JP4714166B2 - 基板のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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前記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プラズマ処理装置及びその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、前記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、プラズマを用いた処理装置が頻繁に用いられていた。

従来のプラズマ処理装置においては、予め所定の真空度まで排気された真空チャンバー内に、高周波（ＲＦ）電極と対向電極とが互いに対向するようにして配置され、ＲＦ電極の、対向電極と対向する主面上に処理に供すべき基板が保持されており、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。前記ガス導入管からはプラズマ生成及びそれによって基板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、排気口からチャンバー内を真空排気するようにして構成している。

次いで、13.56MHzの商業用ＲＦ電源から整合器を介してＲＦ電極にＲＦ（電圧）を印加することにより、ＲＦ電極及び対向電極間にプラズマを生ぜしめるようにしている。

この際、プラズマ中の正イオンはＲＦ電極上に生じる負の自己バイアス電位ＶｄｃによってＲＦ電極上の基板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）、ＣＶＤ（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。

上述のようなプラズマ処理装置においては、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。

しかしながら、上述のようにして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、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。

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、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（特開平２００３−２３４３３１号公報）やパルスプラズマ化（J.Appl.Phys.Vol86 No2 643(2000)）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（特開平２００３−２３４３３１号公報）。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整合器とを設け、上述した高周波のＲＦ及び低周波のＲＦがＲＦ電極に対して重畳出来るようにしている。

一方、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電極に重畳されることもある。
特開平２００３−２３４３３１号 G. Chen, L. L. Raja, J. Appl. Phys. 96, 6073(2004) J.Appl.Phys.Vol86 No2 643(2000)

イオンエネルギー狭帯域化のために検討されている高周波化技術は、イオンの電界への追従がなくなるためにΔＥの狭帯域化に効果は大きいが、エネルギー（Ｖｄｃ）は小さくなる。例えば100MHz、2.5kW（300mmサセプタ、50mTorr、Arプラズマ）ではVdcの絶対値が酸化膜や窒化膜の閾値（約70eV）以下となり、レートが極端に遅くなり実用範囲を超える。

一方、ＲＦパワーを大きくして平均エネルギーを大きくすると、ＲＦパワーによる調整時にはＶｄｃとΔＥがほぼ比例するため、エネルギーの狭帯域化効果は小さくなる。さらに、100MHzでＶｄｃ1００Ｖを達成するためにおよそ7kWの大きなＲＦパワーが必要となり、市販の高周波電源の出力上限（５〜１０kW）から十分に大きなイオンエネルギーに調整することは困難となる。すなわちＲＦ高周波化技術は、表面反応エネルギー閾値が小さいプラズマ処理には対応できても、閾値エネルギーが大きな（70eV以上）プラズマ処理にはＶｄｃ調整が難しく対応が困難である。

また２周波ＲＦ重畳においては、低い周波数に起因するイオンエネルギー幅ΔＥが大きく、狭帯域化は望めない。

一方、パルス技術は周期的ＤＣ電位によりイオンエネルギーをより直接的に制御するため、エネルギーの狭帯域化及びエネルギー値の調整に有利であるが、急峻な印加電圧変化、電圧OFF時のプラズマ密度低下、再電圧印加時の大電流によってプラズマは不安定となる。特に絶縁物が基板表面にあるプラズマ処理の場合はたまった表面電荷が１周期の間に逃げにくく、プラズマが不安定となり、プラズマ消滅に至る。また、間欠的な大電流流入によりデバイスへの電気的ダメージも発生する。そのため、安定した平行平板型パルスプラズマを生成することは困難である。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、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前記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プラズマ処理装置において、前記基板の加工に適したイオンエネルギーを有し、さらにそのイオンエネルギー幅を小さくして、加工形状を精緻に制御する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。

上記目的を達成するために、本発明の一態様は、
内部が真空に保持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ＲＦ電極と、
前記チャンバー内において、前記ＲＦ電極と対向するように配置された対向電極と、
前記ＲＦ電極に対して所定周波数のＲＦ電圧を印加するためのＲＦ電圧印加手段と、
前記ＲＦ電極に対して前記ＲＦ電圧と重畳するようにして所定のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加手段と、
を具えることを特徴とする、基板のプラズマ処理装置に関する。

また、本発明の一態様は、
内部が真空に保持されたチャンバー内に、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ＲＦ電極を配置する工程と、
前記チャンバー内において、前記ＲＦ電極と対向するように対向電極を配置する工程と、
前記ＲＦ電極に対して所定周波数のＲＦ電圧を印加する工程と、
前記ＲＦ電極に対して前記ＲＦ電圧と重畳するようにして所定のパルス電圧を印加する工程と、
を具えることを特徴とする、基板のプラズマ処理方法に関する。

本発明の上記態様では、ＲＦ電極に対してＲＦ電圧を印加するのみでなく、さらにパルス電圧を印加（重畳）するようにしている。したがって、前記パルス電圧のパルス幅ｔ１や繰り返し時間ｔ２、さらにはパルス電圧値Ｖpulseを種々制御することによって、従来のようなイオンエネルギーの低エネルギー側ピークを高エネルギー側ピークに比較して、基板加工に寄与しないような極めて低いエネルギー範囲にシフトさせたり、前記低エネルギー側ピークと前記高エネルギー側ピークとを極めて近接させたりすることができるようになる。

前者の場合は、特にイオンエネルギーの高エネルギー側ピークのみを最適なエネルギー範囲内に設定することによって、この高エネルギー側ピークに相当するエネルギーのイオンのみを用いて基板の処理（加工）を行うことができる。すなわち、その高エネルギー側ピークが本来的に有する狭帯化特性を利用するとともに、前述したエネルギー範囲の最適化を行えば、基板の加工形状を精緻に制御することができるようになる（第１の加工方法）。

後者の場合は、低エネルギー側ピークと前記高エネルギー側ピークとが極めて近接するようになるので、これらを一体化したエネルギーピークと見做すことができる。すなわち、低エネルギー側ピークと前記高エネルギー側ピークとが極めて近接して存在することにより、これらを一括して狭帯化したエネルギー幅を有する単一のエネルギーピークとして取り扱うことができる。したがって、この単一化されたエネルギーピークのエネルギー範囲の最適化、及び前記低エネルギー側ピーク及び前記高エネルギー側ピークの近接度合い、すなわち前記単一化されたエネルギーピークの狭帯化度合いの最適化を行えば、前記単一化されたエネルギーピークに相当するエネルギーを有するイオンを利用して基板の加工形状を精緻に制御することができる（第２の加工方法）。

以上説明したように、本発明によれば、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前記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プラズマ処理装置において、前記基板の加工に適したイオンエネルギーを有し、さらにそのイオンエネルギー幅を小さくして、加工形状を精緻に制御する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、本発明の基板のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法について、発明を実施するための最良の形態に基づいて詳細に説明する。

本発明の一例においては、前記ＲＦ電圧印加手段から前記ＲＦ電極に印加される前記ＲＦ電圧の周波数（ωｒｆ/２π）が５０ＭＨｚ以上であり、前記パルス電圧印加手段は、少なくとも前記パルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及びパルス電圧値Ｖpulse（Ｖ）を制御するための制御機構を有し、この制御機構により、前記パルス幅ｔ１がｔ１≧2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって、ωｐ＝（ｅ^２Ｎ_０／ε_０Ｍｉ）^１／２，ｅ：電子素量、ε_０：真空誘電率、Ｍｉ：イオン質量（ｋｇ）、Ｎ_０：プラズマ密度（個／ｍ^３））となり、パルス電圧値Ｖpulseが｜Ｖp-p｜＜｜Ｖpulse｜（Ｖp-pは前記ＲＦ電圧の電圧値）となるように制御する。これによって、上述した第１の加工方法を簡易かつ良好な状態で実施することができる。

また、本発明の一例においては、前記ＲＦ電圧印加手段から前記ＲＦ電極に印加される前記ＲＦ電圧の周波数（ωｒｆ/２π）が５０ＭＨｚ以上であり、前記パルス電圧印加手段は、少なくとも前記パルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及び繰り返し時間ｔ２（ｓ）を制御するための制御機構を有し、この制御機構により、前記パルス幅ｔ１及び前記繰り返し時間ｔ２が、２π／ωｒｆ＜ｔ１＜ｔ２＜2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって、ωｐ＝（ｅ^２Ｎ_０／ε_０Ｍｉ）^１／２，ｅ：電子素量、ε_０：真空誘電率、Ｍｉ：イオン質量（ｋｇ）、Ｎ_０：プラズマ密度（個／ｍ^３））となるように制御する。これによって、上述した第２の加工方法を簡易かつ良好な状態で実施することができる。

なお、上記いずれの例においても、前記ＲＦ電圧印加手段から前記ＲＦ電極に印加される前記ＲＦ電圧の周波数（ωｒｆ/２π）を５０ＭＨｚ以上とするのは、ＲＦ電圧に起因した平均の基板入射エネルギーＶｄｃを基板処理に影響を与えないような十分に低い値とするためである。換言すれば、本発明の上記態様において、ＲＦ電極に対して常にＲＦ電圧を印加するのは、プラズマを効率良く生成すること、及び基板上に絶縁性の膜が堆積された場合においても効率良くプラズマを生成し、このプラズマで基板の加工を実現させるなどのためである。

したがって、本発明の上記態様では、基板処理は主としてＲＦ電圧に重畳されたパルス電圧によってなされることになる。

また、ＲＦ電圧の周波数が増大するにつれて、基板へ入射させるイオンエネルギーの低エネルギー側ピーク及び高エネルギー側ピーク間のイオンエネルギー幅ΔＥｉが減少する。したがって、ＲＦ電圧の周波数を増大させ、特に５０ＭＨｚ以上とすることにより、上述したような、前記低エネルギー側ピークと前記高エネルギー側ピークとを極めて近接させ、狭帯化して単一のエネルギーピークと見做し、この単一化されたエネルギーピークに相当するエネルギーのイオンを用いて基板加工する際に有利となる。

なお、本発明において、上記パルス電圧は負のパルス電圧とすることができる。一般に、ＲＦ電圧の印加によってプラズマを生成させた場合には、前記ＲＦ電圧が印加されたＲＦ電極はセルフバイアスの原理によって負電位となる。したがって、前記ＲＦ電極近傍の正イオンは負電位側にシフトした周期的な電圧(ＲＦ電圧)の影響を受け、このＲＦ電圧を加速電圧として基板に衝突し、前記基板の加工などの処理を行う。かかる観点より、前記パルス電圧を正電圧としてしまうと、前記ＲＦ電圧を部分的にキャンセルしてしまうことになり、前記正イオンに対して良好な加速電圧を形成することができなくなってしまう。

したがって、上記パルス電圧を負のパルス電圧とすることにより、上述のような不都合を回避することができる。

なお、前記ＲＦ電圧印加手段は、前記ＲＦ電圧を透過するとともに前記パルス電圧を遮断するためのハイパスフィルターを含むことができる。これによって、前記パルス電圧が前記ＲＦ電圧印加手段内に流入し、その動作特性を劣化させたり、動作自体が不能となったりするのを防止することができる。

また、本発明の一例においては、前記チャンバー内の、少なくとも前記ＲＦ電極と前記対向電極との間に存在するイオンのエネルギー状態をモニタリングするためのイオンエネルギー検知手段を具える。この場合、例えば、プロセスの進行状況又はプロセスの切り替えに応じて、前記基板に入射させるイオンエネルギー及びそのイオンエネルギー幅の少なくとも一方を変化させることが要求される場合、前記ＲＦ電圧の周波数ωｒｆ/２π及び電圧値Ｖp-p、並びに前記パルス電圧のパルス幅ｔ１、繰り返し時間ｔ２及びパルス電圧値Ｖpulseの少なくとも１つを変更するとともに、その変更に伴う上記エネルギー状態を逐次モニタリングすることができる。

すなわち、上記ＲＦ電圧の周波数ωｒｆ/２πなどのパラメータ変更によるイオンのエネルギー状態変化を直ちに知ることができるようになるので、前記パラメータ変更を適宜に実施して所望のイオンエネルギー状態を迅速に形成することができるようになる。

なお、本発明における「ＲＦ電圧印加手段」とは、当業者において当然に想到することができる、ＲＦジェネレータ及びインピーダンス整合器を含むことができる。また、必要に応じて適宜増幅器を含むことができる。

さらに、本発明における「パルス印加手段」とは、当業者において当然に想到することができるパルスジェネレータの他、適宜増幅器及びローパスフィルターを含むことができる。

以上のような本発明の追加の特徴をも鑑み、本発明の基板のプラズマ処理装置及び方法を他の基板のプラズマ処理装置及び方法と対比しながら、説明する。

（基板のプラズマ処理装置を用いた比較例）
図１は、従来の基板のプラズマ処理装置の比較例における構成を概略的に示す図である。

図１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真空チャンバー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が保持されており、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内を真空排気するようにして構成している。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）、ＣＶＤ（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１に示すようなプラズマ処理装置においては、図２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３、図４は3MHz、Vrf=160V、50mTorr、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５は、基板Ｓ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３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との和になるが、Vpの値及び時間変化が相対的に小さいので説明及び図３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３に示すグラフを時間積分することにより、図４で示されるような分布となる。

図４から明らかなように、図１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５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。

（本発明の基板のプラズマ処理装置を用いた具体例）
図６は、本発明の基板のプラズマ処理装置の具体例における構成を概略的に示す図である。図７は、図６に示す装置を用いた場合におけるＲＦ電極に印加される電圧の重畳波形を概略的に示したものである。なお、上記プラズマ処理装置を用いた場合におけるプラズマ処理方法に関しては、主としてＲＩＥを中心に述べる。

図６に示すように、本例における基板のプラズマ処理装置２０においては、予め所定の真空度まで排気された真空チャンバー２１内に、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、ＲＦ電極２２の、対向電極２３と対向する主面上に処理に供すべき基板Ｓが保持されており、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２４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２１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２５からチャンバー２１内を真空排気するようにして構成している。

前記ガスとしては、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ_２、Ｏ_２、ＣＯ、Ｈ_２などのガスの他、適宜ＳＦ_６やＣＦ_４、Ｃ_２Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ₅Ｆ_８、Ｃ_４Ｆ_６、Ｃｌ_２、ＨＢｒ、ＳｉＨ_４、ＳｉＦ_４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。

次いで、ＲＦ電源２７から整合器２６を介してＲＦ電極２２にＲＦ（電圧）を印加するとともに、パルス電源２９からローパスフィルター２８を介して同じくＲＦ電極２２にパルス電圧を印加するようにしている。すると、ＲＦ電極２２には、図７に示すように、ＲＦ電圧とパルス電圧とが重畳された状態で印加されるようになる。これによって、ＲＦ電極２２及び対向電極２３間にはプラズマＰが生成されるようになり、このプラズマＰ中の正イオンがＲＦ電極２２上の負電圧(平均エネルギーはＶｄｃ)によって加速されて基板Ｓに高速で入射し、基板Ｓに対して加工処理を施すようになる。

なお、ＲＦ電源２７内及びパルス電源２９内には、必要に応じてこれらの電源から発せされたＲＦ電圧及びパルス電圧を増幅するための増幅器を内蔵することができる。

上記パルス電圧は負のパルス電圧とすることが好ましい。上述したように、プラズマＰ中の正イオンはＲＦ電極２２上に生じる負電圧によってＲＦ電極２２上の基板Ｓに高速で入射し、基板Ｓを加工処理する。また、図７では特に示していないものの、図３にも示すように、ＲＦ電極２２に印加されるＲＦ電圧は、上記自己バイアス電位によって、主に負の電圧値領域で変化するようになる。したがって、前記パルス電圧を正電圧としてしまうと、前記ＲＦ電圧を部分的にキャンセルしてしまうことになり、前記正イオンに対して良好な加速電圧を形成することができなくなってしまう。

したがって、上記パルス電圧を負のパルス電圧とすることにより、上述のような不都合を回避することができる。

図８は、図６に示す本例のプラズマ処理装置を用いてＲＦを印加した場合の、Ｖｄｃ（入射イオン平均エネルギー）のＲＦ周波数依存性を示すグラフであり、図９は、イオンエネルギー幅ΔＥｉ（ｅＶ）の、入射イオン平均エネルギーＶｄｃ依存性を示すグラフである。なお、基本的に、図８に示すグラフと、図２に示すグラフとは同一である。

図８から明らかなように、ＲＦ電極２２に印加されるＲＦ電圧の周波数が増大するにつれて、入射イオン平均エネルギーＶｄｃは減少し、特にＲＦパワーが２．２Ｗ／ｃｍ^２程度以下では、ＲＦ周波数が５０ＭＨｚを超えると、基板処理に影響を与えないようなしきい値である約５０ｅＶ以下となる。また、２．２Ｗ／ｃｍ^２を超えるようなＲＦパワーにおいても、ＶｄｃのＲＦ周波数依存性が極めて小さくなる。したがって、ＲＦ電極２２に印加するＲＦ周波数を５０ＭＨｚ以上とすることにより、ＲＦ電圧は基板処理に影響を与えず、（負の）パルス電圧の制御のみが基板処理に影響を与えることが分かる。

換言すれば、（負の）パルス電圧の制御のみで基板処理の状態を調整することができるようになるため、基板処理に対する操作を簡易化することができ、その操作性を大きく向上させることができる。

したがって、本例において、特にＲＦ電極２２に対して常にＲＦ電圧を印加するのは、主としてプラズマを効率良く生成すること、及び基板Ｓ上に絶縁性の膜が堆積された場合においても効率良くプラズマを生成し、このプラズマで基板Ｓの加工を実現させることなどが主たる目的となる。

また、図９に示すように、同じＶｄｃに対しては、ＲＦ電圧の周波数が増大するにつれて、図４に示すような、基板へ入射させるイオンエネルギーの低エネルギー側ピーク及び高エネルギー側ピーク間のイオンエネルギー幅ΔＥｉが減少する。したがって、ＲＦ電圧の周波数を増大させ、特に５０ＭＨｚ以上とすることは、以下に詳述するような、前記低エネルギー側ピークと前記高エネルギー側ピークとを極めて近接させ、狭帯化して単一のエネルギーピークと見做し、この単一化されたエネルギーピークに相当するエネルギーのイオンを用いて基板加工する際に有利となる。

図示しない、例えばパルス電源２９内に内蔵した所定の制御機構を用いて、パルス電源２９から生成したパルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及びパルス電圧値Ｖpulse（Ｖ）を、ｔ１≧2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって、ωｐ＝（ｅ^２Ｎ_０／ε_０Ｍｉ）^１／２，ｅ：電子素量、ε_０：真空誘電率、Ｍｉ：イオン質量（ｋｇ）、Ｎ_０：プラズマ密度（個／ｍ^３））となり、パルス電圧値Ｖpulseが｜Ｖp-p｜＜｜Ｖpulse｜（Ｖp-pは前記ＲＦ電圧の電圧値）となるように制御する。

この場合、パルス電圧に対してイオンが追随できるようになるので、そのイオンエネルギーを時間で積分し、図４に示すようなグラフを得た場合に、低エネルギー側ピークは、処理に影響を及ぼさないような極めて低いエネルギー領域にシフトするようになる。したがって、高エネルギー側ピークのみを最適なエネルギー範囲内に設定することによって、この高エネルギー側ピークのみを用いて基板の処理（加工）を行うことができるようになる。すなわち、その高エネルギー側ピークが本来的に有する狭帯化特性を利用するとともに、前述したエネルギー範囲の最適化を行えば、基板の加工形状を精緻に制御することができるようになる（第１の加工方法）。

なお、高エネルギー側ピークのエネルギー値は、パルス電圧の電圧値Ｖpulseによって制御されることになる。

さらに、図示しない、例えばパルス電源２９内に内蔵した所定の制御機構を用いて、パルス電源２９から生成したパルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及び繰り返し時間ｔ２（ｓ）を、２π／ωｒｆ＜ｔ１＜ｔ２＜2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって、ωｐ＝（ｅ^２Ｎ_０／ε_０Ｍｉ）^１／２，ｅ：電子素量、ε_０：真空誘電率、Ｍｉ：イオン質量（ｋｇ）、Ｎ_０：プラズマ密度（個／ｍ^３））となるように制御する。

この場合、パルス電圧に対してイオンが追随できなくなるので、そのイオンエネルギーを時間で積分し、図４に示すようなグラフを得た場合に、低エネルギー側ピークと記高エネルギー側ピークとが極めて近接するようになり、これらを一体化したエネルギーピークと見做すことができる。すなわち、低エネルギー側ピークと前記高エネルギー側ピークとが極めて近接して存在することにより、これらを一括して狭帯化したエネルギー幅を有する単一のエネルギーピークとして取り扱うことができる。

したがって、この単一化されたエネルギーピークのエネルギー範囲の最適化、及び前記低エネルギー側ピーク及び前記高エネルギー側ピークの近接度合い、すなわち前記単一化されたエネルギーピークの狭帯化度合いの最適化を行えば、前記単一化されたエネルギーピークを利用して基板の加工形状を精緻に制御することができる（第２の加工方法）。なお、上記単一化エネルギーピークのエネルギー値は、パルス電圧の電圧値Ｖpulse及び／又はＤｕｔｙ比を制御することによって、適宜調整することができる。

また、プラズマエッチングを考えたとき、例えばシリコンのエッチングではプロセス始めは自然酸化膜を除去するために200eV程度の大きなイオンエネルギーが必要であり、次のエッチング段階では100eV程度の比較的小さなイオンエネルギーが望ましく、酸化膜等のストッパーが出てきた最終段階では70eV程度のさらに小さなイオンエネルギーでエッチングすることが精密加工の観点から望ましい。これらに必要なイオンエネルギーは、本発明における負パルスのパルス幅ｔ１や繰り返し時間ｔ２、あるいは負パルス電圧Ｖpulseの少なくとも1つを変更してプロセスの変更とともにイオンエネルギーを制御、切り替えることが可能である。

さらに、パルス電圧を印加する際、パルス電源において周期的な充電、放電が実行されることになる。そのため、充電に要する時間以上には周波数を大きくできない。また、Ｄｕｔｙ比を０．５以上にすることは困難である。このような場合は、２以上のパルス電源を準備するとともにこれらをトリガーで接続し、互いに位相をずらすようにして重畳させるようにすることによって、結果的に、単一のパルス電源では得られなかったような、高い周波数及び／又はＤｕｔｙ比が０．５以上のパルス電圧を得ることができる。

さらに、２以上のパルス電源からの電圧Ｖpulseを変更することにより、Ｖpulseが周期的に異なるステップ状のパルス電圧を形成することができる。

また、図１０及び図１１は、図６に示すプラズマ処理装置の変形例を示す構成図である。図１０に示すプラズマ処理装置は、ＲＦ電極２２とＲＦ電源２７との間にハイパスフィルター３１を設けている点で図６に示すプラズマ処理装置と異なり、図１１に示すプラズマ処理装置は、ＲＦ電極２２内にイオンエネルギーモニター３２を設けている点で図６に示すプラズマ処理装置と異なる。なお、このような観点から、図６，１０及び１１に示すプラズマ処理装置では、同一の構成要素に関しては同一の参照数字を用いて表している。

図１０に示すプラズマ処理装置２０では、ハイパスフィルター３１によって、ＲＦ電源２７からのＲＦ電圧を透過するとともにパルス電源２９からのパルス電圧を遮断することができるようになる。したがって、前記パルス電圧がＲＦ電源２７内に流入し、その動作特性を劣化させたり、動作自体が不能となったりするのを防止することができる。

また、図１１に示すプラズマ処理装置２０では、イオンエネルギーモニター３２により、少なくともＲＦ電極２２に入射するイオンのエネルギー状態をモニタリングすることができるようになる。したがって、プラズマ中の例えば、プロセスの進行状況又はプロセスの切り替えに応じて、前記基板に入射させるイオンエネルギー及びそのイオンエネルギー幅の少なくとも一方を変化させることが要求される場合、前記ＲＦ電圧の周波数ωｒｆ/２π及び電圧値Ｖp-p、並びに前記パルス電圧のパルス幅ｔ１、繰り返し時間ｔ２及びパルス電圧値Ｖpulseの少なくとも１つを変更するとともに、その変更に伴う上記エネルギー状態を逐次モニタリングすることができるようになる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明は当然に以下の内容に限定されるものではない。なお、以下に示す具体的な結果は、総て所定のシミュレーションに基づくものである。

（実施例１）
本実施例では、図６に示すプラズマ処理装置を用いた際の、具体的な動作特性について調べた。

最初に、チャンバー２１内にＣ_４Ｆ_８ガス及び酸素ガスを導入し、その圧力を２〜２００mTorrに保持した。次いで、ＲＦ電極２２に対し、ＲＦ電源２７から１００ＭＨｚ、電圧Ｖp-p ＝８０ＶのＲＦ電圧を印加するとともに、パルス電源２９から１０ＭＨｚ、Ｖpulse＝−５００Ｖの負電圧パルスを印加し、互いに重畳させた。プラズマ密度Ｎ_０＝５×１０^１6[個／ｍ^３]のＣＦイオンの場合、（ωｐ/5）／2πは約1.7MHzとなるため、パルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及び繰り返し時間ｔ２（ｓ）に対して、2π/ωｒｆ＜ｔ１＜ｔ２ ＜2π/（ωｐ／５） を満たし、ＤＣパルス電圧にもイオンは追随できなくない領域となる。

したがって、図１２、図１３に示す通り、ＤＣ負パルス重畳印加により２周波（Dual）重畳印加と比較してイオンエネルギー分布は狭帯化する。特に、Ｄｕｔｙ比（=t1/t2）を小さくすることにより、イオンエネルギー分布はさらに狭帯域化する。すなわち、パルスＤｕｔｙ比を変更することにより、Ｄｕｔｙ比にほぼ比例する平均エネルギーの制御、変更が可能となる。またイオンの平均エネルギーはパルス負電圧Ｖpulse、あるいはＤｕｔｙ比と合わせて変更することによる平均エネルギー制御も可能である。

（実施例２）
本実施例でも、図６に示すプラズマ処理装置を用いた際の、具体的な動作特性について調べた。

本実施例では、ＲＦ電源２７から１００ＭＨｚ、電圧Ｖp-p ＝８０ＶのＲＦ電圧を印加するとともに、パルス電源２９から１ＭＨｚ、Ｖpulse＝−２５０Ｖの負電圧パルスを印加し、互いに重畳させた。なお、その他の条件については実施例１と同様とした。

本実施例では、パルス幅t1 ≧2π/（ωｐ／５） を満たすため、パルス電圧に対してイオンは追随できる。そのため、図１４に示すように、低エネルギー側ピークと高エネルギー側ピークとは、互いに大きなイオンエネルギー幅を介して存在するようになる。なお、図１４に示すように、負電圧パルスのＤｕｔｙ比（=t1/t2）を大きくすることにより、前記イオンエネルギー幅を維持し、互いのエネルギー位置を保ったまま、高エネルギー側ピークの分布状態を増大させることができる。

なお、高エネルギー側ピークのエネルギー値は、負パルス電圧の電圧値Ｖpulseで制御することができる。

本実施例では、高エネルギー側ピークのエネルギー幅は8[eV]と極めて狭いため、このようなエネルギーのイオンを用いた基板処理を行うことにより、精緻な加工を行うことができるようになる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上記具体例では、ＲＩＥを中心として基板加工に対するプラズマ処理装置及び方法について説明してきたが、その他の処理装置及び方法に対しても適宜使用することができる。

基板のプラズマ処理装置（比較例）の一例における構成を概略的に示す図である。 図１に示す装置を用いた場合の、ＲＦパワーとＶｄｃ（平均の基板入射エネルギー）との関係を示すグラフである。 50mTorrのＡｒガス圧で、電極間30mm、300mmウエハを3MHz、Vrf=160VのＲＦを用いて加工した場合の平行平板型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。 同じく、50mTorrのＡｒガス圧で、電極間30mm、300mmウエハを3MHz、Vrf=160VのＲＦを用いて加工した場合の平行平板型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。 基板Ｓ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。 本発明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６に示す装置を用いた場合におけるＲＦ電極に印加される電圧の重畳波形を概略的に示したものである。 図６に示す本例のプラズマ処理装置を用いた場合の、Ｖｄｃ（入射イオン平均エネルギー）のＲＦ周波数依存性を示すグラフである。 イオンエネルギー幅ΔＥｉ（ｅＶ）の、入射イオン平均エネルギーＶｄｃ依存性を示すグラフである。 図６に示すプラズマ処理装置の変形例を示す構成図である。 同じく、図６に示すプラズマ処理装置の変形例を示す構成図である。 実施例における、イオンエネルギーの分布状態を示すグラフである。 実施例における、パルス電圧のＤｕｔｙ比と平均イオンエネルギーＶｄｃの関係を示すグラフである。 同じく、実施例における、イオンエネルギーの分布状態を示すグラフである。

符号の説明

１０，２０ （基板の）プラズマ処理装置
１１，２１ チャンバー
１２，２２ ＲＦ電極
１３，２３ 対向電極
１４，２４ ガス導入管
１５，２５ 排気口
１６，２６ 整合器
１７，２７ ＲＦ電源
２８ ローパスフィルター
２９ パルス電源
３１ ハイパスフィルター
３２ イオンエネルギーモニター
Ｓ 基板
Ｐ プラズマ

Claims (8)

1. 内部が真空に保持可能なチャンバーと，
   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ＲＦ電極と，
   前記チャンバー内において，前記ＲＦ電極と対向するように配置された対向電極と，
   前記ＲＦ電極に対して，５０ＭＨｚ以上の所定周波数のＲＦ電圧を印加するためのＲＦ電圧印加手段と，
   前記ＲＦ電極に対して前記ＲＦ電圧と重畳するようにして所定の負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加手段と，を具え，
   前記パルス電圧印加手段は，少なくとも前記パルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及びパルス電圧値Ｖpulse（Ｖ）を制御するための制御機構を有し，この制御機構により，前記パルス幅ｔ１がｔ１≧2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって，ωｐ＝（ｅ ^２ Ｎ _０ ／ε _０ Ｍｉ） ^１／２ ，ｅ：電子素量，ε _０ ：真空誘電率，Ｍｉ：イオン質量
   （ｋｇ），Ｎ _０ ：プラズマ密度（個／ｍ ^３ ））となり，パルス電圧値Ｖpulseが｜Ｖp-p｜＜｜Ｖpulse｜（Ｖp-pは前記ＲＦ電圧の電圧値）となるように制御する，ことを特徴とする，基板のプラズマ処理装置。
2. 内部が真空に保持可能なチャンバーと，
   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ＲＦ電極と，
   前記チャンバー内において，前記ＲＦ電極と対向するように配置された対向電極と，
   前記ＲＦ電極に対して，５０ＭＨｚ以上の所定周波数のＲＦ電圧を印加するためのＲＦ電圧印加手段と，
   前記ＲＦ電極に対して前記ＲＦ電圧と重畳するようにして所定の負のパルス電圧を印加するためのパルス電圧印加手段と，を具え，
   前記パルス電圧印加手段は，少なくとも前記パルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及び繰り返し時間ｔ２（ｓ）を制御するための制御機構を有し，この制御機構により，前記パルス幅ｔ１及び前記繰り返し時間ｔ２が，２π／ωｒｆ＜ｔ１＜ｔ２＜2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって，ωｐ＝（ｅ^２Ｎ_０／ε_０Ｍｉ）^１／２，ｅ：電子素量，ε_０：真空誘電率，Ｍｉ：イオン質量（ｋｇ），Ｎ_０：プラズマ密度（個／ｍ^３））となるように制御することを特徴とする，基板のプラズマ処理装置。
3. 前記基板のプラズマ処理装置は，前記基板上に形成されたシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の少なくとも一方をプラズマエッチングすることを特徴とする，請求項１または２に記載の基板のプラズマ処理装置。
4. 前記ＲＦ電圧印加手段は，前記ＲＦ電圧を透過するとともに前記パルス電圧を遮断するためのハイパスフィルターを含むことを特徴とする，請求項１〜３のいずれか一に記載の基板のプラズマ処理装置。
5. 前記チャンバー内の，少なくとも前記ＲＦ電極と前記対向電極との間に存在するイオンのエネルギー状態をモニタリングするためのイオンエネルギー検知手段を具えることを特徴とする，請求項１〜４のいずれか一に記載の基板のプラズマ処理装置。
6. 内部が真空に保持されたチャンバー内の，ＲＦ電極と前記ＲＦ電極に対向する対向電極との間に，前記ＲＦ電極の主面上において処理すべき基板を保持する工程と，
   前記ＲＦ電極に対して，５０ＭＨｚ以上の所定周波数のＲＦ電圧を印加する工程と，
   前記ＲＦ電極に対して前記ＲＦ電圧と重畳するようにして所定の負のパルス電圧を印加する工程と，
   前記パルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及びパルス電圧値Ｖpulse（Ｖ）に対し，前記パルス幅ｔ１をｔ１≧2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって，ωｐ＝（ｅ ^２ Ｎ _０ ／ε _０ Ｍｉ） ^１／２ ，ｅ：電子素量，ε _０ ：真空誘電率，Ｍｉ：イオン質量
   （ｋｇ），Ｎ _０ ：プラズマ密度（個／ｍ ^３ ））とし，パルス電圧値Ｖpulseを｜Ｖp-p｜＜｜Ｖpulse｜（Ｖp-pは前記ＲＦ電圧の電圧値）とする工程とを具え，
   前記基板に入射させるイオンエネルギーの高エネルギー側ピークを前記基板の加工に適したエネルギー値に設定することを特徴とする，基板のプラズマ処理方法。
7. 内部が真空に保持されたチャンバー内の，ＲＦ電極と前記ＲＦ電極に対向する対向電極との間に，前記ＲＦ電極の主面上において処理すべき基板を保持する工程と，
   前記ＲＦ電極に対して，５０ＭＨｚ以上の所定周波数のＲＦ電圧を印加する工程と，
   前記ＲＦ電極に対して前記ＲＦ電圧と重畳するようにして所定の負のパルス電圧を印加する工程と，
   前記パルス電圧のパルス幅ｔ１（ｓ）及び繰り返し時間ｔ２（ｓ）に対し，前記パルス幅ｔ１及び前記繰り返し時間ｔ２を，２π／ωｒｆ＜ｔ１＜ｔ２＜2π／（ωｐ／５）（ωｐはプラズマイオン角周波数であって，ωｐ＝（ｅ^２Ｎ_０／ε_０Ｍｉ）^１／２，ｅ：電子素量，ε_０：真空誘電率，Ｍｉ：イオン質量（ｋｇ），Ｎ_０：プラズマ密度（個／ｍ^３））とする工程を具え，
   前記基板に入射させる平均のイオンエネルギーを前記基板の加工に適したエネルギー値に設定することを特徴とする，基板のプラズマ処理方法。
8. 前記ＲＦ電圧の周波数ωｒｆ/２π及び電圧値Ｖp-p，並びに前記パルス電圧のパルス幅ｔ１，繰り返し時間ｔ２及びパルス電圧値Ｖpulseの少なくとも１つを変更し，プロセスの進行状況又はプロセスの切り替えに応じて，前記基板に入射させるイオンエネルギー及びそのイオンエネルギー幅の少なくとも一方を変化させる工程を具えることを特徴とする，請求項６または７に記載の基板のプラズマ処理方法。

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