(57)【要約】【課題】ＧａＮパワーデバイスのリセス構造形成の極低レートのドライエッチングを可能とする。【解決手段】第二電極１３に印加されるバイアス電力Ｐbiasをグランドに分岐して第二電極に対して印加するバイアス電力を低下制御するシャント回路Ｓを具備してなる。【選択図】図１
2016072307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理槽の内部空間に配された第一電極と、
前記第一電極と対向配置されて基体を載置する第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極との間にプラズマを発生させる高周波電力を印加する第一電源と、
前記第二電極に対してバイアス電力を印加する第二電源と、
前記内部空間にプロセスガスを供給するガス手段と、
前記第二電極に印加されるバイアス電力をグランドに分岐して前記第二電極に対して印加するバイアス電力を低下制御するシャント回路と、
を具備してなることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記シャント回路が高周波特性を可変とされていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記シャント回路がＲＬＣ回路から構成されることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記第二電極にはマッチングボックスを介して前記第二電源が接続され、このマッチングボックスの入力端から負荷側に可変コンデンサを含んだ前記シャント回路が設置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記シャント回路が前記マッチングボックスと切り離し可能なスイッチを介して接続されていることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項４または５記載のプラズマ処理装置において、前記シャント回路を校正する方法であって、
前記シャント回路を切り離した状態でプラズマを発生させるとともに前記第二電極に対して前記第二電源バイアス電力を印加する工程と、
バイアス側前記マッチングボックスの整合位置より負荷のインピーダンスを計算する工程と、
前記シャント回路のインピーダンスが前記負荷のインピーダンスと比較して所定値以下となるように、前記シャント回路の高周波特性を設定する工程と、
設定された高周波特性の前記シャント回路を用いて、実際のプラズマ処理をおこない処理状態を確認し前記シャント回路の高周波特性を再設定する工程と、
を有してなることを特徴とするプラズマ処理装置の校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置およびその校正方法に係り、特に、ＧａＮにおけるリセスエッチング処理等の極低ＲＦバイアスパワーの処理をおこなう極低ＲＦバイアス処理装置に用いて好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２に示すように、ＧａＮのパワーデバイスにおいてリセス構造を形成するためのエッチングである、ＧａＮのリセスエッチングなる工程が知られている。この工程では２ｎｍ／ｍｉｎ以下となる極低レートによりドライエッチングを施すものであるが、バイアス基板（下部電極）にＲＦパワーを印加してイオンを引き込むことでエッチングしている。このとき、極低レートの達成、およびＧａＮのダメージを低減するために、印加するＲＦパワーは極低ＲＦパワーとされる。極低ＲＦパワーとは５Ｗ以下程度、より厳しくは２Ｗ以下程度のＲＦパワーを意味している。
【０００３】
このような処理をおこなう装置としては、入力ＲＦをアッテネータで減衰させて印加する手法や、プラスマイナス０．１Ｗ程度で出力制御可能な高精度ＲＦ電源を使用する手法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−０６９９７１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９１６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、リセスエッチングに必要なＲＦバイアスパワーは５Ｗ以下、条件によっては２Ｗ以下という極めて小さなものであり、上記の装置ではＲＦパワーの制御性、再現性、機差などに課題があり所望の特性を維持した処理ができないので、これを改善したいという要求があった。
【０００６】
まず、アッテネータを用いた場合には、以下のような問題がある。
・アッテネータは、その仕様として、加熱した状態で出力が安定状態となるように設定されているが、リセスエッチング処理における極低ＲＦパワーでは、安定となる温度までは加熱しないので、結果的に、装置の仕様となっている出力安定性を維持することができず、減衰率にばらつきが発生することにより、処理特性の機差が生ずる。
・アッテネータはＲＦの反射波を減衰させてしまう。そのため、正確な反射波が読み取れず確認できない。
【０００７】
また、高精度ＲＦ電源は０．１Ｗ単位でＲＦパワーを制御できるので好ましいと思われていたが、以下のような問題がある。
出力が５Ｗ程度であれば所望の出力を制御できるが、２Ｗ以下となった場合に出力精度が０．１Ｗでは処理特性が安定しないということが判明した。
【０００８】
本発明者らは、マッチングボックス等に対してさらなる考察をおこなったが、２Ｗ以下となった場合に処理特性が安定しない原因として以下を挙げることあげることができる。
・マッチングボックスにおいては、５Ｗ以下のＲＦ投入ではマッチングポイントの再現性がよくない。
・マッチングボックスでは０．２Ｗ程度の反射波が出ていても極めて小さいパワーのため完全に整合が取れるまでは追従しないので、ミスマッチによるロスが無視できない。つまり、５Ｗ以下の低パワーにマッチングボックスが対応できていない。
・マッチングボックスが安定してインピーダンスの整合を取るには１０Ｗ以上のＲＦパワーの投入が必要であるため、そのままの現状でリセスエッチングには適応できない。
・極低パワーの実効パワーを制御するには、RFケーブル、マッチングボックス、下部電極周辺の寄生容量などの伝搬損失と機差といった多くのファクターを調整する必要があるが、現状として制御しきれていない。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
１．極低ＲＦパワーを供給可能とすること。
２．極低ＲＦバイアスパワーを制御可能とすること。
３．機差の影響を低減可能とすること。
４．安定性を向上すること。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のプラズマ処理装置は、真空処理槽の内部空間に配された第一電極と、
前記第一電極と対向配置されて基体を載置する第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極との間にプラズマを発生させる高周波電力を印加する第一電源と、
前記第二電極に対してバイアス電力を印加する第二電源と、
前記内部空間にプロセスガスを供給するガス手段と、
前記第二電極に印加されるバイアス電力をグランドに分岐して前記第二電極に対して印加するバイアス電力を低下制御するシャント回路と、
を具備してなることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記シャント回路が高周波特性を可変とされていることがより好ましい。
また、本発明において、前記シャント回路がＲＬＣ回路から構成される手段を採用することもできる。
本発明は、前記第二電極にはマッチングボックスを介して前記第二電源が接続され、このマッチングボックスの入力端から負荷側に可変コンデンサを含んだ前記シャント回路が設置されていることが可能である。
また、前記シャント回路が前記マッチングボックスと切り離し可能なスイッチを介して接続されていることができる。
本発明のプラズマ処理装置の校正方法においては、上記のいずれか記載のプラズマ処理装置において、前記シャント回路を校正する方法であって、
前記シャント回路を切り離した状態でプラズマを発生させるとともに前記第二電極に対して前記第二電源バイアス電力を印加する工程と、
バイアス側前記マッチングボックスの整合位置より負荷のインピーダンスを計算する工程と、
前記シャント回路のインピーダンスが前記負荷のインピーダンスと比較して所定値以下となるように、前記シャント回路の高周波特性を設定する工程と、
設定された高周波特性の前記シャント回路を用いて、実際のプラズマ処理をおこない処理状態を確認し前記シャント回路の高周波特性を再設定する工程と、
を有してなることが望ましい。
【００１１】
本発明のプラズマ処理装置は、真空処理槽の内部空間に配された第一電極と、
前記第一電極と対向配置されて基体を載置する第二電極と、
前記第一電極と前記第二電極との間にプラズマを発生させる高周波電力を印加する第一電源と、
前記第二電極に対してバイアス電力を印加する第二電源と、
前記内部空間にプロセスガスを供給するガス手段と、
前記第二電極に印加されるバイアス電力をグランドに分岐して前記第二電極に対して印加するバイアス電力を低下制御するシャント回路と、
を具備してなることにより、第二電源からの出力をシャント回路によってシャント回路側と第二電極側とに分岐させて、シャント回路側に分岐させた分を減衰（削減）することで第二電極（下部電極）に供給されるバイアスパワーを極低ＲＦパワーのレベルにまで低減して、リセスエッチングに必要な制御を可能とすることができる。
第二電極に供給するバイアス電力をシャント回路に分岐させると同時に、寄生容量や伝搬ロスなどの不確かさを排除して、精密で正確な電力制御を可能とし、かつ、機差の低減を図ることができる。
【００１２】
本発明において、前記シャント回路が高周波特性を可変とされていることにより、第二電源からの出力をシャント回路によってシャント回路側と第二電極側とに分岐させる際に、分岐量を制御して、シャント回路を用いてバイアスパワーの微調整を可能とすることができる。
【００１３】
また、本発明において、前記シャント回路がＲＬＣ回路から構成される手段を採用することにより、シャント回路の高周波特性を可変とし、バイアスパワーの微調整を可能とすることができる。
【００１４】
本発明の前記第二電極にはマッチングボックスを介して前記第二電源が接続され、このマッチングボックスの入力端から負荷側に可変コンデンサを含んだ前記シャント回路が設置されていることにより、マッチングボックスを介して前記第二電極に対して前記第二電源からバイアス電力を印加する際に、前記シャント回路がマッチングボックスから第二電極への出力をシャント回路で分岐して減衰（削減）することができる。これにより、下部電極周辺の寄生容量などの伝搬損失と機差といった多くのファクターからの影響を最小限に抑えることが可能となる。同時に、前記シャント回路が可変コンデンサを含むことにより、この可変コンデンサによってシャント回路の特性を変化させて、第二電極への分岐出力をシャント回路側で制御し、分岐したバイアスパワーの微調整を可能とすることができる。
【００１５】
また、前記シャント回路が前記マッチングボックスと切り離し可能なスイッチを介して接続されていることで、スイッチによりシャント回路をマッチングボックスより切り離して、極低ＲＦバイアスと高バイアスとを切り替えて印加することが可能となる。これにより、シャント回路の校正を正確におこなうことを可能にできる。
【００１６】
本発明のプラズマ処理装置の校正方法においては、上記のいずれか記載のプラズマ処理装置において、前記シャント回路を校正する方法であって、
前記シャント回路を切り離した状態でプラズマを発生させるとともに前記第二電極に対して前記第二電源バイアス電力を印加する工程と、
バイアス側より負荷のインピーダンスを計算する工程と、
前記シャント回路のインピーダンスが前記負荷のインピーダンスと比較して所定値以下となるように、前記シャント回路の高周波特性を設定する工程と、
設定された高周波特性の前記シャント回路を用いて、実際のプラズマ処理をおこない処理状態を確認し前記シャント回路の高周波特性を再設定する工程と、
を有してなることにより、第二電極への分岐出力をシャント回路側で制御して、分岐したバイアスパワーの微調整を可能とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、第二電極に基板バイアスを印加するＲＦ回路にバリアブルパーツを含んだシャント回路を設置することにより、各装置ごとに、シャント回路でバリアブルパーツの設定値を設けて各装置毎に第二電極（下部電極）のインピーダンス（静特性）が異なる場合でも、第二電極（基板）に供給されるＲＦパワーを減衰させて極低ＲＦバイアスを安定化させ、リセスエッチングを精密におこなうことが可能となるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明に係るプラズマ処理装置の校正方法の一実施形態を示す工程図である。
【図３】本発明に係るプラズマ処理装置の実験例を説明する構成図である。
【図４】本発明に係るプラズマ処理装置の実験例を説明する構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係るプラズマ処理装置およびその校正方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態におけるプラズマ処理装置を示す模式図であり、図において、符号１は、プラズマ処理装置である。
【００２０】
本実施形態のプラズマ処理装置１は、ワイドバンドギャップ半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）を用いた次世代パワーデバイスの製造において、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ高選択比加工を実現し、エッチング量が１５ｎｍ以下程度と浅いゲート電極のリセスエッチングを処理するものとされ、そこで要求されるスペックは、低ダメージ化、極低速エッチング、深さコントロールを実現するために、バイアスＲＦ電力を５Ｗ以下、例えば２Ｗ以下までも可能として、２〜０．５ｎｍ／ｍｉｎ程度の低速エッチングを実施可能なものとされる。
【００２１】
本実施形態のプラズマ処理装置１は、図１に示すように、真空処理槽（チャンバ）１０の内部空間１１に配された第一電極１２と、第一電極１２と対向配置されて基体Ｗを載置する第二電極１３と、第一電極１２と第二電極１３との間にプラズマ１４を発生させる高周波電力を印加する第一電源１５と、第二電極１３に対してバイアス電力をマッチングボックス１６を介して印加する第二電源１７と、内部空間１１にプロセスガスを供給するガス手段１８と、第二電極１３に印加されるバイアス電力をグランドに分岐して第二電極１３に対して印加するバイアス電力を低下制御するシャント回路Ｓと、を具備してなる。
なお、図１において、第一電源１５に関するメイン電力の制御に関する構成はその説明を簡略化している。
【００２２】
シャント回路Ｓは、図１に示すように、抵抗ＳＲ、コイルＳＬ、可変コンデンサ（キャパシタ）ＳＣからなるＲＬＣ回路として構成されて真空スイッチとされるスイッチＳＳを介してマッチングボックス１６と切り離し可能に接続される。可変コンデンサＳＣは、マッチングボックス１６の入力端から負荷側に設けられる。
【００２３】
シャント回路Ｓは、図１に示すように、マッチングボックス１６から下部電極（第二電極）１３に供給する電力を分岐するようにグランド側に接続されている。このシャント回路Ｓにはパワーを逃がすため、シャント回路Ｓのインピーダンスは低い方がよい。
【００２４】
第二電源１７は、高周波を出力する高精度ＲＦ電源１７はプラズマ処理装置よりシリアル通信により入力されたバイアス電力を供給するものとされる。なお、高精度ＲＦ電源１７は、そのマッチングボックス１６側に電力を減衰するアッテネータを含有することも可能である。
【００２５】
マッチングボックス１６から下部電極１３までのＲＦ伝搬経路における寄生容量Ｃloss や、下部電極周辺（絶縁リング、止めネジ）などに発生する寄生容量Ｃloss が発生する。この寄生容量Ｃloss による入力パワーの低下をＰloss とする。この寄生容量Ｃloss はＲＦパワーロスの原因となり装置各固体によって差が有るため各装置バラバラではなく揃える必要がある。
【００２６】
本実施形態のプラズマ処理装置１において、高精度ＲＦ電源１７Ｂから供給されたパワーＰrfg は、下部電極１３に供給されるバイアスパワーＰbias と、シャント回路Ｓへ分岐されたパワーＰshunt と寄生容量Ｃloss による入力パワーの低下Ｐloss の和となっている。
【００２７】
つまり、高バイアスには対応して０．１Ｗ刻みでその出力が制御可能であるが、５Ｗ以下、あるいは２Ｗ以下になるとその制御性が低下してしまう高精度ＲＦ電源１７からの出力Ｐrfg を制御性の低下しない高出力範囲として出力して出力安定性を確保する。この状態で、温度特性、あるいは、反射波制御の難しいアッテネータを用いることなく、可変キャパシタＳＣによって、そのインピーダンスを制御することでシャント回路Ｓへの分岐比率を制御する。
【００２８】
これにより、シャント回路Ｓへの分岐パワーＰshunt と、下部電極１３に供給されるバイアスパワーＰbias との比率を調整して、所望の極低ＲＦパワーを下部電極１３に供給することが可能となる。
【００２９】
本実施形態のプラズマ処理装置１において、可変キャパシタＳＣによって、シャント回路Ｓのインピーダンスを制御することで、下部電極１３に供給される極低ＲＦバイアスパワーＰbias を正確に制御することが可能となる。
同時に、寄生容量Ｃloss による入力パワーの低下をＰloss に対する調整もおこなうことが可能となる。
【００３０】
これにより、マッチングボックス１６からの出力をシャント回路Ｓで減衰（削減）することで下部電極１３に供給されるバイアスパワーＰbias を極低ＲＦバイアスパワーとして制御可能となる。プラズマ処理中および処理前においてシャント回路Ｓを使ったバイアスパワーの微調整が可能となる。寄生容量や伝搬ロスなどの機差に起因する極低ＲＦバイアスパワー制御の不正確さを排除できる。マッチングボックス１６の整合精度に見合った状態である第二電源１７からの比較的高い１０Ｗ以上のパワー出力とした状態を維持しつつ下部電極１３に供給されるバイアスパワーＰbias を所望の範囲に設定することができるので、マッチングボックス１６の整合が容易となる。真空スイッチＳＳによってシャント回路Ｓをマッチングボックスから切り離すことにより、第二電源１７から下部電極１３に高バイアスパワーを投入することも可能となる。
【００３１】
以下、本実施形態のプラズマ処理装置１において、シャント回路を校正する方法について説明する。
図２は、本実施形態のプラズマ処理装置１において、シャント回路を校正する方法を示す工程図である。
【００３２】
まず、図２にステップＳ１として示すように、シャント回路Ｓを真空スイッチＳＳによってマッチングボックス１６から切り離す。
次いで、図２にステップＳ２として示すように、シャント回路Ｓを真空スイッチＳＳによってマッチングボックス１６から切り離した状態で、第一電源１５から高周波電力を印加して、第一電極１２と第二電極１３との間にプラズマ１４を発生させるとともに、第二電極１３に対して第二電源１７からバイアス電力を印加する。
【００３３】
この状態で、図２にステップＳ３として示すように、バイアス側より負荷のインピーダンスを計算する。具体的には、マッチングボックス１６の回路定数とマッチングポジションから負荷側のインピーダンスを計算する。
次いで、図２にステップＳ４として示すように、この負荷側のインピーダンスと、シャント回路Ｓのインピーダンスとを比較して、Ｐshunt とＰbias とが、Ｐrfg に対してそれぞれ所定の比率となり、所定値以下の極低ＲＦパワーを下部電極１３に供給するように可変コンデンサＳＣの入力値を算出する。
【００３４】
図２にステップＳ５として示すように、シャント回路Ｓを真空スイッチＳＳによってマッチングボックス１６に接続する。
図２にステップＳ６として示すように、算出した可変コンデンサＳＣの入力値として設定し、実際にウェーハを処理する条件でプラズマを発生させマッチングを確認する。
【００３５】
確認された状態として、図２にステップＳ７として示すように、実際にプラズマ１４を発生させて、プラズマ処理をおこない、図２にステップＳ８として示すように、処理状態としてエッチングレートの値を確認する。
確認されたエッチングレートの値に基づいて、図２にステップＳ９として示すように、シャント回路Ｓの可変コンデンサＳＣを再調整し、ステップＳ７とステップＳ８を繰り返すことで寄生容量Ｃloss による出力低下Ｐloss の影響等を排除し、シャント回路Ｓの構成を完了する。
【００３６】
これにより、高精度ＲＦ電源１７から出力されたバイアスＲＦパワーＰrfg を減衰するためのシャント回路Ｓを使って、マッチングボックス１６から出力されるＲＦパワーをグランドへ捨てることで、５Ｗ以下の極低ＲＦバイアスパワーＰbias を下部電極１３に投入する際に、実効パワーを制御することができる。
本実施形態によれば、分岐部分にスイッチＳＳを設けて高バイアスをかける際にシャント回路Ｓを切り離すとともに、シャント回路Ｓが構成されるＲＬＣ回路の要素であるバリアブルキャパシタＳＣなどを使用してインピーダンスを調整することができる。
【００３７】
以下、本発明における実験例について説明する。
【００３８】
まず、高精度ＲＦ電源１７Ｂと、通常のＲＦ電源との精度の差についてのデータを表１に示す。ここで、図３に示すように、ＲＦ電源１７の出力端にパワーセンサＰＣをつなぎ１／２波長のケーブルを介してダミーロードＤＬに接続した系で各設定値に対するＲＦ出力を測定した。ＲＦ電源１７への出力パワー設定値の入力は、プラズマ処理装置本体からのシリアル通信とした。
【表１】
2016072307.tif 000003
【００３９】
表１に示す結果から、高精度RF電源は設定値と出力が等しく、信頼性が高いことがわかる。
【００４０】
次に、マッチングボックスの信頼性について検討した。図１に示すように、実際の装置構成として、高精度ＲＦ電源１７を用いマッチングボックス１６の整合精度（出力値と反射波）を測定し、そのデータを表２に示す。ここで、プラズマ処理装置本体からのシリアル通信で制御された高精度ＲＦ電源１７と、マッチングボックス１６とにより実際にプラズマを立てた状態で測定した。負荷その他の条件は、１Ｐａ，１０００Ｗ（第一電源１５），Ａｒ：５０ｓｃｃｍとした。
【００４１】
【表２】
2016072307.tif 000004
【００４２】
表２に示す結果から、マッチングボックスは低パワーのため、反射波が出ていても極小であることから完全に整合が取れるまで追従しないことがわかる。一般的には０．１Ｗや０．２Ｗの反射波は極小であるが、極低パワーにとっては大きな値であり、ミスマッチによるロスが無視できないことがわかる。つまり、５Ｗ以下の低パワーにマッチングボックスが対応できていない。
【００４３】
次に、図１に示すように、シャント回路Ｓを設けた場合における反射波を測定した。
その結果を表３に示す。
【００４４】
【表３】
2016072307.tif 000005
【００４５】
表３に示す結果から、シャント回路Ｓを使用すると整合が取りやすくなり、反射波が減ったことがわかる。
【００４６】
次に、図１に示すように、シャント回路Ｓを設けた場合において、実際にＧａＮをエッチングしてエッチングレートを測定した。ここで、
プラズマ処理条件は、厚さ３０ｎｍのＧａＮを形成したウェーハを、２０℃として、供給ガスがＣｌ／ＢＣｌ＝１５／１５ｓｃｃｍ、メインパワー１５０Ｗ、バイアスパワーを１０Ｗに固定してシャント回路のバリアブルパーツを調整した。目標とするＧａＮのエッチングレートは、シャント回路を用いない場合のバイアスパワー１．５Ｗで得られる４．４〜４．８ｎｍ／ｍｉｎ．とした。その結果を表４に示す。
【表４】
2016072307.tif 000006
【００４７】
表４に示す結果から、シャント回路Ｓを使用するとマッチングボックス１６からの出力をシャント回路Ｓで減衰（削減）することで下部電極１３に供給されるバイアスパワーＰbias を極低ＲＦバイアスパワーとして制御可能となり、かつエッチングレートが安定したことがわかる。また、マッチングボックスの整合を取ることができ、パワーを削減して極低パワーのレートを得ることができるという、二つの効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の活用例として、ＧａＮパワーデバイスのように極低バイアスが必要な半導体、電子部品、フラットパネルディスプレイ等のプラズマ処理装置に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１…プラズマ処理装置
１０…真空処理槽（チャンバ）
１１…内部空間
１２…第一電極
１３…第二電極
１４…プラズマ
１５…第一電源
１６…マッチングボックス
１７…第二電源
１７…高精度ＲＦ電源
１８…ガス手段
Ｓ…シャント回路
ＳＲ…抵抗、
ＳＬ…コイル、
ＳＣ…可変コンデンサ（キャパシタ）
ＳＳ…スイッチ
【図１】
2016072307.tif 000007
【図２】
2016072307.tif 000008
【図３】
2016072307.tif 000009
【図４】
2016072307.tif 000010