JP6180799B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特に半導体素子等の試料を加工するために、プラズマを用いて高精度なエッチング処理を施すのに好適なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
従来、半導体素子の表面を処理する方法として、半導体素子をプラズマでエッチングする装置が知られている。ここでは、電子サイクロトロン共鳴(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ、以下、ＥＣＲと略称する）方式のプラズマエッチング装置を例に従来技術を説明する。
このＥＣＲ方式では、外部より磁場を印加した真空容器中でマイクロ波によりプラズマを発生する。磁場により電子はサイクロトロン運動し、この周波数とマイクロ波の周波数を共鳴させることで効率よくプラズマを生成できる。半導体素子に入射するイオンを加速するため、高周波電力を概略正弦波にて連続波形で試料に印加している。ここで、試料に印加する高周波電力を以下、高周波バイアスと称する。また試料については一例としてウエハの場合で記述する。
また、プラズマとなるガスには塩素やフッ素などのハロゲンガスが広く使われている。プラズマにより発生したラジカルやイオンと被エッチング材が反応することでエッチングが進行する。エッチング加工を高精度に制御するためには、プラズマ制御によるラジカル種の選定やイオン量の制御を行う必要がある。ラジカルやイオンの制御方法としては、プラズマを時間変調したパルスプラズマ方式がある。パルスプラズマとはプラズマのオンとオフを繰り返すことで解離を制御し、ラジカルの解離状態やイオン密度を制御するものである。パルスプラズマのオンとオフの繰り返し周波数(以下パルス周波数と称する)及び繰り返し周波数の１周期に対するオン時間の比（以下、デューティー比と称する）オン時間とオフ時間の比を制御パラメータとすることで、エッチング加工の高精度制御が可能になる。特許文献１にはパルスプラズマを用いたエッチング加工制御方法が開示されている。
パルスプラズマに対し連続波形の高周波バイアスを適用した場合を図１に示す。プラズマのオフ時間にも高周波バイアスが印加されることになる。一般にプラズマのオフ時間はプラズマ密度が低いため、高周波バイアスからみたインピーダンスが高くなり、ウエハに印加される電圧の振幅値(以下Ｖｐｐと称する)が高くなる。Ｖｐｐが高くなることでイオン照射エネルギーが高くなり、ウエハにダメージを引き起こす可能性がある。
このダメージを避ける方法として高周波バイアスをプラズマのオフ期間に印加しない方法がある。一例を図２に示す。高周波バイアスもパルスプラズマと同じように時間変調し、パルスプラズマと同期してオンとオフを繰り返すことでプラズマオフ期間のウエハへのダメージを回避できる。
特開昭５９-４７７３３号公報 特表２００３-５３２９８６号公報
マイクロ波を用いたＥＣＲ方式のパルスプラズマでは、概してプラズマ生成を行うマイクロ波をパルス化する。マイクロ波のパルス化の方式の一例としては、マイクロ波電源に基準となるパルス信号を入力し、電源内で処理することでパルス状のマイクロ波を出力する方式がある。パルス状のマイクロ波によるプラズマが形成されると、プラズマ密度が図１のように変化する。即ち、従来のＥＣＲ方式の連続プラズマ方式とは異なりプラズマ密度はマイクロ波のオンと共に増加するが、プラズマ密度が安定するまでに時間がかかる。
また、プラズマ生成に使用するマイクロ波出力を従来広く使用されている連続波形出力方式(以下ＣＷモードと称する)によるものとし、高周波バイアスを時間変調出力方式(以下パルスモードと称する)として高周波バイアスの反射率を測定した結果、図８に示すように反射率は高周波バイアス出力値の５％以下となった。尚、反射率が５％以下程度であればプロセス性能に影響を与えず、電源へのダメージも問題が無い。また、反射率(％)は、高周波バイアスの反射電力を高周波バイアスの出力電力で除した値に１００を掛けて算出したものである。
一方、パルスプラズマでは、プラズマ密度安定までの過渡期間が毎周期存在し、パルスプラズマに同期させた高周波バイアスを印加すると、オンとオフの繰り返しにより、プラズマ密度が変化しているため、高周波バイアスからみたプラズマインピーダンスが変化してマッチングを取るのが困難となることがある。
この場合、図２に示すように、反射電力が大きくなり、且つ反射値も安定しない現象が発生する。反射電力値が大きい場合には、実際のウエハへの印加電力と設定電力値との差が大きくなる問題が発生し、高精度な制御ができない。また、反射電力が電源に戻ってくることで、電源にダメージを与えることがある。反射電力値が安定しない場合には、実際のウエハへの印加電力も安定しない。その場合、エッチング加工結果も不安定になることがある。
この問題を解決する方法として、図４のようにプラズマ密度が安定した後に印加する方法が考えられる。この方法では高周波バイアスが印加されていない期間にプラズマがオンの期間があることから、エッチングの条件によっては、その期間にプラズマにより生成したデポがウエハ表面に堆積し、エッチングストップを引き起こす問題が発生する場合がある。
パルスプラズマのマッチングの課題に対して特許文献２にはプラズマがオフからオンに切り替わる過渡の期間に高周波バイアスの出力を低い出力から徐々に高い出力で変化させながら印加する方法が開示されている。しかし、この方法でも同様にエッチング条件によっては、プラズマ密度安定までの過渡期間に高周波バイアスが低いことにより、イオンエネルギーが不足し、過渡期間のプラズマにより生成されたデポによるエッチングストップを引き起こす可能性がある。従来のプラズマ方式と異なりパルスプラズマ方式ではマッチングが大きな課題となる。
また、図２で示したようにプラズマ生成に使用するマイクロ波出力をパルスモード、高周波バイアスもパルスモードとし、高周波バイアスの反射値を測定したところ、高周波バイアスの反射率が５％を超え、且つ反射率が安定しない結果となった。原因はプラズマ生成がパルスモードで行われるパルスプラズマと呼ばれる方式では、図２に示すようにマイクロ波出力がオンとなった後、プラズマ密度が安定するまでに時間がかかる過渡期間が存在するためである。反射が安定せず、且つ大きくなる原因を図７を用いて以下説明する。
マッチング回路では電流や電圧をサンプリングしてプラズマインピーダンスを算出しマッチングを行う。サンプリングしたプラズマインピーダンスにより、可変容量の動作が決定される。パルスプラズマでは従来の連続モードのプラズマとは異なり、サンプリングにプラズマ密度が安定しない過渡期間を含んでしまう。図７のＡのタイミングは、プラズマ密度が安定していない過渡期間である。この期間のプラズマインピーダンスＺａは、プラズマ密度が他のサンプリングタイミングである、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥのプラズマインピーダンスＺｂ、Ｚｃ、Ｚｆと大きく異なる。
Ｚｂ、Ｚｃ、Ｚｆはともにプラズマ密度が安定しており、プラズマインピーダンスとしては近い値をとる。そのため、マッチング回路ではＺａのマッチング位置に合わせようとする動作と、プラズマ密度安定期間のインピーダンスＺｂ、Ｚｃ、Ｚｆに対するマッチング動作が混在し、マッチング動作が正常にできず、マッチング回路が最適な可変容量値とならないため、反射が大きくかつ安定しない結果となる。
また、概して、この期間はプラズマ密度が非常に低く時間も短いため、エッチング性能に影響が少ない。高周波バイアスはエッチング性能に影響が大きいプラズマ密度が安定している期間に対し、マッチングを行う方が良い。
パルスプラズマを使用する場合には、従来方式とは異なり、過渡期間のプラズマ密度の変化を考慮する必要がある。図４に示すように高周波バイアスを過渡期間は印加しない方法や、高周波バイアス出力を緩やかに上げていくことで反射値を小さくする方法が考えられる。この場合、過渡期間中に高周波バイアスによるイオン加速電圧が小さくなる。プラズマのデポ性が強い場合には、試料表面にデポが堆積するため、イオン加速電圧が小さい場合にはエッチングストップを引き起こすことになり、歩留まりの低下やデバイス不良を引き起こす可能性がある。
本発明は、上述した課題を解決するために、プラズマ生成用高周波電力と高周波バイアス電力を時間変調するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法において、高周波バイアス電力を安定して供給することができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供する。
本発明は、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料が載置される試料台と、前記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、前記第二の高周波電力の反射を抑制するための整合を行う整合器とを備えるプラズマ処理装置において、前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力が時間変調される場合、前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間のサンプリング有効期間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させるとともに所定時間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させない制御部をさらに備え、前記サンプリング有効期間は、前記所定時間の経過後から前記時間変調された第二の高周波電力のオン終了時間までの期間であり、前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間は、前記所定時間と前記サンプリング有効期間の時間との和であり、前記所定時間は、時間変調された第一の高周波電力により生成されたプラズマの密度に基づいて予め求められた固定値であるとともに前記時間変調された第二の高周波電力のオン開始時間から開始することを特徴とする。
また、本発明は、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料が載置される試料台と、前記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、前記第二の高周波電力の反射を抑制するための整合を行う整合器とを備えるプラズマ処理装置において、前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力が時間変調される場合、前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間のサンプリング有効期間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させるとともに所定時間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させない制御部をさらに備え、前記サンプリング有効期間は、前記所定時間経過後から開始される期間であるとともに予め求められた固定値であり、前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間は、前記所定時間と前記サンプリング有効期間の時間との和であり、前記所定時間は、前記第二の高周波電力を時間変調するための周波数と前記第二の高周波電力を時間変調するためのデュティー比により求められた前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間から前記サンプリング有効期間の時間を減じた時間であることを特徴とする。
また、本発明は、真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料を載置する試料台と、前記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、前記第二の高周波電力の反射電力を抑制する整合器とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力を時間変調し、前記時間変調された第二の高周波電力のオン終了時間から所定時間前までの期間であるサンプリング有効期間に整合を行うための情報をサンプリングするとともに前記オン終了時間後から次のサンプリング有効期間までは、前記サンプリング有効期間に行われた整合状態を維持して前記整合器の整合を行うことを特徴とする。
本発明により、プラズマ生成用高周波電力と高周波バイアス電力を時間変調するプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法において、高周波バイアス電力を安定して供給することができる。
パルスプラズマに連続波形の高周波バイアスを適用した一例である。 パルスプラズマに時間変調した高周波バイアスを適用した一例である。 高周波バイアスの整合器のサンプリングタイミングを示す図である。 プラズマ密度が安定していない過度期間を示す図である。 本発明に係るマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置の縦断面図である。 制御部１２０の動作を示す図である。 サンプルホールド方式を説明する図である。 連続波出力プラズマに時間変調した高周波バイアスを適用した一例である。 プラズマ密度によりプラズマ安定までの過度期間を規定する方法を示す図である。 プラズマ密度、プラズマ発光およびＶｐｐのそれぞれの関係を表す図である。 本発明に係る高周波バイアスの整合を示す図である。 デッドタイムを固定した場合のケース１ないし３を示す図である。 サンプリング有効時間を固定した場合のケース１ないし３を示す図である。 高周波バイアスの時間変調の周波数を整合器のサンプリング周波数の整数倍とした場合を示す図である。 高周波バイアスの整合器の動作を示すフロー図である。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。本発明の一実施例に係るＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエッチング装置の概略縦断面図を図５に示す。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導入するための石英製のシャワープレート１０２と、石英製の誘電体窓１０３とを設置し、密封することにより処理室１０４を形成する。
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１０５が接続される。また、真空容器１０１には排気用開閉バルブ１１７及び排気速度可変バルブ１１８を介して真空排気装置１０６が接続されている。処理室１０４内は、排気用開閉バルブ１１７を開とし、真空排気装置１０６を駆動することで減圧され、真空状態となる。処理室１０４内の圧力は排気速度可変バルブ１１８により所望の圧力に調整される。
エッチングガスは、ガス供給装置１０５からシャワープレート１０２を介して処理室１０４内に導入され、排気速度可変バルブ１１８を介して真空排気装置１０６によって排気される。また、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１の下部に試料台である試料載置用電極１１１が設けられる。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伝送する導波管１０７が設けられる。導波管１０７へ伝送される電磁波は、第一の高周波電源である電磁波発生用高周波電源１０９から発振させる。
電磁波発生用高周波電源１０９には、パルス発生ユニット１２１が取り付けられており、これによりマイクロ波を図２に示すように任意に設定可能な繰り返し周波数でパルス状に変調することができる。尚、本実施例の効果は、電磁波の周波数に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の外部には、磁場を形成する磁場発生用コイル１１０が設けてあり、電磁波発生用高周波電源１０９より発振された電磁波は、磁場発生用コイル１１０により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し、試料載置用電極１１１上に配置された、試料であるウエハ１１２にエッチング処理を施す。
シャワープレート１０２、試料載置用電極１１１、磁場発生用コイル１１０、排気用開閉バルブ１１７、排気速度可変バルブ１１８及びウエハ１１２は処理室１０４の中心軸上に対して同軸に配置されているため、エッチングガスの流れやプラズマにより生成されたラジカル及びイオン、更にはエッチングにより生成された反応生成物はウエハ１１２に対し同軸に導入、排気される。この同軸配置はエッチングレート、エッチング形状のウエハ面内均一性を軸対称に近づけ、ウエハ処理均一性を向上させる効果がある。
試料載置用電極１１１は電極表面がセラミック（図示せず）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。さらに、試料載置用電極１１１には、マッチング回路１１３を介して第二の高周波電源である高周波バイアス電源１１４が接続される。高周波バイアス電源１１４には、パルス発生ユニット１２１が取り付けられており、同様に図２に示すような時間変調された高周波電力を選択的に試料載置用電極１１１に供給することができる。尚、本実施例の効果は、高周波バイアスの周波数に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。
上述のＥＣＲマイクロ波プラズマエッチング装置を用いたエッチング処理を制御する制御部１２０は、入力手段（図示せず）により、電磁波発生用高周波電源１０９、高周波バイアス電源１１４、パルス発生ユニット１２１のパルスのオン・オフのタイミングを含む繰り返し周波数やデューティー比、エッチングを実施するためのガス流量、処理圧力、電磁波電力、高周波バイアス電力、コイル電流、パルスのオン時間、オフ時間等のエッチングパラメータを制御している。尚、デューティー比とは、パルスの１周期に対するオン期間の割合のことである。また、本実施例では、パルスの繰り返し周波数は５Ｈｚ〜１０ｋＨｚまで変更でき、デューティー比は１％〜９０％まで変更できる。さらに時間変調の設定はオン時間、オフ時間でも可能である。
以下に、電磁波発生用高周波電源１０９のから時間変調された電磁波を発生する場合と、高周波バイアス電源１１４から時間変調された高周波電力を試料載置用電極１１１に供給する場合の制御部１２０の機能について、図６を用いて説明する。制御部１２０は、電磁波発生用高周波電源１０９と高周波バイアス電源１１４をパルス状に変調するための繰り返し周波数、デューティー比、電磁波発生用高周波電源１０９のオンのタイミングと高周波バイアス電源１１４のオンのタイミングを合わせた時間情報を、パルス発生ユニット１２１に設定する。
パルス発生ユニットからは電磁波発生用電源のパルス出力制御のための時間情報が送信され、時間制御された電磁波を発生させる。同様に、高周波バイアス電源１１４もパルス発生ユニットから送信された情報をもとに時間制御された高周波バイアス出力を発生させる。
高周波バイアスを適用する場合、整合器１１３は、図１５に示すようなフローで高周波バイアスのマッチングを取り、反射電力を減少させる。マッチングの手法としてはマッチング回路にて電流と電圧および位相を測定する。その測定値からプラズマのインピーダンスを算出し、最適な回路定数になるようマッチング回路内の可変容量を調整する。尚、マッチング回路がプラズマインピーダンスの測定値を取得し、取得されたインピーダンスの測定値に基づいて可変容量を変更し、マッチング動作を行う周期をサンプリング周期とする。
サンプリング周期は設定により変更できる。本実施例では可変容量はパルスモータにより容量を制御されるため、パルスモータの動作可能な最小時間より短くサンプリング周期を設定しても、パルスモータが動作できない。そのため、概してサンプリング周期の設定はパルスモータの動作可能な最小時間より長く設定される。一例として、高周波バイアスのパルス周波数を１００Ｈｚ、デューティー比を５０％、サンプリング周期を１２ｍｓとした場合について説明をする。
サンプリングの開始タイミングを規定せずサンプリングを行うとする。図３に示すタイミングＤやＥのように、オフ期間にサンプリングを行うタイミングとなる場合がある。オフ期間は高周波バイアスを印加しないため、電圧の測定ができず、マッチング回路では高周波バイアスからみたプラズマインピーダンスが算出できなくなるため、マッチング動作に必要なプラズマインピーダンス値が得られず、マッチングができない状態となる。この問題を解決するため、サンプルホールド方式と称する以下に示す方法により解決できる。
オン期間中にサンプリング周期のタイミングが来る場合、即ち図７のＡ，Ｂ，Ｃのような場合は、それぞれのタイミングでのプラズマインピーダンスをマッチングの指標に用いる。尚、ここでのＡ、Ｂ、Ｃは、図３のＡ、Ｂ、Ｃのタイミングと同じである。しかしながら図７のＤ、Ｅのようなオフの期間にサンプリングのタイミングが来た場合には、オン期間のある時間でのプラズマインピーダンスを代用するようにする。尚、ここでのＤ、Ｅは、図３のＤ、Ｅのタイミングと同じである。
また、本実施例ではオン期間終了直前のタイミング、図７のＦのタイミングでのプラズマインピーダンスであるＺｆを算出し、その値を次のオン開始タイミングまで保持するようにする。つまり、図７に示すようにオフ期間はオン期間のあるタイミングでのプラズマインピーダンスと等しいとする処理を行う。このようにサンプルホールド方式によりオフ期間にプラズマインピーダンスとして異常値を取得することを防ぐことができる。また、整合器１１３は、このようなサンプルホールド方式の機能を有する。
次にプラズマ密度安定までの過渡期間のマッチング動作に与える影響を小さくする整合器１１３のアルゴリズムについて説明する。このアルゴリズムは、オン期間の開始から一定時間の間のプラズマインピーダンスに関する情報を取得しないアルゴリズムである。一例として、パルスプラズマのプラズマ生成周波数を１００Hz、デューティー比を５０％、サンプリング周期を１２ｍｓとした場合について説明する。また、本実施例にてプラズマ密度の安定までの過渡期間の定義について、図９を用いて説明する。
プラズマ密度の時間変化の一次差分を取る。図９に示すようにプラズマ密度の変化が無く安定している場合には、一次差分値は０となる。条件によってはわずかながら密度が緩やかに変化を続ける場合もあるため、安定までの過渡期間の判定基準を０としないこととした。本実施例では一次差分のピーク値に対し、一次差分値が７０％以下になったとき、安定までの過渡期間が終了し、安定期間が始まったと判断することとした。
本実施例では判定の閾値をピーク値の７０％としたが、閾値は条件によって変えても良い。条件によって異なるが、概してパルスプラズマのプラズマ密度が安定するまでの過渡時間は1μs〜１００ｍｓ程度である。パルスプラズマにおいてプラズマ密度が安定するまでの過渡期間を見積もる方法として、高周波バイアスのピークトウピーク値であるＶｐｐやプラズマ発光の変化を測定する手法を用いても良い。図１０にプラズマ密度とプラズマ発光とＶｐｐの変化を示す。
プラズマ中の粒子を発光させるためにはエネルギーをもった電子が粒子に衝突し、粒子に発光に相当するエネルギーを与える必要がある。エネルギーが与えられた粒子は、そのエネルギーを光として放出する。プラズマ密度が変化すると、エネルギーをもった電子の密度も同様に変化するため、プラズマからの発光の変化とプラズマ密度の変化には相関がある。よってプラズマ発光が安定するまでの時間をプラズマ密度が安定するまでの時間として代用することができる。
また、プラズマ密度が変化すると高周波バイアスからみたＶｐｐが変化する。これはプラズマ密度により高周波バイアスからみたインピーダンスが変化するためである。よってＶｐｐの変化もプラズマ密度の変化と相関がある。プラズマ密度の変化をラングミュアプローブなどで直接観察する方法もある。ラングミュアプローブなど真空処理室(以下チャンバと称する)に設置が必要な場合はハードウェアが複雑になる。
また、チャンバの内部に設置する必要があるため、プラズマに影響を与える可能性がある。Ｖｐｐ測定や、プラズマ発光はチャンバ内に検出手段を設置する必要がなく、プラズマへの影響は少ない。本実施例ではＶｐｐの変化を、前述したプラズマ密度の安定までの過渡期間の判定と同様に一次差分を用いる方法で行った。図１０に示すようにＶｐｐの一次差分のピーク値の絶対値に対し、一次差分値の絶対値が９０％となった時間をプラズマ密度が安定した時間とした。
この方法からプラズマ密度が安定するまでの時間は２ｍｓ以下程度と見積もり、高周波バイアスのオン開始から２ｍｓ以降のプラズマインピーダンス値のみを取得するようにした。以下、高周波バイアスのオン開始からプラズマインピーダンス情報を取得しない期間をデッドタイムとする。図１１に示すように整合器１１３のサンプリング周期のタイミングがデッドタイム内になった場合には、サンプルホールドで使用したオン終了時の値、即ちＺｆを使用することとした。従来のデッドタイムを使用しない方式の場合、図２に示すように高周波バイアスの反射値は反射率５％を超え、且つ反射値のばらつきが大きくなるという結果となったが、本発明のデッドタイムを使用した整合を行うことで反射を小さく、且つ安定に高周波バイアスを印加することができ、反射率は１％以下にすることができた。
本実施例ではデッドタイムをプラズマ生成の高周波バイアスのオン開始時間を基準に設定したが、プラズマのオン時間を基準にしても良い。また前述のようにプラズマ発光をモニタすることで、プラズマのオンおよびオフのタイミングが測定できるため、プラズマ発光のオンのタイミングからデッドタイムの経過後、プラズマインピーダンスの情報を取得する方法でも良い。
この方法はプラズマ生成用高周波電源のオン・オフとプラズマのオン・オフの間に遅れ時間がある場合に有効である。プラズマの発光だけではなく、パルスプラズマのオン・オフに連動する他のパラメータ、例えば前述したＶｐｐをモニタし、デッドタイムの基準とする方法でも良い。Ｖｐｐが安定したタイミングから、デッドタイムを設定する方法である。
通常、パルスプラズマ方式ではプラズマ生成の高周波の時間変調周波数(以下パルス周波数と称する)やデューティー比を変更可能としたハードウェア構成となっている。これは、エッチング性能を制御するためにパルス周波数やデューティー比の制御が有効なためである。上述した高周波バイアスのオン開始のタイミングを基準としてデッドタイムを設ける方法の場合、図１２のケース１〜３に示すようにデューティー比やパルス周波数を変えることによりサンプリング有効時間が異なる。ここでサンプリング有効時間とはインピーダンスの測定値を取得できる期間のことである。
また、エッチング条件やプラズマの状態によっては、デューティー比やパルス周波数を変えることで、プラズマ密度の安定時間が大きく変わることがある。この場合、エッチング条件によっては設定されたデッドタイムがプラズマ密度の安定時間より短くなる。ケース１では整合に問題が無いが、ケース２及びケース３では反射が大きくなることや、反射値が安定しないなどの問題が生じる。このため、エッチング条件によってデッドタイム設定値を変更しなければならず、エッチング条件が複数のステップからなる場合、デッドタイムの設定やソフトウェアによる対応が複雑になる。
この課題を解決するためには、図１３に示すような整合器１１３のサンプリング有効時間を一定とする、高周波バイアスのオン期間の終了から一定の期間のみプラズマインピーダンスの測定値を取得し、その他の時間をサンプルホールド値を用いる方法が有効である。この手法について以下、説明する。
高周波バイアスのオフのタイミングを基準に整合器１１３のサンプリング有効時間を一定となるようにデッドタイムを設定する。最初に高周波バイアスのパルス周波数とデューティー比から高周波バイアスのオン期間を求める。次に、高周波バイアスのオン期間から整合器１１３のサンプリング有効時間を減じた値をデッドタイムとする。このようなデッドタイムの求め方により、整合器１１３のサンプリング有効時間を高周波バイアスのパルス周波数及びデューティー比等によらず、一定とすることができる。尚、整合器１１３のサンプリング有効時間は、予め求められた所望の値である。また、整合器１１３のサンプリング有効時間以外は、プラズマインピーダンスの測定値を取得せずに整合器１１３のサンプリング有効時間の最後に取得されたプラズマインピーダンスの測定値を用いて整合を行う、いわゆる上述したサンプルホールドの状態とする。
また、プラズマ密度安定期間に重なるように高周波バイアスを適用することが多いため、通常、高周波バイアスのオフのタイミング直前は、高周波バイアスのオンのタイミング直後よりプラズマ密度が安定している。このため、整合器１１３のサンプリング有効時間を高周波バイアスのオフのタイミングを基準にして設定する方式が有効な場合がある。次に、サンプルホールドの機能を用いずにパルス放電の場合における高周波バイアスの反射値のばらつきを抑制する手段について図１４を参照しながら以下、説明する。
高周波バイアスのパルス周波数が１００Ｈｚでデューティー比が５０％の場合で説明する。図１４に示すようにプラズマ密度が安定するまでの過渡期間以降に整合器１１３のサンプリングのタイミングが来るように遅延時間を設定する。また、高周波バイアスのパルス周波数を整合器１１３のサンプリング周波数の整数倍とする。図１４の例では、整合器１１３のサンプリングの周期を高周波バイアスのパルスの周期の２倍である２０ｍｓとした。
このように遅延時間を設定してプラズマ密度が安定している期間を整合器１１３のサンプリング期間とするとともに高周波バイアスのパルス周波数を整合器１１３のサンプリング周波数の整数倍とすることにより、サンプルホールド方式を用いることなく、パルス放電の場合における高周波バイアスの反射値のばらつきを抑制することができる。
また、高周波バイアスのパルスの周期やデューティー比が変わる場合は遅延時間を変更することでプラズマ密度安定までの過渡期に整合器１１３のサンプリングが行なわれないようにすることができる。さらに、高周波バイアスのパルス周波数を整合器１１３のサンプリング周波数の整数倍とすることは、この場合に限らず、上述したデッドタイムを設ける手段にも用いても良い。
以上、上述した本実施例で説明した本発明は、整合器１１３の制御として行われる。または、上述した本実施例で説明した本発明をアルゴリズムとして整合器１１３は有している。または、制御部１２０が上述した本実施例で説明した本発明を行うように整合器１１３を制御しても良い。
また、上述した本実施例では時間制御のパラメータとして高周波バイアスのパルス周波数とデューティー比を用いたが、オン時間およびオフ時間等を用いてもよい。また、上述した本実施例では、プラズマインピーダンスをマッチング回路が整合を行うための情報としたが、電流、電圧、位相などの整合に関する情報であれば、同様の効果が得られる。
さらに、上述した本実施例ではマイクロ波ＥＣＲプラズマ源を用いた場合について説明したが、容量結合型プラズマ源や誘導結合型プラズマ源等の他のプラズマ生成方式におけるプラズマ処理装置においても同様の効果が得られる。
１０１・・・真空容器
１０２・・・シャワープレート
１０３・・・誘電体窓
１０４・・・処理室
１０５・・・ガス供給装置
１０６・・・真空排気装置
１０７・・・導波管
１０９・・・電磁波発生用高周波電源
１１０・・・磁場発生用コイル
１１１・・・試料載置用電極
１１２・・・ウエハ
１１３・・・整合器
１１４・・・高周波バイアス電源
１１５・・・高周波フィルター
１１６・・・直流電源
１１７・・・排気用開閉バルブ
１１８・・・排気速度可変バルブ
１２０・・・制御部
１２１・・・パルス発生ユニット

Claims (11)

  1. 真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料が載置される試料台と、前記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、前記第二の高周波電力の反射を抑制するための整合を行う整合器とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力が時間変調される場合、前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間のサンプリング有効期間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させるとともに所定時間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させない制御部をさらに備え、
    前記サンプリング有効期間は、前記所定時間の経過後から前記時間変調された第二の高周波電力のオン終了時間までの期間であり、
    前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間は、前記所定時間と前記サンプリング有効期間の時間との和であり、
    前記所定時間は、時間変調された第一の高周波電力により生成されたプラズマの密度に基づいて予め求められた固定値であるとともに前記時間変調された第二の高周波電力のオン開始時間から開始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、
    前記整合器は、前記第一の高周波電力を時間変調するための周期より長い周期で前記取得された前記情報に基づいて前記整合を行うことを特徴とす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において、
    前記サンプリング有効期間は、前記第二の高周波電力を時間変調するための周波数と前記第二の高周波電力を時間変調するためのデュティー比と前記所定時間に基づいて求められることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記所定時間は、前記第二の高周波電力のピークトウピーク値であるＶｐｐが安定するのに要する時間に基づいて求められることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記所定時間は、前記プラズマの発光強度が安定するのに要する時間に基づいて求められることを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記制御部は、前記サンプリング有効期間後から次回の前記サンプリング有効期間までの期間は、前記サンプリング有効期間に取得された整合を行うための情報に基づいて前記整合器に整合を行わせることを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
    前記周波数は、前記整合を行う周期の逆数の整数倍であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 真空容器と、前記真空容器内にプラズマを生成するための第一の高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記真空容器内に配置され試料が載置される試料台と、前記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、前記第二の高周波電力の反射を抑制するための整合を行う整合器とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力が時間変調される場合、
    前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間のサンプリング有効期間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させるとともに所定時間に前記整合を行うための情報を前記整合器に取得させない制御部をさらに備え、
    前記サンプリング有効期間は、前記所定時間経過後から開始される期間であるとともに予め求められた固定値であり、
    前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間は、前記所定時間と前記サンプリング有効期間の時間との和であり、
    前記所定時間は、前記第二の高周波電力を時間変調するための周波数と前記第二の高周波電力を時間変調するためのデュティー比により求められた前記時間変調された第二の高周波電力のオン時間から前記サンプリング有効期間の時間を減じた時間であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  9. 請求項８に記載のプラズマ処理装置において、
    前記整合器は、前記第一の高周波電力を時間変調するための周期より長い周期で前記取得された前記情報に基づいて前記整合を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
  10. 請求項８に記載のプラズマ処理装置において、
    前記周波数は、前記整合を行う周期の逆数の整数倍であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  11. 請求項１０に記載のプラズマ処理装置において、
    前記制御部は、前記サンプリング有効期間後から次回の前記サンプリング有効期間までの期間は、前記サンプリング有効期間に取得された整合を行うための情報に基づいて前記整合器に整合を行わせることを特徴とするプラズマ処理装置。
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