JP2009071133A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ中のイオンに基板の処理に適したエネルギーをもたせるとともに、イオンエネルギーの分散を狭帯域化させることを可能とするプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置の一形態であるＲＩＥ装置１０Ｂは、基板Ｗを載置するＲＦ電極１１と、ＲＦ電極１１と対向する対向電極１２と、ＲＦ電極１１と対向電極１２を収容し、その内部雰囲気の調整が可能なチャンバ１３と、ＲＦ電極１１上の自己バイアス電圧を制御するための電圧を第１周波数ｆ_１のＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧のうちの略一定幅かつ略一定値により間欠的にＲＦ電極１１に印加する第１電源装置１８と、ＲＦ電極１１と対向電極１２との間にプラズマを発生させるための第２周波数のＲＦ電圧を、第１電源装置１８から出力される電圧と同期させて間欠的にＲＦ電極１１に印加する第２電源装置１９Ａを具備する。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体装置等の製造プロセスに用いられるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

近時、半導体デバイスの高性能化，高集積化および微細化が急速に進んでいる。半導体デバイスの高集積化のためには、微細加工技術，エピタキシャル成長技術，パッケージング技術等の向上が必要となるが、中でも微細加工技術の比重が高く、高アスペクト比や最小線幅の狭小化等の加工精度の向上が強く求められている。

このような半導体デバイスの微細加工技術の１つとして、高いエッチングレートで異方性微細加工が可能な反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）が知られている。一般的にＲＩＥでは、雰囲気調整が可能なチャンバ内に一対の電極を所定間隔で対向配置し、一方の電極に基板を保持させ、電極に高周波電力（ＲＦ電力）を供給して電極間にプラズマを生成させる。

ＲＩＥは、このとき基板に生じる自己バイアス電圧とプラズマポテンシャルの差の電位によってプラズマ中の正イオンが加速されて基板に入射し衝突する物理的エッチング（スパッタリング）と、活性な中性ラジカルによる化学的エッチングの複合作用を利用する。プラズマポテンシャルは自己バイアス電圧よりも相対的に小さいために、基板に入射するイオンのエネルギー制御は自己バイアス電圧を制御することによって行われている。

電極電位はＲＦ電圧に対応して周期的に変化するため、イオンエネルギーも周期的に変化する。そして、イオンエネルギーはＲＦ電圧の周波数に依存して分散し、ＲＦ電圧の周波数が低いほどイオンエネルギーの分散は大きくなることが知られている。

イオンエネルギーに分散が生じると、高エネルギーのイオンは肩削りを誘発して加工形状を悪化させ、一方、低エネルギーのイオンは基板加工に寄与せずまたは異方性劣化に伴い加工形状を悪化させるおそれがある。そこで、プラズマを生成、維持するためのＲＦ電力とイオンエネルギーを制御するためのＲＦ電力の２つ以上の異なる周波数のＲＦ電力を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような従来技術では、低い周波数に起因するイオンエネルギーの分散が大きく、この分散を加工精度の向上のために必要とされる範囲に十分に狭帯域化させることは困難である。また、低い方の周波数を高くすることでイオンエネルギーの分散を小さくすることができるが、所望されるイオンエネルギーを得ることが困難になるという問題がある。
特開２００３−２３４３３１号公報（特許請求の範囲、段落［００５８］〜［００６１］等）

本発明は、プラズマ中のイオンに基板の処理に適したエネルギーをもたせるとともに、イオンエネルギーの分散を狭帯域化させることを可能とするプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

本発明は第１態様として、被処理基板を載置する第１電極と、
一定間隔で前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、
前記第１，第２電極を収容し、その内部の雰囲気を調整可能に構成されたチャンバと、
前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための電圧を、所定の第１周波数のＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧のうちの略一定幅かつ略一定値により、間欠的に前記第１電極に印加する第１電源装置と、
前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定の第２周波数のＲＦ電圧を、連続的にまたは前記第１電源装置から出力される電圧と同期させて間欠的に、前記第１電極または前記第２電極に印加する第２電源装置と、を具備することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明は第２態様として、被処理基板を載置する第１電極と、
一定間隔で前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、
前記第１，第２電極を収容し、その内部の雰囲気を調整可能に構成されたチャンバと、
前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための所定の第１周波数の直流パルス電圧を前記第１電極に印加する第１電源装置と、
前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定の第２周波数のＲＦ電圧を前記直流パルス電圧と同期させて前記第１電極または前記第２電極に印加する第２電源装置と、を具備することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明は第３態様として、その内部雰囲気を調整可能に構成されたチャンバ内の下部および上部に互いに一定間隔で対向するようにそれぞれ配置された第１電極と第２電極の当該第１電極上に被処理基板を載置させ、
前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための電圧を、所定の第１周波数のＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧のうちの略一定幅かつ略一定値により、間欠的に前記第１電極に印加するとともに、前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定の第２周波数のＲＦ電圧を連続的にまたは前記第１電極に印加される電圧と同期させて間欠的に前記第１電極または前記第２電極に印加し、
或いは、前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための所定の直流パルス電圧を前記第１電極に印加するとともに、前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定のＲＦ電圧を前記直流パルス電圧と同期させて間欠的に前記第１電極または前記第２電極に印加することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

本発明によれば、プラズマ中のイオンに基板の処理に適したエネルギーをもたせるとともに、イオンエネルギーの分散を狭帯域化することができ、これによりプラズマを用いた種々の加工を高精度に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ここではプラズマ処理装置として、半導体基板（以下「基板」と記す）にＲＩＥ処理を施すＲＩＥプラズマ処理装置（以下「ＲＩＥ装置」と記す）を取り上げることとする。

図１に本発明の第１形態に係るＲＩＥ装置１０Ａの概略構成を示す。ＲＩＥ装置１０Ａは、基板Ｗを載置する第１電極たる高周波電極（以下「ＲＦ電極」と記す）１１と、一定間隔でこのＲＦ電極１１と対向するように配置された第2電極たる対向電極１２と、これらＲＦ電極１１と対向電極１２を収容するチャンバ１３と、チャンバ１３の内部にプラズマ生成に必要なガスを供給するためのガス供給機構１４と、チャンバ１３内を減圧するための減圧ポンプ１５を備えている。

ガス供給機構１４からチャンバ１３の内部へ供給されるガスとしては、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｎ_２，Ｏ_２，ＣＯ，Ｈ_２等のガスの他、ＳＦ_６やＣＦ_４，Ｃ_２Ｆ_６，Ｃ_４Ｆ_８，Ｃ_５Ｆ_８，Ｃ_４Ｆ_６，Ｃｌ_２，ＨＢｒ，ＳｉＨ_４，ＳｉＦ_４等のプロセスガスが挙げられる。対向電極１２はこれらのガスをチャンバ１３の内部に送出する構造となっている。ガス供給機構１４と減圧ポンプ１５の動作調節により、チャンバ１３の内部を所望する処理雰囲気、例えば１Ｐａ〜数Ｐａに調整することができるようになっている。

ガス供給機構１４からチャンバ１３内に供給されるガスをＲＦ電極１１と対向電極１２の間でプラズマ化させてＲＩＥ処理を行うために、ＲＩＥ装置１０Ａは、ＲＦ電極１１に異なる周波数の高周波（ＲＦ）電圧を印加する第１電源装置１８と第２電源装置１９を備えている。なお、ＲＦ電極１１の詳細な構造は図１に示していないが、ＲＦ電極１１は、例えば基板Ｗを吸着保持するための静電チャックと、この静電チャックを支持する金属製のステージから構成されており、このステージにＲＦ電圧が印加される。静電チャックには基板Ｗを所定温度に保持するためのヒータを埋設することができる。対向電極１２はアース（グランド）電位に保持されている。

第１電源装置１８は、ＲＦ電極１１上の自己バイアス電圧（つまりＲＦ電極１１に保持された基板Ｗに生じる自己バイアス電圧）Ｖ_ｄｃを制御するための電圧を間欠的にＲＦ電極１１に印加する。そのために第１電源装置１８は、第１周波数ｆ_１でｓｉｎ波形のＲＦ電圧を連続的に出力する第１ＲＦ電源２１と、プラズマ負荷に対するインピーダンス整合等を行う第１整合器２２と、第１ＲＦ電源２１から出力されるＲＦ電圧を周期的にアース側へ逃がすための第１スイッチング部２３を備えている。第１電源装置１８はまた、第２電源装置１９からＲＦ電極１１へ供給される電力成分が第１整合器２２へ侵入することを防止するための第１フィルタ２４を備えている。

第２電源装置１９は、ＲＦ電極１１と対向電極１２の間にプラズマを発生させ、これを維持することを主目的とするＲＦ電圧をＲＦ電極１１に印加する。そのために第２電源装置１９は、第２周波数ｆ_２のＲＦ電圧を連続的に出力する第２ＲＦ電源２５と、第２整合器２６と、第１電源装置１８からＲＦ電極１１に供給される電力成分が第２整合器２６へ侵入することを防止するための第２フィルタ２７を備えている。

第２周波数ｆ_２は、例えば１００ＭＨｚに設定される。第１周波数ｆ_１は第２周波数ｆ_２よりも低い周波数に設定され、例えば１ＭＨｚや１３．５６ＭＨｚに設定することができる。その設定条件については後に詳細に説明する。

図２に第１電源装置１８と第２電源装置１９からそれぞれ出力される電圧波形およびこれらの重畳電圧波形を模式的に示す。第１スイッチング部２３は、ＲＦ電極１１に対して、時間幅ｔ_０での電圧印加の間に時間幅ｔ_１の無電圧時間が存在するように、スイッチング動作を行う。つまり、第１スイッチング部２３は第１ＲＦ電源２１から出力される電圧をパルス化する。

時間幅ｔ_０，ｔ_１は１／ｆ_１＝ｔ_０＋ｔ_１の関係を満たしている。したがって図２上段の波形に示されるように、第１ＲＦ電源２１から出力される第１周波数ｆ_１のＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧Ｖ１_Ｐ−Ｐのうちの略一定幅（電位差ΔＶ）かつ略一定値が、間欠的にＲＦ電極１１に印加されることとなる。

“略一定幅”，“略一定値”とは、その幅，絶対値に、第１スイッチング部２３の動作精度等に依存して若干のばらつきが生じることがあることをいう。理想的な状態では、図２上段の波形に示される通り、ＲＦ電圧の変化に対して時間幅ｔ_０，ｔ_１は時間的にずれることなく、したがって電位差ΔＶの幅は変化することなく、かつ、印加電圧の絶対値は一定値内に維持される。以下、このようにして第１電源装置１８から出力される電圧を“第１周波数ｆ_１のパルス電圧”ということとする。

第１周波数ｆ_１のパルス電圧は、負の自己バイアス電位によって負の電圧値領域で変化するようになるため、第１周波数ｆ_１のパルス電圧を正電圧としてしまうと、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの絶対値が小さくなる。そこで、第１周波数ｆ_１のパルス電圧は負のパルス電圧とする。

第２電源装置１９からは、図２中段の電圧波形に示されるように、第２周波数ｆ_２のＲＦ電圧が連続的に出力される。第１ＲＦ電源２１から出力されるＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧Ｖ１_Ｐ−Ｐは数百ボルトとされるのに対して、第２ＲＦ電源２５から出力されるＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧Ｖ２_Ｐ−Ｐは数十ボルトとされ、これらはともに負電圧とされる。そのため第１電源装置１８から出力される第１周波数ｆ_１のパルス電圧と第２電源装置１９から出力される第２周波数ｆ_２のＲＦ電圧とが重畳されると、図２下段に示されるような電圧波形が得られる。

この図２下段に示した重畳電圧がＲＦ電極１１に印加されることによってＲＦ電極１１と対向電極１２との間に生じるプラズマの電子密度Ｎ_ｅと，プラズマポテンシャルＶ_Ｐと，自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの関係を模式的に図３に示す。

プラズマ電子密度Ｎ_ｅは、第２電源装置１９からＲＦ電極１１に印加される第２周波数ｆ_２のＲＦ電力成分に依存するため、ほぼ一定値に維持される。したがって、プラズマ中の正イオン密度も一定に維持され（図示せず）、プラズマポテンシャルＶ_Ｐも一定に維持される。

自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃは、実質的に第１周波数ｆ_１のパルス電圧の変化に対応して負の電圧値範囲において変化し、第２周波数ｆ_２のＲＦ電圧の寄与は無視することができる。自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃは負電位であり、プラズマポテンシャルＶ_Ｐは正電位であるから、プラズマ中の正イオンのイオンエネルギーＥ_ｉは自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃとプラズマポテンシャルＶ_Ｐとの差（すなわち絶対値の和）で表される。プラズマポテンシャルＶ_Ｐは自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃに比べて極めて小さいために、実質的に自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃをイオンエネルギーＥ_ｉと考えることができる。

そこで、ＲＦ電極１１への小さな電力投入によってプラズマ中の正イオンにＲＩＥ加工に必要なエネルギーを持たせるために、先に図２上段に示した通り、時間幅ｔ_０の中央（＝ｔ_０／２）において第１周波数ｆ_１のｓｉｎ波ＲＦ電圧値が極小値をとるように時間幅ｔ_０，ｔ_１が設定された第１周波数ｆ_１のパルス電圧を用いる。これにより、図３に示されるように、絶対値の大きな自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを生じさせてプラズマ中の正イオンを加速させ、基板Ｗに引き込むことができる。

第１周波数ｆ_１のパルス電圧における電位差ΔＶに起因して、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃには電位差ΔＶ_ｄｃが生じる。この電位差ΔＶ_ｄｃはイオンエネルギーＥ_ｉの分散（分布幅）を広くする１つの要因となる。図２に示した通りに時間幅ｔ_０の中央（＝ｔ_０／２）で第１周波数ｆ_１のｓｉｎ波ＲＦ電圧値が極小値をとるように時間幅ｔ_０，ｔ_１を設定することにより、時間幅ｔ_０に対する電位差ΔＶを最も小さくすることができ、これにより電位差ΔＶ_ｄｃを小さく抑えることができる。イオンエネルギーＥ_ｉの分散を狭帯域化するために、時間幅ｔ_０は第１周波数ｆ_１の周期（＝１／ｆ_１）の１／４周期以下とすることが望ましい。

イオンエネルギーＥ_ｉの分散は、プラズマ中の正イオンがＲＦ電極１１の電極電位に追従できるか否かにも依存する。プラズマ中の正イオンは、ＲＦ電極１１の電極電位の周波数がプラズマのイオン周波数ω_ｐｉ以下である場合に、この電極電位に追従する。ここで、ω_ｐｉ＝（ｅ^２Ｎｉ／（ε_０Ｍ））^１／２［Ｈｚ］（但し、Ｎｉ：イオン密度（個／ｍ^３）、ε_０：真空の誘電率、Ｍ：イオン質量（ｋｇ）、ｅ：電子素量）で与えられる。

ＲＦ電極１１の電極電位の周波数は第１周波数ｆ_１と同じであるから、第１周波数ｆ_１がイオン周波数ω_ｐｉ以下である場合に、プラズマ中の正イオンはＲＦ電極１１の電極電位に追従したイオンエネルギーを有するようになる。図３の自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃはこのイオンエネルギーを反映する値を示す。

第１比較例として、ＲＩＥ装置１０Ａから第１スイッチング部２３を取り除いた構成のＲＩＥ装置を用い、第１周波数ｆ_１（＝１ＭＨｚ）のＲＦ電圧と第２周波数ｆ_２（＝１００ＭＨｚ）のＲＦ電圧を連続的にＲＦ電極１１に重畳印加した場合のイオンエネルギーの分布を、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を図４に模式的に示す。

また第１実施例として、ＲＩＥ装置１０Ａを用い、第１周波数ｆ_１（＝１ＭＨｚ）のパルス電圧（時間幅ｔ_０＝１／４ｆ_１）と第２周波数ｆ_２（＝１００ＭＨｚ）の連続ＲＦ電圧を、第１比較例と同電圧，同電力でＲＦ電極１１に重畳印加した場合のイオンエネルギーの分布を、同シミュレータにより求めた結果を図４に模式的に併記する。ここで、具体的に図４においては、ＲＦ電極と対向電極の電極間距離を３０ｍｍ、基板サイズをφ３００ｍｍ、アルゴン（Ａｒ）ガス流量を２００ｓｃｃｍ、チャンバ圧力を１．３３３Ｐａ（＝１０ｍＴｏｒｒ）とし、第１周波数ｆ_１（＝１ＭＨｚ）のＲＦ電圧（Ｖ_Ｐ−Ｐ＝９００Ｖ，電力：４００Ｗ）と第２周波数ｆ_２（＝１００ＭＨｚ）のＲＦ電圧（Ｖ_Ｐ−Ｐ＝２０Ｖ，電力：５００Ｗ）をＲＦ電極１１に重畳印加した場合のイオンエネルギーの分布を示している。なお、図４では第１比較例と第１実施例の各イオンエネルギー分布を、ベースラインを上下にずらして記載している。

先に示した種々のガスを用いたプラズマ中の正イオンは、ＲＦ電極１１の電極電位が周波数１ＭＨｚで変化する場合にこの電極電位に追従する。第１比較例の場合には、プラズマ中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に分かれており、そのエネルギー差は約７００ｅＶである。また、これら２つのピーク間のエネルギーを有するイオンが一定の割合で存在している。これに対して、第１実施例の場合には、低エネルギー側ピークと高エネルギー側ピークとの間のエネルギー差は第１比較例の場合と同等であるが、高エネルギー側ピークは、狭いピーク幅を有しながら極端に大きくなっており、このピークのエネルギーを有するイオンの割合が極めて多くなっていることがわかる。この高エネルギー側ピークが全体に占める割合は８０％程度にまで達する。

よって、この高エネルギー側ピーク位置を適切なエネルギー範囲内に設定し、実質的にこの高エネルギー側ピークを専ら用いて基板ＷのＲＩＥ処理を行うことにより、加工形状を精密に制御することができるようになる。この高エネルギー側ピークの値は第１周波数ｆ_１のパルス電圧の値により制御することができる。

一方、ＲＦ電極１１の電極電位の周波数がプラズマのイオン周波数ω_ｐｉ超である場合には、プラズマ中の正イオンはこの電極電位に追従することができない。この場合、イオンエネルギーすなわち自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃは、第１周波数ｆ_１のパルス電圧の値よりも小さい振幅で変動する。

第２比較例として、ＲＩＥ装置１０Ａから第１スイッチング部２３を取り除いたＲＩＥ装置の構成において、ＲＦ電極と対向電極の電極間距離を３０ｍｍ、基板サイズをφ３００ｍｍ、アルゴン（Ａｒ）ガス流量を２００ｓｃｃｍ、チャンバ圧力を１．３３３Ｐａ（＝１０ｍＴｏｒｒ）とし、第１周波数ｆ_１（＝１３．５６ＭＨｚ）のＲＦ電圧（Ｖ_Ｐ−Ｐ＝９００Ｖ，電力：４００Ｗ）と第２周波数ｆ_２（＝１００ＭＨｚ）のＲＦ電圧（Ｖ_Ｐ−Ｐ＝２０Ｖ，電力：５００Ｗ）を連続的にＲＦ電極１１に重畳印加した場合のイオンエネルギーの分布を、前記シミュレータでシミュレーションした結果を図５に示す。

これに対して、第２実施例としてＲＩＥ装置１０Ａを用い、第１周波数ｆ_１（＝１３．５６ＭＨｚ）のパルス電圧（時間幅ｔ_０＝１／４ｆ_１）と、第２周波数ｆ_２（＝１００ＭＨｚ）の連続ＲＦ電圧を、第２比較例と同電圧，同電力でＲＦ電極１１に重畳印加した場合のイオンエネルギーの分布を、同シミュレータにより求めた結果を図５に模式的に併記する。さらに図５に、ＲＦ電極１１に１００ＭＨｚのＲＦ電圧のみを第２実施例と同電圧，同電力で連続印加した場合のイオンエネルギーを併記する。

先に示した種々のガスを用いたプラズマ中の正イオンは、ＲＦ電極１１の電極電位が周波数１３．５６ＭＨｚで変化する場合には、この電極電位に追従することができない。

第２比較例では自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃとして−３５０Ｖが発生し、イオンエネルギーは３２０ｅＶ〜４５０ｅＶで、イオンエネルギーの分散ΔＥ_１は１３０ｅＶとなっている。この場合、一部の正イオンはＲＩＥ加工に適したエネルギー範囲から外れたエネルギーを有してしまうこととなる。

これに対して第２実施例では、第２比較例と同様に自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃとして−３５０Ｖが得られる。また、第１周波数ｆ_１のパルス電圧に正イオンが追従できないために、低エネルギー側ピークと高エネルギー側ピークとが近接するようになり、イオンエネルギーの分散ΔＥ_２は４０ｅＶとなって、第２比較例の場合の約１／３に狭帯域化される。これにより、実質的に全ての正イオンのイオンエネルギーをＲＩＥ加工に適したエネルギー範囲に収めることができる。

なお、第２周波数ｆ_２（＝１００ＭＨｚ）のＲＦ電圧だけがＲＦ電極１１に印加された場合のイオンエネルギーは約７５ｅＶで、このイオンエネルギーを有する正イオンはＲＩＥ加工に寄与しない。

第１実施例と第２実施例とを対比すると、第１実施例によるイオンエネルギーの狭帯域化では、多くのイオンが高エネルギー部に集中する一方で、一定量のイオンはこれよりも低いエネルギーを有し、その分布範囲も広いことから、このような低エネルギーのイオンが加工形状を悪化させるおそれや、エッチングレートを高めることを困難にするおそれがないとは言えない。

これに対して、第２実施例では、プラズマ中のほぼ全ての正イオンがＲＩＥ加工に適したイオンエネルギーを有するように、イオンエネルギーの分散を狭帯域化させることができるので、高いエッチングレートと高精度な加工を同時に実現することができる。

次に、このようなイオンエネルギーの狭帯域化がＲＩＥ加工プロセスに及ぼす影響についてより具体的に説明する。ここでは上述した第１実施例と第２実施例のいずれの形態を用いてもよいが、好ましくは第２実施例が用いられる。図６に被処理体２００の構成を示した概略断面図を記す。図６（ａ）はＲＩＥを施す前の断面図であり、図６（ｂ）はＲＩＥ処理中の断面図であり、図６（ｃ）はＲＩＥ終了後の断面図である。

ＲＩＥ処理前の被処理体２００は、例えばリソグラフィ工程により予めパターニングされたマスク層２０２とその下層の被エッチング層２０４が、例えばシリコン基板２０６上部に形成された構造を有している。マスク層２０２には、例えばＸ線用あるいはエキシマレーザ用のレジストが用いられる。被エッチング層２０４は例えばシリコン酸化膜であるが、ボロンあるいはリンなどを添加したシリコン酸化膜でもよい。また、マスク層２０２と被エッチング層２０４との間には他の材料からなる膜が形成されていてもよい。

このような被処理体２００に、上述した第２実施例に係るエッチング処理を施すと、図６（ｃ）に示すようにマスク層２０２のホール径ＣＤ１（以下「トップＣＤ」ともいう）に対し、ボトム径ＣＤ２（以下「ボトムＣＤ」ともいう）、被エッチング層２０４の表面からの深さＤ３のホールが形成される。このときマスク層２０２では、ホール入口付近の肩部２０８が初期の表面から深さＤ２で削られる。なお、図６（ｂ）に示されるように、エッチング処理中の被エッチング層２０４の表面からのホールの深さをＤ３′、肩部２０８が初期の表面から削られた深さをＤ２′とする。

例えば、被処理体として、被エッチング層２０４がφ３００ｍｍのシリコン基板上に熱酸化で形成されたシリコン酸化膜であり、マスク層２０２がＸ線用レジストであって、所定径のホールパターンが形成されているものをＲＩＥ処理する。このとき、Ｃ_４Ｆ_６ガス／Ａｒガス／Ｏ_２ガスの各流量を所定比に設定し（例えば、Ｃ_４Ｆ_８：Ａｒ：Ｏ_２＝１８：４００：１０（ｓｃｃｍ））、チャンバ１３内の圧力を２．６６７Ｐａ（＝２０ｍＴｏｒｒ）とし、印加電力は１００ＭＨｚを５００Ｗ、１３．５６ＭＨｚを４００Ｗとする。また、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電圧は第２実施例と同じ形態でパルス電圧化されている。対向電極１２と被処理体である半導体ウエハ表面との距離は２７ｍｍ、ＲＦ電極１１の温度を２０℃に設定することができる。

エッチング選択比は、マスク層２０２に対する被エッチング層２０４のエッチングレートの比であるから、図６（ｂ）に示すパラメータを用いるとＤ３′／Ｄ２′で表される。ボトムＣＤ／トップＣＤはホール形状を示す値の１つであり、図６（ｃ）に示すパラメータを用いるとＣＤ２／ＣＤ１で表される。

エッチング選択比が低いと、エッチングレートが高くても所望のホールの深さが確保されるまでにマスク層２０２が破壊される危険性がある。したがって、深いホールを形成する際にマスク層２０２を破壊することなくエッチング処理を行うためには、エッチング選択比が高いことが必要とされる。また、ボトムＣＤ／トップＣＤが高いことは、底面の広さが開口部の広さに対して十分なホールが形成されていることを表しており、好ましい。

第２実施例に係る形態を用いたＲＩＥ処理では、イオンエネルギーの狭帯域化により、被エッチング層２０４に対しては適切なエッチング性能を有し、かつ、マスク層２０２に対するエッチングレートが低い条件にＲＩＥ処理条件を設定することが容易となり、エッチング選択比Ｄ３′／Ｄ２′を大きく取り、ボトムＣＤ／トップＣＤを高く確保することができる。

ＲＩＥ装置１０Ａにおいて、第１電源装置１８によるＲＦ電極１１へのパルス電圧の印加は、図３に示した形態に限定されるものではなく、第１周波数ｆ_１の周期（１／ｆ_１）の自然数倍の周期でパルス化した電圧を印加する形態としてもよい。一例として、図７に第１周波数ｆ_１の２倍の周期２／ｆ_１でＲＦ電極１１に第１周波数のパルス電圧を印加する形態を示す。図７において、ｔ_０＋ｔ_１＝２／ｆ_１の関係が満たされている。

この場合、ｆ_１＞ω_ｐｉの関係が満たされていても、ＲＦ電極１１へのパルス電圧印加の実質的な周波数はｆ_１／２となるため、ｆ_１／２＞ω_ｐｉの関係が満たされていれば上述した第２実施例と同じ形態でのイオンエネルギーの狭帯域化が実現され、ｆ_１／２≦ω_ｐｉの関係が満たされていれば上述した第１実施例と同じ形態でのイオンエネルギーの狭帯域化が実現される。

次に、本発明の第２形態に係るＲＩＥ装置について説明する。図８にＲＩＥ装置１０Ｂの概略構成を示した断面図を記す。ＲＩＥ装置１０Ｂが先に説明したＲＩＥ装置１０Ａと異なっている点は、ＲＩＥ装置１０Ｂが具備する第２電源装置１９Ａは第２ＲＦ電源２５から出力されるＲＦ電圧を周期的にアース側へ逃がすための第２スイッチング部２８を備えている点である。

図９に第１電源装置１８と第２電源装置１９ＡからＲＦ電極１１に出力される電圧波形および重畳波形を示す。第１電源装置１８からは先に図２に示したものと同じ，第１周波数ｆ_１のパルス電圧が出力される（図９上段）。第２電源装置１９Ａの第２スイッチング部２８は、第１電源装置１８から出力される第１周波数ｆ_１のパルス電圧と同期して時間幅ｔ_０での電圧印加の間に時間幅ｔ_１の無電圧時間が存在するように、スイッチング動作を行う（図９中段）。こうして、図９下段に示される重畳波形が得られる。

図９下段に示した重畳電圧がＲＦ電極１１に印加されることによってＲＦ電極１１と対向電極１２との間に生じるプラズマの電子密度Ｎ_ｅと，プラズマポテンシャルＶ_Ｐと，自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの関係を模式的に図１０に示す。

プラズマ電子密度Ｎ_ｅは第２電源装置１９ＡからＲＦ電極１１に印加される第２周波数ｆ_２のＲＦ電力成分に依存するため、これが間欠印加されるようになると、ＲＦ電極１１への電圧印加オフによりプラズマ維持のためのエネルギーが供給されなくなるために、電子密度Ｎ_ｅが低下し、プラズマ中の正イオン密度も電子密度と対応して低下する（図示せず）。第２スイッチング部がＲＦ電極１１への電圧印加をオンとすると、電子密度Ｎ_ｅ，正イオン密度，プラズマポテンシャルＶ_Ｐは一定値に戻る。

近時において放電周波数（第２周波数ｆ_２）の高周波数化が図られ、プラズマの安定生成が実現されたが、プラズマの高密度化のために必要以上にプロセスガスの解離が進行し、過剰に活性種（正イオン）が供給され、マスクの変形や選択比不足等の問題が生じているが、第２電源装置１９Ａにより第２周波数ｆ_２のＲＦ電力を間欠印加とすることにより、過剰なプロセスガスの解離による活性種の生成を抑制してマスク変形を防止し、また選択比を向上させることができるようになる。

第２周波数ｆ_２のＲＦ電力のＲＦ電極１１への間欠印加による電子密度Ｎ_ｅの低下に対応して、プラズマポテンシャルＶ_Ｐは増大する。このプラズマポテンシャルＶ_Ｐの変化量は、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃよりも極めて小さく、イオンエネルギーＥ_ｉには実質的に影響を与えず、ＲＩＥ装置１０Ｂでも、第１周波数ｆ_１のパルス電圧を用いることにより、ＲＩＥ装置１０Ａを用いた第１実施例と第２実施例の形態によるイオンエネルギーの狭帯域化と同じ効果を得ることができる。

次に、本発明の第３形態に係るＲＩＥ装置について説明する。図１１にＲＩＥ装置１０Ｃの概略構成を示した断面図を記す。ＲＩＥ装置１０Ｃが先に説明したＲＩＥ装置１０Ｂと異なっている点は、ＲＩＥ装置１０Ｃが具備する第１電源装置１８Ａは、第１ＲＦ電源２１に代えて直流電源２１Ａを備えている点である。

図１２に第１電源装置１８Ａと第２電源装置１９ＡからＲＦ電極１１に出力される電圧波形および重畳波形を示す。第１電源装置１８Ａからは、時間幅ｔ_０の直流電圧印加の間に時間幅ｔ_１の無電圧時間が存在する直流パルス電圧が出力され、その周期は１／ｆ_１とされる（図１２上段）。第２電源装置１９Ａからは、第１電源装置１８Ａから出力される第１周波数ｆ_１の直流パルス電圧と同期して時間幅ｔ_０での電圧印加の間に時間幅ｔ_１の無電圧時間が存在するように、間欠的にＲＦ電力が出力される（図１２中段）。こうして、図１２下段に示される重畳波形が得られる。

ＲＩＥ装置１０Ａ，１０Ｂでは、第１ＲＦ電源２１として交流電源を用いているために、電圧印加のための時間幅ｔ_０を決めたときに不可避的に電位差ΔＶが生じる。これに対して直流電源２１Ａを用いた場合、理想的には電位差ΔＶは発生しないため、イオンエネルギーの狭帯域化の効果がより大きくなる。但し、現実には、直流パルス電圧の立ち下がり／立ち上がりの勾配に起因し、また、直流パルス電圧の両端部では図１２に示されるように９０°で電圧変化せずに一定の曲率が存在するため、ΔＶを完全にゼロとすることは困難である。しかし、直流電源を用いた場合には、交流電源を用いた場合と対比して、電位差ΔＶを小さく抑えることができ、自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃの電位差ΔＶ_ｄｃも小さく抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような形態に限定されるものではない。例えば、ＲＩＥ装置１０Ａでは、第１電源装置１８と第２電源装置１９から出力される電圧を重畳させてＲＦ電極１１に印加する構成としたが、図１３に示すＲＩＥ装置１０Ｄのように、第１電源装置１８から第１フィルタ２４を除いた新たな第１電源装置１８ＢをＲＦ電極１１に接続し、第２電源装置１９から第２フィルタ２７を除いた新たな第２電源装置１９Ｂを対向電極１２に接続し、第１電源装置１８Ｂと第２電源装置１９Ｂからの出力は図２に示した形態とする装置構成へと変形してもよい。

これらＲＩＥ装置１０Ａ，１０Ｄを用いたＲＩＥ処理の効果には差はなく、ＲＩＥ装置１０Ｄでは第１フィルタ２４と第２フィルタ２７が不要となるため装置構成が簡単となる。ＲＩＥ装置１０ＡをＲＩＥ装置１０Ｄへ変形したように、ＲＩＥ装置１０Ｂ，１０Ｃについても同様の変形が可能である。

また、ＲＩＥ装置１０Ａについて、図７に示す電圧印加方法を用いることができたように、この電圧印加方法はＲＩＥ装置１０Ｂにおいても用いることができる。その場合には、第２電源装置１９は、プラズマ維持等のために第１周波数ｆ_１の周期（１／ｆ_１）で第２周波数ｆ_２のＲＦ電圧をパルス化してＲＦ電極１１に印加することが好ましい。

さらにＲＩＥ装置１０Ａについて、第１電源装置１８からＲＦ電極１１への自己バイアス電圧Ｖ_ｄｃを制御するための電圧印加を、第１ＲＦ電源２１から出力されるＲＦ電圧の最小値（極小値）を含むタイミングで行ったが、別の形態として図１４に示すように、ＲＦ電圧印加の周期を１／２ｆ_１とし、最大電位と最小電位の中間値近傍に電圧印加のタイミングを設定することもできる。この場合、実質的な周波数は２ｆ_１となるので、２ｆ_１＞ω_ｐｉの関係が満たされていれば正イオンはＲＦ電極１１の電極電位に追従することはなく、２ｆ_１≦ω_ｐｉの関係が満たされていれば正イオンはＲＦ電極１１の電極電位に追従する。さらにこのとき第１ＲＦ電源２１からのＲＦ電圧印加の周期を１／２ｆ_１の自然数倍の周期としてもよく、また、第２周波数ｆ_２のＲＦ電力は、第１電源装置１８からの出力に同期させてもよいし、連続的であってもよい。

第１電源装置１８，１８Ａや第２電源装置１９，１９Ａは、第１ＲＦ電源２１や直流電源２１Ａ，第２ＲＦ電源２５から出力された電圧を増幅するための増幅器を備えた構成としてもよい。第１電源装置１８，１８Ａでは、第１スイッチング部２３の動作により電圧の間欠印加を行う構成について説明したが、コンピュータ等により所定のパルス電圧波形を作製し、それを所望値へ増幅する構成としてもよい。

本発明は、ＲＩＥエッチング装置に限定して適用されるものではなく、その他のプラズマ処理装置、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置，スパッタリング装置，イオンインプラ装置等にも適用され得る。

本発明の第１形態に係るＲＩＥ装置の概略構成を示す断面図。 第１形態に係るＲＩＥ装置においてＲＦ電極に印加される電圧波形を示す図。 第１形態に係るＲＩＥ装置によるプラズマ電子密度，プラズマポテンシャル，自己バイアス電圧の関係を模式的に示す図。 イオンが電極電位に追従する場合のイオンエネルギーおよびその分散についてのシミュレーション結果を示すグラフ。 イオンが電極電位に追従しない場合のイオンエネルギーおよびその分散についてのシミュレーション結果を示すグラフ。 被処理体の構成を示す概略断面図。 第１形態に係るＲＩＥ装置においてＲＦ電極に印加される別の電圧波形を示す図。 本発明の第２形態に係るＲＩＥ装置の概略構成を示す図。 第２形態に係るＲＩＥ装置においてＲＦ電極に印加される電圧波形を示す図。 第２形態に係るＲＩＥ装置によるプラズマ電子密度，プラズマポテンシャル，自己バイアス電圧の関係を模式的に示す図。 本発明の第３形態に係るＲＩＥ装置の概略構成を示す図。 第３形態に係るＲＩＥ装置においてＲＦ電極に印加される電圧波形を示す図。 第１形態に係るＲＩＥ装置の変形例の概略構成を示す図。 自己バイアス電圧を制御するための電圧の別の印加形態を示す図。

符号の説明

１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃ・１０Ｄ…ＲＩＥ装置、１１…ＲＦ電極、１２…対向電極、１３…チャンバ、１４…ガス供給機構、１５…減圧ポンプ、１８・１８Ａ・１８Ｂ…第１電源装置、１９・１９Ａ・１９Ｂ…第２電源装置、２１…第１ＲＦ電源、２１Ａ…直流電源、２２…第１整合器、２３…第１スイッチング部、２４…第１フィルタ、２５…第２ＲＦ電源、２６…第２整合器、２７…第２フィルタ、２８…第２スイッチング部、２００…被処理体、２０２…マスク層、２０４…被エッチング層、２０６…シリコン基板、Ｗ…基板。

Claims (5)

1. 被処理基板を載置する第１電極と、
   一定間隔で前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、
   前記第１，第２電極を収容し、その内部の雰囲気を調整可能に構成されたチャンバと、
   前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための電圧を、所定の第１周波数のＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧のうちの略一定幅かつ略一定値により、間欠的に前記第１電極に印加する第１電源装置と、
   前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定の第２周波数のＲＦ電圧を、連続的にまたは前記第１電源装置から出力される電圧と同期させて間欠的に、前記第１電極または前記第２電極に印加する第２電源装置と、を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記第１電源装置は、前記第１周波数の周期の自然数倍の周期で、かつ、電圧印加時間幅の中間で最小電位となるように、前記第１電極に対して間欠的に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 被処理基板を載置する第１電極と、
   一定間隔で前記第１電極と対向するように配置された第２電極と、
   前記第１，第２電極を収容し、その内部の雰囲気を調整可能に構成されたチャンバと、
   前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための所定の第１周波数の直流パルス電圧を前記第１電極に印加する第１電源装置と、
   前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定の第２周波数のＲＦ電圧を前記直流パルス電圧と同期させて前記第１電極または前記第２電極に印加する第２電源装置と、を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 前記第１電源装置が前記第１電極に対して印加する電圧の周波数は、前記第２周波数未満かつ生成するプラズマのイオン周波数ω_ｐｉ（ω_ｐｉ＝（ｅ^２Ｎｉ／（ε_０Ｍ））^１／２［Ｈｚ］，Ｎｉ：イオン密度（個／ｍ^３）、ε_０：真空の誘電率、Ｍ：イオン質量（ｋｇ）、ｅ：電子素量）超であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. その内部雰囲気を調整可能に構成されたチャンバ内の下部および上部に互いに一定間隔で対向するようにそれぞれ配置された第１電極と第２電極の当該第１電極上に被処理基板を載置させ、
   前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための電圧を、所定の第１周波数のＲＦ電圧のピーク−ピーク電圧のうちの略一定幅かつ略一定値により、間欠的に前記第１電極に印加するとともに、前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定の第２周波数のＲＦ電圧を連続的にまたは前記第１電極に印加される電圧と同期させて間欠的に前記第１電極または前記第２電極に印加し、
   或いは、前記第１電極上の自己バイアス電圧を制御するための所定の直流パルス電圧を前記第１電極に印加するとともに、前記第１，第２電極間にプラズマを発生させるための所定のＲＦ電圧を前記直流パルス電圧と同期させて間欠的に前記第１電極または前記第２電極に印加することを特徴とするプラズマ処理方法。

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