(57)【要約】【課題】本発明は、プラズマ生成用高周波電力及び高周波バイアス電力を時間変調するプラズマ処理装置において、高精度にプロセスを制御することができるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、プラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、試料を載置する試料台と、試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、第一の高周波電力を時間変調するための第一のパルスを第一の高周波電源に送信するとともに第二の高周波電力を時間変調するための第二のパルスを第二の高周波電源に送信するパルス発生ユニットを備えるプラズマ処理装置において、パルス発生ユニットは、第二のパルスのオン期間の位相を変調させるための位相変調用波形を生成する位相制御波形生成部を具備し位相変調用波形により第二のパルスのオン期間の位相を変調することを特徴とする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調するための第一のパルスを前記第一の高周波電源に送信するとともに前記第二の高周波電力を時間変調するための第二のパルスを前記第二の高周波電源に送信するパルス発生ユニットを備えるプラズマ処理装置において、
前記パルス発生ユニットは、前記第二のパルスのオン期間の位相を変調させるための位相変調用波形を生成する位相制御波形生成部を具備し、前記位相変調用波形により前記第二のパルスのオン期間の位相を変調す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に記載のプラズマ処理装置において、
前記位相変調用波形は、前記第一のパルスの一周期を複数の期間に分割した数に応じた数の異なる振幅値を有する信号波形であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
Ｎを自然数とする場合、前記位相変調用波形の周期は、前記第一のパルスの周期のＮ倍であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記第二のパルスのオン期間は、前記第一のパルス期間より短いことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調するための第一のパルスを前記第一の高周波電源に送信するとともに前記第二の高周波電力を時間変調するための第二のパルスを前記第二の高周波電源に送信するパルス発生ユニットを備えるプラズマ処理装置において、
前記パルス発生ユニットは、前記第一のパルスのオン期間の位相を変調させるための位相変調用波形を生成する位相制御波形生成部を具備し、前記位相変調用波形により前記第一のパルスのオン期間の位相を変調することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記位相変調用波形は、前記第二のパルスの一周期を複数の期間に分割した数に応じた数の異なる振幅値を有する信号波形であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載のプラズマ処理装置において、
Ｎを自然数とする場合、前記位相変調用波形の周期は、前記第二のパルスの周期のＮ倍であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項８】
第一のパルスにより時間変調されたプラズマを用いるとともに第二のパルスにより時間変調された高周波電力を試料に供給しながら前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
位相変調用波形により前記第二のパルスのオン期間の位相を変調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、
前記位相変調用波形は、前記第一のパルスの一周期を複数の期間に分割した数に応じた数の異なる振幅値を有する信号波形であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のプラズマ処理方法において、
Ｎを自然数とする場合、前記位相変調用波形の周期は、前記第一のパルスの周期のＮ倍であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１１】
請求項９に記載のプラズマ処理方法において、
前記第二のパルスのオン期間は、前記第一のパルス期間より短い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プラズマ処理するために、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。また試料については一例としてウエハの場合を説明する。
【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。エッチングを高精度に制御するためには、プラズマ制御によるラジカル種の選定やイオン量の制御を行う必要がある。ラジカルやイオンの制御方法としては、プラズマを時間変調したパルスプラズマ方式がある。パルスプラズマとは、プラズマのオンとオフを繰り返すことで解離を制御し、ラジカルの解離状態やイオン密度を制御するものである。
【０００５】
パルス変調されたプラズマのオンとオフの繰り返し周波数(以下、パルス周波数と称する)、パルス変調されたプラズマのオンとオフの繰り返しの一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）及びオン時間とオフ時間の比を制御パラメータとすることで、エッチングの高精度制御が可能になる。例えば、時間変調されたマイクロ波に対し、一定の位相を持って同期させた高周波バイアスを印加する手法が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−１０５４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
パルス変調されたプラズマに連続波形の高周波バイアスを適用した場合、パルス変調されたプラズマのオフ時間にも高周波バイアスが印加されることになる。一般にパルス変調されたプラズマのオフ時間はプラズマ密度が低いため、高周波バイアスからみたインピーダンスが高くなり、ウエハに印加される電圧の振幅のピークトゥピーク値(以下、Ｖｐｐと称する)が高くなる。Ｖｐｐが高くなることでイオン照射エネルギーが高くなり、ウエハにダメージを引き起こす可能性がある。
【０００８】
このダメージを避ける方法として高周波バイアスをパルス変調されたプラズマのオフ期間に印加しない方法がある。一例を図１(ａ)に示す。高周波バイアスもパルス変調されたプラズマと同じように時間変調し、パルス変調されたプラズマと同期してオンとオフを繰り返すことでパルス変調されたプラズマのオフ期間におけるウエハへのダメージを回避できる。
【０００９】
マイクロ波を用いたＥＣＲ方式のパルス変調されたプラズマでは、概してプラズマ生成を行うマイクロ波をパルス変調する。パルス変調方式の一例としては、マイクロ波電源に基準となるパルス信号を入力し、電源内で処理することでパルス変調されたマイクロ波を出力する方式がある。パルス変調されたマイクロ波によるプラズマが形成されると、パルス変調されたプラズマの密度が図１(ａ)のように変化する。即ち、連続放電のプラズマ方式とは異なり、パルス変調されたプラズマの密度はマイクロ波のオンと共に増加するが、パルス変調されたプラズマの密度が安定するまでに時間がかかる。
【００１０】
パルス変調されたプラズマでは、プラズマ密度安定までの過渡期間が毎周期、存在する。また、同様にパルス変調されたプラズマの密度安定期間やオフ期間も毎周期、存在する。よって、パルス変調されたプラズマの状態が異なる期間が一周期内に存在し、毎周期、繰り返される。
【００１１】
そこで、我々発明は、パルス変調されたプラズマの一周期をプラズマ状態の特長から複数の期間に分けて考えることとした。複数の期間に分けることで、各々の期間の特長を生かすことが可能となる。図１(ａ)の例であれば、図１(ａ)のＰ１はオン期間の過渡期間、Ｐ２はプラズマ密度安定期間、Ｐ３はプラズマのオフ期間とした。これらが毎周期、繰り返される。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ではプラズマ密度や解離状態がそれぞれ異なることから、各々の期間でエッチングに対して得られる効果が異なるため、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のどの期間に高周波バイアスを印加するかでエッチング性能は異なると考えられる。
【００１２】
従来の方法では、高周波バイアスのオン期間とオフ期間を変調用パルス周波数とデューティー比によって設定し、パルス変調されたプラズマのオンのタイミングとの位相を遅延時間で設定する方法が用いられている。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のような所望の期間でのエッチングを行いたい場合は、高周波バイアスの変調用パルス周波数とデューティー比でオン時間とオフ時間を調整し、位相でタイミングを調整すればよい。しかしながら、従来の方法では、Ｐ１、Ｐ２またはＰ３といった単一の期間を選択することしかできず、高精度なプロセス制御性能を得ることができない。
【００１３】
このため、本発明は、上述した課題を解決するためにプラズマ生成用高周波電力及び高周波バイアス電力を時間変調するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法において、高精度にプロセスを制御することができるプラズマ処理装置及び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】
【００１４】
本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調するための第一のパルスを前記第一の高周波電源に送信するとともに前記第二の高周波電力を時間変調するための第二のパルスを前記第二の高周波電源に送信するパルス発生ユニットを備えるプラズマ処理装置において、前記パルス発生ユニットは、前記第二のパルスのオン期間の位相を変調させるための位相変調用波形を生成する位相制御波形生成部を具備し、前記位相変調用波形により前記第二のパルスのオン期間の位相を変調することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調するための第一のパルスを前記第一の高周波電源に送信するとともに前記第二の高周波電力を時間変調するための第二のパルスを前記第二の高周波電源に送信するパルス発生ユニットを備えるプラズマ処理装置において、前記パルス発生ユニットは、前記第一のパルスのオン期間の位相を変調させるための位相変調用波形を生成する位相制御波形生成部を具備し、前記位相変調用波形により前記第一のパルスのオン期間の位相を変調することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、第一のパルスにより時間変調されたプラズマを用いるとともに第二のパルスにより時間変調された高周波電力を試料に供給しながら前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、位相変調用波形により前記第二のパルスのオン期間の位相を変調することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、プラズマ生成用高周波電力及び高周波バイアス電力を時間変調するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法において、高精度にプロセスを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】パルス変調されたプラズマとプラズマ密度との関係を示す図である。
【図２】パルス変調されたプラズマの各期間におけるエッチング性能を示す図である。
【図３】パルス変調されたプラズマのＰ１に高周波バイアスを印加した場合を示す図である。
【図４】パルス変調されたプラズマのＰ２に高周波バイアスを印加した場合を示す図である。
【図５】本発明に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の縦断面図を示す図である。
【図６】パルス発生ユニットの構成を示す図である。
【図７】高周波バイアスの位相変調された変調用信号の生成方法を示す図である。
【図８】パルス発生ユニットの構成を示す図である。
【図９】高周波バイアスの位相変調された変調用信号の生成方法を示す図である。
【図１０】高周波バイアスの印加の各位相パターンにおけるＳｉＯ2エッチレートに対するＰｏｌｙエッチレートの選択比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の各実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
【００２０】
本発明の一実施例に係るＥＣＲ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ)方式のマイクロ波プラズマエッチング装置の概略断面図を図４に示す。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、プラズマ処理室である処理室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。
【００２１】
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。
【００２２】
プラズマを生成するための高周波電力を処理室１０４に供給するため、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、第一の高周波電源である電磁波発生用電源１０９から発振させる。電磁波発生用電源１０９には、パルス発生ユニット１２１が取り付けられており、これによりマイクロ波を図３に示すように任意に設定可能な繰り返し周波数でパルス変調することができる。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。
【００２３】
処理室１０４の外部には、磁場を生成する磁場生成コイル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、磁場生成コイル１１０により生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、試料台である試料載置用電極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。シャワープレート１０２、試料載置用電極１１１、磁場生成コイル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に対し同軸に導入されて排気される。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、ウエハ処理の均一性を向上させる効果がある。尚、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。
【００２４】
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。第二の高周波電源である高周波バイアス電源１１４には、パルス発生ユニット１２１に接続され、図３に示すような時間変調された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。尚、本実施例の効果は、高周波バイアスの周波数に特に限定されないが、本実施例では４００ｋＨｚの高周波バイアスを使用する。
【００２５】
上述のＥＣＲマイクロ波プラズマエッチング装置を制御する制御部１２０は、入力手段（図示せず）により、電磁波発生用電源１０９、高周波バイアス電源１１４、パルス発生ユニット１２１のパルスのオン・オフタイミングを含む繰り返し周波数やデューティー比、エッチングを実施するためのガス流量、処理圧力、電磁波電力、高周波バイアス電力、コイル電流、パルスのオン時間、オフ時間等のエッチングパラメータを制御している。尚、デューティー比とは、パルスの１周期に対するオン期間の割合のことである。本実施例では、パルスの繰り返し周波数は５Ｈｚ〜１０ｋＨｚまで変更でき、デューティー比は１％〜９０％まで変更できる。また、時間変調の設定はオン時間、オフ時間でも可能である。
【００２６】
以下に、電磁波発生用電源１０９から時間変調された電磁波を発生する場合と、高周波バイアス電源１１４から時間変調された高周波電力を試料載置用電極１１１に供給する場合の制御部１２０について、図５を用いて説明する。
【００２７】
制御部１２０は、電磁波発生用電源１０９と高周波バイアス電源１１４をパルス変調するための繰り返し周波数、デューティー比、電磁波発生用電源１０９のオンのタイミングと高周波バイアス電源１１４のオンのタイミングを合わせた時間情報を、パルス発生ユニット１２１に送信する。パルス発生ユニット１２１から電磁波発生用電源１０９のパルス出力制御のための時間情報が送信され、時間変調された電磁波を電磁波発生用電源１０９から発生させる。同様に、高周波バイアス電源１１４もパルス発生ユニット１２１から送信された情報をもとに時間変調された高周波バイアス出力を発生させる。
【００２８】
制御部１２０からパルス発生ユニット１２１へは、電磁波発生用電源１０９のパルス変調用波形と高周波バイアスのパルス変調用波形を同期させるか、非同期かを選択する情報も送信される。本実施例では、電磁波発生用電源１０９のパルス変調用波形と高周波バイアスのパルス変調用波形を同期させた。非同期の場合は、電磁波発生用電源１０９のパルス変調用波形と高周波バイアスのパルス変調用波形の位相関係が一定に保てず、エッチング性能制御が困難となるためである。
【００２９】
次に本発明に係るパルス発生ユニット１２１について図６を用いて説明する。パルス発生ユニット１２１は、パルス生成部２０１と、位相制御部２０２と、位相制御波形生成部２０３とを備える。制御部１２０からパルス生成部２０１に電磁波発生用電源制御のためのパルス変調の繰り返し周波数およびデューティー比の情報を持った信号が送信される。高周波バイアス電源用の制御信号についても、同様に制御部１２０からパルス生成部２０１へパルス変調の繰り返し周波数およびデューティー比の情報を持った信号が送信される。これを受けてパルス生成部２０１は、パルス変調のためのパルス波形を生成する。
【００３０】
電磁波発生用電源１０９を制御するための電磁波変調用パルス信号は、パルス生成部２０１から位相制御部２０２及び位相制御波形生成部２０３へ送信される。位相制御波形生成部２０３へは電磁波変調用パルス信号及び位相制御用のパルス波形の繰り返し周波数、デューティー比及び遅延時間が入力される。位相の制御は、電磁波変調用パルス信号を基準に遅延時間を設定して制御が行なわれる。よって位相制御波形生成部２０３では、電磁波変調用パルス信号よりオンのタイミングを取得することで、オンのタイミングに対する遅延時間をもった位相制御信号を生成する。位相制御部２０２によって、位相制御信号と高周波変調用パルス信号を演算することで、周期的に位相が変化する高周波バイアス変調用パルス信号を生成することが可能となる。
【００３１】
我々発明者は、オン期間中のプラズマ密度分布の挙動を確認するため、プラズマ密度のウエハ面内分布について時間分解測定をラングミュアプローブ測定法により行った。その結果、図２に示すようにパルス変調されたプラズマの一周期を複数期間に分割することで、エッチングの特性が異なることがわかった。Ｐ１期間ではウエハ中心部において密度が高い。Ｐ２期間ではプラズマが安定状態となり均一性が改善されることがわかった。プラズマ生成がオフとなるＰ３期間では更に均一性が改善されることを発見した。これは前述のプラズマが壁で消滅するモデルでは説明できない。パルス変調されたプラズマのオフ期間でのプラズマ消滅は、プラズマと粒子の衝突など他の要因も大きく寄与していると考えられる。
【００３２】
プラズマ密度測定の結果から、図２のＰ２やＰ３期間にエッチングを行うことで、エッチングの均一性を上げることが可能になると考えられる。しかしながら、Ｐ２期間はプラズマ密度がＰ１期間、Ｐ３期間に比べ高くなり、概してＰ１期間、Ｐ３期間に比べ解離が高くなる。解離が高いプラズマ状態では、プロセス条件やプロセスのアプリケーションによってはエッチングの選択比が低くなる。Ｐ３期間は解離が低く、均一性も良好であるが、プラズマ密度が低いため、エッチングレートを高くすることができない。Ｐ１期間はプラズマ均一性は良くないものの、プラズマ生成の過渡期であり、概して低解離なプラズマ状態であるため、選択比は高くなる。つまり、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３期間を適切に選択することで、エッチング性能を高精度に制御することができる。
【００３３】
例えば、高選択なエッチングを行いたい場合、図３のようにイオンエネルギーの制御を行う高周波バイアスを印加する期間をＰ１期間とすれば良い。同様に均一性の良いエッチングを行いたい場合、図４に示すようにＰ２期間に高周波バイアスを印加すれば良い。高周波バイアスを印加している期間に主にエッチングが進行するため、高周波バイアスの印加期間を変更することで、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３でのエッチング期間の選択が可能となる。高精度なエッチング制御性能を得るためには位相を制御することでＰ１、Ｐ２、Ｐ３の組み合わせや頻度を制御すればよい。複数に分割したプラズマ領域に対して高周波バイアスをどの期間にどれくらいの頻度で印加するかを制御してエッチング性能を高精度に制御する。
【００３４】
次に図７を用いて本実施例での位相変調用波形の生成方法を説明する。本実施例では電磁波変調には繰り返し周波数５００Ｈｚ、デューティー比５０％のパルスを用いた。高周波変調には繰り返し周波数５００Ｈｚ、デューティー比２５％のパルスを用いた。図２に示すようなプラズマ密度の変化の区間ごとの特長を選択してエッチングをするためには高周波バイアスのオン時間は電磁波のオン時間より短くする方が区間を選択しやすい。
【００３５】
高周波バイアスの位相変調された変調用信号は、図７の(ｄ１)の波形を持つ信号とした。この信号は電磁波出力に対し、高周波バイアス出力がＡ期間、Ｂ期間、Ｃ期間でそれぞれ異なる位相を持つ。Ａ期間は図１(ａ)のＰ１、Ｂ期間は図１(ａ)のＰ２、Ｃ期間は図１(ａ)のＰ３のプラズマ密度状態である。図７の(ｄ１)の例では、Ｐ１が２回、Ｐ２が３回、Ｐ３が１回を一つの周期としている。
【００３６】
プロセス課題は、エッチレートの高均一性、高エッチングレート、高選択比の順で優先度が高いため、高均一性が得られるＰ２は一周期あたりの回数をＰ１より多くした。また、Ｐ１とＰ３はともに高選択比が可能であるが、Ｐ３はプラズマ密度が低くエッチレートが低くなりすぎるため、Ｐ１の一周期あたりの回数をＰ３より多くした。Ｐ３は高選択比の制御に優れるため、エッチングに組み込むこととした。
【００３７】
位相変調用信号は、遅延時間を電圧レベルにより制御した。遅延時間は０．５ｍｓ／Ｖで制御と設定した。図７のｃ１に示すようなＡ期間は０Ｖ、Ｂ期間は１Ｖ、Ｃ期間は２Ｖの位相変調用信号を位相制御波形生成部２０３にて生成する。パルス生成部２０１では図７のｂ１に示す高周波バイアス変調用パルス信号が生成される。図７のｂ１の高周波バイアス変調用パルス信号と図７のｃ１の位相変調用信号を位相制御部２０２にて処理し、図７のｄ１の位相変調後の高周波バイアス変調用パルス信号を生成する。
【００３８】
位相制御を周期的に行う場合、位相変調用信号の周期は、電磁波変調用信号や高周波バイアス変調用パルス信号の周期のＮ倍とする必要がある。ここでＮは、自然数とする。本実施例での周期は１２ｍｓとした。これは前述のＰ１が２回、Ｐ２が３回、Ｐ３が１回を１セットとし繰り返すことで、プロセス性能を高精度に制御するためである。位相を決めずに任意の遅れ時間にする場合には、Ｎ倍にする必要はない。
【００３９】
本実施例によるエッチング性能について、図１０を用いて説明する。図１０(ａ)の(Ｓ)は電磁波変調用パルス出力、(Ｉ)〜(Ｎ)は時間変調された高周波電源出力である。図１０(ｂ)の(Ｉ)、(Ｊ)、(Ｋ)はエッチング性能評価結果、(Ｌ)、(Ｍ)、(Ｎ)は位相パターンと(Ｉ)、(Ｊ)、(Ｋ)のエッチング結果から算出したエッチング性能である。エッチング性能評価にはＰｏｌｙ−Ｓｉ膜およびＳｉＯ2膜のブランケットウエハを用いた。電磁波出力変調用パルスの周波数と高周波バイアスの変調用パルスの周波数は共に1ｋＨｚ、電磁波出力変調用パルスのデューティー比と高周波バイアスの変調用パルスのデューティー比は共に２０％とした。
【００４０】
図１０(ｂ)の(Ｉ)は図２のＰ１、(Ｊ)は図２のＰ２、(Ｋ)は図２のＰ３の期間に高周波バイアスを印加したものと同等である。 (Ｉ)、(Ｊ)、(Ｋ)は、従来の手法によっても実現できる位相パターンであるが、(Ｌ)、(Ｍ)、(Ｎ)は従来の方法では実現できない。上記のエッチング条件は、Ｐｏｌｙ−Ｓｉゲートを形成することを目的とした条件である。Ｐｏｌｙ−Ｓｉゲート加工エッチングでは、Ｐｏｌｙ−Ｓｉレート、ゲートＳｉＯ2膜との選択比及びウエハ面内の均一性が重要なエッチング性能である。
【００４１】
例えば、エッチング性能に対する要求値が、ＳｉＯ2に対するＰｏｌｙ−Ｓｉレートの選択比が５０以上、エッチングレート均一性が５％以下である場合、図１０(ｂ)の(Ｉ)、(Ｊ)、(Ｋ)に示すようにエッチングレート均一性とＳｉＯ2に対するＰｏｌｙ−Ｓｉレートの選択比が困難であり、従来の方法ではこの要求値を満足できない。一方、本発明を用いることで図１０(Ｌ)、(Ｍ)、(Ｎ)のようにＳｉＯ2に対するＰｏｌｙ−Ｓｉレートの選択比が５０以上、エッチングレート均一性が５％以下が可能となり、選択比とエッチングレート均一性を両立することができる。このように位相パターンを制御することで従来方法に比べ、エッチング性能の制御性を向上することができる。
【００４２】
次に図５の装置構成で複数の位相変調用波形を組み合わせるための手法について説明する。先ず、複数の位相変調を組みわせるためのパルス発生ユニット１２１について図８を参照しながら説明する。制御部１２０からパルス生成部２０１に電磁波発生用電源制御のための変調用パルスの繰り返し周波数、デューティー比の情報を持った信号が送信される。高周波バイアス電源用の制御信号についても、同様に制御部１２０からパルス生成部２０１へ変調用パルスの繰り返し周波数、デューティー比の情報を持った信号が送信される。これを受けてパルス生成部２０１はパルス変調のためのパルス波形を生成する。
【００４３】
電磁波発生用電源１０９を制御するための電磁波変調用パルス信号は、パルス生成部から位相制御部２０２及び位相要素制御波形生成部２０４へ送信される。制御部１２０から位相要素制御波形生成部２０４へは、電磁波変調用パルス信号及び位相要素制御用のパルス波形の繰り返し周波数、デューティー比及び遅延時間が入力される。
【００４４】
位相の変調は、電磁波変調用パルス信号を基準に遅延時間を設定して変調が行なわれる。よって電磁波変調用パルス信号よりオンのタイミングを取得することで、オンのタイミングに対する遅延時間をもった位相要素制御信号を生成する。複数の位相要素信号を生成し、それらを組み合わせることでより高精度な位相変調を行うことが可能となる。
【００４５】
位相要素制御波形生成部２０４より生成された複数の位相要素信号は、それぞれに異なる周期やデューティー比を持つことが可能である。位相要素制御波形生成部２０４より生成された位相要素信号は合成位相制御波形生成部２０５へ送信される。合成位相制御波形生成部２０５では各々の位相要素信号を合成し、合成された位相信号を位相制御部２０２へ送信する。位相制御部２０２によって、位相変調用信号と高周波変調用パルス信号を演算することで、周期的に位相が変化する高周波変調用パルス信号を生成することが可能となる。
【００４６】
次に図９を用いて本実施例での合成位相変調用波形の生成方法を説明する。本実施例では電磁波変調には繰り返し周波数５００Ｈｚ、デューティー比５０％を用いた。高周波バイアス変調には繰り返し周波数５００Ｈｚ、デューティー比２５％を用いた。図９の(ａ２)のような高周波バイアス変調用パルス信号を得るためには、図９の(ｅ２)に示す合成位相変調用信号を位相制御部２０２に送る必要がある。図９の(ｅ２)に示す合成位相変調用信号を生成するために位相要素制御波形生成部２０４では、図９の(ｂ２)、(ｃ２)、(ｄ２)の３つの波形を生成した。本実施例では位相要素は３つとしているが、位相要素の数はいくつでも良い。
【００４７】
位相要素制御信号は、遅延時間を電圧レベルにより制御した。遅延時間は０．５ｍｓ／Ｖで制御と設定した。高周波バイアス変調用パルス信号の波形は、Ａ，Ｂ，Ｃの３つの位相によって構成される。Ａは遅延時間が０ｍｓの期間、Ｂは遅延時間が０．５ｍｓの期間、Ｃは遅延時間が1ｍｓの期間とする。Ａの遅延時間を実現するために図９の(ｂ２)の位相要素信号１を生成する。Ｂについては、図９のｃ２の位相要素信号２の波形を使用する。制御部１２０より各位相要素に対する位相遅延時間、繰り返し周波数、デューティー比を位相要素制御波形生成部２０４に送信することで、位相要素信号を生成できる。本実施例では位相要素信号２の遅延時間を４ｍｓ、繰り返し周波数を１２５Ｈｚ、デューティー比を２５％、周期を８ｍｓとした。
【００４８】
周期的に位相を変えるためには、各々の位相要素の周期は、電磁波変調用パルス信号や高周波バイアス変調用パルス信号の周期の整数倍とする必要がある。Ｃについては、位相要素信号３によって制御する。位相要素信号３は、繰り返し周波数を６２．５Ｈｚ、デューティー比を１２．５％、周期を１６ｍｓとした。これら図９の(ｂ２)、(ｃ２)、(ｄ２)の３つの波形を合成位相制御波形生成部２０５にて合成することで図９の(ｂ２)の合成位相変調用信号を生成できる。図９の(ｄ２)の合成位相変調用信号と高周波バイアス変調用パルス信号を合成することで図９の(ａ２)の高周波変調用パルス信号を得ることができる。
【００４９】
以上、上述した通り、本発明により、プラズマ生成期間を分割し、分割された期間に対し、位相パターン制御を行った高周波バイアス印加することで、単一のプラズマ特性でなく、複数のプラズマ特性を得ることが可能となるため、プロセス性能の高精度な制御が可能となる。
【００５０】
上述した実施例ではマイクロ波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本実施例と同様の効果が得られる。一例として誘導結合型プラズマ装置でのパルスプラズマ密度の挙動例を図１(ｂ)に示す。
【００５１】
誘導結合型プラズマ装置でパルス変調プラズマを生成する場合、オン期間にＥモードとＨモードが混在することがある。図１(ｂ)ではＰ１がＥモード、Ｐ２がＨモード期間である。Ｅモードは、容量結合型プラズマと同様の放電状態であり、Ｈモードは、誘導結合型プラズマの放電状態である。Ｐ３はオフ期間となる。容量結合型プラズマ状態と誘導結合型プラズマ状態ではプラズマ密度や電子温度が異なることとが知られており、エッチング性能も異なる。このため、誘導結合型プラズマ装置においても、上述した本実施例の位相制御を行なうことで、エッチング性能を高精度に制御できる。
【００５２】
また、上述した本実施例ではプラズマ密度領域をＰ１、Ｐ２、Ｐ３と分け、高周波バイアスの位相制御を適用したが、必ずしもプラズマ領域を分ける必要はない。高周波バイアスを複数の領域に分け、プラズマ生成出力の位相を制御する方式でも本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、上述した本実施例では、電磁波変調用パルスの繰り返し周波数と高周波バイアス変調用パルスの繰り返し周波数が等しい場合で説明をしたが、異なる周波数でも本実施例と同じ効果が得られる。さらに、上述した本実施例ではエッチング装置について説明したが、パルス変調方式を用いた装置であれば、エッチング処理以外のプラズマ処理に本発明を適用しても良い。
【００５４】
以上、まとめると、本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調するための第一のパルスを前記第一の高周波電源に送信するとともに前記第二の高周波電力を時間変調するための第二のパルスを前記第二の高周波電源に送信するパルス発生ユニットを備えるプラズマ処理装置において、前記パルス発生ユニットは、前記第二のパルスのオン期間の位相を変調させるための位相変調用波形を生成する位相制御波形生成部を具備し、前記位相変調用波形により前記第二のパルスのオン期間の位相を変調することを特徴とするプラズマ処理装置と言える。
【００５５】
また、本発明は、試料がプラズマ処理されるプラズマ処理室と、前記プラズマ処理室内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台と、前記試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調するための第一のパルスを前記第一の高周波電源に送信するとともに前記第二の高周波電力を時間変調するための第二のパルスを前記第二の高周波電源に送信するパルス発生ユニットを備えるプラズマ処理装置において、前記パルス発生ユニットは、前記第一のパルスのオン期間の位相を変調させるための位相変調用波形を生成する位相制御波形生成部を具備し、前記位相変調用波形により前記第一のパルスのオン期間の位相を変調することを特徴とするプラズマ処理装置とも言える。
【００５６】
これらの本発明により、最適なプラズマ状態と高周波バイアスとの組み合わせを制御することが可能となり、高精度なプロセス制御ができる。
【符号の説明】
【００５７】
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
１０９・・・電磁波発生用電源
１１０・・・磁場生成コイル
１１１・・・試料載置用電極
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
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・・・パルス発生ユニット
２０１・・・パルス生成部
２０２・・・位相制御部
２０３・・・位相制御波形生成部
２０４・・・位相要素制御波形生成部
２０５・・・合成位相制御波形生成部
【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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