JP7537844B2 - 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。

特許文献１は、載置台にプラズマ生成用の高周波電力のパルス波と、プラズマ生成用の高周波電力の周波数よりも低い周波数のバイアス用の高周波電力のパルス波と、を印加するプラズマ処理方法を提案する。このプラズマ処理方法は、プラズマ生成用の高周波電力のパルス波とバイアス用の高周波電力のパルス波とが位相差を有し、プラズマ生成用の高周波電力のデューティ比はバイアス用の高周波電力のデューティ比以上になるように制御する。これにより、プラズマ生成用の高周波電力のパルス波とバイアス用の高周波電力のパルス波との間にオフセットを設ける。

特開２０１６－１５７７３５号公報

エッチングされた凹部のボーイング、ＣＤサイズのバラツキ、マスクの歪みや閉塞（クロッギング）等を抑制又は改善するために、ラジカル、イオン密度、イオンの入射角、側壁保護等を細かく制御することが重要である。

本開示は、プラズマ処理装置において実行される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、真空排気可能な処理チャンバと、前記処理チャンバ内に配置された第１電極又はアンテナと、前記第１電極又は前記アンテナに対向し、被処理基板を支持する第２電極と、前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナに接続され、前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナにプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給する第１の高周波電力供給部と、前記第２電極に接続され、前記第２電極にバイアス用の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電力供給部と、前記処理チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記第１の高周波電力供給部及び前記第２の高周波電力供給部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１の高周波電力供給部から０以上の異なるレベルである第１のレベル、第２のレベル、及び第３のレベルの前記第１の高周波電力を順に繰り返し出力し、前記第１の高周波電力供給部が前記第３のレベルの前記第１の高周波電力を出力後、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力が出力されるまでの期間に前記第２の高周波電力供給部から０以上、かつ、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力及び前記第２のレベルの前記第１の高周波電力よりも小さい第４のレベルの前記第２の高周波電力を繰り返し出力するように制御する、プラズマ処理装置が提供される。

一の側面によれば、プラズマ処理装置において実行される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。 第１実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図。 ラジカル等の減衰特性の一例を示す図。 第２実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図。 第３実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図。 第４実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図。 第５実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図。 第６実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図。

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］
以下に、プラズマ処理システムの構成例について説明する。プラズマ処理システムは、容量結合型のプラズマ処理装置１及び制御部２を含む。プラズマ処理装置１は、真空排気可能なプラズマ処理チャンバ１０、ガス供給部２０、電源３０及び排気システム４０を含む。また、プラズマ処理装置１は、基板支持部１１及びガス導入部を含む。ガス導入部は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理チャンバ１０内に導入するように構成される。ガス導入部は、シャワーヘッド１３を含む。基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置される。シャワーヘッド１３は、基板支持部１１の上方に配置される。実施形態において、シャワーヘッド１３は、プラズマ処理チャンバ１０の天部（ｃｅｉｌｉｎｇ）の少なくとも一部を構成する。プラズマ処理チャンバ１０の内部は、シャワーヘッド１３、プラズマ処理チャンバ１０の側壁１０ａ及び基板支持部１１により規定されたプラズマ処理空間１０ｓを有する。プラズマ処理チャンバ１０は、少なくとも１つの処理ガスをプラズマ処理空間１０ｓに供給するための少なくとも１つのガス供給口１３ａと、プラズマ処理空間からガスを排出するための少なくとも１つのガス排出口１０ｅとを有する。側壁１０ａは接地される。シャワーヘッド１３及び基板支持部１１は、プラズマ処理チャンバ１０の筐体とは電気的に絶縁される。

基板支持部１１は、本体部１１１及びリングアセンブリ１１２を含む。本体部１１１は、ウェハを一例とする基板Ｗを支持するための中央領域（基板支持面）１１１ａと、リングアセンブリ１１２を支持するための環状領域（リング支持面）１１１ｂとを有する。本体部１１１の環状領域１１１ｂは、平面視で本体部１１１の中央領域１１１ａを囲んでいる。基板Ｗは、本体部１１１の中央領域１１１ａ上に配置され、リングアセンブリ１１２は、本体部１１１の中央領域１１１ａ上の基板Ｗを囲むように本体部１１１の環状領域１１１ｂ上に配置される。実施形態において、本体部１１１は、基台及び静電チャックを含む。基台は、導電性部材を含む。基台の導電性部材は下部電極として機能する。静電チャックは、基台の上に配置される。静電チャックの上面は、基板支持面１１１ａを有する。リングアセンブリ１１２は、１又は複数の環状部材を含む。１又は複数の環状部材のうち少なくとも１つはエッジリングである。また、図示は省略するが、基板支持部１１は、静電チャック、リングアセンブリ１１２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、伝熱媒体、流路、又はこれらの組み合わせを含んでもよい。流路には、ブラインやガスのような伝熱流体が流れる。また、基板支持部１１は、基板Ｗの裏面と基板支持面１１１ａとの間に伝熱ガスを供給するように構成された伝熱ガス供給部を含んでもよい。

シャワーヘッド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内に導入するように構成される。シャワーヘッド１３は、少なくとも１つのガス供給口１３ａ、少なくとも１つのガス拡散室１３ｂ、及び複数のガス導入口１３ｃを有する。ガス供給口１３ａに供給された処理ガスは、ガス拡散室１３ｂを通過して複数のガス導入口１３ｃからプラズマ処理空間１０ｓ内に導入される。また、シャワーヘッド１３は、導電性部材を含む。シャワーヘッド１３の導電性部材は上部電極として機能する。なお、ガス導入部は、シャワーヘッド１３に加えて、側壁１０ａに形成された１又は複数の開口部に取り付けられる１又は複数のサイドガス注入部（ＳＧＩ：Ｓｉｄｅ Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｏｒ）を含んでもよい。

ガス供給部２０は、少なくとも１つのガスソース２１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、少なくとも１つの処理ガスを、それぞれに対応のガスソース２１からそれぞれに対応の流量制御器２２を介してシャワーヘッド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、少なくとも１つ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。

電源３０は、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介してプラズマ処理チャンバ１０に結合されるＲＦ電源３１を含む。ＲＦ電源３１は、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のような少なくとも１つのＲＦ信号（ＲＦ電力）を、基板支持部１１の導電性部材及び／又はシャワーヘッド１３の導電性部材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。従って、ＲＦ電源３１は、プラズマ処理チャンバ１０において１又はそれ以上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生成部の少なくとも一部として機能し得る。また、バイアスＲＦ信号を基板支持部１１の導電性部材に供給することにより、基板Ｗにバイアス電位が発生し、形成されたプラズマ中のイオン成分を基板Ｗに引き込むことができる。

実施形態において、ＲＦ電源３１は、第１のＲＦ生成部３１ａ及び第２のＲＦ生成部３１ｂを含む。第１のＲＦ生成部３１ａは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材又はシャワーヘッド１３の導電性部材に結合され、プラズマ生成用のソースＲＦ信号（ソースＲＦ電力）を生成するように構成される。実施形態において、ソースＲＦ信号は、１３ＭＨｚ～１５０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。実施形態において、第１のＲＦ生成部３１ａは、異なる周波数を有する複数のソースＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のソースＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材又はシャワーヘッド１３の導電性部材に供給される。第２のＲＦ生成部３１ｂは、少なくとも１つのインピーダンス整合回路を介して基板支持部１１の導電性部材に結合され、バイアスＲＦ信号（バイアスＲＦ電力）を生成するように構成される。実施形態において、バイアスＲＦ信号は、ソースＲＦ信号よりも低い周波数を有する。実施形態において、バイアスＲＦ信号は、４００ｋＨｚ～１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数を有する。実施形態において、第２のＲＦ生成部３１ｂは、異なる周波数を有する複数のバイアスＲＦ信号を生成するように構成されてもよい。生成された１又は複数のバイアスＲＦ信号は、基板支持部１１の導電性部材に供給される。また、種々の実施形態において、ソースＲＦ信号及びバイアスＲＦ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。

なお、シャワーヘッド１３の導電性部材は、プラズマ処理チャンバ１０内に配置された第１電極の一例である。容量結合型のプラズマ処理装置１に替えて誘導結合型のプラズマ処理装置を含んでもよい。誘導結合型のプラズマ処理装置では、被処理基板を支持する第１電極に対向してプラズマ処理チャンバ１０の上部にアンテナが設けられ、アンテナに第１のＲＦ生成部３１ａが接続されてもよい基板支持部１１の基台の導電性部材は、第１電極に対向し、被処理基板を支持する第２電極の一例である。第１のＲＦ生成部３１ａは、第１電極、第２電極又はアンテナに接続され、第１電極、第２電極又はアンテナにプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給する第１の高周波電力供給部の一例である。第２のＲＦ生成部３１ｂは、第２電極に接続され、第２電極にバイアス用の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電力供給部の一例である。ガス供給部２０は、プラズマ処理チャンバ１０内に処理ガスを供給する処理ガス供給部の一例である。

また、電源３０は、プラズマ処理チャンバ１０に結合されるＤＣ電源３２を含んでもよい。ＤＣ電源３２は、第１のＤＣ生成部３２ａ及び第２のＤＣ生成部３２ｂを含む。実施形態において、第１のＤＣ生成部３２ａは、基板支持部１１の導電性部材に接続され、第１のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第１のバイアスＤＣ信号は、基板支持部１１の導電性部材に印加される。実施形態において、第１のＤＣ信号が、静電チャック内の電極のような他の電極に印加されてもよい。実施形態において、第２のＤＣ生成部３２ｂは、シャワーヘッド１３の導電性部材に接続され、第２のＤＣ信号を生成するように構成される。生成された第２のＤＣ信号は、シャワーヘッド１３の導電性部材に印加される。種々の実施形態において、第１及び第２のＤＣ信号のうち少なくとも１つがパルス化されてもよい。第１のＤＣ生成部３２ａ及び第２のＤＣ生成部３２ｂはＲＦ電源３１に加えて設けられている。なお、第２のＤＣ生成部３２ｂは、第１電極に接続され、第１電極に直流電圧を供給する直流電圧源の一例である。

排気システム４０は、例えばプラズマ処理チャンバ１０の底部に設けられたガス排出口１０ｅに接続され得る。排気システム４０は、圧力調整弁及び真空ポンプを含んでもよい。圧力調整弁によって、プラズマ処理空間１０ｓ内の圧力が調整される。真空ポンプは、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでもよい。

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。例えば、制御部２は、第１のＲＦ生成部３１ａ、第２のＲＦ生成部３１ｂ、及び第２のＤＣ生成部３２ｂを制御する。実施形態において、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２ａを含んでもよい。コンピュータ２ａは、例えば、処理部（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２ａ１、記憶部２ａ２、及び通信インターフェース２ａ３を含んでもよい。処理部２ａ１は、記憶部２ａ２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２ａ２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２ａ３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。

次に、プラズマ処理装置１を用いて実行される第１実施形態～第６実施形態に係るプラズマ処理方法について、図２～図８を参照しながら順に説明する。第１実施形態～第６実施形態に係るプラズマ処理方法は、制御部２により制御される。

＜第１実施形態＞
［プラズマ処理方法］
まず、第１実施形態に係るプラズマ処理方法について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、第１実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図である。図３は、ラジカル等の減衰の一例を示す図である。

第１実施形態、及び後述する第２、第５実施形態では、例えば、シリコン基板１００上にエッチング対象膜１０１としてハードマスク層が形成され、その上に有機膜等のマスク１０２が形成されている。ただし、基板Ｗ上の膜構造はこれに限られない。

第１実施形態に係るプラズマ処理方法では、制御部２は、図２に示すように、プラズマ生成用の第１の高周波電力（以下、「ＨＦ」とも表記する。）を、０以上の異なる３レベルである第１のレベル、第２のレベル、及び第３のレベルのＲＦのパルスパターンで順に繰り返し出力するように制御する。

第１のレベルのＨＦは、各サイクルの最初の期間であるＡ期間に出力されるＨｉｇｈレベルに制御される。第２のレベルのＨＦは、各サイクルのＡ期間に続くＢ期間に出力されるＭｉｄｄｌｅレベルに制御される。第３のレベルのＨＦは、各サイクルのＢ期間に続くＣ期間及びＤ期間に出力されるＬｏｗレベルに制御される。つまり、本実施形態では、ＨＦの大きさは、第１のレベル＞第２のレベル＞第３のレベルとなる。なお、Ｃ期間及びＤ期間にＨＦをＬｏｗレベルに制御する替わりにオフ（Ｏｆｆ）してもよい。Ｌｏｗレベルは、オフよりも大きい値であって、ＨＦが制御されるレベルの内の最も低いレベルである。

また、制御部２は、バイアス用の第２の高周波電力（以下、「ＬＦ」とも表記する。）を、０以上の第４のレベルのＲＦのパルスパターンを繰り返し出力するように制御する。第４のレベルのＬＦは、各サイクルのＤ期間に出力されるＬｏｗレベルに制御される。Ａ期間～Ｃ期間は、ＬＦをオフ、つまり０に制御する。なお、Ｄ期間にＬＦをオフにしてもよい。Ｌｏｗレベルは、オフよりも大きい値であって、ＬＦが制御されるレベルの内の最も低いレベルである。

例えば、ＨＦをオン及びオフの２レベルに制御し、ＬＦをオフのみの１レベルに制御した場合、ＣＤ（Critical Dimension）サイズにバラツキが生じ、良好なエッチング形状は得られない。これに対して、本実施形態に係るＲＦのパルスパターンでは、ＨＦが、Ｈｉｇｈ、Ｍｉｄｄｌｅ、Ｌｏｗ、又はＨｉｇｈ、Ｍｉｄｄｌｅ、０（オフ）の３レベルに制御され、ＬＦが、Ｌｏｗ及び０（オフ）の２レベルに制御される。

また、ＨＦがＨｉｇｈ及びＭｉｄｄｌｅ（第１のレベル及び第２のレベル）のときにＬＦをオフに制御し、ＨＦがＬｏｗ（第３のレベル）のときにＬＦをＬｏｗ（又はオフ）に制御する。また、ＨＦ電力とＬＦ電力のＤｕｔｙ及びＨＦ電力とＬＦ電力を供給する際の位相を制御し、ＨＦ電力とＬＦ電力との位相をずらす。また、ＨＦがＨｉｇｈ及びＭｉｄｄｌｅのＡ期間及びＢ期間と、ＬＦがＬｏｗのＤ期間との間のＣ期間にオフタイム（ＨＦ及び／又はＬＦがＬｏｗの場合を含む）を設ける。

これにより、ラジカル密度、イオン密度、イオン／ラジカル比、イオンの入射角（イオン入射角度）、側壁保護等を細かく制御することができる。これにより、エッチングされたホールＨ等の凹部のボーイング、ＣＤのバラツキ、マスクのクロッギングを抑制し、目的の形状を目的の時間で形成し、プロセスの性能を向上させることができる。

具体的には、第１実施形態に係るプラズマ処理方法では、Ａ期間において第１のレベル（Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ）のＨＦが印加されており、ＬＦはオフである。よって、ＨＦがイオン及びラジカルの生成に寄与する。よって、Ａ期間では、図２（ａ）に示すようにイオンエネルギーが高く、エッチングレートが早くなる。また、イオンの入射角は比較的狭く、エッチングは垂直に進みやすい。ただし、マスク１０２へのダメージが大きくなる。

Ｂ期間では、プラズマ中のイオンに対するラジカルの比率を制御する。第１のレベル（Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ）から第２のレベル（Ｍｉｄｄｌｅ ｐｏｗｅｒ）へＨＦを下げ、ＬＦはオフのまま維持する。これにより、Ｂ期間では、Ａ期間よりもイオン及びラジカルの生成が減り、特にイオンエネルギーが下がり、クロッギングやマスクのダメージが抑制される。これに伴い、図２（ｂ）に示すように、反応生成物（エッチングにより生じるＢｙ－ｐｒｏｄｕｃｔ、副生成物を含む）が少なくなり、マスク１０２のクロッギングやマスク１０２のダメージを減らしながらエッチング対象膜１０１のエッチングを促進させることができる。

Ｃ期間では、第２のレベル（Ｍｉｄｄｌｅ ｐｏｗｅｒ）から第３のレベル（Ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ）へＨＦを下げ、ＬＦはオフのまま維持する。これにより、Ｃ期間では、イオンとラジカルの減衰時間の差を利用してイオンエネルギーが小さく、マスク１０２のダメージが少なくなる。

図３は、電子、イオン及びラジカルの減衰特性を示す。図３の横軸は時間であり、縦軸は規格化された減衰量である。ＲＦパワー（ＨＦ）をオンからオフに切り替えると、最初に電子温度（Ｐｌａｓｍａ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が急激に減衰する。次に、イオン（Ｐｌａｓｍａ Ｄｅｎｓｉｔｙ）が減衰する。これに対して、ラジカルの減衰は緩やかである。

このように電子温度及びイオンは比較的急速に減衰する一方、ラジカルの減衰は比較的緩やかなため、Ｃ期間では、イオンに対するラジカルの比率が高まり、側壁保護の効果が優位となる。また、余分な成分や反応生成物が排気されることで、側壁保護を適度に保つことができる。

これにより、Ｃ期間及びＤ期間では、Ｂ期間よりも更にプラズマ中のイオンの比率が下がり、相対的に反応生成物量が多くなる。このため、図２（ｃ）に示すように、ホールＨ側壁及びマスク１０２の側壁に反応生成物が付着して保護膜１０３が形成される。保護膜１０３は、マスク１０２の上部に形成されてもよい。これにより、マスク１０２が細くなり過ぎることによるマスク形状の歪みやマスク１０２の劣化を防ぐことができる。また、反応生成物の排気を制御できる。

Ｄ期間では、第３のレベルのＨＦを維持し、第１のレベルのＨＦが出力されるまでの期間にＬｏｗ（又はオフ）の０以上の第４のレベルのＬＦを出力する。ＬＦをＬｏｗに制御することにより、図２（ｄ）に示すように、イオンがホールＨ内に引き込まれ、マスク１０２のクロッギングＧを除去しつつ、保護膜１０３の形成による側壁保護及び反応生成物（副生成物）の排気を制御できる。

以上に説明したＡ期間～Ｄ期間を１サイクルとして、ＨＦ及びＬＦのパルスパターンを繰り返し実行する。このようにして期間毎のＨＦ及びＬＦのパルスパターンの組み合わせ及び各パワーの配分等をコントロールすることで、イオンに対するラジカルの比率やプラズマ密度、イオンエネルギー等を制御できる。これにより、エッチングされた凹部のボーイング、ＣＤのバラツキ、マスク１０２のクロッギングやマスク１０２の歪み等を改善することができる。

例えば、Ａ期間及びＢ期間のようにＨＦがＨｉｇｈ又はＭｉｄｄｌｅに制御されている場合、イオンエネルギーは高い。この場合、イオンが側壁に衝突すると、エッチングが促進される。一方、Ｃ期間及びＤ期間のようにＨＦがＬｏｗ又はオフに制御されている場合、イオンエネルギーは低い。この場合、イオンが側壁に衝突しても、側壁を削るほどのエネルギーがないため、イオンは壁で反射してエッチングされた凹部の底まで到達する。これにより、凹部の底部のＣＤが改善される。

つまり、Ｃ期間及びＤ期間において、イオンエネルギーの低下により反応生成物による側壁保護を促進することができ、かつ、余分な反応生成物の排気も同様に促進できる。特に、ＨＦとＬＦの両方をオフした場合、余分な成分や反応生成物の排気制御と、電子温度の低減によりイオンの入射角の制御を行うことができる。

Ｃ期間及びＤ期間において、ＨＦをＬｏｗに制御する場合、ＨＦをオフに制御する場合よりもプラズマが消失せずに、ＨＦ及びＬＦのパルス制御を安定化させることができる。Ｃ期間及びＤ期間において、ＨＦをオフに制御する場合、ＨＦをＬｏｗに制御する場合よりも図３の減衰時間の差からよりイオンに対するラジカルの比率の高いラジカルリッチなプラズマ状態となり、保護膜１０３による側壁保護を促進することができる。

つまり、ＨＦがオフの場合、イオンと電子温度とラジカルとの減衰時間の差から、ラジカルリッチになる。図３に示すように、減衰スピードは最も軽い電子が最も早い。次に、プラズマ（イオン）が減衰し、ラジカルは最も減衰し難く、イオンと電子温度とラジカルの中で最も長く存在する。この減衰時間の差を利用してイオン／ラジカル比を制御できる。

なお、Ｄ期間において、ＬＦをＬｏｗに制御することで、イオンエネルギーの低下によってマスク１０２の表面でのイオン及びラジカルの反射確率が上がる。このため、エッチングの内部に進入するイオン及びラジカルの数が減り、凹部の底部まで届くイオン及びラジカルの数が増え、底部のＣＤのバラツキが改善される。また、ＬＦをＬｏｗに制御することで、イオンエネルギーを下げながらエッチングが可能になる。

＜第２実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、第２実施形態に係るプラズマ処理方法について、図４を参照しながら説明する。図４は、第２実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図である。第２実施形態では、第１実施形態に係るプラズマ処理方法と異なる処理のみ説明し、同じ処理については説明を省略する。

第１実施形態に係るプラズマ処理方法では、Ａ期間の第１のレベルのＨＦよりもＢ期間の第２のレベルのＨＦが小さくなるように制御した。これに対して、第２実施形態に係るプラズマ処理方法では、図４に示すように、Ａ期間の第１のレベルのＨＦよりもＢ期間の第２のレベルのＨＦが大きくなるように制御する。なお、ＨＦのＣ期間及びＤ期間の制御及びＬＦの制御は第１実施形態と同一である。

この結果、Ｃ期間において保護膜１０３の生成が促進され、側壁保護を図ることができる。

第１実施形態のプラズマ処理方法と第２実施形態のプラズマ処理方法の選択の一例としては、エッチング対象膜１０１やマスク１０２の膜厚や膜質によっていずれかを選択してもよい。例えば、マスク１０２が比較的固いときは第１実施形態、マスク１０２が比較的柔らかいときは第２実施形態のプラズマ処理方法を使用してもよい。これにより、基板Ｗ上の膜構造に合致したラジカル、イオン密度、イオンの入射角、側壁保護等の制御が可能になり、ボーイング、ＣＤのバラツキ、マスクのクロッギング等を抑制し、垂直なエッチングを効率的に行うことができる。ただし、第１実施形態のプラズマ処理方法と第２実施形態のプラズマ処理方法の選択の手法は、これに限られない。

＜第３実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、第３実施形態に係るプラズマ処理方法について、図５を参照しながら説明する。図５は、第３実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図である。

第３実施形態、後述する第４実施形態では、例えば、シリコン基板１００上にエッチング対象膜１０１としてＳｉＯ_２（シリコン酸化膜）が形成され、その上にレジスト膜等のマスク１０２が形成されている。ただし、基板Ｗ上の膜構造はこれに限られない。

第３実施形態に係るプラズマ処理方法では、制御部２は、図５に示すように、ＨＦを、０以上の異なる３レベルである第１のレベル、第２のレベル、及び第３のレベルのＲＦのパルスパターンで順に繰り返し出力するように制御する。

第１のレベルのＨＦは、各サイクルの最初の期間であるＡ期間に出力されるＨｉｇｈに制御される。第２のレベルのＨＦは、各サイクルのＡ期間に続くＢ期間及びＣ期間に出力されるＭｉｄｄｌｅに制御される。第３のレベルのＨＦは、各サイクルのＣ期間に続くＤ期間に出力されるＬｏｗに制御される。つまり、本実施形態では、ＨＦは、第１実施形態と同様に、第１のレベル＞第２のレベル＞第３のレベルとなるように制御される。なお、Ｄ期間にＨＦをオフにしてもよい。

また、制御部２は、ＬＦを、０以上の第４のレベルのＲＦのパルスパターンで繰り返し出力するように制御する。本実施形態では、第４のレベルのＬＦは、各サイクルのＡ期間及びＢ期間に出力され、Ｈｉｇｈに制御される。Ｃ期間及びＤ期間は、ＬＦをオフにする。

加えて、本実施形態では、第４のレベルのＬＦを印加しているＡ期間及びＢ期間に、第２のＤＣ生成部３２ｂからシャワーヘッド１３の導電性部材に第１の負電圧（－Ｖ１）を印加する。Ｃ期間及びＤ期間には、第２のＤＣ生成部３２ｂからの第２の負電圧（－Ｖ２）を印加するように制御される。第２の負電圧（－Ｖ２）の絶対値は、第１の負電圧（－Ｖ１）の絶対値よりも大きい。尚、第１の負電圧は０（オフ）であってもよい。

第３実施形態に係るプラズマ処理方法では、Ａ期間にＨＦ及びＬＦをＨｉｇｈに制御する。これにより、図５（ａ）に示すように、ＨＦが主にイオン及びラジカルの生成に寄与し、ＬＦが主にイオンの入射角を狭めて、ホールＨの垂直エッチングを可能にする。

Ｂ期間ではＬＦはＨｉｇｈを維持し、ＨＦをＭｉｄｄｌｅに下げることで、図５（ｂ）に示すように、ラジカル密度を低下させ、イオン／ラジカル比が高くなる。これにより、エッチングレートは高く維持されると共に、マスク１０２の形状Ｉの角がとれ、マスクのクロッギングを制御する。

また、Ａ期間及びＢ期間には、第２のＤＣ生成部３２ｂからシャワーヘッド１３の導電性部材に第１の負電圧（－Ｖ１）を印加することで、陽イオンがシャワーヘッド１３に叩き込まれる。これにより、シャワーヘッド１３から二次電子が生成され、二次電子がホールＨ（凹部）の底部まで届き、底部に溜まった陽イオンによる電荷のチャージをキャンセルできる。以上のように、ＬＦに加えてシャワーヘッド１３の導電性部材に第１の負電圧（－Ｖ１）を印加することで、電子密度を高め、ホールＨの底部をチャージキャンセル（ホールＨの底部の電荷を中和する）してもよい。

Ｃ期間ではＨＦはＭｉｄｄｌｅを維持し、ＬＦをオフに制御、第２のＤＣ生成部３２ｂからの第２の負電圧（－Ｖ２）を印加することで、図５（ｃ）に示すように、イオンに対するラジカル比を制御し、ラジカルの比率を上げる。これにより、マスク１０２に反応生成物を付けてマスク１０２の歪みを解消し、マスク１０２の形状Ｉを改善する。第１の負電圧（－Ｖ１）及び第２の負電圧（－Ｖ２）は、第１の直流電圧の一例である。

Ｄ期間ではＬＦをオフに維持し、ＨＦをＬｏｗ（又はオフ）に制御、第２のＤＣ生成部３２ｂからの第２の負電圧（－Ｖ２）を印加する。これにより、電子温度及びイオンは比較的急速に減衰する一方、ラジカルの減衰は比較的緩やかなため、プラズマ中のイオンの比率が下がると共にイオンエネルギーも低くなり、反応生成物量が多くなる。このため、ホールＨ側壁及びマスク１０２の側壁や上部に反応生成物が付着して保護膜１０３が形成される。また、余分な成分やエッチング中に生成される副生成物は排気されることで、側壁保護を適度に保つことができる。

Ｃ期間及びＤ期間では、第２のＤＣ生成部３２ｂからシャワーヘッド１３の導電性部材に第２の負電圧（－Ｖ２）を印加する。このように、ＬＦのオフ期間に同期させて第２のＤＣ生成部３２ｂからさらに大きな負電圧を印加することにより、プラズマの電子密度やイオンの入射角の制御や、より大きなチャージキャンセル（ホールＨの底部を中性にする）に寄与できる。

＜第４実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、第４実施形態に係るプラズマ処理方法について、図６を参照しながら説明する。図６は、第４実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図である。第４実施形態では、第３実施形態に係るプラズマ処理方法と異なる処理のみ説明し、同じ処理については説明を省略する。

第３実施形態に係るプラズマ処理方法では、第４のレベルのＬＦを、第２のレベルのＨＦが出力されている期間中にオフした。これに対して、第４実施形態に係るプラズマ処理方法では、第４のレベルのＬＦを、第３のレベルのＨＦが出力されている期間中にオフするように制御される。

すなわち、図６に示すＡ期間、Ｂ期間及びＤ期間におけるＨＦ，ＬＦ、ＤＣの制御は図５に示すＡ期間、Ｂ期間及びＤ期間の各制御と同じであり、Ｃ期間におけるＨＦ，ＬＦ、ＤＣの制御のみ第３実施形態の制御と逆になる。具体的には、Ｃ期間におけるＨＦはＬｏｗ（又はオフ）に制御され、Ｃ期間におけるＬＦはＢ期間に引き続きＨｉｇｈに制御され、Ｃ期間におけるＤＣは第１の負電圧（－Ｖ１）に制御される。

これにより、図５（ｃ）に示すＣ期間では、イオンに対するラジカルの比率を上げて反応生成物リッチな状態にしたが、図６（ｃ）に示すＣ期間では、イオンに対するラジカルの比率を下げて反応生成物レスの状態にする。

例えば、ホールＨの側壁にボーイングが発生している場合、第３実施形態に係るプラズマ処理方法を適用し、Ｃ期間において反応生成物リッチな状態にしてボーイングを抑制しつつ、マスク１０２を保護することが好ましい。

一方、例えば、マスク１０２の形状に問題がなく、なるべくイオンエネルギーを上げてエッチングレートを上げたい場合には、第４実施形態に係るプラズマ処理方法を適用し、Ｃ期間において反応生成物レスな状態にしてエッチングレートを高めることが好ましい。これにより、スループットを向上させることができる。

＜第５実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、第５実施形態に係るプラズマ処理方法について、図７を参照しながら説明する。図７は、第５実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図である。第５実施形態では、第４実施形態に係るプラズマ処理方法と異なる処理のみ説明し、同じ処理については説明を省略する。

第４実施形態に係るプラズマ処理方法では、Ａ期間においてＨＦとＬＦがＨｉｇｈに制御された。これに対して、第５実施形態に係るプラズマ処理方法では、ＨＦとＬＦの位相をずらす。つまり、第１のレベル及び第２のレベルのＨＦをＬｏｗ（又はオフ）した後に第４のレベル（Ｈｉｇｈ）のＬＦを出力する。

ＨＦとＬＦとを重畳させて供給すると、イオンエネルギーが高くなりマスク１０２へのダメージが大きくなる。一方、本実施形態のようにＨＦとＬＦとの位相がずれていると、イオンエネルギーを制御でき、Ａ期間～Ｃ期間において、図７（ａ）～（ｃ）に示すようにマスク１０２の形状を良好に保てる。なお、Ａ期間及びＢ期間では、ＨＦをＨｉｇｈ又はＭｉｄｄｌｅに制御することで、イオンに対するラジカルの比を制御し、マスク１０２の形状及びマスク１０２のクロッギングを制御する。

Ｃ期間のオフ区間では電子温度が一気に下がる（図３のプラズマポテンシャル（Ｔ_ｅ）参照）。これを利用して、Ｃ期間のオフ区間で電子及び陽イオンの拡散が抑制される。続くＤ期間でのイオンの入射角が狭まり、垂直性を確保できる。また、Ｃ期間では、イオンエネルギーが低くなることにより保護膜１０３による側壁保護が促進される。

Ｄ期間においてＬＦをＨｉｇｈに制御することで、ＬＦの働きにより反応生成物レスな状態であって、かつ、イオンの入射角を狭くし、ホールＨの垂直エッチングが可能になる。

なお、Ａ～Ｃ期間では、第２のＤＣ生成部３２ｂから第２の負電圧（－Ｖ２）を印加し、Ｄ期間では、第２のＤＣ生成部３２ｂから第１の負電圧（－Ｖ１）を印加する。このように、ＬＦの制御に同期させて負電圧の大きさを変化させることにより、プラズマの電子密度やイオンの入射角の制御、チャージキャンセルに寄与できる。

＜第６実施形態＞
［プラズマ処理方法］
次に、第６実施形態に係るプラズマ処理方法について、図８を参照しながら説明する。図８（ａ）及び（ｂ）は、第６実施形態に係るプラズマ処理方法の一例を示す図である。図８（ａ）の第６実施形態に係るプラズマ処理方法では、図２の第１実施形態に係るプラズマ処理方法と比較して、Ａ期間とＢ期間の間にＨＦ及びＬＦをオフするＥ期間がある。また、Ｄ期間と次のサイクルのＡ期間の間にＨＦ及びＬＦをオフするＦ期間がある。

また、図８（ｂ）の第６実施形態に係るプラズマ処理方法では、図５の第３実施形態に係るプラズマ処理方法と比較して、Ａ期間とＢ期間の間にＨＦ及びＬＦをオフするＥ期間がある。また、Ｄ期間と次のサイクルのＡ期間の間にＨＦ及びＬＦをオフするＦ期間がある。

つまり、第６実施形態に係るプラズマ処理方法では、第４のレベルのＬＦの出力期間の後、第１のレベルのＨＦの出力期間の前に、ＨＦ及びＬＦをオフする期間を設けるように制御してもよい。

また、第６実施形態に係るプラズマ処理方法では、第１のレベルのＨＦの出力期間の後、第２のレベルのＨＦの出力期間の前に、ＨＦ及びＬＦをオフする期間を設けるように制御してもよい。

ＨＦ及びＬＦをオフするＥ期間及びＦ期間には、イオンエネルギーの低下による側壁保護の促進と、排気の促進を図ることができる。なお、ＨＦ及びＬＦをオフする期間は、Ｅ期間及びＦ期間の少なくともいずれかであってもよい。また、Ｅ期間及びＦ期間は、ＨＦ及び／又はＬＦをオフ又はＬｏｗに制御してもよい。

［第１、第２、第５実施形態における共通事項］
第１、第２、第５実施形態において共通するＨＦ及び／又はＬＦの制御のオプションについて説明する。第１、第２、第５実施形態のＤ期間の第４のレベルのＬＦを、第１、第２、第５実施形態のＡ期間の第１のレベルのＨＦよりも小さく、かつＢ期間の第２のレベルのＨＦよりも小さく制御してもよい。

Ｄ期間の第４のレベルのＬＦを、Ａ期間の第１のレベルのＨＦよりも小さく、かつＢ期間の第２のレベルのＨＦのよりも大きく制御してもよい。

Ａ期間の第１のレベルのＨＦを、Ｄ期間の第４のレベルのＬＦよりも小さく、かつＢ期間の第２のレベルのＨＦよりも大きく制御してもよい。

第４のレベルのＬＦの出力期間を、第３のレベルのＨＦの出力期間より短くなるように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦの出力期間を、第３のレベルのＨＦの出力期間より長くなるように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦの出力期間中に第２のＤＣ生成部３２ｂから直流電圧を印加してもよい。直流電圧は、負電圧であってもよい。

［第３、第４実施形態における共通事項］
第３、第４実施形態において共通するＨＦ及び／又はＬＦの制御のオプションについて説明する。第３、第４実施形態の第４のレベルのＬＦを、第２のレベルのＨＦが出力されている期間中にオフするように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦを、第３のレベルのＨＦが出力されている期間中にオフするように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦを、第１のレベルのＨＦ及び第２のレベルのＨＦよりも小さくなるように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦを、第１のレベルのＨＦよりも小さく、かつ第２のレベルのＨＦよりも大きくなるように制御してもよい。

第１のレベルのＨＦを、第４のレベルのＬＦよりも小さく、かつ第２のレベルのＨＦよりも大きくなるように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦの出力期間を、第１のレベル及び第２のレベルのＨＦの合計出力期間より短くなるように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦの出力期間を、第１のレベル及び第２のレベルのＨＦの合計出力期間より長くなるように制御してもよい。

第４のレベルのＬＦの出力期間中に第２のＤＣ生成部３２ｂから直流電圧を印加してもよい。直流電圧は、負電圧であってもよい。

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、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。

本開示のプラズマ処理装置は、Capacitively Coupled Plasma(CCP)に限られず、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Atomic Layer Deposition(ALD)装置、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のいずれのタイプの装置にも適用可能である。

１ プラズマ処理装置
２ 制御部
２ａ コンピュータ
２ａ１ 処理部
２ａ２ 記憶部
２ａ３ 通信インターフェース
１０ プラズマ処理チャンバ
１１ 基板支持部
１３ シャワーヘッド
２１ ガスソース
２０ ガス供給部
３０ 電源
３１ ＲＦ電源
３１ａ 第１のＲＦ生成部
３１ｂ 第２のＲＦ生成部
３２ａ 第１のＤＣ生成部
３２ｂ 第２のＤＣ生成部
４０ 排気システム
１００ シリコン基板
１０１ エッチング対象膜
１０２ マスク
１１１ 本体部
１１２ リングアセンブリ

Claims (10)

1. 真空排気可能な処理チャンバと、
   前記処理チャンバ内に配置された第１電極又はアンテナと、
   前記第１電極又は前記アンテナに対向し、被処理基板を支持する第２電極と、
   前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナに接続され、前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナにプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給する第１の高周波電力供給部と、
   前記第２電極に接続され、前記第２電極にバイアス用の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電力供給部と、
   前記処理チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   前記第１の高周波電力供給部及び前記第２の高周波電力供給部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１の高周波電力供給部から０以上の異なるレベルである第１のレベル、第２のレベル、及び第３のレベルの前記第１の高周波電力を順に繰り返し出力し、
   前記第１の高周波電力供給部が前記第３のレベルの前記第１の高周波電力を出力後、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力が出力されるまでの期間に前記第２の高周波電力供給部から０以上、かつ、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力及び前記第２のレベルの前記第１の高周波電力よりも小さい第４のレベルの前記第２の高周波電力を繰り返し出力するように制御する、プラズマ処理装置。
2. 真空排気可能な処理チャンバと、
   前記処理チャンバ内に配置された第１電極又はアンテナと、
   前記第１電極又は前記アンテナに対向し、被処理基板を支持する第２電極と、
   前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナに接続され、前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナにプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給する第１の高周波電力供給部と、
   前記第２電極に接続され、前記第２電極にバイアス用の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電力供給部と、
   前記処理チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   前記第１の高周波電力供給部及び前記第２の高周波電力供給部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１の高周波電力供給部から０以上の異なるレベルである第１のレベル、第２のレベル、及び第３のレベルの前記第１の高周波電力を順に繰り返し出力し、
   前記第１の高周波電力供給部が前記第３のレベルの前記第１の高周波電力を出力後、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力が出力されるまでの期間に前記第２の高周波電力供給部から０以上、かつ、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力よりも小さく、かつ、前記第２のレベルの前記第１の高周波電力よりも大きい第４のレベルの前記第２の高周波電力を繰り返し出力するように制御する、プラズマ処理装置。
3. 真空排気可能な処理チャンバと、
   前記処理チャンバ内に配置された第１電極又はアンテナと、
   前記第１電極又は前記アンテナに対向し、被処理基板を支持する第２電極と、
   前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナに接続され、前記第１電極、前記第２電極又は前記アンテナにプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給する第１の高周波電力供給部と、
   前記第２電極に接続され、前記第２電極にバイアス用の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電力供給部と、
   前記処理チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   前記第１の高周波電力供給部及び前記第２の高周波電力供給部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１の高周波電力供給部から０以上の異なるレベルである第１のレベル、第２のレベル、及び第３のレベルの前記第１の高周波電力を順に繰り返し出力し、
   前記第１の高周波電力供給部が前記第３のレベルの前記第１の高周波電力を出力後、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力が出力されるまでの期間に前記第２の高周波電力供給部から０以上の第４のレベルの前記第２の高周波電力を繰り返し出力するように制御し、
   前記第１のレベルの前記第１の高周波電力は、前記第４のレベルの前記第２の高周波電力よりも小さく、かつ、前記第２のレベルの前記第１の高周波電力よりも大きい、プラズマ処理装置。
4. 真空排気可能な処理チャンバと、
   前記処理チャンバ内に配置された第１電極と、
   前記第１電極に対向し、被処理基板を支持する第２電極と、
   前記第１電極、前記第２電極に接続され、前記第１電極、前記第２電極にプラズマ生成用の第１の高周波電力を供給する第１の高周波電力供給部と、
   前記第２電極に接続され、前記第２電極にバイアス用の第２の高周波電力を供給する第２の高周波電力供給部と、
   前記第１電極に接続され、前記第１電極に直流電圧を供給する直流電圧源と、
   前記処理チャンバ内に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   前記第１の高周波電力供給部及び前記第２の高周波電力供給部を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１の高周波電力供給部から０以上の異なるレベルである第１のレベル、第２のレベル、及び第３のレベルの前記第１の高周波電力を順に繰り返し出力し、
   前記第１の高周波電力供給部が前記第３のレベルの前記第１の高周波電力を出力後、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力が出力されるまでの期間に前記第２の高周波電力供給部から０以上の第４のレベルの前記第２の高周波電力を繰り返し出力するように制御し、
   前記第４のレベルの前記第２の高周波電力の出力期間中に前記直流電圧源から第１の直流電圧を印加するように制御する、プラズマ処理装置。
5. 前記直流電圧は、負電圧である、
   請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記制御部は、前記第１の高周波電力を、前記第１のレベル＞前記第２のレベル＞前記第３のレベルになるように制御する、
   請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記制御部は、前記第１の高周波電力を、前記第２のレベル＞前記第１のレベル＞前記第３のレベルになるように制御する、
   請求項１、請求項４、請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記制御部は、前記第４のレベルの前記第２の高周波電力の出力期間を、前記第３のレベルの前記第１の高周波電力の出力期間より短くなるように制御する、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記制御部は、前記第４のレベルの前記第２の高周波電力の出力期間の後、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力の出力期間の前に、前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力をオフ又は制御されるレベルの内の最も低いレベルにする期間を設けるように制御する、
   請求項１～８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記制御部は、前記第１のレベルの前記第１の高周波電力の出力期間の後、前記第２のレベルの前記第１の高周波電力の出力期間の前に、前記第１の高周波電力及び前記第２の高周波電力をオフ又は制御されるレベルの内の最も低いレベルにする期間を設けるように制御する、
    請求項１～９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
    

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