(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、
前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、
前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、
前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、
前記高周波電圧印加手段のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加が間欠的に行われるよう制御するとともに、当該高周波電圧印加手段のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段のオン・オフを制御し、前記ＤＣ負パルス電圧の印加が間欠的に行われるよう制御し、かつ、前記高周波電圧印加手段のオフ以前に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオフとする制御手段と
を備えたことを特徴とする基板のプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記制御手段は、絶縁膜或いは底部に絶縁物を有する膜をプラズマ加工する際に、
前記高周波電圧印加手段のオフより予め設定されたチャージアップ緩和時間（Ｔpre）前（但し、
Ｔpre≧Ｑmax／（ＺｅＢＮiｖｂ）、
Ｑmaxはダメージを発生しない単位面積当たりの最大電荷量、Ｚはイオン価数、ｖｂはボーム速度でｖｂ＝（ｋＴe/Ｍｉ）1/2、Ｔｅは電子温度、kはボルツマン定数、Ｍｉはイオンの重量、Ｂはシース端とバルク部のプラズマ密度比、）
に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオフとすること特徴とする請求項１に記載の基板のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記高周波電圧印加手段のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加を間欠的に行う際の前記高周波電圧印加手段のオン以降に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオンとすること特徴とする請求項１又は２に記載の基板のプラズマ処理装置。
【請求項４】
内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、
前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、
前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、
前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、
前記高周波電圧印加手段のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加が間欠的に行われるよう制御するとともに、当該高周波電圧印加手段のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段のオン・オフを制御し、前記ＤＣ負パルス電圧の印加が間欠的に行われるよう制御し、かつ、前記高周波電圧印加手段のオン以降に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオンとする制御手段と
を備えたことを特徴とする基板のプラズマ処理装置。
【請求項５】
内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、
前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、
前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、
前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、を具備した基板のプラズマ処理装置を用いた基板のプラズマ処理方法であって、
前記高周波電圧印加手段からの前記高周波電圧のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加を間欠的に行うとともに、当該高周波電圧のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオン・オフし、前記ＤＣ負パルス電圧の印加を間欠的に行い、かつ、前記高周波電圧印加手段のオフ以前に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオフとする
ことを特徴とする基板のプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記高周波電圧印加手段のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加を間欠的に行う際の前記高周波電圧印加手段のオン以降に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオンとすること特徴とする請求項５に記載の基板のプラズマ処理方法。
【請求項７】
内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、
前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、
前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、
前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、
前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、を具備した基板のプラズマ処理装置を用いた基板のプラズマ処理方法であって、
前記高周波電圧印加手段からの前記高周波電圧のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加を間欠的に行うとともに、当該高周波電圧のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオン・オフし、前記ＤＣ負パルス電圧の印加を間欠的に行い、かつ、前記高周波電圧印加手段のオン以降に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオンとする
ことを特徴とする基板のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空チャンバー内において、ＲＦ電極と対向電極とが互いに対向するように配置され、それらの間に生成されたプラズマによってＲＦ電極上に保持された基板を加工する、いわゆる平行平板型の基板の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】
半導体ウエハなどの基板に対して配線などを行う際には、基板に対して微細な加工処理を施す必要があり、そのため、従来では、プラズマを用いたプラズマ処理装置が頻繁に用いられていた。
【０００３】
図１１は、このような従来の基板のプラズマ処理装置の一例における構成を概略的に示す図である。
【０００４】
図１１に示す基板のプラズマ処理装置１０においては、予め所定の真空度まで排気されたチャンバー１１内に、高周波（ＲＦ）電極１２と対向電極１３とが互いに対向するようにして配置され、ＲＦ電極１２の、対向電極１３と対向する主面上に処理に供すべき基板Ｓが保持され、いわゆる平行平板型のプラズマ処理装置を構成している。ガス導入管１４からはプラズマ生成及びそれによって基板Ｓの加工に供すべきガスを矢印で示すようにしてチャンバー１１内に導入するとともに、図示しない真空ポンプを用いて、排気口１５からチャンバー１１内を真空排気する。このとき、チャンバー１１内の圧力は例えば約１Ｐａ程度とする。
【０００５】
次いで、１３．５６ＭＨｚの商業用ＲＦ電源１７から整合器１６を介してＲＦ電極１２にＲＦ（電圧）を印加することにより、ＲＦ電極１２及び対向電極１３間にプラズマＰを生ぜしめるようにしている。
【０００６】
この際、プラズマＰ中の正イオンはＲＦ電極１２上に生じる負の自己バイアス電位ＶｄｃによってＲＦ電極１２上の基板Ｓに高速で入射するようになる。その結果、その際の基板入射エネルギーを利用して基板Ｓ上の表面反応を誘発し、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、ＰＣＶＤ（Plaslma Chemical Vapor Deposition）、スパッタリング、イオンインプラ等のプラズマ基板処理が行われる。特に、基板を加工するという観点からは、主としてＲＩＥが用いられる。したがって、以下では、特にＲＩＥを用いた基板処理を中心として詳述する。
【０００７】
図１１に示すようなプラズマ処理装置においては、図１２に示すように、ＲＦパワー増大とともにＶｄｃ（平均の基板入射エネルギー）は増大するため、処理レート調整、加工形状調整のために主にＲＦパワーによるＶｄｃの調整が行われている。またＶｄｃが依存する圧力や電極形状でも一部調整することができる。
【０００８】
図１３、図１４は１３ＭＨｚ、Ｖｒｆ＝１６０Ｖ、６．６ｐａ、電極間３０ｍｍ、３００ｍｍウエハサイズの平行平板型Ａｒプラズマを連続体モデルプラズマシミュレータ（G. Chen, L. L. Raja, J. Appl. Phys. 96, 6073(2004)）でシミュレーションした結果である。また、図１５は、基板ＳのＲＩＥに対して適したイオンエネルギーの分布状態を示したグラフである。
【０００９】
図１３に示すように、ＲＦ電極電位が周期的に変動するためイオンの基板入射エネルギーも周期的に変動する。ただしイオン質量による電位への追従遅れがあるため、Ｖｒｆより小さい振幅Ｖｒｆ´でイオンエネルギーは時間変動する。イオンエネルギーは正確にはＶｄｃとプラズマポテンシャルＶｐの和になるが、Ｖｐの値及び時間変化が相対的に小さいので説明及び図１３では省略している。そのため基板Ｓへの入射エネルギーは、図１３に示すグラフを時間積分することにより、図１４で示されるようなイオンエネルギー分布となる。
【００１０】
図１４から明らかなように、図１１に示すような装置内に生成されたプラズマ内のイオンエネルギーは、低エネルギー側ピークと高エネルギー側ピークとの２つに分割され、そのエネルギー幅ΔＥはプラズマ発生条件によって数１０〜数１００［ｅＶ］と広くなる。したがって、Ｖｄｃを基板処理に最適なエネルギーに調整した場合においても、図１５に示すように基板入射するイオンにはエネルギーの高すぎるイオン（高エネルギー側ピーク）と低すぎるイオン（低エネルギー側ピーク）とが存在するようになる。
【００１１】
したがって、例えばＲＩＥにおいては、高エネルギー側ピークに相当するエネルギーのイオンで基板処理を実施した場合は、肩削り（肩落ち）を誘発して加工形状を悪化させる傾向がある。一方、低エネルギー側ピークに相当するエネルギーのイオンで基板処理を実施した場合は、表面反応閾値以下で基板処理にまったく寄与しない、あるいは異方性劣化 （イオン入射角度が熱速度で広がる）に伴い加工形状を悪化させる傾向がある。
【００１２】
かかる観点より、最近の半導体プロセスにおいては、ますますシュリンクしていく半導体デバイス・種々の膜・複合膜のＲＩＥに対応し、加工形状を精緻に制御するため、図１５の略中心部に斜線で示したようなイオンエネルギーの狭帯域化（小さいΔＥの実現）と平均エネルギー値の最適調整（Ｖｄｃの最適化）が必要となる。
【００１３】
イオンエネルギー狭帯域化のためには、ＲＦ周波数の高周波化（例えば、特許文献１参照。）やパルスプラズマ化（例えば、非特許文献１参照。）が検討されている。
【００１４】
また、プラズマ生成は大きく分けて誘導結合型と容量結合型に大別されるが、加工形状の精密制御の観点から、副次反応を抑制するためにプラズマ体積を小さくして滞留時間を小さくすることが有効であり、このような観点から、体積の大きな誘導結合型プラズマと比較して容量結合型の平行平板型プラズマが有利である。
【００１５】
また、Ｖｄｃとプラズマ密度の制御性向上を目的に平行平板の電極に２つの異なる周波数のＲＦを導入し、高い周波数（例えば１００ＭＨｚ）のＲＦでプラズマ密度を、低い周波数（例えば３ＭＨｚ）のＲＦでＶｄｃを独立制御する方法も考案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合は、高周波用電源及び高周波用整合器に加えて、低周波用電源及び低周波用電源とを設け、上述した高周波のＲＦ及び低周波のＲＦがＲＦ電極に対して重畳できるようにしている。
【００１６】
清浄プロセス、プロセス安定の観点から対向電極は接地電位であることが有利となる。対向電極にＲＦを引加すると対向電極面で生成するＶｄｃにより対向電極が腐食し、ダスト源、プロセスを不安定化源となる。そのため、２つのＲＦは基板が設置されたＲＦ電極に重畳される。
【００１７】
また、ＲＦのパルス化により、電子温度の低下を図ること（例えば、非特許文献２参照。）、プロセス阻害ラジカル（例えばフッ素ラジカル）密度の抑制を図ること（例えば、非特許文献３参照。）、プラズマエッチングの選択性(例えば、シリコン酸化／シリコンエッチングレート選択比)の向上を図ること（例えば、非特許文献４参照。）が試みられている。
【特許文献１】特開平２００３−２３４３３１号
【非特許文献１】J.Appl.Phys.Vol86 No2 643(2000)
【非特許文献２】J. Appl. Phys.vol86, No9, pp4813-4820(1999)
【非特許文献３】App. Phys.lett.,Vol63,No15, pp2044-2046(1993)
【非特許文献４】J. Vac. Sci. Technol. A 13 pp887-893(1995)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記したとおり、従来から周波数の高い高周波電力（ＨＦ）のパルス化や、周波数の高い高周波電力（ＨＦ）と周波数の低い高周波電力（ＬＦ）との重畳印加などにより、ラジカル密度を制御し、電子温度低下によるプラズマダメージの抑制等を図ることが試みられている。
【００１９】
また、本発明者等は、周波数の高い高周波電力（ＨＦ）にＤＣ負パルスを重畳印加することを検討している。この技術では、ＤＣ負パルスを重畳印加することにより、正イオンエネルギーが狭帯域化して、プロセスに望ましいエネルギー帯に容易に制御され、プラズマエッチングの加工精度向上、プラズマダメージ抑制、プラズマＣＶＤの埋め込み特性向上が成される。一方、ＨＦ（ＲＦ）のパルス化により、ラジカル密度が制御され、電子温度低下によるプラズマダメージ抑制が期待される。
【００２０】
ＤＣ負パルスとパルス化された周波数の高い高周波電力（ＨＦ）を重畳印加したことにより、例えば、ＣＨ4ガスによる酸化膜の異方性エッチングにおいては、Ｆラジカル密度が減少（等方性エッチング減少）し、ＣＦ3＋等のイオンラジカルによる違方性エッチングが増大して、なおかつイオンエネルギーが狭帯域に制御される。また側壁保護膜（異方性促進）生成源となるＣＦ2等のラジカル密度が増大する。このラジカル種選択作用、エネルギーの選択作用により、プロセス制御性向上とともに、格段の加工性能向上が成される。
【００２１】
しかし、後述する図７（パルス化したＨＦとＤＣ負パルスを重畳印加した際のプラズマ密度、電子温度、およびプロセスの時間変化をシミュレーションした解析結果）に示すように、高周波電力（ＨＦ）のオフとともに電子温度は極めて短時間に（〜５ｅ−６秒）低下して電子衝突・イオン化によるイオン発生、電子発生は停止する。その、いわゆるアフターグローの状態においてＤＣ負パルスを印加するとプラズマ中の電子、イオンがプラズマ外に引き出され、プラズマは不安定となり、消滅してしまう。プラズマの消滅はプロセスレートの減少、再着火時のデバイスダメージ、プロセス不安定化を誘発する。また、図９に示すように、ＤＣ負パルスを用いた酸化膜、窒化膜等の絶縁体１００の加工時、トレンチ溝１０１の底部１０２において電子不足によるチャージアップが起こる場合がある。そして、このようなチャージアップが起きると、イオン曲がりによる加工形状悪化、エッチングストップ、またチャージ電圧によるデバイスへのダメージを誘発する。
【００２２】
本発明は、上述した従来の事情に鑑みてなされたものであり、いわゆる平行平板型プラズマ処理装置において、基板の加工に適したラジカル種密度を増大させ、イオンラジカルエネルギーを基板の加工に適したエネルギー値、狭帯域エネルギー幅に制御して、精緻加工を行うことができ、また、優れた埋め込み成膜を行うことが可能な基板のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の基板のプラズマ処理装置の一態様は、内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、前記高周波電圧印加手段のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加が間欠的に行われるよう制御するとともに、当該高周波電圧印加手段のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段のオン・オフを制御し、前記ＤＣ負パルス電圧の印加が間欠的に行われるよう制御し、かつ、前記高周波電圧印加手段のオフ以前に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオフとする制御手段とを備えたことを特徴とする。
本発明の基板のプラズマ処理装置の他の態様は、内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、前記高周波電圧印加手段のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加が間欠的に行われるよう制御するとともに、当該高周波電圧印加手段のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段のオン・オフを制御し、前記ＤＣ負パルス電圧の印加が間欠的に行われるよう制御し、かつ、前記高周波電圧印加手段のオン以降に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオンとする制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明の基板のプラズマ処理方法の一態様は、内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、を具備した基板のプラズマ処理装置を用いた基板のプラズマ処理方法であって、前記高周波電圧印加手段からの前記高周波電圧のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加を間欠的に行うとともに、当該高周波電圧のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオン・オフし、前記ＤＣ負パルス電圧の印加を間欠的に行い、かつ、前記高周波電圧印加手段のオフ以前に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオフとすることを特徴とする。
本発明の基板のプラズマ処理方法の他の態様は、内部を真空に保持可能とされたチャンバーと、前記チャンバー内に配置され、主面上において処理すべき基板を保持するように構成された基板保持電極と、前記チャンバー内において、前記基板保持電極と対向するように配置された対向電極と、前記基板保持電極に対して５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波電圧を印加するための高周波電圧印加手段と、前記基板保持電極に対して前記高周波電圧と重畳するようにして所定のＤＣ負パルス電圧を印加するためのＤＣ負パルス電圧印加手段と、を具備した基板のプラズマ処理装置を用いた基板のプラズマ処理方法であって、前記高周波電圧印加手段からの前記高周波電圧のオン・オフを所定タイミングで行い、前記高周波電圧の印加を間欠的に行うとともに、当該高周波電圧のオン・オフのタイミングに応じて前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオン・オフし、前記ＤＣ負パルス電圧の印加を間欠的に行い、かつ、前記高周波電圧印加手段のオン以降に、前記ＤＣ負パルス電圧印加手段をオンとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、いわゆる平行平板型プラズマ処理装置において、基板の加工に適したラジカル種密度を増大させ、イオンラジカルエネルギーを基板の加工に適したエネルギー値、狭帯域エネルギー幅に制御して、精緻加工を行うことができ、また、優れた埋め込み成膜を行うことが可能な基板のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る基板のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法の実施形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照して基板のプラズマ処理装置の実施形態について説明する。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態の基板のプラズマ処理装置２０は、いわゆる平行平板型のプラズマ処理装置であり、所定の真空度まで排気可能なチャンバー２１内には、基板保持電極（高周波（ＲＦ）電極）２２と対向電極２３とが互いに対向するようにして配置されている。この基板保持電極２２の、対向電極２３と対向する主面上には、処理に供すべき基板Ｓが保持可能となっている。チャンバー２１には、ガス導入管２４と、図示しない真空ポンプに接続された排気口２５が設けられている。そして、ガス導入管２４からプラズマ生成及びそれによって基板Ｓの加工に供すべきガスを矢印で示すようにチャンバー２１内に導入するとともに、排気口２５からチャンバー２１内を真空排気するようになっている。
【００２８】
上記のガスとしては、例えば、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ、Ｈ2などのガスの他、適宜ＳＦ6やＣＦ4、ＣＨ3Ｆ、Ｃ2Ｆ6、Ｃ4Ｆ8、Ｃ5Ｆ8、Ｃ4Ｆ6、Ｃｌ2、ＨＢｒ、ＳｉＨ4、ＳｉＦ4などのプロセスガスを用いることができる。また、チャンバー２１内の圧力は、基板Ｓに対する加工速度や使用するガスの種類などに応じて適宜に設定することができるが、例えば数Ｐａ程度に保持することができる。
【００２９】
基板保持電極２２には、高周波発生装置２７が接続されるとともに、ＤＣ負パルス発生装置２９が接続されている。また、高周波発生装置２７及びＤＣ負パルス発生装置２９には、制御器３０が接続されており、この制御器３０によってその動作が制御されるようになっている。図１にその波形を模式的に示すように、高周波発生装置２７からは、パルス化された５０ＭＨｚ以上の所定周波数の高周波（ＨＦ）信号が発生し、ＤＣ負パルス発生装置２９からはパルス化されたＤＣ負パルス信号が発生する。そして、基板保持電極２２には、これらの信号が重畳された信号が印加される。
【００３０】
図２は、上記の高周波発生装置２７及びＤＣ負パルス発生装置２９の構成を示すものである。同図に示すように、高周波発生装置２７は、高周波発振器２７０と、高周波増幅器２７１と、整合器２７２と、ハイパスフィルタ２７３とを具備している。なお、ハイパスフィルタ２７３は、整合器２７２に含まれる場合がある。また、ＤＣ負パルス発生装置２９は、パルス発振器２９０と、パルス増幅器２９１と、ローパスフィルタ２９２とを具備している。
【００３１】
制御器３０は、トリガ信号発生器からなり、同図に矢印で示すように、高周波発生装置２７に対するトリガ信号Ａは、高周波増幅器２７１に入力され、ＤＣ負パルス発生装置２９に対するトリガ信号Ｂは、パルス発振器２９０に入力されるようになっている。そして、制御器３０からのトリガ信号Ａにより、高周波増幅器２７１は高周波信号振幅をパルス的に増幅してオン・オフ動作し、制御器３０からのトリガ信号Ｂによりパルス発振器２９０はパルス発生のオン・オフ動作を行うようになっている。そして、増幅された高周波信号は、整合器２７２、ＨＦ信号阻止用のハイパスフィルタ２７３を通じて、一方、ＤＣ負パルスは、パルス増幅器２９１で増幅され、信号逆流防止用のローパスフィルタ２９２を通じて、基板保持電極２２に重畳印加される。高周波発生制御用のトリガ信号ＡとＤＣ負パルス発生制御用のトリガ信号Ｂは制御器３０内で同期、タイミング制御される。
【００３２】
上記のような制御器３０による高周波及びＤＣ負パルスのオン・オフ動作の制御は、図３或いは図４に示すようにしてもよい。図３に示す場合、制御器３０からのトリガ信号Ａにより、高周波増幅器２７１は、高周波信号振幅をパルス的に増幅してオン・オフ動作し、制御器３０からのトリガ信号Ｂにより、パルス増幅器２９０は、パルス振幅をパルス的に増幅してオン・オフ動作を行うようになっている。また、図４に示す場合、制御器３０からのトリガ信号Ａにより、ハイパスフィルタ２７３がＨＦ通過動作となり、制御器３０からのトリガ信号Ｂにより、ローパスフィルタ２９２がパルス通過動作となる。フィルタにおける信号カット、通過はフィルタ内のコンデンサ、コイル等、可変素子の変動で行う。これによって、高周波及びＤＣ負パルスのオン・オフ動作の制御を行う。
【００３３】
その他、図示しないが、制御器３０からのトリガ信号Ａにより高周波発振器２７０、高周波増幅器２７１、ハイパスフィルタ２７３のいずれかを制御して高周波信号をオン・オフ動作させること、制御器３０からのトリガ信号Ｂにより、パルス発振器２９０、パルス増幅器２９１、ローパスフィルタ２９２のいずれかを制御してＤＣ負パルス信号をオン・オフ動作させること、の制御位置の組み合わせは自由に選ぶことができる。
【００３４】
また、高周波発振器２７０、高周波増幅器２７１、或いはハイパスフィルタ２７３のいずれかが外部トリガ機能を持ち、そこからのトリガ信号Ｂでパルス発振器２９０、パルス増幅器２９１、ローパスフィルタ２９２のいずれかを同期制御する、或いは、パルス発振器２９０、パルス増幅器２９１、或いはローパスフィルタ２９２のいずれかが外部トリガ機能を持ち、そこからのトリガ信号Ａで高周波発振器２７０、高周波増幅器２７１、ハイパフィルタ２７３のいずれかを同期制御してもよい。また、高周波とＤＣ負パルスのオフ動作はパルス的なオン・オフ動作が好ましいが、オフ動作がパルス的にオン動作の１０倍以上異なる振幅変動動作でもよい。
【００３５】
上記構成の基板のプラズマ処理装置２０により基板のプラズマ処理を行う場合、基板Ｓとして、例えばレジストマスク加工した３００ｍｍウエハを基板保持電極２２に載置し、真空チャンバー２１を真空引きし、所定の処理ガスとして例えばＣＦ4ガスを対向電極２３からシャワーヘッドで所定流量、例えば２００ｓｃｃｍ供給して真空チャンバー２１内の真空度を、図示していない排気バルブによって所定圧力、例えば２．６６Ｐａに調整する。そして、ウエハを載せた基板保持電極２２には、高周波発生装置２７からの高周波とＤＣパルス発生装置２９からのＤＣ負パルスが、図１のブロック図及び図５のタイミングチャートに示すように重畳印加される。
【００３６】
高周波発生装置２７からの高周波は、５０ＭＨｚ以上の所定周波数を有し、例えば１００ＭＨｚ、１００Ｖの高周波が用いられる。図５に示すように、この高周波は、制御器３０からの所定周期、所定のＤｕｔｙ比、例えば、１０ｋＨｚ周期、Ｄｕｔｙ比５０％のトリガ信号Ａを受けて５０μｓ間隔でオン・オフ制御される。また、ＤＣ負パルス発生装置２９からは、所定の繰り返し周期、所定のＤｕｔｙ比のＤＣ負パルス、例えば、１ＭＨｚの繰り返し周期、Ｄｕｔｙ比８０％、−５００ＶのＤＣ負パルスが発生し、このＤＣ負パルスは、トリガ信号Ａに同期したトリガ信号Ｂを受けて５０μｓ間隔でオン・オフ制御される。図５の最下段に示すように、基板保持電極２２には、これらが重畳印加される。図５に示すタイミングチャートでは、高周波のオンと同時にＤＣ負パルスをオンとし、高周波のオフと同時にＤＣ負パルスをオフするようになっている。
【００３７】
図７（ａ）に、上記のようにしてパルス化した高周波とＤＣ負パルスを重畳印加した際の電子密度、電子温度の時間変化を示す。なお、図７（ｂ）は、高周波パワーと、負パルス電圧及びその時間軸を拡大したものを示してある。また、図８に、フッ素ラジカル密度及びシリコン基板エッチングレートの時間変化を、上記したパルス化した高周波とＤＣ負パルスを重畳印加した場合と、通常の高周波プラズマの場合を比較した結果を示す。なお、これらの結果は、REACTION DESIGN社製CHEMKINを用いてＣＦ4ガス系によるシリコンの異方性エッチングレートをシミュレーションしたものである。化学反応モデルはPaulin Hoら(J.Vac..Sci.Technol. A (2001))によるモデルを用いた。
【００３８】
図７（ａ）に示されるように、図５に示されるタイミングチャートのようにパルス化した高周波とＤＣ負パルスを重畳印加した場合、安定したプラズマが生成した。すなわち、前述したとおり、高周波電力（ＨＦ）のオフとともに電子温度は速やかに（〜５ｅ−６秒）低下して電子衝突・イオン化によるイオン、電子発生は停止する。その、いわゆるアフターグローの状態においてＤＣ負パルスを印加するとプラズマ中の電子、イオンがプラズマ外に引き出され、プラズマは不安定となり、消滅してしまう。そして、プラズマの消滅はプロセスレートの減少、再着火時のデバイスダメージ、プロセス不安定化を誘発する。一方、図５のタイミングチャートに示したとおり、本実施形態では、高周波のオンと同時にＤＣ負パルスをオンとし、高周波のオフと同時にＤＣ負パルスをオフするので、アフターグローの状態においてＤＣ負パルスが印加されることがなく、安定したプラズマが生成する。
【００３９】
また、図８（ａ）に示されるように、高周波オフ時の電子温度低下（平均電子温度低下）に伴い、等方エッチングにより加工形状を悪化させる中性のフッ素ラジカル密度は減少し、図８（ｂ）に示すように、高周波パルス及びＤＣ負パルス印加時のみ、エネルギー幅がそろった（狭帯域化された）陽イオンにより、等方成分の少なく加工形状に優れるシリコンの異方性エッチングが実現した。また、保護膜を形成するエッチングの系では高周波パルスおよびＤＣ負パルスオフ時には、保護膜形成が起こり等方性エッチングは皆無となる。
【００４０】
また、図９に示すように、ＤＣ負パルスを重畳したプラズマで絶縁体１００をエッチングする際、アスペクトの大きなトレンチ溝１０１の底部１０２では等方的に降り注ぐ電子のフラックスは少ないため、底部１０２の絶縁体１００に正の電荷滞積（チャージアップ）が発生する。ＤＣ負パルスを用いる場合には、低エネルギーイオンが減少するため、さらにチャージアップは増大する。なお、トレンチ溝１０１の上部側壁１０３は、過剰な電子フラックスにより負のチャージアップ（瞬時）が発生する。このため、トレンチ溝１０１の底部１０２のチャージアップにより、入射する正イオンの軌道は曲がり、異方性が落ちる。その結果、加工精度劣化、埋め込み特性劣化、エッチングストップが発生し、ダメージを誘発してしまう。なお、図９は、全体が絶縁体１００の場合について示してあるが、底部のみが絶縁体の場合も同様になる。このようなチャージアップは、高周波が停止されていると進行し、高周波が存在すると、低いエネルギーのイオンや電子により緩和、解消される。
【００４１】
図５のタイミングチャートに示したとおり、本実施形態では、高周波のオンと同時にＤＣ負パルスをオンとし、高周波のオフと同時にＤＣ負パルスをオフするので、高周波が停止されている間にＤＣ負パルスのみが印加されることがなく、上記のようなチャージアップの発生を抑制することができる。
【００４２】
さらに、このような場合、ＤＣ負パルスの印加を休止して高周波のみを印加すると高周波印加による低エネルギーのイオン並びに電子により、チャージアップが緩和、解消される。つまり、図６のタイミングチャートに示すように、高周波オフ時間よりも所定のＴpre時間前にＤＣ負パルスの印加を休止させることにより、トレンチ溝部のチャージアップは緩和される。
【００４３】
図１０は、（ａ）に示すＤＣ負パルス印加を、連続的に印加した場合に比べて、間欠的に印加した場合に、（ｂ）に示すようにチャージアップ緩和が生じることを示したものである。この図１０に示すように、ＤＣ負パルスの連続印加パルス数ｎ1、パルス印加時間ｔ1（秒）、パルス休止時間ｔ3（秒）とすると、チャージアップダメージの防止のためには、
（１）高周波パルスに同期した一連のＤＣ負パルス印加時間（ｎ1×ｔ1（秒））の間に溜まる単位面積当たりのチャージ量Ｙ・ｎ1ＺｅＢＮiｖbｔ1を、単位面積当たりの絶縁限界電荷量Ｑmax以下に抑えるとともに、
（２）その後のＤＣ負パルス印加時のチャージアップによる電荷積算でチャージジアップダメージを発生させないために、高周波のみ印加時間（Ｔpre（秒））の単位面積当たりのチャージ緩和量ＺｅＢＮiｖbＴpreがＱmax以上になる必要がある。すなわち、
Ｙ・ｎ1ＺｅＢＮiｖbｔ1≦Ｑmax    （１）
Ｑmax＝Ｖmax  ＊  （ε0εs／ｄ）    （２）
となるようにｎ1、ｔ1、Ｔpreを制御する必要がある。ここで、ε0は真空の誘電率、εsは加工するトレンチ底部絶縁材料の比誘電率、Ｚはイオン価数、ｖbはボーム速度でｖb＝（ｋＴｅ/Ｍｉ）1/2、Ｔｅは電子温度、ｋはボルツマン定数、Ｍｉはイオンの質量、ｄは底部絶縁体膜厚、Ｖmaxは絶縁耐圧、Ｂはシース端部、バルク部のプラズマ密度比（≒０．６０５）、Ｙは正イオン入射時の電荷蓄積に関与する割合である。
【００４４】
ゲート酸化膜加工を例とすると、
ゲート幅５０ｎｍ、ｄ＝１０ｎｍ、一般的な酸化膜破壊耐圧１０ＭＶ／ｃｍを用いると、Ｖmax＝１０Ｖ、Ｑmax＝３．５４ｅ−２［Ｃ／ｍ2］となり、（２）式から、Ｔpre≧５．１８［μｓ］となる。
【００４５】
また、繰り返し周波数１ＭＨｚ（ｔ１＝１μｓ）、Ｄｕｔｙ比８０％のＤＣパルスの場合、Ｄｕｔｙ比を加味するとＹ≒０．６と見積もられ、（１）式のＹ・ＺｅＢＮiｖbｔ1＝３．２８ｅ−３［Ｃ／ｍ2］となる。すなわち、ｔ１・ｎ1≦１０．８μｓでありＤＵＴＹ比５０％の高周波パルスの繰り返し周期を５０ｋＨｚ以上とすれば（１）式を満たし、ダメージを発生させない。
【００４６】
また、図７に示すように、高周波オンによって電子温度が高周波印加定常時の電子温度の１／２に回復するには２μｓ程度の回復時間が必要となる。電子温度の回復前にＤＣ負パルスをオンするとプラズマは不安定となる場合があり、瞬時消滅し、再着火時の突入電流ストレスはデバイスへのダメージを誘発する可能性がある。このため、図６に示すように、プラズマ回復・安定化のために、高周波オンの４μｓ程度（Ｔpost）後にＤＣ負パルスをオンにすることにより、さらにプラズマを安定化させることができる。
【００４７】
また、プラズマ基板処理プロセスの進行、切り替えに応じて、上記Ｔpre時間、Ｔpost時間、ＤＣ負パルスのパルス時間ｔ１、パルス数ｎ１、Ｄｕｔｙ比、ＨＦのパルス周波数、Ｄｕｔｙ比を変更することは、デバイスへのダメージ抑制、加工形状制御、ラジカル密度制御、プロセスレート増加のために有効となる。
【００４８】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、各種の変形を行うことができることは、勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る基板のプラズマ処理装置の構成を示す図。
【図２】図１の基板のプラズマ処理装置の要部構成を示す図。
【図３】図２の変形例の構成を示す図。
【図４】図２の変形例の構成を示す図。
【図５】図１の基板のプラズマ処理装置の電圧印加のタイミングを示す図。
【図６】図１の基板のプラズマ処理装置の電圧印加のタイミングを示す図。
【図７】実施形態における電子密度、電子温度の時間変化のシミュレーション結果を示す図。
【図８】実施形態におけるフッ素ラジカル密度、エッチングレートのシミュレーション結果を示す図。
【図９】チャージアップの発生を説明するための図。
【図１０】電圧印加とチャージアップの状態の関係を示す図。
【図１１】平行平板型のプラズマ処理装置の構成を示す図。
【図１２】ＲＦパワー及び周波数とＶｄｃとの関係を示す図。
【図１３】平行平板型Ａｒプラズマをシミュレーションした結果を示す図。
【図１４】図１３のシミュレーション結果を時間積分した結果を示す図。
【図１５】基板に対して適したイオンエネルギーの分布状態を示した図。
【符号の説明】
【００５０】
２０…基板のプラズマ処理装置、２１…チャンバー、２２…基板保持電極、２３…対向電極、２４…ガス導入管、２５…排気口、２７…高周波発生装置、２９…ＤＣ負パルス発生装置、３０…制御器。
【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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