JP5281309B2 - プラズマエッチング装置及びプラズマエッチング方法及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、被処理基板にプラズマを用いてドライエッチング加工を施す容量結合型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、ならびにコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関する。

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスで用いられているエッチングは、リソグラフィ技術により形成したレジストパターンをマスクとして、被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）の表面の膜を所望の回路パターンに加工する。従来より、枚葉式のエッチング装置では、容量結合型のプラズマエッチング装置が主流になっている。

一般に、容量結合型のプラズマエッチング装置は、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。

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。基板を載置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）。

最近は、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）を有する第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）を有する第２高周波とを下部電極に同時に印加する下部２周波印加方式もよく用いられている（たとえば特許文献２参照）。

また、容量結合型のプラズマ処理装置において、上記のような高周波放電により両電極間でプラズマを生成しつつ、プラズマを介して基板と向き合う上部電極に直流電圧を印加する方式（以下「上部ＤＣ印加方式」と称する。）が提案されている（特許文献３）。この上部ＤＣ印加方式によれば、（１）上部電極の自己バイアス電圧の絶対値を大きくして上部電極におけるスパッタリング（堆積物除去）を強める効果、（２）上部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が縮小化される効果、（３）上部電極の近傍に生じた電子を被処理基板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（基本効果）が奏される。エッチングプロセスにおいては、上記のような基本効果に基づいて、プラズマ着火安定性、レジスト選択性、エッチング速度およびエッチング均一性の向上（プロセス特性効果）が見込まれている。
特開平６−２８３４７４ 特開２００７−２６６５２９ 特開２００６−２７００１９

ところで、基板上の被加工膜とレジストとの間には、多層レジスト法の下層レジストとして、あるいはパターニング露光時に発生する定在波を減少させるための反射防止膜として、有機膜を設けることが多々ある。この場合は、同一のプラズマエッチング装置において、最初に最上層のレジストをマスクとして有機膜をエッチングし、次いでレジストおよび有機膜をマスクとして本来の被加工膜をエッチングすることになる。

しかしながら、有機膜のプラズマエッチングにおいては、使用するガスや圧力にもよるが、概して、所望または最適なエッチング特性を得ようとすると、基板上で中心部のエッチングレートが周辺部のエッチングレートよりも大きく落ち込んで、面内均一性を保てないことが問題になっており、上記のような上部ＤＣ印加方式では完全には解決できないこともわかっている。

この問題に対しては、相対的に基板中心部のエッチングレートを高くして基板周辺部のエッチングレートを低くするように電極構造やガス供給系に工夫を凝らすことも考えられる。しかし、そのような手法は、ハードウェアが大掛かりになるだけでなく、本来の被加工膜をエッチングする際に基板中心部のエッチングレートが基板周辺部のエッチングレートよりも高くなりすぎて面内均一性を保てなくなるという別の問題（却って深刻な問題）が派生し、実用性がない。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するものであり、基板上で相対的に中心部のエッチングレートがエッジ部のエッチングレートよりも不所望に低くなるのを簡便かつ効果的に補正または是正できるプラズマエッチング装置を提供することを目的とする。

本発明の別の目的は、同一のハードウェアの下で、非有機膜エッチングの特性や面内均一性を犠牲にすることなく、有機膜エッチングの特性や面内均一性を容易に改善できるプラズマエッチング装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、有機膜のエッチングにおいて被処理基板上のエッチングレートの面内均一性を容易かつ効率的に改善できるプラズマエッチング方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点におけるプラズマエッチング装置は、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と平行に向かい合う上部電極と、前記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に印加する第１高周波給電部と、前記下部電極の上面の前記基板の半径方向外側にはみ出る周辺部分を覆うフォーカスリングと、可変の直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電源を前記フォーカスリングおよび前記上部電極の中のいずれか片方または双方に接続するための直流電圧給電網とを有し、所与のプラズマエッチングにおいて基板中心部のエッチングレートが基板エッジ部のエッチングレートより相対的に低くなるエッチング特性を補正してエッチングレートの面内均一性を改善するために、絶対値が前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも大きい負極性の前記直流電圧を前記直流電源より前記直流電圧給電網を介して前記フォーカスリングに印加する。

上記の装置構成によれば、所与のプラズマエッチングにおいて基板中心部のエッチングレートが基板エッジ部のエッチングレートより相対的に低くなるエッチング特性が得られるときは、絶対値が下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも大きい負極性の直流電圧を直流電源より直流電圧給電網を介してフーカスリングに印加する。これによって、下部電極上で基板より処理空間へ放射される電流に比してフォーカスリングより処理空間へ放射される電流を相対的に抑制または低減することが可能であり、上記のようなエッチング特性を補正してエッチングレートの面内均一性を改善することができる。また、直流電源より出力される直流電圧を適当な電圧値（絶対値）および極性に選んで直流電圧給電網を介して上部電極に印加することで、いわゆる上部ＤＣ印加方式による基本効果やプロセス特性効果を得ることもできる。

好ましくは、処理容器内でプラズマに曝される位置に直流接地電極を設けてこれを直流的に接地することで、直流接地電極と上部電極またはフォーカスリングとの間でプラズマを介して直流の電流を流すようにしてよい。これによって、上部電極やフォーカスリングで異常放電が発生するのを防止することができる。

本発明の第２の観点におけるプラズマエッチング装置は、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と平行に向かい合う上部電極と、前記下部電極と前記上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に印加する第１高周波給電部と、前記下部電極の上面の前記基板の半径方向外側にはみ出る周辺部分を覆うフォーカスリングと、前記上部電極に印加するための可変の第１直流電圧を出力する第１直流電源と、前記フォーカスリングに印加するための可変の第２直流電圧を出力する第２直流電源と、前記第１直流電源および前記第２直流電源を前記上部電極および前記フォーカスリングにそれぞれ接続し、もしくは前記第１直流電源または前記第２直流電源の片方のみを前記上部電極または前記フォーカスリングの片方に接続するための直流電圧給電網とを有し、所与のプラズマエッチングにおいて基板中心部のエッチングレートが基板エッジ部のエッチングレートより相対的に低くなるエッチング特性を補正してエッチングレートの面内均一性を改善するために、絶対値が前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも大きい負極性の前記第２直流電圧を前記第２の直流電源より前記直流電圧給電網を介して前記フォーカスリングに印加する。

上記の装置構成においては、上記第１の観点における装置で得られる作用効果に加えて、第１直流電源および第２直流電源を備えることにより、上部電極およびフォーカスリングにそれぞれ独立した直流電圧を印加できるので、上部ＤＣ印加方式およびフォーカスリングＤＣ印加方式の重畳的作用効果を最適化することができる。

本発明の第３の観点におけるプラズマエッチング装置は、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と平行に向かい合う上部電極と、前記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に印加する第１高周波給電部と、前記下部電極の上面の前記基板の半径方向外側にはみ出る周辺部分を覆うフォーカスリングと、可変の直流電圧を出力する直流電源と、前記プラズマを介して前記上部電極との間または前記フォーカスリングとの間で直流の電流を流すために、前記処理容器内で前記プラズマに曝される位置に設けられる直流接地電極と、前記直流電源を前記フォーカスリングおよび前記上部電極の中のいずれか片方または双方あるいは前記直流接地電極に接続し、前記フォーカスリングおよび前記上部電極の中のいずれか片方または双方あるいは前記直流接地電極を接地するための直流電圧給電網とを有し、前記基板上の被加工膜に対する所与のプラズマエッチングにおいて基板中心部のエッチングレートが基板エッジ部のエッチングレートより相対的に低くなるエッチング特性を補正してエッチングレートの面内均一性を改善するために、絶対値が前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも大きい負極性の前記直流電圧を前記直流電源より前記直流電圧給電網を介して前記フォーカスリングに印加するとともに、前記直流接地電極を前記直流電圧給電網を介して接地し、前記直流接地電極の表面をスパッタクリーニングするために、前記直流接地電極に前記直流電圧給電網を介して前記直流電源より負極性の前記直流電圧を印加するとともに、前記フォーカスリングおよび前記上部電極の少なくとも一方を前記直流電圧給電網を介して接地する。

上記の装置構成においては、上記第１の観点における装置で得られる作用効果に加えて、直流接地電極の表面に付着した堆積物等を除去するためのスパッタクリーニングも可能であり、しかもスパッタクリーニングに際しては上部電極に限らずフォーカスリングも接地部材に用いることができる。

本発明の好適な一態様によれば、主として下部電極上の基板にプラズマ中のイオンを引き込むための第２高周波を下部電極に印加する第２高周波給電部も設けられる。この第２高周波給電部は、プロセス条件に応じて、選択的に使用されてよい。

本発明のプラズマエッチング方法は、本発明のプラズマエッチング装置を用いて被処理基板上の少なくとも有機膜をエッチングするプラズマエッチング方法であって、前記有機膜をエッチングする工程では、前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも絶対値の大きい負極性の直流電圧を前記フォーカスリングに印加する。

このように、有機膜エッチングにおいて、下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも絶対値の大きい負極性の直流電圧をフォーカスリングに印加することで、基板上で相対的に基板エッジ部のエッチングレートを低くして基板中心部のエッチングレートを高くすることができる。直流電圧の絶対値を適度に選定することで、エッチングレートの面内均一性も容易に図れる。

本発明のプラズマエッチングは、概して、ラジカルベースの有機膜エッチングに好適に適用可能であり、特に不活性ガスを含まないＯ₂ガス，Ｎ₂ガス等の処理ガスを用いる場合に好適に適用できる。

本発明の好適な一態様において、エッチング対象の有機膜はカーボン膜であり、処理ガスはＯ₂ガスである。

また、基板上に有機膜以外の被加工膜が形成されている場合において、該被加工膜をエッチングする工程ではフォーカスリングに直流電圧を印加しない手法が好適に採られる。

なお、フォーカスリングに対してだけでなく、上部電極に対しても、プロセス条件に応じて選択的に所望の直流電圧を印加してよい。

また、本発明におけるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、前記制御プログラムは、実行時に、本発明のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマエッチング装置を制御する。

本発明のプラズマエッチング装置によれば、上記のような構成および作用により、基板上で相対的に中心部のエッチングレートがエッジ部のエッチングレートよりも不所望に低くなるのを簡便かつ効果的に補正または是正することができる。さらには、同一のハードウェアの下で、非有機膜エッチングの特性や面内均一性を犠牲にすることなく、有機膜エッチングの特性や面内均一性を容易に改善することができる。

また、本発明のプラズマエッチング方法およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体によれば、有機膜のエッチングにおいて、被処理基板上のエッチングレートの面内均一性を容易かつ効率的に改善することができる。

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。このプラズマエッチング装置は、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の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を載置する円板状のサセプタ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所定の周波数たとえば４０ＭＨｚ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所定の周波数たとえば２ＭＨｚ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は半導体ウエハＷよりも一回り大きな直径または口径を有している。サセプタ１２の上面には、処理対象の半導体ウエハＷが載置され、その半導体ウエハＷを囲むようにフォーカスリング（補正リング）３８が設けられる。このフォーカスリング３８は、プロセスへの影響が少ない導電性の材質たとえば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上部電極を兼ねるシャワーヘッド６０が設けられている。このシャワーヘッド６０は、サセプタ１２と向かい合う電極板６２と、この電極板６２をその背後（上）から着脱可能に支持する電極支持体６４を有し、電極支持体６４の内部にガス拡散室６６を設け、このガス拡散室６６からサセプタ１２側に貫ける多数のガス吐出孔６８を電極支持体６４および電極板６２に形成している。電極板６２とサセプタ１２との間の空間がプラズマ生成空間または処理空間ＰＳとなる。ガス拡散室６６の上部に設けられるガス導入口６６ａには、処理ガス供給部７０からのガス供給管７２が接続されている。なお、電極板６２はたとえばＳiやＳiＣからなり、電極支持体６４はたとえばアルマイト処理されたアルミニウムからなる。シャワーヘッド（上部電極）６０とチャンバ１０との間にはリング状の絶縁体６５が挿入され、シャワーヘッド（上部電極）６０は電気的にフローティング状態でチャンバ１０に取り付けられている。

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を出力できる可変直流電源７４が配備されている。この可変直流電源７４の出力端子は、切替スイッチ７６および直流給電ライン７８を介して上部電極６０に接続可能であるとともに、切替スイッチ７６および直流給電ライン８０を介してフォーカスリング３８とも接続可能となっている。切替スイッチ７６は、可変直流電源７４側の固定接点ａ、上部電極６０側の可動接点ｂおよびフォーカスリング３８側の可動接点ｃを有しており、可動接点ｂ，ｃを各々独立に開閉できるようになっている。これにより、可変直流電源７４より出力される直流電圧を上部電極６０またはフォーカスリング３８のいずれか片方だけに選択的に印加できるだけでなく、双方（６０，３８）に同時に印加することも可能になっている。切替スイッチ７６および直流給電ライン７８，８０は、この実施形態における直流電圧給電網を構成している。

直流給電ライン７８，８０の途中にフィルタ回路８２，８４がそれぞれ設けられている。フィルタ回路８２は、可変直流電源７４からの直流電圧をスルーで上部電極６０に印加する一方で、サセプタ１２から処理空間ＰＳおよび上部電極６０を通って直流給電ライン７８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７４側へは流さないように構成されている。フィルタ回路８４は、可変直流電源７４からの直流電圧をスルーでフォーカスリング３８に印加する一方で、サセプタ１２からフォーカスリング３８を通って直流給電ライン８０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７４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バッフル板２０の上面あるいは支持部材１６の頂部付近あるいは上部電極６０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）８６が取り付けられている。このＤＣグランドパーツ８６は、接地ライン８８を介して常時接地されている。

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、オン／オフ・スイッチ４４、処理ガス供給部７０、可変直流電源７４、切替スイッチ７６、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、マイクロコンピュータを含みソフトウェア（プログラム）にしたがって動作する制御部１１０（図１０）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７０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）および第２高周波（２ＭＨｚ）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、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、可変直流電源７４を備え、この可変直流電源７４より出力される直流電圧を直流電圧給電網（切替スイッチ７６、直流給電ライン７８，８０）を介して上部電極６０およびフォーカスリング３８の中のいずれか片方に印加することも、あるいは双方（６０，３８）に印加することもできる構成にある。

ここで、図２につき、可変直流電源７４をフォーカスリング３８に接続した場合の作用を説明する。なお、第２高周波によるイオンの引き込み作用は、本発明の特徴とは特に関係しないため、第２高周波電源３２は図示していない。

図２において、第１高周波電源３０より出力される第１高周波ＲＦは、マッチングユニット３４（特にユニット３４内のブロッキング・コンデンサ３４ａ）を抜けると、給電棒３６の外周面表層を伝ってサセプタ１２の下面中心部に入り、そこからサセプタ下面表層を伝って放射状に半径方向外側へ伝播し、サセプタ外周面を回ってサセプタ上面に行き着く。そして、サセプタ１２の上面で、第１高周波ＲＦは、周辺部から中心部に向かって半径方向内側へ逆放射状に伝播しながら、フォーカスリング３８を抜けて、あるいは半導体ウエハＷを抜けて処理空間ＰＳへ放出され、処理ガスの分子と衝突してガス分子を電離または解離させる。こうして処理空間ＰＳで処理ガスのプラズマが生成されると、プラズマが周囲に拡散し、プラズマと接する物体との境界にはイオンシースＳＨが形成される。また、サセプタ１２ないしフォーカスリング３８、ウエハＷには、第１高周波ＲＦの振幅に応じた大きさで負極性の自己バイアス電圧Ｖ_dcが生成される。

図２に示すように、イオンシースＳＨの等価回路は、ダイオードＤとコンデンサＣとの並列回路として表すことができる。ここで、ダイオードＤは、第１高周波ＲＦの各サイクル内で電極（サセプタ１２、フォーカスリング３８）側の電位がプラズマ電位に近づいた瞬間にプラズマから電極側に電子電流が流れる状態を表す。また、コンデンサＣは、第１高周波ＲＦの各サイクル内でＲＦ電圧の時間変化に基づいて電極表面の電荷密度ないしイオンシースＳＨ内の電束が時間的に変化する状態、つまり変位電流が流れる状態を表す。なお、プラズマから正イオンが電極側に流れ込む状態を抵抗で表すこともあるが、ここでは省略する。

この実施形態においては、プロセス条件に応じて、特に有機膜エッチングを行う場合は、可変直流電源７４より出力される直流電圧Ｖ_Fの極性を負にして、その絶対値を自己バイアス電圧Ｖ_dcの絶対値よりも適度に大きな値に設定し、この直流電圧Ｖ_Fを切替スイッチ７６および直流給電ライン８０を介してフォーカスリング３８に印加する。

ここで、図３および図４を参照して、自己バイアス電圧Ｖ_dcよりも絶対値が大きい負極性の直流電圧Ｖ_Fをフォーカスリング３８に印加した場合の電子電流に関する作用を説明する。

図３は、サセプタ１２に印加される第１高周波ＲＦの電圧（ＲＦ電圧）とサセプタ１２のウエハ載置部およびその直上のダイオードＤを流れる電子電流との関係を示す。ウエハ載置部では自己バイアス電圧Ｖ_dcにＲＦ電圧が重畳され、各ＲＦサイクル内でＲＦ電圧が正極性のピーク値付近に上昇している時は、重畳電圧つまりウエハ載置部の電位がプラズマの電位との差ｓｖが殆ど無くなるほどまでに上昇し、プラズマから多量の電子電流がウエハ載置部に流れ込む。電子電流が遮断している間は、プラズマからイオン電流がウエハ載置部に流れ込み、各ＲＦサイクル内で電子電流とイオン電流とがキャンセルする（中和する。）

図４は、サセプタ１２に印加される第１高周波ＲＦの電圧（ＲＦ電圧）とフォーカスリング３８およびその直上のダイオードＤを流れる電子電流との関係を示す。フォーカスリング３８では、直流電源７４からの直流電圧Ｖ_FにＲＦ電圧が重畳される。ここで、絶対値として、Ｖ_F＝Ｖ_dc＋δＶの関係がある。各ＲＦサイクル内でＲＦ電圧が正極性のピーク値付近に上昇している時の重畳電圧つまりフォーカスリング３８の電位はδＶだけウエハ載置部の電位よりも低いので、プラズマとの電位差ｓｖが拡大し、プラズマからフォーカスリング３８に流れ込む電子電流は少なくなる。ここでは、各ＲＦサイクル内で電子電流とイオン電流とはキャンセル（中和）せず、つまり電子電流よりもイオン電流の方が多くなり、その余分のイオン電流ｉは直流給電ライン８０および切替スイッチ７６を介して直流電源７４側へ流れる。

このように、自己バイアス電圧Ｖ_dcよりも絶対値がδＶだけ大きい負極性の直流電圧Ｖ_Fをフォーカスリング３８に印加することで、サセプタ１２のウエハ載置部ないし半導体ウエハＷより処理空間ＰＳに放射される電子電流に比してフォーカスリング３８より処理空間ＰＳに放射される電子電流を抑制することができ、絶対値の超過電圧δＶを大きくするほどフォーカスリング３８上の電子電流に対する抑制効果を強めることができる。

一方で、自己バイアス電圧Ｖ_dcよりも絶対値が大きい負極性の直流電圧Ｖ_Fをフォーカスリング３８に印加することによって、フォーカスリング３８の直上に形成されるイオンシースＳＨの厚さつまりコンデンサＣの電極間距離ｄ₃₈がサセプタ１２のウエハ載置部ないし半導体ウエハＷの上方に形成されるイオンシースＳＨの厚さつまりコンデンサＣの電極間距離ｄ_Wよりも大きくなる。これによって、変位電流においても、ウエハ載置部ないし半導体ウエハＷとプラズマとの間で流れる変位電流に比してフォーカスリング３８とプラズマとの間で流れる変位電流が少なくなり、その差は超過電圧δＶを大きくするほど拡大する。

上記のように、可変直流電源７４より切替スイッチ７６および直流給電ライン８０を通じてフォーカスリング３８に自己バイアス電圧Ｖ_dcよりも絶対値が大きな負極性の直流電圧Ｖ_Fを印加し、かつその超過電圧δＶを制御することで、サセプタ１２上でウエハ載置部ないし半導体ウエハＷより処理空間ＰＳへ放射される電流（電子電流・変位電流）に比してフォーカスリング３８より処理空間ＰＳへ放射される電流（電子電流・変位電流）を任意または所望の度合いで抑制または低減することができる。

図５に、本発明の作用効果を検証するために、実施形態のプラズマエッチング装置（図１）を用いて有機膜をエッチングした場合の実験結果つまりエッチングレート（Ｅ／Ｒ）の面内分布特性の一例を示す。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
有機膜： カーボンマスク
処理ガス： Ｏ₂
チャンバ内の圧力： ２０mTorr
高周波電力： ４０ＭＨｚ／２ＭＨｚ＝５００／０Ｗ
温度： 上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝１５０／１５０／３０℃
自己バイアス電圧： Ｖ_dc＝−６５０Ｖ
直流電圧： Ｖ_F＝無印加，−７００Ｖ，−７５０Ｖ，−８００Ｖ（４通り）

図５に示すように、フォーカスリング３８に直流電圧Ｖ_Fを印加しない場合は、ウエハ上で中心部のエッチングレートが周辺部のエッチングレートよりも大きく落ち込む。しかし、フォーカスリング３８に自己バイアス電圧Ｖ_dc（−６５０Ｖ）よりも絶対値が大きな負極性の直流電圧Ｖ_Fを印加すると、エッチングレートの面内分布特性が顕著に補正されることがわかる。すなわち、Ｖ_Fを−７００Ｖに選ぶとウエハ中心部のエッチングレートの落ち込みが半減し、Ｖ_F＝−７５０Ｖではウエハ中心部とウエハ周辺部との間でエッチングレートの差が僅少になって面内均一性が著しく改善され、Ｖ_F＝−８００Ｖでは却ってウエハ中心部の方がウエハ周辺部よりも高くなって面内均一性が逆方向に失われる。

このように、直流電圧Ｖ_Fの絶対値を可変することで、有機膜エッチングにおるエッチングレートの面内分布特性またはプロファイルを自由自在に制御することが可能であり、面内均一性も容易に実現できる。

なお、上記の有機膜エッチング（図５）では、上部電極６０に直流電源７４からの直流電圧を印加してはいない。もっとも、プロセス条件に応じて、直流電源７４からの直流電圧を上部電極６０に単独で、またはフォーカスリング３８と同時に印加することも可能である。

たとえば、フロロカーボン系の処理ガスを用いてＳiＯ₂膜をエッチングする際には、直流電源７４より切替スイッチ７６および直流給電ライン７８を介して−９００Ｖ程度の直流電圧を上部電極６０に印加してよく、フォーカスリング３８には該直流電圧を印加しないほうがよい。この場合は、図６に示すように、上部電極６０側でバイアス効果によりイオンシースが極度に厚くなって電極間方向でプラズマが縮小する。このようなプラズマの縮小化により、半導体ウエハＷ上の実効レジデンスタイムが増加し、かつプラズマがウエハＷ上に集中して拡散が抑えられ、解離空間が減少する。これにより、フロロカーボン系の処理ガスの解離が抑えられ、ウエハＷ上のレジスト膜がエッチングされ難くなるという効果が得られる。

このように、切替スイッチ７６を制御して直流電源７４を上部電極６０側に接続することで、上部ＤＣ印加方式の基本効果ないしプロセス特性効果を十全に発揮させることができる。

また、装置コストは高くつくが、図７に示すように、２つの可変直流電源７４Ａ，７４Ｂを備え、一方の直流電源７４Ａをオン／オフ・スイッチ７６Ａおよび直流給電ライン７８を介して上部電極６０のみに接続可能とし、他方の直流電源７４Ｂをオン／オフ・スイッチ７６Ｂおよび直流給電ライン８０を介してフォーカスリング３８のみに接続可能とする構成も可能である。このように上部電極６０およびフォーカスリング３８にそれぞれ専用の直流電圧給電機構（７４Ａ，７６Ａ，７８）、（７４Ｂ，７６Ｂ，８０）を充てることによって、上部ＤＣ印加方式の作用効果または本発明のフォーカスリングＤＣ印加方式の作用効果のいずれか一方を選択して単独で発揮させることも可能であれば、あるいは両ＤＣ印加方式の作用効果を同時に選択して重畳的または有機的に発揮させることも可能である。

図８に、この実施形態のプラズマエッチング装置（図１）を用いて半導体ウエハＷ上の有機膜をエッチングする場合の典型的な工程を示す。図示の例は、２層レジスト法の一種で、本来の被加工膜（たとえばＳiＯ₂膜）９０の上に下層レジストとして有機膜たとえばカーボンマスク９２をたとえばＣＶＤ（化学的真空蒸着法）で形成し、カーボンマスク９２の上にレジスト９４をたとえば回転塗布法で形成し、露光・現像によりレジスト９４にパターンを形成している（ａ）。図示の最下層の膜８８は下地膜である。この場合のエッチングは、最初にレジスト９４をマスクとしてカーボンマスク９２をエッチングし（ｂ）、次にレジスト９４とカーボンマスク９２をマスクとして被加工膜９０をエッチングする（ｃ）。

その際、最初の有機膜エッチング工程（ｂ）では、図２〜図５につき上述したようなフォーカスリングＤＣ印加方式を用いてよく、それによって半導体ウエハＷ上のカーボンマスク９２を所望のエッチングレートでかつ面内均一にエッチングすることができる。また、次のＳiＯ₂エッチング工程（ｃ）では、フォーカスリングＤＣ印加方式を使わずに、上部ＤＣ印加方式を必要に応じて用いて、半導体ウエハＷ上のＳiＯ₂膜９０を所望のエッチング特性であるいは面内均一にエッチングすることができる。

図９に、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。図中、上述した第１実施形態のものと同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。

この実施形態は、ＤＣグランドパーツ（直流接地電極）８６に係る特徴を有している。上記のように、フォーカスリング３８および／または上部電極６０に直流電圧を印加すると、それらの部材に電子がたまり、チャンバの内壁等との間に異常放電を生じるおそれがある。プラズマに曝される適当な箇所にＤＣグランドパーツ８６を設けることで、フォーカスリング３８や上部電極６０にたまった電子は、プラズマの中を通ってＤＣグランドパーツ８６へ到達し、そこからチャンバの内壁を通って接地ラインへ抜け、異常放電を防止できるようになっている。

しかしながら、エッチングプロセス中に発生するポリマー等の堆積物がＤＣグランドパーツ８６の表面に付着してＤＣ接地機能が低下し、ひいてはフォーカスリングＤＣ印加方式やＤＣ印加方式の効果が低減する。

この実施形態では、そのようなＤＣグランドパーツ８６における堆積物の付着を防止または低減するために、本来のエッチングプロセスの合間にたとえばクリーニングガスにＡｒ等の不活性ガスを用いてＤＣグランドパーツ８６をプラズマでスパッタクリーニングできるようにしている。

より詳細には、切替スイッチ７６が、可変直流電源７４の出力端子に接続された３個の固定接点ａ₁，ａ₂，ａ₃と、グランド端子に接続された３個の固定接点ｅ₁，ｅ₂，ｅ₃と、３個の可動接点ｂ，ｃ，ｄとを有している。ここで、可動接点ｂは、直流給電／接地ライン７８を介して上部電極６０に接続されており、切り替えで固定接点ａ₁または固定接点ｅ₁の片方と接続可能であり、ａ₁，ｅ₁のどちらにも接続しない中間位置（フローティング状態）も選択できるようになっている。可動接点ｃは、直流給電／接地ライン８０を介してフォーカスリング３８に接続されており、切り替えで固定接点ａ₂または固定接点ｅ₂の片側と接続可能であり、ａ₂，ｅ₂のどちらにも接続しない中間位置態（フローティング状態）も選択できるようになっている。可動接点ｄは、直流給電／接地ライン９６を介してＤＣグランドパーツ８６に接続されており、切り替えで固定接点ａ₃または固定接点ｅ₃のどちらかと接続するようになっている。

エッチングプロセスを行うときは、可動接点ｄをグランド端子側の固定接点ｅ₃に切り替えて、ＤＣグランドパーツ８６を直流給電／接地ライン９６を介して接地する。一方、フォーカスリング３８側の可動接点ｃは、プロセス条件に応じて電源出力端子側の固定接点ａ₂または中間位置（フローティング状態）のいずれかに切り換える。上部電極６０側の可動接点ｂは、プロセス条件に応じて電源出力端子側の固定接点ａ₁、グランド端子側の固定接点ｅ₁または中間位置（フローティング状態）のいずれかに切り換える。

ＤＣグランドパーツ８６のスパッタクリーニングを行う場合は、可動接点ｄを電源出力端子側の固定接点ａ₃に切り替えて、ＤＣグランドパーツ８６に直流給電／接地ライン９６を介して可変直流電源７４の出力電圧（通常は負極性の直流電圧）を印加する。一方、可動接点ｂ，ｃの少なくとも一方をグランド端子側の固定接点ｅ₁，ｅ₂に切り替えて、フォーカスリング３８または上部電極６０の少なくとも一方を直流給電／接地ライン８０，７８を介して接地する。このようにＤＣグランドパーツ８６に負の直流電圧を印加することで、ＤＣグランドパーツ８６付近のシースを大きくし、シースの平均電界によって加速されるイオンをＤＣグランドパーツ８６へ入射し、イオンスパッタによりパーツ表面の堆積物または付着物を除去することができる。

この実施形態では、直流給電／接地ライン７８，８０に電流検出器９８，１００を設けている。ラングミュアプローブ法を用いて、上部電極６０および／またはフォーカスリング３８に直流電源７４より適当な直流電圧を印加し、その時に直流給電／接地ライン７８，８０を流れる直流電流を電流検出器９８，１００で計測し、電流測定値を基にプラズマ密度や電子温度、プラズマ電位等を求めることができる。

図１０に、上記実施形態におけるプラズマエッチング方法を行うために上記プラズマエッチング装置（図１または図９）の各部の制御および全体のシーケンスを制御する制御部１１０の構成例を示す。

この構成例の制御部１１０は、バス１５０を介して接続されたプロセッサ（ＣＰＵ）１５２、メモリ（ＲＡＭ）１５４、プログラム格納装置（ＨＤＤ）１５６、フロッピドライブあるいは光ディスクなどのディスクドライブ（ＤＲＶ）１５８、キーボードやマウスなどの入力デバイス（ＫＥＹ）１６０、表示装置（ＤＩＳ）１６２、ネットワーク・インタフェース（ＣＯＭ）１６４、および周辺インタフェース（Ｉ／Ｆ）１６６を有する。

プロセッサ（ＣＰＵ）１５２は、ディスクドライブ（ＤＲＶ）１５８に装填されたＦＤあるいは光ディスクなどの記憶媒体１６８から所要のプログラムのコードを読み取って、ＨＤＤ１５６に格納する。あるいは、所要のプログラムをネットワークからネットワーク・インタフェース１６４を介してダウンロードすることも可能である。そして、プロセッサ（ＣＰＵ）１５２は、各段階または各場面で必要なプログラムのコードをＨＤＤ１５６からワーキングメモリ（ＲＡＭ）１５４上に展開して各ステップを実行し、所要の演算処理を行って周辺インタフェース１６６を介して装置内の各部（特に、排気装置２６、高周波電源３０，３２、処理ガス供給部７０、可変直流電源７４、切替スイッチ７６等）を制御する。上記実施形態で説明したプラズマエッチング方法を実施するためのプログラムは全てこのコンピュータシステムで実行される。

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、サセプタ１２およびフォーカスリング３８の構成については装置内の他の機構と最適に組み合わさるように種々の選択・変形を行うことができる。

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、たとえばサセプタ（下部電極）に単一の高周波を印加する下部一周波印加方式や、３つの高周波を同時に印加する下部３周波印加方式にも好適に適用可能である。また、上部電極６０に第１高周波電源３０を接続させて、主としてプラズマ生成に寄与する所定の周波数の第１高周波を上部電極６０に印加してもよい。

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。 実施形態においてフォーカスリングに所定の直流電圧を印加した場合の作用を説明するための図である。 実施形態においてフォーカスリングに所定の直流電圧を印加した場合のサセプタのウエハ載置部を流れる電子電流に関する作用を説明するための図である。 実施形態においてフォーカスリングに所定の直流電圧を印加した場合のフォーカスリングを流れる電子電流に関する作用を説明するための図である。 実施形態において有機膜をエッチングした場合のエッチングレートの面内分布特性の一例を示す図である。 実施形態において上部電極に所定の直流電圧を印加した場合の作用を説明するための図である。 実施形態において上部電極およびフォーカスリングにそれぞれ専用の直流電圧給電機構を充てる構成例を示す図である。 実施形態において半導体ウエハＷ上の有機膜をエッチングする場合の典型的な工程を示す図ある。 別の実施形態によ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。 実施形態における制御部の構成例を示すブロック図である。

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
３８ フォーカスリング
６０ 上部電極（シャワーヘッド）
７０ 処理ガス供給部
７４，７４Ａ，７４Ｂ 可変直流電源
７６，７６Ａ，７６Ｂ 切替スイッチ
７８，８０ 直流給電ライン（直流給電／接地ライン）
８２，８４ フィルタ
８６ ＤＣグランドパーツ（直流接地電極）
８８ 接地ライン
９６ 直流給電／接地ライン
１１０ 制御部

Claims (12)

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と平行に向かい合う上部電極と、
   前記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に印加する第１高周波給電部と、
   前記下部電極の上面の前記基板の半径方向外側にはみ出る周辺部分を覆うフォーカスリングと、
   可変の直流電圧を出力する直流電源と、
   前記直流電源を前記フォーカスリングおよび前記上部電極の中のいずれか片方または双方に接続するための直流電圧給電網と
   を有し、
   所与のプラズマエッチングにおいて基板中心部のエッチングレートが基板エッジ部のエッチングレートより相対的に低くなるエッチング特性を補正してエッチングレートの面内均一性を改善するために、絶対値が前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも大きい負極性の前記直流電圧を前記直流電源より前記直流電圧給電網を介して前記フォーカスリングに印加する、
   プラズマエッチング装置。
2. 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と平行に向かい合う上部電極と、
   前記下部電極と前記上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に印加する第１高周波給電部と、
   前記下部電極の上面の前記基板の半径方向外側にはみ出る周辺部分を覆うフォーカスリングと、
   前記上部電極に印加するための可変の第１直流電圧を出力する第１直流電源と、
   前記フォーカスリングに印加するための可変の第２直流電圧を出力する第２直流電源と、
   前記第１直流電源および前記第２直流電源を前記上部電極および前記フォーカスリングにそれぞれ接続し、もしくは前記第１直流電源または前記第２直流電源の片方のみを前記上部電極または前記フォーカスリングの片方に接続するための直流電圧給電網と
   を有し、
   所与のプラズマエッチングにおいて基板中心部のエッチングレートが基板エッジ部のエッチングレートより相対的に低くなるエッチング特性を補正してエッチングレートの面内均一性を改善するために、絶対値が前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも大きい負極性の前記第２直流電圧を前記第２の直流電源より前記直流電圧給電網を介して前記フォーカスリングに印加する、
   プラズマエッチング装置。
3. 前記プラズマを介して前記上部電極との間または前記フォーカスリングとの間で直流の電流を流すために、前記処理容器内で前記プラズマに曝される位置に設けられ、直流的に接地される直流接地電極を有する請求項１または請求項２に記載のプラズマエッチング装置。
4. 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と平行に向かい合う上部電極と、
   前記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に印加する第１高周波給電部と、
   前記下部電極の上面の前記基板の半径方向外側にはみ出る周辺部分を覆うフォーカスリングと、
   可変の直流電圧を出力する直流電源と、
   前記プラズマを介して前記上部電極との間または前記フォーカスリングとの間で直流の電流を流すために、前記処理容器内で前記プラズマに曝される位置に設けられる直流接地電極と、
   前記直流電源を前記フォーカスリングおよび前記上部電極の中のいずれか片方または双方あるいは前記直流接地電極に接続し、前記フォーカスリングおよび前記上部電極の中のいずれか片方または双方あるいは前記直流接地電極を接地するための直流電圧給電網と
   を有し、
   前記基板上の被加工膜に対する所与のプラズマエッチングにおいて基板中心部のエッチングレートが基板エッジ部のエッチングレートより相対的に低くなるエッチング特性を補正してエッチングレートの面内均一性を改善するために、絶対値が前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも大きい負極性の前記直流電圧を前記直流電源より前記直流電圧給電網を介して前記フォーカスリングに印加するとともに、前記直流接地電極を前記直流電圧給電網を介して接地し、
   前記直流接地電極の表面をスパッタクリーニングするために、前記直流接地電極に前記直流電圧給電網を介して前記直流電源より負極性の前記直流電圧を印加するとともに、前記フォーカスリングおよび前記上部電極の少なくとも一方を前記直流電圧給電網を介して接地する、
   プラズマエッチング装置。
5. 主として前記下部電極上の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エッチング装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマエッチング装置を用いて前記基板上の少なくとも有機膜をエッチングするプラズマエッチング方法であって、
   前記有機膜をエッチングする工程では、前記下部電極上に生成される自己バイアス電圧よりも絶対値の大きい負極性の直流電圧を前記フォーカスリングに印加するプラズマエッチング方法。
7. 前記処理ガスは不活性ガスを含まない、請求項６に記載のプラズマエッチング方法。
8. 前記有機膜はカーボン膜であり、前記処理ガスはＯ₂ガスである、請求項６または請求項７に記載のプラズマエッチング方法。
9. 前記基板上に有機膜以外の被加工膜が形成され、その被加工膜をエッチングする工程では前記フォーカスリングに直流電圧を印加しない、請求項６〜８のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
10. プロセス条件に応じて選択的に、前記上部電極に所望の直流電圧を印加する請求項６〜９のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
11. プロセス条件に応じて選択的に、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請求項６〜１０のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法。
12. コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
    前記制御プログラムは、実行時に、請求項６〜１１のいずれかに一項に記載のプラズマエッチング方法が行われるようにプラズマエッチング装置を制御することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。

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