WO2017126184A1 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 Download PDF

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惇也 田中
哲郎 小野
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present invention relates to a plasma processing method and a plasma processing apparatus used for manufacturing a semiconductor device or the like.
  • Plasma etching technology is used to manufacture semiconductor devices, such as MOS FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) devices used for electronic devices.
  • MOS FET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • the uniformity of the processing within the substrate surface is required to improve the yield of the substrate.
  • a plasma processing technique used for manufacturing a semiconductor device for example, as described in Patent Document 1, as an apparatus for etching a film structure having a step with high accuracy, a vacuum container and a processing of a vacuum container are performed.
  • a plasma processing apparatus comprising: a supply means; an electric field supply means for supplying an electric field for generating plasma in the processing chamber; and an adjustment device for adjusting the energy distribution of ions in the plasma incident on the wafer by high-frequency power. It has been known.
  • the adjusting device is a mechanism for independently changing the energy and distribution of ions incident on the wafer by controlling the output ratio (mixing ratio) of bias power at a plurality of frequencies by a plurality of bias applying devices. .
  • an AM-modulated high frequency voltage is applied by a cathode coupling type plasma processing apparatus, or anode coupling is performed.
  • a technique of applying an FM-modulated high-frequency voltage with a plasma processing apparatus of the type is known.
  • the waveform of the high-frequency power obtained by synthesizing different frequencies changes in a complex manner, and it may not be easy to determine the optimum conditions. Furthermore, it is necessary to match the impedance in accordance with the problem of crosstalk in which the electrical signals are mixed with each other and the mixing ratio of the power, and measures for these structures are required.
  • Patent Document 2 is a technique for generating plasma with a modulated high-frequency voltage and controlling the electron temperature distribution in the plasma and the types and amounts of generated ions and radicals.
  • the incident energy of ions cannot be controlled independently. For this reason, it is insufficient to further improve the controllability of ions incident on the substrate. Since FM modulation of the high frequency voltage is performed by a single power source, switching at the time of frequency change is inferior in speed and is not suitable for more accurate control.
  • An object of the present invention is to provide a plasma processing method and apparatus capable of further improving the controllability of ion incidence onto a substrate.
  • the purpose of the above is to convert the processing gas supplied into the processing chamber into a plasma with high-frequency power for plasma generation, and to apply high-frequency bias power of a different frequency to the sample stage on which the sample is placed, to generate plasma and to ion
  • the plasma is generated by the continuous discharge generated by the continuously supplied power or the duty ratio is set by the intermittently supplied power.
  • a plasma processing method in which at least two bias powers of different frequencies are switched and repeatedly applied to the sample stage when plasma is generated, and the pulse discharge is generated;
  • a processing chamber having a sample stage therein and supplied with a processing gas and evacuated to a desired pressure; a plasma generation power source that is coupled to the processing chamber and converts the processing gas supplied into the processing chamber into plasma;
  • a bias power source that is connected to the sample stage and supplies bias power of different frequencies, and generates plasma by the plasma generation power source and controls the incident energy of ions to the sample placed on the sample stage by the bias power source.
  • the plasma generation power source can be set to supply power for continuous discharge of plasma and power supply for pulse discharge of plasma, and the bias power source has different frequencies. It consists of at least two power supplies that output bias power.
  • the setting range of bias power of different frequencies can be expanded, and the controllability of ion incidence onto the substrate can be further improved.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the example of a switching output of the output mixing area
  • FIG. 2nd Example of this invention It is a figure which shows the trigger signal for control of the high frequency power supply for plasma generation and the high frequency power supply for bias in the apparatus of FIG.
  • the embodiment shown below uses the change in the incident energy distribution of ions from the plasma, which changes depending on the frequency of the high frequency bias power, to the substrate to be processed (hereinafter referred to as “wafer”), thereby improving the controllability of ion incidence onto the wafer.
  • the in-plane uniformity of the etching process of the wafer that is, the in-plane uniformity of the etching rate and the in-plane uniformity of the etching shape can be obtained. is there.
  • the means controls the bias voltage to the wafer independently, that is, the sample stage for applying energy to the ions incident on the wafer separately from the control of the high frequency power for generating the plasma.
  • the high frequency power to be applied is controlled independently, and the high frequency power to be applied to the sample stage is controlled by using a plurality of high frequency bias power sources having different frequencies, and alternately and repeatedly supplying the high frequency bias power having different frequencies.
  • the high frequency bias of each frequency up to the maximum allowable value of Vpp of the high frequency bias voltage that can be applied to the sample stage during processing.
  • the power supply can be set, and the controllability of ion incidence to the wafer is further improved.
  • Fig. 1 shows the configuration of the plasma processing apparatus.
  • the vacuum vessel 101 constituting the processing chamber is a cylindrical vessel made of a conductive material such as aluminum and is electrically grounded (grounded).
  • the upper opening of the vacuum vessel 101 is sealed by a top plate 102 made of a material that can transmit electromagnetic waves, for example, quartz.
  • a vacuum evacuation device for evacuating the inside to a predetermined pressure is connected to the lower center of the vacuum vessel 101.
  • a waveguide 103 is provided on the top plate 102 so as to cover the top plate 102, and a high-frequency power source for plasma generation (hereinafter referred to as “plasma power source 105”) is connected via a matching unit 104.
  • plasma power source 105 a high-frequency power source for plasma generation
  • the plasma power source 105 oscillates a microwave of 2.45 GHz.
  • the oscillated microwave propagates through the waveguide 103 and is introduced into the vacuum vessel 101 through the top plate 102.
  • a solenoid coil 106 for forming a magnetic field in the vacuum vessel 101 is wound around the vacuum vessel 101.
  • a shower plate 108 is provided above the vacuum vessel 101 below the top plate 102, and a gas supply device 107 is connected between the top plate 102 of the vacuum vessel 101 and the shower plate 108.
  • the processing gas is supplied from the gas supply device 107 to the space between the top plate 102 and the shower plate 108, and the processing gas is supplied to the processing chamber formed in the vacuum vessel via the shower plate 108.
  • a sample stage 109 is provided in the vacuum container 101, and a wafer is loaded from a wafer carry-in entrance (not shown) and placed and held on the sample stage 109.
  • the sample stage 109 includes a plurality of, in this case, two high frequency power sources for bias of different frequencies, a first high frequency bias power source having a frequency of 13.56 MHz (hereinafter referred to as “first bias power source 113”) and a frequency of 400 KHz.
  • a second high-frequency bias power source (hereinafter referred to as “second bias power source 114”) is electrically connected in parallel via the filter 110 and the first and second matching units 111 and 112.
  • the filter 110 in this case performs a power supply (not shown) during output of the first bias power supply 113 (for example, a power supply of an electrostatic chuck for holding a wafer connected to the sample stage 109 and a wafer temperature control).
  • a function eg, High Pass Filter
  • From a power source other than the second bias power source 114 including the omitted power source for example, the power source of an electrostatic chuck for holding a wafer connected to the sample stage 109 or the power source of a heater for controlling the temperature of the wafer).
  • a function of not allowing the output to pass to the second bias power source 114 side (for example, Low Pass Filter).
  • the plasma power source 105 and the first and second bias power sources 113 and 114 are connected to the control device 115, and output control of each power source described later is performed.
  • the processing gas supplied into the vacuum vessel 101 acts on the action of a microwave electric field introduced through the top plate 102 and a magnetic field formed by a solenoid coil (for example, an electron Plasma is formed by cyclotron resonance (Electron Cyclotron Resonance (ECR)), and plasma is formed in a space between the shower plate 108 and the sample stage 109.
  • a microwave electric field introduced through the top plate 102 and a magnetic field formed by a solenoid coil for example, an electron Plasma is formed by cyclotron resonance (Electron Cyclotron Resonance (ECR)
  • ECR Electro Cyclotron Resonance
  • high frequency power having a frequency of 13.56 MHz is applied to the sample stage 109 from the first bias power source 113, and high frequency power having a frequency of 400 KHz is applied from the second bias power source 114.
  • These high-frequency powers applied to the sample stage 109 are controlled independently of the generation of the plasma, and generate a bias voltage that causes ions in the plasma to enter the wafer.
  • the distribution of ion incident energy differs depending on the frequency of the high frequency bias.
  • the distribution width of the ion energy distribution is narrow at high frequencies, and the ion energy distribution is low at low frequencies.
  • the width of the distribution is wide and has peaks near both ends of the distribution.
  • the processing state of the wafer differs.
  • the output control of the plasma power source 105 and the first and second bias power sources 113 and 114 performed by the control device 115 is performed, for example, as shown in FIG.
  • the plasma power source 105 continuously outputs microwaves and continuously generates plasma in any of FIGS. 2 (a), 2 (b), and 2 (c).
  • the first and second bias power supplies 113 and 114 are continuously switched. As shown in FIG. 2A, the switching between the first and second bias power supplies 113 and 114 is performed at a high frequency (13.56 MHz) after the supply of high-frequency power at a low frequency (400 KHz) (time t (b)).
  • the high frequency power is supplied (time t (c)), and this is repeated with the time t (a) of one switching cycle as one cycle.
  • the repetition frequency is set between 100 Hz and 3 kHz, and in this case, 1 kHz.
  • the ratio of the output times (t (b), t (c)) of the first and second bias power supplies 113, 114 within one cycle (time t (a)) is 0%.
  • the ratio of time t (b) to time t (c) within time t (a) is 20% for time t (b) and 80% for time t (c).
  • both time t (b) and time t (c) are 50%.
  • the time t (b) is 80% and the time t (c) is 20%.
  • the etching process is a planar gate formed by sequentially laminating a SiO 2 film 202, a Poly-Si film 203, and a mask film 204 made of a hard mask on the Si substrate 201, that is, the film structure shown in FIG. The wafer on which electrodes are formed was targeted.
  • Etching conditions include a mixed gas of HBr and O 2 as a processing gas, a total gas flow rate of 200 ml / min, a pressure of 0.4 Pa, an output of the plasma power source 105 of 800 W, an output of the first bias power source 113 and a second bias.
  • Each output of the power supply 114 was set to 25W.
  • the etching rates of the Poly-Si film and the SiO 2 film were evaluated.
  • FIG. 3 (a) shows an etching rate distribution corresponding to the output control of FIG. 2 (a).
  • FIG. 3B shows an etching rate distribution corresponding to the output control of FIG. 2B.
  • FIG. 3C shows an etching rate distribution corresponding to the output control of FIG. 2C.
  • the wafer outer periphery It has been found that the etching rate distribution in the wafer surface can be controlled because the etching rate of the portion decreases.
  • the plasma processing apparatus used in this example is a plasma processing apparatus that utilizes the interaction between the microwave electric field and the magnetic field generated by the solenoid coil.
  • a current flows between the sample stage 109 and the grounded vacuum container 101 through plasma by the high frequency bias power applied to the sample stage 109
  • a magnetic field formed in the vacuum container 101 is formed.
  • the electrons in the plasma will cross.
  • the movement distance of electrons to the inner wall surface of the vacuum vessel 101 serving as a ground is different between the central portion and the outer peripheral portion of the wafer, that is, the wafer central portion is closer to the inner wall surface of the vacuum vessel 101 than the outer peripheral portion. Since the distance becomes longer, the impedance at the center of the wafer increases to the ground than the outer periphery of the wafer.
  • the impedance is related to the frequency of the high frequency power, and the impedance increases as the frequency increases. For this reason, with high frequency high frequency power, the current flows easily in the outer periphery of the wafer where the impedance is smaller than that in the center of the wafer, and the amount of ions from the plasma incident on the wafer increases due to the application of the high frequency bias. The etching rate at the outer peripheral portion is increased.
  • the gas flow in the vacuum vessel 101 is exhausted from the upper part to the lower part of the vacuum vessel 101 through the peripheral space of the sample stage 109.
  • the active species from the plasma supplied to the periphery of the wafer is less than that in the central portion of the wafer, the etching rate is reduced, and the amount of the medium and high etching rates is reduced. It is considered that the etching rate distribution, that is, the middle-high etching rate distribution is obtained.
  • the etching rate distribution is also affected by temperature control within the wafer surface, but is not considered in this discussion.
  • the etching rate distribution is changed from the external high to the medium high by changing the ratio of the output time of the high frequency power of the low frequency (400 KHz) and the high frequency (13.56 MHz).
  • the condition that the etching rate distribution is substantially uniform that is, the ratio of the output time of the low frequency and high frequency high frequency power.
  • the etching rate in the wafer surface can be made uniform. In this way, by switching the output of high-frequency power at a low frequency and high-frequency power at a low frequency alternately so that the ratio of the output time of each power can be controlled, the controllability of ion incidence on the wafer is possible. Can be further improved.
  • high-frequency power having two different frequencies is supplied to the sample stage 109.
  • the high-frequency power is supplied from the other bias power source. Therefore, no current flows into the sample stage 109 from the other bias power source. Therefore, occurrence of crosstalk can be prevented, and high frequency power for bias can be stably supplied to the sample stage 109.
  • a high frequency power source of 13.56 MHz and a high frequency power source of 400 KHz are used as the bias power source.
  • the frequency is such that ions in the plasma can follow and the difference in impedance becomes large. It is better to select the frequency. Further, whichever of the low-frequency and high-frequency high-frequency powers may be switched first.
  • the output voltage (Vpp) is the same for both the low frequency and high frequency high frequency power sources, but as shown in FIG. (Vpp1) and the output voltage (Vpp2) of the high frequency high frequency power supply can be set to different values. In this case, Vpp1> Vpp2, but this can be reversed.
  • the ratio of the output of each of the first bias power source and the second bias power source within one cycle is changed, and the output is alternately switched and periodically applied to the sample stage.
  • the etching rate distribution can be controlled, and the uniformity within the wafer surface can be improved. This also makes it possible to control the distribution of the etching shape in the wafer surface.
  • the maximum allowable power is set to the respective high frequency in the electrical allowable range of the sample stage to which the high frequency power for bias is applied. Output from the power source is possible, and the degree of freedom of setting according to processing is improved.
  • the output of the bias power source is continuously switched without switching time between high frequency power of low frequency and high frequency power of high frequency.
  • a mixing region may be provided at the time of switching.
  • the output from each high-frequency power source at the time of switching in the mixed region gradually decreases the output of the previous high-frequency power source and gradually increases the output of the subsequent high-frequency power source as shown in FIG.
  • FIG. 7B the output of the previous high frequency power supply is lowered stepwise and the output of the subsequent high frequency power supply is raised stepwise.
  • the outputs from the respective high frequency power sources in the mixed region must be such that the sum (total) of the outputs does not exceed the maximum allowable value. Further, it is desirable that the matching between the low frequency high frequency power and the high frequency high frequency power is performed in a period other than the mixed region. By doing in this way, the low frequency high frequency power and the high frequency high frequency power can be stably matched.
  • Fig. 8 shows the configuration of the plasma processing apparatus.
  • the same reference numerals as those in FIG. 1 differs from the apparatus of FIG. 1 in that the outputs of the plasma power supply and the bias power supply are detected and the outputs of the bias power supply are synchronized when the output of the plasma power supply is intermittently time-modulated. The point is that the timing can be controlled.
  • a Vpp detector 301 is connected to the matching unit 104 for the plasma power source 105, the rising of the output of the plasma power source 105 is detected by the Vpp detector 301, and the detection signal is transmitted to the output detection unit 305 as a trigger signal 302.
  • a Vpp detector 303 is connected to the sample stage 109, rising edges of the outputs of the first bias power supply 113 and the second bias power supply 114 are detected by the Vpp detector 303, and the detection signal is transmitted to the output detection unit 305 as a trigger signal 304. To do.
  • the output detection unit 305 calculates the time difference (t) between the trigger signals 302 and 304 shown in FIG. 9 transmitted from the Vpp detectors 301 and 303 and transmits the time difference signal 306 to the output control unit 307.
  • the output control unit 307 corrects the time difference (t) based on the received time difference signal 306, and synchronizes the outputs of the plasma power source 105, the first bias power source 113, and the second bias power source 114 controlled by the control device 115 ′. .
  • the output detection unit 305 and the output control unit 307 are incorporated in the control device 115 ′, but these are separated from the control device, and the values corrected by the output control unit 307 are used as respective correction signals for the plasma.
  • the power may be transmitted to the power source 105, the first bias power source 113, and the second bias power source 114 and fed back to synchronize the outputs of the first bias power source 113 and the second bias power source 114 with the output of the plasma power source 105. .
  • FIG. 10 (a) shows the same output state as FIG. 2 (b), the same control as in the previous embodiment is possible, and it is high after the supply of high frequency power at a low frequency (time t (b)).
  • Supply of high frequency power of a frequency (time t (c)) is performed, and this is repeated with time t (a) as one cycle.
  • FIG. 10B shows the case where the high frequency power for plasma is continuous and the high frequency power for bias is duty ratio controlled to output intermittently alternately.
  • the outputs of the first and second bias power supplies 113 and 114 are respectively controlled with a duty ratio of 50%, a power supply stop period is provided after the supply of the low frequency high frequency power (time t (d)), and the high frequency After the supply of high-frequency power (time t (e)), a power supply stop period is provided, and this is repeated with time t (a) as one cycle.
  • FIG. 10C shows a case where the output of the high frequency power for the plasma and the output of the high frequency power for the bias are controlled with the same duty ratio, and the output is controlled intermittently.
  • one of the high-frequency powers for plasma generation has time (b) as one cycle, power is supplied for a time t (d) at a duty ratio of 50%, and intermittent discharge, that is, pulse discharge is performed. Is called.
  • time t (b) and time t (c) are equal
  • time t (d) and time t (e) are equal.
  • the outputs of the first and second bias power supplies 113 and 114 are performed in the same manner as in FIG. 10B, and this is repeated with time t (a) as one cycle.
  • the repetition frequency of the output of the plasma power supply is twice the repetition frequency of the output of the bias power supply, and the supply of the low frequency high frequency power for bias (time t ( d)) and a high frequency high frequency power supply (time t (e)) are performed.
  • the etching rate distribution as shown in FIG. 11 is obtained.
  • the wafer etching rate distribution shown in FIG. 11 is obtained when the wafer having the laminated structure shown in FIG. FIG. 11 (a) corresponds to the control of FIG. 10 (a), and the etching rate has a substantially uniform distribution in the wafer surface as in FIG. 3 (b).
  • the Poly-Si etching rate was 51.6 nm / min
  • the SiO 2 etching rate was 1.7 nm / min
  • the selection ratio of Poly-Si / SiO 2 was 30.4.
  • FIG. 11B corresponds to the control of FIG. 10B.
  • the bias RF power output is controlled to be turned on / off at a duty ratio of 50%, and the etching rate distribution is almost uniform on the wafer surface. was gotten.
  • the Poly-Si etching rate is 51.6 nm / as shown in FIG.
  • the SiO 2 etch rate decreased from 1.7 nm / min to 0.9 nm / min from min to 45.2 nm / min, the selectivity ratio of Poly-Si / SiO 2 was improved from 30.4 to 50.2 and high. The selectivity can be obtained.
  • FIG. 11 (c) corresponds to the control of FIG. 10 (c), and the output of the high frequency power for plasma generation and the output of the high frequency power for bias is on / off controlled at a duty ratio of 50%, respectively.
  • the Poly-Si etching rate is 45.2 nm / as shown in FIG.
  • FIG. 12 shows an etching shape when the wafer is etched by the control shown in FIGS. 10 (b) and 10 (c).
  • FIG. 12A shows an initial shape before etching in which a dense and dense pattern is formed on the wafer having the laminated structure shown in FIG.
  • FIG. 12B shows the etched shape after the processing in the output control of FIG. 10B.
  • the control as shown in FIG. 10B that is, when only the high frequency power for bias is controlled on and off in the continuous discharge state.
  • the dense Poly-Si film 203 is etched vertically, but the sparse Poly-Si film 203 has a tapered shape.
  • FIG. 12C shows the etched shape after the process in the output control of FIG. 10C, and control as shown in FIG. 10C, that is, the high frequency power for plasma generation and the high frequency power for bias are synchronized.
  • the dense Poly-Si film 203 is etched vertically, and the sparse Poly-Si film 203 is also etched substantially vertically.
  • the control of FIG. 10C resulted in a lower etching rate as described above.
  • the on / off control in which the high frequency power for plasma generation and the high frequency power for bias are synchronized in the etching process for a wafer having a sparse / dense pattern. In-plane uniformity of shape was obtained and effective. This is because, as shown in FIG. 10C, the degree of plasma dissociation can be controlled by using pulse discharge for plasma generation, and the generation of sedimentary species in the plasma is suppressed, and the plasma is supplied to the etched sidewall surface of the dense portion. Therefore, it is considered that an etching process having a substantially vertical shape that can be tolerated in the sparse / dense portion can be performed.
  • FIGS. 10B and 10C show examples in which the high-frequency power for plasma generation and / or bias is controlled to be turned on / off at a duty ratio of 50%.
  • the optimum duty ratio at ON is changed according to the material and structure, that is, the ratio of the time t (d) to the time t (b) and the ratio of the time t (e) to the time t (c) are arbitrarily set. It goes without saying that it can be changed.
  • the duty ratio is set so that the high frequency power of the high and low frequencies for bias is intermittently controlled on and off, but the duty ratio of the high frequency power of either high or low frequency is set to 100%.
  • the other high-frequency power can be intermittently controlled on and off.
  • the on / off timings of the high frequency power for plasma generation and the bias are controlled substantially simultaneously, but the high frequency power for bias is within the on time of the high frequency power for plasma generation. If ON / OFF is performed, the ON / OFF timing of the high frequency power for bias is not limited to this.
  • the in-plane distribution of the etching rate can be adjusted similarly to the above-described one embodiment, and the in-plane distribution of the etching rate can be made uniform.
  • in-plane uniformity of the etching shape can be improved by applying time modulation for turning on / off the high-frequency power. In this way, by using a configuration in which the output of the high-frequency power of the low frequency and the high-frequency power of the high frequency is alternately switched and the ratio of the output time of each power can be controlled, the controllability of ion incidence to the wafer is achieved. Can be further improved.
  • FIG. 10 (c) shows that time t (b) and time t (c) in which ON / OFF of the high-frequency power for plasma generation is one cycle are made equal, and time (b)
  • time t (f) the time during which the high-frequency power for plasma generation is turned on is defined as the time t (f) within one period of time t (a) in which switching between the low frequency and high frequency high-frequency power is performed.
  • switching between a low frequency for bias and high frequency power of a high frequency may be performed.
  • the ratio of the output time t (b) of the high-frequency high-frequency power and the output time t (c) of the high-frequency high-frequency power within the period (a) of one cycle is set, and each time t (b ) And t (c), the time t (d) and t (e) when the output of the high frequency power is turned on is set (or the duty ratio of the on time is set), and the output of the low frequency high frequency power for bias is set.
  • the on-time t (f) of the high-frequency power for plasma generation is set (or the duty ratio of the on-time is set) within the time (a) of one cycle, and the bias is used within the time t (f).
  • the time during which the high-frequency power for plasma generation is turned off within one period of time t (a) is the time when the high-frequency power for bias is also turned off.
  • FIG. 15 shows the on-time t (i) and t of the high frequency power in the output time t (g) of the low frequency high frequency power for bias and the output time t (h) of the high frequency high frequency power in FIG. This is an example in which (k) is set (or the duty ratio of each on-time is set).
  • the first and second bias power sources 113 and 114 are connected to the sample stage corresponding to the entire surface of the wafer so that the bias high frequency power acts on the entire surface of the wafer.
  • the sample stage is divided into a plurality of regions.
  • the first and second bias power supplies 113 and 114 are connected to each region in the radial direction, the circumferential direction, or a combination thereof, and bias control is performed under different conditions for each region. May be.
  • the bias power supply in this case may be (1) a plurality of sets provided and controlled independently for each set, or (2) one set of bias power supplies connected in parallel to each region.
  • the high-frequency power that is always output from the control unit may be controlled by changing the conditions for each region through a control circuit that can control the output by changing the ratio of the output time for each region.
  • the plasma processing apparatus is not limited to this, and the inductively coupled type or capacitively coupled type plasma processing apparatus may also be used. Needless to say, it can be applied.

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Abstract

エッチング処理される基板の面内均一性を得るため、基板へのイオンの入射の制御性をより向上させる。 プラズマ処理装置において、プラズマの生成と基板へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、プラズマを連続放電またはパルス放電により生成し、プラズマが生成されているときに試料台に少なくとも２つの異なる周波数のバイアス電力を切り替え交互に繰り返し印加する。

Description

プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置
　本発明は、半導体デバイス等の製造に用いるプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。
　半導体デバイス、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。プラズマを用いた半導体基板（以下、「基板」と略）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。近年のように微細化が進む中で基板面内のエッチング形状の均一化を図るには、プラズマから基板への入射させるイオンの制御が重要になってくる。
　従来、半導体デバイスの製造に用いられるプラズマ処理技術としては、例えば、特許文献１に記載されているように、段差を有する膜構造を高精度にエッチングする装置として、真空容器と、真空容器の処理室内に配置されその上面にウエハが載せられる下部電極と、下部電極にバイアス電位を形成するための高周波電力を供給する異なる周波数の複数のバイアス印加装置と、処理室内に反応性ガスを導入するガス供給手段と、処理室内にプラズマを生成するための電界を供給する電界供給手段と、高周波電力によりウエハに入射するプラズマ中のイオンのエネルギーの分布を調節する調節装置と、を備えたプラズマ処理装置が知られている。また、調節装置は複数のバイアス印加装置による複数の周波数のバイアス電力の出力比（混合比）を制御することによりウエ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する機構となっている。
　また、ウエハへ入射するイオンのエネルギーを制御する技術として、例えば、特許文献２に記載されているように、カソードカップリング形のプラズマ処理装置でAM変調した高周波電圧を印加したり、アノードカップリング形のプラズマ処理装置でＦＭ変調した高周波電圧を印加したりする技術が知られている。
特開２００８－２４４４２９号公報 特開２０００－１５０１９６号公報
　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）がハード上の許容値を超えないようにしなくてはならず、各高周波電力のＶｐｐは許容最大値より小さい範囲で使用することになり、それぞれに最大出力まで出せないので、制御性の点において十分に異なる周波数の特徴を活かせない。
　また、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し、最適な条件出しが容易でない可能性がある。さらに、互いの電気信号同士が混成するクロストークの問題や電力の混合比に応じてインピーダンスの整合を図ることが必要となり、これらの構造上の対策が必要となる。
　また、上述の特許文献２に記載された従来技術は、変調された高周波電圧によってプラズマの生成を行い、プラズマ内の電子温度分布や発生するイオン、ラジカルの種類や量をコントロールする技術であり、イオンの入射エネルギーを独立に制御することはできない。このため、基板に入射するイオンの制御性をより向上させるには不十分である。なお、高周波電圧のＦＭ変調は１つの電源で行われるので、周波数変更時の切り換えに迅速性が劣り、より精度の高い制御には適さない。
　本発明の目的は、基板へのイオンの入射の制御性をより向上させることのできるプラズマ処理方法および装置を提供することにある。
　上記目的は、プラズマ生成用の高周波電力によって処理室内に供給される処理ガスをプラズマ化するとともに試料が配置される試料台に異なる周波数の高周波バイアス電力を印加し、プラズマの生成と試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、処理室内で試料をプラズマ処理する方法において、プラズマは、連続的に供給される電力により生成される連続放電またはデューティー比設定され間欠的に供給される電力により生成されるパルス放電とし、プラズマが生成されているときに試料台に少なくとも２つの異なる周波数のバイアス電力を切り替え交互に繰り返し印加するプラズマ処理方法とし、
試料台をその内部に有し処理ガスが供給されると共に所望の圧力に減圧排気される処理室と、処理室に結合され処理室内に供給される処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成用電源と、試料台に接続され異なる周波数のバイアス電力を供給するバイアス用電源とを有し、プラズマ生成用電源によるプラズマの生成とバイアス用電源による試料台に配置される試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、試料をプラズマ処理する装置において、プラズマ生成用電源は、プラズマを連続放電させる電力の供給と、プラズマをパルス放電させる電力の供給とを設定可能であり、バイアス電源は、異なる周波数のバイアス電力を出力する少なくとも２つの電源から成り、プラズマ生成用電源によるプラズマの生成のとき、異なる周波数のバイアス電力を切り替えて試料台に交互に繰り返し供給するようにバイアス電源を制御する制御装置を具備したプラズマ処理装置とすることにより、達成される。
　本発明により、異なる周波数のバイアス電力の設定範囲を広げることができ、基板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。
本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。 図１の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およ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２の出力を用いてウエハをエッチングしたときの各出力状態におけるエッチングレート分布を示す図である。 図３のエッチング対象であるウエハの一例を示す図である。 図２に示す出力状態の他の例を示す波形図である。 図１の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。 図６に示す出力波形におけるバイアス用高周波電源の出力混合領域の切替出力例を示す図である。 本発明の第二の実施例であるプラズマ処理装置を示す概略構成図である。 図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の制御用のトリガー信号を示す図である。 図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およ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１０の出力を用いてウエハをエッチングしたときの各出力状態におけるエッチングレート分布を示す図である。 図１０の出力を用いてウエハをエッチングしたときの各出力状態におけるエッチング形状を示す図である。 図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。 図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。 図８の装置におけるプラズマ生成用高周波電源およびバイアス用高周波電源の他の出力例を示す波形図である。
　以下に示す実施例は、高周波バイアス電力の周波数によって変わるプラズマから被処理基板（以下、「ウエハ」という）へのイオンの入射エネルギー分布の変化を利用し、ウエ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エ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およ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たものである。
　そしてその手段は、プラズマの生成とは別にウエハへのバイアス電圧を独立に制御、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エ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い、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高周波バイアス電源を複数用いて、異なる周波数の高周波バイアス電力を切り替えて交互に繰返し供給する。
　この切り替え・交互の繰返しにより、異なる周波数の高周波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高周波バイアス電圧のＶｐｐの許容値の最大まで、それぞれの周波数の高周波バイアス電源の設定を可能とし、ウエハへのイオン入射の制御性をより向上させている。以下、本発明の一実施例を図１ないし図５により説明する。
　図１にプラズマ処理装置の構成を示す。この場合、処理室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、石英で成る天板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を覆って導波管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、「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、図示を省略したウエハ搬入口よりウエハが搬入され試料台１０９上に配置・保持される。試料台１０９には、複数、この場合、２つの異なる周波数のバイアス用の高周波電源である周波数１３．５６ＭＨｚの第１の高周波バイアス電源（以下、「第１バイアス電源１１３」という）と周波数４００ＫＨｚの第２の高周波バイアス電源（以下、「第２バイアス電源１１４」という）とが、フィルター１１０および第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。
　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に接続されるウエハを保持するための静電吸着装置の電源やウエ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に接続されるウエハを保持するための静電吸着装置の電源やウエ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。プラズマ電源１０５および第１，第２バイアス電源１１３，１１４は制御装置１１５につながり、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１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加され、第２バイアス電源１１４から周波数４００ＫＨｚ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エハに入射させるバイアス電圧を生じさせる。
　イオンの入射エネルギーは高周波バイアスの周波数によってその分布が異なることが知られており、特許文献１に開示されているように高い周波数ではイオンエネルギ分布の分布幅が狭くなり、低い周波数ではイオンエネルギ分布の分布幅が広がり分布の両端近辺にそれぞれピークをもつ。このような異なるイオンエネルギ分布をもつ入射イオンによって、ウエハの処理状態が異なってくる。
　制御装置１１５が行うプラズマ電源１０５および第１，第２バイアス電源１１３，１１４の出力制御は、例えば、図２に示すように行われる。プラズマ電源１０５は、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）のいずれの場合もマイクロ波を連続的に出力し連続的にプラズマを生成する。第１，第２バイアス電源１１３，１１４は連続的な切り替えが行われる。第１，第２バイアス電源１１３，１１４の切り替えは、図２（ａ）に示すように、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力の供給（時間ｔ（ｂ））の後に高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力の供給（時間ｔ（ｃ））が行われ、１回の切り替えサイクルの時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
　繰り返し周波数は、１００Ｈｚから３ｋＨｚの間で設定され、この場合、１ｋＨｚとした。また、制御装置１１５の機能として、１周期（時間ｔ（ａ））内の第１，第２バイアス電源１１３，１１４のそれぞれの出力時間（ｔ（ｂ），ｔ（ｃ））割合を０％から１００％の比率で出力設定できる。図２（ａ）のケースは、時間ｔ（ａ）内の時間ｔ（ｂ）と時間ｔ（ｃ）の割合は、時間ｔ（ｂ）が２０％、時間ｔ（ｃ）が８０％である。図２（ｂ）のケースは、時間ｔ（ｂ）および時間ｔ（ｃ）とも５０％である。図２（ｃ）のケースは、時間ｔ（ｂ）が８０％、時間ｔ（ｃ）が２０％である。
　図２に示すように出力制御された低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力（ＬＦ）と高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力（ＨＦ）とによるエッチング処理では、この場合、図３に示すようなエッチングレートの分布となった。なお、この場合のエッチング処理は、図４に示す膜構造、すなわち、Ｓｉ基板２０１上にＳｉＯ２膜２０２、Ｐｏｌｙ－Ｓｉ膜２０３、ハードマスクで成るマスク膜２０４を順次積層してなるプレーナー型ゲート電極が形成されるウエハを対象とした。
　エッチング条件は、処理ガスとしてＨＢｒとＯ２の混合ガスを用い、全ガス流量を２００ｍｌ／ｍｉｎ、圧力を０．４Ｐａ、プラズマ電源１０５の出力を８００Ｗ、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２５Ｗとした。エッチング処理の評価はＰｏｌy－Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜のそれぞれのエッチングレートを評価した。
　図３（ａ）は図２（ａ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示し、ＬＦ：ＨＦ＝２０％：８０％では、Ｐｏｌy－Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜ともにウエハの中心でエッチングレートが低く、外周でエッチングレートが高い外高分布となった。図３（ｂ）は図２（ｂ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示し、ＬＦ：ＨＦ＝５０％：５０％では、Ｐｏｌy－Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜ともにウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布となった。図３（ｃ）は図２（ｃ）の出力制御に対応したエッチングレート分布を示し、ＬＦ：ＨＦ＝８０％：２０％では、Ｐｏｌy－Ｓｉ膜およびＳｉＯ２膜ともにウエハの中心でエッチングレートが高く、外周でエッチングレートが低い中高分布となった。
　このように、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力と高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力を切り替える１周期内で、低い周波数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、ウエハ外周部のエッチングレートが低下するので、ウエ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、低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、高い周波数の高周波電力の供給時間の割合が減少するに従い、ウエハ外周部のエッチングレートが低下する理由としては、次のことが考えられる。
　本実施例に用いたプラズマ処理装置が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。このため、ウエハの中心部と外周部とではアースとなる真空容器１０１の内壁面までの電子の移動距離が異なることから、すなわち、ウエハ中心部は外周部に比べ真空容器１０１の内壁面までの距離が長くなることから、ウエハ中心部はウエハ外周部に比べアースまでのインピーダンスが増加する。
　また、インピーダンスは高周波電力の周波数に関係し、周波数が高くなればインピーダンスも大きくなる。このため、高い周波数の高周波電力ではウエハ中心部よりインピーダンスが小さくなるウエハ外周部において電流が流れ易くなり、高周波バイアスの印加によってウエハに入射するプラズマからのイオンの量がウエハ外周部で増え、ウエハ外周部のエッチングレートが高くなる。
　これに対し、低い周波数の高周波電力では、周波数によるインピーダンス増加も少なく、ウエハの外周部および内周部におけるインピーダンスの差が小さくなるので、ウエハ面内におけるプラズマからのイオンの量に差がなくなる。しかしながら、本実施例に用いたプラズマ処理装置の特性によれば、真空容器１０１内のガス流れは試料台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排気される。
　このため、ウエハ周辺に供給されるプラズマからの活性種がウエハ中央部に比べ少なく、エッチングレートが少なくなり中高のエッチングレート分となり、低い周波数の高周波電力では磁場の影響が少ないため、装置特性によるエッチングレート分布、すなわち、中高のエッチングレート分布になると考えられる。なお、エッチングレート分布には、ウエハ面内の温度制御も影響するが、ここの考察では考慮しない。
　上述したように、本実施例によれば、低い周波数（４００ＫＨｚ）の高周波電力と高い周波数（１３．５６ＭＨｚ）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外高から中高の分布の間で調整することでき、この間に図３（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、ウエ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。このように、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波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、ウエ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、本実施例では、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、安定してバイアス用の高周波電力を試料台１０９に供給することができる。
　なお、この場合、バイアス電源として、１３．５６MHｚの高周波電源と４００KHｚの高周波電源とを用いたが、異なる周波数の選択に当たっては、プラズマ中のイオンが追従できる周波数であり、インピーダンスの差が大きくなる周波数を選択するのが良い。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。
　また、図２に示すバイアス電源の出力例は、低い周波数および高い周波数の高周波電源ともにその出力電圧（Ｖｐｐ）を同じにしているが、図５に示すように更に低い周波数の高周波電源の出力電圧（Ｖｐｐ１）と高い周波数の高周波電源の出力電圧（Ｖｐｐ２）とを異なる値に設定できる。この場合、Ｖｐｐ1＞Ｖｐｐ2としているが、これは逆の設定もできる。
　以上、本実施例によれば、１周期内における第１バイアス電源と第２バイアス電源の各々の出力の割合を変え、交互に切り替えて周期的に試料台に印加することにより、ウエハ面内のエッチングレート分布を制御することができ、ウエハ面内の均一性を向上させることができる。また、これによりウエハ面内のエッチング形状の分布制御も可能となる。
　また、図２および図５のように異なる周波数の高周波電源の切り替えを行うことで、バイアス用の高周波電力が印加される試料台の電気的許容範囲において、許容される最大の電力をそれぞれの高周波電源から出力可能であり、処理に応じた設定の自由度が向上する。
　なお、上述の実施例では、図２および図５に示すようにバイアス電源の出力を、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力の切り替えを時間が重なることなく連続的に切り替えているが、図６に示すように切り替えの際に混合領域を設けても良い。混合領域における切り替えの際のそれぞれの高周波電源からの出力は、図７（ａ）に示すように先の高周波電源の出力を徐々に下げるとともに後の高周波電源の出力を徐々に上げる、
　また、図７（ｂ）に示すように先の高周波電源の出力を段階的に下げるとともに後の高周波電源の出力を段階的に上げる。なお、混合領域におけるそれぞれの高周波電源からの出力は、それぞれの出力の和（合計）が、許容される最大値を超えないようにする必要がある。また、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力のそれぞれの整合は、混合領域以外の期間に行うことが望ましい。このようにすることにより、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波電力のそれぞれの整合を安定して行うことができる。次に本発明の第２の実施例を図８ないし図１２により説明する。
　図８にプラズマ処理装置の構成を示す。図８において図１と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本図において、図１の装置と異なる点は、プラズマ電源およびバイアス電源の出力を検出して、プラズマ電源の出力を間欠的に時間変調する場合に、バイアス電源の出力を同期させるようそれぞれの出力タイミングを制御可能にした点である。プラズマ電源１０５用の整合器１０４にはＶｐｐ検出器３０１が接続され、プラズマ電源１０５の出力の立ち上がりをＶｐｐ検出器３０１で検出し、検出信号をトリガー信号３０２として出力検出部３０５に送信する。
　試料台１０９にはＶｐｐ検出器３０３が接続され、第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４の出力の立ち上がりをＶｐｐ検出器３０３で検出し、検出信号をトリガー信号３０４として出力検出部３０５に送信する。出力検出部３０５では、各Ｖｐｐ検出器３０１および３０３から送信された図９に示すトリガー信号３０２および３０４の時間差（ｔ）を算出し、時間差信号３０６として出力制御部３０７に送信する。出力制御部３０７では、受信した時間差信号３０６を基に時間差（ｔ）を補正し、制御装置１１５’によって制御するプラズマ電源１０５と第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４との出力を同期させる。
　なお、この場合は、制御装置１１５’内に出力検出部３０５および出力制御部３０７を組み込んでいるが、これらを制御装置とは分け、出力制御部３０７で補正した値をそれぞれの補正信号としてプラズマ電源１０５、第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４に送信し、フィードバックさせて第１バイアス電源１１３および第２バイアス電源１１４の出力と、プラズマ電源１０５の出力とを同期させるようにしても良い。
　上述構成の装置におけるプラズマ電源１０５および第１，第２バイアス電源１１３，１１４の出力制御は、例えば、図１０に示すように行われる。図１０（ａ）は図２（ｂ）と同様の出力状態を示し、前述の一実施例と同様の制御も可能であり、低い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｂ））の後に高い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｃ））が行われ、時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
　図１０（ｂ）はプラズマ用の高周波電力を連続とし、バイアス用の高周波電力をデューティー比制御し、間欠的に交互に出力する場合を示す。この場合、第１および第２バイアス電源１１３，１１４の出力をそれぞれデューティー比５０％で制御し、低い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｄ））の後に電力供給停止期間を設け、高い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｅ））の後に電力供給停止期間が設けて、時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
　図１０（ｃ）はプラズマ用の高周波電力とバイアス用の高周波電力の出力を同じデューティー比で制御し、間欠的に出力制御する場合を示す。この場合、一方のプラズマ生成用の高周波電力は時間（ｂ）を１周期とし、デューティー比５０％で時間ｔ（ｄ）の間、電力が供給され、間欠的な放電、すなわち、パルス放電が行われる。また、この場合、時間ｔ（ｂ）と時間ｔ（ｃ）は等しく、時間ｔ（ｄ）と時間ｔ（ｅ）は等しい。他方、第１および第２バイアス電源１１３，１１４の出力は図１０（ｂ）と同様に行われ、時間ｔ（ａ）を１周期としてこれが繰り返される。
　すなわち、プラズマ電源の出力の繰り返し周波数は、バイアス電源の出力の繰り返し周波数の倍であり、プラズマ生成用の高周波電力の出力に同期して、バイアス用の低い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｄ））と高い周波数の高周波電力の供給（時間ｔ（ｅ））が行われる。
　図１０に示すように出力制御されたプラズマ用の高周波電力とバイアス用の低い周波数および高い周波数の高周波電力によるエッチング処理では、この場合、図１１に示すようなエッチングレートの分布となる。なお、図１１に示すウエハのエッチングレート分布は、前述の一実施例と同様に、図４に示す積層構造のウエハをエッチング処理したときのものである。図１１（ａ）は図１０（ａ）の制御に対応したもので、図３（ｂ）と同様にウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布となっている。また、このときのＰｏｌｙ－Ｓｉエッチングレートは５１．６ｎｍ／ｍｉｎ、ＳｉＯ２エッチレートは１．７ｎｍ／ｍｉｎで、Ｐｏｌｙ－Ｓｉ／ＳｉＯ２の選択比は３０．４であった。
　図１１（ｂ）は図１０（ｂ）の制御に対応したもので、バイアス用の高周波電力の出力をそれぞれデューティー比５０％でオンオフ制御しており、ウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布が得られた。また、図１０（ｂ）の制御では、図１０（ａ）の出力制御の場合（図１１（ａ））に比べ、図１１（ｂ）に示すようにＰｏｌｙ－Ｓｉエッチングレートは５１．６ｎｍ／ｍｉｎから４５．２ｎｍ／ｍｉｎに、またＳｉＯ２エッチレートは１．７ｎｍ／ｍｉｎから０．９ｎｍ／ｍｉｎに低下したが、Ｐｏｌｙ－Ｓｉ／ＳｉＯ２の選択比は３０．４から５０．２に向上し高い選択比を得ることができた。
　図１１（ｃ）は図１０（ｃ）の制御に対応したもので、プラズマ生成用の高周波電力およびバイアス用の高周波電力の出力をそれぞれデューティー比５０％でオンオフ制御しており、図１１（ｂ）と同様にウエハ面内でエッチングレートがほぼ均一な分布が得られた。また、図１０（ｃ）の制御では、図１０（ｂ）の出力制御の場合（図１１（ｂ））と比べ、図１１（ｃ）に示すようにＰｏｌｙ－Ｓｉエッチングレートは４５．２ｎｍ／ｍｉｎから３０．２ｎｍ／ｍｉｎに、またＳｉＯ２エッチレートは０．９ｎｍ／ｍｉｎから０．６ｎｍ／ｍｉｎに低下したものの、Ｐｏｌｙ－Ｓｉ／ＳｉＯ２の選択比は５０．３であり同様に高い選択比を得ることができた。
　また、図１２に図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示す制御によってウエハをエッチング処理したときのエッチング形状を示す。ここで、図１２（ａ）は前述の図４に示す積層構造のウエハに疎密パターが形成されたエッチング前の初期形状を示す。図１２（ｂ）は図１０（ｂ）の出力制御における処理後のエッチング形状を示し、図１０（ｂ）のように制御、すなわち、連続放電状態でバイアス用の高周波電力のみオンオフ制御する場合には、密部のＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０３は垂直にエッチングされるが、疎部のＰｏｌy-Si膜２０３はテーパ状の形状となった。
　図１２（ｃ）は図１０（ｃ）の出力制御における処理後のエッチング形状を示し、図１０（ｃ）のように制御、すなわち、プラズマ生成用の高周波電力およびバイアス用の高周波電力を同期させてオンオフ制御する場合には、密部のＰｏｌｙ－Ｓｉ膜２０３は垂直にエッチングされ、疎部のＰｏｌy-Si膜２０３も実質的に垂直にエッチングされた。
　このように、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示す制御の場合、上述のように図１０（ｃ）の制御の方がエッチングレートは低下するという結果になったが、エッチング形状においては、バイアス用の高周波電力のオンオフ制御のみの場合に比べ、プラズマ生成用の高周波電力およびバイアス用の高周波電力を同期させてオンオフ制御する方が、疎密パターンを有するウエハのエッチング処理においては、エッチング形状の面内均一性が得られ有効であった。これは、図１０（ｃ）のようにプラズマの生成にパルス放電を用いることによりプラズマの解離度を制御でき、プラズマ中の堆積性種の発生を抑制して疎密部のエッチング側壁面に供給される堆積性種の量を最適にできるので、疎密部で許容し得る実質的な垂直形状のエッチング処理が可能になると考えられる。
　なお、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）にはプラズマ生成用または／およびバイアス用のそれぞれの高周波電力をデューティー比５０％でオンオフ制御した例を示したが、処理対象の被エッチング材の材質や構造に応じて最適なオン時のデューティー比を変更、すなわち、時間ｔ（ｂ）に占める時間ｔ（ｄ）の割合および時間ｔ（ｃ）に占める時間ｔ（ｅ）の割合を任意に変更可能なことは言うまでもない。
　また、図１０（ｂ）ではバイアス用の高低それぞれの周波数の高周波電力を間欠的にオンオフ制御するようにデューティー比を設定しているが、高低いずれかの周波数の高周波電力のデューティー比を１００％とし、他方の高周波電力のみ間欠的にオンオフ制御することもできる。また、図１０（ｃ）ではプラズマ生成用およびバイアス用のそれぞれの高周波電力のオンオフタイミングを実質的に同時制御しているが、プラズマ生成用の高周波電力のオン時間内でバイアス用の高周波電力のオンオフを行えば、バイアス用の高周波電力のオンオフタイミングはこれに限られない。
　以上、第２の実施例によれば、前述の一実施例と同様にエッチングレートの面内分布を調整でき、エッチングレートの面内分布の均一化を図ることができる。また、高周波電力をオンオフする時間変調を加えることにより、エッチング形状の面内均一性も向上させることができる。このように、低い周波数の高周波電力と高い周波数の高周波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を用いることで、ウエ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。
　上述の第２の実施例においては、図１０（ｃ）は、プラズマ生成用の高周波電力のオンオフを１周期とする時間ｔ（ｂ）および時間ｔ（ｃ）を等しくし、時間（ｂ）と時間（ｃ）の和がバイアス用の低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えが行われる１周期の時間ｔ（ａ）に等しい例として述べたが、図１３ないし図１５に示すようにバイアス用の低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えが行われる１周期の時間ｔ（ａ）内で、プラズマ生成用の高周波電力をオンする時間を時間ｔ（ｆ）とし、時間ｔ（ｆ）の間にバイアス用の低い周波数と高い周波数の高周波電力の切り替えを行うようにしても良い。
　図１３は、１周期の時間（ａ）内で低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｂ）と高い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｃ）と割合を設定し、それぞれの時間ｔ（ｂ）およびｔ（ｃ）内での高周波電力の出力がオンする時間ｔ（ｄ）およびｔ（ｅ）を設定（またはオン時間のデューティー比を設定）し、バイアス用の低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｂ）と高い周波数の高周波電力のオン時間ｔ（ｅ）との合計時間を、プラズマが生成されるプラズマ生成用の高周波電力のオン時間ｔ（ｆ）に等しくした例である。
　図１４は、１周期の時間（ａ）内でプラズマ生成用の高周波電力のオン時間ｔ（ｆ）を設定（またはオン時間のデューティー比を設定）し、時間ｔ（ｆ）内においてバイアス用の低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｇ）と高い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｈ）との割合を設定（またはそれぞれの出力時間ｔ（ｇ）およびｔ（ｈ）を設定）した例である。この場合、１周期の時間ｔ（ａ）内におけるプラズマ生成用の高周波電力のオフされた時間は、バイアス用の高周波電力もオフされた時間となる。
　図１５は、図１４におけるバイアス用の低い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｇ）と高い周波数の高周波電力の出力時間ｔ（ｈ）において、それぞれの高周波電力のオン時間ｔ（ｉ）およびｔ（ｋ）を設定（またはそれぞれのオン時間のディーティー比を設定）した例である。
　また、上述のこれら実施例は、ウエハの全面に対応する試料台に第１，第２バイアス電源１１３，１１４を接続し、ウエハの全面に対しバイアス用高周波電力が作用するようにしているが、試料台を複数領域に分け、例えば、径方向，周方向またはこれらを組合せた各領域毎に第１，第２バイアス電源１１３，１１４を接続し、領域毎に異なる条件でバイアス制御を行うようにしても良い。この場合のバイアス電源は、（１）複数組を設けて一組毎に独立に制御するものでも良いし、（２）一組のバイアス電源から各領域に並列に接続し、一組のバイアス電源から常に出力されている高周波電力を各領域毎に出力時間の割合を変えて出力制御可能な制御回路を介して、領域毎に条件を変えて制御するものでも良い。
　さらに、上述のこれら実施例は、有磁場マイクロ波プラズマ装置に適用した例で説明したが、プラズマ処理装置としてはこれに限られるものではなく、誘導結合タイプまたは容量結合タイプのプラズマ処理装置にも適用できることは言うまでもない。
　また、磁場を有するまたは磁場を用いないこれらのプラズマ処理装置にも適用可能である。なお、有磁場マイクロ波プラズマ装置のように磁場を用いた電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）によるプラズマ生成においては、プラズマ生成とバイアス制御とを独立に制御し易いが、磁場を用いない装置では、バイアス用の高周波電源の周波数によっては、特に、１３．５６ＭＨｚ以上の周波数を用いる場合には、プラズマの生成に影響を与える可能性があるので、プラズマ生成に大きな影響が出ない程度の出力を用いる等の考慮が必要である。
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、１１５’　制御装置
２０１　Ｓｉ基板
２０２　ＳｉＯ２膜
２０３　Ｐｏｌｙ－Ｓｉ膜
２０４　マスク膜
３０１、３０３　Ｖｐｐ検出器
３０２、３０４　トリガー信号
３０５　出力検出部
３０６　時間差信号
３０７　出力制御部

Claims (18)

  1. 　プラズマ生成用の高周波電力によって処理室内に供給される処理ガスをプラズマ化するとともに試料が配置される試料台に異なる周波数の高周波バイアス電力を印加し、前記プラズマの生成と前記試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、前記処理室内で前記試料をプラズマ処理する方法において、
    　前記プラズマは、連続的に供給される電力により生成される連続放電またはデューティー比設定され間欠的に供給される電力により生成されるパルス放電とし、
    　前記プラズマが生成されているときに前記試料台に少なくとも２つの異なる周波数のバイアス電力を切り替え交互に繰り返し印加することを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記２つの異なる周波数のバイアス電力の切り替えを周期的に行い、１周期内で一方のバイアス電力から他方のバイアス電力に切り替え、前記１周期内での前記一方および他方のバイアス電力の出力時間をそれぞれ設定可能にしたプラズマ処理方法。
  3. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記２つの異なる周波数のバイアス電力の出力値を同じにしたプラズマ処理方法。
  4. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記２つの異なる周波数のバイアス電力の出力値が異なるプラズマ処理方法。
  5. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記プラズマの生成をパルス放電とし、パルスの発生に同期させパルス毎に異なる周波数のバイアス電力に切り替えるプラズマ処理方法。
  6. 　請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記プラズマの生成をパルス放電とし、１つのパルスでプラズマを生成している間に異なる周波数のバイアス電力を切り替えるプラズマ処理方法。
  7. 　プラズマを用いて試料台に載置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
    　第一の高周波電力および前記第一の高周波電力の周波数と異なる周波数の第二の高周波電力を周期的に切り替えながら前記試料台に供給することを特徴とするプラズマ処理方法。
  8. 　請求項７に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第一の高周波電力を前記試料台へ供給する時間と前記第二の高周波電力を前記試料台へ供給する時間との比をステップまたは前記ステップの集合体であるプラズマ処理条件に基づいて規定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、
    　前記試料台に供給されている高周波電力の整合を前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力が重畳していない期間に行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
  10. 　請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力を切り替える時、前記第一の高周波電力と前記第二の高周波電力を重畳させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  11. 　請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第一の高周波電力または前記第二の高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
  12. 　請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記プラズマを生成するための高周波電力を時間変調することを特徴とするプラズマ処理方法。
  13. 　請求項１２に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第一の高周波電力および前記第二の高周波電力を時間変調し、
    　前記第一の高周波電力を前記試料台へ供給する時間は、前記第二の高周波電力を前記試料台へ供給する時間と同じであって、
    　前記高周波電力の時間変調の周期と前記第一の高周波電力の時間変調の周期と前記第二の高周波電力の時間変調の周期は、全て同じ周期であることを特徴とするプラズマ処理方法。
  14. 　請求項８に記載のプラズマ処理方法において、
    　前記第一の高周波電力の値と前記第二の高周波電力の値を異ならせることを特徴とするプラズマ処理方法。
  15. 　試料台をその内部に有し処理ガスが供給されると共に所望の圧力に減圧排気される処理室と、前記処理室に結合され処理室内に供給される前記処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成用電源と、前記試料台に接続され異なる周波数のバイアス電力を供給するバイアス用電源とを有し、プラズマ生成用電源によるプラズマの生成と前記バイアス用電源による前記試料台に配置される試料へのイオンの入射エネルギー制御とを独立に行い、前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
    　前記プラズマ生成用電源は、前記プラズマを連続放電させる電力の供給と、前記プラズマをパルス放電させる電力の供給とを設定可能であり、
    　前記バイアス電源は、異なる周波数のバイアス電力を出力する少なくとも２つの電源から成り、
    　前記プラズマ生成用電源によるプラズマの生成のとき、前記異なる周波数のバイアス電力を切り替えて前記試料台に交互に繰り返し供給するように前記バイアス電源を制御する制御装置を具備したことを特徴とするプラズマ処理装置。
  16. 　請求項１５に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記制御装置は、前記プラズマを連続で生成するように前記プラズマ生成用電源を制御し、前記プラズマが生成されている間に前記異なる周波数のバイアス電源を交互に間欠的に制御するプラズマ処理装置。
  17. 　請求項１５に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記制御装置は、前記プラズマをパルス放電させるように前記プラズマ生成用電源を制御し、前記プラズマのオンに合わせ前記異なる周波数のバイアス電源を交互に切替制御するプラズマ処理装置。
  18. 　請求項１５に記載のプラズマ処理装置において、
    　前記制御装置は、前記プラズマをパルス放電させるように前記プラズマ生成用電源を制御し、前記プラズマのオンの間に前記異なる周波数のバイアス電源を交互に切替制御するプラズマ処理装置。
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