(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室、該真空処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置、前記真空処理室内に配置され基板を載置する基板電極、該基板電極に基板バイアス電圧を供給する基板バイアス電源、前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段、及び前記基板電極の表面を被覆する誘電体膜を備え、コンデンサとして機能する前記誘電体膜を介して基板バイアスを前記基板に供給してプラズマ処理を施すプラズマ装置であって、
前記基板バイアス電源から出力された正弦波の高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方を任意のDC電圧の正側あるいは負側で除去し時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように電圧波形操作を行うためのダイオード部と、該得られた電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方の平坦な電圧波形部分が時間とともに電圧の絶対値が増加する傾きを生じ、かつ該傾き部の傾斜を調節するためにDC電圧を制御できる直流電源部から構成されるクリップ回路を有し、前記基板に発生する高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方について任意のDC電圧の正側あるいは負側で時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空処理室、該真空処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置、前記真空処理室内に配置され基板を載置する基板電極、該基板電極に基板バイアス電圧を供給する基板バイアス電源、前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段、及び前記基板電極の表面を被覆する誘電体膜を備え、コンデンサとして機能する前記誘電体膜を介して基板バイアスを前記基板に供給してプラズマ処理を施すプラズマ装置であって、
前記プラズマ生成手段は真空処理室内に配置され該真空処理室内に高周波電力を供給してプラズマを生成するアンテナ及びアンテナバイアス電圧を前記アンテナに供給するためのアンテナバイアス電源を備え、前記基板バイアス電源から出力された正弦波の高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方を任意のDC電圧の正側あるいは負側で除去し時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように電圧波形操作を行うためのダイオード部と、該得られた電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方の平坦な電圧波形部分が時間とともに電圧の絶対値が増加する傾きを生じ、かつ該傾き部の傾斜を調節するためにDC電圧を制御できる直流電源部から構成されるクリップ回路を有し、前記基板に発生する高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方について任意のDC電圧の正側あるいは負側で時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
真空処理室、該真空処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置、前記真空処理室内に配置され基板を載置する基板電極、該基板電極に基板バイアス電圧を供給する基板バイアス電源、前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段、及び前記基板電極の表面を被覆する誘電体膜を備え、コンデンサとして機能する前記誘電体膜を介して基板バイアスを前記基板に供給してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記基板バイアス電源から出力された正弦波の高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方を任意のDC電圧の正側あるいは負側で除去し時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように電圧波形操作を行うためのダイオード部と、該得られた電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方の平坦な電圧波形部分が時間とともに電圧の絶対値が増加する傾きを生じ、かつ該傾き部の傾斜を調節するためにDC電圧を制御できる直流電源部から構成されるクリップ回路を有し、前記基板に発生する高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方について任意のDC電圧の正側あるいは負側で時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
真空処理室、該真空処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置、前記真空処理室内に配置され基板を載置する基板電極、該基板電極に基板バイアス電圧を供給する基板バイアス電源、前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段、及び前記基板電極の表面を被覆する誘電体膜を備え、コンデンサとして機能する前記誘電体膜を介して基板バイアスを前記基板に供給してプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ生成手段は真空処理室内に配置され該真空処理室内に高周波電力を供給してプラズマを生成するアンテナ及びアンテナバイアス電圧を前記アンテナに供給するためのアンテナバイアス電源を備え、前記基板バイアス電源から出力された正弦波の高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方を任意のDC電圧の正側あるいは負側で除去し時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように電圧波形操作を行うためのダイオード部と、該得られた電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方の平坦な電圧波形部分が時間とともに電圧の絶対値が増加する傾きを生じ、かつ該傾き部の傾斜を調節するためにDC電圧を制御できる直流電源部から構成されるクリップ回路を有し、前記基板に発生する高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方について任意のDC電圧の正側あるいは負側で時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように制御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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置及び方法に係り、特に高精細度の加工を施すことのできるプラズマ処理装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離して活性化効率を上げることで処理の高速化を図り、また被処理材に高周波電力を供給してイオンを垂直に入射させることにより、エッチング形状に異方性を付与して高精度エッチング処理を行っている。このような処理を行うプラズマ処理装置としては、例えば特許文献１記載のように、真空容器外周部に空心コイルを設け、マイクロ波、ＵＨＦ波、ＶＨＦ波等の電磁波を伝送路より処理室に導入し、電子サイクロトロン共鳴現象を用いてプラズマを形成し、さらに、試料台（基板電極）に接続した高周波電源によりプラズマ中のイオンの被処理材への入射エネルギーを制御するようにした装置が知られている。ディープトレンチ（またはホール）、ＨＡＲＣ（Ｈｉｇｈ  Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ  Ｃｏｎｔａｃｔ）等の高アスペクト比エッチング加工は、これらの装置を用いプロセスガスの種類、圧力、流量、およびプラズマ生成用電磁波発生電源の出力、イオンエネルギー制御用高周波電源の出力、ウエハ載置用電極の温度、磁場プロファイル等のプロセス条件を最適化することによりおこなわれている。
【０００３】
また、被処理材を試料台に固定する方法としては、例えば特許文献２記載のように、高周波電力が印加され水冷された試料台上に誘電膜を介して被処理材を載置し、試料台に直流電圧を印加して静電吸着力生じさせ、被処理材を試料台に吸着させる装置が知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０７−２３５３９４号公報
【０００５】
【特許文献２】
特公昭５６−５３８５３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のプラズマ処理装置では、試料台（基板電極）に正弦波の高周波電圧が印加されているため、被処理材である試料に入射するイオンのエネルギーは、被処理材に供給する高周波電力により発生するセルフバイアス電圧によって決定されていた。この場合、試料に入射するイオンのイオンエネルギー分布は低エネルギー側と高エネルギー側にピークを持つサドルピーク型にほぼ固定される。このためイオンエネルギー分布の幅は、プラズマ密度および印加する高周波電圧に関係するイオンシースの厚さと高周波電源の周波数に依存する。
【０００７】
一方、半導体デバイスプロセスでは、素子分離、キャパシタ形成、配線接続等のため、ディープトレンチ（またはホール）、ＨＡＲＣ等の高アスペクト比加工が要求されている。高アスペクト比加工では、（１）ラジカル、反応生成物の置換不足、（２）チャージングによるイオンエネルギー、イオン量減少、等により、アスペクト比が増加するほどエッチレートが低下する問題（マイクロローディング）がある。このため所望のエッチング深さの加工を実現するには、マスク選択比の向上が重要である。
【０００８】
また近年、生産性向上の観点から被処理材であるシリコンウエハの外径がφ２００ｍｍからφ３００ｍｍへと大口径化している。このため、高周波電圧が印加されるウエハ載置用電極の面積Ｓｗと処理室のアース面積Ｓｇの比Ｓｗ／Ｓｇが大きくなる。このため、セルフバイアス電圧の絶対値が小さくなり、プラズマ電位が増加する。処理室のアース近傍には、プラズマ電位に応じてイオンシースが形成されるため、プラズマ電位が増加するとイオンシース中で加速された高エネルギーイオンにより処理室側壁（実効アース部）がスパッタされ、金属汚染の増加等の問題が生じる。また処理室下部へのプラズマ拡散が増加するため、異物の発生が増加し、歩留まりが低下するという問題が生じる。さらにプラズマ電位の増加はチャージングダメージの増加を引き起こしている。
【０００９】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、高精度な加工を実現することの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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１１】
真空処理室、該真空処理室内に処理ガスを供給する処理ガス供給装置、前記真空処理室内に配置され基板を載置する基板電極、該基板電極に基板バイアス電圧を供給する基板バイアス電源、前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段、及び前記基板電極の表面を被覆する誘電体膜を備え、コンデンサとして機能する前記誘電体膜を介して基板バイアスを前記基板に供給してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記基板バイアス電源から出力された正弦波の高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方を任意のＤＣ電圧の正側あるいは負側で除去し時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように電圧波形操作を行うためのダイオード部と、該得られた電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方の平坦な電圧波形部分が時間とともに電圧の絶対値が増加する傾きを生じ、かつ該傾き部の傾斜を調節するためにＤＣ電圧を制御できる直流電源部から構成されるクリップ回路を有し、前記基板に発生する高周波電圧波形の正側あるいは負側の少なくともいずれか一方について任意のＤＣ電圧の正側あるいは負側で時間的に平坦な電圧波形部分を得られるように制御する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下、本発明の第１の実施例を図１から図８を用いて説明する。  図１は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置の縦断面図である。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）、誘電体窓１０３（例えば石英製）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はエッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置１０５に接続されている。また真空容器１０１には真空排気口１０６を介し真空排気装置（図示省略）が接続されている。誘電体窓１０３上部には処理室１０４と略同径に構成された円筒壁１０７が処理室１０４と電気的に接続されて設けられ、円筒壁１０７の上部開口部には中央に円形の開口部を有する天板１０８が円筒壁１０７と電気的に接続されて設けられ、誘電体窓１０３と円筒壁１０７と天板１０８とで囲まれた円筒空洞部１０９が設けられている。
【００１３】
円筒空洞部１０９は円矩形変換導波管１１０を介して矩形導波管１１１、電磁波発生用電源１１２（例えばマグネトロン）と接続されている。電磁波発生用電源１１２（例えばマグネトロン）から発振された電磁波（例えば、マイクロ波）は、矩形導波管内１１１を伝播した後、円矩形変換導波管１１０を介して円筒空洞部１０９に導入される。
【００１４】
処理室１０４の外周部には、処理室１０４内に磁場を形成する磁場発生コイル１１３が設けてある。また、被処理材１１４を載置可能な基板電極１１５は真空容器１０１下部に設置され、整合器１１６を介して基板バイアス電源１１７（例えば周波数４００ｋＨｚ）に接続されている。基板電極１１５の上面は誘電体膜で覆われており、基板電極１１５に接続された静電チャック電源１１８から直流電圧を印加することによって誘電体膜上に設置された被処理材１１４は静電吸着されている。
【００１５】
図２に整合器１１６及び静電チャック電源１１８の回路構成例を示す。インダクタ（Ｌ１、Ｌ２）およびコンデンサ（Ｃ１）で構成される整合部２００よりも負荷側のアクティブライン２０３とグランド線２０４との間にダイオード(Ｄ１、Ｄ２)と直流電源部（Ｖｂ１、Ｖｂ２）とを直列に接続したクリップ回路（基板バイアス電源１１７の高周波電圧を平坦化する高周波電圧波形制御回路とすることができる）２０１とインダクタ（Ｌ３）と直流電源（Ｖｂ３）とを直列に接続した静電吸着回路を接続する。このとき、クリップ回路と静電吸着回路とを接続するアクティブラインにはコンデンサ（Ｃ２）を挿入する。クリップ回路２０１におけるダイオード（Ｄ１）は高周波電圧の正電圧側をカットし、直流電源部（Ｖｂ１）によって正電位を与えるようにして、直流電源（Ｖｂ１）の設定値によりダイオード（Ｄ１）の動作電圧を設定する。ダイオード（Ｄ２）は高周波電圧の負側をカットし、直流電源部（Ｖｂ２）によって負電位を与えるようにして、直流電源部（Ｖｂ２）の設定値によりダイオード（Ｄ２）の動作電圧を設定する。
【００１６】
また直流電源（Ｖｂ１、Ｖｂ２）の電圧を時間変化させることで、クリップした高周波電圧波形の平坦部の傾きを任意に調整することができる。また直流電源（Ｖｂ１、Ｖｂ２）の出力部にあるコンデンサの容量を変化させることでも、高周波電圧波形の平坦部の傾きを調整することができる。特にコンデンサの容量を小さくすると、平坦部の電圧の絶対値が時間とともにより大きく増加するように調整することができる。この回路構成により正電圧側および負電圧側の電圧波形を任意の値にクリップ（平坦化または切取り）することが可能となり、かつそのクリップ部（平坦部）の傾きを調整することが可能となる。
【００１７】
また、基板電極１１５には直流電源（Ｖｂ３）より直流電圧が印加され、プラズマ処理によって生ずるセルフバイアス電圧とこの直流電圧とにより、被処理材１１４は基板電極１１５に静電吸着されて保持される。このとき、クリップ回路２０１と静電吸着回路２０３をＤＣレベルで遮断するコンデンサ（Ｃ２）によって、ダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の動作電圧は安定しかつ直流電源（Ｖｂ３）の電流容量を小さくすることができる。コンデンサ（Ｃ２）が無い場合、ダイオ-ド（Ｄ１、Ｄ２）を介して直流電源部（Ｖｂ１、Ｖｂ２）を通過する電流に対して直流電源（Ｖｂ３）の内部抵抗により電圧降下が発生するためダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の動作電圧が変動する。またダイオード（Ｄ１、Ｄ２）の動作電圧を安定させるため直流電源（Ｖｂ３）の電流容量を大容量化しなければならない。つまりコンデンサ（Ｃ２）を挿入することでクリップ回路２０１と静電吸着回路２０３をＤＣレベルで遮断し相互に影響しない構成としている。
【００１８】
図３は前記整合器１１６及び静電チャック電源１１８の回路の他の構成例を示す図である。インダクタ（Ｌ１、Ｌ２）およびコンデンサ（Ｃ１）で構成される整合部２０２よりも負荷側のアクティブライン２０３とグランド線２０４との間にスイッチング素子（例えばトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２）を設置し、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベース電極に直流電源Ｖｂ１，Ｖｂ２を接続してクリップ回路２０１ｂを構成する。直流電源Ｖｂ１，Ｖｂ２を任意の電圧に設定し、この電圧でトランジスタをスイッチング動作さる。この回路によれば電源側電圧を任意の電圧に高精度にクリップすることができる。
【００１９】
図４は前記整合器１１６及び静電チャック電源１１８の回路の更に他の構成例を示す図である。インダクタ（Ｌ１、Ｌ２）およびコンデンサ（Ｃ１）で構成される整合部２０３よりも負荷側のアクティブライン２０３とグランド線２０４との間にスイッチング素子（例えばトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２）を設置し、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベース電極にスイッチ動作用電源３０１、３０２を接続してクリップ回路２０１ｃを構成する。スイッチ動作用電源３０１、３０２は基板バイアス電源１１７と同一周波数で同期しており、スイッチ動作用電源３０１、３０２にそれぞれ接続した直流電源Ｖｂ１，Ｖｂ２によりオフセットを独立に印加可能にしてある。このスイッチ動作用電源３０１、３０２によりバイアス周期中の任意の時間幅でトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をスイッチングさせることにより、電源側電圧を任意の電圧に高精度にクリップすることができる。
【００２０】
図１に示す装置において、処理室１０４内部を真空排気装置（図示省略）により減圧した後、ガス供給装置１０５によりエッチングガスを処理室１０４内に導入し所望の圧力に調整する。電磁波発生用電源１１２より発振された、例えば、マイクロ波帯の周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波電力を矩形同軸線路１１１を経由し、円矩形変換導波管１１０を介して円筒空洞部１０９に導入する。円筒空洞部１０９に導入されたマイクロ波電力は、誘電体窓１０３、シャワープレート１０２を伝播して処理室１０４内に導入され、磁場発生用コイル１１３（例えばソレノイドコイル）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する。特に、磁場発生用コイル１１３によって電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度(例えば、０．０８７５Ｔ)を処理室１０４内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また基板電極１１５に載置された被処理材１１４は基板バイアス電源１１７より高周波電力が供給され、表面処理（例えば、エッチング処理）される。
【００２１】
図５に整合器１１６のクリップ回路を用いて負側の電圧をクリップした場合の電圧波形３０１を示す。この電圧は例えば静電吸着回路を介して基板電極１１５に印加する。なお、図において縦軸は電圧で横軸は時間である。
【００２２】
前述したように、図２に示すクリップ回路２０１において直流電源部（Ｖｂ１、Ｖｂ２）を任意に設定することにより、例えば、周波数４００ｋＨｚの正弦波の電圧波形を任意の電圧でクリップ（平坦化）し、かつ平坦部の傾きを調整することができる。この場合、試料は基板電極１１５上に誘電体膜を被覆した静電チャックによって保持されている。このため、基板バイアス電源１１７から電極に印加する高周波電圧はコンデンサとして機能する前記誘電体膜を介して試料に伝送されることになる。このため、平坦にクリップされた高周波電圧波形を前記静電容量を介して基板電極１１５に印加すると、試料に発生する電圧波形は平坦部に傾き（サグ）が生じる。
【００２３】
従って、基板電極１１５に印加する電圧波形は図５の電圧波形３０１のように時間とともに電圧の絶対値が増加するように平坦部に傾きを生じさせておくことで、誘電体膜を介した試料に発生する電圧波形は、図５の電圧波形３０２のように平坦部を一定電圧でクリップさせた波形とすることができる。
【００２４】
図２に示すクリップ回路では、コンデンサを含む直流電源部を１段の構成としたが、図６に示すように多段の構成とすることができる。図６の場合は直流電源部Ｖ１のコンデンサ容量を大きく設定し、直流電源部Ｖ２の可変容量を小さく設定している。これにより、図７に示すようにクリップ電圧と平坦部電圧の傾きをそれぞれ制御することができる。以上は負側のクリップについて説明したが、正側のクリップについても同様である。
【００２５】
図８（ａ）に正弦波の高周波電圧波形のＶｐｐ（ピーク・トウ・ピーク電圧）を変化させた場合の、被処理材１１４に入射するイオンのエネルギー分布を３次元的に示す。縦軸はイオン量（任意単位）で横軸はイオンエネルギであり、電圧波形４０１、４０２、４０３の順にＶｐｐが減少している。一般に、被処理材であるウエハに高周波電力を印加した場合のイオンエネルギ分布は、M. J. Kushner、 J. Appl. Phys. 58、 4024(1985) に示されているように、高エネルギ側と低エネルギ側の２個所にピークを持った分布となることが知られている。
【００２６】
図８（ｂ）に直流電源部（Ｖｂ２）を変化させ電圧波形３０２を制御した場合の、被処理材１１４に入射するイオンのエネルギ分布を示す。図８（ｂ）には、基板電極１１５に正弦波電圧波形を印加した場合のイオンエネルギ分布波形４０１と、被処理材１１６に発生する電圧波形の平坦部を−８００Ｖに設定した場合のイオンエネルギ分布波形４０４と、被処理材１１４に発生する電圧波形の平坦部を−６００Ｖに設定した場合のイオンエネルギ分布波形４０５を三次元的に示す。
【００２７】
図８（ａ）に示すように、正弦波の電圧Ｖｐｐを増加させても高エネルギピークと低エネルギピークの割合は変化しない。しかしながら図８（ｂ）に示すように正弦波をクリップし平坦部の電圧を−８００Ｖ、−６００Ｖと変化させることによって、高エネルギピークの割合を増加させることができる。言い換えれば、単色に近いイオンエネルギ分布を実現できる。これを利用することによりディープトレンチ（またはホール）、ＨＡＲＣ等の高アスペクト比加工が実現できる。例えばディープトレンチの場合、ＳｉＯ２をマスクとしてＳｉ基板をエッチングする。ＣＭＯＳ用キャパシタを作成する場合には、開口径０．２〜０．１５μｍ、深さ８〜１０μｍのエッチングが必要であり、マスクを含めるとアスペクト比５０〜１００で垂直な微細加工が要求されている。エッチングガスとしてＳＦ６／ＨＢｒ／Ｏ２／ＳｉＦ４／あるいはＮＦ３／ＨＢｒ／Ｏ２等を使用する。上述のようにウエハに正弦波をクリップした波形を印加することにより、単色近いイオンエネルギ分布が得られるため、高アスペクト比のホールあるいはトレンチ内に垂直に効率よくイオンが入射し、高速で高アスペクト比の加工ができるという効果がある。  同様にコンタクトホール用のＨＡＲＣの場合は、エッチングガスとしてＡｒ／Ｃ５Ｆ８／Ｏ２、Ａｒ／Ｃ４Ｆ８／Ｏ２あるいはこれらのガスにＣＯを添加した混合ガスを使用し、レジストをマスクとしてＳｉＯ２をエッチングする。ＨＡＲＣの場合はＣＦ系のガスを使用するため、高アスペクト比ではホール内のラジカル組成が変化しエッチストップしやすい。しかしながら、上述のようにウエハに正弦波をクリップした波形を印加することにより単色に近いイオンエネルギ分布が得られるため、エッチングの抜け性が向上し、エッチレートが増加するという効果がある。上述ではキャパシタ用ディープトレンチ（またはホール）、コンタクトホール用のＨＡＲＣについて述べたが、素子分離用のディープトレンチ、後工程の配線接続部の加工、積層チップ等のスーパーコネクト、あるいは半導体デバイスに限らず、マイクロマシン、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）用の高アスペクト比加工において適用でき、同様の作用効果がある。また単色に近いイオンエネルギ分布が得られるため、微細加工性が向上する。トランジスタゲートの加工では、デバイス特性に影響するため、ゲート長のＣＤ制御が重要である。Ｐｏｌｙ−ＳｉゲートではＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｏ２等でエッチングするが、上述のようにウエハに正弦波をクリップした波形を印加することにより単色に近いイオンエネルギが得られるため、垂直加工が可能であり、ＣＤ制御性が向上する。メタルゲートやダマシンゲート加工でも同様の効果がある。またレジストをマスクとしたハードマスクの加工においてもＣＤ制御が重要であり、この場合にも同様の作用効果がある。
【００２８】
またクリップ電圧を変化させ、高エネルギイオンと低エネルギイオンの割合を変化させることにより、ガス種、圧力等のプロセス条件を変化させることなくエッチング形状、すなわちテーパ角等も制御することができる。これは上述のゲート加工、ディープトレンチ（ホール）、ＨＡＲＣの加工ばかりでなく、Ａｌ配線、ダマシン加工等の配線工程でのエッチングおよびＳＴＩ等の加工において有効である。特にＣｌ２／Ｏ２ガスを使用するＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；浅溝素子分離）では応力集中を緩和するため、トップラウンド、ボトムラウンドと呼ばれる開口部と底部にラウンド加工が要求されている。この場合は、エッチング中にクリップ電圧を徐々にあるいはステップ状に変化させることにより前記ラウンド加工を実現できるという効果がある。
【００２９】
入射イオンエネルギとエッチレート（エッチイールド）との関係は一般に被エッチング材料ごとに異なる。このこととイオンエネルギの単色化を利用すれば、高選択比エッチングを実現できる。すなわちマスク材料や下地材料に対してはエッチングレートは小さいが、被処理材に対してはエッチレートが大きいイオンエネルギを選択すれば良い。例として高アスペクト比のディープトレンチエッチングにおける、被エッチング材（例えばシリコン）とマスク材（例えばシリコン酸化膜）のイオンエネルギ（Ｅ）に対するエッチングレートの関係を図９に示す。ここで被エッチング材（例えばシリコン）のエッチングレートを５０１、マスク材（例えばシリコン酸化膜）のエッチングレートを５０２で示す。図９に示すように、イオンエネルギを０ｅＶから増加させるとエッチングが開始するしきい値のイオンエネルギが現れる。この閾値は、被エッチング材ではＡ（ｅＶ）、マスク材ではＢ（ｅＶ）である。したがってＡ（ｅＶ）からＢ（ｅＶ）の単色に近いイオンエネルギ分布のイオンをウエハに入射すれば、理論上、被エッチング材とマスク材の選択比は無限大となる。図８のようなイオンエネルギ分布を有する場合において、イオンエネルギ分布γ（Ｅ）と図９のエッチングレートとイオンエネルギとの関係Ψ（Ｅ）をもとに（１）式より各材料のエッチングレート（ＥＲ）を求めることができる。
【００３０】
【数１】
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図１０に（１）式より求めた、被エッチング材のエッチングレートと、被エッチング材とマスク材との選択比の関係を示す。ここで図８（ａ）の正弦波電圧波形のＶｐｐ（ピーク・トウ・ピーク電圧）を変化させた場合が曲線６０１であり、図８（ｂ）のクリップ電圧を変化させた場合が曲線６０２である。図８（ｂ）に示すように、高エネルギイオンの割合を増加させることにより、同じエッチングレートで高い選択比を得ることができるという効果がある。これは前述のＨＡＲＣエッチングにおけるマスク材のレジストと被処理材のＳｉＯ２との選択比向上、ＢＣｌ３／Ｃｌ２を用いたＡｌエッチングにおけるマスク材のレジストと被処理材のＡｌとの選択比向上、Ｎ２／Ｈ２あるいはＮＨ３を用いた有機Ｌｏｗ−ｋ（低誘電率）エッチングにおけるマスク材のＳｉＯ２と被処理材のＦＬＡＲＥ、ＳｉＬｋ等の有機Ｌｏｗ−ｋとの選択比向上、あるいは無機Ｌｏｗ−ｋエッチングにおける選択比向上等に効果がある。
【００３１】
配線材料のエッチングとしては、上記のＡｌエッチング以外にもＴｉＮ、Ｗ等にも適用できる。またＬｏｗ−ｋ材のエッチングとしてはＦＳＧ，ＭＳＱ等にも適用できる。上述のようなマスク材と被処理材との選択比向上以外にも、被処理材と下地材料との選択比向上にも効果がある。特にゲート材料の場合には下地の酸化膜の膜厚は数ｎｍと非常に薄く、高い選択比が要求される。この場合にも正弦波をクリップした電圧波形をウエハに印加することにより、高エネルギイオンの割合を増加させ、ゲート材料であるＰｏｌｙ−Ｓｉおよび下地材料であるＳｉＯ２のイオンエネルギとエッチングイールドとの関係から選択比を向上させることができる。ゲート材料としてはＳｉＧｅ、メタル系材料も適用でき、下地材料としては窒化膜も適用できる。また被エッチング材がＳｉＯＣ、下地材料がＳｉＣの無機Ｌｏｗ−ｋエッチングの場合にも同様の作用効果がある。また前述のディープトレンチ（またはホール）、ＨＡＲＣ等の高アスペクト比エッチングにおいてもマスク材との高選択比が要求され、同様の作用効果がある。
【００３２】
また高エネルギのイオンが被エッチング材に入射すると、格子欠陥を生じダメージを与える可能性がある。たとえばコンタクトホールのエッチングではコンタクト抵抗が増加する。本実施例のイオンエネルギ制御によれば、エッチレートを確保し、かつダメージを与えないエッチング処理が可能となり、高品質でスループットおよび歩留まりの高い表面処理が可能であるという効果がある。
【００３３】
図１１（ａ）は、基板電極１１５に正弦波電圧を印加した場合における被処理材１１４に発生した電圧波形７０１とプラズマ電位波形７０２を示す。縦軸は電圧で横軸は時間である。一般に、基板電極に高周波電力を印加した場合のプラズマ電位は、電気書院１９８５年発行「プラズマプロセシングの基礎」ｐ１５０〜１５６記載のように高周波電圧の正電圧側の振幅に依存し大きく変動する。図１１（ｂ）に整合器１１６のクリップ回路２０１を用いて正側の電圧をクリップさせ、その平坦部の傾きを調整した場合、被処理材１１４に発生する電圧波形７０３とプラズマ電位７０４を示す。図２のクリップ回路における直流電源部（Ｖｂ１、Ｖｂ２）を任意に設定することにより、例えば、周波数４００ｋＨｚの正弦波の電圧波形を任意の電圧でクリップすることができ、かつその平坦部の傾きを調整することができる。
【００３４】
図１１に示すように、被処理材１１４に発生する電圧波形を調整することにより、プラズマ電位を制御することが可能である。処理室１０４側壁（実効的アース部）の近傍には、プラズマ電位に応じてイオンシースが形成される。したがってプラズマ電位が増加するとイオンシース中の電界により加速されたイオンのエネルギが大きくなり、処理室１０４側壁をスパッタし金属汚染が増加する。しかしながら図１１（ｂ）に示すように正電圧側の波形をクリップすることによりプラズマ電位の上昇を抑制することで、処理室１０４側壁のスパッタによる金属汚染を低減することが可能となる。これにより、高品質でスループットおよび歩留まりの高い表面処理が可能であるという効果が生じる。また前述のＨＡＲＣプロセスでは、ウエハに高周波電圧波形でＶｐｐ（ピーク・トウ・ピーク電圧）で１〜２ｋＶ程度の大きな高周波電圧を印加することが一般的である。この場合プラズマ電位も大きく変動し、通常使用されるアルミアルマイトの処理室１０４側壁をスパッタし、ＣＦ系のガスと反応してＡｌＦ異物が発生し歩留まりが低下する。このため処理室１０４を大気開放して清掃すると真空の再立ち上げ時間も含めれば装置稼働率が大幅に低下する。またプラズマ電位が増加すると処理室１０４下部にまでプラズマが拡散し異物発生個所が増大したり、あるいは異常放電（局部放電）が発生する可能性が高くなる。したがって、正弦波の正電圧側をクリップすることによりプラズマ電位を抑制し、ＡｌＦ異物の発生を抑制することができる。また処理室１０４下部へのプラズマ拡散も抑制できることから処理室１０４下部での異常放電（局部放電）の発生も抑制できるという効果がある。また、プラズマ電位の上昇を抑制することでチャージングダメージの低減も可能であり、安定したプラズマ処理を実施することができるという効果がある。
【００３５】
特にウエハ外径がφ２００ｍｍからφ３００ｍｍと大口径化されると、高周波電圧が印加されるウエハ電極面積と実効的アース面積との比が大きくなるため、セルフバイアス電圧の絶対値が小さくなりプラズマ電位が増加する。このため本発明における高周波電圧波形の正電圧側の波形平坦化によるプラズマ電位の抑制は装置の小型化の点でも有効と言える。
【００３６】
また図１〜１１に使用する基板バイアス電源１１７は連続発振の高周波電源を使用したが、高周波電圧波形の振幅を時間変調することができる時間変調高周波電源（ＴＭバイアス電源）を使用しても良い。図１２にＲＦ周波数４００ｋＨｚ、デューティ比５０％のＴＭバイアス電源を使用したときのクリップ電圧波形を示す。デューティ比を制御することにより、プラズマ中のエッチング反応とデポジション反応の割合を制御することができるので、基板バイアス波形をクリップすることによるイオンエネルギ制御と合わせて、より高精度のエッチング形状制御を行うことができるという効果がある。
【００３７】
［実施例２］
本発明の第２の実施例を図１３を用いて説明する。上部が開放された真空容器１０１の上部に処理容器１０４、誘電体窓１０２（例えば石英製）、アンテナ電極９０１（例えばシリコン製）を設置し密封することにより処理室１０４を形成する。アンテナ電極９０１はエッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置１０５に接続されている。アンテナ電極９０１上部には同軸線路９０２、整合器９０３、整合器９０４、フィルタ９０５、９０６を介して高周波電源９０７（例えば周波数４５０ＭＨｚ）、アンテナバイアス電源９０８(例えば周波数１３.５６ＭＨｚ)が接続されている。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３８】
上述のように構成された装置では、高周波電源９０７より発振された、例えば、ＵＨＦ帯の周波数４５０ＭＨｚの高周波電力は同軸線路９０２を伝播し、アンテナ電極９０１および誘電体窓１０２を介して処理室１０４内に導入され、磁場発生用コイル１１３（例えばソレノイドコイル）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する。特に、磁場発生用コイル１１３によって電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度(例えば、０．０１６Ｔ)を処理室１０４内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また、アンテナバイアス電源９０８より高周波電力が同軸線路９０２を介して基板電極１１５の対向電極となるアンテナ電極９０１に供給される。また基板電極１１５に載置された被処理材１１４は、基板バイアス電源１１７より高周波電力が供給され、表面処理（例えば、エッチング処理）される。
【００３９】
アンテナバイアス電源９０８によりアンテナ電極９０１に高周波電圧を印加することにより、アンテナ電極９０１にバイアス電圧が生じ、アンテナ電極材料とプラズマ中のラジカルとの反応を生じさせることができ、これにより被処理材を処理するためのプラズマの組成を制御できる（例えばアンテナ電極にシリコンを用いた場合にはプラズマ中のフッ素を減少することができる）。
【００４０】
したがって、本装置構成では、主として４５０ＭＨｚの高周波電源９０７によりプラズマを生成し、アンテナバイアス電源９０８により、プラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御して、プラズマ生成（イオン量）とプラズマ組成（ラジカル濃度比）を独立に制御できるというメリットがあり、本発明のイオンエネルギ制御効果を、より精度良く実現することが可能である。
【００４１】
［実施例３］
本発明の第３の実施例を図１４を用いて説明する。アンテナバイアス電源９０８（例えば、周波数８００ｋＨｚ）は外部トリガー信号により発振を制御することができる。また、基板バイアス電源１１７（例えば、周波数８００ｋＨｚ）は外部トリガー信号により発振を制御可能である。アンテナバイアス電源９０８と基板バイアス電源１１７は位相制御器１００１に接続されており、アンテナバイアス電源９０８と基板バイアス電源１１７より出力される高周波の位相を制御することができる。ここではアンテナバイアス電源９０８と基板バイアス電源１１７の周波数は同一周波数としてある。なお、図において図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００４２】
アンテナ電極９０１と基板電極１１５に印加される高周波電圧が逆相（１８０°±３０°以内）の場合、例えば、基板電極１１５に正の電圧が印加されているとき、アンテナ電極９０１には負の電圧が印加されるので、アンテナ電極９０１にはイオンが入射するが電子は入射せず、アンテナ電極９０１近傍は電子リッチな状態になり、対向する基板電極が効率よくアースとしての機能を有することになる。このためプラズマ電位が基板バイアス電源の高周波電力によらず、高周波電圧のピーク電圧値からすれば、ほぼ０Ｖに近い２０〜３０Ｖ程度の電圧値で固定されることになる。従って、実施例１で示した基板電極１１５側のイオンエネルギ制御効果をより精度良く実現することが可能である。また、これにより、チャージングダメージの低減も行うことができるという効果がある。本実施例では基板バイアス電源１１７の周波数を８００ｋＨｚとしたが、４００ｋＨｚ、２ＭＨｚ他の場合でも同様の作用効果がある。
【００４３】
以上説明したように、本発明の各実施例によれば、基板電極に印加する高周波電圧波形あるいはアンテナバイアス電源に印加する高周波電圧波形を調整するのでイオンエネルギ分布やプラズマ電位を制御し高精度なプラズマ処理が可能である。
【００４４】
また上述の実施例では各効果について代表的な被エッチング材、マスク材、下地材料、プロセス条件を用いて具体的に示したが、類似の特性を示す材料、プロセスであれば、同様の作用効果が得られるのは言うまでもない。
【００４５】
また上述の実施例では半導体デバイスの前工程を中心に各効果を説明したが、半導体デバイスの後工程（配線接続、スーパーコネクト）、マイクロマシン、ＭＥＭＳ（ディスプレイ分野、光スイッチ分野、通信分野、ストレージ分野、センサー分野、イメージャ分野、小型発電機分野、小型燃料電池分野、マイクロプロ−バー分野、プロセス用ガス制御システム分野、医学バイオ分野の関係含む）等の分野でのエッチング加工技術に適用しても同様の作用効果が得られる。
【００４６】
また上述の各実施例では、マイクロ波ＥＣＲタイプ、ＵＨＦ―ＥＣＲタイプの装置について述べたが、他の平行平板型ＲＩＥ装置、マグネトロンＲＩＥ装置、２周波励起プラズマ装置、表面波励起プラズマ装置、ＶＨＦプラズマ、ＴＣＰ、ＩＣＰ、ＥＣＲ等のタイプの装置についても同様の効果がある。
【００４７】
また上述の各実施例では、エッチング装置について述べたが、アッシング装置、プラズマＣＶＤ装置など、基板電極へ高周波電力を供給する他のプラズマ処理装置に同様に適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高精度な加工を実現することの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ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置を説明する図である。
【図２】整合器及び静電チャックの回路構成例を示す図である。
【図３】整合器及び静電チャックの他の回路構成例を示す図である。
【図４】整合器及び静電チャックの更に他の回路構成例を示す図である。
【図５】負側の電圧をクリップした場合の電圧波形を示す図である。
【図６】コンデンサを含む直流電源部を多段構成した例を示す図である。
【図７】クリップ電圧と平坦部電圧の傾きを制御した例を示す図である。
【図８】被処理材に入射するイオンのエネルギ分布を示す図である。
【図９】イオンエネルギとエッチングレートの関係を示す図である。
【図１０】被エッチング材のエッチングレートと、被エッチング材とマスク材との選択比の関係を示す図である。
【図１１】正側の電圧をクリップした場合の電圧波形を示す図である。
【図１２】デューティ比５０％のバイアス電源を使用したときのクリップ電圧波形を示す図である。
【図１３】第２の実施例に係るプラズマ処理装置を説明する図である。
【図１４】第３の実施例に係るプラズマ処理装置を説明する図である。
【符号の説明】
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 真空排気口
１０７ 円筒壁
１０８ 天板
１０９ 円筒空洞部
１１０ 円矩形変換導波管
１１１ 矩形導波管
１１２ 電磁波発生用電源
１１３ 磁場発生用コイル
１１４ 被処理材
１１５ 基板電極
１１６ 整合器
１１７ 基板バイアス電源
１１８ 静電チャック電源
１１１ 同軸線路
１１４ 磁場発生コイル
１１５ 基板電極
１１６ 被処理材
１１７ 基板バイアス電源
２００ 整合部
２０１ クリップ回路
２０２ 静電吸着回路
２０３ アクティブライン
２０４ グランド線
３０１ 基板電極電圧波形
３０２ 試料電圧波形
９０１ アンテナ電極
９０２ 同軸線路
９０３，９０４ 整合器
９０４ 整合器
９０５，９０６ フィルタ
９０７ 高周波電源
９０８ アンテナバイアス電源
１００１ 位相制御器
【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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