JP5031252B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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２周波重畳印加方式の容量結合型プラズマ処理装置に関する。

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微細加工（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、異方性エッチングを可能としている。

下部２周波重畳印加方式は、上記のような容量結合型プラズマ処理装置において、基板を支持する下部電極にプラズマ生成に適した比較的高い周波数（一般に２７ＭＨｚ以上）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（一般に１３．５６ＭＨｚ以下）の第２高周波とを重畳して印加するものである（たとえば特許文献１参照）。

このような下部２周波重畳印加方式は、プラズマの密度および異方性エッチングの選択性を第１高周波および第２高周波によりそれぞれ個別的に最適化できるという利点があることに加えて、上部電極にポリマー等の堆積物（デポジション、以下“デポ”と略称する。）が付着しやすいプロセスにおいてデポ付着の防止ないし抑制に比較的低い周波数の第２高周波が有効に作用するという利点も有している。すなわち、アノードの上部電極にイオンが入射すると、電極に付いているデポ膜が（酸化膜が付いていればそれも）イオン衝撃でスパッタされる。このスパッタリングに関係するイオンの数は第１高周波が作り、そのイオンを加速する電界は第２高周波の比較的低い周波数によって作られる。
特開２０００−１５６３７０

上記のような下部２周波重畳印加方式を用いる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上部電極を直流的に接地している。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、処理容器を通じて上部電極を接地電位にすることができることから、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いる。下部２周波重畳印加方式の容量結合型プラズマ処理装置ではプラズマ生成に主として寄与する高周波つまり第１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以上の周波数を使用している。ところが、第１高周波の周波数が高くなると、その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クローズアップされてきている。一方、イオン引き込み用に主として寄与する高周波つまり第２高周波の周波数は比較的低いため、電極中心部に集中することはない。つまり、上部電極を処理容器に直付けまたは一体に形成して直流的に接地する従来の装置においては、第２高周波の作用、つまり基板へのイオン引き込みや上部電極におけるデポ付着の抑制に関する作用について特に問題点は見られない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、被処理基板を支持する電極に２種類の高周波を重畳して印加する２周波重畳印加方式の容量結合型において、他方の対向電極に不所望な膜が形成されるのを十全に防止ないし抑制しつつプラズマ密度の空間的な分布特性を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、真空排気可能な接地された処理容器と、前記処理容器に絶縁物または空間を介して取り付けられる第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２の電極に第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、前記第２の電極に前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波を印加する第２の高周波給電部と、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、前記第１の電極と接地電位の部材との間で電気的に直列に接続されるインダクタおよびコンデンサとを有し、前記第１の電極と前記処理容器との間にそれらの間に存在する絶縁体を介して一定の容量を有するキャパシタが形成され、前記インダクタと前記コンデンサと前記キャパシタとによって直並列ＬＣ回路が形成され、前記処理空間と前記第１の電極との境界面から前記第１の電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、前記第２の周波数以上で前記第１の周波数よりも低い前記直並列ＬＣ回路の直列共振周波数と、前記直列共振周波数よりも高くて前記第１の周波数よりも低い前記直並列ＬＣ回路の反共振周波数とがそれぞれ１つずつ存在し、前記第１の周波数に対応するインピーダンスよりも前記第２の周波数に対応するインピーダンスが低くなるように、前記インダクタのインダクタンスおよび前記コンデンサのキャパシタンスが設定される。

本発明の採る容量結合型においては、第１の高周波電源からの第１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。また、第２の高周波電源からの第２の高周波が第２の電極に印加されると、第２の高周波に追従して振動するプラズマ中のイオンが第２の電極に生じる自己バイアスで基板上に引き込まれるだけでなく第１の電極にも入射してその電極表面をスパッタし、デポジション等の膜が付着していればそれを除去する。

上記第１のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法では、第１の電極が、絶縁物または空間を介して接地電位の処理容器内に取り付けられる一方で、誘導性の部材またはインダクタを介して接地電位に接続される。これにより、処理空間と第１の電極との境界面から第１の電極を介して接地電位までの高周波伝送路を見込んだときの等価回路は、インダクタのコイル分と絶縁物等の容量分とを並列に接続した並列ＬＣ回路となる。

本発明のプラズマ処理装置では、被処理基板を支持する第２の電極に周波数の異なる第１および第２の高周波を印加する。一方、対向電極である第１の電極を電気的にフローティング状態で接地電位の処理容器に取り付ける。これにより、第１の電極と前記処理容器との間にそれらの間に存在する絶縁体を介して一定の容量を有するキャパシタが形成され、そして、第１の電極と接地電位の部材との間でインダクタとコンデンサが電気的に直列接続される。このインダクタとこのコンデンサと上記キャパシタとによって直並列ＬＣ回路が形成される。
この直並列ＬＣ回路においては、処理空間と第１の電極との境界面から第１の電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、第２の周波数（第２の高周波の周波数）以上で第１の周波数（第１の高周波の周波数）よりも低い直列共振周波数と、この直列共振周波数よりも高くて第１の周波数よりも低い反共振周波数とがそれぞれ１つずつ存在し、第１の周波数に対応するインピーダンスよりも第２の周波数に対応するインピーダンスが低く（好ましくは１／２０以下に）なるように、インダクタのインダクタンスおよびコンデンサのキャパシタンスが設定される。
好ましい一態様として、第１の周波数は２７ＭＨｚ以上であって、第２の周波数は１３．５６ＭＨｚ以下であり、上記周波数−インピーダンス特性において、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの帯域内に直列共振周波数が得られ、５〜２００ＭＨｚの帯域内に反共振周波数が得られるように、インダクタのインダクタンスおよびコンデンサのキャパシタンスが設定される。

第１の高周波に対して高めのインピーダンスを与えることで、第１の高周波の電流が第２の電極から第１の電極へ流れ難くなる。このため、プラズマの電子電流の中で処理容器の側壁へ流れる割合が相対的に増大し、プラズマの密度は半径方向外側へ拡がるようになる。こうして、上記並列ＬＣ回路の第１の高周波に対するインピーダンスを高めの値に最適化することで、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可能となる。一方で、上記並列ＬＣ回路の第２の高周波に対するインピーダンスを低くすることで、第２高周波に追従して振動するプラズマ中のイオンを第１の電極に強い衝撃で入射せしめて、その電極表面に付着する不所望な膜を良好にスパッタ（除去）することができる。

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、２周波重畳印加方式の容量結合型において第１および第２の高周波の各作用のトレードオフを解決することができる。特に、他方の対向電極に不所望な膜が形成されるのを十全に防止ないし抑制しつつ、プラズマ密度の空間的な分布特性を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、本発明の第１の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、下部２周波重畳印加方式の容量結合型（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、第１および第２の高周波電源３０，７０がそれぞれ整合器３２，７２および給電棒３３，７４を介して電気的に接続されている。第１の高周波電源３０は、プラズマの生成に主として寄与する所定の周波数たとえば４０ＭＨｚの高周波を出力する。一方、第２の高周波電源７０は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷに対するイオンの引き込みと後述する上部電極３４におけるデポや酸化膜等の不所望な膜の付着の防止ないし除去に主として寄与する所定の周波数たとえば２ＭＨｚの高周波を出力する。

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、電気的には上部電極３４とチャンバ１０との間の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４０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の天井との間には中空の空間または隙間５０が設けられるとともに、チャンバ１０の上面の中心部に貫通孔５２が形成され、隙間５０と貫通孔５２の中で鉛直方向に延びる棒状のインダクタ５４が設けられている。この棒状インダクタ５４は、下端が上部電極３４の上面中心部に直に接続され、上端が導線５６を介して接地電位に（通常はチャンバ１０に）接続されている。別の実施例として、棒状インダクタ５４の上端が上部電極３４の天井に直付けで接続される構成も可能である。

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５８が設けられている。この排気口５８に排気管６０を介して排気装置６２が接続されている。排気装置６２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６４を開閉するゲートバルブ６６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６６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より所定の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６２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、第１および第２の高周波電源３０，７０よりそれぞれ所定のパワーで第１高周波（４０ＭＨｚ）および第２高周波（２ＭＨｚ）を重畳してサセプタ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と同時に、サセプタ１６に２ＭＨｚ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、静電チャック１８上の半導体ウエハＷに対して選択性の高い異方性のエッチングを施すとともに、上部電極３４に対してはイオンの入射またはスパッタリングによるデポ膜や酸化膜の除去（電極表面の清浄化）を施すことができる。

次に、図２〜図４につき、この実施形態のプラズマエッチング装置における本発明の特徴的な作用について説明する。なお、図２および図３は、図解の便宜上、プラズマの生成ないし空間分布制御に実質的に関係しない第２の高周波電源７０を省いている。

上述したように、このプラズマエッチング装置は、上部電極３４をチャンバ１０にリング状絶縁体３５を介して取り付けるとともに、上部電極３４と接地電位との間に棒状インダクタ５４を接続している。すなわち、インダクタ５４を外せば上部電極３４は直流的にフローティング状態で処理容器１０内に設置される構成になっている。

先ず、比較例として、上部電極３４をたとえばチャンバ１０に直付けで取り付けて直流的に接地電位に接続した場合の作用を説明する。この場合は、図２に示すように、高周波電源３０からの第１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においては第１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く、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を直流的にフローティング状態でチャンバ１０に取り付け、かつ棒状インダクタ５４を介して接地電位に接続する構成においては、処理空間ＰＳと上部電極３４との境界面から上部電極３４を介して接地電位までの高周波伝送路を見込んだときの等価回路が、図３に示すようにコイルＬ₅₄とキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀とを並列に接続したものになる。ここで、コイルＬ₅₄は棒状インダクタ５４のインダクタンス分であり、正確にはこのコイルＬ₅₄に棒状インダクタ５４の抵抗分（図示せず）が直列に接続される。一方のキャパシタＣ₃₅は上部電極３４とチャンバ１０の側壁との間の容量であり、主としてリング状絶縁体３５によって与えられる。他方のキャパシタＣ₅₀は上部電極３４とチャンバ１０の天井との間の容量であり、主として隙間５０内の空気によって与えられる。

この場合も、高周波電源３０より第１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し、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２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コイルＬ₅₄とキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀とからなる並列ＬＣ回路８０が存在しており、第１高周波に対してこの並列ＬＣ回路８０が大きなインピーダンスＺを与えるときは、サセプタ１６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、プラズマの電子電流の中でチャンバ１０の側壁へ流れる割合が相対的に増大し、プラズマの密度は半径方向外側へ拡がるようになる。理論的には並列ＬＣ回路８０のインピーダンスＺ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し、ひいては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４に、このプラズマエッチング装置において処理空間ＰＳと上部電極３４との境界面から上部電極３４を介して接地電位までの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性の一例を示す。図中、周波数に対して単調に増加するインピーダンスＸ_LはコイルＬ₅₄の誘導性リアクタンス（｜ｊωＬ₅₄｜）であり、周波数に対して単調に減少するインピーダンスＸ_CはキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀の容量性リアクタンス（｜１／ｊω（Ｃ₃₅＋Ｃ₅₀）｜）である。理論的には、それら誘導性リアクタンスＸ_Lと容量性リアクタンスＸ_Cとが同じ大きさ（絶対値）になる周波数で並列ＬＣ回路８０が並列共振または反共振を起こし、図示のように並列ＬＣ回路８０のインピーダンスＺはその反共振周波数ｆ_oで角状に突出した極大値を示す。この反共振周波数ｆ_oは第１高周波の周波数を含む帯域（好ましくは５〜２００ＭＨｚ）内に現れるのが好ましい。

したがって、図示のように第１高周波の周波数（４０ＭＨｚ）の近傍に（極端には一致して）反共振周波数ｆ_oが得られるように任意に可変または選択可能なパラメータつまりインダクタ５４のインダクタンスを選定または設定することで、第１高周波に対する並列ＬＣ回路８０のインピーダンスＺを任意の高めの値Ｚ₄₀に選ぶことができる。

さらに重要なことは、図４に示すように、反共振周波数ｆ_oを上記のような帯域（５〜２００ＭＨｚ）内に設定することで、第２高周波に対する並列ＬＣ回路８０のインピーダンスＺ₈₀を第１高周波に対する値Ｚ₄₀よりも桁違いに低い値Ｚ₂に選定できるという点である。つまり、第２高周波に対して上部電極３４を低いインピーダンスで接地できるという点である。これにより、第２高周波に追従して振動するプラズマ中のイオンを上部電極３４の電極板３６に強い衝撃で入射せしめて、電極板３６の表面に付着するデポ膜や酸化膜を確実にスパッタ（除去）することができる。

図５Ａおよび図５Ｂに、この実施形態のプラズマエッチング装置による酸化膜（Ｓ_iＯ₂）およびフォトレジスト（ＰＲ）のエッチングレートの面内分布特性の一実施例を示す。この実施例では、インダクタ５４のインダクタンスを４００ｎＨ、キャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀の合成容量を２５０ｐＦ（低容量）に選んでいる。また、図６〜図７に比較例を示す。すなわち、図６Ａおよび図６Ｂに、第１の比較例として、インダクタ５４を省いてキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀の合成容量を２００００ｐＦ（高容量）に選んだ場合の酸化膜およびフォトレジストのエッチングレートの空間分布特性をそれぞれ示す。また、図７Ａおよび図７Ｂに、第２の比較例として、インダクタ５４を省いてキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀の合成容量を２５０ｐＦ（低容量）に選んだ場合の酸化膜およびフォトレジストのエッチングレートの空間分布特性をそれぞれ示す。実施例および比較例において共通する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
温度：上部電極の温度＝６０℃

図６Ａおよび図６Ｂからわかるように、インダクタ５４を備えずに上部電極３４の接地容量を高容量（２００００ｐＦ）に設定した第１の比較例においては、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のいずれもウエハ中心部では比較的フラットな値を保つが、ウエハエッジ付近で（Ｒ＝±１２０ｍｍ辺りから）急峻に低下するため、それらの面内均一性はそれぞれ±４．１％，±１９．１％とあまりよくない。

一方、インダクタ５４を備えずに上部電極３４の接地容量を低容量（２５０ｐＦ）に設定した第２の比較例においては、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、プロセスの均一性が第１の比較例に比して大幅に向上する。より詳細には、酸化膜のエッチングレートは、第１の比較例と較べてウエハ中心部では大して違わないがエッジ部で上昇し、それによって面内均一性は±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、ウエハ上の各位置で増大してかなりフラットな分布になり、面内均一性は±４．４％まで大幅に改善している。

これに対して、実施例においては、図５Ａおよび図５Ｂから明らかなように、プロセスの均一性が第２の比較例よりも一層向上している。より詳細には、酸化膜のエッチングレートは、ウエハ上の各位置で上昇し、とりわけエッジ部で大幅に上昇し、面内均一性は±１．２％まで向上している。また、フォトレジストのエッチングレートも、ウエハ上の各位置で殆ど均一であり、面内均一性は±２．５％まで改善している。

一般に、酸化膜のエッチングレート分布はプラズマ中の電子密度分布つまりプラズマ密度分布を反映し、フォトレジストのエッチングレート分布はプラズマによる母ガスの解離の影響を受けるため一層強くプラズマ密度分布に依存する。したがって、図５Ａおよび図５Ｂの実験結果から、実施例によれば、処理空間ＰＳで生成するプラズマを電極中心部に集中するのを抑制して半径方向外側へ拡げ、プラズマ密度分布の均一性を大きく向上させていることがわかる。

上記のように、第２の比較例においても、第１の比較例に比してプラズマ密度分布の均一性を相当改善できることがわかる。しかしながら、インダクタ５４を備えない第２の比較例は、上部電極３４の接地回路を構成する低容量（２５０ｐＦ）のキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀が第１高周波（４０ＭＨｚ）に対してだけでなく第２高周波（２ＭＨｚ）に対しても相当高いインピーダンスを与える。より正確には、図４の容量性リアクタンスＸ_Cの周波数特性から理解されるように、第１高周波（４０ＭＨｚ）に対するよりも第２高周波（２ＭＨｚ）に対するインピーダンスの方が高くなる。このように第２高周波に対して上部電極３４の接地回路のインピーダンスが高いと、第２高周波に追従して上部電極３４に入射するイオンの衝撃は弱まり、スパッタ効果が低減するという不都合が出てくる。

この点、実施例は、インダクタ５４を備えることで、並列ＬＣ回路８０のインピーダンスを第１高周波（４０ＭＨｚ）に対しては任意の高めの値に選定できると同時に第２高周波（２ＭＨｚ）に対しては相当低い値に選定できる。このことによって、上述のようにプラズマ密度分布の均一性を大幅に改善する一方で、上部電極３４に入射するイオンの衝撃強度ひいてはスパッタリング（電極表面の清浄化）の効果を十二分に保つことができる。

一例として、エッチングガスにポリマーの発生量が多いＣ₄Ｆ₈を使用し、実施例と第２の比較例とで上部電極３４の表面にデポ膜が付着するレート（デポレート）を測定したところ、第２の比較例では８０ｎｍ／５分、実施例では−１００ｎｍ／５分の測定結果が得られた。このデポレート定量化実験における主なエッチング条件は下記のとおりである。
処理ガス：Ｃ₄Ｆ₈／Ａr＝流量５／１０００sccm
チャンバ内の圧力：４０mTorr
高周波電力：４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝２０００／４００Ｗ
温度：上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝１５０／１５０／４０℃
エッチング時間：５分

このように、第２の比較例では上部電極３４の表面にデポ膜が累積的に付着するのに対して、実施例では上部電極３４の表面からデポ膜をエッチングモードで効率よく除去できることが確認された。

図８に、第２の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。第１の実施形態がインダクタ５４の上端を導線５６を介して接地したのに対して、この第２の実施形態はインダクタ５４の上端にＤＣフィルタユニット８２を介して可変直流電源８４を電気的に接続している点が異なる。他の部分の構成および機能は第１の実施形態と同じである。

図９に、ＤＣフィルタユニット８２内の回路構成例を示す。この実施例のＤＣフィルタユニット８２は、可変直流電源８４から上部電極３４までの直流伝送路上にインダクタ５４と直列に２個のコイル８６，８８を接続し、両コイル８６，８８間のノードＮ₁と接地電位との間、およびコイル８８と可変直流電源８４間のノードＮ₂と接地電位との間にコンデンサ９０，９２をそれぞれ接続しており、これらのコイル８６，８８およびコンデンサ９０，９２で直並列のＬＣ回路９４を構成している。

なお、ＤＣフィルタユニット８２内のそれぞれの電気部品または電気素子を適正な温度に保つため、ＤＣフィルタユニット８２の内部にはファン等の冷却（送風）機構が設けられてよい。また、このＤＣフィルタユニット８２は、インダクタ５４と可変直流電源８４との間であれば任意の位置に配置可能であるが、好ましくはチャンバ１０の天井（上面）の上に載置されるのがよい。

可変直流電源８４より出力される直流電圧は、直並列ＬＣ回路９４のコイル８８，８６およびインダクタ５４を介して上部電極３４に印加される。一方、高周波電源３０，７０よりサセプタ１６に印加される第１，第２高周波は、処理空間ＰＳを介して上部電極３４に入ると、そこから先はインダクタ５４およびＤＣフィルタユニット８２内の直並列ＬＣ回路９４を通ってグランドへ流れ、可変直流電源８４側へは殆ど流れないようになっている。

可変直流電源８４は、プロセスの種類や条件に応じて任意の極性および電圧レベルを有する直流電圧を出力するように構成されている。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つを奏することが知られている。なお、上部電極３４に直流電圧を印加する必要のない場合に備えて、可変直流電源８４と直並列ＬＣ回路９４との間にたとえばリレースイッチからなるオン・オフ切替用のスイッチ９６を設けるのが好ましい。

この実施形態においては、ＤＣフィルタユニット８２内の直並列ＬＣ回路９４が可変直流電源８４からの直流電圧をスルーで上部電極３４側へ通すとともに、上部電極３４側からの高周波に対して低域（好ましくは１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚ）で直列共振を起こし、高域（好ましくは５〜２００ＭＨｚ）で並列共振を起こすように構成され、かかる直並列ＬＣ回路９４の周波数−インピーダンス特性を利用して下部２周波重畳印加方式における第１および第２高周波の各個別の作用を一層向上させるようにしている。

図１０に、この実施形態において、直並列ＬＣ回路９４単独の周波数−インピーダンス特性Ｚ₉₄および処理空間ＰＳと上部電極３４との境界面から上部電極３４を介して接地電位までの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性Ｚ_Aの一例を示す。

図１０に示すように、この実施例は、直並列ＬＣ回路９４の共振周波数を約２ＭＨｚに設定し、反共振周波数を約４５ＭＨｚに設定している。この周波数−インピーダンス特性Ｚ₉₄においては、第１高周波（４０ＭＨｚ）に対応するインピーダンスは相当高めの約１０００Ωであるのに対して、第２高周波（２ＭＨｚ）に対応するインピーダンスが約１Ωと極端に低い。この直並列ＬＣ回路９４にインダクタ５４やキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀等が合わさった上部電極３４周囲全体の接地回路の周波数−インピーダンス特性Ｚ_Aは、反共振周波数が約１０ＭＨｚまで低域側にシフトするものの、共振周波数は依然として２ＭＨｚ近辺の値を保っている。そして、第１高周波（４０ＭＨｚ）に対応するインピーダンスは約２０Ωまで大きく低下する一方で、第２高周波（２ＭＨｚ）に対応するインピーダンスは約０．７Ωに若干低くなり、両インピーダンスの間にはまだ２０倍以上の開きがある。

図１０において特に注目すべきことは、直並列ＬＣ回路９４の共振現象を利用することにより、上部電極３４回り全体の接地回路の周波数−インピーダンス特性Ｚ_Aにおいても第２高周波（２ＭＨｚ）に対応するインピーダンスを１Ω以下に低くできる点である。このことによって、第２高周波（２ＭＨｚ）からみて上部電極３４はあたかも接地電位に短絡（イマジナリショート）されている状態となり、第２高周波に倣った振動で上部電極３４に入射するイオンの衝撃力ひいてはスパッタリング（デポ除去）効果を可及的に高められる。

なお、図１０に示す周波数−インピーダンス特性Ｚ₉₄，Ｚ_Aは一例であり、直並列ＬＣ回路９４においてコイル８６，８８のインダクタンスおよびコンデンサ９０，９２のキャパシタンスの値を変えることで適宜変更または調整することができる。

また、図９の回路構成は一例であり、ＤＣフィルタユニット８２内やその回りで種々の変形が可能である。たとえば、直並列ＬＣ回路９４は任意の数のコイルおよびコンデンサで構成可能であり、回路網の形式は図９の¬型に限らず、Ｔ型、π型等でもよい。また、直並列ＬＣ回路９４と可変直流電源８４との間に他の機能のための回路素子たとえばノイズ除去用のコイル（図示せず）等を挿入することも可能である。

また、ＤＣフィルタユニット８２内に可変インピーダンス素子を備えることも可能である。たとえば、図１１に示すように、コイル８６を可変リアクタ、コンデンサ９０を可変コンデンサとすることも可能である。

さらには、直並列ＬＣ回路９４の代用として、図１２に示すように、上部電極３４をインダクタ５４およびコンデンサ９８からなる直列ＬＣ回路１００を介して接地する構成も可能である。この場合、上部電極３４の周囲全体の接地回路としては、つまり処理空間ＰＳと上部電極３４との境界面から上部電極３４を介して接地電位までの高周波伝送路を見込んだときの等価回路としては、この直列ＬＣ回路１００にキャパシタＣ₃₅，Ｃ₅₀（図３）を並列に接続してなる直並列ＬＣ回路（図示せず）が形成される。この直並列ＬＣ回路の周波数−インピーダンス特性において、図１０に示したものと同様に、所定の帯域内で所望の共振周波数とこれより高い所望の反共振周波数とが得られるように、好ましくは共振周波数が第２高周波の周波数の極近傍に得られるように、インダクタ５４のインダクタンスおよびコンデンサ９８のキャパシタンスを設定すればよい。

また、図１２に示すように、可変直流電源８４を用いる場合は、可変直流電源８４の出力端子をインダクタ５４とコンデンサ９８との間のノードＮ_aに電気的に接続すればよい。もっとも、可変直流電源８４を省く構成も可能である。その場合、上部電極３４に対してインダクタ５４とコンデンサ９８とを入れ換える構成、つまり上部電極３４とインダクタ５４との間にコンデンサ９８を直列に接続する構成も可能である。インダクタ５４は、棒状の導体に限定されず、コイル状の導体からなるものでもよく、誘導性のインピーダンスを与える任意の誘導性素子または部材を使用できる。

また、実施形態のプラズマエッチング装置において、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１３〜図１５に静電容量可変部の構成例を示す。

図１３および図１４に示す静電容量可変部１０２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１０４と、この導体板１０４を上下に移動または変位させるための操作機構１０６と、操作機構１０６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１０８とを有する。図１３の操作機構１０６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１４の操作機構１０６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１０４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１０４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１０４を上部電極３４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１０４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１５に示す静電容量可変部１０２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１１０を形成し、配管１１２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（たと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。

そして、これら可変コンデンサや静電容量可変部１０２、インダクタ５４のインダクタンス可変の可変インダクタンス素子（図示せず）、図１１に示すＤＣフィルタユニット８２内の可変インピーダンス素子等を適宜組み合わせることで、任意の周波数−インピーダンス特性を実現することができる。より詳細には、上で述べた可変コンデンサや静電容量可変部１０２によって、プラズマ生成に主に寄与する第１の高周波に対するインピーダンス値を調整し、ＤＣフィルタユニット８２内の可変インピーダンス素子によって、イオン引き込みに主に寄与する第２高周波に対するインピーダンスの値を調整することが可能となる。

また、一実施形態として、図１６のような構成を採ることも可能である。具体的には、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７０より整合器７２および給電棒７４を介して第２高周波を給電し（下部２周波重畳印加方式）、かつ上部電極を半径方向において円盤状の内側上部電極３４とリング状の外側上部電極１２２とに２分割する構成である。内側上部電極３４と外側上部電極１２２との間にはリング状の絶縁体１２０が挿入され、外側上部電極１２２とチャンバ１０の側壁との間にはリング状の絶縁体１２４が挿入される。かかる構成によれば、高い周波数の第１高周波を主として外側上部電極１２２を通ってチャンバ１０の側壁（アース）に至る経路で流れやすくし、低い周波数の第２高周波を主として内側上部電極３４および導体棒５２を通ってアースに至る経路で流れやすくすることができる。

上記した実施形態で使用した第１および第２高周波のそれぞれ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できる。通常、プラズマの生成に主として寄与する第１高周波の周波数は１３．５ＭＨｚ以上の値に選ばれ、基板へのイオン引き込みや上部電極へのイオン引き込みに主として寄与する第２高周波の周波数は１３．５６ＭＨｚ以下の値に選ばれてよい。

上記した実施形態による上部電極３４回りの接地回路以外に限らず、装置内の各部の構成または機能について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平行平板型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。

本発明の第１の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。 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。 図１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。 図１のプラズマエッチング装置において上部電極を介して接地電位までの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 実施例における酸化膜エッチングレートの面内分布特性を示す図である。 実施例におけるフォトレジストのエッチングレートの面内分布特性を示す図である。 第１の比較例における酸化膜のエッチングレートの面内分布特性を示す図である。 第１の比較例におけるフォトレジストのエッチングレートの面内分布特性を示す図である。 第２の比較例における酸化膜のエッチングレートの面内分布特性を示す図である。 第２の比較例におけるフォトレジストのエッチングレートの面内分布特性を示す図である。 本発明の第２の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。 図９のプラズマエッチング装置におけるＤＣフィルタユニット内の回路構成例を示す回路図である。 図２のプラズマエッチング装置において、ＤＣフィルタユニット内の直並列ＬＣ回路の周波数−インピーダンス特性および上部電極を介して接地電位までの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性の一例を示す図である。 ＤＣフィルタユニット内の回路構成の一変形例を示す回路図である。 第２の実施形態における直並列ＬＣ回路の一変形例を示す回路図である。 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。

符号の説明

１０ チャンバ（処理容器）
１６ サセプタ（下部電極）
３０ 第１の高周波電源
３４ 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 隙間
５４ インダクタ
７０ 第２の高周波電源
８２ ＤＣフィルタユニット
８４ 可変直流電源
８６，８８ コイル
９０，９２，９８ コンデンサ
９４，１００ 直並列ＬＣ回路

Claims (11)

1. 真空排気可能な接地された処理容器と、
   前記処理容器に絶縁物または空間を介して取り付けられる第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２の電極に第１の周波数を有する第１の高周波を印加する第１の高周波給電部と、
   前記第２の電極に前記第１の周波数よりも低い第２の周波数を有する第２の高周波を印加する第２の高周波給電部と、
   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、
   前記第１の電極と接地電位の部材との間で電気的に直列に接続されるインダクタおよびコンデンサと
   を有し、
   前記第１の電極と前記処理容器との間にそれらの間に存在する絶縁体を介して一定の容量を有するキャパシタが形成され、
   前記インダクタと前記コンデンサと前記キャパシタとによって直並列ＬＣ回路が形成され、
   前記処理空間と前記第１の電極との境界面から前記第１の電極を介して接地電位に至るまでの高周波伝送路を見込んだときの周波数−インピーダンス特性において、前記第２の周波数以上で前記第１の周波数よりも低い前記直並列ＬＣ回路の直列共振周波数と、前記直列共振周波数よりも高くて前記第１の周波数よりも低い前記直並列ＬＣ回路の反共振周波数とがそれぞれ１つずつ存在し、前記第１の周波数に対応するインピーダンスよりも前記第２の周波数に対応するインピーダンスが低くなるように、前記インダクタのインダクタンスおよび前記コンデンサのキャパシタンスが設定される、
   プラズマ処理装置。
2. 前記第２の周波数に対応するインピーダンスが前記第１の周波数に対応するインピーダンスの２０分の１以下である、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記第１の周波数は２７ＭＨｚ以上であって、前記第２の周波数は１３．５６ＭＨｚ以下であり、
   前記周波数−インピーダンス特性において、１００ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの帯域内に前記直列共振周波数が得られ、５〜２００ＭＨｚの帯域内に前記反共振周波数が得られるように、前記インダクタのインダクタンスおよび前記コンデンサのキャパシタンスが設定される、
   請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記直列共振周波数が前記第２の周波数にほぼ一致または近似するように、前記インダクタのインダクタンスおよび前記コンデンサのキャパシタンスが設定される、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、前記インダクタのインダクタンスおよび前記コンデンサのキャパシタンスが設定される、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. 前記インダクタおよび前記コンデンサの少なくとも一方が可変インピーダンス素子である、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. 前記インダクタが棒状またはコイル状の導体を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記インダクタを介して前記第１の電極に所望の直流電圧を印加する直流電源を有する、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の電極と前記処理容器の側壁との間にリング状の絶縁体が気密に設けられる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

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