JP2024036088A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、磁界の発生の応答性を向上させたうえで、所望の密度分布を有するプラズマを形成することができる技術を提供することにある。【解決手段】本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板のプラズマ処理が行われる処理室と、前記処理室内部に配置され、前記被処理基板を保持する試料台と、前記処理室を囲むように配置され、前記処理室内に磁界を形成するソレノイドコイルと、円筒形状であって、中心軸の周りの方向に強磁性体層と絶縁体層が交互に積層された構造を有し、前記ソレノイドコイルを囲むように配置されるヨークと、前記ソレノイドコイルに励磁のための励磁用電力を供給する励磁用電源と、前記励磁用電源を制御し、前記ソレノイドコイルに断続的に前記励磁用電力を供給させる制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

半導体集積回路の技術分野では、その性能向上のために、パターニングの微細化が進展し続けている。これまでに、２次元的な微細化の進展によって、配線長短縮などの技術による性能向上が実現し、また被処理基板１枚あたりに製造できる素子数が増加したので素子１個あたりの製造コストもコストダウンが実現されてきた。一方で半導体素子に求められる加工寸法が原子の寸法に近いナノメートルオーダーに近づくに至り、２次元的な微細化の難易度は、技術的かつ物理的に著しく高まっている。

上記のような技術的な要求に対して、新材料や３次元的な素子構造の適用等といった新たな技術が、半導体製造の製造に採用されている。半導体素子の製造には、従来からプラズマを用いてエッチング等処理するプラズマ処理装置が用いられている。しかし、半導体素子の微細化に伴って、プラズマを用いた処理に起因する歩留まりの低下が問題となっている。特に、基板の径方向における加工後の形状のバラつき（不均一さ）が歩留まりの低下の一因となっていた。

プラズマ処理装置としては、マイクロ波の電界と処理室内に形成する磁界を用いて発生する電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）を利用してプラズマを生成する、所謂ＥＣＲプラズマ処理装置が知られている。ＥＣＲプラズマ処理装置では、基板の径方向についての処理の均一性を向上させるために、生成するプラズマの密度分布を均一にすることが検討されてきた。

例えば、特許文献１では、処理の均一性を向上させたプラズマ処理装置または方法を提供するために、真空容器の内部に配置された処理室と、この処理室内に配置されその上面に処理対象のウェハが載せられる試料台と、前記処理室内に供給される電界を形成する電界形成部と、前記電界と作用して前記処理室内にプラズマを形成するための磁界を形成するコイルと、当該コイルが形成する磁界の強度を所定の間隔で繰り返し増減して処理室内のプラズマの強度を増減する制御器とを備え、前記プラズマの形成と拡散とを繰り返して前記ウェハを処理する技術が開示されている。

国際公開第２０１８／０６１２３５号

従来のプラズマ処理装置において、マイクロ波は、処理室上方に配置されたマイクロ波が透過可能な円板を通して処理室内に導入されるものである。また、マイクロ波が内部を伝播する導波管は、処理室内での周方向についての電界の均一性を高めるために、円筒形を有した処理室の中心軸に軸を合わせて設置されている。この配置のため、処理室内に生成されるプラズマは放電の初期の段階から上記中心軸を含む処理室の中央部で局所的に密度が高いものとなる。結果として、プラズマ処理装置において、プラズマの密度は、処理室中央付近で外周側の領域と比べて大きいものとなっていた。

特許文献１では、ソレノイドコイルへの電力の供給を断続または増減して形成される磁界の大きさを制御することにより、プラズマ中の荷電粒子を拡散させて処理室の径方向についての密度分布の不均一を緩和させている。ここで、発明者らの検討によれば、プラズマが基板の径方向に拡散する時間スケールは一般的なプラズマ処理ではミリ秒から数十ミリ秒であるところ、特許文献１に示される技術においては磁界を形成する際に励磁速度が１００ミリ秒以上かかることが推察された。特許文献１の技術をプラズマ処理に採用する場合、励磁に関する速度を１０倍乃至１００倍に向上することが必要であった。先行技術文献１には、このような問題について考慮されていない。

本発明の目的は、磁界の発生の応答性を向上させたうえで、所望の密度分布を有するプラズマを形成することができる技術を提供することにある。

上記の目的は、被処理基板のプラズマ処理が行われる処理室と、前記処理室内部に配置され、前記被処理基板を保持する試料台と、前記処理室を囲むように配置され、前記処理室内に磁界を形成するソレノイドコイルと、円筒形状であって、中心軸の周りの方向に強磁性体層と絶縁体層が交互に積層された構造を有し、前記ソレノイドコイルを囲むように配置されるヨークと、前記ソレノイドコイルに励磁のための励磁用電力を供給する励磁用電源と、前記励磁用電源を制御し、前記ソレノイドコイルに断続的に前記励磁用電力を供給させる制御部と、を備えるプラズマ処理装置、により達成される。

本発明によれば、磁界の発生の応答性を向上させたうえで、所望の密度分布を有するプラズマを形成することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図２は、ヨークの構成の模式的に示す斜視図である。 図３は、実施形態に係るプラズマ処理装置におけるプラズマ処理の流れを示すタイミングチャートである。 図４は、実施形態におけるエッチング処理の複数のフェーズにおいて、処理室内のプラズマの密度分布を模式的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
「上方」とは、装置を水平に載置した場合の垂直上方の方向を意味する。「上部」とは、装置の上方に位置する部分のことを指す。
「プラズマの密度」とは、プラズマ中に含まれる電子およびイオン等の荷電粒子の密度のことを言う。

（実施形態）
本発明の実施形態例を、図１乃至５を用いて、以下に説明する。

図１を用いて、実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を模式的に示す縦断面図である。

（電界発生に関する構成）
図１において、実施形態のプラズマ処理装置１００は、プラズマの生成加熱源となるマイクロ波電源１０１とマイクロ波チューナー１０２を備える。マイクロ波電源１０１はプラズマ生成用のマイクロ波を発振する。また、マイクロ波チューナー１０２は、導波管１０３を通るマイクロ波の反射波電力を監視し、反射波成分を低減させる機能を有する。マイクロ波導入窓１０８は、例えば石英から構成された円盤形状の部材であり、導波管１０３にて伝送されるマイクロ波を処理室１０７内に導入しかつ処理室１０７内の気密に維持する。マイクロ波電源１０１からマイクロ波は、導波管１０３およびマイクロ波導入窓１０８を通り、処理室１０７に導入される。

処理室１０７においては、被処理基板１１２のプラズマ処理が行われる。また、試料台１１１は、処理室１０７の内部に配置され被処理基板１１２が配置される。処理室１０７は、円筒形状を有しており、ソレノイドコイル１０５および１０６ならびにヨーク１０４によって囲まれる。処理室１０７の下方中央には試料台１１１が設けられており、試料台１１１上に半導体基板等の被処理基板１１２（以下、「ウェハ」ともいう。）が置かれ保持される。試料台１１１の内部には電極が設けられており、この電極には高周波バイアス電力が印加される。高周波バイアス電力は、プラズマ中のイオンを試料台１１１に向けて加速させるための電界を発生させるための電力であり、高周波電源１１３から伝送される高周波電力を試料台１１１と被処理基板１１２および発生するプラズマに起因するインピーダンスに対して高周波整合器１１４にて整合される。

制御部１１５は、高周波電源１１３、消磁用電源１１６および励磁用電源１１８を、目的とするプラズマ処理にあわせて制御する。

（処理ガスに関する構成）
ガス導入口１０９および１１０は、プラズマ処理に必要なガスを処理室１０７に導入する。ガス導入口１０９および１１０は、制御部１１５によって制御される。ガス導入口１０９および１１０は、パルス動作およびスイッチ動作が可能であり、また流量が制御される。これらは制御部１１５によって、目的とするプラズマ処理にあわせて制御される。

また、真空ポンプ１２０は、処理室１０７内に含まれるガスを排気し、また処理室１０７内を所定の圧力に調整する。真空ポンプ１２０は、制御部１１５によって制御される。

（磁界発生に関する構成）
次に、磁界を発生させる構成を説明する。ソレノイドコイル１０５および１０６は、処理室１０７を囲むように配置され、処理室１０７内に磁界を形成する。ソレノイドコイル１０５および１０６は、後述するように発生させる磁場の応答性を確保する観点から、空芯コイルである。また、ヨーク１０４は、円筒形状であって、中心軸の周りの方向に強磁性体層と絶縁体層が交互に積層された構造を有し、ソレノイドコイル１０５および１０６を囲むように配置される。また、ヨーク１０４は、磁界を形成させたい場所に磁束を導く機能を有し、ソレノイドコイル１０５および１０６によって発生した磁束が散逸することを抑制し、処理室１０７内において密度が高くなるようにする。ヨーク１０４の構造について、詳細は後述する。

消磁用電源１１６は、ソレノイドコイル１０５および１０６にヨークおよび処理室を消磁するための電力を供給する。詳しく言うと、消磁用電源１１６は、所定の周期でパルス状の電流（以下、「消磁パルス電流」ともいう。）をソレノイドコイル１０５および１０６に供給する。例えば、消磁用電源１１６は、所定の周期でパルス状の減衰振動波形を有する電流をソレノイドコイル１０５および１０６に供給する。ただし、その電流のピーク値は、ヨーク１０４を構成する強磁性体層２０１の部材が磁気飽和する電流値を上限として設定されている。また、消磁用電源１１６から供給される電流の経路は、励磁用電源１１８からソレノイドコイル１０５および１０６に供給される電流の線路と共用されるものであってもよいし、励磁用電源１１８からの電流の線路とは別に、消磁効率に特化するヨーク表面上に設けられた線路であってもよい。

また、励磁用電源１１８は、ソレノイドコイル１０５および１０６に励磁のための電力を供給する。詳しく言うと、励磁用電源１１８は、所定の周期でパルス状の電流（以下、「励磁パルス電流」ともいう。）をソレノイドコイル１０５および１０６に供給する。例えば、励磁用電源１１８から供給される電流の波形は、前記の電流立ち上がり時間に対して十分なフラットトップを有する矩形波にされる。このような励磁用電源１１８の構成の例としては、所謂パルスフォーミングネットワークとサイリスタやＩＧＢＴなどゲート制御可能な固体スイッチと充電電源で組む放電回路や、十分なコンデンサバンクを有し同じくゲート制御が可能な固体スイッチ制御の放電回路が挙げられるが、実施形態ではこれに限られない。

消磁用電源１１６と励磁用電源１１８を個別に設けることによって、ソレノイドコイル１０５および１０６には消磁または励磁の目的に合わせて電流を流すことができ、消磁または励磁を再現性よく実施することができる。また、消磁用電源１１６の出力パルスの時間幅と励磁用電流源の出力パルスの時間巾は大きく異なるため、高周波フィルタ１１７を２つの電源の間におくことで絶縁を確保する。

制御部１１５は、後述するように、ソレノイドコイル１０５および１０６が磁界を断続的に形成するように制御する。

このような構成を備えたプラズマ処理装置１００において、マイクロ波電源１０１から発振されマイクロ波チューナー１０２にて調整される２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、導波管１０３の内部を伝播してマイクロ波導入窓１０８を透過して処理室１０７に供給される。またソレノイドコイル１０５および１０６によって形成された磁界は、磁力線１１９に示されるように、処理室１０７の中心軸周りに対称であり、かつ処理室１０７を上部から下部に向かうにつれて処理室１０７の中心部から外周側に向かう方向に広がる形状である所謂末広がりの向き（配位）を有する。さらに、処理室１０７には、ガス導入口１０９および１１０を介して処理用のガス（以下、「処理ガス」ともいう。）が導入されている。処理用ガスは、マイクロ波の電界および磁界の相互作用により生起されたＥＣＲによって加熱される。処理ガス中において解離または電離が発生し、ＥＣＲ放電によって処理室１０７内にプラズマが生成される。

（ヨークの構成の詳細）
次に、図１に示すヨーク１０４の構成について、図２を用いて構造および機能を詳細に説明する。図２は、ヨーク１０４の構成を模式的に示す斜視図である。

実施形態においては、ソレノイドコイル１０５および１０６を、消磁用電源１１６および励磁用電源１１８からパルス状の電力を供給して動作させる。このような場合においては、ヨーク１０４および処理室１０７の構造を、処理室１０７内での磁界の拡散過渡現象を考慮して設計することが望ましい。図２に示されるように、ヨーク１０４は、円筒形状を有しており、中心部分に空洞を有している。プラズマ処理装置１００においては、空洞部分に処理室１０７が位置するように配置される。また、ヨーク１０４は、強磁性体層２０１と誘電体層２０２が交互に周方向（中心軸の周りの方向）に積層された構造を有している。層の各々は、ヨーク１０４を上方から見て中心軸ｃａの周りに所定の角度に相当する幅を占めている。別の言い方をすると、層の各々は、ヨーク１０４を上方から見た場合、中心軸ｃａの周りに放射状の形状を有している。図２においては、ヨーク１０４は放射状に２Ｎ個に分割されており、Ｎ個が強磁性体層２０１であり、Ｎ個が誘電体層２０２である（Ｎは正の整数）。なお、強磁性体層２０１は強磁性材料から構成され、誘電体層２０２は誘電低材料から構成される。図１に示されるヨーク１０４の断面視から分かるように、強磁性体層２０１および誘電体層２０２の各々の単体は、逆Ｌ字形を有している。これらが交互に複数繋ぎ合わされて一体に形成された結果、ヨーク１０４は、ソレノイドコイル１０５および１０６を内部に収納するような円筒形状を有した部材として構成される。なお、数値Ｎはヨークの外周長さと後述するτ_ｍおよびｄとの兼ね合いで決定する。

仮に、プラズマ処理装置として、図１に示されるソレノイドコイル１０５および１０６によってならびにヨーク１０４の配置とし、ヨークは、図２に示される態様とは異なり単一の強磁性体によって構成される場合を想定する。パルスもしくは高周波の電力が電磁石に印加されると、ヨークの内部では変位磁界により誘導起電力が発生し、導電性を持つ強磁性体中ではソレノイドコイルによって発生した磁界と逆方向の磁界を発生させようとする反磁性電流がヨークの中心軸ｃａの周りを環状に流れる。この反磁性電流は、ソレノイドコイルによって生成された磁界に影響を与える。このため、ソレノイドコイルによって目的の磁界配位が形成されるまでの時間が長くなり、磁界を形成する応答性が損なわれてしまうという問題が生じる。また、励磁のためのパワーが損失するために、形成される磁界配位が設計値を外れてしまうという問題が生じる。

実施形態におけるプラズマ処理装置１００の場合、ヨーク１０４において、積層構造中に誘電体層２０２が含まれるため、環状の反磁性電流が発生することを抑制することができる。このため、ソレノイドコイル１０５および１０６に電流を流した場合に、磁界を形成する応答性が損なわれることを回避することができるとともに、配位制御精度が向上する。また、誘電体層２０２内への磁界の進入は光速かつ損失がないため、実施形態のヨーク１０４において、誘電体層２０２に挟まれる強磁性体層２０１に磁束を３次元的に進入させることができ、後述する励磁および消磁の速度と精度を向上させることができる。

（処理室における磁界の拡散現象）
また、実施形態においては、処理室１０７内に形成される磁界のオン・オフまたはその強度の増減において高い応答性を実現するために、処理室１０７の構造についても、磁界の拡散現象が考慮される。一般に、導電体（導体）の内部への磁界の浸み込み（磁界の拡散）は、次の磁界拡散方程式に基づく。

ここで、μ、σ、Ｂはそれぞれ透磁率、導電率、磁界（磁束密度）の大きさを示す変数である。単純化して１次元での磁界を仮定する場合、浸み込み時間の代表的な値は次の式で表される。

これより、次の式を得ることができる。

ここで、τ_ｍおよびｄはそれぞれ磁界の浸み込み時間と磁力線に沿った導体の厚みを示す変数である。

実施形態において、処理室１０７を形成する真空容器の部材として金属等の導体を使用する場合、上記の磁界の応答性が損なわれないようにするため、τ_ｍが十分に小さくなるように透磁率および導電率等の物性を持つ材質が選択され、また部材の厚み等の構造も設定される。なお、真空容器の部材として誘電体を使用する場合、導電率が非常に小さく浸み込み時間も極めて小さくなるため、部材の厚みの制約がなく任意の形状を選択することができる。

（プラズマの拡散時間）
処理室１０７内のプラズマの密度分布を考慮するに際し、電磁石にパルス状の電力が供給されて形成される磁界に関して、励磁の時間スケールは、処理室１０７内でのプラズマの半径方向の運動を考慮して設定される。

表１にプラズマ処理装置において利用されるプラズマの典型的な寿命と密度拡散時間を示す。

表１に示す例は、アルゴンガスを用いて形成されたプラズマ（アルゴンプラズマ）、処理室１０７内の圧力が０．１Ｐａ、プラズマの電離度が０．０１、イオン温度が０．１ｅＶ（電子ボルト）、電子温度が１ｅＶと想定したものである。

現象「寿命」は、目安の時間として３０ｍｓ（ミリ秒）から３００ｍｓである。プラズマ中における中性粒子衝突による緩和衝突時間のことをいい、衝突周期の１０倍から１００倍を緩和衝突時間として見積もりを行った。現象「無磁場下拡散（自由拡散）」は、目安の時間として０．７ｍｓ以上である。ウェハ面上を熱速度によって横断する時間のことをいい、実際には衝突が入るため０．７ｍｓ以上として見積もりを行った。現象「有磁場下拡散（０．０８５Ｔ）」は、目安の時間として９８４０ｍｓである。０．０８５Ｔの磁場下でのイオンの衝突による起動シフトに起因する磁力線からの離脱をする時間、言い換えるとウェハ面上の横断時間として、見積もりを行った。現象「弱有磁場下拡散（０．００１Ｔ）」は、目安の時間として５．１４ｍｓである。０．００１Ｔの磁場下でのイオンの衝突による起動シフトに起因する磁力線からの離脱をする時間、言い換えるとウェハ面上の横断時間として、見積もりを行った。

本表から、寿命３０ｍｓから３００ｍｓに対して、プラズマ中の荷電粒子の拡散時間は、磁界が供給されない無磁界の条件下では１ｍｓの時間スケール程度と見積もられるのに対して、強度０．０８７５Ｔの磁界を供給する条件下では１ｓ（秒）近くの時間スケールに増大することが分かる。

このように拡散時間が変動する要因としては、形成された磁界によって、プラズマ中の荷電粒子の処理室１０７の径方向の運動が影響をうけるためと考えられる。このことから、プラズマの寿命が尽きて消失するまでの間に磁界を消失、もしくは低下させることによって、処理室１０７の内部でその径方向にプラズマ中の荷電粒子を十分に拡散させることにより、処理室１０７内の径方向におけるプラズマの密度分布の偏りの低減が実現できると考えられる。

（タイミングチャート）
図３を用いて、実施形態のプラズマ処理装置１００の動作について説明する。図３は、実施形態に係るプラズマ処理装置におけるプラズマ処理の流れを示すタイミングチャートである。図３において、時間の経過に伴う処理の様子が示される。ここでは、チャート「マイクロ波出力」は、プラズマ処理装置１００のマイクロ波電源１０１からのマイクロ波の供給をＯＮ（オン、供給する）またはＯＦＦ（オフ、供給しない）として示す。さらに、チャート「高周波バイアス電流」は、試料台１１１に供給される高周波バイアス電力（単位Ｗ）を示す。チャート「励磁パルス電流（Ａ）」は、励磁用電源１１８から供給される励磁用パルス電流（単位Ａ）を示す。チャート「消磁パルス電流（Ａ）」は、消磁用電源１１６から供給される消磁用パルス電流（単位Ａ）を示す。

実施形態において、被処理基板１１２をエッチング処理するに際して、処理室１０７に連結された別の真空容器からロボットアーム等の搬送用デバイスによって処理前の被処理基板１１２が搬送され、処理室１０７内に配置された試料台１１１上に受け渡される。ロボットアームが処理室１０７から退室して真空容器内部の処理室１０７が密封されると、被処理基板１１２が試料台１１１上に静電吸着されて保持される。さらに、真空引きされ所定の真空度まで減圧された処理室１０７内に、処理の目的に応じたガスが導入され、処理室１０７内が被処理基板１１２の処理に適した範囲内の圧力に維持される。このような処理は、実施形態におけるエッチング処理の開始までに行われる。

なお、図３においては、被処理基板をエッチング処理するための処理用のガスは、ガス導入口１０９および１１０から処理室１０７に継続して導入される。

（プレフェーズ）
最初に、被処理基板１１２が試料台１１１に保持された状態で、プラズマのＥＣＲ放電が行われるまでの間の期間がある。この期間をプレ（ｐｒｅ）フェーズとする。プレフェーズにおいては、制御部１１５は、励磁用電源１１８が励磁用電力を供給する前に、消磁用電源１１６に消磁用電力を供給させる。詳しく言うと、チャート「消磁パルス電流（Ａ）」の時刻ｔ１に示されるように、消磁用電源１１６は、パルス幅τ１の消磁パルス電流を発生させ、ソレノイドコイル１０５および１０６に供給する。これにより、ソレノイドコイル１０５および１０６、ならびにヨーク１０４および処理室１０７内外の壁材の消磁が行われる。これにより、プラズマ処理装置１００のこれらの構成の磁化状態は、磁気を帯びていない状態または共通の磁化状態となる。パルス幅τ１は、このような磁化状態が実現されるようにプラズマ処理装置１００の構成等に基づいて適宜選択される。

なお、制御部１１５は、後述する以降のフェーズにおいても、励磁用電源１１８が励磁用電源を供給する前に、消磁用電源１１６に消磁用電力を供給させる。このようにプラズマ処理装置１００の状態を磁気を帯びていない状態（磁化していない状態）または共通の磁化状態とした後に励磁が行われることによって、形成される磁界が外部の影響を受けることを回避し、所望の磁界を形成することができる。

次に、励磁用電源１１８は、第１電力を供給する。詳しく言うと、チャート「励磁パルス電流（Ａ）」の時刻ｔ_２に示されるように、励磁用電源１１８は、パルス幅τ２の矩形状の励磁パルス電流Ｉ_１を発生させ、ソレノイドコイル１０５および１０６に供給する。一方、消磁用電源１１６は、時刻ｔ_２において、消磁パルス電流の供給を停止する。これにより処理室１０７内にプラズマを形成するための磁界を形成する。

（フェーズＡ（第１の期間））
次に、プラズマを生成する期間が設けられる。この期間をフェーズＡ（第１の期間）とする。フェーズＡにおいて、励磁用電源１１８が第１電力を供給する間、マイクロ波電源１０１がマイクロ波を出力する。詳しく言うと、チャート「マイクロ波出力」に示されるように、マイクロ波電源１０１は、期間τ_３だけマイクロ波を処理室１０７内に供給する。これにより、処理室１０７内の処理用のガスが励起し、電離または解離が進行し、プラズマが生成させる。フェーズＡは、期間τ_３と同じとする。ここで、マイクロ波は、励磁パルス電流（Ａ）が出力されてから期間Δｔ_１が経過した後に出力されている。これは、励磁パルス電流は矩形波として表示されているものの、実際には指数関数的に立ち上る部分がある。すなわち、期間Δｔ_１は、電磁石として機能するソレノイドコイル１０５および１０６と励磁用電源１１８で構成される回路の放電の時定数として決定する。

なお実施形態において、期間τ_２の終期と期間τ_３の終期は同じにされている。つまり、励磁用電源１１８の励磁パルス電流の供給あるいはソレノイドコイル１０５および１０６の磁界の供給と、マイクロ波電源１０１のマイクロ波の供給と、が同じ時刻に終了する。これによって、プラズマのＥＣＲ放電が停止する。

（フェーズＢ（第２の期間））
続いて、生成されたプラズマ中の荷電粒子を処理室の中心部から外周側に向かって拡散させる期間が設けられる。この期間をフェーズＢ（第２の期間）という。フェーズＢはフェーズＡの後の期間であって、フェーズＢにおいて、励磁用電源１１８、第１電力の供給を停止する。詳しく言うと、チャート「励磁パルス電流（Ａ）」に示されるように、プラズマ生成用のマイクロ波の供給が停止してから期間Δｔ_２だけ、励磁用電源１１８は、ソレノイドコイル１０５および１０６に、励磁パルス電流の供給を停止する。処理室１０７内は磁界が形成されない状態であるため、プラズマ中の荷電粒子は、処理室１０７の中央部から外周側に向かって、言い換えると径方向に拡散する。このことにより、プラズマ中の荷電粒子の密度分布が、フェーズＡにおける処理室１０７の中心部が大きく外周側が小さい所謂中高の状態から、中心部が低下し外周側が増大して密度分布の偏りが低減された状態になる。

なお、フェーズＢにおいては、チャート「励磁パルス電流（Ａ）」の破線に示されるように、励磁パルス電流の電流値を、フェーズＡにおける電流値よりも小さい値にしてもよい。これによって、処理室１０７内は弱い磁界が供給された状態であるため磁界の拘束が緩められ、プラズマ中の荷電粒子は、処理室１０７の中央部から外周側に向かって拡散する。このことにより、励磁パルス電流の供給を停止する場合と同様に、プラズマの密度分布の偏りを低減させることが可能になる。また、期間Δｔ_２の間に、消磁用電源１１６は、消磁用パルス電流をソレノイドコイル１０５および１０６に供給する。

（フェーズＣ（第３の期間））
続いて、拡散した状態のプラズマに磁界を形成する期間が設けられる。この期間をフェーズＣ（第３の期間）という。フェーズＣは、フェーズＢの後の期間であって、フェーズＣにおいて、励磁用電源１１８は、第２電力を供給する。詳しく言うと、チャート「励磁パルス電流（Ａ）」に示されるように、Δｔ_２の経過後である時刻ｔ_４において、励磁用電源１１８は励磁パルス電流Ｉ_２の供給を開始する。なお、チャート「消磁パルス電流（Ａ）」およびに示されるように、Δｔ_２の経過後である時刻ｔ_４において、消磁用電源１１６は消磁パルス電流の供給を停止する。励磁用電源１１８から再度、励磁パルス電流がソレノイドコイル１０５および１０６に供給されることによって、ソレノイドコイル１０５および１０６によって形成された磁力線１１９によって示される磁界が処理室１０７内に提供される。この磁界は、フェーズＢにおいて生じたプラズマの拡散を抑制し、径方向においてプラズマの密度分布を維持するように働く。

なお、フェーズＡにおいてはプラズマの生成が行われる一方、フェーズＣにおいてはプラズマの密度分布の維持が行われる。言い換えると、フェーズＡにおいて供給される第１電力は、処理ガスからプラズマを生成させる強度の磁界を形成するための電力である。また、フェーズＣにおいて供給される第２電力は、処理室１０７内の荷電粒子の密度分布が固定される強度または荷電粒子の拡散が抑制される強度の磁界を形成するための電力である。詳しく言うと、チャート「励磁パルス電流（Ａ）」に示されるように、フェーズＡにおいて供給される電流Ｉ_１とフェーズＣにおいて供給される電流Ｉ_２は異なる値に設定されており、実施形態においては、フェーズＡの電流値のほうがフェーズＣにおける電流値よりも高く設定される。

さらに、試料台１１１の内部に配置された電極に、高周波電源１１３から高周波バイアス電力が期間τ_４だけ供給される。このことにより、密度分布の偏りが低減された状態でプラズマ中のイオンが被処理基板１１２に誘引され、被処理基板１１２の処理対象膜のエッチング処理が進行する。

（プラズマの密度分布）
実施形態では、上記プレフェーズ、フェーズＡ、フェーズＢおよびフェーズＣまでの工程を１つのサイクルとして少なくとも１回実施して、被処理基板１１２の処理対象膜のエッチング処理を行う。図４は、実施形態におけるエッチング処理の複数のフェーズにおいて、処理室内のプラズマの密度分布を模式的に示す図である。

ここに示されるように、実施形態において実施されるエッチング処理は、図３に示すプレフェーズ、フェーズＡ、フェーズＢおよびフェーズＣまでの工程を１つのサイクルとし、被処理基板１１２の処理において、当該サイクルが少なくとも１回実施される。なお、制御部１１５が被処理基板１１２の残り膜厚をモニタし、終了条件を満たすことを判定した場合、プラズマ処理のサイクルが停止される。

上記の通り、フェーズＡはプラズマのＥＣＲ放電を生じさせ、プラズマを形成する工程である。図５（ａ）に示されるように、マイクロ波とソレノイドコイル１０５および１０６によって形成された磁界とから生じるＥＣＲによる放電が生じ、プラズマが生成される。なお、図のグラフに関し、「半径」は処理室１０７の中心部から外周部への距離を示し、「プラズマ密度」は処理室１０７におけるプラズマの密度を示す。また、縦縞の模様は、磁界が形成されている状態であることを示す。

また、フェーズＢは、生成されたプラズマを拡散させる工程である。図５（ｂ）に示されるように、フェーズＢにおいて、磁界が消失または強度が低減され、プラズマ中の荷電粒子が処理室１０７の中心部から外周側の領域に向けて拡散して、中心部が大きいプラズマの密度分布の偏りが低減される。

さらにフェーズＣは、プラズマの密度分布を維持および基板のプラズマ処理を行う工程である。図５（ｃ）に示されるように、偏りが低減されたプラズマの密度を維持する磁界が形成される。また、被処理基板１１２に高周波バイアス電力が供給されて、被処理基板１１２のエッチング処理が進行する。

以上の実施形態により、フェーズＡにおいて生成されたプラズマ中の荷電粒子は、フェーズＢにおいて、処理室１０７の中心部から外周側に向かって拡散した状態となる。フェーズＣにおいて、プラズマ中の荷電粒子が拡散した状態において、磁界が形成される。このようにすることで、処理室１０７内のプラズマの密度分布の偏りが低減された状態でプラズマ処理を行うことができ、被処理基板１１２の径方向における形状のバラつきが低減され、処理の歩留まりが向上する。

（実施形態の変更例）
本開示は、実施形態に限るものではなく、種々の変更を含むことが可能である。

例えば、励磁パルス電流および消磁パルス電流に関して、実施形態においては、ソレノイドコイル１０５および１０６に、共通の励磁パルス電流を流し、また、共通の消磁パルス電流を流していた。これに対し、第１変形例として、ソレノイドコイル１０５に供給する電流とソレノイドコイル１０６に供給する電流の比率を変化させることによって、形成する磁界の形状を変化させてもよい。

また、処理ガスに関して、実施形態においては、ガス導入口１０９および１１０から導入される処理ガスは、プレフェーズからフェーズＣの間、継続して供給することとしていた。これに対し、第２変形例として、プレフェーズからフェーズＣにかけて断続的に供給する形態としてもよい。

また、第１変形例と第２変形例を組み合わせてプラズマ中のイオンの拡散速度とラジカルの拡散速度を制御し、さらに磁界発生の制御とを組み合わせることによって、被処理基板における処理の分布均一性をさらに向上できうる。

（作用・効果）
本開示において、ソレノイドコイル１０５および１０６は、空芯コイルとした。また、処理室１０７の部材は、磁界の浸み込み時間τ_ｍおよび導体の厚みｄの観点に基づき構造及び材質を選択した。これによって、ソレノイドコイル１０５および１０６を用いて励磁を行う場合、形成される磁場の応答性を確保することができる。

また、プラズマ中の荷電粒子の寿命を考慮したうえで、フェーズＢにおけるプラズマの拡散工程およびフェーズＣにおけるプラズマの密度分布の維持、を設定している。プラズマの動的な振舞いを考慮したうえで磁界を制御しているため、プラズマ処理に用いるプラズマの密度分布を最適なものとすることができる。

また、ヨーク１０４は、強磁性体層と誘電体層とが積層された構造を有する。これによって、ソレノイドコイル１０５および１０６によって形成された磁束の散逸を低減させるともに、版磁性電流の発生を抑制することができる。また、強磁性体層には３次元方向から磁界を侵入させることができるため、励磁および消磁の速度と精度を向上することができる。

上述のように、磁界の発生の応答性を向上させたうえで、所望の密度分布を有するプラズマを形成することができる。

以上、発明の実施形態について説明したが、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１０１・・・マイクロ波電源、
１０２・・・マイクロ波チューナー、
１０３・・・導波管、
１０４・・・ヨーク、
１０５・・・ソレノイドコイル、
１０６・・・ソレノイドコイル、
１０７・・・処理室、
１０８・・・マイクロ波導入窓、
１０９・・・ガス導入口、
１１０・・・ガス導入口、
１１１・・・試料台、
１１２・・・被処理基板、
１１３・・・高周波電源、
１１４・・・高周波整合器、
１１５・・・制御部、
１１６・・・消磁用電源、
１１７・・・高周波フィルタ、
１１８・・・励磁用電源、
１１９・・・磁力線、
１２０・・・真空ポンプ
２０１・・・強磁性体層、
２０２・・・誘電体層。

Claims (6)

1. 被処理基板のプラズマ処理が行われる処理室と、
   前記処理室内部に配置され、前記被処理基板を保持する試料台と、
   前記処理室を囲むように配置され、前記処理室内に磁界を形成するソレノイドコイルと、
   円筒形状であって、中心軸の周りの方向に強磁性体層と絶縁体層が交互に積層された構造を有し、前記ソレノイドコイルを囲むように配置されるヨークと、
   前記ソレノイドコイルに励磁のための励磁用電力を供給する励磁用電源と、
   前記励磁用電源を制御し、前記ソレノイドコイルに断続的に前記励磁用電力を供給させる制御部と、
   を備えるプラズマ処理装置。
2. 前記励磁用電源は、
   第１電力を供給する第１の期間と、
   前記第１の期間の後であって、前記第１電力の供給を停止する第２の期間と、
   前記第２の期間の後であって、第２電力を供給する第３の期間と、を繰り返しながら前記ソレノイドコイルに断続的に電力を供給する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１電力は、プラズマを生成させる強度の磁界を形成するための電力であり、
   前記第２電力は、前記プラズマ中の荷電粒子の密度分布が固定される強度または前記荷電粒子の拡散が抑制される強度の前記磁界を形成するための電力である、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第３の期間において、前記試料台の内部に配置された電極に高周波バイアス電力が供給される、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記プラズマ処理装置は、前記制御部によって制御され、前記ソレノイドコイルに消磁のための消磁用電力を供給する消磁用電源をさらに備え、
   前記制御部は、前記励磁用電源が前記励磁用電力を供給する前に、前記消磁用電源に前記消磁用電力を供給させる、請求項２に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１の期間、前記第２の期間および前記第３の期間を含む期間を１つのサイクルとし、
   前記制御部は、前記被処理基板の処理において、前記サイクルの期間を少なくとも１回実施させるように制御する、請求項２に記載のプラズマ処理装置。

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