プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法
【課題】広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された間欠的な高周波電力を供給する高周波電源を備えるプラズマ処理装置及び前記プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】真空容器と、該真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【解決手段】真空容器と、該真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【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加工するために、プラズマを用いて微細パターンを高精度に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。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、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。
【０００３】
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。
【０００４】
エッチングによって発生する反応生成物はパターンへの再付着を引き起こし、エッチング形状をテーパーにする。よって、エッチング加工の高精度を図るためにはエッチング時に発生する反応生成物の制御が重要になる。反応生成物濃度を少なくするためには、反応生成物の滞在時間を短くする方法がある。プラズマ処理室内のガスの滞在時間をτとすると、τはＰを処理圧力、Ｖをプラズマ処理室の容量、Ｑをガス流量とした場合、τ＝ＰＶ／Ｑの関係があり、装置構成で前記Ｐ、Ｖ、Ｑの限界が規定される。この関係からガスとなった反応生成物の滞在時間は処理圧力を下げることやガス流量を増加させることで短くすることができるが、ガス流量を増加するのと、処理圧力を下げることはトレードオフの関係にあり改善が困難である。
【０００５】
また、特許文献１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、プラズマや高周波バイアスの時間変調が開示されている。また、特許文献２には、高周波バイアスを２つ以上に分けイオンエネルギーを高精度に制御する時間変調された高周波バイアスの制御の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８−２５０４７９号公報
【特許文献２】特開２００１−８５３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高周波バイアス電源の時間変調を制御するパラメータとして、繰り返し周波数及び１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）がある。エッチングを実施する際、繰り返し周波数とデューティー比及びエッチングガスや圧力等のエッチング条件を入力手段により制御部に設定する。設定された値は制御部内ではデジタル信号として取り扱われるが、制御部と高周波バイアス電源がアナログで接続されている場合、制御部内のデジタル―アナログコンバータ（以下Ｄ／Ａコンバータと称する）でアナログ信号に変換した後、送信する必要がある。アナログ信号の送信の際、信号に対するノイズ等で誤差が生じると設定値に対し、出力値が異なることとなる。例えば０〜２０００Ｈｚの信号を１Ｈｚ単位で入力できる場合、１２ビットのデジタル信号処理では、１デジットあたり約０．９８Ｈｚの分解能となる。ここでデジットとは２進数の桁数を意味する。図１１に示すように、１２ビットのデジタル信号処理に対し、アナログ信号が±１０Ｖで使用される場合、１デジット当たりの電圧は約４．９ｍＶである。アナログ信号がノイズ等の理由で４．９ｍＶ以上ずれた場合にはデジタル信号変換後に１デジット以上のずれが生じる可能性がある。この場合、分解能は１デジットあたり約０．９８Ｈｚ（約１Ｈｚ）なので、１Ｈｚ以上の誤差が生じる可能性がある。
【０００８】
例えば、繰り返し周波数が１０Ｈｚでデューティー比が１０％の時、高周波バイアスのオフ時間は９０ｍｓである。繰り返し周波数が１１Ｈｚでデューティー比が１０％の場合、オフ時間は８１．８ｍｓである。制御精度の誤差が±１Ｈｚある場合、１０Ｈｚが結果として１１Ｈｚとなる可能性がある。この場合、オフ時間の誤差は８．２ｍｓである。オフ時間には反応生成物が排気されるが、一般的なプラズマエッチングでの反応生成物の滞在時間は５０ｍｓ〜５００ｍｓ程度であるため、高周波バイアスのオフ時間の８．２ｍｓの誤差は反応生成物の滞在時間に対して影響が大きく、形状制御の精度に影響する。また、繰り返し周波数が１０００Ｈｚでデューティー比が１０％の場合、オフ時間は０．９ｍｓであるが、ノイズによる誤差が生じ、１００１Ｈｚの信号として処理された場合でも、オフ時間は０．８９９ｍｓで誤差は０．００１ｍｓとなり、０．１％の誤差にしかならない。即ち、繰り返し周波数が低い場合には信号の制御精度や分解能を上げる必要があるが、繰り返し周波数が高い場合には周波数分解能は低くても影響が少ない。このため、エッチング形状加工制御性を向上させるためには、繰り返し周波数の低周波数帯域の分解能を向上させ、反応生成物濃度を高精度に制御することが必須となる。
【０００９】
使用する繰り返し周波数領域を狭くすることで、分解能を上げることが可能であるが、エッチングガスや被エッチング対象構造によって、最適な繰り返し周波数が異なる。そのため、各種のエッチングガスや各種の被エッチング対象構造に対応するためには、できるだけ広い周波数帯の繰り返し周波数が必要となる。このため、繰り返し周波数の使用可能領域の広域化と周波数分解能向上の両立は困難となる問題があった。
【００１０】
また、プラズマの解離を制御する方法として知られるパルスプラズマについても、上記の課題に関しては、同様のことが言える。パルスプラズマを生成するために印加される高周波は時間変調され、パルス化されているが、この制御においても、高精度な制御を行うためには、周波数分解能を上げることが必要である。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みて、広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された間欠的な高周波電力を供給する高周波電源を備えるプラズマ処理装置及び前記プラズマ処理装置を用いた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】
【００１２】
本発明は、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、前記試料台に電圧を印加する第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、時間変調された間欠的な高周波電力を供給するものであり、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって前記高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１３】
また、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１４】
また、本発明は、真空容器と、該真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調し、前記周波数帯域のいずれかの周波数で時間変調された間欠的な高周波電力を印加しながら前記試料をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された間欠的な高周波電力を、プラズマを生成する高周波電源と試料台に電圧を印加する高周波電源の少なくとも一つの電源から供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図３】アナログ信号の送信を示した図である。
【図４】Ａ／Ｄコンバータの概略図である。
【図５】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図６】チャンネルの設定例を示した図である。
【図７】反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を示した図である。
【図８】繰り返し周波数または時間変調された間欠的な高周波バイアス電力のオフ時間に対するエッチング形状のテーパー角度依存性を示した図である。
【図９】本発明の一実施例に係る制御部と高周波電源の概略図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図１１】従来のアナログ信号設定例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を図を参照しながら説明する。図１に本発明の一実施例に係るマイクロ波を用いたＥＣＲプラズマエッチング装置の概略縦断面図を示す。なお、同一符号は同一の構成要素を示す。
【００１８】
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。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。
【００１９】
プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、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電磁波発生用電源１０９から発振させる。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。処理室１０４の外部には、磁場を形成する磁場発生コイル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、磁場発生コイル１１０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し、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、磁場発生コイル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、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、ウエハ処理均一性を向上させる効果がある。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。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。高周波バイアス電源１１４は、高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８を備え（図２参照）、時間変調された間欠的な高周波電力または、連続的な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。また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力は高周波バイアス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である繰り返し周波数と、１周期（繰り返し周波数の逆数）あたりのオン期間であるデューティー比とによって、制御される。
【００２０】
上述のＥＣＲエッチング装置を用いたエッチング処理を制御する制御部１２０は、入力手段（図示せず）により入力された繰り返し周波数、デューティー比、エッチングを実施するガス流量、処理圧力、マイクロ波電力、コイル電流等のエッチングパラメータの処理を行うパソコン１２１と、信号処理を行うマイコン１２２と、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル―アナログコンバータ（以下、Ｄ／Ａコンバータ１２３と称する）とを備える（図２参照）。
【００２１】
また、高周波バイアス電源１１４は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ―デジタルコンバータ（以下、Ａ／Ｄコンバータ１２４と称する）と、マイコン１２２から送信された信号とＡ／Ｄコンバータ１２４から送信された信号とを処理する信号処理部１２５と、信号処理部１２５から指示された繰り返し周波数とデューティー比のパルス波形を発生するパルス発生器１０８と、信号処理部から指示された高周波バイアスを出力する高周波バイアス出力部１２６とを備える（図２参照）。
【００２２】
以下に、高周波バイアス電源１１４から時間変調された間欠的な高周波電力を試料載置用電極に供給する場合の制御部１２０の機能について、図２を用いて説明する。
【００２３】
入力手段（図示せず）により、パソコン１２１に入力された繰り返し周波数とデューティー比は、デジタル信号としてマイコン１２２で処理され、Ｄ／Ａコンバータ１２３を介して、アナログ信号に変換されて高周波バイアス電源１１４に送信される。高周波バイアス電源１１４が受信したアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ１２４にてデジタル信号へ変換され、信号処理部１２５にて処理されて高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８とからそれぞれ高周波バイアス電力とパルス波形が出力される。出力された高周波バイアス電力に出力されたパルス波形が重畳されて、時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から試料載置用電極１１１に供給する。
【００２４】
次に、高周波バイアス電源１１４の繰り返し周波数は、１〜２０００Ｈｚの範囲を１Ｈｚ単位で使用され、特に１〜１１９Ｈｚの周波数帯域を高分解能で制御する場合について、説明する。
【００２５】
１〜１１９Ｈｚの周波数帯域をチャンネル１、１２０〜２０００Ｈｚの周波数帯域をチャンネル２とする。また、１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４を使用し、アナログ信号の電圧値は±１０Ｖの範囲としている。尚、アナログ信号が±１０Ｖの範囲の場合、アナログ信号は、一般的に０〜１０Ｖが使用される。
【００２６】
例えば、パソコン１２１に６０Ｈｚの繰り返し周波数が入力されると、図３に示すようにマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介してチャンネル１とチャンネル２の信号が両方とも時間をずらされて周期的にＡ／Ｄコンバータ１２４に送信される。信号処理部１２５は、マイコン１２２から送信されたチャンネル１を選択するためのチャンネル切替え信号に応じて、タイミングＡ（チャンネル１）と信号受信を同期させることにより、Ａ／Ｄコンバータ１２４から送信されたチャンネル１とチャンネル２の信号からをチャンネル１の信号を選択する。チャンネル１の信号を選択した信号処理部１２５は、パルス発生器１０８から６０Ｈｚのパルス波形を発生させ、６０Ｈｚの繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から出力する。
【００２７】
また、信号処理部１２５のチャンネル選択の他の方法としては、図４に示すように、Ａ／Ｄコンバータ１２４に複数の入出力端子（以下ポートとする）がある場合、チャンネル切替え信号にてどのチャンネルを選択するのは判断し、特定のポートの信号をとる方法でも良い。例えば、６０Ｈｚの繰り返し周波数の場合、ポート１を選択するように信号処理部１２５に判断させれば良い（図４）。
【００２８】
また、使用するチャンネルだけをマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介して、Ａ／Ｄコンバータ１２４に送信しても良い。例えば、１０Ｈｚの繰り返し周波数を設定する場合、チャンネル１の信号のみを送信し、チャンネル２の信号は送信しないようにする。Ａ／Ｄコンバータ１２４が図４のような構成の場合、信号処理部１２５がポートの受信信号の有無を判定することで、ポート１には信号有り、ポート２には信号無しの状態ならば、信号処理部１２５は、ポート１、すなわちチャンネル１を選択できる。この場合、チャンネル切替え信号は必要ないため、図５の構成でもよい。
【００２９】
しかし、エッチング処理は、複数ステップで連続に処理することがあり、各ステップ間で異なる周波数帯域の周波数（異なるチャンネル）を使用する場合は、送信のタイミングをずらした状態で常に周期的に、異なるチャンネルの信号を送信した状態で、切替え信号によりチャンネルを選択する方法（図４）が切替え信号が不要な方法より、チャンネルの変更を速く行うことが可能なため、図４のようなチャンネル選択方法が適している。
【００３０】
次に、本実施例でのチャンネル１とチャンネル２の周波数分解能について説明する。
【００３１】
通常、Ｄ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の処理能力と周波数帯域の範囲により周波数分解能が決定される。１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の場合、４０９６デジットの信号を取り扱える。デジットとは２進数の桁のことである。この場合、アナログ信号が±１０Ｖの範囲で４０９６種類の信号の値を扱えることになる。アナログ信号は一般的に０〜１０Ｖが使用されるため、２０４８種類の信号の値を扱えることとなる。本実施例では、チャンネル１の繰り返し周波数の使用範囲が１〜１１９Ｈｚのため、約０．０５８Ｈｚの分解能になる。また、チャンネル２の繰り返し周波数の使用範囲が１２０〜２０００Ｈｚのため、約０．９２Ｈｚの分解能になる。また、アナログ信号の使用範囲が１０Ｖで２０４８デジットの信号を取り扱えるため、１デジットは約４．９ｍＶに相当する。すなわち、アナログ信号が約４．９ｍＶであれば、チャンネル１の場合は、約０．０５８Ｈｚの繰り返し周波数、チャンネル２の場合は、約０．９２Ｈｚの繰り返し周波数を表すことになる。このため、アナログ信号に４．９ｍＶの誤差が発生すると、チャンネル１の場合は、約０．０５８Ｈｚの誤差、チャンネル２の場合は約０．９２Ｈｚの誤差が生じることになる。
【００３２】
例えば、繰り返し周波数が１０Ｈｚ（チャンネル１）でデューティー比が１０％の場合、オフ時間は９０ｍｓとなる。アナログ信号に約０．０５％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、繰り返周波数に約０．０５８Ｈｚ以上の誤差が生じることになる。繰り返し周波数が１０．０５８Ｈｚでデューティー比が１０％の場合、オフ時間は８９．５ｍｓとなり、誤差はわずか０．５６％である。また、繰り返し周波数が１０００Ｈｚ（チャンネル２）でデューティー比が１０％の場合、オフ時間は０．９ｍｓとなる。ノイズによりアナログ信号に約０．０５％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、約１００１Ｈｚの信号として処理されることになるが、オフ時間は０．８９９ｍｓで誤差は０．００１ｍｓとなり、０．１％の誤差にしかならない。
【００３３】
よって、本実施例は、上述したとおり、繰り返し周波数の使用周波数範囲を分解能の精度が要求される周波数帯域と分解能の精度があまり要求されない周波数帯域とに分割することにより、繰り返し周波数の高範囲の周波数帯域において、繰り返し周波数を高精度に制御することができる。
【００３４】
また、本実施例では繰り返し周波数の設定単位を１Ｈｚとしているため、チャンネル１の周波数帯域を選択した場合、１Ｈｚに約２０デジットを割り当てることができ、ノイズ等による誤差を排除することを可能としている。
【００３５】
また、チャンネル１の分解能は、０．０５８Ｈｚのため、チャンネル１の繰り返し周波数の設定単位を１Ｈｚ以下にして制御することは可能である。
【００３６】
また、本実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域を２つに分割した例であったが、２つ以上に分割しても良い。分割数を増やすほど、各周波数帯域の分解能を向上させることができる。
【００３７】
また、本実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域を２つに分割した例であったが、図６に示すように、２つ以上の異なる周波数帯域を組み合わせることによって、繰り返し周波数の使用周波数範囲を広げても良い。このように、異なる周波数帯域を組み合わせることによって、繰り返し周波数の使用周波数範囲を広げることにより、それぞれの周波数帯域の精度を向上させることができる。
【００３８】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力のオン時間が短い場合には、高周波バイアス電力のマッチングが困難になるという問題がある。オン時間はデューティー比と繰り返し周波数によって規定されるが、デューティー比が２０％以下のような低いデューティー比の場合、チャンネル２の高周波帯域の繰り返し周波数はオン時間が短くなりすぎるため、高周波バイアス電力を試料載置用電極１１１に印加できなくなる場合がある。このため、チャンネル２の周波数帯域の繰り返し周波数を使用する場合は、デューティー比を２０％以上で使用するのが望ましい。
【００３９】
次に、本実施例に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、ウエハ１１２にエッチング処理を施すプラズマ処理方法について説明する。
【００４０】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアスの繰り返し周波数の使用周波数範囲が、２つの周波数帯域に分割され、チャンネル１（１〜１１９Ｈｚ）とチャンネル２（１２０〜２０００Ｈｚ）の２つの周波数帯域から構成されている場合のプラズマ処理方法について説明する。
【００４１】
時間変調された間欠的な高周波バイアスは反応生成物濃度を制御し、エッチング性能を制御することに用いられるが、オフ時間が反応生成物の滞在時間と同等程度の時、特に大きな効果が得られる。時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間の期間はエッチングが進行し、反応生成物が発生し続ける。時間変調された間欠的な高周波バイアスがオフすると、エッチングは進行しなくなり、反応生成物は排気される。一般的なプラズマエッチング装置の場合、処理圧力０．１Ｐａ〜１０Ｐａでは反応生成物の滞在時間は１０ｍｓ〜１０００ｍｓである。一例として、反応生成物の滞在時間が８０ｍｓの場合を説明する。連続高周波バイアスでは反応生成物濃度はエッチング開始時より単調に増加していく。反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を１０ｍｓとした場合の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ａ）に示す。オフ時間が反応生成物の滞在時間と比較して短い場合には、反応生成物が残留するため、反応生成物濃度は時間の経過とともに増加していく。次に、反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を８０ｍｓとして、反応生成物の滞在時間とオフ時間を等しくした時の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ｂ）に示す。オン時間内に発生した反応生成物はオフ時間に排気され、残留しないため、反応生成物濃度が低い状態を作り出すことが可能である。オフ時間を反応生成物の滞在時間以上にすることにより、反応生成物濃度を下げることができる。
【００４２】
次に、図８（ａ）にデューティー比を２０％に固定して、シリコン窒化膜のラインをエッチングした場合の繰り返し周波数に対するラインのエッチング形状のテーパー角度の依存性を示す。繰り返し周波数が低くなるほど、エッチング形状が垂直に近づく。繰り返し周波数とデューティー比により、オフ時間が規定されるが、図８（ａ）の結果は、オフ時間が長くなることにより、反応生成物濃度が低くなり、反応生成物の付着が少なくなったためである。図８（ａ）の繰り返し周波数に対するテーパー角度の依存性を、オフ時間に対するテーパー角度の依存性に書き直したものが図８（ｂ）であるが、図８（ｂ）より、オフ時間を長くすることでテーパー角度を制御することが可能であることが分かる。特に、オフ時間が、１０〜１０００ｍｓの範囲で垂直なエッチング形状を得ることができる。
【００４３】
このように、オフ時間を反応生成物の滞在時間以上にすることにより、反応生成物濃度を減少させることができる。オフ時間を長くするためには、繰り返し周波数を低くし、かつ、デューティー比を低くする必要がある。例えば、図７（ｂ）は、繰り返し周波数が１１．１Ｈｚ、デューティー比が１１．１％の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を試料載置用電極１１１に印加してウエハ１１２をプラズマエッチングした例である。
【００４４】
よって、本実施例は、オフ時間を長くすることができる低周波の繰り返し周波数帯域でも、高精度な周波数制御が可能なため、反応生成物濃度を高精度に制御することができる。このため、エッチング形状を高精度に制御することができる。
【００４５】
また、被エッチング膜の種類や対象エッチング工程、エッチング条件等によっては、高周波の繰り返し周波数帯域を用いる必要があることがある。しかしながら、高周波の繰り返し周波数の場合は、オン時間及びオフ時間が非常に短いため、低周波に比べて周波数分解能はあまり高くなくても良い場合が多い。
【００４６】
また、エッチング工程はさまざまな種類があり、工程によっては、垂直加工でなく、テーパー形状が必要な場合がある。一例としては、素子分離部（Shallow Trench Isolation：ＳＴＩ、以下ＳＴＩと称する）のエッチングがある。ＳＴＩエッチング後は、埋め込みをするため、概して、テーパー形状が必要となる。テーパー形状に加工する際、図８（ａ）に示すようなエッチング特性を持つ場合は、繰り返し周波数を高くすれば良いこととなる。このように半導体製造の種々な工程に広く対応するためには、繰り返し周波数は広範囲で使用できることが望ましい。
【００４７】
また、上述したプラズマ処理方法は、時間変調された間欠的な高周波バイアスの繰り返し周波数の使用周波数範囲が、２つの周波数帯域に分割された例であったが、繰り返し周波数の使用周波数範囲が２つ以上に分割されている場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。また、繰り返し周波数の使用周波数範囲が２つ以上の異なる周波数帯域の組合せからなる場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。
【００４８】
本発明は、上述した通りの構成を備えるため、広範囲の周波数帯域で高精度に制御された繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができるため、種々のエッチング工程において、高精度なエッチング加工が可能である。
【００４９】
また、上述の実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域の複数チャンネルの切替えは、チャンネル切替え信号を用いたが、高周波バイアス電源を複数使用する方法でも良い。例えば、図９に示すように、２つのチャンネルの場合、それぞれ、異なる周波数帯域の繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を出力する高周波電源を２つ設け、高周波電源選択信号により第一の高周波電源１２７と第二の高周波電源１２８とを切り替えることで、広範囲の周波数帯域で高精度に制御された繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができる。また、図１０に示すように、上記の複数の高周波電源の代わりに、異なる周波数帯域の繰り返し周波数のパルス波形をそれぞれ発生させる複数のパルス発生器（第一のパルス発生器１２９、第二のパルス発生器１３０等）を高周波バイアス電源に設けても良い。
【００５０】
また、上述した実施例の高周波バイアス電源の構成は、プラズマを生成する高周波電源へも適用できる。このため、本発明は、広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された間欠的な高周波電力を、プラズマを生成する高周波電源と、高周波バイアス電源とのいずれかの少なくとも一つの電源から供給するプラズマ処理装置である。
【００５１】
また、本実施例では、マイクロ波ＥＣＲプラズマを一実施例とし説明したが、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。
【符号の説明】
【００５２】
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、１０８・・・パルス発生器、１０９・・・電磁波発生用電源、１１０・・・磁場発生コイル、１１１・・・ウエハ載置用電極、１１２・・・ウエハ、１１３・・・マッチング回路、１１４・・・高周波バイアス電源、１１５・・・高周波フィルター、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・・・パソコン、１２２・・・マイコン、１２３・・・Ｄ／Ａコンバータ、１２４・・・Ａ／Ｄコンバータ、１２５・・・信号処理部、１２６・・・高周波バイアス出力部、１２７・・・第一の高周波電源、１２８・・・第二の高周波電源、１２９・・・第一のパルス発生器、１３０・・・第二のパルス発生器。
【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加工するために、プラズマを用いて微細パターンを高精度に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。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、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。
【０００３】
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。
【０００４】
エッチングによって発生する反応生成物はパターンへの再付着を引き起こし、エッチング形状をテーパーにする。よって、エッチング加工の高精度を図るためにはエッチング時に発生する反応生成物の制御が重要になる。反応生成物濃度を少なくするためには、反応生成物の滞在時間を短くする方法がある。プラズマ処理室内のガスの滞在時間をτとすると、τはＰを処理圧力、Ｖをプラズマ処理室の容量、Ｑをガス流量とした場合、τ＝ＰＶ／Ｑの関係があり、装置構成で前記Ｐ、Ｖ、Ｑの限界が規定される。この関係からガスとなった反応生成物の滞在時間は処理圧力を下げることやガス流量を増加させることで短くすることができるが、ガス流量を増加するのと、処理圧力を下げることはトレードオフの関係にあり改善が困難である。
【０００５】
また、特許文献１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、プラズマや高周波バイアスの時間変調が開示されている。また、特許文献２には、高周波バイアスを２つ以上に分けイオンエネルギーを高精度に制御する時間変調された高周波バイアスの制御の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８−２５０４７９号公報
【特許文献２】特開２００１−８５３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高周波バイアス電源の時間変調を制御するパラメータとして、繰り返し周波数及び１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）がある。エッチングを実施する際、繰り返し周波数とデューティー比及びエッチングガスや圧力等のエッチング条件を入力手段により制御部に設定する。設定された値は制御部内ではデジタル信号として取り扱われるが、制御部と高周波バイアス電源がアナログで接続されている場合、制御部内のデジタル―アナログコンバータ（以下Ｄ／Ａコンバータと称する）でアナログ信号に変換した後、送信する必要がある。アナログ信号の送信の際、信号に対するノイズ等で誤差が生じると設定値に対し、出力値が異なることとなる。例えば０〜２０００Ｈｚの信号を１Ｈｚ単位で入力できる場合、１２ビットのデジタル信号処理では、１デジットあたり約０．９８Ｈｚの分解能となる。ここでデジットとは２進数の桁数を意味する。図１１に示すように、１２ビットのデジタル信号処理に対し、アナログ信号が±１０Ｖで使用される場合、１デジット当たりの電圧は約４．９ｍＶである。アナログ信号がノイズ等の理由で４．９ｍＶ以上ずれた場合にはデジタル信号変換後に１デジット以上のずれが生じる可能性がある。この場合、分解能は１デジットあたり約０．９８Ｈｚ（約１Ｈｚ）なので、１Ｈｚ以上の誤差が生じる可能性がある。
【０００８】
例えば、繰り返し周波数が１０Ｈｚでデューティー比が１０％の時、高周波バイアスのオフ時間は９０ｍｓである。繰り返し周波数が１１Ｈｚでデューティー比が１０％の場合、オフ時間は８１．８ｍｓである。制御精度の誤差が±１Ｈｚある場合、１０Ｈｚが結果として１１Ｈｚとなる可能性がある。この場合、オフ時間の誤差は８．２ｍｓである。オフ時間には反応生成物が排気されるが、一般的なプラズマエッチングでの反応生成物の滞在時間は５０ｍｓ〜５００ｍｓ程度であるため、高周波バイアスのオフ時間の８．２ｍｓの誤差は反応生成物の滞在時間に対して影響が大きく、形状制御の精度に影響する。また、繰り返し周波数が１０００Ｈｚでデューティー比が１０％の場合、オフ時間は０．９ｍｓであるが、ノイズによる誤差が生じ、１００１Ｈｚの信号として処理された場合でも、オフ時間は０．８９９ｍｓで誤差は０．００１ｍｓとなり、０．１％の誤差にしかならない。即ち、繰り返し周波数が低い場合には信号の制御精度や分解能を上げる必要があるが、繰り返し周波数が高い場合には周波数分解能は低くても影響が少ない。このため、エッチング形状加工制御性を向上させるためには、繰り返し周波数の低周波数帯域の分解能を向上させ、反応生成物濃度を高精度に制御することが必須となる。
【０００９】
使用する繰り返し周波数領域を狭くすることで、分解能を上げることが可能であるが、エッチングガスや被エッチング対象構造によって、最適な繰り返し周波数が異なる。そのため、各種のエッチングガスや各種の被エッチング対象構造に対応するためには、できるだけ広い周波数帯の繰り返し周波数が必要となる。このため、繰り返し周波数の使用可能領域の広域化と周波数分解能向上の両立は困難となる問題があった。
【００１０】
また、プラズマの解離を制御する方法として知られるパルスプラズマについても、上記の課題に関しては、同様のことが言える。パルスプラズマを生成するために印加される高周波は時間変調され、パルス化されているが、この制御においても、高精度な制御を行うためには、周波数分解能を上げることが必要である。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みて、広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された間欠的な高周波電力を供給する高周波電源を備えるプラズマ処理装置及び前記プラズマ処理装置を用いた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】
【００１２】
本発明は、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、前記試料台に電圧を印加する第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、時間変調された間欠的な高周波電力を供給するものであり、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって前記高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１３】
また、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置である。
【００１４】
また、本発明は、真空容器と、該真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調し、前記周波数帯域のいずれかの周波数で時間変調された間欠的な高周波電力を印加しながら前記試料をエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された間欠的な高周波電力を、プラズマを生成する高周波電源と試料台に電圧を印加する高周波電源の少なくとも一つの電源から供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図３】アナログ信号の送信を示した図である。
【図４】Ａ／Ｄコンバータの概略図である。
【図５】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図６】チャンネルの設定例を示した図である。
【図７】反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を示した図である。
【図８】繰り返し周波数または時間変調された間欠的な高周波バイアス電力のオフ時間に対するエッチング形状のテーパー角度依存性を示した図である。
【図９】本発明の一実施例に係る制御部と高周波電源の概略図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る制御部と高周波バイアス電源の概略図である。
【図１１】従来のアナログ信号設定例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を図を参照しながら説明する。図１に本発明の一実施例に係るマイクロ波を用いたＥＣＲプラズマエッチング装置の概略縦断面図を示す。なお、同一符号は同一の構成要素を示す。
【００１８】
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。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。
【００１９】
プラズマを生成するための電力を処理室１０４に伝送するため、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電磁波発生用電源１０９から発振させる。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。処理室１０４の外部には、磁場を形成する磁場発生コイル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、磁場発生コイル１１０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し、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、磁場発生コイル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、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、ウエハ処理均一性を向上させる効果がある。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。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。高周波バイアス電源１１４は、高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８を備え（図２参照）、時間変調された間欠的な高周波電力または、連続的な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。また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力は高周波バイアス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である繰り返し周波数と、１周期（繰り返し周波数の逆数）あたりのオン期間であるデューティー比とによって、制御される。
【００２０】
上述のＥＣＲエッチング装置を用いたエッチング処理を制御する制御部１２０は、入力手段（図示せず）により入力された繰り返し周波数、デューティー比、エッチングを実施するガス流量、処理圧力、マイクロ波電力、コイル電流等のエッチングパラメータの処理を行うパソコン１２１と、信号処理を行うマイコン１２２と、デジタル信号をアナログ信号に変換するデジタル―アナログコンバータ（以下、Ｄ／Ａコンバータ１２３と称する）とを備える（図２参照）。
【００２１】
また、高周波バイアス電源１１４は、アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ―デジタルコンバータ（以下、Ａ／Ｄコンバータ１２４と称する）と、マイコン１２２から送信された信号とＡ／Ｄコンバータ１２４から送信された信号とを処理する信号処理部１２５と、信号処理部１２５から指示された繰り返し周波数とデューティー比のパルス波形を発生するパルス発生器１０８と、信号処理部から指示された高周波バイアスを出力する高周波バイアス出力部１２６とを備える（図２参照）。
【００２２】
以下に、高周波バイアス電源１１４から時間変調された間欠的な高周波電力を試料載置用電極に供給する場合の制御部１２０の機能について、図２を用いて説明する。
【００２３】
入力手段（図示せず）により、パソコン１２１に入力された繰り返し周波数とデューティー比は、デジタル信号としてマイコン１２２で処理され、Ｄ／Ａコンバータ１２３を介して、アナログ信号に変換されて高周波バイアス電源１１４に送信される。高周波バイアス電源１１４が受信したアナログ信号は、Ａ／Ｄコンバータ１２４にてデジタル信号へ変換され、信号処理部１２５にて処理されて高周波バイアス出力部１２６とパルス発生器１０８とからそれぞれ高周波バイアス電力とパルス波形が出力される。出力された高周波バイアス電力に出力されたパルス波形が重畳されて、時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から試料載置用電極１１１に供給する。
【００２４】
次に、高周波バイアス電源１１４の繰り返し周波数は、１〜２０００Ｈｚの範囲を１Ｈｚ単位で使用され、特に１〜１１９Ｈｚの周波数帯域を高分解能で制御する場合について、説明する。
【００２５】
１〜１１９Ｈｚの周波数帯域をチャンネル１、１２０〜２０００Ｈｚの周波数帯域をチャンネル２とする。また、１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４を使用し、アナログ信号の電圧値は±１０Ｖの範囲としている。尚、アナログ信号が±１０Ｖの範囲の場合、アナログ信号は、一般的に０〜１０Ｖが使用される。
【００２６】
例えば、パソコン１２１に６０Ｈｚの繰り返し周波数が入力されると、図３に示すようにマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介してチャンネル１とチャンネル２の信号が両方とも時間をずらされて周期的にＡ／Ｄコンバータ１２４に送信される。信号処理部１２５は、マイコン１２２から送信されたチャンネル１を選択するためのチャンネル切替え信号に応じて、タイミングＡ（チャンネル１）と信号受信を同期させることにより、Ａ／Ｄコンバータ１２４から送信されたチャンネル１とチャンネル２の信号からをチャンネル１の信号を選択する。チャンネル１の信号を選択した信号処理部１２５は、パルス発生器１０８から６０Ｈｚのパルス波形を発生させ、６０Ｈｚの繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波電力を高周波バイアス電源１１４から出力する。
【００２７】
また、信号処理部１２５のチャンネル選択の他の方法としては、図４に示すように、Ａ／Ｄコンバータ１２４に複数の入出力端子（以下ポートとする）がある場合、チャンネル切替え信号にてどのチャンネルを選択するのは判断し、特定のポートの信号をとる方法でも良い。例えば、６０Ｈｚの繰り返し周波数の場合、ポート１を選択するように信号処理部１２５に判断させれば良い（図４）。
【００２８】
また、使用するチャンネルだけをマイコン１２２からＤ／Ａコンバータ１２３を介して、Ａ／Ｄコンバータ１２４に送信しても良い。例えば、１０Ｈｚの繰り返し周波数を設定する場合、チャンネル１の信号のみを送信し、チャンネル２の信号は送信しないようにする。Ａ／Ｄコンバータ１２４が図４のような構成の場合、信号処理部１２５がポートの受信信号の有無を判定することで、ポート１には信号有り、ポート２には信号無しの状態ならば、信号処理部１２５は、ポート１、すなわちチャンネル１を選択できる。この場合、チャンネル切替え信号は必要ないため、図５の構成でもよい。
【００２９】
しかし、エッチング処理は、複数ステップで連続に処理することがあり、各ステップ間で異なる周波数帯域の周波数（異なるチャンネル）を使用する場合は、送信のタイミングをずらした状態で常に周期的に、異なるチャンネルの信号を送信した状態で、切替え信号によりチャンネルを選択する方法（図４）が切替え信号が不要な方法より、チャンネルの変更を速く行うことが可能なため、図４のようなチャンネル選択方法が適している。
【００３０】
次に、本実施例でのチャンネル１とチャンネル２の周波数分解能について説明する。
【００３１】
通常、Ｄ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の処理能力と周波数帯域の範囲により周波数分解能が決定される。１２ビットのＤ／Ａコンバータ１２３及びＡ／Ｄコンバータ１２４の場合、４０９６デジットの信号を取り扱える。デジットとは２進数の桁のことである。この場合、アナログ信号が±１０Ｖの範囲で４０９６種類の信号の値を扱えることになる。アナログ信号は一般的に０〜１０Ｖが使用されるため、２０４８種類の信号の値を扱えることとなる。本実施例では、チャンネル１の繰り返し周波数の使用範囲が１〜１１９Ｈｚのため、約０．０５８Ｈｚの分解能になる。また、チャンネル２の繰り返し周波数の使用範囲が１２０〜２０００Ｈｚのため、約０．９２Ｈｚの分解能になる。また、アナログ信号の使用範囲が１０Ｖで２０４８デジットの信号を取り扱えるため、１デジットは約４．９ｍＶに相当する。すなわち、アナログ信号が約４．９ｍＶであれば、チャンネル１の場合は、約０．０５８Ｈｚの繰り返し周波数、チャンネル２の場合は、約０．９２Ｈｚの繰り返し周波数を表すことになる。このため、アナログ信号に４．９ｍＶの誤差が発生すると、チャンネル１の場合は、約０．０５８Ｈｚの誤差、チャンネル２の場合は約０．９２Ｈｚの誤差が生じることになる。
【００３２】
例えば、繰り返し周波数が１０Ｈｚ（チャンネル１）でデューティー比が１０％の場合、オフ時間は９０ｍｓとなる。アナログ信号に約０．０５％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、繰り返周波数に約０．０５８Ｈｚ以上の誤差が生じることになる。繰り返し周波数が１０．０５８Ｈｚでデューティー比が１０％の場合、オフ時間は８９．５ｍｓとなり、誤差はわずか０．５６％である。また、繰り返し周波数が１０００Ｈｚ（チャンネル２）でデューティー比が１０％の場合、オフ時間は０．９ｍｓとなる。ノイズによりアナログ信号に約０．０５％（５ｍＶ）のノイズが発生した場合、約１００１Ｈｚの信号として処理されることになるが、オフ時間は０．８９９ｍｓで誤差は０．００１ｍｓとなり、０．１％の誤差にしかならない。
【００３３】
よって、本実施例は、上述したとおり、繰り返し周波数の使用周波数範囲を分解能の精度が要求される周波数帯域と分解能の精度があまり要求されない周波数帯域とに分割することにより、繰り返し周波数の高範囲の周波数帯域において、繰り返し周波数を高精度に制御することができる。
【００３４】
また、本実施例では繰り返し周波数の設定単位を１Ｈｚとしているため、チャンネル１の周波数帯域を選択した場合、１Ｈｚに約２０デジットを割り当てることができ、ノイズ等による誤差を排除することを可能としている。
【００３５】
また、チャンネル１の分解能は、０．０５８Ｈｚのため、チャンネル１の繰り返し周波数の設定単位を１Ｈｚ以下にして制御することは可能である。
【００３６】
また、本実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域を２つに分割した例であったが、２つ以上に分割しても良い。分割数を増やすほど、各周波数帯域の分解能を向上させることができる。
【００３７】
また、本実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域を２つに分割した例であったが、図６に示すように、２つ以上の異なる周波数帯域を組み合わせることによって、繰り返し周波数の使用周波数範囲を広げても良い。このように、異なる周波数帯域を組み合わせることによって、繰り返し周波数の使用周波数範囲を広げることにより、それぞれの周波数帯域の精度を向上させることができる。
【００３８】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアス電力のオン時間が短い場合には、高周波バイアス電力のマッチングが困難になるという問題がある。オン時間はデューティー比と繰り返し周波数によって規定されるが、デューティー比が２０％以下のような低いデューティー比の場合、チャンネル２の高周波帯域の繰り返し周波数はオン時間が短くなりすぎるため、高周波バイアス電力を試料載置用電極１１１に印加できなくなる場合がある。このため、チャンネル２の周波数帯域の繰り返し周波数を使用する場合は、デューティー比を２０％以上で使用するのが望ましい。
【００３９】
次に、本実施例に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて、ウエハ１１２にエッチング処理を施すプラズマ処理方法について説明する。
【００４０】
また、時間変調された間欠的な高周波バイアスの繰り返し周波数の使用周波数範囲が、２つの周波数帯域に分割され、チャンネル１（１〜１１９Ｈｚ）とチャンネル２（１２０〜２０００Ｈｚ）の２つの周波数帯域から構成されている場合のプラズマ処理方法について説明する。
【００４１】
時間変調された間欠的な高周波バイアスは反応生成物濃度を制御し、エッチング性能を制御することに用いられるが、オフ時間が反応生成物の滞在時間と同等程度の時、特に大きな効果が得られる。時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間の期間はエッチングが進行し、反応生成物が発生し続ける。時間変調された間欠的な高周波バイアスがオフすると、エッチングは進行しなくなり、反応生成物は排気される。一般的なプラズマエッチング装置の場合、処理圧力０．１Ｐａ〜１０Ｐａでは反応生成物の滞在時間は１０ｍｓ〜１０００ｍｓである。一例として、反応生成物の滞在時間が８０ｍｓの場合を説明する。連続高周波バイアスでは反応生成物濃度はエッチング開始時より単調に増加していく。反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を１０ｍｓとした場合の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ａ）に示す。オフ時間が反応生成物の滞在時間と比較して短い場合には、反応生成物が残留するため、反応生成物濃度は時間の経過とともに増加していく。次に、反応生成物の滞在時間を８０ｍｓ、時間変調された間欠的な高周波バイアスのオン時間を１０ｍｓ、オフ時間を８０ｍｓとして、反応生成物の滞在時間とオフ時間を等しくした時の反応生成物濃度のエッチング処理時間依存性を図７（ｂ）に示す。オン時間内に発生した反応生成物はオフ時間に排気され、残留しないため、反応生成物濃度が低い状態を作り出すことが可能である。オフ時間を反応生成物の滞在時間以上にすることにより、反応生成物濃度を下げることができる。
【００４２】
次に、図８（ａ）にデューティー比を２０％に固定して、シリコン窒化膜のラインをエッチングした場合の繰り返し周波数に対するラインのエッチング形状のテーパー角度の依存性を示す。繰り返し周波数が低くなるほど、エッチング形状が垂直に近づく。繰り返し周波数とデューティー比により、オフ時間が規定されるが、図８（ａ）の結果は、オフ時間が長くなることにより、反応生成物濃度が低くなり、反応生成物の付着が少なくなったためである。図８（ａ）の繰り返し周波数に対するテーパー角度の依存性を、オフ時間に対するテーパー角度の依存性に書き直したものが図８（ｂ）であるが、図８（ｂ）より、オフ時間を長くすることでテーパー角度を制御することが可能であることが分かる。特に、オフ時間が、１０〜１０００ｍｓの範囲で垂直なエッチング形状を得ることができる。
【００４３】
このように、オフ時間を反応生成物の滞在時間以上にすることにより、反応生成物濃度を減少させることができる。オフ時間を長くするためには、繰り返し周波数を低くし、かつ、デューティー比を低くする必要がある。例えば、図７（ｂ）は、繰り返し周波数が１１．１Ｈｚ、デューティー比が１１．１％の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を試料載置用電極１１１に印加してウエハ１１２をプラズマエッチングした例である。
【００４４】
よって、本実施例は、オフ時間を長くすることができる低周波の繰り返し周波数帯域でも、高精度な周波数制御が可能なため、反応生成物濃度を高精度に制御することができる。このため、エッチング形状を高精度に制御することができる。
【００４５】
また、被エッチング膜の種類や対象エッチング工程、エッチング条件等によっては、高周波の繰り返し周波数帯域を用いる必要があることがある。しかしながら、高周波の繰り返し周波数の場合は、オン時間及びオフ時間が非常に短いため、低周波に比べて周波数分解能はあまり高くなくても良い場合が多い。
【００４６】
また、エッチング工程はさまざまな種類があり、工程によっては、垂直加工でなく、テーパー形状が必要な場合がある。一例としては、素子分離部（Shallow Trench Isolation：ＳＴＩ、以下ＳＴＩと称する）のエッチングがある。ＳＴＩエッチング後は、埋め込みをするため、概して、テーパー形状が必要となる。テーパー形状に加工する際、図８（ａ）に示すようなエッチング特性を持つ場合は、繰り返し周波数を高くすれば良いこととなる。このように半導体製造の種々な工程に広く対応するためには、繰り返し周波数は広範囲で使用できることが望ましい。
【００４７】
また、上述したプラズマ処理方法は、時間変調された間欠的な高周波バイアスの繰り返し周波数の使用周波数範囲が、２つの周波数帯域に分割された例であったが、繰り返し周波数の使用周波数範囲が２つ以上に分割されている場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。また、繰り返し周波数の使用周波数範囲が２つ以上の異なる周波数帯域の組合せからなる場合でも、上述したプラズマ処理方法と同様な効果を得ることができる。
【００４８】
本発明は、上述した通りの構成を備えるため、広範囲の周波数帯域で高精度に制御された繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができるため、種々のエッチング工程において、高精度なエッチング加工が可能である。
【００４９】
また、上述の実施例では、繰り返し周波数の周波数帯域の複数チャンネルの切替えは、チャンネル切替え信号を用いたが、高周波バイアス電源を複数使用する方法でも良い。例えば、図９に示すように、２つのチャンネルの場合、それぞれ、異なる周波数帯域の繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を出力する高周波電源を２つ設け、高周波電源選択信号により第一の高周波電源１２７と第二の高周波電源１２８とを切り替えることで、広範囲の周波数帯域で高精度に制御された繰り返し周波数の時間変調された間欠的な高周波バイアス電力を載置用電極に供給することができる。また、図１０に示すように、上記の複数の高周波電源の代わりに、異なる周波数帯域の繰り返し周波数のパルス波形をそれぞれ発生させる複数のパルス発生器（第一のパルス発生器１２９、第二のパルス発生器１３０等）を高周波バイアス電源に設けても良い。
【００５０】
また、上述した実施例の高周波バイアス電源の構成は、プラズマを生成する高周波電源へも適用できる。このため、本発明は、広範囲の繰り返し周波数帯域で高精度に制御可能な時間変調された間欠的な高周波電力を、プラズマを生成する高周波電源と、高周波バイアス電源とのいずれかの少なくとも一つの電源から供給するプラズマ処理装置である。
【００５１】
また、本実施例では、マイクロ波ＥＣＲプラズマを一実施例とし説明したが、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。
【符号の説明】
【００５２】
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、１０８・・・パルス発生器、１０９・・・電磁波発生用電源、１１０・・・磁場発生コイル、１１１・・・ウエハ載置用電極、１１２・・・ウエハ、１１３・・・マッチング回路、１１４・・・高周波バイアス電源、１１５・・・高周波フィルター、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・・・パソコン、１２２・・・マイコン、１２３・・・Ｄ／Ａコンバータ、１２４・・・Ａ／Ｄコンバータ、１２５・・・信号処理部、１２６・・・高周波バイアス出力部、１２７・・・第一の高周波電源、１２８・・・第二の高周波電源、１２９・・・第一のパルス発生器、１３０・・・第二のパルス発生器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、前記試料台に電圧を印加する第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、時間変調された間欠的な高周波電力を供給するものであり、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって前記高周波電力を時間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記載のプラズマ処理装置において、
前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、Ａ／Ｄコンバータとパルス発生器とを具備し、
前記Ａ／Ｄコンバータは、前記２つ以上の異なる周波数帯域をそれぞれ異なるタイミングで受信し、
前記パルス発生器は、前記Ａ／Ｄコンバータが受信した前記２つ以上の異なる周波数帯域のそれぞれから周波数帯域切替え信号により選択された周波数帯域のパルスを発生することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、前記２つ以上の異なる周波数帯域の数と同数の高周波電源を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって前記高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、Ａ／Ｄコンバータとパルス発生器とを具備し、
前記Ａ／Ｄコンバータは、前記２つ以上の異なる周波数帯域をそれぞれ異なるタイミングで受信し、
前記パルス発生器は、前記Ａ／Ｄコンバータが受信した前記２つ以上の異なる周波数帯域のそれぞれから周波数帯域切替え信号により選択された周波数帯域のパルスを発生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４記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、前記２つ以上の異なる周波数帯域の数と同数の高周波電源を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調し、
前記周波数帯域のいずれかの周波数で時間変調された間欠的な高周波電力を印加しながら前記試料をエッチングす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記載のプラズマ処理方法において、
前記時間変調された間欠的な高周波電力の印加されない期間は、１０〜１０００ｍｓであ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記載のプラズマ処理方法において、
前記時間変調された間欠的な高周波電力の印加されない期間が反応生成物の滞在時間以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第１の高周波電源と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、前記試料台に電圧を印加する第２の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、時間変調された間欠的な高周波電力を供給するものであり、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって前記高周波電力を時間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記載のプラズマ処理装置において、
前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、Ａ／Ｄコンバータとパルス発生器とを具備し、
前記Ａ／Ｄコンバータは、前記２つ以上の異なる周波数帯域をそれぞれ異なるタイミングで受信し、
前記パルス発生器は、前記Ａ／Ｄコンバータが受信した前記２つ以上の異なる周波数帯域のそれぞれから周波数帯域切替え信号により選択された周波数帯域のパルスを発生することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記第１及び第２の高周波電源の少なくとも１つは、前記２つ以上の異なる周波数帯域の数と同数の高周波電源を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって前記高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項４記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、Ａ／Ｄコンバータとパルス発生器とを具備し、
前記Ａ／Ｄコンバータは、前記２つ以上の異なる周波数帯域をそれぞれ異なるタイミングで受信し、
前記パルス発生器は、前記Ａ／Ｄコンバータが受信した前記２つ以上の異なる周波数帯域のそれぞれから周波数帯域切替え信号により選択された周波数帯域のパルスを発生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４記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波電源は、前記２つ以上の異なる周波数帯域の数と同数の高周波電源を含むことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記真空容器内に設置され試料を載置する試料台と、時間変調された間欠的な高周波電力を前記試料台に印加する高周波電源とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
前記高周波電源は、２つ以上の異なる周波数帯域を有し、前記周波数帯域のそれぞれが使用するアナログ信号の範囲が同じである繰り返し周波数によって高周波電力を時間変調し、
前記周波数帯域のいずれかの周波数で時間変調された間欠的な高周波電力を印加しながら前記試料をエッチングす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記載のプラズマ処理方法において、
前記時間変調された間欠的な高周波電力の印加されない期間は、１０〜１０００ｍｓであ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記載のプラズマ処理方法において、
前記時間変調された間欠的な高周波電力の印加されない期間が反応生成物の滞在時間以上であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２１２７２８（Ｐ２０１２−２１２７２８Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７６５８５（Ｐ２０１１−７６５８５）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]