JP2015115443A - シリコン層をエッチングする方法、及びプラズマ処理装置 - Google Patents

シリコン層をエッチングする方法、及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】シリコン層のエッチングの前処理において高いスループットで酸化膜を除去することができる方法を提供する。【解決手段】シリコン層及び該シリコン層上に設けられたマスクを有する被処理体の表面に形成された酸化膜を除去して、該シリコン層をエッチングする方法が提供される。この方法は、被処理体を収容した処理容器内において、水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガスのプラズマを生成し、酸化膜を変質させて、変質領域を形成する工程（ａ）、処理容器内で希ガスのプラズマを生成して、変質領域を除去する工程（ｂ１）と、処理容器内において第２の処理ガスのプラズマを生成して、シリコン層をエッチングする工程（ｃ）と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、シリコン層をエッチングする方法、及びプラズマ処理装置に関するものである。
フィン型電界効果トランジスタといった電子デバイスの製造においては、シリコン層にマスクのパターンを転写するために、プラズマエッチングが行われる。また、当該シリコン層及びマスクを有する被処理体には、自然酸化膜が形成されることがあり、この自然酸化膜を除去した後に、シリコン層のプラズマエッチングが行われることがある。通常、自然酸化膜は、フルオロカーボン系ガスのプラズマに被処理体を晒すことによって、除去されている。
自然酸化膜といった酸化膜の除去には、シリコン層及びマスクに対して当該酸化膜を選択的に除去することが要求される。酸化膜を選択的に除去する方法としては、ＣＯＲ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ）と呼ばれる方法が知られている。ＣＯＲでは、水素、窒素、及びフッ素を含む処理ガスに被処理体が晒される。これにより、酸化膜を構成する酸化シリコンは、（ＮＨ４）２ＳｉＦ６、即ち、ケイフッ化アンモニウムに変質し、変質領域が形成される。次いで、ＣＯＲでは、被処理体が加熱され、変質領域のケイフッ化アンモニウムが熱分解する。これにより、酸化膜が除去される。
また、上述した変質領域は、プラズマ処理によって形成されることもある。即ち、上記処理ガスのプラズマに被処理体が晒されることにより、変質領域が形成されることがある。このようなプラズマを用いたＣＯＲについては、下記の特許文献１に記載されている。
特開平６−１８８２２６号公報
ＣＯＲでは、プラズマ処理装置において変質領域を形成した後に、プラズマ処理装置とは別の加熱装置に被処理体が搬送される。したがって、シリコン層のエッチングまでに要する工程数が多くなる。
よって、シリコン層のエッチングの前処理において高いスループットで酸化膜を除去することが必要である。
第１の側面においては、シリコン層及び該シリコン層上に設けられたマスクを有する被処理体の表面に形成された酸化膜を除去して、該シリコン層をエッチングする方法が提供される。この方法は、被処理体を収容した処理容器内において、水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガスのプラズマを生成し、前記酸化膜を変質させて、変質領域を形成する工程（ａ）、前記処理容器内で希ガスのプラズマを生成して、変質領域を除去する工程（ｂ１）と、前記処理容器内において第２の処理ガスのプラズマを生成して、シリコン層をエッチングする工程（ｃ）と、を含む。
第１の側面の方法によれば、工程（ｂ１）において、変質領域を希ガスのプラズマで除去することができる。また、工程（ａ）、工程（ｂ１）、及び工程（ｃ）を単一の処理容器内で実施することができる。したがって、シリコン層のエッチングの前処理において高いスループットで酸化膜を除去することが可能となる。
第２の側面においては、シリコン層及び該シリコン層上に設けられたマスクを有する被処理体の表面に形成された酸化膜を除去して、該シリコン層をエッチングする方法が提供される。この方法は、被処理体を収容した処理容器内において、水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガスのプラズマを生成し、前記酸化膜を変質させて、変質領域を形成する工程（ａ）と、前記処理容器から被処理体を取り出さずに工程（ａ）に続けて、該処理容器内で第２の処理ガスのプラズマを生成して、変質領域を除去する工程（ｂ２）と、該処理容器内において第２の処理ガスのプラズマを生成して、シリコン層をエッチングする工程（ｃ）と、を含む。
第２の側面の方法によれば、工程（ｂ２）において、工程（ｃ）で用いる第２の処理ガスのプラズマにより変質領域を除去することができる。即ち、変質領域の除去とシリコン層のエッチングを、ガス種を変更せずに連続して実施することができる。また、工程（ａ）、工程（ｂ２）、及び工程（ｃ）を単一の処理容器内で実施することができる。したがって、シリコン層のエッチングの前処理において高いスループットで酸化膜を除去することが可能となる。
第１の側面及び第２の側面の一形態では、変質領域を形成する工程、及び、変質領域を除去する工程は、無バイアスで実施されてもよい。かかる一形態によれば、シリコン層及びマスクに対するダメージが抑制される。
第１の側面及び第２の側面の一形態では、第１の処理ガスはＳＦ６ガスを含んでいてもよい。
第３の側面においては、第１の側面に係る方法の実施に用いることが可能なプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、処理容器、載置台、ガス供給部、プラズマ生成部、及び制御部を備える。載置台は、処理容器内においてその上に被処理体を載置する。ガス供給部は、処理容器内に水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガス、希ガス、並びに、シリコン層のエッチング用の第２の処理ガスを供給する。プラズマ生成部は、処理容器内に供給されるガスを励起させるためのエネルギーを発生する。制御部は、ガス供給部及びプラズマ生成部を制御する。制御部は、ガス供給部に第１の処理ガスを供給させ、プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第１制御と、ガス供給部に前記希ガスを供給させ、プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第２制御と、ガス供給部に第２の処理ガスを供給させ、プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第３制御と、を実行する。
第３の側面の一形態では、第１制御及び第２制御において載置台に対してバイアス電力が供給されなくてもよい。
第４の側面においては、第２の側面に係る方法の実施に用いることが可能なプラズマ処理装置が提供される。このプラズマ処理装置は、処理容器、載置台、ガス供給部、プラズマ生成部、及び制御部を備える。載置台は、処理容器内においてその上に被処理体を載置する。ガス供給部は、処理容器内に水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガス、並びに、シリコン層のエッチング用の第２の処理ガスを供給する。プラズマ生成部は、処理容器内に供給されるガスを励起させるためのエネルギーを発生する。制御部は、ガス供給部及びプラズマ生成部を制御する。制御部は、ガス供給部に第１の処理ガスを供給させ、プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第１制御と、第１制御に続けて、ガス供給部に第２の処理ガスを供給させ、プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第２制御と、を実行する。このプラズマ処理装置によれば、第２制御において変質領域が除去され、次いで、シリコン層がエッチングされる。
第４の側面の一形態では、第１制御、及び、第２制御の開始からの一定期間において、載置台に対してバイアス電力を供給せず、第２制御において前記一定期間の経過後、載置台に対してバイアス電力を供給してもよい。
また、第３の側面及び第４の側面の一形態では、第１の処理ガスは、ＳＦ６ガスを含んでいてもよい。
以上説明したように、シリコン層のエッチングの前処理において高いスループットで酸化膜を除去することが可能となる。
シリコン層をエッチングする方法の一実施形態を示す流れ図である。 被処理体の一例を示す断面図である。 図１に示す方法の工程ＳＴ１を説明するための図である。 図１に示す方法の工程ＳＴ２を説明するための図である。 図１に示す方法の工程ＳＴ３を説明するための図である。 別の実施形態に係る方法の工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を説明するための図である。 一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。 スロット板の一例を示す平面図である。 誘電体窓の一例を示す平面図である。 図９のＸ−Ｘ線に沿ってとった断面図である。 図９に示す誘電体窓上に図８に示すスロット板を設けた状態を示す平面図である。 第１の流量制御ユニット群、第１のガスソース群、第２の流量制御ユニット群、及び、第２のガスソース群を含むガス供給部を示す図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、シリコン酸化膜をエッチングする方法の一実施形態を示す流れ図である。図１に示す方法ＭＴは、被処理体（以下、「ウエハＷ」という）から酸化膜を除去して、シリコン層をエッチングするための方法である。この方法は、図２に示すウエハＷに対して適用され得る。図２は、方法ＭＴが適用され得る被処理体の一例を示す図である。図２に示すウエハＷは、フィン型電界効果トランジスタの製造途中に得られる生産物であり、例えば、シリコン製のダミーゲートを形成する前段階で得られる生産物である。
図２に示すように、ウエハＷは、シリコン層１００及びマスク１０２を有している。シリコン層１００は、例えば、多結晶シリコンから構成される。マスク１０２は、シリコン層１００上に設けられている。マスク１０２は、例えば、ＳｉＮから構成される。このようなウエハＷの表面には、シリコン層１００をエッチングする前段階において、自然酸化膜といった酸化膜１０４が形成されることがある。方法ＭＴ及び後述する別の実施形態に係る方法では、このような酸化膜１０４を除去して、シリコン層１００をエッチングすることができる。なお、本明細書において開示される種々の実施形態に係る方法が適用される被処理体は、図２に示すウエハＷに限定されるものではなく、シリコン層上にマスクが設けられており、当該シリコン層のエッチングの前段階においてその表面に酸化膜が形成される被処理体であれば、任意の被処理体が適用対象となる。以下、図２のウエハＷを一例にとって、方法ＭＴについて説明する。
再び図１を参照する。また、以下の説明においては、図３、図４、及び図５を適宜参照する。図１に示すように、方法ＭＴでは、まず、工程ＳＴ１が行われる。工程ＳＴ１では、図３に示すように、酸化膜１０４を変質させて、変質領域１０４ａを形成する。図３の（ａ）に示すように、工程ＳＴ１では、ウエハＷを収容した処理容器内において、第１の処理ガスのプラズマＰＬ１が生成される。工程ＳＴ１では、このプラズマＰＬ１にウエハＷが晒される。
第１の処理ガスは、水素、窒素、及びフッ素を含有する。一実施形態においては、第１の処理ガスは、水素源としてＨ２ガスを含み、窒素源としてＮ２ガスを含み得る。また、第１の処理ガスは、フッ素源として、フルオロカーボンガス、フルオロハイドロカーボンガス、ＮＦ３ガス、及び、ＳＦ６ガスのうち一種以上のガスを含み得る。フルオロカーボンガスとしては、ＣＦ４ガス、Ｃ４Ｆ８ガス、Ｃ５Ｆ８ガス、Ｃ４Ｆ６ガスが例示される。また、フルオロハイドロカーボンガスとしては、ＣＨＦ３ガス、ＣＨ２Ｆ２ガス、ＣＨ３Ｆガスが例示される。
工程ＳＴ１では、第１の処理ガスのプラズマは、任意のプラズマ源によって生成され得る。例えば、第１の処理ガスは、マイクロ波によって励起されてもよく、容量結合型のプラズマ源によって励起されてもよく、或いは、誘導結合型のプラズマ源によって励起されてもよい。なお、工程ＳＴ１と同様に、後述する工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３においても、任意のプラズマ源を用いることができる。
工程ＳＴ１では、処理容器内の圧力は、４０Ｐａ（３００ｍＴｏｒｒ）〜６６．６６Ｐａ（５００ｍＴｏｒｒ）の範囲内の圧力に設定され得る。また、工程ＳＴ１では、第１の処理ガスはＮ２ガスを含み、Ｎ２ガスの流量が、３００〜１０００ｓｃｃｍの範囲の流量に設定され得る。また、工程ＳＴ１では、第１の処理ガスはＳＦ６ガスを含み、当該第１の処理ガスの全流量中に占めるＳＦ６ガスの流量の割合が３〜８％の範囲内の割合に設定され得る。また、一実施形態では、工程ＳＴ１、後述する工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３は、マイクロ波によってガスを励起させるプラズマ処理装置において実施される。この実施形態の工程ＳＴ１では、マイクロ波のパワーが８００Ｗ〜３０００Ｗの範囲内のパワーに設定され得る。
また、工程ＳＴ１においては、ウエハＷに対してプラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス電力が、利用されなくてもよい。即ち、無バイアスで工程ＳＴ１が実施されてもよい。無バイアスで工程ＳＴ１が実施されることにより、イオンスパッタリング効果によるウエハＷのダメージが抑制される。特に、マスク１０２の変形が抑制される。
第１の処理ガスのプラズマＰＬ１にウエハＷが晒されると、酸化膜１０４を構成する酸化シリコンが変質して、図３の（ｂ）に示すように酸化膜１０４は変質領域１０４ａとなる。具体的には、第１の処理ガスに含まれる水素、窒素、及びフッ素と酸化膜１０４を構成する酸化シリコンとが反応する。これにより、酸化シリコンは、（ＮＨ４）２ＳｉＦ６、即ち、ケイフッ化アンモニウムに変質する。
次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ２が行われる。工程ＳＴ２では、工程ＳＴ１で形成された変質領域１０４ａが除去される。この工程ＳＴ２は、工程ＳＴ１で利用された処理容器からウエハＷを取り出すことなく、当該処理容器内で行われる。一実施形態の工程ＳＴ２では、図４の（ａ）に示すように、処理容器内において希ガスのプラズマＰＬ２が生成される。希ガスとしては、例えば、Ａｒガス、Ｘｅガス、Ｎｅガス、Ｋｒガスといった任意の希ガスを用いることができる。工程ＳＴ２では、このプラズマＰＬ２にウエハＷが晒される。これにより、変質領域１０４ａが除去され、ウエハＷは、図４の（ｂ）に示す状態となる。
工程ＳＴ２においては、ウエハＷに対してプラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス電力が、利用されなくてもよい。即ち、無バイアスで工程ＳＴ２が実施されてもよい。無バイアスで工程ＳＴ２が実施されることにより、イオンスパッタリング効果によるウエハＷのダメージが抑制される。特に、マスク１０２の変形が抑制される。
次いで、方法ＭＴでは、工程ＳＴ３が行われる。工程ＳＴ３では、シリコン層１００のエッチングが行われる。この工程ＳＴ３は、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２に利用された処理容器からウエハＷを取り出すことなく、当該処理容器内で行われる。図５に示すように、工程ＳＴ３では、第２の処理ガスのプラズマＰＬ３が生成される。第２の処理ガスは、例えば、ＨＢｒガスを含む。また、第２の処理ガスは、希ガス、及び酸素ガスを更に含み得る。工程ＳＴ３では、プラズマＰＬ３にウエハＷが晒される。これにより、シリコン層１００がエッチングされ、当該シリコン層１００にマスク１０２のパターンが転写される。なお、工程ＳＴ３では、バイアス電力が用いられてもよい。当該バイアス電力により、ウエハＷにイオンが引き込まれる。これにより、シリコン層１００のエッチングによって形成される形状の垂直性を向上させることが可能となる。
かかる方法ＭＴによれば、工程ＳＴ２において、変質領域１０４ａを希ガスのプラズマで除去することができる。また、工程ＳＴ１、工程ＳＴ２、及び工程ＳＴ３を単一の処理容器内で実施することができる。したがって、シリコン層１００のエッチングの前処理において高いスループットで酸化膜１０４を除去することが可能となる。結果的に、酸化膜１０４の除去及びシリコン層１００のエッチングを含む一連の処理のスループットを向上させることが可能となる。
以下、別の実施形態に係る方法について説明する。別の実施形態に係る方法は、方法ＭＴの工程ＳＴ１及び工程ＳＴ３と同じ工程ＳＴ１及び工程ＳＴ３を含む。別の実施形態に係る方法の工程ＳＴ２は、方法ＭＴとは異なり、第２の処理ガスのプラズマが生成される。
即ち、別の実施形態に係る方法の工程ＳＴ２では、図６の（ａ）に示すように、シリコン層１００のエッチング用の第２の処理ガスのプラズマＰＬ３にウエハＷが晒される。これにより、変質領域１０４ａが除去される。そして、工程ＳＴ２に連続して、工程ＳＴ３でプラズマＰＬ３を生成することにより、図６の（ｂ）に示すように、シリコン層１００がエッチングされる。なお、工程ＳＴ２は無バイアスで行われ、工程ＳＴ３ではイオン引き込み用のバイアス電力が供給されてもよい。このように、第２の処理ガスのプラズマを変質領域１０４ａの除去及びシリコン層１００のエッチングの双方に連続的に用いることが可能である。したがって、この実施形態によれば、工程ＳＴ２と工程ＳＴ３との間でのガスの切り換えを省略することが可能となる。
以下、上述した種々の実施形態の方法の実施に用いることができるプラズマ処理装置について説明する。図７は、一実施形態に係るプラズマ処理装置を概略的に示す断面図である。
図７に示すプラズマ処理装置１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、ウエハＷを収容するための処理空間Ｓを画成している。処理容器１２は、側壁１２ａ、底部１２ｂ、及び、天部１２ｃを含み得る。
側壁１２ａは、軸線Ｚを略中心として、当該軸線Ｚが延びる方向（以下、「軸線Ｚ方向」という）に延在する略円筒形状を有している。側壁１２ａの内径は、例えば、５４０ｍｍである。底部１２ｂは、側壁１２ａの下端側に設けられている。側壁１２ａの上端部は開口している。側壁１２ａの上端部開口は、誘電体窓１８によって閉じられている。誘電体窓１８は、側壁１２ａの上端部と天部１２ｃとの間に狭持されている。この誘電体窓１８と側壁１２ａの上端部との間には封止部材ＳＬ１が介在していてもよい。封止部材ＳＬ１は、例えばＯリングであり、処理容器１２の密閉に寄与する。
プラズマ処理装置１０は、載置台２０を更に備えている。載置台２０は、処理容器１２内且つ誘電体窓１８の下方に設けられている。この載置台２０は、プレート２２、及び、静電チャック２４を含んでいる。
プレート２２は、略円盤状の金属製の部材であり、例えば、アルミニウムから構成されている。プレート２２は、筒状の支持部ＳＰ１によって支持されている。支持部ＳＰ１は、底部１２ｂから垂直上方に延びている。プレート２２は、高周波電極を兼ねている。プレート２２は、マッチングユニットＭＵ及び給電棒ＰＦＲを介して、高周波バイアス電力を発生する高周波電源ＲＦＧに電気的に接続されている。高周波電源ＲＦＧは、ウエハＷに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数、例えば、１３．６５ＭＨｚの高周波バイアス電力を出力する。マッチングユニットＭＵは、高周波電源ＲＦＧ側のインピーダンスと、主に電極、プラズマ、処理容器１２といった負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器の中には、自己バイアス生成用のブロッキングコンデンサが含まれている。
プレート２２の上面には、静電チャック２４が設けられている。静電チャック２４は、ベースプレート２４ａ及びチャック部２４ｂを含んでいる。ベースプレート２４ａは、略円盤状の金属製の部材であり、例えば、アルミニウムから構成されている。ベースプレート２４ａは、プレート２２上に設けられている。ベースプレート２４ａの上面にはチャック部２４ｂが設けられている。チャック部２４ｂの上面は、ウエハＷを載置するための載置領域ＭＲとなる。チャック部２４ｂは、ウエハＷを静電吸着力で保持する。チャック部２４ｂは、誘電体膜の間に挟まれた電極膜を含んでいる。チャック部２４ｂの電極膜には、直流電源ＤＳＣがスイッチＳＷ及び被覆線ＣＬを介して電気的に接続されている。チャック部２４ｂは、直流電源ＤＳＣから印加される直流電圧により発生するクーロン力によって、その上面にウエハＷを吸着保持することができる。このチャック部２４ｂの径方向外側には、ウエハＷのエッジを環状に囲むフォーカスリングＦＲが設けられている。
また、プラズマ処理装置１０は、温度制御機構を備えている。温度制御機構の一部として、ベースプレート２４ａの内部には、周方向に延びる環状の冷媒室２４ｇが設けられている。この冷媒室２４ｇには、チラーユニットから配管ＰＰ１，ＰＰ３を介して所定の温度の冷媒、例えば、冷却水が循環供給される。チャック部２４ｂ上のウエハＷの処理温度は、冷媒の温度によって制御され得る。さらに、伝熱ガス供給部からの伝熱ガス、例えば、Ｈｅガスが供給管ＰＰ２を介してチャック部２４ｂの上面とウエハＷの裏面との間に供給される。
また、プラズマ処理装置１０は、温度制御機構の一部として、ヒータＨＴ、ＨＳ、ＨＣ、及び、ＨＥを更に備え得る。ヒータＨＴは、天部１２ｃ内に設けられており、アンテナ１４を囲むように、環状に延在している。また、ヒータＨＳは、側壁１２ａ内に設けられており、環状に延在している。ヒータＨＣは、ベースプレート２４ａ内に設けられている。ヒータＨＣは、ベースプレート２４ａ内において、上述した載置領域ＭＲの中央部分の下方、即ち軸線Ｚに交差する領域に設けられている。また、ヒータＨＥは、ベースプレート２４ａ内に設けられており、ヒータＨＣを囲むように環状に延在している。ヒータＨＥは、上述した載置領域ＭＲの外縁部分の下方に設けられている。
また、載置台２０の周囲には、環状の排気路ＶＬが設けられている。排気路ＶＬの軸線Ｚ方向における中間には、複数の貫通孔が形成された環状のバッフル板２６が設けられている。排気路ＶＬは、排気口２８ｈを提供する排気管２８に接続している。排気管２８は、処理容器１２の底部１２ｂに取り付けられている。排気管２８には、排気装置３０が接続されている。排気装置３０は、圧力調整器、及びターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有している。この排気装置３０により、処理容器１２内の処理空間Ｓを所望の真空度まで減圧することができる。また、排気装置３０を動作させることにより、載置台２０の外周から排気路ＶＬを介してガスを排気することができる。
また、プラズマ処理装置１０は、一実施形態のプラズマ生成部ＰＧを更に備えている。プラズマ生成部ＰＧは、アンテナ１４、同軸導波管１６、誘電体窓１８、マイクロ波発生器３２、チューナ３４、導波管３６、及び、モード変換器３８を含んでいる。マイクロ波発生器３２は、例えば２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生器３２は、チューナ３４、導波管３６、及びモード変換器３８を介して、同軸導波管１６の上部に接続されている。同軸導波管１６は、その中心軸線である軸線Ｚに沿って延在している。一実施形態においては、載置台２０の載置領域ＭＲの中心は、軸線Ｚ上に位置している。
同軸導波管１６は、外側導体１６ａ及び内側導体１６ｂを含んでいる。外側導体１６ａは、その中心軸線である軸線Ｚに沿って延在する円筒形状を有している。外側導体１６ａの下端は、導電性の表面を有する冷却ジャケット４０の上部に電気的に接続され得る。内側導体１６ｂは、外側導体１６ａの内側において、当該外側導体１６ａと同軸に設けられている。内側導体１６ｂは、その中心軸線である軸線Ｚに沿って延在する円筒形状を有している。内側導体１６ｂの下端は、アンテナ１４のスロット板４４に接続している。
一実施形態においては、アンテナ１４は、ラジアルラインスロットアンテナである。このアンテナ１４は、天部１２ｃに形成された開口内に配置されており、誘電体窓１８の上面の上に設けられている。アンテナ１４は、誘電体板４２及びスロット板４４を含んでいる。誘電体板４２は、マイクロ波の波長を短縮させるものであり、略円盤形状を有している。誘電体板４２は、例えば、石英又はアルミナから構成される。誘電体板４２は、スロット板４４と冷却ジャケット４０の下面の間に狭持されている。アンテナ１４は、したがって、誘電体板４２、スロット板４４、及び、冷却ジャケット４０によって構成され得る。
図８は、スロット板の一例を示す平面図である。スロット板４４は、薄板状であって、円盤状である。スロット板４４の板厚方向の両面は、それぞれ平らである。円形のスロット板４４の中心ＣＳは、軸線Ｚ上に位置している。スロット板４４には、複数のスロット対４４ｐが設けられている。複数のスロット対４４ｐの各々は、板厚方向に貫通する二つのスロット孔４４ａ，４４ｂを含んでいる。スロット孔４４ａ，４４ｂそれぞれの平面形状は、長孔形状である。各スロット対４４ｐにおいて、スロット孔４４ａの長軸が延びる方向と、スロット孔４４ｂの長軸が延びる方向は、互いに交差又は直交している。
図８に示す例では、複数のスロット対４４ｐは、軸線Ｚを中心とする仮想円ＶＣの内側に設けられた内側スロット対群ＩＳＰと仮想円ＶＣの外側に設けられた外側スロット対群ＯＳＰとに大別されている。内側スロット対群ＩＳＰは、複数のスロット対４４ｐを含んでいる。図８に示す例では、内側スロット対群ＩＳＰは、七つのスロット対４４ｐを含んでいる。内側スロット対群ＩＳＰの複数のスロット対４４ｐは、中心ＣＳに対して周方向に等間隔に配列されている。内側スロット対群ＩＳＰに含まれる複数のスロット孔４４ａは、当該スロット孔４４ａの重心がスロット板４４の中心ＣＳから半径ｒ１の円上に位置するよう、等間隔に配列されている。また、内側スロット対群ＩＳＰに含まれる複数のスロット孔４４ｂは、当該スロット孔４４ｂの重心がスロット板４４の中心ＣＳから半径ｒ２の円上に位置するよう、等間隔に配列されている。ここで、半径ｒ２は、半径ｒ１より大きい。
外側スロット対群ＯＳＰは、複数のスロット対４４ｐを含んでいる。図８に示す例では、外側スロット対群ＯＳＰは、２８個のスロット対４４ｐを含んでいる。外側スロット対群ＯＳＰの複数のスロット対４４ｐは、中心ＣＳに対して周方向に等間隔に配列されている。外側スロット対群ＯＳＰに含まれる複数のスロット孔４４ａは、当該スロット孔４４ａの重心がスロット板４４の中心ＣＳから半径ｒ３の円上に位置するよう、等間隔に配列されている。また、外側スロット対群ＯＳＰに含まれる複数のスロット孔４４ｂは、当該スロット孔４４ｂの重心がスロット板４４の中心ＣＳから半径ｒ４の円上に位置するよう、等間隔に配列されている。ここで、半径ｒ３は、半径ｒ２よりも大きく、半径ｒ４は、半径ｒ３よりも大きい。
また、内側スロット対群ＩＳＰ及び外側スロット対群ＯＳＰのスロット孔４４ａの各々は、中心ＣＳとその重心とを結ぶ線分に対して、その長軸が同一の角度を有するように、形成されている。また、内側スロット対群ＩＳＰ及び外側スロット対群ＯＳＰのスロット孔４４ｂの各々は、中心ＣＳとその重心とを結ぶ線分に対して、その長軸が同一の角度を有するように、形成されている。
図９は、誘電体窓の一例を示す平面図であり、当該誘電体窓を処理空間Ｓ側から見た状態を示している。図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿ってとった断面図である。誘電体窓１８は、略円盤形状を有し、石英又はアルミナといった誘電体から構成されている。誘電体窓１８の上面１８ｕ上には、スロット板４４が設けられている。
誘電体窓１８の中央には、貫通孔１８ｈが形成されている。貫通孔１８ｈの上側部分は、後述する中央導入部５０のインジェクタ５０ｂが収容される空間１８ｓであり、下側部分は、後述する中央導入部５０の中央導入口１８ｉである。なお、誘電体窓１８の中心軸線は、軸線Ｚと一致している。
誘電体窓の上面１８ｕと反対側の面、即ち下面１８ｂは、処理空間Ｓに接しており、プラズマを生成する側の面となる。この下面１８ｂは、種々の形状を画成している。具体的に、下面１８ｂは、中央導入口１８ｉを囲む中央領域において、平坦面１８０を有している。この平坦面１８０は、軸線Ｚに直交する平坦な面である。下面１８ｂは、平坦面１８０の径方向外側領域において、環状に連なり誘電体窓１８の板厚方向内方側に向かってテーパー状に凹む環状の第１凹部１８１を画成している。
第１凹部１８１は、内側テーパー面１８１ａ、底面１８１ｂ、及び、外側テーパー面１８１ｃによって画成されている。底面１８１ｂは、平坦面１８０よりも上面１８ｕ側に設けられており、平坦面１８０と平行に環状に延在している。内側テーパー面１８１ａは、平坦面１８０と底面１８１ｂとの間において環状に延在しており、平坦面１８０に対して傾斜している。外側テーパー面１８１ｃは、底面１８１ｂと下面１８ｂの周縁部との間において環状に延在しており、底面１８１ｂに対して傾斜している。なお、下面１８ｂの周縁領域は、側壁１２ａに接する面となる。
また、下面１８ｂは、平坦面１８０から板厚方向内方側に向かって凹む複数の第２凹部１８２を画成している。複数の第２凹部１８２の個数は、図９及び図１０に示す例では、７個である。これら複数の第２凹部１８２は、周方向に沿って等間隔に形成されている。また、複数の第２凹部１８２は、軸線Ｚに直交する面において円形の平面形状を有している。具体的には、第２凹部１８２を画成する内側面１８２ａは、軸線Ｚ方向に延在する円筒面である。また、第２凹部１８２を画成する底面１８２ｂは、平坦面１８０よりも上面１８ｕ側に設けられており、平坦面１８０と平行な円形の面である。
図１１は、図９に示す誘電体窓上に図８に示すスロット板を設けた状態を示す平面図であり、誘電体窓１８を下側から見た状態を示している。図１１に示すように、平面視において、即ち、軸線Ｚ方向に見ると、外側スロット対群ＯＳＰの複数のスロット孔４４ａ及び複数のスロット孔４４ｂ、並びに内側スロット対群ＩＳＰの複数のスロット孔４４ｂは、第１凹部１８１に重なっている。具体的には、平面視において、外側スロット対群ＯＳＰの複数のスロット孔４４ｂは、一部において外側テーパー面１８１ｃに重なっており、一部において底面１８１ｂに重なっている。また、平面視において、外側スロット対群ＯＳＰの複数のスロット孔４４ａは、底面１８１ｂに重なっている。また、平面視において、内側スロット対群ＩＳＰの複数のスロット孔４４ｂは、一部において内側テーパー面１８１ａに重なっており、一部において底面１８１ｂに重なっている。
また、平面視において、即ち、軸線Ｚ方向に見ると、内側スロット対群ＩＳＰの複数のスロット孔４４ａは、第２凹部１８２に重なっている。具体的には、平面視において、複数の第２凹部１８２の底面の重心（中心）それぞれが、内側スロット対群ＩＳＰの複数のスロット孔４４ａ内に位置するように、構成されている。
再び図７を参照する。プラズマ処理装置１０では、マイクロ波発生器３２により発生されたマイクロ波が、同軸導波管１６を通って、誘電体板４２に伝播され、スロット板４４のスロット孔４４ａ及び４４ｂから誘電体窓１８に与えられる。
誘電体窓１８では、上述したように第１凹部１８１を画成する部分の板厚、及び、第２凹部１８２を画成する部分の板厚は、他の部分よりも薄くなっている。したがって、誘電体窓１８では、第１凹部１８１を画成する部分、及び、第２凹部１８２を画成する部分において、マイクロ波の透過性が高められている。また、軸線Ｚ方向に見た場合に、外側スロット対群ＯＳＰのスロット孔４４ａ及び４４ｂ、並びに、内側スロット対群ＩＳＰのスロット孔４４ｂは、第１凹部１８１に重なっており、内側スロット対群ＩＳＰのスロット孔４４ａは、第２凹部１８２に重なっている。したがって、第１凹部１８１及び第２凹部１８２にマイクロ波の電界が集中して、当該第１凹部１８１及び第２凹部１８２にマイクロ波のエネルギーが集中する。その結果、第１凹部１８１及び第２凹部１８２において、プラズマを安定して発生させることが可能となり、誘電体窓１８の直下において径方向及び周方向に分布したプラズマを安定して発生させることが可能となる。
また、プラズマ処理装置１０は、中央導入部５０及び周辺導入部５２を更に備えている。中央導入部５０は、導管５０ａ、インジェクタ５０ｂ、及び中央導入口１８ｉを含んでいる。導管５０ａは、同軸導波管１６の内側導体１６ｂの内孔に通されている。また、導管５０ａの端部は、誘電体窓１８が軸線Ｚに沿って画成する空間１８ｓ（図１０参照）内まで延在している。この空間１８ｓ内且つ導管５０ａの端部の下方には、インジェクタ５０ｂが収容されている。インジェクタ５０ｂには、軸線Ｚ方向に延びる複数の貫通孔が設けられている。また、誘電体窓１８は、中央導入口１８ｉを画成している。中央導入口１８ｉは、空間１８ｓの下方に連続し、且つ軸線Ｚに沿って延びている。かかる構成の中央導入部５０は、導管５０ａを介してインジェクタ５０ｂにガスを供給し、インジェクタ５０ｂから中央導入口１８ｉを介してガスを噴射する。このように、中央導入部５０は、軸線Ｚに沿って誘電体窓１８の直下にガスを噴射する。即ち、中央導入部５０は、電子温度が高いプラズマ生成領域にガスを導入する。
周辺導入部５２は、複数の周辺導入口５２ｉを含んでいる。複数の周辺導入口５２ｉは、主としてウエハＷのエッジ領域にガスを供給する。複数の周辺導入口５２ｉは、ウエハＷのエッジ領域、又は、載置領域ＭＲの縁部に向けて開口している。複数の周辺導入口５２ｉは、中央導入口１８ｉよりも下方、且つ、載置台２０の上方において周方向に沿って配列されている。即ち、複数の周辺導入口５２ｉは、誘電体窓の直下よりも電子温度の低い領域（プラズマ拡散領域）において軸線Ｚを中心として環状に配列されている。この周辺導入部５２は、電子温度の低い領域からウエハＷに向けてガスを供給する。したがって、周辺導入部５２から処理空間Ｓに導入されるガスの解離度は、中央導入部５０から処理空間Ｓに供給されるガスの解離度よりも抑制される。
中央導入部５０には、第１の流量制御ユニット群ＦＣＧ１を介して第１のガスソース群ＧＳＧ１が接続されている。また、周辺導入部５２には、第２の流量制御ユニット群ＦＣＧ２を介して第２のガスソース群ＧＳＧ２が接続されている。図１２は、第１の流量制御ユニット群、第１のガスソース群、第２の流量制御ユニット群、及び、第２のガスソース群を含むガス供給部を示す図である。図１２に示すように、第１のガスソース群ＧＳＧ１、第１の流量制御ユニット群ＦＣＧ１、第２のガスソース群ＧＳＧ２、第２の流量制御ユニット群ＦＣＧ２は、一実施形態のガス供給部ＧＵを構成している。
第１のガスソース群ＧＳＧ１は、複数の第１のガスソースＧＳ１１〜ＧＳ１６を含んでいる。ガスソースＧＳ１１は、水素を含有するガスのソースであり、例えば、Ｈ２ガスのソースである。ガスソースＧＳ１２は、窒素を含有するガスのソースであり、例えば、Ｎ２ガスのソースである。ガスソースＧＳ１３は、フッ素を含有するガスのソースである。フッ素を含有するガスとしては、上述したフルオロカーボンガス、フルオロハイドロカーボンガス、ＮＦ３ガス、及び、ＳＦ６ガスのうち一種以上のガスが用いられ得る。ガスソースＧＳ１１、ガスソースＧＳ１２、及び、ガスソースＧＳ１３は、一実施形態の第１の処理ガスのガスソースである。ガスソースＧＳ１４は、希ガスのソースであり、例えば、Ａｒガスのソースである。また、ガスソースＧＳ１５は、上述したＨＢｒガスのソースである。また、ガスソースＧＳ１６は、Ｏ２ガスのソースである。ガスソースＧＳ１５は、一実施形態の第２の処理ガスを構成するガスのソースである。
第１の流量制御ユニット群ＦＣＧ１は、複数の第１の流量制御ユニットＦＣ１１〜ＦＣ１６を含んでいる。複数の第１の流量制御ユニットＦＣ１１〜ＦＣ１６の各々は、例えば、二つのバルブと、当該二つのバルブ間に設けられた流量制御器を含んでいる。流量制御器は、例えば、マスフローコントローラである。複数の第１のガスソースＧＳ１１〜ＧＳ１６はそれぞれ、複数の第１の流量制御ユニットＦＣ１１〜ＦＣ１６を介して、共通ガスラインＧＬ１に接続されている。この共通ガスラインＧＬ１は、中央導入部５０に接続されている。
第２のガスソース群ＧＳＧ２は、複数の第１のガスソースＧＳ２１〜ＧＳ２６を含んでいる。第２のガスソースＧＳ２１〜ＧＳ２６はそれぞれ、ガスソースＧＳ１１〜ＧＳ１６と同種のガスのソースである。
第２の流量制御ユニット群ＦＣＧ２は、複数の第２の流量制御ユニットＦＣ２１〜ＦＣ２６を含んでいる。複数の第２の流量制御ユニットＦＣ２１〜ＦＣ２６の各々は、例えば、二つのバルブと、当該二つのバルブ間に設けられた流量制御器を含んでいる。流量制御器は、例えば、マスフローコントローラである。複数の第２のガスソースＧＳ２１〜ＧＳ２６はそれぞれ、複数の第２の流量制御ユニットＦＣ２１〜ＦＣ２６を介して、共通ガスラインＧＬ２に接続されている。この共通ガスラインＧＬ２は、周辺導入部５２に接続されている。
このように、プラズマ処理装置１０では、複数の第１のガスソース及び複数の第１の流量制御ユニットが中央導入部５０専用に設けられており、これら複数の第１のガスソース及び複数の第１の流量制御ユニットとは独立した複数の第２のガスソース及び複数の第２の流量制御ユニットが周辺導入部５２専用に設けられている。したがって、中央導入部５０から処理空間Ｓに導入されるガスの種類、中央導入部５０から処理空間Ｓに導入される一以上のガスの流量を独立して制御することができ、また、周辺導入部５２から処理空間Ｓに導入されるガスの種類、周辺導入部５２から処理空間Ｓに導入される一以上のガスの流量を独立して制御することができる。
一実施形態においては、周辺導入部５２は、環状の管５２ｐを更に含む。この管５２ｐには、複数の周辺導入口５２ｉが形成されている。環状の管５２ｐは、例えば、石英から構成され得る。図７に示すように、環状の管５２ｐは、一実施形態においては、側壁１２ａの内壁面に沿って設けられている。換言すると、環状の管５２ｐは、誘電体窓１８の下面と載置領域ＭＲ、即ちウエハＷとを結ぶ経路上には配置されていない。したがって、環状の管５２ｐは、プラズマの拡散を阻害しない。また、環状の管５２ｐが側壁１２ａの内壁面に沿って設けられているので、当該環状の管５２ｐのプラズマによる消耗が抑制され、当該環状の管５２ｐの交換頻度を減少させることが可能となる。さらに、環状の管５２ｐは、ヒータによる温度制御が可能な側壁１２ａに沿って設けられているので、周辺導入部５２から処理空間Ｓに導入されるガスの温度の安定性を向上させることが可能となる。
また、一実施形態においては、複数の周辺導入口５２ｉは、ウエハＷのエッジ領域に向けて開口している。即ち、複数の周辺導入口５２ｉは、ウエハＷのエッジ領域に向けてガスを噴射するよう、軸線Ｚに直交する平面に対して傾斜している。このように周辺導入口５２ｉが、ウエハＷのエッジ領域に向けて傾斜するように開口しているので、当該周辺導入口５２ｉから噴射されたガスの活性種は、ウエハＷのエッジ領域に直接的に向かう。これにより、ガスの活性種をウエハＷのエッジに失活させずに供給することが可能となる。
また、プラズマ処理装置１０は、制御部Ｃｎｔを更に備えている。制御部Ｃｎｔは、プログラム可能なコンピュータ装置といった制御器であり得る。制御部Ｃｎｔは、レシピに基づくプログラムに従ってプラズマ処理装置１０の各部を制御し得る。
方法ＭＴの工程ＳＴ１の実施時には、制御部Ｃｎｔは、ガス供給部ＧＵに第１の処理ガスを供給させ、プラズマ生成部ＰＧにエネルギーを発生させる制御を実行する。この制御により、ガス供給部ＧＵは、ガスソースＧＳ１１、ＧＳ１２、ＧＳ１３、ＧＳ２１、ＧＳ２２、ＧＳ２３からのガスの混合ガスを、第１の処理ガスとして、処理容器１２内に供給する。また、この制御により、プラズマ生成部ＰＧは、マイクロ波を誘電体窓１８を介して、処理容器１２内に導入する。これにより、第１の処理ガスのプラズマが生成され、ウエハＷが当該プラズマに晒される。一実施形態においては、この制御において、制御部Ｃｎｔは、高周波電源ＲＦＧからの高周波バイアス電力のプレート２２、即ち高周波電極への供給を停止させてもよい。
また、方法ＭＴの工程ＳＴ２の実施時には、制御部Ｃｎｔは、ガス供給部ＧＵに希ガスを供給させ、プラズマ生成部ＰＧにエネルギーを発生させる制御を実行する。この制御により、ガス供給部ＧＵは、ガスソースＧＳ１４及びガスソースＧＳ２４からの希ガスを処理容器１２内に供給する。また、この制御により、プラズマ生成部ＰＧは、マイクロ波を誘電体窓１８を介して、処理容器１２内に導入する。これにより、希ガスのプラズマが生成され、ウエハＷが当該プラズマに晒される。一実施形態においては、この制御において、制御部Ｃｎｔは、高周波電源ＲＦＧからの高周波バイアス電力のプレート２２、即ち高周波電極への供給を停止させてもよい。
また、方法ＭＴの工程ＳＴ３の実施時には、制御部Ｃｎｔは、ガス供給部ＧＵに第２の処理ガスを供給させ、プラズマ生成部ＰＧにエネルギーを発生させる制御を実行する。この制御により、ガス供給部ＧＵは、例えば、ガスソースＧＳ１４、ＧＳ１５、ＧＳ１６、ＧＳ２４、ＧＳ２５、ＧＳ２６からのガスの混合ガスを、第２の処理ガスとして、処理容器１２内に供給する。また、この制御により、プラズマ生成部ＰＧは、マイクロ波を誘電体窓１８を介して、処理容器１２内に導入する。これにより、第２の処理ガスのプラズマが生成され、ウエハＷが当該プラズマに晒される。一実施形態においては、この制御において、制御部Ｃｎｔは、高周波電源ＲＦＧからプレート２２、即ち高周波電極に高周波バイアス電力が供給されるよう、高周波電源ＲＦＧを制御してもよい。
また、図６を参照して説明した上述の別の実施形態に係る方法の工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３の実施時には、制御部Ｃｎｔは、ガス供給部ＧＵに第２の処理ガスを供給させ、プラズマ生成部ＰＧにエネルギーを発生させる制御を実行する。この制御により、ガス供給部ＧＵは、例えば、ガスソースＧＳ１４、ＧＳ１５、ＧＳ１６、ＧＳ２４、ＧＳ２５、ＧＳ２６からのガスの混合ガスを、第２の処理ガスとして、処理容器１２内に供給する。また、この制御により、プラズマ生成部ＰＧは、マイクロ波を誘電体窓１８を介して、処理容器１２内に導入する。これにより、第２の処理ガスのプラズマが生成され、ウエハＷが当該プラズマに晒される。また、この制御において、制御部は、当該制御の開始から一定期間においてはバイアス電力を供給せず、当該一定期間の経過後にバイアス電力を供給することにより、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を実施することができる。
１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、２０…載置台、３０…排気装置、ＲＦＧ…高周波電源、ＧＵ…ガス供給部、ＰＧ…プラズマ生成部、Ｃｎｔ…制御部、Ｗ…ウエハ、１００…シリコン層、１０２…マスク、１０４…酸化膜、１０４ａ…変質領域。

Claims (9)

  1. シリコン層及び該シリコン層上に設けられたマスクを有する被処理体の表面に形成された酸化膜を除去して、該シリコン層をエッチングする方法であって、
    前記被処理体を収容した処理容器内において、水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガスのプラズマを生成し、前記酸化膜を変質させて、変質領域を形成する工程と、
    前記処理容器内で希ガスのプラズマを生成して、前記変質領域を除去する工程と、
    前記処理容器内において第２の処理ガスのプラズマを生成して、前記シリコン層をエッチングする工程と、
    を含む方法。
  2. シリコン層及び該シリコン層上に設けられたマスクを有する被処理体の表面に形成された酸化膜を除去して、該シリコン層をエッチングする方法であって、
    前記被処理体を収容した処理容器内において、水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガスのプラズマを生成し、前記酸化膜を変質させて、変質領域を形成する工程と、
    前記処理容器から前記被処理体を取り出さずに前記変質領域を形成する工程に続けて、前記処理容器内で第２の処理ガスのプラズマを生成して、前記変質領域を除去する工程と、
    前記処理容器内において前記第２の処理ガスのプラズマを生成して、前記シリコン層をエッチングする工程と、
    を含む方法。
  3. 前記変質領域を形成する工程、及び、前記変質領域を除去する工程は、無バイアスで実施される、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記第１の処理ガスは、ＳＦ６ガスを含む、請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
  5. 処理容器と、
    前記処理容器内において被処理体を載置するための載置台と、
    前記処理容器内に水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガス、希ガス、並びに、シリコン層のエッチング用の第２の処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内に供給されるガスを励起させるためのエネルギーを発生するプラズマ生成部と、
    前記ガス供給部及び前記プラズマ生成部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記ガス供給部に前記第１の処理ガスを供給させ、前記プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第１制御と、
    前記ガス供給部に前記希ガスを供給させ、前記プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第２制御と、
    前記ガス供給部に前記第２の処理ガスを供給させ、前記プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第３制御と、
    を実行する、
    プラズマ処理装置。
  6. 前記第１制御及び前記第２制御において、前記載置台に対してバイアス電力を供給しない、請求項５に記載のプラズマ処理装置。
  7. 処理容器と、
    前記処理容器内において被処理体を載置するための載置台と、
    前記処理容器内に水素、窒素、及びフッ素を含有する第１の処理ガス、並びに、シリコン層のエッチング用の第２の処理ガスを供給するガス供給部と、
    前記処理容器内に供給されるガスを励起させるためのエネルギーを発生するプラズマ生成部と、
    前記ガス供給部及び前記プラズマ生成部を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、
    前記ガス供給部に前記第１の処理ガスを供給させ、前記プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第１制御と、
    前記第１制御に続けて、前記ガス供給部に前記第２の処理ガスを供給させ、前記プラズマ生成部にエネルギーを発生させる第２制御と、
    を実行する、
    プラズマ処理装置。
  8. 前記第１制御、及び、前記第２制御の開始からの一定期間において、前記載置台に対してバイアス電力を供給せず、前記第２制御において前記一定期間の経過後、前記載置台に対してバイアス電力を供給する、請求項７に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記第１の処理ガスは、ＳＦ６ガスを含む、請求項５〜８の何れか一項に記載のプラズマ処理装置。
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