JP6866350B2 - 基板を処理する装置及びシステム、及び基板をエッチングする方法 - Google Patents

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Description

関連出願のクロスリファレンス
本願は、米国特許仮出願第６２／２０２２６１号、２０１５年８月７日出願、発明の名称”Apparatus And Techniques To Treat Substrates Using Directional Plasma And Reactive Gas”に基づいて優先権を主張し、その全文を参照することによって本明細書に含める。
本発明はデバイス処理技術に関するものであり、特に、基板の表面を処理することを含めて基板を処理する装置に関するものである。
集積デバイスはより小さい寸法の尺度になり続け、特徴部分をパターン化する能力はますます困難なものとなっている。これらの困難さは、１つの態様では、特徴部分をエッチングしてパターンを基板内に保存または転写する能力を含む。多数のデバイスの用途では、パターン化された特徴部分が５０nm未満の最小寸法を有し得るし、一部の場合には最小寸法が１０nm未満になり得る。さらに、一部の例では、デバイス構造を構築してパターン化するためにエッチングされる層の厚さが１０nm未満になり得る。
薄い層を制御可能にエッチングするために開発された１つの技術は原子層エッチング（ＡＬＥ：atomic layer etching）であり、この技術ではエッチングが層毎のベースで行われる。最初の操作では、ＡＬＥ装置内で、反応性ガスのような第１反応物質を基板に導入することができ、第１反応物質は自己限定性の単層を基板の表面上に形成する。この自己限定性の単層は、第１反応物質、及び基板からの材料の上層を含むことができる。これに続いて、第１反応物質をＡＬＥ装置からパージ（排除）することができ、さらなる操作では、エッチャント（エッチング剤）を与えて自己限定性の単層を除去することができる。このようにして、基板の１つの単層を一度にエッチングして、除去される材料の量の精密な制御を行うことができる。
ＡＬＥプロセスの１つの問題は、基板を処理する速度が比較的低いことにある、というのは、１つの単層をエッチングするために、反応物質をパージする時間を含めて何回かの操作が関与するからである。これに加えて、既知のＡＬＥプロセスにおける自己限定性の単層の除去は、平面構造をエッチングすることには適しているが、幾何学的な選択性が望まれる三次元（３Ｄ：three-dimensional）構造のような非平面構造をエッチングする能力はより小さい。
これら及び他の考慮に関して、本発明の改良が有用であり得る。
本概要は、以下の詳細な説明においてさらに説明する概念の選択を簡略化した形式で紹介するために提供する。本要約は、特許請求する主題の主要な特徴及び本質的特徴を識別することを意図していなければ、特許請求する主題の範囲を特定するに当たっての手助けを意図した要約でもない。
１つの好適例では、基板を処理する装置が、処理（プロセス）チャンバ内に配置された反応性ガス出口を有する反応性ガス源であって、反応性ガス出口は第１反応性ガスを基板へ指向させる反応性ガス源と；処理チャンバに結合され、第１方向に沿って延びる抽出開口を有する抽出プレートを含むプラズマチャンバと；基板を保持するように構成された基板ステージであって、処理チャンバ内に配置され、第１方向に直交する第２方向に沿って、反応性ガス源に対面する第１位置と抽出開口に対面する第２位置との間を移動可能である基板ステージと；反応性ガス出口と抽出開口との間に配置されたガス流量リストリクター（制限装置）であって、少なくともプラズマチャンバと基板ステージとの間に差動排気流路を規定するガス流量リストリクターとを含むことができる。
他の好適例では、基板を処理するシステムが、基板を収容する処理チャンバと；第１方向に沿って延びる抽出開口を有する抽出プレートを含むプラズマチャンバと；プラズマチャンバに結合された反応性ガス出口を有する反応性ガス源であって、反応性ガス出口は第１反応性ガスをプラズマチャンバへ指向させる反応性ガス源と；基板を保持するように構成された基板ステージであって、処理チャンバ内に配置され、第１方向に直交する第２方向に沿って移動可能な基板ステージと；基板ステージ及びプラズマチャンバの少なくとも一方に結合されたバイアス電源であって、プラズマチャンバと基板ステージとの間にバイアスを発生するためのバイアス電源と；反応性ガス出口及びバイアス電源に結合されたコントローラであって、反応性ガス出口を閉じるための閉信号を送信し、反応性ガス出口が閉じられる際に、プラズマチャンバに対して負のバイアスを基板ステージにかけるための負バイアス信号を送信するシンクロナイザ（同期装置）を含むコントローラとを含むことができる。
他の好適例では、基板をエッチングする方法が、基板が処理チャンバ内に配置された際に、反応性ガスを基板へ指向させるステップであって、反応性ガス、及び基板からの材料を含む第１生成物層が基板の外面上に形成されるステップと；リボンビームをプラズマチャンバから抽出開口を通して基板の露光部分へ指向させるステップであって、リボンビームは第１方向に沿った長軸を有するステップと；反応性ガスを指向させリボンビームを指向させる期間中に、第１方向に直交する第２方向に沿って基板を走査するステップであって、露光部分内では第１生成物層を基板からエッチングし、リボンビームに露光されない未露光部分内では基板からエッチングしないステップとを含むことができる。
本発明の実施形態によるシステムを示す図である。 図１のシステムの装置の平面図である。 本発明の実施形態による他のシステムの動作の第１例を示す図である。 図１Ｃのシステムの動作の第２例を示す図である。 本発明の実施形態による基板エッチングの例を示す図である。 本発明の実施形態による基板エッチングの例を示す図である。 本発明の実施形態による基板エッチングの例を示す図である。 本発明の実施形態による基板エッチングの例を示す図である。 本発明の実施形態による基板エッチングの例を示す図である。 本発明の実施形態による基板エッチングの例を示す図である。 本発明の実施形態による他のシステムの一具体例を示す図である。 好適な処理の流れを示す図である。
詳細な説明
ここで、本発明の実施形態を、添付した図面を参照しながら以下により十分に説明し、図面中にはいくつかの実施形態を示す。本発明の主題は多数の異なる形態で具体化することができ、本明細書中に記載する実施形態に限定されるものと考えるべきでない。これらの実施形態は、本発明が完全で完成したものとなるように提供し、本発明の主題の範囲を当業者に十分に伝える。図面中では、全体を通して同様な番号は同様な要素を参照する。
本発明の実施形態は、基板上の特徴部分を含めて、基板を処理するための、例えば基板をエッチングするための新規な装置及び新規な技術を提供する。本明細書中に用いる「基板」とは、半導体ウェハー、絶縁体ウェハー、セラミック、並びにそれらの上に配置されたあらゆる層または構造のような実体を参照し得る。このため、表面の特徴部分、層、一連の層、または他の実体が基板上に配置されるものと考えられ、基板は、シリコンウェハー、酸化物層、金属層、等のような構造の組合せを表し得る。
種々の実施形態では、基板のイオンビーム（または「プラズマビーム」）処理、並びに基板の反応性ガス処理を行う装置を開示する。イオンビーム及び反応性ガスは、概ね原子層エッチング（ＡＬＥ）によりエッチングを行う構成及び方法において提供することができる。
図１Ａに、本発明の実施形態による装置をシステム１００として示す。種々の実施形態では、システム１００を用いて基板のエッチングを実行することができる。システム１００は、基板１０６の新規で改良されたエッチングを行う装置として一緒に動作する種々の構成要素を含むことができる。図示するように、システム１００は、処理チャンバ１０２、及び処理チャンバ１０２内に配置された基板ステージ１０４を含むことができる。基板ステージ１０４は、図示するデカルト座標系内の少なくともＹ軸に平行な方向に沿って移動可能にすることができ、かつＺ軸を中心とした３６０度の回転運動をすることができる。
システム１００は、反応性ガス源１０８として示す少なくとも１つの反応性ガス源をさらに含む。反応性ガス源１０８は、処理チャンバ１０２内に配置された反応性ガス出口１０９を有することができる。基板１０６が反応性ガス源１０８に隣接している際に、反応性ガス源１０８を用いて反応性ガス１３２を基板に供給することができる。種々の実施形態では、反応性ガス１３２は基板１０６の材料と反応することができ、反応性ガス１３２及び基板１０６からの材料を含む第１生成物層が基板の外面上に形成される。例えば、１つの特定の非限定的な実施形態では、反応性ガス１３２が塩素または塩素含有物質を含むことができるのに対し、基板１０６はシリコンである。反応性ガス１３２は、中性種として供給することができ、ラジカルとして供給することができ、イオンとして供給することができ、あるいは、一部の実施形態では中性種、ラジカル、及びイオンの組合せとして供給することができる。生成物層は、シリコン種の基層に結合された塩素種の単層で組成される層として形成することができる。実施形態はこの関係に限定されない。
システム１００はプラズマチャンバ１１０をさらに含む。プラズマチャンバ１１０は抽出プレート１１６を含むことができる。図１Ａに例示するように、抽出プレート１１６はプラズマチャンバ１１０を部分的に処理チャンバ１０２から分離する。抽出プレート１１６は、プラズマチャンバ１１０と処理チャンバ１０２との間の気体連通も提供し、開口１２４が抽出開口として機能する。このようにして、プラズマチャンバ１１０を処理チャンバ１０２に結合することができる。開口１２４は、図１Ｂに示すように例えばＸ軸に平行な第１方向に沿って延びる細長い開口とすることができる。例えば、開口１２４は、一部の実施形態では１００mm〜５００mmの範囲の幅Ｗ、及び一部の実施形態では３mm〜３０mmの範囲の長さＬを有することができる。実施形態はこの関係に限定されない。開口１２４の細長い構成は、イオンビーム（「プラズマビーム」）をリボンビームとして抽出することを可能にし、リボンビームはビーム幅がビーム長よりも大きい断面を有するイオンビームを意味する。
図１Ａにさらに示すように、システム１００は、プラズマチャンバ１１０に結合されてAr、He、Ne、Kr、等のような不活性ガスを供給するための不活性ガス源１１２を含むことができる。システム１００は、電力発生器１１４のような追加的構成要素をさらに含むことができ、これらの構成要素が一緒に、プラズマ１２２を発生するためのプラズマ源を形成する。
プラズマ１２２は、電力発生器１１４からの電力を、適切なプラズマ励起装置（図示せず）を通して、不活性ガス源１１２によってプラズマチャンバ１１０内に供給される希薄ガスに結合することによって発生することができる。本明細書中に用いる「プラズマ源」とは、電力発生器、プラズマ励起装置、プラズマチャンバ、及びプラズマ自体を含むことができる。プラズマ源は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：inductively-coupled plasma）源、トロイダル結合プラズマ（ＴＣＰ：toroidal coupled plasma）源、容量結合プラズマ（ＣＣＰ：capacitively coupled plasma）源、ヘリコン（helicon）源、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：electron cyclotron resonance）源、傍熱型陰極（ＩＨＣ：indirectly heated cathode）源、グロー放電源、電子ビーム発生イオン源、または当業者に知られている他のプラズマ源とすることができる。従って、プラズマ源の性質に応じて、電力発生器１１４は、ＲＦ（radio frequency：無線周波数）発生器、ＤＣ電源、またはマイクロ波源とすることができるのに対し、プラズマ励起装置は、ＲＦアンテナ、フェライトカプラ（結合器）、プレート、熱陰極／冷陰極、ヘリコンアンテナ、またはマイクロ波発射装置（ランチャー）を含むことができる。システム１００は、プラズマチャンバ１１０または基板ステージ１０４に、あるいはプラズマチャンバ１１０及び基板ステージ１０４に接続されたバイアス電源１５４をさらに含むことができる。明示的に示していないが、プラズマチャンバ１１０は処理チャンバ１０２から電気絶縁することができる。陽イオンを含むプラズマビーム１３０の開口１２４を通した抽出は、プラズマチャンバ１１０を正電位に昇圧させ、基板ステージ１０４を直接接地するか処理チャンバ１０２を接地することにより接地すること；あるいはプラズマチャンバ１１０を接地し基板ステージ１０４に負電位を印加すること、のいずれかによって実現することができる。バイアス電源１５４は、ＤＣモードで動作することも、または可変の周波数及びデューティサイクルを有するパルスモードで動作することも、あるいはＡＣモードで動作することもできる。抽出プレート１１６は、一般に、プラズマビーム１３０中のイオンを、イオン角度分布の制御、即ち以下に詳述する基板１０６に対するプラズマビーム１３０の入射角及び角拡散の制御を可能にする方法で抽出するための既知の設計により配置することができる。
一部の実施形態では、１本のプラズマビーム１３０だけを、開口１２４を通して抽出することができる。他の実施形態では、一対のプラズマビームを、開口１２４を通して抽出することができる。例えば、図１Ａ及び図１Ｂに例示するように、ビーム遮断器（ビーム・ブロッカー）１１８をプラズマチャンバ１１０内に、開口１２４に隣接して配置することができ、ビーム遮断器１１８は第１抽出開口１６０及び第２抽出開口１６２を規定する。図１Ａに示すように、２本のプラズマビーム１３０をプラズマチャンバ１１０から抽出して基板１０６へ指向させることができる。
図１Ａにさらに示すように、システム１００は、プラズマチャンバ１１０に結合された排気ポート１３５、及び排気ポート１３５に接続されたプラズマチャンバ・ポンプ１３４を含むことができる。以下に説明するように、プラズマチャンバ・ポンプ１３４を用いて、例えばプラズマチャンバ１１０内の特定種の濃度を低減することができる。システム１００は、排気ポート１３７を介して処理チャンバ１０２に結合された、処理チャンバ１０２内の気体を排気するための処理チャンバ・ポンプ１３７をさらに含むことができる。
システム１００は、反応性ガス出口と抽出開口との間に配置されたガス流量リストリクターをさらに含むことができ、ガス流量リストリクター１２０として示す。図１Ａに示すように、例えば、ガス流量リストリクター１２０は、抽出プレート１１６の外側に、基板ステージ１０４に対面させて配置することができる。ガス流量リストリクターは、少なくともプラズマチャンバ１１０と基板ステージ１０４との間に差動排気流路１４０を規定する。
動作中には、基板ステージ１０４が、基板を、抽出プレート１１６に対してＹ軸と平行に走査することができる。このようにして、基板１０６の異なる部分を異なる時刻に反応性ガス１３２に晒すことができる。例えば、反応性ガス出口１０９は、図１Ｂに示すように細長くすることができ、そして開口１２４の幅Ｗと同様なＸ軸に沿った幅、及び例えば３mmのＹ軸に沿った長さを有することができる。種々の実施形態では、反応性ガス出口１０９を、Ｘ次元に沿った均一なガス分布のために、Ｘ及びＹ次元に分布して破線で示すような細長い形状を規定する多数の小孔で構成することができる。さらに、一部の例では、反応性ガス源１０８と基板１０６との間のＺ軸に沿った距離を５mm以下にすることができる。実施形態はこの関係に限定されない。このようにして、反応性ガス１３２を、Ｘ軸に沿って基板全体を覆うがＹ軸に平行な方向には基板１０６を数ミリメートルだけ覆う狭幅の細長い流れとして供給することができる。従って、Ｙ軸に沿って基板を走査することによって、逐次的方法で基板１０６の全体を反応性ガスに晒すことができる。同様に、基板１０６の異なる部分を異なる時刻にプラズマビーム１３０で露光することができる。
これに加えて、図１Ｂに例示するように、基板１０６の領域Ａのような所定領域を、逐次的方法で反応性ガス１３２に晒しプラズマビーム１３０で露光することができる。このようにして、基板１０６を最下部から最上部まで走査する例では、反応性ガス１３２及び基板１０６の種から作られた生成物層を最初に領域Ａに形成することができる。この生成物層は、上述したようにＡＬＥ層とすることができ、この生成物層は自己制限性反応によって形成された単層である。領域Ａをプラズマビーム１３０の下で上向きに走査すると、領域Ａ内に形成された生成物層をプラズマビーム１３０によって逐次的にエッチングすることができる。このようにして、反応性ガス１３２及びプラズマビーム１３０の下で基板を逐次的に走査することによって、基板１０６を単層毎の様式でエッチングすることができる。
本発明の実施形態によれば、ガス流量リストリクター１２０は、差動排気流路１４０として示す低コンダクタンス（伝導性）の流路を、少なくとも抽出プレート１１６と基板ステージ１０４との間に規定することができる。以下に説明するように、差動排気流路１４０は、差動排気流路１４０の一方の端と他方の端との間に大きな圧力差を確立することができる。反応性ガス源１０８は、排気源と直接連通する大きなコンダクタンスの開口によってプラズマチャンバ１１０から分離されている。排気源は、処理チャンバ・ポンプ１３６、または開口１４２と連通するように作製された他のあらゆる排気源とすることができる。開口１４２のコンダクタンスをＣ１４２で表し、差動排気流路１４０のコンダクタンスをＣ１４０で表せば、反応性ガス源１０８を出て開口１４２を通って流れる反応性ガスの流量はＣ１４２／(Ｃ１４２＋Ｃ１４０)に比例するのに対し、反応性ガス源１０８を出て差動排気流路１４０を通って流れるガスの量はＣ１４０／(Ｃ１４２＋Ｃ１４０)に比例する。種々の実施形態によれば、開口１４２及び差動排気流路１４０の適切な設計を用いれば、これら２つの空間領域内の反応性ガスの分圧を２から３桁異ならせることができる。こうした差動排気方法を用いて、システム１００は、例えば、反応性ガス１３２の分圧を反応性ガス出口１０９に隣接した所で１E-3（１×１０-3）Torr（０．１３３３２２Pa）に維持することができるのに対し、開口１２４に隣接した領域１４４では１E-6（１×１０-6）Torr（０．０００１３３２２Pa）の分圧を有して、プラズマチャンバ１１０に至る。
こうした圧力差の結果は、反応性ガス１３２の種が領域１４４内はまたチャンバ１１０内へ逆流することを防止することができ、反応性ガス１３２の種を、排出ポート１３７を通して優先的に排出することができる、ということである。このことは、反応性ガス種をプラズマビーム１３０から低減するように、プラズマビーム１３０の組成を制御する能力を促進する。このようにして、基板１０６を反応性ガス１３２に晒すことを、プラズマビーム１３０で露光することとは別個に維持することによって、より制御可能なエッチングプロセスを実現することができる。これに加えて、あるいはその代わりに、プラズマチャンバ１１０内の気体をプラズマチャンバ・ポンプ１３４によって排気して、プラズマチャンバ１１０内の反応性ガス１３２の濃度をさらに低減することができる。
種々の実施形態によれば、反応性ガス源１０８及びプラズマチャンバ１１０をオン状態に維持しながら、反応性ガス源１０８及びプラズマチャンバ１１０の下で基板ステージ１０４を逐次的に走査することができる。このようにして、システム１００は高性能のＡＬＥプロセスを提供することができる。特に、パージ・サイクルを回避することができ、さもなければ、既知のＡＬＥプロセスにおけるように、反応性ガス１３２に晒すこととエッチングプロセス（例えば、プラズマビーム１３０）で露光することとの間に反応性ガス１３２がパージされる。さらに、一部の実施形態では、基板ステージ１０４が基板１０６を連続的方法で所定回数の走査サイクルだけ往復して（図１Ａでは上下に）走査して、所定量の材料を基板１０６からエッチングすることができる。所定の生成物層の厚さは容易に計算することができるので、エッチングされる合計の厚さは、実行する走査サイクルの回数に応じて容易に制御することができる。
ここで図１Ｃを参照すれば、本発明の他の実施形態によるシステム１５０が示されている。システム１５０は、同様にラベル付けされた構成要素をシステム１００と共有する。システム１５０とシステム１００との相違は、反応性ガスを基板１０６に供給する構成にある。システム１５０では、反応性ガス出口１５８を有する反応性ガス源１５６をプラズマチャンバ１１０に結合することができ、従って反応性ガス出口１５８は反応性ガスをプラズマチャンバ１１０へ指向させることができる。システム１５０は、ガス出口１５８に結合されたコントローラ１５２、及びバイアス電源１５４をさらに含むことができる。コントローラ１５２は、反応性ガス出口１５８を閉じる際に、反応性ガス出口１５８を閉じるための閉信号を送信すると共に、プラズマチャンバ１１０に対して負のバイアスを基板ステージ１０４にかけるための負バイアス信号を送信するためのシンクロナイザ１７０を含むことができる。例えば、基板ステージ１０４は、プラズマチャンバ１１０に対して−１０V〜−１００００Vの範囲内のバイアスをかけることができる。このようにして、図１Ｃ中に示唆するように、反応性ガスを基板１０６へ指向させない間に、プラズマビーム１３０を、プラズマチャンバ１１０から、基板１０６上に形成された生成物層をエッチングするのに適したイオンエネルギーで抽出することができる。シンクロナイザ１７０は、さらに、反応性ガス出口１５８を開く際に、開信号を反応性ガス出口１５８へ送信すると共に、プラズマチャンバ１１０に対して正のバイアスを基板１０６にかけるための正バイアス信号を送信することができる。このようにして、図１Ｄに示すように、プラズマビーム１３０をプラズマ１２２から抽出しない間に、さらにはプラズマ１２２がプラズマチャンバ１１０内に存在し得る間に、反応性ガス流１７２を基板１０６に供給することができる。
１つの動作シナリオでは、図１Ｄに示すように、基板１０６の１回目の走査、例えば最下部から最上部までの走査中に、基板１０６を反応性ガス流１７２に晒すことができる。このように晒すことにより、上述したように自己限定性の生成物層を形成することができる。最上部から最下部までの２回目の走査では、図１Ｃに示すように、プラズマビーム１３０を抽出する間に反応性ガス出口１５８を閉じることによって、生成物層をエッチングすることができる。このようにして、図１Ｄのシナリオの下で走査を実行し、これに続いて図１Ｃのシナリオの下で走査を実行することによって、単層の材料を基板１０６からエッチングするのに有効な所定のエッチングサイクルを完了することができる。
図１Ａ、１Ｃ、及び１Ｄにさらに示すように、システム１００及びシステム１５０は制御システム１７４をさらに含むことができる。制御システム１７４は、システム１００またはシステム１５０の、バイアス電源１５４、電力発生器１１４、及び上述したガス源を含む種々の構成要素に結合することができる。制御システム１７４は、システム１００またはシステム１５０の少なくとも１つのシステムパラメータを変化させるように構成することができる。システムパラメータの例は、プラズマチャンバ１１０に供給されるＲＦ電力のレベル、ＲＦ波形、バイアス電源１５４によって印加されるイオンビームの抽出電圧、パルスバイアス電圧のデューティサイクル及び周波数、または基板１０６と抽出プレート１１６との間のｚ間隔を含み、ｚ間隔は、基板１０６と抽出プレート１１６との間のＺ軸に沿った間隔を意味する。抽出プレート１１６の形状はシステムパラメータの他の例であり、抽出プレート内の開口の形状及びサイズ、等を含むことができる。これらのシステムパラメータの少なくとも１つは、第１の値から第２の値まで変化させることができ、プラズマビーム１３０は、第１の値において第１の形状を有し、第２の値において第２の形状を有する。このようにして、基板への入射角、角拡散（入射角の範囲）、等のようなプラズマビーム１３０のパラメータを制御することができる。このことは、プラズマビーム１３０が用途に応じて基板へ指向されることを可能にする。例えば、基板１０６がパターン化された特徴部分（図１Ａには図示せず）を含む際には、プラズマビーム１３０を第１入射角で指向させることによって、パターン化された特徴部分の垂直面をより良好に処理することができるのに対し、プラズマビーム１３０を第２入射角で指向させることによって、水平面をより良好に処理することができる。
ここで図２Ａ〜図２Ｆを参照すれば、本発明の実施形態による、方向性ＡＬＥまたは選択ＡＬＥを実行して基板をエッチングするための１つのシナリオが示されている。種々の実施形態では、システム１００またはシステム１５０のようなシステムを用いて方向性ＡＬＥを実行することができる。図２Ａには、ガス２０２を基板２００へ指向させる例が示されている。例示目的で、基板２００はシリコンとすることができる。基板２００は、基板平面２１２から延びる、基板特徴部分２０４として示す基板特徴部分のアレイを含むことができる。例えば、一部の実施形態では、基板特徴部分２０４は、線構造、フィン、またはメサとすることができる。図２Ａの例示における基板２００は単位構造とすることができ、ここでは平面部分及び基板特徴部分２０４がシリコンである。反応性ガス２０２は、シリコンと反応して生成物層２０６を形成することができる。一部の場合には、生成物層２０６を材料の単層とすることができ、一部の実施形態では、基板２００内の材料並びに反応性ガス２０２の種から形成することができる。基板２００の元の表面２０８を図２Ｂに示す。図示するように、生成物層２０６は基板２００内に延びることができる。
ここで図２Ｃを参照すれば、生成物層２０６の形成後にイオン２１０が基板２００へ指向される他の例が示されている。一部の実施形態では、図に示すように、イオン２１０を一対のプラズマビームとして指向させることができ、この一対のプラズマビームは、基板平面２１２に直交する方向に対して０でない入射角θ及び入射角−θをなす。特定の実施形態では、入射角θの絶対値と入射角−θの絶対値とが等しい。一部の実施形態では、イオン２１０を不活性ガスイオンとすることができ、これらの不活性ガスイオンは生成物層２０６をエッチングするのに適したエネルギーを有する。イオン２１０は、生成物層２０６の真下の領域内の基板２００をエッチングしないイオンエネルギー及びイオンドーズ量で供給することができる。図２Ｃに例示するように、イオン２１０の方向性及び基板特徴部分２０４の形状が、基板２００の特定の表面または部分のイオン２１０による選択的露光を生じさせることができるのに対し、他の部分はイオン２１０に露光させない。図２Ｃに提案する例のように、基板特徴部分２０４は、高さＨを有し距離Ｓだけ互いに間隔をおいた特徴部分のアレイの形に配置することができる。従って、イオン２１０が上記直交方向２１４に対して０でない入射角で指向されると、隣接する特徴部分どうしが互いに相手を陰にして、イオン２１０が基板２００の特定領域上に当たることを防止することができる。図２Ｃに示す例では、少なくとも基板特徴部分２０４のアレイの領域内で、イオン２１０を遮ってＸ−Ｙ平面内にある水平面上に、当たらないようにすることができる。こうした遮りにより、生成物層２０６の水平面上にある部分、あるいは隣接する基板特徴部分間のトレンチ２０７として示すトレンチ領域のような基板２００の未露光部分をエッチングされないままにすることができる。
ここで図２Ｄを参照すれば、図２Ｃに示す例に後続する例が示されている。図２Ｄでは、基板２００が基板特徴部分２０４を含み、基板特徴部分２０４のＹ軸に沿った厚さは図２Ａよりも狭いが、トレンチ２０７はエッチングされないままである。図２Ｅ及び図２Ｆにさらに示すように、方向性ＡＬＥのエッチングサイクルを含む図２Ｂ及び２Ｃの操作を反復することができる。図２Ｅには、少なくとも１回の追加的エッチングサイクル後の基板２００の構造が示され、基板特徴部分２０４の厚さはさらに低減されるが、トレンチ２０７はエッチングされないままであり続ける。図２Ｆには、図２Ｅの構造に対して少なくとも１回の追加的エッチングを実行した後の基板２００の構造が示され、基板特徴部分２０４はさらに厚さを低減されるが、トレンチ２０７はエッチングされないままであり続ける。
再び図２Ｃを参照すれば、他の実施形態では、イオン２１０の入射角を、直交方向２１４に対してより大きい０でない入射角に調整することができ、これにより側壁２０９の最上部のような一部分だけをイオン２１０で露光することができる。このようにして、方向性エッチングを適用して、基板特徴部分の最上部だけをエッチングすることができる。
さらに他の実施形態では、イオンを直交方向２１４に沿って指向させ、これにより基板２００の水平面をエッチングしつつ、側壁２０９はエッチングされないままにすることができる。こうした直交方向の方向性は、既知のＡＬＥ技術に比べて優れた「垂直」原子層エッチングプロセスを提供することができる。既知のＡＬＥ技術では、処理条件が気相散乱を生じさせて、ある範囲の角度にわたって無制御の様式で基板に当たるエッチング・イオンを生じさせ、従って基板特徴部分の高度に垂直なエッチングが容易に達成されないことがある。
図３は、方向性ＡＬＥ（Ｄ−ＡＬＥ：directional ALE）を可能にするためのシステム３００の一実施形態を提示する。基板１を処理チャンバ内に用意することができる。基板１は基板ステージ２にクランプすることができ、基板ステージ２は、基板１が上向きに進んで反応性ガスを捕えるように移動可能である。反応性ガスは、例えば調整可能な反応性ガス源３及び調整可能な反応性ガス源４によって供給することができる。ＵＶ（ultraviolet：紫外線）放射源２１はＵＶ放射２２を指向させることができ、基板１がさらに上向きに走査される間に、基板１はこのＵＶ放射を捕える。基板１は、さらに、プラズマチャンバ２４内に形成されるプラズマ６から抽出されるイオンビーム７として示す２角度のイオンビームで露光することができる。基板１をさらに走査して、これも調整可能な反応性ガス源４として示す第２の調整可能な反応性ガス源によって出力される第２の反応性ガス流を捕えることができる。システム３００は、イオンビーム７を制御可能なイオンエネルギー及び角度分布で提供することができ、これらは入射角の範囲並びに所定の入射角における相対的なイオンの量を意味する。イオンビーム７は、概略的に上述した抽出プレート９から成る抽出光学系によって抽出することができる。システム３００は、上述したビーム遮断器１８，並びに偏向電極１０を含むこともできる。
プラズマ６は、ガス混合物をガス・マニホールド（多岐管）５からプラズマチャンバ２４内へ入れながら、ＲＦ電力をＲＦアンテナ１１から誘電体のＲＦ窓を通してガス混合物に結合させることによって発生することができる。放電を点弧して持続させるためのＲＦ電力は、ＲＦ発生器１３から整合（マッチング）回路網１４を通して供給することができる。イオンビーム７中のイオンのイオンエネルギーは、パルスＤＣ電源１５によって制御することができ、このパルスＤＣ電源は、プラズマチャンバ２４を上昇した正の静電ポテンシャル（静電電位）に維持する事ができるのに対し、基板ステージ２及び基板１は接地電位に維持される。システム３００はＤＣ電源をさらに含むことができ、偏向電極１０に結合された偏向電圧源１６として示す。イオンビーム７中のイオンの角度分布は、偏向電圧源１６から偏向電極に印加される負のバイアス電圧を変化させることによって制御することができる。特に、偏向電極１０はビーム遮断器１８に隣接して配置することができ、ビーム遮断器１８はプラズマチャンバ２４と偏向電極１０との間に配置されている。偏向電極に印加される電圧は、イオンビーム７がプラズマ６から抽出される際にイオンビーム７を偏向させる電界を発生することができる。特に、このことは、偏向電極１０への偏向電圧が変化する際にイオンビームの入射角を変化させる働きをすることができる。従って、偏向電極１０は、単に電圧を変化させることによって、基板特徴部分におけるＡＬＥによってエッチングされた部分を好都合に変化させる能力を有する。種々の実施形態では、このように電圧を変化させることを、基板または基板のグループの処理中に動的な方法で実行することができる。
低エネルギーのイオン及び反応物質に晒す期間中に、調整可能なガス源３または調整可能なガス源４に晒すことによって形成された生成物の単層をエッチングで除去することができる。イオン束及びラジカル束は、ＲＦ放電へ伝達される電力及び／またはガス流量を調整することによって制御することができる。基板１が受ける照射ドーズ量は、Ｙ軸に平行な方向に沿った走査速度を調整することによって調整することができる。特定の反応については、独立したイオン衝突に加えて、ＵＶ光子照射が表面の生成物層を除去するのに役立つ。ＵＶ放射によって供給される２〜３eVの光子エネルギーは、表面結合の切断を促進しつつ、基板１の表面上に配置された生成物層の単層の真下にある材料には悪影響を与えない。従って、ＵＶ放射源２１の少なくとも１つを用いてＵＶ放射２２を発生することができる。３００mmまでの寸法を有する基板を処理する一部の実施形態では、ＵＶ放射源２１はＸ軸に平行な方向に３５０mmだけ延びて、基板の幅全体を均一に照射する。上記光子束は、ＵＶ放射源２１へ伝達される電力を調整することによって調整することができるのに対し、照射のドーズ量は、Ｙ軸に沿った走査速度を調整することによって調整することができる。一部の実施形態では、基板１を１つの走査方向に沿って位置Ａから位置Ｂまで、位置Ｃまで、位置Ｄまで走査することができ、基板１は、これも調整可能な反応性ガス源４として示す第２の調整可能なガス源に晒すことができる。一部の実施形態では、基板１を連続的な方法で走査することができる。方向性ＡＬＥのエッチングサイクルは、基板を位置Ａから位置Ｂまで、位置Ｃまで、位置Ｄまで１回走査することによって完了することができる。こうしたエッチングサイクルを必要に応じて反復して、目標の厚さの材料を基板１から除去することができる。一部の変形例では、図１Ａに関して上述したように、ガス流量リストリクターをシステム３００内に設けることができる。
図４は、本発明の実施形態による処理の流れ（プロセスフロー）４００を示す。ブロック４０２では、基板をプロセスチャンバ内に配置した際に反応性ガスを基板へ指向させる動作を実行し、反応性ガス及び基板からの材料を含む第１生成物層が基板の外面上に形成される。ブロック４０４では、リボンビームをプラズマチャンバから抽出開口を通して基板の露光部分へ指向させる動作を実行し、リボンビームは第１方向に沿った長軸を有する。ブロック４０６では、反応性ガスを指向させリボンビームを指向させる期間中に、第１方向に直交する第２方向に基板を走査する動作を実行し、露光部分では第１生成物層が基板からエッチングで除去され、リボンビームで露光されていない未露光部分では基板からエッチングで除去されない。
本発明の実施形態は、基板内に特徴部分を規定するための従来の処理に対して種々の利点もたらす。１つの利点は、反応性ガスに晒した後にパージを実行しなければならないことなしに原子層エッチングを実行する能力にある。他の利点は、基板へ指向されるイオンビームの入射角の制御によって、ＡＬＥプロセスを用いて基板の選定した表面または領域を選択的にエッチングする能力である。
本発明は、本明細書中に記載した特定の実施形態によって範囲を限定されない。実際に、本明細書中に記載したものに加えて、本発明の他の種々の実施形態、及び本発明に対する変更は、以上の説明及び添付した図面より、通常の当業者にとって明らかである。従って、こうした他の実施形態及び変更は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本発明は、特定目的での特定環境内における特定の実現に関連して説明してきたが、その有用性はそれらの実現に限定されず、本発明は任意数の目的で任意数の環境において有益に実現することができることは、通常の当業者の認める所である。従って、以下に記載する特許請求の範囲は、本明細書に記載した本発明の全幅及び全範囲を考慮して解釈するべきである。

Claims (12)

  1. 基板を処理する装置であって、
    処理チャンバ内に配置された反応性ガス出口を有する反応性ガス源であって、該反応性ガス出口は第１反応性ガスを前記基板へ指向させる反応性ガス源と、
    第１方向に沿って延びる抽出開口を有する抽出プレートを含むプラズマチャンバと、
    前記基板を保持するように構成された基板ステージであって、前記処理チャンバ内に配置され、前記第１方向に直交する第２方向に沿って、前記反応性ガス源に対面する第１位置と前記抽出開口に対面する第２位置との間を移動可能である基板ステージと、
    前記反応性ガス出口と前記抽出開口との間に配置されたガス流量リストリクターであって、少なくとも前記プラズマチャンバと前記基板との間に差動排気流路を規定するガス流量リストリクターとを具え、
    前記反応性ガス源が第１反応性ガス源であり、前記装置が、前記第１反応性ガスを前記基板へ指向させる第２出口を有する第２反応性ガス源をさらに具え、前記プラズマチャンバが前記第１反応性ガス源と前記第２反応性ガス源との間に配置され、前記基板ステージが、前記第１位置と、前記第２位置と、前記第２反応性ガス源に対面する第３位置との間を順に移動可能である装置。
  2. 前記プラズマチャンバに結合された排気ポートと、該排気ポートに接続されたプラズマチャンバ・ポンプとをさらに具えている、請求項１に記載の装置。
  3. 前記処理チャンバに結合されて前記処理チャンバ内の気体を排気する処理チャンバ・ポンプをさらに具え、前記差動排気流路内の第１圧力が、前記抽出開口と前記基板ステージとの間の領域内の第２圧力よりも小さい、請求項１に記載の装置。
  4. 前記プラズマチャンバに結合されて、不活性ガスを前記プラズマチャンバへ供給するための不活性ガス源をさらに具えている、請求項１に記載の装置。
  5. 前記プラズマチャンバ内に、前記抽出開口に隣接して配置されたビーム遮断器をさらに具え、該ビーム遮断器は第１抽出開口及び第２抽出開口を規定する、請求項１に記載の装置。
  6. 前記抽出開口が、前記第１方向に沿った１００mm〜４００mmの幅、及び前記第２方向に沿った２mm〜３０mmの長さを有する、請求項１に記載の装置。
  7. 基板を処理するシステムであって、
    前記基板を収容する処理チャンバと、
    第１方向に沿って延びる抽出開口を有する抽出プレートを含むプラズマチャンバと、
    前記プラズマチャンバに結合された反応性ガス出口を有する反応性ガス源であって、該反応性ガス出口は第１反応性ガスを前記プラズマチャンバへ指向させる反応性ガス源と、
    前記基板を保持するように構成された基板ステージであって、前記処理チャンバ内に配置され、前記第１方向に直交する第２方向に沿って移動可能な基板ステージと、
    前記基板ステージ及び前記プラズマチャンバの少なくとも一方に接続されたバイアス電源であって、前記プラズマチャンバと前記基板ステージとの間にバイアスを発生するためのバイアス電源と、
    前記反応性ガス出口及び前記バイアス電源に結合されたコントローラであって、前記反応性ガス出口を閉じるための閉信号を送信し、前記反応性ガス出口が閉じられる際に、前記プラズマチャンバに対して負のバイアスを前記基板ステージにかけるための負バイアス信号を送信するシンクロナイザを含むコントローラとを具え、
    前記シンクロナイザが、開信号を前記反応性ガス出口へ送信し、前記反応性ガス出口が開く際に、前記プラズマチャンバに対して正のバイアスを前記基板にかけるための正バイアス信号を送信するシステム。
  8. 基板をエッチングする方法であって、
    前記基板が処理チャンバ内に配置された際に、反応性ガスを前記基板へ指向させるステップであって、前記反応性ガス、及び前記基板の材料から成る第１生成物層が前記基板の外面上に形成されるステップと、
    イオンビームをプラズマチャンバから抽出開口を通して抽出するステップであって、該イオンビームは前記基板の露光部分に衝突するステップと、
    前記基板を保持する基板ステージを、走査方向に沿って、前記抽出開口に対して走査するステップとを含み、
    前記露光部分内の前記第１生成物層を前記基板からエッチングし、前記イオンビームで露光されない前記基板の未露光部分内の前記第１生成物層は前記基板からエッチングせず、
    前記反応性ガスを前記基板へ指向させるステップが、前記反応性ガスを、反応性ガス出口を通して前記プラズマチャンバ内へ送ることを含み、前記反応性ガスは、前記抽出開口を通って前記基板へ流れ、前記方法が、
    前記反応性ガス出口へ開信号を送信し、前記反応性ガス出口が開く際に、前記プラズマチャンバに対して正のバイアスを前記基板にかけるための正バイアス信号を送信するステップと、
    前記反応性ガス出口が閉じる際に、前記プラズマチャンバに対して負のバイアスを前記基板ステージにかけるための負バイアス信号を送信するステップと
    をさらに含む方法。
  9. 前記イオンビームが、前記基板の平面に直交する方向に対して０でない入射角をなす、請求項８に記載の方法。
  10. 前記イオンビームが、前記走査方向に直交する第１方向に沿った長軸を有する、請求項８に記載の方法。
  11. 前記反応性ガスを指向させるステップが、
    前記反応性ガスを、前記処理チャンバ内に配置された反応性ガス源から直接、前記基板へ指向させることを含み、前記反応性ガスを指向させる期間中に、前記基板は第１位置に配置され、前記イオンビームを指向させる期間中に、前記基板は第２位置に配置され、前記基板は、前記走査方向に沿って、前記第１位置と前記第２位置との間で走査される、請求項８に記載の方法。
  12. 前記反応性ガス出口と前記抽出開口との間にガス流量リストリクターを配置するステップであって、該ガス流量リストリクターは、少なくとも前記プラズマチャンバと前記基板との間に差動排気流路を規定するステップと、
    前記反応性ガスを、前記差動排気流路を通して前記反応性ガス出口から排気するステップと
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
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