JP2014107363A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、アフターグロー放電を利用してプラズマの密度低下を抑制でき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】本発明は、試料をプラズマ処理する処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を前記処理室内に供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調させる第一のパルスと前記第二の高周波電力を時間変調させる第二のパルスを発生させるパルス発生装置と、を備えるプラズマ処理装置において、前記パルス発生装置は、前記第一のパルスの周波数を前記第二のパルスの周波数より高くするとともに前記第二のパルスのオン期間が前記第一のパルスのオン期間内に含まれるように前記第一のパルスと前記第二のパルスを制御する制御部を具備することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に係わり、特に時間変調されたプラズマを用いた試料のエッチング処理において、試料に時間変調された高周波バイアスを印加しながら試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
半導体デバイス製造工程では、一般にプラズマを用いたドライエッチング工程が適用されている。ドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置は様々な方式が使用されている。
近年、従来の半導体デバイスの高性能化や低コスト化を進めてきたシリコン材料を基本とした半導体デバイス加工寸法の縮小が物理的な限界を迎えつつある。ロジック半導体デバイス回路、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリに代表される半導体メモリの技術ノードが２０ｎｍから１０ｎｍという時代に直面し、これらの技術ノードでのデバイスの高性能化を達成するため、これまでの半導体デバイス製造工程では採用されてこなかった新しい材料や新しいデバイス構造を採用しなければならなくなった。実際には、ロジックＬＳＩや半導体メモリの微細化の新しい手段としてシリコン以外の新材料や立体トランジスタなどの新構造が採用されている。
これら半導体デバイスの材料と構造による大きな進化に伴い、半導体デバイスの製造時のエッチング工程で使用されるプラズマ処理装置に求められる要求も厳しさを増している。特に、加工寸法の微細化、エッチング選択比の向上及びエッチング形状の高精度制御等の大幅な向上が求められている。加工寸法の微細化は、技術ノードが２０ｎｍ世代から１０ｎｍ世代に移行し、エッチング工程で制御しなければならない加工寸法のばらつきが数ｎｍ〜数オングストロームとなり、かつその微細加工のばらつき精度をウエハ径１２インチから１８インチにおいて均一に保つ必要がある。
また、従来のシリコン材料を基本としたエッチング化学反応の制御だけでなく、III-Ｖ族やグラフェン、カーボンナノチューブといった新材料に対して十分なエッチング選択比を持って加工することが求められる。これら新材料や立体トランジスタを実現するための高アスペクト比に代表される新構造に対応するため、従来のプラズマ処理装置のようにプラズマ密度とイオンの入射エネルギのみを考慮したエッチング反応の構築だけでなく、反応性ラジカル種の制御、電子温度の制御、イオンフラックスの制御、中性フラックスとイオンフラックスの比、解離度の制御等を考慮したエッチング反応の構築が必須となってきた。
実際に、複雑な多層膜構造や立体構造に伴うエッチング形状の加工制御の難しさを補うため、各積層膜や各構造のエッチング処理に最適なイオンの生成量やラジカルの生成量を制御する試みがなされている。
その方法の一つとして、プラズマを間欠的に生成させる方法がある。例えば、特許文献１には、ドライエッチングにおいて、エッチング処理過程が、主として反応種が表面に吸着する素過程を含む第１の期間Ａ、次いで吸着反応種と材料の反応を促進するべく加速された粒子が表面に照射される素過程を含む第２の期間Ｂ、次いで反応生成物が表面から脱離し排気される素過程を含む第３の期間Ｃとからなり、かつこのＡ、Ｂ、Ｃの期間からなる処理過程を1[ｍｓｅｃ]以上1[ｓｅｃ]以下の周期で周期的に行なうことが開示されている。
また、パルスプラズマを用いてエッチング形状を制御する方法として特許文献２にパルスプラズマのパルス周波数を高周波バイアスの変調用パルスの周波数に対して奇数倍にすることが開示されている。
これらの従来技術は、エッチング形状の高精度な制御を行うため、プラズマを間欠的に生成させる技術に関するものである。これらの従来技術は、プラズマ処理装置においてプラズマを生成させるプラズマ発生装置において、プラズマを生成するエネルギを規則的に変調させている。例えば、エネルギをオン・オフまたは、エネルギを変調してプラズマに印加する。プラズマを生成するエネルギが高レベルの時は、ラジカルの生成に比べてイオンの生成が増加し、プラズマを生成するエネルギが低レベルの時は、イオンの生成に比べてラジカルの生成が増加する。また、エッチング選択比やエッチング形状制御に不必要なイオン種やラジカル種をエネルギのオンオフまたは、エネルギの変調によって制御する。これにより高精度にイオン生成量やラジカル生成量を制御し、加工精度を向上させる技術である。
特開平８−２５０４７９号公報 米国特許７７８５４８６号公報
発明者らは、上記従来技術の構成についてさらに検討を重ねた結果、従来の半導体デバイスのエッチング工程においてはある程度の加工精度の向上が見られるが、近年の新材料や新構造である立体トランジスタのエッチング工程では限界のあること及びその原因について以下の点があげられることを知見として得た。
特許文献１および特許文献２の構成では、プラズマ処理装置において、プラズマを間欠的に生成されるパルスプラズマ発生装置とウエハにイオンを入射させるための高周波バイアス電源の時間変調の組合せについて開示されている。しかしながら、パルスプラズマと高周波バイアス電源の時間変調の同期に関して、高周波バイアス電源の出力電圧のピークトウピーク電圧（Ｖｐｐ）の考慮がなく、近年の新材料や新構造である立体トランジスタのエッチング工程では限界のあることが分かった。
また、特許文献１および特許文献２の構成では、パルスプラズマにおいて、プラズマを生成するエネルギが低レベルの時に高周波バイアス電源の電力をウエハに印加した場合、高周波バイアス電源の出力電圧のピークトウピーク電圧（Ｖｐｐ）が著しく増加することが考慮されておらず、またその著しく増加した出力電圧のピークトウピーク電圧（Ｖｐｐ）が被エッチング材料に対してマスクとして機能しているマスク材料のエッチングレートを著しく増加させることが考慮されていない。このことにより、エッチング選択比が著しく低下してしまう。
また、このような考慮がなされていないため、特許文献１および特許文献２には、アフターグロープラズマを利用したプラズマ密度の低下の抑制やプラズマ密度の維持に関しても考慮されておらず開示もない。このように特許文献１および特許文献２で開示されているプラズマを間欠的に生成する技術を用いても、近年の新材料や新構造である立体トランジスタのエッチング工程では限界があり、エッチング選択比の改善やエッチング形状の高精度加工にはまだ不十分である。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、アフターグロー放電を利用してプラズマの密度低下を抑制でき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。
本発明は、試料をプラズマ処理する処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を前記処理室内に供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調させる第一のパルスと前記第二の高周波電力を時間変調させる第二のパルスを発生させるパルス発生装置と、を備えるプラズマ処理装置において、前記パルス発生装置は、前記第一のパルスの周波数を前記第二のパルスの周波数より高くするとともに前記第二のパルスのオン期間が前記第一のパルスのオン期間内に含まれるように前記第一のパルスと前記第二のパルスを制御する制御部を具備することを特徴とする。
また、本発明は、試料をプラズマ処理する処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を前記処理室内に供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調させる第一のパルスと前記第二の高周波電力を時間変調させる第二のパルスを発生させるパルス発生装置と、を備えるプラズマ処理装置を用いて前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、前記第一のパルスにより時間変調されたプラズマを用いて前記第二のパルスにより時間変調された高周波電力を前記試料台に供給しながら前記試料をプラズマ処理し、前記第一のパルスの周波数は、前記第二のパルスの周波数より高くされるとともに前記第二のパルスのオン期間が前記第一のパルスのオン期間内に含まれるようにすることを特徴とする。
本発明により、アフターグロー放電を利用してプラズマの密度低下を抑制できる。
本発明に係るプラズマエッチング装置の縦断面図である。 時間変調されたマイクロ波電力を示す図である。 本発明の一実施形態の概念を示す図である。 プラズマエッチングされる前のウエハの断面図である。 本発明によりプラズマエッチングした形状の断面の模式図である。 従来技術によるプラズマ密度およびＶｐｐを示す図である。 従来技術によりプラズマエッチングした形状の断面の模式図である。 従来技術によるプラズマ密度およびＶｐｐを示す図である。 従来技術によりプラズマエッチングした形状の断面の模式図である。 従来技術によるプラズマ密度およびＶｐｐを示す図である。 従来技術によりプラズマエッチングした形状の断面の模式図である。 本発明の一実施形態の概念を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。最初に、本発明に係るマイクロ波ＥＣＲ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｃｅ)エッチング装置を図１を用いて説明する。
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封入するための誘電体窓１０３(例えば石英製）を設置することにより、処理室１０４を形成する。真空容器１０１の上部には、さらに真空容器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)を設置し、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１１７が接続される。また、真空容器１０１には真空排気口１０６を介し真空排気装置１０８が接続されている。
プラズマ生成装置として、電磁波発生用電源１０９が設置される。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。電磁波の周波数は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。マイクロ波を用いると、電磁波発生用電源１０９より発振される電力は、マイクロ波電力となる。また、処理室１０４の外周部には、磁場を形成するための磁場発生コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用電源１０９より発振された高周波電力は、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する。
また、誘電体窓１０３に対向して真空容器１０１の下部に試料台であるウエハ載置用電極１１１が設けられる。ウエハ載置用電極１１１は、電極表面が溶射膜(図示省略)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。
また、ウエハ載置用電極１１１がプラズマに直接曝されることを防ぐために、カバーリング１０５がウエハ載置用電極１１１に設けられている。さらに、ウエハ載置用電極１１１には、マッチング回路１１３を介して高周波電源１１４が接続される。ここで、高周波電源１１４が供給する高周波バイアス電力の周波数は特に限定されないが、本実施例では４００ｋＨｚの高周波を使用する。
処理室１０４内に搬送され、試料であるウエハ１１２は、直流電源１１６から印加される直流電圧の静電気力でウエハ載置用電極１１１上に吸着され、処理室１０４内に所望のエッチングガスを供給した後、真空容器１０１内を所定の圧力とし、処理室１０４内にプラズマを発生させる。ウエハ載置用電極１１１に接続された高周波電源１１４から高周波バイアス電力を印加することにより、プラズマからウエハへイオンを引き込み、ウエハ１１２がエッチング処理される。
尚、処理室１０４内部にパルス変調されたプラズマを生成させる場合、電磁波発生用電源１０９は、処理室１０４内部へマイクロ波電力の供給を規則的にオン・オフさせる。パルス変調されたプラズマを生成させるため、変調用パルスのオン期間(例えば、1マイクロ秒から１秒等）で、電磁波発生用電源１０９からエネルギを供給してプラズマを生成させ、処理室１０４内部のイオンやラジカルの生成量を増加させる。
また、変調パルスのオフ期間(例えば、1マイクロ秒から１秒等)で、電磁波発生用電源１０９からエネルギの供給を停止して処理室１０４内部のイオンやラジカルの生成量を低下させる。
さらに、ウエハ載置用電極１１１上に載置されたウエハ１１２にパルス変調された高周波バイアス電力を印加させる場合、高周波電源１１４は、ウエハ１１２へ高周波バイアス電力の供給を規則的にオン・オフさせる。高周波バイアス電力をパルス変調させるため、変調用パルスのオン期間(例えば、1マイクロ秒から１秒等）で、高周波電源１１４から高周波バイアス電力を供給し、ウエハ１１２に入射するイオンエネルギを増加させる。
また、変調用パルスのオフ期間(例えば、1マイクロ秒から１秒等)で、高周波電源１１４からの高周波バイアス電力の供給を停止して、ウエハ１１２に入射するイオンエネルギを低下させる。
また、電磁波発生用電源１０９より発振されるマイクロ波電力と高周波電源１１４から供給される高周波電力を同期させて時間変調させるため、パルス発生装置１１８が設けられている。パルス発生装置１１８は、電磁波発生用電源１０９と高周波電源１１４に接続され、電磁波発生用電源１０９と高周波電源１１４にそれぞれ同期した変調用パルス信号を送信する。
また、パルス発生装置１１８は、電磁波発生用電源１０９と高周波電源１１４のそれぞれから供給される高周波電力の供給タイミングを制御する回路を有する。
さらに、電磁波発生用電源１０９内部のパルス変調タイミングと高周波電源１１４内部のパルス変調タイミングが同期されていても，処理室１０４内部のプラズマで各パルス変調タイミングが同期されていない時もある。この場合，電磁波発生用電源１０９の変調用パルス信号と高周波電源１１４の変調用パルス信号の同期に対して遅れ時間であるディレイ動作をパルス発生装置１１８に設定することができ，プラズマで電磁波発生用電源１０９の変調用パルスのタイミングと高周波電源１１４の変調用パルスのタイミングを同期させることができる。
また、本発明のマイクロ波ＥＣＲエッチング装置は、真空排気装置１０８とガス供給装置１１７と電磁波発生用電源１０９と磁場発生コイル１１０と直流電源１１６と高周波電源１１４を制御する制御装置(図示省略)を備えている。当該制御装置には、制御対象の各装置や各電源の制御プログラムや制御変数を記録するコンピュータ利用可能な記録媒体が接続され、記録された制御プログラムや制御変数に応じて、これらの装置や電源が動作し、ウエハ１１２がエッチング処理される。
次に、処理室１０４内部に時間変調されたプラズマを生成させる場合の一例であるパルス変調されたマイクロ波電力を図２に示す。曲線２０１は、電磁波発生用電源１０９より発振されたマイクロ波の電圧波形であり、２．４５ＧＨｚの概略正弦波である。
波形２０２は、電磁波発生用電源１０９より発振されたマイクロ波電力を変調するためのパルス波形である。この変調用パルスのオン期間であるＢの振幅をＡ、Ｂを繰り返す周期をＣ、周期Ｃにおけるマイクロ波電力の変調用パルスのオン期間であるＢの割合をデューティー比（％）とする。
曲線２０１で表わされるマイクロ波の電圧波形を波形２０２で表わされるパルスで変調すると、波形２０３で表わされる電圧波形となる。また、高周波電源１１４から供給される高周波バイアス電力も図２のようにパルス変調される。
次に、本発明に係るマイクロ波電力と高周波バイアス電力をそれぞれパルス変調させる手段について図３を用いて説明する。
図３は、電磁波発生用電源１０９から供給されるマイクロ波電力をパルス変調するとともに高周波電源１１４から供給される高周波バイアス電力をパルス変調した場合の、マイクロ波電力の変調用パルスと高周波バイアス電力の変調用パルスと処理室１０４内のプラズマ密度の時間依存性とＲＦバイアス電力によるウエハ１１２に発生するピークトウピーク電圧(以下、Ｖｐｐと称する)の時間依存性を示す。
波形３０１は、マイクロ波電力の変調用パルスであり、変調用パルスのオン期間の振幅をａとする。また、波形３０２は、高周波バイアス電力の変調用パルスであり、変調用パルスのオン期間の振幅をｂとする。
また、マイクロ波電力の変調用パルスの周波数は、高周波バイアス電力の変調用パルスの周波数より高いとする。また、マイクロ波電力の変調用パルスの周波数をアフターグロー放電を維持できる周波数以上かつ活性ラジカルによるサイドエッチングが発生する周波数以下の周波数とする。本実施例では、マイクロ波電力の変調用パルス周波数を高周波バイアス電力の変調用パルス周波数の２倍の周波数とした。
さらに、高周波バイアス電力の変調用パルスのオン期間は、常にマイクロ波電力の変調用パルスのオン期間に含まれるように高周波バイアス電力の変調用パルスとマイクロ波電力の変調用パルスを同期させる。また、高周波バイアス電力の変調用パルスのオフ期間の時間は、プラズマエッチングにより発生した反応生成物を十分に排気できるような時間に基づいて求められるとする。
次に、上記のようにマイクロ波電力の変調用パルスと高周波バイアス電力の変調パルスを同期させてマイクロ波電力と高周波バイアス電力を時間変調させた場合の、処理室１０４内のプラズマ密度（個／ｃｍ3）の時間依存性を曲線３０３に示す。曲線３０３に示すようにマイクロ波電力を供給した直後からプラズマ密度は増加してプラズマ密度がｆ（個／ｃｍ3）に到達後、マイクロ波電力のオフによりプラズマ密度が低下し、アフターグローを形成する。尚、アフターグローとは、プラズマ生成用マイクロ波電力の供給がオフされてから再びマイクロ波電力が供給されるまでに維持されるプラズマであり、マイクロ波電力の出力値、マイクロ波電力のオン時間、ガス種、処理圧力等に依存し変化する。
しかし、アフターグロー中に次の周期のマイクロ波電力が供給されるため、プラズマ密度はある密度（≠０）から再び増加し、マイクロ波電力のオフによりプラズマ密度が低下し、アフターグローを形成する。このようなプラズマ密度の増加とアフターグローを繰り返しながら、プラズマ密度が次第に飽和密度ｃ（個／ｃｍ3）まで達する。
プラズマ密度が飽和密度ｃに達した後もプラズマ密度が大きく低下する前に次の周期のマイクロ波が供給されるため、曲線３０３のようにプラズマ密度は高密度でもなく、かつ大きく低下もせずに維持される。
また、高周波バイアス電力の印加によりウエハ１１２に発生する、曲線３０３と同時間軸のＶｐｐの時間依存性を曲線３０４に示す。曲線３０４に示すようにマイクロ波の供給直後は、プラズマ密度が小さく、プラズマ自体のインピーダンス値が大きいため、ウエハ１１２に発生するＶｐｐは、ｅ(Ｖ)まで上昇する。そして、プラズマ密度の増加とともにＶｐｐは低下する。しかし、この低下したＶｐｐは、プラズマ密度が飽和密度ｃに達した後のＶｐｐであるｄ(Ｖ)と比較すると大きい。
また、２周期目以降のＶｐｐの場合のプラズマ密度は、飽和密度ｃにほぼ到達しているため、２周期目以降のＶｐｐは、ｄ(Ｖ)とほぼ同じ値となる。これは、マイクロ波電力の変調用パルスの周波数が高周波バイアス電力の変調用パルスの周波数より高いためである。
次に、本発明により図４に示す構造を有するウエハをプラズマエッチングした例について説明する。
最初に、プラズマエッチングされる前のウエハ断面図の一例を図４に示す。本発明によりプラズマエッチングされる前のウエハは、図４に示すように基板材料４０４(例えば、シリコン基板等)上に下地材料４０３(例えば、シリコン酸化膜等)が成膜され、さらにその上に、被エッチング材料４０２(例えば、ポリシリコン膜等）が成膜されている。また、リソグラフィ工程により予め所望の回路パターンがパターニングされたマスク材料４０１(例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、フォトレジスト膜等）が被エッチング材料４０２の上に成膜されている。
次に、本発明により図４に示すようなウエハにプラズマエッチングを行った時の断面形状を図５に示す。
本発明によるプラズマエッチング方法では、エッチングにより生成される反応生成物は、高周波バイアスのオフ時に被エッチング材料のパターン内部から排気されるため、下地材料４０３までエッチングが到達する。また、曲線３０３に示す通り、プラズマは高密度で維持されないため、活性ラジカルによるサイドエッチも発生しない。このため、図５に示す通り、被エッチング材料４０２はサイドエッチが無い所望の形状にエッチングすることができる。
また、マイクロ波電力の供給直後は、プラズマ密度が小さいため、ウエハに発生するＶｐｐが大きく(ｅ(Ｖ))、ウエハに入射するイオンのエネルギが大きいが、２周期目以降のプラズマ密度は、飽和密度ｃに近づいているため、過度的なＶｐｐの増加は抑制される。このため、Ｖｐｐが高い状態となっている時間はエッチング時間に比べて無視できるほど小さいため、マスク選択比の低下は最小限に抑制される。
このように、本発明は、高周波バイアス電力の変調用パルスのオン期間が常にマイクロ波電力の変調用パルスのオン期間に含まれるように高周波バイアス電力の変調用パルスとマイクロ波電力の変調用パルスを同期させるとともに、マイクロ波電力の変調用パルスの周波数を高周波バイアス電力の変調用パルスの周波数より高くしているため、Ｖｐｐの著しい増加を抑制することができ、これによりマスク選択比の低下を抑制できる。ここで、マスク選択比は、マスク材料４０１のエッチング速度に対する被エッチング材料４０２のエッチング速度の比とする。
また、本発明によりプラズマを高密度で維持しないため、望まないエッチング形状であるサイドエッチ等を抑制することができ、エッチング形状の高精度制御、半導体デバイスの生産効率を向上できる。
次に、本発明により上記の顕著な効果を奏することができる理由について説明する。
先ず、マイクロ波電力および高周波バイアス電力を時間変調しない場合、プラズマ密度は、図６の曲線６０３のようにマイクロ波電力を供給した直後からプラズマ密度は増加し、ある一定の時間後にプラズマ密度は飽和密度ｃとなる。この場合、マイクロ波電力は、図６の波形６０１のように時間によらず一定のａ(Ｗ)の電力とし、高周波バイアス電力も図６の波形６０２のように時間によらず一定のｂ(Ｗ)の電力とする。
また、マイクロ波の供給直後は、プラズマ密度が小さく、飽和密度ｃに達するまで一定の時間が必要なため、プラズマ自体のインピーダンス値が大きくなり、図６の曲線６０４のようにＶｐｐは、過度的にｅ(Ｖ)まで上昇する。その後、プラズマ密度が飽和するに従い、Ｖｐｐもｄ（Ｖ）に飽和する。
次に、マイクロ波電力および高周波バイアス電力を時間変調しないで図４に示すようなウエハをプラズマエッチングした時の断面形状を図７に示す。図７に示すように被エッチング材料４０２が所望の形状にエッチングされず、被エッチング材料４０２の側壁がテーパ形状となり、エッチングがストップした状態（エッチストップ）が発生する。
エッチング加工の微細化が加速し、被エッチング材料４０２の形状が高アスペクト化すると、エッチングにより生じた反応生成物が被エッチング材料のパターン内部から排気されず、被エッチング材料の側壁やパターン底へ堆積する。そのため、下地材料４０３までエッチングが進まず、エッチングがストップした状態（エッチストップ）となり、図７のような形状となる。
また、マイクロ波電力の供給直後は、プラズマ密度が小さいため、Ｖｐｐが大きくなり、ウエハに入射するイオンのエネルギも大きくなる。このため、マスク材料４０１の選択比を低下させるが、Ｖｐｐが高い状態となっている時間は、プラズマ密度が飽和するまでの過度的なものであり、エッチング時間に比べて無視できるほど小さいため、マスク選択比の低下は最小限に抑制できる。
次に、図７に示すようなエッチストップの形状を改善するために、マイクロ波電力は時間変調せずに高周波バイアス電力だけ時間変調した場合について説明する。この場合のプラズマ密度は、図８の曲線８０３のようにマイクロ波電力を供給した直後からプラズマ密度は増加し、ある一定の時間後にプラズマ密度は飽和密度ｃとなる。この場合、マイクロ波電力は、図８の波形８０１のように時間によらず一定のａ(Ｗ)の電力とし、高周波バイアス電力は図８の波形８０２のように振幅ｂのパルス波形にて変調されているものとする。
また、Ｖｐｐは、マイクロ波の供給直後は、プラズマ密度が小さく、プラズマ自体のインピーダンス値が大きいため、Ｖｐｐは、図８の曲線８０４のようにｅ(Ｖ)まで上昇し、プラズマ密度が飽和するに従って低下する。また、プラズマ密度が飽和した後である２周期目以降のＶｐｐは、波形８０２と同期した振幅ｄのパルス波形となる。
次に、マイクロ波電力を時間変調せずに高周波バイアス電力だけを時間変調しながら図４に示すようなウエハをプラズマエッチングした時の断面形状を図９に示す。図９に示すように被エッチング材料４０２が所望の形状にエッチングされず、被エッチング材料４０２の側壁がボーイング形状となっている。このボーイング形状は、以下の理由による。
エッチングにより生じた反応生成物は、高周波バイアス電力のオフ時に被エッチング材料のパターン内部から排気されるため、高アスペクト比パターン底部の堆積物が少なくなり、エッチストップすることなく、下地材料４０３までエッチングが到達する。しかし、図８の曲線８０３に示すように高周波バイアス電力がオフの時もプラズマ密度が高密度状態であるため、プラズマ中で生成された活性ラジカルによりサイドエッチが発生するためである。
また、マイクロ波電力の供給直後は、プラズマ密度が小さいため、Ｖｐｐが大きくなり、ウエハに入射するイオンのエネルギも大きくなる。このため、マスク材料４０１の選択比を低下させるが、Ｖｐｐが高い状態となっている時間は、プラズマ密度が飽和するまでの過度的なものであり、エッチング時間に比べて無視できるほど小さいため、マスク選択比の低下は最小限に抑制できる。
次に、図９に示すようなボーイング形状を改善するために、マイクロ波電力および高周波バイアス電力をそれぞれ時間変調した場合について説明する。この場合のプラズマ密度は、図１０の曲線１００３に示すようにマイクロ波電力の供給直後から増加してｆ(個／ｃｍ3)に到達後、マイクロ波電力のオフにより徐々に低下してアフターグローを形成する。その後、プラズマ密度は、ほぼ０(個／ｃｍ3)となり、次の周期のマイクロ波電力の供給によりプラズマ密度は再び増加する。
また、この場合、マイクロ波電力は、図１０の波形１００１のように振幅ａのパルス波形で変調され、高周波バイアス電力は、図１０の波形１００２のように振幅ｂのパルス波形にて変調され、高周波バイアス電力の変調用パルスは、マイクロ波の変調用パルスと同期しているものとする。
また、図１０の曲線１００３に示すようにマイクロ波の供給開始時のプラズマ密度は、毎周期０(個／ｃｍ3)であり、変調用パルスのオン期間中にプラズマ密度は飽和密度ｃまで達しない。このため、マイクロ波の変調用パルスがオンの期間中は、プラズマ自体のインピーダンス値は大きくなり、図１０の曲線１００４に示すようにＶｐｐは、毎周期、プラズマ密度が飽和密度ｃに達した後のＶｐｐであるｄ(Ｖ)と比較すると大きい。
次に、マイクロ波電力および高周波バイアス電力をそれぞれ時間変調しながら図４に示すようなウエハをプラズマエッチングした時の断面形状を図１１に示す。図１１に示すように被エッチング材料４０２は、ボーイングが改善された所望の形状にエッチングされる。これは、以下の理由による。
エッチングにより生成される反応生成物は、高周波バイアスがオフの時に被エッチング材料のパターン内部から排気されるため、下地材料４０３までエッチングが到達する。また、この高周波バイアスがオフの時は、曲線１００３に示すようにプラズマは高密度で維持されないため、活性ラジカルによるサイドエッチが発生しない。
しかし、変調用パルスの周期毎、ＲＦバイアス電力の印加時のＶｐｐが大きいため、ウエハに入射するイオンのエネルギが大きくなり、マスク材料４０１の選択比が低下する。
一方、本発明のマイクロ波電力の変調用パルスの周波数が高周波バイアス電力の変調用パルスの周波数より高いため、マイクロ波電力がオフ期間でもアフターグロー放電が維持される。このことにより、本発明のプラズマ密度は、飽和密度ｃに達し易くなり、高周波バイアス電力がオン期間のＶｐｐの増加を抑制できる。よって、本発明により、ボーイングが無い所望の形状を維持したまま、マスク材料４０１の選択比を改善できる。
つまり、本発明は、マイクロ波電力の変調用パルスの周波数を少なくともアフターグロー放電を維持できる周波数以上とするとともに高周波バイアス電力の変調用パルスの周波数をマイクロ波電力の変調用パルスの周波数より低くし、さらに高周波バイアス電力の変調用パルスのオン期間がマイクロ波電力の変調用パルスのオン期間内に含まれるようにすることである。
次に、上述した実施例以外の本発明に係る他の実施形態について、図１２を用いて説明する。図１２(Ａ)は、高周波バイアス電力の変調用パルス１２０２の周波数に対して、マイクロ波電力の変調用パルスの周波数１２０１を１０倍高くした場合を示す。また、この場合のマイクロ波電力の変調用パルスのオン期間は、高周波バイアス電力の変調用パルスのオン期間と同等にする。
このようにマイクロ波電力と高周波バイアス電力をそれぞれ変調させることによって、図３に示す実施例の場合よりＶｐｐを低下させることができ、マスク選択比をさらに向上させることができる。
次に、図３に示す実施例の場合からさらに高周波バイアス電力の変調用パルス１２０２のオン期間を短くした場合を図１２(Ｂ)に示す。この場合も図３に示す実施例の場合よりＶｐｐの印加時間を減少させることができ、マスク選択比をさらに向上させることができる。また、反応生成物がアスペクト比の高いパターンの底部から排気される時間を長くすることができるため、高アスペクト比パターン形状のエッチング形状制御を高精度に行うことができる。
次に、図１２(Ｂ)に示す実施例からさらに高周波バイアス電力の変調用パルス１２０２のオン期間にマイクロ波電力の変調用パルス１２０１のオン期間に対する遅れ時間を設けた場合を図１２(Ｃ)に示す。この場合、高周波バイアス電力の変調用パルスのオン期間にマイクロ波電力の変調用パルスのオン期間に対する遅れ時間を設けたことにより、遅れ時間だけ高周波バイアス電力を印加しないため、マイクロ波電力のオン直後のＶｐｐ増加を抑制することができ、マスク選択比をさらに向上させることができる。
次に、マイクロ波電力の変調用パルス１２０１のオン期間と高周波バイアス電力の変調用パルス１２０２のオン期間を同じにして同期させるとともにマイクロ波電力の変調用パルスの周波数と高周波バイアス電力の変調用パルスの周波数を同じにし、さらにマイクロ波電力の変調用パルスのオフ期間の値を０でない値とした場合を図１２(Ｄ)に示す。但し、この０でない値は、アフターグロー放電を維持できる値以上とし、活性ラジカルによるサイドエッチングが発生する値以下とする。
この場合、マイクロ波電力のオフ期間にアフターグロー放電を維持できるため、活性ラジカルによるサイドエッチを抑制できるとともにＶｐｐの増加も抑制でき、エッチング形状の高精度制御とマスク選択比向上を両立できる。
次に、図３に示す実施例の場合からさらに高周波バイアスの変調用パルス１２０２のオフ期間に高周波バイアスの変調パルスのオン期間の振幅より小さい振幅を有するオン期間を設けた場合を図１２(Ｅ)に示す。
図３と図１２(Ａ）ないし図１２（Ｄ）の場合、エッチングレートが低下する場合があるが、エッチングレート低下抑制のため、高周波バイアス電力の出力値増加または高周波バイアス電力の変調用パルスのオン期間を長くすると、Ｖｐｐの増加または、エッチストップの発生が考えられる。しかし、図１２(Ｅ)の手段を用いることにより、エッチングレートを維持しながら、Ｖｐｐの増加を抑制し、かつ高精度にエッチング形状を制御できる。
尚、上述した本実施例にて説明した、本発明に係るマイクロ波電力と高周波バイアス電力をそれぞれ時間変調する制御は、パルス発生装置１１８が具備する制御部(図示せず)にて行われる。
また、パルス発生装置１１８にてＶｐｐをモニタし、予め設定されたＶｐｐより高くなった場合、マイクロ波電源の変調用パルスの周波数を高くし、予め設定されたＶｐｐより低くすることが可能である。
例えば、マスク材料４０１をシリコン窒化膜、被エッチング材料４０２をポリシリコン膜とし、エッチングガスをＨＢｒガスとＯ2の混合ガスとした場合、Ｖｐｐが５００Ｖを越えるとマスク選択比が低下するため、Ｖｐｐをモニタし、５００ＶよりＶｐｐが高くなった場合、フィードバック制御によりマイクロ波電源の変調用パルスの周波数を上昇させ、５００Ｖより低くすることができる。
つまり、パルス発生装置１１８によりＶｐｐをモニタすることによって，Ｖｐｐの著しい増加を抑制し、エッチング選択比の改善やエッチング形状の高精度な加工を実現し、半導体デバイスの生産効率を向上できる。
また、上述した本実施例では、マイクロ波ＥＣＲ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｃｅ)放電を利用したプラズマエッチング装置を用いた例にて説明したが、有磁場ＵＨＦ(Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ)放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、トランスファー・カップルド放電等を利用したプラズマエッチング装置に本発明を適用しても本発明と同様の効果を得ることができる。
尚、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
１０１・・・真空容器、１０２・・・シャワープレート、１０３・・・誘電体窓、１０４・・・処理室、１０５・・・カバーリング、１０６・・・真空排気口、１０７・・・導波管、１０８・・・真空排気装置、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・・・高周波電源、１１５・・・高周波フィルター、１１６・・・直流電源、１１７・・・ガス供給装置、１１８・・・パルス発生装置、４０１・・・マスク材料、４０２・・・被エッチング材料、４０３・・・下地材料、４０４・・・基板材料

Claims (10)

  1. 試料をプラズマ処理する処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を前記処理室内に供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調させる第一のパルスと前記第二の高周波電力を時間変調させる第二のパルスを発生させるパルス発生装置と、を備えるプラズマ処理装置において、
    前記パルス発生装置は、前記第一のパルスの周波数を前記第二のパルスの周波数より高くするとともに前記第二のパルスのオン期間が前記第一のパルスのオン期間内に含まれるように前記第一のパルスと前記第二のパルスを制御する制御部を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記第一のパルスの周波数は、アフターグロー放電を維持できる周波数とすることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記第二のパルスのオン期間は、前記第一のパルスのオン期間より短いことを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、
    前記第二のパルスのオン期間は、前記第一のパルスのオン期間に対して遅延時間が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
    前記パルス発生装置は、前記第二の高周波電源から前記試料台に印加された高周波電圧のピークトウピーク電圧であるＶｐｐをモニタし、予め設定された値よりモニタされたＶｐｐが高くなった場合に前記第一のパルスの周波数を高くして前記予め設定された値より前記モニタされたＶｐｐを低くすることを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 試料をプラズマ処理する処理室と、プラズマ生成用の第一の高周波電力を前記処理室内に供給する第一の高周波電源と、前記試料を載置する試料台に第二の高周波電力を供給する第二の高周波電源と、前記第一の高周波電力を時間変調させる第一のパルスと前記第二の高周波電力を時間変調させる第二のパルスを発生させるパルス発生装置と、を備えるプラズマ処理装置を用いて前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
    前記第一のパルスにより時間変調されたプラズマを用いて前記第二のパルスにより時間変調された高周波電力を前記試料台に供給しながら前記試料をプラズマ処理し、
    前記第一のパルスの周波数は、前記第二のパルスの周波数より高くされるとともに前記第二のパルスのオン期間が前記第一のパルスのオン期間内に含まれるようにすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  7. 請求項６記載のプラズマ処理方法において、
    前記第一のパルスの周波数は、アフターグロー放電を維持できる周波数とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 請求項６記載のプラズマ処理方法において、
    前記第二のパルスのオン期間は、前記第一のパルスのオン期間より短いことを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. 請求項８記載のプラズマ処理方法において、
    前記第二のパルスのオン期間は、前記第一のパルスのオン期間に対して遅延時間が設けられていることを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. 請求項６記載のプラズマ処理方法において、
    前記第二の高周波電源から前記試料台に印加された高周波電圧のピークトウピーク電圧であるＶｐｐを前記パルス発生装置でモニタし、予め設定された値よりモニタされたＶｐｐが高くなった場合に前記第一のパルスの周波数を高くして前記予め設定された値より前記モニタされたＶｐｐを低くすることを特徴とするプラズマ処理方法。
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