JP2016162795A - 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】試料の処理の均一性及び歩留まりを向上させた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】真空容器内部の処理室内に配置された試料台と、当該試料台の内側で中心側の部分とその外周側部分に配置され高周波電力が供給される電極とを備え、前記試料台上面に載置したウエハを当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力は各々が振幅が所定の周期で大小を繰り返すものであって、前記高周波電力各々の振幅の大きな期間の長さまたは当該期間の長さとその周期に対する比率を異なる値に調節する制御装置とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空容器内部の処理室とその内側に配置され半導体ウエハ等の基板状の試料がその上面上に載置される試料台とを備え、当該処理室内に形成したプラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に係り、プラズマを形成しつつ試料台の内部に配置された電極に高周波電力を供給して試料の処理を実施するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に関する。
半導体デバイスの製造工程では、一般に上記のプラズマ処理装置を用いた試料のエッチング処理、所謂ドライエッチングが行われている。このような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。従来から、このようなプラズマ処理装置は、真空容器内部に配置された処理用の空間である処理室と、真空容器に接続され処理室内と連通されて処理用のガス等を処理室に供給する経路を含めたガス供給装置と、処理室内を排気してその圧力を処理に適した所望の範囲内の値に調節するターボ分子ポンプ等の真空ポンプを含む真空排気装置と、半導体ウエハ等の基板状の試料をその上面に配置された誘電体膜上に載置する試料台である下部電極と、処理室内にプラズマを発生させるために供給される電界や磁界を発生する手段を有するプラズマ生成部などから構成されている。
試料台の上面上に試料が載せられて保持された状態で、当該発生手段により供給された電界または磁界が、処理室の天井を構成するシャワープレート等のガス供給口から処理室内に供給された処理ガスを励起させてプラズマ状態とすることで、処理室内の試料台上方の空間にプラズマが形成される。この状態で、試料台の内部に配置されて高周波電源と電気的に接続された金属製の円板または円筒形の電極に高周波電力（Radio Frequency: RF）が接続されて、試料上方にプラズマの電位に応じたバイアス電位が形成され、プラズマ中の荷電粒子を試料上面に誘引して衝突させ、試料上面に予め配置されたマスクと処理対象の膜層とを含む膜構造のエッチング処理が開始される。
近年の半導体製造工程においては光リソグラフィーによる微細化限界が近づいており、多重露光やスペーサパターニング等のプロセスが主流になりつつある。このような多重露光やSADP（Self Aligned Double Patterning）に代表されるスペーサパターニングプロセスではエッチング工程が増加している。
各エッチング工程で生じるウエハ面内でのわずかなエッチング性能の均一性低下が、エッチング工程が増加することで積算され、その工程数の増加に伴い、わずかなウエハ面内の均一性低下も許容することが難しくなってきている。よって最先端ロジックを代表とする半導体製造工程、特にFEOL（Front End Of Line）工程では、エッチング性能のウエハ面内均一性の高精度制御が求められている。具体的には、ウエハ面内のエッチング深さやCDの分布制御、凸分布から凹分布への制御等の自由度の高い制御性が必要となる。
例えばSiN膜のエッチングプロセスにおいては、ウエハの中心部に分布する高濃度の反応生成物によりエッチングが阻害されることで、ウエハ中心部でエッチングレートが低く、ウエハ外周部ではエッチングレートが高くなり、ウエハ面内のエッチングレートが径方向に対して凹分布になる結果が得られる場合がある。またPoly-Si膜等のエッチングプロセスにおいては、プラズマ密度がリアクタの中心付近で最も高く、リアクタ内壁に近づくに従って徐々に低下する不均一な分布をとることにより、それに起因してウエハ中心部でエッチングレートが高く、ウエハ外周部ではエッチングレートが低くなり、ウエハ面内のエッチングレートが径方向に対して凸分布になる結果が得られることがある。
このようなエッチングレートのウエハ面内での均一性不足を解決するため、従来は処理ガスの種類や圧力などのエッチングレシピの条件検索、条件最適化によって、エッチングレート均一化が行われてきた。これにはエッチングレシピの条件検索に伴う評価回数の増大やそのための時間やコストが多大となることが課題となっている。
また、プラズマ特性を変化させるため、プラズマを生成する高周波の電力やプラズマ分布を制御する磁場条件といったパラメータを変化させると、プラズマ分布だけでなくプラズマ特性とくに、ラジカル密度や分布、プラズマ密度や分布、イオン量の変化に伴うウエハ温度等が同時に変化してしまうといった相互パラメータの複雑な相関性が存在する。このために、従来の装置では、エッチング材料選択比とエッチングレートの均一性を両立するプロセス構築がしばしば困難となっていた。
このような問題に対してエッチングレートの均一性を向上させる技術としては、従来より特開2008-244063号公報（特許文献１）等に開示のものが知られている。特許文献１には、試料であるウエハを載置する試料台が、その上面方向について分割された複数の電極とRFバイアス電源の間に接続した可変インピーダンスにより、ウエハ面内のバイアス形成用のRF電力（RFバイアス電力）の電流の大きさを調節することで、エッチングの均一性を実現することが記載されている。
また、特開2002-141340号公報（特許文献２）、特開2001-319920号公報（特許文献３）にも、ウエハ面内あるいは下部電極の上面方向について、バイアス電位形成用の高周波の電流を調整する技術が開示されている。特許文献２は、試料台内部であって試料載置面の外周側でこれを囲んで配置され可変インピーダンス素子を介して設置された電極にRFバイアス電源からバイアス電流を漏洩させることで、バイアス電位によりプラズマ中の電子等荷電粒子が誘引されたことによる試料へのチャージングダメージの生起を抑制し歩留まりの低下の防止するものである。また、特許文献３には、下部電極を載置面の半径方向に複数の区間に分割して配置し、それぞれが可変インピーダンス素子をその上に備えたバイアス電力の供給回路と接続された構成として、試料であるウエハに入射するイオンエネルギーがウエハの面内方向について均一となるように可変インピーダンス値を調節することで、ウエハのチャージングダメージの発生の抑制を図るものである。
特開2008-244063号公報 特開2002-141340号公報 特開2001-319920号公報
上記従来技術では以下の点について、考慮が不十分であったため問題が生じていた。すなわち、上記特許文献では、ウエハ面内のエッチング性能を均一性の向上には改善が認められるものの不十分であることが判った。
まず、特許文献１乃至３に開示の構成では、可変インピーダンス素子の値の調節によりイオンエネルギーを所望のものにする技術では、エッチングレートの試料の面内方向について不均一の抑制はできるもののイオンエネルギーそのものを調節していることから、不均一を抑制した結果ウエハに入射するイオンエネルギーがエッチング処理の進行する度合い、例えばエッチング速度にも影響を与えてしまいこれが不足もしくは過剰になってしまう場合がある。例えば、イオンエネルギーがエッチングの進行が生起する閾値より不足している場合には、所望の深さまでエッチングが進まずエッチストップと呼ばれる問題が生じる。
また、イオンエネルギー値が大き過ぎる場合には、適正な当該エネルギー値での処理が実行されると仮定されて予め設定されたエッチング処理条件で処理しても所期の深さ以上にエッチングが進行してしまったり、エッチングの選択比が低下してエッチングが下地まで抜けたりやマスク膜厚が不足して削れ過ぎてしまったりする。この結果、試料の処理後のCD値が許容範囲から外れ処理の歩留まりが低下するという問題が生じてしまう。
以上のように、イオンエネルギーのウエハ面内分布制御は、イオンエネルギーがエッチング閾値に対して十分に高く、かつ過剰なエッチング性能となる閾値を超えない範囲内においては、ウエハ面内均一性を得ることが期待できるが、その範囲外においてはエッチストップやオーバーエッチなど、かえって歩留まりの低下を引き起こす可能性があり、適用範囲に限界がある。
また、近年の多重露光等のマルチステップ工程の増加によりそのイオンエネルギー制御が可能な範囲が年々縮小されており、上記の従来技術ではウエハの面内方向について処理の不均一を求められる範囲内にすることが困難となってきている。このように、従来技術では、内部パラメータ間の相関性のためプロセス設計がしばしば困難であった。また、特許文献開示の技術では、上述のようにイオンエネルギーの不足もしくは過剰によるエッチストップやオーバーエッチが生じ、面内のエッチングレートやエッチング後のパターン形状の均一性が低下し、歩留まりが悪化してしまう課題がある。
また、SiNのエッチングプロセスでは、ウエハ中心部の反応生成物濃度が高くなることでウエハ中心部のエッチングが阻害され、エッチングレートが径方向に対して凹型となり、エッチングレートが面内で不均一となることや、過剰な反応生成物によるエッチストップ等の問題が生じることが知られている。特許文献では、ウエハ面内方向についてのイオンの引き込みエネルギー分布を制御することによりエッチングレートを均一しようとするものであるが、上記のSiNプロセスのような、反応生成物によりエッチングが律速されているプロセスを調節して所期の加工寸法とその分布を得ることは困難であることが判った。そして、このような処理においてウエハ面内方向のエッチングレートを均一に近付けるためには、ウエハの面内方向についてのイオンエネルギーの分布を制御するだけでなく、ウエハの面内方向について反応生成物濃度の分布を制御することが必要であることが、発明者らの検討により知見として得られた。
本発明の目的は、試料の処理の均一性及び歩留まりを向上させた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にある。
上記の目的は、真空容器内部の処理室内に配置された試料台と、当該試料台の内側で中心側の部分とその外周側部分に配置され高周波電力が供給される電極とを備え、前記試料台上面に載置したウエハを当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力各々は振幅が所定の周期で大小を繰り返すものであって、前記高周波電力各々の振幅の大きな期間の長さまたは当該期間の長さとその周期に対する比率を異なる値に調節する制御装置とを備えたプラズマ処理装置により達成される。
本発明によれば、ウエハの中心部から外周部でのエッチングレートの均一性が改善し、特にウエハの全面において半導体デバイスの電気的特性や性能がばらつかず、歩留まりを向上させるという効果がある。またエッチング形状をウエハ面内で高精度に制御でき、ウエハ面内での半導体デバイスの電気的特性や性能がばらつくことなく、歩留まりを向上させるという効果がある。
本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例のウエハ載置用電極の構成を拡大して模式的に示す図である。 図１に示す実施例の膜厚モニタによる膜厚さの検出の構成を模式的に示す。 図１に示すプラズマ処理装置のウエハの面内方向についてのエッチングレートの分布の一例を模式的に示すグラフである。 図４に示す処理の条件におけるウエハの面内方向のエッチング深さのエッチング時間依存性を模式的に示すグラフである。 図１に示す実施例においてウエハ載置用電極内の電極に供給する高周波電力の値の例を模式的に示すグラフである。 図６に示す実施例においてウエハ載置用電極内の電極に高周波電力が供給された場合のエッチング処理の結果を模式的に示すグラフである。 図１に示す実施例においてRF基板バイアス電力を間欠出力する場合のRF基板バイアス電力のDutyの依存性を模式的に示すグラフである。 図８に示されるDutyの設定に基づいてタイミングコントローラから出力されたパルス波形または方形波形と内側電極および外側電極に供給されるRF基板バイアス電力の波形との例を示すグラフである。 ウエハの半径方向についての処理の特性が凹型となる場合のウエハ面内のエッチングレートの一例を模式的に示すグラフである。 図１０の例においてウエハの面内方向についてのエッチング深さの値のRF基板バイアス電力の値に対する相関を模式的に示すグラフである。 図１０に示す例においてウエハの半径方向についてのエッチングレートとRF基板バイアス電力との相関に基づいて内側電極に供給するRF基板バイアス電力の値と外側電極に供給するRF基板バイアス電力との設定の例を示すグラフである。 図１２に示す設定に基づいて処理する場合のエッチング深さとエッチング時間との相関を模式的に示すグラフである。 RF基板バイアス電力間欠電力出力する場合のRF基板バイアス電力の時間の平均値とDutyとの依存性を模式的に示すグラフである。 図１４に示されるDutyの設定に基づいてタイミングコントローラから出力されたパルス波形または方形波形と内側電極および外側電極に供給されるRF基板バイアス電力の波形との例を示すグラフである。 図１に示す実施例においてウエハの半径方向についての反応生成物の排気量速度の分布を模式的に示すグラフである。 図１６に示す例においてウエハの半径方向についての反応生成物の濃度の分布を模式的に示すグラフである。 図１の実施例のプラズマ処理装置おいてウエハ載置用電極の半径方向について値及び分布を調節して供給されるRF基板バイアス電力の別の例を示すグラフである。 図１に示す実施例において膜厚モニタからの出力を用いてウエハ載置用電極の内側の領域と外側の領域とへのRF基板バイアス電力のDutyを調節する場合のウエハのエッチングレートとRF基板バイアス電力の時間平均値の関係を模式的に示すグラフである。 図１９に示す例においてエッチング時間の推移に対するエッチング深さの変化の例を示すグラフである。 図１に示した実施例において実施される図１９，２０に示されたエッチング処理の動作の調節の流れを示すフローチャートである。 本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理装置において、パルスプラズマを用いてウエハの面内方向において異なる位置または領域に配置された複数の電極に異なる位相のRF基板バイアス電力を供給してウエハを処理する場合のプラズマ形成用の電力及びRF基板バイアス電力のタイムチャート及び当該処理の結果を示す表である。 図２２に示す実施例の変形例におけるプラズマ形成用の電力及びRF基板バイアス電力のタイムチャート及び当該処理の結果を示す表である。 図２２に示す実施例の別の変形例におけるプラズマ形成用の電力及びRF基板バイアス電力のタイムチャート及び当該処理の結果を示す表である。 図２２に示す実施例の別の変形例におけるプラズマ形成用の電力及びRF基板バイアス電力のタイムチャートである。ウエハ面内での基板バイアス電源出力チャート 図２２に示す実施例の別の変形例におけるプラズマ形成用の電力及びRF基板バイアス電力のタイムチャート及び当該処理の結果を示す縦断面図である
本発明の実施の形態について図面を用いて以下説明する。
以下、本発明の実施例を図１乃至２１を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本例のプラズマ処理装置は真空容器内部の処理室内でその内部の試料台上面上に載せられ静電吸着されて保持された半導体ウエハ等の試料を処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理する装置であって、プラズマを形成する電界としてマイクロ波を用いこれと磁界との相互作用による電子サイクロトロン共鳴により処理室内のガスを励起してプラズマ化するマイクロ波ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）エッチング装置である。
本実施例のプラズマ処理装置は、内部に円筒形状の処理室１０６を有し上部が開放された円筒形状を備えた真空容器１０１の上部上端上方に、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１０５（例えば石英製）が載せられる。誘電体窓１０５の外周縁部下面と真空容器１０１の円筒形の側壁上端部の上面とが対向してＯリング等のシール手段を挟んで連結することで内側が外側に対して気密に封止された処理室１０６が形成される。
真空容器１０１の上部の誘電体窓１０５の下方には、真空容器１０１内の処理室１０６の天井面を構成してその内部にエッチング用のガスを導入するための複数の貫通孔が配置され円板形状を有して電界が透過可能な材料（例えば石英製）で構成されたシャワープレート１０４が配置される。また、本実施例では、シャワープレート１０４と誘電体窓１０５との間には隙間が配置され、当該隙間にはエッチング用のガスを流すためのガス供給装置１０７が連結され、これから供給されたエッチングガスは隙間内に導入されて内部で拡散した後シャワープレート１０４の貫通孔から処理室１０６内に上方から導入されるように構成されている。
また、真空容器１０１の下部には処理室１０６の底部と連通した真空排気口が配置され、これと連通するようにターボ分子ポンプ等に真空ポンプを含む真空排気装置が真空容器１０１と連結されている。本例のプラズマ処理装置は、真空容器１０１内の処理室１０６の圧力は、シャワープレート１０４を介して供給されるガスの流量、速度と真空排気口から排気される排気の流量、速度とのバランスにより調節される構成である。
さらに、プラズマを生成するための電力を処理室１０６に伝送するため、本例の誘電体窓１０５の上方には電源から発生したプラズマ形成のための電界が内部を伝播する導波管１０８が配置されている。電界の周波数によっては、電源とケーブル等を介して接続された円板状のアンテナが配置される。導波管１０８（またはアンテナ）へ伝送される電界は電界発生用電源１０９から発振させる。電界の周波数は特に限定されるものではないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波が用いられる。
また、本実施例では、プラズマを所定の周期毎及び期間で間欠的に形成して試料の処理を実施可能とするため、電界発生用電源１０９にはパルス変調用信号発生器１１２が接続されている。さらに、処理室１０６の外周を囲む真空容器１０１０の側壁の外側にはこれを囲んで、磁界を形成するための磁場発生コイル１１０（ソレノイドコイル）が配置されている。
処理室１０６の下部には、その上面にウエハが載置されて保持される円筒形状を有したウエハ載置用電極１０３が誘電体窓１０５またはシャワープレート１０４にその上面を対向させて設けられる。ウエハ載置用電極１０３は内部に配置され円筒形を有した金属製の基材を有しその上面には誘電体材料を溶射して形成された誘電体製の膜（図示省略）が当該上面を被覆して配置されている。
誘電体製の膜（誘電体膜）の内部には金属製の膜状の電極が内蔵されて配置され、当該電極には高周波フィルタ回路１１５を介して直流電源１１６が接続されている。さらに、ウエハ載置用電極１０３には、後述するように内部の電極にマッチング回路１１３を介してRF基板バイアス電源１１４が接続される。
真空容器１０１の側壁に連結された図示しない別の真空容器であって内部の減圧された空間を当該内部に配置された搬送用のロボットのアーム上に載せられて搬送され、アームが伸長して処理室１０６内に搬送されたウエハ１０２は、ウエハ載置用電極１０３に受け渡されてその上面に載せられる。誘電体膜内の電極に直流電源１１６から印加される直流電圧により誘電体膜上面とウエハ１０２下面との間に形成された静電気力によってウエハ１０２が誘電体膜上面に吸着されて保持される。
この状態で、処理室１０６内に処理用のエッチングガスがシャワープレート１０４の貫通孔から供給され、内部が処理に適した所定の圧力にされたことが検出されると、電界発生用電源１０９により発振された所定の周波数の電界が導波管１０８を伝播して処理室１０６内に導入され、磁場発生コイル１１０から供給された磁界との相互作用によりガスが励起され処理室１０６内に高密度のプラズマ１１１が形成される。ウエハ載置用電極１０３に接続されたRF基板バイアス電源１１４から高周波電力が印加されることにより、プラズマ１１１の電位に応じてウエハ１０２上面上方にバイアス電位が形成され、電位差によりプラズマ１１１内部のイオン等の荷電粒子がウエハ１０２上面に誘引されて上面の膜構造の処理対象の膜がエッチング処理される。
図２を用いて、本実施例のウエハ載置用電極の構成についてより詳細に説明する。図２は、図１に示す実施例のウエハ載置用電極の構成を拡大して模式的に示す図である。
本図では、ウエハ載置用電極１０３のうち、その上面を構成する誘電体膜２０１と、誘電体膜２０１内に配置された膜状の電極であって中央側に配置された内側電極２０２およびその外周側に配置されたリング状の外側電極２０３と、これらと電気的に接続されウエハ１０２にイオンを引き込む高周波電力を供給するRF基板バイアス電源２０７及びこれらに電気的に接続されて電力の供給を調節する制御回路とを抽出して模式的に示している。
本例においては、RF基板バイアス電源２０７からの高周波（RF）電力は２つ分岐されて各々が内側電極２０２及び外側電極２０３とに供給される構成を備えている。また、これらの電極は、ウエハ１０２の上方から見て、その中央側の領域とその外周側のリング状の領域とにウエハ１０２の半径方向についてその面積が等しいかこれと見做せる程度に近似した値を有するように誘電体膜２０１内に配置されている。
なお、これらの電極は単一でなくとも良く複数の膜状の電極の集合で構成されていても良い。また、内側電極２０２と外側電極２０３との各々は高周波フィルタ回路１１５を介して直流電源１１６と電気的に接続されており、これら各々に極性の異なる直流電圧が印加されることで、誘電体膜２０１内に蓄積された電荷により形成された静電気力によってウエハ１０２を当該膜上面に向って吸着させ、ウエハ載置用電極１０３上にウエハ１０２を保持している。図２では、内側電極２０２、外側電極２０３に接続されるそれぞれ２つの直流電源については図示を省略してある。
本実施例では、制御装置により内側電極２０２への電力の供給を調節されることでその上方に位置するウエハ１０２の中心部での、外側電極２０３への電力の供給を調節されることでその上方のウエハ１０２の外周部でのエッチング処理の特性が調節される。分岐させたRF基板バイアス電源２０７からの高周波電力は、整合器（図上M.B.）を介して、それぞれが内側と外側のESC膜に高周波電力を伝送させるようにON/OFFとの間で切り替えが実施される電気式高速リレー２０４，２０５とに接続されている。
また、電気式高速リレー２０４，２０５は、これらを所定の周期と周期とでONまたはOFFさせるための方形波またはパルス状の信号を各々に発信するタイミングコントローラ２０６と電気的に接続されている。また、内側電極２０２、外側電極２０３へのバイアス電力の間欠的な印加を実施するため、RF基板バイアス電源２０７にはパルス変調用信号発生器２０８が接続されてもよい。
また、本実施例のプラズマ処理装置の真空容器１０１には、円板形状を有したウエハ１０２の中心とおよび外周側の所定の位置の膜構造における処理中の膜の厚さを検出するための検出器である膜厚モニタ３０１，３０２が誘電体窓１０５上方に配置されている。図３に、これら膜厚モニタ３０１，３０２による膜厚さの検出の構成を模式的に示す。
本例において、膜厚モニタ３０１，３０２は光学的な検知器を有し、これらがウエハ１０２の円形の中心部３０３の特定の箇所とその外側のリング状の外周部３０４の特定の箇所とからの光を検知した結果を各々出力する。出力の結果は、ケーブル或いは通信回路やネットワーク等の通信手段を介して接続された図示しない制御装置に送信され、制御装置が膜構造の処理対象の残り膜厚さ或いは溝または孔の深さを検出し、これに基づいてプラズマ処理装置の動作あるいは処理の条件を調節する。
本実施例のプラズマ処理装置は、ウエハ１０２の面内方向についてRF基板バイアス電力を印加する時間の値を可変に調節する、またはRF基板バイアス電源１１４または２０７のONとOFFとの期間の周期と比率（Duty）の調節及び膜厚モニタからの出力に基づいてRF基板バイアス電源１１４または２０７のDutyを調節することにより、ウエハ１０２の面内方向についてのエッチング処理の不均一を抑制している。
本実施例では、RF基板バイアス電力を内側電極２０２、外側電極２０３の各々に印加する時間は、RF基板バイアス電力の制御パラメータであるDutyをタイミングコントローラ２０６またはパルス変調用信号発生器２０８を用いて増減することで調節する。すなわち、タイミングコントローラ２０６からの所定の周期、期間で増減する２つのパルス波または方形波の信号の値に応じて電気式高速リレー２０４，２０５の各々がバイアス電力の給電経路を接続（ON）と非接続（OFF）との間で切り替えられ、あるいはパルス変調用信号発生器２０８からの所定の周期、期間で増減する２つのパルス波または方形波の信号が重畳されてその信号の値に応じてRF基板バイアス電源１１４または２０７の出力は高出力値（ON）と低出力または０（OFF）との間で切り替えられる。
このように、本実施例のRF基板バイアス電源１１４または２０７から供給される電力は、特定の周波数の高周波電力の出力に対してタイミングコントローラ２０６またはパルス変調用信号発生器２０８によって調節された値のONとOFFとの周期と期間の方形波またはパルス波が重畳され当該ONとOFFとの各々の時刻において当該特定周波数の高周波電力の振幅が２つの値に増減するものとなる。結果として内側電極２０２と外側電極２０３とに供給される高周波電力、例えば電圧の波形は、RF基板バイアス電源１１４または２０７が発生する高周波電力の周波数と特定の大きな振幅を有したONの第１の期間とこれに続く同じ周波数で特定の小さな振幅または振幅が０となるOFFの第２の期間とが所定の周期で繰り返されるものとなる。OFF期間で振幅が０となる場合には高周波電力は間欠的に供給されることになる。
本実施例では、RF基板バイアス電源１１４または２０７が発生する高周波電力のこのような波形の調節を時間変調と呼ぶ。またDutyは、RF基板バイアス電源１１４または２０７からの出力を時間変調（またはパルス変調）する際に用いられるパラメータ指標である。
タイミングコントローラ２０６またはパルス変調用信号発生器２０８において、RF基板バイアス電源１１４または２０７の出力が間欠的となる場合には間欠の周期である周波数が設定される。本実施例においてDutyは、タイミングコントローラ２０６またはパルス変調用信号発生器２０８が出力する方形波またはパルス波の周波数の１周期におけるRF基板バイアス電源１１４または２０７からのRF基板バイアス電力のONとなる時間の割合として設定される。
次に、本実施例におけるウエハ１０２の面内方向についてのエッチング処理の分布の調節について図４乃至１５を用いて説明する。図４は、図１に示すプラズマ処理装置のウエハの面内方向についてのエッチングレートの分布の一例を模式的に示すグラフである。本図では、ウエハ１０２の中央部の領域でのエッチングレートが外周側の領域でのものより大きい場合、つまり面内方向についてのエッチングレート（処理速度）が凸分布となる場合が示されており、これらのエッチングレートはRF基板バイアス電力の値に対して比例する依存性を示している。
図４に示すようなウエハ面内のエッチングレート分布を持ったウエハ１０２の処理対象の膜を処理するプロセスの条件において、RF基板バイアス電力を所定の値、例えばX０[W]に設定した場合、ウエハ１０２の面内方向のエッチング深さのエッチング時間依存性を図５に示す。図５は、図４に示す処理の条件におけるウエハ１０２の面内方向のエッチング深さのエッチング時間依存性を模式的に示すグラフである。
本図に示されるように、RF基板バイアス電力をX0[W]と設定すると、ウエハ１０２の中心部のエッチング深さが深く、ウエハ１０２の外周部のエッチング深さが浅くなり、ウエハ面内のエッチング深さ均一性が不足するという問題が生じる。一方で、従来技術によるプラズマ処理装置では、ウエハ１０２の面内方向についてウエハ１０２に印加するRF基板バイアス電力を変化させることができないが、本実施例ではウエハ面内でウエハに印加するRF基板バイアス電力を制御できる。
そこで、図６に、本実施例におけるウエハ１０２の面内方向についてウエハ１０２に印加するRF基板バイアス電力の分布を調節した例を示す。図６は、図１に示す実施例においてウエハ載置用電極内の電極に供給する高周波電力の値の例を模式的に示すグラフである。
本図に示すとおり、ウエハ１０２の面内方向についてエッチングレートが均一となるように、内側電極２０２と外側電極２０３とに供給する高周波電力の値をウエハの面内方向についての変化させている。すなわち、制御装置においてウエハ１０２の中心部のRF基板バイアス電力がX1[W]に設定され、ウエハ外周部のRF基板バイアス電力がY1[W]に設定され、各々内側電極２０２、外側電極２０３に供給される。これによりウエハ１０２の中心部とウエハ１０２の外周部とのエッチングレートの差が低減されて処理結果の不均一さが抑制される。
図６で設定したRF基板バイアス電力を用いてエッチングした場合のウエハ面内のエッチング深さの時間依存性を図７に示す。図７は、図６に示す実施例においてウエハ載置用電極内の電極に高周波電力が供給された場合のエッチング処理の結果を模式的に示すグラフである。
本図に示すように、図６のようにウエハ１０２の面内方向についてバイアス電位形成用の高周波電力を分布させることで、ウエハ１０２の面内方向についてのエッチングレートの不均一さが抑制され、エッチング深さの均一性が向上する。このように、ウエハ１０２の面内方向についての処理の特性が凸分布となるようなプロセスにおいて、内側電極２０２、外側電極２０３の各々へのRF基板バイアス電源からの出力を調節して分布を所望のものにすることで、当該処理の特性をウエハ１０２の面内方向について所期のものに近付けることができる。
さらに、制御装置が、図４に示すような予め取得されRF基板バイアス電力の値と処理の特性、例えばエッチングレートとの関係を記憶したデータを参照しこれに基づいて、エハ１０２の中心部と外周部とで所望の処理の特性、結果、例えばエッチングレートが得られるような値に当該中心部と外周部とに供給するRF基板バイアス電力を調節して処理を行う。これにより、たとえば図７のように、ウエハ１０２の面内方向について不均一さが低減したエッチング深さを得ることができる。
本例においては、RF基板バイアス電力は、Duty（ON及びOFFの周期と期間あるいはその比率）の値と平均バイアス電力との関係に基づいて、制御装置からの指令信号を受けた図示されないタイミングコントローラ２０６によって調節される。図８に、RF基板バイアス電力を間欠出力する場合のRF基板バイアス電力のDutyの依存性を示す。図８は、図１に示す実施例においてRF基板バイアス電力を間欠出力する場合のRF基板バイアス電力のDutyの依存性を模式的に示すグラフである。
本例では、図６で示したウエハ１０２のRF基板バイアス電力であるウエハ１０２中央側部分に対応する内側電極２０２に供給される出力電力X1[W]とウエハ１０２の外周部に対応する外側電極２０３に供給される出力電力Y1[W]が、タイミングコントローラ２０６の発信する方形波またはパルス波のONとOFFとの比率で調節され、これらに対応するウエハ１０２の面内方向についての異なる領域でのON/OFFのDutyとしてそれぞれX1[％]、Y1[％]に設定される。図８の場合のパルス波の信号及び印加されるRF基板バイアス電力を図９に示す。
図９は、図８に示されるDutyの設定に基づいてタイミングコントローラから出力されたパルス波形または方形波形と内側電極および外側電極に供給されるRF基板バイアス電力の波形との例を示すグラフである。本図に示すように、図８の例では、内側電極２０２に供給されるRF基板バイアス電力は、RF基板バイアス電源１１４または２０７からの所定の周波数の高周波電力にタイミングコントローラ２０６の内側向けの出力端部から供給されるDuty X1[％]の方形波またはパルス波である内側パルスが重畳され、電力の電圧の波形は当該内側パルスのONの期間のみ所定の振幅及び周波数の高周波電力が出力されOFFの期間では振幅が０となる間欠的な波形を有したものとなる。
また、外側電極２０３に供給されるRF基板バイアス電力は、RF基板バイアス電源１１４または２０７からの所定の周波数の高周波電力にタイミングコントローラ２０６の外側向けの出力端部から供給されるDuty Y1[％]の方形波またはパルス波である外側パルスが重畳され、電力の電圧の波形は当該外側パルスのONの期間のみ所定の振幅及び周波数の高周波電力が出力されOFFの期間では振幅が０となる間欠的な波形を有したものとなる。本例では、図８に示すように外側パルスのDuty Y1の値が内側パルスの値 X1より大きく設定されており、これは図９においてこれらのパルス波形は外側パルスの方が共通の繰り返しの周期に対するONとなる期間の割合（Duty比）が内側パルスのものより大きくなっていることからも判る。
このような波形のRF基板バイアス電力を内側電極２０２、外側電極２０３の各々に供給することで、それぞれの電極上に形成されるRF基板バイアス電圧の波形は、これらのRF基板バイアス電力のものに準じたものとなるとともに、その時間的な平均値は、共通のRF基板バイアス電源１１４または２０７からの所定の周波数の高周波電力とパルス波形のONの期間のパルス周期に対する比率（Duty比）の値との乗積に比例したものとなる。結果として、外側電極２０３に供給されるRF基板バイアス電力の電圧の平均的な値は内側電極２０２に供給されるものより大きいものとなり、プラズマ１１１中から誘引される荷電粒子の時間的に平均した量はウエハ１０２の外側電極２０３に対応した外側の領域の方が内側電極２０２に対応した中央側の領域より大きいものとなる。
このようなウエハ１０２半径方向について間欠的に供給されるRF基板バイアス電力の大きさを中央部の領域と外周部の領域とで可変に調節することで、ウエハ１０２の膜構造のエッチングレートやエッチング深さ等の処理の特性をウエハ１０２の半径方向について変化させて所望の分布に近付けることができる。このことにより、ウエハ１０２の半径方向について処理の結果のバラつきが抑制されたプラズマ処を実現できる。
特に、ウエハ１０２の中心部から外周部でのエッチングレートの不均一さが低減され、ウエハ１０２の面内方向の全体にわたり半導体デバイスの電気的特性や性能のばらつきが抑制され、歩留まりが向上する効果を奏することができる。また、エッチング後の処理形状をウエハ１０２の半径方向について高い精度で調節し、当該ウエハ１０２から製造される半導体デバイスの電気的特性や性能のバラつきを抑え、歩留まりを向上できる。
ウエハ１０２の半径方向についての処理の特性が凹型となる場合に対するRF基板バイアス電力の調節について図１０乃至図１５を用いて説明する。図１０は、ウエハ１０２の半径方向についての処理の特性が凹型となる場合のウエハ面内のエッチングレートの一例を模式的に示すグラフである。
図１０は、ウエハ１０２の半径方向についてのエッチングレートが外周側の領域の方が中央側の領域での値より大きい凹分布となる場合であり、エッチングレートのRF基板バイアス電力に対する依存性を示しているものである。図１０に示すようなウエハ面内のエッチングレート分布を持ったエッチングプロセスにおいて、RF基板バイアス電力を例えばX0[W]と設定した場合、ウエハ１０２の面内方向についてのエッチング深さの値のRF基板バイアス電力の値に対する依存性は図１１のようになる。
この図のように、RF基板バイアス電力をX0[Ｗ]に設定した場合、ウエハ１０２の中心部でのエッチング深さが浅く、ウエハ１０２の外周部のエッチング深さが大きい分布となり、ウエハ１０２の面内方向についてのエッチング深さが不均一となってしまうという問題がある。このことは、ウエハ１０２に印加するRF基板バイアス電力をウエハ１０２の面内方向について変化させることができない従来技術のプラズマ処理装置ではエッチング深さの不均一を抑制できないという問題が生じることを示している。
一方、本実施例では、図示しない制御装置からの指令信号に基づいて、図１２に示すように、ウエハ１０２の半径方向について処理の特性、例えばエッチングレートが均一となるように、ウエハ１０２の中心部に対応する内側電極２０２に供給するRF基板バイアス電力の値をX２[Ｗ]に設定し、ウエハ１０２の外周部に対応する外側電極２０３に供給するRF基板バイアス電力をY２[W]と設定する。特に、ウエハ１０２の中心部と外周部とのエッチングレートのバラつき、差を低減するように各々の電力の値を設定する。
図１２のように設定されたRF基板バイアス電力を用いてウエハ１０２をエッチングした場合のウエハ面内のエッチング深さのエッチング時間に対する依存性を図１３に示す。この図の例では、図１２で設定した内側及び外側の領域の各々に設定されたRF基板バイアス電力X2，Y2[Ｗ]になるように、内側電極２０２、外側電極２０３のそれぞれのDutyをタイミングコントローラ２０６により調節することで、ウエハ面内のエッチングレートの不均一が低減され、エッチング時間に対する特性を同一またはこれに近似させたものにすることで、エッチング深さの面内方向についての均一性が向上する。
本実施例では、図１０に示すような予め取得していたバイアス電力とエッチングレートの関係に基づき、図１２に示すようなウエハ中心部と外周部でエッチングレートが等しくなるRF基板バイアス電力でエッチング処理を行う。これにより、たとえば図１３のように、ウエハ面内で均一なエッチング深さを得ることができるという効果がある。
図１４，１５に、タイミングコントローラ２０６を用いて、Dutyと平均バイアス電力の関係に基づきRF基板バイアス電力を制御はする例について説明する。図１４は、RF基板バイアス電力間欠電力出力する場合のRF基板バイアス電力の時間の平均値とDutyとの依存性を模式的に示すグラフである。
本例では、内側電極２０２と外側電極２０３との各々に供給されるRF基板バイアス電力の値がタイミングコントローラ２０６から出力されるパルスより、図１２で示したウエハ面内のRF基板バイアス電力であるウエハ内側部の出力電力X２[W]とウエハ外周部の出力電力Y２[W]をタイミングコントローラ２０６からの信号に応じてON／OFFの切り替えのDutyとしてそれぞれX２[％]、Y２[％]に調節される。このような場合のタイミングコントローラ２０６によるパルス信号及び印加される高周波バイアスを図１５に示す。
図１５は、図１４に示されるDutyの設定に基づいてタイミングコントローラから出力されたパルス波形または方形波形と内側電極および外側電極に供給されるRF基板バイアス電力の波形との例を示すグラフである。本図に示すように、図１４の例では、内側電極２０２に供給されるRF基板バイアス電力は、RF基板バイアス電源１１４または２０７からの所定の周波数の高周波電力にタイミングコントローラ２０６の内側向けの出力端部から供給されるDuty X2[％]の方形波またはパルス波である内側パルスが重畳され、電圧の波形が当該内側パルスのONの期間のみ所定の振幅及び周波数の高周波電力が出力される間欠的な波形を有したものとなる。
また、外側電極２０３に供給されるRF基板バイアス電力は、RF基板バイアス電源１１４または２０７からの所定の周波数の高周波電力にタイミングコントローラ２０６の外側向けの出力端部から供給されるDuty Y2[％]の方形波またはパルス波である外側パルスが重畳され、電力の電圧の波形は当該外側パルスのONの期間のみ所定の振幅及び周波数の高周波電力が出力される間欠的な波形を有したものとなり、内側パルスのDuty X2の値が外側パルスの値 Y2より大きく設定されたことに対応して、内側パルスの方がDuty比が外側パルスのものより大きくなっている。
このような波形のRF基板バイアス電力が内側電極２０２、外側電極２０３の各々に供給され、それぞれの電極上に形成されるRF基板バイアス電圧の時間的な平均値は、共通のRF基板バイアス電源１１４または２０７からの所定の周波数の高周波電力と各々の電圧のDuty比の値との乗積に比例することから、内側電極２０２に供給されるRF基板バイアス電力の電圧の平均的な値を外側電極２０３に供給されるものより大きくされる。このように、ウエハ１０２半径方向について間欠的に供給されるRF基板バイアス電力の大きさを中央部の領域と外周部の領域とで可変に調節することで、ウエハ１０２の膜構造のエッチングレートやエッチング深さ等の処理の特性をウエハ１０２の半径方向について変化させて所望の分布に近付けることができる。このことにより、ウエハ１０２の半径方向について処理の結果のバラつきが抑制されたプラズマ処理を実現できる。
上記の構成により、ウエハ１０２の面内方向についての処理の特性、例えばエッチングレートやエッチング深さの値の均一性が向上され、製造される半導体デバイスの歩留まりが向上する。更に、上記の例で調節されるウエハ１０２の半径方向についてのDutyの値とその分布は、プラズマ１１１のイオンエネルギー及び内部パラメータの値から影響を受け難い謂わば独立したものであることから、従来技術の課題であったエッチストップや過剰エッチングによる下地抜けやマスク選択比不足などの問題の生起が抑制できる。
次に、上記の実施例の構成を、ウエハ１０２の中心部の反応生成物濃度が高くなることによってエッチングレートが著しく低下する、もしくはエッチストップが生じてウエハ１０２の面内方向のエッチングレート均一性が著しく低下するプロセス（たとえばSiNプロセス等）に適用した例を示す。
反応生成物分布に強く依存するエッチングプロセスにおける、単位時間当たりの反応生成物の排気量のウエハの半径方向についての依存性を図１６に示す。図１６が示すように、単位時間当たりの反応生成物排気量は、ウエハ中心部で低く、外周部にいくほど高くなる。これにより生じる反応生成物のウエハ面内での濃度分布を図１７に示す。曲線１７０１が処理開始直後に発生した反応生成物の濃度分布であり、曲線１７０２がそれからｔ秒後の分布である。外周部の排気量に比べて中心部の排気量が低いことから、反応生成物の分布はウエハの径方向に対して凸分布となる。このようなプロセスにおいては、反応生成物の排気時間の面内制御が有効である。
本実施例を用いた場合、ウエハ中心部付近のRF基板バイアスのDutyを十分小さくするように制御することにより、ウエハ中心部の反応生成物の排気時間を十分長くすることができ、反応生成物の影響を大きく低減することが可能になる。つまりウエハ中心部付近のRF基板バイアスのDutyをウエハ外周部付近のRF基板バイアスのDutyより小さくするようにタイミングコントローラ２０６を制御することで、ウエハ面内の反応生成物濃度分布を均一化することができ、ウエハ面内のエッチングパターンのCD等の均一性を向上させることができる。
次に、上記ウエハ１０２の半径方向についてウエハ載置用電極１０３に供給するRF基板バイアス電力の値とその分布とを可変に調節する構成の別の例を図１８，１９を用いて説明する。図１８は、図１の実施例のプラズマ処理装置おいてウエハ載置用電極の半径方向について値及び分布を調節して供給されるRF基板バイアス電力の別の例を示すグラフである。
本図に示すように、パルス変調用信号発生器２０８からのパルス波または方形波の信号に応じて所定の周期及び期間で間欠的または高出力と低出力とが繰り返されるRF基板バイアス電源１１４または２０７からの電力は、タイミングコントローラ２０６からの信号に応じた電気式高速リレー２０４、２０５の動作により、内側電極２０２（Center）、外側電極２０３（Edge）に供給される。この図では、RF基板バイアス電源からの出力（本例では電圧）は周期τ０でパルス状に繰り返されるパルス波形を有し、これがONである期間τ１中においてこのONの期間が開始される時刻から特定の時間τ２だけウエハ１０２中心側の内側電極２０２（Center）に対応する電気式高速リレー２０４をONの状態にし、RF基板バイアス電力を当該電極に印加させる。
そのτ１経過後に続いてウエハ１０２の中心側の内側電極２０２に接続された電気式高速リレー２０４をOFFした時刻から所定の期間τ３だけウエハ１０２の外側に対応する外側電極２０３に接続された電気式高速リレー２０５をONの状態にしてRF基板バイアス電源のRF基板バイアス電力のONの期間τ１が終了してOFFの期間が開始するまで継続させる。なお、本例ではタイミングコントローラ２０６からの信号による内側電極２０２、外側電極２０３に対応する電気式高速リレー２０４，２０５の各々がON/OFFを繰り返す周期は、結果としてτ０に等しくなる。
このようなRF基板バイアス電力の供給を行うことで、ウエハ１０２の中心部もしくは外周部のOFF時間および印加するバイアス電力の時間平均の値を任意のものに調節しつつ、中心部と外周部との各々が交互に間欠的にエッチングされる。このことにより、ウエハ１０２の中心部と外周部とのそれぞれのエッチングの特性が独立して調節される。また、ウエハ１０２の中心部から脱離した反応生成物によるウエハ１０２の外周部のエッチングへの影響を低減する、あるいは所望のものに調節できる。または、その反対の効果を得ることができプロセスの条件を選択できる領域を大きくすることができ、結果として処理の歩留まりを向上することができる。
すなわち、上記の構成により、ウエハ１０２の面内方向についての反応生成物の濃度と印加する平均RF基板バイアス電力とのから処理の特性の調節が可能となる。また、中心部と外周部とを同時にエッチングする場合と比べて、エッチング中にウエハ上に滞空している反応生成物量も低減するため、エッチングに対する反応生成物の影響が低減される効果もある。
本方式によりウエハ面内でのエッチングレートの均一性が向上することで、エッチング製品の歩留まりの向上が見込める。さらに本方式では、従来技術では解決できなかった反応生成物によるエッチングの阻害に起因するエッチングレートの面内不均一性の解消も可能である。
また、RF基板バイアス電力とエッチングレートとの相関が予め分かっていないプロセス、もしくはエッチング深さをより厳密に制御したいプロセスにおいては、次のように膜厚モニタ３０１、３０２からの出力を用いてウエハ載置用電極１０３のウエハ１０２の半径方向についてのRF基板バイアス電力の値とその分布とを調節することにより、処理の特性のウエハ１０２の半径方向についての均一性の向上を得ることができる。
図１９乃至２１を用いて、図１の実施例において処理中に膜厚モニタを用いて検出された膜厚さを用いて処理を調節する例を示す。本例では、膜厚モニタ３０１、３０２により被エッチング層の膜厚を逐次モニタリングし、エッチング深さがウエハ面内で均一となるよう、ウエハの中心部/外周部に印加するRF基板バイアスのDutyを自動制御する。
図１９は、本例において膜厚モニタからの出力を用いてウエハ載置用電極の内側の領域と外側の領域とへのRF基板バイアス電力のDutyを調節する場合のウエハのエッチングレートとRF基板バイアス電力の時間平均値の関係を模式的に示すグラフである。図２０は、図１９に示す例においてエッチング時間の推移に対するエッチング深さの変化の例を示すグラフである。
これらの図においては、エッチング処理中においてウエハ１０２の中心側部分の特定の領域と外周側の部分の特定の領域でのエッチング深さが膜厚モニタ３０１，３０２を用いて光学的に検出されたデータを用いて図示しない制御装置において検出される。これらの値の絶対値差が、予め規定した許容値（２００１）以上になった場合に、図１９に示すように、予め規定したステップ幅（１９０１）でエッチングレートが高いと検出された側のDuty（比）を小さくする。
この際、このステップ幅（１９０１）は、予めテストウエハでの試験処理等を実施した結果から十分小さい値を設定しておく。このことにより、エッチングレートを増減した値がハンチング等して短時間で整定しないといったことが抑制され段階的に中心部と外周部とでのエッチングレートを精度良く所望の値にすることが可能となる。
このようなDutyとエッチング特性との制御を行う動作の流れを一例を図２１に示す。図２１は、図１に示した実施例において実施される図１９，２０に示されたエッチング処理の動作の調節の流れを示すフローチャートである。
本例では、プラズマ処理装置は、エッチング処理開始後、処理終了まで、規定した時間幅（２００２）でウエハ中心部と外周部のエッチング深さ差が膜厚モニタ３０１，３０２を用いてモニタリングされ制御装置において検出される。（ステップ２１０１）。ステップ２１０２において、制御装置において処理開始後の現在の時間が確認され予め設定された処理時間が経過していると判定された場合（図上Ｎｏの場合）には制御装置からの指令に応じて処理が停止される。
処理時間を経過していないと判定された場合（図上Ｙｅｓの場合）には、ステップ２１０３に移行してモニタリングして得られた結果としての中心部と外周部のエッチング深さの差が許容範囲外か否かが制御装置において判定される。許容範囲内であると判定された場合には、ステップ２１０１に戻り処理が継続される。
中心部と外周部とのエッチング深さの差が許容値を超えたと判定された場合、ステップ２１０４を経てステップ２１０５において制御装置からの指令に基づいてエッチングレートが高い側のDutyを予め設定したステップ幅（１９０１）だけ低減させる。続いて、膜厚モニタ３０１，３０２を用いたエッチング深さの検出が所定の時間だけ実施され、その差の時間に対する変化量すなわち傾きを所定の時間間隔が制御装置において検出される（ステップ２１０６）。
次に、ステップ２１０７において、ステップ２１０６において検出された深さ差の傾きが、ウエハ１０２の半径方向について異なる検出位置でのエッチングレートが等しくなったと見なせる程度に十分小さい任意の値の予め定められた基準値（例えば０．１など）より小さくなったか否かが検出され、これが検出されるまでステップ２１０５乃至２１０８に示されるように、規定したステップ幅に基づいてDutyを低減する工程と当該Duty比での処理におけるエッチング深さの差の変化率の検出及びその基準値の比較の工程が繰り返される。深さの差の変化率が基準値未満つまりウエハ１０２の中心部と外周部とのエッチングレートが等しくなったと見做せると制御装置によって判定された場合には、現在の内外のDutyの情報を制御装置内に配置されたＲＡＭ，フラッシュメモリ或いはハードディスク等の記憶装置あるいはメモリ内に記憶し（ステップ２１０９）、一旦深さ差を解消するために、当初エッチングレートが高かった側のDutyが0にされて当該側でのエッチングが停止される（ステップ２１１０及び図２０の２００３）。
その後、他方の側の処理は継続されており、制御装置はこの他方の側の処理中にも膜厚モニタ３０１，３０２からの出力を用いてエッチング深さの差を検出する（ステップ２１１１）。予めDutyの制御のタイムラグを考慮して適切な値に設定された緩衝域（図２０の２００４）に深さの差が到達したか否かが判定され（ステップ２１１２）、その到達が検出される（図上Ｙｅｓ）と、制御装置では深さの差が解消されたと見做してステップ２１０９で記憶されたDutyを示すデータを読み出し（ステップ２１１３）、ステップ２１０１に戻り記憶された内側、外側のDutyで再び処理を開始し等エッチングレートで処理を行うことで面内のエッチング深さを均一に保った状態で、エッチング処理を行う（図２０の２００５）。
また、ウエハの中心部/外周部のいずれかが先に所望のエッチング深さに達したことが膜厚モニタで検知された場合も、ウエハ面内のDuty制御により、エッチングレート面内均一性の自動制御も可能である。
本方式によりウエハ面内でのエッチングレートの均一性が向上することで、エッチング製品の歩留まりの向上が見込める。さらにイオンエネルギー及び内部パラメータから独立した制御方式であることから、従来技術の課題であった、エッチストップやオーバーエッチなどの問題も解消される。
本発明の別の実施例について図２２乃至２６を用いて説明する。本実施例は、図１に示すプラズマ処理装置と実質的に同等のプラズマ処理装置に係るものであり、このプラズマ処理装置によって実施されるプラズマ処理方法に関するものである。
エッチング処理を高精度に実施するためには、プラズマの強度や密度の値とその分布とを調節してラジカル種の選定やイオン量を処理に適した値に調節する必要がある。ラジカルやイオンの量を調節する手段としては、プラズマを形成する電界の供給を時間変調して実施して間欠的或いは高及び低密度のプラズマを所定の周期で交互に形成するパルスプラズマが考えられている。このようなパルスプラズマでは、プラズマのオンとオフとを或いは強度の高低を繰り返し、その周期や期間を調節することでプラズマ中の粒子の解離を調節して、ラジカルの解離の状態やイオン密度を処理に適した所望の範囲内のものにされる。
パルスプラズマのオンとオフとの或いは強度の高低の繰り返しの周波数(以下パルス周波数と称する)及び繰り返しの１周期に対するオン（高出力）となる時間の比（デューティー比、Duty比）、さらにはオン（高出力）となる時間とオフ（OFF）となる時間のと比をパラメータとして、処理中あるいは処理に先立って事前に調節、設定することで、エッチング処理を高精度に実施することが可能になる。本実施例は、図１に示すプラズマ処理装置において、このようなパルスプラズマを用いてウエハ１０２の面内方向において異なる位置または領域に配置された複数の電極に異なる位相のRF基板バイアス電力を供給してウエハ１０２が処理される例であり、この場合について図２２乃至２６を用いて説明する。
図２２において(Ｓ)は本例のプラズマ処理装置のプラズマを生成するための電界を形成する電力の出力を示す電界制御パルス出力、(Ｉ)及び(Ｊ)はRF基板バイアス電源１１４または２０７の出力（RF基板バイアス電力）のタイムチャートの例を示すグラフである。(Ｓ)では繰り返しの周波数が１ｋＨｚ、デューティー比が５０％である例を示している。
一方、(Ｉ)及び(Ｊ)は、繰り返し周波数が１ｋＨｚ、デューティー比が２０％、RF基板バイアス電力は１００Ｗである。(Ｊ)は(Ｉ)に対し３ｍｓの遅れ位相を持っている。
（ａ）は、上記のプラズマ形成の電界の供給とRF基板バイアス電力の供給とのもとで所定の種類の膜を有する膜構造を処理した場合の結果を纏めた表である。（ａ）のNo.1、No.2は、ウエハ１０２上面の膜構造としてポリシリコン(以下Polyとする)及びシリコン酸化膜(以下OXとする)のブランケットウエハでのエッチレートを測定した結果である。
この表からは、例えば、求められるエッチング性能がPolyエッチレート均一性：２％以下、OX選択比：３０以上の場合、No.1、No.2の高周波バイアス条件ではこれらを満足できないことが判る。
一方、本実施例による処理では、ウエハ１０２の中央部に対応するウエハ載置用電極１０３の上面の載置面を構成する誘電体膜２０１内部であって載置面の中央部に対応する位置または領域（センタ部）に配置された内側電極２０２及び載置面の外周部に対応する位置または領域（エッジ部）に配置された外側電極２０３に印加されるRF基板バイアス電力が独立に制御されその位相差が高精度に調節される。そのため、センタ部に(Ｉ)、エッジ部に(Ｊ)に示されるRF基板バイアス電力を印加する。
このような処理の結果として、No.3に示されるのエッチング特性が得られる。No.3では、膜構造としてのPolyエッチレート均一性：２％以下、OX選択比：３０以上を満たすことができる。本実施例において、高精度のエッチング特性の制御が可能になることがわかる。
図２３を用いてウエハ１０２の面内方向について異なる位置または領域に配置された電極に異なるデューティー比のRF基板バイアス電力を印加する場合について説明する。図２３の(Ｓ)は電界制御パルス出力、(Ｉ)及び(Ｊ)はRF基板バイアス電源出力のタイムチャートの例を示すグラフである。
(Ｓ)では繰り返し周波数が１ｋＨｚ、デューティー比が５０％である。(Ｉ)及び(Ｊ)は繰り返し周波数が１ｋＨｚ、高周波電源出力は８０Ｗである。(Ｉ)のデューティー比が５０％で(Ｊ)のデューティー比は４０％である。
（ａ）は、上記のプラズマ形成の電界の供給とRF基板バイアス電力の供給とのもとで所定の種類の膜を有する膜構造を処理した場合の結果を纏めた表である。特に（ａ）のNo.1、No.2は処理対象の膜構造としてシリコン窒化膜(以下SiNとする)のブランケットウエハでのエッチレートを測定した結果である。
（ａ）からは、例えば求められるエッチング性能がSiNエッチレート均一性：１％以下の場合、No.1、No.2の高周波バイアス条件ではこれらを満足できないことが判る。一方で、本発明の構成では、センタ部及びエッジ部に印加する高周波バイアス電力を独立に制御し位相差を高精度に制御するため、センタ部に(Ｉ)、エッジ部に(Ｊ)の高周波電力を印加される、No.3の条件で処理が実施される。このため当該表に示されるエッチング特性が得られ、要求されるエッチング性能を達成できることが判る。
図２４にて、ウエハ１０２の面内方向について異なる位置または領域に配置された電極に異なる振幅のRF基板バイアス電力を印加する例について説明する。図２４の(Ｓ)は電界制御パルス出力、(Ｉ)及び(Ｊ)はRF基板バイアス電源出力のタイムチャートの例を示すグラフである。
(Ｓ)は繰り返し周波数が１ｋＨｚ、デューティー比が５０％である。(Ｉ)及び(Ｊ)は繰り返し周波数が１ｋＨｚ、デューティー比は５０％である。(Ｉ)は１００Ｗの出力、(Ｊ)は５０Ｗの出力である。（ａ）は、上記のプラズマ形成の電界の供給とRF基板バイアス電力の供給とのもとで所定の種類の膜を有する膜構造を処理した場合の結果を纏めた表である。
（ａ）のNo.1、No.2は処理対象の膜構造としてPolyのブランケットウエハでのエッチレート測定結果である。例えば、求められるエッチング性能がPolyエッチレート均一性：１％以下の場合、No.1、No.2の高周波バイアス条件ではこれらを満足できないことが判る。一方で、本発明の構成では、センタ部及びエッジ部に供給されるRF基板バイアス電力の値を各々で独立に制御され、No.3の条件で処理が実施される。このため当該表に示されるエッチング特性が得られ、要求されるエッチング性能を達成できることが判る。
図２５にて、ウエハ１０２の面内方向について異なる位置または領域に配置された電極に異なる周波数の高周波バイアスを印加する場合について説明する。一般に真空を用いたエッチング装置では排気がウエハ周辺部で効果が強くなるため、エッチングやプラズマの反応生成物の密度はセンタが高くなる。表面に自然酸化膜が形成されているエッチング膜に対してのエッチングでは、この表面層除去のために一般にブレークスルーステップ(以下BT)が適用される。電界制御パルス出力、(Ｉ)及び(Ｊ)はRF基板バイアス電源出力のタイムチャートの例を示すグラフである。
BTステップの効果は、ウエハのセンタ部では反応生成物の堆積がエッジ部より多いため、センタ部のBTが不十分になる場合がある。この場合、図２５に示す高周波バイアスの出力波形(Ｉ)、(Ｊ)のように異なる周波数の高周波バイアスを使用する方法がある。センタ部に(Ｉ)、エッジ部に(Ｊ)の高周波バイアスを適用することで、センタ部のBTをエッジ部の２倍の回数行うことができる。
上述の例では１つのパラメータがセンタ部とエッジ部で異なる例について述べたが、パラメータは必要に応じて組み合わせても良い。図２６にその例を示す。電界制御パルス出力、(Ｉ)及び(Ｊ)はRF基板バイアス電源出力のタイムチャートの例を示すグラフである。(Ｓ)は繰り返し周波数が１ｋＨｚ、デューティー比が５０％である。
(Ｉ)及び(Ｊ)は繰り返し周波数が１ｋＨｚである。(Ｉ)はデューティー比が２０％、高周波電源出力５０Ｗである。(Ｊ)はデューティー比が１０％、高周波電源出力は８０Ｗである。(ａ)はＰｏｌｙゲートをパターンをエッチングした加工結果の一例を模式的に示すエッチング処理後の膜構造の断面図である。
（ｉ）はセンタ部、エッジ部に（Ｉ）の高周波バイアスが印加された場合の結果の一例である。（ｊ）はセンタ部、エッジ部に（Ｊ）の高周波バイアスが印加された場合の結果の一例である。
（Ｉ）の高周波バイアスが印加された場合、センタがテーパー形状になった。これは一般にウエハのセンタ部は反応生成物がエッジ部よりも多いため、条件によってはセンタ部の形状がテーパーになりやすいためである。
テーパー形状を垂直にするためには、反応生成物の影響を少なくすれば良い。デューティー比を下げることで反応生成物の影響を少なくすることができる。高周波バイアスのデューティー比を下げた場合、オフ時間が長くなるため、オフ時間に反応生成物が排気される量が増えるためである。
デューティー比を下げた場合、イオンのフラックスが減るためエッチングストップマージンが下がることがある。よって（Ｊ）の場合、（Ｉ）の条件からデューティー比を１０％下げるだけでなく、高周波バイアス出力を８０Ｗに上げた。
（ｊ）がエッチング結果であるが、センタは垂直化するが、エッジはサイドエッチ形状をなる。エッジは反応生成物が少ないためサイドウォールが不十分になりサイドエッチを引き起こしている。
このようにセンタ部とエッジ部で同じ高周波出力、同じデューティー比を印加する方法ではセンタとエッジのエッチング形状差を無くすようにエッチング性能を制御することは困難である。しかし本実施例の形態ではセンタ部とエッジ部が独立して制御可能である。
センタ部電極に（Ｊ）、エッジ部電極に（Ｉ）の高周波バイアスを印加することでセンタ部エッジ部ともに垂直形状が得られる。センタ部とエッジ部に異なるデューティー比、異なる高周波バイアス出力を適用することでエッチング形状を高精度に制御可能となる。
説明した実施例ではエッチングレートをウエハ面内で均一にする方法を例として挙げたが、例えばエッチングレートが均一となるRF基板バイアス電力を基準として、片側のRF基板バイアス電力を下げる、もしくは上げることで面内のエッチングレートをフラット分布から凹、もしくは凸に自由に制御することも可能である。
また、これらの実施例では半導体デバイスの前工程を中心に各効果を説明したが，半導体の後工程（配線接続，スーパーコネクト），マイクロマシン，MEMS分野（ディスプレイ分野，光スイッチ分野，通信分野，ストレージ分野，センサ分野，イメージャ分野，小型発電機分野，小型燃料電池分野，マイクロプローバ分野，プロセス用ガス制御システム分野，医学バイオ分野の関係も含む））等の分野でのエッチング加工技術に適用しても同様の作用効果が得られる。
また、上記実施例ではマイクロ波ECR放電を利用したエッチング装置を用いたプラズマ処理方法の例に説明したが，他の放電（有磁場UHF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）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。ただし，ECR放電を用いた場合，主要なプラズマ生成領域とウエハとの距離の制御性，高解離度のプラズマによる反応性ラジカルの密度増加等によって，より高精度の効果を得ることができることから，より最適な効果を得るためにはECR放電がより好ましい。
なお本発明は上記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、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。
１０１・・・チャンバ、１０２・・・ウエハ、１０３・・・ウエハ裁置電極、１０４・・・シャワープレート、１０５・・・誘電体窓、１０６・・・処理室、１０７・・・ガス供給装置、１０８・・・導波管、１０９・・・電磁波発生用電源、１１０・・・磁場発生コイル、１１１・・・高密度プラズマ、１１２・・・パルス変調回路、１１３・・・高周波フィルタ、１１４・・・直流電源、１１５・・・マッチング回路、１１６・・・高周波電源、２０１・・・誘電体膜、２０２・・・内側電極、２０３・・・外側電極、２０６・・・タイミングコントローラ、３０１・・・中心位置EPDセンサ、３０２・・・外周位置EPDセンサ、３０３・・ウエハ中心部、３０４・・・ウエハ外周部。

Claims (8)

  1. 真空容器内部の処理室内に配置された試料台と、当該試料台の内側で中心側の部分とその外周側部分に配置され高周波電力が供給される電極とを備え、前記試料台上面に載置したウエハを当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力は各々が振幅が所定の周期で大小を繰り返すものであって、前記高周波電力各々の振幅の大きな期間の長さまたは当該期間の長さとその周期に対する比率を異なる値に調節する制御装置とを備えたプラズマ処理装置。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力各々は、一方の振幅の大きな期間が終了後に他方の振幅が大きな期間が開始されるプラズマ処理装置。
  3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記高周波電力を供給する高周波電源からの出力が、前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される前記高周波電力の前記振幅の前記周期とは異なる周期で振幅が大小を繰り返すものであって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力各々の振幅の大きな期間が前記高周波電源からの出力が異なる周期で繰り返す振幅が大きな期間内に含まれるプラズマ処理装置。
  4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される前記高周波電力は各々が所定の振幅となるオン状態と０となるオフ状態とを前記周期で繰り返すプラズマ処理装置。
  5. 真空容器内部の処理室内に試料台上に処理対象のウエハを配置し、当該処理室内にプラズマを形成して前記試料台の内側の中心側の部分とその外周側部分に配置された電極とに高周波電力を供給して前記ウエハを処理するプラズマ処理方法であって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力は各々が振幅が所定の周期で大小を繰り返すものであって、前記高周波電力各々の振幅の大きな期間の長さまたは当該期間の長さとその周期に対する比率を異なる値に調節して前記ウエハを処理するプラズマ処理方法。
  6. 請求項５に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力各々は、一方の振幅の大きな期間が終了後に他方の振幅が大きな期間が開始されるプラズマ処理方法。
  7. 請求項５に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記高周波電力を供給する高周波電源からの出力が、前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される前記高周波電力の前記振幅の前記周期とは異なる周期で振幅が大小を繰り返すものであって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される高周波電力各々の振幅の大きな期間が前記高周波電源からの出力が異なる周期で繰り返す振幅が大きな期間内に含まれるプラズマ処理方法。
  8. 請求項５乃至７の何れかに記載のプラズマ処理方法であって、
    前記中心側の電極及び外周側の電極の各々に供給される前記高周波電力は各々が所定の振幅となるオン状態と０となるオフ状態とを前記周期で繰り返すプラズマ処理方法。
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