JP5116983B2 - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置 - 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。さらに、カソードカップル方式は、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、上部電極に入射するイオンの衝撃つまりスパッタによってデポ膜（酸化膜が付いていればそれも）を除去できるという利点もある。
特開平６−２８３４７４

カソードカップル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おり、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以上の周波数を使用している。ところが、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。

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、カソードカップル方式においてアノード側の電極にデポ膜が付いて後工程のプロセスに影響するのを極力防止しつつプロセスの均一性を可及的に向上させる容量結合型のプラズマ処理方法および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、本発明の第１のプラズマ処理方法は、真空可能な接地された処理容器内で第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するとともに前記第２の電極に第１の高周波を印加し、前記処理空間に生成されるプラズマの下で前記基板に所望のプラズマプロセス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絶縁体または空間を介して取り付けるとともに静電容量可変の可変コンデンサを介して接地電位の部材に電気的に接続して、前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きやすいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きにくいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える。
また、本発明の第１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体または空間を介して取り付けられる第１の電極と、前記第１の電極と接地電位の部材との間に電気的に接続される静電容量可変の可変コンデンサと、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、前記基板に施すプラズマプロセスのプロセス条件に応じて前記可変コンデンサの静電容量の値を切り替える静電容量制御部とを有し、前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、前記静電容量制御部が、前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きやすいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きにくいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える。

本発明の第２のプラズマ処理方法は、真空可能な接地された処理容器内で第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するとともに前記第２の電極に第１の高周波を印加し、前記処理空間に生成されるプラズマの下で前記基板にマルチステップ方式のプラズマプロセス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絶縁体または空間を介して取り付けるとともに静電容量可変の可変コンデンサを介して接地電位の部材に電気的に接続して、前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、最後のステップを除く各ステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、最後のステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える。
また、本発明の第２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体または空間を介して取り付けられる第１の電極と、前記第１の電極と接地電位との間に電気的に接続される静電容量可変の可変コンデンサと、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、前記基板に施すマルチステップ方式のプラズマプロセスにおいて各ステップ毎のプロセス条件に応じて前記可変コンデンサの静電容量の値を切り替える静電容量制御部とを有し、前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、前記静電容量制御部が、最後のステップを除く各ステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、最後のステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える。

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、当該プラズマプロセスのプロセス条件に応じて、上記可変コンデンサの静電容量の値を切り替えることにより、第１の電極の周囲の静電容量または接地容量を高容量（低インピーダンス）から低容量（高インピーダンス）まで任意に切り替えることができる。特に、高容量（低インピーダンス）接地のモードは、プラズマの電子電流の中で第１の電極と第２の電極との間で流れる割合を大きくして第１の電極に対するイオンのスパッタ効果を強めることができるので、第２の電極にポリマー等の堆積膜が付きやすいプロセスやマルチステップ方式において最後のステップを除く各ステップに有利である。また、低容量（高インピーダンス）接地のモードは、プラズマの電子電流の中で第１の電極と処理容器の側壁との間で流れる割合を大きくしてプラズマ密度の空間分布を半径方向外側に拡げられるので、第２の電極に堆積膜が付着しにくいプロセスや（第２の電極に堆積膜が付着しても問題ない）マルチステップ方式における最後のプロセスに適している。本発明によれば、特に上記第２のプラズマ処理方法または上記第２のプラズマ処理装置においては、メモリー効果の防止ないし低減とプロセス均一性とのバランスまたはトレードオフを最適化して、プロセス全体の加工性を向上させることができる。

なお、第２の電極に第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ことや、第１の電極に所望の直流電圧を印加することも可能である。

本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置によれば、上記のような構成と作用により、容量結合型のカソードカップル方式においてアノード側の電極にデポ膜が付いて後工程のプロセスに影響するのを極力防止しつつプロセスの均一性を可及的に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部４４が接続されている。処理ガス供給部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の天井との間には適当なギャップサイズの隙間が設けられ、そこに空間５０が形成されている。この空間５０は、大気空間でもよいが、好ましくは真空空間として構成され、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する機能も有している。このように空間５０を真空にする場合は、処理空間ＰＳとは別個に真空排気し、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、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は、空間５０内に容量可変の可変コンデンサ８６を設けており、チャンバ１０の外たとえば上面に備え付けの静電容量制御部８５により可変コンデンサ８６の容量を可変するようにしている。

ここで、図２および図３に可変コンデンサ８６の構成例を示す。この可変コンデンサ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たとえば操作棒９０とを有する。ここで、導体板８８と上部電極３４との間にコンデンサが形成される。導体板８８の面積が大きいほど、容量可変の感度または範囲を大きくすることができる。図２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３の操作機構９０は絶縁性の材質でもよい。静電容量制御部８５は、たとえば回転量を任意に制御できるステップモータと、このステップモータの回転駆動軸の回転を操作機構９０の直進（昇降）運動に変換する運動変換機構（たとえばボールネジ機構）等を有しており、導体板８８の高さ位置の可変制御を通じて可変コンデンサ８６の容量を連続的に可変できるようになっている。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４に、別の実施例による静電容量可変部８５の構成を示す。この実施例は、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９２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。誘電性液体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。

なお、静電容量制御部８５には、このプラズマ処理装置内の各部の動作および装置全体のシーケンスを制御するコントローラ９６より可変コンデンサ８６の容量（目標値）を指示する制御信号が与えられる。

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、処理ガス供給部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５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可変コンデンサ（静電容量可変部）８６の作用を説明する。図６および図７において、上部電極３４は電気的には可変コンデンサ８６および固定コンデンサまたはキャパシタ７０，７２を介して接地電位のチャンバ１０に接続（接地）される。ここで、キャパシタ７０は、上部電極３４とチャンバ１０の側壁との間の容量（固定容量）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、可変コンデンサ８６と並列に上部電極３４とチャンバ１０の天井との間に存在する容量（固定容量）である。上部電極３４の周囲の静電容量または接地容量は、可変コンデンサ８６の容量とキャパシタ７０，７２の容量とを足し合わせた合成容量として与えられる。

先ず、可変コンデンサ８６の容量を高めに調節して、上部電極３４の接地容量（合成容量）をたとえば２００００ｐＦ以上に選んだ場合（極端には導体板８８を上部電極板３４に接触させて無限大の容量値とした場合）の作用を説明する。この場合は、図６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、しかも真向かいの上部電極３４が高容量つまり低インピーダンスを介して接地されているため、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くて半径方向外側の周辺部にいくほど低くなるような山形のプロファイルになりやすい。しかし、一方で、上部電極３４に高周波電流または電子電流が多く流れることによって、上部電極３４において自己バイアスによるイオンの入射量が増大してスパッタ効果が強まるという一面もある。

これに対して、可変コンデンサ８６の容量を低めに調節して、上部電極３４の接地容量（合成容量）をたとえば２５０ｐＦ以下に選んだ場合は、図７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拡張する。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いのも、図６の場合と同じである。しかし、上部電極３４の接地容量またはインピーダンスが低いため、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向かいの上部電極３４へは流れにくくなる。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決して低くはなく、接地容量の値次第で、つまり可変コンデンサ８６の容量値次第で、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任意に制御することができる。一方で、上部電極３４に流れる高周波電流または電子電流が少なくなると、上部電極３４におけるイオン入射量ないしスパッタ効果が低下するという一面もある。

この実施形態のプラズマエッチング装置は、上記のように静電容量可変部８６の静電容量を可変できる構成を有し、プロセス条件に応じて上部電極３４の接地容量を適宜切り替えて、特に高容量接地（低インピーダンス）モードあるいは低容量接地（高インピーダンス）モードのいずれかを選択することにより、後述するメモリー効果の防止ないし低減とプロセス均一性とのバランスまたはトレードオフを最適化してプロセス全体の加工性を向上させることができる。

次に、この実施形態のプラズマエッチング装置における具体的なプラズマエッチング加工の一例を説明する。このエッチング加工は、層間絶縁膜としての有機系low-k膜に接続孔（ビアホール）を形成するものであり、下部２周波重畳印加方式（図５）を用いるものとする。

図８に、この実施例における処理ガス供給部４４の詳細な構成例を示す。主ガス供給管４２には、処理ガス供給系として各種原料ガスの供給源が各専用または分岐ガス供給管を介して接続されている。この実施例では、後述するようにエッチング用混合ガスの原料ガスとしてＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣＨ₃Ｆ、Ｃ₄Ｆ₈、Ａｒ、Ｎ₂の６種類を使用することから、それらの原料ガスを供給するガス供給源１００〜１１０が用意されている。それぞれの専用ガス供給管には、コントローラ９６により各々独立的かつ任意に制御可能なマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１００ａ〜１１０ａおよび開閉バルブ１００ｂ〜１１０ｂが設けられている。

エッチング加工の対象となる半導体ウエハＷの主面上には、図９の（ａ）に示すように、多層配線構造における下層側配線層１１２、バリア層１１４、有機系low-k膜（層間絶縁膜）１１６およびマスク１１８が下からこの順に積層されている。配線層１１２は、たとえばＣu配線層であり、たとえばデュアルダマシン加工で形成されている。バリア層１１４は、たとえば１０００Å（０．１μｍ）の膜厚を有する窒化珪素（ＳiＮ）膜であり、たとえばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成されている。有機系low-k膜１１６は、たとえば１μｍの膜厚を有するＳiＯＣ系low-k膜であり、たとえばＣＶＤ法により形成されている。マスク１１８は、レジスト膜であり、通常のフォトリソグラフィによって形成され、ビアホールの孔あけ位置に開口部１１８ａを有している。

この実施例では、かかる被処理体の半導体ウエハＷに対して３ステップ方式のエッチング加工を行う。先ず、第１ステップとして、デポジションプロセスのエッチングを行う。この第１ステップにおける主なエッチング条件は次のとおりである。
処理ガス：ＣＦ₄／ＣＨ₃Ｆ／Ｎ₂＝流量５０／５／１００sccm
チャンバ内の圧力：２０mTorr
高周波電力：４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝１０００／０Ｗ

この第１ステップでは、エッチングガスにパーフロロカーボン系のＣＨ₃Ｆを使用する。すると、ＣＨ₃Ｆ中のプラズマで分解されたＨ分子がすぐにＦと反応してＨＦとして排気されることによってＣが残りやすくなる。その結果、カーボン系のデポが多量に発生してレジストマスク１１８の開口部１１８ａおよび上面に付近に付着し、これが後工程でマスク選択比を高める保護膜となる。しかし、ポリマーが多量に発生することで、しかもサセプタ１６に第２高周波（２ＭＨｚ）を印加しないため（つまり、上部電極３４へのイオン入射が弱いため）、上部電極３４にデポが付きやすい。

このことから、上部電極３４の接地容量については、図６のように可変コンデンサ８６の容量を高めに調節して高容量接地（低インピーダンス）モードに切り替え、極端には短絡接地とする。これにより、上部電極３４に対するイオンの入射効率を高めてイオンスパッタを促進し、デポ膜が付かないようにすることができる。

この第１ステップは、図９の（ｂ）に示すように、有機系low-k膜１１６に形成されるホール１１６ａの底が所定の深さ、たとえば１０００Å付近の深さに達したところで、終了する。この第１ステップの終了に際しては、ＣＦ₄／ＣＨ₃Ｆ／Ｎ₂の混合ガスの供給を止める、つまり開閉バルブ１００ｂ，１０４ｂ，１１０ｂを閉めるとともに、高周波電源３０の出力をオフにする。ただし、排気装置５８の排気動作はそのまま継続させる。

次に、第２のステップとして、メインエッチングを行う。この第２ステップにおける主なエッチング条件は次のとおりである。
処理ガス：ＣＨＦ₃／ＣＦ₄／Ａｒ／Ｎ₂＝流量４０／３０／１０００／１５０sccm
チャンバ内の圧力：３０mTorr
高周波電力：４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝１０００／１０００Ｗ

第２ステップでは、化学反応によるプラズマアシストエッチングにイオン照射によるイオンアシストエッチングが重なり合って、高速の異方性エッチングが行われる。その際、上部電極３４に先の第１ステップのプロセスで生成されたデポ膜が付いていない状態で第２ステップのプロセスを開始しているので、第１ステップのプロセスの影響を受けることはない。

もっとも第２ステップのプロセスでも、パーフロロカーボン系のＣＨＦ₃から多量のポリマーが発生し、第１ステップのときほどではないにしても上部電極３４にデポが付きやすく、プロセス時間が比較的長いぶんデポ膜が蓄積して大きく成長する可能性は大きい。

この点に鑑みて、第２ステップにおいても、上部電極３４の接地容量を図６のような高容量接地モードとし、極端には短絡接地とする。これにより、上部電極３４に対するイオンの入射効率を高めてイオンスパッタを促進し、デポ膜が付かないようにすることができる。

第２のステップは、図９の（ｃ）に示すように、有機系low-k膜１１６のホール１１６ａの底が所定の深さ、たとえば８０００Å付近の深さに達したところで、終了する。このステップ終了に際しては、開閉バルブ１０２ｂ，１００ｂ，１０８ｂ，１１０ｂを閉めてＣＨＦ₃／ＣＦ₄／Ａｒ／Ｎ₂混合ガスの供給を止める。同時に、両高周波電源３０，６４の出力をいったんオフにする。

次に、最後の第３ステップとして、オーバーエッチングを行う。この第３ステップにおける主なエッチング条件は次のとおりである。
処理ガス：Ｃ₄Ｆ₈／Ａｒ／Ｎ₂＝流量６／１０００／１５０sccm
チャンバ内の圧力：５０mTorr
高周波電力：４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝１０００／１０００Ｗ

第３ステップでも、ホール１１６ａの異方性（垂直形状）を保ったまま下地膜（窒化珪素）６２に達するまで、有機系low-k膜１１６をエッチングする。この場合にも、上部電極３４に先の第２ステップのプロセスで生成されたデポ膜が付いていない状態で第３ステップのプロセスを開始するので、第２ステップのプロセスの影響を受けることはない。

第３ステップのプロセスでエッチングガスに用いるＣ₄Ｆ₈／Ａｒ／Ｎ₂混合ガスは、下地膜（窒化珪素）６２に対する選択比が高いという特長があり、フロロカーボンのポリマーを発生するもののその発生量は比較的少なく、しかもこの第３ステップに続く後工程のプロセスがない。つまり、この第３ステップのプロセス中に上部電極３４にデポ膜が付いても、そのデポ膜によって次のプロセスが前プロセスの影響を受ける効果（メモリー効果）を考慮しなくて済む。なお、上部電極３４やチャンバ１０の側壁に付いたデポ膜は、たとえばプラズマクリーニングによって別途除去することができる。

この点に鑑みて、第３ステップにおいては、上部電極３４の接地容量を図７のような低容量接地（高インピーダンス）モードに切り替える。これにより、サセプタ１６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とともにサセプタ１６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、処理空間ＰＳで生成するプラズマの密度を半径方向外側に拡げることができる。

この場合、半導体ウエハＷ上のエッチングレートを空間的に（特に半径方向で）均一化してもよいが、中心部よりもエッジ部のエッチングレートを相対的に高くするのも好ましい。すなわち、先の第１および第２ステップでは、上記のようにメモリー効果防止を重視して上部電極３４の接地容量を高めに設定したことから、プラズマ密度は相対的に中心部が高く周辺部が低くなる傾向があり、それによってビアホール形成のエッチングレートも相対的に中心部が高く周辺部が低くなりやすい。結果として、第２ステップの終了時点で、ホール１１６ａの底の深さには空間的に（特に半径方向で）ばらつきがあり、中心部で相対的に深く、エッジ部で相対的に浅くなっている。

そこで、最後の第３ステップで、逆にプラズマ密度を中心部で相対的に低く周辺部で相対的に高くし、半導体ウエハＷ上のエッチングレートを中心部で相対的に低くエッジ部で相対的に高くすることで、それまでのエッチング深さのばらつきをある程度までキャンセルすることができる。このことによって、第１〜第３ステップを通じたプロセス全体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。

上記したように、この実施形態によれば、上部電極３４の接地容量を可変に構成し、プロセス条件に応じて、たとえば連続するプロセスにおいて前のプロセスが上部電極３４にデポ膜を付けやすいときはそのプロセス中は上部電極３４の接地容量を高容量接地（低インピーダンス）モードに切り替えて上部電極３４にデポ膜を付き難くし、次のプロセスに与える影響またはメモリー効果を防止ないし低減することができる。また、上部電極３４にデポ膜が付け難いプロセスや最終工程のプロセスのときは、上部電極３４の接地容量を低容量接地（高インピーダンス）モードに切り替えて、処理空間ＰＳ内で生成するプラズマの密度を半径方向外側に拡げ、これによってプロセス均一性の向上をはかることができる。

上記した実施例における有機系low-k膜のビアホールエッチングは一例であり、本発明は任意のマルチステッププロセスに適用可能であり、もちろん単ステップのプロセスにも適用可能である。また、上部電極３４に直流電源（図示せず）を電気的に接続して、任意の直流電圧を上部電極３４に印加する構成または方式も可能である。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。

また、別の実施形態として、ウエハの処理枚数に応じて、静電容量の値を変化させてもよい。一般に、チャンバ内部のパーツの温度がプラズマにより上昇するにつれて、ウエハエッジ部のエッチングレートが低下する傾向にある。そこで、特にエッチング初期では、ウエハ中心のエッチングレートがウエハエッジ部のエッチングレートの上昇に合うように増加させて均一性を保ち、プロセス枚数が進み、ウエハエッジ部のエッチングレートが低下したなら、静電容量可変部の静電容量の値を小さくしてウエハエッジ部でのエッチングレートの低下を低減させる。

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。特に、上記実施形態における静電容量可変部８６の構成は一例であり、上部電極３４の周囲の静電容量または接地容量を所望の範囲で可変できる任意のキャパシタ構造を採用することができる。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。 実施形態のプラズマエッチング装置における可変コンデンサの一構成例を示す図である。 実施形態のプラズマエッチング装置における可変コンデンサの別の構成例を示す図である。 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。 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。 実施形態のプラズマエッチング装置を高容量（低インピーダンス）接地モードに切り替えた場合のチャンバ内の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を低容量（高インピーダンス）接地モードに切り替えた場合のチャンバ内の高周波放電の仕組みを模式的に示す図である。 実施例のエッチング方法で使用す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。 実施例のエッチング方法におけるマルチステップの各段階の状態を示す略断面図である。

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
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 処理ガス供給部
５０ 空間
５２ 絶縁体
６４ 高周波電源
７０，７２ キャパシタ
８５ 静電容量制御部
８６ 可変コンデンサ（静電容量可変部）

Claims (8)

1. 真空可能な接地された処理容器内で第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するとともに前記第２の電極に第１の高周波を印加し、前記処理空間に生成されるプラズマの下で前記基板に所望のプラズマプロセス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絶縁体または空間を介して取り付けるとともに静電容量可変の可変コンデンサを介して接地電位の部材に電気的に接続して、前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、
   前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きやすいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きにくいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える、
   プラズマ処理方法。
2. 真空可能な接地された処理容器内で第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するとともに前記第２の電極に第１の高周波を印加し、前記処理空間に生成されるプラズマの下で前記基板にマルチステップ方式のプラズマプロセス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絶縁体または空間を介して取り付けるとともに静電容量可変の可変コンデンサを介して接地電位の部材に電気的に接続して、前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、
   最後のステップを除く各ステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、最後のステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える、
   プラズマ処理方法。
3. 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、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法。
4. 前記第１の電極に所望の直流電圧を印加する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
5. 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体または空間を介して取り付けられる第１の電極と、
   前記第１の電極と接地電位の部材との間に電気的に接続される静電容量可変の可変コンデンサと、
   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、
   前記基板に施すプラズマプロセスのプロセス条件に応じて前記可変コンデンサの静電容量の値を切り替える静電容量制御部と
   を有し、
   前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、
   前記静電容量制御部が、前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きやすいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、前記プラズマプロセスが前記第１の電極に堆積膜が付きにくいプロセスであるときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える、
   プラズマ処理装置。
6. 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体または空間を介して取り付けられる第１の電極と、
   前記第１の電極と接地電位との間に電気的に接続される静電容量可変の可変コンデンサと、
   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、
   前記基板に施すマルチステップ方式のプラズマプロセスにおいて各ステップ毎のプロセス条件に応じて前記可変コンデンサの静電容量の値を切り替える静電容量制御部と
   を有し、
   前記第１の電極と前記処理容器との間に存在するインピーダンスをインダクタンスを含まない常時容量性の可変制御可能なインピーダンスとし、
   前記静電容量制御部が、最後のステップを除く各ステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を高めの第１のキャパシタンス値に切り替え、最後のステップのプロセスのときは前記可変コンデンサの静電容量を前記第１のキャパシタンス値よりも低い低めの第２のキャパシタンス値に切り替える、
   プラズマ処理装置。
7. 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５または請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 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５〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

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