JP2010205823A

JP2010205823A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2010205823A
Application number: JP2009047982A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hatta; 浩一八田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: JP5674280B2; US20100220081A1

Abstract

【課題】第１電極への直流電圧を印加する方式を採用しながら、対向電極を実質的に必要としないプラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】プラズマエッチング装置は、半導体ウエハＷが収容され、内部が真空排気可能なチャンバ１０と、チャンバ１０内に互いに対向して配置される、上部電極３４および半導体ウエハＷを載置する下部電極１６と、チャンバ１０内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニット６６と、下部電極１６にプラズマ生成用の高周波電力を印加する第１の高周波電源４８およびバイアス用の高周波電力を印加する第２の高周波電源９０と、上部電極３４に正負交互に変化する直流電圧を印加する直流電圧印加ユニット５０とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板等の被処理基板にプラズマエッチングのようなプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に関する。

例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに形成された所定の層に所定のパターンを形成するために、レジストをマスクとしてプラズマによりエッチングするプラズマエッチング処理が多用されている。

このようなプラズマエッチングを行うためのプラズマエッチング装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマエッチング装置が主流である。

容量結合型平行平板プラズマエッチング装置は、チャンバ内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバ内に導入するとともに、電極の少なくとも一方に高周波電力を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを生成して半導体ウエハの所定の層に対してプラズマエッチングを施す。

具体的には、プラズマ形成用の相対的に高い周波数の高周波電力と、イオン引き込み用の相対的に低い周波数の高周波電力を印加することにより、適切なプラズマ状態を形成するプラズマエッチング装置が知られており、これにより、高選択比で再現性の高いエッチング処理が可能である（例えば特許文献１）。

ところで、近年の微細加工の要求に対応して、マスクとして用いられるフォトレジストの膜厚が薄くなり、使用されるフォトレジストもＫｒＦガスを発光源としたレーザー光で露光するＫｒＦフォトレジストから、より微細なパターン開口を形成することができる、より短波長のＡｒＦガスを発光源としたレーザー光で露光するＡｒＦフォトレジストに移行されつつある。しかしながら、ＡｒＦフォトレジストは耐プラズマ性が低いため、フォトレジストの膜厚が薄いことと相俟って、良好なエッチング選択比でエッチングホールを形成することができないという不都合が生じる。

一方、この種のエッチング装置では、上部電極に供給したプラズマ生成用の高周波電力のパワーが小さい場合には、エッチング終了後に上部電極に堆積物（デポ）が付着し、プロセス特性の変化やパーティクルの懸念がある。また、パワーが大きい場合には、電極の削れが生じ、パワーが小さい場合とはプロセス特性が変化する。高周波電源からのパワーはプロセスによって適正な範囲が決まるため、どのようなパワーでもプロセスが変動しないことが望まれる。

さらに、このような容量結合型平行平板プラズマエッチング装置では、チャンバ内の圧力が高くかつ使用するエッチングガスが負性ガス（例えば、Ｃ_ｘＦ_ｙ、Ｏ_２など）の場合に、チャンバ中心部のプラズマ密度が低くなるが、このような場合にプラズマ密度をコントロールすることは困難である。

さらにまた、半導体デバイスの微細化・複雑化に対応して、エッチング処理に時間がかかるようになっており、エッチングレートの向上も求められている。

これらの要求に応え得る技術として、上述した容量結合型平行平板プラズマエッチング装置の上部電極（第１電極）に直流電圧を印加する技術が提案されている（特許文献２）。この技術は、（１）上部電極（第１電極）の自己バイアス電圧の絶対値を大きくすることによる上部電極（第１電極）表面へのスパッタ効果、（２）上部電極（第１電極）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を縮小化する効果、（３）上部電極（第１電極）近傍に生じた電子を被処理基板である半導体ウエハ上に照射させる効果、（４）プラズマポテンシャルを制御する効果、（５）電子（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一つを奏することにより上記問題点を解決するものである。

特開２０００−１７３９９３号公報特開２００６−２７００１７号公報

しかしながら、上記特許文献２の技術では、上部電極に直流電圧を印加した際に、プラズマが不安定になったり、異常放電が生じたりしないように、導電体からなる直流的な対向電極を設ける必要があるが、このような対向電極は消耗品であり、比較的高価なものであるため、ランニングコストがかかるという課題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、第１電極への直流電圧を印加する方式を採用しながら、対向電極を実質的に必要としないプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、被処理基板が収容され、内部が真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内に互いに対向して配置される、第１電極および被処理基板を載置する第２電極と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと、前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方に高周波電力を印加する高周波電力印加ユニットと、前記第１電極に正負交互に変化する直流電圧を印加する直流電圧印加ユニットとを具備することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明において、前記直流電圧はパルス状であることが好ましい。この場合に、前記正負交互印加の周波数は１〜１００ｋＨｚであることが好ましく、前記正負交互印加のデューティー比は、負電圧側が５０〜９０％であることが好ましい。

また、前記正負交互印加の電圧値は−６０００Ｖ〜＋６０００Ｖであることが好ましい。さらに、前記正負交互印加の電圧値は、正電圧≧負電圧の関係にあることが好ましい。

また、前記高周波電力印加ユニットは、いずれも前記第２電極に接続された、プラズマ生成用高周波電源と、高周波バイアス印加用高周波電源とを有する構成とすることができる。また、前記高周波電力印加ユニットは、前記第１電極に接続されたプラズマ生成用高周波電源と、前記第２電極に接続された高周波バイアス印加用高周波電源とを有する構成とすることもできる。

本発明によれば、容量結合型平行平板プラズマ処理装置において、被処理体の対向電極である第１電極に、直流電圧印加ユニットにより正負交互に変化する直流電圧を印加するので、処理容器内にチャージがたまり難く、対向電極を設けなくてもプラズマが不安定になったり異常放電を生じたりし難いプラズマ処理装置を得ることができる。

本発明のプラズマエッチング方法を実施することが可能なプラズマエッチング装置を示す概略断面図。直流電圧印加ユニットの電圧印加形態を説明するための図。図１のプラズマエッチング装置において第１の高周波電源に接続された第１の整合器の構造を示す図。直流電圧印加ユニットにより負の電圧を印加した状態と正の電圧を印加した状態を示す模式図。本発明のプラズマエッチング方法を実施することが可能な他のプラズマエッチング装置を示す概略断面図。図５のプラズマエッチング装置において第１の高周波電源に接続された第１の整合器の構造を示す図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
ここでは本発明のプラズマ処理装置をプラズマエッチング装置に適用した例について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置であるプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。

このプラズマエッチング装置は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されており、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状のチャンバ（処理容器）１０を有している。このチャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板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の上に例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、その上に被処理基板である半導体ウエハＷが載置される。

サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック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で挟んだ構造を有するものであり、電極２０には直流電源２２が電気的に接続されている。そして、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷが静電チャック１８に吸着保持される。

静電チャック１８（半導体ウエハＷ）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、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）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、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。

サセプタ支持台１４の内部には、例えば円周上に冷媒室２８が設けられている。この冷媒室には、外部に設けられた図示しないチラーユニットより配管３０ａ，３０ｂを介して所定温度の冷媒、例えば冷却水が循環供給され、冷媒の温度によってサセプタ上の半導体ウエハＷの処理温度を制御することができる。

さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２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。

下部電極であるサセプタ１６の上方には、サセプタ１６と対向するように平行に上部電極３４が設けられている。そして、上部および下部電極３４，１６間の空間がプラズマ生成空間となる。上部電極３４は、下部電極であるサセプタ１６上の半導体ウエハＷと対向してプラズマ生成空間と接する面、つまり対向面を形成する。

この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、チャンバ１０の上部に支持されており、サセプタ１６との対向面を構成しかつ多数の吐出孔３７を有する電極板３６と、この電極板３６を着脱自在に支持し、導電性材料、例えばアルミニウムからなる水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。電極板３６は、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体が好ましく、また、後述するようにレジストを強化する観点からはシリコン含有物質が好ましい。このような観点から、電極板３６はシリコンやＳｉＣで構成されるのが好ましい。電極支持体３８の内部には、ガス拡散室４０が設けられ、このガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。

電極支持体３８にはガス拡散室４０へ処理ガスを導くガス導入口６２が形成されており、このガス導入口６２にはガス供給管６４が接続され、ガス供給管６４には処理ガス供給源６６が接続されている。ガス供給管６４には、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６８および開閉バルブ７０が設けられている（ＭＦＣの代わりにＦＣＳでもよい）。そして、処理ガス供給源６６から、エッチングのための処理ガスとして、例えばＣ_４Ｆ_８ガスのようなフロロカーボンガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）がガス供給管６４からガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してシャワー状にプラズマ生成空間に吐出される。すなわち、上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。

上部電極３４には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａを介して直流電圧印加ユニット５０が電気的に接続されている。直流電圧印加ユニット５０は、図２に示すように正負交互に変化する直流電圧を典型的にはパルス状に印加するようになっている。そして、負の電圧が印加されたときに、（１）上部電極３４の自己バイアス電圧の絶対値を大きくすることによる上部電極３４表面へのスパッタ効果、（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を縮小化する効果、（３）プラズマ中の正イオンが上部電極３４に衝突することによって上部電極３４近傍に生じた二次電子を被処理基板である半導体ウエハ上に照射させる効果、（４）プラズマポテンシャルを制御する効果、（５）電子（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つを発揮するようになっている。直流電圧印加ユニット５０からの給電はオン・オフスイッチ５２によりオン・オフが可能となっている。

直流電圧印加ユニット５０からの正負交互印加の周波数は１〜１００ｋＨｚであることが好ましく、正負交互印加のデューティー比は、負電圧側が５０〜９０％であることが好ましい。また、正負交互印加の電圧値は−６０００Ｖ〜＋６０００Ｖであることが好ましい。さらに、正負交互印加の電圧値は、正電圧≧負電圧の関係にあることが好ましい。これらの詳細は後述する。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａは後述する第１および第２の高周波電源からの高周波をトラップするものであり、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成される。

チャンバ１０の側壁から上部電極３４の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１０ａが設けられている。

下部電極であるサセプタ１６には、第１の整合器４６を介して、第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。第１の高周波電源４８は、２７〜１００ＭＨｚの周波数、例えば４０ＭＨｚの高周波電力を出力する。第１の整合器４６は、第１の高周波電源４８の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１の高周波電源４８の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

また、下部電極であるサセプタ１６には、第２の整合器８８を介して第２の高周波電源９０も電気的に接続されている。この第２の高周波電源９０から下部電極であるサセプタ１６に高周波電力が供給されることにより、半導体ウエハＷに高周波バイアスが印加され半導体ウエハＷにイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば３ＭＨｚの高周波電力を出力する。第２の整合器８８は第２の高周波電源９０の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるためのもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第２の高周波電源９０の内部インピーダンスとチャンバ１０内のプラズマを含めた負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

この第１の整合器４６は、図３に示すように、第１の高周波電源４８の給電ライン９６から分岐して設けられた第１の可変コンデンサ９７と、給電ライン９６のその分岐点の第１の高周波電源４８側に設けられた第２の可変コンデンサ９８と、分岐点の反対側に設けられたコイル９９とを有している。第２の整合器８８についても、基本的に第１の整合器４６と同様に構成されている。

チャンバ１０の底部には排気口８０が設けられ、この排気口８０に排気管８２を介して排気装置８４が接続されている。排気装置８４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内を所望の真空度まで減圧可能となっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口８５が設けられており、この搬入出口８５はゲートバルブ８６により開閉可能となっている。また、チャンバ１０の内壁に沿ってチャンバ１０にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止するためのデポシールド１１が着脱自在に設けられている。すなわち、デポシールド１１がチャンバ壁を構成している。また、デポシールド１１は、内壁部材２６の外周にも設けられている。チャンバ１０の底部のチャンバ壁側のデポシールド１１と内壁部材２６側のデポシールド１１との間には排気プレート８３が設けられている。デポシールド１１および排気プレート８３としては、アルミニウム材にＹ_２Ｏ_３等のセラミックスを被覆したものを好適に用いることができる。

プラズマエッチング装置の各構成部、例えば電源系やガス供給系、駆動系、さらには直流電圧印加ユニット５０、第１の高周波電源４８、第２の高周波電源９０、整合器４６，８８等は、マイクロプロセッサ（コンピュータ）を含む制御部（全体制御装置）１００に接続されて制御される構成となっている。また、制御部１００には、オペレータがプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース１０１が接続されている。

さらに、制御部１００には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理を制御部１００の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマエッチング装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわち処理レシピが格納された記憶部１０２が接続されている。処理レシピは記憶部１０２の中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体は、ハードディスクや半導体メモリであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ、フラッシュメモリ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース１０１からの指示等にて任意の処理レシピを記憶部１０２から呼び出して制御部１００に実行させることで、制御部１００の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。なお、本発明の実施の形態で述べるプラズマエッチング装置は、この制御部１００を含むものとする。

次に、このように構成されるプラズマエッチング装置の動作について説明する。
まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介して半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入し、サセプタ１６上に載置する。そして、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気しながら、処理ガス供給源６６から処理ガスを所定の流量でガス拡散室４０へ供給し、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してチャンバ１０内へ供給しつつ、その中の圧力を例えば０．１〜１５０Ｐａの範囲内の設定値とする。この状態で、下部電極であるサセプタ１６に第１の高周波電源４８から２７〜１００ＭＨｚの周波数、例えば４０ＭＨｚの比較的高い周波数のプラズマ生成用の高周波電力を印加し、かつ第２の高周波電源９０から４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの周波数、例えば３ＭＨｚのプラズマ生成用の高周波電力よりも低い周波数のイオン引き込み用の高周波電力を印加し、さらに上部電極３４に直流電圧印加ユニット５０から正負交互に変化する直流電圧を印加して、半導体ウエハＷに対してプラズマエッチングを行う。このとき、半導体ウエハＷは、直流電源２２から静電チャック１８の電極２０に直流電圧を印加することにより静電チャック１８に固定されている。

ここで、処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばＣ_４Ｆ_８ガスのようなフロロカーボンガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）に代表されるハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。さらに、ＡｒガスやＯ_２ガス等の他のガスが含まれていてもよい。

上部電極３４の電極板３６に形成されたガス吐出孔３７から吐出された処理ガスは、高周波電力により生じた上部電極３４と下部電極であるサセプタ１６間のグロー放電中でプラズマ化し、このプラズマで生成される正イオンやラジカルによって半導体ウエハＷの所定の膜に対してプラズマエッチングを行う。

このとき、下部電極にプラズマ形成用の高周波電力を印加することで、ウエハにより近いところでプラズマを生成することができ、またプラズマが広い領域に拡散せず処理ガスの解離を抑えることができるので、チャンバ１０内の圧力が高くプラズマ密度が低いような条件であっても、エッチングレートを上昇させることができる。また、プラズマ形成用の高周波電力の周波数が高い場合でも、比較的大きなイオンエネルギーを確保することができるので高効率である。また、本実施形態のように下部電極にプラズマ形成用の高周波電力とイオン引き込み用の高周波電力を別々に印加することで、プラズマエッチングに必要なプラズマ形成の機能とイオン引き込みの機能とを独立に制御することが可能となる。したがって、高い微細加工性が要求されるエッチングの条件を満たすことが可能となる。さらに、プラズマ生成用に２７ＭＨｚ以上の高い周波数領域の高周波電力を供給しているので、プラズマを好ましい状態で高密度化することができ、より低圧の条件下でも高密度プラズマを生成することができる。

このようにプラズマが形成される際に、直流電圧印加ユニット５０から上部電極３４に正負交互に変化する直流電圧を印加するが、負の電圧が印加された際に、（１）上部電極３４の自己バイアス電圧の絶対値を大きくすることによる上部電極３４表面へのスパッタ効果、（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を縮小化する効果、（３）プラズマ中の正イオンが上部電極３４に衝突することによって上部電極３４近傍に生じた電子を被処理基板である半導体ウエハ上に照射させる効果、（４）プラズマポテンシャルを制御する効果、（５）電子（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つを発揮するようになっている。

そして、上記（１）の効果により、上部電極３４の表面にプロセスガスに起因するポリマーとフォトレジストからのポリマーが付着した場合でも、ポリマーをスパッタして電極表面を清浄化することができ、それとともに、半導体ウエハＷ上に最適なポリマーを供給してフォトレジスト膜の荒れを解消することができる。

また、上記（２）の効果により、半導体ウエハＷ上の実効レジデンスタイムが減少し、かつプラズマが半導体ウエハＷ上に集中して拡散が抑えられ排気空間が減少するので、フロロカーボン系の処理ガスの解離が抑えられ、フォトレジスト膜等の有機マスクがエッチングされ難くなる。

さらに、上記（３）の効果により、半導体ウエハＷ上のマスク組成が改質され、フォトレジスト膜の荒れを解消することができる。また、高速の電子が半導体ウエハＷに照射されることから、シェーディング効果が抑制され、半導体ウエハＷの被エッチング膜に対する微細加工性が向上する。

さらにまた、上記（４）の効果により、プラズマポテンシャルを適切に制御して、電極や、チャンバ壁（デポシールド等）、チャンバ１０内の絶縁材等の部材へのエッチング副生物の付着を抑制することができる。

さらにまた、上記（５）の効果により、被処理基板に対するエッチングレート（エッチング速度）を上昇させることができる。さらにまた、上記（６）の効果により、チャンバ１０内の圧力が高くかつ使用するエッチングガスが負性ガスであっても、処理容器内の中心部のプラズマ密度が周辺に比べて低くなることを抑制でき（負イオンの生成を抑制でき）、プラズマ密度が均一化するようにプラズマ密度をコントロールすることができる。

ところが、上部電極３４に負の電圧を印加し続けると、チャンバ１０内に導体からなる直流的な対向電極がない場合には、チャンバ１０内の部材に電荷がたまり、プラズマが不安定になったり、異常放電が生じたりする。このため、先行技術文献である上記特許文献２では、このようなことを防止するため、直流的に接地された導体からなる対向電極（ＧＮＤブロック）を設け、チャンバ１０内に電荷がたまらないようにしている。

しかし、このような対向電極は消耗品であり、比較的高価なものであるため、ランニングコストがかかる。

そこで、本実施形態では、上部電極３４に正負交互に変化する直流電圧を印加する直流電圧印加ユニット５０を接続して、このような不都合を解消している。すなわち、このように正負交互に変化する直流電圧を印加することにより、図４に示すように、負の電圧を印加している間に、上部電極３４に負の直流電流を流して上記効果を発揮させ、それによってチャンバ１０内に生じた負の電荷を、正の電圧を印加して上部電極３４に正の直流電流を流すことでキャンセルする。これにより、チャンバ１０内に負の電荷がたまることを抑制することができ、直流的な対向電極がチャンバ１０内に存在しなくても、プラズマが不安定になったり、異常放電が生じたりすることを防止することができる。

このときの直流電圧印加ユニット５０からの正負交互印加の周波数は１〜１００ｋＨｚであることが好ましい。この範囲であれば、電荷がたまることを効果的に防止しつつ、上述した負の直流電圧を印加する効果を有効に発揮することができる。また、正負交互印加のデューティー比は、負電圧側が５０〜９０％であることが好ましい。これが５０％未満では負の直流電圧を印加する期間のほうが短くなり、上記効果を十分に発揮できないおそれがあり、９０％を超えると、チャンバ１０内にたまった負の電荷をキャンセルすることが困難となる。また、正負交互印加の電圧値は−６０００Ｖ〜＋６０００Ｖであることが好ましい。これは、プラズマポテンシャルＶｐｐの最大値が絶対値で６０００Ｖ程度であり、電圧値が−６０００Ｖあれば、二次電子をほぼ１００％半導体ウエハＷに作用させることができるからである。さらに、正負交互印加の電圧値は、正電圧≧負電圧の関係にあることが好ましい。これは、正負交互印加のデューティー比の好ましい範囲が、負電圧側で５０〜９０％であるから、この範囲で負の電荷をキャンセルするためには、正電圧≧負電圧の関係が必要だからである。なお、直流電圧印加ユニット５０から印加される電圧は大きいほど好ましいが、直流電圧印加ユニット５０は常時一方向に電流を流すのではなく、チャンバ１０にある程度電荷が供給された状態で極性を反転させるので、電源として効果なものが不要であり、コストダウンを図ることができる。

次に、本発明の方法を実施可能な他のプラズマエッチング装置について説明する。図５は、本発明のプラズマエッチング方法を実施可能な他のプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。

このプラズマエッチング装置は、プラズマ生成用の高周波電力が上部電極に印加されるようになっている点が図１の装置とは異なっているが、他の構成については基本的に第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置と同様であるから、図５において、図１と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態においては、プラズマを生成するための第１の高周波電源４８′が第１の整合器４６′および給電棒４４を介して上部電極３４に接続されている。第１の高周波電源４８′は、第１の実施形態の第１の高周波電源４８と同様の機能を有しており、その周波数は２７〜１００ＭＨｚの範囲が好ましい。第１の整合器４６′は、第１の高周波電源４８′の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１０内にプラズマが生成されている時に第１の高周波電源４８′の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。第１の整合器４６′の出力端子は給電棒４４の上端に接続されている。また、直流電圧印加ユニット５０も上記第１の整合器４６′および給電棒４４を介して上部電極３４に接続されている。

第１の整合器４６′は、図６に示すように、第１の高周波電源４８′の給電ライン４９から分岐して設けられた第１の可変コンデンサ５４と、給電ライン４９のその分岐点の下流側に設けられた第２の可変コンデンサ５６を有しており、これらにより上記機能を発揮する。また、第１の整合器４６′には、直流電圧電流（以下、単に直流電圧という）が上部電極３４に有効に供給可能なように、第１の高周波電源４８′からの高周波電力（例えば４０ＭＨｚ）および第２の高周波電源９０からの高周波電力（例えば３ＭＨｚ）をトラップするフィルタ５８が設けられている。すなわち、直流電圧印加ユニット５０からの直流電流がフィルタ５８を介して給電ライン４９に流れる。このフィルタ５８はコイル５９とコンデンサ６０とで構成されており、これらにより第１の高周波電源４８′からの高周波電力および第２の高周波電源９０からの高周波電力がトラップされる。また、円筒状接地導体１０ａの天壁部分と給電棒４４との間には筒状の絶縁部材４４ａが設けられており、これにより給電棒４４と接地導体１０ａとが電気的に絶縁されている。

上部電極３４には、第１の高周波電源４８′からの高周波電力（例えば４０ＭＨｚ）は通さずに第２の高周波電源９０からの高周波電力（例えば３ＭＨｚ）をグランドへ通すためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２が電気的に接続されている。このローパスフィルタ（ＬＰＦ）９２は、好適にはＬＲフィルタまたはＬＣフィルタで構成されるが、１本の導線だけでも第１の高周波電源４８′からの高周波電力（６０ＭＨｚ）に対しては十分大きなリアクタンスを与えることができるので、それで済ますこともできる。一方、下部電極であるサセプタ１６には、第１の高周波電源４８′からの高周波電力（例えば４０ＭＨｚ）をグランドに通すためのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）９４が電気的に接続されている。

図５のプラズマエッチング装置においても、上部電極３４に、プラズマ生成用の第１の高周波電源４８′を印加してプラズマを生成するとともに、直流電圧印加ユニット５０から正負交互に変化する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することによる上部電極３４表面へのスパッタ効果、（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を縮小化する効果、（３）プラズマ中の正イオンが上部電極３４に衝突することによって上部電極３４近傍に生じた電子を被処理基板である半導体ウエハ上に照射させる効果、（４）プラズマポテンシャルを制御する効果、（５）電子（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つを発揮しつつ、チャンバ１０内に負の電荷がたまることを抑制することができ、直流的な対向電極がチャンバ１０内に存在しなくても、プラズマが不安定になったり、異常放電が生じたりすることを防止することができる。

この図５の装置では、上部電極３４にプラズマ形成用の第１の高周波電力を供給し、下部電極であるサセプタ１６にイオン引き込み用の第２の高周波電力を供給するので、プラズマの制御マージンを広くすることができ、また、上部電極３４に２７ＭＨｚ以上の高い周波数領域の高周波電力を供給しているので、プラズマを好ましい状態で高密度化することができ、より低圧の条件下でも高密度プラズマを生成することができる。

ただし、このように上部電極にプラズマ形成用の高周波電力を印加する場合には、上部電極近傍にプラズマが生成されるので、チャンバ１０内の圧力が高くプラズマ密度が低いような条件では、ウエハに対するエッチングレートを上昇させることが比較的困難である。

なお、上記いずれの実施形態においても、上記第１の高周波電力および第２の高周波電力の採り得る周波数を例示すると、第１の高周波電力としては、２７ＭＨｚ、４０ＭＨｚ、６０ＭＨｚ、８０ＭＨｚ、１００ＭＨｚを挙げることができ、第２の高周波電力としては、４００ｋＨｚ、８００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、２ＭＨｚ、３ＭＨｚ、１３ＭＨｚ、１３．６ＭＨｚを挙げることができ、プロセスに応じて適宜の組み合わせで用いることができる。

以上、本発明の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ことなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態は一例に過ぎず、上部電極および下部電極の少なくとも一方に高周波電力を印加し、上部電極に正負交互に変化する直流電圧を印加する形態であれば装置構成は問わない。また、上記実施形態ではプラズマエッチングに本発明を適用した場合について説明したが、他のプラズマ処理に適用してもよい。さらに、被処理基板の構造は特に限定されるものではなく、また、被処理基板は半導体ウエハに限らず、ＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）等の他の基板にも適用可能である。

１０…チャンバ（処理容器）
１６…サセプタ（下部電極）
３４…上部電極
４６、４６′…第１の整合器
４８、４８′…第１の高周波電源
５０…直流電圧印加ユニット
６６…処理ガス供給源
８４…排気装置
８８…第２の整合器
９０…第２の高周波電源
１００…制御部
１０２…記憶部
Ｗ…半導体ウエハ（被処理基板）

Claims

被処理基板が収容され、内部が真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内に互いに対向して配置される、第１電極および被処理基板を載置する第２電極と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと、
前記第１電極および前記第２電極の少なくとも一方に高周波電力を印加する高周波電力印加ユニットと、
前記第１電極に正負交互に変化する直流電圧を印加する直流電圧印加ユニットと
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
前記直流電圧はパルス状であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記正負交互印加の周波数は１〜１００ｋＨｚであることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記正負交互印加のデューティー比は、負電圧側が５０〜９０％であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のプラズマ処理装置。
前記正負交互印加の電圧値は−６０００Ｖ〜＋６０００Ｖであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記正負交互印加の電圧値は、正電圧≧負電圧の関係にあることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記高周波電力印加ユニットは、いずれも前記第２電極に接続された、プラズマ生成用高周波電源と、高周波バイアス印加用高周波電源とを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
前記高周波電力印加ユニットは、前記第１電極に接続されたプラズマ生成用高周波電源と、前記第２電極に接続された高周波バイアス印加用高周波電源とを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。