特許 5937385 半導体製造装置のガス供給方法、ガス供給システム及び半導体製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5937385

(24)【登録日】2016年5月20日

(45)【発行日】2016年6月22日

(54)【発明の名称】半導体製造装置のガス供給方法、ガス供給システム及び半導体製造装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20160609BHJP

   H01L 21/31 20060101ALI20160609BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101G

   H01L21/31 C

【請求項の数】9

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2012-60636(P2012-60636)

(22)【出願日】2012年3月16日

(65)【公開番号】特開2013-197183(P2013-197183A)

(43)【公開日】2013年9月30日

【審査請求日】2014年12月22日

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】羽藤 秀幸

(72)【発明者】

【氏名】小川 裕之

【審査官】 溝本 安展

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１０−５１０６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３０１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９１６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２３２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２６６２０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１０９５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／３１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１ガス配管を通じて第１のガスを拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第１工程と、第２ガス配管を通じて第２のガスを前記拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第２工程と、を交互に所定回数繰り返す半導体製造装置のガス供給方法であって、
前記第１ガス配管と前記拡散室は、第１のバルブの開閉により連通を制御し、
前記第２ガス配管と前記拡散室は、第２のバルブの開閉により連通を制御し、
前記第１ガス配管の第１のバルブよりも上流側に接続した第３のバルブの開閉により第１ガス配管内のガスを排出し、
前記第２ガス配管の第２のバルブよりも上流側に接続した第４のバルブの開閉により第２ガス配管内のガスを排出し、
前記第１工程の前に、前記第１のバルブを閉じかつ前記第３のバルブを閉め、前記第１のバルブ及び前記第３のバルブの上流の前記第１のガスにより前記第１ガス配管内の前記第１のガスの圧力を上昇させる第１の加圧工程と、
前記第２工程の前に、前記第２のバルブを閉じかつ前記第４のバルブを閉め、前記第２のバルブ及び前記第４のバルブの上流の前記第２のガスにより前記第２ガス配管内の前記第２のガスの圧力を上昇させる第２の加圧工程と、
排気用配管と前記拡散室は、第５のバルブの開閉により連通を制御し、
前記第１工程の開始及び前記第２工程の開始に応じて前記第５のバルブを開き、前記拡散室内のガスを排気する排気工程と、を含むことを特徴とする半導体製造装置のガス供給方法。

【請求項2】

前記排気工程は、前記第１工程及び前記第２工程の開始と同時、開始直前又は開始直後のいずれかのタイミングに前記第５のバルブを開くことを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置のガス供給方法。

【請求項3】

前記第１の加圧工程は、直前に実行されている前記第２工程中又は直前に実行された前記第２工程後に実行されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置のガス供給方法。

【請求項4】

前記第２の加圧工程は、直前に実行されている前記第１工程中又は直前に実行された前記第１工程後に実行されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体製造装置のガス供給方法。

【請求項5】

前記第１工程は、堆積工程であり、前記第２工程は、エッチング工程であり、
前記エッチング工程は、前記堆積工程より最大で５倍の処理時間を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体製造装置のガス供給方法。

【請求項6】

前記第１のガスは、ＳｉＦ_４ガス及びＯ_２ガスを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体製造装置のガス供給方法。

【請求項7】

前記第２のガスは、ＳＦ_６ガス及びＯ_２ガスを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体製造装置のガス供給方法。

【請求項8】

第１ガス配管を通じて第１のガスを拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第１工程と、第２ガス配管を通じて第２のガスを前記拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第２工程と、を交互に所定回数繰り返す半導体製造装置のガス供給システムであって、
前記第１ガス配管と前記拡散室との連通を開閉により制御する第１のバルブと、
前記第２ガス配管と前記拡散室との連通を開閉により制御する第２のバルブと、
前記第１ガス配管の第１のバルブよりも上流側に接続され、開閉により第１ガス配管内のガスを排出する第３のバルブと、
前記第２ガス配管の第２のバルブよりも上流側に接続され、開閉により第２ガス配管内のガスを排出する第４のバルブと、
前記第１工程の前に、前記第１のバルブを閉じかつ前記第３のバルブを閉め、前記第１のバルブ及び前記第３のバルブの上流の前記第１のガスにより前記第１ガス配管内の前記第１のガスの圧力を上昇させる第１のガス供給機構と、
前記第２工程の前に、前記第２のバルブを閉じかつ前記第４のバルブを閉め、前記第２のバルブ及び前記第４のバルブの上流の前記第２のガスにより前記第２ガス配管内の前記第２のガスの圧力を上昇させる第２のガス供給機構と、
排気用配管と前記拡散室との連通を開閉により制御する第５のバルブと、
前記第１工程の開始及び前記第２工程の開始に応じて前記第５のバルブを開き、前記拡散室内のガスを排気する排気機構と、を含むことを特徴とするガス供給システム。

【請求項9】

前記請求項８のガス供給システムを用いて被処理体にプラズマ処理を施す半導体製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体製造装置のガス供給方法、ガス供給システム及び半導体製造装置に関する。特に、本発明は、プラズマエッチング工程を有する半導体製造装置のガス供給方法、ガス供給システム及び半導体製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体製造装置の製造分野では、微細加工により集積度を上げることが求められている。例えば、１０〜２０μｍ程度の比較的小さい直径寸法を有し、深さが１００μｍ以上の穴をシリコン（Ｓｉ）基板に形成するエッチング工程が必要とされている。

【0003】

また、近年、三次元実装と呼ばれる半導体チップの積層によって単位面積当たりの集積度を上げる技術が提案されている。三次元実装の一例としては、例えば半導体チップの内部を貫通するスルーホール（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）の電極を用いて、上下の半導体チップ間を電気的に接続する立体配線技術がある。この場合にも、チップ上に穴を形成し、深く掘り下げてチップ内を貫通させるエッチング工程が必要になる。

【0004】

このようなプラズマエッチング装置等によるエッチング工程では、処理チャンバー内に供給する混合ガスのうち、エッチングを進行させるＳＦ_６の供給を一時的に短時間断続的に停止し、この間のエッチングの進行を停止した状態で表面に窒化膜を形成し、これによってアンダーカットを生じることなくシリコンをエッチングするプラズマ処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0005】

しかし、１００μｍ以上の深さ寸法を有する穴部を形成するためには、プラズマエッチングを長時間にわたって行うことが必要となる。さらには、最近の半導体製造装置には更なる微細化が要求されているため、１０〜２０μｍ程度の比較的小さい直径寸法を有する穴部を形成することが求められている。しかし、半導体製造装置の微細化に伴い、形状精度を確保するためにはレジスト膜の厚さを薄くしなくてはならない。一方、レジスト膜のエッチング速度に対するシリコン層のエッチング速度、すなわち選択比はあまり高くない。そのため、プラズマエッチングを長時間行うと、マスクが除去されてしまうという問題が生じる。

【0006】

このような要求に対して、堆積成分が高いガスを供給して基板をプラズマ処理する堆積工程と、エッチング成分が高いガスを供給して基板をプラズマ処理するエッチング工程とを交互に繰り返し行うプラズマ処理方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

【0007】

このような堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理は、通常のプラズマエッチングのプロセスと比較して、レジスト膜に対するシリコン基板の選択比が高く、高エッチングレートを維持しながら良好なエッチング形状を効率よく形成できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平４−７３２８７号公報

【特許文献2】特表２０１０−５１０６６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、従来の堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理では、堆積工程とエッチング工程とが切り替わるタイミングで直前の工程のガスを排気しながら、次工程のガスを導入する。その際、ガスはガス供給管を通り、拡散室にて拡散された後、チャンバ内に導入される。したがって、２つの工程が切り替わるとき、拡散室内では前の工程の処理ガスが残留して、次工程の処理ガスとして新たに供給されるガスと混ざり合うことで、処理ガスの成分比が変化してしまうことになる。特に、前工程の残留ガスの残存量は処理室内の圧力等の処理条件により変動を受けるため、各工程の切り替え初期の段階で各ガス成分比を所定の比率とすることが難しくなり所望のエッチング結果を得ることの妨げとなる。

【0010】

上記課題に対して、本発明の目的とするところは、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の各工程の初期段階において、ガス供給管内の処理ガスの圧力を制御する工程（加圧工程及び排気工程）を加えることで、ガス供給管内にて前工程で生じた残留ガス成分が新たに供給されるガスと混じり合うことを抑制し、工程間の処理ガスの切り替え時間を短縮することが可能な半導体製造装置のガス供給方法、ガス供給システム及び半導体製造装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、
第１ガス配管を通じて第１のガスを拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第１工程と、第２ガス配管を通じて第２のガスを前記拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第２工程と、を交互に所定回数繰り返す半導体製造装置のガス供給方法であって、
前記第１ガス配管と前記拡散室は、第１のバルブの開閉により連通を制御し、
前記第２ガス配管と前記拡散室は、第２のバルブの開閉により連通を制御し、
前記第１ガス配管の第１のバルブよりも上流側に接続した第３のバルブの開閉により第１ガス配管内のガスを排出し、
前記第２ガス配管の第２のバルブよりも上流側に接続した第４のバルブの開閉により第２ガス配管内のガスを排出し、
前記第１工程の前に、前記第１のバルブを閉じかつ前記第３のバルブを閉め、前記第１のガスにより前記第１ガス配管内の前記第１のガスの圧力を上昇させる第１の加圧工程と、
前記第２工程の前に、前記第２のバルブを閉じかつ前記第４のバルブを閉め、前記第２のガスにより前記第２ガス配管内の前記第２のガスの圧力を上昇させる第２の加圧工程と、
排気用配管と前記拡散室は、第５のバルブの開閉により連通を制御し、
前記第１工程の開始及び前記第２工程の開始に応じて前記第５のバルブを開き、前記拡散室内のガスを排気する排気工程と、を含むことを特徴とする半導体製造装置のガス供給方法が提供される。

【0012】

前記排気工程は、前記第１工程及び前記第２工程の開始と同時、開始直前又は開始直後のいずれかのタイミングに前記第５のバルブを開いてもよい。

【0013】

前記第１の加圧工程は、直前に実行されている前記第２工程中又は直前に実行された前記第２工程後に実行されてもよい。

【0014】

前記第２の加圧工程は、直前に実行されている前記第１工程中又は直前に実行された前記第１工程後に実行されてもよい。

【0015】

前記第１工程は、堆積工程であり、前記第２工程は、エッチング工程であり、前記エッチング工程は、前記堆積工程より最大で５倍の処理時間を有してもよい。

【0016】

前記第１のガスは、ＳｉＦ_４ガス及びＯ_２ガスを含んでもよい。

【0017】

前記第２のガスは、ＳＦ_６ガス及びＯ_２ガスを含んでもよい。

【0018】

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、
第１ガス配管を通じて第１のガスを拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第１工程と、第２ガス配管を通じて第２のガスを前記拡散室に通してチャンバ内に供給し、被処理体をプラズマ処理する第２工程と、を交互に所定回数繰り返す半導体製造装置のガス供給システムであって、
前記第１ガス配管と前記拡散室との連通を開閉により制御する第１のバルブと、
前記第２ガス配管と前記拡散室との連通を開閉により制御する第２のバルブと、
前記第１ガス配管の第１のバルブよりも上流側に接続され、開閉により第１ガス配管内のガスを排出する第３のバルブと、
前記第２ガス配管の第２のバルブよりも上流側に接続され、開閉により第２ガス配管内のガスを排出する第４のバルブと、
前記第１工程の前に、前記第１のバルブを閉じかつ前記第３のバルブを閉め、前記第１のガスにより前記第１ガス配管内の前記第１のガスの圧力を上昇させる第１のガス供給機構と、
前記第２工程の前に、前記第２のバルブを閉じかつ前記第４のバルブを閉め、前記第２のガスにより前記第２ガス配管内の前記第２のガスの圧力を上昇させる第２のガス供給機構と、
排気用配管と前記拡散室との連通を開閉により制御する第５のバルブと、
前記第１工程の開始及び前記第２工程の開始に応じて前記第５のバルブを開き、前記拡散室内のガスを排気する排気機構と、を含むことを特徴とするガス供給システムが提供される。

【0019】

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、
前記ガス供給システムを用いて被処理体にプラズマ処理を施す半導体製造装置が提供される。

【発明の効果】

【0020】

以上説明したように本発明によれば、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理において、ガス供給管内の処理ガスの圧力を制御する工程（加圧工程及び排気工程）を加えることで、ガス供給管内にて前工程で生じた残留ガス成分が新たに供給されるガスと混じり合うことを抑制し、工程間の処理ガスの切り替え時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】一実施形態に係るガス供給システムの全体構成図。

【図2】一実施形態に係るガス供給システムのガスの流れを説明するための図。

【図3】一実施形態に係るガス供給システムを用いた堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のフローチャート。

【図4】一実施形態に係るガス供給システムを用いた堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のシーケンスチャート。

【図5】一実施形態に係るガス供給システム内の状態を示す変数を示した図。

【図6】一実施形態に係るガス供給システムの配管径と排気状態との関係を示した図。

【図7】一実施形態に係るガス供給システムの切り替え後の拡散室の圧力と排気側及びチャンバ側へ流出するモル数を示した図。

【図8】一実施形態に係る加圧工程の実験結果を示した図。

【図9】一実施形態に係る排気工程の実験結果を示した図。

【図10】一実施形態に係る加圧工程及び排気工程の実験結果をグラフ化した図。

【図11】一実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の実験結果を示した図。

【図12】一実施形態に係るガス供給システムが使用される半導体製造装置。

【図13】一実施形態に係るダイポールリング磁石の水平断面を示す図。

【図14】一実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の応用例を示した図。

【図15】一実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を説明するための図。

【図16】一実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のエッチング結果の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

【0023】

＜はじめに＞
一実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理について、図１５及び図１６を参照しながら説明する。図１５は、一実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理によるプラズマ発光強度の一例を示す図である。図１６は、一実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のエッチング結果の一例を示す図である。

【0024】

図１５に示した堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の一例では、堆積性ガスがエッチングガスより多く混合されたガスを導入する堆積工程と、エッチングガスが堆積性ガスより多く混合されたガスを導入するエッチング工程とを概ね１０秒間隔で繰り返している。また、図１５に示すように、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理では、堆積工程とエッチング工程の遷移点とプラズマ発光強度の変化点とを意図的にずらすようにして、堆積工程からエッチング工程へと遷移しても、しばらく堆積工程のプラズマ発光強度が維持されるようにプラズマの発生条件が制御される。同様にして、エッチング工程から堆積工程へと遷移しても、しばらくエッチング工程のプラズマ発光強度が維持されるようにプラズマの発生条件が制御される。このようにして、プラズマの過渡状態を意図的に形成した。

【0025】

これに対して、図１６の堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のエッチング結果を得る工程、及び後述する本実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のエッチング結果を得る工程では、堆積工程とエッチング工程との切り替えのタイミングを一致させている。

【0026】

図１６に示した堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のエッチング結果の一例について説明する。本実施形態の堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理におけるプロセス条件は、以下の通りである。
圧力 ：２５０（ｍＴｏｒｒ）
高周波電力 ：プラズマ生成用ＨＦ ２５００（Ｗ）／バイアス用ＬＦ ０（Ｗ）
堆積主体ガス ：ＳｉＦ_４／Ｏ_２＝１０００／５００（ｓｃｃｍ）
エッチング主体ガス：Ａｒ／ＳＦ_６＝６４０／８６０（ｓｃｃｍ）
各工程時間 ：１（ｍｉｎ）
以上のプロセス条件に基づき、堆積ガスとエッチングガスとの混合比率を変えてエッチングした結果を示す。図１６（ａ）は、堆積ガス（成膜用ガス）９１％、エッチングガス９％の混合比率で堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を実行した結果である。膜厚は０．８７３μｍであり、期待通りの厚さの保護膜が形成されている。

【0027】

一方、図１６（ｂ）は、堆積ガス（成膜用ガス）８０％、エッチングガス２０％の混合比率で堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を実行した結果である。膜厚は０．４４６μｍであり、堆積ガス比を９１％から８０％に下げたところ、膜の厚さが約４５％低下した。

【0028】

また、顕微鏡写真を見ると、図１６（ａ）では穴底の形状が良好であるのに対して、図１６（ｂ）では穴底でエッチングが進んでいる。以上から、堆積ガス８０％、エッチングガス２０％の混合比率で堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を実行した場合には、膜厚が薄く保護膜として機能していないことがわかる。

【0029】

さらに、堆積ガス８０％、エッチングガス２０％の混合比率で堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を実行した場合のエッチングレートは３μｍ／ｍｉｎ以下となり、エッチング性能が悪くなっていることがわかる。

【0030】

以上の考察から、上記２工程の切り替え時間を減らし、各工程のガスが極力混ざり合わないガス切り替え方法が構築できれば、エッチング性能を向上させ、良好なエッチング形状を得ることができる。以下に説明する本発明の一実施形態に係るガス供給システムでは、上記２工程の切り替え時間を減らすために、（１）〜（３）の特徴を有する。
（１）ガス供給源から拡散室内の経路として、堆積主体ガス（堆積性ガスをエッチング性ガスより多く混合した第１のガスに相当）をチャンバ内に供給するための第１のガス供給機構と、エッチング主体ガス（エッチング性ガスを堆積性ガスより多く混合した第２のガスに相当）をチャンバ内に供給するための第２のガス供給機構とを有するガス供給ラインを構成する。このようにガス供給ラインを複数に分け、ガスが混合されるガス拡散室の容積を極力小さくし、各工程間の切り替えの際に前工程で発生する残留ガスの混合を軽減する。
（２）各ガス供給ラインには制御装置により制御されるバルブを設け、バルブの開閉によりガス供給ラインの配管内圧力を制御する。ガスをチャンバ内に供給する前に、バルブを閉じ、ガス供給ラインの配管内圧力を上昇させて、チャンバ圧力との圧力勾配を生じさせる。ガス供給ラインの切り替え時、すなわち、バルブが開かれるときに、圧力勾配によりガスがチャンバ内の拡散室に短時間で移動する。これにより、拡散室内に残留した前工程のガスを拡散室外に押し出す効果も得られる。
（３）さらに、拡散室内に残留した前工程のガスを効率的に入れ替えるため排気ラインを持つ。

【0031】

以上の（１）〜（３）の機構を有する一実施形態に係るガス供給システムによれば、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の２工程で使用されるガス同士が切り替え時にほとんど混ざり合わない。これにより、それぞれの工程にて効率よく保護膜の成膜処理及びエッチング処理が実行され、堆積工程での性能及びエッチング工程での性能を改善することができる。また、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の周期を短縮することができ、エッチングレート及びレジスト膜に対するシリコン基板の選択比を高め、良好なエッチング形状を得ることができる。以下、本発明の一実施形態に係るガス供給システムについて詳細に説明する。

【0032】

［ガス供給システムの全体構成］
まず、本発明の一実施形態に係るガス供給システムの全体構成について、図１を参照しながら説明する。

【0033】

本実施形態に係るガス供給システム１０は、半導体製造装置３０にて使用される。半導体製造装置３０は、堆積性ガスをエッチング性ガスより多く混合した堆積主体ガス（第１のガス）を拡散室１６ａに通してチャンバＣ内に供給し、シリコン基板Ｗをプラズマ処理する堆積工程と、エッチング性ガスを堆積性ガスより多く混合したエッチング主体ガス（第２のガス）を拡散室１６ａに通してチャンバＣ内に供給し、シリコン基板Ｗをプラズマ処理するエッチング工程と、を交互に所定回数繰り返すプラズマ処理を実行する。これにより、例えば、載置台１０２に載置されたシリコン基板Ｗに所望の深穴が形成される。本実施形態では、堆積主体ガスは、ＳｉＦ_４ガス及びＯ_２ガスを含んだ混合ガスである。また、本実施形態では、エッチング主体ガスは、ＳＦ_６ガス及びＯ_２ガスを含んだ混合ガスである。

【0034】

本実施形態に係るガス供給システム１０は、ガス調整部１１５ｂを有している。ガス調整部１１５ｂは、ガス供給源２０、半導体製造装置３０、制御装置６０、排気装置１１５ｃに連結されている。

【0035】

ガス調整部１１５ｂは、堆積工程用のガス供給ラインとしての第１のガス供給機構Ｆ１と、エッチング工程用のガス供給ラインとしての第２のガス供給機構Ｆ２とを有している。第１のガス供給機構Ｆ１により、堆積工程にて、堆積主体ガスがチャンバＣ内に供給される。また、第２のガス供給機構Ｆ２により、エッチング工程にて、エッチング主体ガスがチャンバＣ内に供給される。ガス調整部１１５ｂは、ガス供給源２０から半導体製造装置３０に堆積主体ガス及びエッチング主体ガスを所定のタイミングで交互に繰り返し供給する。ガス調整部１１５ｂは、第１のガス供給機構Ｆ１及び第２のガス供給機構Ｆ２の２つのガス供給ラインに加え、ガス排気ラインとしての排気機構Ｆ３を有している。

【0036】

第１のガス供給機構Ｆ１は、第１のガス供給用配管４１、第１のガス導入用配管４２及び第１のバルブ１１を有している。第１のガス供給用配管４１は、ガス供給源２０に設けられた流量制御装置（ＦＣＳ：Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）２１から所定の流量に制御された堆積主体ガスを供給するための配管である。第１のガス供給用配管４１には、第３のバルブ１３を介して第１のバイパス配管４５が連結されている。第１のバイパス配管４５は、堆積主体ガスをバイパスさせ、排気させる。第１のバイパス配管４５には、オリフィス４８が設けられている。オリフィス４８により第１のバイパス配管４５内のガス流路を絞ることによって、エッチング工程と堆積工程との切り替わりのタイミングに第１のバイパス配管４５内の急激な圧力変動を回避する。また、第１のバイパス配管４５内の圧力をある程度高くすることによって、後程詳述する第１の加圧工程前後での第１のバイパス配管４５内の圧力変動を低減させる。

【0037】

第１のバルブ１１が開いているとき堆積工程が実行されている。堆積主体ガスは、第１のガス供給用配管４１を通って第１のガス導入用配管４２を流れ、チャンバＣ内のガスシャワーヘッド１１６に設けられた拡散室１６ａを介してチャンバＣ内に導入される。第１のバルブ１１が閉じているとき、通常、第３のバルブ１３は開に制御され、堆積主体ガスは、第１のバイパス配管４５を通って排気装置１１５ｃにより排気される。排気装置１１５ｃの一例としては、ドライポンプ（Ｄｒｙ Ｐｕｍｐ）やターボモレキュラーポンプＴＭＰ（Ｔｕｒｂｏ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｐｕｍｐ）等が挙げられる。

【0038】

第１の加圧工程は、堆積工程前に堆積主体ガスをバイパスさせるための第１のバイパス配管４５に設けられた第３のバルブ１３を閉じ、堆積主体ガスをチャンバ内に供給するための第１のガス供給用配管４１内に溜めて第１のガス供給用配管４１内を加圧する工程である。

【0039】

通常、第１の加圧工程前に第１のガス導入用配管４２に設けられた第１のバルブ１１は閉じられている。このとき、第２のバルブ１２は開き、エッチング工程が実行されている。第１の加圧工程では、第１のバルブ１１が閉に制御されている状態で堆積工程前に第３のバルブ１３を閉に制御し、ガス供給源２０から供給される堆積主体ガスを第１のガス供給用配管４１内に溜める。これにより、第１のガス供給用配管４１内を加圧する（図２参照）。その状態で、エッチング工程から堆積工程への切り替えのタイミングに第１のバルブ１１が開に制御されたとき、第１のガス供給用配管４１内の堆積主体ガスは一気に拡散室１６ａへと流れる。

【0040】

第２のガス供給機構Ｆ２は、第２のガス供給用配管４３、第２のガス導入用配管４４及び第２のバルブ１２を有している。

【0041】

第２のガス供給用配管４３は、ガス供給源２０に設けられた流量制御装置（ＦＣＳ）２２から所定の流量に制御されたエッチング主体ガスを供給するための配管である。第２のガス供給用配管４３には、第４のバルブ１４を介して第２のバイパス配管４６が連結されている。第２のバイパス配管４６は、堆積工程中にエッチング主体ガスをバイパスさせ、排気させる。第２のバイパス配管４６には、オリフィス４９が設けられている。オリフィス４９により第２のバイパス配管４６内のガス流路を絞ることによって、エッチング工程と堆積工程との切り替わりのタイミングに第２のバイパス配管４６内の急激な圧力変動を回避する。また、第２のバイパス配管４６内の圧力をある程度高くすることによって、後程詳述する第２の加圧工程前後での第２のバイパス配管４６内の圧力変動を低減させる。

【0042】

第２のバルブ１２が開いているときエッチング工程が実行されている。エッチング主体ガスは、第２のガス供給用配管４３を通って第２のガス導入用配管４４を流れ、拡散室１６ａを介してチャンバＣ内に導入される。第２のバルブ１２が閉じているとき、通常、第４のバルブ１４は開に制御されるため、エッチング主体ガスは、第２のバイパス配管４６を通って排気装置１１５ｃにより排気される。

【0043】

第２の加圧工程は、エッチング工程前にエッチング主体ガスをバイパスさせるための第２のバイパス配管４６に設けられた第４のバルブ１４を閉じ、エッチング主体ガスをチャンバ内に供給するための第２のガス供給用配管４３内に溜めて第２のガス供給用配管４３内を加圧する工程である。

【0044】

通常、第２の加圧工程前に第２のガス導入用配管４４に設けられた第２のバルブ１２は閉じられている。このとき、第１のバルブ１１が開き、堆積工程が実行されている。第２の加圧工程では、第２のバルブ１２が閉に制御されている状態でエッチング工程前に第４のバルブ１４を閉に制御し、ガス供給源２０から供給されるエッチング主体ガスを第２のガス供給用配管４３内に溜める。これにより、第２のガス供給用配管４３内を加圧する。その状態で、堆積工程からエッチング工程への切り替えのタイミングに第２のバルブ１２が開に制御されたとき、第２のガス供給用配管４３内のエッチング主体ガスは一気に拡散室１６ａへと流れる。

【0045】

排気機構Ｆ３は、拡散室１６ａに連通する排気用配管４７を有し、排気用配管４７には第５のバルブ１５が設けられている。排気機構Ｆ３の第５のバルブ１５は、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の各工程の切り替え時に開に制御される。これにより、拡散室１６ａ内に存在する前工程のガスを強制的に排気する（排気工程）。

【0046】

制御装置６０は、図示しないＣＰＵ等を有し、堆積工程及びエッチング工程の切り替えのタイミングに応じて、ガス供給源２０から出力されるガス種及びガス流量の制御及び第１のバルブ１１〜第５のバルブ１５の開閉の制御を行う。本実施形態に係るガス供給システム１０では、制御装置６０によりバルブの開閉をコンピュータ制御することができる。なお、半導体製造装置３０の具体的構成例については後程図１２を参照して説明する。

【0047】

以上に説明したように、かかる構成のガス供給システム１０では、堆積工程とエッチング工程とを交互に繰り返すプラズマ処理に加圧工程と排気工程を追加する。加圧工程では、第３のバルブ１３又は第４のバルブ１４を堆積工程とエッチング工程との切り替えのタイミングより早く閉じる。これにより、切り替え時まで次工程のガスが第１のガス供給用配管４１又は第２のガス供給用配管４３内に溜まる。これにより、切り替え時に第１のガス供給用配管４１又は第２のガス供給用配管４３内に溜まったガスを拡散室１６ａに向けて高速に流すことができる。排気工程では、切り替え時に排気ラインの第５のバルブ１５を開く。これにより、ガスシャワー内に存在する前工程のガスを強制的に排気することができる。このようにして本実施形態では、堆積工程及びエッチング工程の切り替えの際、加圧工程及び排気工程を行うことにより、拡散室１６ａ内のガスを高速に入れ替え、ガスの切り替え時間を短縮することができる。これにより２工程で使用されるガス同士が切り替え時にほとんど混ざり合わないため、高いエッチングレートを維持しつつ選択比を高め、良好なエッチング形状を効率よく形成できる。

【0048】

［ガス供給システムの動作］
次に、本発明の一実施形態に係るガス供給システムの動作について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、一実施形態に係るガス供給システムを用いた堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のフローチャートである。図４は、一実施形態に係るガス供給システムを用いた堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のシーケンスチャートである。制御装置６０は、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶部に記憶されたレシピに従い、以下のフローチャートに示すガスの切り替えやバルブの開閉を制御する。

【0049】

本実施形態に係る堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理が開始されると、制御装置６０は、堆積工程を実行する（ステップＳ１００）。なお、ステップＳ１００の堆積工程の前にエッチング工程が実行されてもよい。この時点は、図４に「レシピ／オン」として示したタイミングであり、第１のバルブ１１は開、第２のバルブ１２は閉、第３のバルブ１３は閉、第４のバルブ１４は開となっている。これにより、堆積主体ガスは、第１のガス供給用配管４１を通って第１のガス導入用配管４２を流れ、チャンバＣ内のガスシャワーヘッド１１６に設けられた拡散室１６ａを介してチャンバＣ内に導入される（図１参照）。

【0050】

また、このタイミングで第５のバルブ１５が閉から開へ切り替えられ（ステップＳ１２０）、予め定められた排気時間経過後、開から閉へ切り替えられる（ステップＳ１２２）。これにより、拡散室１６ａ内に存在する前工程のガスは強制的に排気される（排気工程）。

【0051】

制御装置６０は、エッチング工程の実行前（ステップＳ１０２）の所定のタイミングに、第４のバルブ１４を開から閉へ切り替える（ステップＳ１１０：第２の加圧工程）。この時点は、図４に「切り替え前１」として示したタイミングである。これにより、エッチング工程前に第２のバルブ１２が閉に制御されている状態で第４のバルブ１４が閉に制御される。これにより、ガス供給源２０から供給されるエッチング主体ガスは第２のガス供給用配管４３内に溜まり、第２のガス供給用配管４３内を加圧する。

【0052】

予め定められた堆積時間経過後、制御装置６０は、エッチング工程を実行する（ステップＳ１０２）。この時点は、図４に「切り替え１」として示したタイミングである。これにより、堆積工程からエッチング工程に切り替わる。このとき、第２のバルブ１２が閉から開に制御され（ステップＳ１１２）、第１のバルブ１１が閉に制御される。これにより、堆積主体ガスの供給は停止され、第２のガス供給用配管４３内に溜まったエッチング主体ガスは一気に拡散室１６ａへと流れる。これにより、拡散室１６ａ内のガス雰囲気は、瞬時に堆積主体ガスからエッチング主体ガスへと変わり、ガス切り替えのタイミングを短縮するとともに、前工程のガスと次工程のガスとの混合を極力回避ことができる。

【0053】

更に、「切り替え１」のタイミングには、第５のバルブ１５が閉から開へ切り替えられ（ステップＳ１２４）、予め定められた排気時間経過後、開から閉へ切り替えられる（ステップＳ１２６）。これにより、拡散室１６ａ内に存在する前工程のガス（ここでは、堆積主体ガス）は強制的に排気される。また、「切り替え１」のタイミングには、第３のバルブ１３が閉から開に制御される。これにより、第１のガス供給用配管４１内の堆積主体ガスは、第１のバイパス配管４５から排気される。

【0054】

次に、制御装置６０は、堆積工程及びエッチング工程を所定回数実行したかを判定する（ステップＳ１０４）。所定回数実行していれば本処理を終了する。所定回数実行していなければ、ステップＳ１００に戻る。その際、制御装置６０は、予め定められたエッチング時間経過後、エッチング工程から堆積工程に切り替え、堆積工程を実行するが（ステップＳ１００）、その前に第３のバルブ１３を開から閉へ切り替える（ステップＳ１１４：第１の加圧工程）。この時点は、図４に「切り替え前２」のタイミングである。これにより、堆積工程前に第１のバルブ１１が閉に制御されている状態で第３のバルブ１３が閉に制御される。これにより、ガス供給源２０から供給される堆積主体ガスは第１のガス供給用配管４１内に溜まり、第１のガス供給用配管４１内を加圧する。

【0055】

次に、制御装置６０は、堆積工程を実行する（ステップＳ１００）。この時点は、図４に「切り替え２」として示したタイミングである。これにより、エッチング工程から堆積工程に切り替わる。このとき、第１のバルブ１１が閉から開に制御され（ステップＳ１１６）、第２のバルブ１２が閉に制御される。これにより、エッチング主体ガスの供給は停止され、第１のガス供給用配管４１内の堆積主体ガスが一気に拡散室１６ａへと流れる。これにより、拡散室１６ａ内のガス雰囲気は、瞬時にエッチング主体ガスから堆積主体ガスへと変わり、ガス切り替えのタイミングを短縮するとともに、前工程のガスと次工程のガスとの混合を極力回避ことができる。

【0056】

更に、「切り替え２」のタイミングには、第５のバルブ１５が閉から開へ切り替えられ（ステップＳ１２０）、予め定められた排気時間経過後、開から閉へ切り替えられる（ステップＳ１２２）。これにより、拡散室１６ａ内に存在する前工程のガス（ここでは、エッチング主体ガス）は強制的に排気される。また、「切り替え２」のタイミングには、第４のバルブ１４が閉から開に制御される。これにより、第２のガス供給用配管４３内のエッチング主体ガスは、第２のバイパス配管４６から排気される。

【0057】

以上に説明したように、本実施形態に係るガス供給システム１０によれば、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の２工程で使用されるガス同士が切り替え時にほとんど混ざり合わない。これにより、各工程にて効率よく保護膜の成膜処理及びエッチング処理が実行され、堆積工程での性能及びエッチング工程での性能を改善することができる。

【0058】

［加圧工程の開始と圧力の変動］
本実施形態に係るガス供給システム１０では、２工程のガス切り替え前に加圧工程を設ける。そこで、以下では加圧工程の開始と圧力の変動について説明する。なお、流量制御装置（ＦＣＳ）２２に連結した第２のガス供給機構Ｆ２の流路系は、流量制御装置２１に連結した第１のガス供給機構Ｆ１の流路系と同様である。よって、ここでは、第１のガス供給機構Ｆ１の流路系の加圧工程の開始と圧力変動について説明し、第２のガス供給機構Ｆ２の流路系についての説明は省略する。また、以下の説明ではモル数を用いて圧力変動を算出する。モル数は、質量／分子量で表され、ガス種によらない表現が可能であるため、異なる混合ガスにおいても統一的に説明することができる。

【0059】

図５に示したように、第３のバルブ１３が開のときの第１のガス供給用配管４１内のモル数ｎ_１は状態方程式を用いて以下の式により算出される。
ｎ_１＝Ｐ_１Ｖ_１／ＲＴ
ここで、第１のガス供給用配管４１内の圧力をＰ_１、体積をＶ_１とする。

【0060】

流量制御装置２１から出力されるガス流量（１０００ｓｃｃｍ）をＱ_１とする。第３のバルブを閉じた加圧工程開始からｔ秒後の第１のガス供給用配管４１内の総モル数ｎ_２は、流量制御装置２１から第１のガス供給用配管４１内に流入されるガス流量Ｑ_１のモル数に時間ｔを乗算した値と、第１のガス供給用配管４１内に存在していたモル数ｎ_１とを加算した値となる。加圧工程開始からｔ秒後の第１のガス供給用配管４１内の総モル数ｎ_２を次式（１）に示す。
ｎ_２＝Ｑ_１／ＲＴ×ｔ＋Ｐ_１Ｖ_１／ＲＴ・・・（１）
よって、加圧工程開始からｔ秒後の第１のガス供給用配管４１内の圧力Ｐ_２は、式（１）及び上記状態方程式（ｎ_１＝Ｐ_１Ｖ_１／ＲＴ）を用いて次式（２）のように算出される。
Ｐ_２＝Ｑ_１／Ｖ_１×ｔ＋Ｐ_１・・・（２）
［切り替えバルブを開いた後の圧力］
次に、ガス切り替え後、拡散室１６ａの容積Ａ中のガスが入れ替わるために必要なモル数を計算する。算出した必要モル数を加圧工程中に第１のガス供給用配管４１内に貯えることができれば、２つの工程の切り替え時に拡散室１６ａ内を瞬時に前工程のガス種から次工程のガス種に切り替えることができる。

【0061】

まず、第１のガス供給用配管４１内を流れるガスが粘性流の場合、ハーゲン・ポアズイユの法則が成立する。このときの流量Ｑは次式で与えられる。

【0062】

Ｑ＝（５．２３６×１０^−４／η）×（ａ^４／ｌ）×Ｐ_ｕ（Ｐ_ｕ２−Ｐ_ｕ１）(mTorr・l/sec)
ただし、Ｐ_ｕ＝（Ｐ_ｕ２＋Ｐ_ｕ１）／２
ここで、Ｐ_ｕ１は管の出口の圧力（ｍＴｏｒｒ）であり、Ｐ_ｕ２は管の入口の圧力（ｍＴｏｒｒ）であり、Ｐ_ｕは平均圧力（ｍＴｏｒｒ）である。ａは管の半径（ｃｍ）、ｌは管の長さ、ηはそのときの気体及び管の温度における気体の粘性係数（ポアズ、ｄｙｎ／ｓｅｃ・ｃｍ^２）である。２５℃の空気を例にとると、η_２５＝１．８４５×１０^−４である。

【0063】

ハーゲン・ポアズイユの法則に基づき、切り替えバルブである図４の第１のバルブ１１を開いた後、第１のガス供給用配管４１内では次式（３）の流体の時間変化を表す式が成り立つ。

【0064】

Ｖ_１ｄＰ_１／ｄｔ＝−Ｃ_１（Ｐ_２^２−Ｐ_１^２）＋Ｑ_１・・・（３）
ここで、Ｐ_１は第１のガス供給用配管４１内の圧力であり、Ｖ_１は第１のガス供給用配管４１内の体積である。また、Ｃ_１は第１のガス供給用配管４１内のコンダクタンスであり、Ｐ_２は拡散室１６ａの圧力であり、Ｑ_１は流量制御装置２１から流入されるガス流量である。式（３）は、第１のバルブ１１を開けてから第１のガス供給用配管４１内に流入又は流出するガスの状態を示す。

【0065】

同様にして、ハーゲン・ポアズイユの法則に基づき、第１のバルブ１１を開いた後、拡散室１６ａ内では次式（４）が成り立つ。

【0066】

Ｖ_２ｄＰ_２／ｄｔ＝Ｃ_１（Ｐ_２^２−Ｐ_１^２）−Ｑ_３−Ｑ_４・・・（４）
ここで、Ｐ_２は拡散室１６ａ内の圧力であり、Ｖ_２は拡散室１６ａ内の体積である。また、Ｃ_１は第１のガス供給用配管４１内のコンダクタンスであり、Ｐ_１は第１のガス供給用配管４１内の圧力である。また、Ｑ_３は拡散室１６ａからチャンバＣ内へ導入されるガス流量であり、Ｑ_４は拡散室１６ａから排気用配管４７を通って大気側へ流出するガス流量である。式（４）の状態方程式は、第１のバルブ１１を開けてから拡散室１６ａ内に流入又は流出するガスの状態を示す。

【0067】

式（３）に基づき第１のガス供給用配管４１内の圧力の時間的変化は式（５）にて表される。

【0068】

ｄＰ_１／ｄｔ＝−Ｃ_１（Ｐ_２^２−Ｐ_１^２）／Ｖ_１＋Ｑ_１／Ｖ_１・・・（５）
また、式（４）に基づき拡散室１６ａ内の圧力の時間的変化は式（６）にて表される。

【0069】

ｄＰ_２／ｄｔ＝Ｃ_１（Ｐ_２^２−Ｐ_１^２）／Ｖ_２−Ｃ_２（Ｐ_２^２−Ｐ_３^２）／Ｖ_２−Ｃ_３（Ｐ_２^２−Ｐ_４^２）／Ｖ_２・・・（６）
ここで、Ｐ_３は、チャンバ内の圧力であり、Ｐ_４は、排気側の圧力である。

【0070】

第１のガス供給用配管４１内の圧力の時間的変化ｄＰ_１／ｄｔを示した式（５）及び拡散室１６ａ内の圧力の時間的変化ｄＰ_２／ｄｔを示した式（６）の方程式を解くと、拡散室１６ａ側に流入するガスのモル数と拡散室１６ａから流出するガスのモル数とが算出される。排気側に流出するガスのモル数とチャンバＣ内に流出するガスのモル数との和が、拡散室１６ａ内の容積Ａに達したとき、第１のガス供給用配管４１側から同量のモル数のガスが拡散室１６ａ内に流入していることになる。このとき、前工程のガスから次工程のガスへの切り替えが完全に完了したことになる。

【0071】

実際に式（５）及び式（６）の方程式を解くと、以下の結果が得られる。

【0072】

拡散室１６ａ内の総モル数のガスが拡散室１６ａから流出するまでの時間は０．０１７秒であると算出される。つまり、０．０１７秒で拡散室１６ａ内のガスはすべて流出し、前工程のガスから次工程のガスへの切り替えが完全に完了する。拡散室１６ａ内のガスがほぼ瞬時に入れ替わることを示している。

【0073】

２つの工程の切り替えの際、拡散室１６ａ内の残留ガスが、チャンバ内へ流出される量を極力減らし、排気ライン側へ流出される量を増やしたい。ここでは、拡散室１６ａ内の総モル数は０．０００４０９ｍｏｌである。図６（ａ）を参照すると、配管径３／８（インチ）、内径φ７．５２（ｍｍ）の場合、拡散室１６ａからチャンバＣ内へ流出する総モル数は、０．０００１７５ｍｏｌ（０．０１７秒時）、拡散室１６ａから排気ラインへ流出する総モル数は、０．０００２３５ｍｏｌ（０．０１７秒時）である。この結果、拡散室１６ａの残留ガスの約４３％がチャンバＣ側に流出されてしまっていることがわかる。

【0074】

配管径１／４（インチ）、内径φ４．３（ｍｍ）の場合、拡散室１６ａからチャンバＣ内へ流出する総モル数は、０．０００３５８ｍｏｌ（０．０３１秒時）、拡散室１６ａから排気ラインへ流出する総モル数は、０．００００５１ｍｏｌ（０．０３１秒時）である。この結果、拡散室１６ａの残留ガスの約８８％がチャンバＣ側に流出され、配管径３／８の場合より更に悪い結果となっている。

【0075】

一方、配管径１／２（インチ）、内径φ１０．４（ｍｍ）の場合、拡散室１６ａからチャンバＣ内へ流出する総モル数は、０．００００７ｍｏｌ（０．００９秒時）、拡散室１６ａから排気ラインへ流出する総モル数は、０．０００３４２ｍｏｌ（０．００９秒時）である。この結果、拡散室１６ａの残留ガスの約１７％がチャンバＣ側に流出され、配管径３／８及び配管径１／４（の場合に比べて良好な結果となっていることがわかる。

【0076】

また、図６（ｂ）を参照すると、排気工程を設けない場合より、排気工程を設けた場合には切り替え時間が短縮され、配管径１／２（インチ）の場合、切り替え時間が最も短縮されていることがわかる。

【0077】

なお、第１のガスの設定流量は１０００ｓｃｃｍである。これは、一秒毎に０．０００６９３モルが流量制御装置２１から流出することを示す。拡散室１６ａ内に残留する総ガスが拡散室１６ａから流出するまでの時間０．０１７秒に、０．００００１１７８１モルが流量制御装置２１から流出することになる。

【0078】

排気ラインを設けない一般的なシステムでは、拡散室１６ａの残留ガスが１００％チャンバＣ内に流出され、プロセスによくない影響を及ぼす。

【0079】

［切り替えバルブ開放後の拡散室の圧力］
本実施形態では堆積工程及びエッチング工程の切り替え前に加圧工程を設け、第１のガス供給用配管４１（第２のガス供給用配管４３も同じ）内を加圧状態にしている。このため、第１のバルブ１１を開いた瞬間、堆積主体ガスが圧力の高い第１のガス供給用配管４１から圧力の低い拡散室１６ａに流れる。このため、拡散室１６ａの圧力は上昇する。よって、拡散室１６ａの圧力を通常状態でガスを流しているときの圧力まで早く降下させ、拡散室１６ａからチャンバＣへのガスの導入速度を安定させたい。これにより、良好なプラズマ制御が可能となる。図７では、切り替え時の第１のバルブ１１の開放後の拡散室１６ａの圧力Ｐ_２（Ｔｏｒｒ）、排気ライン側へ流出するガスの流量をモル数で表した線、チャンバ側へ導入されるガスの流量をモル数で表した線、拡散室１６ａ内の残ガスの流量をモル数で表した線が示されている。

【0080】

図７に示した結果から、排気ラインの配管径を大きくすれば、排気ライン側へ流出するガスのモル数が多くなるため、拡散室１６ａの圧力をより早く通常状態の圧力まで降下させることができることが予測される。

【0081】

ただし、排気ラインの配管径を大きくしすぎると、排気しすぎて、図７の位置Ｐｄで示したように、拡散室１６ａの圧力が一旦低下しすぎてしまう。一方、排気ラインの配管径を小さくしすぎると、拡散室１６ａの圧力を通常の圧力まで降下させるまでの時間が多くかかってしまう。そこで、排気しながら、通常の圧力まで降下してきたところ（図７の位置Ｐａ、ここでは０．３秒）で排気ラインの第５のバルブ１５を閉じる。これにより、図７の位置Ｐｄで示したような拡散室１６ａの過度な圧力低下を防止し、拡散室１６ａ内の圧力を通常の圧力まで迅速に降下させて安定させることができる。なお、拡大図に示しているように、約３／１００秒で拡散室１６ａ内のモル数は０になると推定される。

【0082】

［評価結果］
次に、本発明の一実施形態に係るガス供給システム１０による堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の実験結果について、図８〜１１を参照しながら説明する。図８は、本実施形態に係る加圧工程の実験結果を示した図である。図９は、本実施形態に係る排気工程の実験結果を示した図である。図１０は、図８及び図９の実験結果をグラフ化した図である。図１１は、本実施形態に係る加圧工程及び排気工程を加えた堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の実験結果を示した図である。

【0083】

（加圧工程評価／図８）
まず、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理中に本実施形態に係る加圧工程を追加した場合の効果について説明する。図８は、以下のプロセス条件に基づき堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を実行中における、加圧工程の有無による深穴のエッチング結果の相違を示す。図８には、（ａ）加圧工程なしの場合、（ｂ）加圧工程を１秒間実行した場合、（ｃ）加圧工程を２秒間実行した場合が示されている。プロセス条件は、以下の通りである。
１．堆積工程
圧力 ：２００（ｍＴｏｒｒ）
高周波電力 ：プラズマ生成用ＨＦ ２５００（Ｗ）／バイアス用ＬＦ ０（Ｗ）
堆積ガス ：ＳｉＦ_４／Ｏ_２＝４００／３００（ｓｃｃｍ）
温度 ：２０℃
工程時間 ：０．０２（ｍｉｎ）
２．エッチング工程
圧力 ：２００（ｍＴｏｒｒ）
高周波電力 ：プラズマ生成用ＨＦ ２５００（Ｗ）／バイアス用ＬＦ ０（Ｗ）
エッチングガス：Ｏ_２／ＳＦ_６＝１００／６００（ｓｃｃｍ）
温度 ：２０℃
工程時間 ：０．０５（ｍｉｎ）
また、本実験では、口径１０μｍのフォトレジスト膜５．５μｍをマスクとして用いてシリコン基板上に深穴を形成した。

【0084】

この結果によれば、（ｂ）（ｃ）加圧工程が実行された場合、（ａ）加圧工程が実行されなかった場合に比べて、レジスト膜に対するシリコン基板の選択比（ｓｅｌ）が向上していることを確認できた。

【0085】

（排気工程評価／図９）
次に、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理中に本実施形態に係る排気工程を追加した場合の効果について説明する。図９は、上記のプロセス条件に基づき堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を実行中における、排気工程の有無による深穴のエッチング結果の相違を示す。図９には、（ａ）排圧工程なしの場合、（ｂ）排圧工程を０．５秒間実行した場合、（ｃ）排圧工程を１秒間実行した場合が示されている。

【0086】

この結果によれば、（ｂ）（ｃ）排気工程が実行された場合には、（ａ）排圧工程が実行されなかった場合に比べて、レジスト膜に対するシリコン基板の選択比（ｓｅｌ）が向上していることを確認できた。

【0087】

図８及び図９の実験結果をグラフ化した図１０を参照すると、特に、選択比を高めるためには、（ａ）加圧工程において１秒〜２秒程度の加圧時間が好ましく、（ｂ）排気工程において０．５秒前後の排気時間が好ましいことがわかる。

【0088】

これらの結果から、加圧工程及び排気工程ともに拡散室１６ａでのガスの切り替え時間を短縮する効果があり、堆積工程で保護膜を生成する性能が向上したため、期待通りの保護膜が成膜され、エッチング工程においてレジスト膜の減りが抑えられ、選択比が向上したと推測される。

【0089】

（加圧工程＋排気工程評価／図１１）
次に、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理中に本実施形態に係る加圧工程及び排気工程を追加した場合の効果について説明する。図１１は、上記のプロセス条件に基づき堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の実行中において、加圧工程及び排気工程の有無による深穴のエッチング結果の相違を示す。図１１には、（ａ）バルブ制御なし（加圧工程及び排気工程なし）の場合、（ｂ）バルブ制御あり（加圧工程及び排気工程あり）の場合が示されている。各工程時間は次の通りである。
（ａ）加圧工程及び排気工程なしの場合
堆積工程 ：２秒
エッチング工程 ：５秒
（ｂ）加圧工程及び排気工程ありの場合
堆積工程 ：１秒
エッチング工程 ：５秒
加圧工程 ：１秒
排気工程 ：０．５秒
この結果によれば、（ｂ）加圧工程及び排気工程ありの場合には、（ａ）加圧工程及び排圧工程なしの場合に比べて、レジスト膜に対するシリコン基板の選択比（ｓｅｌ）が約６％向上し、さらにエッチングレート（Ｅ／Ｒ）が約６％向上していることを確認できた。また、スキャロップが軽減され、良好なエッチング形状が得られた。

【0090】

また、（ａ）加圧工程及び排圧工程なしの場合には、堆積工程２秒、エッチング工程５秒の７秒周期で堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理を実行していたが、（ｂ）加圧工程及び排気工程ありの場合では、エッチング工程５秒に対して堆積工程１秒というように堆積工程を短くしても、良好な保護膜を形成できることがわかった。この場合、切り替え時間は１秒（加圧工程１秒、排気工程０．５秒）である。実験結果から、本実施形態によるガス供給システム１０によれば、加圧工程及び排気工程を設けることによって、堆積工程に対するエッチング工程の時間を長くすることができ、エッチング工程の処理時間を堆積工程の処理時間より最大で５倍とすることが可能になる。

【0091】

以上に説明したように、本実施形態に係るガス供給システム１０によれば、加圧工程と排気工程とを設けたことによりガスの切り替え時間を短縮し、また、切り替え時、前後工程のガスの混合を抑制することができる。これにより、堆積工程の時間を短縮しても適切な膜厚の保護膜を生成することができる。よって、堆積時間に対するエッチング時間を長くすることができ、より深く穴をエッチングすることができる。堆積時間に対するエッチング時間を長くすることができるため、エッチングレート（Ｅ／Ｒ）を高く維持することができる。さらに、選択比も改善され、良好なエッチング形状を得ることができる。また、堆積工程を短縮できるため、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理の周期を短縮することができる。

【0092】

［半導体製造装置の全体構成］
最後に、本実施形態に係るガス供給システム１０を使用する半導体製造装置３０の一例について、図１２を参照しながら説明する。

【0093】

図１２は、ガス供給システム１０を使用する半導体製造装置３０の全体構成を模式的に示す。半導体製造装置３０は、内部が気密に保持され、電気的に接地されたチャンバＣを有している。半導体製造装置３０は、チャンバＣ外にて本実施形態に係るガス供給システム１０と連結されている。ガス供給システム１０は、所定の切り替えタイミングにチャンバＣ内に堆積主体ガスとエッチング主体ガスとを交互に繰り返し供給する。これにより、半導体製造装置３０のチャンバＣ内にて生成されるプラズマによって、被処理体であるシリコン基板Ｗに堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理のエッチングが施されシリコン基板Ｗに所望の径の深穴を形成することができる。

【0094】

チャンバＣは、円筒状であり、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成される。チャンバＣ内には、シリコン基板Ｗを水平に支持する載置台１０２が設けられている。載置台１０２は、例えば表面を陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成され、下部電極としても機能する。載置台１０２は、導体の支持台１０４に支持されており、絶縁板１０３を介して昇降機構１０７により昇降可能となっている。昇降機構１０７は、チャンバＣに配設され、ステンレス鋼よりなるベローズ１０８により覆われている。ベローズ１０８の外側にはベローズカバー１０９が設けられている。載置台１０２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング１０５が設けられている。更に、載置台１０２及び支持台１０４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材１０３ａが設けられている。

【0095】

載置台１０２には、第１の整合器１１１ａを介して第１の高周波電源１１０ａが接続され、第１の高周波電源１１０ａから所定周波数（２７ＭＨｚ以上例えば４０ＭＨｚ）のプラズマ生成用の高周波電力が供給されるようになっている。また、載置台１０２には、第２の整合器１１１ｂを介して第２の高周波電源１１０ｂが接続され、第２の高周波電源１１０ｂから所定周波数（１３．５６ＭＨｚ以上例えば２ＭＨｚ）のバイアス用の高周波電力が供給されるようになっている。一方、載置台１０２の上方には、載置台１０２と平行に対向するように上部電極として機能するシャワーヘッド１１６が設けられており、シャワーヘッド１１６と載置台１０２とは一対の電極として機能するようになっている。

【0096】

載置台１０２の上面には、基板Ｗを静電吸着するための静電チャック１０６が設けられている。静電チャック１０６は、絶縁体１０６ｂの間に電極１０６ａを介在している。電極１０６ａには直流電圧源１１２が接続され、直流電圧源１１２から電極１０６ａに直流電圧が印加されることにより、クーロン力によって基板Ｗが吸着される。

【0097】

支持体１０４の内部には、冷媒流路１０４ａが形成されている。冷媒流路１０４ａには、冷媒入口配管１０４ｂ、冷媒出口配管１０４ｃが接続されている。冷媒流路１０４ａ中に適宜冷媒として例えば冷却水等を循環させることにより、基板Ｗを所定の温度に制御する。基板Ｗの裏面側にヘリウムガス（Ｈｅ）等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するための配管１３０が設けられている。

【0098】

シャワーヘッド１１６は、チャンバＣの天井部分に設けられている。シャワーヘッド１１６は、本体部１１６ａと電極板をなす上部天板１１６ｂとを有している。シャワーヘッド１１６は、絶縁性部材１４５を介してチャンバＣの上部に支持されている。本体部１１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１１６ｂを着脱可能に支持する。

【0099】

本体部１１６ａの内部には、ガスの拡散室１６ａが設けられ、拡散室１６ａの下部に位置するように、本体部１１６ａの底部には多数のガス通流孔１１６ｄが形成されている。上部天板１１６ｂには、上部天板１１６ｂを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔１１６ｅがガス通流孔１１６ｄと連通するように設けられている。このような構成により、拡散室１６ａに供給されたガスは、ガス通流孔１１６ｄ及びガス導入孔１１６ｅを介してチャンバＣ内のプラズマ処理空間にシャワー状に導入される。なお、本体部１１６ａ等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられ、シャワーヘッド１１６を冷却して所望の温度に調整する。

【0100】

本体部１１６ａには、拡散室１６ａへガスを導入するためのガス導入口１１６ｇが形成されている。ガス導入口１１６ｇには、ガス供給配管１１５ａを介してガス調整部１１５ｂが接続されている。

【0101】

シャワーヘッド１１６には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１５１を介して可変直流電圧源１５２が電気的に接続されている。可変直流電圧源１５２は、オン・オフスイッチ１５３により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電圧源１５２、オン・オフスイッチ１５３は、制御装置６０によって制御される。第１の高周波電源１１０ａ及び第２の高周波電源１１０ｂから高周波が載置台１０２に印加され、プラズマ処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御装置６０がオン・オフスイッチ１５３をオンに制御する。これにより、シャワーヘッド１１６に所定の直流電圧が印加される。

【0102】

チャンバＣの側壁からシャワーヘッド１１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１０１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１０１ａは、その上部に天板を有している。チャンバＣの底部には、排気口１７１が形成されている。排気口１７１には、排気装置１７３が接続されている。排気装置１７３は、真空ポンプを有し、真空ポンプを作動させることによりチャンバＣ内を所定の真空度まで減圧する。一方、チャンバＣの側壁には、開閉により搬入出口１７４から基板Ｗを搬入又は搬出するためのゲートバルブ１７５が設けられている。

【0103】

載置台１０２の処理時における上下方向の位置に対応するチャンバＣの周囲には、環状又は同心状に延在するダイポールリング磁石１２４が配置されている。ダイポールリング磁石１２４は、図１３の横断面図に示したように、リング状の磁性体からなるケーシング１２６内に、複数個（例えば１６個）の異方性セグメント柱状磁石１２５を周方向に一定の間隔で配列する。図１３において、各異方性セグメント柱状磁石１２５の磁化の方向をケーシング１２６の周方向に従って少しずつずらすことにより、全体として一方向に向かう一様な水平磁界Ｂを形成することができる。

【0104】

したがって、載置台１０２とシャワーヘッド１１６との間の空間には、第１の高周波電源１１０ａにより鉛直方向のＲＦ電界が形成されるとともに、ダイポールリング磁石１２４により水平磁界Ｂが形成される。これらの直交電磁界を用いるマグネトロン放電により、載置台１０２の表面近傍に高密度のプラズマを生成することができる。

【0105】

再び図１２に戻り、制御装置６０は、レシピに従い半導体製造装置３０を制御する。制御装置６０は、ＣＰＵを備え、半導体製造装置３０の各部を制御するプロセスコントローラ６１とユーザインターフェース６２と記憶部６３とを有する。ユーザインターフェース６２は、工程管理者や半導体製造装置３０を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、半導体製造装置３０の稼動状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

【0106】

記憶部６３には、半導体製造装置３０にて実行される各種制御プログラムやデータがレシピとして格納されている。プロセスコントローラ６１は、ユーザインターフェース６２からの指示に従い、必要なレシピを記憶部６３から読み出して実行することにより、チャンバＣ内で基板Ｗに所望のプロセスが施される。レシピは、コンピュータ読取可能な記憶媒体等に格納された状態であっても良く、通信を利用して利用可能な状態であってもよい。

【0107】

［応用例］
以上、本実施形態に係るガス供給システム１０により基板Ｗに深穴を形成するエッチング処理を例に挙げて説明した。以下では応用例について、図１４を参照しながら説明する。

【0108】

応用例では、半導体チップの内部を貫通するスルーホール（ＴＳＶ：Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）の電極を用いて、上下の半導体チップ間を電気的に接続する立体配線技術に本実施形態に係る半導体製造装置３０を使用する。図１４では、上部半導体チップ４００の内部にスルーホール（ＴＳＶ）４０５が形成されている。このスルーホール４０５に配線を通し、スルーホール４０５及びバンプ５０５を介して上部半導体チップ４００のパッド電極４１０と下部半導体チップ５００のパッド電極５１０とを導通する。

【0109】

ここでは、上記スルーホール４０５を、本実施形態に係るガス供給システム１０を使用した半導体製造装置３０により形成する。この３Ｄ配線によれば、径が３０μｍ〜５０μｍのＴＳＶに対してスルーホール４０５を形成することができる。

【0110】

これによれば、ＴＳＶの電極において、小型化、処理の高速化、消費電力の低下を図ることができる。また、ＴＳＶの製造過程において、堆積工程とエッチング工程を繰り返し行うプラズマ処理にて加圧工程及び排気工程を行うことによりガスの切り替え時間を短縮することができる。

【0111】

＜おわりに＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0112】

例えば、本発明の排気工程は、エッチング工程及び堆積工程の開始と同時に第５のバルブを開いてもよいし、開始直前又は開始直後のいずれかのタイミングに排気用配管に設けられた第５のバルブを開いてもよい。

【0113】

また、第１の加圧工程は、直前に実行されている堆積工程中又は工程後に実行してもよい。

【0114】

また、本発明に係る半導体製造装置は、チャンバ内の平行平板電極間に生じる高周波の放電により容量結合プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)を生成する容量結合型プラズマ処理装置に限られず、例えば、チャンバの上面または周囲にアンテナを配置して高周波の誘導電磁界の下で誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)を生成する誘導結合型プラズマ処理装置、マイクロ波のパワーを用いてプラズマ波を生成するマイクロ波プラズマ処理装置等にも適用可能である。

【0115】

本発明においてプラズマ処理を施される被処理体は、シリコン基板、半導体ウエハ、フラットパネルディスプレイ(FPD:Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板等いかなるものであってもよい。

【符号の説明】

【0116】

１０ ガス供給システム
１１ 第１のバルブ
１２ 第２のバルブ
１３ 第３のバルブ
１４ 第４のバルブ
１５ 第５のバルブ
１６ａ 拡散室
２０ ガス供給源
２１，２２ 流量制御装置
３０ 半導体製造装置
４１ 第１のガス供給用配管
４２ 第１のガス導入用配管
４３ 第２のガス供給用配管
４４ 第２のガス導入用配管
４５ 第１のバイパス配管
４６ 第２のバイパス配管
４７ 排気用配管
６０ 制御装置
１１５ｂ ガス調整部
１１５ｃ 排気装置
Ｆ１ 第１のガス供給機構
Ｆ２ 第２のガス供給機構
Ｆ３ 排気機構

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図10】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図8】

【図9】

【図11】

【図16】