特許 7629099 プラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-03

(45)【発行日】2025-02-12

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20250204BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 101D

H01L21/302 101C

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023535535

(86)(22)【出願日】2022-06-07

(86)【国際出願番号】 JP2022022955

(87)【国際公開番号】W WO2023238235

(87)【国際公開日】2023-12-14

【審査請求日】2023-06-09

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】黄 海翔

(72)【発明者】

【氏名】桑原 謙一

【審査官】加藤 芳健

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０１７５６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５３５０７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２２５９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、
有限値の振幅を有する第一の期間と有限値の振幅を有する第二の期間と振幅がゼロである第三の期間を有するパルスにより前記高周波電力が変調される場合、プラズマ処理におけるエッチングレート分布が所望のエッチングレート分布となるように前記第一の期間の時間または前記第二の期間の時間が制御される制御装置をさらに備え、
前記第一の期間の前記高周波電力は、エッチングレート分布が第一のエッチングレート分布となる電力であり、
前記第二の期間の前記高周波電力は、エッチングレート分布が第二のエッチングレート分布となる電力であり、
前記第一のエッチングレート分布は、凹分布であり、
前記第二のエッチングレート分布は、凸分布であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御装置により、前記第一の期間の時間と前記第二の期間の時間が独立に制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項3】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記第一のエッチングレート分布が所望のエッチングレート分布である場合、前記第一の期間の時間が前記第二の期間の時間より長くなるように前記第一の期間の時間または前記第二の期間の時間が前記制御装置により制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項4】

請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記第一のエッチングレート分布が所望のエッチングレート分布である場合、前記第一の期間の時間が前記第二の期間の時間より長くなるように前記第一の期間の時間または前記第二の期間の時間が前記制御装置により制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項5】

請求項３に記載のプラズマ処理装置において、
前記第二のエッチングレート分布が所望のエッチングレート分布である場合、前記第一の期間の時間が前記第二の期間の時間より短くなるように前記第一の期間の時間または前記第二の期間の時間が前記制御装置により制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項6】

請求項４に記載のプラズマ処理装置において、
前記第二のエッチングレート分布が所望のエッチングレート分布である場合、前記第一の期間の時間が前記第二の期間の時間より短くなるように前記第一の期間の時間または前記第二の期間の時間が前記制御装置により制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項7】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記第一の期間の振幅は、前記第二の期間の振幅より大きいことを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項8】

請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記第三の期間は、前記第一の期間と前記第二の期間の間の期間であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項9】

請求項７に記載のプラズマ処理装置において、
前記第三の期間は、前記第一の期間と前記第二の期間の間の期間であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【請求項10】

請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記第三の期間は、前記第一の期間と前記第二の期間の間の期間であることを特徴とするプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体素子加工に関わるプラズマエッチング装置に関し、エッチングレートの分布を精密に制御できるプラズマ処理装置を提供する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子の加工に関わる装置及び方法として、半導体素子をプラズマでエッチングする装置及び方法が知られている。ここでは、公知の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を例に、従来技術を説明する。このＥＣＲ方式プラズマエッチング装置でプラズマに磁場を印加してマイクロ波の周波数と電子のサイクロトロン周波数とが共振するように磁場強度を設定することで高密度のプラズマを発生できる特徴がある。

【0003】

この方式では、半導体素子加工する際、試料(試料の一例としてウェハ)に対し、高周波電力を、正弦波での連続波形で印加している。ここで、試料に印加する高周波電力のことをＲＦバイアスと称する。上記の装置においてマイクロ波電源で発するマイクロ波により生成されたイオンやラジカルが試料の被エッチング材と反応し、エッチングが進む。

【0004】

近年の半導体素子の微細化に伴い、高アスペクト比構造の素子の加工ニーズが増加し、エッチング深さの面内分布の制御性に対する要求は厳しくなった。そのため、高精度にプラズマエッチング加工を制御する必要がある。エッチングを高精度に制御するためには、上記のイオンやラジカルの量と空間分布を制御する必要がある。

【0005】

これらの高精度なプラズマエッチングを実現する従来技術Iとして、特許文献１の特開平２－１０５４１３号公報には、パルス放電を用いたプラズマエッチング方法が開示されている。時間変調されたパルスプラズマのマイクロ波とＲＦバイアスを同期してＯＮし、Duty比(マイクロ波とＲＦバイアスが試料に印加する時間がパルス周期に占める比率)でそれぞれマイクロ波とＲＦバイアスのＯＮ時間と出力パワーを制御することでイオン/ラジカルの密度とそのバランスを制御し、高精度な異方性エッチングを達成している。

【0006】

また、従来技術IIとして、特許文献２の特開２０１４－２２４８２号公報には、ＲＦバイアスのオン（ＯＮ）するタイミングをプラズマの着火期間(不安定期間)を避け、プラズマが安定した期間にＲＦバイアスをＯＮすることで、エッチングレート分布を改善する方法が開示されている。しかし、この方法ではラジカルによる等方性エッチング期間が発生するので、素子など加工する際、サイドエッチングが過剰になる恐れがある。

【0007】

また、従来技術IIIとして、特許文献３の特開２０２０－１７５６５号公報には、過剰のサイドエッチングを抑えるために、ＲＦバイアスをＯＮする前の段階に、マイクロ波を元のマイクロ波パワーより低いマイクロ波パワーのＯＮステップを一つ、または複数個を設け、ＲＦバイアスをＯＮする前に、安定したプラズマを作り、低いマイクロ波出力よりラジカル解離を抑え、過剰なサイドエッチを抑えながら、均一なエッチングレート分布を得る方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開平２－１０５４１３号公報

【文献】特開２０１４－２２４８２号公報

【文献】特開２０２０－１７５６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

半導体ウェハのより外周部まで良品半導体デバイスを製造できるプラズマ処理装置が求められている。

【0010】

半導体素子加工のエッチング処理工程において、試料台に載置されるウェハの外周部が中央部と比べ、プラズマの密度差、シース電圧、反応生成物、排気速度等のファクタが異なる。そのため、ウェハの外周部のエッチングレートが、中央部のエッチングレートと比較して、低下する課題がある。また、この問題はＥＣＲ型プラズマエッチング装置だけの問題ではなく、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）、ＣＣＰ（Capacitively Coupled Plasma）などのエッチング装置に共通するものである。

【0011】

また、上記のファクタに加え、デバイスの微細化に伴い、高アスペクト比構造のエッチング処理のニーズが増え、アスペクト比が高くなるにつれ、ウェハの外周部のエッチングレートがさらに低下する。

【0012】

そのため、半導体素子を加工する際、ウェハ面内において所望のエッチングレートの分布になるように、ウェハの外周部においてエッチングレートの制御が要求される。

【0013】

前記の従来技術ではＲＦバイアスが印加する期間をプラズマの安定した期間にずらしたり、プラズマ着火ステップを設けたりすることで、より均一なプラズマ密度分布が得られ、ウェハのエッチングレート分布の改善に繋がった。

【0014】

しかし、これらの従来技術ではプラズマ密度分布以外のウェハの外周部のエッチングレートの低下に関わる前記のファクタや加工素子の構造などの要素を考慮していないため、ウェハの外周部のエッチングレートが低下している課題が依然として存在する。

【0015】

このため、本発明では、前記したウェハの外周部のエッチングレートの分布の制御ニーズに対し、ウェハ面内において所望のエッチングレート分布になるように、ウェハの外周部のエッチングレートの分布を制御することができるプラズマ処理装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明は、パルス変調された高周波電力によって生成されたプラズマによりプラズマ処理が行われるプラズマ処理装置において、
前記パルス変調の一周期は、マイクロ波出力の第一の出力の期間と、マイクロ波出力の前記第一の出力より小さい有限値の第二の出力の期間と、マイクロ波出力のオフされたオフ期間と、を有し、
前記第一の出力の期間と前記第二の出力の期間において、高周波（ＲＦ）バイアスを印加し、
前記第一の出力は、エッチングレート分布が凹分布となる出力であり、
前記第二の出力は、エッチングレート分布が凸分布となる出力であり、
エッチングレート分布を凹分布とする場合、前記第一の出力の期間の長さが前記第二の出力の期間の長さより長くなり、
エッチングレート分布を凸分布とする場合、前記第一の出力の期間の長さが前記第二の出力の期間の長さより短くなるように前記パルス変調を生成するパルス発生器を制御する制御装置を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

上記マイクロ波出力の第一の出力と第二の出力を用いたエッチングレート分布の制御はウェハの外周部のエッチングレート分布(以下、ＥＲ分布とする)を所望の分布に制御することができるプラズマ処理装置を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】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の縦断面の概略構成図である。

【図2】ＭＷ電力に対応するウェハＥＲ分布の特徴とその特徴なＥＲ分布を持つ２値ＭＷ電力を組み合わせた際のＥＲ分布を示す。

【図3】前記した２値ＭＷ電力によるウェハ外周部ＥＲ分布制御パターンＡである。

【図4】第一出力を１～４ｍｓに変化させた時のPoly-SiウェハＥＲ分布の結果を示す。

【図5】第一出力期間と第二出力期間の比率に対し、ウェハ中央部のＥＲを１００％とした時、外周部ＥＲ(ウェハ中央から１４５ｍｍを離れたところを測定した値)の増減率を示す。

【図6】２値ＭＷによるウェハ外周ＥＲ分布制御パターンＢである。

【図7】２値ＭＷによるウェハ外周ＥＲ分布制御パターンＣである。

【図8】全ての実施例に使われたガスと流量を示す表１である。

【図9】(Ａ)の方法の制御を実施するためのマイクロ波電源とＲＦバイアス電源の制御パラメータ設定値例を示す表２である。

【図10】前記パラメータ設定値例で制御した結果を示す表３である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を用いてプラズマ処理装置の形態を説明する。

【0020】

図１は、本発明の実施形態にかかる、ＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）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１２１、試料台１１４、試料１１５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。

【0021】

図１で、プラズマ処理装置１の真空容器１０１内部の処理室１２１の下部には、真空排気装置１１３が接続されている。また、処理室１２１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１１９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１２１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１０６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１２１の上方を気密に封止する。

【0022】

処理室１２１の下方には、石英天板１０３に対向して試料台１１４が配置されている。試料台１１４は、試料であるウェハ１１５を載置した状態で保持する。

【0023】

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１０８を経て、プラズマ生成用のマイクロ波電源１０７が接続されている。

【0024】

マイクロ波電源１０７はプラズマ生成用の電源であり、制御部１２２からの制御に基づいて電磁波を発振する。本実施形態のマイクロ波電源１０７は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波発振が可能である。マイクロ波電源１０７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１２１内に伝播する。処理室１２１の外周には、磁場発生コイル１１０、１１１、１１２が配置されている。磁場発生コイルは複数のコイルからなっており、処理室１２１に磁場を形成する。マイクロ波電源１０７から発振された高周波電力は、磁場発生コイル１１０～１１２により形成された磁場とＥＣＲとの相互作用により、処理室１２１内に高密度プラズマ１２０を生成する。

【0025】

マイクロ波電源１０７にはマイクロ波パルスユニット１０９が接続されている。マイクロ波パルスユニット１０９からのパルスのオン信号により、マイクロ波電源１０７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１０７から出力される高周波電力を、マイクロ波電力(以下、ＭＷ電力)という。マイクロ波パルスユニットは、パルス変調を生成するためのパルスのオン信号およびパルスのオフ信号を生成する第１パルス発生器と見なすことができる。

【0026】

制御部１２２はプラズマエッチング装置１の制御装置であり、マイクロ波電源１０７、ＲＦバイアス電源（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（高周波）バイアス電源）１１６に接続されて、ＭＷ電力及びＲＦバイアス電力の出力を制御する。

【0027】

ＲＦバイアス電源１１６は、イオン引込み用の高周波電力を発生し、試料台１１４へ供給する。ＲＦバイアス電源１１６にはマッチングボックス(整合器)１１７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１１７は機能する。ＲＦバイアス電源１１６もＲＦバイアスパルスユニット１１８からのパルスのオン信号に基づいて、パルス変調されたＲＦバイアスを発生する。ＲＦバイアスパルスユニット１１８は、パルス変調されたＲＦバイアスを発生するためのパルスのオン信号およびパルスのオフ信号を生成する第２パルス発生器と見なすことができる。

【0028】

制御部１２２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１０７の第一出力、マイクロ波電源１０７の第二出力、ＲＦバイアス電源１１６の第一出力、ＲＦバイアス電源１１６の第二出力、マイクロ波パルスユニット１０９でのパルスのオンのタイミングおよびオフのタイミング、マイクロ波電源１０７の周波数やデューティー比、およびマイクロ波電源１０７の遅延時間、を制御することができる。制御部１２２は、さらに、レシピに基づいて、ＲＦバイアスパルスユニット１１８でのパルスのオンのタイミングおよびオフのタイミング、ＲＦバイアス電源１１６のオンおよび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１１６の遅延時間等、マイクロ波電源１０７やＲＦバイアス電源１１６のパラメータ、を制御することができる。制御部１２２は、第１パルス発生器とされるマイクロ波パルスユニット１０９および第２パルス発生器とされるＲＦバイアスパルスユニット１１８を制御する制御装置と見なすことができる。

【0029】

またこれ以外にも、制御部１２２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。

【0030】

本発明の実施形態にかかるプラズマエッチング装置によって、実施例に挙げるすべての２値マイクロ波の制御パターン(図３、図６、図７参照）の制御ができる。また、ＲＦバイアスは本発明ではＭＷ電力と同期してＯＮする設定としたが、マイクロ波とＲＦバイアスのＯＮ（オン）タイミングを同期することは必要不可欠条件ではない。

【0031】

本発明は、時間変調（パルス変調）されたＭＷ電力によって生成されたプラズマによりプラズマ処理が行われる際、被エッチング試料、例えばPoly-Siが表面に形成されたウェハ（以下、Poly-Siウェハという）のエッチングレート分布(以下、エッチングレートをＥＲ、エッチングレート分布をＥＲ分布とする)はＭＷ電力に応じて、変化する。図２はＭＷ電力に対応するウェハＥＲ分布の特徴とその特徴的なＥＲ分布を持つ２値ＭＷ電力を組み合わせた際のＥＲ分布を示す。図２において、縦軸はエッチング速度ＥＲ（Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｒａｔｅ）、横軸はウェハ中心からの距離Ｌｗｃ（ｍｍ）を示している。

【0032】

ここで、２値ＭＷ電力とは、低ＭＷ電力と、高ＭＷ電力の２つのＭＷ電力ことを意味しており、一周期分のパルス変調のパルス波形において、ＭＷ電力が低ＭＷ電力の状態と、高ＭＷ電力の状態の２つのＭＷ電力の状態を有すことを意味する。

【0033】

図２の（a）の低ＭＷ電力により生成されたプラズマがウェハの中央部に集中するため、ＥＲ分布はウェハの外周部のＥＲが低下する凸分布（第二のエッチングレート分布という）である。また、プラズマのＯＮ時間（低ＭＷ電力のＯＮ時間）が短いほどウェハの外周部のＥＲはさらに低下する。

【0034】

図２の（b）の高ＭＷ電力では、低ＭＷ電力よりもプラズマの解離度が大きく、ウェハの中央部にて電子密度が急速に立ち上がる。また電子が軽いため、電子が瞬時にウェハの外周部へと拡散し、ウェハの外周部の電子密度が高くなる。そこで電子がガスとの衝突によって、イオンやラジカルの外周部の密度が高くなる。また、プラズマのＯＮ時間（高ＭＷ電力のＯＮ時間）が長くなると、さらにウェハの外周部のイオンやラジカルの密度が増幅し、ＥＲ分布はウェハの外周部のＥＲが高い凹分布（第一のエッチングレート分布という）となる。

【0035】

本発明では前記図２の（ｂ）および（a）の特徴的なＥＲ分布に対応する高ＭＷ電力と低ＭＷ電力を用い、それぞれのＯＮ（オン）時間を調整し、そのＯＮ時間比率を制御することで図２の(c)に示したような所望のウェハのＥＲ分布の制御性を得られるかを調べた。

【0036】

また、全ての実施例で前記図２の（ｂ）の特徴的な高ＭＷ電力を第一出力（第一の出力）とし、前記図２の（ａ）の特徴的な低ＭＷ電力を第二出力（第二の出力）とする。第一出力と第二出力は前述した通り、それぞれの出力期間（第一の出力の期間、第二の出力の期間）の変化に対応し、ウェハの外周部のプラズマ密度が比例して増減する２値ＭＷ電力に設定する。

【実施例1】

【0037】

図３は前記の２値ＭＷ電力によるウェハの外周部のＥＲ分布の制御パターンＡである。以下はＥＲ分布の制御パターンＡ（Ｐａｔｔｅｒｎ Ａ）で外周部のＥＲ分布を制御する詳細について説明する。

【0038】

図３の前記制御パターンＡは一周期分のパルス変調のパルス波形を示している。制御パターンＡが所定の回数だけ繰り返されて、プラズマによりプラズマ処理が行われる。

【0039】

前記制御パターンＡの一周期Ｔ１ｃｙｃはＭＷ電力（ＰＭＷ）の第一出力期間（第一の出力ＰＭＷ１の期間：第一の期間）ＴＭＷ１、第二出力期間（第二の出力ＰＭＷ２の期間：第二の期間）ＴＭＷ２とＭＷ電力（ＰＭＷ）のオフとされたＯＦＦ期間（オフ期間：第三の期間）ＴＭＷ０を含む。つまり、パルス変調の一周期は、マイクロ波出力ＰＭＷの第一の出力ＰＭＷ１の期間Ｔｍｗ１と、第一の出力ＰＭＷ１より小さい有限値のマイクロ波出力ＰＭＷの第二の出力ＰＭＷ２（＜ＰＭＷ１）の期間Ｔｍｗ２と、マイクロ波出力のオフ（ＯＦＦ）されたオフ期間Ｔｍｗ０と、を有する。言い換えると、パルス変調の一周期は、有限値の振幅（ＰＭＷ１）を有する第一の期間（Ｔｍｗ１）と有限値の振幅（ＰＭＷ２）を有する第二の期間（Ｔｍｗ２）と振幅がゼロである第三の期間（Ｔｍｗ０）を有するパルスである。第一の期間（Ｔｍｗ１）の振幅（ＰＭＷ１）は、第二の期間（Ｔｍｗ２）の振幅（ＰＭＷ２）より、大きい（ＰＭＷ１＞ＰＭＷ２）。ここで、第一の期間（Ｔｍｗ１）の高周波電力は、エッチングレート分布（凹分布、または、凸分布）が第一のエッチングレート分布（凹分布）となる電力であり、第二の期間（Ｔｍｗ２）の高周波電力は、エッチングレート分布（凹分布、または、凸分布）が第二のエッチングレート分布（凸分布）となる電力である。

【0040】

ＲＦバイアス電源１１６の出力ＰＲＦもＭＷ出力電源１０７同様、第一出力期間Ｔｒｆ１、第二出力期間Ｔｒｆ２とＯＦＦ期間Ｔｒｆ０を有する。ＲＦバイアス電源１１６の出力ＰＲＦは、この例では、第一出力期間Ｔｒｆ１と第二出力期間Ｔｒｆ２とにおいて同一の第１出力ＰＲＦ１とされている。ＲＦバイアス電源１１６の出力ＰＲＦは、この例では、ＭＷ電源出力（ＰＭＷ１，ＰＭＷ２）と同期してＯＮ（第１出力ＰＲＦ１が印加される）およびＯＦＦ（第１出力ＰＲＦ１が印加されない）する。

【0041】

プラズマ処理装置１の制御部１２２を用いて、前記の第一出力期間Ｔｍｗ１の時間、第二出力期間Ｔｍｗ２の時間を独立で制御することができる。前記第一出力期間Ｔｍｗ１、第二出力期間Ｔｍｗ２間の期間の制御は各期間がパルス周期に占める比率（以下Ｄｕｔｙ比という）と遅延比率（Ｄｅｌａｙ）で制御する。前記の比率（Ｄｕｔｙ比）は図３に示したように１周期Ｔ１ｃｙｃを１００％とした時の比率である。制御部１２２は、第一の出力ＰＭＷ１、第二の出力ＰＭＷ２に対応する任意のマイクロ波出力の組み合わせを行うことができる。

【0042】

ウェハの外周部のＥＲ分布を制御するため、前記外周部のＥＲの高いＥＲ凹分布に対応する第一出力期間Ｔｍｗ１を調整するケース１、外周部のＥＲの低下したＥＲ凸分布に対応する第二出力期間Ｔｍｗ２を調整するケース２、第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２を同時に調整するケース３、３つの方法が考えられる。

【0043】

まず、一つ目として、(Ａ):有限値の第一出力期間Ｔｍｗ１を変化させ、有限値の第二出力期間Ｔｍｗ２とＯＦＦ期間Ｔｍｗ０を固定する方法を説明する。

【0044】

図８は全ての実施例１－３に使われたガス種類ＧＡＳとガス流量ＧＦＲ（ｍｌ／ｍｉｎ)を示す表１（ＴＡＢ１）である。図９は(Ａ)の方法の制御を実施するためのマイクロ波電源１０７とＲＦバイアス電源１１６の制御パラメータＣＰＡの設定値の例を示す表２（ＴＡＢ２）である。表２（ＴＡＢ２）には、電源出力パルス周波数ＰＯＰＦ（Ｈｚ）と、第一出力ＰＭＷ１のＤｕｔｙ（％）、第二出力ＰＭＷ２のＤｕｔｙ（％）と、第二出力ＰＭＷ２のＯＮタイミングの遅延（Ｄｅｌａｙ（％））が示されている。第一出力ＰＭＷ１のＤｕｔｙ、第二出力ＰＭＷ２のＤｕｔｙ、第二出力ＰＭＷ２のＯＮタイミングの遅延（Ｄｅｌａｙ）の設定によって第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２、ＯＦＦ期間Ｔｍｗ０、ＯＮタイミングとＯＦＦタイミングとを設定する。図１０は前記パラメータの設定値の例で制御した結果（第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２、ＯＦＦ期間Ｔｍｗ０）を示す表３（ＴＡＢ３）である。

【0045】

図８から図１０に示す表１－表３（ＴＡＢ１，ＴＡＢ２，ＴＡＢ３）において、小数点以下は四捨五入で記載している。

【0046】

表３（ＴＡＢ３）は第一出力期間Ｔｍｗ１を１～４ｍｓの間に変化させ、第二出力期間Ｔｍｗ２とＯＦＦ期間Ｔｍｗ０が３ｍｓに固定された制御例である。また、記載してないが、ＲＦバイアス電源１１６の出力ＰＲＦはＭＷ電源出力（ＰＭＷ１，ＰＭＷ２）と同期してＯＮおよびＯＦＦする。

【0047】

図４は第一出力期間Ｔｍｗ１を１～４ｍｓに変化させた時のPoly-SiウェハのＥＲ分布の結果を示す。図４において、縦軸はPoly-Siウェハのエッチング速度ＥＲ（Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｒａｔｅ）（ｎｍ／ｍｉｎ）、横軸はウェハ中心からの距離Ｌｗｃ（ｍｍ）を示している。

【0048】

第一出力期間Ｔｍｗ１が短い時（例えば１ｍｓの時）は、ウェハのＥＲ分布はウェハの外周部のＥＲが低下したＥＲ凸分布である。前記第一出力期間Ｔｍｗ１を長くすると（例えば、２ｍｓの時）、ウェハの外周部と中央部のＥＲは同レベルになる。さらに、前記第一出力期間Ｔｍｗ１を延長すると（例えば、３ｍｓ、４ｍｓの時)、ウェハ外周高のＥＲ凸分布となった。つまり、第一出力期間Ｔｍｗ１が第二出力期間Ｔｍｗ２より短い場合はＥＲ分布が凸分布（第二のエッチングレート分布）となり、第一出力期間Ｔｍｗ１が第二出力期間Ｔｍｗ２より長い場合はＥＲ分布が凹分布（第一のエッチングレート分布）となる。

【0049】

ウェハの外周部のＥＲ分布の変化と、第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の比率の相関は以下に説明する。

【0050】

図５は第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の比率ＲＡ（ＲＡ＝第一出力期間Ｔｍｗ１／第二出力期間Ｔｍｗ２）に対し、ウェハの中央部のＥＲ(Center)を１００％とした時、外周部のＥＲ(Edge：例えば、ウェハ中央から１４５ｍｍを離れたところを測定した値)の増減率（ΔＥＲ(％)）を示す。ΔＥＲ(％)は下式で得られる。

【0051】

ΔＥＲ(％)＝（（ＥＲ（Ｅｄｇｅ）－ＥＲ（Ｃｅｎｔｅｒ））／（ＥＲ（Ｃｅｎｔｅｒ））×１００％
前記増減率（ΔＥＲ(％)）が負の場合は外周部のＥＲが中央部のＥＲより低いことを意味し、前記増減率（ΔＥＲ(％)）が正の場合は外周部のＥＲが中央部のＥＲより高いことを意味する。また、図５からは第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の比率ＲＡに対し、前記ＥＲの増減率(ΔＥＲ(％))はリニアに変化していることが分かった。言い換えると、第一出力期間Ｔｍｗ１の時間調整に対し、ウェハの外周部のプラズマ密度が比例して増幅し、ウェハの外周部のＥＲ分布を外周部のＥＲが低下した凸分布から外周のＥＲが高い凹分布まで制御できるようになった。

【0052】

所望のウェハＥＲ分布になるため、前記の(Ａ)の調整方法以外にも、(Ｂ):有限値の第二出力期間Ｔｍｗ２を制御し、有限値の第一出力期間Ｔｍｗ１と有限値のＯＦＦ期間Ｔｍｗ０を固定する方法や、(Ｃ):有限値の第一出力期間Ｔｍｗ１と有限値の第二出力期間Ｔｍｗ２を同時に制御し、有限値のＯＦＦ期間Ｔｍｗ０を固定する方法がある。つまり、制御部１２２は、第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の比率を制御するために、第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の一方を固定し、他方を調整できる（（Ａ）または（Ｂ））、或いは、第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の両方を同時に調整することができる（Ｃ）。

【0053】

(Ｂ)の方法は第二出力期間Ｔｍｗ２を短く設定した時、相対的に固定された第一出力期間Ｔｍｗ１が長くなり、ＥＲ分布は凹分布となる傾向がある。逆では（第二出力期間Ｔｍｗ２を長く設定した時、相対的に固定された第一出力期間Ｔｍｗ１が短くなる）、ＥＲ分布は外周部のＥＲが低下したＥＲ凸分布に制御される。

【0054】

(Ｃ)の方法は前記(Ａ)と(Ｂ)の方法と同じ、第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の出力期間比率ＲＡの制御で外周部のＥＲ分布を調整する。違う点は第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２とが同時に変化することである。

【0055】

いずれの方法（方法Ａ，Ｂ，Ｃ）も図５に示した第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の比率ＲＡを制御することで所望のウェハの外周部のＥＲ分布になった。

【0056】

前記制御パターンＡ（Ｐａｔｔｅｒｎ Ａ）以外も、以下の制御パターンＢ（Ｐａｔｔｅｒｎ Ｂ），Ｃ（Ｐａｔｔｅｒｎ Ｃ）が検証され、ウェハの外周部のＥＲ分布の制御性を確認した。

【実施例2】

【0057】

図６は２値ＭＷによるウェハ外周ＥＲ分布制御パターンＢである。制御パターンＢ（Ｐａｔｔｅｒｎ Ｂ）は、一周期分のパルス変調のパルス波形を示している。制御パターンＢが所定の回数だけ繰り返されて、プラズマによりプラズマ処理が行われる。

【0058】

前記制御パターンＢの一周期Ｔ１ｃｙｃは、ＭＷ電力ＰＭＷが第二出力ＰＭＷ２の第二出力期間Ｔｍｗ２、ＭＷ電力ＰＭＷが第一出力ＰＭＷ１の第一出力期間Ｔｍｗ１とＭＷ電力ＰＭＷがオフのＯＦＦ期間Ｔｍｗ０を含む。第二出力期間Ｔｍｗ２とＯＦＦ期間Ｔｍｗ０との間に第一出力期間Ｔｍｗ１が設けられる。ＲＦバイアス電源１１６の出力ＰＲＦもＭＷ出力電源１０７のＭＷ出力ＰＭＷと同様、第二出力期間Ｔｒｆ２、第一出力期間Ｔｒｆ１とＯＦＦ期間Ｔｒｆ０を有する。第二出力期間Ｔｒｆ２とＯＦＦ期間Ｔｒｆ０との間に第一出力期間Ｔｒｆ１が設けられる。プラズマ処理装置１の制御部１２２を用いて、前記の第二出力期間Ｔｍｗ２、第一出力期間Ｔｍｗ１を独立で制御することができる。この制御パターンＢを用いて、前記の(Ａ)～(Ｃ)の方法で第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の比率ＲＡを制御することで所望のウェハの外周部のＥＲ分布を得た。

【実施例3】

【0059】

図７は２値ＭＷによるウェハ外周ＥＲ分布制御パターンＣである。制御パターンＣ（Ｐａｔｔｅｒｎ Ｃ）は、一周期分のパルス変調のパルス波形を示している。制御パターンＣが所定の回数だけ繰り返されて、プラズマによりプラズマ処理が行われる。

【0060】

制御パターンＣの一周期Ｔ１ｃｙｃは、ＭＷ電力ＰＭＷが第一出力ＰＭＷ１の第一出力期間Ｔｍｗ１、ＭＷ電力ＰＭＷがオフの第一ＯＦＦ期間Ｔｍｗ０１、ＭＷ電力ＰＭＷが第二出力ＰＭＷ２の第二出力期間Ｔｍｗ２とＭＷ電力ＰＭＷがオフの第二ＯＦＦ期間Ｔｍｗ０２を含む。第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２との間に第一ＯＦＦ期間Ｔｍｗ０１が設けられ、第一ＯＦＦ期間Ｔｍｗ０１と第二ＯＦＦ期間Ｔｍｗ０２との間に第二出力期間Ｔｍｗ２が設けられる。ＲＦバイアス電源１１６の出力ＰＲＦも、ＭＷ出力電源１０７のＭＷ出力ＰＭＷと同様、第一出力期間Ｔｒｆ１、第一ＯＦＦ期間Ｔｒｆ０１、第二出力期間Ｔｒｆ２と第二ＯＦＦ期間Ｔｒｆ０２を有する。プラズマ処理装置１の制御部１２２を用いて、前記の第一出力期間Ｔｍｗ１、第二出力期間Ｔｍｗ２を独立で制御することができる。この制御パターンＣを用いて、前記の(Ａ)～(Ｃ)の方法で第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２の比率ＲＡを制御することで所望のウェハの外周部のＥＲ分布を得た。

【0061】

つまり、実施例１～３に示すように、制御部１２２は、第一出力期間Ｔｍｗ１のオンタイミングおよびオフタイミングの制御、第二出力期間Ｔｍｗ２のオンタイミングおよびオフタイミングの制御によって、第一出力期間Ｔｍｗ１と第二出力期間Ｔｍｗ２とオフ期間の順番を任意に設定できる。制御部１２２は、また、オフ期間の個数（実施例３では、第一ＯＦＦ期間Ｔｒｆ０１、第二ＯＦＦ期間Ｔｒｆ０２の２つ）も任意に設定できる。

【0062】

本発明は有限値の第一出力期間Ｔｍｗ１と有限値の第二出力期間Ｔｍｗ２を独立で制御し、所望のウェハＥＲ分布となるように前記第一出力期間Ｔｍｗ１の長さと前記第二出力期間Ｔｍｗ２の長さを制御することを特徴とするプラズマ処理装置である。

【0063】

また、実施例１～３は、ＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエッチング装置に本発明を適用した例であったが、容量結合方式または誘導結合方式プラズマエッチング装置にも同様に本発明を適用できる。

【0064】

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

【0065】

例えば、パルス変調されたパルス波形を所定の回数繰り返して、プラズマによりプラズマ処理を行う場合において、連続するパルス波形は、図３の制御パターンＡ、図６の制御パターンＢおよび図７の制御パターンＣから選択された２つの制御パターン（制御パターンＡとＢ、制御パターンＡとＣ、制御パターンＢとＣ）の組み合わせのパルス波形、または、３つの制御パターン（制御パターンＡ、ＢとＣ）の組み合わせのパルス波形を用いてもよい。

【0066】

実施例に係るプラズマ処理装置の特徴は、以下のように纏めることができる。

【0067】

１）試料（１１５）がプラズマ処理される処理室（１２１）と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源（１０７）と、試料（１１５）が載置される試料台（１１４）とを備えるプラズマ処理装置（１）において、
有限値の振幅（ＰＭＷ１）を有する第一の期間（Ｔｍｗ１）と有限値の振幅（ＰＭＷ２）を有する第二の期間（Ｔｍｗ２）と振幅がゼロである第三の期間（Ｔｍｗ０）を有するパルスにより前記高周波電力が変調される場合、プラズマ処理におけるエッチングレート分布が所望のエッチングレート分布（凹分布、または、凸分布）となるように前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の時間または前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の時間が制御される制御装置（１２２）をさらに備え、
前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の前記高周波電力は、エッチングレート分布（凹分布、または、凸分布）が第一のエッチングレート分布（凹分布）となる電力であり、
前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の前記高周波電力は、エッチングレート分布（凹分布、または、凸分布）が第二のエッチングレート分布（凸分布）となる電力である。

【0068】

２）前記制御装置（１２２）により、前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の時間と前記第二の期間の（Ｔｍｗ２）時間が独立に制御される。

【0069】

３）前記第一のエッチングレート分布（凹分布）が所望のエッチングレート分布である場合、前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の時間が前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の時間より長くなるように前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の時間または前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の時間が前記制御装置（１２２）により制御される。

【0070】

４）前記第二のエッチングレート分布（凸分布）が所望のエッチングレート分布である場合、前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の時間が前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の時間より短くなるように前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の時間または前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の時間が前記制御装置（１２２）により制御される。

【0071】

５）前記第一の期間（Ｔｍｗ１）の振幅（ＰＭＷ１）は、前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の振幅（ＰＭＷ２）より大きい。

【0072】

６）前記第三の期間（Ｔｍｗ０）は、前記第一の期間（Ｔｍｗ１）と前記第二の期間（Ｔｍｗ２）の間の期間である(図３参照）。

【0073】

７）前記第一のエッチングレート分布は、凹分布であり、前記第二のエッチングレート分布は、凸分布である。

【符号の説明】

【0074】

１ ＥＣＲ方式のマイクロ波プラズマエッチング装置
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 ガス供給用隙間
１０７ マイクロ波電源
１０８ チューナー
１０９ マイクロ波パルスユニット
１１０ 電磁場コイル
１１１ 電磁場コイル
１１２ 電磁場コイル
１１３ 真空排気装置
１１４ 試料台
１１５ 試料
１１６ ＲＦバイアス電源
１１７ マッチングボックス（整合器）
１１８ ＲＦバイアスパルスユニット
１１９ ガス供給装置
１２０ 高密度プラズマ
１２１ 処理室
１２２ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】