(57)【要約】【課題】本発明は、広範囲かつ高精度に制御可能な時間変調された高周波電力を供給する高周波電源を備えるプラズマ処理装置及び前記プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】本発明は  真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料を載置する試料台と、前記試料台に高周波電力を供給する第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、時間変調された高周波電力を供給し、前記時間変調を制御するパラメータの一つは、２つ以上の異なる制御範囲を有し、前記制御範囲の一つは、高精度な制御を行うための制御範囲であることを特徴とする。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料を載置する試料台と、前記試料台に高周波電力を供給する第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、時間変調された高周波電力を供給し、前記時間変調を制御するパラメータの一つは、２つ以上の異なる制御範囲を有し、前記制御範囲の一つは、高精度な制御を行うための制御範囲であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記パラメータは、デューティー比、繰り返し周波数、オン時間またはオフ時間の少なくともいずれか一つであること特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、Ａ／Ｄコンバータとパルス発生器とを具備し、
前記Ａ／Ｄコンバータは、前記２つ以上の異なる制御範囲をそれぞれ異なるタイミングで受信し、
前記パルス発生器は、前記Ａ／Ｄコンバータが受信した前記２つ以上の異なる制御範囲のそれぞれから制御範囲切替え信号により選択された制御範囲で制御されるパルスを発生することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項３記載のプラズマ処理装置において、
前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、前記第２の高周波電源であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、前記２つ以上の異なる制御範囲の数と同数の高周波電源を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料を載置する試料台と、前記試料台に高周波電力を供給する第２の高周波電源とを備え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、
前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、時間変調された高周波電力を供給し、２つ以上の異なる制御範囲を有するパラメータにより前記時間変調を制御し、前記制御範囲の一つは、高精度な制御を行うための制御範囲であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマ処理方法において、
前記時間変調された高周波電力の印加されない期間は、１０〜１０００ｍｓであることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項６記載のプラズマ処理方法において、
前記時間変調された高周波電力の印加されない期間が反応生成物の滞在時間以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜とＳｉＯ2膜とアモルファスカーボン膜とＳｉＮ膜とＢＡＲＣ膜とを有する試料に時間変調された高周波電力を供給しながらプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
繰り返し周波数は、高精度な制御が必要な第一の制御範囲と高精度な制御が必要でない第二の制御範囲とを有し、
デューティー比は、高精度な制御が必要な第三の制御範囲と高精度な制御が必要でない第四の制御範囲とを有し、
前記ＳｉＮ膜を前記第一の制御範囲および前記第四の制御範囲でエッチングし、
前記アモルファスカーボン膜を前記第二の制御範囲および前記第四の制御範囲でエッチングし、
前記ＳｉＯ2膜を前記第一の制御範囲および前記第三の制御範囲でエッチングし、
前記Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の一部を前記第一の制御範囲および前記第三の制御範囲でエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、特に半導体素子等の試料を加工するために、プラズマを用いて高精度なエッチング処理を施すのに好適なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の表面を処理する方法として、半導体素子をプラズマでエッチングする装置が知られている。ここでは、電子サイクロトロン共鳴(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ、以下、ＥＣＲと略称する）方式のプラズマエッチング装置を例に従来技術を説明する。
【０００３】
このＥＣＲ方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率よくプラズマを生成できる。半導体素子に入射するイオンを加速するため、高周波電力を概略正弦波にて連続波形で試料に印加している。ここで、試料に印加する高周波電力を以下、高周波バイアスと称する。
【０００４】
また、プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが広く使われている。プラズマにより発生したラジカルやイオンと被エッチング材が反応することでエッチングが進行する。エッチングによって発生する反応生成物はパターンへの再付着を引き起こし、エッチング形状をテーパーにする。よって、エッチング加工の高精度を図るためにはエッチング時に発生する反応生成物の制御が重要になる。
【０００５】
反応生成物濃度を少なくするためには、反応生成物の滞在時間を短くする方法がある。プラズマ処理室内のガスの滞在時間をτとすると、τはＰを処理圧力、Ｖをプラズマ処理室の容量、Ｑをガス流量とした場合、τ＝ＰＶ／Ｑの関係があり、装置構成で前記Ｐ、Ｖ、Ｑの限界が規定される。
【０００６】
この関係からガスとなった反応生成物の滞在時間は処理圧力を下げることやガス流量を増加させることで短くすることができるが、ガス流量を増加するのと、処理圧力を下げることはトレードオフの関係にあり改善が困難である。
【０００７】
また、特許文献１には、反応生成物を制御し、エッチング加工精度を高める方法としては、プラズマや高周波バイアスの時間変調が開示されている。また、特許文献２には、高周波バイアスを２つ以上に分けイオンエネルギーを高精度に制御する時間変調された高周波バイアスの制御の方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−２５０４７９号公報
【特許文献２】特開２００１−８５３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高周波バイアス電源の時間変調を制御するパラメータとして、繰り返し周波数及び繰り返し周波数の１周期に対するオン時間の比（以下、デューティー比と称する）がある。
【００１０】
エッチングを実施する際、繰り返し周波数とデューティー比及びエッチングガスや圧力等のエッチング条件を入力手段により制御部に設定する。設定された値は、制御部内ではデジタル信号として取り扱われるが、制御部と高周波バイアス電源がアナログで接続されている場合、制御部内のデジタル―アナログコンバータ（以下、Ｄ／Ａコンバータと称する）でアナログ信号に変換した後、送信する必要がある。アナログ信号の送信の際、信号に対するノイズ等で誤差が生じると設定値に対し、出力値が異なることとなる。
【００１１】
例えば、デューティー比の信号を０〜１００％の範囲で０．５％単位で入力できる場合、１２ビットのデジタル信号処理では、１デジットあたり約０．０９８％の分解能となる。ここで、デジットとは２進数の桁数を意味する。
【００１２】
図１１に示すように、１２ビットのデジタル信号処理に対し、アナログ信号が０〜１０Ｖで使用される場合、１デジット当たりの電圧は約４．９ｍＶである。アナログ信号がノイズ等の理由で４．９ｍＶ以上ずれた場合にはデジタル信号変換後に１デジット以上のずれが生じる可能性がある。この場合、分解能は１デジットあたり約０．０９８％なので、デューティー比が約０．１％以上の誤差が生じる可能性がある。
【００１３】
例えば、繰り返し周波数が１０Ｈｚでデューティー比が２．０％の時、高周波バイアスのオン時間は２.０ｍｓとなる。繰り返し周波数が１０Ｈｚでデューティー比が２．１％の場合、オン時間は２．１ｍｓとなる。デューティー比の制御精度の誤差が０．１％ある場合、デューティー比の設定値を２．０％としても、結果として２．１％となる可能性があり、この場合のオン時間の誤差は０．１ｍｓとなる。
【００１４】
一般にオン時間にエッチングが進行する。エッチングが進行する時間の誤差は、エッチングレートやエッチングの反応生成物濃度に影響する。図１２にデューティー比とエッチングレートの関係を確認した実験結果を示す。エッチングレートは、ＨＢｒガスとＡｒガスとＯ2ガスとの混合ガスを用いて、１０Ｈｚの繰り返し周波数で、デューティー比を変えてＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチングレートを測定したものである。
【００１５】
この実験では、デューティー比が０．１％変わるとエッチングレートが１．３ｎｍ/ｍｉｎ変化する結果となった。また、デューティー比が２％のとき、エッチングレートは２１．７ｎｍ／ｍｉｎであったが、ノイズなどによりデューティー比が＋１デジットずれた場合、デューティー比が２．１％となり、エッチングレートは２３．０ｎｍ/ｍｉｎとなる。また、ノイズなどによりデューティー比が−１デジットずれた場合、デューティー比が１．９０％となり、エッチングレートは２０．４ｎｍ/ｍｉｎとなる。
【００１６】
このようにデューティー比が２．０％設定でも±１デジットの誤差がある場合、エッチングレートは２１．７ｎｍ／ｍｉｎに対し、誤差率として約１２％程度の誤差を持つことになり、エッチング性能のばらつきが約１２％発生する可能性がある。このばらつきがエッチング性能の再現性や装置間差を引き起こす原因となる。
【００１７】
このような問題に対して使用するアナログ電圧値に対するデューティー比の使用領域を狭くすることで、分解能を上げることが可能であるが、エッチングガスや被エッチング対象構造によって、最適なデューティー比が異なる。このため、各種のエッチングガスや各種の被エッチング対象構造に対応するためには、できるだけ広いデューティー比領域が必要となる。よって、デューティー比の使用可能領域の広域化とデューティー比分解能向上の両立が必須となる。
【００１８】
また、繰り返し周波数についてもデューティー比と同様のことが言える。エッチングガスや被エッチング対象構造によって、最適な繰り返し周波数が異なるため、各種のエッチングガスや各種の被エッチング対象構造に対応するためには、できるだけ広い繰り返し周波数領域が必要となる。このため、繰り返し周波数についても繰り返し周波数の広域化と高分解能化の両立は必須である。
【００１９】
さらにプラズマの解離を制御する方法として知られるパルスプラズマについても、パルスプラズマを生成するために印加される高周波は時間変調され、パルス化されているため、上述のデューティー比と繰り返し周波数と同様な問題が発生し得る。
【００２０】
このため、本発明は、以上の課題に鑑みて、広範囲かつ高精度に制御可能な時間変調された高周波電力を供給する高周波電源を備えるプラズマ処理装置及び前記プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料を載置する試料台と、前記試料台に高周波電力を供給する第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、時間変調された高周波電力を供給し、前記時間変調を制御するパラメータの一つは、２つ以上の異なる制御範囲を有し、前記制御範囲の一つは、高精度な制御を行うための制御範囲であることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料を載置する試料台と、前記試料台に高周波電力を供給する第２の高周波電源とを備え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、前記第１の高周波電源または前記第２の高周波電源の少なくともいずれか１つは、時間変調された高周波電力を供給し、２つ以上の異なる制御範囲を有するパラメータにより前記時間変調を制御し、前記制御範囲の一つは、高精度な制御を行うための制御範囲であることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜とＳｉＯ2膜とアモルファスカーボン膜とＳｉＮ膜とＢＡＲＣ膜とを有する試料に時間変調された高周波電力を供給しながらプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、繰り返し周波数は、高精度な制御が必要な第一の制御範囲と高精度な制御が必要でない第二の制御範囲とを有し、デューティー比は、高精度な制御が必要な第三の制御範囲と高精度な制御が必要でない第四の制御範囲とを有し、前記ＳｉＮ膜を前記第一の制御範囲および前記第四の制御範囲でエッチングし、前記アモルファスカーボン膜を前記第二の制御範囲および前記第四の制御範囲でエッチングし、前記ＳｉＯ2膜を前記第一の制御範囲および前記第三の制御範囲でエッチングし、前記Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の一部を前記第一の制御範囲および前記第三の制御範囲でエッチングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明により、広範囲かつ高精度に制御可能な時間変調された高周波電力を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図３Ａ】実施例１におけるアナログ信号の送信を示した図である。
【図３Ｂ】実施例２におけるアナログ信号の送信を示した図である。
【図４Ａ】実施例１におけるＡ／Ｄコンバータの概略図である。
【図４Ｂ】実施例２におけるＡ／Ｄコンバータの概略図である。
【図５】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図６Ａ】実施例１におけるチャンネルの設定例を示した図である。
【図６Ｂ】実施例２におけるチャンネルの設定例を示した図である。
【図７】反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を示した図である。
【図８Ａ】実施例１におけるデューティー比に対するＳｉＯ２選択比を示した図である。
【図８Ｂ】実施例２における繰り返し周波数に対するエッチング形状のテーパー角度依存性を示した図である。
【図８Ｃ】実施例２における時間変調された間欠的な高周波バイアス電力のオフ時間に対するエッチング形状のテーパー角度依存性を示した図である。
【図９】本発明の一実施例に係る制御部と高周波電源の概略図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図１１】従来のアナログ信号設定例を示した図である。
【図１２】デューティー比に対するＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチングレート依存性を示す図である。
【図１３】平均高周波電力に対するＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチングレート依存性を示す図である。
【図１４】実施例３におけるＡ／Ｄコンバータの概略図である。
【図１５】本願発明の概念を示す図である。
【図１６】実施例４におけるプラズマ処理方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
プラズマを生成するための高周波電源と試料に高周波電力を供給する高周波電源の少なくとも一方の高周波電源から供給される高周波電力を時間変調する場合の制御用パラメータとして、繰り返し周波数、デューティー比、繰り返し波形の振幅の高い期間の時間(例えば、オン時間)、繰り返し波形の振幅が低い期間の時間(例えば、オフ時間)がある。
本発明は、上記の制御用パラメータの少なくとも一つの制御範囲を少なくとも２つの異なる領域に分割し、前記領域の１つは、高精度な制御が必要な領域であることを特徴とする。
【００２７】
例えば、繰り返し周波数とデューティー比を制御用パラメータとして試料に高周波電力を供給する高周波電源から供給される高周波電力を時間変調する場合、図１５に示すように大きく４つの領域に分類できる。
【００２８】
領域Ａは、低繰り返し周波数(例えば、１から１００Ｈｚの繰り返し周波数)かつ低デューティー比(例えば１０％以下のデューティー比)より高いデューティー比の領域であり、領域Ｂは、低繰り返し周波数より高い繰り返し周波数かつ低デューティー比より高いデューティー比の領域である。また、領域Ｃは、低繰り返し周波数かつ低デューティー比の領域であり、領域Ｄは、低繰り返し周波数より高い繰り返し周波数かつ低デューティー比の領域である。
【００２９】
さらに、上記の低繰り返し周波数と低デューティー比は、高精度な制御が求められる範囲である。このため、本発明は、プラズマを生成するための高周波電源または試料に高周波電力を供給する高周波電源の少なくともいずれか一方の高周波電源から供給される高周波電力を時間変調する場合、前記高周波電力の時間変調の制御領域は異なる複数の領域からなり、前記異なる複数の領域の少なくとも一つは、領域Ａと領域Ｃと領域Ｄの中の少なくとも一つの領域であることを特徴とする。
【００３０】
最初に、試料に高周波電力を供給する高周波電源から供給される高周波電力を時間変調し、デューティー比を制御パラメータとする場合、領域Ｃと領域Ｄからなるデューティー比領域１と、領域Ａと領域Ｂからなるデューティー比領域２と、を制御領域とする一実施例を以下、説明する。
【実施例１】
【００３１】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。図１に本発明の一実施例に係るマイクロ波を用いたＥＣＲプラズマエッチング装置の概略縦断面図を示す。なお、同一符号は同一の構成要素を示す。
【００３２】
上部が開放された真空容器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（例えば石英製）と、誘電体窓１０３（例えば石英製
）とを設置し、密封することにより処理室１０４を形成する。シャワープレート１０２にはエッチングガスを流すためのガス供給装置１０５が接続される。
また、真空容器１０１には排気用開閉バルブ１１７及び排気速度可変バルブ１１８を介し真空排気装置１０６が接続されている。処理室１０４内は排気用開閉バルブ１１７を開とし、真空排気装置１０６を駆動することで減圧され、真空状態となる。処理室１０４内の圧力は排気速度可変バルブ１１８により所望の圧力に調整される。エッチングガスは、ガス供給装置１０５からシャワープレート１０２を介して処理室１０４内に導入され、排気速度可変バルブ１１８を介して真空排気装置１０６によって排気される。また、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１の下部に試料台である試料載置用電極１１１が設けられる。
【００３３】
プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を伝送する導波管１０７が設けられる。導波管１０７へ伝送される電磁波は電磁波発生用電源１０９から発振させる。尚、本実施例の効果は、電磁波の周波数に特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する。処理室１０４の外部には、磁場を形成する磁場発生コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０９より発振された電磁波は、磁場発生コイル１１０により形成された磁場との相互作用により、処理室１０４内に高密度プラズマを生成し、試料載置用電極１１１上に配置された、試料であるウエハ１１２にエッチング処理を施す。
【００３４】
シャワープレート１０２、試料載置用電極１１１、磁場発生コイル１１０、排気用開閉バルブ１１７、排気速度可変バルブ１１８及びウエハ１１２は処理室１０４の中心軸上に対して同軸に配置されているため、エッチングガスの流れやプラズマにより生成されたラジカル及びイオン、更にはエッチングにより生成された反応生成物はウエハ１１２に対し同軸に導入、排気される。この同軸配置はエッチングレート、エッチング形状のウエハ面内均一性を軸対称に近づけ、ウエハ処理均一性を向上させる効果がある。
【００３５】
試料載置用電極１１１は電極表面が溶射膜（図示せず）で被覆されており、高周波フィルター１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、試料載置用電極１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波バイアス電源１１４が接続される。高周波バイアス電源１１４は、高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８を備え（図２参照）、時間変調された間欠的な高周波電力または、連続的な高周波電力を選択的に試料載置用電極１１１に供給することができる。また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力は高周波バイアス電力を印加する期間（オン期間）と印加しない期間（オフ期間）を単位時間あたり繰り返す回数である繰り返し周波数と、１周期（繰り返し周波数の逆数）あたりのオン期間であるデューティー比とによって、制御される。
【００３６】
上述のＥＣＲエッチング装置を用いたエッチング処理を制御する制御部１２０は、入力手段（図示せず）により入力された繰り返し周波数、デューティー比、エッチングを実施するガス流量、処理圧力、マイクロ波電力、コイル電流等のエッチングパラメータの処理を行うパソコン１２１と、信号処理を行うマイコン１２２と、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル―アナログコンバータ（以下、Ｄ／Ａコンバータ１２３と称する）とを備える（図２参照）。
【００３７】
また、高周波バイアス電源１１４は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ―デジタルコンバータ（以下、Ａ／Ｄコンバータ１２４と称する）と、マイコン１２２から送信された信号とＡ／Ｄコンバータ１２４から送信された信号とを処理する信号処理部１２５と、信号処理部１２５から指示された繰り返し周波数とデューティー比のパルス波形を発生するパルス発生器１０８と、信号処理部から指示された高周波バイアスを出力する高周波バイアス出力部１２６とを備える（図２参照）。
【００３８】
以下に、高周波バイアス電源１１４から時間変調された間欠的な高周波電力を試料載置用電極に供給する場合の制御部１２０の機能について、図２を用いて説明する。
【００３９】
入力手段（図示せず）により、パソコン１２１に入力された繰り返し周波数とデューティー比は、デジタル信号としてマイコン１２２で処理され、Ｄ／Ａコンバータ１２３を介して、アナログ信号に変換されて高周波バイアス電源１１４に送信される。高周波バイアス電源１１４が受信したアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ１２４にてデジタル信号へ変換され、信号処理部１２５にて処理されて高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８とからそれぞれ高周波バイアス電力とパルス波形が出力される。出力された高周波バイアス電力に出力されたパルス波形が重畳されて、時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から試料載置用電極１１１に供給する。
【００４０】
次に、高周波バイアス電源１１４のデューティー比は、０〜１００％の範囲を０．５％毎の設定で使用され、特に０〜１０％のデューティー比の領域を高分解能で制御する場合について、説明する。
【００４１】
０〜１０％のデューティー比の領域をチャンネル１、１０．５〜１００％のデューティー比の領域をチャンネル２とする。また、１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４を使用し、アナログ信号の電圧値は±１０Ｖの範囲としている。尚、アナログ信号が±１０Ｖの範囲の場合、アナログ信号は、一般的に０〜１０Ｖが使用される。アナログ電圧値の範囲は任意の範囲に設定できるが、本実施例では一般的に使用される０〜１０Ｖを使用した。
【００４２】
例えば、パソコン１２１に２％のデューティー比が入力されると、図３Ａに示すようにマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介してチャンネル１とチャンネル２の信号が両方とも時間をずらされて周期的にＡ／Ｄコンバータ１２４に送信される。信号処理部１２５は、マイコン１２２から送信されたチャンネル１を選択するためのチャンネル切替え信号に応じて、タイミングＡ（チャンネル１）と信号受信を同期させることにより、Ａ／Ｄコンバータ１２４から送信されたチャンネル１とチャンネル２の信号からをチャンネル１の信号を選択する。
【００４３】
チャンネル１の信号を選択した信号処理部１２５は、パルス発生器１０８から２％のデューティー比のパルス波形を発生させ、２％のデューティー比の時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から出力する。
【００４４】
また、信号処理部１２５のチャンネル選択の他の方法としては、図４Ａに示すように、Ａ／Ｄコンバータ１２４に複数の入出力端子（以下ポートとする）がある場合、チャンネル切替え信号にてどのチャンネルを選択するのは判断し、特定のポートの信号をとる方法でも良い。例えば、２％のデューティー比の場合、ポート１を選択するように信号処理部１２５に判断させれば良い（図４Ａ）。
【００４５】
また、使用するチャンネルだけをマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介して、Ａ／Ｄコンバータ１２４に送信しても良い。例えば、２％のデューティー比を設定する場合、チャンネル１の信号のみを送信し、チャンネル２の信号は送信しないようにする。Ａ／Ｄコンバータ１２４が図４Ａのような構成の場合、信号処理部１２５がポートの受信信号の有無を判定することで、ポート１には信号有り、ポート２には信号無しの状態ならば、信号処理部１２５は、ポート１、すなわちチャンネル１を選択できる。この場合、チャンネル切替え信号は必要ないため、図５の構成でもよい。
【００４６】
しかし、エッチング処理は、複数ステップで連続に処理することがあり、各ステップ間で異なるデューティー比の領域（異なるチャンネル）を使用する場合は、送信のタイミングをずらした状態で常に周期的に、異なるチャンネルの信号を送信した状態で、切替え信号によりチャンネルを選択する方法（図４Ａ）が切替え信号が不要な方法より、チャンネルの変更を速く行うことが可能なため、図４Ａのようなチャンネル選択方法が適している。
【００４７】
次に、本実施例でのチャンネル１とチャンネル２のデューティー比および分解能について説明する。
【００４８】
通常、Ｄ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の処理能力とデューティー比の領域の範囲によりデューティー比の分解能が決定される。１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の場合、４０９６デジットの信号を取り扱える。デジットとは２進数の桁のことである。この場合、アナログ信号が±１０Ｖの範囲で４０９６種類の信号の値を扱えることになる。アナログ信号は本実施例では０〜１０Ｖとしており、２０４８種類の信号の値を扱えることとなる。
【００４９】
本実施例では、チャンネル１のデューティー比の使用範囲が０〜１０％で０．５％毎の設定のため、約０．０１％の分解能になる。また、チャンネル２のデューティー比の使用範囲が１０.５〜１００％のため、約０．０９％の分解能になる。また、アナログ信号の使用範囲が１０Ｖで２０４８デジットの信号を取り扱えるため、１デジットは約４．９ｍＶに相当する。すなわち、アナログ信号が約４．９ｍＶであれば、チャンネル１の場合は、約０．０１％のデューティー比、チャンネル２の場合は、約０．０９％のデューティー比を表すことになる。このため、アナログ信号に４．９ｍＶの誤差が発生すると、チャンネル１の場合は、約０．０１％の誤差、チャンネル２の場合は約０．０９％の誤差が生じることになる。
【００５０】
例えば、デューティー比が２％（チャンネル１）で繰り返し周波数が１０Ｈｚの場合、オン時間は２．０ｍｓとなる。アナログ信号に約０．０５％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、デューティー比に約０．０１％以上の誤差が生じることになる。デューティー比が２．０１％で繰り返し周波数が１０Ｈｚの場合、オン時間は２．０１ｍｓとなり、誤差はわずか０．０１ｍｓである。
【００５１】
また、デューティー比が９０％（チャンネル２）で繰り返し周波数が１０Ｈｚの場合、オン時間は９．０ｍｓとなる。ノイズによりアナログ信号に約０．０９％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、約９０．０９％の信号として処理されることになるが、オン時間は９．０９ｍｓで誤差は０．０９ｍｓとなり、０．０９ｍｓの誤差にしかならない。
【００５２】
よって、本実施例は、上述したとおり、デューティー比の使用領域範囲を分解能の精度が要求されるデューティー比の領域と分解能の精度があまり要求されないデューティー比の領域とに分割することにより、デューティー比の高範囲の使用領域において、デューティー比を高精度に制御することができる。
【００５３】
また、本実施例ではデューティー比の設定単位を０．５％としているため、チャンネル１のデューティー比の領域を選択した場合、０．５％に約１０２デジット、即ち約５００ｍＶを割り当てることができ、ノイズ等による誤差を排除することを可能としている。
【００５４】
また、チャンネル１の分解能は、０．０１％のため、チャンネル１のデューティー比の設定単位を０．５％以下にして制御することは可能である。また、本実施例では、デューティー比の使用領域を２つに分割した例であったが、２つ以上に分割しても良い。分割数を増やすほど、各使用領域の分解能を向上させることができる。
【００５５】
また、本実施例では、アナログ電圧値を０〜１０Ｖの使用範囲としたが、任意の使用範囲でも分解能向上効果は同等であるため、アナログ電圧値の使用範囲が任意の電圧範囲でも本発明は適用可能であり、本発明と同様な効果が得られる。
【００５６】
また、本実施例では、デューティー比の使用領域を２つに分割した例であったが、図６Ａに示すように、２つ以上の異なるデューティー比領域を組み合わせることによって、デューティー比の使用領域を広げても良い。このように、異なるデューティー比の領域を組み合わせることによって、デューティー比の使用領域を広げることができ、それぞれのデューティー比領域の制御精度を向上させることができる。
【００５７】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力のオン時間が短い場合には、高周波バイアス電力のマッチングが困難になるという問題がある。オン時間はデューティー比と繰り返し周波数によって規定されるが、繰り返し周波数が２０００Ｈｚのような高い周波数の場合、デューティー比が小さいとオン時間が短くなりすぎるため、マッチング性能に影響を与え、高周波バイアス電力を試料載置用電極１１１に印加できなくなる場合がある。
【００５８】
このため、チャンネル１のデューティー比領域のデューティー比を使用する場合は、概して、繰り返し周波数を２００Ｈｚ以下程度で使用するのが望ましい。またオン時間が短くなりマッチングに影響を与えないようにするため、良好な動作が可能なオン時間の最小値を予め設定しておき、マッチングに影響を与えるかオン時間であるかを判定する機能を持つことが望ましい。
【００５９】
次に、本実施例に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、ウエハ１１２にエッチング処理を施すプラズマ処理方法について説明する。また、時間変調された間欠的な高周波バイアスのデューティー比の使用範囲が、２つのデューティー比の領域に分割され、チャンネル１（０〜１０％）とチャンネル２（１０．５〜１００％）の２つのデューティー比の領域から構成されている場合のプラズマ処理方法について説明する。
【００６０】
時間変調された間欠的な高周波バイアスは反応生成物濃度を制御し、エッチング性能を制御することに用いられるが、オフ時間が反応生成物の滞在時間と同等程度の時、特に大きな効果が得られる。時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間の期間はエッチングが進行し、反応生成物が発生し続ける。時間変調された間欠的な高周波バイアスがオフすると、エッチングは進行しなくなり、反応生成物は排気される。一般的なプラズマエッチング装置の場合、処理圧力０．１Ｐａ〜１０Ｐａでは反応生成物の滞在時間は１０ｍｓ〜１０００ｍｓである。
【００６１】
一例として、反応生成物の滞在時間が８０ｍｓの場合を説明する。連続高周波バイアスでは反応生成物濃度はエッチング開始時より単調に増加していく。反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を１０ｍｓとした場合の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ａ）に示す。オフ時間が反応生成物の滞在時間と比較して短い場合には、反応生成物が残留するため、反応生成物濃度は時間の経過とともに増加していく。次に、反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を８０ｍｓとして、反応生成物の滞在時間とオフ時間を等しくした時の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ｂ）に示す。
【００６２】
オン時間内に発生した反応生成物はオフ時間に排気され、残留しないため、反応生成物濃度が低い状態を作り出すことが可能である。オン時間に生成された反応生成物に対し、十分に長いオフ時間を設けることで反応生成物濃度を下げることができる。デューティー比はオン時間とオフ時間の比であるため、オフ時間を長くすることはデューティー比を下げることに相当する。デューティー比を下げることで反応生成物の影響を抑制することができる。
【００６３】
次に、図８Ａに繰り返し周波数を１０Ｈｚに固定して、ＡｒガスとＳＦ6ガスとＯ2ガスを混合し、タングステンのラインパターンをエッチングした場合のデューティー比に対するハードマスクであるＳｉＯ2膜の選択比依存性を示す。
【００６４】
デューティー比が１０％より高い場合には選択比の変化は緩やかであるが、デューティー比が１０％以下では、選択比が急激に上がる結果となっている。これは、デューティー比が低い時はオン時間が短くオフ時間が長いため、反応生成物濃度が減少するためである。ＳＦ6ガスでタングステンをエッチングする際の反応生成物は、概してＷＦｘ(ｘ＝１〜６)などであるが、これらの反応生成物は再解離することで、Ｆ(フッ素)を発生し、ＳｉＯ2膜へ付着し、ＳｉＦ4等として反応し、ＳｉＯ2をエッチングすることで、ＳｉＯ2選択比を下げていると考えられる。
【００６５】
選択比の高精度な制御のためには１０％以下のデューティー比を高精度に制御する必要がある。そのためには図８Ａに示すようにデューティー比のチャンネルを１０％以下と１０％より高い場合の２つの領域に分けることで、広範囲の制御と高精度の制御を両立することが可能である。
【００６６】
また、上述以外のプラズマ処理方法について、以下、説明する。時間変調された間欠的な高周波バイアスを高精度に制御することで、エッチング性能を高精度に制御することが可能となる。エッチング性能がチャンバの経時変化に伴い変化していく場合がある。
【００６７】
例えば、エッチングレートが処理枚数を重ねるごとに低下するような場合、処理時間の設定値が同じであれば、結果として総エッチング量が少なくなってしまい、不良を引き起こす可能性がある。よって、逆に処理枚数を重ねるごとにエッチレートを上げるようにすることで、総エッチング量を一定にすることができる。時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間、オフ時間、周波数、デューティー比等を高精度に制御することで、経時変化に対応したエッチング性能制御が可能となる。
【００６８】
図１３にＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチングレートと平均高周波電力の関係を示す。平均高周波電力を変えることで、２０ｎｍ／ｍｉｎより小さいような僅かなエッチングレートでも制御できることがわかる。図１３は、図１２に示すデューティー比と高周波電力値から平均高周波電力に換算したものである。
【００６９】
図１３に示すように、デューティー比を変えることで平均高周波電力を制御できる。よって、デューティー比を高精度に制御することでエッチングレートを高精度に制御できるため、経時変化に追随したエッチング性能制御に適している。
【００７０】
また、上述したプラズマ処理方法は、時間変調された間欠的な高周波バイアスのデューティー比の使用周波数範囲が、２つの領域に分割された例であったが、デューティー比の使用領域が２つ以上に分割されている場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。
【００７１】
また、デューティー比や繰り返し周波数、オン時間、オフ時間の使用領域が２つ以上の異なる領域の組合せからなる場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。
【００７２】
本発明は、上述した通りの構成を備えるため、広範囲のデューティー比で高精度に制御されたデューティー比により時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができるため、種々のエッチング工程において、高精度なエッチング加工が可能である。
【００７３】
また、本実施例では、デューティー比の複数チャンネルの切替えは、チャンネル切替え信号を用いたが、高周波バイアス電源を複数使用する方法でも良い。例えば、図９に示すようにデューティー比のチャンネルを２つに分ける場合、それぞれ、異なる制御範囲のデューティー比の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を出力する高周波電源を２つ設け、高周波電源選択信号により第一の高周波電源１２７と第二の高周波電源１２８とを切り替えることで、広範囲のデューティー比で高精度に制御されたデューティー比の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができる。
【００７４】
また、図１０に示すように、上記の複数の高周波電源の代わりに、異なる制御範囲のデューティー比のパルス波形をそれぞれ発生させる複数のパルス発生器（第一のパルス発生器１２９、第二のパルス発生器１３０等）を高周波バイアス電源に設けても良い。
次に、試料に高周波電力を供給する高周波電源から供給される高周波電力を時間変調し、繰り返し周波数を制御パラメータとする場合、領域Ａと領域Ｃからなる繰り返し周波数領域１と、領域Ｂと領域Ｄからなる繰り返し周波数領域２と、を制御領域とする一実施例を以下、説明する。
【実施例２】
【００７５】
以下、本発明を実施するための形態を図面を参照しながら説明する。図１に本発明の一実施例に係るマイクロ波を用いたＥＣＲプラズマエッチング装置の概略縦断面図を示す。なお、同一符号は同一の構成要素を示す。
【００７６】
上部が開放された真空容器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（例えば石英製）と、誘電体窓１０３（例えば石英製）とを設置し、密封することにより処理室１０４を形成する。シャワープレート１０２にはエッチングガスを流すためのガス供給装置１０５が接続される。また、真空容器１０１には排気用開閉バルブ１１７及び排気速度可変バルブ１１８を介し真空排気装置１０６が接続されている。処理室１０４内は排気用開閉バルブ１１７を開とし、真空排気装置１０６を駆動することで減圧され、真空状態となる。
【００７７】
処理室１０４内の圧力は排気速度可変バルブ１１８により所望の圧力に調整される。エッチングガスは、ガス供給装置１０５からシャワープレート１０２を介して処理室１０４内に導入され、排気速度可変バルブ１１８を介して真空排気装置１０６によって排気される。また、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１の下部に試料台である試料載置用電極１１１が設けられる。
【００７８】
プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を伝送する導波管１０７が設けられる。導波管１０７へ伝送される電磁波は電磁波発生用電源１０９から発振させる。尚、本実施例の効果は、電磁波の周波数に特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する。処理室１０４の外部には、磁場を形成する磁場発生コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０９より発振された電磁波は、磁場発生コイル１１０により形成された磁場との相互作用により、処理室１０４内に高密度プラズマを生成し、試料載置用電極１１１上に配置された、試料であるウエハ１１２にエッチング処理を施す。
【００７９】
シャワープレート１０２、試料載置用電極１１１、磁場発生コイル１１０、排気用開閉バルブ１１７、排気速度可変バルブ１１８及びウエハ１１２は処理室１０４の中心軸上に対して同軸に配置されているため、エッチングガスの流れやプラズマにより生成されたラジカル及びイオン、更にはエッチングにより生成された反応生成物はウエハ１１２に対し同軸に導入、排気される。この同軸配置はエッチングレート、エッチング形状のウエハ面内均一性を軸対称に近づけ、ウエハ処理均一性を向上させる効果がある。
【００８０】
試料載置用電極１１１は電極表面が溶射膜（図示せず）で被覆されており、高周波フィルター１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、試料載置用電極１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波バイアス電源１１４が接続される。高周波バイアス電源１１４は、高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８を備え（図２参照）、時間変調された間欠的な高周波電力または、連続的な高周波電力を選択的に試料載置用電極１１１に供給することができる。
【００８１】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力は高周波バイアス電力を印加する期間（オン期間）と印加しない期間（オフ期間）を単位時間あたり繰り返す回数である繰り返し周波数と、１周期（繰り返し周波数の逆数）あたりのオン期間であるデューティー比とによって、制御される。
【００８２】
上述のＥＣＲエッチング装置を用いたエッチング処理を制御する制御部１２０は、入力手段（図示せず）により入力された繰り返し周波数、デューティー比、エッチングを実施するガス流量、処理圧力、マイクロ波電力、コイル電流等のエッチングパラメータの処理を行うパソコン１２１と、信号処理を行うマイコン１２２と、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル―アナログコンバータ（以下、Ｄ／Ａコンバータ１２３と称する）とを備える（図２参照）。
【００８３】
また、高周波バイアス電源１１４は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ―デジタルコンバータ（以下、Ａ／Ｄコンバータ１２４と称する）と、マイコン１２２から送信された信号とＡ／Ｄコンバータ１２４から送信された信号とを処理する信号処理部１２５と、信号処理部１２５から指示された繰り返し周波数とデューティー比のパルス波形を発生するパルス発生器１０８と、信号処理部から指示された高周波バイアスを出力する高周波バイアス出力部１２６とを備える（図２参照）。
【００８４】
以下に、高周波バイアス電源１１４から時間変調された間欠的な高周波電力を試料載置用電極に供給する場合の制御部１２０の機能について、図２を用いて説明する。
【００８５】
入力手段（図示せず）により、パソコン１２１に入力された繰り返し周波数とデューティー比は、デジタル信号としてマイコン１２２で処理され、Ｄ／Ａコンバータ１２３を介して、アナログ信号に変換されて高周波バイアス電源１１４に送信される。
【００８６】
高周波バイアス電源１１４が受信したアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ１２４にてデジタル信号へ変換され、信号処理部１２５にて処理されて高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８とからそれぞれ高周波バイアス電力とパルス波形が出力される。出力された高周波バイアス電力に出力されたパルス波形が重畳されて、時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から試料載置用電極１１１に供給する。
【００８７】
次に、高周波バイアス電源１１４の繰り返し周波数は、１〜２０００Ｈｚの範囲を１Ｈｚ単位で使用され、特に１〜１１９Ｈｚの周波数帯域を高分解能で制御する場合について、説明する。
【００８８】
１〜１１９Ｈｚの周波数帯域をチャンネル１、１２０〜２０００Ｈｚの周波数帯域をチャンネル２とする。また、１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４を使用し、アナログ信号の電圧値は±１０Ｖの範囲としている。尚、アナログ信号が±１０Ｖの範囲の場合、アナログ信号は、一般的に０〜１０Ｖが使用される。
【００８９】
例えば、パソコン１２１に６０Ｈｚの繰り返し周波数が入力されると、図３Ｂに示すようにマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介してチャンネル１とチャンネル２の信号が両方とも時間をずらされて周期的にＡ／Ｄコンバータ１２４に送信される。
【００９０】
信号処理部１２５は、マイコン１２２から送信されたチャンネル１を選択するためのチャンネル切替え信号に応じて、タイミングＡ（チャンネル１）と信号受信を同期させることにより、Ａ／Ｄコンバータ１２４から送信されたチャンネル１とチャンネル２の信号からをチャンネル１の信号を選択する。チャンネル１の信号を選択した信号処理部１２５は、パルス発生器１０８から６０Ｈｚのパルス波形を発生させ、６０Ｈｚの繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から出力する。
【００９１】
また、信号処理部１２５のチャンネル選択の他の方法としては、図４Ｂに示すように、Ａ／Ｄコンバータ１２４に複数の入出力端子（以下ポートとする）がある場合、チャンネル切替え信号にてどのチャンネルを選択するのは判断し、特定のポートの信号をとる方法でも良い。例えば、６０Ｈｚの繰り返し周波数の場合、ポート１を選択するように信号処理部１２５に判断させれば良い（図４Ｂ）。
【００９２】
また、使用するチャンネルだけをマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介して、Ａ／Ｄコンバータ１２４に送信しても良い。例えば、１０Ｈｚの繰り返し周波数を設定する場合、チャンネル１の信号のみを送信し、チャンネル２の信号は送信しないようにする。Ａ／Ｄコンバータ１２４が図４Ｂのような構成の場合、信号処理部１２５がポートの受信信号の有無を判定することで、ポート１には信号有り、ポート２には信号無しの状態ならば、信号処理部１２５は、ポート１、すなわちチャンネル１を選択できる。この場合、チャンネル切替え信号は必要ないため、図５の構成でもよい。
【００９３】
しかし、エッチング処理は、複数ステップで連続に処理することがあり、各ステップ間で異なる周波数帯域の周波数（異なるチャンネル）を使用する場合は、送信のタイミングをずらした状態で常に周期的に、異なるチャンネルの信号を送信した状態で、切替え信号によりチャンネルを選択する方法（図４Ｂ）が切替え信号が不要な方法より、チャンネルの変更を速く行うことが可能なため、図４Ｂのようなチャンネル選択方法が適している。
【００９４】
次に、本実施例でのチャンネル１とチャンネル２の周波数分解能について説明する。
【００９５】
通常、Ｄ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の処理能力と周波数帯域の範囲により周波数分解能が決定される。１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の場合、４０９６デジットの信号を取り扱える。デジットとは２進数の桁のことである。この場合、アナログ信号が±１０Ｖの範囲で４０９６種類の信号の値を扱えることになる。アナログ信号は一般的に０〜１０Ｖが使用されるため、２０４８種類の信号の値を扱えることとなる。本実施例では、チャンネル１の繰り返し周波数の使用範囲が１〜１１９Ｈｚのため、約０．０５８Ｈｚの分解能になる。また、チャンネル２の繰り返し周波数の使用範囲が１２０〜２０００Ｈｚのため、約０．９２Ｈｚの分解能になる。
【００９６】
また、アナログ信号の使用範囲が１０Ｖで２０４８デジットの信号を取り扱えるため、１デジットは約４．９ｍＶに相当する。すなわち、アナログ信号が約４．９ｍＶであれば、チャンネル１の場合は、約０．０５８Ｈｚの繰り返し周波数、チャンネル２の場合は、約０．９２Ｈｚの繰り返し周波数を表すことになる。このため、アナログ信号に４．９ｍＶの誤差が発生すると、チャンネル１の場合は、約０．０５８Ｈｚの誤差、チャンネル２の場合は約０．９２Ｈｚの誤差が生じることになる。
【００９７】
例えば、繰り返し周波数が１０Ｈｚ（チャンネル１）でデューティー比が１０％の場合、オフ時間は９０ｍｓとなる。アナログ信号に約０．０５％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、繰り返周波数に約０．０５８Ｈｚ以上の誤差が生じることになる。繰り返し周波数が１０．０５８Ｈｚでデューティー比が１０％の場合、オフ時間は８９．５ｍｓとなり、誤差はわずか０．５６％である。また、繰り返し周波数が１０００Ｈｚ（チャンネル２）でデューティー比が１０％の場合、オフ時間は０．９ｍｓとなる。ノイズによりアナログ信号に約０．０５％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、約１００１Ｈｚの信号として処理されることになるが、オフ時間は０．８９９ｍｓで誤差は０．００１ｍｓとなり、０．１％の誤差にしかならない。
【００９８】
よって、本実施例は、上述したとおり、繰り返し周波数の使用周波数範囲を分解能の精度が要求される周波数帯域と分解能の精度があまり要求されない周波数帯域とに分割することにより、繰り返し周波数の広範囲の周波数帯域において、繰り返し周波数を高精度に制御することができる。
【００９９】
また、本実施例では繰り返し周波数の設定単位を１Ｈｚとしているため、チャンネル１の周波数帯域を選択した場合、１Ｈｚに約２０デジットを割り当てることができ、ノイズ等による誤差を排除することを可能としている。
【０１００】
また、チャンネル１の分解能は、０．０５８Ｈｚのため、チャンネル１の繰り返し周波数の設定単位を１Ｈｚ以下にして制御することは可能である。
【０１０１】
また、本実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域を２つに分割した例であったが、２つ以上に分割しても良い。分割数を増やすほど、各周波数帯域の分解能を向上させることができる。
【０１０２】
また、本実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域を２つに分割した例であったが、図６Ｂに示すように、２つ以上の異なる周波数帯域を組み合わせることによって、繰り返し周波数の使用周波数範囲を広げても良い。このように、異なる周波数帯域を組み合わせることによって、繰り返し周波数の使用周波数範囲を広げることにより、それぞれの周波数帯域の精度を向上させることができる。
【０１０３】
さらに、本実施例では、アナログ電圧値を０〜１０Ｖの使用範囲としたが、任意の使用範囲でも分解能向上効果は同等であるため、アナログ電圧値の使用範囲が任意の電圧範囲でも本発明は適用可能であり、本発明と同様な効果が得られる。
【０１０４】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力のオン時間が短い場合には、高周波バイアス電力のマッチングが困難になるという問題がある。オン時間はデューティー比と繰り返し周波数によって規定されるが、デューティー比が２０％以下のような低いデューティー比の場合、チャンネル２の高周波帯域の繰り返し周波数はオン時間が短くなりすぎるため、高周波バイアス電力を試料載置用電極１１１に印加できなくなる場合がある。このため、チャンネル２の周波数帯域の繰り返し周波数を使用する場合は、デューティー比を２０％以上で使用するのが望ましい。
【０１０５】
次に、本実施例に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、ウエハ１１２にエッチング処理を施すプラズマ処理方法について説明する。
【０１０６】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアスの繰り返し周波数の使用周波数範囲が、２つの周波数帯域に分割され、チャンネル１（１〜１１９Ｈｚ）とチャンネル２（１２０〜２０００Ｈｚ）の２つの周波数帯域から構成されている場合のプラズマ処理方法について説明する。
【０１０７】
時間変調された間欠的な高周波バイアスは反応生成物濃度を制御し、エッチング性能を制御することに用いられるが、オフ時間が反応生成物の滞在時間と同等程度の時、特に大きな効果が得られる。時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間の期間はエッチングが進行し、反応生成物が発生し続ける。時間変調された間欠的な高周波バイアスがオフすると、エッチングは進行しなくなり、反応生成物は排気される。一般的なプラズマエッチング装置の場合、処理圧力０．１Ｐａ〜１０Ｐａでは反応生成物の滞在時間は１０ｍｓ〜１０００ｍｓである。
【０１０８】
一例として、反応生成物の滞在時間が８０ｍｓの場合を説明する。連続高周波バイアスでは反応生成物濃度はエッチング開始時より単調に増加していく。反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を１０ｍｓとした場合の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ａ）に示す。オフ時間が反応生成物の滞在時間と比較して短い場合には、反応生成物が残留するため、反応生成物濃度は時間の経過とともに増加していく。
【０１０９】
次に、反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を８０ｍｓとして、反応生成物の滞在時間とオフ時間を等しくした時の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ｂ）に示す。オン時間内に発生した反応生成物はオフ時間に排気され、残留しないため、反応生成物濃度が低い状態を作り出すことが可能である。オフ時間を反応生成物の滞在時間以上にすることにより、反応生成物濃度を下げることができる。
【０１１０】
次に、図８Ｂにデューティー比を２０％に固定して、シリコン窒化膜のラインをエッチングした場合の繰り返し周波数に対するラインのエッチング形状のテーパー角度の依存性を示す。繰り返し周波数が低くなるほど、エッチング形状が垂直に近づく。繰り返し周波数とデューティー比により、オフ時間が規定されるが、図８Ｂの結果は、オフ時間が長くなることにより、反応生成物濃度が低くなり、反応生成物の付着が少なくなったためである。
【０１１１】
図８Ｂの繰り返し周波数に対するテーパー角度の依存性を、オフ時間に対するテーパー角度の依存性に書き直したものが図８Ｃであるが、図８Ｃより、オフ時間を長くすることでテーパー角度を制御することが可能であることが分かる。特に、オフ時間が、１０〜１０００ｍｓの範囲で垂直なエッチング形状を得ることができる。
【０１１２】
このように、オフ時間を反応生成物の滞在時間以上にすることにより、反応生成物濃度を減少させることができる。オフ時間を長くするためには、繰り返し周波数を低くし、かつ、デューティー比を低くする必要がある。例えば、図７（ｂ）は、繰り返し周波数が１１．１Ｈｚ、デューティー比が１１．１％の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を試料載置用電極１１１に印加してウエハ１１２をプラズマエッチングした例である。
【０１１３】
よって、本実施例は、オフ時間を長くすることができる低周波の繰り返し周波数帯域でも、高精度な周波数制御が可能なため、反応生成物濃度を高精度に制御することができる。このため、エッチング形状を高精度に制御することができる。
【０１１４】
また、被エッチング膜の種類や対象エッチング工程、エッチング条件等によっては、高周波の繰り返し周波数帯域を用いる必要があることがある。しかしながら、高周波の繰り返し周波数の場合は、オン時間及びオフ時間が非常に短いため、低周波に比べて周波数分解能はあまり高くなくても良い場合が多い。
【０１１５】
また、エッチング工程はさまざまな種類があり、工程によっては、垂直加工でなく、テーパー形状が必要な場合がある。一例としては、素子分離部（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ：ＳＴＩ、以下、ＳＴＩと称する）のエッチングがある。ＳＴＩエッチング後は、埋め込みをするため、概して、テーパー形状が必要となる。テーパー形状に加工する際、図８Ｂに示すようなエッチング特性を持つ場合は、繰り返し周波数を高くすれば良いこととなる。このように半導体製造の種々な工程に広く対応するためには、繰り返し周波数は広範囲で使用できることが望ましい。
【０１１６】
また、上述したプラズマ処理方法は、時間変調された間欠的な高周波バイアスの繰り返し周波数の使用周波数範囲が、２つの周波数帯域に分割された例であったが、繰り返し周波数の使用周波数範囲が２つ以上に分割されている場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。
【０１１７】
また、繰り返し周波数の使用周波数範囲が２つ以上の異なる周波数帯域の組合せからなる場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。
【０１１８】
本発明は、上述した通りの構成を備えるため、広範囲の周波数帯域で高精度に制御された繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができるため、種々のエッチング工程において、高精度なエッチング加工が可能である。
【０１１９】
また、上述の実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域の複数チャンネルの切替えは、チャンネル切替え信号を用いたが、高周波バイアス電源を複数使用する方法でも良い。例えば、図９に示すように、２つのチャンネルの場合、それぞれ、異なる周波数帯域の繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を出力する高周波電源を２つ設け、高周波電源選択信号により第一の高周波電源１２７と第二の高周波電源１２８とを切り替えることで、広範囲の周波数帯域で高精度に制御された繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができる。
【０１２０】
また、図１０に示すように、上記の複数の高周波電源の代わりに、異なる周波数帯域の繰り返し周波数のパルス波形をそれぞれ発生させる複数のパルス発生器（第一のパルス発生器１２９、第二のパルス発生器１３０等）を高周波バイアス電源に設けても良い。
【０１２１】
次に、繰り返し周波数の広範囲の周波数帯域において、繰り返し周波数を高精度に制御し、実施例２とは異なる実施例について、以下、説明する。
【実施例３】
【０１２２】
図８Ｂでは小さい繰り返し周波数では大きくテーパー角度は変化し、大きい繰り返し周波数ではテーパー角度の変化は少ない。このような場合、１〜１０Ｈｚまでは１Ｈｚ毎に設定、１０〜１００Ｈｚまでは１０Ｈｚ毎に設定、１００〜１０００Ｈｚまでは１００Ｈｚ毎に設定とすることで設定できる数値を限定し、精度をあげることができる。この方法では、設定できる周波数の数が多くなるほど精度は下がり、且つ設定の自由度が少ない。
【０１２３】
そこで基本周波数を用いる方法を開発した。その実施例を以下説明する。図５に示すような構成において、制御ターミナル１２２のパソコン１２１には繰り返し周波数が入力される。この繰り返し周波数はパソコン１２１内で基本周波数とＮ倍値として計算され、マイコン１２２に送られる。本実施例では、基本周波数を０〜１００Ｈｚとし、１Ｈｚ毎に設定することとした。Ｎ倍値は本実施例では、１、１０、１００とした。
【０１２４】
上述したように本実施例の１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の場合、４０９６デジットの信号を取り扱える。アナログ信号は本実施例では０〜１０Ｖとしており、２０４８種類の信号の値を扱えることとなる。基本周波数が０〜１００Ｈｚで１Ｈｚ毎に設定できる場合、１デジットあたりの基本周波数は約０．０５となり、１毎の基本周波数設定のため、２０デジットを割り当てることができる。
【０１２５】
１デジットは４．９ｍVであるため、基本周波数は１Ｈｚ毎に設定の場合、９８ｍVが割り当てられる。Ｎ倍値は１、１０、１００の３種類であり、３分割すればよく、アナログ電圧、割り当てデジットともに分解能は十分に高い。基本周波数とＮ倍値の積を繰り返し周波数とする方式をとることで、本実施例では、繰り返し周波数が０〜１００００Ｈｚに対応できる。
【０１２６】
設定は０〜１００Ｈｚ間は１Ｈｚ毎、１１０〜１０００Ｈｚ間は１０Ｈｚ毎、１１００〜１００００Ｈｚ間は１００Ｈｚ毎とした。上述したように繰り返し周波数の高い場合でのエッチング性能の特性の繰り返し周波数に対する感度が低い場合、高い繰り返し周波数になるほど、設定ピッチを大きくしても影響は少ないからである。また、本実施例では分解能は、０〜１００Ｈｚ間は０．０５Ｈｚ、１１０〜１０００間は０.５Ｈｚ、１１００〜１００００Ｈｚ間は５Ｈｚとなり、設定ピッチと比較し十分に小さいため、アナログ信号がノイズの影響を受ける可能性は少ない。
【０１２７】
例えば０〜１００Ｈｚ間は、１Ｈｚの設定ピッチで、１Ｈｚに２０デジットの割り当てになるため、１Ｈｚに９８ｍＶの割り当てになる。すなわち、ノイズで９８ｍＶ以上ずれることが無ければ、１Ｈｚの誤差は生じない。従来方式で繰り返し周波数が０〜１００００Ｈｚに対応した場合、１デジットは４．９Ｈｚとなり、ノイズが４．９ｍＶで４．９Ｈｚずれる。本実施例の手法でノイズの影響を大幅に軽減することが可能となる。以下に設定の具体的な例を説明する。
【０１２８】
繰り返し周波数として、１０００Ｈｚが入力された場合について説明する。図５のパソコン１２１に１０００Ｈｚが入力された場合には基本周波数は１００Ｈｚ、Ｎ倍値は１０となる。１０００Ｈｚを設定する際、基本周波数を１０Ｈｚ、Ｎ倍値を１００とする方法もあるが、基本周波数が優先される。Ｎ倍値は設定値のピッチや設定範囲を条件やハードウエアによって設定変更できるようにしてあるため、ソフトウエアのプログラムを簡潔にするためには基本周波数を優先する方が良い。
【０１２９】
また、Ｎ倍値が１しか必要のない場合は、この信号線を使用する必要が無くなり、ハードウエアの簡素化が図れるが、この場合でもソフトウエアの変更無く対応できるため、基本周波数を優先の方が、ソフトウエアの汎用性も高い。
【０１３０】
パソコン１２１内で計算された基本周波数とＮ倍値がＤ／Ａコンバータ１２３を経由し、図１４のように高周波電源１１４内のＡ／Ｄコンバータ１２４に入力される。高周波電源１１４内の信号処理部で基本周波数とＮ倍値を掛け合わせる計算を行い、繰り返し周波数を決定する。
【０１３１】
また、図２や図１０に示すチャンネル切り替え信号として、Ｎ倍値を使用することもできる。基本周波数を０〜１００Ｈｚとし、Ｎ倍値を、１、１００とした場合、チャンネル１をＮ倍値が１、チャンネル２をＮ倍値が１００と設定しておくことで、信号処理部１２５で基本周波数とＮ倍値から繰り返し周波数を計算することができる。また、Ｎ倍値の設定数はいくつでも良い。
【０１３２】
上述のようにＮ倍値が１、１００と２つの場合はチャンネル切り替え信号が２種類となるため、信号のオン状態をＮ倍値が１、オフ状態をＮ倍値が１００とすることが可能となる。この場合、アナログ信号ではなく、デジタル信号として処理することが可能となり、Ｎ倍値に関する分解能を大幅に改善できる。
【０１３３】
本実施例は、繰り返し周波数の分解能を向上させるために行なったものであるが、同様の手段をデューティー比やオン時間、オフ時間に対して適用することができ、デューティー比やオン時間、オフ時間の分解能向上も可能となる。また、本実施例における基本周波数やＮ倍値は整数でなくても良い。
次に本発明に係るプラズマ処理装置を用いて多層膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法について以下に説明する。
【実施例４】
【０１３４】
本実施例を図１６を参照しながら説明する。図１６に示すように下からＰｏｌｙ−Ｓｉ膜、ＳｉＯ2膜、アモルファスカーボン膜、ＳｉＮ膜、ＢＡＲＣ膜が順次積層された多層膜と、前記多層膜の上に配置され、予めパターニングされたレジストマスクとを有する試料をプラズマエッチングする場合、以下のように行う。
【０１３５】
最初にＢＡＲＣ膜を連続的な高周波バイアス電力(Ｃｏｎｔｉｎｉｏｕｓ  Ｗａｖｅ  Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｂｉａｓ  Ｐｏｗｅｒ：以下、ＣＷと称する)によりエッチングし、ＳｉＮ膜を領域Ａを用いた時間変調された高周波バイアス電力によりエッチングする。
【０１３６】
次に、アモルファスカーボン膜とＳｉＯ2膜をそれぞれ、領域Ｂ、領域Ｃを用いた時間変調された高周波バイアス電力によりエッチングする。最後に、Ｐｏｌy−Ｓｉ膜をＣＷによりエッチングし、引き続き、領域Ｄ、領域Ｃを順次用いた時間変調された高周波バイアス電力によりエッチングする。
【０１３７】
なお、図１５に示すように、領域Ａは、低繰り返し周波数(例えば、１から１００Ｈｚの繰り返し周波数)かつ低デューティー比(例えば１０％以下のデューティー比)より高いデューティー比の領域とし、領域Ｂは、低繰り返し周波数より高い繰り返し周波数かつ低デューティー比より高いデューティー比の領域とする。また、領域Ｃは、低繰り返し周波数かつ低デューティー比の領域とし、領域Ｄは、低繰り返し周波数より高い繰り返し周波数かつ低デューティー比の領域とする。
【０１３８】
このようなプラズマ処理を行うことにより、下からＰｏｌｙ−Ｓｉ膜、ＳｉＯ2膜、アモルファスカーボン膜、ＳｉＮ膜、ＢＡＲＣ膜が順次積層された多層膜と、前記多層膜の上に配置され、予めパターニングされたレジストマスクとを有する試料を所望の形状で高精度なエッチングを行うことができる。
【０１３９】
以上、実施例１ないし実施例４にて制御パラメータとしてデューティー比と繰り返し周波数を用いて説明したが、実施例１ないし実施例４に係る本発明は、オン時間とオフ時間にも適用できる。なぜならば、オン時間とオフ時間を用いてデューティー比と繰り返し周波数を求めることができるからである。
【０１４０】
例えば、オン時間を制御して高周波電力を時間変調する場合、デューティー比の場合と同様に、制御領域を少なくとも２つに分割し、１．０ｍｓ以下のオン時間をチャンネル１、１．０ｍｓより長いオン時間をチャンネル２とすることにより高精度な制御ができる。また、オン時間と同様にオフ時間も制御領域を複数の領域に分割することにより高精度な制御を行うことができる。
【０１４１】
また、上述した実施例１ないし実施例４の高周波バイアス電源の構成は、プラズマを生成する高周波電源へも適用できる。このため、本発明は、広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された高周波電力を、プラズマを生成する高周波電源または高周波バイアス電源の少なくともいずれか一つの電源から供給するプラズマ処理装置である。
【０１４２】
また、上述した実施例１ないし実施例４では、マイクロ波ＥＣＲプラズマを一実施例として説明したが、容量結合型プラズマや誘導結合型プラズマ等の他のプラズマ生成方式におけるプラズマ処理装置においても実施例１ないし実施例４と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１４３】
１０１・・・真空容器
１０２・・・シャワープレート
１０３・・・誘電体窓
１０４・・・処理室
１０５・・・ガス供給装置
１０６・・・真空排気装置
１０７・・・導波管
１０８・・・パルス発生器
１０９・・・電磁波発生用電源
１１０・・・磁場発生コイル
１１１・・・ウエハ載置用電極
１１２・・・ウエハ
１１３・・・マッチング回路
１１４・・・高周波バイアス電源
１１５・・・高周波フィルター
１１６・・・直流電源
１１７・・・排気用開閉バルブ
１１８・・・排気速度可変バルブ
１２０・・・制御部
１２１・・・パソコン
１２２・・・マイコン
１２３・・・Ｄ／Ａコンバータ
１２４・・・Ａ／Ｄコンバータ
１２５・・・信号処理部
１２６・・・高周波バイアス出力部
１２７・・・第一の高周波電源
１２８・・・第二の高周波電源
１２９・・・第一のパルス発生器
１３０・・・第二のパルス発生器。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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