JP6877581B2 - プラズマ処理装置及びそれを用いた試料の処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ照射と被処理試料の加熱によってエッチング処理を行うプラズマ処理装置及びそれを用いた試料の処理方法に関する。
半導体デバイスでは、低消費電力化や記憶容量増大の要求のため、更なる微細化、及び、デバイス構造の３次元化が進んでいる。３次元構造のデバイスの製造では、集積回路をより微細化することに伴い、より高いアスペクト比を有する回路パターンを形成することが求められる。そのため、従来のウエハ面に対して垂直方向にエッチングを行う「垂直性エッチング」に加え、横方向にもエッチングが可能な「等方性エッチング」が多用されるようになる。従来、等方性のエッチングは薬液を用いたウエット処理により行ってきたが、微細化の進展により、薬液の表面張力によるパターン倒れや加工制御性の問題が顕在化している。そのため、等方性エッチングでは、従来の薬液を用いたウエット処理から薬液を用いないドライ処理に置き換える必要が生じている。
等方性エッチングをドライ処理で高精度に行う方法としては、特許文献１には、原子層レベルの制御性でパターンを形成する加工技術の開発が進められている。このような原子層レベルの制御性でパターンを形成する加工技術としてＡＬＥ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌｅｖｅｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ）という技法が開発されているが、特許文献１には、エッチャントガスを被処理体に吸着させた状態でマイクロ波を供給して希ガス（Ａｒガス）による不活性ガスの低電子温度のプラズマを発生させ、この希ガスの活性化によって発生する熱によってエッチャントガスと結合している被処理基体の構成原子を、結合を切断することなく被処理体から分離させることにより被処理体を原子層レベルでエッチング処理する技術が記載されている。
また、特許文献2には、原子層レベルでの制御性で吸着・脱離を行うエッチング方法として、最初にプラズマで生成されたラジカルをウエハ上の被エッチング層の表面に吸着させ、化学反応によって反応層を形成させ（吸着工程）、ウエハに熱エネルギーを付与してこの反応層を脱離させて除去し（脱離工程）、その後ウエハを冷却する（冷却工程）。この吸着工程、脱離工程、冷却工程をサイクリックに繰り返すことによりエッチングを行う方法が記載されている。
この手法では、吸着工程において、表面に形成された反応層が一定の厚さに到達すると、反応層が被エッチング層と反応層の界面にラジカルが到達するのを阻害するようになるため、反応層の成長が急速に減速する。そのため、複雑なパターン形状の内部において、ラジカルの入射量にばらつきがあっても、適度に十分な吸着時間を設定することによって均一な厚さの変質層を形成することができ、エッチング量をパターン形状に依存せずに均一にできるメリットがある。
また、１サイクルあたりのエッチング量を数nmレベル以下に制御できるため、数nmの寸法精度で加工量を調整することができるメリットがある。さらに、被エッチング層の表面に反応層を形成するのに必要なラジカル種と、選択比を取りたい（削りたくない）膜をエッチングしてしまうラジカル種が異なることを利用して高選択なエッチングが可能となるメリットもある。
国際公開ＷＯ ２０１３/１６８５０９ 号 特開２０１７−１４３１８６号公報
原子層レベルでのエッチングを制御するためには、プラズマによる試料の表面へのダメージをできるだけ小さくし、かつ、エッチング量の制御精度を高くする必要がある。これに対応する方法として、特許文献１および２に記載されているように、エッチャントガスを被処理基体の表面に化学吸着させて、これに熱エネルギーを加えて被処理基体の表面層を脱離させる方法がある。
しかし、特許文献１に記載されている方法では、マイクロ波で活性化した低電子温度の希ガスで被処理基体の表面を加熱する方式であるので、被処理基体の加熱時間を短くして処理のスループットを上げることができないという点で問題がある。
一方、特許文献２に記載された真空処理装置では、被処理基体の表面の加熱に赤外光を放射するランプを複数用いているために、この複数のランプそれぞれに印加する電圧を制御することで、被処理基体であるウエハを比較的短時間で加熱することができる。また、ウエハを加熱するときに比較的高エネルギーの荷電粒子などがウエハの表面に入射することがないので、ウエハの表面にダメージを与えることなくエッチャントガスを吸着して表面層を脱離させることができる。
しかし、ランプを用いて加熱する場合、プラズマ生成室の内部のプラズマ発生領域で生成されたラジカルのウエハ表面への流れを阻害しないようにランプをウエハの周囲に配置する構成となっている。そのめに、ウエハの中心部と周辺部とではランプからの距離が異なり、ウエハの周辺部の温度に対して中心部の温度は低くなり、ウエハの全面で表面層を脱離させる場合に、ウエハ中心部の処理時間がスループットを決定する要因になってしまう。
これを解決する方法として、ランプの出力を上げてウエハ中心部の昇温速度を上げればよいが、この場合、ウエハ周辺部が必要以上に高温になってしまい、ウエハ周辺部分に形成したデバイスにダメージを与えてしまうおそれがある。
本発明は、上記した従来技術の課題を解決して、ウエハを均一に過熱できるようにして、処理のスループットを上げることを可能にするプラズマ処理装置及びそれを用いた試料の処理方法を提供するものである。
上記した課題を解決するために、本発明では、処理ガスを導入したプラズマ発生室内にプラズマ発生手段でプラズマを発生させた状態でプラズマ発生室と接続している処理室の内部の試料台に載置した試料の表面に反応物の層を形成する吸着工程と、試料室の外部に配置した加熱用ランプと試料台の内部に設置したヒータとで試料を加熱して反応物の層を気化させて反応物の層を試料の表面から脱離させる脱離工程と、離脱工程で加熱した試料を冷却する冷却工程とを含む処理工程を複数回繰り返して試料を処理する試料の処理方法において、吸着工程において、加熱用ランプとヒータとを制御部でフィードフォワード制御して試料を第一の温度状態に設定し、脱離工程において、制御部で加熱用ランプとヒータとを制御して試料を加熱するときに、ヒータをフィードバック制御して試料を第二の温度状態に設定するようにした。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、プラズマ処理装置を、プラズマ発生室と、このプラズマ発生室の内部に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、プラズマ発生室の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、試料を載置する試料台を内部に備えてプラズマ発生室と接続する処理室と、この処理室の外部に配置されて試料台に載置された試料を加熱する複数の加熱用ランプと、試料台の内部に設置されて試料台を加熱する複数のヒータと、試料台の内部で複数のヒータに対応して設置されて試料台の温度を計測する複数の温度計測素子と、処理ガス供給部とプラズマ発生部と複数の加熱用ランプと複数のヒータとを制御する制御部とを備えて構成し、制御部は、プラズマ発生部を制御してプラズマ発生室の内部にプラズマを発生させた状態で、予め求めておいた複数の加熱用ランプと複数のヒータと前記試料台に載置された試料の表面の温度との関係に基づいて複数の加熱用ランプと複数のヒータとをフィードフォワード制御する機能と、プラズマ発生部を制御してプラズマ発生室の内部のプラズマを消滅させた状態で複数の加熱用ランプを制御して試料を加熱すると共に複数の温度計測素子で計測した試料台の温度に基づいて複数のヒータをフィードバック制御する機能とを備えるようにした。
本発明によれば、被処理基体全面でのエッチングレートを均一化でると共に、エッチング処理のスループットを上げることができるようになった。
図１は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の概略の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の試料台の構成を示す試料台の断面図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置で、ウエハの温度と試料台の温度との関係を調べるために、ウエハに温度測定素子を実装した状態を示すウエハの平面図である。 図４は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の制御系等を示すブロック図である。 図５は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の制御部の内部構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置を用いてウエハを処置するときの各部の動作のタイミングを示すタイミングチャートである。 図７は、本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理装置の制御系等を示すブロック図である。
本発明は、原子層レベルでの制御性で吸着・脱離を行うエッチング方法において、吸着工程の初期にヒータ及びランプからの熱量の各々を予め定められた値に調節するフィードフォワード（Ｆｅｅｄ−Ｆｏｒｗａｒｄ）制御を行い、脱離工程において前記ランプからの熱量を試料台内部に配置された検知器から検出された温度と目標の値との差に基づいてフィードバック（Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ）する制御を行うようにして、処理のスループットを向上させたものである。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
まず、図１を用いて本発明の実施例に係るプラズマ処理装置１００の全体構成を含めて概略を説明する。
処理室１はベースチャンバー１１により構成され、その中には被処理試料であるウエハ２（以下ウエハ２と記す）を戴置するための試料台であるウエハステージ４（以下、ステージ４と記す）が設置されている。処理室１の上方には、石英チャンバ１２とＩＣＰコイル３４及び高周波電源２０を備えたプラズマ源が設置されており、プラズマ源にはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma: 誘導結合プラズマ）放電方式を用いている。ＩＣＰプラズマ源を構成する円筒型の石英チャンバ１２が処理室１の上方に設置されており、石英チャンバ１２の外側にはＩＣＰコイル３４が設置されている。
ＩＣＰコイル３４にはプラズマ生成のための高周波電源２０が整合機２２を介して接続されている。高周波電力の周波数は１３．５６ＭＨｚなど、数十ＭＨｚの周波数帯を用いるものとする。石英チャンバ１２の上部には天板６が設置されている。天板６にはシャワープレート５が設置されており、その下部にはガス分散板１７が設置されている。処理ガスは、ガス分散板１７の外周から処理室１内に導入される。
処理ガスはガス種毎に設置されたマスフローコントローラ５０によって供給流量が調整される。図１ではＮＨ３、Ｈ２、ＣＨ２Ｆ２、ＣＨ３Ｆ、ＣＨ３ＯＨ、Ｏ２、ＮＦ３、Ａｒ、Ｎ２、ＣＨＦ３、ＣＦ４、ＨＦを処理ガスとして図に記載してあるが、他のガスを用いてもよい。
処理室１の下部には処理室を減圧するため、真空排気配管１６によって、排気手段１５に接続されている。排気手段１５には、例えば、ターボ分子ポンプやメカニカルブースターポンプやドライポンプで構成されるものとする。また、処理室１や放電領域３の圧力を調整するため、調圧手段１４が排気手段１５の上流側に設置されている。
ステージ４とＩＣＰプラズマ源を構成する石英チャンバ１２との間には、ウエハ２を加熱するためのＩＲ（Infrared：赤外）ランプユニットが設置されている。ＩＲランプユニットは、ＩＲランプ６２、ＩＲ光を反射する反射板６３、ＩＲ光透過窓７７を備えている。ＩＲランプ６２にはサークル型（円形状）のランプを用いる。なお、ＩＲランプ６２から放射される光は、可視光から赤外光領域の光を主とする光（ここではＩＲ光と呼ぶ）を放出するものとする。図1に示した構成では、ＩＲランプ６２として３周分のＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３が設置されているものとしたが、２周、４周などとしてもよい。ＩＲランプ６２の上方にはＩＲ光を下方（ウエハ２の設置方向）に向けて反射するための反射板６３が設置されている。
ＩＲランプ６２にはＩＲランプ用電源６４が接続されており、その途中には、高周波電源２０で発生するプラズマ生成用の高周波電力のノイズがＩＲランプ用電源６４に流入しないようにするための高周波カットフィルタ２５が設置されている。また、ＩＲランプ６２−１、６２−２、６２−３に供給する電力がお互いに独立に制御できるような機能がＩＲランプ用電源６４には設置されており、ウエハの加熱量の径方向分布を調節できるようになっている。
ＩＲランプユニットの中央には、マスフローコントローラ５０から石英チャンバ１２の内部に供給されたガスを処理室1の側に流すための、ガスの流路７５が形成されている。そして、このガスの流路７５には、石英チャンバ１２の内部で発生させたプラズマ中で生成されたイオンや電子を遮蔽し、中性のガスや中性のラジカルのみを透過させてウエハ２に照射するための複数の穴の開いたスリット板７８が設置されている。
図１において、６０は石英チャンバ１２を覆う容器であり、４１１はステージ４とベースチャンバー１１の底面との間で真空封止するためのＯリングである。
制御ユニット４０は、高周波電源２０からＩＣＰコイル３４への高周波電力供給のＯＮ−ＯＦＦを制御する。また、マスフローコントローラ制御部５１を制御して、それぞれのマスフローコントローラ５０から石英チャンバ１２の内部へ供給するガスの種類及び流量を調整する。この状態で制御ユニット４０は更に排気手段１５を作動させると共に調圧手段１４を制御して、処理室１の内部が所望の圧力（真空度）となるように調整する。
更に、制御ユニット４０は、静電吸着用の直流電源３３を作動させてウエハ２をステージ４に静電吸着させ、Ｈｅガスをウエハ２とステージ４との間に供給するマスフローコントローラ５０を作動させた状態で、温度計測部８０に接続する複数の温度計測素子で計測して求めたウエハ２の温度分布情報に基づいて制御ユニット４０で演算して、ウエハ２の温度が全面に渡って所定の温度範囲になるようにＩＲランプ用電源６４、ヒータ電源７０、チラー３８を制御する。
ステージ４の内部の構成を、図２に示す。
ステージ４の上面には、誘電体で形成された静電吸着膜３１が配置されており、その内部に１対の電極３２を内蔵している。１対の電極３２は、それぞれ直流電源３３に接続している。直流電源３３により１対の電極３２に電力を印加することにより静電吸着膜３１の表面に静電気力が発生して、静電チャックとして作用する（以下、１対の電極３２と静電吸着膜３１とを総称して静電チャック３０と記す）。直流電源３３は制御ユニット４０で制御される。
また、ウエハ２を効率よく冷却するため、ステージ４に載置されたウエハ２の裏面とステージ４との間にガス供給管５３を介してヘリウムガス（Ｈｅガス）を供給できるようになっている。また、静電チャック３０を作動させてウエハ２を静電吸着したまま、加熱・冷却を行っても、ウエハ２の裏面に傷がつかないようにするため、ステージ４の表面（ウエハ戴置面）はポリイミド等の樹脂でコーティングされているものとする。
ステージ４に内部で静電吸着膜３１の下側には、第１ヒータ７１と、第２ヒータ７２、第３ヒータ７３、第４ヒータ７４が配置されている。そして、第１ヒータ７１はケーブル７１１で、第２ヒータはケーブル７２１で、第３ヒータ７３はケーブル７３１で、第４ヒータ７４はケーブル７４１でそれぞれヒータ電源７０と接続されている。ヒータ電源７０は制御ユニット４０で制御される。
各ヒータの下側には、それぞれのヒータに対応して、第１ヒータ７１の下部には第１の温度計測素子８１、第２ヒータ７２の下部には第２の温度計測素子８２、第３ヒータ７３の下部には第３の温度計測素子８３、第４ヒータ７４の下部には第４の温度計測素子８４が配置されている。そして、第１の温度計測素子８１はケーブル８１１で、第２の温度計測素子８２はケーブル８２１で、第３の温度計測素子８３はケーブル８３１で、第４の温度計測素子８４はケーブル８４１でそれぞれ温度計測部８０と接続している。温度計測部８０は制御ユニット４０と接続している。
更に、ステージ４の内部で各温度計測素子の下側には、チラー３８から送り出された冷媒をステージ４の内部で循環させてステージ４を冷却するための冷媒の流路３９が形成されている。チラー３８は制御ユニット４０で制御される。
上記した構成を用いてウエハ２の表面に形成された薄膜を原子層レベルでの制御性で吸着・脱離を行うエッチング処理プロセスにおいては、工程に応じてウエハ２を所望の温度に加熱して処理を行う。
ここで、ＩＲランプ６２でウエハ２を加熱したときに、エッチングレートがウエハ２の全面に渡って均一となるような温度分布になるように加熱されればよいが、実施には、リング形状のＩＲランプ６２（６２−１，６２−２，６２−３）とウエハ２との位置関係から、ＩＲランプ６２でウエハ２を加熱したときに、ウエハ２の面上でＩＲランプ６２に比較的近い距離にある部分が加熱されやすく、ＩＲランプ６２から比較的遠い距離にあるウエハ２の中心部分付近との間に温度差が生じてしまう場合がある。
これにより、ウエハ２の全面に渡って所望の温度分布となるように制御することが難しい。これは、ＩＲランプ６２の加熱によるウエハ２の昇温速度を上げようとして、ＩＲランプ用電源６４からＩＲランプ６２に比較的大きな電力を印加した場合に顕著になる。
このように、ウエハ２の面内の温度が所望の温度分布とならなかった場合、ウエハ２の面内での反応層の形成速度や、エッチングレートに差が生じてしまう。即ち、入射熱量が比較的多くて昇温速度が速いウエハ２の周辺部分に対して、入射熱量が比較的少なく昇温速度が比較的遅いウエハ２の中心部付近の反応層の形成速度が遅くなったり、エッチングレートが遅くなってしまう。その結果、処理のスループットがエッチングレートの低いウエハ２の中心部付近の処理時間に左右されてスループットを上げることができなかったり、エッチング処理にむらが生じてエッチング処理後の品質にばらつきが生じてしまうという問題が発生する場合がある。
これに対して本実施例では、ステージ４の内部に、分割した第１から第４のヒータ７１−７４を同心円状に配置し、各ヒータの下に第１から第４の温度計測素子８１−８４を装着し、第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出した温度に基づいて、第１から第４のヒータ７１−７４によるステージ４の加熱を制御するように構成した。これにより、ＩＲランプ６２による加熱だけでは所望の温度分布から外れてしまうのを補正して、ウエハ２の全面に渡っての反応層の形成速度やエッチングレートを均一化できるようにし、エッチング処理を均質化してエッチング処理後の品質のばらつきを抑えると共に、スループットの向上が図れるようにした。
ここで、第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出できるのは、ステージ４の内部の温度であって、実際に処理を行うウエハ２の表面の温度ではない。一方、処理中のウエハ２の表面の温度を直接測定することは難しい。そこで、ウエハ２の表面の複数の箇所の温度と第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出した温度との関係を予め求めておいて、第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出した温度に基づいて、ウエハ２の表面で所望の温度分布となるように、ＩＲランプ６２を構成する３周分のＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３、及び、第１から第４のヒータ７１−７４によるステージ４の加熱を制御すればよい。
すなわち、ウエハ２の表面の複数の箇所の温度と第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出した温度との関係として、３周分のＩＲランプ６２であるＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３、及び、第１から第４のヒータ７１−７４によりウエハ２を全面に渡って均一に加熱するための、ウエハ２の表面の温度と第１から第４の温度計測素子８１−８４の温度計測素子で検出した温度との関係をデータベースとして備えておけばよい。
そこで、本実施例においては、ウエハ２に代えて図３に示すような表面の複数の箇所（図３に示した例では４箇所）に、温度計測部８０に接続する温度センサ９１−９４（例えば、熱電対）を取り付けたテストウエハ２１をステージ４に載置して、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３への印加電圧を変化させてテストウエハ２１を加熱したときの温度センサ９１−９４で検出した温度と第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出した温度との関係を調べて、それをデータベース化した。
但し、実際には、３つのＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３との対応関係を容易にさせるために、第１から第４の温度計測素子８１−８４うち、例えば第２の温度計測素子８２を除いた３つの温度計測素子８１，８２、８４で検出した温度との関係をデータベース化した。
また、このテストウエハ２１をステージ４に載置した状態で、ヒータ電源７０による第１から第４のヒータ７１−７４への印加電圧を変化させてテストウエハ２１を加熱したときの温度センサ９１−９４で検出した温度と第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出した温度との関係を調べて、それをデータベース化した。
これにより、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３でウエハ２を加熱したとき、及び第１から第４のヒータ７１−７４でウエハ２を加熱したときの第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出したステージ４の温度から、ウエハ２の温度分布を推定することができる。
また、逆に、このデータベースを元に、ウエハ２の温度分布を所望の温度分布とするためのＩＲランプ用電源６４からＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３への電圧印加条件、及び、ヒータ電源７０から第１から第４のヒータ７１−７４への電圧印加条件を設定することができる。
本実施例では、図４に示すように、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３によるウエハ２の加熱と、第１から第４のヒータ７１−７４を用いた初期のステージ４の加熱とを、図５に示す制御ユニット４０の記憶部４１に記憶されているデータベースに基づいて、フィードフォワード制御で行い、第１から第４のヒータ７１−７４に対してはフィードバック制御も行うようにした。
即ち、フィードフォワード制御においては、入力された目標値に基づいて、制御ユニット４０のＩＲランプ制御初期値演算部４３において、記憶部４１に記憶されているデータベースを参照してウエハ２の温度が所望の分布となるようなＩＲランプ６２−１乃至６２−３に印加する電圧を算出する。
ＩＲランプ制御部４５は、ＩＲランプ制御初期値演算部４３で算出したＩＲランプ６２−１乃至６２−３に印加する電圧に基づいてＩＲランプ用電源６４を制御して、ＩＲランプ６２−１乃至６２−３に所定の電圧を印加する。
一方、ヒータ制御初期値演算部４２においては、フィードフォワード制御において、入力された目標値に基づいて記憶部４１に記憶されているデータベースを参照してウエハ２の温度が所望の分布となるような第１から第４のヒータ７１−７４に印加する電圧を算出する。
ヒータ制御部４４は、ヒータ制御初期値演算部４２で算出した第１から第４のヒータ７１−７４に印加する初期の電圧に基づいてヒータ電源７０を制御して、第１から第４のヒータ７１−７４に初期の電圧として所定の電圧を印加する。
このような構成を用いて、ウエハ２の表面に形成された薄膜を原子層レベルでエッチング処理する工程を、図６に示したタイムチャートを用いて説明する。エッチング処理は、吸着工程６１０と脱離工程６２０と冷却工程６３０とに分けられる。図６には、（ａ）放電、（ｂ）ＩＲランプ加熱、（ｃ）ヒータ加熱、（ｄ）冷却ガス供給、（ｅ）ステージ温度、（ｆ）ウエハ温度について、吸着工程６１０と脱離工程６２０と冷却工程６３０とにおけるそれぞれの状態の変化の様子を示す。
まず、吸着工程６１０に先立って、図示していない搬送手段を用いて、ステージ４の上面にウエハ２を載置し、直流電源３３で１対の電極３２間に電圧を印加して、静電チャック３０として作動させることにより、ウエハ２は、ステージ４の上面に保持される。
この状態で、制御ユニット４０で排気手段１５を作動させ処理室１の内部を排気し、処理室１の内部が所定の圧力（真空度）に達した段階で、マスフローコントローラ制御部５１を制御して、所定のマスフローコントローラ５０から石英チャンバ１２の内部に、処理用のガスを供給する。この所定のマスフローコントローラ５０から石英チャンバ１２の内部に供給する処理用のガスの流量、又は調圧手段１４の排気量の何れか又は両方を調整することにより、処理室１の内部の圧力を予め設定した圧力（真空度）に維持する。
ここで、ウエハ２の表面にシリコン系の薄膜が形成されており、このシリコン系の薄膜をエッチング処理する場合には、所定のマスフローコントローラ５０から石英チャンバ１２の内部に供給する処理用のガスとしては、例えばＮＦ３，ＮＨ３またはＣＦ系のガスが用いられる。
このように処理室１の内部に処理用のガスが導入されて処理室１の内部の圧力が予め設定した圧力（真空度）に維持された状態で、吸着工程６１０として、制御ユニット４０で高周波電源２０を作動させてＩＣＰコイル３４に高周波電力を印加して、ＩＣＰコイル３４で囲まれた石英チャンバ１２の内部にプラズマを発生させる。（図６（ａ）の放電ＯＮ：６０１の状態）。
石英チャンバ１２には、内部に供給されたガスを処理室1の側に流すための、ガスの流路７５が形成されている。そして、このガスの流路７５には、石英チャンバ１２の内部で発生させたプラズマ中で生成されたイオンや電子を遮蔽し、中性のガスや中性のラジカルのみを透過させてウエハ２に照射するための複数の孔が形成されたスリット板７８が設置されている。
これにより、この石英チャンバ１２の内部で発生したプラズマは、スリット板７８に形成された複数の孔を通って処理室１の側に流れようとするが、スリット板７８の孔の壁の部分に形成されるシース領域を通り抜けることができず、石英チャンバ１２の内部に留まる。
一方、石英チャンバ１２の内部に供給された処理ガスの一部には、プラズマ化したガスにより励起されるがプラズマ化はしていない、いわゆる励起ガス（ラジカル）が存在する。この励起ガスは極性を持たないので、スリット板７８の孔の部分に形成されるシース領域を通り抜けることができ、処理室１の側に供給される。
処理室１の側で、ウエハ２は静電チャック３０により吸着され、ウエハ２と静電チャック３０の表面との間には、ガス供給管５３から冷却用のガス（Ｈｅ）が供給されている（図６（ｄ）のＯＮ：６３１の状態）。
この時、ＩＲランプ６２に電圧を印加して図６（ｂ）のＩＲランプ加熱を６１１の状態にし、第１から第４のヒータ７１−７４に電圧を印加して図６（ｃ）のヒータ加熱を６２１の状態にし、ステージ４の温度を図６（ｅ）の６４１にして、ウエハ２の温度を図６（ｆ）の６５１の状態に設定する。ここでウエハ２の温度は、ウエハ２の表面に吸着された励起ガスがウエハ２の表面層と反応して反応層を形成するがそれ以上に反応が進まないようにさせるのに適した温度（例えば、室温±２０℃）に設定され、維持されている。
ウエハ２の温度を図６（ｆ）の６５１の状態に設定するために、ＩＲランプ６２−１乃至６２−３と第１から第４のヒータ７１−７４とに対して、それぞれフィードフォワード制御を行う。
この状態で、処理室１の側に供給された励起ガスの一部は、ステージ４の上面に保持されているウエハ２の表面に吸着され、ウエハ２の表面層との間で反応層を形成する。
処理室１の側に励起ガスを一定の時間（図６の時刻ｔ０から時刻ｔ１の放電がＯＮ：６０１の間）供給し続けて、ウエハ２の表面に形成されたシリコン系の薄膜の表面の全面に反応層が形成された後、高周波電源２０からＩＣＰコイル３４への高周波電力の供給を遮断して、石英チャンバ１２内部でのプラズマの発生を停止する（図６（ａ）の放電がＯＦＦ：６０２の状態）。これにより、石英チャンバ１２から処理室１への励起ガスの供給が停止して吸着工程６１０を終了する。
この状態で、ガス供給管５３からの冷却用ガス（Ｈｅ）の供給を停止して（図６（ｄ）の冷却ガス供給ＯＦＦ：６３２の状態）ウエハ２の冷却を中止する。
次に脱離工程６２０に入り、フィードフォワード制御によりＩＲランプ用電源６４からＩＲランプ６２に脱離工程用の電力を供給して（図６（ｂ）のランプ加熱ＯＮ：６１２の状態）、ＩＲランプ６２を発光させる。また、フィードフォワード制御によりヒータ電源７０から第１から第４のヒータ７１-７４に脱離工程用の電力を供給して（図６（ｃ）のヒータ加熱ＯＮ：６２２の状態）、第１から第４のヒータ７１-７４でステージ４を加熱する。
この発光したＩＲランプ６２からは赤外光が発射され、石英のＩＲ光透過窓７７を透過した赤外光により、ステージ４上に載置されたウエハ２は加熱され、更に、第１から第４のヒータ７１-７４で加熱されたステージ４から熱を受けて（図６（ｅ）のステージ温度：６４２）、ウエハ２の温度は上昇する（図６（ｆ）のウエハ温度：６５２１）。
ＩＲランプ加熱ＯＮ：６１２の状態を持続させてウエハ２の温度が所定の温度（例えば、２００℃）に到達すると、フィードフォワード制御によりＩＲランプ用電源６４からＩＲランプ６２に供給する電力を切替えてＩＲランプ加熱ＯＮ：６１３の状態にする。
一方、ヒータ加熱ＯＮ：６２２の状態についても、一定の時間が経過した後にヒータ電源７０から第１から第４のヒータ７１-７４に供給する電力を切替えてヒータ加熱ＯＮ：６２３の状態にするが、この時、ウエハ２の温度が温度：６５２２のように所定の温度範囲に維持されるように、第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出したステージ４の温度（図６（ｅ）の温度：６４３の状態）と目標とするステージ４の温度との差分（残差）に基づいて、第１から第４のヒータ７１−７４をフィードバック制御して補正するようにした。
このように、ＩＲランプ６２から発射された赤外光と第１から第４のヒータ７１−７４とで加熱されたウエハ２が、所定の温度範囲に一定の時間維持されると（図６（ｆ）の温度：６５２２の状態）、ウエハ２の表面に形成された反応層を形成する反応性生物が気化してウエハ２の表面から脱離する。その結果、ウエハ２の最表面層が、１層分除去される。
ＩＲランプ６２と第１から第４のヒータ７１−７４とによりウエハ２を所定の時間（図６（ｂ）の時刻ｔ１におけるランプ加熱ＯＮ：６１２の開始から時刻ｔ２におけるランプ加熱ＯＮ：６１３の終了までの時間）加熱した後、ＩＲランプ用電源６４からＩＲランプ６２への電力の供給を停止し、ＩＲランプ６２による加熱を終了（図６（ｂ）のランプ加熱ＯＦＦ：６１４）すると共に、ヒータ電源７０から第１から第４のヒータ７１-７４への電力の供給を停止して（図６（ｃ）のヒータ加熱ＯＦＦ：６２４）、脱離工程６２０を終える。
この状態で、ガス供給管５３からウエハ２の裏面と静電チャック３０との間への冷却用ガス（Ｈｅ）の供給を開始する（図６（ｄ）の冷却ガス供給ＯＮ：６３３の状態：冷却工程６３０）。この供給された冷却ガスにより、冷媒の流路３９を流れる冷媒により冷却されているステージ４とウエハ２との間で熱交換が行われる。このとき、冷媒により冷却されたステージ４の温度は比較的短い時間で低下して、図６(e)の曲線６４４から６４５に示されているように冷却される。これにより、ウエハ２の温度は、図６（ｄ）のウエハ温度：６５３１の曲線で示すように、反応層を形成するのに適した温度（図６（ｄ）のウエハ温度６５３２）になるまで比較的短い時間で冷却され、冷却工程６３０を終了する。
ここで、ウエハ２のエッチング処理が完了していない場合（ウエハ２の表面に、エッチングして除去すべき薄膜が未だ残っている場合）は、吸着工程６１０と脱離工程６２０と冷却工程６３０とを繰り返して実行する。
このように、吸着工程６１０においてウエハ２の表面に反応層を形成するのに適した温度にウエハ２を加熱し、また、脱離工程６２０でウエハ２を過熱している時間：６３２において、ウエハ２を必要以上に加熱することなく、反応性生物をウエハ２の表面から脱離させるのに必要な温度に維持しているので、ウエハ２の表面全面に渡って均一なエッチング処理を行うことができ、エッチング処理の高品質化を図ることができる。
更に、ウエハ２の冷却時に、比較的短い時間でウエハ２を表面に吸着された励起ガスが反応層を形成するのに適した温度にまで冷却することができるので、冷却の時間：６３３を、加熱時のウエハ２の温度を制御しない場合と比べて短くすることができ、１サイクルの時間を短縮して、処理のスループットを上げることができる。
上記に説明したようにして、石英チャンバ１２の内部にプラズマを発生させて生成した励起ガスをウエハ２の表面に付着させることから始まり、ＩＲランプ６２を発光させてウエハ２を加熱し反応性生物がウエハ２の表面から気化して脱離させた後、ウエハ２の温度が反応層を形成するのに適した温度になるまで冷却するまでのサイクルを所定の回数繰り返すことにより、ウエハ２の表面に形成された薄膜層を１層ずつ、所望の層数を除去することができる。
このように、ＩＲランプ６２−１乃至６２−３と第１から第４のヒータ７１−７４に対してフィードフォワード制御を行うことにより、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３によるウエハ２だけで加熱する場合、または、第１から第４のヒータ７１−７４だけで加熱する場合と比べてウエハ２の昇温速度を上げることができ、ウエハ２の温度が目標温度に達するまでの時間を短縮してスループットを上げることができるようになる。
更に、本実施例では、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３と第１から第４のヒータ７１−７４とによる加熱開始後における第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出したステージ４の各部の温度と目標とするステージ４の各部の温度との差分（残差）に基づいて、第１から第４のヒータ７１−７４をフィードバック制御して補正するようにした。
ウエハ２の温度を、ウエハ２の全面に亘って均一になるように加熱した場合、ウエハ２の周辺部は、ウエハ２の中心部よりもエッチングが早く進み、均一なエッチング処理が行われない。これを解消するには、ウエハ２の中心部付近がウエハ２の周辺部よりも温度が高くなるように加熱すればよい。第１から第４のヒータ７１−７４を上記に説明したようなフィードバック制御を行うことにより、ウエハ２の各部を所望の温度に設定することができ、エッチング処理の均一性を向上させてエッチングの精度を上げることができるようになった。
以上に説明したように、エッチング処理の初期においてはＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３と第１から第４のヒータ７１−７４とをフィードフォワード制御してウエハ２を短時間で目標温度にまで加熱し、ウエハ２の加熱開始後に第１から第４の温度計測素子８１−８４で検出したステージ４の温度に基づいて第１から第４のヒータ７１−７４をフィードバック制御を行うことにより、エッチング処理の精度を上げると共に、スループットを向上させることができるようになった。
上記した第１の実施例では、エッチング処理の前半の吸着工程６１０においてはＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３と第１から第４のヒータ７１−７４とをフィードフォワード制御してウエハ２を加熱し、後半の脱離工程６２０において第１から第４のヒータ７１−７４をフィードバック制御を行う方法について説明した。
これに対して、本実施例においては、エッチング処理の前半の吸着工程６１０においてはＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３と第１から第４のヒータ７１−７４とをフィードフォワード制御してウエハ２を加熱する点においては実施例１の場合と同じであるが、後半の脱離工程６２０において、第１から第４のヒータ７１−７４に対するフィードバック制御に加えて、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３もフィードバック制御を行う構成とした。それ以外の構成および動作については、実施例１で説明したものと同じであるので、説明を省略する。
図４で説明した実施例１における制御システム構成に対応する本実施例における制御システムの構成を、図７に示す。図７において、図４で説明した実施例１における制御システム構成と異なる点は、ステージ４に取り付けられた第１乃至第４の温度計測素子８１〜８４で検出したステージ４の温度データが、ＩＲランプ制御部４５に送られて、ＩＲランプをフィードバック制御する構成となっている点である。
本実施例によれば、エッチング処理の後半の脱離工程６２０において、第１から第４のヒータ７１−７４に対するフィードバック制御に加えて、ＩＲランプ６２−１，６２−２，６２−３もフィードバック制御を行う構成としたことにより、ウエハ２の温度分布の制御をより細かく行うことができ、エッチング処理の精度をより向上させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
本発明は、半導体デバイスの製造工程において、ウエハ状に形成された薄膜の表面を１層ずつエッチングして除去する工程に適用することができる。
１・・・処理室 ２・・・ウエハ ４・・・ステージ １２・・・石英チャンバ ２０・・・高周波電源 ３０・・・静電チャック ３４・・・ＩＣＰコイル ３９・・・冷媒の流路 ４０・・・制御ユニット ６０・・・容器 ６２・・・ＩＲランプ ６４・・・ＩＲランプ用電源 ７０・・・ヒータ電源 ７１−７４・・・第１から第４のヒータ ８０・・・温度計測部 ８１−８４・・・第１乃至第４の温度計測素子。

Claims (10)

  1. 処理ガスを導入したプラズマ発生室内にプラズマ発生手段でプラズマを発生させた状態で
    前記プラズマ発生室と接続している処理室の内部の試料台に載置した試料の表面に反応物
    の層を形成する吸着工程と、
    前記処理室の外部に配置した加熱用ランプと前記試料台の内部に設置したヒータとで前
    記試料を加熱して前記反応物の層を気化させて前記反応物の層を前記試料の表面から脱離
    させる脱離工程と
    前記脱離工程で加熱した前記試料を冷却する冷却工程と
    を含む処理工程を複数回繰り返して前記試料を処理する試料の処理方法であって、
    前記吸着工程において、前記加熱用ランプと前記ヒータとを制御部でフィードフォワー
    ド制御して前記試料を第一の温度状態に設定し、
    前記脱離工程において、前記制御部で前記加熱用ランプと前記ヒータとを制御して前記
    試料を加熱するときに、前記ヒータをフィードバック制御して前記試料を第二の温度状態
    に設定する
    ことを特徴とする試料の処理方法。
  2. 請求項１記載の試料の処理方法であって、前記吸着工程において、予め求めておいた前
    記加熱用ランプと前記ヒータと前記試料台に載置された前記試料の表面の温度との関
    係に基づいて、前記制御部により前記ヒータと前記加熱用ランプとをフィードフォワード
    制御して前記試料を前記第一の温度状態に設定することを特徴とする試料の処理方法。
  3. 請求項１記載の試料の処理方法であって、前記脱離工程において、前記制御部により、
    前記試料台の内部に設置した温度計測素子で計測した前記試料台の温度に基づいて前記ヒ
    ータをフィードバック制御することを特徴とする試料の処理方法。
  4. 請求項１記載の試料の処理方法であって、前記脱離工程において、前記制御部で前記加
    熱用ランプをフィードフォワード制御すると共に前記ヒータをフィードバック制御して前
    記試料を前記第二の温度状態に設定することにより、前記試料の周辺に対して前記試料の
    中心付近の温度が高い所望の温度分布を発生させることを特徴とする試料の処理方法。
  5. 請求項１記載の試料の処理方法であって、前記脱離工程において、前記制御部で前記加
    熱用ランプと前記ヒータとをフィードバック制御して前記試料を前記第二の温度状態に設
    定することにより、前記試料の周辺に対して前記試料の中心付近の温度が高い所望の温度
    分布を発生させることを特徴とする試料の処理方法。
  6. 請求項５記載の試料の処理方法であって、前記吸着工程と前記脱離工程とを繰り返して
    実行するときに、前記脱離工程から前記吸着工程へ移るときに、前記試料と前記試料台と
    の間にヘリウムガス（Ｈｅ）を供給して前記試料を冷却することを特徴とする試料の処理
    方法。
  7. プラズマ発生室と、
    前記プラズマ発生室の内部に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
    前記プラズマ発生室の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
    試料を載置する試料台を内部に備えて前記プラズマ発生室と接続する処理室と、
    前記処理室の外部に配置されて前記試料台に載置された前記試料を加熱する複数の加熱
    用ランプと、
    前記試料台の内部に設置されて前記試料台を加熱する複数のヒータと、
    前記試料台の内部で前記複数のヒータに対応して設置されて前記試料台の温度を計測す
    る複数の温度計測素子と、
    前記処理ガス供給部と前記プラズマ発生部と前記複数の加熱用ランプと前記複数のヒー
    タとを制御する制御部とを備えたプラズマ処理装置であって、
    前記制御部は、前記プラズマ発生部を制御して前記プラズマ発生室の内部にプラズマを
    発生させた状態で、予め求めておいた前記複数の加熱用ランプと前記複数のヒータと前記
    試料台に載置された前記試料の表面の温度との関係に基づいて前記複数の加熱用ラン
    プと前記複数のヒータとをフィードフォワード制御する機能と、前記プラズマ発生部を制
    御して前記プラズマ発生室の内部の前記プラズマを消滅させた状態で前記複数の加熱用ラ
    ンプを制御して前記試料を加熱すると共に前記複数の温度計測素子で計測した前記試料台
    の温度に基づいて前記複数のヒータをフィードバック制御する機能を備えていることを特
    徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項７記載のプラズマ処理装置であって、前記試料台は、前記試料を静電吸着するた
    めの静電チャックと、前記試料台に載置した前記試料と前期静電チャックとの間にヘリウ
    ムガスを供給するガス供給部とを有し、前記試料台を冷却する冷媒を流す流路が前記試料
    台の内部に形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 請求項７又は８に記載のプラズマ処理装置であって、前記制御部は、前記プラズマ発生
    部を制御して前記プラズマ発生室の内部にプラズマを発生させた状態で、予め求めておい
    た前記複数の加熱用ランプと前記複数のヒータと前記試料台に載置された前記試料の
    表面の温度との関係に基づいて前記複数の加熱用ランプと前記複数のヒータとをフィード
    フォワード制御して前記試料を第１の温度に設定する機能と、前記プラズマ発生部を制御
    して前記プラズマ発生室の内部の前記プラズマを消滅させた状態で前記複数の加熱用ラン
    プを制御して前記試料を加熱すると共に前記複数の温度計測素子で計測した前記試料台の
    温度分布に基づいて前記複数のヒータをフィードバック制御して前記試料を前記第１の温
    度よりも高い第２の温度に設定する機能を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置
    。
  10. 請求項７又は８に記載のプラズマ処理装置であって、前記制御部は、前記プラズマ発生
    部を制御して前記プラズマ発生室の内部の前記プラズマを消滅させた状態で前記複数の加
    熱用ランプを制御して前記試料を加熱するときに、前記複数の温度計測素子で計測した前
    記試料台の温度に基づいて、前記複数のランプと前記複数のヒータとをフィードバック制
    御する機能を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
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