JP7479255B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本開示は、プラズマ処理装置に関する。

例えば、特許文献１は、２つの高周波電源を有し、チャンバ上部のアンテナ及び下部電極（サセプタ）に２周波の高周波電力を供給するＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）装置を提案する。２つの高周波電源のうち、一方の高周波電源から下部電極に、例えば１３ＭＨｚの周波数のバイアス用の高周波電力が供給される。チャンバの上方にはアンテナが設けられ、他方の高周波電源からアンテナの外側コイルを構成する線路の中点またはその近傍に、例えば２７ＭＨｚのプラズマ励起用の高周波電力が供給される。

特開２０１９－６７５０３号公報

本開示は、複数の高周波（ＲＦ；Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力パルス信号を用いてプロセスの性能を向上させることができる技術を提供する。

本開示の一の態様によれば、チャンバに結合された第１整合回路及び第２整合回路と、第１整合回路に結合され、複数のパルスサイクルを含む第１ＲＦパルス信号を生成するように構成された第１ＲＦ生成部であり、複数のパルスサイクルの各々は、第１期間、第２期間及び第３期間を含み、第１ＲＦパルス信号は、第１期間に第１パワーレベル、第２期間に第２パワーレベル及び第３期間に第３パワーレベルを有し、第１期間は、３０μｓ以下である、第１ＲＦ生成部と、第２整合回路に結合され、複数のパルスサイクルを含む第２ＲＦパルス信号を生成するように構成された第２ＲＦ生成部であり、第２ＲＦパルス信号の周波数は、第１ＲＦパルス信号の周波数よりも低く、第２ＲＦパルス信号は、第１期間に第４パワーレベル、及び第２期間及び第３期間のうち少なくとも１つに第５パワーレベルを有する、第２ＲＦ生成部と、第２整合回路に結合され、複数のパルスサイクルを含む第３ＲＦパルス信号を生成するように構成された第３ＲＦ生成部であり、第３ＲＦパルス信号の周波数は、第２ＲＦパルス信号の周波数よりも低く、第３ＲＦパルス信号は、第２期間に第６パワーレベル、及び第１期間及び第３期間のうち少なくとも１つに第７パワーレベルを有する、第３ＲＦ生成部と、を有するプラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、複数の高周波電力パルス信号を用いてプロセスの性能を向上させることができる。

実施形態に係るプラズマ処理システムの一例を示す断面模式図。 実施形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す図。 実施形態に係る２つのバイアスＲＦパルス信号の整合回路の一例を示す図。 ラジカル、イオン、電子温度、イオンエネルギー、副生成物の一例を示す図。 実施形態に係る２周波の高周波電力パルスのパルスパターンを示す図。 実施形態に係る３周波の高周波電力パルスのパルスパターンを示す図。

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［プラズマ処理システム］
初めに、図１及び図２を参照しながら、実施形態に係るプラズマ処理システムについて説明する。図１は、実施形態に係るプラズマ処理システムの一例を示す断面模式図である。図２は、実施形態に係るプラズマ処理装置１の一例を示す図である。

実施形態において、プラズマ処理システムは、プラズマ処理装置１及び制御部２を含む。プラズマ処理装置１は、３つの高周波電力パルス（３つのＲＦパルス信号）をチャンバ１０内に供給することによりチャンバ１０内の処理ガスからプラズマを生成するように構成されている。プラズマ処理装置１は、２つの高周波電力パルス（２つのＲＦパルス信号）をチャンバ１０内に供給することによりチャンバ１０内の処理ガスからプラズマを生成するように構成されてもよい。そして、プラズマ処理装置１は、生成されたプラズマを基板に曝すことにより基板を処理する。

プラズマ処理装置１は、チャンバ１０、基板支持部１１及びプラズマ生成部を含む。チャンバ１０は、プラズマ処理空間１０ｓを規定する。また、チャンバ１０は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するためのガス入口１０ａと、プラズマ処理空間からガスを排出するためのガス出口１０ｂとを有する。ガス入口１０ａは、少なくとも１つのガス供給部２０に接続される。

ガス出口１０ｂは、例えばチャンバ１０の底部に設けられた排気口であり、排気システム４０に接続される。排気システム４０は、圧力弁及び真空ポンプを含んでもよい。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、粗引きポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。

基板支持部１１は、プラズマ処理空間１０ｓ内に配置され、基板Ｗを支持する。プラズマ生成部は、プラズマ処理空間１０ｓ内に供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマを生成するように構成される。プラズマ処理空間１０ｓにおいて形成されるプラズマは、容量結合プラズマ（ＣＣＰ；Capacitively Coupled Plasma）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ；Inductively Coupled Plasma）であってもよい。

制御部２は、本開示において述べられる種々の工程をプラズマ処理装置１に実行させるコンピュータ実行可能な命令を処理する。制御部２は、ここで述べられる種々の工程を実行するようにプラズマ処理装置１の各要素を制御するように構成され得る。実施形態において、図１に示すように、制御部２の一部又は全てがプラズマ処理装置１に含まれてもよい。制御部２は、例えばコンピュータ２１を含んでもよい。コンピュータ２１は、例えば、処理部（ＣＰＵ：Central Processing Unit）２１ａ、記憶部２１ｂ、及び通信インターフェース２１ｃを含んでもよい。処理部２１ａは、記憶部２１ｂに格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。記憶部２１ｂは、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。通信インターフェース２１ｃは、ＬＡＮ（Local Area Network）等の通信回線を介してプラズマ処理装置１との間で通信してもよい。

以下に、図２の誘導結合プラズマ処理装置を一例として、プラズマ処理装置１の構成例について更に説明する。プラズマ処理装置１は、チャンバ１０を含む。チャンバ１０は、誘電体窓１０ｃ及び側壁１０ｄを含む。誘電体窓１０ｃ及び側壁１０ｄは、チャンバ１０内のプラズマ処理空間１０ｓを規定する。また、プラズマ処理装置１は、基板支持部１１、ガス導入部１３、ガス供給部２０、電力供給部及びアンテナ１４を含む。

基板支持部１１は、チャンバ１０内のプラズマ処理空間１０ｓに配置される。アンテナ１４は、チャンバ１０（誘電体窓１０ｃ）の上部又は上方に配置される。

基板支持部１１は、本体部及び環状部材（エッジリング）１２を含む。本体部は、基板（ウェハ）Ｗを支持するための中央領域（基板支持面）１１ａと、環状部材１２を支持するための環状領域（エッジリング支持面）１１ｂと、を有する。本体部の環状領域１１ｂは、本体部の中央領域１１ａを囲んでいる。基板Ｗは、本体部の中央領域１１ａ上に配置され、環状部材１２は、本体部の中央領域１１ａ上の基板Ｗを囲むように本体部の環状領域１１ｂ上に配置される。実施形態において、本体部は、静電チャック１１１及び導電部材１１２を含む。静電チャック１１１は、導電部材１１２の上に配置される。導電部材１１２は、ＲＦ電極として機能し、静電チャック１１１の上面は、基板支持面１１ａとして機能する。また、図示は省略するが、実施形態において、基板支持部１１は、静電チャック１１１及び基板Ｗのうち少なくとも１つをターゲット温度に調節するように構成される温調モジュールを含んでもよい。温調モジュールは、ヒータ、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、冷媒、伝熱ガスのような温調流体が流れる。なお、チャンバ１０、基板支持部１１、及び環状部材１２は、軸Ｚを中心軸として軸Ｚが一致するように配置される。

ガス導入部１３は、ガス供給部２０からの少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するように構成される。実施形態において、ガス導入部１３は、基板支持部１１の上方に配置され、誘電体窓１０ｃに形成された中央開口部に取り付けられる。

ガス供給部２０は、少なくとも１つのガスソース２３及び少なくとも１つの流量制御器２２を含んでもよい。実施形態において、ガス供給部２０は、１又はそれ以上の処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２３からそれぞれに対応の流量制御器２２を介してガス導入部１３に供給するように構成される。各流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器を含んでもよい。さらに、ガス供給部２０は、１又はそれ以上の処理ガスの流量を変調又はパルス化する１又はそれ以上の流量変調デバイスを含んでもよい。

電力供給部は、チャンバ１０に結合されるＲＦ電力供給部３１を含む。ＲＦ電力供給部３１は、３つのＲＦ信号（ＲＦ電力）を、基板支持部１１の導電部材１１２又はアンテナ１４に供給するように構成される。これにより、プラズマ処理空間１０ｓに供給された少なくとも１つの処理ガスからプラズマが形成される。なお、プラズマ生成部は、プラズマ処理空間１０ｓ内に少なくとも１つの処理ガスを供給するガス供給部２０と、ＲＦ電力供給部３１とを含み、処理ガスからプラズマを生成するように構成されてもよい。

アンテナ１４は、１又は複数のコイルを含む。実施形態において、アンテナ１４は、同軸上に配置された外側コイル及び内側コイルを含んでもよい。この場合、ＲＦ電力供給部３１は、外側コイル及び内側コイルの双方に接続されてもよく、外側コイル及び内側コイルのうちいずれか一方に接続されてもよい。前者の場合、同一のＲＦ生成部が外側コイル及び内側コイルの双方に接続されてもよく、別個のＲＦ生成部が外側コイル及び内側コイルに別々に接続されてもよい。

実施形態において、ＲＦ電力供給部３１は、ソースＲＦ生成部３１ａ、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂ及び第２バイアスＲＦ生成部３１ｃを含む。ソースＲＦ生成部３１ａは、アンテナ１４に結合され、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂ及び第２バイアスＲＦ生成部３１ｃは、導電部材１１２に結合される。ソースＲＦ生成部３１ａは、第１整合回路３３を介してアンテナ１４に接続され、プラズマ生成用の第１ＲＦパルス信号（以下、ＨＦ電力ともいう。）を生成するように構成される。実施形態において、第１ＲＦパルス信号は、２０ＭＨｚ～６０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。生成された第１ＲＦパルス信号は、アンテナ１４に供給される。第１ＲＦパルス信号は、複数のパルスサイクルを含み、複数のパルスサイクルの各々は、第１期間、第２期間及び第３期間を含む。第１ＲＦパルス信号は、第１期間に第１パワーレベル、第２期間に第２パワーレベル及び第３期間に第３パワーレベルを有し、第１期間は、３０μｓ以下である。第１ＲＦパルス信号は、少なくとも３つのパワーレベルを有し、各パワーレベルは、０以上である。従って、第１ＲＦパルス信号は、Ｈｉｇｈ／Ｍｉｄｄｌｅ／Ｌｏｗパワーレベルを有してもよく、これらは０よりも大きい。また、第１ＲＦパルス信号は、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗパワーレベル及びゼロパワーレベル（Ｏｆｆ）を有してもよい。ソースＲＦ生成部３１ａは、第１整合回路３３に結合され、複数のパルスサイクルを含む第１ＲＦパルス信号を生成するように構成された第１ＲＦ生成部の一例である。

また、第１バイアスＲＦ生成部は、第２整合回路３４及び給電ライン３７を介して基板支持部１１の導電部材１１２に接続され、第２ＲＦパルス信号（以下、ＬＦ１電力ともいう。）を生成するように構成される。生成された第２ＲＦパルス信号は、基板支持部１１の導電部材１１２に供給される。実施形態において、第２ＲＦパルス信号は、第１ＲＦパルス信号よりも低い周波数を有する。実施形態において、第２ＲＦパルス信号は、１ＭＨｚ～１５ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。第２ＲＦパルス信号は、第１期間に第４パワーレベル、及び前記第２期間及び前記第３期間のうち少なくとも１つに第５パワーレベルを有する。従って、第２ＲＦパルス信号は、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗパワーレベルを有してもよく、これらは０よりも大きい。また、第２ＲＦパルス信号は、０よりも大きいパワーレベル及びゼロパワーレベル、すなわちオン／オフ信号を有してもよい。第１バイアスＲＦ生成部は、第２整合回路３４に結合され、複数のパルスサイクルを含む第２ＲＦパルス信号を生成するように構成された第２ＲＦ生成部の一例である。

また、第２バイアスＲＦ生成部は、第２整合回路３４及び給電ライン３７を介して基板支持部１１の導電部材１１２に接続され、第３ＲＦパルス信号（以下、ＬＦ２電力ともいう。）を生成するように構成される。生成された第３ＲＦパルス信号は、基板支持部１１の導電部材１１２に供給される。実施形態において、第３ＲＦパルス信号は、第２ＲＦパルス信号よりも低い周波数を有する。実施形態において、第３ＲＦパルス信号は、１００ｋＨｚ～４ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。第３ＲＦパルス信号は、第２期間に第６パワーレベル、及び第１期間及び第３期間のうち少なくとも１つに第７パワーレベルを有する、第３ＲＦパルス信号は、少なくとも２つのパワーレベルを有し、各パワーレベルは、０以上である。従って、第３ＲＦパルス信号は、Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗパワーレベルを有してもよく、これらは０よりも大きい。また、第３ＲＦパルス信号は、０よりも大きいパワーレベル及びゼロパワーレベル、すなわちオン／オフ信号を有してもよい。第２バイアスＲＦ生成部は、第２整合回路３４に結合され、複数のパルスサイクルを含む第３ＲＦパルス信号を生成するように構成された第３ＲＦ生成部の一例である。

このように、第１ＲＦパルス信号、第２ＲＦパルス信号及び第３ＲＦパルス信号はパルス化される。第２ＲＦパルス信号及び第３ＲＦパルス信号はオン状態とオフ状態との間、或いは２以上の異なるオン状態（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ）の間でパルス化される。第１ＲＦパルス信号は２以上の異なるオン状態（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ）とオフ状態との間、或いは３以上の異なるオン状態（Ｈｉｇｈ／Ｍｉｄｄｌｅ／Ｌｏｗ）の間でパルス化される。第１ＲＦパルス信号は、オン状態とオフ状態との間、或いは２つの異なるオン状態（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ）の間でパルス化されてもよい。

第１整合回路３３は、ソースＲＦ生成部３１ａ及びアンテナ１４に接続され、アンテナ１４を介してチャンバ１０に接続される。第１整合回路３３は、第１ＲＦパルス信号がソースＲＦ生成部３１ａから第１整合回路３３を介してアンテナ１４に供給されるのを可能にする。なお、第１整合回路３３は、他のプラズマ処理装置においては、アンテナ１４以外の構成に接続されてもよい。例えば、２つの対向する電極を含む容量結合プラズマ処理装置においては、第１整合回路３３は、２つの電極のうち一方に接続されてもよい。

第２整合回路３４は、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂ、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃ及び基板支持部１１（導電部材１１２）に接続される。第２整合回路３４は、第２ＲＦパルス信号が第１バイアスＲＦ生成部３１ｂから第２整合回路３４を介して基板支持部１１に供給されるのを可能にする。また、第２整合回路３４は、第３ＲＦパルス信号が第２バイアスＲＦ生成部３１ｃから第２整合回路３４を介して基板支持部１１に供給されるのを可能にする。

制御部２は、ソースＲＦ生成部３１ａ、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂ及び第２バイアスＲＦ生成部３１ｃのそれぞれに各パルス信号の供給を指示する制御信号を出力する。これにより、予め定められたタイミングに複数のパルスサイクルを含む第１ＲＦパルス信号、第２ＲＦパルス信号、及び第３ＲＦパルス信号が供給され、チャンバ１０内の処理ガスからプラズマが生成される。そして、生成されたプラズマを基板に曝すことにより基板処理が行われる。これにより、プロセスの効能を向上させ、高精度の基板処理を可能にする。制御部２による第１ＲＦパルス信号、第２ＲＦパルス信号、及び第３ＲＦパルス信号のオン・オフ状態又は０以上のパワーレベルの制御タイミングについては後述する。

[第２整合回路の内部構成の一例]
次に、第２整合回路３４の構成の一例について、図３を参照しながら説明する。図３は、実施形態に係る第２整合回路３４の内部構成の一例を示す図である。

第１バイアスＲＦ生成部３１ｂ及び第２バイアスＲＦ生成部３１ｃは、第２整合回路３４及び給電ライン３７を介して、基板支持部１１（導電部材１１２）に接続される。第１バイアスＲＦ生成部３１ｂから供給される第２ＲＦパルス信号を、以下の説明ではＬＦ１電力（ＬＦ１ Ｐｏｗｅｒ）とも表記する。また、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃから供給される第３ＲＦパルス信号を、以下の説明ではＬＦ２電力（ＬＦ２ Ｐｏｗｅｒ）とも表記する。

第１バイアスＲＦ生成部３１ｂから供給される第２ＲＦパルス信号（ＬＦ１電力）が第２整合回路３４内の給電ライン３６を介して反対側（第２バイアスＲＦ生成部３１ｃ側）に結合すると、チャンバ１０へ供給されるＬＦ１電力の供給効率が低下する。同様に、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃから供給される第３ＲＦパルス信号（ＬＦ２電力）が給電ライン３６を介して反対側（第１バイアスＲＦ生成部３１ｂ側）に結合すると、チャンバ１０へ供給されるＬＦ２電力の供給効率が低下する。そうすると、チャンバ１０へのバイアス電力の供給が低下するために、イオンエネルギーの制御等が難しくなり、プロセスの性能が悪化する。

そこで、本実施形態に係る第２整合回路３４は、第１調整回路３４ｂ１、第１分離回路３４ｂ２、第２調整回路３４ｃ１、第２分離回路３４ｃ２を有する。第１調整回路３４ｂ１及び第１分離回路３４ｂ２は、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂと給電ライン３７との間に接続される。第２調整回路３４ｃ１及び第２分離回路３４ｃ２は、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃと給電ライン３７との間に接続される。係る構成により、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂにおいて生成された第２ＲＦパルス信号（ＬＦ１電力）が、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃへの結合を抑制しつつ、基板支持部１１（導電部材１１２）に供給される。また、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃにおいて生成された第３ＲＦパルス信号（ＬＦ２電力）が、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂへの結合を抑制しつつ、基板支持部１１（導電部材１１２）に供給される。

第１調整回路３４ｂ１は、可変素子を有し、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂの負荷側（基板支持部１１側）のインピーダンスを、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂの出力インピーダンスに整合させるよう構成されている。一実施形態において、第１調整回路３４ｂ１の可変素子は、可変コンデンサである。

第２分離回路３４ｃ２は、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃと基板支持部１１との間に接続され、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂからのＬＦ１電力である第２ＲＦパルス信号の結合を防止する。

第２調整回路３４ｃ１は、可変素子を有し、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃの負荷側（基板支持部１１側）のインピーダンスを、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃの出力インピーダンスに整合させるよう構成されている。一実施形態において、第２調整回路３４ｃ１の可変素子は、可変インダクタである。

第１分離回路３４ｂ２は、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂと基板支持部１１との間に接続され、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃからのＬＦ２電力である第３ＲＦパルス信号の結合を防止する。

第２分離回路３４ｃ２は、インダクタＬ２を含むＲＦチョーク回路である。第１分離回路３４ｂ２は、コンデンサＣ１とインダクタＬ１とを含む共振回路である。第１分離回路３４ｂ２は、コンデンサＣ１とインダクタＬ１により構成される。第２分離回路３４ｃ２は、インダクタＬ２により構成される。

第１分離回路３４ｂ２は、第２ＲＦパルス信号からはインピーダンスが０または０近くに見え、第３ＲＦパルス信号からはインピーダンスが高く、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂ側が壁に見えるようにＣ１とＬ１の回路定数を設定する。これにより、第１分離回路３４ｂ２において第３ＲＦパルス信号から見たインピーダンスをＺ_ＬＦ２とし、プラズマの負荷インピーダンスをＺ_chamberと表記すると、Ｚ_ＬＦ２＞＞Ｚ_{ｃｈａｍｂｅｒ}が成立する。

また、第２分離回路３４ｃ２は、第３ＲＦパルス信号からはインピーダンスが０又は０近くに見え、第２ＲＦパルス信号からはインピーダンスが高く、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃ側が壁に見えるようにＬ２の回路定数を設定する。これにより、第２分離回路３４ｃ２において第２ＲＦパルス信号から見たインピーダンスをＺ_ＬＦ１とすると、Ｚ_ＬＦ１＞＞Ｚ_{ｃｈａｍｂｅｒ}が成立する。

このように、第１分離回路３４ｂ２の回路定数を上記のように設定することで、第１分離回路３４ｂ２では、インピーダンスＺ_ＬＦ２がプラズマの負荷インピーダンスＺ_chamberよりもはるかに大きくなる。これにより、第１分離回路３４ｂ２は、第２バイアスＲＦ生成部３１ｃからの第３ＲＦパルス信号の結合を防止する（図３の「ＬＦ２ Ｐｏｗｅｒ→×」）。この結果、ＬＦ２電力は、給電ライン３７を介してチャンバ１０内に供給され、これにより、ＬＦ２電力の供給効率の低下を抑制できる。

同様に、第２分離回路３４ｃ２の回路定数を上記のように設定することで、第２分離回路３４ｃ２では、インピーダンスＺ_ＬＦ１がプラズマの負荷インピーダンスＺ_chamberよりもはるかに大きくなる。これにより、第２分離回路３４ｃ２は、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂからの第２ＲＦパルス信号の結合を防止する（図３の「ＬＦ１ Ｐｏｗｅｒ→×」）。この結果、ＬＦ１電力は、給電ライン３７を介してチャンバ１０内に供給され、これにより、ＬＦ１電力の供給効率の低下を抑制できる。

係る構成により、異なる周波数を有する２つのバイアス電力（ＬＦ１電力及びＬＦ２電力）のパルス信号を基板支持部１１に効率良く供給することができる。

[パルス信号]
例えば、アスペクト比が高い深穴をエッチングするプロセスの場合、ＨＦ電力、ＬＦ１電力及びＬＦ２電力のパルス信号を用いて、イオンの入射角を垂直にしたり、マスク選択比を高めたりすることができる。

図４は、ラジカル、イオン、電子温度、イオンエネルギー、副生成物の一例を示す図である。図４の横軸は、ＲＦ電力の供給を停止（オフ）した後の経過時間（１周期）を示す。図４の縦軸は、オフ時間におけるラジカル（Ｒａｄｉｃａｌ）、イオン（Ｉｏｎｓ）、電子温度（Ｔｅ）、イオンエネルギー(ε_ｌ)、副生成物（Ｂｙ－ｐｒｏｄｕｃｔｓ）の各時間における状態を示す。

これによれば、ラジカル（Ｒａｄｉｃａｌ）は、ＲＦ電力をオフ状態にしてからの変化が緩やかであるのに対して、イオン（Ｉｏｎｓ）及びプラズマ温度（Ｔｅ）はＲＦ電力をオフ状態にしてからの変化がラジカルよりも早い。このようなプラズマ中のラジカルやイオンの減衰やエネルギーの変化等を考慮してＨＦ電力及びＬＦ電力（例えばＬＦ１電力及びＬＦ２電力）のパルス信号を制御する。ＨＦ電力をオフ状態にした後に供給するＬＦ電力のパルス信号の一例としては、プラズマ温度（Ｔｅ）が高い初期時間は、ＬＦ電力をオフ状態にし、プラズマ温度（Ｔｅ）が低下した後にＬＦ電力をオン状態にする制御が考えられる。これによれば、イオンはまだ残っているが、プラズマ温度（Ｔｅ）が低い時間にＬＦ電力を用いて、イオンの基板への引き込みを効率的に行うことができる。

ＨＦ電力をオフ状態にした後に供給するＬＦ電力のパルス信号の他の例としては、プラズマパラメータとしてイオンエネルギーを示すε_ｌを用い、プラズマ電子温度Ｔｅがほぼ変化しない時間にＬＦ２電力を制御する。これにより、イオンエネルギーε_ｌをコントロールしてイオンの入射角をより垂直に制御することができる。

このように、ＨＦ電力及びＬＦ電力をオン・オフ状態にするタイミングを、ラジカル、イオン、プラズマ電子温度、イオンエネルギー、副生成物等のプラズマパラメータの動きに応じて細かく制御する。これにより、プロセスの性能を向上させることができる。以下、高周波電力のパルス信号の供給タイミングについて、図５～図６を参照しながら説明する。なお、高周波電力のパルス信号の供給タイミングは、制御部２により制御される。

（２周波のパルス信号）
図５は、実施形態に係る２周波の高周波電力パルスのパルスパターンを示す図である。図５に示す２周波の高周波電力パルスであるＨＦ電力（Source Power）と、ＬＦ１電力（Bias Power）のパルス信号のそれぞれは、複数のパルスサイクルを含む。以下、各パルス信号の供給タイミングについて説明する。図５の横軸は、１周期の時間を示し、縦軸は、ＨＦ電力及びＬＦ１電力のオン・オフ状態を示す。期間（１）及び期間（２）を１周期として、ＨＦ電力及びＬＦ１電力の各パルス信号の制御が繰り返される。

２周波の高周波電力パルスの制御では、ＨＦ電力のオン状態とＬＦ１電力のオン状態とは時間的にオーバーラップし、ＨＦ電力をオン状態にしている間、ＬＦ１電力をオン状態にし、ＨＦ電力をオフ状態にしている間、ＬＦ１電力をオフ状態にする。ソースＲＦ生成部３１ａは、第１ＲＦパルス信号（ＨＦ電力）を生成するように構成され、本実施形態では、第１ＲＦパルス信号は、２つのパワーレベル（Ｏｎ／Ｏｆｆ）を有する。例えば第１ＲＦパルス信号は、２７ＭＨｚの周波数を有してもよい。

第１バイアスＲＦ生成部３１ｂは、第２ＲＦパルス信号（ＬＦ１電力）を生成するように構成され、本実施形態では、第２ＲＦパルス信号は、２つのパワーレベル（Ｏｎ／Ｏｆｆ）を有する。第２ＲＦパルス信号の周波数は、第１ＲＦパルス信号の周波数よりも低い。例えば第２ＲＦパルス信号は、１３ＭＨｚの周波数を有する。

図５の期間（１）では、ＨＦ電力及びＬＦ１電力はオン状態に維持される。つまり、時刻ｔ_０においてＨＦ電力及びＬＦ１電力はオン状態に遷移し、時刻ｔ_１においてＨＦ電力及びＬＦ１電力はオフ状態に遷移する。これにより、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの時間は、ＨＦ電力の供給により、ラジカルとイオンを含むプラズマが生成され、ＬＦ１電力の供給により、エッチングする凹部の底部に到達させるイオンフラックス（イオン量）を制御し、エッチングを促進する。

期間（１）後の時刻ｔ_１にＨＦ電力及びＬＦ１電力はオフ状態に遷移し、期間（２）においてＨＦ電力及びＬＦ１電力はオフ状態に維持される。期間（２）では、ＨＦ電力がオフ状態であるため、図４に一例を示すように、ラジカル、イオン、プラズマ温度はそれぞれの時定数をもって減衰する。また、期間（２）では、ＨＦ電力及びＬＦ１電力がオフ状態であるため、副生成物が排気される。排気期間を示す期間（２）は、副生成物が基板Ｗ上に付着しない時間に予め設定されている。

排気期間が経過した時刻ｔ_２に、期間（２）から期間（１）に戻り、時刻ｔ_０において再びＨＦ電力及びＬＦ１電力がオン状態に遷移する。そして、期間（１）及び期間（２）を１周期として、ＨＦ電力及びＬＦ１電力の各パルス信号の制御が繰り返される。１周期は１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚである。複数のパルスサイクルは、同一の時間期間を有し、各パルスサイクルは、５０μｓ～１００μｓの時間期間を有する。すなわち、パルスサイクルの１周期は５０μｓ～１００μｓである。

本例では、第１バイアスＲＦ生成部３１ｂは、第２ＲＦパルス信号のパワーレベルの変化のタイミングを、第１ＲＦパルス信号のパワーレベルの変化のタイミングに対して同期させるように構成される。

また、期間（１）は、３０μｓ以下に設定される。次の期間（２）は、任意の時間に設定され、３０μｓよりも長くてもよい。つまり、本例ではＨＦ電力及びＬＦ１電力は、期間（１）において３０μｓ以下の時間、オン状態に維持され、期間（２）の任意の時間、オフ状態に維持され、オン・オフを繰り返す。このようにして、ＬＦ１電力の１周期における供給時間を３０μｓ以下にすることで、イオンを垂直に制御し、異方性の高いエッチングが可能になる。

なお、期間（１）のＨＦ電力のパワーレベルは、第１パワーレベルの一例であり、期間（２）のＨＦ電力のパワーレベルは、第２パワーレベルの一例である。期間（１）のＬＦ１電力のパワーレベルは、第３パワーレベルの一例であり、期間（２）のＬＦ１電力のパワーレベルは、第４パワーレベルの一例である。

（３周波のパルス信号）
図６は、実施形態に係る３周波の高周波電力パルスのパルスパターンを示す図である。まず、図６に示す３周波の高周波電力であるＨＦ電力（Source Power）と、ＬＦ１電力（Bias1 Power）と、ＬＦ２電力（Bias2 Power）のパルス信号のそれぞれは、複数のパルスサイクルを含む。以下、各パルス信号の供給タイミングについて説明する。図６の横軸は、１周期の時間を示し、縦軸は、ＨＦ電力、ＬＦ１電力及びＬＦ２電力のオン・オフ状態を示す。期間（１）～（３）を１周期として、ＨＦ電力、ＬＦ１電力及びＬＦ２電力の各パルス信号の制御が繰り返される。

３周波の高周波電力パルスの制御では、ＬＦ１電力のオン状態とＬＦ２電力のオン状態とは時間的にオーバーラップせず、ＬＦ１電力をオン状態にしている間、ＬＦ２電力をオフ状態にし、ＬＦ１電力をオフ状態にしている間、ＬＦ２電力をオン状態にする。ＨＦ電力のオン状態とＬＦ１電力のオン状態、及びＨＦ電力のオン状態とＬＦ２電力のオン状態は時間的にオーバーラップしてもよいし、しなくてもよい。

ソースＲＦ生成部３１ａは、第１ＲＦパルス信号（ＨＦ電力）を生成するように構成され、本実施形態では、第１ＲＦパルス信号は、３つのパワーレベル（Ｈｉｇｈ／Ｌｏｗ／Ｏｆｆ）を有する。これらのパワーレベルは対象プロセスに応じて任意に設定及び変更可能である。例えば第１ＲＦパルス信号は、２７ＭＨｚの周波数を有する。

第１バイアスＲＦ生成部３１ｂは、第２ＲＦパルス信号（ＬＦ１電力）を生成するように構成され、本実施形態では、第２ＲＦパルス信号は、２つのパワーレベル（Ｏｎ／Ｏｆｆ）を有する。つまり、第２ＲＦパルス信号は、ゼロパワーレベルを含む２つまたはそれ以上のパワーレベルを有する。第２ＲＦパルス信号の周波数は、第１ＲＦパルス信号の周波数よりも低い。例えば第２ＲＦパルス信号は、１３ＭＨｚの周波数を有する。

第２バイアスＲＦ生成部３１ｃは、第３ＲＦパルス信号（ＬＦ２電力）を生成するように構成され、本実施形態では、第３ＲＦパルス信号は、２つのパワーレベル（Ｏｎ／Ｏｆｆ）を有する。つまり、第３ＲＦパルス信号は、ゼロパワーレベルを含む２つまたはそれ以上のパワーレベルを有する。第３ＲＦパルス信号の周波数は、第２ＲＦパルス信号の周波数よりも低い。例えば第３ＲＦパルス信号は、１．２ＭＨｚの周波数を有する。

図６では、Ｓｏｕｒｃｅ Ｐｏｗｅｒ（ＨＦ電力）が第１ＲＦパルス信号、Ｂｉａｓ Ｐｏｗｅｒ１（ＬＦ１電力）が第２ＲＦパルス信号、Ｂｉａｓ Ｐｏｗｅｒ２（ＬＦ２電力）が第３ＲＦパルス信号の状態を示す。

図６の期間（１）では、ＨＦ電力は、Ｈｉｇｈパワーレベルを有し、ＬＦ１電力は、オン状態であり、ＬＦ２電力は、オフ状態である。つまり、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１１までの時間Ｔ_ｓは、ＨＦ電力の供給により、ラジカルとイオンを含むプラズマが生成される。また、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１１までの時間は、ＬＦ１電力の供給により、エッチングする凹部の底部に到達させるイオンフラックス（イオン量）を制御でき、エッチングを促進できる。これにより、図６（ａ）に示すように、マスク１０１を介してエッチング対象膜１００がエッチングされ、エッチング対象膜１００に形成されたホールＨＬの内壁に、主にラジカルＲが付着する。また、イオンを制御し、エッチングされた凹部の底部に到達させるイオンフラックスを制御する。

更に期間（１）は、３０μｓ以下の時間に設定される。なお、次の期間（２）及び（３）は、任意の時間に設定され、３０μｓよりも長くてもよい。つまり、本例ではＨＦ電力及びＬＦ１電力は、期間（１）において３０μｓ以下の時間、オン状態に維持される。このようにして、期間（１）においてＬＦ１電力の供給を３０μｓ以下の短時間行うことで、更にイオンを垂直に制御し、異方性の高いエッチングが可能になる。

期間（１）経過後、時刻ｔ_１１においてＨＦ電力がＨｉｇｈパワーレベルからＬｏｗパワーレベル（又はオフ状態）に遷移し、ＬＦ１電力がオフ状態に遷移し、ＬＦ２電力がオン状態に遷移する。そうすると、図４に一例を示すように、ラジカル、イオン、プラズマ温度はそれぞれの時定数をもって減衰する。これらのプラズマパラメータの減衰状態に応じて、ＨＦ電力のパワーレベルを下げる又はオフ状態に制御されている期間（２）及び副生成物を排気する期間（３）にＬＦ２電力をオンするタイミングを制御する。

本実施形態では、期間（２）では、ＨＦ電力は、Ｌｏｗパワーレベルに維持され、ＬＦ１電力はオフ状態に維持され、ＬＦ２電力は、オン状態に維持される。期間（２）では、期間（１）で供給したＬＦ１電力の周波数よりも低い周波数のＬＦ２電力を供給する。ＬＦ２電力のＶｐｐはＬＦ１電力のＶｐｐよりも大きい。これにより、期間（２）では、期間（１）よりもバイアス電圧のＶｐｐをより大きくでき、イオンエネルギーε_ｌをより大きくし、イオン入射角をより垂直に制御できる。これにより、期間（２）においてエッチングされた凹部の底部に到達させるイオンフラックスを制御でき、図６（ｂ）に示すように、ホールＨＬの底部の角部等に残った副生成物Ｂ等がエッチングされ、エッチングを促進できる。

時刻ｔ_１２において、ＨＦ電力は、オフ状態（又はＬｏｗパワーレベル）に遷移し、ＬＦ１電力は、オフ状態を維持し、ＬＦ２電力は、オフ状態に遷移する。期間（３）では、副生成物の排気を制御する。つまり、期間（３）において、ＨＦ電力、ＬＦ１電力及びＬＦ２電力はオフ状態に維持される。これにより、図６（ｃ）に示すように、ホールＨＬ内に付着した副生成物Ｂを排気する。これにより、次のサイクルのエッチングを促進できる。期間（３）は、副生成物Ｂが基板Ｗ上に再付着しない時間に予め設定されている。

時刻ｔ_１３において、期間（１）に戻り、ＨＦ電力は、Ｈｉｇｈパワーレベルに遷移し、ＬＦ１電力は、オン状態に遷移し、ＬＦ２電力は、オフ状態を維持する。期間（１）～（３）は繰り返され、１周期は１０ｋＨｚ～２０ｋＨｚであり、期間（１）は３０μｓ以下である。複数のパルスサイクルの各々は、５０μｓ～１００μｓである。

このようにして、アスペクト比が高い深穴をエッチングするプロセスにおいて、ＨＦ電力、ＬＦ１電力及びＬＦ２電力のパルス信号を用いて、マスク選択比を高め、イオンの入射角を垂直にすることができる。これにより、エッチング形状を垂直にしたり、エッチングを促進したりすることができる。ただし、アスペクト比が高い深穴をエッチングするプロセスは基板処理の一例であり、プロセスの種類はこれに限らない。

図６の例では、ＨＦ電力のパワーレベルを３レベルに制御し、ＬＦ１電力及びＬＦ２電力のパワーレベルをオン・オフ状態の２レベルに制御したが、これに限らない。例えば、ＨＦ電力のパワーレベルを４レベル又はそれ以上に制御してもよい。

なお、期間（１）のＨＦ電力のパワーレベルは、第１パワーレベルの一例であり、期間（２）のＨＦ電力のパワーレベルは、第２パワーレベルの一例であり、期間（３）のＨＦ電力のパワーレベルは、第３パワーレベルの一例である。期間（１）のＬＦ１電力のパワーレベルは、第４パワーレベルの一例であり、期間（２）及び／又は期間（３）のＬＦ１電力のパワーレベルは、第５パワーレベルの一例である。期間（２）のＬＦ２電力のパワーレベルは、第６パワーレベルの一例であり、期間（１）及び／又は期間（３）のＬＦ１電力のパワーレベルは、第７パワーレベルの一例である。

以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法によれば、複数の高周波電力パルス信号を用いてプロセスの性能を向上させることができる。

今回開示された実施形態に係るプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

１ プラズマ処理装置
２ 制御部
１０ チャンバ
１０ｓ プラズマ処理空間
１１ 基板支持部
１２ 環状部材
１３ ガス導入部
１４ アンテナ
２０ ガス供給部
２１ コンピュータ
２１ａ 処理部
２１ｂ 記憶部
２１ｃ 通信インターフェース
３１ ＲＦ電力供給部
３１ａ ソースＲＦ生成部
３１ｂ 第１バイアスＲＦ生成部
３４ｂ１ 第１調整回路
３４ｂ２ 第１分離回路
３４ｃ１ 第２調整回路
３４ｃ２ 第２分離回路
３１ｃ 第２バイアスＲＦ生成部
３３ 第１整合回路
３４ 第２整合回路
３７ 給電ライン

Claims (3)

1. チャンバと、
   前記チャンバに結合された第１整合回路と、
   前記チャンバに結合された第２整合回路と、
   前記第１整合回路に結合され、第１ＲＦパルス信号を生成するように構成された第１ＲＦ生成部であり、前記第１ＲＦパルス信号は、各サイクル内の第１期間にゼロより大きい第１パワーレベルを有し、各サイクル内の前記第１期間の後の第２期間に前記第１パワーレベルよりも小さくゼロより大きい第２パワーレベルを有し、各サイクル内の前記第２期間の後の第３期間にゼロパワーレベルを有し、前記第１期間は、３０μｓ以下である、第１ＲＦ生成部と、
   前記第２整合回路に結合され、第２ＲＦパルス信号を生成するように構成された第２ＲＦ生成部であり、前記第２ＲＦパルス信号の周波数は、前記第１ＲＦパルス信号の周波数よりも低く、前記第２ＲＦパルス信号は、前記第１期間にゼロより大きい第３パワーレベルを有し、前記第２期間及び前記第３期間にゼロパワーレベルを有する、第２ＲＦ生成部と、
   前記第２整合回路に結合され、第３ＲＦパルス信号を生成するように構成された第３ＲＦ生成部であり、前記第３ＲＦパルス信号の周波数は、前記第２ＲＦパルス信号の周波数よりも低く、前記第３ＲＦパルス信号は、前記第２期間にゼロより大きい第４パワーレベルを有し、前記第１期間及び前記第３期間にゼロパワーレベルを有する、第３ＲＦ生成部と、を有する、
   プラズマ処理装置。
2. 各サイクルは、５０μｓ～１００μｓの期間を有する、
   請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１ＲＦパルス信号は、２０ＭＨｚ～６０ＭＨｚの周波数であり、
   前記第２ＲＦパルス信号は、１ＭＨｚ～１５ＭＨｚの周波数であり、
   前記第３ＲＦパルス信号は、１００ｋＨｚ～４ＭＨｚの周波数である、
   請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置。

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