JP5959275B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、特に、プラズマ生成用の高周波電源の出力を制御するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に係り、プラズマ処理装置におけるコンピュータ利用可能な記録媒体またはコンピュータ利用可能な記録媒体の使用方法に係わり、特に半導体素子基板等の被処理材を、プラズマを用いてエッチング処理を施すのに好適なプラズマ処理装置およびプラズマ処理装置におけるコンピュータ利用可能な記録媒体に関する。

半導体製造工程では、一般にプラズマを用いたドライエッチングが行われている。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。一般に、プラズマ処理装置は、真空処理室、これに接続されたガス供給装置、真空処理室内の圧力を所望の値に維持する真空排気系、ウエハ基板を載置する電極、真空処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生手段などから構成されている。プラズマ発生手段によりシャワープレート等から真空処理室内に供給された処理ガスをプラズマ状態にすることで、ウエハ載置用電極に保持されたウエハ基板のエッチング処理が行われる。

近年の半導体デバイスの集積度の向上に伴い、微細加工つまり加工精度の向上が要求されるとともに、エッチング選択比の向上あるいはエッチング形状の高精度制御等の向上が要求されている。被エッチング材料のエッチング形状は、以下の影響を受けやすい。プラズマ密度、ラジカル密度、被エッチング材料に入射するイオンのエネルギ、被エッチング材料のエッチング処理中の温度、エッチング反応による反応生成物、処理室側壁の温度設定等。

これらのエッチングパラメータの影響は各層の膜の材料特性に依存し、エッチング処理の条件（例えば、プラズマの生成電力、使用ガスの種類、使用ガスの混合比、ガス圧力、バイアス印加電力、電極あるいはリアクタ壁等の温度設定等）を各膜層の材料によって最適化する必要がある。よって多層膜のエッチングの完了時点でエッチング選択比やエッチング形状（例えばＣＤ：Critical Dimension）を高精度に制御することは難しくなっている。さらに最近の半導体加工においては微細化に伴いエッチング形状の精度はナノメートルまたはサブナノメートルのオーダーで要求されている。

前述のような多層膜のエッチング形状の高精度な加工制御においては、プラズマ処理の手順も複雑となる。一般的に、各膜のエッチング処理に際して、処理に適したガスやプラズマ状態の処理条件を順次切り替えることが行われる。このような処理手順はプラズマ処理装置ではレシピと呼ばれる。このレシピはプラズマ処理装置の制御装置に入力され、プラズマ処理装置は入力されたレシピに従って被処理基板を処理する。複雑な多層膜構造、さらには複雑な立体構造に対応するため、レシピの処理ステップは増大し、複雑化する傾向にある。例えば、複雑化するレシピの改善方法としては特許文献１が提案されている。

また、先述の通り、近年の半導体デバイスの集積度の向上に伴う、微細加工つまり加工精度の向上要求によって、先述のエッチングパラメータであるプラズマ密度、ラジカル密度等をさらに高精度に制御する必要がある。先述のような複雑な多層膜構造や、近年の複雑な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各処理ステップで制御しなければならない。各処理ステップで高精度にイオン生成量やラジカル生成量を制御する方法の一つとして、プラズマを間欠的に生成させる方法が提案されている。

例えば、プラズマを間欠的に生成させる方法としては、特許文献２が提案され、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する、ないしは、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ないしは、エネルギの変調によって制御する。これにより各処理ステップで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。

特開２００９−３２９４７号公報 特許第３４９９１０４号公報

しかしながら、特許文献１，２に示される技術では、プラズマ処理装置において、プラズマを間欠的に生成させるときのプラズマ発生装置の制御変数の規定、入力方法について考慮、記載されていない。エッチング処理装置において、所望のエッチング形状を得るためのエッチング選択比は、プラズマを生成するプラズマ発生装置の出力エネルギによって変化する。

従来のプラズマ処理装置、特に従来のプラズマ発生装置の制御方法では、先述のレシピに入力した出力エネルギ値が、デューティー比によって変化し、所望のエッチング形状を得るためのエッチング選択比を得ることができないという課題が生じていた。また、プラズマを間欠的に生成させるためのエッチング処理装置の制御装置における制御変数をレシピへ規定、入力する方法が煩雑化し、誤入力が多くなるという課題が生じていた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、プラズマ処理装置の制御装置における制御変数をレシピへ規定、入力する方法が容易で、かつ、誤入力がなく、所望のエッチング選択比を得ることができ、また所望のエッチング形状を得ることができ、さらにエッチング形状を高精度に制御でき、これにより半導体デバイスの電気的特性や性能が向上し、歩留まりが向上す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ことを目的とする。

本発明では、プラズマ処理装置において、プラズマを間欠的に生成しエッチング処理を行うとき、レシピへ規定または入力する高周波電力値として、高周波電力を供給している一定の時間幅における高周波電力値とした。

つまり、処理室内部のプラズマを間欠的に生成させるため、プラズマ生成装置から処理室内部へ、一定の間隔を隔てて、高周波電力を、一定の時間幅で供給したり、一定の時間幅で遮断したりさせるように制御プログラムの前記プラズマ生成装置の制御変数として、高周波電力を供給している一定の時間幅における高周波電力値と、高周波電力を供給している一定の時間幅または一定の間隔である周期における高周波電力を供給している一定の時間幅の割合と、一定の間隔である周期の逆数である周波数値とを入力または記述した部分を備えることを特徴とするコンピュータ利用可能な記録媒体を用いる手段とした。

上記課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理装置の一つは、試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室内にプラズマを生成させるための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に高周波バイアス電位を印加する高周波バイアス電源と、前記高周波電源と前記高周波バイアス電源とを制御する制御手段と、を備えるプラズマ処理装置において、
前記制御手段は、ＨｉｇｈとＬｏｗの２値を有するパルスにより前記高周波電力が変調される場合、プラズマ処理パラメータの設定値が記述されたレシピにより規定された前記Ｈｉｇｈの期間における高周波電力の設定値を前記高周波電源より出力させ、前記高周波電源より出力された出力値を維持するように前記高周波電源の出力をフィードバック制御することを特徴としている。

また、代表的な本発明のプラズマ処理方法の一つは、ＨｉｇｈとＬｏｗの２値を有するパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、
プラズマ処理パラメータの設定値が記述されたレシピにより規定された前記Ｈｉｇｈの期間における高周波電力をフィードバック制御により維持し、
前記フィードバック制御により維持されたＨｉｇｈの期間における高周波電力によって生成されたプラズマを用いて前記試料を処理することを特徴としている。

本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法では、レシピに規定、入力した高周波電力と、プラズマにエネルギを供給している時間幅における高周波電力とが一致する。よって、所望のエッチング形状を得るための最適なエッチング選択比を維持し、また最適なエッチング形状を維持した状態で、制御変数であるデューティー比や周波数を変化させることができるという効果がある。

図１は本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図である。 図２はエッチング処理装置に用いられるレシピの一例である。 図３は従来のエッチング処理装置におけるマイクロ波電力の時間依存性である。 図４はエッチング処理装置におけるエッチング選択比のマイクロ波電力依存性を示す図である。 図５はエッチング処理装置におけるエッチング断面形状のマイクロ波電力依存性を示す図である。 図６は本実施例におけるマイクロ波電力の時間依存性を示す図である。 図７は本実施例におけるマイクロ波電力の時間依存性と制御変数を示す図である。 図８は本実施例におけるマイクロ波電力の時間依存性と制御変数を示す図である。 図９は本実施例におけるマイクロ波電力の時間依存性と制御変数を示す図である。 図１０は本実施例における電磁波発生用電源の制御方式の一例である。 図１１は本実施例におけるマイクロ波電圧／電力の時間依存性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の実施形態では、プラズマ処理装置は、更に、前記プラズマ生成手段は、前記パルスのＨｉｇｈの期間における高周波電力を検出する高周波電力検出器と、２Ｈｚ以上２ＭＨｚ未満のサンプリング周波数で前記高周波電力検出器の出力信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器とを有すること特徴とする。

プラズマ処理装置は、更に、前記高周波電力検出器がショットキーダイオード型高周波電力検出器であることを特徴とする。

プラズマ処理装置は、更に、前記制御手段は、プラズマ処理パラメータの設定値が記述されたレシピに基づいて前記高周波電力を制御し、前記パルスのＨｉｇｈの期間における高周波電力を、前記プラズマ処理パラメータの一つとして制御することを特徴とする。

また、プラズマ処理装置は、更に、前記制御手段は、プラズマ処理パラメータの設定値が記述されたレシピに基づいて前記パルスの一周期における平均高周波電力値によって前記高周波電源の出力を制御し、前記平均高周波電力値は、前記プラズマ処理パラメータの一つとして制御された前記パルスのＨｉｇｈの期間における高周波電力から演算によって算出されることを特徴とする。

プラズマ処理装置は、更に、前記高周波電源がマイクロ波電源であることを特徴とする。

プラズマ処理装置は、更に、前記任意の繰り返し周波数が、１Ｈｚ以上１ＭＨｚ未満であることを特徴とする。

また、本発明の実施の形態では、プラズマ処理方法は、更に、任意の繰り返し周波数で繰り返されＨｉｇｈとＬｏｗの２値を有するパルスにより変調された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、プラズマ処理パラメータが記述されたレシピに基づいて前記試料をプラズマ処理し、前記高周波電力は、前記プラズマ処理パラメータの一つとして制御された前記パルスのＨｉｇｈの期間における高周波電力から演算により算出された前記パルスの一周期における平均高周波電力値によって制御されることを特徴とする。

プラズマ処理方法は、更に、前記高周波電力がマイクロ波の電力であることを特徴とする。

プラズマ処理方法は、更に、前記任意の繰り返し周波数が、１Ｈｚ以上１ＭＨｚ未満であることを特徴とする。

本発明の実施の形態によれば、レシピに入力した高周波電力が最適な高周波電力となり、所望のエッチング形状を得ることができ、エッチング形状を高精度に制御できる。これにより半導体デバイスの電気的特性や性能が向上し、歩留まりが向上する。

また、エッチング処理装置の使用者は、プラズマを間欠的に生成しエッチング処理を行うとき、レシピに入力する高周波電力が、一定の間隔において高周波を出力（供給）している時間幅での高周波電力となり、エッチング処理に最適な高周波電力となるため、レシピへの規定、入力方法が簡易となり、誤入力もなくなるという効果がある。

さらに、所望のエッチング形状を得るための最適なエッチング選択比を維持し、最適なエッチング形状を維持した状態で、制御変数のデューティー比や周波数を変化させることで、エッチング形状をさらに高精度に制御できるという効果がある。また、ＣＤを高精度に制御できるという効果がある。

図１は、本発明の一実施例であるマイクロ波ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonace）エッチング装置を示している。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、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の上方には電磁波を放射する導波管１０７（または導波管とアンテナ）が設けられる。導波管１０７（または導波管とアンテナ）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。処理室１０４の外周部には、磁場を形成する磁場発生コイル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の下部にはウエハ載置用電極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、ウエハ載置用電源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。処理室１０４内に搬送されたウエハ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から高周波電力を印加することにより、プラズマからウエハ１１２へイオンを引き込み、ウエハ１１２がエッチング処理される。

また、処理室１０４内部にプラズマを任意の繰り返し周波数で繰り返されＨｉｇｈとＬｏｗの２値を有するパルス的に生成させる場合、電磁波発生用電源１０９は、処理室１０４内部へ任意の繰り返し周波数で繰り返されＨｉｇｈとＬｏｗの２値を有するパルスにより変調された高周波電力を供給する。

プラズマを間欠的に生成させるため、所定の時間範囲（例えば周期として表現した場合、１マイクロ秒から１秒等、周波数として表現した場合、１ＭＨｚから１Ｈｚ等）で、電磁波発生用電源１０９からエネルギを供給し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し、また所定の時間範囲（例えば周期として表現した場合、１マイクロ秒から１秒等、周波数として表現した場合、１ＭＨｚから１Ｈｚ等）で、電磁波発生用電源１０９からエネルギの供給を断ち、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。

電磁波発生用電源１０９から供給するエネルギとしては、電磁波発生用電源１０９より発振される電力を用いる。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。

処理室１０４内部にプラズマを間欠的に生成させる場合の一例である矩形変調されたマイクロ波電力の時間依存性グラフを図１１に示す。マイクロ波電圧曲線１１０１は電磁波発生用電源１０９より発振されたマイクロ波電圧波形の時間依存性であり、図１１（１）に示すように２．４５ＧＨｚで概略正弦波を形成する。処理室１０４の内部にプラズマを間欠的に生成させる場合、マイクロ波電圧波形は矩形変調されるため、時間軸を拡大すると、図１１（２）に示すようにマイクロ波電圧波形が出力されている時間（オン時）と出力されていない時間（オフ時）が交互に繰り返される。また図１１（２）に示すような矩形変調されたマイクロ波電圧波形をマイクロ波電力波形に変換すると図１１（３）のようになる。マイクロ波電力曲線１１０２は電磁波発生用電源１０９より発振されたマイクロ波電力波形の時間依存性である。

マイクロ波電力を供給している一定の時間幅Ｂにおけるマイクロ波電力値をＡとし（以後、矩形変調オン時の電力値と表す）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を周期としてＣとし、一定の間隔においてマイクロ波を出力している時間をＢとし、周期ＣにおけるＢ時間の割合をデューティー比（％）と定義する。また、一周期Ｃにおける平均マイクロ波電力は、矩形変調オン時の電力値とデューティー比の積として求められる。

さらに図１に示すエッチング処理装置には、真空排気装置１０８、ガス供給装置１１７、電磁波発生用電源１０９、磁場発生コイル１１０、直流電源１１６、高周波電源１１４等を制御する制御装置（図示省略）が接続してある。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。

図１に示すようなエッチング処理装置を用いて、生成されたプラズマに含まれるラジカルやイオンによって、ウエハ１１２表面の不必要な部分を化学的または物理的に除去するとき、エッチング処理中の制御変数は一定ではなく、ウエハ１１２表面の被エッチング材料やその膜厚、エッチング形状によって、プラズマ処理中の制御変数は変化する。これら一定ではない制御変数を制御プログラムにおいて規定、入力するため、一般的なエッチング処理装置では、レシピと呼ばれる制御変数を管理する表が用いられる。

図２に一般的なエッチング処理装置におけるレシピの一例を示す。図２に示すように、エッチング処理装置において制御装置によって制御される各装置や各電源の制御変数がレシピに規定され、各ステップ（本実施例では各ステップは、時間で区分されている。例えば、各ステップは、エッチングしたい材料の膜厚やプラズマからの発光強度でもよい。）ごとに、その制御変数の値が規定、入力される。

制御プログラムは、図２に示すようなレシピを読み込み、レシピに従って、エッチング処理装置の各装置や各電源を制御する。本実施例においては、先述の通り、プラズマを生成するエネルギの供給を規則的に断ったり続けたりする電磁波発生用電源１０９を制御する制御変数として、たとえば、図２のレシピに示すような、電磁波発生用電源１０９より発振される電力であるマイクロ波電力（Ｗ）、一定の間隔である周期においてマイクロ波が出力している時間幅の割合であるデューティー比（％）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を用いる。

従来のエッチング処理装置では、電磁波発生用電源１０９より発振される電力であるマイクロ波電力（Ｗ）、一定の間隔である周期においてマイクロ波が出力している時間幅の割合であるデューティー比（％）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を用いた場合、エッチング形状を高精度に制御できないため、半導体デバイスの電気的特性や性能が劣化するという課題が発生していた。その課題を図３、図４、図５を用いて説明する。

図３に従来のプラズマ処理装置で、特に従来の電磁波発生用電源１０９を制御する制御変数として先述のような、電磁波発生用電源１０９より発振される電力であるマイクロ波電力（Ｗ）、一定の間隔である周期においてマイクロ波が出力している時間幅の割合であるデューティー比（％）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を用いたときのマイクロ波電力（Ｗ）の時間依存性のグラフを示す。

曲線３０１、３０２、３０３は、いずれも制御変数であるマイクロ波電力（Ｗ）を、例えば、１０００Ｗとし、周波数（Ｈｚ）を１０ｋＨｚとした時のマイクロ波電力（Ｗ）の時間依存性である。曲線３０１は、デューティー比（％）が２０％。曲線３０２は、デューティー比（％）が５０％。曲線３０３は、デューティー比（％）が８０％である。

従来のプラズマ処理装置、特に従来の電磁波発生用電源１０９の発振したマイクロ波電力の制御方法では、マイクロ波電力検出器やマイクロ波電力検出器を含めた制御回路の応答速度が遅く、一般的に数１００ミリ秒から数秒のフィードバック制御時間が必要だった。よって本実施例で示すように、プラズマを間欠的に生成させるため、所定の時間範囲において、プラズマを生成するエネルギの供給を規則的に断ったり続けたりさせる場合、所定の時間範囲ごとに電磁波の出力電力を制御することができず、時間平均された出力電力を制御していた。

つまり、制御変数であるマイクロ波電力（Ｗ）を１０００Ｗとレシピに入力しても、デューティー比（％）が２０％のとき、矩形変調オン時電力は５０００Ｗとなっていた。デューティー比（％）が５０％のとき、矩形変調オン時電力は２０００Ｗ。デューティー比（％）が８０％のとき、矩形変調オン時電力は１２５０Ｗとなっていた。レシピに規定、入力したマイクロ波電力（Ｗ）は、デューティー比（％）の規定、入力によって変化し、プラズマにエネルギを供給している時間範囲におけるマイクロ波電力とレシピに入力したマイクロ波電力（Ｗ）とが異なっていた。

図４にプラズマエッチング処理装置における、エッチング選択比のマイクロ波電力依存性の一例を示す。ここでの、エッチング選択比は、被エッチング材料５０１のエッチング速度に対する、エッチングしない材料のエッチング速度（例えば、マスク材料５０２や被エッチング層の下地等）として表す。

例えば、被エッチング材料５０１として、ポリシリコン膜、マスク材料５０２としてシリコン酸化膜等である。エッチング選択比は、プラズマを生成するマイクロ波電力によって変化する。図４に示すとおり、マイクロ波電力を増加させると、エッチング選択比は増加し、最適なマイクロ波電力で最大のエッチング選択比となった後、マイクロ波電力の増加とともに、エッチング選択比は低下する。

図５にエッチング形状の断面図の一例を示す。図５（１）はエッチング処理前の形状であり、被エッチング材料５０１（例えば、ポリシリコン膜等）に、マスク材料５０２（例えば、シリコン酸化膜等）が成膜される。

図５（２）は、プラズマを生成するマイクロ波電力が比較的低いときのエッチング形状を示し、図４のグラフにおけるＡ点である。生成されたプラズマのイオンとラジカルの生成量は少なく、被エッチング材料５０１もマスク材料５０２もエッチング速度が大きく、選択比が比較的小さい。

図５（３）は、プラズマを生成するマイクロ波電力が最適なときのエッチング形状を示し、図４のグラフにおけるＢ点である。生成されたプラズマのイオンとラジカルの生成量が最適化され、被エッチング材料５０１のエッチング速度は大きく、マスク材料のエッチング速度は抑制され、エッチング選択比が最も高くなる。

図５（４）は、プラズマを生成するマイクロ波電力が比較的高い場合のエッチング形状を示し、図４のグラフにおけるＣ点である。生成されたプラズマのイオンとラジカルの生成量が過度となり、被エッチング材料５０１のエッチング速度が抑制されてしまい、エッチング選択比が比較的小さい。

一般的に所望されるエッチング形状は、被エッチング材料５０１のエッチング速度が大きく、マスク材料のエッチング速度が抑えられ、エッチング選択比の高い形状である。図５においては、図５（３）の断面形状が所望のエッチング形状となる。つまり、最適な所望のエッチング形状やそのエッチング形状を得る最適なエッチング選択比は、マイクロ波電力に依存し、最適なマイクロ波電力でエッチング処理する必要がある。

図３で示す通り、従来のプラズマ処理装置では、図２に示すようにレシピにマイクロ波電力を入力しても、デューティー比によってマイクロ波電力が変化し、図４のＢ点に示すような最適なマイクロ波電力にならず、図５（３）に示すような所望のエッチング形状を維持できない。エッチング形状を高精度に制御できないため、半導体デバイスの電気的特性や性能が劣化、歩留まりを低下させるという課題が発生していた。そのため、エッチング処理装置の使用者は、プラズマを間欠的に生成しエッチング処理を行うとき、矩形変調オン時電力が最適な出力電力となるよう、レシピに予め計算しておいたマイクロ波電力、デューティー比を入力しなければならず、設定入力が煩雑になり、誤入力も多かった。

そこで、本実施例では、プラズマを間欠的に生成しエッチング処理を行うとき、レシピに規定、入力するマイクロ波電力を矩形変調オン時電力とし、その出力電力を所望のエッチング形状を得るための最適な出力電力として規定、入力する。

図６に、本実施例のプラズマ処理装置において、特に電磁波発生用電源１０９のマイクロ波電力を一定の間隔で供給したり遮断したりするように制御する制御変数として、電磁波発生用電源１０９がマイクロ波電力を供給している矩形変調オン時電力（Ｗ）、一定の間隔である周期においてマイクロ波が出力している時間幅の割合であるデューティー比（％）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を用いたときのマイクロ波電力（Ｗ）の時間依存性のグラフを示す。

マイクロ波電力曲線６０１、６０２、６０３は、いずれも制御変数であるマイクロ波電力（Ｗ）を、例えば、１０００Ｗとし、周波数（Ｈｚ）を１０ｋＨｚとした時のマイクロ波電力（Ｗ）の時間依存性である。マイクロ波電力曲線３０１は、デューティー比（％）が２０％。曲線３０２は、デューティー比（％）が５０％。マイクロ波電力曲線３０３は、デューティー比（％）が８０％である。

本実施例のプラズマ処理装置、特に本実施例の電磁波発生用電源１０９の発振した電力の制御方法では、制御の応答速度を速くし、数マイクロ秒から数ミリ秒のフィードバック制御時間とした。本実施例で示すように、プラズマを間欠的に生成させるため、所定の時間範囲において、プラズマを生成するエネルギの供給を規則的に断ったり続けたりさせる場合、所定の時間範囲ごとに電磁波の出力電力を制御することができ、矩形変調オン時電力を制御できる。

つまり、マイクロ波電力曲線６０１、６０２、６０３に示す通り、制御変数であるマイクロ波電力（Ｗ）を１０００Ｗとレシピに入力し、デューティー比（％）を変化させても、矩形変調オン時電力は１０００Ｗとなり、レシピに規定、入力したマイクロ波電力（Ｗ）と、プラズマにエネルギを供給している時間範囲におけるマイクロ波電力とが一致する。

よって、レシピに規定、入力したマイクロ波電力をエッチング処理に最適なマイクロ波電力とし、所望のエッチング形状を得ることができ、エッチング形状を高精度に制御できる。これにより半導体デバイスの電気的特性や性能が向上、歩留まりを向上できる。また、エッチング処理装置の使用者は、プラズマを間欠的に生成しエッチング処理を行うとき、レシピに入力するマイクロ波電力が、一定の間隔においてマイクロ波を出力している時間幅の出力電力となり、エッチング処理に最適な出力電力となるため、設定入力が簡易となり、誤入力も少なくなる。

さらに、所望のエッチング形状を得るための最適な選択比を維持し、最適なエッチング形状（ここでの形状は、側壁角度、アスペクト比、マスク高さ、マスクファセット等を表わす）を維持したまま、デューティー比や周波数を変化させることもできる。デューティー比や周波数を変化させると、プラズマを生成するエネルギの供給を断った時間を制御することが可能となる。このプラズマを生成するエネルギの供給を断った時間は、ラジカルとイオンの生成量が変化する。

一般的にエネルギの供給を断った時間は、イオンの生成量に対してラジカルの生成量が増加する。イオンに対するラジカルの生成量が増加すると、一般的にエッチング形状における横方向の物理または化学反応が増加する。エッチング性能の強いラジカルが増加したときは横方向のエッチングが進行、堆積性能の強いラジカルが増加したときは横方向の堆積が進行する。

つまり、本実施例では、所望のエッチング形状を得るための最適な選択比を維持し、最適なエッチング形状を維持したままデューティー比や周波数を変化させることで、エッチング形状をさらに高精度に制御できるという効果がある。同様にＣＤを高精度に制御できるという効果がある。

先述した本実施例の電磁波発生用電源１０９の発振した電力の制御方法は、近年の半導体デバイスの高性能化、高速化に伴い、制御応答速度が高速化したことにより可能となった。そのフィードバック制御時間を数マイクロ秒から数ミリ秒とすることができる。

また先述の制御応答速度の高速化の代わりに、一定の間隔において電磁波を出力している時間のみ、フィードバック制御を行い、一定の間隔において電磁波を出力していない時間は、フィードバック制御を行わない制御方式としても同様の作用と効果が得られる。

さらにプラズマを間欠的に生成しエッチング処理を行うとき、その一定の間隔は周波数において、１Ｈｚ以上１ＭＨｚ未満、周期として、１マイクロ秒以上１秒未満であることが望ましい。プラズマを生成するプラズマ発生用電源において、近年の半導体デバイスのスイッチング周波数は１ＭＨｚ程度が限界であり、また、１Ｈｚ以下で間欠的にプラズマを生成してもイオンやラジカルの生成量を精度よく制御できない。

また従来の電磁波発生用電源１０９の発振した電力の制御方法においても、レシピに入力された一定の間隔において電磁波を出力している時間幅の出力電力をレシピに入力されたデューティー比で乗算した時間平均出力電力で、電磁波発生用電源１０９が発振する電力をフィードバック制御しても同様の効果が得られる。レシピに入力または記述されたマイクロ波電力とデューティー比の制御変数を用いて、レシピに入力された一定の間隔における時間平均電力値を演算し、プラズマ生成装置である電磁波発生用電源１０９の制御変数として演算された時間平均電力値を用いてもよい。

本実施例では、図６に示されるようにマイクロ波電力の時間依存性を矩形波状としたが、例えば、鋸波状、振幅変調状（ＡＭ状）、周波数変調状（ＦＭ状）、概略矩形波状等、プラズマを間欠的に生成できれば、いずれであっても同様の作用と効果を得ることができる。また本発明の電磁波発生用電源１０９の制御方式における一例を図１０に示す。

プラズマ生成装置として、電磁波発生用電源１０９がプラズマ処理装置に接続され、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、電磁波を放射する導波管１０７（またはアンテナ）が設けられる。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。

電磁波発生用電源１０９からプラズマを生成するために出力されるマイクロ波電力をモニタするために高周波電力検出器１００２が導波管１０７に接続される。さらに高周波電力検出器１００２のモニタ出力信号を高速でプラズマ処理装置の制御装置１００１が取り扱えるディジタル信号に変換することが可能な高速アナログ／ディジタル変換器１００３が高周波電力検出器１００２に接続される。通常、エッチング処理装置には、真空排気装置１０８、ガス供給装置１１７、電磁波発生用電源１０９、磁場発生コイル１１０、直流電源１１６、高周波発生用電源１０９等を制御する制御装置１００１が接続してある。

制御装置１００１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１００４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。高速アナログ／ディジタル変換器１００３により制御装置１００１が取り扱えるようになったディジタル信号を制御装置１００１に入力し、記録媒体１００４に入力、規定してある電磁波発生用電源１０９を制御する制御変数と比較することで、制御装置１００１から電磁波発生用電源１０９に制御信号を出力する。

従来のプラズマ処理装置、特に従来の電磁波発生用電源１０９の発振した電力の制御方法では、制御の応答速度が遅く、一般的に数１００ミリ秒から数秒のフィードバック制御時間が必要だった。よって本実施例で示すように、プラズマを間欠的に生成させるため、所定の時間範囲において、プラズマを生成するエネルギの供給を規則的に断ったり続けたりさせる場合、所定の時間範囲ごとに電磁波の出力電力を制御することができず、時間平均された出力電力を制御していた。つまり、制御変数であるマイクロ波電力（Ｗ）を１０００Ｗとレシピに入力しても、デューティー比（％）が２０％のとき、矩形変調オン時電力は５０００Ｗとなっていた。レシピに規定、入力したマイクロ波電力（Ｗ）は、デューティー比（％）の規定、入力によって変化し、プラズマにエネルギを供給している時間範囲におけるマイクロ波電力とレシピに入力したマイクロ波電力（Ｗ）とが異なっていた。

本実施例のプラズマ処理装置、特に本実施例の電磁波発生用電源１０９の発振した電力の制御方法では、高速のアナログ／ディジタル変換器１００３を接続することで、制御系の応答速度を速くすることができ、数マイクロ秒から数ミリ秒のフィードバック制御時間が可能となる。

本実施例で示すように、プラズマを間欠的に生成させるため、所定の時間範囲において、プラズマを生成するエネルギの供給を規則的に断ったり続けたりさせる場合、所定の時間範囲ごとに電磁波の出力電力を制御することができ、矩形変調オン時電力を制御できる。つまり制御変数であるマイクロ波電力（Ｗ）を１０００Ｗとレシピに入力し、デューティー比（％）を変化させても、矩形変調オン時電力は１０００Ｗとなり、レシピに規定、入力したマイクロ波電力（Ｗ）と、プラズマにエネルギを供給している時間範囲におけるマイクロ波電力とが一致する。

先述した高速のディジタル変換器は、近年の半導体デバイスの高性能化、高速化に伴い、制御応答速度が高速化したことにより可能となった。そのフィードバック制御時間を数マイクロ秒から数ミリ秒とすることができる。

また先述の制御応答速度の高速化の代わりに、一定の間隔において電磁波を出力している時間のみ、フィードバック制御を行い、一定の間隔において電磁波を出力していない時間は、フィードバック制御を行わない制御方式としても同様の作用と効果が得られる。

さらにプラズマを間欠的に生成しエッチング処理を行うとき、その一定の間隔は周波数において、１Ｈｚ以上１ＭＨｚ未満、周期として、１マイクロ秒以上１秒未満であることが望ましい。プラズマを生成するプラズマ発生用電源において、近年の半導体デバイスのスイッチング周波数は１ＭＨｚ程度が限界であり、また、１Ｈｚ以下で間欠的にプラズマを生成してもイオンやラジカルの生成量を精度よく制御できない。よってそのマイクロ波電力をモニタする高速アナログ／ディジタル変換器１００３のサンプリング周波数もエリアシングを考慮し、２Ｈｚ以上２ＭＨｚ未満であることが望ましい。

また高周波電力検出器１００２は、様々な方式が考えられるが、高速応答性を満足するためにはショットキーダイオード型高周波電力検出器１００２であることが望ましい。

さらに本実施例のプラズマ処理装置において、特に電磁波発生用電源１０９のマイクロ波電力を一定の間隔で供給したり遮断したりするように制御する制御変数として、電磁波発生用電源１０９がマイクロ波電力を供給している矩形変調オン時電力（Ｗ）、一定の間隔である周期においてマイクロ波が出力している時間幅の割合であるデューティー比（％）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）は、プラズマ処理装置に接続されたモニタの出力であるモニタ値によって変化させてもよい。

例えば、各膜層のエッチング処理の終点を検出して、先述の制御変数を変化させる。エッチング処理の終点検出方法としては、プラズマ発光の被エッチング材料５０２に起因する発光種、エッチングにより消費されるエッチャントに起因する発光種、あるいは被エッチング材料５０２の下層材料に起因する発光種等の発光時間変化から求めることが一般的である。モニタ値の変化によって制御変数を変化させても、同様の作用と効果を得ることができる。

図７に、本実施例で用いた、電磁波発生用電源１０９がマイクロ波電力を供給している矩形変調オン時電力（Ｗ）、一定の間隔である周期においてマイクロ波が出力している時間幅の割合であるデューティー比（％）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を示す。曲線７０１は、マイクロ波電力（Ｗ）の時間依存性である。

電磁波発生用電源１０９より発振される電力であるマイクロ波電力を一定の間隔においてマイクロ波を出力している時間幅の出力電力（Ｗ）をａとし（矩形変調オン時電力）、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を周期としてｃとし、一定の間隔においてマイクロ波を出力している時間をｂとし、周期ｃにおけるｂ時間の割合をデューティー比（％）とした。デューティー比（％）をレシピに入力する代わりに、一定の間隔においてマイクロ波を出力している時間であるｂをレシピに入力しても同様の作用と効果が得られる。

また、図８に示す通り、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を周期としてｃとし、一定の間隔において電磁波を出力していない時間をｂとし、周期ｃにおけるｂ時間の割合をデューティー比（％）としても同様の作用と効果が得られる。デューティー比（％）をレシピに入力する代わりに、一定の間隔において電磁波を出力していない時間であるｂをレシピに入力しても同様の作用と効果が得られる。

また、図９に示す通り、一定の間隔を表わす周波数値である周波数（Ｈｚ）を周期としてｃとしレシピに入力する代わりに、一定の間隔においてマイクロ波を出力している時間ｂと一定の間隔においてマイクロ波を出力していない時間をｄとをレシピに入力しても同様の作用と効果が得られる

本実施例では、被エッチング材料５０２をポリシリコン膜としたが、被エッチング材料５０２としては、ポリシリコン膜だけでなく、窒化シリコン膜、フォトレジスト膜、反射防止有機膜、反射防止無機膜、有機系材料、無機系材料、シリコン酸化膜、窒化シリコン酸化膜、Ｌｏｗ−ｋ材料、Ｈｉｇｈ−ｋ材料、アモルファスカーボン膜、Ｓｉ基板、メタル材料等においても同等の効果が得られる。

また、エッチングを実施するガスとしては、例えば、塩素ガス、臭化水素ガス、四フッ化メタンガス、三フッ化メタン、二フッ化メタン、アルゴンガス、ヘリウムガス、酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、アンモニア、八フッ化プロパン、三フッ化窒素、六フッ化硫黄ガス、メタンガス、四フッ化シリコンガス、四塩化シリコンガス、塩素ガス、臭化水素ガス、四フッ化メタンガス、三フッ化メタン、二フッ化メタン、アルゴンガス、ヘリウムガス、酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、アンモニア、八フッ化プロパン、三フッ化窒素、六フッ化硫黄ガス、メタンガス、四フッ化シリコンガス、四塩化シリコンガスヘリウムガス、ネオンガス、クリプトンガス、キセノンガス、ラドンガス等が使用できる。

以上の実施例ではマイクロ波ＥＣＲ放電を利用したエッチング処理装置を例に説明したが、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。また上記各実施例では、エッチング処理装置について述べたが、プラズマ処理を行うその他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置等についても同様の作用効果がある。

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 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 高周波フィルター回路
１１６ 直流電源
１１７ ガス供給装置
３０１ マイクロ波電力曲線
３０２ マイクロ波電力曲線
３０３ マイクロ波電力曲線
５０１ 被エッチング材料
５０２ マスク材料
６０１ マイクロ波電力曲線
６０２ マイクロ波電力曲線
６０３ マイクロ波電力曲線
７０１ マイクロ波電力曲線
１００１ 制御装置
１００２ 高周波電力検出器
１００３ アナログ／ディジタル変換器
１００４ 記録媒体
１１０１ マイクロ波電圧曲線
１１０２ マイクロ波電力曲線

Claims (8)

1. 試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室内にプラズマを生成させるための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に高周波バイアス電位を印加する高周波バイアス電源と、前記高周波電源と前記高周波バイアス電源とを制御する制御装置と、を備えるプラズマ処理装置において、
   前記高周波電力を検出する高周波電力検出器をさらに備え、
   前記制御装置は、ＨｉｇｈとＬｏｗの２値を有するパルスにより前記高周波電力が変調される場合、プラズマ処理パラメータの設定値が記述されたレシピにより規定された前記Ｈｉｇｈの期間における高周波電力の設定値を前記高周波電源より出力させ、前記高周波電力検出器により検出された高周波電力の値を前記Ｈｉｇｈの期間における高周波電力の設定値と比較することによって前記高周波電源から出力された出力値を維持するように前記高周波電源を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波電力検出器により検出された高周波電力の値を２Ｈｚ以上かつ２ＭＨｚ未満のサンプリング周波数でディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル変換器をさらに備えること特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波電力検出器がショットキーダイオード型高周波電力検出器であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記高周波電力がマイクロ波の電力であることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
   前記パルスの繰り返し周波数が１Ｈｚ以上かつ１ＭＨｚ未満であること特徴とするプラズマ処理装置。
6. ＨｉｇｈとＬｏｗの２値を有するパルスにより変調され高周波電源から供給された高周波電力によって生成されたプラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、
   プラズマ処理パラメータの設定値が記述されたレシピにより規定された前記Ｈｉｇｈの期間における高周波電力の設定値を前記高周波電源から出力し、
   前記高周波電源から出力された出力値を検出し、
   前記検出された出力値を前記Ｈｉｇｈの期間における高周波電力の設定値と比較することによって前記高周波電源から出力された出力値を維持するように前記高周波電源を制御し、
   前記制御された高周波電源から供給された高周波電力により生成されたプラズマを用いて前記試料を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理方法において、
   前記高周波電力がマイクロ波の電力であることを特徴とするプラズマ処理方法。
8. 請求項６または請求項７に記載のプラズマ処理方法において、
   前記パルスの繰り返し周波数が１Ｈｚ以上かつ１ＭＨｚ未満であること特徴とするプラズマ処理方法。
   

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