プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
【課題】プラズマの状態によらず、プラズマの均一性を容易に確保することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供すること。
【解決手段】上部電極434および下部電極16との間に処理ガスのプラズマを生成してウエハＷにプラズマエッチングを施すプラズマエッチング装置であって、上部電極434には高周波電源48および可変直流電源50が接続され、上部電極434は、電極板536と、電極板536を支持する一体構造の電極支持部材438とを有し、電極板536は、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成され、上部電極434の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成する。
【解決手段】上部電極434および下部電極16との間に処理ガスのプラズマを生成してウエハＷにプラズマエッチングを施すプラズマエッチング装置であって、上部電極434には高周波電源48および可変直流電源50が接続され、上部電極434は、電極板536と、電極板536を支持する一体構造の電極支持部材438とを有し、電極板536は、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成され、上部電極434の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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等のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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処理装置が主流である。
【０００４】
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、電極の一方に高周波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形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。
【０００５】
具体的には、上部電極にプラズマ形成用の高周波を印加してプラズマを形成し、下部電極にイオン引き込み用の高周波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。
【０００６】
最近では、デザインルールの微細化につれてプラズマ処理に低圧化での高密度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、従来よりも格段に高い５０ＭＨｚ以上もの高周波数の高周波電力が印加されるようになってきている（例えば特許文献１）。
【０００７】
しかしながら、上部電極に印加する高周波の周波数が高くなると、高周波電源から給電棒を通って電極背面に印加される高周波が表皮効果により電極表面を伝わって電極下面（プラズマ接触面）の中心部に集中し、電極下面の中心部の電界強度が外周部の電界強度よりも高くなって、生成されるプラズマの密度も電極中心部の方が電極外周部より高くなり、エッチング処理がセンターファーストとなる。
【０００８】
この問題を解消するために、特許文献２では、上部電極の下面中央部を高抵抗部材で構成し、そこでより多くの高周波電力をジュール熱として消費させることで、上部電極の下面（プラズマ接触面）の電界強度を電極外周部よりも電極中心部で相対的に低下させる技術が提案されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献２の技術では、ジュール熱による高周波電力の消費（エネルギー損失）が多くなってしまう等の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１７３９９３号公報
【特許文献２】特開２０００−３２３４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、プラズマの状態によらず、プラズマの均一性を容易に確保することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、任意のプラズマ分布を実現することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されており、前記第１電極の前記電極板は、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成され、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１４】
本発明の第２の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧は前記複数の電極板に選択的に印加可能であることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１５】
上記本発明の第１の観点に係るプラズマ処理装置において、前記誘電体膜は、前記直流電源からの直流電流は遮断し、前記高周波電源からの高周波は通過させることが好ましい。また、前記複数の電極板の外側に設けられた、リング状の補助電極をさらに有し、前記補助電極は、スイッチを介して前記直流電源に接続されている構成をとることができる。
【００１６】
上記本発明の第１の観点または第２の観点に係るプラズマ装置において、前記直流電源からの印加電圧または印加電流または印加電力を制御する制御装置をさらに具備することができる。この制御装置は、前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内部のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止するように制御する構成とすることができる。
【００１７】
上記本発明の第１の観点または第２の観点に係るプラズマ装置において、前記第２電極にイオン引き込み用の高周波電力を印加するイオン引き込み用高周波電源をさらに具備してもよい。
【００１８】
本発明の第３の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記第１電極の前記電極板に、面内方向に所定の電気抵抗の分布を形成し、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００１９】
本発明の第４の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記直流電源からの直流電圧を前記複数の電極板に選択的に印加してプラズマ密度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２０】
本発明の第３の観点および第４の観点に係るプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止するようにすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、上部電極である第１電極として、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、電極板として、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成されたものを用い、高周波電源からの高周波電力および直流電源からの直流電圧が印加されることにより第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成するので、形成されるプラズマの特性に応じて第１電極の抵抗分布を調整することにより、プラズマの均一化を図ることも、プラズマの分布制御を行うこともできる。
【００２２】
また、上部電極である第１電極として、プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介してこれら複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧は前記複数の電極板に選択的に印加可能であるものを用いたので、プラズマの密度分布の制御性を著しく高めることができ、プラズマ密度分布の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図。
【図２】図１のプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図３】図１のプラズマエッチング装置において、上部電極へ直流電圧を印加する際に異常放電を抑制するための波形を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図。
【図５】図４のプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図。
【図７】図６のプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図８】本発明の第４の実施形態に係るプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図９】本発明の第５の実施形態に係るプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図１０】図６のプラズマエッチング装置を用いて可変直流電源の電圧を変化させた場合の電子密度分布を示す図。
【図１１】図６のプラズマエッチング装置を用いて可変直流電源の直流電圧を変化させた場合、および直流電圧を印加せずに可変コンデンサを変化させた場合の電子密度分布を示す図。
【図１２】図６のプラズマエッチング装置を用いてＡｒレスのガス組成で可変直流電源から直流電圧を印加してプラズマエッチングを行った場合の電子密度分布を示す図。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造を示す模式図。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造の変形例を示す模式図。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造を示す模式図。
【図１６】本発明の第８の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造を示す模式図。
【図１７】上部電極形状の変形例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明をプラズマエッチング装置に適用した実施形態について具体的に説明する。
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
サセプタ１６の上面には、被処理基板である半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられており、この静電チャック１８上に半導体ウエハＷが載置される。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。
【００２８】
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。
【００２９】
サセプタ支持台１４の内部には、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。
【００３０】
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。
【００３１】
下部電極であるサセプタ１６の空間を隔てた上方には、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。
【００３２】
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を有し、リング状に設けられた外側電極板３６ａと、この外側電極板３６ａの内側に設けられた円盤状をなす内側電極板３６ｂと、これら外側電極板３６ａおよび内側電極板３６ｂを着脱自在に支持し、導電性材料、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水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。外側電極板３６ａと内側電極板３６ｂとの間は隙間が形成されている。また、外側電極板３６ａと電極支持体３８との間には、アルミニウムの陽極酸化皮膜等からなる薄い誘電体膜３９が介在されている。外側電極板３６ａおよび内側電極板３６ｂは、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体、例えばシリコンやＳｉＣで構成される。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。
【００３３】
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。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Ｃ４Ｆ８ガスのようなフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）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。
【００３４】
上部電極３４には、整合器４６および給電棒４４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、１３．５６ＭＨｚ以上の周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を出力する。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。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。
【００３５】
一方、上記上部電極３４には、第１の高周波電源４８の他、可変直流電源５０が電気的に接続されている。可変直流電源５０はバイポーラ電源で構成するのが好ましい。具体的には、この可変直流電源５０は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５８を介して上部電極３４の電極支持体３８に接続されており、リレー回路５２により給電のオン・オフが可能となっている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５８により、第１の高周波電源４８からの高周波電力および後述する第２の高周波電源からの高周波電力がトラップされる。可変直流電源５０の極性および電流・電圧ならびにリレー回路５２のオン・オフはコントローラ５１により制御されるようになっている。
【００３６】
可変直流電源５０からの直流電流は電極支持体３８から内側電極板３６ｂには流れるが、前記誘電体膜３９の存在により外側電極板３６ａには流れないように構成されている。誘電体膜３９は薄く形成されており、第１の高周波電源４８からの高周波電流は外側電極板３６ａに流れる。なお、誘電体膜３９としては、可変直流電源５０からの直流電流は実質的に流れず、第１の高周波電源４８からの高周波電流が流れるように材質および厚さが調整される。
【００３７】
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が設けられており、この円筒状接地導体１０ａの天壁部分は筒状の絶縁部材４４ａにより上部給電棒４４から電気的に絶縁されている。
【００３８】
下部電極であるサセプタ１６には、整合器８８を介して第２の高周波電源９０が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側にイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、２〜２７ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば２ＭＨｚの高周波電力を出力する。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。
【００３９】
上部電極３４には、第１の高周波電源４８からの高周波電力（６０ＭＨｚ）は通さずに第２の高周波電源９０からの高周波電力（２ＭＨｚ）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（６０ＭＨｚ）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。
【００４０】
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Ｙ２Ｏ３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。
【００４１】
デポシールド１１のチャンバ内壁を構成する部分のウエハＷとほぼ同じ高さ部分には、グランドにＤＣ的に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）９１が設けられており、これにより後述するような異常放電防止効果を発揮する。
【００４２】
プラズマエッチング装置の各構成部は、制御部（プロセスコントローラ）９５に接続されて制御される構成となっている。また、制御部９５には、工程管理者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、プラズマ処理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９６が接続されている。
【００４３】
さらに、制御部９５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９５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レシピが格納された記憶部９７が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶部９７の所定位置にセットするようになっていてもよい。
【００４４】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース９６からの指示等にて任意のレシピを記憶部９７から呼び出して制御部９５に実行させることで、制御部９５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。
【００４５】
このように構成されるプラズマエッチング装置においてエッチング処理を行う際には、まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介してエッチング対象である半導体ウエハ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、処理ガス供給源６６からエッチングのための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、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気し、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Ｃ４Ｆ８ガスのようなフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）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Ｏ２ガス等の他のガスが含まれていてもよい。
【００４６】
このようにチャンバ１０内にエッチングガスを導入した状態で、第１の高周波電源４８からプラズマ生成用の高周波電力（６０ＭＨｚ）を所定のパワーで上部電極３４に印加してプラズマを着火・生成するとともに、第２の高周波電源９０よりイオン引き込み用の高周波電力（２ＭＨｚ）を所定のパワーで下部電極であるサセプタ１６に印加する。そして、可変直流電源５０から所定の直流電圧を上部電極３４に印加する。さらに、静電チャック１８のための直流電源２２から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をサセプタ１６に固定する。
【００４７】
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、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ラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの被処理面がエッチングされる。
【００４８】
本実施形態においては、図２に模式的に示すように、電極支持体３８に第１の高周波電源４８と可変直流電源５０とを接続し、電極支持体３８に支持される電極板を外側電極板３６ａと内側電極板３６ｂとに分離し、外側電極板３６ａと電極支持体３８との間に誘電体膜３９を形成している。この誘電体膜３９は可変直流電源５０からの直流は遮断するが第１の高周波電源４８からの高周波は通過するように構成されているから、高周波電流は外側電極板３６ａおよび内側電極板３６ｂの両方に流れるが、直流電流は外側電極板３６ａには流れず、内側電極板３６ｂのみに流れる。
【００４９】
この場合、直流電力が印加される内側電極板３６ｂでは、直流電圧により上部電極３４側に厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側電極板３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、自己整合的に、内側電極板３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側電極板３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００５０】
直流プラズマは、生成された段階では均一性が高いが、静電界でしかプラズマを形成することができないため、対向電極の間の空間にはプラズマが形成されるが対向電極の外側部分にはプラズマが形成されない。したがって、対向電極周辺部には外側への損失があるため、電極中央部のプラズマ密度が高くなる傾向にある。これに対して、高周波プラズマは、対向電極の外側の空間にも広がりやすく対向電極の外側にも高密度のプラズマを形成することができる。本実施形態では内側電極板３６ｂに対応する部分に主に直流プラズマを形成し、外側電極板３６ａに対応する部分は主に高周波プラズマを形成するので、半導体ウエハのエッチングに際し、ウエハの中央部分のプラズマ密度（電子密度）を均一性の高いプラズマを実現できる直流電力で制御し、外周部分のプラズマ密度（電子密度）を対向電極の外側に広がりやすいプラズマを実現できる高周波電力で制御する。よって、第１の高周波電源４８および可変直流電源５０のパワーを制御することにより、どのような場合でも極めて均一性の高いプラズマを得ることができる。具体的には、例えば、Ａｒガスを導入せずにプラズマを形成する場合、従来の高周波プラズマでは、中央部のプラズマ密度が低下する傾向にあり、プラズマ密度を十分に均一にすることができなかったが、本実施形態により、このような場合でもプラズマ密度の均一性を高くすることができる。また、第１の高周波電源４８および可変直流電源５０のパワーを制御することにより、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００５１】
本実施形態においては、第１の高周波電源４８から上部電極３４に印加する高周波電力として、高い周波数領域（イオンが追従できない１０ＭＨｚ以上）のものを供給しているので、エッチングガスをエッチングに好ましい状態である励起状態とし、かつ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形成することができる。
【００５２】
また、可変直流電源５０から供給される直流電力は、電子温度の高いプラズマを生成し、エッチングガスをエッチングにとって好ましい状態であるイオン化状態として高いプラズマ密度を実現することができる。
【００５３】
また、内側電極板３６ｂに対応する部分に直流が支配的なプラズマが形成されることにより以下のような効果を得ることもできる。
上部電極３４表面の自己バイアス電圧Ｖｄｃを深くすることができ、上部電極３４にポリマーが付着した場合でも、スパッタ作用を及ぼして上部電極３４の表面を清浄化することができる。それとともに、半導体ウエハＷ上に最適な量のポリマーを供給してフォトレジスト膜の表面荒れを解消することができる。また、上部電極３４自体をスパッタして電極材料自体を半導体ウエハＷ表面に供給するようにすることにより、フォトレジスト膜を強化することもできる。さらに、上述のように上部電極３４側に形成されるプラズマシースの厚さが大きくなり、その分だけプラズマが扁平化される。これにより、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して、結果としてフロロカーボン系の処理ガスの解離が抑えられ、フォトレジスト膜をエッチングされ難くすることができる。
【００５４】
ところで、上部電極３４に直流電圧を印加すると、上部電極３４に電子がたまり、チャンバ１０の内壁との間等に異常放電が生じるおそれがある。このような異常放電を抑制するため、本実施形態ではＤＣ的に接地されたパーツであるＧＮＤブロック９１をチャンバ壁側のデポシールド１１に設けている。このＧＮＤブロック９１はプラズマ面に露出しており、デポシールド１１の内部の導電部に電気的に接続されており、可変直流電源５０から上部電極３４に印加された直流電圧電流は、処理空間を経てＧＮＤブロック９１に到達し、デポシールド１１を介して接地される。ＧＮＤブロック９１は導電体であり、Ｓｉ，ＳｉＣ等のシリコン含有物質であることが望ましい。Ｃも好適に用いることができる。このＧＮＤブロック９１により、上記上部電極３４にたまる電子を逃がすことができ、異常放電を防止することができる。ＧＮＤブロック９１の突出長さは１０ｍｍ以上であることが好ましい。上記ＧＮＤブロック９１は、プラズマ形成領域に設けられていれば、その位置は図１の位置に限らない。
【００５５】
なお、上記ＧＮＤブロック９１は、プラズマ形成領域に設けられていれば、その位置は図１に限らず、例えばサセプタ１６の周囲設ける等、サセプタ１６側に設けてもよく、また上部電極３４の外側にリング状に設ける等、上部電極３４近傍に設けてもよい。
【００５６】
また、異常放電を防止するために、上部電極３４に直流電圧を印加する場合に、適宜の手段により直流電圧に重畳して図３に示すような極短い逆極性のパルスを周期的に与えて電子を中和する方法も有効である。
【００５７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。なお、図４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。
【００５８】
本実施形態では、実施形態１における上部電極３４の代わりに、以下の構造を有する上部電極３４′が設けられている。上部電極３４′は、サセプタ１６と所定の間隔をおいて対向配置されているリング状またはドーナツ状の外側上部電極３４ａと、この外側上部電極３４ａの半径方向内側に絶縁された状態で配置されている円板状の内側上部電極３４ｂとで構成される。外側上部電極３４ａと内側上部電極３４ｂとの間には、例えば０．２５〜２．０ｍｍの環状ギャップ（隙間）が形成され、このギャップに例えば石英からなる誘電体７２が設けられる。外側上部電極３４ａとチャンバ１０の側壁との間には、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるリング形状の絶縁性遮蔽部材４２が気密に取り付けられている。
【００５９】
外側上部電極３４ａは、電極板１３６ａと、この電極板１３６ａを着脱可能に支持する導電材料、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電極支持体３８ａと、電極支持体３８ａおよび電極板１３６ａとの間に介在されたアルミニウムの陽極酸化皮膜等からなる薄い誘電体膜３９ａとを有する。電極板１３６ａは、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体、例えばシリコンやＳｉＣで構成されるのが好ましい。外側上部電極３４ａには、実施形態１と同様の整合器４６、上部給電棒７４、コネクタ９８および給電筒１００を介して、実施形態１と同様の第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。整合器４６の出力端子は上部給電棒７４の上端に接続されている。
【００６０】
給電筒１００は、円筒状または円錐状あるいはそれらに近い形状の導電板たとえばアルミニウム板または銅板からなり、下端が周回方向で連続的に外側上部電極３４ａに接続され、上端がコネクタ９８によって上部給電棒７４の下端部に電気的に接続されている。給電筒１００の外側では、チャンバ１０の側壁が上部電極３４′の高さ位置よりも上方に延びて円筒状の接地導体１０ａを構成している。この円筒状接地導体１０ａの上端部は筒状の絶縁部材７４ａにより上部給電棒７４から電気的に絶縁されている。かかる構成においては、コネクタ９８からみた負荷回路において、給電筒１００および外側上部電極３４ａと円筒状接地導体１０ａとで、給電筒１００および外側上部電極３４ａを導波路とする同軸線路が形成される。
【００６１】
内側上部電極３４ｂは、多数のガスのガス吐出孔３７ｂを有する電極板１３６ｂと、この電極板１３６ｂを着脱可能に支持する導電材料、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電極支持体３８ｂとを有する。電極支持体３８ｂの内部には、例えばＯリングからなる環状隔壁部材４３で分割された中心ガス拡散室４０ａと周辺ガス拡散室４０ｂとが設けられている。中心ガス拡散室４０ａと周辺ガス拡散室４０ｂからはガス吐出孔３７ｂに連通する多数のガス通流孔４１ｂが下方に延びている。そして、中心ガス拡散室４０ａとその下面に設けられている多数のガス通流孔４１ｂおよびそれらに連通する多数のガス吐出孔３７ｂとで中心シャワーヘッドが構成され、周辺ガス拡散室４０ｂとその下面に設けられている多数のガス通流孔４１ｂおよびそれらに連通する多数のガス吐出孔３７ｂとで周辺シャワーヘッドが構成されている。
【００６２】
２つのガス拡散室４０ａ，４０ｂには、共通の処理ガス供給源６６から処理ガスが所望の流量比で供給されるようになっている。すなわち、処理ガス供給源６６からのガス供給管６４が途中で２つの分岐管６４ａ，６４ｂに分岐し、電極支持体３８ｂに形成されたガス導入口６２ａ，６２ｂに接続され、ガス導入口６２ａ，６２ｂからの処理ガスがガス導入室４０ａ、４０ｂに至る。それぞれの分岐管６４ａ，６４ｂに流量制御弁７１ａ，７１ｂが設けられており、処理ガス供給源６６からガス拡散室４０ａ、４０ｂまでの流路のコンダクタンスは等しいので、流量制御弁７１ａ，７１ｂにより中心ガス導入室４０ａと周辺ガス導入室４０ｂとに供給する処理ガスの流量比を任意に調整することができる。ガス供給管６４には実施形態１と同様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。このように、中心ガス拡散室４０ａと周辺ガス拡散室４０ｂとに導入する処理ガスの流量比を調整することで、中心シャワーヘッドから吐出されるガスの流量ＦＣと周辺シャワーヘッドから吐出されるガスの流量ＦＥとの比率（ＦＣ／ＦＥ）を任意に調整することができるようになっている。なお、中心シャワーヘッドおよび周辺シャワーヘッドよりそれぞれ吐出させる処理ガスの単位面積当たりの流量を異ならせることも可能である。さらに中心シャワーヘッドおよび周辺シャワーヘッドよりそれぞれ吐出させる処理ガスのガス種またはガス混合比を独立または別個に選定することも可能である。
【００６３】
内側上部電極３４ｂの電極支持体３８ｂには、整合器４６、上部給電棒７４、コネクタ９８および下部給電棒７６を介して実施形態１と同様の第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。
【００６４】
一方、上記上部電極３４′には、第１の実施形態と同様、可変直流電源５０が接続されている。具体的には、可変直流電源５０がローパスフィルタ（ＬＰＦ）５８を介して内側上部電極３４ｂに接続されている。可変直流電源５０の極性、電圧、電流ならびにリレー回路５２のオン・オフは実施形態１と同様、コントローラ５１により制御されるようになっている。
【００６５】
このように構成されるプラズマエッチング装置においてエッチング処理を行う際には第１の実施形態と同様に、まず、エッチング対象である半導体ウエハ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、エッチングのための処理ガスを処理ガス供給源６６から所定の流量および流量比で中心ガス拡散室４０ａおよび周辺ガス拡散室４０ｂに供給して、ガス吐出孔３７ｂを介してチャンバ１０内に吐出させるとともに、第１の実施形態と同様、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気して設定圧力に維持する。
【００６６】
このようにチャンバ１０内にエッチングガスを導入した状態で、第１の高周波電源４８からプラズマ生成用の高周波電力（６０ＭＨｚ）を所定のパワーで上部電極３４′に印加してプラズマを着火・生成するとともに、第２の高周波電源９０よりイオン引き込み用の高周波電力（２ＭＨｚ）を所定のパワーで下部電極であるサセプタ１６に印加する。そして、可変直流電源５０から所定の電圧を内側上部電極３４ｂに印加する。さらに、直流電源２２から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をサセプタ１６に固定する。
【００６７】
内側上部電極３４ｂのガス吐出孔３７ｂから吐出されたエッチングガスは、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ラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの被処理面がエッチングされる。
【００６８】
本実施形態においては、図５に模式的に示すように、上部電極３４′を外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに分離し、第１の高周波電源４８を上部給電棒７４および下部給電棒７６および給電筒１００の存在により外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに接続し、可変直流電源５０を内側上部電極３４ｂにのみ接続している。そして外側上部電極３４ａの外側電極板１３６ａと電極支持体３８ａとの間に誘電体膜３９ａを形成しており、この誘電体膜３９ａは可変直流電源５０からの直流は遮断するが第１の高周波電源４８からの高周波は通過するように構成されているから、高周波電流は外側電極板１３６ａおよび内側電極板１３６ｂの両方に流れるが、直流電流は外側電極板１３６ａには流れず、内側電極板１３６ｂのみに流れる。
【００６９】
この場合、直流電力が印加される内側電極板１３６ｂの表面近傍では、直流電圧により厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側電極板１３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、自己整合的に、内側電極板１３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側電極板１３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００７０】
したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を図ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００７１】
また、上部電極３４′において、半導体ウエハＷと直に対向する内側上部電極３４ｂをシャワーヘッド兼用型とし、中心シャワーヘッドと周辺シャワーヘッドとでガス吐出流量の比率を任意に調整することができるので、ガス分子またはラジカルの密度の空間分布を径方向で制御し、ラジカルベースによるエッチング特性の空間的な分布特性を任意に制御することもできる。
【００７２】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。なお、図６の装置は、基本構造が図４の装置と同じであり、図４と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
【００７３】
本実施形態においては、下部給電棒７６の途中に、キャパシタンスを可変調整することができる可変コンデンサ７８が設けられている点、および外側上部電極３４ａにおいて、外側電極板１３６ａと電極支持体３８ａとの間に誘電体膜が設けられていない点においてのみ第２の実施形態と異なっている。この可変コンデンサ７８は、後述するように、外側電界強度と内側電界強度とのバランスを調整する機能を有する。
【００７４】
本実施形態では、基本的に上記第１および第２の実施形態と同様にしてプラズマエッチングを行うが、図７に模式的に示すように、上部電極３４′を外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに分離し、第１の高周波電源４８を上部給電棒７４および下部給電棒７６および給電筒１００の存在により外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに接続し、可変直流電源５０を内側上部電極３４ｂにのみ接続しており、下部給電棒７６に可変コンデンサ７８を設けているので、高周波電源４８および可変直流電源５０から給電した場合に、高周波電流は外側電極板１３６ａおよび内側電極板１３６ｂの両方に流れるが、直流電流は可変コンデンサ７８により遮断されて外側電極板１３６ａには流れず、内側電極板１３６ｂのみに流れる。
【００７５】
この場合、直流電力が印加される内側電極板１３６ｂの表面近傍では、同様に、直流電圧により厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側電極板１３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、内側電極板１３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側電極板１３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００７６】
したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を図ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００７７】
本実施形態の場合、内側電極板１３６ｂの表面近傍に厚いＤＣシースが形成されるため、通常、高周波電力はほとんど外側電極板１３６ａに流れるが、可変直流電源５０からの直流電力が比較的小さい場合等において、可変コンデンサ７８のキャパシタンスを変化させることによって、高周波電力の外側電極板１３６ａと内側電極板１３７ｂとの分配比をある程度調整することができる。つまり、可変コンデンサ７８のキャパシタンスを変化させることにより、内側電極板１３６ｂへの給電ラインのインピーダンスまたはリアクタンスを増減させることができ、これにより、外側電極板１３６ａへの給電ラインにおける電圧降下と内側電極板１３６ｂへの給電ラインにおける電圧降下との相対比率を変えることができ、ひいては外側電極板１３６ａへの投入高周波電力と内側電極板１３６ｂへの投入高周波電力との比率を調整することができる。
【００７８】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
本実施形態に係るプラズマエッチング装置は、その基本構成が図１に示す第１の実施形態のプラズマエッチング装置と同じであり、図８に模式的に示すように、一体ものの電極板１３６が電極支持体１３８に支持された構造を有し、かつ電極板１３６の外側部分２３６ａを電気抵抗が高い材料で構成し、内側部分２３６ｂを電気抵抗が低い材料で構成している上部電極１３４を備えている点が異なっている。そして、第１の実施形態と同様、上部電極１３４の電極支持体１３８には、第１の高周波電源４８と可変直流電源５０が電気的に接続されている。
【００７９】
電極板１３６の外側部分２３６ａは、可変直流電源５０からの直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗であり、電極板１３６の内側部分２３６ｂは可変直流電源５０からの直流電流が十分に流れる低抵抗である。このような抵抗差を形成するには、ドーピング技術、異種材料の貼り合わせ等種々の方法が適用可能である。
【００８０】
本実施形態では、基本的に上記第１〜第３の実施形態と同様にしてプラズマエッチングを行うが、図８に模式的に示すように、電極支持体１３８に第１の高周波電源４８と可変直流電源５０とを接続し、電極支持体１３８に支持される電極板１３６として、外側部分２３６ａが直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗であり、内側部分２３６ｂが直流電流が十分流れる程度の低抵抗のものを用いるので、高周波電流は外側電極板２３６ａおよび内側電極板２３６ｂの両方に流れるが、直流電流は外側電極板２３６ａには流れず、内側電極板２３６ｂのみに流れる。
【００８１】
この場合、直流電力が印加される電極板１３６の内側部分２３６ｂの表面近傍では、同様に、直流電圧により厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側部分２３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、内側部分２３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側部分２３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００８２】
したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を図ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００８３】
次に本発明の第５の実施形態について説明する。
図９に模式的に示した本実施形態に係るプラズマエッチング装置は、その基本構成が図６、７に示す第３の実施形態のプラズマエッチング装置とほとんど同じであり、下部給電棒７６および可変コンデンサ７８が設けられていない点においてのみ第３の実施形態と異なっている。したがって、図９において図６、７と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
【００８４】
本実施形態では、上部電極３４´を外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに分離し、第１の高周波電源４８を上部給電棒７４および給電筒１００の存在により外側上部電極３４ａのみに接続し、可変直流電源５０を内側上部電極３４ｂにのみ接続している。第１高周波電源４８からの高周波電流は外側電極板１３６ａのみに流れ、可変直流電源５０からの直流電流は内側電極板１３６ｂのみに流れる。
【００８５】
この場合、直流電力が印加される内側電極板１３６ｂの表面近傍では、直流電力によるプラズマが形成され、一方、高周波電力が印加される外側電極板１３６ａの表面近傍では、高周波電力によるプラズマが形成される。したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を測ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。さらに、外側電極板の表面近傍で高周波電力のみによるプラズマが形成され、内側電極板の表面近傍で直流電力のみによるプラズマが形成されるので、上述の第１〜４の実施形態と比べて、より制御性よくプラズマ密度の均一化、所望のプラズマ密度分布の形成を行うことができる。
【００８６】
以上の第１〜第５の実施形態では、ほぼ同様のメカニズムでプラズマ密度の均一化を図ることができるが、このようなプラズマ密度制御を図６に示す第３の実施形態に係るプラズマエッチング装置で実際に行った結果について説明する。
【００８７】
ここでは、図６の装置において、半導体ウエハをチャンバ内に装入してサセプタ上に載置し、処理ガスとしてＣ４Ｆ８ガスを８ｍＬ／ｍｉｎ、Ａｒガスを１０００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１５０ｍＬ／ｍｉｎの流量でチャンバ内に導入し、チャンバ内の圧力を６．７Ｐａとし、上部電極に６０ＭＨｚで１０００Ｗの高周波電力を印加し、下部電極であるサセプタに２ＭＨｚで３０００Ｗの高周波電力を印加するというビアのエッチング条件とし、可変直流電源の電圧を変化させた。可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数は１３６と一定とした。その際の半導体ウエハ上方のプラズマの電子密度（プラズマ密度）の分布を測定した。その結果を図１０に示す。なお、図１０における直流電圧（ＤＣ）の値は絶対値で表されており、後述する図１１、図１２における直流電圧（ＤＣ）の値も絶対値で表されている。図１０に示すように、印加する直流電圧の値に応じて半導体ウエハの中央部の電子密度が変化しており、直流電圧が３００、４５０Ｖ程度で電子密度の均一性が特に高くなることが確認された。
【００８８】
次に、図６の装置を用いて、同じ処理ガス組成で同じ圧力で、上部電極に６０ＭＨｚで１２００Ｗの高周波電力を印加し、下部電極であるサセプタに２ＭＨｚで２０００Ｗの高周波電力を印加してプラズマエッチングを行うに際し、可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数を１３６と一定にし、可変直流電源の電圧を変化させた場合と、可変直流電源から電圧を印加せずに可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数を変化させた場合とでプラズマ密度の分布を測定した。図１１にその結果を示す。図１１の（ａ）は、可変直流電源の電圧を変化させた場合、（ｂ）は可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数を変化させた場合であり、両者の電子密度の均一性は同等であったが、直流電圧による電子密度の制御幅が大きく、プラズマ密度分布の自由度が高いことが確認された。
【００８９】
次に、同じく図６の装置を用いて、Ｃ４Ｆ８ガスを８ｍＬ／ｍｉｎ、Ａｒガスを０ｍＬ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１５０ｍＬ／ｍｉｎのＡｒレスの条件で、チャンバ内の圧力を６．７Ｐａとし、上部電極に６０ＭＨｚで１０００Ｗの高周波電力を印加し、下部電極であるサセプタに２ＭＨｚで３０００Ｗの高周波電力を印加して、可変直流電源の電圧を６００Ｖ、９００Ｖと変化させた。可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数は１３６と一定とした。その際の半導体ウエハ上方のプラズマの電子密度（プラズマ密度）の分布を測定した。その結果を図１２に示す。図１２に示すように、直流電圧が９００Ｖでほぼ均一な電子密度が得られた。このガス組成では直流電圧印加なしで可変コンデンサ（ＣＰＩ）のみではプラズマの均一性が得られなかった。
【００９０】
なお、上述の第１〜５の実施形態において、プラズマエッチングする際は、第１の高周波電源４８から高周波電力を上部電極に、第２高周波電源９０から高周波電力をサセプタ１６に印加するとともに、可変直流電源５０からの直流電圧を上部電極に印加していた。ここで、チャンバ内部をクリーニングする際は、第１の高周波電源４８から高周波電力を上部電極に、第２高周波電源９０から高周波電力をサセプタ１６に印加し、可変直流電源５０からの直流電圧は上部電極に印加しないのが好ましい。クリーニングする際は、リレー回路５２をオフにすることが好ましい。
【００９１】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
この実施形態のプラズマエッチング装置においては、図１３に示すように、上部電極２３４は、電極支持体２３８の下に高周波電流は通すが直流電流は通さない程度の厚さの誘電体膜１３９を介してリング上の外側電極板３３６ａとその内側に円盤状の内側電極板３３６ｂとが支持された構造を有しており、可変直流電源５０からは外側電極板３３６ａにも内側電極板３３６ｂにも直流電圧が印加可能となっており、スイッチ２４１および２４２により、これらへの直流電圧がオン・オフ可能となっている。すなわち、外側電極板３３６ａおよび内側電極板３３６ｂのいずれかに直流電圧を印加することも、いずれにも直流電圧を印加することも、いずれにも直流電圧を印加しないことも自由に選択することができる。その他の構成は図１と全く同じである。
【００９２】
このような構成によれば、プラズマエッチング時に、可変直流電源５０から外側電極板３３６ａにも内側電極板３３６ｂに直流電圧が印加でき、しかも独立にオン・オフできるので、プラズマ密度分布の制御性を著しく高めることができ、プラズマ密度分布の自由度を高めることができる。
【００９３】
図１４に示すように、上部電極２３４の外側に、さらにリング状の補助電極２３５を設け、この補助電極２３５に可変直流電源５０を接続してスイッチ２４３によりオン・オフ可能とすることにより、上述のようにプラズマ密度分布の自由度を高めることができる他、補助電極２３５に直流電圧を印加することにより補助電極２３５を上部電極の一部として機能させることにより、さらにプラズマ密度の均一性を向上させることができる。
【００９４】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。
この実施形態のプラズマエッチング装置においては、図１５に示すように、上部電極３３４は、電極支持体３３８の下に電気抵抗が異なる部位を有する電極板４３６が形成された構造を有している。具体的には、電極支持体３３８の最外側および中央部にそれぞれリング状および円板状をなす低抵抗部分４３６ａ、４３６ｂが配置され、これらの間に高抵抗部分４３６ｃが配置されている。低抵抗部分４３６ａ、４３６ｂは、可変直流電源５０からの直流電流が十分に流れる程度の低抵抗であり、高抵抗部分４３６ｃは、第１の高周波電源４８からの高周波電流は流れるが、可変直流電源５０からの直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗である。その他の構成は図１と全く同じである。
【００９５】
このような構成によれば、プラズマエッチング時に、可変直流電源５０から最外側および中央部分に直流電圧を印加することができ、上部電極３３４の下面に第４の実施形態の場合よりもきめ細かく高周波電界および直流電界の分布を形成することができ、よりプラズマ密度分布の制御性を高めることができる。
【００９６】
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。
この実施形態のプラズマエッチング装置においては、図１６に示すように、上部電極４３４は、電極支持体４３８の下に電気抵抗を変化させた電極板５３６が形成された構造を有している。この電極板５３６は図１６の下部に示しているように、中央部が低抵抗で外側に向かって徐々に高抵抗になるような電気抵抗のグラジエーションが形成されている。そして、最も抵抗の高い外側部分は第１の高周波電源４８からの高周波電流は流れるが、可変直流電源５０からの直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗であり、中央部は可変直流電源５０からの直流電源が十分に流れる程度の低抵抗である。その他の構成は図１と全く同じである。
【００９７】
このような構成によれば、プラズマエッチング時に、第４の実施形態の場合と同様、第１の高周波電源４８の高周波電流は電極板５３６の全ての部分に流れ、高抵抗の外側部分には可変直流電源５０からの直流電流は実質的に流れない。また、外側部分と中央部分との間の電気抵抗が変化している部分は、その電気抵抗に応じる量の直流電流が流れる。これにより、電極板５３６の外側部分、中央部分、およびそれらの間の部分で高周波電界および直流電界の分布が形成され、第４の実施形態の場合よりもプラズマ密度分布の制御性を高めることができる。
【００９８】
なお、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、上部電極は必ずしも水平でなくても良く、図１７に示すように、第１の実施形態における上部電極３４として例えばテーパー状の外側電極板３６ａ′部分を形成することもできる。これにより、プラズマの均一性をより高めることができる。もちろん、他の実施形態においても上部電極を同様の構造とすれば同様の効果が得られる。
【００９９】
また、上記実施形態では上部電極にプラズマ形成用の高周波電力と直流電力を印加した場合について示したが、これらを下部電極に印加する場合にも適用可能である。
【０１００】
さらに、本発明の範囲を逸脱しない限り、上記実施の形態の構成要素を適宜組み合わせたもの、あるいは上記実施の形態の構成要素を一部取り除いたものも本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…チャンバ（処理容器）
１６…サセプタ（下部電極）
３４，３４′，１３４，２３４，３３４，４３４…上部電極
３６ａ，１３６ａ…外側電極板
３６ｂ，１３６ｂ…内側電極板
３９，３９ａ，１３９…誘電体膜
４６，８８…整合器
４８…第１の高周波電源
５０…可変直流電源
５１…コントローラ
６６…処理ガス供給源
７８…可変コンデンサ
８４…排気装置
９０…第２の高周波電源
１３６，４３６，５３６…電極板
２３６ａ…外側部分
２３６ｂ…内側部分
Ｗ…半導体ウエハ（被処理基板）
【技術分野】
【０００１】
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等のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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処理装置が主流である。
【０００４】
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、電極の一方に高周波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形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。
【０００５】
具体的には、上部電極にプラズマ形成用の高周波を印加してプラズマを形成し、下部電極にイオン引き込み用の高周波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。
【０００６】
最近では、デザインルールの微細化につれてプラズマ処理に低圧化での高密度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、従来よりも格段に高い５０ＭＨｚ以上もの高周波数の高周波電力が印加されるようになってきている（例えば特許文献１）。
【０００７】
しかしながら、上部電極に印加する高周波の周波数が高くなると、高周波電源から給電棒を通って電極背面に印加される高周波が表皮効果により電極表面を伝わって電極下面（プラズマ接触面）の中心部に集中し、電極下面の中心部の電界強度が外周部の電界強度よりも高くなって、生成されるプラズマの密度も電極中心部の方が電極外周部より高くなり、エッチング処理がセンターファーストとなる。
【０００８】
この問題を解消するために、特許文献２では、上部電極の下面中央部を高抵抗部材で構成し、そこでより多くの高周波電力をジュール熱として消費させることで、上部電極の下面（プラズマ接触面）の電界強度を電極外周部よりも電極中心部で相対的に低下させる技術が提案されている。
【０００９】
しかしながら、特許文献２の技術では、ジュール熱による高周波電力の消費（エネルギー損失）が多くなってしまう等の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１７３９９３号公報
【特許文献２】特開２０００−３２３４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、プラズマの状態によらず、プラズマの均一性を容易に確保することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、任意のプラズマ分布を実現することができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されており、前記第１電極の前記電極板は、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成され、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１４】
本発明の第２の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧は前記複数の電極板に選択的に印加可能であることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。
【００１５】
上記本発明の第１の観点に係るプラズマ処理装置において、前記誘電体膜は、前記直流電源からの直流電流は遮断し、前記高周波電源からの高周波は通過させることが好ましい。また、前記複数の電極板の外側に設けられた、リング状の補助電極をさらに有し、前記補助電極は、スイッチを介して前記直流電源に接続されている構成をとることができる。
【００１６】
上記本発明の第１の観点または第２の観点に係るプラズマ装置において、前記直流電源からの印加電圧または印加電流または印加電力を制御する制御装置をさらに具備することができる。この制御装置は、前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内部のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止するように制御する構成とすることができる。
【００１７】
上記本発明の第１の観点または第２の観点に係るプラズマ装置において、前記第２電極にイオン引き込み用の高周波電力を印加するイオン引き込み用高周波電源をさらに具備してもよい。
【００１８】
本発明の第３の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記第１電極の前記電極板に、面内方向に所定の電気抵抗の分布を形成し、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００１９】
本発明の第４の観点では、被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段とを具備し、前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記直流電源からの直流電圧を前記複数の電極板に選択的に印加してプラズマ密度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２０】
本発明の第３の観点および第４の観点に係るプラズマ処理方法において、前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止するようにすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、上部電極である第１電極として、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、電極板として、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成されたものを用い、高周波電源からの高周波電力および直流電源からの直流電圧が印加されることにより第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成するので、形成されるプラズマの特性に応じて第１電極の抵抗分布を調整することにより、プラズマの均一化を図ることも、プラズマの分布制御を行うこともできる。
【００２２】
また、上部電極である第１電極として、プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介してこれら複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧は前記複数の電極板に選択的に印加可能であるものを用いたので、プラズマの密度分布の制御性を著しく高めることができ、プラズマ密度分布の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図。
【図２】図１のプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図３】図１のプラズマエッチング装置において、上部電極へ直流電圧を印加する際に異常放電を抑制するための波形を示す図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図。
【図５】図４のプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図。
【図７】図６のプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図８】本発明の第４の実施形態に係るプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図９】本発明の第５の実施形態に係るプラズマエッチング装置の上部電極構造を説明するための模式図。
【図１０】図６のプラズマエッチング装置を用いて可変直流電源の電圧を変化させた場合の電子密度分布を示す図。
【図１１】図６のプラズマエッチング装置を用いて可変直流電源の直流電圧を変化させた場合、および直流電圧を印加せずに可変コンデンサを変化させた場合の電子密度分布を示す図。
【図１２】図６のプラズマエッチング装置を用いてＡｒレスのガス組成で可変直流電源から直流電圧を印加してプラズマエッチングを行った場合の電子密度分布を示す図。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造を示す模式図。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造の変形例を示す模式図。
【図１５】本発明の第７の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造を示す模式図。
【図１６】本発明の第８の実施形態に係るプラズマエッチング装置における上部電極構造を示す模式図。
【図１７】上部電極形状の変形例を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明をプラズマエッチング装置に適用した実施形態について具体的に説明する。
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
サセプタ１６の上面には、被処理基板である半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられており、この静電チャック１８上に半導体ウエハＷが載置される。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。
【００２８】
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。
【００２９】
サセプタ支持台１４の内部には、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。
【００３０】
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。
【００３１】
下部電極であるサセプタ１６の空間を隔てた上方には、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。
【００３２】
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を有し、リング状に設けられた外側電極板３６ａと、この外側電極板３６ａの内側に設けられた円盤状をなす内側電極板３６ｂと、これら外側電極板３６ａおよび内側電極板３６ｂを着脱自在に支持し、導電性材料、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水冷構造の電極支持体３８とによって構成されている。外側電極板３６ａと内側電極板３６ｂとの間は隙間が形成されている。また、外側電極板３６ａと電極支持体３８との間には、アルミニウムの陽極酸化皮膜等からなる薄い誘電体膜３９が介在されている。外側電極板３６ａおよび内側電極板３６ｂは、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体、例えばシリコンやＳｉＣで構成される。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。
【００３３】
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。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Ｃ４Ｆ８ガスのようなフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）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。
【００３４】
上部電極３４には、整合器４６および給電棒４４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、１３．５６ＭＨｚ以上の周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を出力する。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。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。
【００３５】
一方、上記上部電極３４には、第１の高周波電源４８の他、可変直流電源５０が電気的に接続されている。可変直流電源５０はバイポーラ電源で構成するのが好ましい。具体的には、この可変直流電源５０は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５８を介して上部電極３４の電極支持体３８に接続されており、リレー回路５２により給電のオン・オフが可能となっている。ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５８により、第１の高周波電源４８からの高周波電力および後述する第２の高周波電源からの高周波電力がトラップされる。可変直流電源５０の極性および電流・電圧ならびにリレー回路５２のオン・オフはコントローラ５１により制御されるようになっている。
【００３６】
可変直流電源５０からの直流電流は電極支持体３８から内側電極板３６ｂには流れるが、前記誘電体膜３９の存在により外側電極板３６ａには流れないように構成されている。誘電体膜３９は薄く形成されており、第１の高周波電源４８からの高周波電流は外側電極板３６ａに流れる。なお、誘電体膜３９としては、可変直流電源５０からの直流電流は実質的に流れず、第１の高周波電源４８からの高周波電流が流れるように材質および厚さが調整される。
【００３７】
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が設けられており、この円筒状接地導体１０ａの天壁部分は筒状の絶縁部材４４ａにより上部給電棒４４から電気的に絶縁されている。
【００３８】
下部電極であるサセプタ１６には、整合器８８を介して第２の高周波電源９０が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側にイオンが引き込まれる。第２の高周波電源９０は、２〜２７ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば２ＭＨｚの高周波電力を出力する。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。
【００３９】
上部電極３４には、第１の高周波電源４８からの高周波電力（６０ＭＨｚ）は通さずに第２の高周波電源９０からの高周波電力（２ＭＨｚ）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（６０ＭＨｚ）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。
【００４０】
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Ｙ２Ｏ３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。
【００４１】
デポシールド１１のチャンバ内壁を構成する部分のウエハＷとほぼ同じ高さ部分には、グランドにＤＣ的に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）９１が設けられており、これにより後述するような異常放電防止効果を発揮する。
【００４２】
プラズマエッチング装置の各構成部は、制御部（プロセスコントローラ）９５に接続されて制御される構成となっている。また、制御部９５には、工程管理者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、プラズマ処理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９６が接続されている。
【００４３】
さらに、制御部９５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９５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レシピが格納された記憶部９７が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶部９７の所定位置にセットするようになっていてもよい。
【００４４】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース９６からの指示等にて任意のレシピを記憶部９７から呼び出して制御部９５に実行させることで、制御部９５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。
【００４５】
このように構成されるプラズマエッチング装置においてエッチング処理を行う際には、まず、ゲートバルブ８６を開状態とし、搬入出口８５を介してエッチング対象である半導体ウエハ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、処理ガス供給源６６からエッチングのための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、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気し、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Ｃ４Ｆ８ガスのようなフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）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Ｏ２ガス等の他のガスが含まれていてもよい。
【００４６】
このようにチャンバ１０内にエッチングガスを導入した状態で、第１の高周波電源４８からプラズマ生成用の高周波電力（６０ＭＨｚ）を所定のパワーで上部電極３４に印加してプラズマを着火・生成するとともに、第２の高周波電源９０よりイオン引き込み用の高周波電力（２ＭＨｚ）を所定のパワーで下部電極であるサセプタ１６に印加する。そして、可変直流電源５０から所定の直流電圧を上部電極３４に印加する。さらに、静電チャック１８のための直流電源２２から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をサセプタ１６に固定する。
【００４７】
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、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ラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの被処理面がエッチングされる。
【００４８】
本実施形態においては、図２に模式的に示すように、電極支持体３８に第１の高周波電源４８と可変直流電源５０とを接続し、電極支持体３８に支持される電極板を外側電極板３６ａと内側電極板３６ｂとに分離し、外側電極板３６ａと電極支持体３８との間に誘電体膜３９を形成している。この誘電体膜３９は可変直流電源５０からの直流は遮断するが第１の高周波電源４８からの高周波は通過するように構成されているから、高周波電流は外側電極板３６ａおよび内側電極板３６ｂの両方に流れるが、直流電流は外側電極板３６ａには流れず、内側電極板３６ｂのみに流れる。
【００４９】
この場合、直流電力が印加される内側電極板３６ｂでは、直流電圧により上部電極３４側に厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側電極板３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、自己整合的に、内側電極板３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側電極板３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００５０】
直流プラズマは、生成された段階では均一性が高いが、静電界でしかプラズマを形成することができないため、対向電極の間の空間にはプラズマが形成されるが対向電極の外側部分にはプラズマが形成されない。したがって、対向電極周辺部には外側への損失があるため、電極中央部のプラズマ密度が高くなる傾向にある。これに対して、高周波プラズマは、対向電極の外側の空間にも広がりやすく対向電極の外側にも高密度のプラズマを形成することができる。本実施形態では内側電極板３６ｂに対応する部分に主に直流プラズマを形成し、外側電極板３６ａに対応する部分は主に高周波プラズマを形成するので、半導体ウエハのエッチングに際し、ウエハの中央部分のプラズマ密度（電子密度）を均一性の高いプラズマを実現できる直流電力で制御し、外周部分のプラズマ密度（電子密度）を対向電極の外側に広がりやすいプラズマを実現できる高周波電力で制御する。よって、第１の高周波電源４８および可変直流電源５０のパワーを制御することにより、どのような場合でも極めて均一性の高いプラズマを得ることができる。具体的には、例えば、Ａｒガスを導入せずにプラズマを形成する場合、従来の高周波プラズマでは、中央部のプラズマ密度が低下する傾向にあり、プラズマ密度を十分に均一にすることができなかったが、本実施形態により、このような場合でもプラズマ密度の均一性を高くすることができる。また、第１の高周波電源４８および可変直流電源５０のパワーを制御することにより、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００５１】
本実施形態においては、第１の高周波電源４８から上部電極３４に印加する高周波電力として、高い周波数領域（イオンが追従できない１０ＭＨｚ以上）のものを供給しているので、エッチングガスをエッチングに好ましい状態である励起状態とし、かつ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形成することができる。
【００５２】
また、可変直流電源５０から供給される直流電力は、電子温度の高いプラズマを生成し、エッチングガスをエッチングにとって好ましい状態であるイオン化状態として高いプラズマ密度を実現することができる。
【００５３】
また、内側電極板３６ｂに対応する部分に直流が支配的なプラズマが形成されることにより以下のような効果を得ることもできる。
上部電極３４表面の自己バイアス電圧Ｖｄｃを深くすることができ、上部電極３４にポリマーが付着した場合でも、スパッタ作用を及ぼして上部電極３４の表面を清浄化することができる。それとともに、半導体ウエハＷ上に最適な量のポリマーを供給してフォトレジスト膜の表面荒れを解消することができる。また、上部電極３４自体をスパッタして電極材料自体を半導体ウエハＷ表面に供給するようにすることにより、フォトレジスト膜を強化することもできる。さらに、上述のように上部電極３４側に形成されるプラズマシースの厚さが大きくなり、その分だけプラズマが扁平化される。これにより、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して、結果としてフロロカーボン系の処理ガスの解離が抑えられ、フォトレジスト膜をエッチングされ難くすることができる。
【００５４】
ところで、上部電極３４に直流電圧を印加すると、上部電極３４に電子がたまり、チャンバ１０の内壁との間等に異常放電が生じるおそれがある。このような異常放電を抑制するため、本実施形態ではＤＣ的に接地されたパーツであるＧＮＤブロック９１をチャンバ壁側のデポシールド１１に設けている。このＧＮＤブロック９１はプラズマ面に露出しており、デポシールド１１の内部の導電部に電気的に接続されており、可変直流電源５０から上部電極３４に印加された直流電圧電流は、処理空間を経てＧＮＤブロック９１に到達し、デポシールド１１を介して接地される。ＧＮＤブロック９１は導電体であり、Ｓｉ，ＳｉＣ等のシリコン含有物質であることが望ましい。Ｃも好適に用いることができる。このＧＮＤブロック９１により、上記上部電極３４にたまる電子を逃がすことができ、異常放電を防止することができる。ＧＮＤブロック９１の突出長さは１０ｍｍ以上であることが好ましい。上記ＧＮＤブロック９１は、プラズマ形成領域に設けられていれば、その位置は図１の位置に限らない。
【００５５】
なお、上記ＧＮＤブロック９１は、プラズマ形成領域に設けられていれば、その位置は図１に限らず、例えばサセプタ１６の周囲設ける等、サセプタ１６側に設けてもよく、また上部電極３４の外側にリング状に設ける等、上部電極３４近傍に設けてもよい。
【００５６】
また、異常放電を防止するために、上部電極３４に直流電圧を印加する場合に、適宜の手段により直流電圧に重畳して図３に示すような極短い逆極性のパルスを周期的に与えて電子を中和する方法も有効である。
【００５７】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。なお、図４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。
【００５８】
本実施形態では、実施形態１における上部電極３４の代わりに、以下の構造を有する上部電極３４′が設けられている。上部電極３４′は、サセプタ１６と所定の間隔をおいて対向配置されているリング状またはドーナツ状の外側上部電極３４ａと、この外側上部電極３４ａの半径方向内側に絶縁された状態で配置されている円板状の内側上部電極３４ｂとで構成される。外側上部電極３４ａと内側上部電極３４ｂとの間には、例えば０．２５〜２．０ｍｍの環状ギャップ（隙間）が形成され、このギャップに例えば石英からなる誘電体７２が設けられる。外側上部電極３４ａとチャンバ１０の側壁との間には、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）からなるリング形状の絶縁性遮蔽部材４２が気密に取り付けられている。
【００５９】
外側上部電極３４ａは、電極板１３６ａと、この電極板１３６ａを着脱可能に支持する導電材料、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電極支持体３８ａと、電極支持体３８ａおよび電極板１３６ａとの間に介在されたアルミニウムの陽極酸化皮膜等からなる薄い誘電体膜３９ａとを有する。電極板１３６ａは、ジュール熱の少ない低抵抗の導電体または半導体、例えばシリコンやＳｉＣで構成されるのが好ましい。外側上部電極３４ａには、実施形態１と同様の整合器４６、上部給電棒７４、コネクタ９８および給電筒１００を介して、実施形態１と同様の第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。整合器４６の出力端子は上部給電棒７４の上端に接続されている。
【００６０】
給電筒１００は、円筒状または円錐状あるいはそれらに近い形状の導電板たとえばアルミニウム板または銅板からなり、下端が周回方向で連続的に外側上部電極３４ａに接続され、上端がコネクタ９８によって上部給電棒７４の下端部に電気的に接続されている。給電筒１００の外側では、チャンバ１０の側壁が上部電極３４′の高さ位置よりも上方に延びて円筒状の接地導体１０ａを構成している。この円筒状接地導体１０ａの上端部は筒状の絶縁部材７４ａにより上部給電棒７４から電気的に絶縁されている。かかる構成においては、コネクタ９８からみた負荷回路において、給電筒１００および外側上部電極３４ａと円筒状接地導体１０ａとで、給電筒１００および外側上部電極３４ａを導波路とする同軸線路が形成される。
【００６１】
内側上部電極３４ｂは、多数のガスのガス吐出孔３７ｂを有する電極板１３６ｂと、この電極板１３６ｂを着脱可能に支持する導電材料、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電極支持体３８ｂとを有する。電極支持体３８ｂの内部には、例えばＯリングからなる環状隔壁部材４３で分割された中心ガス拡散室４０ａと周辺ガス拡散室４０ｂとが設けられている。中心ガス拡散室４０ａと周辺ガス拡散室４０ｂからはガス吐出孔３７ｂに連通する多数のガス通流孔４１ｂが下方に延びている。そして、中心ガス拡散室４０ａとその下面に設けられている多数のガス通流孔４１ｂおよびそれらに連通する多数のガス吐出孔３７ｂとで中心シャワーヘッドが構成され、周辺ガス拡散室４０ｂとその下面に設けられている多数のガス通流孔４１ｂおよびそれらに連通する多数のガス吐出孔３７ｂとで周辺シャワーヘッドが構成されている。
【００６２】
２つのガス拡散室４０ａ，４０ｂには、共通の処理ガス供給源６６から処理ガスが所望の流量比で供給されるようになっている。すなわち、処理ガス供給源６６からのガス供給管６４が途中で２つの分岐管６４ａ，６４ｂに分岐し、電極支持体３８ｂに形成されたガス導入口６２ａ，６２ｂに接続され、ガス導入口６２ａ，６２ｂからの処理ガスがガス導入室４０ａ、４０ｂに至る。それぞれの分岐管６４ａ，６４ｂに流量制御弁７１ａ，７１ｂが設けられており、処理ガス供給源６６からガス拡散室４０ａ、４０ｂまでの流路のコンダクタンスは等しいので、流量制御弁７１ａ，７１ｂにより中心ガス導入室４０ａと周辺ガス導入室４０ｂとに供給する処理ガスの流量比を任意に調整することができる。ガス供給管６４には実施形態１と同様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。このように、中心ガス拡散室４０ａと周辺ガス拡散室４０ｂとに導入する処理ガスの流量比を調整することで、中心シャワーヘッドから吐出されるガスの流量ＦＣと周辺シャワーヘッドから吐出されるガスの流量ＦＥとの比率（ＦＣ／ＦＥ）を任意に調整することができるようになっている。なお、中心シャワーヘッドおよび周辺シャワーヘッドよりそれぞれ吐出させる処理ガスの単位面積当たりの流量を異ならせることも可能である。さらに中心シャワーヘッドおよび周辺シャワーヘッドよりそれぞれ吐出させる処理ガスのガス種またはガス混合比を独立または別個に選定することも可能である。
【００６３】
内側上部電極３４ｂの電極支持体３８ｂには、整合器４６、上部給電棒７４、コネクタ９８および下部給電棒７６を介して実施形態１と同様の第１の高周波電源４８が電気的に接続されている。
【００６４】
一方、上記上部電極３４′には、第１の実施形態と同様、可変直流電源５０が接続されている。具体的には、可変直流電源５０がローパスフィルタ（ＬＰＦ）５８を介して内側上部電極３４ｂに接続されている。可変直流電源５０の極性、電圧、電流ならびにリレー回路５２のオン・オフは実施形態１と同様、コントローラ５１により制御されるようになっている。
【００６５】
このように構成されるプラズマエッチング装置においてエッチング処理を行う際には第１の実施形態と同様に、まず、エッチング対象である半導体ウエハ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、エッチングのための処理ガスを処理ガス供給源６６から所定の流量および流量比で中心ガス拡散室４０ａおよび周辺ガス拡散室４０ｂに供給して、ガス吐出孔３７ｂを介してチャンバ１０内に吐出させるとともに、第１の実施形態と同様、排気装置８４によりチャンバ１０内を排気して設定圧力に維持する。
【００６６】
このようにチャンバ１０内にエッチングガスを導入した状態で、第１の高周波電源４８からプラズマ生成用の高周波電力（６０ＭＨｚ）を所定のパワーで上部電極３４′に印加してプラズマを着火・生成するとともに、第２の高周波電源９０よりイオン引き込み用の高周波電力（２ＭＨｚ）を所定のパワーで下部電極であるサセプタ１６に印加する。そして、可変直流電源５０から所定の電圧を内側上部電極３４ｂに印加する。さらに、直流電源２２から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をサセプタ１６に固定する。
【００６７】
内側上部電極３４ｂのガス吐出孔３７ｂから吐出されたエッチングガスは、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ラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの被処理面がエッチングされる。
【００６８】
本実施形態においては、図５に模式的に示すように、上部電極３４′を外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに分離し、第１の高周波電源４８を上部給電棒７４および下部給電棒７６および給電筒１００の存在により外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに接続し、可変直流電源５０を内側上部電極３４ｂにのみ接続している。そして外側上部電極３４ａの外側電極板１３６ａと電極支持体３８ａとの間に誘電体膜３９ａを形成しており、この誘電体膜３９ａは可変直流電源５０からの直流は遮断するが第１の高周波電源４８からの高周波は通過するように構成されているから、高周波電流は外側電極板１３６ａおよび内側電極板１３６ｂの両方に流れるが、直流電流は外側電極板１３６ａには流れず、内側電極板１３６ｂのみに流れる。
【００６９】
この場合、直流電力が印加される内側電極板１３６ｂの表面近傍では、直流電圧により厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側電極板１３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、自己整合的に、内側電極板１３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側電極板１３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００７０】
したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を図ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００７１】
また、上部電極３４′において、半導体ウエハＷと直に対向する内側上部電極３４ｂをシャワーヘッド兼用型とし、中心シャワーヘッドと周辺シャワーヘッドとでガス吐出流量の比率を任意に調整することができるので、ガス分子またはラジカルの密度の空間分布を径方向で制御し、ラジカルベースによるエッチング特性の空間的な分布特性を任意に制御することもできる。
【００７２】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。なお、図６の装置は、基本構造が図４の装置と同じであり、図４と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
【００７３】
本実施形態においては、下部給電棒７６の途中に、キャパシタンスを可変調整することができる可変コンデンサ７８が設けられている点、および外側上部電極３４ａにおいて、外側電極板１３６ａと電極支持体３８ａとの間に誘電体膜が設けられていない点においてのみ第２の実施形態と異なっている。この可変コンデンサ７８は、後述するように、外側電界強度と内側電界強度とのバランスを調整する機能を有する。
【００７４】
本実施形態では、基本的に上記第１および第２の実施形態と同様にしてプラズマエッチングを行うが、図７に模式的に示すように、上部電極３４′を外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに分離し、第１の高周波電源４８を上部給電棒７４および下部給電棒７６および給電筒１００の存在により外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに接続し、可変直流電源５０を内側上部電極３４ｂにのみ接続しており、下部給電棒７６に可変コンデンサ７８を設けているので、高周波電源４８および可変直流電源５０から給電した場合に、高周波電流は外側電極板１３６ａおよび内側電極板１３６ｂの両方に流れるが、直流電流は可変コンデンサ７８により遮断されて外側電極板１３６ａには流れず、内側電極板１３６ｂのみに流れる。
【００７５】
この場合、直流電力が印加される内側電極板１３６ｂの表面近傍では、同様に、直流電圧により厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側電極板１３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、内側電極板１３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側電極板１３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００７６】
したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を図ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００７７】
本実施形態の場合、内側電極板１３６ｂの表面近傍に厚いＤＣシースが形成されるため、通常、高周波電力はほとんど外側電極板１３６ａに流れるが、可変直流電源５０からの直流電力が比較的小さい場合等において、可変コンデンサ７８のキャパシタンスを変化させることによって、高周波電力の外側電極板１３６ａと内側電極板１３７ｂとの分配比をある程度調整することができる。つまり、可変コンデンサ７８のキャパシタンスを変化させることにより、内側電極板１３６ｂへの給電ラインのインピーダンスまたはリアクタンスを増減させることができ、これにより、外側電極板１３６ａへの給電ラインにおける電圧降下と内側電極板１３６ｂへの給電ラインにおける電圧降下との相対比率を変えることができ、ひいては外側電極板１３６ａへの投入高周波電力と内側電極板１３６ｂへの投入高周波電力との比率を調整することができる。
【００７８】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
本実施形態に係るプラズマエッチング装置は、その基本構成が図１に示す第１の実施形態のプラズマエッチング装置と同じであり、図８に模式的に示すように、一体ものの電極板１３６が電極支持体１３８に支持された構造を有し、かつ電極板１３６の外側部分２３６ａを電気抵抗が高い材料で構成し、内側部分２３６ｂを電気抵抗が低い材料で構成している上部電極１３４を備えている点が異なっている。そして、第１の実施形態と同様、上部電極１３４の電極支持体１３８には、第１の高周波電源４８と可変直流電源５０が電気的に接続されている。
【００７９】
電極板１３６の外側部分２３６ａは、可変直流電源５０からの直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗であり、電極板１３６の内側部分２３６ｂは可変直流電源５０からの直流電流が十分に流れる低抵抗である。このような抵抗差を形成するには、ドーピング技術、異種材料の貼り合わせ等種々の方法が適用可能である。
【００８０】
本実施形態では、基本的に上記第１〜第３の実施形態と同様にしてプラズマエッチングを行うが、図８に模式的に示すように、電極支持体１３８に第１の高周波電源４８と可変直流電源５０とを接続し、電極支持体１３８に支持される電極板１３６として、外側部分２３６ａが直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗であり、内側部分２３６ｂが直流電流が十分流れる程度の低抵抗のものを用いるので、高周波電流は外側電極板２３６ａおよび内側電極板２３６ｂの両方に流れるが、直流電流は外側電極板２３６ａには流れず、内側電極板２３６ｂのみに流れる。
【００８１】
この場合、直流電力が印加される電極板１３６の内側部分２３６ｂの表面近傍では、同様に、直流電圧により厚いＤＣシースが形成され、このシース容量により高周波電力は入り込みにくくなり、直流電力が支配的なプラズマが形成される。一方、直流電流が流れない外側部分２３６ａにはＤＣシースは形成されず、高周波電力が支配的なプラズマが形成される。このように、内側部分２３６ｂに対応する部分は直流プラズマが支配的となり、外側部分２３６ａに対する部分は高周波プラズマが支配的となる。
【００８２】
したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を図ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。
【００８３】
次に本発明の第５の実施形態について説明する。
図９に模式的に示した本実施形態に係るプラズマエッチング装置は、その基本構成が図６、７に示す第３の実施形態のプラズマエッチング装置とほとんど同じであり、下部給電棒７６および可変コンデンサ７８が設けられていない点においてのみ第３の実施形態と異なっている。したがって、図９において図６、７と同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
【００８４】
本実施形態では、上部電極３４´を外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに分離し、第１の高周波電源４８を上部給電棒７４および給電筒１００の存在により外側上部電極３４ａのみに接続し、可変直流電源５０を内側上部電極３４ｂにのみ接続している。第１高周波電源４８からの高周波電流は外側電極板１３６ａのみに流れ、可変直流電源５０からの直流電流は内側電極板１３６ｂのみに流れる。
【００８５】
この場合、直流電力が印加される内側電極板１３６ｂの表面近傍では、直流電力によるプラズマが形成され、一方、高周波電力が印加される外側電極板１３６ａの表面近傍では、高周波電力によるプラズマが形成される。したがって、第１の実施形態と同様のメカニズムによりプラズマ密度の均一化を測ることができる。また、所望のプラズマ密度分布を形成することも可能である。さらに、外側電極板の表面近傍で高周波電力のみによるプラズマが形成され、内側電極板の表面近傍で直流電力のみによるプラズマが形成されるので、上述の第１〜４の実施形態と比べて、より制御性よくプラズマ密度の均一化、所望のプラズマ密度分布の形成を行うことができる。
【００８６】
以上の第１〜第５の実施形態では、ほぼ同様のメカニズムでプラズマ密度の均一化を図ることができるが、このようなプラズマ密度制御を図６に示す第３の実施形態に係るプラズマエッチング装置で実際に行った結果について説明する。
【００８７】
ここでは、図６の装置において、半導体ウエハをチャンバ内に装入してサセプタ上に載置し、処理ガスとしてＣ４Ｆ８ガスを８ｍＬ／ｍｉｎ、Ａｒガスを１０００ｍＬ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１５０ｍＬ／ｍｉｎの流量でチャンバ内に導入し、チャンバ内の圧力を６．７Ｐａとし、上部電極に６０ＭＨｚで１０００Ｗの高周波電力を印加し、下部電極であるサセプタに２ＭＨｚで３０００Ｗの高周波電力を印加するというビアのエッチング条件とし、可変直流電源の電圧を変化させた。可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数は１３６と一定とした。その際の半導体ウエハ上方のプラズマの電子密度（プラズマ密度）の分布を測定した。その結果を図１０に示す。なお、図１０における直流電圧（ＤＣ）の値は絶対値で表されており、後述する図１１、図１２における直流電圧（ＤＣ）の値も絶対値で表されている。図１０に示すように、印加する直流電圧の値に応じて半導体ウエハの中央部の電子密度が変化しており、直流電圧が３００、４５０Ｖ程度で電子密度の均一性が特に高くなることが確認された。
【００８８】
次に、図６の装置を用いて、同じ処理ガス組成で同じ圧力で、上部電極に６０ＭＨｚで１２００Ｗの高周波電力を印加し、下部電極であるサセプタに２ＭＨｚで２０００Ｗの高周波電力を印加してプラズマエッチングを行うに際し、可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数を１３６と一定にし、可変直流電源の電圧を変化させた場合と、可変直流電源から電圧を印加せずに可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数を変化させた場合とでプラズマ密度の分布を測定した。図１１にその結果を示す。図１１の（ａ）は、可変直流電源の電圧を変化させた場合、（ｂ）は可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数を変化させた場合であり、両者の電子密度の均一性は同等であったが、直流電圧による電子密度の制御幅が大きく、プラズマ密度分布の自由度が高いことが確認された。
【００８９】
次に、同じく図６の装置を用いて、Ｃ４Ｆ８ガスを８ｍＬ／ｍｉｎ、Ａｒガスを０ｍＬ／ｍｉｎ、Ｎ２ガスを１５０ｍＬ／ｍｉｎのＡｒレスの条件で、チャンバ内の圧力を６．７Ｐａとし、上部電極に６０ＭＨｚで１０００Ｗの高周波電力を印加し、下部電極であるサセプタに２ＭＨｚで３０００Ｗの高周波電力を印加して、可変直流電源の電圧を６００Ｖ、９００Ｖと変化させた。可変コンデンサ（ＣＰＩ）のステップ数は１３６と一定とした。その際の半導体ウエハ上方のプラズマの電子密度（プラズマ密度）の分布を測定した。その結果を図１２に示す。図１２に示すように、直流電圧が９００Ｖでほぼ均一な電子密度が得られた。このガス組成では直流電圧印加なしで可変コンデンサ（ＣＰＩ）のみではプラズマの均一性が得られなかった。
【００９０】
なお、上述の第１〜５の実施形態において、プラズマエッチングする際は、第１の高周波電源４８から高周波電力を上部電極に、第２高周波電源９０から高周波電力をサセプタ１６に印加するとともに、可変直流電源５０からの直流電圧を上部電極に印加していた。ここで、チャンバ内部をクリーニングする際は、第１の高周波電源４８から高周波電力を上部電極に、第２高周波電源９０から高周波電力をサセプタ１６に印加し、可変直流電源５０からの直流電圧は上部電極に印加しないのが好ましい。クリーニングする際は、リレー回路５２をオフにすることが好ましい。
【００９１】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
この実施形態のプラズマエッチング装置においては、図１３に示すように、上部電極２３４は、電極支持体２３８の下に高周波電流は通すが直流電流は通さない程度の厚さの誘電体膜１３９を介してリング上の外側電極板３３６ａとその内側に円盤状の内側電極板３３６ｂとが支持された構造を有しており、可変直流電源５０からは外側電極板３３６ａにも内側電極板３３６ｂにも直流電圧が印加可能となっており、スイッチ２４１および２４２により、これらへの直流電圧がオン・オフ可能となっている。すなわち、外側電極板３３６ａおよび内側電極板３３６ｂのいずれかに直流電圧を印加することも、いずれにも直流電圧を印加することも、いずれにも直流電圧を印加しないことも自由に選択することができる。その他の構成は図１と全く同じである。
【００９２】
このような構成によれば、プラズマエッチング時に、可変直流電源５０から外側電極板３３６ａにも内側電極板３３６ｂに直流電圧が印加でき、しかも独立にオン・オフできるので、プラズマ密度分布の制御性を著しく高めることができ、プラズマ密度分布の自由度を高めることができる。
【００９３】
図１４に示すように、上部電極２３４の外側に、さらにリング状の補助電極２３５を設け、この補助電極２３５に可変直流電源５０を接続してスイッチ２４３によりオン・オフ可能とすることにより、上述のようにプラズマ密度分布の自由度を高めることができる他、補助電極２３５に直流電圧を印加することにより補助電極２３５を上部電極の一部として機能させることにより、さらにプラズマ密度の均一性を向上させることができる。
【００９４】
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。
この実施形態のプラズマエッチング装置においては、図１５に示すように、上部電極３３４は、電極支持体３３８の下に電気抵抗が異なる部位を有する電極板４３６が形成された構造を有している。具体的には、電極支持体３３８の最外側および中央部にそれぞれリング状および円板状をなす低抵抗部分４３６ａ、４３６ｂが配置され、これらの間に高抵抗部分４３６ｃが配置されている。低抵抗部分４３６ａ、４３６ｂは、可変直流電源５０からの直流電流が十分に流れる程度の低抵抗であり、高抵抗部分４３６ｃは、第１の高周波電源４８からの高周波電流は流れるが、可変直流電源５０からの直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗である。その他の構成は図１と全く同じである。
【００９５】
このような構成によれば、プラズマエッチング時に、可変直流電源５０から最外側および中央部分に直流電圧を印加することができ、上部電極３３４の下面に第４の実施形態の場合よりもきめ細かく高周波電界および直流電界の分布を形成することができ、よりプラズマ密度分布の制御性を高めることができる。
【００９６】
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。
この実施形態のプラズマエッチング装置においては、図１６に示すように、上部電極４３４は、電極支持体４３８の下に電気抵抗を変化させた電極板５３６が形成された構造を有している。この電極板５３６は図１６の下部に示しているように、中央部が低抵抗で外側に向かって徐々に高抵抗になるような電気抵抗のグラジエーションが形成されている。そして、最も抵抗の高い外側部分は第１の高周波電源４８からの高周波電流は流れるが、可変直流電源５０からの直流電流が実質的に流れない程度の高抵抗であり、中央部は可変直流電源５０からの直流電源が十分に流れる程度の低抵抗である。その他の構成は図１と全く同じである。
【００９７】
このような構成によれば、プラズマエッチング時に、第４の実施形態の場合と同様、第１の高周波電源４８の高周波電流は電極板５３６の全ての部分に流れ、高抵抗の外側部分には可変直流電源５０からの直流電流は実質的に流れない。また、外側部分と中央部分との間の電気抵抗が変化している部分は、その電気抵抗に応じる量の直流電流が流れる。これにより、電極板５３６の外側部分、中央部分、およびそれらの間の部分で高周波電界および直流電界の分布が形成され、第４の実施形態の場合よりもプラズマ密度分布の制御性を高めることができる。
【００９８】
なお、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、上部電極は必ずしも水平でなくても良く、図１７に示すように、第１の実施形態における上部電極３４として例えばテーパー状の外側電極板３６ａ′部分を形成することもできる。これにより、プラズマの均一性をより高めることができる。もちろん、他の実施形態においても上部電極を同様の構造とすれば同様の効果が得られる。
【００９９】
また、上記実施形態では上部電極にプラズマ形成用の高周波電力と直流電力を印加した場合について示したが、これらを下部電極に印加する場合にも適用可能である。
【０１００】
さらに、本発明の範囲を逸脱しない限り、上記実施の形態の構成要素を適宜組み合わせたもの、あるいは上記実施の形態の構成要素を一部取り除いたものも本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…チャンバ（処理容器）
１６…サセプタ（下部電極）
３４，３４′，１３４，２３４，３３４，４３４…上部電極
３６ａ，１３６ａ…外側電極板
３６ｂ，１３６ｂ…内側電極板
３９，３９ａ，１３９…誘電体膜
４６，８８…整合器
４８…第１の高周波電源
５０…可変直流電源
５１…コントローラ
６６…処理ガス供給源
７８…可変コンデンサ
８４…排気装置
９０…第２の高周波電源
１３６，４３６，５３６…電極板
２３６ａ…外側部分
２３６ｂ…内側部分
Ｗ…半導体ウエハ（被処理基板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されており、
前記第１電極の前記電極板は、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成され、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧は前記複数の電極板に選択的に印加可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記誘電体膜は、前記直流電源からの直流電流は遮断し、前記高周波電源からの高周波は通過させるもの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。
【請求項４】
前記複数の電極板の外側に設けられた、リング状の補助電極をさらに有し、前記補助電極は、スイッチを介して前記直流電源に接続されてい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。
【請求項５】
前記直流電源からの印加電圧または印加電流または印加電力を制御する制御装置をさらに具備す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項に記載のプラズ処理装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内部のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止するように制御することを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記第２電極にイオン引き込み用の高周波電力を印加するイオン引き込み用高周波電源をさらに具備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。
【請求項８】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記第１電極の前記電極板に、面内方向に所定の電気抵抗の分布を形成し、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記直流電源からの直流電圧を前記複数の電極板に選択的に印加してプラズマ密度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内部のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止することを特徴とする請求項８または請求項９に記載のプラズマ処理方法。
【請求項１】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されており、
前記第１電極の前記電極板は、面内方向に所定の電気抵抗の分布が形成され、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続され、前記直流電源からの直流電圧は前記複数の電極板に選択的に印加可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記誘電体膜は、前記直流電源からの直流電流は遮断し、前記高周波電源からの高周波は通過させるもの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。
【請求項４】
前記複数の電極板の外側に設けられた、リング状の補助電極をさらに有し、前記補助電極は、スイッチを介して前記直流電源に接続されてい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。
【請求項５】
前記直流電源からの印加電圧または印加電流または印加電力を制御する制御装置をさらに具備す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項に記載のプラズ処理装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内部のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止するように制御することを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記第２電極にイオン引き込み用の高周波電力を印加するイオン引き込み用高周波電源をさらに具備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。
【請求項８】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、電極板と、前記電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記高周波電源および前記直流電源は前記電極支持部材に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記第１電極の前記電極板に、面内方向に所定の電気抵抗の分布を形成し、前記第１電極の表面に所定の直流電界および高周波電界の分布を形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
処理容器内に対向して配置される第１電極および第２電極と、
前記第１電極に高周波電力を印加する高周波電源と、
前記第１電極に直流電圧を印加する直流電源と、
前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給手段と
を具備し、
前記第１電極は上部電極であり、前記第２電極は被処理基板を載置する下部電極であり、
前記第１電極は、前記プラズマに臨むように配置された複数の電極板と、誘電体膜を介して前記複数の電極板を支持する一体構造の電極支持部材とを有し、
前記複数の電極板は、それぞれスイッチを介して前記直流電源に接続されているプラズマ処理装置を用いて、前記第１電極および前記第２電極との間に処理ガスのプラズマを生成して被処理基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記直流電源からの直流電圧を前記複数の電極板に選択的に印加してプラズマ密度分布を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
前記プラズマ処理時には前記直流電源からの直流電圧を印加し、前記処理容器内部のクリーニング時には前記直流電源からの直流電圧の印加を停止することを特徴とする請求項８または請求項９に記載のプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１３５８３８（Ｐ２０１０−１３５８３８Ａ）
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３５６８２（Ｐ２０１０−３５６８２）
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【分割の表示】特願２００５−１０２９５３（Ｐ２００５−１０２９５３）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２２日（２０１０．２．２２）
【分割の表示】特願２００５−１０２９５３（Ｐ２００５−１０２９５３）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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