JP6643212B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、プラズマ処理技術に関する。
従来のプラズマ処理装置は、エッチングレート等に関するウエハ面内の不均一を改善または制御するため、特にイオンエネルギー分布等を制御する分布調整機能を有するものがある。
プラズマ処理装置の処理におけるウエハ面内の均一性向上に関する先行技術例として特許文献１が挙げられる。特許文献１に記載されたプラズマ処理装置は、ウエハに入射するエネルギー分布を制御するため、周波数の異なる複数の高周波バイアス源を備え、それを重畳して同一電極に印可している。
また、平行平板型プラズマ処理装置において、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として内部が真空に保持されたチャンバー内で、対向電極に対して対向するように配置されたＲＦ電極に対し、第１の周波数の第１のＲＦ電圧及び前記第１の周波数の１／２の整数倍であって、前記第１の周波数と異なる第２の周波数の第２のＲＦ電圧を、それぞれ第１のＲＦ電圧印加手段及び第２のＲＦ電圧印加手段からゲートトリガー装置によって互いに位相制御、重畳して印加できるようにしたプラズマ処理装置が特許文献２に開示されている。
特開２００８−２４４４２９号公報 特開２００８−６０４２９号公報
異なる２つの周波数の高周波バイアスを印加して２つの周波数バイアス電力を調整しながらウエハ面内分布の調整を行う場合、以下のような課題がある。例えば、ウエハ面内の半径方向で平らな分布になるように所望の分布調整の制御を実行した場合でも意図とは異なり、面内均一なエッチング形状や、あるいは高選択比等が得られない場合があった。
これは、２つの高周波バイアスの重畳により、イオンエネルギーが特にウエハ外周で高くなっていることが原因であり、選択比のウエハ面内分布調整ができないためであることが分かった。しかし、特許文献１及び２に開示された技術には、２つの高周波バイアスの重畳により、イオンエネルギーが特にウエハ外周で高くなるという課題が考慮されていない。
また、２つの周波数や２つバイアスの位相が無調整であると、この異なる２つのバイアス電圧の位相は時間周期毎に変化し波形は一定でない。その影響により一定なエッチング処理がなされず、均一性、選択比、エッチング形状がばらつくという問題が発生する。特許文献２には２つの高周波バイアスのそれぞれの位相を制御する点は開示されているが、エネルギー幅の縮小等の目的の位相制御であるため、均一性、選択比、エッチング形状のばらつきを低減するための位相制御については開示及び示唆が無い。
このため、本発明は、２周波バイアスの機能を有するプラズマ処理装置において、プラズマ処理に係わるウエハ面内の均一性やエッチングレート等の所望の分布調整と高い選択比を両立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、プラズマを用いて試料が処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に第一の高周波電圧を印加する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、Ｎを２以上の自然数とした場合、前記第一の高周波電圧の周波数に対してＮ倍の周波数の第二の高周波電圧を前記試料台に印加する第三の高周波電源と、前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差が所定値となるように前記位相差を制御する制御部をさらに備え、前記Ｎは、前記試料の面内におけるエッチングレートの分布が所望の分布となるように規定された値であり、前記所定値は、前記試料台に印加された高周波電圧のピーク間電圧が最小となるように規定された値であることを特徴とする。
また、本発明は、プラズマを用いて試料が処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に第一の高周波電圧を印加する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、第二の高周波電圧を前記試料台に印加する第三の高周波電源と、前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差を時間変調させるためのパルスを生成するパルスコントローラをさらに備えることを特徴とする。
さらに、本発明は、試料台に載置された試料をプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法において、Ｎを２以上の自然数とした場合、第一の高周波電圧と前記第一の高周波電圧の周波数に対してＮ倍の周波数の第二の高周波電圧を前記試料台に印加し、前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差が所定値となるように前記位相差を制御することを特徴とする。
また、本発明は、試料台に載置された試料をプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法において、第一の高周波電圧と第二の高周波電圧を前記試料台に印加し、前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差を時間変調することを特徴とする。
本発明により、２周波バイアスの機能を有するプラズマ処理装置において、プラズマ処理に係わるウエハ面内の均一性やエッチングレート等の所望の分布調整と高い選択比を両立できる。
本発明の一実施例に係るプラズマ処理装置の構成を示す図である。 パルスコントローラによる試料台への印加された電圧波形を示す図である。 重畳されて試料台に印加された２つの高周波バイアス電圧を示す図である。 各々の２つの高周波バイアスの周波数比に対する重畳された電圧を示す図である。 ２つの高周波バイアスの位相差の制御を示すフロー図である。 ２つの高周波バイアスが重畳した電圧のＶｐｐ及びＶＭＩＮに対する２つの高周波バイアスの位相差依存性を示す図である。 ２つの高周波バイアスの位相差の制御を示すフロー図である。 ２つの高周波バイアスが重畳した電圧のＶｐｐ及びＶＭＩＮに対する２つの高周波バイアスの位相差依存性を示す図である。 低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が３の場合について示す図である。 低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４の場合について示す図である。 高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数比が５の場合における位相差ズレを示す図である。 ２つの高周波バイアスの位相差を時間制御した例を示す図である。 図１の電圧モニタ１２１と異なる電圧モニタ１５０１を示す図である。 エッチングレートのウエハ面内分布に対する高周波バイアスの周波数依存性を示す図である。 ２つの高周波バイアスによるエッチングレート及び選択比のウエハ面内分布を示す図である。 ２つの高周波バイアスによる形状結果を示す図である。 位相差に対するＶｄｃの特性を示す図である。
本発明の一実施形態について図面を参照しながら以下、説明する。
図１は、本発明の一実施形態のプラズマ処理装置の構成を示す。また、図１に示すプラズマ処理装置は、マイクロ波電子サイクロトロン共鳴(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ)を用いてプラズマを生成し、この生成されたプラズマによりプラズマエッチング処理を行うプラズマエッチング装置である。
処理室１０１には、真空排気１１０を介して真空排気装置(図示せず)が接続されている。また、処理室１０１の上部には、シャワープレート１０２及び窓部１０３が配置されている。シャワープレート１０２は、孔を有し、材質は例えば石英である。ガス供給機構１２４から供給されるプラズマエッチング処理用のガスをシャワープレートの孔を通じて処理室１０１内に導入する。シャワープレート１０２の上には、窓部１０３が配置され、窓部１０３との間にガス供給用の間隙が設けられている。窓部１０３は、上方からの電磁波を透過させ、処理室１０１の上方を気密に封止する。窓部１０３は、材質として誘電体、例えば石英を用いる。
窓部１０３の上には、空洞共振部１０４が配置されている。空洞共振部１０４の上部は開口しており、垂直方向に延在する垂直導波管と電磁波の方向を９０度曲げるコーナーを兼ねた導波管変換器からなる導波管１０５が接続されている。導波管１０５等は、電磁波を伝播する発振導波管であり、導波管１０５の端部には、第一の高周波電源であるプラズマ生成用高周波電源１０６が接続されている。
プラズマ生成用高周波電源１０６は、プラズマ生成用電磁波を発生するための電源であり、制御部１２２からの制御に基づいて電磁波を発生させる。電磁波の周波数として本実施例では、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いる。プラズマ生成用高周波電源１０６から発生された電磁波は、導波管１０５を伝播し、空洞共振部１０４、窓部１０３、シャワープレート１０２を経由して処理室１０１内に伝播する。処理室１０１の外周には、磁場発生コイル１０７が配置されている。磁場発生コイル１０７は、処理室１０１に磁場を形成する。プラズマ生成用高周波電源１０６から発振された電力は、磁場発生コイル１０７により形成された磁場との相互作用により、処理室１０１内に高密度プラズマを生成する。
処理室１０１の下方には、窓部１０３に対向して試料台１０８が配置されている。試料台１０８は、試料である被処理基板１０９を上面に載置して保持する。また、導波管１０５、処理室１０１、試料台１０８及び被処理基板１０９の中心軸は一致している。試料台１０８は、材質としてはアルミやチタンからなる。試料台１０８の一部である上面には、導電体膜１２３を有する。なお、試料台１０８の導電体膜１２３の上面には、アルミナセラミックス等による図示しない溶射膜が配置されている。
また、試料台１０８内部には被処理基板１０９を静電吸着するための電極があり、直流電圧を印加することにより被処理基板１０９を静電吸着する。さらに試料台１０８には、第一のＲＦバイアス電源１１１と第二のＲＦバイアス電源１１２からそれぞれ高周波電圧が印加される。尚、第三の高周波電源である第二のＲＦバイアス電源１１２は、第二の高周波電源である第一のＲＦバイアス電源１１１の周波数より高い周波数の高周波電圧を試料台１０８に印加し、第二のＲＦバイアス電源１１２の周波数は、第一のＲＦバイアス電源１１１の周波数に対してＮ(２以上の整数)倍の周波数である。尚、第二のＲＦバイアス電源の周波数は、後述するエッチングレート面内分布制御の観点から１ＭＨｚ以上とすることが望ましい。
さらに第一の高周波バイアス電源１１１及び第二の高周波バイアス電源１１２の各々は、発振する中心の周波数に対していくらか幅を持った周波数領域で発振できるが、第一の高周波バイアス電源１１１の最終的な周波数は、パルスコントローラ１１７内の低周波数側パルサー１１９からの信号により決定され、第二の高周波バイアス電源１１２の最終的な周波数は、高周波側源パルサー１２０からの信号で決定される。また、高周波バイアスの最小周波数は、低すぎるとダメージが発生するため、１００ｋＨｚ以上とし、最大周波数は、プラズマ生成する周波数よりは低いことが必要なため、約１３．５６ＭＨｚ以下とした。
また、第一の高周波バイアス電源１１１は、低周波数側マッチングボックス１１３により整合がとられ、第二の高周波バイアス電源１１２は、高周波数側マッチングボックス１１４により整合がとられている。尚、低周波数側マッチングボックス１１３の試料台１０８側にはローパスフィルタ１１５が接続され、高周波数側マッチングボックス１１４の試料台１０８側にはハイパスフィルタ１１６が接続されており、第一の高周波バイアス電源１１１及び第二の高周波バイアス電源１１２のそれぞれからの相互干渉をフィルタリングしている。さらに第一の高周波バイアス電源１１１及び第二の高周波バイアス電源１１２のそれぞれから印加されて重畳された電圧をモニタするため、試料台１０８内部の導電体膜１２３の電圧を電圧モニタ１２１よりモニタしている。
上述したプラズマ処理装置におけるプラズマ処理の概要は以下の通りである。
ウエハ等の被処理基板１０９は、処理室１０１内に搬送され、試料台１０８の導電体膜１２３上に載置される。そして、載置された被処理基板１０９は、直流電源によって印加された直流電圧により発生する静電気力によって試料台１０８上の所定位置に静電吸着されて保持される。その後、内部が減圧された真空状態の処理室１０１には、ガス供給機構１２４からプラズマエッチング処理用のガスが図示しないマスフローコントロ−ラを介して供給される。
そして、当該ガスは、窓部１０３とシャワープレート１０２との間隙を通過してシャワープレート１０２の孔から処理室１０１内に導入される。真空排気装置を制御しながら、処理室１０１内を所定の圧力に制御する。その後、プラズマ生成用高周波電源１０６から電磁波を発振させ、真空状態の処理室１０１内に伝送された電磁波と磁場発生コイル１０７により形成された磁場との相互作用により、処理室１０１内にプラズマを生成させる。
そしてプラズマ着火と同時に制御部１２２の制御により、処理室１０１内の試料台１０８に第一の高周波バイアス電源１１１と第二の高周波バイアス電源１１２の各々から高周波電圧を印加する。この２つの高周波バイアス電源からの各々の高周波電圧を重畳した高周波バイアス電圧により、プラズマから被処理基板１０９へイオンを引き込む作用が生じる。これらにより、被処理基板１０９の上面に対してプラズマエッチング処理が行われる。この際、ガスやエッチングにより発生した反応生成物は、処理室１０１の下部の真空排気口１１０を通じて排気される。
次に高周波側パルサー１２０と低周波数側パルサー１１９と位相シフター１１８を備えるパルスコントローラ１１７による試料台１０８への高周波電圧の印加について図２を用いて説明する。
第一の高周波バイアス電源１１１及び第二の高周波バイアス１１２から各々試料台１０８へ高周波電圧を印加する際、高周波数側パルサー１２０から矩形波形の信号２０１と低周波数側パルサー１１９から矩形波形の信号２０３がそれぞれ出力されている。また、信号２０１と信号２０３の周波数比は、Ｎ(２以上の整数)倍となっており、図２(ａ)に示すように低周波数側パルサー１１９の出力と高周波数側パルサー１２０の出力の立ち上がりが同時となる位相差０度の状態で出力されている。
次に高周波数側パルサー１２０からの点線で示す信号２０１は、図２(ａ)に示すように位相シフター１１８を経由することにより低周波側の信号２０３に対してθの位相遅れが生じ、信号２０１は、高周波側の信号２０２となって低周波側の信号２０３と位相差θを形成する。尚、位相シフター１１８による位相差θは、後述の電圧モニタ値により算出し補正制御したものが制御部１２２より出力される。
低周波側の信号２０３が第一の高周波バイアス電源１１１に送信され、第一の高周波バイアス電源１１１は、図２(ｂ)のような、低周波側の信号２０３の１パルスの立ち上がりに対して１周期の概略正弦波の高周波電力２０５を試料台１０８に印加する。また、高周波側の信号２０１が第二の高周波バイアス電源１１２に送信され、第二の高周波バイアス電源１１２は、図２(ｂ)のような、高周波側の信号２０１の１パルスの立ち上がりに対して１周期の概略正弦波の高周波電力２０４を試料台１０８に印加する。
次に第一の高周波バイアス電源１１１から低周波数側マッチングボックス１１３及びローパスフィルタ１１５を経由して印加された高周波電圧と第二の高周波バイアス電源１１２から高周波数側マッチングボックス１１４及びハイパスフィルタ１１６を経由して印加された高周波電圧は、電力供給線路１２４で結合される。この結合された高周波電圧が試料台１０８に印加されることにより、第一の高周波バイアス電源１１１から印加される高周波電圧と第二の高周波バイアス電源１１２から印加される高周波電圧が重畳され、図２(ｃ)に示すような波形２０６の高周波電圧が試料台１０８に印加される。
波形２０６の重畳された高周波電圧は、電圧モニタ１２１により検出される。尚、電圧モニタ１２１は、Ａ／Ｄ変換器等により構成され、高時間分解能である。また、電圧モニタ１２１は、重畳された高周波バイアスの電圧、重畳された高周波バイアスの波形２０６、重畳された高周波バイアスのピーク間電圧(Ｖｐｐ)値および重畳された高周波バイアスの電圧の最小値(Ｖmin)等を検出する。さらに電圧モニタ１２１は、重畳された高周波バイアスの波形をフーリエ変換して低周波数側の周波数成分のピーク間電圧(Ｖｐｐ)、高周波数側の周波数成分のピーク間電圧(Ｖｐｐ)も出力できるものであれば望ましい。また、本実施では、特に高周波数側の高周波バイアス電圧を位相遅れ無く測定する必要があるため、電極供給線路１２４より被処理基板１０９またはプラズマに近い位置である試料台１０８の導電体膜１２３に配置するのが望ましい。
次に高周波バイアスの周波数によるエッチング分布制御性について図１４を用いながら説明する。
プラズマ中のインピーダンスと磁場コイルで発生される磁界の相互作用により、エッチングレート分布は、例えば、高周波バイアス電源の周波数を数１００ｋＨｚとした場合、図１４(ａ)に示すように中高分布１４０１となる。そして高周波バイアス電源の周波数を１〜２ＭＨｚとした場合、図１４(ｂ)のように僅かに外高分布１４０２となり、高周波バイアス電源の周波数を４ＭＨｚとした場合、図１４(ｃ)のようにかなり強い外高分布１４０３となる。さらに高周波バイアス電源の周波数を１０ＭＨｚより高い周波数とした場合、図１４(ｄ)のようにプラズマが試料台の外側に生成し始めエッチングレートが極端に低下した分布１４０４となるような極端な分布となる、あるいはエッチングが進まなくなる。
このような各周波数のエッチングレート分布特性を利用し、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスを重畳して印加してエッチングレート分布が平坦になるように低周波数側高周波バイアス及び高周波数側高周波バイアスのそれぞれの周波数を調整すれば均一性の良いエッチング処理が可能としている。例えば、図１４(ｅ)のように低周波数側高周波バイアスのみを印加して中高分布１４０５となる周波数の低周波数側高周波バイアスと図１４(ｆ)のように高周波数側高周波バイアスのみを印加して外高分布１４０６となる周波数の高周波数側高周波バイアスを重畳して印加することにより図１４(ｇ)のように均一なエッチングレート分布１４０７を得ることができる。
このように特に低周波数側高周波バイアスの周波数を固定して高周波数側高周波バイアスの周波数だけで周波数比を調整した方が所望のエッチレート分布を得やすいので、低周波数側高周波バイアスの周波数を固定して高周波数側高周波バイアスの周波数だけで周波数比を調整する方が望ましい。
次にエッチングレート分布、選択比分布及び形状分布の関係について図１５を用いながら説明する。尚、図１５(a)はエッチングレート分布を示し、図１５(b)は、選択比分布を示す。また、図１６は形状分布を示す。
低周波数側高周波バイアス単独、つまり、従来の１つの高周波バイアス電源のみで印加した時のエッチレート分布は中高分布１５０１となり、選択比は、逆に外高分布１５０３となってウエハ中心部の選択比が悪くなる傾向がある。この結果、図１６(ａ)に示すようにウエハ中心部と外周部の形状はそれぞれ１６０６、１６０７のようになり、マスク、被エッチング膜ともに面内均一となるように調整する必要がある。
これに対応して低周波数側と高周波数側の高周波バイアスの周波数をそれぞれ調整してエッチングレートを均一な分布１５０２にした場合、選択比の分布は、１５０４のように中高分布となって外周部の選択比が大きく悪化する。この結果、図１６(ｂ)に示すようにウエハ中心部と外周部の形状は、それぞれ１６０８、１６０９となり、マスクの高さを調整する必要が生じる。尚、この場合における２つの高周波バイアスの位相差は、無調整とした。
次に低周波数側と高周波数側の高周波バイアスの周波数をそれぞれ調整すると共に２つの高周波バイアスの位相差を重畳された電圧のピーク間電圧が最小となるよう調整した場合、外周部の選択比の悪化を抑制できて、エッチングレート分布１５０２と選択比の分布１５０５を概ね同じにすることができた。このため、ウエハ中心部と外周部の形状は、図１６(ｃ)に示すようにそれぞれ１６１０，１６１１がほぼ同じくすることが可能となった。
次に２つの異なる周波数のバイアスを重畳して印加した場合に試料台１０８に印加された電圧のピーク間電圧(Ｖｐｐ)とシース電圧の関係を図３に示す。図３の３０１は、２つの異なる周波数のバイアスを重畳して印加した場合に試料台１０８に印加された高周波電圧の電圧モニタ１２１によるモニタ値を示す。ここで、電圧モニタ１２１によりモニタされた電圧値とウエハ表面電位は試料台１０８表面の溶射膜の静電容量の影響を受け少々異なるが、モニタされた電圧値としてウエハ電位を代用しても問題ないレベルのため、モニタされた電圧値としてウエハ電位を代用した。また、図３の３０２は、プラズマの空間電位を示す。
本発明者等の実験と検討の結果、各高周波バイアス電源の周波数が４００ＫＨｚ〜４ＭＨｚの範囲であり、ウエハ電位の変化に対してイオンのエネルギーが追随できる周波数領域においては、電圧モニタ１２１の電圧波形３０１を用いてウエハ電位、プラズマ空間電位５０２およびシース電圧を概算でき、そのシース電圧の大きさによりウエハに入射するイオンのエネルギーを概ね決められる。また、電圧モニタ１２１によりモニタされた電圧５０１の最大値から最小値の差であるＶｐｐ、あるいは電圧モニタ１２１によりモニタされた電圧の最小値であるＶＭＩＮと選択比との間に逆相関があることを見出した。このことは、電圧モニタ１２１によりモニタされた電圧３０１のＶｐｐを最小となるように位相差を制御することにより選択比を改善できることを意味する。
表１は、２つの高周波バイアスを低周波数側高周波バイアスと低周波数の２以上の整数倍の周波数の高周波数側高周波バイアスを重畳して印加した場合における、電圧モニタ１２１によりモニタされた電圧のＶｐｐが最小となる望ましい位相差を示したものである。尚、簡単にシミュレーションするため、各高周波バイアス波形は完全な正弦波とし、また、それぞれのＶｐｐは同じとしている。
Figure 0006643212

表１に示すように低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎの場合、Ｖｐｐが最小かつＶＭＩＮが最大となる位相差は、２７０度であり、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎ＋１の場合、Ｖｐｐが最小となる位相差は、１８０である。また、表１に示すように低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎ−２の場合、Ｖｐｐが最小かつＶＭＩＮが最大となる位相差は、９０度であり、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎ−１の場合、Ｖｐｐが最小となる位相差は０度である。尚、Ｎは自然数とする。また、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎまたは４Ｎ−２、つまり、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が偶数の場合、Ｖｐｐが最小となる位相差は０から３６０度の範囲において２つ存在するため、この２つのうち、ＶＭＩＮが小さい方を選択するものとする。
次に低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎ、４Ｎ＋１、４Ｎ、４Ｎ−２、４Ｎ−１のそれぞれの場合における、低周波数側高周波バイアス電圧波形、高周波数側高周波バイアス電圧波形及び低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳した電圧波形を図４に示す。
図４(ａ)は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎの場合であり、波形４０１は、低周波数側高周波バイアス電圧波形を示し、波形４０２及び４０３は、高周波数側高周波バイアス電圧波形を示し、波形４０４は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳した電圧波形を示す。ここで、点線波形４０２は、高周波数側バイアスと低周波数側バイアスの初期位相が一致している状態、これを位相差０度とする。また、点線波形４０２に対して高周波数側高周波バイアスを２７０度遅らせたものが実線波形４０３であり、これを位相差２７０度とする。
波形４０４は、低周波数側高周波バイアス電圧と高周波数側高周波バイアス電圧の和とほぼ等しいが、自己バイアスの効果によりマイナス側にシフトしている。また、この位相差２７０度での波形４０４は、位相差０〜３６０度の範囲内においてＶｐｐが最小となる位相にてＶＭＩＮが最大となっており、これが低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４において望ましい波形４０４となっている。
図４(ｂ)は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎ＋１の場合であり、波形４０５は、高周波数側高周波バイアス電圧波形を示し、波形６０６は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳した電圧波形を示す。波形４０６は、位相差１８０度においてＶｐｐが最小となり、これが低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が５において望ましい波形４０６となっている。
図４(ｃ)は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎ−２の場合であり、波形４０７は、高周波数側高周波バイアス電圧波形を示し、波形４０８は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳した電圧波形を示す。波形４０８は、位相差９０度においてＶｐｐが最小かつＶＭＩＮが最大となり、これが低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が２において望ましい波形４０８となっている。
図４(ｄ)は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４Ｎ−１の場合であり、波形４０９は、高周波数側高周波バイアス電圧波形を示し、波形４１０は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳した電圧波形を示す。波形４１０は、位相差０度においてＶｐｐが最小となり、これが低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が３において望ましい波形４１０となっている。
図４(a)〜(ｄ)に示すように波形４０４、４０６、４０８及び４１０は、高周波数側高周波バイアスのＶｐｐと低周波数側周波バイアスのＶｐｐの和に比べて小さくなっているが、周波数比が大きくなるほどＶｐｐを低減する効果が小さくなる。つまり、あまり高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数比を大きくすると、重畳された電圧波形及びＶｐｐは、ほとんど変わらない。このため、高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数比は、２から１５以下であることが望ましい。
次に高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数比が５の場合における高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスとの位相差の設定方法について図５を用いながら説明する。また、図６は、Ｖｐｐ及びＶＭＩＮに対する位相差依存性を示し、曲線６０１は、Ｖｐｐに対する位相差依存性を示し、極性６０２は、ＶＭＩＮに対する位相差依存性を示す。
実際のエッチングでは、それぞれのマッチングボックスによる整合による高周波バイアスの位相の変化、ローパス、ハイパスフィルタ回路による位相の変化、電力伝送ケーブルによる遅延、試料台内部の構造や容量による移送の変化、プラズマ、磁場の影響による位相の変化等の影響をうける。位相シフター１１８で２つの高周波バイアスの印加を制御しても、位相シフターの位相θと実際の２つ高周波バイアスの位相差との間に差異が発生している。
このため、図５に示すように位相シフターの位相差ゼロとし、２つの高周波バイアスの印加と共に位相差を０度から３６０度（すなわち１周期）粗く掃引して図６に示すような特性曲線６０１を得る。または、特性曲線６０１を予めデータベース化していても良い。その後、曲線６０３のように予想される位相差（１８０度）の−９０度から位相差をプラスに変化させながら電圧モニタのＶｐｐが最小になるまでＶｐｐを調整する。
図７は、高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数比が４の場合における高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスとの位相差の設定方法を示す。また、図８は、高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数比が４の場合におけるＶｐｐ及びＶＭＩＮに対する位相差依存性を示し、曲線８０１は、Ｖｐｐに対する位相差依存性を示し、曲性８０２は、ＶＭＩＮに対する位相差依存性を示す。
図７に示すように位相シフターの位相差ゼロとし、２つの高周波バイアスの印加と共に位相差を０度から３６０度（すなわち１周期）粗く掃引して図８に示すような特性曲線８０１を得る。または、特性曲線８０１を予めデータベース化していても良い。その後、曲線８０３のように予想される位相差（１８０度）から位相差をプラスに変化させながら電圧モニタのＶｐｐが最小かつＶＭＩＮが最大になるまでＶｐｐを調整する。尚、図５の場合と異なり、Ｖｐｐを調整する際にＶＭＩＮを考慮した理由は、図８に示すようにＶｐｐが最小となる位相差が２つ存在するためである。また、主にはＶｐｐを最小にする制御を行い。その従属的な制御としてＶＭＩＮを最大にする制御加えるが望ましい。
図９は、プラズマ生成時に低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳されて印加され、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が３の場合について示す。また、図９(a)は、低周波数側高周波バイアス電圧９０１及び９０２、高周波数側高周波バイアス電圧９０３及び重畳された電圧９０４を示し、図９(ｂ)は、Ｖｐｐに対する位相差依存性を示す。尚、電圧波形９０１は、低周波数側高周波バイアスから発振された電圧波形(正弦波)であり、電圧波形９０２は、プラズマ生成時の低周波数側高周波バイアス電圧波形である。また、曲線９０６は、プラズマが生成された時のＶｐｐに対する位相差依存性を示し、曲性９０５は、プラズマが生成されていない時のＶｐｐに対する位相差依存性を示す。さらに図９(c)は、図９(ａ)の破線の丸で囲んだ箇所を拡大した図である。
図９(ａ)に示すようにプラズマ、試料台容量、伝送路等の影響を受けて高周波バイアスの波形９０２は、正弦波である波形９０１に比べて歪んでいる。尚、高周波数側高周波バイアスの波形９０３についても歪むが、歪みは小さい。また、それ自身が２つの高周波バイアスを重畳した電圧モニタの波形９０４、ＶｐｐおよびＶｐｐを最小とする制御に対して影響は小さい。
図９(ｂ)に示すように波形９０５におけるＶｐｐが最小となる位相差は０度に対して実際のエッチング条件時の特性曲線である波形９０６におけるＶｐｐが最小となる位相差は約９０度である。このように高周波バイアスの波形がある程度、歪んだ状態でもＶｐｐを最小として位相差を決定することができる。
また、図９(ｃ)に示すように低周波数側高周波バイアス電圧波形９０７においてＶｐｐが最小値となる時間Ｔ１の前後に高周波数側高周波バイアス電圧波形９０８においてＶｐｐが最小となる時間Ｔ２及びＴ３となるように位相差を決定する制御が重要である。
図１０は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスとの周波数比が４の場合について示す。また、図１０(ａ)は、低周波数側高周波バイアス波形が正弦波の場合を示し、図１０(ｂ)は、プラズマ生成時に低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳されて印加された場合を示す。
波形１００１及び１００６は、低周波数側高周波バイアス電圧波形を示し、波形１００２及び１００７は、高周波数側高周波バイアス電圧波形を示し、波形１００３及び１００８は、低周波数側高周波バイアスと高周波数側高周波バイアスが重畳された電圧波形を示す。また、波形１００４及び１００９は、Ｖｐｐに対する位相差依存性を示し、波形１００５及び１０１０は、ＶＭＩＮに対する位相差依存性を示す。
図１０(ａ)と(ｂ)を比較するとＶｐｐが最小となる位相差が異なっている。また、波形１００４においては、Ｖｐｐが最小となるピークが２つであり、波形１００９においては、Ｖｐｐが最小となるピークが1つとなり、プラズマ生成時の方がＶｐｐが最小となる位相差をシンプルに概略制御できる。また、この場合においてもＶｐｐが最小となる制御を主とすると共に従属的にはＶＭＩＮを最大とする制御も必要である。
上述した実施例において位相シフター１１８が常時Ｖｐｐが最小になるように位相差θを制御するのに対して位相差θを時間的に変動する周期関数として制御する方法について図１１及び１２を参照しながら説明する。また、図１１は、高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数比が５の場合であり、高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数が整数Ｎ倍からわずかにズレた場合における重畳した高周波バイアス電圧波形１１０１を示したものである。また、高周波数側高周波バイアスと低周波数側高周波バイアスの周波数が整数Ｎ倍からわずかにズレた場合とは、位相差θが時間的に変動する場合と言い換えることができる。
位相差が時間により変動するため、重畳された高周波バイアス電圧波形は、図１１に示すように時間毎変化し、Ｖｐｐが最大時の波形１１０４とＶｐｐ最小時の波形１１０５を周期的に繰り返す。電圧モニタのＶｐｐおよびＶＭＩＮも時間的にそれぞれ１１０２、１１０３と周期的に変動する。この周期的な変動を制御しなければ被処理基板１０９のエッチング処理における選択比の変動が生じ、不安定性や機差を発生させる可能性がある。このため、この位相差変動を時間的に制御することにより、エッチングの面内分布を維持したまま選択比だけを時間的に制御するものである。
図１２(ａ)(ｂ)に示すように関数波形が波形１２０１である式１のように位相差を制御することにより、秒オーダーの周期で図１２(ｃ)の波形１２０２のＶｐｐ、図１２(ｄ)の波形１２０３の選択比を制御することができる。
θ（ｔ）＝２π×ｔ/Ｔ（秒）・・・(式１)、Ｔ：（周期）
低周波数側高周波バイアスの周波数が４００ＫＨｚ、高周波数側高周波バイアスの周波数が２ＭＨｚ＋１００Ｈｚのように周波数比がＮからわずかにズレた場合、この時のＶｐｐの変動周期は１００Ｈｚにもなる。このため、この変動を制御するのに比べて位相差θを時間的に変動する周期関数として制御する方が制御し易い。
さらにこのＶｐｐおよび選択比の変化に応じて図１２(ｆ)の波形１２０４に示すように処理用ガスに含まれるデポガスの量や比率を変化させるとエッチング分布を保った状態で選択比あるいはマスク肩落ちを補正しながらエッチング処理が進めることはできるため、図１２(ｇ)の波形１２０５に示すようにＣＤを保ちながら、形状エッチングにおいて垂直な形状を可能とするという効果がある。エッチング処理用ガス流量や処理圧力の変動を制御する場合の応答速度は秒オーダーであるため、図１２に示す制御に十分対応してエッチングを実現することができる。
本実施例において電圧モニタ１２１は、は試料台部内１０８導電体膜１２３の電圧をモニタする例として説明したが、他の機能を有する電圧モニタ１３０１について図１３を用いながら説明する。電圧モニタ１３０１は、試料台部内１０８導電体膜１２３の電圧だけではなく、低周波数側マッチング１１３の出口の電圧、高周波数側マッチング１１４の出口の電圧をモニタでき、両マッチングの出口における位相差を検出できるシステムとなっている。尚、図１３において、図１と同符号の構成は、図１の同符号の構成の機能と同等であるため、説明を省略する。
さらに図１３に示されるプラズマ処理装置は、低周波数側位相シフター１３０４、高周波数側位相シフター１３０３を備えており、２つの周波数側高周波バイアス電源の発振時での位相のズレ、各マッチングボックスによる位相変化、伝送線路による特に遅れ等の影響に基づいて位相差を制御部１３０２により制御するシステムになっている。このシステムにより、例えば、図５に示す位相差制御方法において、粗く位相差を掃引して概略の位相差とＶｐｐ特性等のデータ得ることなく、精度の高い位相差制御が可能となり、位相差制御に要する時間も短縮できるという効果がある。
以上、本発明を本実施例に沿って具体的に説明したが、本発明は、本実施例に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、高周波バイアス電源において、低周波数側と高周波数側の周波数比をある１つの固定値にする必要はなく、高周波数側高周波バイアス電源の発振可能な周波数領域が広帯域であってもよい。その際、周波数比をたとえば１：３だけでなく、１：４、１：５等も可能となる。高周波バイアスの周波数によりウエハ面内のエッチングレートの分布を大きく制御できる分、２つの高周波バイアスを重畳して印可した場合におえる均一性の制御性も向上する。
本実施例の「Ｖｐｐを最小とする位相差の制御」における「Ｖｐｐの最小」は、Ｖｐｐの最小値の一点だけでなく、Ｖｐｐの最小値を中心にして前後の所定の範囲内の値も含むものとする。また、本実施例の「ＶＭＩＮを最大とする位相差の制御」における「ＶＭＩＮの最大」は、ＶＭＩＮの最大値の一点だけでなく、ＶＭＩＮの最大値を中心にして前後の所定の範囲内の値も含むものとする。
また、本発明に係る被処理基板となる被処理材は、シリコン酸化膜に限らず、ポリシリコン膜、フォトレジスト膜、反射防止膜、窒化シリコン酸化膜、窒化シリコン膜、Ｌｏｗ−ｋ材料、Ｈｉｇｈ−ｋ材料、アモルファスカーボン膜、シリコン基板等も適用可能である。さらに本発明に係る処理用のガスとしては、塩素ガス、臭化水素ガス、四フッ化メタンガス、三フッ化メタンガス、二フッ化メタンガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、酸素ガス、窒素ガス、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガス、水素ガス、アンモニアガス、八フッ化プロパンガス、三フッ化窒素ガス、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等が適用可能できる。
また、本実施例は、マイクロ波ＥＣＲ放電を利用したエッチング装置を用いた例であったが、本発明は、有磁場ＵＨＦ放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電等を利用したドライエッチング装置も適用可能である。また、本発明は、マイクロ波ＥＣＲ放電を利用したエッチング装置及びその処理の場合に好適であるが、本発明は、それに限らず、イオン引き込み用の高周波バイアス電源を複数個備え、２つの異なる周波数の高周波バイアスを印加する処理装置において、イオンエネルギーによる選択比とレート分布とを制御する処理に関して適用可能である。
また、本実施例では、位相差をＶｐｐが最小となる位相差として規定したが、本発明としては、位相差をＶｐｐが最大となる位相差として規定したり、位相差をＶｄｃの絶対値が最大となる位相差として規定しても良い。尚、Ｖｄｃは、高周波バイアス電圧の０Ｖからの実質的な沈みこみ量のことである。
例えば、位相差をＶｐｐが最大となる位相差とした規定した場合、エッチングレートを速くすることができる。また、図１７に示すような特性に基づいて位相差をＶｄｃの絶対値が最大となる位相差として規定した場合、被処理基板へ入射するイオンエネルギーの平均値が最大になるため、孔加工等の抜け性を向上できる。つまり、本発明は、低周波数側高周波バイアスの位相と高周波数側高周波バイアスの位相との位相差が所定値となるように前記位相差を制御することを特徴とする。
１０１…処理室、１０２…シャワープレート、１０３…窓部、１０４…空洞共振部、導波管１０５、１０６…プラズマ生成用高周波電源、１０７…磁場発生コイル、１０８…試料台、１０９…被処理基板、１１０…真空排気口、１１１…第一の高周波バイアス電源、１１２…第二の高周波バイアス電源、１１３…低周波数側マッチングボックス、１１４…高周波数側マッチングボックス、１１５…ローパスフィルタ、１１６…ハイパスフィルタ、１１７…パルスコントローラ、１１８…位相シフター、１１９…低周波数側源パルサー、１２０…高周波数側パルサー、１２１…電圧モニタ、１２２…制御部、１２３…導電体膜、１２４…電力供給線路、１５０１…電圧モニタ、１５０２…制御部、１５０３…高周波数側位相シフター、１５０４…低周波数側位相シフター

Claims (8)

  1. プラズマを用いて試料が処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に第一の高周波電圧を印加する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
    Ｎを２以上の自然数とした場合、前記第一の高周波電圧の周波数に対してＮ倍の周波数の第二の高周波電圧を前記試料台に印加する第三の高周波電源と、前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差が所定値となるように前記位相差を制御する制御部をさらに備え、
    前記Ｎは、前記試料の面内におけるエッチングレートの分布が所望の分布となるように規定された値であり、
    前記所定値は、前記試料台に印加された高周波電圧のピーク間電圧が最小となるように規定された値であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. プラズマを用いて試料が処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する第一の高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に第一の高周波電圧を印加する第二の高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において、
    Ｎを２以上の自然数とした場合、前記第一の高周波電圧の周波数に対してＮ倍の周波数の第二の高周波電圧を前記試料台に印加する第三の高周波電源と、前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差が所定値となるように前記位相差を制御する制御部をさらに備え、
    前記Ｎは、前記試料の面内におけるエッチングレートの分布が所望の分布となるように規定された値であり、
    前記所定値は、第一のピーク値と前記第一のピーク値より小さい第二のピーク値を有し前記試料台に印加された高周波電圧の前記第二のピーク値が最大となるように規定された値であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    前記位相差を時間変調させるためのパルスを生成するパルスコントローラをさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
    基準位相に対する前記第一の高周波電圧の位相遅れと基準位相に対する前記第二の高周波電圧の位相遅れを用いて前記所定値が求められることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 試料台に載置された試料をプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法において、
    Ｎを２以上の自然数とした場合、第一の高周波電圧と前記第一の高周波電圧の周波数に対してＮ倍の周波数の第二の高周波電圧を前記試料台に印加し、
    前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差が所定値となるように前記位相差を制御し、
    前記Ｎは、前記試料の面内におけるエッチングレートの分布が所望の分布となるように規定された値であり、
    前記所定値は、前記試料台に印加された高周波電圧のピーク間電圧が最小となるように規定された値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 試料台に載置された試料をプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法において、
    Ｎを２以上の自然数とした場合、第一の高周波電圧と前記第一の高周波電圧の周波数に対してＮ倍の周波数の第二の高周波電圧を前記試料台に印加し、
    前記第一の高周波電圧の位相と前記第二の高周波電圧の位相との位相差が所定値となるように前記位相差を制御し、
    前記Ｎは、前記試料の面内におけるエッチングレートの分布が所望の分布となるように規定された値であり、
    前記所定値は、第一のピーク値と前記第一のピーク値より小さい第二のピーク値を有し前記試料台に印加された高周波電圧の前記第二のピーク値が最大となるように規定された値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  7. 請求項５または請求項６に記載のプラズマ処理方法において、
    前記位相差を時間変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 請求項５または請求項６に記載のプラズマ処理方法において、
    基準位相に対する前記第一の高周波電圧の位相遅れと基準位相に対する前記第二の高周波電圧の位相遅れを用いて前記所定値が求められることを特徴とするプラズマ処理方法。
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