(57)【要約】【課題】処理の歩留まりを向上させたプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】真空容器内部の減圧された処理室内に処理対象のウエハを配置し、このウエハ上面に予め配置された処理対象の膜と反応性を有するガスを用いて前記処理室内に導入して前記膜上に吸着層を形成する第１の工程と、前記反応性を有するガスの供給を停止した状態で処理室内に残留する前記反応性を有するガスを排気する第２の工程と、前記処理室内に希ガスを導入して当該処理室内にプラズマを形成し当該プラズマ中の粒子及びこのプラズマから発生する真空紫外光を用いて前記吸着層と前記処理対象の膜との反応生成物を前記ウエハから脱離させる第３の工程と、前記プラズマを形成していない状態で前記反応生成物を前記処理室内から排気する第４の工程とを備えたプラズマ処理方法。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内部の減圧された処理室内に処理対象のウエハを配置し、このウエハ上面に予め配置された処理対象の膜と反応性を有するガスを用いて前記処理室内に導入して前記膜上に吸着層を形成する第１の工程と、前記反応性を有するガスの供給を停止した状態で処理室内に残留する前記反応性を有するガスを排気する第２の工程と、前記処理室内に希ガスを導入して当該処理室内にプラズマを形成し当該プラズマ中の粒子及びこのプラズマから発生する真空紫外光を用いて前記吸着層と前記処理対象の膜との反応生成物を前記ウエハから脱離させる第３の工程と、前記プラズマを形成していない状態で前記反応生成物を前記処理室内から排気する第４の工程とを備えたプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記反応性ガスから形成されたラジカルを前記処理対象の膜に吸着させて前記吸着層を形成する前記第１の工程を備えた請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
前記処理室と別の室内で形成された前記ラジカルを前記処理室内に供給して前記処理対象の膜に吸着させて前記吸着層を形成する前記第１の工程を備えた請求項２に記載のプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記第１の工程と前記第３の工程との各々において工程各々に適した温度に前記ウエハを調節する請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記第２の工程または前記第４の工程において、前記処理室内に希ガスを供給しつつ前記処理室内を排気する請求項１乃至４の何れかに記載のプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記第２の工程または前記第４の工程において供給される前記希ガスの流量が前記第３の工程において供給される前記希ガスの流量と異なる請求項５に記載のプラズマ処理方法。
【請求項７】
前記第２の工程または前記第４の工程において前記処理室内に配置されその上面に前記ウエハが配置される試料台の前記上面の高さを、前記前記第１の工程または前記第３の工程における前記試料台の上面の高さより高くする請求項１乃至６の何れかに記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空容器内の処理室内に戴置された半導体ウエハ等の基板状の試料をエッチング処理するプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の機能素子製品の微細化により，高アスペクト比化と同時に，デバイスを構成するゲート絶縁膜および層間膜等の薄膜化が進んでいる。また、半導体素子の微細化の限界を向かえ、三次元デバイスの開発が加速されている。
【０００３】
三次元デバイスの一つとして、例えば、Ｆｉｎ-ＦＥＴ（Ｆｉｎ-ｂａｓｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）構造のデバイスのゲート加工プロセスでは、Ｆｉｎの部分と基板部分の高さが異なる下地に対して、高選択比で原子層レベルでオーバーエッチング量を制御するエッチングする技術が必要とされている。また、ゲート絶縁膜およびスペーサ膜等の層間膜の薄膜化に伴って、半導体ウエハ面内を原子層レベルで均一に、且つ、被エッチング材料層以外の材料に対して高選択にエッチングする加工技術が要求されている。
【０００４】
また、デバイス構造の三次元化に伴って、マスク材料の下層にある被エッチング材料を等方的に原子層レベルで精度よくエッチング加工する技術も重要となっている。さらに、アスペクト比の高い微細パターンを作製する場合には、薬液を用いるＷＥＴによる洗浄や加工の工程において、リンス液を乾燥させる際の表面張力によるパターン倒壊が生じやすくなる。
【０００５】
例えばＳｉの高アスペクト比パターンを用いた場合には、パターン間隔を狭くしていった際に倒壊が始まるパターン間隔の限界値が、アスペクト比の２乗に比例して大きくなることが知られている。したがって、微細化・高アスペクト比化の進展にしたがって、今後パターン表面のＷＥＴ洗浄や加工工程におけるパターンが倒壊する虞が大きな問題になると想定される。
【０００６】
このような課題に対して、近年はガスやラジカルを吸着させた後に脱離させることにより従来のものよりも微小な厚さをエッチングする技術が開発されている。このような吸着脱離の技術は、先ず処理対象の膜構造が表面に配置されたウエハを配置した処理室内部に処理用のガス、ラジカル或いはベーパー等のエッチャントを供給してこれを被エッチング膜の表面に吸着させる（ステップ１）。次に、エッチャントを排気した（ステップ２）後、ウエハに低エネルギーのイオンや電子を照射あるいはウエハを加熱することによって、表面に吸着したエッチャントの膜と被エッチング膜の表面を反応させて形成された反応生成物を脱離させる（ステップ３）。その後に、反応生成物を処理室外に排気する（ステップ４）ものである。
【０００７】
さらに、この吸着と脱離との対の工程を１サイクルとして、これを求められる回数だけ繰り返し行うことで、処理対象の膜をエッチング処理する。このような技術によれば、従来の薬液を用いた技術と比較して処理の工程におけるパターン倒壊の問題が生起しない。また、吸着と脱離の１サイクルにおけるエッチング量が少なく一定であり、サイクルの繰り返し回数でエッチング量を制御することができるという効果が有る。
【０００８】
このような技術の例としては、例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．６，３０７２（１９９６）（非特許文献１）に記載されているように、被エッチング基板を反応性ガスに曝して被エッチング膜の表面に反応性ガスによるエッチャントを吸着させた後、不活性ガスプラズマによって生成されたイオンや電子、高速中性粒子を被エッチング基板に照射して、吸着した反応性ガスと被エッチング膜を反応させてその表面から脱離させ、これをチャンバ内から排気するものが知られていた。また、特開２０１４−７４３２号公報（特許文献１）に開示されているように、チャンバ内に処理対象の基板を配置した後このチャンバ内に反応ガスを供給してプラズマを形成してイオン化した反応剤を基板表面に吸着させる。その後、プラズマと基板との間の電位差を増大させてイオンエネルギーを調節して吸着させた反応剤による反応生成物をエッチングする技術が知られていた。
【０００９】
これらの従来技術におけるエッチング処理では、半導体ウエハ等の基板状の試料であるウエハを配置したチャンバ内に反応ガスを供給しこれを用いて形成したプラズマにより反応種を形成する、或いは反応ガスのベーパーを供給する等によりチャンバ内にエッチャントを供給してウエハ上面の膜構造の処理対象膜の表面にエッチャントを吸着させる（ステップ１）。次に、上記吸着しなかった反応ガスの反応種によって膜構造が悪影響を受けないように、残留するエッチャントと共にチャンバ内のガスを排気する（ステップ３）。その後、ウエハに相対的に低いエネルギーのイオンをエッチャントが吸着した膜の表面に照射して、エッチャントと処理対象の膜の材料とを反応させて形成した反応生成物を揮発（離脱）させる（ステップ３）。さらに、脱離した反応生成物の粒子がチャンバ内に再度付着して以後のウエハの処理に悪影響を及ぼさないように、反応生成物の粒子ととものチャンバ内を排気する（ステップ４）。
【００１０】
また、プラズマによる荷電粒子や中性粒子を被エッチング基板に照射する工程に換えて被エッチング基板を加熱して反応生成物を脱離させるものの例としては、例えば、特表２００６−５２３３７９号公報（特許文献２）に開示されているように、先ず基板を載せた基板ホルダの温度を１０℃以上５０℃以下に設定して、ＳｉＯ2膜上にＨＦガスとＮＨ3ガスからなるエッチャントを基板表面に吸着させた後、当該基板を１００℃以上２００℃以下に熱処理用チャンバ内で加熱して反応生成物を脱離させるものが知られていた。さらに、第一の温度で反応ガスを被エッチング材料に吸着させた後、ウエハ表面を第二の温度に加熱することによって、ウエハ表面の反応生成物を脱離させるエッチング処理が、特開２００５−２４４２４４号公報（特許文献３）、特開２００３−３４７２７８号公報（特許文献４）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１４−７４３２号公報
【特許文献２】特表２００６−５２３３７９号公報
【特許文献３】特開２００５−２４４２４４号公報
【特許文献４】特開２００３−３４７２７８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂ，Ｖｏｌ．１４，Ｎｏ．６，３０７２（１９９６）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来の技術では、次の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。
【００１４】
すなわち、密パターン、及び、高アスペクト比のホールや溝パターンを加工する場合には、当該パターンの上部及びパターン側壁の上部には、プラズマから誘引されて衝突するイオンの数が相対的に多く当該箇所にはエネルギーが供給されるためエッチングが進行するが、パターン側壁の下部や底部には到達するイオンが無いか相対的に少ないためエッチングが進行しないか進行の度合いが小さいものとなって、パターンの上下の部位でエッチングの速度が大きく異なってしまい所定の時間のエッチング加工後に所期の寸法が得られなくなってしまうという課題があった。また、同一のウエハ表面上に密度の異なる２種類以上のパターンが形成されている場合、密度が高いパターンの底部に照射されるウエハの単位面積当たりのイオンの数は、密度が低いパターンの底部に照射されるイオンの数よりも小さくなるため密度が高いパターンのエッチング速度が低下してしまい、ウエハの面内において加工後のパターンの寸法にばらつきが大きくなってしまうという問題があった。
【００１５】
また、パターン上部がパターン底部よりも寸法（例えば隣接する溝同士の間隔）が大きいパターンにおいて被エッチング材料を等方的にエッチングする場合、プラズマで生成されたイオンはウエハ表面に対して垂直方向に、ある角度分布を持って入射することになる。このため、このようなパターンにイオンを照射したときに影になる部分のエッチングができないという問題があった。
【００１６】
また、従来の技術では、イオンが照射される衝撃によって、被エッチング材料の膜がその上に配置される下地材料にダメージを与える場合があった。イオンの衝撃によるダメージが大き過ぎると、今日の微細な高集積化されたデバイスの性能を低下させてしまうことになる。さらに、このようなイオンの衝撃によって被エッチング材料の表面に損傷や凹凸による所謂荒れが形成されてしまうと、その後の吸着と離脱との処理のサイクルにおいて形成される吸着膜の厚さが大きくなってしまい、このようなサイクルの実施数の増大とともに、エッチレートが増大しエッチングの精度が低下するという問題があった。
【００１７】
さらに、上記従来の技術では、一回のエッチングサイクルに非常に長い時間がかかるという問題があった。特に、ステップ２及びステップ４において処理に悪影響を与える虞の有るガスや粒子をチャンバ外に排気するために要する時間が長くなり、処理のスループットを損なってしまうという問題があった。また、ウエハを加熱して昇温し吸着した反応種と被エッチング材料２の表面とを反応させる特許文献３，４の技術では、反応種を吸着させるステップと離脱させるステップとで適した温度が異なる場合にはこれらのステップ毎にウエハの温度を変化させることが必要となり、このようなウエハの温度を変化させる時間が長いとスループットが損なわれるという問題があった。
【００１８】
例えば、特許文献２では、反応種を基板上面に吸着させる化学的処理チャンバと、基板を加熱して反応種を基板から離脱させる熱処理チャンバとを備えたものが開示されている。吸着させる反応種を供給する反応ガスとしてはＮＨ３やＨＦが用いられる。
【００１９】
一つの処理室内の一つのウエハステージ上で吸着と脱離との両方を行う場合にはサイクルの回数だけウエハステージを吸着に適した室温）と脱離に適した１００℃以上２００℃以下の所定の温度（例えば１２０℃）との２つの温度にする必要があり、ウエハの温度とステージの温度との両方を調整しなくてはならず温度の調整に要する時間が長くなってしまい処理のスループットが著しく損なわれてしまう。また、反応ガスを用いて基板に反応種を吸着させる工程の後も処理室の壁等に反応ガスが残留してしまい、基板を同じ処理室を加熱するとその上面の処理対象の膜と反応してしまい加工後の形状が所期のものと異なってしまう。そこで、特許文献２では２つの処理を各々で実施する２つ処理室を備えている。
【００２０】
この従来技術では、化学的処理チャンバにおいて基板の温度は約１０℃から３０℃の範囲に、或いは約２５℃から３０℃となるように調整される。基板がこのような温度にされた状態で反応ガスとして化学的処理チャンバに供給されたＨＦ及びＮＨ3のガスから形成される反応種が基板の上面に吸着する。このような反応種は吸着した材料の膜と化学反応を生起して反応生成物、例えば（ＮＨ4）2ＳｉＦ6が生成される。
【００２１】
化学的処理チャンバには吸着しなかった反応種を含む反応ガスが残留しているのでこれを真空ポンプで排気しつつ、希ガス等の不活性なガスを処理チャンバ内に導入して当該チャンバ内のガスを入れ替えて反応ガスによる基板への作用が進行しないようにする。この後、基板は熱処理チャンバに搬送されて加熱用の基板ホルダ上に戴置される。
【００２２】
基板は約１００℃から２００℃あるいは約１００℃から５０℃の範囲の温度に調節され、反応生成物を基板の表面から脱離させる。表面から脱離した反応生成物は真空ポンプによりチャンバ内から排気される。
【００２３】
本従来技術では、このような吸着、排気、脱離、排気の工程を１サイクルとして、このサイクルを繰り返すことでエッチング処理を実施するものである。しかし、吸着と脱離の工程の後の排気の工程に長い時間を要してしまい、さらに、吸着及び脱離で異なる基板の温度を実現するため工程の開始前に温度を変化させるため長い時間を要してしまう。さらに、２つの処理室間で基板を移動させる時間を要するため、処理のスループットが損なわれるという問題があった。
【００２４】
上記のように、従来の技術では、処理の対象の膜構造のマスクパターンの粗密や形状に影響を受けて処理の結果として得られる加工後の寸法が大きく変化してしまいエッチング処理の精度が損なわれてしまうという問題が生じていた。また、基板の温度を変化させる時間が長く要し処理のスループットが損なわれてしまうという課題があった。
【００２５】
さらには、今日の微細で高集積化された半導体デバイスを製造する工程において基板の温度を何度も昇降させることによって材料やパターンに損傷を与えてしまったり、加工後のデバイスの性能を低下させてしまったりする虞が有った。このような問題によって基板の処理の歩留まりが損なわれてしまうという問題について、上記従来技術では考慮されていなかった。
【００２６】
本発明の目的は、歩留まりを向上させたプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
発明者らは、処理室内に配置した基板上の被エッチング材料表面に反応ガスから得られる反応種を吸着させた後、処理室内で希ガスを用いたプラズマを生成し、これにより形成された真空紫外光及びメタステーブル原子を反応種が吸着した被エッチング材料の表面に照射して反応生成物を脱離させることによって、パターンの粗密や形状によって加工の精度が変化することが抑制され、スループットや歩留まりが損なわれることが抑制されるという知見を得た。
【００２８】
より具体的には、上記目的は、真空容器内部の減圧された処理室内に処理対象のウエハを配置し、このウエハ上面に予め配置された処理対象の膜と反応性を有するガスを用いて前記処理室内に導入して前記膜上に吸着層を形成する第１の工程と、前記反応性を有するガスの供給を停止した状態で処理室内に残留する前記反応性を有するガスを排気する第２の工程と、前記処理室内に希ガスを導入して当該処理室内にプラズマを形成し当該プラズマ中の粒子及びこのプラズマから発生する真空紫外光を用いて前記吸着層と前記処理対象の膜との反応生成物を前記ウエハから脱離させる第３の工程と、前記プラズマを形成していない状態で前記反応生成物を前記処理室内から排気する第４の工程とを備えたプラズマ処理方法により達成される。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の手段によれば、真空紫外光、及び、メタステーブル原子を被エッチング材料に照射して、吸着膜と被エッチング材料が反応するためのエネルギーを効率良く与えることができるようになり、被エッチング材料表面から反応生成物を脱離させることができるようになった。このとき、被エッチングウエハのパターンに粗密差がある場合や、高アスペクト比のパターンがある場合、あるいは、パターン上面よりも被エッチング材料の方が内側にある場合でも形状によらず、複雑なパターンを高スループットで高精度にエッチングすることが可能となった。また、反応生成物の脱離工程でウエハ温度を高温にする必要がなくなり、吸着過程と脱離過程でのウエハ温度の上下変動が小さくなるため、エッチング処理時間が短くなり、ウエハ処理のスループットが高くなる。また、イオン照射やウエハを高温に加熱する必要がなくなるため、エッチング処理によるダメージがなくなり、デバイス特性を向上させることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例が対象とする試料の表面に配置された膜構造のパターンの例を模式的に示す縦断面図である。
【図２】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の処理の動作の流れを示すフローチャートである。
【図３】図２に示す実施例に係る処理が実施される試料の膜構造の当該処理の進行に伴う変化を模式的に示す縦断面図である。
【図４】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図５】図４に示す実施例に係るプラズマ処理装置の処理対象膜を除去する処理の動作の流れを示すタイムチャートである。
【図６】図４に示す実施例に係るエッチング処理装置の変形例の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【図７】図６に示す実施例に係るプラズマ処理装置の処理対象膜を除去する処理の動作の流れを示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全ての図において、同一の機能を有するものは同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００３２】
まず、図１に、本発明がその処理の対象とする試料の表面に配置された膜構造のパターンを模式的に示す。図１（ａ）に示すようにパターン７の密度が低くアスペクト比が低いものでは、上記の従来技術のステップ３において、低いエネルギーであってもパターン底８にプラズマからのイオン５が到達するため、これらが有するイオンエネルギーによってエッチャント３と被エッチング材料２表面とが反応して反応生成物が形成され、これがパターン底８表面から離脱することでパターン７をマスクに沿った所期の寸法にエッチングすることができる。
【００３３】
しかし、図１（ｂ）に示すような密パターン、及び、高アスペクト比のホールや溝パターンを加工する場合には、当該パターン７の上部９及びパターン側壁の上部１０には、衝突するイオン５の数が相対的に多く当該箇所にはエネルギーが供給されるためエッチングが進行するが、パターン側壁の下部１１や底部１２には到達するイオン５が無いか相対的に少ないためエッチングが進行しないか進行の度合いが小さいものとなって、パターン７の上下の部位でエッチングの速度が大きく異なってしまい所定の時間のエッチング加工後に所期の寸法が得られなくなってしまうという課題があった。また、同一のウエハ表面上に密度の異なる２種類以上のパターンが形成されている場合、密度が高いパターンの底部１２に照射されるウエハの単位面積当たりのイオンの数は、密度が低いパターンの底部８に照射されるイオンの数よりも小さくなるため密度が高いパターンのエッチング速度が低下してしまい、ウエハの面内において加工後のパターンの寸法にばらつきが大きくなってしまうという問題があった。
【００３４】
また、図１（ｃ）に示すように、パターン上部９がパターン底部８よりも大きいパターンにおいて被エッチング材料２を等方的にエッチングする場合、プラズマで生成されたイオンはウエハ１表面に対して垂直方向に、ある角度分布を持って入射することになる。このため、パターン７にイオン５を照射したときに影になる部分１３のエッチングができないという問題があった。
【００３５】
発明者らは、処理室内に配置した基板上の被エッチング材料表面に反応ガスから得られる反応種を吸着させた後、処理室内で希ガスを用いたプラズマを生成し、これにより形成された真空紫外光及びメタステーブル原子を反応種が吸着した被エッチング材料の表面に照射して反応生成物を脱離させることによって、上記の問題を解決して、パターンの粗密や形状によって加工の精度が変化することが抑制され、スループットや歩留まりが損なわれることが抑制されるという知見を得た。本実施の形態に示される発明は、上記の知見に基づいて想起されたものである。
【実施例】
【００３６】
本発明の実施例を以下、図２乃至４を用いて説明する。図２は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の処理の動作の流れを示すフローチャートである。図３は、図２に示す実施例に係る処理が実施される試料の膜構造の当該処理の進行に伴う変化を模式的に示す縦断面図である。図３は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。
【００３７】
図４は、本実施例に係るプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置、特にはエッチング処理装置の構成の例である。本例において、エッチング処理装置２６は、真空容器の内部に配置されプラズマ２２が形成される空間である減圧された処理室２７と、この処理室２７内でその下方に配置されたウエハステージ２８と、真空容器と連結され処理用のガスや希ガスのガス源であるガスボンベ２９及びこれに連結されたガス供給用の経路であるガスパイプ並びに当該経路上に配置されてガスの流れの開閉や流量を調節するバルブ３０とを備えたガス供給手段とを備えている。さらに、真空容器の下方には、ウエハステージ２８上面の下方に配置された排気口を通して処理室２７と連通され可変コンダクタンスバルブ３６、真空ポンプ３７を備えて処理室２７を排気する排気装置が真空容器に連結されて配置されている。
【００３８】
円筒形を有した処理室２７の周囲を囲む真空容器の円筒形部分に外周側には処理室２７及び真空容器の側壁を囲んで巻かれた螺旋状のコイル３３及びコイル３３と真空容器側壁との間で当該真空容器側壁を囲んで配置され所定の電位にされた導体製のシールド電極３９が配置されている。コイル３３の一端側の部分は電気的に接地され他端側は所定の周波数の高周波電力を当該コイル３３に供給する高周波電源３２と電気的に接続されている。また、本実施例ではシールド電極はファラデーシールドの作用を奏するものであり接地電位にされている。
【００３９】
本実施例では、ガス供給手段は異なる種類のガスの複数のガス源と供給用の経路とを備えて、これらが真空容器と連結されており、各々の供給用の経路にガスボンベ２９から供給されるガスはバルブ３０によりその流量を調節されて真空容器内の処理室２７内に供給される。本実施例では、処理室２７の上方で真空容器と連結されウエハステージ２８の上面であってウエハ１が載せられる載置面の上方に配置された処理室２７の天井面を構成するシャワープレートの中央部の複数の貫通孔を通して処理室２７内に下向きにガスが導入される経路と、別の異なる複数のガスボンベ２９と連結された経路であって真空容器の側壁と連結されてウエハステージ２８の上面の上方の処理室２７の円筒形の内側壁面に配置されたガス供給口３５と連通した経路とから横向き（図上ウエハステージ２８の左側から右向き）にガスが導入される経路とを備えている。
【００４０】
本実施例では、これらの経路を有するガス供給手段により、被処理膜２に吸着させる反応種を含む反応性ガス１６または真空紫外光２４やメタステーブル原子２５を発生させるための希ガス３１を処理室２７に導入することが可能である。これらの反応性ガス１６及び希ガス３１を含む処理用のガスは、処理室２７上方の円形のシャワープレートの中央部のガス導入孔を通して処理室２７内に下向きに供給される。シャワープレートに換えて処理室２７内側であってウエハステージ２８の上面上方に配置されガスの供給経路と連通され複数のガス導入用の貫通孔を有したドーナツ状の導入管を用いることも可能である。
【００４１】
処理室２７内に導入された反応性ガス１６または希ガス３１の原子または分子は、高周波電源３２から螺旋状コイル３３に供給された高周波電力により処理室２７内に形成された電界によって励起されプラズマ２２が形成される。この際に上記原子または分子は活性化されてラジカル２０を生じ、これらのラジカル２０の粒子は下方のウエハ１の表面に到達して予め形成された膜構造の被処理膜２の表面に吸着して層を構成し吸着層２１を形成する。高周波電源３２の周波数は４００ｋＨｚから４０ＭＨｚの間で適宜選択することができるが、本実施例では１３．５６ＭＨｚが用いられる。
【００４２】
プラズマ２２内にはラジカル２０だけでなくイオンや電子等の荷電粒子が含まれている。イオンがウエハ１上面の被処理膜２に多く到達してしまうと吸着膜２１を所期の厚さにすることが妨げられる。これを抑制するために、ウエハ１上面の上方であってプラズマ２２が形成される処理室２７内の空間とウエハ１との間にフィルタ３４を設置しても良い。本例のフィルタ３４は、処理室２７内の荷電粒子がウエハ１方向に降下することを抑制しつつラジカル２０は通過させるためのもので、石英等の誘電体製で構成された板状の部材であってラジカルが透過する貫通孔の複数がウエハ１の中央部上方に配置されている。
【００４３】
一方で、反応性ガス１６によってプラズマ２２を生成して形成したラジカル２０を反応性ガス１６を被処理膜２に吸着させずに、処理室２７内に導入した反応性ガス１６を直接的にウエハ１上面の被処理膜２に吸着させることもできる。この場合には、反応性ガス１６のガス供給口３５を高さ方向について、処理室２７上方のシャワープレートの中央部のガス導入孔から処理室２７内に導入される希ガスを用いて生成されるプラズマ２２が発生する空間とウエハ１上面の間の位置に配置して、反応性ガス１６をガス供給口３５から貫通孔を通して直接的にウエハ１の上面に供給することができる。図４の例では、ガス供給口３５はフィルタ３４の上方に位置している。
【００４４】
ガス供給手段と連通したシャワープレートのガス導入孔を通して処理室２７内に導入された希ガス３１は、コイル３３に供給された高周波電源３２からの高周波電力により励起されて希ガスプラズマ２３を生成し、当該希ガスプラズマ２３は、処理室２７内に真空紫外光２４及びメタステーブル原子２５を発生する。
【００４５】
メタステーブル原子２５は処理室２７を拡散し、ウエハ１表面に到達する。メタステーブル原子２５は指向性が無いため、高アスペクト比のパターン底１２にも到達して、反応エネルギーを与えることができる。希ガスプラズマ２３から発生した真空紫外光２４の一部はウエハ表面に到達し、反応エネルギーを与えることができる。
【００４６】
また、本処理室２７の圧力は、処理室２７に接続された可変コンダクタンスバルブ３６と真空ポンプ３７により、所望の流量の処理ガスを流した状態で、一定に保つことができる。また、ウエハステージ２８には加熱冷却機構を設けることも可能であり、例えば、ウエハ温度を０〜５０℃に制御することが可能な構成となっている。本実施例では、ウエハステージ２８の内部の円筒形の金属製の部材内には冷媒流路３８が具備されており、内部を流れる冷媒が金属製の部材から受けた熱を図示しないウエハステージ２８外部に配置された熱交換器に放熱することによりウエハ１の温度を３０℃以下に冷却することができる。
【００４７】
本実施例では、このようなエッチング処理装置２６において処理室２７内のウエハステージ２８上に載せられたウエハ１をエッチング処理する場合について、図２，５を用いて処理対象の基板状の試料であるシリコン製のウエハ１上面に溝状のポリシリコンによるパターン７が形成された表面に被エッチング材料の被処理膜２であるＳｉ３Ｎ４の薄膜が形成されている場合に、下地であるポリシリコンのパターン７を削らないようにしつつ被処理膜２をエッチングする処理について説明する。
【００４８】
まず、図３（ａ）において、被処理膜２を含むパターンを形成したウエハ１が内部に配置された処理室内に被処理膜２を構成する材料であるＳｉ3Ｎ4と反応性のある反応性ガスやラジカル２０、あるいはベーパーなどのエッチャントを供給して被処理膜２の表面に吸着膜２１を形成させる（図２のステップ２０１）。本実施例では、処理室内にＣＨＦ3ガスを供給してこれを用いて形成したプラズマ２２から発生したラジカル２０等を被処理膜２及びパターン７表面上に吸着させて吸着層２１を形成する。反応性ガスやラジカル２０、ベーパー等のエッチャントは被エッチングパターン７に凹凸がある場合でも、等方的に吸着膜２１を形成することができる。
【００４９】
通常、エッチャントのうち一部のみが吸着膜２１を形成することになりので、このままでは残りのものは処理室２７内に滞留することになる。そこで、図３（ｂ）において、このような残留した反応性ガス４やラジカル２０等エッチャントによって被処理膜２が不要なエッチングを施されないように、可変コンダクタンスバルブ３６を全開にしてコンダクタンスを最低にし、できるだけ短時間で排気してウエハ上面に残留した反応性ガス４、及び、ラジカル２０を処理室２７外に排気する（同ステップ２０２）。
【００５０】
この際、反応性ガス４と別の種類の物質または組成を有したガスを導入してこれと残留ガスとが置換されるようにしても良い。本実施例ではステップ２０２及びこの次のステップ２０３では処理室２７内に希ガスのみが供給される。
【００５１】
次に、図３（ｃ）に示されるように、処理室２７内に供給した希ガスにより当該処理室２７内に希ガスプラズマ２３を生成する。これにより生成された真空紫外光２４が被処理膜２表面に照射される（同ステップ２０３）。
【００５２】
また、希ガスプラズマ２３内に形成されるメタステーブル原子２５は下方のウエハ１上の被処理膜２表面に到達し、吸着膜と２１被処理膜２表面とを反応させて反応生成物６を形成させる。
【００５３】
ウエハ１の温度は、このような反応生成物６が揮発するのに適した値の範囲内に調節されており、反応生成物６はウエハ１上方に脱離（遊離）する。この際、真空紫外光２４はパターン７表面に効率良くエネルギーを与えることができるので、ウエハ全体の温度を上げることなく、吸着膜２１と被処理膜２表面とを反応させて反応生成物６を脱離させることができる。
【００５４】
また、メタステーブル原子２５は寿命が長く且つ上方のプラズマ２３からパターン７に指向性なく照射することができるので、凹凸の激しいウエハ１や図１のようにパターン上部９よりも下部の方が広がっている場合でも、下部やパターン底８の被処理膜２表面に到達し、吸着膜２１と被処理膜２表面の材料とを反応させるためのエネルギーを与えることができる。また、メタステーブル原子２５は被処理膜２表面に到達すると直ちに、被エッチング膜２の表面にエネルギーを放出するため、効率良く吸着膜２１と被処理膜２とを反応させて被処理膜２をエッチングすることが可能となる。
【００５５】
ステップ２０３の脱離の工程を開始して所定の時間が経過した後、コイル３３に供給される高周波電力が停止されプラズマ２３が消火され脱離の工程が終了される。その後、図３（ｄ）に示すように、処理室２７内をプラズマ２３が形成される条件より高い真空度までできるだけ短時間で排気してウエハ１の表面から脱離した反応生成物６を排気する（同ステップ２０４）。この際、処理室２７内に希ガスを導入して反応生成物６を含む処理室２７内のガスと置換するようにしても良い。
【００５６】
本実施例では、上記ステップ２０１の吸着からステップ２０３の脱離を経てステップ２０４の排気までの複数の工程を１サイクルとし、このサイクルの実施回数を計数して記憶しておき必要な回数に達するまで繰り返して実施して所望の膜厚まで被処理膜２をエッチング除去する。図２のステップ２０５に示されるように、ステップ２０４の後に所定のサイクルの回数に達したか否かが判定され、達したと判定された場合には当該処理を終了する。達していないと判定された場合には、ステップ２０１に戻り再度のエッチング処理が実施される。
【００５７】
次に、図５を用いて、上記図４に示す実施例に係るプラズマ処理装置が図２，５に示す被処理膜２を除去するエッチング処理を実施した際の動作の流れを説明する。図５は、図４に示す実施例に係るプラズマ処理装置の処理対象膜を除去する処理の動作の流れを示すタイムチャートである。
【００５８】
本実施例では、被処理膜２のエッチング処理の条件のパラメータとして、例えば、吸着膜２１を形成するための反応性ガス１６の流量４０、真空紫外光２４及びメタステーブル原子２５を発生させるための希ガス３１の流量４１、希ガスプラズマ２３を発生させるための高周波電源３２の電圧４２、処理室２７内の圧力４３、ウエハ１の温度４４、処理室２７の内壁に反応性ガス１６及び反応生成物６の粒子が吸着することを抑制するためにシールド電極３９に供給される電圧４５が挙げられる。図５に示されるように、上記のパラメータの値は、図２のフローチャートの各ステップに応じて調節される。
【００５９】
まず、ウエハ１が処理室２７内に導入されウエハステージ２８上に戴置され、処理室２７内が密封される。その後に、可変コンダクタンスバルブ３６の開度の調節により排気の流量が調節されつつ真空ポンプ３７の動作によって処理室２７内部が排気される。
【００６０】
この状態で、ウエハ温度４４は反応性ガス１６を吸着するために設定した値となるように調節が開始される。ステップ２０１の開始前に開始されるウエハ温度４４の調節は、ウエハステージ２８の温度を調整することによって行っても良いし、処理室２７の上方または側方に配置された図示しないランプを用いた輻射による加熱を行っても良い。或いは、レーザー光をウエハ１表面に照射しても良い。
【００６１】
ウエハ１の温度またはウエハステージ２８の温度が所定の範囲内の値になったことが図示しない温度センサにより検知されると、被処理膜２の表面に吸着膜２１を形成させる工程（ステップ２０１）が実施される。この工程においては、被処理膜２と反応性を持つ反応性ガス１６がガス供給手段により処理室２７内に導入されつつ、処理室２７内が真空ポンプ３７の動作により排気され、これらのバランスにより処理室２７の圧力４３がステップ２０２の処理に適した範囲の所定値に調節される。
【００６２】
さらに、高周波電源３２からコイル３３に所定の電圧４２で高周波電極が供給され、処理室２７に導入された反応性ガス１６が励起されてプラズマ２２が生成され、反応性ガスの粒子の一部は活性化されてラジカル２０が生成される。相対的に高いエネルギーを有するラジカル２０は処理室２７内を拡散してウエハ１の表面に到達しパターン７の被処理膜２の表面に吸着膜２１を形成する。
【００６３】
このとき、プラズマ２２から発生したイオン等荷電粒子を取り除くために、ウエハ１上面と処理室２７のプラズマ２２が形成される空間との間にフィルタ３４を設置しても良い。さらに、反応性ガス１６の粒子が円筒形の処理室２７の内壁面等に吸着するのを防ぐために、処理室２７の外周に設置したシールド電極３９にこれに電気的に接続された直流電源から電圧４５を与えることもできる。
【００６４】
本実施例では、Ｓｉ3Ｎ4膜をエッチングする反応性ガスとして、ＣＨＦ3ガスとＯ２ガスを混合したガスを用いた。反応性ガスはプラズマによって解離されて、ＣＨＦｘ、ＣＦｘ、Ｈ、Ｏ、Ｆ等のラジカルを生じ、被エッチング材料上に均一に、Ｃ、Ｈ、Ｆ、Ｏの元素からなる吸着層を形成した。
【００６５】
使用する反応性ガス１６の種類は、エッチング処理を行うパターンに応じて適宜選択される。例えば、ＳｉＯ2膜やＳｉＯＮ膜やＳｉ3Ｎ4をエッチングする場合には、フッ素を含有するガスと酸素を含有するガスの組み合わせ、あるいは、水素を含有するガスとフッ素を含有するガスの組合せを用いて、ガスの混合比を変化させて、他の膜種との選択比が高くなるように混合比が決められる。
【００６６】
水素を含有するガスの例としては、無水ＨＦ，Ｈ2、ＮＨ3、ＣＨ4，ＣＨ3Ｆ，ＣＨ2Ｆ2などが挙げられる。また、フッ素を含有するガスの例としては、ＮＦ3，ＣＨ4，ＳＦ6，ＣＨＦ3，ＣＨ2Ｆ2，ＣＨ3Ｆ、無水ＨＦなどが挙げられる。また、水素を含有するガスと、フッ素を含有するガスに、ＡｒやＨｅ，Ｘｅ，Ｎ2などの不活性ガスを加えることで適宜希釈することも可能である。
【００６７】
また、Ｓｉ3Ｎ4膜をエッチングする場合には、上記のように水素を含有するガスとフッ素を含有するガスの組合せに加えて、窒素と酸素とフッ素を含有する混合ガスを用いる。窒素を含有するガスの例としては、Ｎ2，ＮＯ，Ｎ2Ｏ、ＮＯ2，Ｎ2Ｏ5などがある。
【００６８】
酸素を含有するガスの例としては、Ｏ2，ＣＯ2，Ｈ2Ｏ，ＮＯ，Ｎ2Ｏなどがある。また、Ｓｉ膜をエッチングする場合には、塩素を含有するガスと酸素を含有するガスの組み合わせ、あるいは、臭化水素（ＨＢｒ）と酸素、及び、窒素を含有するガスの組み合わせが考えられる。塩素を含有するガスの例として、Ｃｌ2、ＢＣｌ3等が挙げられる。
【００６９】
ステップ２０１の工程の開始後に吸着膜２１を形成するために設定された処理時間が経過した後は、バルブ３０による反応性ガス１６の供給が停止されコイル３３への高周波電源からの電力が停止されて電圧４２が０にされる。さらにシールド電極３９に供給される直流電圧もより低い値にされる。
【００７０】
次に、真空ポンプ３７の動作により、処理室２７内がステップ２０１より低い圧力値まで排気される（ステップ２０２）。この際に、可変コンダクタンスバルブ３６の開度は、ステップ２０２におけるものより大きくされ、出来るだけ短時間で排気される。この高速排気により、ウエハ１上に吸着しないで処理室２７内に残留する反応性ガス１６は、可変コンダクタンスバルブ３６を介した排気の経路でのコンダクタンスが最小にされ排気される。
【００７１】
この工程において、ステップ４で真空紫外光２４とメタステーブル原子２５を生成するために使用する希ガス３１の処理室２７への導入を開始する。希ガス流量４１はステップ２０３で供給される希ガス３１の流量よりも大きな値にして処理室２７に供給することにより、この処理室２７内の希ガス３１の流れを利用して効率良く残留する反応性ガス１６を排気することができる。
【００７２】
また、ガス供給手段から供給されたガスの流れを制御することによって残留するガスを効率的に真空ポンプ３７に輸送し排気することができる。ガスの流れを制御する手段として、例えば円盤状のシャワープレートや、ドーナツ状の導入管を用いて、ウエハ中心部から外周部へとガス流れを制御することも可能である。
【００７３】
処理室２７の高速の排気が所定の時間だけ実施された後に、吸着膜２１を被処理膜２と反応させてウエハ１表面から脱離させるステップ２０３が実施される。について述べる。まず、ウエハ１の温度を予め設定したウエハ温度４４となるように調節が行われる。本実施例では、このステップ２０３でのウエハ温度４４の設定値Ｔ３は、ステップ２０２のウエハ温度４４の設定温度Ｔ２との差が小さいため、ウエハ１を設定値Ｔ３への調節は短時間で実施できる。
【００７４】
次に、真空紫外光２４とメタステーブル原子２５を発生させる希ガスプラズマ２３を形成するための希ガス３１流量４１を希ガスプラズマ２３の形成に適した値に調整される。導入された希ガス３１は高周波電源３２からコイル３３に電圧４２で供給される高周波電力により形成される電界により励起され、希ガスプラズマ２３が処理室２７内に形成される。この希ガスプラズマ２３から真空紫外光２４とメタステーブル原子２５とが生成される。本実施例では高周波電力の電圧４２の値は、ステップ２０１のものより大きくされている。
【００７５】
真空紫外光２４はウエハ１の表面に放射されメタステーブル原子２５は拡散してウエハ１の表面に到達して、反応と脱離のためのエネルギーを吸着膜２１に与える。特に、メタステーブル原子２５は指向性が無いため、高アスペクト比のパターン７のパターン底１２にも到達でき反応と脱離に必要なエネルギーを与えることができる。
【００７６】
また、真空紫外光２４は無指向でウエハ１の表面のパターン７に到達し、パターン７の吸着膜２１の表面に効率良く反応と脱離に必要なエネルギーを与えることができる。例えば、希ガスとしてＡｒを使用した場合、波長１０４．８ｎｍ、１０６．６ｎｍ等の真空紫外光を照射できる。
【００７７】
真空紫外光２４はエネルギー換算すると、１１．８ｅＶ、及び、１１．６ｅＶである。希ガスとしてＡｒを使用した場合、真空紫外光を発生すると同時に、１１．７ｅＶと１１．５ｅＶの励起エネルギーを持つメタステーブル原子２５を発生させることができる。
【００７８】
希ガスとしてＮｅを使用した場合、波長７３．６ｎｍ，７４．４ｎｍ等の真空紫外光２４を照射できる。この真空紫外光２４はエネルギー換算すると、１６．９ｅＶ及び１６．７ｅＶである。希ガスとしてＮｅを使用した場合、真空紫外光２４を発生すると同時に１６．６ｅＶと１６．７ｅＶとの励起エネルギーを持つメタステーブル原子２５が発生する。
【００７９】
また、希ガスとしてＨｅを使用した場合、波長５８．４ｎｍ等の真空紫外光２４を照射できる。この真空紫外光２４はエネルギー換算すると、２１．２ｅＶである。希ガスとしてＨｅを使用した場合、真空紫外光２４を発生すると同時に、１９．８ｅＶと２０．６ｅＶの励起エネルギーを持つメタステーブル原子２５を発生させることができる。
【００８０】
希ガスとしてＸｅを使用した場合、波長１４６．９ｎｍ等の真空紫外光２４を照射できる。この真空紫外光２４はエネルギー換算すると、８．４ｅＶである。希ガスとしてＸｅを使用した場合、真空紫外光２４を発生すると同時に、８．５ｅＶの励起エネルギーを持つメタステーブル原子２５を発生させることができる。このような真空紫外光２４を用いれば、反応生成物６の生成に必要な、結合エネルギー以上の光エネルギーを与えることができる。
【００８１】
さらに、反応生成物とウエハ１表面との結合を切断し、反応生成物６を効率的に表面から脱離させることができる。例えば、Ｓｉ3Ｎ4をエッチングする場合、少なくとも、ＳｉとＮ結合エネルギーの４．８ｅＶよりも大きなエネルギーを持つ真空紫外光２４及びメタステーブル原子２５を照射することによって、反応性生物６を効率的に生成し脱離させることができる。
【００８２】
ステップ２０３において、シールド電極３９の電圧４５は、処理室２７内壁への反応生成物６の付着を抑制できるように、ステップ２０１と同様に所定の値にされている。本実施例ではステップ２０３の工程は予め定められた時間だけ継続して希ガスプラズマ２３が形成された後、コイル３３への高周波電力の供給が停止され希ガスプラズマ２３の形成が停止される。
【００８３】
ステップ２０３で反応生成物６がウエハ１の表面から脱離した後、希ガスプラズマ２３を発生させるために供給していた高周波電源電圧４２を停止する。さらに、シールド電極３９の電圧もステップ２０２と同様の値にされる。こお状態で、処理室２７に残留する反応生成物６及び希ガス３１は可変コンダクタンスバルブ３６の開度がそのコンダクタンスが最小となるようにされて真空ポンプ３７の動作によって高速に排気される（ステップ４）。
【００８４】
この際、処理室２７に供給される希ガス３１のガス流量４１をステップ２０３でのものよりも大きな値にして、希ガス３１の処理室２７内の流れを利用して効率良く反応生成物６やステップ２０３中に供給された希ガスを排気する。ガス供給手段から供給されたガス流を制御することによって反応生成物６を効率的に真空ポンプ３７に輸送して排気することができる。
【００８５】
その後、次のサイクルの実施の要否が判定され（ステップ２０５）、次のサイクルを実施することが必要と判定された場合には、当該次のサイクルのステップ２０１において反応性ガス１６等のエッチャントを吸着するために設定したウエハ温度４４への調節が開始される。本実施例でのステップ２０１でのウエハ温度の設定値Ｔ１は、ステップ２０３のウエハ温度の設定値Ｔ３との差が小さく温度の調整に要する時間は１分以内で十分実施できる。
【００８６】
以上説明したサイクルを必要と認められる回数だけ繰り返すことによって、複雑なパターンを高精度にエッチングすることが可能となった。また、ステップ２０２，２０４においては、排気の時間が従来のものより短縮されることスループットが向上する。
【００８７】
本実施例では、図１（ｂ）に示すような高密度で高いアスペクト比のホールや溝を有したパターン７の加工する場合でも、希ガスプラズマ２３から発生したメタステーブル原子２５がパターン側壁の下部１１やパターンの底部１２に到達し、反応生成物６を生成して脱離するためのエネルギーが与えられて、精度良くエッチングできるようになった。また、同じウエハ上に図１（ａ），（ｂ）のようなパターン幅やアスペクト比の大きさ（密度）の異なる２種類以上のパターン７が形成されている場合でも、メタステーブル原子２５がパターン側壁の下部１１やパターンの底部１２に到達できウエハ１の面内方向についてエッチング処理の結果としてのパターン７の寸法のバラつきを低減することができる。
【００８８】
また、図１（ｃ）に示すように、パターン上部がパターン底部よりも大きいパターンにおいて被エッチング材料を等方的にエッチングする場合でも、メタステーブル原子２５は影になる部分１３にも到達できるので、高精度にエッチングできるようになった。また、上記の高精度でダメージフリーなエッチングが従来の熱脱離方式よりも高スループットで実現できる。
【００８９】
なお、本発明は、上記した実施例の構成に限定されるものではなく、当該構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えても良い。
【変形例】
【００９０】
本発明の実施例の変形例について図６及び図７を用いて説明する。図６は、図４に示す実施例に係るエッチング処理装置の変形例の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本変形例でのエッチング処理の工程とその条件は図２及び図３と同一である。
【００９１】
本変形例に係るエッチング処理装置９０は、真空容器との内部に配置された処理室２７とその内側に配置されたウエハステージ２８とを備え、さらに真空容器の外周側に巻かれて配置され高周波電源３２と電気的に接続されたコイル３３と、可変コンダクタンスバルブ３６及び真空ポンプ３７を有する排気装置と、ガスボンベ２９及びバルブ３０をその上に有したガスの供給経路を通してガスを処理室２７内に供給するガス供給手段とを備えている点で図４のエッチング処理装置２６と同一の構成を備えている。一方、本変形例のエッチング処理装置９０は、ラジカル２０及び反応性ガス１６等エッチャントを処理室２７内に供給するための真空容器であるラジカル源５０が真空容器内の処理室２７上方に備えている。
【００９２】
本変形例のラジカル源５０は、ガスボンベ２９やバルブ３０をその上に有したガスの供給経路を備えたガス供給手段と接続されており、ガスボンベ２９からの反応性ガス１６はバルブ３０によって流量を調節されて供給経路を通してラジカル源５０の内部の反応室に導入される。
【００９３】
ラジカル源５０は容器の外周側で隙間を開けて巻かれて配置されたコイル５１を備えており、高周波電源５２と電気的に接続されている。ラジカル源５０に導入された反応性ガス１６は高周波電源５２からコイル５１に高周波電力が供給されて内部に形成された電界により励起されて、ラジカル源５０内にプラズマ２２が形成されラジカル２０を生成される。当該生成されたラジカル２０は処理室２７を構成する真空容器の上面と連結されラジカル源５０と処理室２７とを連通するガス導入管５３を通して処理室２７内の処理用の空間に供給される。
【００９４】
図２の実施例のステップ２０１と同様に、処理室２７に供給されたラジカル２０はウエハ１の表面に到達し吸着膜２１を形成する。また、ガス供給手段からラジカル源５０に供給された反応性ガス１６は、ラジカル源５０内で励起されてプラズマ２２を生成することなく、そのまま被処理膜２に吸着させても良い。また、本変形例では、ラジカル源５０と処理室２７との間にはシャッター５４を配置して、図２のステップ２０２が終了した後、直ちにこれらの間の連通を気密に閉塞することができる構成を備えている。
【００９５】
さらに、処理室２７には希ガス３１を導入するための供給ガスボンベ２９やバルブ３０等からなるガス供給手段が設けられており、ガスボンベ２９から供給される希ガス３１はバルブ３０を介して、処理室２７の天井面を構成するシャワープレートと真空容器の上部との間の空間であってガス導入管５２の周囲にリング上に配置された空間に導入されて拡散した後、当該空間と処理室２７との間を連通する貫通孔と通して処理室２７内に周方向に均一に導入される。導入された希ガス３１は、高周波電源３２からコイル３３に供給された高周波電力により励起され、処理室２７内にプラズマ２３が形成されて、メタステーブル原子２５及び真空紫外光２４を発生する。
【００９６】
メタステーブル原子２５は処理室２７内を拡散してウエハ１表面に到達する。メタステーブル原子２５は指向性が無いため、図２の高アスペクト比のパターンの底部１２にも到達して吸着膜２１及び被処理膜２に反応エネルギーを与えることができる。希ガスプラズマ２３から発生した真空紫外光２４の一部はパターンの底部１２に到達して反応エネルギーを与えることができる。
【００９７】
本例において、高周波電源３３の高周波電力の周波数は４００ｋＨｚから４０ＭＨｚの間で適宜選択されるが、本例では１３．５６ＭＨｚを用いられる。
【００９８】
また、本例において、希ガスプラズマ２３から発生したイオン等荷電粒子がウエハ１に到達することを抑制するために、ウエハ１の上面にフィルタを配置しても良い。また、処理室２７に接続された可変コンダクタンスバルブ３６の開度と真空ポンプ３７の動作により、真空容器に連結されたガス供給手段から希ガス３１またはガス導入管５２からラジカル２０或いは反応性ガスが所定の流量で供給された状態で、排気の量をバランスさせて処理室内の圧力が処理に適した範囲の値に維持される。
【００９９】
ウエハステージ２８には加熱または冷却用の構成を配置することも可能である。本変形例では、ウエハステージ２８内の金属製の部材の内部には冷媒流路３８とともに電力が供給されて発熱する熱電モジュールが配置されている。この熱電モジュールと冷媒流路３８との動作により、例えば、ウエハ１温度を０〜１００℃に制御することが可能な構成となっている。また、ウエハステージ２８は上下機構を設けることも可能である。
【０１００】
本例においては、図２に示したエッチング処理の工程のステップ２０１において反応性ガス１６及びラジカル２０をウエハ表面１に吸着させて吸着膜２１を形成する際には、ウエハステージ２８上面の高さ方向の位置を高くしてシャワープレートとのとの距離を近くし、ステップ２０３において希ガスプラズマ２３を用いて吸着膜２１を被処理膜２と反応させ脱離させる際には、ウエハステージ２８の高さ方向の位置を低くして希ガスプラズマ２３を生成する十分な空間を形成ことが可能な構成としても良い。ステップ２０１においては、ウエハステージ２８の高さ位置をラジカル源５０に近い位置にすることで、ラジカル２０の吸着にかかる時間と、さらにはステップ２０３における残留したラジカル２０及び残留した反応性ガス１６を排気する時間とを短縮でき、処理室２７内壁にラジカル２０や反応性ガス１６が吸着することを抑制することができエッチングの精度を向上できる。
【０１０１】
ステップ２０３でコイル３３に高周波電力の電圧を印加する際には、ウエハステージ２８上面の高さ位置を下げてから希ガスプラズマ２３を生成させる。プラズマ２３が生成する領域の処理室２７内の壁の大部分はステップ２においてラジカル２０が吸着していないため、残留ラジカル、及び、残留ガスの影響を少なくすることができる。
【０１０２】
次に、図７には、上記図６に示す実施例に係るプラズマ処理装置が図２，５に示す被処理膜２を除去するエッチング処理を実施した際の動作の流れを説明する。図７は、図６に示す実施例に係るプラズマ処理装置の処理対象膜を除去する処理の動作の流れを示すタイムチャートである。
【０１０３】
本変形例では、被処理膜２のエッチング処理の条件のパラメータとして、例えば、吸着膜２１を形成するための反応性ガス１６の流量４０、真空紫外光２４及びメタステーブル原子２５を発生させるための希ガス３１の流量４１、希ガスプラズマ２３を発生させるための高周波電源３２の電圧４２、処理室２７内の圧力４３、ウエハ１の温度４４、処理室２７の内壁に反応性ガス１６及び反応生成物６の粒子が吸着することを抑制するためにシールド電極３９に供給される電圧４５が挙げられる。
【０１０４】
図７に示されるように、上記のパラメータの値は、図２のフローチャートの各ステップに応じて調節される。また、適宜必要に応じてウエハステージ２８上面の高さ方向の位置を変化させる。
【０１０５】
まず、ウエハ１が処理室２７内に導入されウエハステージ２８上に戴置され、処理室２７内が密封される。その後に、可変コンダクタンスバルブ３６の開度の調節により排気の流量が調節されつつ真空ポンプ３７の動作によって処理室２７内部が排気される。
【０１０６】
この状態で、ウエハ温度４４は反応性ガス１６を吸着するために設定した値となるように調節が開始される。ステップ２０１の開始前に開始されるウエハ温度４４の調節は、ウエハステージ２８の温度を調整することによって行っても良いし、処理室２７の上方または側方に配置された図示しないランプを用いた輻射による加熱を行っても良い。或いは、レーザー光をウエハ１表面に照射しても良い。
【０１０７】
ウエハ温度の調整は、本実施例ではウエハステージ２８によって行っているが、ランプ加熱でも良いし、レーザー光をウエハ１表面に照射しても良い。また、ウエハステージ２８の高さ方向の位置の上下機構によりウエハステージ２８上面の位置を高くしてラジカル源５０とウエハ１との距離を小さくしても良い。
【０１０８】
次に、ステップ２０１において、反応性ガス１６としてラジカル２０を処理室２７内に供給する場合には、まず被処理膜２と反応性を持つガス１６をガス供給手段によりラジカル源５０に導入しつつ、真空ポンプ３７の動作または可変コンダクタンスバルブ３６の開度を調節してラジカル源５０の内部の圧力を所定の範囲の値に調節する。ラジカル源５０に導入された反応性ガス１６は、ラジカル源５０の外周を囲んで巻かれて配置されたコイル５１に高周波電源５２から供給された高周波電力により励起されてプラズマ２２が形成される。
【０１０９】
プラズマ２２はその内部に反応性ガス或いは反応生成物の粒子からラジカル２０が生成される。生成されたラジカル２０は処理室２７の天井面の中央部に開口を有したガス導入管５３を通り処理室２７内に供給されて処理室２７内で拡散しウエハ１の表面に到達しパターン７の表面に吸着膜２１が形成される。
【０１１０】
ガス導入管５３の処理室２側端部にはシャッター５４が設置されており、上記開口を介した処理室２７内部とラジカル源５０内部との間の連通を開閉可能に構成されている。ステップ２０１の開始時にはシャッター５４が開にされステップ２０１の終了際にシャッター５４を閉じることによって、ラジカルの供給を精度良く開始したり停止したりすることが可能である。また、ガスの流れを制御する手段として、例えば円板状のシャワープレートやドーナツ状の導入管を用いることも可能であり、ウエハ１の面内方向により均一に近づくように反応性ガスやラジカル２０等エッチャントを吸着させることが可能である。
【０１１１】
さらに、反応性ガス１６が処理室２７の内壁面に吸着するのを抑制するために、処理室２７の外周に設置したシールド電極に電圧を与えることもできる。ステップ２０１でウエハステージ位置を高くしてラジカル源５０とウエハ１の距離を近くすることで、ラジカル２０の吸着にかかる時間を短縮でき、且つ、ステップ２０３では残留したラジカル２０、及び、残留した反応性ガス４を排気する時間を短縮できる。
【０１１２】
さらに、ステップ２０１で処理室２７内の壁にラジカル２０が吸着することを防ぐことができてエッチングの精度を向上できる。このとき、使用する反応性ガス１６の種類は、実施例で記載したように、エッチング処理を行うパターンに応じて適宜選択される。
【０１１３】
ステップ２０１の開始後に吸着膜２１を形成するために設定された時間が経過したことが検知されると、バルブ３０による反応性ガス１６の供給が停止され、ガス導入管５３のシャッター５４が閉塞されると同時に、プラズマ２２を発生させるための高周波電源の電力を供給が停止される。ウエハ１上に吸着膜２１を形成しないで処理室２７内に滞留している反応性ガス１６の残りは、可変コンダクタンスバルブ３６の開度がコンダクタンスを最小にする位置にされて真空ポンプ３７の動作によって高速に処理室２７外に排出される（ステップ２０２）。
【０１１４】
このとき、ステップ２０３で真空紫外光２４とメタステーブル原子２５を生成するための希ガス３１の処理室２７への導入を開始する。希ガス３１の流量４１はステップ２０３での流量よりも大きな流量にされて処理室２７内の当該希ガスの流れを利用して効率良く反応性ガス１６が排気される。
【０１１５】
ガス供給手段から供給されたガスの流れを制御することによって処理室２７内に残留する反応性ガス１６等エッチャントを効率的に真空ポンプ３７へと輸送し排気することができる。ガスの流れを制御する手段として、例えば円板状のシャワープレートや処理室２７内に配置されたドーナツ状の導入管を用いて、ウエハ１の中心部から外周部へ向かうガスの流れを形成しても良い。
【０１１６】
ステップ２０１でウエハステージ２８上面の高さ方向の位置をラジカル源５０に近づけた場合には、ステップ２０３においてはウエハステージ２８上面を下降させて希ガスプラズマ２３が生成する領域より下の位置に移動させる。次に、処理室２７内に希ガスプラズマ２３を形成して吸着膜２１と被処理膜２の表面の材料とを反応させ、反応生成物６を揮発、脱離させる工程であるステップ２０３を実施する。
【０１１７】
このステップにおいて、まず予め設定された範囲内の値のウエハ温度４４となるようにウエハ１またはウエハステージ２８の温度を調節する。次に、希ガス３１の流量４１を設定された範囲の値となるようにバルブ３０の開度を調節する。
【０１１８】
処理室２７内に導入される希ガス３１の当該流量と可変コンダクタンスバルブ３６の開度及び真空ポンプ３６の動作とのバランスにより、処理室２７内の圧力が処理に適した範囲の値に調節され、コイル３３に高周波電源３２からの高周波電力が電圧４２で印加される。処理室２７内に供給された希ガス３１は、コイル３３から形成される電界により励起され希ガスプラズマ２３が形成され、当該希ガスプラズマ２３から真空紫外光２４とメタステーブル原子２５が生成される。
【０１１９】
真空紫外光２４はウエハ１表面にパターン７及びこれの表面に形成せれた吸着膜２１に照射され、メタステーブル原子２５は処理室２７内で拡散しウエハ１のパターン７表面に到達し反応生成物６の生成とその脱離のためのエネルギーを吸着膜２１及び被処理膜２とに与える。特に、メタステーブル原子２５は指向性が無いため、パターン７の高アスペクト比のパターンの底部１２にも到達して反応と脱離に必要なエネルギーを与えることができる。また、無指向で照射される真空紫外光２４はウエハ１表面のパターン７のパターンの底部１２にも照射されこれに効率良く反応と脱離に必要なエネルギーを与えることができる。
【０１２０】
ステップ２０３での希ガスプラズマ２３の形成から所定の時間が経過して反応生成物６がウエハ１の表面から脱離したと判定された後、高周波電源３２からの電圧４２の印加が停止され、希ガスプラズマ２３が消火される。排気ポンプ３６の動作はプラズマの形成、消火に関らず継続されるので、希ガスプラズマ２３の消火後も処理室２７に残留する反応生成物６及び希ガス３１は、可変コンダクタンスバルブ３６のコンダクタンスが最小にされて高速に処理室２７外に排気される（ステップ４）。
【０１２１】
このとき、希ガス３１のガス流量４１はステップ２０３での流量よりも大きな値にして、希ガス３２の流れを利用して効率良く反応生成物６を排気する。同様に、ガス供給手段から供給されたガス流を制御することによって反応生成物６を効率的に真空ポンプ３７へと輸送し排気することもできる。さらに、ウエハステージ２８の上面の高さ位置を上方に移動させてシャワープレートにより近い位置にして、残留する反応生成物６の排気の効率を向上させる。
【０１２２】
その後、その後、次のサイクルの実施の要否が判定され（ステップ２０５）、次のサイクルを実施することが必要と判定された場合には、当該次のサイクルのステップ２０１において反応性ガス１６等のエッチャントを吸着するために設定したウエハ温度４４への調節が開始される。本実施例でのステップ２０１でのウエハ温度の設定値Ｔ１は、ステップ２０３のウエハ温度の設定値Ｔ３との差が小さく温度の調整に要する時間は１分以内で十分実施できる。
【０１２３】
以上説明したサイクルを必要と認められる回数だけ繰り返すことによって、複雑なパターンを高精度にエッチングすることが可能となった。このことにより、エッチング処理の歩留まりが向上する。また、ステップ２０２，２０４においては、排気の時間が従来のものより短縮されることスループットが向上する。
【０１２４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、上記実施の形態で示した構成と実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えても良い。
【符号の説明】
【０１２５】
１…ウエハ、２…被処理膜、３…エッチャント、４…残留ガス、５…イオン、６…反応生成物、７…パターン、８…パターン底、９…パターン上部、１０…パターン側壁の上部、１１…パターン側壁の下部、１２…パターンの底部、１３…影になる部分、１４…吸着用処理室、１５…加熱用処理室、１６…反応性ガス、１７…加熱用ウエハステージ、１８…真空ポンプ、１９…真空ポンプ、２０…ラジカル、２１…吸着膜、２２…プラズマ、２３…希ガスプラズマ２４…真空紫外光、２５…メタステーブル原子、２６…エッチング処理装置、２７…処理室、２８…ウエハステージ、２９…ガスボンベ、３０…バルブ、３１…希ガス、３２…高周波電源、３３…コイル、３４…フィルタ、３５…ガス供給口、３６…可変コンダクタンスバルブ、３７…真空ポンプ、３８…冷媒流路、３９…シールド電極、４０…反応性ガス流量、４１…希ガス流量、４２…高周波電源の電圧、４３…圧力、４４…ウエハ温度、４５…電極電圧、４６…ラジカル源の高周波電源電圧、５０…ラジカル源、５１…コイル、５２…高周波電源、５３…ガス導入管、５４…シャッター。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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