JP2009187975A - 基板のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

基板のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】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。
【解決手段】チャンバー21内に配置された基板保持電極22及び対向電極23と、基板保持電極22に対して50MHz以上の高周波を印加する高周波発生装置27と、この高周波と重畳するようにDC負パルス電圧を印加するDC負パルス発生装置29と、高周波の印加が間欠的に行われるよう制御するとともに、高周波のオン・オフのタイミングに応じてDC負パルス電圧の印加が間欠的に行われるよう制御する制御器30を備えている。
【選択図】図1

Description

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
特開平2003−234331号 J.Appl.Phys.Vol86 No2 643(2000) J. Appl. Phys.vol86, No9, pp4813-4820(1999) App. Phys.lett.,Vol63,No15, pp2044-2046(1993) J. Vac. Sci. Technol. A 13 pp887-893(1995)
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。
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。
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。
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。
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。
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うことを特徴とする。
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。
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。
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。
上記のガスとしては、例えば、Ar、Kr、Xe、N、O、CO、H2などのガスの他、適宜SF6やCF4、CH3F、C26、C48、C58、C46、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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1の基板のプラズマ処理装置の要部構成を示す図。 図2の変形例の構成を示す図。 図2の変形例の構成を示す図。 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。 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。 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。 チャージアップの発生を説明するための図。 電圧印加とチャージアップの状態の関係を示す図。 平行平板型のプラズマ処理装置の構成を示す図。 RFパワー及び周波数とVdcとの関係を示す図。 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。 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
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。

Claims (7)

  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。
  2. 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フと同時かそれ以前に、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。
  3. 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、
    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、vはボーム速度でv=(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、
    前に、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2に記載の基板のプラズマ処理装置。
  4. 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と同時かそれ以降に、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1〜3いずれか1項に記載の基板のプラズマ処理装置。
  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うことを特徴とする基板のプラズマ処理方法。
  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フと同時かそれ以前に、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5に記載の基板のプラズマ処理方法。
  7. 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と同時かそれ以降に、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又は6に記載の基板のプラズマ処理方法。
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