JP2009239012A - プラズマ処理装置及びプラズマエッチング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理基板上の電子密度あるいはプロセス特性の分布特性を容易かつ自在に制御すること。
【解決手段】この容量結合型プラズマ処理装置は、上部電極を径方向で内側上部電極６０と外側上部電極６２とに二分割し、２つの可変直流電源８０，８２より独立した第１および第２直流電圧Ｖ_C，Ｖ_Eを両上部電極６０，６２に同時に印加するようにしている。これらの２つの直流電圧Ｖ_C，Ｖ_Eの組み合わせを適宜選択することにより、種種のアプリケーションにおいてプラズマプロセスやエッチング特性の均一性を向上させることができる。
【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これを使用するプラズマエッチング方法に関する。

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では、大口径プラズマを容易に実現できる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、容量結合型の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、両電極間に高周波を印加する。そうすると、両電極の間で高周波電界によって加速された電子、電極から放出された二次電子、あるいは加熱された電子が処理ガスの分子と電離衝突を起こして、処理ガスのプラズマが発生し、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微細加工たとえばエッチング加工が施される。

プラズマエッチング装置においては、プラズマ生成（高周波放電）に好適な比較的高い周波数（通常４０ＭＨｚ以上）の第１高周波と基板へのイオンの引き込み（バイアス）に好適な比較的低い周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の第２高周波とを下部電極に同時に印加する下部２周波印加方式が多用されてきている。

ところで、大口径プラズマを扱う容量結合型のプラズマ処理装置では、基板上の各位置でプラズマプロセスを均一にするのが難しく、製品歩留まりの観点からこれを解決することが大きな課題となっている。一般に、プラズマ処理装置においては、プロセスパラメータ（圧力、ＲＦパワー、ガス種等）によってチャンバ内のプラズマ密度分布が変動しやすいため、或るプロセス条件の下で均一性の良いプロセス結果が得られても、加工特性の要求仕様に合わせてプロセス条件を変更すると、均一性が悪化するケースが多々あり、広範囲のプロセス条件に対して常にプロセスの均一性を保証できるチャンバ構造を実現するのは難しい。特に、基板上の多層構造の膜を複数のステップで連続的にエッチング加工する場合、各ステップまたは各被加工膜毎に使用するプロセスパラメータやエッチングマスクの材質が異なるので、すべてのステップを通じてエッチング特性の良好な均一性を得ることは困難である。

その点、プラズマ密度分布を可変するための調整ノブとして従来知られている電極のインピーダンスを電気回路で制御する手法（特許文献１）は、アクティブな制御法ではないため、多種多様なプロセスあるいはプロセス条件の変更に対してフレキシブルに対応することが難しく、今日のプラズマプロセスで求められる均一性のレベルに対して不十分であった。
特開２００４−９６０６６号公報

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、被処理基板上の電子密度あるいはプロセス特性の分布特性を容易かつ自在に制御できる容量結合型のプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、種種のエッチング加工においてエッチング特性の均一性を向上させるプラズマエッチング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、前記処理容器内で被処理基板を載置する下部電極と、前記処理容器内で前記下部電極の真向かいに配置される内側上部電極と、前記処理容器内で前記内側上部電極から絶縁してその半径方向外側にリング状に配置される外側上部電極と、前記内側および外側上部電極と前記下部電極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、高周波放電によって前記処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を前記下部電極もしくは前記内側および外側上部電極に印加する第１高周波給電部と、前記内側上部電極に可変の第１の直流電圧を印加する第１の直流給電部と、前記外側上部電極に可変の第２の直流電圧を印加する第２の直流給電部とを有する。

上記の構成においては、第１の直流給電部より内側上部電極に印加する第１の直流電圧と第２の直流給電部より外側上部電極に印加する第２の直流電圧とを独立に可変することで、下部電極に載置される基板上で電子密度分布あるいはププロセス特性を制御することが可能であり、両直流電圧の適宜の組み合わせによりプロセスの均一性を向上させることができる。

本発明の好適な一態様として、第１および第２の直流給電部がそれぞれ独立した直流電源を有してよい。別の好適な一態様として、第１および第２の直流給電部が共通（単一）の直流電源を有し、第１の直流給電部が該直流電源の出力端子と内側上部電極との間に接続される電圧降下用の可変抵抗器を有する構成としてもよい。

また、第２直流電圧の作用効果を強めるために内側上部電極よりも外側上部電極を下部電極側に一段突出させて配置する構成も好ましい。

本発明は、任意のプラズマ処理装置に適用可能であるが、特にプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波を下部電極に印加する第２高周波給電部を有するタイプのプラズマ処理装置に好適に適用できる。

本発明の第１の観点におけるプラズマエッチング方法は、本発明の上記プラズマ処理装置を用いてＳiを含有する絶縁膜をエッチング加工するプラズマエッチング方法であって、前記第１および第２の直流電圧のいずれも負極性で、前記第２の直流電圧の絶対値が前記第１の直流電圧の絶対値以上であることを特徴とする。

本発明のより具体的な一態様においては、ＳiＯ₂膜にコンタクトホールを形成するエッチング加工において、第１の直流電圧が−６００Ｖ〜−１５０Ｖに選定され、第２の直流電圧が−１０００Ｖ〜−１５０Ｖに選定される。第２高周波の周波数は２ＭＨｚ〜３．２ＭＨｚに選定されてよい。第２の直流電圧を可変することで、基板中心部のエッチングレートを殆どまたは余り変えずに基板エッジ部のエッチングレートを効果的に可変することが可能であり、エッチングレートの均一性を向上させることもできる。

別の一態様においては、ＳiＯＣ膜にビアホールを形成するエッチング加工において、第１の直流電圧が−９００Ｖ〜−３００Ｖに選定され、第２の直流電圧が−１５００Ｖ〜−３００Ｖに選定される。第２高周波の周波数は１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚに選定されてよい。また、処理ガスとして、フロロカーボンガスと不活性ガスとＯ₂ガスまたはＮ₂ガスとを含むエッチングガスを好適に使用できる。やはり、第２の直流電圧を可変することで、基板中心部のエッチング特性を殆どまたは余り変えずに基板エッジ部のエッチングレートを効果的に可変することが可能であり、エッチングレートの均一性を向上させることもできる。

別の一態様においては、多層レジスト法において中間層または最下層のＳiＮ膜にマスクパターンを転写するためのエッチング加工において、第１の直流電圧が−３００Ｖ〜０Ｖに選定され、第２の直流電圧が−９００Ｖ〜−３００Ｖに選定される。第２高周波の周波数は１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚに選定されてよい。この場合は、第２の直流電圧を可変することで、やはり基板中心部のエッチングレートを殆どまたは余り変えずに基板エッジ部のエッチングレートを効果的に可変できるだけでなく、パターンのＣＤシフトも基板中心部に比して基板エッジ部で効果的に可変できるので、ＣＤ均一性を向上させることができる。

本発明の第２の観点におけるプラズマエッチング方法は、本発明のプラズマ処理装置を用いて有機膜をエッチング加工するプラズマエッチング方法であって、第１および第２の直流電圧のいずれも負極性で、第２の直流電圧の絶対値が第１の直流電圧の絶対値よりも大きいことを特徴とする。好ましくは、第１の直流電圧が−１００Ｖ〜０Ｖに選定され、第２の直流電圧が−９００Ｖ〜０Ｖに選定される。第２高周波の周波数は１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚに選定されてよい。また、処理ガスとして、Ｏ₂ガスまたはＮ₂ガスを含むエッチングガスを好適に使用することができる。この場合は、第２の直流電圧を可変することで、基板エッジ部のエッチングレートを殆どまたは余り変えずに基板中心部のエッチングレートを効果的に可変することが可能であり、エッチングレートの均一性を向上させることもできる。

本発明のプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、被処理基板上の電子密度あるいはプロセス特性の分布特性を容易かつ自在に制御することができる。

また、本発明のプラズマエッチング方法によれば、上記のような構成および作用により、種種のエッチング加工においてエッチング特性の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よるプラズマエッチング装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、下部２周波印加方式を採るカソードカップルの容量結合型プラズマエッチング装置として構成されており、たとえばアルミニウムまたはステンレス鋼等からなる金属製の円筒型チャンバ（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内には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷを載置する円盤状のサセプタ１２が下部電極として水平に配置されている。このサセプタ１２は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ１０の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１４に支持されている。この筒状支持部１４の外周に沿ってチャンバ１０の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部（内壁部）１６とチャンバ１０の側壁との間に環状の排気路１８が形成されており、この排気路１８の入口にリング状のバッフル板（排気リング）２０が取り付けられ、排気路１８の底に排気口２２が設けられている。排気口２２には排気管２４を介して排気装置２６が接続されている。排気装置２６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内の処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ１０の側壁には、半導体ウエハＷの搬入出口を開閉するゲートバルブ２８が取り付けられている。

サセプタ１２には、第１および第２の高周波電源３０，３２がマッチングユニット３４および給電棒３６を介して電気的に接続されている。ここで、第１高周波電源３０は、主としてプラズマの生成に寄与する周波数（通常４０ＭＨｚ以上）の第１高周波を出力する。第２高周波電源３２は、主としてサセプタ１２上の半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みに寄与する周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の第２高周波を出力する。マッチングユニット３４には、第１高周波電源３０側のインピーダンスと負荷（主に電極、プラズマ、チャンバ）側のインピーダンスとの間で整合をとるための第１整合器と、第２高周波電源３２側のインピーダンスと負荷側のインピーダンスとの間で整合をとるための第２整合器とが収容されている。

サセプタ１２の上には処理対象の半導体ウエハＷが載置され、この半導体ウエハＷを囲むようにフォーカスリング（補正リング）３８が設けられている。このファーカスリング３８は、プロセスへの悪影響が少ない導電材たとえばＳi，ＳiＣ等からなり、消耗部品としてサセプタ１２の上面に着脱可能に取り付けられる。

サセプタ１２の上面には、ウエハ吸着用の静電チャック４０が設けられている。この静電チャック４０は、膜状または板状の誘電体の中にシート状またはメッシュ状の導電体を挟んでいる。該導電体にはチャンバ１０の外に配置される直流電源４２がオン・オフ切替スイッチ４４および給電線４６を介して電気的に接続されている。直流電源４２より印加される直流電圧により、クーロン力で半導体ウエハＷを静電チャック４０上に吸着保持することができる。

サセプタ１２の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒室４８が設けられている。この冷媒室４８には、チラーユニット（図示せず）より配管５０，５２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静電チャック４０上の半導体ウエハＷの温度を制御できる。さらに、ウエハ温度の精度を一層高めるために、伝熱ガス供給部（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給管５４およびサセプタ１２内部のガス通路５６を介して静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間に供給される。

チャンバ１０の天井には、サセプタ１２と平行に向かい合って円盤状の内側（または中心）上部電極６０およびリング状の外側（または周辺）上部電極６２が同心状に設けられている。径方向の好適なサイズとして、内側上部電極６０は半導体ウエハＷと同程度の口径（直径）を有し、外側上部電極６２はフォーカスリング（補正リング）３８と同程度の口径（内径・外径）を有している。ただし、内側上部電極６０と外側上部電極６２は互いに電気的（より正確にはＤＣ的）に絶縁されている。図示の構成例では、両電極６０，６２の間にたとえばセラミックからなるリング状の絶縁体６３が挿入されている。

内側上部電極６０は、サセプタ１２と真正面に向かい合う電極板６４と、この電極板６４をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体６６とを有している。電極板６４の材質は、プロセスへの悪影響が少なく、かつ良好なＤＣ印加特性を維持できるＳiあるいはＳiＣ等のシリコン含有導電材が好ましい。電極支持体６６はアルマイト処理されたアルミニウムで構成されてよい。

外側上部電極６２も、サセプタ１２と向かい合う電極板６８と、この電極板６８をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体７０とを有している。これらの電極板６８および電極支持体７０も、内側上部電極６０の電極板６４および電極支持体６６とそれぞれ同じ材質で構成されてよい。

この実施形態では、上部電極（６０，６２）とサセプタ１２との間に設定される処理空間ＰＳに処理ガスを供給するために、内側上部電極６０にシャワーヘッドを兼用させている。より詳細には、電極支持体６６の内部にガス拡散室７２を設け、このガス拡散室７２からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔７４を電極支持体６６および電極板６４に形成している。ガス拡散室７２の上部に設けられるガス導入口７２ａには、処理ガス供給部７６からのガス供給管７８が接続されている。なお、内側上部電極６０だけでなく外側上部電極６２にもシャワーヘッドを設ける構成としてもよい。

チャンバ１０の外には、たとえば−２０００〜＋１０００Ｖの範囲で可変の直流電圧Ｖ_C，Ｖ_Eをそれぞれ出力できる２つの可変直流電源８０，８２が配備されている。本発明のプラズマエッチング方法においては、後述するように、両直流電圧Ｖ_C，Ｖ_Eは通常は０Ｖ以下の値つまり負極性（−）の値で使用され、それぞれの絶対値を｜Ｖ_C｜，｜Ｖ_E｜とすると、｜Ｖ_C｜≦｜Ｖ_E｜の関係を保って併用される。

一方の可変直流電源８０の出力端子は、オン・オフ切替スイッチ８４およびフィルタ回路８６を介して内側上部電極６０に電気的に接続されている。フィルタ回路８６は、可変直流電源８０より出力される第１直流電圧Ｖ_Cをスルーで内側上部電極６０に印加する一方で、サセプタ１２から処理空間ＰＳおよび内側上部電極６０を通って直流給電ライン８８に入ってきた高周波を接地ラインへ流して可変直流電源８０側へは流さないように構成されている。

他方の可変直流電源８２の出力端子は、オン・オフ切替スイッチ９０およびフィルタ回路９２を介して外側上部電極６２に電気的に接続されている。フィルタ回路９２は、可変直流電源８２より出力される第２直流電圧Ｖ_Eをスルーで外側上部電極６２に印加する一方で、サセプタ１２から処理空間ＰＳおよび外側上部電極６２を通って直流給電ライン９４に入ってきた高周波を接地ラインへ流して可変直流電源８２側へは流さないように構成されている。

また、チャンバ１０内で処理空間ＰＳに面する適当な箇所としてたとえば外側上部電極６２の半径方向外側にたとえばＳi，ＳiＣ等の導電性部材からなるリング状のＤＣグランドパーツ（直流接地電極）９６が取り付けられている。このＤＣグランドパーツ９６は、たとえばセラミックからなるリング状の絶縁体９８に取り付けられるとともにチャンバ１０の天井壁にも接続されており、チャンバ１０を介して常時接地されている。プラズマ処理中に可変直流電源８０，８２より上部電極（６０，６２）に直流電圧（Ｖ_C，Ｖ_E）を印加すると、プラズマを介して上部電極（６０，６２）とＤＣグランドパーツ９６との間で直流の電子電流が流れるようになっている。

このプラズマエッチング装置内の各部たとえば排気装置２６、高周波電源３０，３２、静電チャック用のオン／オフ切替スイッチ４４、処理ガス供給部７６、ＤＣ印加用のオン・オフ切替スイッチ８４，９０、チラーユニット（図示せず）、伝熱ガス供給部（図示せず）等の個々の動作および装置全体の動作（シーケンス）は、たとえばマイクロコンピュータからなる制御部（図示せず）によって制御される。

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２８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４０の上に載置する。そして、処理ガス供給部７６よりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量でチャンバ１０内に導入し、排気装置２６によりチャンバ１０内の圧力を設定値に調節する。さらに、第１および第２高周波電源３０、３２をオンにして第１高周波（４０ＭＨｚ以上）および第２高周波（１３．５６ＭＨｚ以下）をそれぞれ所定のパワーで出力させ、これらの高周波をマッチングユニット３４および給電棒３６を介してサセプタ１２に印加する。また、スイッチ４４をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック４０と半導体ウエハＷとの間の接触界面に伝熱ガス（Ｈeガス）を閉じ込める。シャワーヘッド６０より吐出されたエッチングガスは両電極１２，（６０，６２）間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表面の被加工膜が所望のパターンにエッチングされる。

この容量結合型プラズマエッチング装置は、サセプタ１２に４０ＭＨｚ以上というプラズマ生成に適した比較的高い周波数の第１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。それと同時に、サセプタ１２に１３．５６ＭＨｚ以下というイオン引き込みに適した比較的低い周波数の第２高周波を印加することにより、半導体ウエハＷの被加工膜に対して選択性の高い異方性のエッチングを施すことができる。もっとも、プラズマ生成用の第１高周波は如何なるプラズマプロセスでも必ず使用されるが、イオン引き込み用の第２高周波はプロセスによっては使用されないことがある。

この容量結合型プラズマエッチング装置における主たる特徴は、上記のように上部電極を径方向で内側上部電極６０と外側上部電極６２とに二分割し、２つの可変直流電源８０，８２より第１および第２直流電圧Ｖ_C，Ｖ_Eを両上部電極６０，６２に同時に印加する構成にある。これらの２つの直流電圧Ｖ_C，Ｖ_Eの組み合わせを適宜選択することにより、種種のアプリケーションにおいてプラズマプロセスやエッチング特性の均一性を向上させることができる。以下、このプラズマエッチング装置を使用するエッチング方法の実施例を説明する。

Ｓiを含む絶縁膜のエッチング加工として、ＳiＯ₂膜やＳiＯＣ膜等に細くて深いコンタクトホールを形成するＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact）や比較的浅いビアホールを形成するＢＥＯＬ（Back End Of Line）のアプリケーションがよく知られている。

図２に、実施形態のプラズマエッチング装置を用いて、ブランケットＳiＯ₂膜を全面エッチングした実験で得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す。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
エッチングガス： Ｃ₄Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂＝４５／２００／３０sccm
チャンバ内の圧力： １５mTorr
高周波電力： ４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝１０００／３０００Ｗ
温度： 上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝６０／６０／２０℃
直流電圧： Ｖ_C＝−３００Ｖ， Ｖ_E＝−３００Ｖ，−９００Ｖ（２通り）

また、図３に、第２直流電圧Ｖ_Eを−３００Ｖから−９００Ｖに変えたときのウエハ上の各位置のＥ／Ｒ変化率を示す。

図２に示すように、Ｖ_C／Ｖ_E＝−３００Ｖ／−３００Ｖの場合はウエハ上のＥ／Ｒはエッジ部が中心部よりも大きく落ち込むが、Ｖ_C／Ｖ_E＝−３００Ｖ／−９００Ｖにすると中心部とエッジ部の差が縮まって面内均一性が大きく改善される。ここで重要なことは、図３に示すように、中心部のＥ／Ｒは殆ど変化せず、エッジ部のＥ／Ｒが顕著に変化することである。したがって、内側上部電極６０に印加する第１直流電圧Ｖ_Cを適当な値（好ましくは−６００Ｖ〜−１５０Ｖ）に選定し、外側上部電極６２に印加する第２直流電圧Ｖ_Eを適当な範囲（好ましくは−１５００Ｖ〜３００Ｖ）内で可変することで、Ｅ／Ｒの面内分布特性を自在に制御することが可能であり、面内均一性も容易に向上させることができる。

ＢＥＯＬのエッチングもブランケットＳiＯ₂膜のエッチングと同様のプロセスなので、上記プラズマエッチング方法をそのまま適用できる。なお、Ｓi含有絶縁膜のエッチングに用いるエッチングガスの添加ガスとしてＯ₂ガスの代わりにＮ₂ガスを使用してもよい。

図４に、実施形態のプラズマエッチング装置を用いて、ＳiＯ₂膜に口径０．２５μｍのコンタクトホールを形成するＨＡＲＣエッチングの実験で得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す。主なエッチング条件は上記ブランケットＳiＯ₂膜のエッチングと同じであり、第２直流電圧Ｖ_Eは−３００Ｖと−９００Ｖの２通りである。図５に、第２直流電圧Ｖ_Eを−３００Ｖから−９００Ｖに変えたときのウエハ上の各位置のＥ／Ｒ変化率を示す。

図４および図５に示すように、ＨＡＲＣでも、ブランケットＳiＯ₂膜のエッチングと同様の特性が得られた。すなわち、内側上部電極６０に印加する第１直流電圧Ｖ_Cを適当な値（たとえば−３００Ｖ）に選定し、外側上部電極６２に印加する第２直流電圧Ｖ_Eを−９００Ｖ〜−３００Ｖの範囲内で可変すると、中心部のＥ／Ｒを殆ど変えずに、エッジ部のＥ／Ｒを顕著に変化させ、ウエハ上のＥ／Ｒ分布特性においてエッジ部が中心部よりも低いプロファイル、中心部とエッジ部がほぼフラット（均一）になるプロファイル、およびエッジ部が中心部よりも高くなるプロファイルのいずれも容易に実現できることがわかる。

この実施形態のプラズマエッチング装置においては、内側上部電極６０と外側上部電極６２との間に電極ギャップ方向で段差を設ける構成も可能であり、好適には図６に示すように内側上部電極６０に対して外側上部電極６２を下方に突出させる構成を採ることができる。図６において、内側上部電極６０とサセプタ１２上の半導体ウエハＷとの電極間ギャップＤ_Cはたとえば３０ｃｍに設定され、外側上部電極６２とサセプタ１２上のフォーカスリンング３８との電極間ギャップＤ_Eはたとえば２０〜２５ｃｍに設定されてよい。

図７に、図６の段差型電極ギャップ構造を採る実施形態のプラズマエッチング装置を用いて上記と同様のエッタング条件でＨＡＲＣに本発明を適用した実験結果（Ｅ／Ｒ分布特性）を示す。この実験結果によれば、Ｖ_C＝−３００Ｖ、Ｖ_E＝−６００Ｖの条件下でＥ／Ｒの面内均一性を±０．９％まで改善できた。

なお、本発明のＨＡＲＣへの適用においては、｜Ｖ_C｜≦｜Ｖ_E｜の関係が保たれた条件下で、第１直流電圧Ｖ_Cは−６００Ｖ〜−１５０Ｖの範囲内で選定可能であり、第２直流電圧Ｖ_Eは−１０００Ｖ〜−１５０Ｖの範囲内で選定可能である。また、接続孔のエッチング加工ではイオンを被加工膜に強く打ち込めるように、サセプタ１２に印加される第２高周波は低い周波数が好ましく、好適には２ＭＨｚ〜３．２ＭＨｚに選ばれてよい。

Ｓi含有膜のエッチングにおいて、上記のように第２直流電圧Ｖ_Eの値を変えることによって半導体ウエハＷ上のＥ／Ｒ分布特性のプロファイルを制御できるのは、第２直流電圧Ｖ_Eの値を変えることによって半導体ウエハＷ上の電子密度（Ｎｅ）分布特性を制御できるためであり、Ｎｅ分布特性とＥ／Ｒ分布特性との間に相関関係があるためである。

一例として、上記ＨＡＲＣのエッチングで第２直流電圧Ｖ_Eの値を可変したときに得られたＮｅ分布特性およびＮｅ変化率分布特性をそれぞれ図８および図９に示す。図示のように、第２直流電圧Ｖ_Eの絶対値を０Ｖ→３００Ｖ→６００Ｖ→９００Ｖと大きくすると、ウエハ中心部のＮｅが少ししか変化しないのにウエハ周辺部のＮｅが大きく上昇変化しており、Ｅ／Ｒ分布特性と相関性があることが確認できた。

本発明の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は、基板表面の多層膜を複数のステップで連続的にエッチング加工するアプリケーションに好適に適用できる。以下、図１０に示すような多層レジスト法に係る本発明の実施例について説明する。

図１０において、加工対象の半導体ウエハＷの主面には、本来の被加工膜（たとえばゲート用のＳi膜）１００の上に最下層（最終マスク）としてＳiＮ層１０２が形成され、その上に中間層として有機膜（たとえばカーボン）１０４が形成され、その上にＳi含有の反射防止膜（ＢＡＲＣ）１０６を介して最上層のフォトレジスト１０８が形成される。ＳiＮ層１０２、有機膜１０４および反射防止膜１０６の成膜にはＣＶＤ（化学的真空蒸着法）あるいはスピンオンによる塗布膜が用いられ、フォトレジスト１０８のパターニングにはフォトリソグラフィが用いられる。

先ず、図１０の（Ａ）に示すようにパターニングされたフォトレジスト１０８をマスクとしてＳi含有反射防止膜１０６をエッチングした。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
エッチングガス： ＣＦ₄／Ｏ₂＝２５０／１３sccm
チャンバ内の圧力： ３０mTorr
高周波電力： ４０ＭＨｚ／１３ＭＨｚ＝４００／０Ｗ
直流電圧： Ｖ_C＝０Ｖ， Ｖ_E＝０Ｖ，−３００Ｖ，−６００Ｖ（３通り）

図示省略するが、反射防止膜１０６のエッチングの際に、第２直流電圧Ｖ_Eの絶対値を変化させることで、エッチングレートの面内分布特性を変化させることができる。

次に、図１０の（Ｂ）に示すようにフォトレジスト１０８および反射防止膜１０６をマスクとして有機膜１０４をエッチング加工した。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
エッチングガス： Ｏ₂＝７５０sccm
チャンバ内の圧力： ２０mTorr
温度： 上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝１５０／１５０／３０℃
高周波電力： ４０ＭＨｚ／１３ＭＨｚ＝４００／２００Ｗ
直流電圧： Ｖ_C＝０Ｖ， Ｖ_E＝０Ｖ，−３００Ｖ，−６００Ｖ（３通り）

図１１に、上記有機膜１０４のエッチング加工で得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す。図１２に、Ｅ／Ｒの変化率の面内分布特性を示す。

図１１に示すように、有機膜エッチングにおいては、内側上部電極６０に印加する第１直流電圧Ｖ_Cを一定値（０Ｖ）に固定し、外側上部電極６２に負極性で印加する第２直流電圧Ｖ_Eの絶対値を変えると、ウエハエッジ部のＥ／Ｒは殆ど一定で、Ｖ_E＝０Ｖの場合はウエハ中心部で大きく盛り上がる高い山形のプロファイルとなり、Ｖ_E＝−３００Ｖの場合はＥ／Ｒがウエハ中心部で小さく盛り上がる低い山形のプロファイルとなり、Ｖ_E＝−６００Ｖの場合はウエハ中心部で大きく落ち込む鍋底形のプロファイルになる。したがって、Ｖ_E＝−６００Ｖ〜−３００Ｖの中間（−４００Ｖ付近）でほぼフラットなＥ／Ｒプロファイルが得られることが容易に推測できる。

このように、本発明の有機膜エッチングへの適用において、第２直流電圧Ｖ_Eの絶対値を変えると、Ｓi含有絶縁膜のエッチングとは異なり、ウエハ周辺部のＥ／Ｒが殆ど変わらずにウエハ中心部のＥ／Ｒが変化する。この原理（作用）はまだ明らかではないが、電子密度（Ｎｅ）の分布特性よりもプラズマ（酸素プラズマ）と上部電極（６０，６２）との相互作用が支配的に影響するものと考えられる。

なお、本発明による有機膜エッチングにおいては、第１直流電圧Ｖ_Cは−１００Ｖ〜０Ｖの範囲内で選定されてよく、第２直流電圧Ｖ_Eは−９００Ｖ〜０Ｖの範囲内で選定されてよい。また、パターン加工形状の精度を重視する場合は、イオン引き込みのエネルギーを低めにするように、第２高周波の周波数を高めの領域（好ましく１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚ）に選定してよい。エッチングガスとしてＯ₂ガスにＮ₂ガスやＣＯ、ＣＯＳ、Ｈ₂、ＮＨ₃を添加して使用してもよい。有機膜エッチングにおけるガスの組み合わせとして、次のようなものを挙げることができる。

Ｏ₂、 Ｏ₂／Ｎ₂、 Ｏ₂／ＣＯ、 Ｏ₂／ＳＯ₂ 、 Ｏ₂／ＣＯＳ、 Ｏ₂／ＮＨ₃、 Ｎ₂／Ｈ₂、 ＮＨ₃、 Ｎ₂／Ｈ₂／Ｏ₂

図１３に、上記反射防止膜１０６および有機膜１０４のエッチング加工で得られたパターンの断面図（ＳＥＭ写真）を示す。図示のように、第２直流電圧Ｖ_Eの絶対値を０Ｖ→４００Ｖ→９００Ｖと高くしていくと、パターン上端部の反射防止膜１０６の肩くずれ（１０６'）が減少してパターンの垂直性が向上することがわかる。この効果は、密なパターン（左側）よりも疎なパターン（右側）において顕著に現れる。また、第２直流電圧Ｖ_Eの値を変えると、ウエハ半径方向で（中心部とエッジ部との間で）パターンＣＤの精度および均一性が変化し、Ｖ_Eを０Ｖ→４００Ｖ→９００Ｖと高くしていくとＣＤ精度および均一性が向上することもわかる。

再び図１０において、図１０の（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、パターニングされた反射防止膜１０６および有機膜１０４をマスクとしてＳiＮ膜１０２をエッチングした。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
エッチングガス：ＣＨＦ₃／ＣＦ₄／Ａｒ／Ｏ₂＝１２５／２２５／６００／６０sccm
チャンバ内の圧力： ７５mTorr
温度： 上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝１５０／１５０／３０℃
高周波電力： ４０ＭＨｚ／１３ＭＨｚ＝０／１０００Ｗ
直流電圧： Ｖ_C＝−３００Ｖ， Ｖ_E＝０Ｖ，−３００Ｖ，−９００Ｖ（３通り）

図１４に、上記ＳiＮ膜１０２のエッチング加工で得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す。図示のように、第１直流電圧Ｖ_Cを一定値（−３００Ｖ）に保ち、第２直流電圧Ｖ_Eの絶対値を０Ｖ→３００Ｖ→９００Ｖと上げると、ウエハ中心部のＥ／Ｒはさほど変化せずにウエハ周辺部のＥ／Ｒが大きく上昇変化する。この点は、上記ＨＡＲＣやＢＥＯＬの場合と同じである。

さらに、図１５に示すように、第２直流電圧Ｖ_Eの絶対値を３００Ｖ→９００Ｖと変えると、パターンのＣＤシフトがウエハ中心部よりもウエハ周辺（エッジ）部で大きく変化する。したがって、第２直流電圧Ｖ_Eの値を適宜選択することで、各半導体ウエハ毎にＣＤの均一性・精度を向上させ、ひいては多層レジスト法におけるパターン転写精度を向上させることができる。

本発明によるＳiＮ膜のエッチングにおいては、第１直流電圧Ｖ_Cは−３００Ｖ〜０Ｖの範囲内で選定されてよく、第２直流電圧Ｖ_Eは−９００Ｖ〜−３００Ｖの範囲内で選定されてよい。また、ＳiＮ膜のエッチングにおいても、ラジカルベースの高精度なパターンエッチングが求められるため、イオン引き込みのエネルギーを低めにするのが望ましく、第２高周波の周波数を高めの領域（好ましくは１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚ）に選定してよい。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでは決してなく、種々の変形が可能である。特に、本発明のプラズマエッチング装置においては、内側上部電極６０および外側上部電極６２周りの構成について種々の選択・変形を行うことができる。

たとえば、内側上部電極６０および外側上部電極６２に対して、単一または共通の可変直流電源を用いて独立した第１および第２直流電圧Ｖ_C，Ｖ_Eをそれぞれ印加する構成も可能である。たとえば、図１６に示す構成例では、可変直流電源１１０の出力端子を、フィルタ回路１１２および切替スイッチ１１４を介して外側上部電極６２に接続するとともに、フィルタ回路１１２、切替スイッチ１１６および可変抵抗器１１８を介して内側上部電極６０に接続している。可変直流電源１１０より出力される直流電圧Ｖ_Aをそのまま第２直流電圧Ｖ_Eとして外側上部電極６２に印加するとともに、直流電圧Ｖ_Aから可変抵抗器１１８の電圧降下分を差し引いたものを第１直流電圧Ｖ_Cとして内側上部電極６０に印加するようにしている。各切替スイッチ１１６，１１４は、各対応する上部電極６０，６２に向けて可変直流電源１１０の出力電圧を通すためのスルー位置と、各対応する上部電極６０，６２をグランド電位に接続する（つまりＯＶを印加する）ための接地位置との間で切り替わるようになっている。

また、図１６に示す構成例では、内側上部電極６０および外側上部電極６２の双方にシャワーヘッドを設けている。それぞれのシャワーヘッドより吐出するガスの種類または流量を独立に選択・制御することも可能である。

また、本発明は、上記実施形態のような下部２周波印加方式への適用に限定されるものではなく、たとえば上部電極（６０，６２）にプラズマ生成用の第１高周波を印可する方式のプラズマエッチング装置にも適用可能である。

また、本発明は、プラズマエッチング装置に限定されず、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容量結合型プラズマエッチング装置の構成を示す縦断面図である。 実施形態におけるＳiＯ₂膜全面エッチングの実験で得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す図である。 図２のエッチングにおいて外側上部電極に印加する第２直流電圧の値を変えたときのＥ／Ｒ変化率の面内分布特性を示す図である。 実施形態におけるＳiＯ₂膜にコンタクトホールを形成するＨＡＲＣエッチングの実験で得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す図である。 図４のエッチングにおいて外側上部電極に印加する第２直流電圧の値を変えたときのＥ／Ｒ変化率の面内分布特性を示す図である。 実施形態のプラズマエッチング装置において内側上部電極と外側上部電極との間に電極ギャップ方向で段差を設ける構成を示す図である。 図６の電極構造を用いるＨＡＲＣエッチングの実験で得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す図である。 実施形態におけるＨＡＲＣエッチングの実験で得られた電子密度（Ｎｅ）の面内分布特性を示す図である。 図８のエッチングにおいて外側上部電極に印加する第２直流電圧の値を変えたときのＮｅ変化率の面内分布特性を示す図である。 実施形態における多層レジスト法の工程手順を示す図である。 図１０の多層レジストに含まれる有機膜のエッチングで得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す図である。 図８のエッチングにおいて外側上部電極に印加する第２直流電圧の値を変えたときのＥ／Ｒ変化率の面内分布特性を示す図である。 図１０の多層レジストに含まれる反射防止膜および有機膜のエッチングで得られたパターンの形状を示す断面図（ＳＥＭ写真）である。 図１０の多層レジストに含まれるＳiＮ膜のエッチングで得られたエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性を示す図である。 図８のエッチングにおいて外側上部電極に印加する第２直流電圧の値を変えたときのＣＤシフトの面内分布特性を示す図である。 実施形態における容量結合型プラズマエッチング装置の一変形例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）
１２ サセプタ（下部電極）
２６ 排気装置
３０ 第１高周波電源
３２ 第２高周波電源
６０ 内側上部電極（シャワーヘッド）
６２ 外側上部電極
７６ 処理ガス供給部
８０，８２，１１０ 可変直流電源
１１８ 可変抵抗器

Claims (17)

1. 真空排気可能な処理容器と、
   前記処理容器内で被処理基板を載置する下部電極と、
   前記処理容器内で前記下部電極の真向かいに配置される内側上部電極と、
   前記処理容器内で前記内側上部電極から電気的に絶縁してその半径方向外側にリング状に配置される外側上部電極と、
   前記内側および外側上部電極と前記下部電極との間の処理空間に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
   高周波放電によって前記処理ガスのプラズマを生成するための第１高周波を前記下部電極もしくは前記内側および外側上部電極に印加する第１高周波給電部と、
   前記内側上部電極に可変の第１の直流電圧を印加する第１の直流給電部と、
   前記外側上部電極に可変の第２の直流電圧を印加する第２の直流給電部と
   を有するプラズマ処理装置。
2. 前記第１および第２の直流給電部がそれぞれ独立した直流電源を有する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１および第２の直流給電部が共通の直流電源を有し、前記第１の直流給電部が前記直流電源の出力端子と前記内側上部電極との間に接続される電圧降下用の可変抵抗器を有する請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記内側上部電極よりも前記外側上部電極を前記下部電極側に突出させて配置する請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記基板にプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波を前記下部電極に印加する第２高周波給電部を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用いてＳiを含有する絶縁膜をエッチング加工するプラズマエッチング方法であって、
   前記第１および第２の直流電圧のいずれも負極性で、前記第２の直流電圧の絶対値が前記第１の直流電圧の絶対値以上であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
7. 前記絶縁膜がＳiＯ₂膜であり、
   前記エッチング加工が前記ＳiＯ₂膜にコンタクトホールを形成する加工であり、
   前記第１の直流電圧が−６００Ｖ〜−１５０Ｖに選定され、
   前記第２の直流電圧が−１０００Ｖ〜−１５０Ｖに選定される
   請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
8. 前記第２高周波の周波数が２ＭＨｚ〜３．２ＭＨｚに選定される請求項７に記載のプラズマエッチング方法。
9. 前記絶縁膜がＳiＯＣ膜であり、
   前記エッチング加工が前記ＳiＯＣ膜にビアホールを形成する加工であり、
   前記第１の直流電圧が−９００Ｖ〜−３００Ｖに選定され、
   前記第２の直流電圧が−１５００Ｖ〜−３００Ｖに選定される
   請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
10. 前記第２高周波の周波数が１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚに選定される請求項９に記載のプラズマエッチング方法。
11. 前記処理ガスが、フロロカーボンガスと不活性ガスとＯ₂ガスまたはＮ₂ガスとを含むエッチングガスである請求項７〜１０のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
12. 前記絶縁膜が多層レジストの中間層または最下層に用いられるＳiＮ膜であり、
    前記エッチング加工が下地膜または下地基板のエッチングのためのＳiＮマスクを形成する加工であり、
    前記第１の直流電圧が−３００Ｖ〜０Ｖに選定され、
    前記第２の直流電圧が−９００Ｖ〜−３００Ｖに選定される
    請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
13. 前記第２高周波の周波数が１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚに選定される請求項１２に記載のプラズマエッチング方法。
14. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置を用いて有機膜をエッチング加工するプラズマエッチング方法であって、
    前記第１および第２の直流電圧のいずれも負極性で、前記第２の直流電圧の絶対値が前記第１の直流電圧の絶対値以上であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
15. 前記第１の直流電圧が−１００Ｖ〜０Ｖに選定され、
    前記第２の直流電圧が−９００Ｖ〜０Ｖに選定される
    請求項１４に記載のプラズマエッチング方法。
16. 前記第２高周波の周波数が１０ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚに選定される請求項１５に記載のプラズマエッチング方法。
17. 前記処理ガスがＯ₂ガスまたはＮ₂ガスを含むエッチングガスである請求項１５または請求項１６に記載のプラズマエッチング方法。

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