１００】
（２）半導体ウェハ２０に生じる電位がプラズマの電位よりも小さい場合には、プラズマ処理室１２で生成されるラジカル等の中性粒子は等方拡散により半導体ウェハ２０に供給されるが、イオンの動作については、次の２つの場合に分けて考えることができる。合成電位の正領域の大きさがプラズマの電位よりも大きい場合には、高周波電力の１周期中に半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位よりも正となる領域が存在するため、半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位よりも正のときには負イオン及び電子が半導体ウェハ２０に照射される一方、半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位よりも正でないときには正イオンが半導体ウェハ２０に照射される。また、合成電位の正領域の大きさがプラズマの電位と同じか小さい場合には、高周波電力の１周期中に半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位よりも正となる領域が存在しないため、常に正のイオンのみが半導体ウェハ２０に照射される。しかしながら、いずれの場合にも、第１の高周波電源１９の周波数としてイオンが追従できないような高い周波数を用いる場合には、半導体ウェハ２０に印加されている定電圧の電位が支配的になり、その動作は定電圧源２５のみが印加された場合の動作となる。
【０１０１】
（３）半導体ウェハ２０に生じる電位がプラズマの電位よりも大きい場合には、プラズマ処理室１２で生成されるラジカル等の中性粒子は等方拡散により半導体ウェハ２０に供給される。この場合にもイオンの動作については、次の２つの場合に分けて考えることができる。合成電位の負領域の大きさがプラズマの電位よりも小さい場合には、高周波電力の１周期中に半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位よりも負となる領域が存在するため、半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位よりも負のときには正イオンが半導体ウェハ２０に照射される一方、半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位よりも負にならないときには、負イオン及び電子が半導体ウェハ２０に照射される。また、合成電位の負領域の大きさがプラズマ電位と同じか大きい場合には、高周波電力の１周期中に半導体ウェハ２０の電位がプラズマの電位に対して負となる領域が存在しないため、常に負のイオン及び電子が半導体ウェハ２０に照射される。しかしながら、いずれの場合にも、第１の高周波電源１９の周波数としてイオンが追従できないような高い周波数を用いる場合には、半導体ウェハ２０に印加されている定電圧の電位が支配的になり、その動作は定電圧源２５のみが印加された場合の動作となる。
【０１０２】
さらに、イオンのエネルギーについては、第１の高周波電源１９の印加電力の大きさと定電圧源２５の印加電圧の大きさとを調整することにより制御することができる。
【０１０３】
以上のように、第３の実施形態によると、プラズマ生成室１１からプラズマ輸送路１３を通ってプラズマ処理室１２に導入されたプラズマをＲＩＥ放電により再励起しながら、正イオン及び負イオンを所望のエネルギーを持たせて取り出し、半導体ウェハ２０に照射することが可能となる。
【０１０４】
また、ラジカル成分においては、従来のＲＩＥ装置のみの場合により得られるプラズマよりも解離が進み且つ従来の誘導結合プラズマにより得られるプラズマ程には解離が進み過ぎていないプラズマを生成することが可能となる。
【０１０５】
さらに、プラズマの解離度は、プラズマ輸送路１３の構造を変えることにより制御することができる。従って、被処理物である半導体ウェハ２０に供給されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの供給比、各種イオンの供給比、ラジカル、イオン及び電子の供給比率、並びに被処理物に入射するイオンの運動エネルギーの制御が可能となる。その結果、プラズマ処理の目的に応じて、プラズマ処理に寄与する粒子の供給条件を最適化することにより、半導体ウェハ２０の表面の微細構造中で生じる物理化学反応を高精度に制御できる。
【０１０６】
図６は、前記第３の実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。該変形例においては、第３実施形態における渦巻状の誘導結合コイル２２に代えて、互いに分割され且つ中心部で第２の高周波電源２３に共通に接続されている分割型の誘導結合コイル２６が設けられている。他の構成については、第３の実施形態と同様であるので、同一の部材については同一の符号を付すことにより、説明を省略する。
【０１０７】
図７は、本発明の第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。第４の実施形態においては、第３の実施形態における渦巻状の誘導結合コイル２２に代えて、プラズマ生成室１１の周壁の外側に巻かれたスパイラル状の誘導結合コイル２７が設けられている点、及び気体導入手段１５がプラズマ生成室１１の頂部に設けられている点を除いては、第３の実施形態と同様であるので、同一の部材については同一の符号を付すことにより、説明を省略する。
【０１０８】
図８は、本発明の第５の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。第５の実施形態においては、第３の実施形態におけるプラズマ生成室１１の構造が異なっている点を除いては、第３の実施形態と同様であるので、同一の部材については同一の符号を付すことにより、説明を省略する。
【０１０９】
図８に示すように、プラズマ生成室１１の上部に筒状のプラズマ導入部３１が設けられ、ガス導入装置１５はプラズマ導入部３１に設けられていると共に、プラズマ導入部３１の頂部には石英等よりなる誘電体板３２が設けられている。誘電体板３２の上には導波管３３が設けられており、該導波管３３には図示しないマイクロ波源からマイクロ波３４が供給される。マイクロ波３４は、導波管３３により伝播されてプラズマ生成室１１に入射する。プラズマ導入部３１の外側には、マイクロ波３４の入射方向に磁場Ｂｚを発生させるための磁石３５，３６が設けられており、該磁石３５，３６により生じた磁界とマイクロ波３４との電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）により、プラズマが生成される。
【０１１０】
第５の実施形態においても、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１１】
また、従来のＥＣＲ型のプラズマ生成源においては、磁場Ｂｚが半導体ウェハ２０に影響を与えるが、第５の実施形態においては、プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２とが互いに独立に設けられているため、半導体ウェハ２０は磁場Ｂｚの影響を殆ど受けることがない。
【０１１２】
さらに、ＥＣＲ型のプラズマ生成源は発散型であるため、従来の構造においては、ラジカル及びイオンの供給において均一性が悪いという欠点を有していたが、第５の実施形態においては、プラズマ輸送路１３の距離及び断面積を最適化することにより、前記の問題を解決することができる。
【０１１３】
図９は、本発明の第６の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。第６の実施形態においては、第３の実施形態におけるプラズマ生成室１１の構造が異なっている点を除いては、第３の実施形態と同様であるので、同一の部材については同一の符号を付すことにより、説明を省略する。
【０１１４】
図９に示すように、プラズマ生成室１１の上部には筒状のプラズマ発生部３８が設けられている。プラズマ発生部３８の外側にはヘリコンアンテナ３９が設けられ、該ヘリコンアンテナ３９の一端に第２の高周波電源２３が接続され、他端は接地されている。また、プラズマ生成室１１の外側にはプラズマ伝搬用のマルチポール磁石４０が設けられている。
【０１１５】
第６の実施形態においても、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１６】
また、従来のヘリコン波型のプラズマ発生源においては、磁場が半導体ウェハ２０に影響を与えるが、第５の実施形態においては、プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２とが互いに独立して設けられているため、半導体ウェハ２０は磁場Ｂｚの影響を殆ど受けない。
【０１１７】
図１０（ａ）は、本発明の第７の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。第７の実施形態においては、第３の実施形態におけるプラズマ生成室１１及び連結部材１４の構造が異なっている点を除いては、第３の実施形態と同様であるので、同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１１８】
図１０（ａ）に示すように、プラズマ処理室１２の外側にリング状のプラズマ生成室１１が設けられ、該プラズマ生成室１１の外側には第４の実施形態と同様のスパイラル状の誘導結合コイル２７が設けられている。また、プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２とは、図１０（ｂ）に示すような円筒状の連結部材１４によって連結されており、該連結部材１４には、等間隔に形成された多数の開口部よりなるプラズマ輸送路１３が設けられている。
【０１１９】
以下、第７の実施形態に係るプラズマ処理装置の動作について説明するが、基本的な動作については、第３の実施形態と同様である。
【０１２０】
まず、気体導入手段１５からプラズマ生成室１１に半導体ウェハ２０を処理するのに適した気体を導入すると共に、排気手段１６によりプラズマ処理室１２内の気体等を外部に排出すると、プラズマ生成室１１内の気体もプラズマ輸送路１３及びプラズマ処理室１２を介して外部に排出される。
【０１２１】
プラズマ生成室１１内の圧力及びプラズマ処理室１２内の圧力が所定値に達して安定すると、第２の高周波電源２３から誘導結合コイル２７に高周波電力を印加すると、プラズマ生成室１１においてドーナツ状にプラズマが生成され、生成されたプラズマは連結部材１４のプラズマ輸送路１３を通ってプラズマ処理室１２に導入される。第７の実施形態においても、プラズマ輸送路１３の距離、断面積及びアスペクト比を調整することにより、プラズマ処理室１２に導入されるプラズマの解離度を制御することができる。
【０１２２】
プラズマ処理室１２に導入されたプラズマは、第１の高周波電源１９及び定電圧源２５により試料台１７に印加された高周波電力によって容量結合による励起を受ける。従って、第１の高周波電源１９により印加される高周波電力を調整することにより、ラジカルの解離度をさらに制御することができる。また、この際、第１の高周波電源１９により生じる陰極降下電圧：Ｖｄｃ及び定電圧源２５の電圧を調整することにより、イオンエネルギーを制御できる。
【０１２３】
従って、試料台１７上の半導体ウェハ２０は、ラジカルの解離度及びイオンエネルギーが独立に制御された状態で、ＲＩＥによるプラズマ処理を受けることが可能になる。
【０１２４】
図１１及び図１２は、本発明の第８の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示しており、図１１は縦縦断面構造を、図１２は横断面構造をそれぞれ示している。第８の実施形態は、第７の実施形態におけるプラズマ生成室１１の構造が異なっている点を除いては、第７の実施形態と同様であるので、同一の部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【０１２５】
図１１及び図１２に示すように、プラズマ生成室１１の外側には円筒状の絶縁体４１を介してリング状の導波管４２が設けられている。これにより、プラズマ生成室１１は真空状態で気密に保持される。また、該導波管４２には適所に結合口４３が形成されていると共に、図１２に示すように、導波管４２は、マイクロ波を伝搬させる導波路４４を介してマイクロ波発生器４５が接続されている。
【０１２６】
以下、第８の実施形態に係るプラズマ処理装置の動作について説明する。
【０１２７】
マイクロ波発生器４５において生成されたマイクロ波は、導波路４４を介して導波管４２に導入される。導波管４２に導入されたマイクロ波は、結合口４３を介してプラズマ生成室１１に伝搬し、気体導入手段１５からプラズマ生成室１１に導入された気体を励起してプラズマ生成室１１にプラズマを生成する。プラズマ生成室１１で生成されたプラズマはプラズマ輸送路１３を通ってプラズマ処理室１２に導入される。
【０１２８】
プラズマ生成室１１においてプラズマを均一に発生させることは、均一なプラズマ処理を行なうために重要であり、このために、導波管４２に均一にマイクロ波を導入する必要がある。そこで、マイクロ波発生器４５で発生したマイクロ波を複数に分割し、複数のマイクロ波を複数の導波路４４を介して導波管４２に導入することが好ましい。また、導波管４２を調整して、導波管４２内に定在波を発生させてもよい。いずれの場合でも、結合口４３はプラズマ生成室１１においてプラズマが均一に生成されるように、数、位置及び形状を最適化するが好ましい。
【０１２９】
前記の第１〜第７の実施形態においても、大口径プラズマを生成可能であるが、第８の実施形態によると、誘導結合プラズマではなく、マイクロ波プラズマを用いるので、一層大口径なプラズマを生成することができる。
【０１３０】
図１３は、本発明の第９の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示している。前記の第８の実施形態に係るプラズマ処理装置は大口径プラズマを生成可能であるが、第８の実施形態ではプラズマの大口径化には限界がある。そこで、第９の実施形態においては、１つのプラズマ処理室１２に対して複数個例えば４個のプラズマ生成室１１を接続するものである。各プラズマ生成室１１の構造は、図６に示したプラズマ生成室１１と同様であるので、詳細な説明は省略するが。各プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２とはプラズマ輸送路１３を介して連通しており、各プラズマ生成室１１において生成されたプラズマは各プラズマ輸送路１３を介してプラズマ処理室１２に導入される。
【０１３１】
以上、説明したように、本発明の各実施形態に係るプラズマ処理装置によると、プラズマ生成室１１とプラズマ処理室１２とは、互いに独立して設けられていると共に、連結部材１４に形成された真空保持可能なプラズマ輸送路１３により連通しているため、あらゆる種類のプラズマ源も採用可能である。
【０１３２】
従って、本発明においては、前記各実施形態において示したプラズマ源の他に、誘導結合プラズマ制御手段と磁場印加とを組み合わせたプラズマ生成手段、１／４波長アンテナや１／２波長アンテナ等のアンテナによる高周波輻射を用いたプラズマ生成手段、高周波回転電界を利用したプラズマ生成手段、マイクロ波スロットアンテナ等のアンテナ輻射を用いたＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）プラズマ生成手段、ＭＥＲＩＥ等の容量結合に磁場を印加したプラズマ生成手段、表面波による電力供給を利用した表面波プラズマ生成手段、荷電粒子ビーム励起又はレーザ等の光励起によるプラズマ生成手段、ホロー電極を用いたプラズマ生成手段、及び前記のいくつかの手段の組合せによるプラズマ生成手段が考えられ、本発明のプラズマ処理装置は、あらゆるタイプのプラズマ源においても実現可能であり、非常に汎用性が高い。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明に係るプラズマ処理装置によると、プラズマ源に印加される高周波電圧と被処理物に印加されるバイアス電圧との相互作用を回避できるため、プラズマ処理室に印加されるバイアス電圧を制御することにより、被処理物に到達するラジカルやイオンの種類若しくは量及びラジカルとイオンとのバランス等を、プラズマ生成室で生成されるプラズマの解離度に影響を及ぼすことなく制御することが可能になる。
【０１３４】
また、プラズマ処理室に導入されるプラズマの解離度をプラズマ生成室で生成されたときの解離度よりも低下させることができると共に、プラズマ輸送路の距離又は断面積を変更することによりプラズマの解離度の低下度合いを変化させることができるので、プラズマ処理室に導入されるプラズマの解離度を制御することが可能になる。
【０１３５】
また、プラズマ生成室におけるプラズマの生成条件及びプラズマ輸送路の構成を調整することにより、プラズマ処理室に供給されるプラズマ中のラジカルやイオンの種類及び量、各種ラジカルの生成比、各種イオンの生成比、ラジカルとイオンとの生成比を制御することができる。
【０１３６】
本発明に係るプラズマ処理装置が、被処理物保持手段に保持された被処理物に電圧を印加する電圧印加手段を備えていると、被処理物にバイアス電圧を印加することができるので、次にような効果が得られる。
【０１３７】
（１）プラズマ処理に寄与するプラズマの解離度、並びにラジカル、イオン及び電子の生成密度又は生成密度比を制御することができる。
【０１３８】
（２）プラズマ処理に寄与するプラズマ中に生成されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの生成比、各種イオンの生成比並びにラジカルとイオンとの生成比を制御することができる。
【０１３９】
（３）被処理物に供給されるラジカル及びイオンの種類と量、各種ラジカルの供給比、各種イオンの供給比、ラジカル、イオン及び電子の供給比率並びに被処理物に入射するイオンの運動エネルギーの制御が可能となる。
【０１４０】
（４）プラズマ源に印加される高周波電圧と被処理物に印加されるバイアス電圧とが相互作用しないため、プラズマ生成状態と被処理物に入射するイオンの運動エネルギーとを独立に制御することが可能となる。
【０１４１】
従って、高精度、高品質且つ安定したプラズマ処理が可能となる。
【０１４２】
本発明に係るプラズマ処理装置において、電圧印加手段が、被処理物保持手段に保持された被処理物に定電圧を印加する手段であると、被処理物にＤＣバイアス電位を印加できるため、被処理物に印加される定電圧とプラズマ電位との電位差を調整することにより、プラズマ処理室に存在するラジカルを被処理物に等方的に供給できると共に、印加定電圧とプラズマ電位との差に対応する加速エネルギーを得た正又は負のイオンを被処理物に照射することができる。
【０１４３】
本発明に係るプラズマ処理装置において、電圧印加手段が、被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電圧を印加する手段であると、被処理物にＲＦバイアス電位を印加できるため、プラズマ処理室にプラズマ源としての機能も兼ね備えさせることができる。印加される高周波電圧の周波数及び大きさに応じて、被処理物をプラズマ電位よりも負にバイアスでき、エネルギーを与えられたイオンを被処理物に照射できる。また、被処理物に高周波電圧が印加されるため、プラズマ処理室に輸送されたプラズマはプラズマ処理室において再励起されるので、非励起のガスを導入する場合に比べて、解離度の高いプラズマを生成できる。また、プラズマの組成を、プラズマ生成室、プラズマ輸送路及びプラズマ処理室の３ヶ所において制御できるので、プラズマ組成変化の自由度が拡大される。この場合、プラズマ生成室とプラズマ処理室とが互いに独立して設けられているため、プラズマ生成室又はプラズマ処理室に印加する高周波電圧を変化させても、高周波電圧同士が相互に影響し合うことはない。さらに、プラズマ処理室においてプラズマが再励起されることにより、プラズマ密度が向上するので、プラズマ処理速度の向上を図ることができる。
【０１４４】
本発明に係るプラズマ処理装置において、電圧印加手段が、被処理物保持手段に保持された被処理物に高周波電力及び低電圧を印加する手段であると、被処理物に高周波電圧及び定電圧が印加されるため、プラズマ処理室はＲＩＥ装置としての機能を持ち、プラズマ処理室はプラズマ源としての機能も兼ね備えることになる。また、高周波電圧により生じた被処理物の電位に定電圧を重畳することにより、被処理物の電位を変えることができるので、バイアスにより取り出す正負イオンの量、及び正負イオンのイオンエネルギーを所望のものに変えることができる。
【０１４５】
本発明に係るプラズマ処理装置が、プラズマ生成室とプラズマ処理室とを気密状態で連結する連結手段を備えていると、プラズマ処理室で行なうプラズマ処理に応じてプラズマ生成室を取り替えてプラズマ処理室に連結することができる。
【０１４６】
本発明に係るプラズマ処理装置において、連結手段はプラズマ生成室とプラズマ処理室との間に設けられた板状体であり、プラズマ輸送路は板状体に形成された開口部であると、プラズマ生成室とプラズマ処理室との連結が容易であると共に、プラズマ輸送路の距離及び断面積の調整が容易である。
【０１４７】
本発明に係るプラズマ処理装置において、連結手段としての板状体は被処理物と平行に設けられ、プラズマ輸送路は板状体に分散して形成された複数の開口部であると、プラズマ生成室で生成されたプラズマを被処理物に対して均一に供給することができる。
【０１４８】
本発明に係るプラズマ処理装置において、プラズマ生成室はプラズマ処理室の外側を囲むように設けられ、連結手段はプラズマ生成室とプラズマ処理室との間に設けられた筒状体であり、プラズマ輸送路は筒状体に形成された開口部であると、プラズマ生成室で生成されたプラズマをプラズマ処理室の周囲から導入することができる。
【０１４９】
本発明に係るプラズマ処理方法によると、プラズマ生成工程において生成された後、解離度が低下したプラズマによりプラズマ処理を行なうことができる。
【０１５０】
本発明に係るプラズマ処理方法において、プラズマ処理工程が、被処理物に対して低電圧を印加しつつ所定の処理を行なう工程を含むと、被処理物に印加される定電圧とプラズマ電位との電位差を調整することにより、被処理物にプラズマ処理室に存在するラジカルを等方的に供給できると共に、印加定電圧とプラズマ電位との差に対応する加速エネルギーを得た正又は負のイオンを被処理物に照射することができる。
【０１５１】
本発明に係るプラズマ処理方法において、プラズマ処理工程が、被処理物に対して高周波電圧を印加しつつ所定の処理を行なう工程を含むと、プラズマ処理工程において、エネルギーを与えられたイオンを被処理物に照射できると共に、プラズマ組成変化の自由度が拡大され、また、プラズマ密度が向上するので、プラズマ処理速度の向上を図ることができる。
【０１５２】
本発明に係るプラズマ処理方法において、プラズマ処理工程が、被処理物に対して高周波電圧及び低電圧を印加しつつ所定の処理を行なう工程を含むと、バイアスにより取り出す正負イオンの量、及び正負イオンのイオンエネルギーを所望のものに変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】前記第１の実施形態に係るプラズマ処理装置における連結部材を示し、（ａ）は（ｂ）におけるII−II線の断面図、（ｂ）は平面図である。
【図３】前記第１の実施形態に係るプラズマ処理装置により生成されたＣＦ4 プラズマの反応過程を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】前記第３の実施形態の変形例に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第７の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図であり、（ｂ）は前記第７の実施形態に係るプラズマ処理装置における区画部材の斜視図である。
【図１１】本発明の第８の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図１２】前記第８の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す横断面図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す斜視図である。
【図１４】従来のプラズマ処理装置の概略構成を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１１  プラズマ生成室
１２  プラズマ処理室
１３  プラズマ輸送路
１４  連結部材
１５  気体導入手段
１６  排気手段
１７  試料台
１８  絶縁体
１９  第１の高周波電源
２０  半導体ウェハ
２１  絶縁体
２２  誘導結合コイル
２３  第２の高周波電源
２５  定電圧源
２６  誘導結合コイル
２７  誘導結合コイル
３１  プラズマ導入部
３２  誘電体板
３３  導波管
３４  マイクロ波
３５  磁石
３６  磁石
３８  プラズマ発生部
３９  ヘリコンアンテナ
４０  マルチポール磁石
４１  絶縁体
４２  導波管
４３  結合口
４４  導波路
４５  マイクロ波発生器
【図１】
0003561080.tif 000002
【図２】
0003561080.tif 000003
【図３】
0003561080.tif 000004
【図４】
0003561080.tif 000005
【図５】
0003561080.tif 000006
【図６】
0003561080.tif 000007
【図７】
0003561080.tif 000008
【図８】
0003561080.tif 000009
【図９】
0003561080.tif 000010
【図１０】
0003561080.tif 000011
【図１１】
0003561080.tif 000012
【図１２】
0003561080.tif 000013
【図１３】
0003561080.tif 000014
【図１４】
0003561080.tif 000015