JP7330391B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特に、半導体基板等の表面加工をイオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工とラジカルのみを供給する等方性エッチング加工との両方を用いてプラズマ処理するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に適用して有効な技術に関する。
半導体デバイスは、市場からの省電力・高速化の要求により、デバイス構造の複雑化・高集積化が続いている。ロジックデバイスにおいては積層させたナノワイヤでチャネルを構成したＧＡＡ（Ｇａｔｅ Ａｌｌ Ａｒｏｕｎｄ）構造の適用が検討されている。ＧＡＡ構造を形成するためのエッチング工程には、異方性エッチングによる垂直加工（垂直方向エッチング）を行う加工工程と、等方性エッチングによる横方向エッチングを行う加工工程とが必要となる。異方性エッチングはイオンが半導体基板（ウエハ）の表面に対して垂直方向に偏ってエネルギーを持つことを利用し、そのエネルギーによりラジカルの反応を垂直方向のみに促進するイオンアシスト反応を利用したエッチングである。一方、ウエハの表面に対して並行な方向（横方向）のエッチングを行いたい場合、ラジカルのみによる表面反応を主体とした異方性のない等方性のエッチングを用いる。イオンは垂直方向のエッチングを促進するため、等方性のエッチングの際にはプラズマから（つまり、ウエハに供給される粒子種から）イオンは取り除かれていることが望ましい。ＧＡＡ構造のエッチング加工を行うプラズマ処理装置には、イオンとラジカルの両方をウエハに供給し異方性エッチングが行える装置と、ラジカルのみを供給して等方性エッチングを行える装置の両方が必要になる。
従来、イオンとラジカルを供給して垂直加工を行うプラズマ処理装置と、ラジカルのみを供給して等方性の加工を行うプラズマ処理装置は異なる装置である事が多かった。一つの装置でどちらのプラズマ処理も可能であれば、装置の設置面積や装置台数を削減でき装置コストを下げる事ができる。このような要求に対して、特許文献１（特開２０１８－０９３２２６号公報）には、「試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室内にプラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、前記試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板と、前記遮蔽板の上方にプラズマを生成させる一方の制御または前記遮蔽板の下方にプラズマを生成させる他方の制御が選択的に行われる制御装置と、をさらに備え、前記一方の制御は、前記マイクロ波と電子サイクロトロン共鳴するための磁束密度の位置が前記遮蔽板の上方となるように前記磁場形成機構を制御することにより前記遮蔽板の上方にプラズマを生成させ、前記他方の制御は、前記磁束密度の位置が前記遮蔽板の下方となるように前記磁場形成機構を制御することにより前記遮蔽板の下方にプラズマを生成させることを特徴とするプラズマ処理装置」を開示している。これにより、一台の装置でラジカル照射のステップとイオン照射のステップの両方を実現でき、かつ、イオン照射のエネルギーを数１０ｅＶから数ＫｅＶまで制御できるプラズマ処理装置およびそれを用いたプラズマ処理方法を提供する。
また、ラジカルとイオンを供給し加工を行う異方性エッチングにはより高精度なエッチング技術が求められている。エッチング処理はウエハ表面とラジカルとの化学反応により行われるため、高精度なプラズマエッチングを実現するにはウエハに供給されるラジカル密度を制御する事が重要である。ラジカル密度の制御技術の一つとして、パルス放電を用いたプラズマエッチング方法がある。例えば、特許文献２（特開平０９－１８５９９９号公報）には、「プラズマによる反応性ガスの分解によって生成されるラジカルの密度および組成を測定し、プラズマ発生装置の電力を一定の周期にてパルス変調し、パルス変調のデュティー比を、測定結果に基づいて制御することによってラジカルの密度および組成を制御する」方法が開示されている。
特開２０１８－０９３２２６号公報 特開平０９－１８５９９９号公報
一台の装置でイオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工とラジカルのみを供給する等方性エッチング加工との両方を実現でき、かつ、微細な構造を加工していくためにイオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工においてより高精度なエッチング加工が行える事の両方が求められている。
また上述した特許文献２に開示されたパルス放電を用いたエッチング処理においてはパルアス変調のデュティー比とラジカル密度との関係を測定する必要があり、デュティー比とラジカル密度との関係が容易には明らかでない。
そこで、本発明の目的は、イオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工においてイオンとラジカルの密度の比をより直接的に制御できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に係る技術を提供することにある。
試料がプラズマ処理される処理室と、処理室内にプラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、処理室内に磁場を形成する磁場形成機構と、処理室内に設けられ、試料が載置される試料台と、試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板と、を備え、磁場形成機構は、処理室の外周部に設けられたコイルと、コイルに接続された電源と、を含み、遮蔽板に対してプラズマを生成させる位置を磁場形成機構の電源または高周波電源により制御し、プラズマを生成する位置を遮蔽板の上下に周期的に変えながらプラズマを生成させる技術が提供される。
本発明によれば、イオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工においてイオンとラジカルの密度の比をより直接的に制御できるプラズマ処理装置およびラズマ処理方法に係る技術を提供することができる。
本発明の実施例１に係るプラズマエッチング装置の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施例１に係る直流コイル電流電源により中心となるＥＣＲ領域を設定する電流を示す図である。 本発明の実施例１に係る直流コイル電流電源により中心となるＥＣＲ領域を設定する電流を示す図である。 図２ＡのＥＣＲ領域を初期設定位置としてＥＣＲ領域をイオン遮蔽板に対して上下させる交流コイル電流電源の電流を示す図である。 図２ＢのＥＣＲ領域を初期設定位置としてＥＣＲ領域をイオン遮蔽板に対して上下させる交流コイル電流電源の電流を示す図である。 本発明の実施例２に係るプラズマエッチング装置の概略を示す縦断面図である。 本発明の実施例２に係る直流コイル電流電源により可変周波数電磁波発生用電源の中心周波数に対応するＥＣＲ領域を設定する電流を示す図である。 本発明の実施例２に係る直流コイル電流電源により可変周波数電磁波発生用電源の中心周波数に対応するＥＣＲ領域を設定する電流を示す図である。 図５Ａで設定された中心周波数のＥＣＲ領域を中心として可変周波数電磁波発生用電源の周波数を変えることでＥＣＲ領域をイオン遮蔽板に対して上下させる交流コイル電流電源の電流を示す図である。 図５Ｂで設定された中心周波数のＥＣＲ領域を中心として可変周波数電磁波発生用電源の周波数を変えることでＥＣＲ領域をイオン遮蔽板に対して上下させる交流コイル電流電源の電流を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は本実施例に係るプラズマ処理装置の全体構成の概略を示す縦断面図である。図１に示すプラズマ処理装置１０は、真空容器１０１の内部に形成された処理室１００を有する。真空容器１０１の上部には、真空容器１０１内の処理室１００にエッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２と、処理室１００の上部を気密に封止するための誘電体窓１０３とを設置し、処理室１００を構成する。
シャワープレート１０２と誘電体窓１０３との間の領域には、ガス配管を通じガス供給装置１０７が接続され、プラズマエッチング処理を行うための酸素や塩素などのガスが供給される。また、真空容器１０１には圧力調整弁１１７を介し真空排気装置１１８が接続され、処理室１００の圧力を制御している。
プラズマを生成するための電力を処理室１００に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を放射する導波管１０８（またはアンテナ）が設けられる。導波管１０８（またはアンテナ）には電磁波発生用電源(高周波電源とも言う）１１０から発振させた電磁波が電磁波整合器１１１を通して伝送される。電磁波発生用電源１１０から出力される高周波電流の周波数は、この実施例１では、一定の周波数とされている。導波管１０８から伝播してきた電磁波によって処理室１００内に特定のモードの定在波を形成させるために空洞共振器１０９が配置されている。電磁波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波とした。処理室１００の外周部には、磁場発生コイル１１２（１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃ）が設けてあり、その電流を制御するため磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂには直流コイル電流電源１１３（１１３ａおよび１１３ｂ）が接続され、磁場発生コイル１１２ｃには交流コイル電流電源１１４が接続されている。磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂは直流コイル電流電源１１３から出力される直流電流により駆動され、磁場発生コイル１１２ｃは交流コイル電流電源１１４から出力される交流電流により駆動される。磁場発生コイル１１２、直流コイル電流電源１１３および交流コイル電流電源１１４は、磁場形成機構ということができる。磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂは第1コイルと、磁場発生コイル１１２ｃは第２コイルと、言うことができる。
電磁波発生用電源１１０より発振された電力は、磁場発生コイル１１２により形成された磁場との電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）により、処理室１００内にプラズマを生成する。
またシャワープレート１０２に対向した処理室１００下部には試料としての半導体処理基板（半導体基板とも言う）１１６の載置台（試料台とも言う）をかねる電極基板１１５が設置されている。電極基板１１５には高周波整合器１１９を介して、高周波電源１２０が接続される。電極基板１１５に接続された高周波電源１２０から高周波電力を供給することにより、一般的にセルフバイアスとよばれる負の電圧が電極基板１１５上に発生し、セルフバイアスによってプラズマ中のイオンが加速され半導体処理基板１１６に垂直に入射されることにより、半導体処理基板１１６がエッチング処理される。
処理室１００は、シャワープレート１０２と半導体処理基板１１６の載置台との間にイオン遮蔽板１０４を備えており、イオン遮蔽板１０４は処理室１００の内部空間を上下の領域に分割している。ここで、この明細書では、イオン遮蔽板１０４より上の領域を第1領域またはラジカル領域１０５と呼び、イオン遮蔽板１０４より下の領域を第２領域またはＲＩＥ（Ｒｅａｎｃｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ)領域１０６と呼ぶことする。磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂはイオン遮蔽板１０４よりも上側に配置されている。磁場発生コイル１１２ｃは、磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂの下側に配置され、かつ、イオン遮蔽板１０４の近傍に配置されている。
２．４５ＧＨｚの電磁波とＥＣＲを起こしてプラズマを生成するには、０．０８７５Ｔ（テスラ）の磁束密度の磁場が必要である。処理室１００内の磁束密度が０．０８７５Ｔとなっている領域をＥＣＲ領域の位置ということとする。その強い磁場を発生させるため、磁場発生コイル１１２は１００～１０００ｍＨの自己インダクタンスを持ったものが使われ、直流コイル電流電源１１３および交流コイル電流電源１１４は１０～６０Ａ程度の電流を供給できるようになっている。複数の直流コイル電流電源１１３および交流コイル電流電源１１４からそれぞれに接続された磁場発生コイル１１２へ供給する電流値を制御することによって、処理室１００内のＥＣＲ領域の位置を精密に制御し、半導体処理基板１１６に対するプラズマ生成位置を移動させる事ができる。また磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂはイオン遮蔽板１０４よりも上側に位置するため、これらコイル１１２ａおよび１１２ｂによって作られる磁場強度は、コイル１１２ａおよび１１２ｂに近いラジカル領域１０５の方がＲＩＥ領域１０６よりも強くなる様にしている。これは、プラズマが生成されているＥＣＲ領域まで電磁波を伝搬させたい場合、電磁波の入射方向からＥＣＲ領域に向かって磁場が弱くなる様に設定した方が良いためである。ＥＣＲ領域からみて導波管１０８の方向、つまりＲＩＥ領域１０６から見てラジカル領域１０５の方向に磁場が強くなる様にするためである。
前述のように、処理室１００は、シャワープレート１０２と半導体処理基板１１６の載置台との間にイオン遮蔽板１０４を備えており、イオン遮蔽板１０４より上のラジカル領域１０５とイオン遮蔽板１０４より下の反応性イオンエッチング(ＲＩＥ：Ｒｅａｎｃｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ)領域１０６の２つの領域に分かれている。
ラジカル領域１０５内にＥＣＲ領域の位置を設定してプラズマを生成した場合、半導体処理基板１１６とプラズマとの間にイオン遮蔽板１０４があるため、イオン遮蔽板１０４の効果により、半導体処理基板１１６にはプラズマからのイオンは到達せずラジカルのみが供給され、半導体処理基板１１６はラジカルエッチング（等方性エッチング）によりプラズマ処理される。
ＲＩＥ領域１０６内にＥＣＲ領域の位置を設定してプラズマを生成した場合、プラズマと半導体処理基板１１６との間に遮るものはないため、プラズマからのイオンとラジカルの両方が半導体処理基板１１６に供給され、半導体処理基板１１６はＲＩＥ（異方性エッチング）によりプラズマ処理される。
ガス供給装置１０７、圧力制御弁１１７、電磁波発生用電源１１０、直流コイル電流電源１１３、交流コイル電流電源１１４および高周波電源１２０には制御装置１３０が接続されており、プラズマ処理装置１０をプロセス条件にあわせて制御している。複数のプラズマ処理ステップからなるプロセス条件の場合、各処理ステップにあわせて順に各装置パラメータを制御装置１３０が制御することで半導体処理基板１１６のエッチング処理を行う。
本発明はイオン遮蔽板１０４の上にＥＣＲ領域の位置を持ってきた場合はラジカルのみが半導体処理基板１１６に供給され、イオン遮蔽板１０４の下にＥＣＲ領域の位置を持ってきた場合はラジカルとイオンがとも半導体処理基板１１６に供給されることを利用し、ＥＣＲ領域の位置をこの２つの領域間で周期的に設定することで、イオンとラジカルの密度比を制御した反応性イオンエッチングを行う。通常のＲＩＥでは、１００％の時間をＲＩＥ領域１０６でプラズマを生成している。それに対し、ＲＩＥ領域１０６でのプラズマ生成に加え、ラジカル領域１０５でのプラズマ生成を行う事で、イオンとラジカルがともに供給されている時間に加えてラジカルのみが供給されている時間を作ることが出来る。周期的にＲＩＥ領域１０６とラジカル領域１０５とでプラズマを生成する領域を切り替えることで、全体としてはイオン密度を下げ、ラジカル密度比を上げたＲＩＥを行うことが出来る。また、ＲＩＥ領域１０６でプラズマを生成している時間のみイオンが供給されるため、半導体処理基板１１６に供給されるイオン量はＥＣＲ領域の位置を周期的に切り替えている1周期のうちＲＩＥ領域１０６に設定している時間の割合に比例することになる。ＥＣＲ領域の位置をＲＩＥ領域１０６に設定している時間を増加させるとイオンの比率が上昇し、ＥＣＲ領域の位置をラジカル領域１０５に設定している時間を増加させるとラジカルの比率が上昇するため、1周期のうちのＲＩＥ領域１０６にＥＣＲ領域の位置を設定している時間とラジカル領域１０５にＥＣＲ領域の位置を設定している時間との比率によってイオンとラジカルの密度の比を変えることが出来る。
周期的なＥＣＲ領域の位置制御およびラジカル領域１０５とＲＩＥ領域１０６とにＥＣＲ領域の位置を設定している時間の比を変化させるには、直流コイル電流電源（直流電源とも言う）１１３から出力される直流電流によって、ＥＣＲ領域の中心となる位置を設定し、交流コイル電流電源（交流電源とも言う）１１４から出力される交流電流によってＥＣＲ領域の位置を上下させる事により行う。
図２Ａ、図２Ｂに直流コイル電流電源１１３によりＥＣＲ領域の位置を設定する例を示す。なお、ここで、ＥＣＲ領域の位置は、ＥＣＲ領域の中心となる位置と見なすことも可能である。磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂによって作られる磁場はラジカル領域１０５からＲＩＥ領域１０６に向かって弱くなり、またＥＣＲ領域の磁場強度よりも強い磁場を真空容器１０１（または、処理室１００）の上部に作るため、電流が大きいほどＥＣＲ領域は真空容器１０１（または、処理室１００）の下方に移動する。そのため図２Ａのように、直流コイル電流電源１１３ａおよび１１３ｂの電流が小さい場合（ＩａＬ、ＩｂＬ）に作られるＥＣＲ領域の位置２００はイオン遮蔽板１０４より上のラジカル領域１０５にある。一方、図２Ｂのように、直流コイル電流電源１１３ａおよび１１３ｂの電流が大きい場合（ＩａＨ＞ＩａＬ、ＩｂＨ＞ＩｂＬ）に作られるＥＣＲ領域の位置２００はイオン遮蔽板１０４より下のＲＩＥ領域１０６にある。
図１のプラズマ処理装置１０では、直流コイル電流電源１１３と交流コイル電流電源１１４の２種類のコイル電流電源に対して、最もイオン遮蔽板１０４に近い磁場発生コイル１１２ｃのみ交流コイル電流電源１１４と接続し、磁場発生コイル１１２ｃよりもイオン遮蔽板１０４から遠い磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂを直流コイル電流電源１１３と接続している。これは、コイルによって発生する磁場はそのコイルに近いほどその強くなるためイオン遮蔽板１０４付近の磁場強度には最も近い磁場発生コイル１１２ｃの電流の効果が大きい。そのためイオン遮蔽板１０４に対してＥＣＲ領域を上下させたい場合、イオン遮蔽板１０４付近の磁場強度を変化させる必要があるため、もっとも近い磁場発生コイル１１２ｃの電流を変化させれば良い。
図３Ａ、図３Ｂに磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂで初期設定したＥＣＲ領域の位置２００に対して磁場発生コイル１１２ｃの交流電流によってＥＣＲ領域を上下させた例を示す。ＥＣＲ領域の位置２００の上限Ｕと下限Ｌおよびイオン遮蔽板１０４の位置とそれら位置に対応する各電流値（ＩＵ、ＩＬ、ＩＰ）とを示す。交流コイル電流電源１１４によって磁場発生コイル１１２ｃに流れる交流電流Ｉｃａｃが正の時にＥＣＲ領域の位置は真空容器１０１（または、処理室１００）の下方に移動し、負の時に真空容器１０１（または、処理室１００）の上方に移動する。図３Ａの直流コイル電流電源１１３によってＥＣＲ領域の位置２００がラジカル領域１０５に初期設定されている場合は、ＥＣＲ領域の位置がラジカル領域１０５にある時間がＲＩＥ領域１０６にある時間より長くなる。図３Ｂの直流コイル電流電源１１３によってＥＣＲ領域の位置２００がＲＩＥ領域１０６に初期設定されている場合はＲＩＥ領域１０６にある時間がラジカル領域１０５にある時間より長くなる。また磁場発生コイル１１２ｃに流れる電流Ｉｃａｃが交流であることにより、ＥＣＲ領域の位置が周期的にラジカル領域１０５とＲＩＥ領域１０６とを移動する。つまり、制御装置１３０は、マイクロ波と磁場との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の領域の位置２００を周期的に変化させるように直流コイル電流電源１１３、交流コイル電流電源１１４を制御する。これにより、一周期の間、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の領域の位置２００は、遮蔽板１０４の上方から遮蔽板１０４の下方または遮蔽板１０４の下方から遮蔽板１０４の上方へ移動する。
つぎに、プラズマ処理装置１０を用いたプラズマ処理方法について説明する。
ステップ１）半導体基板の表面にＧＡＡ構造を形成するため、試料としての半導体基板１１６を処理室１００内の載置台１１５に載置する工程を実施する。
ステップ２）圧力調整弁１１７および真空排気装置１１８により、処理室１００の圧力を制御する工程を実施する。
ステップ３）処理室１００のシャワープレート１０２と誘電体窓１０３との間の領域に、プラズマエッチング処理を行うための酸素や塩素などのエッチングガスを、ガス供給装置１０７から供給する工程を実施する。
ステップ４）電磁波発生用電源１１０、直流コイル電流電源１１３、交流コイル電流電源１１４を動作させて、処理室１００内にプラズマを生成して半導体基板１１６の表面をプラズマエッチングによりプラズマ処理する工程を実施する。
ここで、ステップ４）は、以下の第１状態、第２状態または第３状態を取ることができる。
第１状態は、図２Ａに示されるように、ＥＣＲ領域の位置をイオン遮蔽板１０４に対して上に設定して等方性エッチングを行う状態である。
第２状態は、図２Ｂに示されるように、ＥＣＲ領域の位置をイオン遮蔽板１０４に対して下に設定して異方性エッチングを行う状態である。
第３状態は、図３Ａまたは図３Ｂに示されるように、ＥＣＲ領域の位置をイオン遮蔽板１０４に対して周期的に上下させて、イオンとラジカルの密度の比を制御して、高精度な異方性エッチングを行う状態である。
実施例１によれば、以下の1または複数の効果を得ることができる。
１）一台のプラズマ処理装置１０で、イオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工とラジカルのみを供給する等方性エッチング加工の両方を実現できる。
２）イオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工において、イオンとラジカルの密度の比をより直接的に制御できる技術を提供できる。
３）ラジカルとイオンを供給し加工を行う異方性エッチングにおいて、半導体処理基板(ウエハ）の表面に供給されるラジカル密度を高精度に制御できるので、高精度なプラズマエッチング技術が提供できる。
本実施例では３つの磁場発生コイル１１２（１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃ）としたが、この数に限定されるものでは無い。複数の磁場発生コイルがある場合に、イオン遮蔽板１０４に近いものから順に交流のコイル電流電源を接続し、残りの磁場発生コイルには直流のコイル電流電源を接続すればよい。
一般に、プラズマ処理室内の磁場を高周波の電源を用いて変えた場合、プラズマ中に高周波の誘導電流が流れ、その誘導電流によりプラズマの生成が維持された誘導結合プラズマが生成される恐れがある。その場合、ＥＣＲによるプラズマの生成とは異なるプラズマが生成されるため、ＥＣＲ領域位置の制御を通じたプラズマ生成位置の制御は出来なくなる。そのため、交流コイル電流電源の周波数は誘導結合プラズマが生成しない様、１ｋＨｚ以下の周波数を用いるのが良い。
また、図３Ａ、図３Ｂにおいて交流コイル電流電源１１４の出力は正弦波を図示しているが、正弦波に限定されるものでは無い。正弦波以外にも方形波など周期的に変化する波形を出力できる交流電源であれば良い。
図４は本実施例に係るプラズマ処理装置の全体構成の概略を示す縦断面図である。プラズマ処理装置１１は真空容器１０１の内部に形成された処理室１００を有する。真空容器１０１の上部に、真空容器１０１内にエッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２、処理室１００上部を気密に封止するための誘電体窓１０３を設置し、処理室１００を構成する。
シャワープレート１０２にはガス配管を通じガス供給装置１０７が接続されプラズマエッチング処理を行うための酸素や塩素などのガスが供給される。また、真空容器１０１には圧力調整弁１１７を介し真空排気装置１１８が接続され、処理室１００の圧力を制御している。処理室１００には、実施例１と同様に、イオン遮蔽板１０４が設けられている。
プラズマを生成するための電力を処理室１００に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を放射する導波管１０８（またはアンテナ）が設けられる。導波管１０８（またはアンテナ）には可変周波数電磁波発生用電源（可変周波数高周波電源とも言う）３０１から発振させた電磁波が電磁波整合器１１１を通して伝送される。導波管１０８から伝播してきた電磁波によって処理室１００内に特定のモードの定在波を形成させるために空洞共振器１０９が配置されている。可変周波数の電磁波の周波数範囲は特に限定されないが、本実施例では１.８０ＧＨｚから２．４５ＧＨｚのマイクロ波とした。処理室１００の外周部には、磁場発生コイル１１２（１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃ）が設けてあり、その電流を制御するため磁場発生コイル１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃには直流コイル電流電源１１３（１１３ａ、１１３ｂおよび１１３ｃ）がそれぞれ接続されている。磁場発生コイル１１２および直流コイル電流電源１１３は、磁場形成機構ということができる。電磁波発生用電源３０１より発振された電力は、磁場発生コイル１１２により形成された磁場との電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）により、処理室１００内にプラズマを生成する。
またシャワープレート１０２に対向した処理室１００下部には半導体処理基板１１６の載置台（試料台とも言う）をかねる電極基板１１５が設置されている。電極基板１１５には高周波整合器１１９を介して、高周波電源１２０が接続される。電極基板１１５に接続された高周波電源１２０から高周波電力を供給することにより、一般的にセルフバイアスとよばれる負の電圧が電極基板１１５上に発生し、セルフバイアスによってプラズマ中のイオンが加速され半導体処理基板１１６に垂直に入射されることにより、半導体処理基板１１６がエッチング処理される。
処理室１００は、シャワープレート１０２と半導体処理基板１１６の載置台との間にイオン遮蔽板１０４を備えており、処理室１００の空間を上下の領域に分割している。ここで、この明細書では、イオン遮蔽板１０４より上の領域を第1領域またはラジカル領域１０５と呼び、イオン遮蔽板１０４より下の領域を第２領域またはＲＩＥ（Ｒｅａｎｃｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ)領域１０６と呼ぶことする。
1.８０ＧＨｚから２．４５ＧＨｚの電磁波とＥＣＲを起こしてプラズマを生成するには、０．０６４３Ｔから０．０８７５Ｔの磁場が必要である。処理室１００内の各周波数に対応した共鳴を起こす磁場強度になっている領域をＥＣＲ領域とする。その強い磁場を発生させるため、磁場発生コイル１１２は１００～１０００ｍＨの自己インダクタンスを持ったものが使われ、直流コイル電流電源１１３（１１３ａ、１１３ｂおよび１１３ｃ）は１０～６０Ａ程度の電流を供給できるようになっている。複数の直流コイル電流制御電源１１３からそれぞれに接続された磁場発生コイル１１２へ供給する電流値を制御することによって、処理室１００内のＥＣＲ領域の位置を精密に制御し、半導体処理基板１１６に対するプラズマ生成位置を移動させる事ができる。また磁場発生コイル１１２ａおよび１１２ｂはイオン遮蔽板１０４よりも上に位置するため、これらコイル１１２ａおよび１１２ｂによって作られる磁場強度は、コイル１１２ａおよび１１２ｂに近いラジカル領域１０５の方がＲＩＥ領域１０６よりも強くなる様にしている。これは、プラズマが生成されているＥＣＲ領域まで電磁波を伝搬させたい場合、電磁波の入射方向からＥＣＲ領域に向かって磁場が弱くなる様に設定した方が良いためである。ＥＣＲ領域からみて導波管１０８の方向、つまりＲＩＥ領域１０６から見てラジカル領域１０５の方向に磁場が強くなる様にするためである。
先に述べたように、処理室１００は、シャワープレート１０２と半導体処理基板１１６との間にイオン遮蔽板１０４を備えており、イオン遮蔽板１０４より上のラジカル領域１０５とイオン遮蔽板１０４より下の反応性イオンエッチング(ＲＩＥ：Ｒｅａｎｃｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ)領域１０６の２つに分かれている。ラジカル領域１０５内にＥＣＲ領域の位置２００を設定してプラズマを生成した場合、半導体処理基板１１６とプラズマとの間にイオン遮蔽板１０４があるため、イオン遮蔽板１０４の効果により半導体処理基板１１６にはプラズマからのイオンは到達せずラジカルのみが供給され、半導体処理基板１１６はラジカルエッチングによりプラズマ処理される。ＲＩＥ領域１０６内にＥＣＲ領域の位置２００を設定してプラズマを生成した場合、プラズマと半導体処理基板１１６との間に遮るものはないためプラズマからのイオンとラジカルの両方がともに半導体処理基板１１６に供給され、半導体処理基板１１６はＲＩＥによりプラズマ処理される。
ガス供給装置１０７、圧力制御弁１１７、可変周波数電磁波発生用電源３０１、直流コイル電流電源１１３および高周波電源１２０には制御装置１３０が接続されており、プラズマ処理装置をプロセス条件にあわせて制御している。複数のプラズマ処理ステップからなるプロセス条件の場合、各処理ステップにあわせて順に各装置パラメータを制御装置１３０が制御することで半導体処理基板１１６のエッチング処理を行う。
本発明はイオン遮蔽板１０４の上にＥＣＲ領域の位置を持ってきた場合はラジカルのみが半導体処理基板１１６に供給され、イオン遮蔽板１０４の下にＥＣＲ領域の位置を持ってきた場合はラジカルとイオンの両方がともに半導体処理基板１１６に供給されることを利用し、ＥＣＲ領域の位置をこの２つの領域（１０５、１０６）間で周期的に設定することで、イオンとラジカルの密度比を制御した反応性イオンエッチングを行う。通常のＲＩＥでは、１００％の時間をＲＩＥ領域１０６でプラズマを生成している。それに対し、ＲＩＥ領域１０６でのプラズマ生成に加え、ラジカル領域１０５でのプラズマ生成を行う事で、イオンとラジカルがともに半導体処理基板１１６に供給されている時間に加えてラジカルのみが半導体処理基板１１６に供給されている時間を作ることが出来る。周期的にＲＩＥ領域１０６とラジカル領域１０５とでプラズマを生成する領域を切り替えることで、全体としてはイオン密度を下げ、ラジカル密度比を上げたＲＩＥを行うことが出来る。また、ＲＩＥ領域１０６でプラズマを生成している時間のみイオンが半導体処理基板１１６に供給されるため、半導体処理基板１１６に供給されるイオン量はＥＣＲ領域の位置を周期的に切り替えている1周期のうちＲＩＥ領域１０６に設定している時間の割合に比例することになる。ＥＣＲ領域の位置をＲＩＥ領域１０６に設定している時間を増加させるとイオンの比率が上昇し、ＥＣＲ領域の位置をラジカル領域１０５に設定している時間を増加させるとラジカルの比率が上昇するため、1周期のうちのＲＩＥ領域１０６にＥＣＲ領域の位置を設定している時間とラジカル領域にＥＣＲ領域の位置を設定している時間との比率によってイオンとラジカルの密度の比を変えることが出来る。
周期的なＥＣＲ領域の位置の制御およびラジカル領域１０５とＲＩＥ領域１０６とにＥＣＲ領域の位置を設定している時間の比を変化させるには、直流コイル電流電源１１３から出力される電流によって、可変周波数電磁波発生用電源３０１の周波数範囲の中心の周波数、たとえば１．８０ＧＨｚから２．４５ＧＨｚの場合は中心周波数２．１３ＧＨｚに対応するＥＣＲ領域の位置を設定し、その磁場に対して可変周波数電源３０１の出力周波数を変えることによってＥＣＲ領域の位置を上下させる事により行う。
図５Ａ、図５Ｂに直流コイル電流電源１１３により中心周波数に対応するＥＣＲ領域の位置２００を設定する例を示す。なお、ここで、ＥＣＲ領域の位置は、ＥＣＲ領域の中心となる位置と見なすことも可能である。磁場発生コイル１１２によって作られる磁場はラジカル領域１０５からＲＩＥ領域１０６に向かって弱くなり、またＥＣＲ領域の磁場強度よりも強い磁場を真空容器１０１の上部に作るため、電流が大きいほどＥＣＲ領域は真空容器１０１の下方に移動する。そのため図５Ａの直流コイル電流電源１１３ａ、１１３ｂおよび１１３ｃの各電流が小さい場合（ＩａＬ、ＩｂＬ、ＩｃＬ）に作られるＥＣＲ領域の位置２００はイオン遮蔽板１０４より上のラジカル領域１０５にあり、図５Ｂの直流コイル電流電源１１３ａ、１１３ｂおよび１１３ｃの電流が大きい場合（ＩａＨ＞ＩａＬ、ＩｂＨ＞ＩｂＬ、ＩｃＨ＞ＩｃＬ）に作られるＥＣＲ領域の位置２００はイオン遮蔽板１０４より下のＲＩＥ領域１０６にある。
図６Ａ、図６Ｂに磁場発生コイル１１２で設定した中心周波数のＥＣＲ領域の位置２００に対して可変周波数電磁波発生電源３０１の周波数によってＥＣＲ領域の位置を上下させた例を示す。図６Ａには、ＥＣＲ領域の位置２００の上限Ｕと下限Ｌおよびイオン遮蔽板１０４の位置とそれに対応する各周波数（ｆＵ、ｆＬ、ｆＰ）とを示す。周波数が中心周波数ｆｃよりも低い場合に共鳴に必要な磁場強度も弱くなるため、周波数が低くなった場合にＥＣＲ領域の位置は真空容器１０１の下方に移動し、中心周波数よりも高くなった場合に上方に移動する。図６Ａに示すように直流コイル電流電源１１３によって中心周波数ｆｃに対応するＥＣＲ領域の位置２００がラジカル領域１０５に設定されている場合は、ＥＣＲ領域の位置がラジカル領域１０５にある時間がＲＩＥ領域１０６にある時間より長くなる。図６Ｂに示すように直流コイル電流電源１１３によって中心周波数ｆｃに対応するＥＣＲ領域の位置がＲＩＥ領域１０６に設定されている場合はＲＩＥ領域１０６にある時間がラジカル領域１０５にある時間より長くなる。可変周波数電磁波発生電源３０１の周波数を周期的に変化させることで、磁場強度は変化せずに周期的にＥＣＲ領域の位置がラジカル領域１０５とＲＩＥ領域１０６とを移動する。つまり、制御装置１３０は、マイクロ波と磁場との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の領域の位置（２００）を周期的に変化させるように高周波電源３０１を制御する。これにより、一周期の間、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）の領域の位置２００は、遮蔽板１０４の上方から遮蔽板１０４の下方または遮蔽板１０４の下方から遮蔽板１０４の上方へ移動する。
つぎに、プラズマ処理装置１１を用いたプラズマ処理方法について説明する。
ステップ１）半導体基板の表面にＧＡＡ構造を形成するため、試料としての半導体基板１１６を処理室１００内の載置台１１５に載置する工程を実施する。
ステップ２）圧力調整弁１１７および真空排気装置１１８により、処理室１００の圧力を制御する工程を実施する。
ステップ３）処理室１００のシャワープレート１０２と誘電体窓１０３との間の領域に、プラズマエッチング処理を行うための酸素や塩素などのエッチングガスを、ガス供給装置１０７から供給する工程を実施する。
ステップ４）可変周波数電磁波発生電源３０１、直流コイル電流電源１１３を動作させて、処理室１００内にプラズマを生成して半導体基板１１６の表面をプラズマエッチングによりプラズマ処理する工程を実施する。ステップ４）では、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、ＥＣＲ領域の位置をイオン遮蔽板１０４に対して周期的に上下させて、イオンとラジカルの密度の比を制御して、高精度な異方性エッチングを実施する。
実施例２によれば、イオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工において、イオンとラジカルとの密度比をより直接的に制御できる技術を提供できる。
(変形例）
次に変形例に係るプラズマ処理装置を説明する。
１）実施例２のプラズマ処理装置１１において、直流コイル電流電源１１３ｃを実施例１で説明した交流コイル電流電源１１４へ変更することができる。この場合、異方性エッチング加工において、イオンとラジカルとの密度比が所望となるように、可変周波数電磁波発生電源３０１の周波数と交流コイル電流電源１１４の周波数とを設置する必要がある。
２）実施例２のプラズマ処理装置１１において、可変周波数電磁波発生電源３０１と実施例１の電磁波発生用電源１１０との両方を設けてもよい。等方性エッチングを行う場合、図５Ａに示す状態で、電磁波発生用電源１１０を動作させる。また、異方性エッチングを行う場合、図５Ｂに示す状態で、電磁波発生用電源１１０を動作させる。イオンとラジカルとの密度比を高精度に制御した異方性エッチングを行う場合は、図６Ａ、図６Ｂに示すように、可変周波数電磁波発生電源３０１を動作させる。これにより、一台のプラズマ処理装置で、イオンとラジカルを供給する異方性エッチング加工とラジカルのみを供給する等方性エッチング加工の両方を実現できる。
実施例１および実施例２に記載のプラズマ処理装置（１０，１１）は、以下の様にまとめることができる。
１）試料がプラズマ処理される処理室（１００）と、
プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源（１１０，３０１）と、
磁場を発生させるコイル（１１２）と、
前記コイルに電流を流す電源（１１３，１１４）と、
前記試料が載置される試料台（１１６）と、
前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板（１０４）と、
前記マイクロ波と前記磁場との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）を周期的に変化させるように前記電源を制御する制御装置（１３０）と、を備え、
一周期の間、前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置は、前記遮蔽板の上方から前記遮蔽板の下方または前記遮蔽板の下方から前記遮蔽板の上方へ移動する（図３Ａ、図３Ｂ；図６Ａ、図６Ｂ)ことを特徴とするプラズマ処理装置。
２）試料がプラズマ処理される処理室（１００）と、
プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源（３０１）と、
磁場を発生させるコイル（１１２）と、
前記コイルに電流を流す電源（１１３）と、
前記試料が載置される試料台（１１６）と、
前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板（１０４）と、
前記マイクロ波と前記磁場との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）を周期的に変化させるように前記高周波電源を制御する制御装置（１３０）と、を備え、
一周期の間、前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置は、前記遮蔽板の上方から前記遮蔽板の下方または前記遮蔽板の下方から前記遮蔽板の上方へ移動する（図６Ａ、図６Ｂ)ことを特徴とするプラズマ処理装置。
３）上記１）に記載のプラズマ処理装置において、
前記電源は、直流電源（１１３）と交流電源（１１４）を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
４）上記３）３に記載のプラズマ処理装置において、
前記コイル（１１２）は、前記直流電源（１１３）に接続された第１のコイル（１１２ａ、１１２ｂ）と前記交流電源（１１４）に接続された第２のコイル（１１２ｃ）を含むとともに前記処理室（１００）の外側に配置され、
前記第１のコイル（１１２ａ、１１２ｂ）の高さは、前記遮蔽板（１０４）の上方となる高さであり、
前記第２のコイル（１１２ｃ）は、前記第１のコイル（１１２ａ、１１２ｂ）より前記遮蔽板（１０４）の近くに配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
５）上記４）に記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源（３０１）の周波数は、可変であることを特徴とするプラズマ処理装置。
６）上記２）に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御装置（１３０）は、前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）を周期的に変化させるように前記高周波電源（３０１）の周波数を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
７）上記６）に記載のプラズマ処理装置において、
前記電源（１１３）は、直流電源であることを特徴とするプラズマ処理装置。
８）上記３）に記載のプラズマ処理装置において、
前記コイル（１１２）は、前記直流電源（１１３）に接続された第１のコイル（１１２ａ、１１２ｂ）と前記交流電源（１１４）に接続された第２のコイル（１１２ｃ）を含むとともに前記処理室（１００）の外側に配置され、
前記制御装置（１３０）は、前記第１のコイル（１１２ａ、１１２ｂ）により形成された磁場と前記マイクロ波との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）を周期的に変化させるように前記交流電源（１１４）を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
また、実施例１および実施例２に記載のプラズマ処理方法は、以下の様にまとめることができる。
９）試料がプラズマ処理される処理室（１００）と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源（１１０，３０１）と、磁場を発生させるコイル（１１２）と、前記コイルに電流を流す電源（１１３，１１４）と、前記試料が載置される試料台（１１６）と、前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板（１０４）と、を備えるプラズマ処理装置（１０，１１）を用いたプラズマ処理方法において、
前記マイクロ波と前記磁場との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）を周期的に変化させる工程を有し、
一周期の間、前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）は、前記遮蔽板（１０４）の上方から前記遮蔽板の下方または前記遮蔽板の下方から前記遮蔽板の上方へ移動する（図３Ａ、図３Ｂ；図６Ａ、図６Ｂ)ことを特徴とするプラズマ処理方法。
１０）上記９に記載のプラズマ処理方法において、
前記コイル（１１２）に流れる電流を制御することにより前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）を周期的に変化させることを特徴とするプラズマ処理方法。
１１）上記９）に記載のプラズマ処理方法において、
前記高周波電源（３０１）の周波数を制御することにより前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置（２００）を周期的に変化させることを特徴とするプラズマ処理方法。
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、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
１０、１１：プラズマ処理装置
１００：処理室
１０１：真空容器
１０２：シャワープレート
１０３：誘電体窓
１０４：イオン遮蔽板
１０５：ラジカル領域
１０６：ＲＩＥ領域
１０７：ガス供給装置
１０８：導波管
１０９：空洞共振器
１１０：電磁波発生用電源
１１１：電磁波整合器
１１２：磁場発生コイル
１１３：直流コイル電流電源
１１４：交流コイル電流電源
１１５：電極基板
１１６：半導体処理基板
１１７：圧力調節弁
１１８：真空排気装置
１１９：高周波整合器
１２０：高周波電源
２００：ＥＣＲ領域の位置
３０１：可変周波数電磁波発生用電源

Claims (6)

  1. 試料がプラズマ処理される処理室と、
    プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、
    磁場を発生させるコイルと、
    前記コイルに電流を流す電源と、
    前記試料が載置される試料台と、
    前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板と、
    前記マイクロ波と前記磁場との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴の領域の位置を周期的に変化させるように前記電源を制御する制御装置と、を備え、
    一周期の間、前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置は、前記遮蔽板の上方から前記遮蔽板の下方または前記遮蔽板の下方から前記遮蔽板の上方へ移動し、
    前記電源は、直流電源と交流電源を含み、
    前記コイルは、前記直流電源に接続された第１のコイルと前記交流電源に接続された第２のコイルを含むとともに前記処理室の外側に配置され、
    前記第１のコイルの高さは、前記遮蔽板の上方となる高さであり、
    前記第２のコイルは、前記第１のコイルより前記遮蔽板の近くに配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記制御装置は、前記第１のコイルにより形成された磁場と前記マイクロ波との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴の領域の位置を周期的に変化させるように前記交流電源を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記高周波電源の周波数は、可変であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するためのマイクロ波の高周波電力を供給する高周波電源と、磁場を発生させるコイルと、前記コイルに電流を流す電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台へのイオンの入射を遮蔽し前記試料台の上方に配置された遮蔽板と、を備え、前記電源は、直流電源と交流電源を含み、前記コイルは、前記直流電源に接続された第１のコイルと前記交流電源に接続された第２のコイルを含むとともに前記処理室の外側に配置され、前記第１のコイルの高さは、前記遮蔽板の上方となる高さであり、前記第２のコイルは、前記第１のコイルより前記遮蔽板の近くに配置されているプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
    前記マイクロ波と前記磁場との相互作用により生じた電子サイクロトロン共鳴の領域の位置を周期的に変化させる工程を有し、
    一周期の間、前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置は、前記遮蔽板の上方から前記遮蔽板の下方または前記遮蔽板の下方から前記遮蔽板の上方へ移動することを特徴とするプラズマ処理方法。
  5. 請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
    前記コイルに流れる電流を制御することにより前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置を周期的に変化させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
    前記高周波電源の周波数を制御することにより前記電子サイクロトロン共鳴の領域の位置を周期的に変化させることを特徴とするプラズマ処理方法。
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