JP7201805B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。
電子サイクロトロン共鳴（Electron Cyclotron Resonance：ＥＣＲ）方式のプラズマエッチング装置では、半導体素子に入射するイオンを加速するために、ＲＦ（Radio Frequency）高周波電力を使用している。
近年、半導体デバイスの集積度の向上に伴い、エッチングにおける形状制御性とウエハ面内均一性の両立が要求されている。高精度なプラズマエッチングを実現する技術の一つとして、プラズマが強プラズマ状態と弱プラズマまたはプラズマ消滅状態とを周期的に形成するように、プラズマ形成手段に供給するエネルギーの大きさを調整するプラズマエッチング方法が、特許文献１に示されている。
また特許文献２には、時間変調されたソース電源（マイクロ波）に対し、同期させたＲＦバイアス電力を印加し、時間変調されたマイクロ波に対し位相を変調させたＲＦバイアス電力を印加する手法が開示されている。
さらに、プラズマ生成用ソース電源がパルスオン・オフの二つの状態だけでなく、パルスハイ・パルスロー・オフの三つ(あるいはそれ以上)の区間に分けてパルス印加できるようにした技術もある。特許文献３は、パルスロー区間にＲＦバイアス電力を印加することにより、粗密差があるパターン垂直エッチングを実現する方法を開示している。
さらに特許文献４には、マイクロ波出力値をパルスオン区間での二値以上の出力値とすることで、エッチング速度分布を均一とし、かつ、等方性エッチングを抑制可能とするエッチングを実現する方法が開示されている。
これらすべての従来技術は、プラズマを生成するソース電源をパルス化して、低密度プラズマ、低解離エッチングを目指し、プラズマ種・プラズマ密度を考慮してＲＦバイアス電力を印加して、適切なイオン量、イオンエネルギーでウエハに引き込んでエッチング形状や選択比、ウエハ面内均一性を目指すものである。
特開昭５９－４７７３３号公報 特開２０１５－１１５５６４号公報 特開２０１７－６９５４２号公報 特開２０２０－１７５６５号公報
しかし、パルス化したプラズマ生成用のソース電力を印加することにより低解離でのエッチングを実現できるが、従来技術ではさまざまな課題がある。
例えば、単にソース電力をパルス化してもＲＦバイアス電力が連続波の場合、プラズマ失火時にはＲＦバイアス電力を印加できない。これに対しプラズマの失火を防ぐために、パルス化したソース電力のオフ期間を短く制限し、パルス繰り返し周波数を大きくすると、プラズマ密度が小さくならないという不具合がある。
一方、マイクロ波電力とＲＦバイアス電力をパルス化して同期させた場合、エッチングレートが小さくなるという問題がある。かかる場合、ソースパワーであるマイクロ波電力とＲＦバイアス電力は、共にオフの期間がある程度存在することになり、これによりエッチングレートが低下する。またソースパワーのパルスオン時間、デューティー比次第では、エッチング速度が非常に遅くなる。
またマイクロ波電力のパルス発振と同じタイミングでＲＦバイアス電力を印加する場合、ＲＦバイアス電力とのマッチングが不十分な状態で、エッチングが行われる可能性がある。このため、異常放電や各電源の反射波異常により、エッチングの面内均一性の悪化や再現性の低下を引き起こすおそれがある。
これに対して、マイクロ波電力をパルス発振した後、プラズマの安定時間が過ぎるまで待ってからＲＦバイアス電力を印加することも一案である。これによりエッチング速度分布が均一となり、面内均一性が向上する。しかし、かかる技術によればＲＦバイアス電力のゼロ区間があるため、サイドエッチングが進むことからエッチングの形状不良を完全には避けられない。
さらにマイクロ波電力のパルス発振をハイ・ローに２値化して、マイクロ波のロー区間にＲＦバイアスを印加することもできる。しかし、この技術の問題点は、マイクロ波のロー区間ではプラズマ中のデポジション成分がほとんどなくサイドエッチングが発生しやすいことに加え、プラズマ失火を阻止できる限界までマイクロ波電力を印加したプラズマのもとで、ＲＦバイアス電力の整合をとることが困難になるということである。
以上より、マイクロ波電力をパルス発振して低プラズマ密度でエッチングを行った場合でも、エッチングの形状制御性を維持し、エッチングレートを低下させない技術が求められている。
本発明は、異なるマイクロ波電力を発振可能なマイクロ波電源を用いて、エッチング形状を高精度に制御するプラズマ処理装置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第一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、前記試料台に第二の高周波電力を供給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、
前記第一の高周波電力が第一の期間と前記第一の期間に隣接する第二の期間と振幅が０である第三の期間を有する第一の波形により変調されるとともに前記第二の高周波電力が期間Ａと期間Ｂを有する第二の波形により変調される場合、前記期間Ａの各々の前記第二の高周波電力が前記第一の期間と前記第二の期間に供給されるように前記第二の高周波電源を制御する制御装置をさらに備え、
前記第二の期間の振幅は、前記第一の期間の振幅より小さく、かつ０より大きく、
前記期間Ａの振幅は、前記期間Ｂの振幅より大きい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第一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、前記試料台に第二の高周波電力を供給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、
前記第一の高周波電力が第一の期間と前記第一の期間に隣接する第二の期間を有する第一の波形により変調されるとともに前記第二の高周波電力が期間Ａと期間Ｂを有する第二の波形により変調される場合、前記期間Ａの各々の前記第二の高周波電力が前記第一の期間と前記第二の期間に供給されるように前記第二の高周波電源を制御する制御装置をさらに備え、
前記第一の高周波電源は、パルス変調されていない高周波電力を供給する高周波電源とパルス変調された高周波電力を供給する高周波電源を具備し、
前記第二の期間の振幅は、前記第一の期間の振幅より小さく、かつ０より大きく、
前記期間Ａの振幅は、前記期間Ｂの振幅より大きい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第一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、前記試料台に第二の高周波電力を供給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、
前記第一の高周波電力が第一の期間と前記第一の期間に隣接する第二の期間を有する第一の波形により変調されるとともに前記第二の高周波電力が期間Ａと期間Ｂを有する第二の波形により変調される場合、前記期間Ａの各々の前記第二の高周波電力が前記第一の期間と前記第二の期間に供給されるように前記第二の高周波電源を制御する制御装置をさらに備え、
前記第二の高周波電源は、パルス変調されていない高周波電力を供給する高周波電源とパルス変調された高周波電力を供給する高周波電源を具備し、
前記第二の期間の振幅は、前記第一の期間の振幅より小さく、かつ０より大きく、
前記期間Ａの振幅は、前記期間Ｂの振幅より大きいことにより達成される。
本発明によれば、異なるマイクロ波電力を発振可能なマイクロ波電源を用いて、エッチング形状を高精度に制御するプラズマ処理装置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、本発明の一実施の形態のプラズマ処理装置である、ＥＣＲプラズマエッチング装置の略構成図である。 図２は、第１実施形態における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）プラズマ密度、（ｃ）プラズマインピーダンス、（ｄ）ＲＦバイアス電力のタイミングチャートを示す図である。 図３Ａは、第１実施形態における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）ガス種Ａのプラズマ密度、（ｃ）ガス種Ｂのプラズマ密度のタイミングチャートを示す図である。 図３Ｂは、（ａ）図３Ａにおけるプラズマ密度の拡大図、（ｂ）ウエハのパターン形状の拡大断面図、（ｃ）ウエハのパターン形状の拡大断面図である。 図４Ａは、第１実施形態における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）ガス種Ａのプラズマ密度、（ｃ）ガス種Ｂのプラズマ密度のタイミングチャートを示す図である。 図４Ｂは、（ａ）図４Ａにおけるプラズマ密度の拡大図、（ｂ）ウエハのパターン形状の拡大断面図、（ｃ）ウエハのパターン形状の拡大断面図である。 図５は、第３実施形態における、（ａ）パルス化したマイクロ波電力、（ｂ）パルス化したＲＦバイアス電力のタイミングチャートの例を示した図である。 図６は、第４実施形態における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）プラズマ密度、（ｃ）プラズマインピーダンス、（ｄ）ＲＦバイアス電力のタイミングチャートを示す図である。 図７は、第５実施形態における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）プラズマ密度、（ｃ）プラズマインピーダンス、（ｄ）ＲＦバイアス電力のタイミングチャートを示す図である。 図８Ａは、比較例における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）プラズマ密度、（ｃ）プラズマインピーダンス、（ｄ）ＲＦバイアス電力、（ｅ）Ｖｐｐのタイミングチャートを示す図である。 図８Ｂは、比較例における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）プラズマ密度、（ｃ）プラズマインピーダンス、（ｄ）ＲＦバイアス電力、（ｅ）Ｖｐｐのタイミングチャートを示す図である。 図９は、第６実施形態における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）プラズマ密度、（ｃ）プラズマインピーダンス、（ｄ）ＲＦバイアス電力、（ｅ）Ｖｐｐのタイミングチャートを示す図である。 図１０は、第７実施形態における、（ａ）マイクロ波電力、（ｂ）プラズマ密度、（ｃ）プラズマインピーダンス、（ｄ）ＲＦバイアス電力、（ｅ）ＲＦバイアス反射波、（ｆ）Ｖｐｐのタイミングチャートを示す図である。 図１１Ａは、第８実施形態におけるＥＣＲプラズマエッチング装置の略構成図である。 図１１Ｂは、図１１ＡのＥＣＲプラズマエッチング装置に供給されるマイクロ波電力の波形を示す図である。 図１１Ｃは、図１１ＡのＥＣＲプラズマエッチング装置に供給されるＲＦバイアス電力の波形を示す図である。 図１２は、ＥＣＲプラズマエッチング装置により処理されるウエハのエッチング形状を示す拡大断面図である。
［第１実施形態］
図１は、本発明の実施形態にかかる、ＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエッチング装置（以下、プラズマ処理装置１とする）の縦断面の概略構成図である。プラズマ処理装置１における、処理室、試料台、試料等の各部は、概略的に円筒や円柱や円板等の軸対称形状を有する。
本明細書中で、「切り替え時をまたいで電力が印加される」とは、該切り替え時の前から電力の印加が開始され、該切り替え後までその電力の印加が続くことをいい、例えば期間Ａの各々の第二の高周波電力が、第一の高周波電力における第一の期間と第二の期間に供給されることなどをいう。
（プラズマ処理装置の構成）
図１で、プラズマ処理装置１の真空容器１０１内部の処理室１２２の下部には、真空排気装置１１９が接続されている。また、処理室１２２の内部上部には、シャワープレート１０２及び石英天板１０３が配置されている。シャワープレート１０２は、複数の孔を有している。ガス供給装置１２０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１０２の孔を通じて処理室１２２内に導入する。シャワープレート１０２の上には、石英天板１０３が配置され、石英天板１０３との間にガス供給用の間隙が設けられている。石英天板１０３は、上方からの電磁波を透過させ、処理室１２２の上方を気密に封止する。
石英天板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度曲げる屈曲部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、チューナー１０７を経て、プラズマ生成用のマイクロ波電源１０６が接続されている。
第一の高周波電源であるマイクロ波電源１０６はプラズマ生成用の電源であり、制御部１２３からの制御に基づいて電磁波（第一の高周波電力）を発振する。本実施形態のマイクロ波電源１０６は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波発振が可能である。第一の高周波電力は、ハイ区間ＴＨ（第一の期間）とロー区間ＴＬ（第一の期間に隣接する第二の期間）とを交互に繰り返す第一の波形により変調される。
マイクロ波電源１０６から発振されたマイクロ波は、導波管１０５を伝播し、空洞共振部１０４、石英天板１０３、シャワープレート１０２を経由して処理室１２２内に伝播する。処理室１２２の外周には、磁場発生コイル１０９が配置されている。磁場発生コイル１０９は複数のコイルからなっており、処理室１２２に磁場を形成する。マイクロ波電源１０６から発振された高周波電力は、磁場発生コイル１０９により形成された磁場とＥＣＲとの相互作用により、処理室１２２内に高密度プラズマ１２１を生成する。
処理室１２２の下方には、石英天板１０３に対向して試料台１１０が配置されている。試料台１１０は、試料であるウエハ１１１を載置した状態で保持する。
試料台１１０は材質としてはアルミやチタンからなる。試料台１１０上面には誘電体膜１１２を有する。試料台１１０の誘電体膜１１２の上面には、アルミナセラミックス等による溶射膜が配置されている。
また、誘電体膜１１２内部にはウエハ１１１を静電吸着するための導電体膜（電極）１１３、１１４が設置され、直流電圧（図示しない）を印加することにより、ウエハ１１１を静電吸着することができる。さらに試料台１１０の導電体膜１１３、１１４には、第二の高周波電源であるＲＦバイアス電源１１７から、第二の高周波電力(以後、ＲＦバイアスと記述)が印加される。第二の高周波電力は、オン区間ＢＯＮ（期間Ａ）とオフ区間ＢＯＦ（期間Ｂ）とを繰り返す第二の波形により変調される。
ＲＦバイアス電源１１７にはマッチングボックス(整合器)１１５が接続され、これによりＲＦバイアスの整合がとられている。プラズマ密度がマイクロ波のパルス状の発振により変わり、プラズマインピーダンスが高速に変動してもＲＦバイアスの整合がなされるように、マッチングボックス１１５は機能する。より具体的に、マッチングボックス１１５は、固体素子による高速整合、プラズマ負荷(プラズマインピーダンス)が急激に変化する期間を無効とし、それ以外の期間を整合有効範囲とする整合区間の設定、プラズマ（負荷）の乱れを無効とする整合の固定、プラズマ（負荷）の予測による整合の適切化などを行い、数ミリ秒レベルでの整合を達成している。
ＲＦバイアス電源１１７は、イオン引込み用の高周波電力を発生し、試料台１１０へ供給する。ＲＦバイアス電源１１７もＲＦバイアスパルスユニット１１８からのパルスに基づいて、パルス変調されたＲＦバイアスを発生する。
なお、本実施形態のＲＦバイアス電源１１７において、ＲＦバイアス周波数は特に限定されないが、例えば周波数は４００ｋＨｚを用いることができる。
高周波ＲＦバイアスにおける電圧の最大値と最小値の差（Ｖピークトウピーク：以下、Ｖｐｐと略す）をモニタするため、ＲＦバイアス給電ライン上に電圧モニタ（不図示）を設置している。
マイクロ波電源１０６にはマイクロ波パルスユニット１０８が接続されている。マイクロ波パルスユニット１０８からのオン信号により、マイクロ波電源１０６がマイクロ波を設定された繰り返し周波数でパルス変調することができる。マイクロ波電源１０６から出力される高周波電力を、マイクロ波電力という。
なお、このマイクロ波電源１０６は、５０ワット～２０００ワットまでの範囲で発振でき、かつパルス発振したときの応答性を確保して精度よく発振するために、マグネトロン方式のマイクロ波電源ではなく、ソリッドステート方式のマイクロ波電源が用いられている。
制御部１２３はプラズマエッチング装置の制御装置であり、マイクロ波電源１０６、ＲＦバイアス電源１１７に接続されて、第一の高周波電力及び第二の高周波電力の出力を制御する。
図示していないが、これ以外にも制御部１２３は、ガス供給装置１２０、真空排気装置１１９、直流電源１１６等にも電気的に接続されて、これらを制御する。
制御部１２３は、図示しない入力手段による入力設定（レシピともいう）に基づいて、マイクロ波電源１０６のハイ電力、マイクロ波電源１０６のロー電力、ＲＦバイアス電源１１７のハイ電力、ＲＦバイアス電源１１７のロー電力、マイクロ波パルスユニットでのパルスオン・オフのタイミング、およびＲＦバイアス電源１１７のオン・オフの繰り返し周波数やデューティー比、ＲＦバイアス電源１１７のデュレイ時間等、マイクロ波電源１０６やＲＦバイアス電源１１７のパラメータを制御する。
またこれ以外にも、制御部１２３は、エッチングを実施するためのガスの流量、処理圧力、コイル電流、試料台温度、エッチング時間等、エッチングパラメータを制御する。
（プラズマ処理装置の動作）
エッチング処理を開始するにあたり、処理室１２２内へウエハ１１１が搬送される。試料台１１０にウエハ１１１を吸着させた後、レシピに基づいて、エッチングガスがガス供給装置１２０からマスフローコントロ－ラ（図示省略）を介して、石英天板１０３と石英シャワープレート１０２の間を通過して、石英シャワープレート１０２のガス孔より処理室１２２に導入される。さらに真空容器１０１内を所定の圧力とし、マイクロ波電源１０６の発振により処理室１２２内にプラズマ１２１を発生させる。またＲＦバイアス電源１1７からＲＦバイアスを出力し、プラズマ１２１からウエハ１１１へイオンを引き込むことでエッチング（プラズマ処理）が進行する。エッチングガスやエッチングにより発生した反応生成物は、排気装置１１９から排気される。
本実施形態において、シャワープレート１０２、試料台１１０、磁場発生コイル１０９、真空排気装置１１９、およびウエハ１１１等は、処理室１２２の中心軸に対し同軸に配置されている。したがって、エッチングガス、プラズマ、飽和イオン電流、および反応生成物は、それぞれ同軸な分布をもつようになり、その結果、エッチングレートに関して軸対称分布に均一性を向上させている。
ここで、マイクロ波パルスのパラメータと、ＲＦバイアスのパラメータを以下のように設定する。
マイクロ波電源１０６のハイ電力Ｐ１：６００ワット（５０－２０００ワットの範囲で変更可）、
マイクロ波電源１０６のロー電力Ｐ２：１５０ワット（２０－１６００ワットの範囲で変更可）、
マイクロ波電力のハイ・ロー周波数Ｆ１：５００ヘルツ、
マイクロ波電力のハイ・ロー周期Ｔ１＝１／Ｆ１（秒）、
マイクロ波電力のハイ・ローデューティ比Ｄ１：４０％、
マイクロ波電力のハイ区間ＴＨ：１ミリ秒、
マイクロ波電力のロー区間ＴＬ：１ミリ秒、
マイクロ波電力のオン・オフ周波数Ｆ２：１００ヘルツ、
マイクロ波電力のオン・オフ周期：Ｔ２＝１／Ｆ２（秒）、
マイクロ波電力のオン・オフデューティ比Ｄ２：８０％、
マイクロ波電力のオン時間Ｔ３＝Ｔ２・Ｄ２、
マイクロ波電力のオン周波数Ｆ３（＝１／Ｔ３）：１２５ヘルツ、
（ただし、マイクロ波電力のハイ・ロー周波数Ｆ１は、マイクロ波電力のオン周波数Ｆ３の倍数となっていること。マイクロ波電力のハイ区間ＴＨの開始時を基準点ＰＳＴとする。）
ＲＦバイアスのオン電力：１００ワット（１０－５００ワットの範囲で変更可）、
ＲＦバイアスのオフ電力：０ワット
ＲＦバイアスのハイ・ロー周期ＴＢ（＝Ｔ１）：２ミリ秒、
ＲＦバイアスの周波数ＦＢ１（＝１／ＴＢ）：５００ヘルツ（１０－５０００ヘルツの範囲で変更可）、
ＲＦバイアスのオン区間ＢＯＮ：１ミリ秒、
ＲＦバイアスのオフ区間ＢＯＦ：１ミリ秒、
ＲＦバイアスのデューティー比：３０％（１－１００％の範囲で変更可）、
ＲＦバイアスのディレイ時間ＴＤ：０．６ミリ秒、
ＲＦバイアスのディレイＲＤ（＝ＴＤ／Ｔ１）：３０％、
（ただし、マイクロ波電力のオン時間以外は、ＲＦバイアスを使用しない。）
以上のパラメータを設定した際に、マイクロ波電力のハイ区間ＴＨからマイクロ波電力のロー区間ＴＬの切り替え時をまたぐ間に、ＲＦバイアスを印加したときのシーケンスを図２に示す。
図２において、マイクロ波電力（ａ）のグラフは２０１、プラズマ密度（ｂ）のグラフは２０２、プラズマインピーダンス（ｃ）のグラフは２０４、ＲＦバイアス（ｄ）のグラフは２０５で示している。
この例においてエッチングで高い形状制御性を得るためには、パルス時間範囲、マイクロ波のパワー範囲、エッチングに使用するガス種に制限がある。
エッチングガス種については二種類以上のガスを混合した混合ガスが望ましく、かかる場合デポジション用の堆積性ガスと、エッチャントとなるガスの混合ガスを使用するとさらに好ましい。本実施形態では、エッチャント用のガスとしての塩素ガス（流量１００ｍｌ/秒）と、デポジション用のガスとしてのＣＨＦ３ガス（流量１０ｍｌ/秒）の混合ガスを用いる。
上記のような混合ガスを用いることなく、単体のエッチャントガスでエッチングされた反応生成物が再付着するような条件であっても問題ない。例えばＣＦ４ガスでシリコンをエッチングする場合は、エッチャント用のガスをＣＦ４ガスとして、デポジション用のガスをシリコンエッチングしたときのシリコン系の反応生成物とみなせば、二種類混合ガスを用いた場合と同様の効果が得られる。
次に、マイクロ波のパワー範囲について、マイクロ波のロー電力Ｐ２（第二の期間の振幅）は、マイクロ波のハイ電力Ｐ１（第一の期間の振幅）よりも小さく、且つ０より大きい。ここで、マイクロ波のハイ電力Ｐ１とマイクロ波のロー電力Ｐ２との差が小さく、例えば２０パーセント以下なら、プラズマ密度変化幅が小さくマイクロ波パワー変動に対するプラズマ密度の遅れがほとんどないために、エッチング形状の効果が得られない。
これとは逆に、マイクロ波のハイ電力Ｐ１とマイクロ波のロー電力Ｐ２の差が大きく、例えばプラズマ密度で７．５×１０１６（ｍ－３）を上回るプラズマが、ハイ電力Ｐ１が１６００ワットであり、ロー電力Ｐ２がプラズマ失火寸前の５０ワット以下で生成されるときには、ＲＦバイアスの整合が正しく行うことが困難になる。あるいは、ハイ電力Ｐ１とロー電力Ｐ２の差が大きいと、ハイ区間からロー区間へ移行する時間を考慮しなければならないため、プラズマ密度が図2のグラフ２０２通りに変化しないという問題が発生する。
概略、マイクロ波のハイ電力Ｐ１の範囲は５０ワットから２０００ワットであり、マイクロ波のロー電力Ｐ２の範囲は２０ワットから１６００ワットであるときに、ハイ電力Ｐ１に対するロー電力Ｐ２が２０％以上であるように、ハイ電力Ｐ１とロー電力Ｐ２との差を定めることが望ましい。
マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１およびマイクロ波電力ハイ・ローデューティー比Ｄ１について説明する。マイクロ波電力ハイ区間ＴＨとマイクロ波電力ロー区間ＴＬのマイクロ波パワーの変化に対して、プラズマ密度はいくらかの遅れ時定数をともなって追従する。マイクロ波パワーの変化に対して、プラズマ密度が一定に飽和する時間、またはマイクロ波電力がオンからオフになったとき、それに追従してプラズマが密度低下し失火するいわゆるアフターグロー時間は、約０．２から５ミリ秒程度である。
それ以上、マイクロ波電力ハイ・ロー周期Ｔ１を短く、マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１を大きくすると、マイクロ波電力のハイとローの高速繰り返しに対し、プラズマ密度が追従できず、プラズマが安定せずプラズマ密度は飽和することなく、プラズマ密度の増減を繰り返す。その結果として、プラズマ密度は中間値付近で小さく増減を繰り返すこととなる。
これは、プラズマ密度の立ち上りの際にＲＦバイアスを適切に印加するという観点からエッチング形状の精度向上が得られにくく、またパルスＲＦバイアスのジッタを招き、ＲＦバイアス整合の難易度が増大することからも現実的ではない。
これとは逆に、マイクロ波電力ハイ・ロー周期Ｔ１を長く、マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１を小さくすると、マイクロ波電力のハイ区間ＴＨとマイクロ波電力のロー区間ＴＬとの遷移区間で、プラズマ密度が変化する区間がマイクロ波電力ハイ・ロー周期Ｔ１に対して十分短くなる。そのためエッチング形状の精度向上が期待できない。
以上のことから、マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１は、おおむね２００ヘルツ～５０００ヘルツとし、マイクロ波電力ハイ・ローデューティー比Ｄ１は１０％から９０％とすることが望ましい。また、制御部１２３は、第一の期間から第二の期間への移行後または第二の期間から第一の期間への移行後、ＲＦバイアス電力の整合が行われるように、マッチングボックス１１５を制御して、ＲＦバイアス電力の反射電力を抑制すると好ましい。
つぎに、ＲＦバイアス周波数ＦＢ１については、マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１と同じとして問題ない。ただし、ＲＦバイアス電力の期間Ａ（オン区間ＢＯＮ）における振幅は、期間Ｂ（オフ区間ＢＯＦ）における振幅（好ましくはゼロである）よりも大きい。ＲＦバイアスの印加タイミングは、図２のグラフ２０２下側のハッチング領域で、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬに遷移し、プラズマ密度の立ち下る区間２０６までに、ＲＦバイアスが適切に（ＲＦバイアスの反射波がＲＦバイアス電力の５％以下で）印加されていることが重要である。
図２（ｄ）に示すように、ＲＦバイアスの印加を、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨ終了時から時間ＴＡだけ先行して行う。換言すれば、制御部１２３が、期間Ａの各々の第二の高周波電力が、第一の期間の一部と第二の期間の一部に供給されるように、ＲＦバイアス電源１１７を制御する。この場合の時間ＴＡを設定するにあたっては、ＲＦバイアス整合動作中やＲＦバイアスがランプ中でないこと、さらにこの区間でエッチングが進んでいることを考慮することが好ましい。
図２の例では、時間ＴＡをマイクロ波電力ハイ区間ＴＨの４０％としているが、実際にはエッチング形状の調整によって定められる。例えばエッチングレートを増やし、高密度プラズマ下でのエッチングを進めたい場合、時間ＴＡを図の例に比べて伸ばすことができる。逆に低密度プラズマ下でエッチングを進めたい、サイドエッチングが十分におさえられている場合には、ＲＦバイアスオン時間やＲＦバイアスデューティー比を伸ばして、マイクロ波電力ロー区間ＴＬでＲＦバイアスを印加することができる。
図３Ａに、上記のシーケンスで、それぞれ種類の違うガスでエッチングを行った時における、プラズマ密度の変化を示した。図３Ｂに、プラズマ密度の変化を拡大して示すとともに、ある時刻でのエッチング形状を模式的に示した。
上記エッチング条件で、マイクロ波電力（ａ）がグラフ３０１のようにマイクロ波電力ハイ区間ＴＨとマイクロ波電力ロー区間ＴＬを繰り返す際の、エッチャント用のガス種Ａ(塩素）のプラズマ密度（ｂ）をグラフ３０２、デポジション用のガス種Ｂ(ＣＨＦ３）のプラズマ密度（ｃ）をグラフ３０３に示している。
マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬに切り替わると、ただちにプラズマ密度は低下しはじめるが、図３Ｂ（ａ）に示すように、応答時間がありいくらかの時定数の遅れを伴ってプラズマ密度は低下する。その後プラズマ電力ロー区間ＴＬのプラズマロー電力に相当するプラズマ密度で、グラフ３０２，３０３は漸近安定する。
２種類のガス、特にデポジション用のガスとエッチャント用のガスを混合して使用する場合は、エッチャント用のガス種Ａ(塩素）のプラズマ密度は実線グラフ３０２のように変化し、デポジション用のガス種Ｂ(ＣＨＦ３）のプラズマ密度は点線グラフ３０３のように変化する。エッチャント用のガスとデポジション用のガスのそれぞれのプラズマ密度時定数には差があり、おおむねエッチャント用のガスによるプラズマ３０７に比べて、デポジション用のガスによるプラズマ３０８の密度の方が時定数は大きい（平衡状態になるまで時間がかかる）。
したがって図３Ｂ（ａ）に示すハッチング領域の期間３０４（時刻３０５から時刻３０６の間）、エッチャント用のガスによるプラズマよりも、デポジション用のガス種Ｂ(ＣＨＦ３）によるプラズマの方が比率でいうと多くなっている。これは、この短い期間だけデポジション用のガス種Ｂを多く供給してデポジションリッチになっていることと同様である。
したがって、この期間３０４にＲＦバイアスを印加していないと、パターンのサイドに必要以上にデポジションがついてしまい、過度にテーパ形状になるだけではなく、パターン底部にイオンが入射せず垂直方向のエッチングが進行しない。一方、この期間３０４に適切な量の(例えば５０ワットの)ＲＦバイアスを印加することで、垂直方向のエッチングを確保しつつ、サイドエッチングを完全に抑え、あるいは適切な分だけ側壁保護膜３１０を調整し、垂直なエッチング形状を得ることが可能となる。図３Ｂ（ｂ）に時刻３０５の際のプラズマエッチング状態を示し、図３Ｂ（ｂ）に時刻３０６の際のプラズマエッチング状態を示す。
これに対し、この期間３０４にエッチャント用のガスとデポジション用のガスの比率を変えて、デポジションリッチにしてエッチングを構築しても同じ効果があるともいえる。しかし、ミリ秒レベルの短い期間だけガスを変えることは現実的ではなく、また選択比や均一性など、他のエッチング性能に与える影響が非常に大きいため調整が難しくなる。
本実施形態によれば、従来のエッチングのパルスパラメータ方式である、例えばプラズマが安定するまで待ってＲＦバイアスを印加する方式や、マイクロ波電力のハイ・ロー区間の切り替わり直後から印加する方式に、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨとマイクロ波電力ロー区間ＴＬの切り替え時をまたいでＲＦバイアスを印加することを追加するのみで、サイドエッチングを抑え形状を垂直にすることができる。このため、他のエッチング性能に大きな影響を与えることがない。
［第２実施形態］
図４Ａは、図３Ａの例とは逆に、マイクロ波電力ロー区間ＴＬからマイクロ波電力ハイ区間ＴＨへの切り替え時をまたいでＲＦバイアスを印加したときの各ガスのプラズマ密度のグラフを示し、図４Ｂは、プラズマ密度の変化を拡大して示すとともに、エッチング形状を概略的に示したものである。
ここでは、第１実施形態のプラズマ処理装置１を用い、さらにエッチングガス、マイクロ波やＲＦバイアス電力、マイクロ波パルスパラメータ等も共通としている。第１実施形態と異なるのは、ＲＦバイアスディレイ時間ＴＤを1．６ミリ秒、ＲＦバイアスディレイＲＤを８０％と設定した点である。
図４Ａに示すように、マイクロ波電力ロー区間ＴＬからマイクロ波電力ハイ区間ＴＨに切り替わると、プラズマ密度は上昇し始め、やがて飽和する。
本実施形態では、エッチャント用のガス種Ａ(塩素）のプラズマ密度はグラフ３０２のように変化し、デポジション用のガス種Ｂ(ＣＨＦ３）のプラズマ密度はグラフ３０３のように変化する。図４Ｂ（ａ）のハッチング領域の期間４０１（時刻４０２から時刻４０３の間）、エッチャント用のガス種Ａ(塩素）のプラズマの方が、デポジション用のガス種Ｂのプラズマよりも、高い密度となっている。
この期間４０１にＲＦバイアスオンすることにより、多くのエッチャントである塩素イオンがＲＦバイアスで加速され、塩素イオンはパターン底部に入射する。その結果垂直なエッチングが進み、形状パターン４０３における狭い領域での抜け性能が向上する。しかしその一方、若干サイドエッチングが進むという特性もある。図４Ｂ（ｂ）に時刻４０２の際のプラズマエッチング状態を示し、図４Ｂ（ｂ）に時刻４０３の際のプラズマエッチング状態を示す。
従来のプラズマエッチングで、図１２Ａに示すようなサイドエッチング形状が得られるならば、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬへの切り替え時をまたいでＲＦバイアスを印加することにより、図１２Ｂに示すエッチング形状を得られる。
これとは逆に、従来のプラズマエッチングで、図１２Ｃに示すようにテーパのサイドエッチング形状が得られるならば、マイクロ波電力ロー区間ＴＬからマイクロ波電力ハイ区間ＴＨへの切り替え時をまたいでＲＦバイアスを印加する方式をとることが望ましい。
（第３実施形態）
図５は、マイクロ波電源から、マイクロ波のハイ電力Ｐ１、マイクロ波のロー電力Ｐ２に加えて、マイクロ波電力のオフ電力Ｐ０＝０の３ステージでのパルス発振を可能とした場合のシーケンスにおいて、マイクロ波パルスのパラメータおよび範囲を示した図である。マイクロ波電力（ａ）の変化をグラフ５０１に示し、ＲＦバイアスの変化（ｂ）をグラフ５０２に示す。この例では、マイクロ波電力は、ハイ区間ＴＨ（第一の期間）と、ロー区間ＴＬ（第二の期間）と、振幅ゼロのオフ区間(Ｔ２－Ｔ３：第三の期間)とを有する。
マイクロ波パルスのパラメータは、マイクロ波のハイ電力Ｐ１、マイクロ波電力のロー電力Ｐ２、マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１、マイクロ波電力ハイ・ローデューティー比Ｄ１（＝ＴＨ／Ｔ１）、マイクロ波電力オン・オフ周波数Ｆ２、マイクロ波電力オン・オフデューティー比Ｄ２（＝Ｔ３／Ｔ２）の６つである。
これらによってマイクロ波電力ハイ・ロー周期（Ｔ１）、マイクロ波電力オン・オフ周期（Ｔ２）が決まり、またマイクロ波電力オン時間（Ｔ３）とマイクロ波電力オン周波数（Ｆ３）が決まる。
グラフ５０１に示すマイクロ波電力は、オフの状態からオンの状態に切り替わった後、複数回ハイ電力（Ｐ１）とロー電力（Ｐ２）の出力を繰り返し、その後オフ（Ｐ０）の状態に戻る。このような出力を実施するために、マイクロ波電力オン周波数をＦ３とし、ｎを自然数としたときに、Ｆ１＞Ｆ３とし且つＦ１＝ｎ×Ｆ３と設定することが必要である。
なお、ｎが１の場合にもエッチングは可能であるが、その場合のマイクロ波電力は、Ｆ１＝１×Ｆ３＝Ｆ３であるため、マイクロ波電力のオフとハイとローの３ステージの単純繰り返しとなる。しかし、この例では第１実施形態のようにマイクロ波電力ハイ区間ＴＨとマイクロ波電力ロー区間ＴＬの切り替え時をまたいでＲＦバイアスを印加しても十分な効果は得られず、ＲＦバイアスの整合の観点から制御が難しくなるため、ｎは２以上とすることが好ましい。
図５において、グラフ５０２は、マイクロ波電力に応じたＲＦバイアスのパルスパラメータを示す。基本的には第1実施形態と同じであるが、異なるのはマイクロ波電力オン時間Ｔ３以外（すなわち第三の期間)では、ＲＦバイアスを印加しないという原則に従い、グラフ５０２の点線に示すようにＲＦバイアスの印加を行わない（ＲＦバイアスの振幅をゼロとする）点である。
マイクロ波電力オン時間Ｔ３以外でＲＦバイアスの印加を中断することにより、エッチング（レート）の面内均一性の改善という効果が得られる。上記実施形態で設定された形状制御性向上のため設定したパルスパラメータが、面内均一性に悪影響を及ぼすことはありうる。形状制御性向上と面内均一性を両立するため、マイクロ波電力の印加を、図５に示すような３ステージで行う方式とする。
本実施形態のＥＣＲ方式プラズマエッチング装置においては、印加されるマイクロ波電力の平均パワーに依存して、プラズマエッチングにより生成される反応生成物の面内分布の偏りと、プラズマ処理室内分布によってエッチングレートの分布に凹凸が生じる。これを矯正するために、マイクロ波電力オン・オフデューティー比を調整してエッチングレート分布、面内均一性を最良になるよう調整するものである。
（第4実施形態）
以下、第４実施形態について説明する。図６は、発振されるマイクロ波電力をハイ電力Ｐ１とロー電力Ｐ２の２値化したことに加えて、印加されるＲＦバイアスもハイ電力Ｐ３、ロー電力Ｐ４と２値化した状態で示す、図２と同様な図である。ここで、マイクロ波電力（ａ）のグラフは６０１、プラズマ密度（ｂ）のグラフは６０２、プラズマインピーダンス（ｃ）のグラフは６０４、ＲＦバイアス（ｄ）のグラフは６０５で示している。
ＲＦバイアスのパラメータは、ＲＦバイアスのハイ電力Ｐ３、ＲＦバイアスハイデューティー比ＲＨＤ（＝ＢＯＮ／ＴＢ）、ＲＦバイアスハイディレイＨＤＬ（基準点ＰＳＴからハイ電力Ｐ３の立ち上がりまでの時間）、ＲＦバイアスのロー電力Ｐ４、ＲＦバイアスローデューティー比ＲＬＤ（＝ＢＯＦ／ＴＢ）、ＲＦバイアスローディレイＬＤＬ（基準点ＰＳＴからロー電力Ｐ４の立ち下がりまでの時間）、の６つである。本実施形態では、ＲＦバイアスのハイ電力Ｐ３が印加される期間Ａ（オン区間ＢＯＮ）は第一の期間（ハイ区間ＴＨ）よりも長く、また第二の期間（ハイ区間ＴＬ）よりも長い。
マイクロ波電力のパラメータとして、マイクロ波のハイ電力Ｐ１を６００ワット、マイクロ波のロー電力Ｐ２を１５０ワット、ＲＦバイアスのオン電力を１００ワット、マイクロ波電力ハイ・ロー周期Ｔ１を２ミリ秒、マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１を５００ヘルツ、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨを１ミリ秒とし、ＲＦバイアスハイ・ロー周波数を５００ヘルツ、ＲＦバイアスハイデューティー比ＲＨＤを７０％、ＲＦバイアスローデューティー比ＲＬＤを３０％、ＲＦバイアスハイディレイＨＤＬを５０％、ＲＦバイアスローディレイＬＤＬを２０％としたときに印加されるＲＦバイアスの変化は、グラフ６０４のようになる。
ＲＦバイアスのパラメータの制限は特にない。ただし、マイクロ波電力のパルスパラメータと同じように、ＲＦバイアスもハイ区間とロー区間を繰り返す場合、つまりＲＦバイアスの１サイクル内にＲＦバイアスオフがない場合には、“ＲＦバイアスハイデューティー比ＲＨＤ“と”ＲＦバイアスローデューティー比ＲＬＤ“の和が１００％になっていなければならず、ＲＦバイアス各デューティー比とＲＦバイアス各デュレイが適切なパーセンテージになっていなければならない。
図６に示す例では、ＲＦバイアスハイディレイＨＤＬが５０％であり、ＲＦバイアスハイデューティー比ＲＨＤが７０％であるから、その和は１２０％となり、さらにＲＦバイアスローディレイＬＤＬが２０％であり、ＲＦバイアスローデューティー比ＲＬＤの３０％を加算すると、元のＲＦハイディレイとなる。
ここで、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬへの切り替えと、マイクロ波電力ロー区間ＴＬからマイクロ波電力ハイ区間ＴＨへの切り替えのいずれも、ＲＦバイアスハイ電力のオン区間内で行っている。この効果の一つは、上記実施形態を使ってサイドとテーパのエッチング形状のバランスをとることができることにあり、もう一つの効果は、詳細を後述するが、図９に示すようにＶｐｐの変動をできるだけ抑制することができることにある。
（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。図７は、図６と同様な図である。図７において、第４実施形態と同じＲＦバイアスの６つのパラメータを用いて、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬへの切り替えのタイミングでＲＦバイアスのハイ電力Ｐ３を印加し、同時にマイクロ波電力ロー区間ＴＬからマイクロ波電力ハイ区間ＴＨへの切り替えタイミングで、ＲＦバイアスのロー電力Ｐ４を印加している。このとき供給されるＲＦバイアスの変化をグラフ７０４で示す。ここでは簡略化して、ＲＦバイアスのハイ電力Ｐ３とＲＦバイアスのロー電力Ｐ４の大きさを同じとしている。すなわち、ＲＦバイアスは、ゼロとＰ３との間でパルス状に繰り返し変化する。
ここでは、マイクロ波電力のパラメータとして、マイクロ波のハイ電力Ｐ１を６００ワット、マイクロ波のロー電力Ｐ２を１５０ワット、ＲＦバイアスのオン電力Ｐ３を１００ワット、マイクロ波電力ハイ・ロー周期Ｔ１を２ミリ秒、マイクロ波電力ハイ・ロー周波数Ｆ１を５００ヘルツ、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨを１ミリ秒とし、ＲＦバイアスハイデューティー比ＲＨＤを３０％、ＲＦバイアスローデューティー比ＲＬＤを３５％、ＲＦバイアスハイディレイＨＤＬを３５％、ＲＦバイアスローディレイＬＤＬを９０％としている。
この場合、“ＲＦバイアスハイデューティー比“と”ＲＦバイアスローデューティー比“の和が１００％という制限はない。
本実施形態では、プラズマ密度が増加、減少しているタイミングのみ選択してＲＦバイアスを印加する方式である。本実施形態は、極端なエッチング制御、例えば、パターンの側壁には完全にデポジション膜を形成したいが、パターンの底部のエッチングを確実に進めたい場合、あるいはエッチング面内分布の均一性よりも、デポジションとエッチングを短時間で繰り返すサイクルエッチングを進めたい場合等に使用すると好ましい。
（比較例）
比較例について説明する。図８Ａ，８Ｂは、図７と同様な図であるが、Ｖｐｐを（ｅ）に追加している。上述した実施形態と同様に、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨとマイクロ波電力ロー区間ＴＬとがパルス状に交互に繰り返されるようにマイクロ波電力を供給する方式であるが、第1比較例として示す図８Ａにおいては、グラフ８０１で示すようにＲＦバイアスが連続波（一定）である。この時の試料台上における電圧のＶｐｐの変化を、グラフ８０２により示している。
一方、第２比較例として示す図８Ｂにおいては、グラフ８０３で示すようにマイクロ波電力ハイ区間ＴＨの開始と同時にＲＦバイアスのハイ電力を印加し、マイクロ波電力ロー区間ＴＬの開始と同時にＲＦバイアスのロー電力を印加する。この時の試料台上における電圧のＶｐｐの変化を、グラフ８０４により示している。
グラフ８０１に示すように、連続波のＲＦバイアスを印加すると、プラズマインピーダンスの増減に対応してＶｐｐが増減する。連続波のＲＦバイアスでは、ＲＦバイアス整合も任意タイミング(逐次に)おこなわれるので、反射波もプラズマインピーダンスの増減に応じて発生するため、Ｖｐｐの変動はグラフ８０２よりもさらに大きく変動するおそれがある。
次に、図８Ｂに示すように、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨの開始と同時にＲＦバイアスのハイ電力を印加し、マイクロ波電力ロー区間ＴＬの開始と同時にＲＦバイアスのロー電力を印加する方式では、プラズマ密度及びプラズマインピーダンスの増減に対して、ＲＦバイアスはグラフ８０３に示すように変化するので、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨの後半における、ＲＦバイアスのハイ区間のＶｐｐと、マイクロ波電力ロー区間ＴＬの後半における、ＲＦバイアスのロー区間のＶｐｐはほぼ等しくなっている。
しかし、マイクロ波電力ロー区間ＴＬに切り替わった瞬間に、ＲＦバイアスの大きさを変化させることは、ＲＦバイアスの反射波とＶｐｐの変動にとってかなりの影響が生じる。影響の一つは、ＲＦバイアスの変動と整合動作の競合により、整合ポイントを見つけられない、あるいは整合と逆の方向の動作になってしまうことがあり、それにより通常の整合完了時間より余分に時間がかかることがある。その結果、試料台に適切にＲＦバイアス、Ｖｐｐが印加されない恐れがあるということである。したがって、マイクロ波電力のハイ・ロー切り替えにまたがって、ＲＦバイアスを印加することが好ましい。
（第６実施形態）
第６実施形態について説明する。図９は、図８Ｂと同様な図であり、マイクロ波電力、ＲＦバイアスと、Ｖｐｐとの関係を示すシーケンスを示した図である。マイクロ波電力（ａ）のグラフは９０１、プラズマ密度（ｂ）のグラフは９０２、プラズマインピーダンス（ｃ）のグラフは９０３、ＲＦバイアス（ｄ）のグラフは９０４、Ｖｐｐ（ｅ）のグラフは９０５で示している。
グラフ９０４に示すように、ＲＦバイアスは、マイクロ波電力ロー区間ＴＬからマイクロ波電力ハイ区間ＴＨに切り替える前にロー電力からハイ電力に変更され、またマイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬに切り替わった後に、ハイ電力からロー電力に変更されている。
ＲＦバイアスの増加によりＶｐｐは大きくなるが、プラズマ密度は既に安定しており、反射波はほとんど現れない。その後、マイクロ波電力ロー区間ＴＬからマイクロ波電力ハイ区間ＴＨに切り替わると、プラズマ密度が上昇し、逆にプラズマインピーダンスは減少する。よってＶｐｐが低下し、プラズマインピーダンスが安定するとともにＶｐｐも安定することになる。
次に、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬに切り替わると、インピーダンスの上昇に伴いＶｐｐも上昇するが、上昇途中にＲＦバイアスがロー電力に切り替わるため、Ｖｐｐは低下に転ずる。ＲＦバイアスの整合態様によって若干変化するが、Ｖｐｐの変動はグラフ９０５に示すようになる。具体的には、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨ・マイクロ波電力ロー区間ＴＬの切り替えごとに、若干Ｖｐｐは増加、減少の挙動を示すが、Ｖｐｐの変化の方向は同じであり、Ｖｐｐの変動幅は、図8Ａ、図8Ｂの方式と比較し非常に小さいものとなる。
Ｖｐｐの変動幅が大きい状態でエッチングを進めると、以下のような問題が発生する。問題の一つはエッチング処理の再現性、安定性に関わる。具体的には、マイクロ波電力とＲＦバイアスの印加タイミングの差で、Ｖｐｐが大きく変動することでエッチング性能差を招来し、ひいては機差の要因となる。
もう一つの問題は、エッチング形状の平坦度、ラフネスに関わる。ＲＦバイアスのＶｐｐを大きく変動させながらエッチングを進めると、パターン側壁やパターン底面へのイオン入射が時間軸に沿ってバラつき、パターン荒れや、場合によってはスカロッピング（段付き）のようなエッチング形状不良が発生することはあり、エッチング処理されたウエハより形成された素子の電気性能を悪化させるおそれがある。本実施形態によれば、かかる不具合を抑制できる。
（第７実施形態）
第７実施形態について説明する。図１０は、図２と同様な図であるが、（ｅ）にＲＦバイアス反射波の変化を示し、（ｆ）にＶｐｐの変化を示している。図１０を参照して、マッチングボックス１１５において行われるＲＦバイアスの整合方法について説明する。
本実施形態では、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬに移行する前から、すでにＲＦバイアスは印加されている。
しかし、ＲＦバイアスを開始した直後の区間は、ＲＦバイアスの設定で整合有効期間には入っておらず、その結果ＲＦバイアスの整合動作は行われない。マイクロ波電力のハイ電力の印加に応じてプラズマ密度は飽和(安定)領域に近づくが、グラフ１００４で示すようにＲＦバイアスの反射波が多少生じてしまう。グラフ１００５は、試料台にかかる４００ＫＨｚのＲＦバイアスの実効的なＶｐｐの変化を示す。ＲＦバイアスの印加を開始した直後の区間は、プラズマ密度が最も高いため、グラフ１００１で示すようにプラズマインピーダンスは最も低く、ＲＦバイアスのＶｐｐは小さい。ＲＦバイアスの反射波とＲＦバイアス電力のランプを考慮すると、Ｖｐｐが徐々に上がってちょうど安定した領域でマイクロ波電力ハイ区間ＴＨが終了する。
その後、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬに切り替わるが，ＲＦバイアスの印加は維持される。この切り替え直後に、プラズマ密度は低下しグラフ１００１で示すようにプラズマインピーダンスが大きくなると、Ｖｐｐはそれに伴って上昇する。この上昇中のインピーダンスに対して、ＲＦバイアスの整合をとるように設定する。
グラフ１００１で示すようにプラズマインピーダンスは急に上昇するため、完全に反射波をゼロにすることは難しいが、それでも図１０にハッチングで示す整合領域の中心区間（整合ポイントという）ではもっともＲＦバイアスの反射波が小さくなり、Ｖｐｐは最も大きくなる。
その後は、グラフ１００１で示すようにプラズマインピーダンスの上昇速度はゆるみ、ＲＦバイアスの整合がなくても反射波は無視できる程度に小さくなり、Ｖｐｐは低下しない。
以上の動作を、マイクロ波電力ハイ・ロー周期Ｔ１で周期的に繰り返して行うが、上記に得られた整合ポイントをホールドする（動かさない）ことでも、ほぼ同じ整合結果がえられる。
さらに好ましくは、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨからマイクロ波電力ロー区間ＴＬの切り替え直後の平均プラズマインピーダンスを算出して、これに対して整合をとる方式を採用することもできる。
上記実施形態と同様に、基本的には、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨ、マイクロ波電力ロー区間ＴＬに先行する区間で、すでにＲＦバイアスを印加した状態とし、マイクロ波電力ハイ区間ＴＨ、マイクロ波電力ロー区間ＴＬの切り替え直後のプラズマインピーダンスの平均値を、ＲＦバイアスの整合ポイントとし、プラズマ密度が変化するタイミングをねらってＲＦバイアスを印加することが好ましい。
（第８実施形態）
第８実施形態について説明する。図１１Ａは、２セットのマイクロ波電源装置と、２セットのＲＦバイアス電源装置を有するプラズマ処理装置の概略断面図である。図１１Ｂは、本実施形態で用いられるマイクロ波電力の変化を示す図であり、図１１Ｃは、本実施形態で用いられるＲＦバイアスの変化を示す図である。
第１のマイクロ波電源装置は、内周部マイクロ波電源１１０１、内周導波管１１１３、内周空洞共振器１１１５とを有し、第２のマイクロ波電源装置は、外周部マイクロ波電源１１０２、外周導波管１１１４、外周空洞共振器１１１６とを有する。内周部マイクロ波パルスユニット１１０３は、内周部マイクロ波電源１１０１の出力を制御し、外周部マイクロ波パルスユニット１１０４は、外周部マイクロ波電源１１０２の出力をそれぞれ制御する。
２つのＲＦバイアス電源装置は、内周部ＲＦバイアス電源１１０５と外周部ＲＦバイアス電源１１０６であり、それぞれ電極内周部導電性膜１１１７と電極外周部導電性膜１１１８にマッチングボックスを介して接続されている。
内周部ＲＦバイアスパルスユニット１１０７は、内周部ＲＦバイアス電源１１０５の出力を制御し、外周部ＲＦバイアスパルスユニット１１０８は、外周部ＲＦバイアス電源１１０６の出力を制御する。
２つのマイクロ波電源は、マイクロ波電力をパルス状に（オン・オフ繰り返すようパルス変調して）発振し、または連続波で(パルス変調しないで)発振できるようになっており、２つのＲＦバイアス電源もＲＦバイアスをパルス状に（オン・オフ繰り返すようパルス変調して）印加し、または連続波で(パルス変調しないで)印加できるようになっている。
図１１Ａのグラフ１１０９に示すように、一方のマイクロ波電源からマイクロ波電力をオン・オフ繰り返して発振し、他方のマイクロ波電源から連続波を発振する。これにより処理室内に印加されるマイクロ波電力の和により、図１１Ｂのグラフ１１１１に示すように、マイクロ波電力のハイ・ロー・オフとなる３ステージの発振方式を実現でき、図５(ａ)に示すようなマイクロ波電力を実現できる。
さらに、２つのＲＦバイアス電源についても、図１１Ａのグラフ１１１０に示すように、マイクロ波電力と同様に一方のＲＦバイアスの印加を、ＲＦバイアスのオン電力・オフ電力と２値化して印加し、他方のＲＦバイアスを連続波として印加すると、試料台に印加されるＲＦバイアスの総量は、図１１Ｃのグラフ１１１２に示すように変化し、ＲＦバイアスのハイ電力・ロー電力・電力オフという３ステージの印加方式を実現できる。
ＲＦバイアスの整合については、ＲＦバイアスのオン・オフのパルス側の整合を調整することが重要であって、マイクロ波電源の電力オンから電力オフへの切り替えの直後の区間だけ、整合有効区間とすることが望ましい。
さらに、以上に対し、各マイクロ波電源が、マイクロ波電力のハイ・ロー・オフの３ステージを可とした場合、これを組み合わせて例えば５ステージのマイクロ波電力を発振できる。ＲＦバイアス電源も同様で複数のＲＦバイアスのハイ・ロー・オフの組み合わせで５ステージのＲＦバイアスを印加することができる。
ＲＦバイアスのオン電力の印加タイミングが複雑化する懸念があるが、基本的にマイクロ波電力オフ区間には、すべてのＲＦバイアスは印加しないという原則に従えば、以上の実施形態をさらに高精度化して、さらなるエッチング形状制御性の向上が可能となる。
本実施形態では、すべてのＲＦバイアス電源は同じ発振周波数（４００キロヘルツ）としたが、２つのＲＦバイアス電源の周波数が異なっていても（例としては４００キロヘルツと２メガヘルツ）同様な効果がある。複数のＲＦバイアスの異なる周波数を持つバイアスの印加で、面内均一性の向上が期待できる。
各マイクロ波電源の発振周波数も異なって(例としては２．４５ギガヘルツと９１５メガヘルツ)いてよい。かかる場合、内周部マイクロ波電源からのマイクロ波と、外周部マイクロ波電源からのマイクロ波の分離や干渉が抑制でき、ＲＦバイアス同様に面内均一性の制御性が向上することが期待できる。
以上の実施形態はＥＣＲ型のプラズマエッチング装置で説明したが、容量結合型プラズマや誘導結合型プラズマ等のプラズマの生成方式に対応するプラズマエッチング装置等においても同様に適用可能である。以上の実施形態の一つを、他の実施形態と組み合わせてもよい。
１…プラズマ処理装置、１０１…真空容器、１０２…シャワープレート、１０３…石英天板、１０４…空洞共振部、１０５…導波管、１０６…マイクロ波電源、１０７…チューナー、１０８…マイクロ波パルスユニット、１０９…磁場発生コイル、１１０…試料台、１１１…ウエハ、１１２…誘電体膜、１１３、１１４…導電体膜、１１５…マッチングボックス、１１７…ＲＦバイアス電源、１１８…ＲＦバイアスパルスユニット、１１９…真空排気装置、１２０…ガス供給装置、１２１…プラズマ、１２２…処理室、１２３…制御部、１１０１…内周部マイクロ波電源、１１０２…外周部マイクロ波電源、１１０３…内周部マイクロ波パルスユニット、１１０５…内周部ＲＦバイアス電源、１１０６…外周部ＲＦバイアス電源、１１０７…内周部ＲＦバイアスパルスユニット、１１０８…外周部ＲＦバイアスパルスユニット

Claims (10)

  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第一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、前記試料台に第二の高周波電力を供給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、
    前記第一の高周波電力が第一の期間と前記第一の期間に隣接する第二の期間と振幅が０である第三の期間を有する第一の波形により変調されるとともに前記第二の高周波電力が期間Ａと期間Ｂを有する第二の波形により変調される場合、前記期間Ａの各々の前記第二の高周波電力が前記第一の期間と前記第二の期間に供給されるように前記第二の高周波電源を制御する制御装置をさらに備え、
    前記第二の期間の振幅は、前記第一の期間の振幅より小さく、かつ０より大きく、
    前記期間Ａの振幅は、前記期間Ｂの振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 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第一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、前記試料台に第二の高周波電力を供給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、
    前記第一の高周波電力が第一の期間と前記第一の期間に隣接する第二の期間を有する第一の波形により変調されるとともに前記第二の高周波電力が期間Ａと期間Ｂを有する第二の波形により変調される場合、前記期間Ａの各々の前記第二の高周波電力が前記第一の期間と前記第二の期間に供給されるように前記第二の高周波電源を制御する制御装置をさらに備え、
    前記第一の高周波電源は、パルス変調されていない高周波電力を供給する高周波電源とパルス変調された高周波電力を供給する高周波電源を具備し、
    前記第二の期間の振幅は、前記第一の期間の振幅より小さく、かつ０より大きく、
    前記期間Ａの振幅は、前記期間Ｂの振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 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第一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、前記試料台に第二の高周波電力を供給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、
    前記第一の高周波電力が第一の期間と前記第一の期間に隣接する第二の期間を有する第一の波形により変調されるとともに前記第二の高周波電力が期間Ａと期間Ｂを有する第二の波形により変調される場合、前記期間Ａの各々の前記第二の高周波電力が前記第一の期間と前記第二の期間に供給されるように前記第二の高周波電源を制御する制御装置をさらに備え、
    前記第二の高周波電源は、パルス変調されていない高周波電力を供給する高周波電源とパルス変調された高周波電力を供給する高周波電源を具備し、
    前記第二の期間の振幅は、前記第一の期間の振幅より小さく、かつ０より大きく、
    前記期間Ａの振幅は、前記期間Ｂの振幅より大きい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、
    前記制御装置は、前記期間Ａの各々の前記第二の高周波電力が前記第一の期間の一部と前記第二の期間の一部に供給されるように前記第二の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。
  5. 請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
    前記期間Ｂの振幅は０であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  6. 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、
    前記期間Ａは、前記第一の期間より長い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、
    前記期間Ｂの振幅は０であることを特徴とするプラズマ処理装置。
  8. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記制御装置は、前記第二の高周波電力が前記第三の期間に供給されないように前記第二の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。
  9. 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、
    前記第二の高周波電力の反射電力を抑制する整合器をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第一の期間から前記第二の期間への移行後または前記第二の期間から前記第一の期間への移行後、前記第二の高周波電力の整合が行われるように前記整合器を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
  10. 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、
    前記期間Ａは、前記第二の期間より長いことを特徴とするプラズマ処理装置。
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