(57)【要約】エッチング処理される基板の面内均一性を得るため、基板へのイオンの入射の制御性をより向上させる。プラズマ処理装置において、プラズマの生成と基板へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、プラズマを連続放電またはパルス放電により生成し、プラズマが生成されているときに試料台に少なくとも２つの異なる周波数のバイアス電力を切り替え交互に繰り返し印加する。
2017126184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成用の高周波電力によって処理室内に供給される処理ガスをプラズマ化するとともに試料が配置される試料台に異なる周波数の高周波バイアス電力を印加し、前記プラズマの生成と前記試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、前記処理室内で前記試料をプラズマ処理する方法において、
前記プラズマは、連続的に供給される電力により生成される連続放電またはデューティー比設定され間欠的に供給される電力により生成されるパルス放電とし、
前記プラズマが生成されているときに前記試料台に少なくとも２つの異なる周波数のバイアス電力を切り替え交互に繰り返し印加することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記２つの異なる周波数のバイアス電力の切り替えを周期的に行い、１周期内で一方のバイアス電力から他方のバイアス電力に切り替え、前記１周期内での前記一方および他方のバイアス電力の出力時間をそれぞれ設定可能にしたプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記２つの異なる周波数のバイアス電力の出力値を同じにしたプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記２つの異なる周波数のバイアス電力の出力値が異なるプラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記プラズマの生成をパルス放電とし、パルスの発生に同期させパルス毎に異なる周波数のバイアス電力に切り替えるプラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記プラズマの生成をパルス放電とし、１つのパルスでプラズマを生成している間に異なる周波数のバイアス電力を切り替えるプラズマ処理方法。
【請求項７】
プラズマを用いて試料台に載置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
第一の高周波電力および前記第一の高周波電力の周波数と異なる周波数の第二の高周波電力を周期的に切り替えながら前記試料台に供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項７に記載のプラズマ処理方法において、
前記第一の高周波電力を前記試料台へ供給する時間と前記第二の高周波電力を前記試料台へ供給する時間との比をステップまたは前記ステップの集合体であるプラズマ処理条件に基づいて規定することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
前記試料台に供給されている高周波電力の整合を前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力が重畳していない期間に行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力を切り替える時、前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力を重畳させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１１】
請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
前記第一の高周波電力または前記第二の高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１２】
請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
前記プラズマを生成するための高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
前記第一の高周波電力および前記第二の高周波電力を時間変調し、
前記第一の高周波電力を前記試料台へ供給する時間は、前記第二の高周波電力を前記試料台へ供給する時間と同じであって、
前記高周波電力の時間変調の周期と前記第一の高周波電力の時間変調の周期と前記第二の高周波電力の時間変調の周期は、全て同じ周期であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１４】
請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
前記第一の高周波電力の値と前記第二の高周波電力の値を異ならせることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１５】
試料台をその内部に有し処理ガスが供給されると共に所望の圧力に減圧排気される処理室と、前記処理室に結合され処理室内に供給される前記処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成用電源と、前記試料台に接続され異なる周波数のバイアス電力を供給するバイアス用電源とを有し、プラズマ生成用電源によるプラズマの生成と前記バイアス用電源による前記試料台に配置される試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記プラズマ生成用電源は、前記プラズマを連続放電させる電力の供給と、前記プラズマをパルス放電させる電力の供給とを設定可能であり、
前記バイアス電源は、異なる周波数のバイアス電力を出力する少なくとも２つの電源から成り、
前記プラズマ生成用電源によるプラズマの生成のとき、前記異なる周波数のバイアス電力を切り替えて前記試料台に交互に繰り返し供給するように前記バイアス電源を制御する制御装置を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御装置は、前記プラズマを連続で生成するように前記プラズマ生成用電源を制御し、前記プラズマが生成されている間に前記異なる周波数のバイアス電源を交互に間欠的に制御するプラズマ処理装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御装置は、前記プラズマをパルス放電させるように前記プラズマ生成用電源を制御し、前記プラズマのオンに合わせ前記異なる周波数のバイアス電源を交互に切替制御するプラズマ処理装置。
【請求項１８】
請求項１５に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御装置は、前記プラズマをパルス放電させるように前記プラズマ生成用電源を制御し、前記プラズマのオンの間に前記異なる周波数のバイアス電源を交互に切替制御するプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス等の製造に用いるプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス、例えば、電子機器等に使用されるＭＯＳ ＦＥＴ(Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）デバイス等の製造には、プラズマエッチング技術が用いられている。プラズマを用いた半導体基板（以下、「基板」と略）のエッチング処理では、基板における歩留まりを向上させるため基板面内の処理の均一性が求められる。近年のように微細化が進む中で基板面内のエッチング形状の均一化を図るには、プラズマから基板への入射させるイオンの制御が重要になってくる。【０００３】
従来、半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理技術としては、例えば、特許文献１に記載されているように、段差を有する膜構造を高精度にエッチングする装置として、真空容器と、真空容器の処理室内に配置されその上面にウエハが載せられる下部電極と、下部電極にバイアス電位を形成するための高周波電力を供給する異なる周波数の複数のバイアス印加装置と、処理室内に反応性ガスを導入するガス供給手段と、処理室内にプラズマを生成するための電界を供給する電界供給手段と、高周波電力によりウエハに入射するプラズマ中のイオンのエネルギーの分布を調節する調節装置と、を備えたプラズマ処理装置が知られている。また、調節装置は複数のバイアス印加装置による複数の周波数のバイアス電力の出力比（混合比）を制御することによりウエハに入射するイオンのエネルギーとその分布とを独立に変化する機構となっている。【０００４】
また、ウエハへ入射するイオンのエネルギーを制御する技術として、例えば、特許文献２に記載されているように、カソードカップリング形のプラズマ処理装置でAM変調した高周波電圧を印加したり、アノードカップリング形のプラズマ処理装置でＦＭ変調した高周波電圧を印加したりする技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４４４２９号公報
【特許文献２】特開２０００−１５０１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の特許文献１に記載された従来技術は、更なる素子の微細化に対応するためのイオンの制御性の点において十分に配慮されていなかった。すなわち、イオンに基板への入射エネルギーを与えるためのバイアス電力が、高周波と低周波の電力を重畳（混合）し、その混合比を変化させて得るようになっている。このため、試料台に印加される重畳された合成高周波電力の電圧波形の最大電位差（以下、「Ｖｐｐ」と称する）がハード上の許容値を超えないようにしなくてはならず、各高周波電力のＶｐｐは許容最大値より小さい範囲で使用することになり、それぞれに最大出力まで出せないので、制御性の点において十分に異なる周波数の特徴を活かせない。【０００７】
また、異なる周波数を合成して得られた高周波電力の波形は複雑に変化し、最適な条件出しが容易でない可能性がある。さらに、互いの電気信号同士が混成するクロストークの問題や電力の混合比に応じてインピーダンスの整合を図ることが必要となり、これらの構造上の対策が必要となる。【０００８】
また、上述の特許文献２に記載された従来技術は、変調された高周波電圧によってプラズマの生成を行い、プラズマ内の電子温度分布や発生するイオン、ラジカルの種類や量をコントロールする技術であり、イオンの入射エネルギーを独立に制御することはできない。このため、基板に入射するイオンの制御性をより向上させるには不十分である。なお、高周波電圧のＦＭ変調は１つの電源で行われるので、周波数変更時の切り換えに迅速性が劣り、より精度の高い制御には適さない。【０００９】
本発明の目的は、基板へのイオンの入射の制御性をより向上させることのできるプラズマ処理方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、プラズマ生成用の高周波電力によって処理室内に供給される処理ガスをプラズマ化するとともに試料が配置される試料台に異なる周波数の高周波バイアス電力を印加し、プラズマの生成と試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、処理室内で試料をプラズマ処理する方法において、プラズマは、連続的に供給される電力により生成される連続放電またはデューティー比設定され間欠的に供給される電力により生成されるパルス放電とし、プラズマが生成されているときに試料台に少なくとも２つの異なる周波数のバイアス電力を切り替え交互に繰り返し印加するプラズマ処理方法とし、
試料台をその内部に有し処理ガスが供給されると共に所望の圧力に減圧排気される処理室と、処理室に結合され処理室内に供給される処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成用電源と、試料台に接続され異なる周波数のバイアス電力を供給するバイアス用電源とを有し、プラズマ生成用電源によるプラズマの生成とバイアス用電源による試料台に配置される試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、試料をプラズマ処理する装置において、プラズマ生成用電源は、プラズマを連続放電させる電力の供給と、プラズマをパルス放電させる電力の供給とを設定可能であり、バイアス電源は、異なる周波数のバイアス電力を出力する少なくとも２つの電源から成り、プラズマ生成用電源によるプラズマの生成のとき、異なる周波数のバイアス電力を切り替えて試料台に交互に繰り返し供給するようにバイアス電源を制御する制御装置を具備したプラズマ処理装置とすることにより、達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、異なる周波数のバイアス電力の設定範囲を広げることができ、基板へのイオンの入射の制御性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の出力状態を示す波形図である。
【図３】図２の出力を用いてウエハをエッチングしたときの各出力状態におけるエッチングレート分布を示す図である。
【図４】図３のエッチング対象であるウエハの一例を示す図である。
【図５】図２に示す出力状態の他の例を示す波形図である。
【図６】図１の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。
【図７】図６に示す出力波形におけるバイアス用高周波電源の出力混合領域の切替出力例を示す図である。
【図８】本発明の第二の実施例であるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。
【図９】図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の制御用のトリガー信号を示す図である。
【図１０】図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の出力状態を示す波形図である。
【図１１】図１０の出力を用いてウエハをエッチングしたときの各出力状態におけるエッチングレート分布を示す図である。
【図１２】図１０の出力を用いてウエハをエッチングしたときの各出力状態におけるエッチング形状を示す図である。
【図１３】図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。
【図１４】図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。
【図１５】図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に示す実施例は、高周波バイアス電力の周波数によって変わるプラズマから被処理基板（以下、「ウエハ」という）へのイオンの入射エネルギー分布の変化を利用し、ウエハへのイオン入射の制御性をより向上させて、微細化する半導体デバイス構造に対応しウエハのエッチング処理の面内均一性、すなわち、エッチングレートの面内均一性およびエッチング形状の面内均一性を得ることができるようにしたものである。
【００１４】
そしてその手段は、プラズマの生成とは別にウエハへのバイアス電圧を独立に制御、すなわち、プラズマを生成するための高周波電力の制御とは別にウエハに入射するイオンにエネルギーを与えるための試料台に印加する高周波電力の制御を独立に行い、さらに試料台に印加する高周波電力の制御を異なる周波数の高周波バイアス電源を複数用いて、異なる周波数の高周波バイアス電力を切り替えて交互に繰返し供給する。
【００１５】
この切り替え・交互の繰返しにより、異なる周波数の高周波バイアス電力の単独供給時間帯を設けることで、処理時に試料台に印加可能な高周波バイアス電圧のＶｐｐの許容値の最大まで、それぞれの周波数の高周波バイアス電源の設定を可能とし、ウエハへのイオン入射の制御性をより向上させている。以下、本発明の一実施例を図１ないし図５により説明する。
【００１６】
図１にプラズマ処理装置の構成を示す。この場合、処理室を構成する真空容器１０１は、例えば、アルミニウム等の導電材料で製作された円筒状の容器であり、電気的に接地（アース）されている。真空容器１０１の上部開口は電磁波が透過可能な材質、例えば、石英で成る天板１０２によって封止されている。真空容器１０１下部中央には内部を所定圧力に減圧排気する真空排気装置が接続されている。天板１０２の上部には天板１０２を覆って導波管１０３が設けられ、整合器１０４を介してプラズマ生成用の高周波電源（以下、「プラズマ電源１０５」という）が接続されている。
【００１７】
プラズマ電源１０５は、この場合、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する。発振されたマイクロ波は導波管１０３を伝播し天板１０２を介して真空容器１０１内に導入される。真空容器１０１の外側には真空容器１０１内に磁場を形成するためのソレノイドコイル１０６が巻装されている。天板１０２の下方の真空容器１０１上部にはシャワープレート１０８が設けられ、真空容器１０１の天板１０２とシャワープレート１０８との間にガス供給装置１０７が接続される。
【００１８】
ガス供給装置１０７から天板１０２とシャワープレート１０８との間の空間に処理ガスが供給され、シャワープレート１０８を介して真空容器内に形成される処理室内に処理ガスが供給される。真空容器１０１内には試料台１０９が設けられ、図示を省略したウエハ搬入口よりウエハが搬入され試料台１０９上に配置・保持される。試料台１０９には、複数、この場合、２つの異なる周波数のバイアス用の高周波電源である周波数１３．５６ＭＨｚの第１の高周波バイアス電源（以下、「第１バイアス電源１１３」という）と周波数４００ＫＨｚの第２の高周波バイアス電源（以下、「第２バイアス電源１１４」という）とが、フィルター１１０および第１，第２整合器１１１，１１２を介してそれぞれ電気的に並列に接続されている。
【００１９】
この場合のフィルター１１０は、第１バイアス電源１１３の出力中に図示を省略した電源（例えば、試料台１０９に接続されるウエハを保持するための静電吸着装置の電源やウエハの温度制御を行うヒーターの電源等）を含めた第１バイアス電源１１３以外の電源からの出力を第１バイアス電源１１３側に通過させない機能（例えば、Ｈｉｇｈ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）と、第２バイアス電源１１４の出力中に図示を省略した電源（例えば、試料台１０９に接続されるウエハを保持するための静電吸着装置の電源やウエハの温度制御を行うヒーターの電源等）を含めた第２バイアス電源１１４以外の電源からの出力を第２バイアス電源１１４側に通過させない機能（例えば、Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）とを有する。プラズマ電源１０５および第１，第２バイアス電源１１３，１１４は制御装置１１５につながり、後述する各電源の出力制御が行われる。
【００２０】
上述のように構成された装置では、真空容器１０１内に供給された処理ガスが、天板１０２を介して導入されたマイクロ波の電界とソレノイドコイルにより形成された磁界との作用（例えば、電子サイクロトロン共鳴：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＥＣＲ））によってプラズマ化され、シャワープレート１０８と試料台１０９との間の空間にプラズマが形成される。
【００２１】
また、試料台１０９には、第１バイアス電源１１３から周波数１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加され、第２バイアス電源１１４から周波数４００ＫＨｚの高周波電力が印加される。試料台１０９に印加されるこれらの高周波電力はプラズマの生成とは独立に制御され、プラズマ中のイオンをウエハに入射させるバイアス電圧を生じさせる。
【００２２】
イオンの入射エネルギーは高周波バイアスの周波数によってその分布が異なることが知られており、特許文献１に開示されているように高い周波数ではイオンエネルギ分布の分布幅が狭くなり、低い周波数ではイオンエネルギ分布の分布幅が広がり分布の両端近辺にそれぞれピークをもつ。このような異なるイオンエネルギ分布をもつ入射イオンによって、ウエハの処理状態が異なってくる。
【００２３】
制御装置１１５が行うプラズマ電源１０５および第１，第２バイアス電源１１３，１１４の出力制御は、例えば、図２に示すように行われる。プラズマ電源１０５は、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）のいずれの場合もマイクロ波を連続的に出力し連続的にプラズマを生成する。第１，第２バイアス電源１１３，１１４は連続的な切り替えが行われる。第１，第２バイアス電源１１３，１１４の切り替えは、図２（ａ）に示すように、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力の供給（時間ｔ（ｂ））の後に高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力の供給（時間ｔ（ｃ））が行われ、１回の切り替えサイクルの時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
【００２４】
繰り返し周波数は、１００Ｈｚから３ｋＨｚの間で設定され、この場合、１ｋＨｚとした。また、制御装置１１５の機能として、１周期（時間ｔ（ａ））内の第１，第２バイアス電源１１３，１１４のそれぞれの出力時間（ｔ（ｂ），ｔ（ｃ））割合を０％から１００％の比率で出力設定できる。図２（ａ）のケースは、時間ｔ（ａ）内の時間ｔ（ｂ）と時間ｔ（ｃ）の割合は、時間ｔ（ｂ）が２０％、時間ｔ（ｃ）が８０％である。図２（ｂ）のケースは、時間ｔ（ｂ）および時間ｔ（ｃ）とも５０％である。図２（ｃ）のケースは、時間ｔ（ｂ）が８０％、時間ｔ（ｃ）が２０％である。
【００２５】
図２に示すように出力制御された低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力（ＬＦ）と高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力（ＨＦ）とによるエッチング処理では、この場合、図３に示すようなエッチングレートの分布となった。なお、この場合のエッチング処理は、図４に示す膜構造、すなわち、Ｓｉ基板２０１上にＳｉＯ２膜２０２、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３、ハードマスクで成るマスク膜２０４を順次積層してなるプレーナー型ゲート電極が形成されるウエハを対象とした。
【００２６】
エッチング条件は、処理ガスとしてＨＢｒとＯ２の混合ガスを用い、全ガス流量を２００ｍｌ／ｍｉｎ、圧力を０．４Ｐａ、プラズマ電源１０５の出力を８００Ｗ、第１バイアス電源１１３の出力と第２バイアス電源１１４の出力を各々２５Ｗとした。エッチング処理の評価はＰｏｌy−Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜のそれぞれのエッチングレートを評価した。
【００２７】
図３（ａ）は図２（ａ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示し、ＬＦ：ＨＦ＝２０％：８０％では、Ｐｏｌy−Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜ともにウエハの中心でエッチングレートが低く、外周でエッチングレートが高い外高分布となった。図３（ｂ）は図２（ｂ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示し、ＬＦ：ＨＦ＝５０％：５０％では、Ｐｏｌy−Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜ともにウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布となった。図３（ｃ）は図２（ｃ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示し、ＬＦ：ＨＦ＝８０％：２０％では、Ｐｏｌy−Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜ともにウエハの中心でエッチングレートが高く、外周でエッチングレートが低い中高分布となった。
【００２８】
このように、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力と高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力を切り替える１周期内で、低い周波数の高周波電力の供給時間の割合を徐々に増やしていくに従い、ウエハ外周部のエッチングレートが低下するので、ウエハ面内のエッチングレート分布を制御可能であることが分かった。なお、低い周波数の高周波電力の供給時間の割合が増える、言い換えると、高い周波数の高周波電力の供給時間の割合が減少するに従い、ウエハ外周部のエッチングレートが低下する理由としては、次のことが考えられる。
【００２９】
本実施例に用いたプラズマ処理装置がマイクロ波の電界とソレノイドコイルによる磁界との相互作用を利用したプラズマ処理装置である。このような装置では、試料台１０９に印加したバイアス用高周波電力によりプラズマを介して試料台１０９と接地された真空容器１０１との間で電流が流れる際に、真空容器１０１内に形成された磁場をプラズマ中の電子が横切ることとなる。このため、ウエハの中心部と外周部とではアースとなる真空容器１０１の内壁面までの電子の移動距離が異なることから、すなわち、ウエハ中心部は外周部に比べ真空容器１０１の内壁面までの距離が長くなることから、ウエハ中心部はウエハ外周部に比べアースまでのインピーダンスが増加する。
【００３０】
また、インピーダンスは高周波電力の周波数に関係し、周波数が高くなればインピーダンスも大きくなる。このため、高い周波数の高周波電力ではウエハ中心部よりインピーダンスが小さくなるウエハ外周部において電流が流れ易くなり、高周波バイアスの印加によってウエハに入射するプラズマからのイオンの量がウエハ外周部で増え、ウエハ外周部のエッチングレートが高くなる。
【００３１】
これに対し、低い周波数の高周波電力では、周波数によるインピーダンス増加も少なく、ウエハの外周部および内周部におけるインピーダンスの差が小さくなるので、ウエハ面内におけるプラズマからのイオンの量に差がなくなる。しかしながら、本実施例に用いたプラズマ処理装置の特性によれば、真空容器１０１内のガス流れは試料台１０９の周辺空間を介して真空容器１０１の上部から下部に向けて排気される。
【００３２】
このため、ウエハ周辺に供給されるプラズマからの活性種がウエハ中央部に比べ少なく、エッチングレートが少なくなり中高のエッチングレート分となり、低い周波数の高周波電力では磁場の影響が少ないため、装置特性によるエッチングレート分布、すなわち、中高のエッチングレート分布になると考えられる。なお、エッチングレート分布には、ウエハ面内の温度制御も影響するが、ここの考察では考慮しない。
【００３３】
上述したように、本実施例によれば、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力と高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力の出力時間の割合を変化させることで、エッチングレート分布を外高から中高の分布の間で調整することでき、この間に図３（ｂ）に示すようにエッチングレート分布がほぼ均一な条件、すなわち、低い周波数と高い周波数の高周波電力の出力時間の割合を設定することで、ウエハ面内のエッチングレートの均一化を図ることができる。このように、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力の出力を交互に切り替え、それぞれの電力の出力時間の割合を制御可能とした構成にすることで、ウエハへのイオンの入射の制御性をより向上させることができる。
【００３４】
また、本実施例では、２つの異なる周波数の高周波電力を試料台１０９に供給しているが、一方のバイアス電源から高周波電力が供給されているときは、他方のバイアス電源からの高周波電力の供給が停止されているため、他方のバイアス電源から電流が試料台１０９に流れ込むことがない。このため、クロストークの発生を防止でき、安定してバイアス用の高周波電力を試料台１０９に供給することができる。
【００３５】
なお、この場合、バイアス電源として、１３．５６MHｚの高周波電源と４００KHｚの高周波電源とを用いたが、異なる周波数の選択に当たっては、プラズマ中のイオンが追従できる周波数であり、インピーダンスの差が大きくなる周波数を選択するのが良い。また、低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えはどちらが先になっても良い。
【００３６】
また、図２に示すバイアス電源の出力例は、低い周波数および高い周波数の高周波電源ともにその出力電圧（Ｖｐｐ）を同じにしているが、図５に示すように更に低い周波数の高周波電源の出力電圧（Ｖｐｐ１）と高い周波数の高周波電源の出力電圧（Ｖｐｐ２）とを異なる値に設定できる。この場合、Ｖｐｐ1＞Ｖｐｐ2としているが、これは逆の設定もできる。
【００３７】
以上、本実施例によれば、１周期内における第１バイアス電源と第２バイアス電源の各々の出力の割合を変え、交互に切り替えて周期的に試料台に印加することにより、ウエハ面内のエッチングレート分布を制御することができ、ウエハ面内の均一性を向上させることができる。また、これによりウエハ面内のエッチング形状の分布制御も可能となる。
【００３８】
また、図２および図５のように異なる周波数の高周波電源の切り替えを行うことで、バイアス用の高周波電力が印加される試料台の電気的許容範囲において、許容される最大の電力をそれぞれの高周波電源から出力可能であり、処理に応じた設定の自由度が向上する。
【００３９】
なお、上述の実施例では、図２および図５に示すようにバイアス電源の出力を、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力の切り替えを時間が重なることなく連続的に切り替えているが、図６に示すように切り替えの際に混合領域を設けても良い。混合領域における切り替えの際のそれぞれの高周波電源からの出力は、図７（ａ）に示すように先の高周波電源の出力を徐々に下げるとともに後の高周波電源の出力を徐々に上げる、
また、図７（ｂ）に示すように先の高周波電源の出力を段階的に下げるとともに後の高周波電源の出力を段階的に上げる。なお、混合領域におけるそれぞれの高周波電源からの出力は、それぞれの出力の和（合計）が、許容される最大値を超えないようにする必要がある。また、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力のそれぞれの整合は、混合領域以外の期間に行うことが望ましい。このようにすることにより、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力のそれぞれの整合を安定して行うことができる。次に本発明の第２の実施例を図８ないし図１２により説明する。
【００４０】
図８にプラズマ処理装置の構成を示す。図８において図１と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本図において、図１の装置と異なる点は、プラズマ電源およびバイアス電源の出力を検出して、プラズマ電源の出力を間欠的に時間変調する場合に、バイアス電源の出力を同期させるようそれぞれの出力タイミングを制御可能にした点である。プラズマ電源１０５用の整合器１０４にはＶｐｐ検出器３０１が接続され、プラズマ電源１０５の出力の立ち上がりをＶｐｐ検出器３０１で検出し、検出信号をトリガー信号３０２として出力検出部３０５に送信する。
【００４１】
試料台１０９にはＶｐｐ検出器３０３が接続され、第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４の出力の立ち上がりをＶｐｐ検出器３０３で検出し、検出信号をトリガー信号３０４として出力検出部３０５に送信する。出力検出部３０５では、各Ｖｐｐ検出器３０１および３０３から送信された図９に示すトリガー信号３０２および３０４の時間差（ｔ）を算出し、時間差信号３０６として出力制御部３０７に送信する。出力制御部３０７では、受信した時間差信号３０６を基に時間差（ｔ）を補正し、制御装置１１５’によって制御するプラズマ電源１０５と第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４との出力を同期させる。
【００４２】
なお、この場合は、制御装置１１５’内に出力検出部３０５および出力制御部３０７を組み込んでいるが、これらを制御装置とは分け、出力制御部３０７で補正した値をそれぞれの補正信号としてプラズマ電源１０５、第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４に送信し、フィードバックさせて第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４の出力と、プラズマ電源１０５の出力とを同期させるようにしても良い。
【００４３】
上述構成の装置におけるプラズマ電源１０５および第１，第２バイアス電源１１３，１１４の出力制御は、例えば、図１０に示すように行われる。図１０（ａ）は図２（ｂ）と同様の出力状態を示し、前述の一実施例と同様の制御も可能であり、低い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｂ））の後に高い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｃ））が行われ、時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
【００４４】
図１０（ｂ）はプラズマ用の高周波電力を連続とし、バイアス用の高周波電力をデューティー比制御し、間欠的に交互に出力する場合を示す。この場合、第１および第２バイアス電源１１３，１１４の出力をそれぞれデューティー比５０％で制御し、低い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｄ））の後に電力供給停止期間を設け、高い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｅ））の後に電力供給停止期間が設けて、時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
【００４５】
図１０（ｃ）はプラズマ用の高周波電力とバイアス用の高周波電力の出力を同じデューティー比で制御し、間欠的に出力制御する場合を示す。この場合、一方のプラズマ生成用の高周波電力は時間（ｂ）を１周期とし、デューティー比５０％で時間ｔ（ｄ）の間、電力が供給され、間欠的な放電、すなわち、パルス放電が行われる。また、この場合、時間ｔ（ｂ）と時間ｔ（ｃ）は等しく、時間ｔ（ｄ）と時間ｔ（ｅ）は等しい。他方、第１および第２バイアス電源１１３，１１４の出力は図１０（ｂ）と同様に行われ、時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
【００４６】
すなわち、プラズマ電源の出力の繰り返し周波数は、バイアス電源の出力の繰り返し周波数の倍であり、プラズマ生成用の高周波電力の出力に同期して、バイアス用の低い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｄ））と高い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｅ））が行われる。
【００４７】
図１０に示すように出力制御されたプラズマ用の高周波電力とバイアス用の低い周波数および高い周波数の高周波電力によるエッチング処理では、この場合、図１１に示すようなエッチングレートの分布となる。なお、図１１に示すウエハのエッチングレート分布は、前述の一実施例と同様に、図４に示す積層構造のウエハをエッチング処理したときのものである。図１１（ａ）は図１０（ａ）の制御に対応したもので、図３（ｂ）と同様にウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布となっている。また、このときのＰｏｌｙ−Ｓｉエッチングレートは５１．６ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ２エッチレートは１．７ｎｍ／ｍｉｎで、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ／ＳｉＯ２の選択比は３０．４であった。
【００４８】
図１１（ｂ）は図１０（ｂ）の制御に対応したもので、バイアス用の高周波電力の出力をそれぞれデューティー比５０％でオンオフ制御しており、ウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布が得られた。また、図１０（ｂ）の制御では、図１０（ａ）の出力制御の場合（図１１（ａ））に比べ、図１１（ｂ）に示すようにＰｏｌｙ−Ｓｉエッチングレートは５１．６ｎｍ／ｍｉｎから４５．２ｎｍ／ｍｉｎに、またＳｉＯ２エッチレートは１．７ｎｍ／ｍｉｎから０．９ｎｍ／ｍｉｎに低下したが、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ／ＳｉＯ２の選択比は３０．４から５０．２に向上し高い選択比を得ることができた。
【００４９】
図１１（ｃ）は図１０（ｃ）の制御に対応したもので、プラズマ生成用の高周波電力およびバイアス用の高周波電力の出力をそれぞれデューティー比５０％でオンオフ制御しており、図１１（ｂ）と同様にウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布が得られた。また、図１０（ｃ）の制御では、図１０（ｂ）の出力制御の場合（図１１（ｂ））と比べ、図１１（ｃ）に示すようにＰｏｌｙ−Ｓｉエッチングレートは４５．２ｎｍ／ｍｉｎから３０．２ｎｍ／ｍｉｎに、またＳｉＯ２エッチレートは０．９ｎｍ／ｍｉｎから０．６ｎｍ／ｍｉｎに低下したものの、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ／ＳｉＯ２の選択比は５０．３であり同様に高い選択比を得ることができた。
【００５０】
また、図１２に図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示す制御によってウエハをエッチング処理したときのエッチング形状を示す。ここで、図１２（ａ）は前述の図４に示す積層構造のウエハに疎密パターが形成されたエッチング前の初期形状を示す。図１２（ｂ）は図１０（ｂ）の出力制御における処理後のエッチング形状を示し、図１０（ｂ）のように制御、すなわち、連続放電状態でバイアス用の高周波電力のみオンオフ制御する場合には、密部のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３は垂直にエッチングされるが、疎部のＰｏｌy-Si膜２０３はテーパ状の形状となった。
【００５１】
図１２（ｃ）は図１０（ｃ）の出力制御における処理後のエッチング形状を示し、図１０（ｃ）のように制御、すなわち、プラズマ生成用の高周波電力およびバイアス用の高周波電力を同期させてオンオフ制御する場合には、密部のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜２０３は垂直にエッチングされ、疎部のＰｏｌy-Si膜２０３も実質的に垂直にエッチングされた。
【００５２】
このように、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示す制御の場合、上述のように図１０（ｃ）の制御の方がエッチングレートは低下するという結果になったが、エッチング形状においては、バイアス用の高周波電力のオンオフ制御のみの場合に比べ、プラズマ生成用の高周波電力およびバイアス用の高周波電力を同期させてオンオフ制御する方が、疎密パターンを有するウエハのエッチング処理においては、エッチング形状の面内均一性が得られ有効であった。これは、図１０（ｃ）のようにプラズマの生成にパルス放電を用いることによりプラズマの解離度を制御でき、プラズマ中の堆積性種の発生を抑制して疎密部のエッチング側壁面に供給される堆積性種の量を最適にできるので、疎密部で許容し得る実質的な垂直形状のエッチング処理が可能になると考えられる。
【００５３】
なお、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）にはプラズマ生成用または／およびバイアス用のそれぞれの高周波電力をデューティー比５０％でオンオフ制御した例を示したが、処理対象の被エッチング材の材質や構造に応じて最適なオン時のデューティー比を変更、すなわち、時間ｔ（ｂ）に占める時間ｔ（ｄ）の割合および時間ｔ（ｃ）に占める時間ｔ（ｅ）の割合を任意に変更可能なことは言うまでもない。
【００５４】
また、図１０（ｂ）ではバイアス用の高低それぞれの周波数の高周波電力を間欠的にオンオフ制御するようにデューティー比を設定しているが、高低いずれかの周波数の高周波電力のデューティー比を１００％とし、他方の高周波電力のみ間欠的にオンオフ制御することもできる。また、図１０（ｃ）ではプラズマ生成用およびバイアス用のそれぞれの高周波電力のオンオフタイミングを実質的に同時制御しているが、プラズマ生成用の高周波電力のオン時間内でバイアス用の高周波電力のオンオフを行えば、バイアス用の高周波電力のオンオフタイミングはこれに限られない。
【００５５】
以上、第２の実施例によれば、前述の一実施例と同様にエッチングレートの面内分布を調整でき、エッチングレートの面内分布の均一化を図ることができる。また、高周波電力をオンオフする時間変調を加えることにより、エッチング形状の面内均一性も向上させることができる。このように、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力の出力を交互に切り替え、それぞれの電力の出力時間の割合を制御可能とした構成を用いることで、ウエハへのイオンの入射の制御性をより向上させることができる。
【００５６】
上述の第２の実施例においては、図１０（ｃ）は、プラズマ生成用の高周波電力のオンオフを１周期とする時間ｔ（ｂ）および時間ｔ（ｃ）を等しくし、時間（ｂ）と時間（ｃ）の和がバイアス用の低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えが行われる１周期の時間ｔ（ａ）に等しい例として述べたが、図１３ないし図１５に示すようにバイアス用の低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えが行われる１周期の時間ｔ（ａ）内で、プラズマ生成用の高周波電力をオンする時間を時間ｔ（ｆ）とし、時間ｔ（ｆ）の間にバイアス用の低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えを行うようにしても良い。
【００５７】
図１３は、１周期の時間（ａ）内で低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｂ）と高い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｃ）と割合を設定し、それぞれの時間ｔ（ｂ）およびｔ（ｃ）内での高周波電力の出力がオンする時間ｔ（ｄ）およびｔ（ｅ）を設定（またはオン時間のデューティー比を設定）し、バイアス用の低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｂ）と高い周波数の高周波電力のオン時間ｔ（ｅ）との合計時間を、プラズマが生成されるプラズマ生成用の高周波電力のオン時間ｔ（ｆ）に等しくした例である。
【００５８】
図１４は、１周期の時間（ａ）内でプラズマ生成用の高周波電力のオン時間ｔ（ｆ）を設定（またはオン時間のデューティー比を設定）し、時間ｔ（ｆ）内においてバイアス用の低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｇ）と高い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｈ）との割合を設定（またはそれぞれの出力時間ｔ（ｇ）およびｔ（ｈ）を設定）した例である。この場合、１周期の時間ｔ（ａ）内におけるプラズマ生成用の高周波電力のオフされた時間は、バイアス用の高周波電力もオフされた時間となる。
【００５９】
図１５は、図１４におけるバイアス用の低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｇ）と高い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｈ）において、それぞれの高周波電力のオン時間ｔ（ｉ）およびｔ（ｋ）を設定（またはそれぞれのオン時間のディーティー比を設定）した例である。
【００６０】
また、上述のこれら実施例は、ウエハの全面に対応する試料台に第１，第２バイアス電源１１３，１１４を接続し、ウエハの全面に対しバイアス用高周波電力が作用するようにしているが、試料台を複数領域に分け、例えば、径方向，周方向またはこれらを組合せた各領域毎に第１，第２バイアス電源１１３，１１４を接続し、領域毎に異なる条件でバイアス制御を行うようにしても良い。この場合のバイアス電源は、（１）複数組を設けて一組毎に独立に制御するものでも良いし、（２）一組のバイアス電源から各領域に並列に接続し、一組のバイアス電源から常に出力されている高周波電力を各領域毎に出力時間の割合を変えて出力制御可能な制御回路を介して、領域毎に条件を変えて制御するものでも良い。
【００６１】
さらに、上述のこれら実施例は、有磁場マイクロ波プラズマ装置に適用した例で説明したが、プラズマ処理装置としてはこれに限られるものではなく、誘導結合タイプまたは容量結合タイプのプラズマ処理装置にも適用できることは言うまでもない。
【００６２】
また、磁場を有するまたは磁場を用いないこれらのプラズマ処理装置にも適用可能である。なお、有磁場マイクロ波プラズマ装置のように磁場を用いた電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によるプラズマ生成においては、プラズマ生成とバイアス制御とを独立に制御し易いが、磁場を用いない装置では、バイアス用の高周波電源の周波数によっては、特に、１３．５６ＭＨｚ以上の周波数を用いる場合には、プラズマの生成に影響を与える可能性があるので、プラズマ生成に大きな影響が出ない程度の出力を用いる等の考慮が必要である。
【符号の説明】
【００６３】
１０１  真空容器
１０２  天板
１０３  導波管
１０４  整合器
１０５  プラズマ電源
１０６  ソレノイドコイル
１０７  ガス供給装置
１０８  シャワープレート
１０９  試料台
１１０  フィルター
１１１  第１整合器
１１２  第２整合器
１１３  第１バイアス電源
１１４  第２バイアス電源
１１５、１１５’  制御装置
２０１  Ｓｉ基板
２０２  ＳｉＯ２膜
２０３  Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜
２０４  マスク膜
３０１、３０３  Ｖｐｐ検出器
３０２、３０４  トリガー信号
３０５  出力検出部
３０６  時間差信号
３０７  出力制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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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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【国際調査報告】
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