(57)【要約】【課題】エッチングレートとエッチング形状のウェハ面内均一性に優れたプラズマ処理方法を実現する。【解決手段】プラズマ処理方法において、ｎを自然数、プラズマ生成するためのソース電力のパルス変調用第１パルスの周波数を、試料台に供給されるバイアス電力のパルス変調用第２パルスの周波数のｎ倍とする場合、第２パルスのオン期間が、ｎ個の第１パルスのオン期間とｎ−１個の第１パルスのオフ期間を含むようにソース電力とバイアス電力を各々パルス変調する。【選択図】図１０
2015095493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にプラズマが生成される真空容器と、前記プラズマを生成するための第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、被処理体が載置された試料台に第２の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て前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、 
ｎを自然数、前記第１の高周波電力のパルス変調用第１のパルスの周波数を前記第２の高周波電力のパルス変調用第２のパルスの周波数のｎ倍とする場合、
前記第２のパルスのオン期間が、ｎ個の第１のパルスのオン期間とｎ−１個の第１のパルスのオフ期間を含むように前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力を各々パルス変調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、
前記第２のパルスの一周期は、第１の振幅を有する期間と０より大きく前記第１の振幅より小さい振幅を有する期間を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力が各々の所定の値に達した後、前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力を各々パルス変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
前記第２の高周波電力が段階的に前記所定の値に達するように前記第２の高周波電源を立ち上げ、
前記第２の高周波電力が少なくとも２段階で前記所定の値に達することを特徴とす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、
前記第１のパルスの立ち上がりを前記第２のパルスの立ち上がりに対して所定時間遅延させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
前記第２のパルスの立ち下がりを前記第１のパルスの立ち下がりに対して所定時間遅延させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
前記第１の高周波電源の立ち上がりを前記第２の高周波電源の立ち上がりに対して遅延させ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２の高周波電源の立ち下がりを前記第１の高周波電源の立ち下がりに対して遅延させることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
内部にプラズマが生成される真空容器と、前記プラズマを生成するための第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、被処理体が載置された試料台に第２の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て前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、 
ｎを自然数、前記第１の高周波電力のパルス変調用第１のパルスの周波数を前記第２の高周波電力のパルス変調用第２のパルスの周波数のｎ倍とする場合、
ｎ−１＋（前記第１の高周波電力のパルス変調用第１のパルス発生器のデューティー比）＜ｎ×（前記第２の高周波電力のパルス変調用第２のパルス発生器のデューティー比）
であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
内部にプラズマが生成される真空容器と、前記プラズマを生成するための第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、被加工試料に入射するイオンのエネルギー制御に用いる第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いて前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記第１の高周波電源と前記第２の高周波電源の各出力は同期して時間変調され、
前記第１の高周波電源の出力は、前記第２の高周波電源の出力がオンされている期間内においてオンオフされ、前記第２の高周波電源の出力がオフされている期間内においてはオフされていることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１１】
請求項１０記載のプラズマ処理方法において、
前記第２の高周波電源の出力がオンである１つの期間内に、前記第１の高周波電源の出力オンである期間が複数含まれ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、プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体デバイスの量産に用いられているプラズマ処理装置の一つに電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：以下、ＥＣＲと略称する）方式のドライエッチング装置がある。このプラズマを用いたドライエッチング装置は、反応ガスが導入されたプラズマ生成空間に磁場を印加して、マイクロ波の周波数と電子のサイクロトロン周波数とが共振するように磁場強度を設定することで、高密度なプラズマを効率よく生成できる特徴がある。例えば、半導体デバイスを製造する際に、被加工膜が形成された半導体基板等の試料に入射するイオンを加速するために、高周波電力を正弦波にて連続波形で試料に印加している。また、プラズマとなる反応ガスには塩素やフッ素などのハロゲンが広く使われている。
【０００３】
近年の半導体デバイスの微細化に伴い、ゲート酸化膜の厚さは２ｎｍ以下となっている。そのため、プラズマエッチング加工の制御性、ゲート酸化膜に対するシリコン膜のエッチング選択性の向上が必要となっている。また、ウェハの大口径化が進んでおり、ウェハ面内での加工精度の均一性も同時に向上させる必要がある。
【０００４】
高精度なプラズマエッチング加工を実現する技術の一つとして、パルス放電を用いたプラズマエッチング方法があり、例えば、特許文献１には、プラズマ生成電力を時間変調すると同時にウェハに印加する高周波バイアスを時間変調されたプラズマのオンオフと同期をとることによりプラズマ中の電子温度を制御して、処理ウェハ上の酸化膜の絶縁破壊を防ぐ方法が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２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、プラズマ生成電力と高周波バイアスの時間変調を行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−０９２６４５号公報
【特許文献２】特開平８−２５０４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前項「背景技術」に記載したように、プラズマを生成することを目的とする第１の高周波電力（以下、Ｓ−ＲＦと記載する）と被加工試料に入射するイオンのエネルギー制御を目的とする第２の高周波電力（以下、Ｗ−ＲＦと記載する）の２周波を用いるプラズマ処理装置において、Ｓ−ＲＦやＷ−ＲＦを時間変調させることはプロセス性能の向上に有効である。特に、時間変調Ｗ−ＲＦは活性種の堆積とイオン入射の比を、プラズマ生成条件とは独立に制御できることから、微細加工における形状制御性向上に有効である。
【０００８】
しかし、時間変調Ｗ−ＲＦを適用した場合、エッチングレートやエッチング形状のウェハ面内均一性を高めるのが困難であることがわかってきた。それは、Ｗ−ＲＦの出力の変調によってエッチングレートが変動するとともに面内分布も変動するためである。さらに、Ｗ−ＲＦの変調が極端な場合には半導体デバイスのチャージングダメージが発生する可能性がある。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、エッチングレートとエッチング形状のウェハ面内均一性に優れた、時間変調Ｓ−ＲＦと時間変調Ｗ−ＲＦを利用したプラズマ処理方法の実現を目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成と処理手順を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、例えば、内部にプラズマが生成される真空容器と、前記プラズマを生成するための第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、被処理体が載置された試料台に第２の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て前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、 
ｎを自然数、前記第１の高周波電力のパルス変調用第１のパルスの周波数を前記第２の高周波電力のパルス変調用第２のパルスの周波数のｎ倍とする場合、
前記第２のパルスのオン期間が、ｎ個の第１のパルスのオン期間とｎ−１個の第１のパルスのオフ期間を含むように前記第１の高周波電力と前記第２の高周波電力を各々パルス変調することを特徴とするプラズマ処理方法とする。
【００１１】
また、内部にプラズマが生成される真空容器と、前記プラズマを生成するための第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、被処理体が載置された試料台に第２の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て前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、 
ｎを自然数、前記第１の高周波電力のパルス変調用第１のパルスの周波数を前記第２の高周波電力のパルス変調用第２のパルスの周波数のｎ倍とする場合、
ｎ−１＋（前記第１の高周波電力のパルス変調用第１のパルス発生器のデューティー比）＜ｎ×（前記第２の高周波電力のパルス変調用第２のパルス発生器のデューティー比）
であることを特徴とするプラズマ処理方法とする。
【００１２】
また、内部にプラズマが生成される真空容器と、前記プラズマを生成するための第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、被加工試料に入射するイオンのエネルギー制御に用いる第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いて前記被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記第１の高周波電源と前記第２の高周波電源の各出力は同期して時間変調され、
前記第１の高周波電源の出力は、前記第２の高周波電源の出力がオンされている期間内においてオンオフされ、前記第２の高周波電源の出力がオフされている期間内においてはオフされていることを特徴とするプラズマ処理方法とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、エッチングレートとエッチング形状のウェハ面内均一性に優れた、時間変調Ｓ−ＲＦと時間変調Ｗ−ＲＦを利用したプラズマ処理方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理方法における初期立上り時と終期立下り時を含めた、プラズマ生成に用いる第１の高周波電源出力（ソース電力：Ｓ−ＲＦ）と、被加工試料へのイオン入射エネルギーを制御する第２の高周波電源出力（バイアス電力：Ｗ−ＲＦ）のタイミングチャートの一例である。
【図２】Ｓ−ＲＦでプラズマを生成してＷ−ＲＦを印加していない条件（Ａ）と、Ｓ−ＲＦでプラズマを生成してＷ−ＲＦを印加した条件（Ｂ）の各条件でエッチングレートの面内分布の比較図である。
【図３】本発明の実施例に係るプラズマ処理方法を実施する際に用いたプラズマエッチング装置の概略図である。
【図４】図３に示したプラズマエッチング装置における時間変調の制御ユニットの概略構成図である。
【図５】第１の高周波電源出力（ソース電力）と、第２の高周波電源出力｛バイアス電力｝が同期しており、第１の高周波電源出力のＤｕｔｙ比よりも第２の高周波電源出力のＤｕｔｙ比が大きい場合（本発明の実施例）の、第１の高周波電源出力と、第２の高周波電源出力のタイミングチャートである。
【図６】エッチングレートの面内分布の比較図であり、（a）はＳ−ＲＦのＤｕｔｙ比とＷ−ＲＦのＤｕｔy比とが共に１００％（連続波）の場合、（ｂ）はＳ−ＲＦのＤｕｔｙ比がＷ−ＲＦのＤｕｔｙ比よりも大きい場合、（ｃ）はＳ−ＲＦのＤｕｔｙ比がＷ−ＲＦのＤｕｔｙ比よりも小さい場合（本発明の実施例）をそれぞれ示す。
【図７】第１の高周波電源出力（ソース電力）と、第２の高周波電源出力（バイアス電力）のＤｕｔｙ比がともに１００％の場合の、第１の高周波電源出力と、第２の高周波電源出力のタイミングチャートである。
【図８】第１の高周波電源出力（ソース電力）と、第２の高周波電源出力（バイアス電力）が同期しており、第２の高周波電源出力よりも第１の高周波電源出力Ｄｕｔｙ比が大きい場合の、第１の高周波電源出力と、第２の高周波電源出力のタイミングチャートである。
【図９】第２の高周波電源出力（バイアス電力）が低出力時にゼロとならない場合の、第１の高周波電源出力（ソース電力）と、第２の高周波電源出力のタイミングチャートである。
【図１０】第１の高周波電源出力（ソース電力）の繰り返し周波数が第２の高周波電源出力（バイアス電力）の繰り返し出力の整数倍となる場合（本発明の他の例）の、第１の高周波電源出力と、第２の高周波電源出力のタイミングチャートである。
【図１１】初期立上り時から時間変調制御を行った場合（本発明の他の例）の、第１の高周波電源出力（ソース電力）と、第２の高周波電源出力（バイアス電力）のタイミングチャートである。
【図１２】第２の高周波電源出力を多段ステップで出力を高めた場合（本発明の他の例）の、第１の高周波電源出力（ソース電力）と、第２の高周波電源出力（バイアス電力）のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施例により本発明について詳細に説明する。なお、実施例においてはプラズマ処理としてドライエッチングを例に説明するがこれに限定されない。
【実施例】
【００１６】
本発明の実施例に係るプラズマ処理方法における初期立上り時と終期立下り時を含めた、プラズマ生成に用いる第１の高周波電源出力（ソース電力：Ｓ−ＲＦ）と、被加工試料へのイオン入射エネルギーを制御する第２の高周波電源出力（バイアス電力：Ｗ−ＲＦ）のタイミングチャートの一例を図１に示す。本実施例では、バイアス電源がオン状態の期間内において、必ずソース電源がオン状態となるように出力の時間変調とオンオフを制御している。このようなタイミング制御の実施方法を後述する。
【００１７】
Ｓ−ＲＦでプラズマを生成してＷ−ＲＦを印加していない条件（条件Ａ）と、Ｓ−ＲＦでプラズマを生成してＷ−ＲＦを印加した条件（条件Ｂ）の各条件でエッチングレートの面内分布を評価したところ、以下の知見が得られた。図２に示すように、条件Ａではウェハ中央部が高いエッチングレート分布となったが、条件Ｂでは面内で均一なエッチングレート分布となり、各条件でエッチングレート分布に違いが見られた。この現象は以下のように考えることができる。
【００１８】
エッチングレート分布はプラズマ密度分布に高い相関があるため、条件Ａ、Ｂの各状態でプラズマ密度分布が異なっていたと考えられる。すなわち、条件Ａでは中央部でプラズマ密度が高く、条件Ｂでは比較的プラズマ密度が均一であった。Ｓ−ＲＦの周波数にＷ−ＲＦの周波数が近いほど、生成されたプラズマにＷ−ＲＦがエネルギーを与えやすく、Ｗ−ＲＦの電界の影響を受けてプラズマの密度分布が変化する。すなわち、Ｓ−ＲＦのみで生成されたプラズマとＳ−ＲＦとＷ−ＲＦの合成で生成されたプラズマでは密度分布に違いが出る。条件Ａの状態から条件Ｂの状態へ遷移することがあれば、その瞬間にプラズマ密度の面内分布が変動することになる。したがって、条件Ａから条件Ｂへの状態の遷移、もしくは条件Ｂから条件Ａへの状態の遷移が起こらなければ、プラズマ密度分布の変動も発生しないといえる。
【００１９】
条件Ａから条件Ｂへの状態の遷移、もしくは条件Ｂから条件Ａへの状態の遷移が起こらないようにするためには、Ｗ−ＲＦを出力している期間内にＳ−ＲＦを出力してプラズマを生成すればよいと考えられる。例えば、Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦの時間変調タイミングを完全に同期させれば、条件Ａから条件Ｂへの状態の遷移が発生しない。しかし、実際には変調タイミングに誤差が生じるため、完全に同期させることができずに一定の確率で状態遷移が発生してしまう。そこで、変調タイミングの誤差を考慮し、十分にマージンを確保してＷ−ＲＦが出力されている期間内にＳ−ＲＦを出力することとした。
【００２０】
図３は本発明の実施例に係るプラズマ処理方法を実施するために用いたプラズマ処理装置の基本構成を示す。図３を用いてプラズマ処理装置の基本構成について説明する。図３は、平行平板型プラズマエッチング装置の断面図である。ただし、本実施例に係るプラズマ処理方法を実施するためのプラズマ処理装置の構成としては平行平板型に限定されず、２つ以上の高周波電源を備えていれば良い。また、本実施例では、平行平板の上下電極１０２、１０６にそれぞれ１つの高周波電源１１３、１１４を配置しているが、同一電極に２つ以上の電源を配置しても同様の効果が得られる。導電性材料、たとえばアルミニウムなどから成る、接地された円筒形のエッチング処理室１０７は、内部に、平面アンテナ（上電極）１０２、シャワープレート１０３、ウェハ１０５、処理台（下電極）１０６が設置されている。平面アンテナ１０２は、導電性材料、たとえばアルミニウムなどから成り、接地された処理室の外壁とはセラミックなどの絶縁体膜で隔てられている。この平面アンテナ１０２には第１の高周波電源１１３において生成したＶＨＦ帯電磁波、たとえば２００ＭＨｚが第１の整合器１１１を通して導かれ、ガス導入口１０１から導入された処理室１０７内の反応ガスをプラズマ化する。処理台１０６には、第２の高周波電源１１４において生成した高周波（たとえば４ＭＨｚ）が第２の整合器１１２を介して導かれ、ウェハ１０５にバイアスを印加する。平面アンテナ１０２から導かれた高周波によって生成されたプラズマ１０４のイオンは、ウェハ１０５に印加された電力に応じてエネルギーを制御されながら、ウェハ１０５に付着したラジカルとともにエッチング反応に寄与する。
【００２１】
エッチング種としては、プラズマから放出されるいかなる荷電種及び中性粒子でも用いることができる。例えば、反応ガスとして、Ｃｌ２、ＨＢｒ、Ｏ２、Ｎ２、Ｈｅ、Ａｒ、Ｋｒ、そしてフルオロカーボンなどを用いることができる。本実施例では、反応ガスとして、ＨＢｒ、Ｏ２、Ａｒを用いた。なお、符号１０８は真空排気用ポンプ、符号１０９は制御ユニットを示す。
【００２２】
図３に示したプラズマエッチング装置における高周波電力の時間変調の制御ユニットの概略構成を図４に示す。図４に示すように、パソコン３０１に入力された繰り返し周波数とＤｕｔｙ比と遅延時間(ｔ１、ｔ２、Ｔ１、Ｔ２)は、デジタル信号として処理され、Ｄ／Ａコンバータ３０２を介して、アナログ信号に変換されてＡ／Ｄコンバータ３０５に送信される。繰り返し周波数とは、高周波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を指し、Ｄｕｔｙ比とは、一周期（繰り返し周波数の逆数）あたりのオン期間を指す。Ａ／Ｄコンバータ３０５が受信したアナログ信号は、デジタル信号へ変換され、基準信号発生器３０６にて処理され、時間変調（ＴＭ）基本信号をＳ−ＲＦ信号発生器３０７とＷ−ＲＦ信号発生器３０８へ出力する。また、Ａ／Ｄコンバータ３０５から出力されたデジタル信号によって、第１の高周波電源１１３と第２の高周波電源１１４からそれぞれ高周波ソース電力（Ｓ−ＲＦ）と高周波バイアス電力（Ｗ−ＲＦ）を出力する。
【００２３】
Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７において、ＴＭ基本信号と立上りを設定したＤｕｔｙ比の遅延時間ｔ１だけ遅延回路３０９により遅延させた、パルス波形１を出力する。また、Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８において、ＴＭ基本信号と同期させた、設定したＤｕｔｙ比のパルス波形２を出力する。尚、パルス波形２の立ち下がりは、パルス波形１の立ち下がりよりｔ２だけ遅延回路３１０によって遅延している。出力された高周波ソース電力にパルス波形１が重畳されて、時間変調された高周波電力（Ｓ−ＲＦ）を第１の高周波電源１１３から平面アンテナ２に供給する。また、出力された高周波バイアス電力にパルス波形２が重畳されて、時間変調された高周波電力（Ｗ−ＲＦ）を第２の高周波電源１１４から処理台１０６に供給する。基準信号発生器３０６の繰り返し周波数は、５０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲で使用される。また、制御ユニット１０９のＤｕｔｙ比は５〜９５％の範囲で使用される。なお、パルス波形１及び２は図示していないが、例えば図５のソース電力及びバイアス電力にそれぞれ対応した波形で近似することができる。
【００２４】
本発明では、ＴＭ基本信号の周波数は特に限定されないが、本実施例では１００Ｈｚとした。本実施例ではＳ−ＲＦとＷ−ＲＦの周波数をそれぞれ２００ＭＨｚ、４ＭＨｚとした。また、Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦの周波数は必ずしも限定されないが、Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦの周波数の比が１に近いほど効果が高く、１００倍以内であれば効果がより明確である。また、必ずウェハバイアスが印加されている状態でプラズマが生成されるようにするために、Ｄｕｔｙ比と遅延時間ｔ１、ｔ２、Ｔ１、Ｔ２を設定する（図１参照）。先にも述べたように、Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７、Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８の各Ｄｕｔｙ比は限定されず、５〜９５％の任意でよいが、「Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７のＤｕｔｙ比」＜「Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８のＤｕｔｙ比」として設定する必要がある。また、遅延時間ｔ１は「Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８のＤｕｔｙ比に相当するオン時間」と「Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７のＤｕｔｙ比に相当するオン時間」との差以下とする必要がある。理想的には、「Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７のＤｕｔｙ比」と「Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８のＤｕｔｙ比」は完全に同じでもよいが、一般に、電源には必ず有限の応答時間の変動が存在するために、応答時間の変動を考慮しなければ「Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７のＤｕｔｙ比」＜「Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８のＤｕｔｙ比」の要件を満たすことができない。本実施例で用いた第１の高周波電源１１３と第２の高周波電源１１４の応答時間はそれぞれ１００μｓであるので、遅延時間ｔ１は１００μｓとした。
【００２５】
図６にポリシリコンのエッチングレートの面内分布を示す。図６の○で示す（ａ）は、Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦをともに時間変調させずに連続波（以下、ＣＷと記載）で出力してエッチングを行った場合である（図７参照）。図６の□で示す（ｂ）は、本発明のプラズマ処理方法とは異なり、Ｓ−ＲＦのＤｕｔｙ比を６０％、Ｗ−ＲＦのＤｕｔｙ比を４０％とした場合であり、Ｓ−ＲＦの出力される期間内にＷ−ＲＦの出力が変動する（図８参照）。図６の△で示す（ｃ）は、「Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７のＤｕｔｙ比」＜「Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８のＤｕｔｙ比」の要件を満たす本実施例に基づいてエッチングを行った場合である（図１、図５参照）。図６の（ａ）の結果は、エッチングレートが位置によらず一定であることを示しており、Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦがともに出力されている状態では、プラズマ密度が面内で均一であると考えられる。図６の（ｂ）の結果は、中心ほどエッチングレートが高い分布であることを示している。Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦが同時に出力されている期間では均一なプラズマ密度分布が得られていると考えられるが、Ｓ−ＲＦのみが出力されている期間では中心ほど高いプラズマ密度分布となっていることが示唆される。均一なプラズマ密度分布の期間と偏ったプラズマ密度分布の期間のエッチングレートが平均化されることで、図６の（ｂ）のエッチングレート分布となると考えられる。また、時間変調の周期に対応した非常に短い時間で、繰り返しプラズマ密度分布の変動が生じていると考えられ、エッチング形状やチャージングダメージに影響を与えることが懸念される。一方で、図６の（ｃ）の結果は、エッチングレートが位置によらず一定であることを示している。本実施例のプラズマ処理方法では、Ｓ−ＲＦのみが出力されている期間が存在しないので、均一なプラズマ密度分布のみが得られており、エッチング中にプラズマ密度分布の変動も生じないと考えられる。このため、半導体デバイス製造工程における処理基板（試料）へのチャージングダメージを抑制することが可能となる。
【００２６】
図９を用いて他の例について説明する。図９は、図５に示したタイミングチャートにおいて、Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８の出力した信号がオフ時にＷ−ＲＦの出力（バイアス電力）をゼロより大きいこととした場合について示す。Ｗ−ＲＦの出力を小さくしていくと、エッチングモードからある閾値でデポジッションモードになる。すなわち、Ｗ−ＲＦ出力がゼロならばデポジッションモードであるが、ある程度までＷ−ＲＦ出力を高めてもデポジッションモードである。Ｗ−ＲＦ出力が小さい範囲で変化させると、デポジッション量とともにパターン側壁へのデポジッションの付き方が変化する。例えば、Ｌ／Ｓ（ラインアンドスペース）を想定すると、Ｗ−ＲＦ出力がより小さければボトムへの引き込みが弱いためにトップに多く付着するが、Ｗ−ＲＦ出力がより大きければ付着物がボトムへ多く引き込まれる。したがって、Ｗ−ＲＦのオフ時の出力をゼロ以上で制御することによって、デポジッションの付き方を制御し、より高精度なエッチング加工をすることができる。
【００２７】
図１０を用いて他の例について説明する。図１０は、図５に示したタイミングチャートにおいて、Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７出力する信号の繰り返し周波数がＷ−ＲＦ信号発生器３０８の出力した信号の繰り返し周波数の整数倍ｎである場合を示す。この場合、ｎを自然数、第１の高周波電力のパルス変調用第１のパルスの周波数を第２の高周波電力のパルス変調用第２のパルスの周波数のｎ倍とする場合、第２のパルスのオン期間が、ｎ個の第１のパルスのオン期間とｎ−１個の第１のパルスのオフ期間を含むように第１の高周波電力と第２の高周波電力を各々パルス変調する。言い換えると、以下の式が満たされる。
数１
ｎ−１＋（Ｓ−ＲＦ信号発生器３０７のＤｕｔｙ比）
＜ｎ×（Ｗ−ＲＦ信号発生器３０８のＤｕｔｙ比）・・・（１）
尚、(１)式は以下のようにして導出される。
Ｗ−ＲＦ信号発生器の出力した信号の周期およびデューティー（Ｄｕｔｙ）比をそれぞれ、Ｔｗ、Ｄｗとした場合、Ｗ−ＲＦ信号発生器の出力した信号のオン時間は、Ｔｗ・Ｄｗとなる。一方、Ｓ−ＲＦ信号発生器の出力した信号のデューティー比をＤｓとした場合、Ｓ−ＲＦ信号発生器の出力した信号のオン時間は、Ｓ−ＲＦ信号発生器の出力した信号の周期がＴｗ／ｎであるため、Ｔｗ・Ｄｓ／ｎとなる。このことからＳ−ＲＦ信号発生器の出力した信号のオフ時間は、Ｔｗ／ｎ−Ｔｗ・Ｄｓ／ｎ＝Ｔｗ(１−Ｄｓ)／ｎとなる。ｎが自然数、Ｓ−ＲＦ信号発生器の出力した信号の周波数がＷ−ＲＦ信号発生器の出力した信号の周波数のｎ倍の場合、本発明は、Ｔｗ・Ｄｗ＞ｎ・Ｔｗ・Ｄｓ／ｎ＋(ｎ−１)・Ｔｗ(１−Ｄｓ)／ｎと表記することができ、この式を整理すると(１)式となる。
【００２８】
本来はＳ−ＲＦの周波数とＷ−ＲＦの周波数は必ずしも同じである必要はなく、それぞれ最適値があると考えられる。Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦの周波数を制限付きではあるが独立に決定することで、エッチングとデポジションの比率をより柔軟に制御することができる。
【００２９】
第１の高周波電源１１３と第２の高周波電源１１４は初期立上り時に、設定した出力の１００％に達するまでに、一定の立上り時間を必要とする。したがって、各出力部の立上り時間を考慮しないと、ウェハバイアスが印加される前にプラズマが生成されてしまう可能性がある。本実施例では立上り時間が１００ｍｓ以下の高周波電源を用いているので、遅延時間Ｔ１、Ｔ２をそれぞれ１００ｍｓと設定し、Ｓ−ＲＦの立上りタイミングをＷ−ＲＦの立上りタイミングに対して１００ｍｓ(Ｔ１)遅延させた（図１参照）。また、ＴＭ基本信号はＳ−ＲＦの出力が１００％に達してから出力した。同様に、高周波電源の立下り時にも出力が０％になるまで一定の立下り時間を必要とするので、Ｗ−ＲＦの立下りタイミングをＳ−ＲＦの立下りタイミングに対して１００ｍｓ(Ｔ２)遅延させた。このような操作を行うとプラズマが生成されていない状態で定常状態の出力(所定の出力)のウェハバイアスが印加される期間を極力短くできるので、高周波電源に対する負荷を小さくすることができる。また、ウェハバイアスが印加されている状態でプラズマを生成するので、プラズマ密度分布の変動が十分に小さい。但し、Ｓ−ＲＦのトータルオン時間（最初にオン状態にしてから最後にオフ状態にするまでの時間）がＷ−ＲＦのトータルオン時間よりも短かく設定すれば、必ずしもＴ２は設定する必要はない。すなわち、Ｔ１のみを設定すればよい。
【００３０】
本発明は、図１に示すようにＳ−ＲＦの出力値およびＷ−ＲＦの出力値が定常状態になるまでは連続放電を行い、定常状態以降にＳ−ＲＦおよびＷ−ＲＦをパルス変調させているが、他の例として、図１１に示すようにＳ−ＲＦの出力値およびＷ−ＲＦの出力値が定常状態に至る前(例えば、Ｓ−ＲＦおよびＷ−ＲＦの立ち上がり時)からＴＭを行って高周波電力を出力してもよい。また、立下り時もＴＭのまま高周波電力の出力を下げてよい。このような操作を行った場合、立上り時間Ｔ１と立下り時間Ｔ２を考慮せずに制御を行うことができる。
【００３１】
図１２を用いて他の例について説明する。図１２は、図１に示したタイミングチャートにおいて、Ｗ−ＲＦが二段階以上の多段階で出力１００％となるように設定した場合を示す。例えば、まずＷ−ＲＦの出力を３０％まで高めてからＳ−ＲＦの立上り信号を送り、その後Ｗ−ＲＦの出力を１００％に高める操作を行う。このような操作を行った場合、立上り時間Ｔ１をより短く設定することができる。また、立下り時間Ｔ２も同様である。
【００３２】
式（１）の要件を満たす上記各種プラズマ処理条件で、リソグラフィー技術によって描かれたパターンをマスクとして半導体材料のエッチング処理を行ったところ、エッチングレート及びエッチング形状のそれぞれにおいてウェハ面内均一性を改善することができた。
【００３３】
以上、本実施例によれば、Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦの出力を時間変調する半導体デバイス等のプラズマエッチング加工において、プラズマ密度分布の変動を抑制し、エッチングレート及びエッチング形状のそれぞれにおいてウェハ面内均一性を改善することが可能となる。また、半導体デバイス製造時のチャージングダメージを抑制することが可能となる。
【００３４】
さらに、Ｗ−ＲＦを時間変調させた際のオフ時間の出力をゼロ以上で制御することで、パターン側壁へのデポジションプロファイルを制御し、より高精度なエッチング加工を行うことが可能となる。
【００３５】
さらに、Ｓ−ＲＦとＷ−ＲＦの周波数を独立に制御することで、エッチングレートとエッチング形状のウェハ面内均一性を改善し、加えてエッチングとデポジションの比率をより柔軟に制御することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、半導体デバイス等の製造装置、特にリソグラフィー技術によって描かれたパターンをマスクとして半導体材料のエッチング処理を行うプラズマエッチング装置に関する。本発明により、ウェハバイアス電源の出力変調による形状制御の際に課題となるプラズマ分布の変動を抑止することが可能となる。以上の結果、形状制御性加工速度のウェハ面内均一性および加工形状の均一性を両立して向上させることが可能なプラズマ処理装置が実現できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０１…ガス導入口、１０２…平面アンテナ、１０３…シャワープレート、１０４…プラズマ、１０５…ウェハ、１０６…処理台、１０７…エッチング処理室、１０８…ポンプ、１０９…制御ユニット、１１１…第１の整合器、１１２…第２の整合器、１１３…第１の高周波電源、１１４…第２の高周波電源、３０１…パソコン、３０２…Ｄ／Ａコンバータ、３０５…Ａ／Ｄコンバータ、３０６…基準信号発生器、３０７…Ｓ−ＲＦ信号発生器、３０８…Ｗ−ＲＦ信号発生器、３０９…遅延回路、３１０…遅延回路。
【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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