JP7075540B1 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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Abstract

プラズマ処理装置は、試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成す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へ第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、前記試料台へ前記第１の高周波電力の周波数より高い周波数の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電源と、一方の高周波電力が供給されている間、他方の高周波電力の供給が停止されるように前記第１の高周波電源と前記第２の高周波電源を制御する制御装置とを備え、前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数は、周波数に対するイオンエネルギー分布のピーク値の半値幅を基に規定されている。

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
半導体デバイスの製造工程においては、半導体装置に含まれるコンポーネントの微細化や集積化への対応が求められている。例えば、集積回路やナノ電気機械システムにおいて、構造物のナノスケール化がさらに推進されている。
通常、半導体デバイスの製造工程において、微細パターンを成形するためにリソグラフィ技術が用いられる。この技術は、レジスト層の上にデバイス構造のパターンを適用し、レジスト層のパターンによって露出した基板を選択的にエッチング除去するものである。その後の処理工程において、エッチング領域内に他の材料を堆積させれば、集積回路を形成できる。
例えば、電子機器等に使用されるMOS FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)デバイス等の製造には、プラズマエッチング技術が用いられている。プラズマエッチングを用いた半導体基板（以下、「基板」と略記する）のエッチング処理では、基板における歩留まりを向上させるため基板面内の処理の均一性が求められるとともに、デバイスの微細化が進むにつれてエッチング形状の垂直性への要求が増している。エッチング形状を面内で均一に垂直化するには、プラズマから基板へ入射させるイオンの制御が重要になってくる。
プラズマから基板へ入射させるイオンの制御方法として、プラズマからウェハ上へイオンを引き込むバイアス印加装置を複数備え、複数の周波数のバイアス電力比（混合比）を制御することによりウェハに入射するイオンのエネルギーとその分布とを独立に変化させる技術が、特許文献１において開示されている。
特開２００８－２４４４２９号公報 国際公開第２０１７／１２６１８４号
上述の特許文献１に記載された従来技術は、更なる素子の微細化に対応するためのイオンの制御性の点において十分に配慮されていなかった。すなわち、イオンに基板への入射エネルギーを与えるためのバイアス電力が、高周波と低周波の電力を重畳（混合）し、その混合比を変化させて得るようになっている。このため、試料台に印加される重畳された合成高周波電力の電圧波形の最大電位差（以下、「Ｖｐｐ」と称する）がハードウェア上の限界値を超えないようにしなくてはならない。このため、各高周波電力のＶｐｐを許容最大値より小さな範囲で使用することになり、それぞれの最大出力まで発揮できないことでイオン制御が十分に行えない可能性がある。
さらに、異なる周波数を合成して得られた高周波電力の波形は複雑に変化することから、インピーダンスマッチングが困難となる可能性がある。また、互いの電気信号同士が混成するクロストークの問題が起きる可能性もある。
これらの問題を解決する方法として、試料台に印加する複数の異なる周波数を持つバイアス電力を切り替えて印加する方法が特許文献２において開示されている。この方法では切り替え時間比を変化させることで、特許文献１で起きる可能性のある問題を解決したうえで異なる周波数を用いることによるイオンのエネルギーとその分布の制御を可能としている。
しかし、特許文献２の方法を用いるとブランケットウェハのエッチングレートの面内均一性は制御できるものの、周波数変化によるイオンエネルギー分布の変化を考慮していないことから、エッチング形状の面内均一性の制御に課題が残る。課題の例を、図３を参照して具体的に説明する。図３（ａ）の初期形状を、単一のバイアス電力の印加のみでエッチングした結果を図３（ｂ）に示し、特許文献２の方法においてエッチングレートの分布がフラットになった条件を用いてエッチングした結果を、図３（ｃ）に示している。なお、ここでは、Ｓｉ基板２３上にＳｉＯ２膜２４を積層してなるウェハを対象として、エッチングを行っている。
単一のバイアス電力でエッチングした結果によれば、図３（ｂ）に示すように、エッチング形状についてウェハ中央部、ウェハ端部ともに垂直形状となっているが、形状深さについてはウェハ中央部とウェハ端部で異なっている。これに対して特許文献２の方法においてエッチングレート分布がフラットになった条件でエッチングした結果によれば、図３（ｃ）に示すように、エッチング形状についてウェハ中央部とウェハ端部で、エッチング形状は異なるが、形状深さは同等となっている。よって、異なる周波数のバイアス電力の印加を行う場合でも、ウェハ面内のエッチング形状の均一化にはさらなる課題がある。
本発明は、上述した課題を解決するために、ウェハ面内で所望のエッチング形状を得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ことを目的とする。
上記課題を解決するために、代表的な本発明にかかる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、
プラズマを生成す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へ第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、
前記試料台へ前記第１の高周波電力の周波数より高い周波数の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電源と、
一方の高周波電力が供給されている間、他方の高周波電力の供給が停止されるように前記第１の高周波電源と前記第２の高周波電源を制御する制御装置とを備え、
前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数は、周波数に対するイオンエネルギー分布のピーク値の半値幅を基に規定されていることを特徴とすることにより達成される。
代表的な本発明にかかるプラズマ処理方法の一つは、
試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成す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へ第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、前記試料台へ前記第１の高周波電力の周波数より高い周波数の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電源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、
一方の高周波電力が供給されている間、他方の高周波電力の供給が停止されるように前記第１の高周波電源と前記第２の高周波電源を制御する工程と、
前記プラズマ処理の圧力をイオンの平均自由行程が前記試料上のシース厚さより長くなる圧力とする工程と、
前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数を周波数に対するイオンエネルギー分布のピーク値の半値幅を基に規定する工程とを有することにより達成される。
本発明により、ウェハ面内で所望のエッチング形状を得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ことができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。 図２は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。 図３は、従来技術でウェハをエッチングした時のエッチング形状を示す図である。 図４は、本発明の実施形態で用いる圧力条件及び周波数条件の範囲を決定する根拠を示す概略図である。 図５は、イオンのシースの通り抜け時間とシース電圧との関係を示すグラフである。 図６は、図４で決定した圧力条件及び周波数条件の範囲でのバイアス電力のもつイオンエネルギー分布関数の概略図である。 図７は、図２のプラズマ処理装置におけるプラズマ生成用高周波電源及びバイアス用高周波電源の出力状態を示す波形図である。 図８は、図７のプラズマ処理装置におけるプラズマ生成用高周波電源及びバイアス用高周波電源の出力を用いて、ウェハをエッチングした時の各出力状態におけるエッチングレートを示す図であり、横軸はウェハ中心からの距離、縦軸はエッチングレートである。 図９は、プラズマエッチング中のプラズマインピーダンスを示す模式図である。 図１０は、本実施形態を用いてウェハをエッチングした時のエッチング形状を示す図である。
以下に示す実施形態では、プラズマからウェハへのイオンの入射エネルギー分布がバイアス電力の周波数によって変化することを利用し、ウェハへのイオン入射の制御性をより向上させて、微細化する半導体デバイス構造に対応しウェハのエッチング処理の面内均一性、すなわち、エッチングレートの面内均一性及びエッチング形状の面内均一性を得ることができるようにしている。
プラズマ生成とは別にウェハへのバイアス電圧を独立に制御する、すなわち、プラズマを生成するための高周波電力の制御とは別に、ウェハに入射するイオンにエネルギーを与えるための試料台に印加する高周波電力の制御を独立に行う。さらに試料台に印加する高周波電力の制御を異なる周波数のバイアス電源を複数用いて、異なる周波数のバイアス電力をステップ毎に切り替えて供給する。
このステップ毎の切り替えにより、異なる周波数のバイアス電力の単独供給時間帯を設けることで、処理時に試料台に印加可能なバイアス電源２０５の許容値の最大まで、それぞれの周波数のバイアス電源の設定を可能とし、ウェハへのイオン入射の制御性をより向上させている。以下、本発明の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。図２は、別の実施形態にかかるプラズマ処理装置の概略構成図である。図１，２において共通する構成については、同じ符号を付している。本実施形態では、処理室（チャンバ）を構成する真空容器１０１は、例えば、アルミニウム等の導電材料で製作された円筒状の容器であり、電気的に接地（アース）されている。真空容器１０１の上部開口は電磁波が透過可能な材質、例えば、石英から成る天板１０２によって封止されている。真空容器１０１下部中央には内部を所定圧力に減圧排気する真空排気装置が接続されている。天板１０２の上部には天板１０２を覆うようにして導波管１０３が設けられ、整合器１０４を介してプラズマ生成用の高周波電源（以下、「高周波電源」または「プラズマ電源１０５」という）が接続されている。
プラズマ電源１０５は、この場合、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振する。発振されたマイクロ波は導波管１０３を伝播し、天板１０２を介して真空容器１０１内に導入される。真空容器１０１の外側には、真空容器１０１内に磁場を形成するためのソレノイドコイル（磁場生成装置）１０６が巻装されている。天板１０２の下方の真空容器１０１上部には、シャワープレート１０８が設けられ、真空容器１０１の天板１０２とシャワープレート１０８との間にガス供給装置１０７が接続される。
ガス供給装置１０７から、天板１０２とシャワープレート１０８との間の空間に処理ガスが供給され、シャワープレート１０８を介して真空容器１０１内に形成される処理室内に処理ガスが供給される。真空容器１０１内には試料台１０９が設けられ、図示を省略したウェハ搬入口よりウェハ（試料）が搬入され試料台１０９上に配置・保持される。
試料台１０９には、複数、この場合２つの異なる周波数を持つバイアス用の高周波電源である周波数８００ＫＨｚの第１のバイアス電源（以下、「第１の高周波電源」または「第１バイアス電源１１３」という）と、周波数４００ＫＨｚの第２のバイアス電源（以下、「第２の高周波電源」または「第２バイアス電源１１４」という）とが、フィルター１１０及び第１，第２整合器１１１，１１２を介してそれぞれ電気的に並列に接続されている。第２の高周波電源は、第１の高周波電源における第１の高周波電力の周波数より高い周波数の第２の高周波電力を供給することができる。
ここで、図１のプラズマ処理装置においては、フィルター１１０と、第１整合器１１１及び第２整合器１１２とを接続した上で、制御装置１１５の制御により出力切換を行うのに対し、図２のプラズマ処理装置においては、制御装置１１５の制御によりスイッチを介して、フィルター１１０と第１整合器１１１または第２整合器１１２との接続切換を行っている。
この場合のフィルター１１０は、第１バイアス電源１１３の出力中に図示を省略した電源（例えば、試料台１０９に接続されるウェハを保持するための静電吸着装置の電源やウェハの温度制御を行うヒーターの電源等）を含めた第１バイアス電源１１３以外の電源からの出力を第１バイアス電源１１３側に通過させない機能（例えば、Ｈｉｇｈ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）と、第２バイアス電源１１４の出力中に図示を省略した電源（例えば、試料台１０９に接続されるウェハを保持するための静電吸着装置の電源やウェハの温度制御を行うヒーターの電源等）を含めた第２バイアス電源１１４以外の電源からの出力を第２バイアス電源１１４側に通過させない機能（例えば、Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）とを有する。また、第１バイアス電源１１３と第2バイアス電源１１４のうち一方の高周波電力が供給されている間、他方の高周波電力の供給が停止される。プラズマ電源１０５及び第１バイアス電源１１３，第２バイアス電源１１４は制御装置１１５につながり、制御装置１１５により後述する各電源の出力制御が行われる。
上述のように構成されたプラズマ処理装置では、真空容器１０１内に供給された処理ガスが、天板１０２を介して導入されたマイクロ波の電界とソレノイドコイル１０６により形成された磁界との作用（例えば、電子サイクロトロン共鳴：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ（ＥＣＲ））によってプラズマ化され、シャワープレート１０８と試料台１０９との間の空間にプラズマが形成される。
また、試料台１０９には、第１バイアス電源１１３から周波数４００ＫＨｚの高周波電力が印加され、または第２バイアス電源１１４から周波数８００ＫＨｚの高周波電力が印加される。試料台１０９に印加されるこれらの高周波電力はプラズマの生成とは独立に制御され、プラズマ中のイオンをウェハに入射させるバイアス電圧を生じさせる。試料台１０９に印加される高周波電力の周波数をバイアス周波数条件という。また、制御装置１１５を介して真空ポンプ１１６（圧力調整装置）により設定されるチャンバ内の圧力を圧力条件という。
図４を参照して、使用するチャンバ内の圧力条件及びバイアス周波数条件（以下、周波数条件という）によるイオンの運動状態の違いについて説明する。本実施形態で決定した周波数条件及び圧力条件を満たしたときのイオンの運動状態を、図４（ａ）に示している。さらに、前記周波数条件より高い周波数を選択した場合のイオンの運動状態を、図４（ｂ）に示している。また、前記圧力条件より高い圧力を選択した場合のイオンの運動状態を、図４（ｃ）に示している。前記周波数条件及び圧力条件について、以下に示す。
前記周波数条件について、以下のようにして決定した。ここでは、プラズマとウェハとの間にできる境界層のことをシースという。イオン２０１はシース２０２をバイアス電力による電界の力で通り抜けてウェハ２０３上へたどり着くが、バイアス電力の正負変化の周期時間がイオンのシースを通り抜ける時間より速いと、イオンがシース２０２内に留まる時間が長くなり、イオンエネルギーのばらつきが大きくなる。イオンエネルギーのばらつきが大きくなると、イオンの入射角分布が広範となることから垂直なエッチング形状を得ることが困難となる。よって本実施形態では、イオン２０１がシース２０２を通過する時間より長い周期を持った周波数条件を使用した。すなわち、第１の高周波電力の周波数と第２の高周波電力の周波数は、イオンがシースを通過する時間を基に規定された値であると好ましく、イオンがシースを通過する時間の逆数以下の値であるとさらに好ましい。
また、チャンバ内の前記圧力条件について、以下のようにして決定した。本実施形態で使用する圧力条件は、プラズマに含まれるイオン２０１が持つ平均自由行程が、ウェハ２０３直上に存在しているシース２０２の厚さを上回る値とする。この圧力条件を用いることでシース２０２内でのイオンの衝突による影響を無視でき、イオンエネルギーのばらつきを抑えることができる。
本実施形態で用いたプラズマ処理装置は、イオン密度が１０１０～１０１１ｃｍ－３で、バイアス電圧が１００～４００Ｖであることから、シース厚さはおよそ０．４ｍｍから４ｍｍ程度と考えられるので、本実施形態で使用可能な圧力条件は２．６６Ｐａ以下、周波数条件は３ＭＨｚ以下である。この周波数の上限値は、ガス種に応じて変更可能である。以下、その理由を説明する。
図５は、イオンのシースの通り抜け時間とシース電圧との関係を示すグラフである。図５に示すように、イオンのシースの通り抜け時間とシース電圧との関係は、使用するガス種（例としてＡｒ，Ｃｌ，Ｈｅ，Ｈ）によって変化する。
ここで、シース厚さをｄとし、シース電圧をＶとし、イオンのシース通り抜け時間をＴｉとし、バイアス電源の周期をＴＲＦとし、イオン質量をｍｉとし、素電荷をｅとすると、以下の式１、式２が成立する。
Figure 0007075540000001
Figure 0007075540000002
 求められている周波数条件によれば、Ｔｉ＜ＴＲＦ／２であるため、一般的なガス種を用いる場合、約３ＭＨｚの周波数が上限となるが、図５から明らかなようにガス種に応じて周波数条件の上限を変更可能である。なお、図５では一種類のガスを用いた例を示すが、混合ガスを用いる場合、その混合割合に応じてグラフが変化する。
前記周波数条件と前記圧力条件を満たすよう、本実施形態ではバイアス電力の周波数は４００ＫＨｚと８００ＫＨｚ、チャンバの圧力は４．８ｍＴｏｒｒを使用した。
図６において、横軸がウェハに入射するイオンのエネルギー、縦軸はそのエネルギーを持つイオンのウェハへの入射フラックスを示しており、ここでは異なるバイアス電力周波数でのイオンエネルギー分布を比較して示す。１３．５６ＭＨｚのイオンエネルギー分布３０１と、４００ＫＨｚまたは８００ＫＨｚのイオンエネルギー分布３０２は、それぞれがピークを持つイオンエネルギーが異なり、また、それぞれのピーク半値幅（３０３、３０４）について、イオンエネルギー分布３０１の方が広く、イオンエネルギーのばらつきが大きいことがわかる。よって、前述した高圧力条件と同様に、イオンの入射角分布が広範となることから垂直なエッチング形状を得ることが困難となる。
（エッチング評価）
以下、本発明者が行ったエッチング評価について説明する。図７に示すように出力制御された低い周波数（４００ＫＨｚ）の第１の高周波電力と、より高い周波数（８００ＫＨｚ）の第２の高周波電力とを切り替えて供給するエッチング処理により、図８に示すようなエッチングレートの分布を得た。なお、この場合のエッチング処理は、図３（ａ）に示す膜構造、すなわち、Ｓｉ基板２３上にＳｉＯ２膜２４を積層してなるウェハを対象とした。
エッチング条件は、処理ガスとしてＣｌ２とＡｒの混合ガスを用い、全ガス流量を２５０ｍｌ／ｍｉｎ、圧力を４．８ｍＴｏｒｒ、プラズマ電源１０５の出力を７００Ｗ、第１バイアス電源１１３の出力と第２バイアス電源１１４の出力を各々１５０Ｗとした。エッチング処理の評価はＰｏｌｙ－Ｓｉ膜のエッチングレートで評価した。
エッチング中の第１バイアス電源１１３と第２バイアス電源１１４の出力比をステップ時間で調整し、図７（ａ）～（ｃ）に示すように調整した。かかる調整は、制御装置１１５によって行える。
図８（ａ）は、図７（ａ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示している。図７（ａ）に示すように低い周波数を持つ第１バイアス電源からの出力のみであると、図８（ａ）に示すようにエッチングレート分布はウェハ中心で高く、外周で低い中高分布となった。
図８（ｂ）は、図７（ｂ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示している。図７（ｂ）に示すように第１，第２バイアス電源から低い周波数の出力と高い周波数の出力とを交互に同時間出力すると、図８（ｂ）に示すようにエッチングレート分布は面内でほぼ均一な分布となった。
図８（ｃ）は、図７（ｃ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示している。図７（ｃ）に示すように高い周波数をもつ第２バイアス電源からの出力のみであると、図８（ｃ）に示すようにエッチングレート分布はウェハ中心で低く、外周で高い外高分布となった。
このように、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力の供給時間に対して、高い周波数（８００ＫＨｚ）の高周波電力の供給時間の割合を徐々に増やしていくに従い、ウェハ外周部のエッチングレートが増加するので、ウェハ面内のエッチングレート分布を制御可能であることが分かった。
なお、高い周波数の高周波電力の供給時間の割合が増える、言い換えると、低い周波数の高周波電力の供給時間の割合が減少するのに従い、ウェハ外周部のエッチングレートが増加する理由としては、次のことが考えられる。
本実施形態に用いたプラズマ処理装置は、マイクロ波の電界とソレノイドコイルによる磁界との相互作用を利用したプラズマ処理装置である。このようなプラズマ処理装置では、試料台１０９に印加したバイアス用高周波電力によりプラズマを介して試料台１０９と接地された真空容器１０１との間で電流が流れる際に、真空容器１０１内に形成された磁場をプラズマ中の電子が横切ることとなる。
このとき磁場は電子を捕らえようとし、これがプラズマのクロスフィールドインピーダンスとして表される。図９において、ウェハ２０３の中央部からウェハ２０３の端部までのクロスフィールドインピーダンス２０７をＺ１、ウェハ２０３の端部からアースまでのクロスフィールドインピーダンス２０８をＺ２とすると、ウェハ２０３の中央部から見たクロスフィールドインピーダンスは（Ｚ１＋Ｚ２）、ウェハ端部から見たクロスフィールドインピーダンスはＺ２のみとなる。また、ウェハ２０３の直上にあるシースから受けるシースインピーダンス２０６をＺＳとする。シースインピーダンスＺＳは、ウェハ２０３の面内で同等であることから、ウェハ２０３の中央部から見たプラズマインピーダンスは（ＺＳ＋Ｚ１＋Ｚ２）、ウェハ２０３の端部から見たプラズマインピーダンスは（ＺＳ＋Ｚ２）となる。
ここで、シースインピーダンスは高周波電力の周波数と逆相関があり、周波数が高くなればシースインピーダンスは小さくなる。このため、高い周波数の高周波電力では、シースインピーダンスはクロスフィールドインピーダンスと比較して無視できるほど小さくなることから、ウェハ２０３の中央部のプラズマインピーダンスは（Ｚ１＋Ｚ２）と近似でき、ウェハ２０３の端部でのプラズマインピーダンスはＺ２と近似される。よって、ウェハ２０３の端部が、ウェハ２０３の中央部と比較してプラズマインピーダンスが低くなることから、バイアス電圧の印加によってウェハ２０３に入射するプラズマからのイオンエネルギーは、ウェハ２０３の中央部と比較してウェハ２０３の端部で増え、そのためウェハ２０３の端部のエッチングレートが中央部と比較して高くなる。
これに対して低い周波数の高周波電力ではシースインピーダンスが増加し、クロスフィールドインピーダンスがシースインピーダンスに対して無視できるほどになることから、ウェハ２０３の端部及び中央部におけるプラズマインピーダンスは、ともにＺＳと近似できる。よってウェハ２０３の面内でのプラズマインピーダンスの差が小さくなるので、ウェハ２０３の面内におけるプラズマからのイオン入射エネルギーに差がなくなる。
本実施形態に用いたプラズマ処理装置の特性によれば、真空容器１０１内のガスは、試料台１０９の周辺空間を介して真空容器１０１の上部から下部に向けて流れて排気される。このため、ウェハ２０３の周辺に供給されるプラズマからの活性種がウェハ中央部に比べ少ないことから、ウェハ周囲のエッチングレートが低くなり中央高なエッチングレート分布となる。よってこの中央高なエッチングレート分布は、本実施形態のプラズマ処理装置の特性によるものと言える。
上述したように、本実施形態によれば、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力と、高い周波数（８００ＫＨｚ）の高周波電力の出力時間の割合を変化させることで、エッチングレート分布を中央高から周囲高の分布の間で調整することでき、この間に図８（ｂ）に示すようにエッチングレート分布がほぼ均一な条件、すなわち、低い周波数と高い周波数の高周波電力の出力時間の割合を設定することで、ウェハ面内のエッチングレートの均一化を図ることができる。
また、図８（ｂ）に示すようにエッチングレートを均一化した条件でエッチング処理した際のエッチング形状を、図１０に示す。ここでは、図３と同様に、Ｓｉ基板のマスク２０３上にＳｉＯ２膜２０４を成膜したものをエッチングした。本実施形態で使用している４００ＫＨｚと８００ＫＨｚの高周波電力の組み合わせを用いて、図８（ｂ）に示すようにエッチングレートを均一化した条件でエッチング処理した。その結果、図１０に示すように、エッチング形状がウェハ中央部、ウェハ端部ともに垂直形状となりかつ、形状深さがウェハ中央部、ウェハ端部で同等となった。
従来技術によりエッチング処理した例（図３（ｃ）参照）では、ウェハ中央部とウェハ端部のエッチング形状に差が出た。これは、２つの異なるバイアス電力の周波数によってイオンエネルギー分布のエネルギーピーク値の半値幅に差が生じることが原因と考えられる。つまり、図６に示すように低い周波数のバイアス電力（４００ＫＨｚ）によって生じるイオンエネルギー分布のエネルギーピーク値の半値幅が、高い周波数のバイアス電力（１３．５６ＭＨｚ）によって生じるイオンエネルギー分布のエネルギーピーク値の半値幅と異なる組み合わせを用いると、エッチングレートが均一になるように時間を調整した条件において、ウェハ中央部とウェハ端部で、エッチングした際の形状深さは均一になるが、エッチング形状は均一にならないと考えられる。
これに対し、本実施形態で用いた低い周波数のバイアス電力（４００ＫＨｚ）と、高い周波数のバイアス電力（８００ＫＨｚ）の組み合わせを用いると、それぞれの周波数によって生じるイオンエネルギー分布のエネルギーピーク値の半値幅が同等であることから、エッチングレートを均一になるように時間調整した条件において、ウェハ中央部とウェハ端部で、エッチングした際の形状深さとエッチング形状がともに均一になると考えられる。
このように、低い周波数のバイアス電力と高い周波数のバイアス電力の出力を交互に切り替え、それぞれの電力の出力時間の割合を制御可能とした構成にすることで、ウェハへのイオンの入射の制御性をより向上させることができる。
また、本実施形態では、２つの異なる周波数の高周波電力を試料台１０９に供給しているが、一方のバイアス電源から高周波電力が供給されているときは、他方のバイアス電源からの高周波電力の供給が停止されているため、他方のバイアス電源から電流が試料台１０９に流れ込むことがない。このため、クロストークの発生を防止でき、安定してバイアス電力を試料台１０９に供給することができる。
なお、本実施形態では、プラズマ処理中の圧力を０．６３８Ｐａ、異なる２つの周波数を持つバイアス電源の組み合わせとして、４００ＫＨｚの高周波電源と８００ＫＨｚの高周波電源の組み合わせを用いたが、前記圧力条件、周波数条件内であれば、シースインピーダンスの差が大きくなる周波数の組み合わせを選択するのが良い。換言すれば、第１の高周波電力の周波数と第２の高周波電力の周波数は、試料上のシースのインピーダンスを基に規定され、例えば第１の高周波電力の周波数におけるシースのインピーダンスと、第２の高周波電力の周波数におけるシースのインピーダンスの差が大きくなる周波数であると好ましい。また、低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えはどちらが先になっても良い。
以上、本実施形態によれば、第１バイアス電源と第２バイアス電源の各々の出力時間の割合を変えて試料台に印加することにより、ウェハ面内のエッチングレート分布を制御することができ、ウェハ面内のエッチングレート均一性を制御することができる。また、イオンエネルギー分布を考慮して周波数を選択していることから、ウェハ面内のエッチング形状の分布制御も可能となっている。
また、上述した例では使用する圧力及びバイアス電力の周波数の組み合わせを任意に指定したが、バイアス電圧によってシース厚さはおおよそ見積もれることから、圧力を指定すれば使用可能なバイアス電力の周波数条件は決まる。よって、圧力を指定することで自動的に使用可能なバイアス電力の周波数条件を示せるようにすれば、イオンの制御がより簡便になる。
また、上述した実施例ではマイクロ波ＥＣＲプラズマを一実施例として説明したが、容量結合型プラズマや誘導結合型プラズマ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本実施例と同様の効果が得られる。
上記した実施形態は、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、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１ 真空容器、１０２ 天板、１０３ 導波管、１０４ 整合器、１０５ プラズマ電源、１０６ ソレノイドコイル、１０７ ガス供給装置、１０８ シャワープレート、１０９ 試料台、１１０ フィルター、１１１ 第1整合器、１１２ 第２整合器、１１３ 第１バイアス電源、１１４ 第２バイアス電源、１１５ 制御装置、１１６ 真空ポンプ、２０１ イオン、２０２ シース、２０３ Ｓｉ基板、２０４ ＳｉＯ２膜、２０５ バイアス電源、２０６ シースインピーダンス、２０７ 電極中心から端までのクロスフィールドインピーダンス、２０８ 電極端からアースまでのクロスフィールドインピーダンス、３０１ バイアス電力の周波数が１３．５６ＭＨｚ時のイオンエネルギー分布、３０２ バイアス電力の周波数が４００ＫＨｚまたは８００ＫＨｚ時のイオンエネルギー分布、３０３ バイアス電力の周波数が１３．５６ＭＨｚ時のイオンエネルギー分布の高エネルギー側のピークのエネルギーピーク値の半値幅、３０４ バイアス電力の周波数が４００ＫＨｚまたは８００ＫＨｚ時のイオンエネルギー分布の高エネルギー側のピークのエネルギーピーク値の半値幅

Claims (11)

  1. 試料がプラズマ処理される処理室と、
    プラズマを生成す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へ第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、
    前記試料台へ前記第１の高周波電力の周波数より高い周波数の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電源と、
    一方の高周波電力が供給されている間、他方の高周波電力の供給が停止されるように前記第１の高周波電源と前記第２の高周波電源を制御する制御装置とを備え、
    前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数は、周波数に対するイオンエネルギー分布のピーク値の半値幅を基に規定されてい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、
    前記第２の高周波電力の周波数は、前記半値幅が前記第１の高周波電力の周波数における前記半値幅と概ね同じになる周波数であることを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、
    前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数は、前記試料上のシースのインピーダンスを基に規定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数は、前記第１の高周波電力の周波数における前記シースのインピーダンスと前記第２の高周波電力の周波数における前記シースのインピーダンスの差が大きくなる周波数であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数は、イオンが前記シースを通過する時間を基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。
  6. 請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数は、イオンが前記シースを通過する時間の逆数以下の値であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、
    前記第２の高周波電力の周波数は、３MHz以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成す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へ第１の高周波電力を供給する第１の高周波電源と、前記試料台へ前記第１の高周波電力の周波数より高い周波数の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電源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、
    一方の高周波電力が供給されている間、他方の高周波電力の供給が停止されるように前記第１の高周波電源と前記第２の高周波電源を制御する工程と、
    前記プラズマ処理の圧力をイオンの平均自由行程が前記試料上のシース厚さより長くなる圧力とする工程と、
    前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数を周波数に対するイオンエネルギー分布のピーク値の半値幅を基に規定する工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
  9. 請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第２の高周波電力の周波数を、前記半値幅が前記第１の高周波電力の周波数における前記半値幅と概ね同じになる周波数にする工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. 請求項９に記載のプラズマ処理方法において、
    前記第１の高周波電力の周波数と前記第２の高周波電力の周波数を、イオンが前記試料上のシースを通過する時間の逆数以下の値とする工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。
  11. 請求項１０に記載のプラズマ処理方法において、
    前記プラズマ処理の圧力を２．６６Ｐａ以下とする工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。
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