JP2010118549A - プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents

プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置 Download PDF

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Abstract

【課題】エッチング加工形状の疎密に因らず同じ深さと同じ形状でプラズマエッチングすることのできるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供する。
【解決手段】処理容器１０１と、載置台１０５と、マイクロ波供給手段と、ガス供給手段１１６と、排気装置２４と、載置台１０５に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段１１３ｂと、交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段１１３ｄとを備えるプラズマエッチング装置１００を用いたプラズマエッチング方法であって、バイアス電力制御手段１１３ｄは、交流バイアス電力の載置台１０５への供給と停止を交互に繰り返し、交流バイアス電力を供給する期間と、交流バイアス電力を停止する期間との合計期間に対する交流バイアス電力を供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、交流バイアス電力を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に係り、特にエッチング加工形状の疎密に因らず同じ深さと同じ形状でプラズマエッチングすることのできるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置に関する。
近時、ＬＳＩの高集積化、高速化の要請からＬＳＩを構成する半導体素子のデザインルールが益々微細化されている。このような半導体素子をチップ内に複数個形成する際、個々の半導体素子同士が互いに好ましくない影響を及ぼさないよう電気的に分離しなくてはならない。この半導体素子を分離する素子分離構造を形成するための素子分離技術として、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation：浅溝素子分離）技術が知られている。ＳＴＩ技術とは、シリコン基板（半導体ウェハ）の表面に異方性エッチングによって溝（トレンチ）を形成し、そこに酸化膜などの絶縁膜を埋め込み、それをさらに平坦化することで素子を分離する方法である。ＳＴＩ技術は、同様な素子分離技術であるＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon：選択酸化分離）に比べ、横方向へ広がりが少ないため、微細化することが可能であるという特徴を有する。
このようなＳＴＩ技術によって溝が形成される様子を図１３を参照して説明する。図１３は、従来のエッチング方法において、エッチング処理される前後の基板の断面形状を模式的に示す断面図である。具体的には、シリコン基板（半導体ウェハ）２１１に薄い酸化膜（ＳｉＯ２）又は窒化膜（ＳｉＮ）等の絶縁膜を形成した後、フォトリソグラフィ及びエッチングによってパターンを形成し、次のシリコン（Ｓｉ）をエッチング処理するエッチングマスクパターン２１２とする（図１３（ａ））。次に、エッチングマスクパターン２１２を用いてマスキングされたシリコン基板（半導体ウェハ）２１１に、エッチング処理を行って浅い溝を形成する（図１３（ｂ））。
このようなＳＴＩ技術を行う際のエッチング処理を行う際に、シリコン基板（半導体ウェハ）に対してエッチング処理を施すには、一般的には、エッチングガスをプラズマによって励起してプラズマ化又はラジカル化等により活性化し、活性化されたエッチングガスをエッチングマスクパターンの形成されたシリコン基板（半導体ウェハ）表面に作用させることによって、被エッチング層を所定のパターンの形状になるようにエッチングする。
プラズマを発生させる方式としては、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）方式、平行平板方式等があるが、０．１ｍＴｏｒｒ（１３．３ｍＰａ）〜数１０ｍＴｏｒｒ（数Ｐａ）程度の比較的圧力が低い高真空状態でも安定してプラズマを立てることができることから、マイクロ波を用いて高密度プラズマを発生させるマイクロ波方式を用いたマイクロ波プラズマ装置が広く使用されている。とりわけ、プラズマ密度が高いにもかかわらず電子温度が低く、かつプラズマ均一性に優れているため、被処理基板に対するダメージフリーな処理を行うことができることから、ＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna）マイクロ波プラズマ方式のプラズマエッチング装置が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。
この際、必要に応じてシリコン基板（半導体ウェハ）を載置する載置台に所定のＲＦ（Radio Frequency）周波数の高周波電力を交流バイアス電力として印加することにより、プラズマによって発生したイオンをシリコン基板（半導体ウェハ）表面側に引き込んでエッチングを効率的に行うようにしている（例えば、特許文献２参照。）。
国際公開０６／０６４８９８号パンフレット 特開２００６−１５６６７５号公報
ところが、上記のプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を用いてＳＴＩの工程を行い、シリコン基板（半導体ウェハ）に溝（トレンチ）を形成する場合、次のような問題があった。
シリコン基板（半導体ウェハ）上でＳＴＩの工程を行う部分には、幅が狭い溝（トレンチ）が密集して形成される「密」な部分（例えば図１３（ａ）に示すＤの部分）と、幅が広い溝（トレンチ）が形成される「疎」な部分（例えば図１３（ａ）に示すＩの部分）があるが、ＳＴＩの工程を行う際に、疎密に因らず同じ深さと形状でエッチングすることができない（疎密形状差）という問題があった。
特に、溝（トレンチ）の底が平坦にならず、溝の底面の端部（例えば図１３（ｂ）に示すＴｓ）よりも中心が盛り上がって凸状の形状（サブトレンチ形状）になってしまうという問題があった。
このサブトレンチ形状の主な原因としては、エッチング反応生成物の再付着が挙げられる。このような再付着を防止するために、エッチングガスの流量及び処理容器の排気量を増やさなければならないという問題があった。
更に、数１０ｍＴｏｒｒ以下の比較的低い圧力領域においては、溝（トレンチ）のトレンチ幅がトレンチの上端におけるトレンチ幅より広くなる、いわゆるサイドエッチが発生しやすく、形状制御性が悪いという問題があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、エッチングガスの流量及び処理容器の排気量を増やすことなく、エッチング加工形状の疎密に因らず同じ深さと同じ形状でプラズマエッチングすることのできるプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
第１の発明は、天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内を所定の圧力に保持する排気手段と、前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段とを備えるプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力の前記載置台への供給と停止を交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を供給する期間と、前記交流バイアス電力を停止する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明に係るプラズマエッチング方法において、前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力の供給と停止を交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする。
第３の発明は、第１又は第２の発明に係るプラズマエッチング方法において、前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第４の発明は、第１又は第２の発明に係るプラズマエッチング方法において、前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第５の発明は、第１乃至第４の何れか一つの発明に係るプラズマエッチング方法において、前記処理ガスはエッチングガス及びプラズマガスを含み、前記エッチングガスを前記処理容器内に供給する流量は、６００ｓｃｃｍ以下であり、前記プラズマガスを前記処理容器内に供給する流量は、１７００ｓｃｃｍ以下であることを特徴とする。
第６の発明は、天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内を排気する排気装置により所定の圧力に保持する圧力制御手段と、前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段とを備えたプラズマエッチング装置であって、前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力の前記載置台への供給と停止を交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を供給する期間と前記交流バイアス電力を停止する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とする。
第７の発明は、第６の発明に係るプラズマエッチング装置において、前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力の供給と停止を交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする。
第８の発明は、第６又は第７の発明に係るプラズマエッチング装置において、前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第９の発明は、第６又は第７の発明に係るプラズマエッチング装置において、前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第１０の発明は、第６乃至第９の何れか一つの発明に係るプラズマエッチング装置において、前記交流バイアス電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚであることを特徴とする。
第１１の発明は、天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内を所定の圧力に保持する排気手段と、前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段とを備えるプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力を第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力より小さい第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とする。
第１２の発明は、第１１の発明に係るプラズマエッチング方法において、前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする。
第１３の発明は、第１１又は第１２の発明に係るプラズマエッチング方法において、前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第１４の発明は、第１１又は第１２の発明に係るプラズマエッチング方法において、前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第１５の発明は、第１１乃至第１４の何れか一つの発明に係るプラズマエッチング方法において、前記処理ガスはエッチングガス及びプラズマガスを含み、前記エッチングガスを前記処理容器内に供給する流量は、６００ｓｃｃｍ以下であり、前記プラズマガスを前記処理容器内に供給する流量は、１７００ｓｃｃｍ以下であることを特徴とする。
第１６の発明は、天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理容器内を排気する排気装置により所定の圧力に保持する圧力制御手段と、前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段とを備えたプラズマエッチング装置であって、前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力を第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力より小さい第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とする。
第１７の発明は、第１６の発明に係るプラズマエッチング装置において、前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする。
第１８の発明は、第１６又は第１７の発明に係るプラズマエッチング装置において、前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第１９の発明は、第１６又は第１７の発明に係るプラズマエッチング装置において、前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする。
第２０の発明は、第１６乃至第１９の何れか一つの発明に係るプラズマエッチング装置において、前記交流バイアス電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚであることを特徴とする。
本発明によれば、エッチングガスの流量及び処理容器の排気量を増やすことなく、エッチング加工形状の疎密に因らず同じ深さと同じ形状でプラズマエッチングすることができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
（実施の形態）
図１乃至図１２を参照し、本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置を説明する。
初めに、図１及び図２を参照し、本実施の形態に係るプラズマエッチング装置を説明する。
図１は、本実施の形態に係るプラズマエッチング装置の一例を模式的に示す断面図である。図２は、本実施の形態に係るプラズマエッチング装置のスロット板を示す平面図である。
本実施の形態に係るプラズマエッチング装置１００は、複数のスロットを有するスロット板よりなる平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Radial Line Slot Antenna；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入して高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマエッチング装置として構成されている。
プラズマエッチング装置１００は、処理容器１０１と、載置台１０５と、マイクロ波透過板２８と、マイクロ波供給手段と、ガス供給手段と、排気装置２４と、バイアス電力供給手段と、バイアス電力制御手段１１３ｄとを備える。マイクロ波供給手段は、マイクロ波発生装置３９と、モード変換器４０と、同軸導波管３７ａと、シールド蓋体３４、スロット板３１、遅波材３３を含む。ガス供給手段は、第１のガス供給手段１１６、第２のガス供給手段１２２を含む。バイアス電力供給手段は、交流電源１１３ｂを含む。
なお、遅波材３３は、本発明における誘電体板に相当する。また、シールド蓋体３４は、本発明における筐体に相当する。また、排気装置２４は、本発明の排気手段及び圧力制御手段に相当する。
このプラズマエッチング装置１００は、気密に構成され、例えば側壁や底部がアルミニウム等の導体により構成されて、接地された全体が筒体状に成形された処理容器１０１を有している。処理容器１０１自体は接地されている。なお、チャンバーの形状は円筒状に限らず角筒状（四角状）でもよい。
この処理容器１０１内には、上面に被処理体としての例えば半導体ウェハＷを載置する円板状の載置台１０５が設けられている。載置台１０５は、その上中央部が凸状の円板状に成形され、その上にウェハＷと略同形の静電チャック１１１が設けられている。静電チャック１１１は、絶縁材の間に電極１１２が介在された構成となっており、電極１１２に接続された直流電源１１３ａから直流電力を供給することにより、クーロン力によってウェハＷを静電吸着できるようになっている。また、載置台１０５にはコンデンサ１１３ｃを介して本発明のバイアス電力供給手段に相当する交流電源１１３ｂが接続されている。交流電源１１３ｂが供給する交流バイアス電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚである。また、１３．５６ＭＨｚ以外にも、例えば２ＭＨｚ、８００ｋＨｚの周波数を用いることができる。
また、載置台１０５の周囲には、処理容器１０１内を均一に排気するため、多数の排気孔８ａを有するバッフルプレート８が設けられている。バッフルプレート８の下方には、載置台１０５を囲むように排気空間１９が形成されており、処理容器１０１内は、この排気空間１９から排気管２３を介して排気装置２４と接続されており、均一な排気が行えるように構成されている。
また、載置台１０５の内部には、図示しない温度調節媒体室が設けられており、該温度調節媒体室に温度調節媒体を導入、循環させることにより、載置台１０５を所望の温度に調節できるようになっている。そして、絶縁板１０３、載置台１０５、さらには、静電チャック１１１には、被処理体であるウェハＷの裏面に、伝熱媒体、例えばＨｅガスなどを所定圧力（バックプレッシャー）にて供給するためのガス通路１１４が形成されており、この伝熱媒体を介してサセプタ１０５とウェハＷとの間の熱伝達がなされ、ウェハＷが所定の温度に維持されるようになっている。
サセプタ１０５の上端周縁部には、静電チャック１１１上に載置されたウェハＷを囲むように、環状のフォーカスリング１１５が配置されている。このフォーカスリング１１５はセラミックスあるいは石英などの絶縁性材料よりなり、エッチングの均一性を向上させるように作用する。
また載置台１０５内には、抵抗加熱ヒータよりなる加熱手段が設けられており、ウェハＷを必要に応じて加熱するようになっている。
処理容器１０１の側壁には環状をなすガス導入部材１５が設けられており、このガス導入部材１５には第１のガス供給手段１１６が接続されている。なお、ガス導入部材１５はシャワー状に配置してもよい。この第１のガス供給手段１１６は、処理内容に応じた任意のガスを供給するためのガス供給源を有している。ガスの種類は特に限定されるものではないが、Ａｒガス供給源１１７、ＨＢｒガス供給源１１８を有しており、これらのガスが、それぞれガスライン２０を介してガス導入部材１５に至り、ガス導入部材１５から処理容器１０１内に導入される。なお、ガスライン２０の各々には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。
排気空間１９には、排気管２３が接続されており、この排気管２３には高速真空ポンプを含む排気装置２４が接続されている。そしてこの排気装置２４を作動させることにより処理容器１０１内のガスが、排気空間１９内へ均一に排出され、排気管２３を介して排気される。これにより処理容器１０１内は所定の真空度、たとえば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
処理容器１０１の側壁には、プラズマエッチング装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウェハＷや、ダミーウェハＷｄの搬入出を行うための搬入出口２５と、この搬入出口２５を開閉するゲートバルブ２６とが設けられている。
処理容器１０１の上部である天井部は開口されて開口部となっており、この開口部の周縁部に沿ってリング状の支持部２７が設けられている。この支持部２７に誘電体、例えば石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等からなり、マイクロ波を透過するマイクロ波透過板２８がシール部材２９を介して気密に装着されている。したがって、処理容器１０１内は気密に保持される。また、支持部２７は、例えばＡｌ合金やＳＵＳにより形成されている。
マイクロ波透過板２８の上面には、載置台１０５と対向するように、円板状のスロット板３１が設けられている。なお、スロット板３１は角板状（四角状）であってもよい。このスロット板３１は処理容器１０１の側壁上端に係止されている。スロット板３１は、例えば表面が銀または金メッキされた銅板、Ｎｉ板またはアルミニウム板からなり、多数のマイクロ波放射孔３２及び貫通孔３２ａが所定のパターンで貫通して形成された構成となっている。このマイクロ波放射孔３２は、例えば図２に示すように、長溝状（スロット）をなし、典型的には隣接するマイクロ波放射孔３２同士が「Ｔ」字状に配置され、これら複数のマイクロ波放射孔３２が同心円状に配置されている。また、マイクロ波放射孔３２は、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、マイクロ波放射孔３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状に配置することもできる。一方、貫通孔３２ａは、後述するガス入口６９から処理容器１０１内におけるウェハＷの上方空間までのガス通路６８を構成するために、スロット板３１の中心に開口された貫通孔である。
前述したように、マイクロ波供給手段は、マイクロ波発生装置３９と、モード変換器４０と、同軸導波管３７ａと、シールド蓋体３４、スロット板３１、遅波材３３を含む。マイクロ波発生装置３９は、マイクロ波を発生する。モード変換器４０は、矩形導波管３７ｂとマッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９と接続される。モード変換器４０は、マイクロ波発生装置３９により発生されたマイクロ波を所定の振動モードに変換する。同軸導波管３７ａは、所定の振動モードに変換されたマイクロ波を伝播する。シールド蓋体３４は、導電体よりなり、同軸導波管３７ａの外部導体３７ｃと接続する。スロット板３１は、前述したように、マイクロ波透過板２８の上面に設けられ、貫通して形成された複数のマイクロ波放射孔３２を有する。また、スロット板３１の中心部には、同軸導波管３７ａの中心導体４１が接続される。
マイクロ波発生装置３９により発生されたマイクロ波は、マッチング回路３８、矩形導波管３７ｂ、モード変換器４０および同軸導波管３７ａを順次伝播し、スロット板３１に供給され、スロット板３１のマイクロ波放射孔３２からマイクロ波透過板２８を介して処理容器１０１内におけるウェハＷの上方空間に放射される。このマイクロ波により処理容器１０１内ではエッチング用のガス（例えばＡｒガス及びＣＦ４ガス）がプラズマ化し、このプラズマによりウェハＷのエッチング処理が行われる。
スロット板３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する遅波材３３が設けられている。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。なお、スロット板３１とマイクロ波透過窓２８とを密着させてもよく、また、遅波材３３とスロット板３１も密着させてもよい。処理容器１０１の上面には、これらスロット板３１および遅波材３３を覆うように、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材の導電体からなるシールド蓋体３４が設けられている。すなわち、遅波材３３は、スロット板３１とシールド蓋体３４との間に設けられている。処理容器１０１の上面とシールド蓋体３４とはシール部材３５によりシールされている。シールド蓋体３４には、複数の冷却水流路３４ａが形成されており、そこに冷却水を通流させることにより、スロット板３１、マイクロ波透過板２８、遅波材３３、シールド蓋体３４を冷却するようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
シールド蓋体３４の上壁の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７が接続されている。前述したように、導波管３７の端部には、マッチング回路３８を介してマイクロ波発生装置３９が接続されている。これにより、マイクロ波発生装置３９で発生した例えば周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が導波管３７を介してスロット板３１へ伝播されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、８．３ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部に接続された矩形導波管３７ｂとを有している。矩形導波管３７ｂと同軸導波管３７ａとの間のモード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。同軸導波管３７ａの中心には中心導体４１が延在しており、中心導体４１は、その下端部においてスロット板３１の中心に接続固定されている。これにより、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内側であって中心導体４１の外側の空間を通って遅波材３３に達し、シールド蓋体３４とスロット板３１に挟まれた空間（遅波材３３が設けられている部分）を径方向に放射状に広がって伝播し、スロット板３１に設けられたマイクロ波放射孔３２を介してマイクロ波透過板２８側へ伝播される。一方、同軸導波管３７ａの外側には外部導体３７ｃが延在しており、外部導体３７ｃは、その下部において導電体であるシールド蓋体３４に接続固定される。
本実施の形態に係るプラズマエッチング装置１００において、導波管３７には、前述したガス導入部材１５に接続される第１のガス供給手段１１６に加え、別のガス供給系である第２のガス供給手段１２２が設けられる。具体的には、この第２のガス供給手段１２２は、導波管３７の中心導体４１、スロット板３１及びマイクロ波透過板２８をそれぞれ貫通するようにして形成したガス通路６８を有している。すなわち、このガス通路６８は、シールド蓋体３４においては、これを空洞状、或いはパイプ状に成形することにより作られている。
そして、中心導体４１の上端部に形成されたガス入口６９には、途中に開閉バルブ７０やマスフローコントローラ７１等が介設された第２のガス供給手段１２２が接続されており、必要に応じて所望のガスを流量制御しつつ供給できるようになっている。
プラズマエッチング装置１００の各構成部は、プロセスコントローラ５０に接続されて制御される構成となっている。プロセスコントローラ５０には、工程管理者がプラズマエッチング装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザインタフェース５１が接続されている。
また、プロセスコントローラ５０には、プラズマエッチング装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５０の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウェア）や、処理条件データ等が配線されたレシピが格納された記憶部５２が接続されている。
そして、必要に応じて、ユーザインタフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出してプロセスコントローラ５０に実行させることで、プロセスコントローラ５０の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ，ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
次に、図１、図３及び図４を参照し、本実施の形態に係るプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法について説明する。
図３は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、バイアス電力供給手段が供給する交流バイアス電力の時間変化及びエッチング加工によって発生した反応生成物が排気される作用効果を模式的に示す図である。図３（ａ）は、バイアス電力供給手段が供給する交流バイアス電力の時間変化を示すタイムチャートである。図３（ｂ）は、所定の交流バイアス電力が供給される間の処理容器内の反応生成物の分布の様子を示す図であり、図３（ｃ）は、所定の交流バイアス電力の供給が制限されるか又は停止される間の処理容器内の反応生成物の分布の様子を示す図である。図４は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理される前後の基板の断面形状を模式的に示す断面図である。
まず、図１に示すように、ゲートバルブ２６を介して半導体ウェハＷを搬送アーム（図示せず）により処理容器１０１内に収容し、リフタピン（図示せず）を上下動させることによりウェハＷを載置台１０５の上面の載置面に載置し、このウェハＷを静電チャック１１１により静電吸着する。
このウェハＷ（基板１１）の上面には、図４（ａ）に示すように、パターン化されたエッチングマスクパターン１２がすでに形成されている。すなわち、エッチングマスクパターン１２はＳｉＯ２又はＳｉＮ膜よりなり、溝（トレンチ）パターンの幅は、例えば６５ｎｍ以下に設定されている。なお、図４（ａ）又は図４（ｂ）において、Ｄ１又はＤ２は、エッチングマスクパターン１２の密な領域を意味し、Ｉ１又はＩ２は、エッチングマスクパターン１２の疎な領域を意味する。
また、ウェハＷは載置台１０５に加熱手段を設けている場合には、これにより所定のプロセス温度に維持される。
処理容器１０１内を所定のプロセス圧力、例えば０．０１〜数Ｐａの範囲内に維持し、第１のガス供給手段１１６のガス導入部材１５や第２のガス供給手段１２２のガス通路６８を介してエッチングガス（例えばＨＢｒガス）及びプラズマガス（例えばＡｒガス）を所定の流量になるように流量制御しながら供給する。また同時に、排気装置２４又は排気装置２４と処理容器１０１の間に設けられる図示しない圧力制御弁を制御して処理容器１０１内を所定のプロセス圧力に維持する。
これと同時に、マイクロ波供給手段であるマイクロ波発生装置３９にて発生したＴＥモードのマイクロ波を矩形導波管３７ｂに伝播させ、更にモード変換器４０にてこの振動モードをＴＥＭモードに変換した後に同軸導波管３７ａを伝播させてスロット板３１に供給して処理空間（プラズマ空間）ＳＰ内に、遅波材３３によって波長が短くされたマイクロ波を導入し、これにより処理空間（プラズマ空間）ＳＰにおいて、エッチングガス及びプラズマガスをプラズマ化してプラズマを発生させ、発生された所定のプラズマを用いてプラズマエッチングを行う。
ここで、マイクロ波発生装置３９にて発生した例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は上記したように同軸導波管３７ａ内を伝播してスロット板３１に到達し、中心導体４１の接続された円板状のスロット板３１の中心部から放射状に周辺部に伝播される間に、このスロット板３１に多数形成されたマイクロ波放射孔３２からスロット板３１の直下の処理空間（プラズマ空間）ＳＰにマイクロ波を導入する。このマイクロ波により励起された例えばプラズマガスであるアルゴンガスやエッチングガスがプラズマ化し、この下方に拡散してウェハＷの表面に所定のプラズマ処理が施されることになる。
本実施の形態に係るプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法において、バイアス電力制御手段１１３ｄは、図３（ａ）に示すように、バイアス電力供給手段である交流電源１１３ｂが載置台１０５に交流バイアス電力を供給する時間と交流電源１１３ｂが載置台１０５に交流バイアス電力を制限するか又は停止する時間との合計時間に対する交流電源１１３ｂが載置台１０５に交流バイアス電力を供給する時間の比が０．５以下になるように、交流電源１１３ｂの交流バイアス電力を制御することを特徴とする。なお、以下、交流電源１１３ｂが交流バイアス電力を供給する時間をＯＮ時間とし、交流電源１１３ｂが交流バイアス電力を制限するか又は停止する時間をＯＦＦ時間という。
すなわち、バイアス電力制御手段１１３ｄは、ＯＮ時間Ｔ１の間、バイアス電力供給手段である交流電源１１３ｂが交流バイアス電力Ｐ１を載置台１０５に供給することによって、ウェハＷをエッチング処理する工程と、ＯＦＦ時間Ｔ２の間、交流電源１１３ｂが交流バイアス電力Ｐ１の供給をＰ１より小さい交流バイアス電力Ｐ２に制限するか又は０に停止することによって、ウェハＷのエッチング処理速度が進行しない工程とを、交互に繰返すように制御する。このとき、ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２との合計時間（Ｔ１＋Ｔ２）に対するＯＮ時間Ｔ１の比（Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２））であるデューティ比が、０．５以下になるように制御することを特徴とする。すなわち、図３（ａ）に示すように、Ｔ１≦Ｔ２が成り立つ。
なお、交流バイアス電力Ｐ１は、本発明における第一の供給電力に相当し、交流バイアス電力Ｐ２は、本発明における第二の供給電力に相当する。
次に、本実施の形態に係るプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法が、エッチングガスの流量及び処理容器の排気量を増やさずに、エッチング加工形状の疎密に因らず同じ深さと同じ形状でプラズマエッチングすることのできる作用効果について説明する。
発明者らの見解によれば、従来のＳＴＩの工程において、疎密に因らず同じ深さと形状でエッチングすることができないという問題、及び溝（トレンチ）の底面にサブトレンチ形状が形成されるという問題を引き起こす主な原因は、エッチングによって生成する反応生成物がシリコン基板（半導体ウェハ）に再付着することである。従って、本発明の主な作用効果は、エッチングによって生成する反応生成物がシリコン基板（半導体ウェハ）に再付着しないように、反応生成物を逐次排気してしまうことにある。
具体的には、バイアス電力制御手段１１３ｄは、図３（ａ）に示すＯＮ時間Ｔ１の間、交流電源１１３ｂが載置台１０５に交流バイアス電力Ｐ１を供給するように制御する。このＯＮ時間Ｔ１の間は、図３（ｂ）に示すように、ウェハＷのエッチング処理が進行する。また、エッチングされた基板材料とエッチングガスが反応して生成する反応生成物Ｒがプラズマ空間ＳＰとウェハＷとの間に増加する。次に、バイアス電力制御手段１１３ｄは、図３（ａ）に示すＯＦＦ時間Ｔ２の間、交流電源１１３ｂが載置台１０５に供給する交流バイアス電力Ｐ１を、Ｐ１より小さい交流バイアス電力Ｐ２に制限するか又は停止する。このＯＦＦ時間Ｔ２の間は、図３（ｃ）に示すように、エッチング処理は進行しなくなる。また、反応生成物Ｒは、エッチングガス及びプラズマガスの供給及び排気装置の排気によって排気装置へと排気されるため、プラズマ空間ＳＰ中に拡散することがない。従って、図１３に示す従来の連続波バイアス（ＣＷバイアス）の工程を行う場合に比べ、反応生成物の一部が排気されずにプラズマ空間ＳＰ中に拡散し、プラズマ空間ＳＰ中で再解離され、再びエッチング種（エッチャント）となってウェハＷ上に到達し、再付着（再堆積）することがない。従って、エッチングマスクの形状の疎密に関わらず、ウェハＷの中心部及び周縁部に関わらず、エッチングレート及びサブトレンチ比を一定に保ったままエッチングを行うことができる。
すなわち、ＯＮ時間Ｔ１の間に発生する反応生成物Ｒは、ＯＦＦ時間Ｔ２の間に全て排気される必要があることから、デューティ比（Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２））は所定の値以下に短くなるように制御されなければならない。この技術的思想に基づき、後述する測定及び評価を行った結果、デューティ比（Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２））が０．５以下に制御されるのであれば効果を奏するものであることを見出したものである。
一方、反応生成物Ｒがシリコン基板（半導体ウェハ）に再付着しないようにするのであれば、エッチングガス及びプラズマガスのガス供給の供給量を大きくし、処理容器内を排気する排気量を大きくする方法、エッチングガスとしてＨＢｒ又はＣｌ２等のエッチングガスに酸素系やフッ素系のガスを添加することによって再付着を防止する方法等も考えられる。
しかしながら、エッチングガス及びプラズマガスのガス供給の供給量を大きくし、処理容器内を排気する排気量を大きくする方法は、ガスの消費量が増大しなければならない点、排気装置を大型なものにしなければならない点、排気装置の消費電力が増大してしまう点で、半導体装置の製造コストを増大させ、環境負荷を増大させてしまうという問題がある。また、エッチングガスとしてＨＢｒ又はＣｌ２等のエッチングガスに酸素系やフッ素系のガスを添加する方法は、使用するガスの種類及び量を増大させるため、半導体装置の製造コストを増大させ、環境負荷を増大させてしまうという問題がある。
従って、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法及びプラズマエッチング装置によれば、エッチングガスの流量及び処理容器の排気量を増やしたり、使用ガスの種類及び量を増やすことなく、エッチング加工形状の疎密に因らず同じ深さと同じ形状でプラズマエッチングすることができる。
（デューティ比依存性）
次に、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を用いた場合の、トレンチ形状のデューティ比依存性について、実際にプラズマエッチング方法を行ってトレンチを形成し、そのトレンチの形状を測定して評価を行ったので、図５乃至図８を参照し、その評価結果について説明する。
図５は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、ウェハＷにおける評価箇所を模式的に示す図である。図６は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のウェハＷの断面の写真である。図７Ａ及び図７Ｂは、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状のデューティ比依存性を示すグラフである。図８は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチングレートのデューティ比依存性を示すグラフである。
デューティ比以外のエッチング条件は、以下の通りである。プラズマガスをＡｒとし、エッチングガスをＨＢｒとし、Ａｒ／ＨＢｒの流量比を８５０／３００ｓｃｃｍとした。処理容器内の圧力を１００ｍＴｏｒｒとした。ＯＮ時間Ｔ１の交流バイアス電力を２００Ｗとし、ＯＦＦ時間Ｔ２の交流バイアス電力を０Ｗとする制御を行った。基板温度を６０℃とした。ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２を交互に繰返すように制御する繰返し周波数を１０Ｈｚとした。すなわち、合計時間Ｔ１＋Ｔ２は、１００ｍｓｅｃとした。
ここで、ウェハＷのトレンチ形状の評価は、図５の点線で囲まれた２つの部分である中心部Ｃ及び周縁部Ｅについて行った。また、デューティ比が０．５、０．７となるように制御してエッチング処理を行った後のウェハＷの中央付近断面は、それぞれ図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すようになる。図６（ａ）及び図６（ｂ）において、Ｄ２は、図４（ｂ）に示すエッチングマスクパターン１２の密な領域Ｄ２に相当し、Ｉ２は、図４（ｂ）に示すエッチングマスクパターン１２の疎な領域Ｉ２に相当する。また、図６（ｂ）に示すように、サブトレンチ比Ｒｓｔは、溝（トレンチ）の底面の端部での深さをＨ０、溝（トレンチ）の底面の凸状に盛り上がった中心部の端部からの高さをＨ１とすると、Ｒｓｔ＝Ｈ１／Ｈ０となる。また、テーパ角は、図６（ｂ）に示すように、溝（トレンチ）の底面の端部と、上面の開口端とを結ぶ平面が水平面となす角度θｔである。
以上のようにサブトレンチ比Ｒｓｔとテーパ角θｔを定義した上で、デューティ比を０．１、０．３、０．５、０．７、０．９、１．０の範囲で変化させた場合のトレンチ形状を図７Ａ及び図７Ｂに示す。ここで、デューティ比１．０とは、パルス波バイアス制御（ＰＷ制御）でなく連続波バイアス制御（ＣＷ制御）に相当する。図７Ａ（ａ）及び図７Ａ（ｂ）はそれぞれ、エッチングマスクパターンが密及び疎な部分でのサブトレンチ比のデューティ比依存性を示す。図７Ｂ（ｃ）及び図７Ｂ（ｄ）は、エッチングマスクパターンが密及び疎な部分でのテーパ角のデューティ比依存性を示す。
図７Ａ（ａ）及び図７Ａ（ｂ）に示すように、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、デューティ比が０．５以下の範囲で、サブトレンチ比が０．０５以下の略０に近い値になる。また、図７Ｂ（ｃ）及び図７Ｂ（ｄ）に示すように、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、デューティ比が０．５以下の範囲で、テーパ角が８５°以上となり、特にデューティ比が０．３以上０．５以下の範囲で、テーパ角が８６°以上の略９０°に近い値となる。
また、図７Ａ（ａ）乃至図７Ｂ（ｄ）に示すＣＷ（連続波バイアス制御モード）と比較しても、デューティ比が０．５以下、特に好ましくはデューティ比が０．３以上０．５以下の範囲において、サブトレンチ比は低減し、テーパ角が増大している。
更に、デューティ比を０．１、０．３、０．５、０．７、０．９、１．０の範囲で変化させた場合のエッチングレートを図８に示す。図８（ａ）は、エッチングマスクパターンが密な部分でのエッチングレートのエッチングマスクパターンが疎な部分でのエッチングレートに対する比を示す。図８（ｂ）は、ウェハＷの中心部でのエッチングレートのウェハＷの周縁部でのエッチングレートに対する比を示す。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、デューティ比が０．５以下の領域において、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、エッチングレートが等しくなる。
以上より、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法において、ＯＮ時間Ｔ１の合計時間Ｔ１＋Ｔ２に対するデューティ比を０．５以下に制御することにより、ウェハの中心及び周縁部の何れの箇所においても、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、エッチングレートを略一定に保つと同時に、サブトレンチ比、テーパ角を略一定に保つことができる。
（繰返し周波数依存性）
次に、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を用いた場合の、トレンチ形状の、バイアス電力制御手段が、ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２とを交互に繰返すように制御する繰返し周波数依存性について、図９Ａ及び図９Ｂを参照して説明する。
図９Ａ及び図９Ｂは、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状の繰返し周波数依存性を示すグラフである。繰返し周波数以外のエッチング条件は、以下の通りである。プラズマガスをＡｒとし、エッチングガスをＨＢｒとし、Ａｒ／ＨＢｒの流量比を８５０／３００ｓｃｃｍとした。処理容器内の圧力を１０ｍＴｏｒｒとした。ＯＮ時間Ｔ１の交流バイアス電力を１８００Ｗとし、ＯＦＦ時間Ｔ２の交流バイアス電力を２００Ｗとした。基板温度を６０℃とした。ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２とのデューティ比（Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２））を０．５とした。
ここで、繰返し周波数を１Ｈｚ、１０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚの範囲で変化させた場合のトレンチ形状の繰返し周波数依存性を図９Ａ及び図９Ｂに示す。図９Ａ（ａ）及び図９Ａ（ｂ）はそれぞれ、エッチングマスクパターンが密及び疎な部分でのサブトレンチ比の繰返し周波数依存性を示す。図９Ｂ（ｃ）及び図９Ｂ（ｄ）は、エッチングマスクパターンが密及び疎な部分でのテーパ角の繰返し周波数依存性を示す。
図９Ａ（ａ）及び図９Ａ（ｂ）に示すように、エッチングパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、繰返し周波数が１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の範囲で、サブトレンチ比が０．１以下となり、特に繰返し周波数が１０Ｈｚの近傍の範囲で、０．０５以下の略０に近い値になる。また、図９Ｂ（ｃ）及び図９Ｂ（ｄ）に示すように、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、繰返し周波数が１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の範囲で、テーパ角が８５°以上となり、特に繰返し周波数が１０Ｈｚ近傍の範囲で、テーパ角が８６°以上の略９０°に近い値となる。
また、図９Ａ（ａ）乃至図９Ｂ（ｄ）に示すデューティ比が０．５以上及びＣＷ（連続波バイアス制御モード）と比較すると、繰返し周波数が１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下、特に好ましくは繰返し周波数が１０Ｈｚ近傍の範囲において、サブトレンチ比は低減し、テーパ角が増大している。
以上より、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法において、ＯＮ時間とＯＦＦ時間とを交互に繰返す繰返し周波数を１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下、より好ましくは１０Ｈｚの近傍にすることにより、ウェハの中心及び周縁部の何れの箇所においても、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、サブトレンチ比、テーパ角を略一定に保つことができる。
（圧力依存性）
次に、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を用いた場合の、トレンチ形状の、処理容器内の圧力依存性について、図１０及び図１１を参照して説明する。
図１０は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状の圧力依存性を示すグラフである。図１１は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のサイドエッチ幅の圧力依存性を示すグラフである。
処理容器内の圧力以外のエッチング条件は、以下の通りである。プラズマガスをＡｒとし、エッチングガスをＨＢｒとし、Ａｒ／ＨＢｒの流量比を８５０／３００ｓｃｃｍとした。ＯＮ時間Ｔ１の交流バイアス電力を２００Ｗとし、ＯＦＦ時間Ｔ２の交流バイアス電力を０Ｗとした。基板温度を６０℃とした。ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２とのデューティ比（Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２））を０．５とした。ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２とを交互に繰返す繰返し周波数を１０Ｈｚとした。
ここで、圧力を２５ｍＴｏｒｒ以上１００ｍＴｏｒｒ以下の範囲で変化させた場合のトレンチ形状の圧力依存性を図１０に示す。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）はそれぞれ、サブトレンチ比及びテーパ角の圧力依存性を示す。なお、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）はそれぞれ、比較のために、ＣＷ（連続波）バイアス制御の場合の圧力依存性を示す。
図１０（ａ）に示すように、エッチングパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、圧力が２５ｍＴｏｒｒ以上１００ｍＴｏｒｒ以下の範囲で、サブトレンチ比が０．２５以下となり、且つ、ＣＷ（連続波）バイアス制御よりサブトレンチ比が小さくなる。また、図１０（ｂ）に示すように、エッチングパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、圧力が２５ｍＴｏｒｒ以上１００ｍＴｏｒｒ以下の範囲で、テーパ角が８４°以上となり、且つ、ＣＷ（連続波）バイアス制御よりテーパ角が大きくなる。
更に、圧力を１０ｍＴｏｒｒ以上１３０ｍＴｏｒｒ以下の範囲で変化させた場合の規格化されたサイドエッチ幅を図１１に示す。図１１（ａ）は、サイドエッチ幅の定義を説明するためのトレンチ形成後の断面図を示す。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）におけるサイドエッチング幅Ｂをトレンチ間の壁の幅Ａで規格化した規格化されたサイドエッチ幅の圧力依存性を示す。
図１１（ｂ）に示すように、圧力が１０ｍＴｏｒｒ以上２０ｍＴｏｒｒ以下の範囲では、規格化されたサイドエッチ幅は０．３以上となり、図１１（ａ）にも示すように、トレンチ幅がトレンチの上端におけるトレンチ幅より広くなり、サイドエッチ幅が増加する。これは、圧力が低い領域では、プラズマ化又はラジカル化された活性なエッチングガスの平均自由工程が長くなって活性が更に増大し、トレンチの側壁を横方向にもエッチングする等方性エッチングが行われるようになるからである。
一方、図１１（ｂ）に示すように、圧力が４０ｍＴｏｒｒ以上１３０ｍＴｏｒｒ以下の範囲では、規格化されたサイドエッチ幅は０．１以下の略０に近い値になる。これは、圧力が高い領域では、プラズマ化又はラジカル化された活性なエッチングガスの平均自由工程が短くなって活性が減少し、トレンチの側壁を横方向にエッチングすることなく異方性エッチングが行われるようになるからである。従って、トレンチ形状の評価項目としてサイドエッチ幅の低減も考慮する場合、圧力を４０ｍＴｏｒｒ以上１３０ｍＴｏｒｒ以下にすることで、より形状の正確なトレンチを形成することができる。
また、７０ｍＴｏｒｒ以上の比較的高圧力に設定すると、ウェハ上の電子温度が十分に下がるため、活性なラジカル密度が下がり、反応生成物の再解離も防止でき、ＯＦＦ時間中にエッチング形状が悪化したり反応生成物が再付着することを防止できる。
なお、本実施の形態では、サブトレンチ比及びテーパ角の圧力依存性は、２５ｍＴｏｒｒ以上１００ｍＴｏｒｒ以下の範囲で記載され、規格化されたサイドエッチ幅の圧力依存性は、１０ｍＴｏｒｒ以上１３０ｍＴｏｒｒ以下の範囲で記載されている。そして、サブトレンチ比及びテーパ角並びに規格化されたサイドエッチ幅の何れの場合にも、記載された圧力範囲より高圧側では圧力依存性がなく、サブトレンチ比及びテーパ角の場合には１００ｍＴｏｒｒ、規格化されたサイドエッチ幅の場合には１３０ｍＴｏｒｒでの値と同様の値を示す。これは、１００ｍＴｏｒｒ又は１３０ｍＴｏｒｒより高圧側では、平均自由工程が減少し、プラズマの活性が十分低下することによって、サイドエッチ幅がほぼ０に収束すること、かつ、１００ｍＴｏｒｒ又は１３０ｍＴｏｒｒより高圧側では、数Ｔｏｒｒ程度の圧力の範囲まではプラズマが安定して発生し、発生したプラズマが安定して存在することによる。このため、サブトレンチ比及びテーパ角並びに規格化されたサイドエッチ幅の何れの場合も、１００ｍＴｏｒｒ又は１３０ｍＴｏｒｒで得られた効果と同様な効果は、数Ｔｏｒｒ程度までの高圧側でも得られる。従って、本発明において、処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であればよく、好ましくは７０ｍＴｏｒｒであればよく、より好ましくは７０ｍＴｏｒｒ以上１３０ｍＴｏｒｒ以下であればよい。
また、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法では、エッチングガス及びプラズマガスが供給された処理容器内に、ＲＬＳＡから放射されたマイクロ波電力を供給して処理を行う。ＲＬＳＡマイクロ波プラズマ方式は、ＥＣＲプラズマ方式、ＣＣＰ（Capacitively Coupled Plasma）プラズマ方式等の他のプラズマ励起方式と比較してより広い圧力範囲でプラズマが発生可能な点に特徴がある。従って、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法によれば、４０ｍＴｏｒｒ以上の高い圧力で更に安定して処理を行うことができる。これにより、排気手段及び圧力制御手段である排気装置２４の消費電力を低減することも可能となる。
以上より、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法において、圧力を４０ｍＴｏｒｒ以上、好ましくは７０ｍＴｏｒｒ、より好ましくは７０ｍＴｏｒｒ以上１３０ｍＴｏｒｒ以下にすることにより、ウェハの中心及び周縁部の何れの箇所においても、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、サブトレンチ比、テーパ角を略一定に保つと同時に、サイドエッチ幅を０に近づけることができる。
（ガス流量依存性）
次に、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を用いた場合の、トレンチ形状の、プラズマガス及びエッチングガスのガス流量依存性について、図１２を参照して説明する。
図１２は、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状のガス流量依存性を示すグラフである。
処理容器内の圧力以外のエッチング条件は、以下の通りである。プラズマガスをＡｒとし、エッチングガスをＨＢｒとした。処理容器内の圧力を１００ｍＴｏｒｒとした。ＯＮ時間Ｔ１の交流バイアス電力を２００Ｗとし、ＯＦＦ時間Ｔ２の交流バイアス電力を０Ｗとした。基板温度を６０℃とした。ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２とのデューティ比（Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２））を０．５とした。ＯＮ時間Ｔ１とＯＦＦ時間Ｔ２とを交互に繰返す繰返し周波数を１０Ｈｚとした。
ここで、Ａｒ／ＨＢｒの流量比を一定に保ったまま、合計流量を５７５ｓｃｃｍ（Ａｒ／ＨＢｒ＝４２５／１５０ｓｃｃｍ）、１１５０ｓｃｃｍ（Ａｒ／ＨＢｒ＝８５０／３００ｓｃｃｍ）、２３００ｓｃｃｍ（Ａｒ／ＨＢｒ＝１７００／６００ｓｃｃｍ）の範囲で変化させた場合のトレンチ形状の流量依存性を図１２に示す。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）はそれぞれ、サブトレンチ比及びテーパ角の圧力依存性を示す。なお、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）はそれぞれ、比較のために、ＣＷ（連続波）バイアス制御の場合の流量依存性を示す。
図１２（ａ）に示すように、エッチングパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、合計流量が５７５ｓｃｃｍ以上２３００ｓｃｃｍ以下の範囲で、サブトレンチ比が０．５以下となり、特に合計流量が１１５０ｓｃｃｍの近傍で、サブトレンチ比が０．０５以下となり、且つ、ＣＷ（連続波）バイアス制御よりサブトレンチ比が小さくなる。また、図１２（ｂ）に示すように、エッチングパターンの疎密に関わらず、且つ、ウェハＷの中心部及び周縁部の何れかに関わらず、合計流量が５７５ｓｃｃｍ以上２３００ｓｃｃｍ以下の範囲で、テーパ角が８０°以上となり、特に合計流量が１１５０ｓｃｃｍの近傍で、テーパ角が８４°以上と９０°に近くなり、且つ、ＣＷ（連続波）バイアス制御よりテーパ角が大きくなる。
以上より、本実施の形態に係るプラズマエッチング方法において、Ａｒガスよりなるプラズマガスのガス流量を４２５ｓｃｃｍ以上１７００ｓｃｃｍ以下、ＨＢｒガスよりなるエッチングガスのガス流量を１５０ｓｃｃｍ以上６００ｓｃｃｍ以下とし、より好ましくはＡｒガスよりなるプラズマガスのガス流量を８５０ｓｃｃｍ近傍、ＨＢｒガスよりなるエッチングガスのガス流量を３００ｓｃｃｍ近傍にすることにより、ウェハの中心部及び周縁部の何れの箇所においても、エッチングマスクパターンの疎密に関わらず、サブトレンチ比、テーパ角を略一定に保つことができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について記述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
また、上記実施の形態では、被処理体として半導体ウェハを例にとって説明したが、これに限定されず、ＬＣＤ基板、ガラス基板、セラミック基板等にも本発明を適用することができる。
本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング装置の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング装置のスロット板を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、バイアス電力供給手段が供給する交流バイアス電力の時間変化及びエッチング加工によって発生した反応生成物が排気される作用効果を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理される前後の基板の断面形状を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、ウェハＷにおける評価箇所を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のウェハＷの断面の写真である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状のデューティ比依存性を示すグラフ（その１）である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状のデューティ比依存性を示すグラフ（その２）である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチングレートのデューティ比依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状の繰返し周波数依存性を示すグラフ（その１）である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状の繰返し周波数依存性を示すグラフ（その２）である。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状の圧力依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のサイドエッチ幅の圧力依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るプラズマエッチング方法を説明するための図であり、エッチング処理後のトレンチ形状のガス流量依存性を示すグラフである。 従来のエッチング方法において、エッチング処理される前後の基板の断面形状を模式的に示す断面図である。
符号の説明
１１ 基板
１２ エッチングマスクパターン
１５ ガス導入部材
２０ ガスライン
２１、７１ マスフローコントローラ
２２、７０ 開閉バルブ
２３ 排気管
２４ 排気装置
２５ 搬入出口
２６ ゲートバルブ
２７ 支持部
２８ マイクロ波透過板
２９、３５ シール部材
３１ スロット板
３２ マイクロ波放射孔
３２ａ 貫通孔
３３ 遅波材
３４ シールド蓋体
３６ 開口部
３７ 導波管
３７ａ 同軸導波管
３７ｂ 矩形導波管
３７ｃ 外部導体
３８ マッチング回路
３９ マイクロ波発生装置
４０ モード変換器
４１ 中心導体
５０ プロセスコントローラ
５１ ユーザインタフェース
５２ 記憶部
６８ ガス通路
６９ ガス入口
１００ プラズマエッチング装置
１０１ 処理容器
１０５ 載置台
１１１ 静電チャック
１１２ 電極
１１３ａ 直流電源
１１３ｂ 交流電源（バイアス電力供給手段）
１１３ｄ バイアス電力制御手段
１１４ ガス通路
１１６ 第１のガス供給手段
１１７ Ａｒガス供給源
１１８ ＨＢｒガス供給源
１２２ 第２のガス供給手段
Ｗ ウェハ

Claims (20)

  1. 天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、
    前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、
    前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、
    所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
    前記処理容器内を所定の圧力に保持する排気手段と、
    前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、
    前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段と
    を備えるプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
    前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力の前記載置台への供給と停止を交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を供給する期間と、前記交流バイアス電力を停止する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力の供給と停止を交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマエッチング方法。
  3. 前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
  4. 前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマエッチング方法。
  5. 前記処理ガスはエッチングガス及びプラズマガスを含み、前記エッチングガスを前記処理容器内に供給する流量は、６００ｓｃｃｍ以下であり、前記プラズマガスを前記処理容器内に供給する流量は、１７００ｓｃｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法。
  6. 天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、
    前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、
    前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、
    所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
    前記処理容器内を排気する排気装置により所定の圧力に保持する圧力制御手段と、
    前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、
    前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段と
    を備えたプラズマエッチング装置であって、
    前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力の前記載置台への供給と停止を交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を供給する期間と前記交流バイアス電力を停止する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置。
  7. 前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力の供給と停止を交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項６に記載のプラズマエッチング装置。
  8. 前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマエッチング装置。
  9. 前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項６又は７に記載のプラズマエッチング装置。
  10. 前記交流バイアス電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚであることを特徴とする請求項６乃至９の何れか一項に記載のプラズマエッチング装置。
  11. 天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、
    前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、
    前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、
    所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
    前記処理容器内を所定の圧力に保持する排気手段と、
    前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、
    前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段と
    を備えるプラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法であって、
    前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力を第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力より小さい第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とするプラズマエッチング方法。
  12. 前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１１に記載のプラズマエッチング方法。
  13. 前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のプラズマエッチング方法。
  14. 前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のプラズマエッチング方法。
  15. 前記処理ガスはエッチングガス及びプラズマガスを含み、前記エッチングガスを前記処理容器内に供給する流量は、６００ｓｃｃｍ以下であり、前記プラズマガスを前記処理容器内に供給する流量は、１７００ｓｃｃｍ以下であることを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか一項に記載のプラズマエッチング方法。
  16. 天井部が開口されて内部が真空排気可能になされた処理容器と、
    前記処理容器内に設けられた被処理体を載置する載置台と、
    前記天井部の開口に気密に装着されてマイクロ波を透過する誘電体よりなるマイクロ波透過板と、
    所定の周波数のマイクロ波を発生するためのマイクロ波発生装置と、前記マイクロ波発生装置が矩形導波管とマッチング回路を介して接続され、前記発生したマイクロ波を所定の振動モードに変換するためのモード変換器と、前記所定の振動モードのマイクロ波を伝播する同軸導波管と、前記同軸導波管の外部導体と接続する導電体の筐体と、前記マイクロ波透過板の上面に設けられ、前記同軸導波管の中心導体がその中心部に接続した、複数の貫通孔を有する導電体からなるスロット板と、前記スロット板と前記筐体の間に設けられた誘電体板とからなるマイクロ波供給手段と、
    前記処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
    前記処理容器内を排気する排気装置により所定の圧力に保持する圧力制御手段と、
    前記載置台に交流バイアス電力を供給するバイアス電力供給手段と、
    前記交流バイアス電力を制御するバイアス電力制御手段と
    を備えたプラズマエッチング装置であって、
    前記バイアス電力制御手段は、前記交流バイアス電力を第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力より小さい第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返し、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間との合計期間に対する前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間の比が０．１以上０．５以下になるように、前記交流バイアス電力を制御することを特徴とするプラズマエッチング装置。
  17. 前記バイアス電力制御手段が、前記交流バイアス電力を前記第一の供給電力で供給する期間と、前記交流バイアス電力を前記第二の供給電力で供給する期間とを交互に繰り返す繰返し周波数は、１Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下であることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマエッチング装置。
  18. 前記処理容器内の圧力は、４０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のプラズマエッチング装置。
  19. 前記処理容器内の圧力は、７０ｍＴｏｒｒ以上であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載のプラズマエッチング装置。
  20. 前記交流バイアス電力の周波数は、１３．５６ＭＨｚであることを特徴とする請求項１６乃至１９の何れか一項に記載のプラズマエッチング装置。
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