JP2007266529A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容量結合型の高周波放電によって生成するプラズマの密度の空間的な分布を均一化ないし任意に制御してプロセスの面内均一性を向上させる。
【解決手段】下部電極のサセプタ１６には被処理基板Ｗが載置され、高周波電源３０よりプラズマ生成用の高周波が印加される。サセプタ１６の上方にこれと平行に対向して配置される上部電極３４は、チャンバ１０にリング状の絶縁体３５を介して電気的に浮いた状態で取り付けられている。また、上部電極３４の上面とチャンバ１０の天井との間には所定ギャップサイズの隙間が設けられ、その隙間の一部または全部に真空空間５０が形成されている。この真空空間５０の内壁の全部または一部はシート状の絶縁体５２で覆われている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係り、特に容量結合型のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマがよく利用されている。従来より、枚葉式のプラズマ処理装置、特にプラズマエッチング装置の中では、容量結合型のプラズマ処理装置が主流となっている。

一般に、容量結合型プラズマ処理装置は、真空チャンバとして構成される処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、両電極のいずれか一方に高周波電圧を印加する。この高周波電圧によって両電極間に形成される電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生し、プラズマ中のラジカルやイオンによって基板表面に所望の加工（たとえばエッチング加工）が施される。ここで、高周波を印加される側の電極は整合器内のブロッキングキャパシタを介して高周波電源に接続されるため、カソード（陰極）として働く。基板を支持する下部電極に高周波を印加してこれをカソードとするカソードカップル方式は、下部電極に生じる自己バイアス電圧を利用してプラズマ中のイオンを基板にほぼ垂直に引き込むことにより、方向性にすぐれた異方性エッチングを可能としている（たとえば特許文献１参照）。
特開平６−２８３４７４

従来の容量結合型プラズマ処理装置は、概して、高周波を印加しないアノード側の電極を接地している。通常は、処理容器がアルミニウムやステンレス等の金属からなり保安接地されるので、処理容器を通じてアノードの電極を接地電位にすることができる。このことから、カソードカップル方式においては、アノード電極である上部電極を処理容器の天井に直付けで一体に組み込む構成や、あるいは処理容器の天井をそのまま上部電極として利用する構成を採っている。

しかしながら、近年の半導体製造プロセスにおけるデザインルールの微細化につれて低圧下での高密度のプラズマが要求されており、上記のような容量結合型プラズマ処理装置では高周波の周波数が段々高くなってきており、最近は標準的に４０ＭＨｚ以上の高周波を使用している。しかしながら、高周波の周波数が高くなると、高周波電流が電極の中心部に集まることによって、両電極間の処理空間に生成されるプラズマの密度も電極中心部側が電極エッジ部側より高くなり、プロセスの面内均一性が低下するという問題が顕著になってくる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、容量結合型において相対向する２つの電極の間に高周波を印加して生成するプラズマの密度の空間的な分布を均一化ないし任意に制御してプロセスの面内均一性を向上させるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、真空排気可能な、処理容器と、前記処理容器に絶縁体または空間を介して電気的に浮いた状態で取り付けられる第１の電極と、前記処理容器内に前記第１の電極と所定の間隔を空けて平行に配置され、前記第１の電極と対向させて被処理基板を支持する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極と前記処理容器の側壁との間の処理空間で所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理空間に前記処理ガスのプラズマを生成するために前記第２の電極に第１の高周波を印加する第１の高周波給電部とを有し、前記処理空間で生成されるプラズマについて所望のプラズマ密度分布特性が得られるように前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を設定する。

また、本発明のプラズマ処理方法は、真空可能な処理容器内で第１の電極と第２の電極とを所定の間隔を空けて平行に配置し、前記第１の電極に対向させて被処理基板を第２の電極で支持し、前記処理容器内を所定の圧力に真空排気し、前記第１の電極と前記第２の電極と前記処理容器の側壁との間の処理空間に所望の処理ガスを供給し、前記第２の電極に第１の高周波を印加して前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記第１の電極を前記処理容器に対して絶縁体を介して電気的に浮かせ、前記処理空間で生成されるプラズマについて所望のプラズマ密度分布特性が得られるように前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を設定する。

本発明の採る容量結合型においては、高周波電源からの高周波が第２の電極に印加されると、第２の電極と第１の電極との間の高周波放電および第２の電極と処理容器の側壁（内壁）との間の高周波放電によって処理空間内で処理ガスのプラズマが生成し、生成したプラズマは四方に、特に上方および半径方向外側に拡散し、プラズマ中の電子電流は第１の電極や処理容器側壁等を通ってグランドへ流れる。ここで、第１の電極は本発明にしたがい絶縁物または空間を介して電気的に浮いた状態で処理容器内に取り付けられるので、第２の電極からみると第１の電極と接地電位との間に静電容量のインピーダンスが付加された構成になる。この第１の電極の周囲の静電容量を適宜の値に設定することで、処理空間に生成されるプラズマの密度の空間分布特性を径方向で均一化することも任意に制御することもできる。

本発明における第１の電極と処理容器との間の静電容量として好ましい値は５０００ｐＦ以下で、より好ましいのは２０００ｐＦ以下であり、２５０ｐＦ程度まで低くしてもよい。本発明の好適な一態様によれば、第２の電極からみて第１の電極の裏面と処理容器との間に処理空間から独立した真空空間が設けられる。この真空空間は、第１の電極に対して断熱作用および放電防止機能を有するだけでなく、比誘電率の最も低い静電容量を与える。真空空間の内壁の全部または一部を絶縁体で覆う構成も好適に採ることができる。

第１の電極の周囲の静電容量を可及的に低くするために、別の好適な一態様として、第２の電極からみて第１の電極の裏面と対向する処理容器の部位の全部または一部を絶縁体で構成するのも好ましい。

本発明の好適な一態様によれば、処理空間に処理ガスを供給するために、第１の電極の上部または上方にガス室が設けられるとともに、第１の電極の下面にガス室から処理空間に処理ガスを噴出するための多数のガス噴出孔が形成される。このように、処理容器内で電気的に浮いている第１の電極に何等支障なくシャワーヘッドの機能を持たせることができる。

また、本発明の好適な一態様として、第１の電極の外周面と処理容器の側壁との間にその隙間を塞ぐようにリング状の絶縁体が設けられる。このリング状の絶縁体は、第１の電極を物理的に保持するとともに、第１の電極と処理容器との間の静電容量の一部を形成する。

好適な一態様においては、第１の電極（上部電極）の外周面と処理容器の側壁との間に空間が形成される。また、第１の電極が、半径方向において円盤状の内側電極とリング状の外側電極とに２分割される。また、内側電極と外側電極との間にリング状の第４の絶縁体が挿入され、または空間が形成される。あるいは、外側電極と前記処理容器の側壁との間にリング状の第５の絶縁体が挿入され、または空間が形成される。外側電極と処理容器との間の静電容量を内側電極と処理容器との間の静電容量より大きくするのが好ましい。

また、別の好適な一態様として、第１の電極が半径方向において円盤状の内側電極とリング状の外側電極に２分割され、内側電極と外側電極との間にリング状の第４の絶縁体が挿入され、外側電極と処理容器の側壁との間にリング状の第５の絶縁体が挿入される。かかる構成によれば、内側電極の接地容量を著しく低下させることが可能であり、電極中心部のプラズマ密度を相対的に減少させて電極エッジ部のプラズマ密度を相対的に増大させる効果を強めることができる。

本発明のプラズマ処理装置またはフラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、容量結合型の高周波放電で生成するプラズマの密度の空間的な分布を均一化ないし任意に制御してプロセスの面内均一性を向上させることができる。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、カソードカップルの容量結合型（平行平板型）プラズマエッチング装置として構成されており、たとえば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形の真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０の底部には、セラミックなどの絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷが載置される。

サセプタ１６の上面には半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートの間に挟み込んだものであり、電極２０には直流電源２２が電気的に接続されている。直流電源２２からの直流電圧により、半導体ウエハＷをクーロン力で静電チャック１８に吸着保持できるようになっている。静電チャック１８の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるためのたとえばシリコンからなるフォーカスリング２４が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面にはたとえば石英からなる円筒状の内壁部材２５が貼り付けられている。

サセプタ支持台１４の内部には、たとえば円周方向に延びる冷媒室２６が設けられている。この冷媒室２６には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管２７ａ，２７ｂを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水が循環供給される。冷媒の温度によってサセプタ１６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できるようになっている。さらに、伝熱ガス供給機構（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン２８を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

サセプタ１６には、プラズマ生成用の高周波電源３０が整合器３２および給電棒３３を介して電気的に接続されている。この高周波電源３０は、チャンバ１０内でプラズマ処理を行う際に所定の高周波数たとえば４０ＭＨｚの高周波をサセプタ１６に印加する。

サセプタ１６の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極３４が設けられている。この上部電極３４は、多数のガス噴出孔３６ａを有するたとえばＳi、ＳiＣなどの半導体材料からなる電極板３６と、この電極板３６を着脱可能に支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体３８とで構成されており、チャンバ１０にリング状の絶縁体３５を介して電気的に浮いた状態で取り付けられている。この上部電極３４とサセプタ１６とチャンバ１０の側壁とでプラズマ生成空間または処理空間ＰＳが形成されている。リング状絶縁体３５は、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、上部電極３４の外周面とチャンバ１０の側壁との間の隙間を気密に塞ぐように取り付けられ、上部電極３４を物理的に支持するとともに、上部電極３４とチャンバ１０との間の静電容量の一部を構成している。

電極支持体３８は、その内部にガスバッファ室４０を有するとともに、その下面にガスバッファ室４０から電極板３６のガス噴出孔３６ａに連通する多数のガス通気孔３８ａを有している。ガスバッファ室４０にはガス供給管４２を介して処理ガス供給源４４が接続されており、ガス供給管４２にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）４６および開閉バルブ４８が設けられている。処理ガス供給源４４より所定の処理ガスがガスバッファ室４２に導入されると、電極板３６のガス噴出孔３６ａよりサセプタ１６上の半導体ウエハＷに向けて処理空間ＰＳに処理ガスがシャワー状に噴出されるようになっている。このように、上部電極３４は処理空間ＰＳに処理ガスを供給するためのシャワーヘッドを兼ねている。

また、電極支持体３８の内部には冷媒たとえば冷却水を流す通路（図示せず）も設けられており、外部のチラーユニットにより冷媒を介して上部電極３４の全体、特に電極板３６を所定温度に温調するようになっている。さらに、上部電極３４に対する温度制御をより安定化させるために、電極支持体３８の内部または上面にたとえば抵抗発熱素子からなるヒータ（図示せず）を取り付ける構成も可能である。

上部電極３４の上面とチャンバ１０の天井との間には所定ギャップサイズの隙間が設けられ、その隙間の一部または全部に真空空間５０が形成されている。この真空空間５０は、上部電極３４をチャンバ１０ないし周囲温度から熱的に遮断するだけでなく、ガスの排除によって上部電極３４とチャンバ１０との間の放電を防止し、さらには真空の比誘電率が１であることから上部電極３４とチャンバ１０との間の容量を可及的に小さくする機能も併せて有している。なお、真空空間５０は、処理空間ＰＳとは別個に真空排気され、気密構造によって真空状態を保持する。この実施形態では、放電防止機能をさらに高めるために、真空空間５０の内壁の全部または一部（図示の例は上面のみ）をシート状の絶縁体５２で覆っている。この絶縁体５２には耐熱性に優れたポリイミド系の樹脂を好適に使用することができるが、テフロン（登録商標）や石英等でもよい。

サセプタ１６およびサセプタ支持台１４とチャンバ１０の側壁との間に形成される環状の空間は排気空間となっており、この排気空間の底にはチャンバ１０の排気口５４が設けられている。この排気口５４に排気管５６を介して排気装置５８が接続されている。排気装置５８は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０の室内、特に処理空間ＰＳを所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口６０を開閉するゲートバルブ６２が取り付けられている。

このプラズマエッチング装置において、エッチングを行なうには、先ずゲートバルブ６２を開状態にして加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック１８の上に載置する。そして、処理ガス供給源４４より処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置５８による真空排気でチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、高周波電源３０より所定のパワーで高周波（４０ＭＨｚ）をサセプタ１６に印加する。また、直流電源２２より直流電圧を静電チャック１８の電極２０に印加して、半導体ウエハＷを静電チャック１８上に固定する。上部電極３４のシャワーヘッドより吐出されたエッチングガスは処理空間ＰＳで高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマで生成されるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面の膜がエッチングされる。

この容量結合型プラズマエッチング装置は、サセプタ（下部電極）１６に４０ＭＨｚあるいはそれ以上の高周波を印加することにより、プラズマを好ましい解離状態で高密度化し、より低圧の条件下でも高密度プラズマを形成することができる。しかも、カソードカップル方式であり、サセプタ１６に生じる自己バイアス電圧を利用してプラズマ中のイオンをウエハＷにほぼ垂直に引き込んで、異方性のエッチングを行える。

また、プラズマ生成に適した比較的高い周波数（たとえば４０ＭＨｚ）の第１高周波とイオン引き込みに適した比較的低い周波数（たとえば２ＭＨｚ）の第２高周波とを下部電極に重畳して印加する下部２周波重畳印加方式も可能である。この場合の装置構成としては、たとえば図２に示すように、サセプタ１６に第２高周波を給電するための高周波電源６４、整合器６６および給電棒６８を増設すればよい。このような下部２周波重畳印加方式においては、処理空間ＰＳで生成するプラズマの密度を第１高周波（４０ＭＨｚ）により最適化し、サセプタ１６に生じる自己バイアス電圧またはイオンシースを第２高周波（２ＭＨｚ）により最適化することができ、より選択性の高い異方性エッチングが可能となる。

次に、このプラズマエッチング装置における本発明の特徴を詳細に説明する。上述したように、このプラズマエッチング装置は、カソードカップル方式において上部電極３４をリング状絶縁体３５および上部真空空間５０等を介してチャンバ１０に電気的に浮いた状態（フローティング状態）で取り付けている。

先ず、比較例として、上部電極３４をチャンバ１０に直付けで取り付けて接地電位にした場合の作用を説明する。この場合は、図３に示すように、高周波電源３０からの高周波がサセプタ１６に印加されると、サセプタ１６と上部電極３４との間の高周波放電およびサセプタ１６とチャンバ１０の側壁との間の高周波放電によって処理空間ＰＳ内で処理ガスのプラズマが生成する。生成したプラズマは四方に、特に上方および半径方向外側に拡散し、プラズマ中の電子電流は上部電極３４やチャンバ１０の側壁等を通ってグランドへ流れる。ここで、サセプタ１６においては高周波の周波数が高くなるほど表皮効果によってサセプタ中心部に高周波電流が集まりやすい。しかも、サセプタ１６からみて同電位（グランド電位）にある上部電極３４とチャンバ１０側壁とでは前者の方が後者よりも距離的に近いため、電極中心部でより多くの高周波電力が処理空間ＰＳに向けて放出される。このため、プラズマ中の電子電流の中でチャンバ１０の側壁へ流れる割合はかなり低く、大部分は上部電極３４に、しかもその中心部に流れる。その結果、プラズマ密度の空間分布特性は、電極中心部が最も高いだけでなく、電極エッジ部との差が顕著に現れる。

これに対して、この実施形態のように上部電極３４をフローティング状態でチャンバ１０に取り付けると、図４に示すように処理空間ＰＳ内のプラズマ分布は半径方向外側に延びる。図４において、上部電極３４は電気的にはキャパシタ７０，７２を介してチャンバ１０に接続される。ここで、キャパシタ７０は上部電極３４とチャンバ１０の側壁との間の静電容量であり、主としてリング状絶縁体３５によって与えられる。一方、キャパシタ７２は上部電極３４とチャンバ１０の天井との間の静電容量であり、主として真空空間５０および絶縁体５２によって与えられる。

この場合も、高周波電源３０より高周波がサセプタ１６に印加されると、サセプタ１６と上部電極３４との間の高周波放電およびサセプタ１６とチャンバ１０の側壁との間の高周波放電によって処理空間ＰＳ内でエッチングガスのプラズマが生成する。生成したプラズマは上方および半径方向外側に拡散し、プラズマ中の電子電流は上部電極３４やチャンバ１０の側壁等を通ってグランドへ流れる。そして、サセプタ１６においてはサセプタ中心部に高周波電流が集まりやすく、サセプタ１６からみてチャンバ１０の側壁よりも上部電極３４の方が近くに位置しているのも図３の場合と同じである。しかし、上部電極３４と接地電位との間にキャパシタ７０，７２のインピーダンスが付加されることにより、サセプタ１２の中心部に高周波電流が集まってもそこから真上の上部電極３４へは流れにくくなる。このため、プラズマＰＳ中の電子電流の中でチャンバ１０の側壁へ流れる割合は決して低くはない。理論的には、キャパシタ７０，７２の容量の値（キャパシタンス）次第で如何様にもサセプタ１６と上部電極３４との間およびサセプタ１６とチャンバ１０の側壁との間でそれぞれ流れる電子電流の比を制御することができる。したがって、プラズマ密度の空間分布特性を径方向で均一化することも任意に制御することもできる。

図５〜図７に、この実施形態のプラズマエッチング装置（図２）によるＳiＯ₂ビアホールのエッチングについて、上部電極３４の接地容量つまり上部電極３４の周囲のキャパシタ７０，７２の合成容量を２００００ｐＦ（高容量）および２５０ｐＦ（低容量）の二通りに選んだときの電子密度Ｎｅの空間分布特性、ならびに酸化膜（ＳiＯ₂）エッチングレートおよびフォトレジスト（ＰＲ）エッチングレートの面内分布特性を比較して示す。主なエッチング条件は下記のとおりである。
ウエハ口径：３００ｍｍ
処理ガス：Ｃ₄Ｆ₆／Ｃ₄Ｆ₈／Ａr／０₂＝流量４０／２０／５００／６０sccm
チャンバ内の圧力：３０mTorr
高周波電力：４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝２５００／３２００Ｗ

図５〜図７から明らかなように、上部電極３４の接地容量が高容量（２００００ｐＦ）の場合、電子密度Ｎｅはウエハ中心部では高くて比較的均一な値を保つが、ウエハエッジ付近で（Ｒ＝±１２０ｍｍ辺りから）急峻に低下する。酸化膜のエッチングレートおよびフォトレジストのエッチングレートはいずれも電子密度分布に依存するので、それらの面内均一性もそれぞれ±４．１％，±１９．１％とあまりよくない。これに対して、上部電極３４の接地容量が低容量（２５０ｐＦ）の場合は、電子密度Ｎｅがウエハ中心部で減少する一方で、ウエハ領域（−１５０ｍｍ〜１５０ｍｍ）の外側つまり排気領域で増大しており、ウエハ中心部とウエハエッジ部との差が縮まっている。これに関連して、酸化膜のエッチングレートおよびフォトレジストのエッチングレートもウエハ中心部とウエハエッジ部との間で差が縮まっている。特に、酸化膜のエッチングレートは、中心部だけが低下し、エッジ部は殆ど低下しておらず、面内均一性は±２．４％に向上している。また、フォトレジストのエッチングレートは、全体的に増大するものの、面内均一性は±４．４％まで大きく改善している。

このように、上部電極３４の周囲の静電容量または接地容量を高容量（２００００ｐＦ）から低容量（２５０ｐＦ）にシフトさせることで、サセプタ１２と上部電極３４との間で流れる電子電流を相対的に減少させることができる。それとともに、サセプタ１２とチャンバ１０の側壁との間で流れる電子電流を相対的に増加させ、これにより電極中心部のプラズマ密度を相対的に減少させて電極エッジ部のプラズマ密度を相対的に増大させることができる。結果として、酸化膜やフォトレジストのエッチングレートの面内均一性を向上させることができる。特に、フォトレジストのエッチングレートに係る面内均一性の劇的な向上（１９．１％→４．４％）は従来技術ではなしえなかったものである。

本発明者が上記のような実験を重ねたところ、上部電極３４の接地容量を５０００ｐＦ以下とすれば上記のようなエッチングレートの面内均一性の効果を得ることができる。さらに、上部電極３４の接地容量を２０００ｐＦ以下に低くすれば、上記のエッチングレートの面内均一性における実用上の効果を確実に得られることが確認されている。

図８および図１０に、上部電極３４の接地容量を低くするのに好適な装置構成例を示す。図８に示す構成例は、上部電極３４の背面つまり上面と対向するチャンバ１０の部位つまり天井部分を絶縁体７３で構成するものである。かかる構成によれば、上部電極３４の背面とチャンバ１０の天井部分との間の容量結合を可及的に減少ないし除去することが可能であり、電気的には図９に示すように上部電極３４の背後のキャパシタ７２（図４）を実質的に取り除いた接地容量とすることができる。これにより、電極中心部のプラズマ密度を相対的に減少させて電極エッジ部のプラズマ密度を相対的に増大させる効果を一層強めることができる。なお、図示の例はチャンバ１０の天井部分を全て絶縁体７３で構成して背部または上部キャパシタ７２の容量を最小化しているが、天井部分の外周部を導電体で構成して中心部の絶縁体７３との面積比を適宜調節し、背部キャパシタ７２の容量を所望の値に調節することもできる。

図１０に示す構成例は、上部電極３４を半径方向において円盤状の内側上部電極３４Ａとリング状の外側上部電極３４Ｂとに２分割し、両電極３４Ａ，３４Ｂとの間にリング状の内側絶縁体７４を気密に挿入し、外側上部電極３４Ｂとチャンバ１０の側壁との間にリング状の外側絶縁体７６を気密に挿入したものである。両リング状絶縁体７４，７６の材質は比誘電率の小さい石英が好ましいが、セラミックやアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などでもよい。さらには、両リング状絶縁体７４，７６の代わりに空間が形成されてもよい。両上部電極３４Ａ，３４Ｂとチャンバ１０の天井との間には大気に連通する空間７８を設けている。

この装置構成においては、両上部電極３４Ａ，３４Ｂはいずれも電気的に浮いている。図１１に示すように、内側上部電極３４Ａとチャンバ１０との間にはキャパシタ８０が存在し、外側上部電極３４Ｂとチャンバ１０との間にはキャパシタ８２が存在し、内側上部電極３４Ａと外側上部電極３４Ｂとの間にはキャパシタ８４が存在する。ここで、キャパシタ８０は主として空間７８によって与えられ、キャパシタ８２は主として外側リング状絶縁体７６によって与えられ、キャパシタ８４は主として内側リング状絶縁体７４によって与えられる。

高周波電源３０より高周波がサセプタ１６に印加されると、サセプタ１６と内側上部電極３４Ａとの間の高周波放電、サセプタ１６と外側上部電極３４Ｂとの間の高周波放電およびサセプタ１６とチャンバ１０の側壁との間の高周波放電によって処理空間ＰＳ内でエッチングガスのプラズマが生成する。プラズマ中の電子電流のうち一部は内側上部電極３４Ａ→キャパシタ８０→チャンバ１０の第１経路を通ってグランドへ流れ、他の一部は外側上部電極３４Ｂ→キャパシタ８２→チャンバ１０の第２経路を通ってグランドへ流れる。他の一部は内側上部電極３４Ａ→キャパシタ８４→外側上部電極３４Ｂ→キャパシタ８２→チャンバ１０の第３経路を通ってグランドへ流れ、残りは直接チャンバ１０の側壁に達してグランドへ流れる。この中で、第３経路はインピーダンスが最も高いため、流れる電流は僅かであり、内側上部電極３４Ａからグランドへ流れる電流の総量は減少する。そのぶん、第２経路やチャンバ１０の側壁に流れる電流の割合が増加する。これにより、電極中心部のプラズマ密度を相対的に減少させて電極エッジ部のプラズマ密度を相対的に増大させる効果を一層強めることができる。なお、外側上部電極３４Ｂにもガス室やガス噴出孔を設けてシャワーヘッドの機能を持たせることは可能である。

また、外側上部電極３４Ｂとチャンバ１０との間の静電容量を内側上部電極３４Ａとチャンバ１０との間の静電容量よりも大きくしてもよい。これにより、第１経路や第３経路と比べて確実に第２経路やチャンバ１０に流れる電流の割合を増加させることができる。

この実施形態のプラズマエッチング装置においては、上部電極３４の周囲の静電容量または接地容量を可変することも可能であり、図１２〜図１４に静電容量可変部の構成例を示す。

図１２および図１３に示す静電容量可変部８６は、上部電極３４の上面に接触または近接する第１の位置と上部電極３４から上方に離れた第２の位置との間で移動可能な導体板８８と、この導体板８８を上下に移動または変位させるための操作機構９０と、操作機構９０を通じて上部電極３４の接地容量を所望の値に制御するための静電容量制御部８５とを有する。図１２の操作機構９０は、導電性の材質、または高周波に対して導電性の性質を持つ材質、または高周波に対して低インピーダンスの材質からなり、直接あるいはチャンバ１０を介して接地される。図１３の操作機構９０は絶縁性の材質でもよい。この静電容量可変方式は、導体板８８の高さ位置に応じて上部電極３４の接地容量を可変することが可能である。導体板８８をチャンバ１０の天井面に近づければ近づけるほど、上部電極３４の接地容量を小さくすることができる。反対に、導体板８８を上部電極３８の上面に近づければ近づけるほど、上部電極３４の接地容量を大きくすることができる。極端には上部電極３４に導体板８８を接触させて上部電極３４を接地し、接地容量を無限大にすることもできる。

図１４に示す静電容量可変部９２は、上部電極３４とチャンバ１０の側壁との間に設けられるリング状絶縁体３５の中に環状の液体収容室９４を形成し、配管９６を介してチャンバ１０の外から適当な誘電率を有する液体（例えばガルデンのような有機溶剤）Ｑを出し入れできる構成としている。液体Ｑの種類（誘電率）または液量を変えることでリング状絶縁体３５全体の静電容量ひいては上部電極３４の接地容量を可変することができる。

別の構成例として、上部電極３４とチャンバ１０との間に可変コンデンサ（図示せず）を接続する構成も可能である。

また、図１５に示すように、上部電極３４に直流電源９８を電気的に接続して、任意の直流電圧を上部電極３４に印加する構成も可能である。この場合も、上部電極３４はチャンバ１０の電位つまり接地電位からは電気的に浮いた状態で直流的な作用を奏することになる。上部電極３４に適度な直流電圧を印加することにより、（１）上部電極３４の自己バイアス電圧の絶対値を大きくして上部電極３４におけるスパッタリング（デポ除去）を強める効果、（２）上部電極３４におけるプラズマシースを拡大させ、形成されるプラズマが縮小化される効果、（３）上部電極３４の近傍に生じた電子を被処理基板（半導体ウエハＷ）上に照射させる効果、（４）プラズマポテンシャルを制御できる効果、（５）電子密度（プラズマ密度）を上昇させる効果、（６）中心部のプラズマ密度を上昇させる効果の少なくとも１つを奏することができる。

また、図１６に示すような構成を採ることも可能である。具体的には、図２のようにサセプタ１６に高周波電源３０より整合器３２および給電棒３３を介して第１高周波を給電するとともに、高周波電源６４より整合器６６及び給電棒６８を介して第２高周波を給電し（下部２周波重畳印加方式）、かつ図１０のように上部電極３４を半径方向において円盤状の内側上部電極３４Ａとリング状の外側上部電極３４Ｂとに２分割する構成である。

なお、上記した実施形態においては上部電極３４の接地電位に対する電気的な浮かせ状態（フローティング状態）を静電容量の観点で説明したが、インピーダンスの観点で説明することも可能である。

たとえば、上記の段落［００３８］において、上部電極３４の接地容量を５０００ｐＦ以下とすればエッチングレートの面内均一性の効果を得ることができ、２０００ｐＦ以下とすればエッチングレートの面内均一性の効果を確実に得ることができると述べた。これをインピーダンスに置き換えて観ると、処理空間ＰＳ側から見た上部電極３４のインピーダンスを、それぞれ１０Ω以上、５Ω以上とすればよい。

また、上記した実施形態において、電極板３６と電極支持体３８とで構成される上部電極３４の接地容量について説明してきた。しかし、電極板３６と電極支持体３８との間に真空空間もしくは誘電体を設け、電極板３６のみを上部電極３４とする構造、すなわち電極板３６のみをフローティング状態とする構造としてもよい。また、電極板３６または電極支持体３８と直流的に結合するさらに別の導電性の部材を電極板３６と電極支持体３８と共に上部電極３４を構成する部材としてもよい。

上記した実施形態で用いた高周波の周波数は一例であり、プロセスに応じて任意の周波数を使用することが可能である。また、装置内の各部の構成も種々の変形が可能である。上記実施形態はプラズマエッチング装置およびプラズマエッチング方法に係るものであったが、本発明はプラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理装置および処理方法にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

本発明の一実施形態におけるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態の一変形例によるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 比較例のプラズマエッチング装置における容量結合型高周波放電の仕組みを模式的に示す図である。 実施形態のプラズマエッチング装置における容量結合型高周波放電の仕組みを模式的に示す図である。 実施形態のプラズマエッチング装置において上部電極の接地容量を高容量と低容量の２通りに選んだ場合の電子密度の空間分布特性を比較して示す図である。 実施形態のプラズマエッチング装置において上部電極の接地容量を高容量と低容量の２通りに選んだ場合の酸化膜のエッチングレートの面内分布特性を比較して示す図である。 実施形態のプラズマエッチング装置において上部電極の接地容量を高容量と低容量の２通りに選んだ場合のフォトレジストのエッチングレートの面内分布特性を比較して示す図である。 実施形態の一変形例によるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 図８のプラズマエッチング装置における容量結合型高周波放電の仕組みを模式的に示す図である。 実施形態の一変形例によるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 図１０のプラズマエッチング装置における容量結合型高周波放電の仕組みを模式的に示す図である。 実施形態のプラズマエッチング装置における静電容量可変部の一実施例を示す部分断面図である。 実施形態のプラズマエッチング装置における静電容量可変部の別の実施例を示す部分断面図である。 実施形態のプラズマエッチング装置における静電容量可変部の他の実施例を示す部分断面図である。 実施形態の一変形例によるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態の一変形例によるプラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。

符号の説明

１０ チャンバ（処理容器）
１６ サセプタ（下部電極）
３０ 高周波電源
３４ 上部電極
３４Ａ 内側上部電極
３４Ｂ 外側上部電極
３５ リング状絶縁体
３６ 電極板
３６ａ ガス噴出孔
３８ 電極支持体
４０ ガスバッファ室
４２ ガス供給管
４４ 処理ガス供給源
５０ 真空空間
５２ 絶縁体
６４ 高周波電源
７０，７２ キャパシタ
７３ 絶縁体
７４，７６ リング状絶縁体
８０，８２，８４ キャパシタ
８６，９２ 静電容量可変部

Claims (23)

1. 真空排気可能な処理容器と、
   前記処理容器内に絶縁物または空間を介して電気的に浮いた状態で取り付けられる第１の電極と、
   前記処理容器内に前記第１の電極と所定の間隔を空けて平行に配置され、前記第１の電極と対向させて被処理基板を支持する第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極と前記処理容器の側壁との間の処理空間に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成するために前記第２の電極に第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と
   を有し、前記処理空間で生成されるプラズマについて所望のプラズマ密度分布特性が得られるように前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を設定するプラズマ処理装置。
2. 前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を可変するための静電容量可変部を有する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量が５０００ｐＦ以下の値になるように前記第１の電極の周囲を構成する請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量が２０００ｐＦ以下の値になるように前記第１の電極の周囲を構成する請求項３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記処理容器が導電体からなり、接地される請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第２の電極からみて前記第１の電極の裏面と前記処理容器との間に前記処理空間から独立した真空空間が設けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記真空空間の内壁の全部または一部を覆う第１の絶縁体を有する請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記第２の電極からみて前記第１の電極の裏面と対向する前記処理容器の部位の全部または一部を第２の絶縁体で構成する請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記第１の電極が上部電極であり、前記第２の電極が下部電極である請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記第１の電極の上部または上方に前記処理ガス供給部からの前記処理ガスを導入するガス室が設けられ、前記第１の電極に前記ガス室から前記処理空間に前記処理ガスを噴出するための多数のガス噴出孔が形成される請求項９に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記第１の電極の外周面と前記処理容器の側壁との間にリング状の第３の絶縁体が設けられる請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記第３の絶縁体が、前記第１の電極の外周面と前記処理容器の側壁との間の隙間を塞ぐように設けられる請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記第１の電極の外周面と前記処理容器の側壁との間に空間が形成される請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
14. 前記第１の電極が、半径方向において円盤状の内側電極とリング状の外側電極とに２分割されている請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
15. 前記内側電極と前記外側電極との間にリング状の第４の絶縁体が挿入され、または空間が形成される請求項１４に記載のプラズマ処理装置。
16. 前記外側電極と前記処理容器の側壁との間にリング状の第５の絶縁体が挿入され、または空間が形成される請求項１４または請求項１５に記載のプラズマ処理装置。
17. 前記外側電極と前記処理容器との間の静電容量は、前記内側電極と前記処理容器との間の静電容量よりも大きい請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
18. 前記第２の電極に前記第１の高周波よりも周波数の低い第２の高周波を印加する第２の高周波給電部を有する請求項１〜１７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
19. 前記第１の電極に所望の直流電圧を印加するための直流電源を有する請求項１〜１８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
20. 真空可能な処理容器内で第１の電極と第２の電極とを所定の間隔を空けて平行に配置し、前記第１の電極に対向させて被処理基板を第２の電極で支持し、前記処理容器内を所定の圧力に真空排気し、前記第１の電極と前記第２の電極と前記処理容器の側壁との間の処理空間に所望の処理ガスを供給し、前記第２の電極に第１の高周波を印加して前記処理空間で前記処理ガスのプラズマを生成し、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
    前記第１の電極を前記処理容器に対して絶縁体または空間を介して電気的に浮かせ、前記処理空間で生成されるプラズマについて所望のプラズマ密度分布特性が得られるように前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を設定するプラズマ処理方法。
21. 前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を可変とする請求項２０に記載のプラズマ処理方法。
22. 前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を２０００ｐＦ以下の値に選定する請求項２０または請求項２１に記載のプラズマ処理方法。
23. 前記第１の電極と前記処理容器との間の静電容量を２５０ｐＦ以下の値に選定する請求項２２に記載のプラズマ処理方法。
    
    
    
    

Images