JP5231038B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法、ならびに記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板等の被処理基板に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、ならびに記憶媒体に関する。

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

このような枚葉式のプラズマエッチングを行うプラズマ処理装置としては、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。

このような容量結合型平行平板プラズマエッチング装置では、チャンバ内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、下部電極に被処理基板を載置し、処理ガスを真空状態のチャンバ内に導入するとともに、いずれかの電極に高周波電力を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により電子を加速して、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマを形成し、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。このような容量結合型平行平板プラズマエッチング装置の中で、被処理基板を載置する下部電極に高周波電力を印加してこれをカソード（陰極）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被処理基板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。

そして、最近では、このようなカソードカップル方式において、被処理基板を支持する下部電極に、プラズマ生成に適した比較的高い周波数（一般に２７ＭＨｚ以上）の第１高周波とイオン引き込みに適した比較的低い周波数（一般に１３ＭＨｚ以下）の第２高周波とを重畳する下部２周波重畳印加方式が提案されている（例えば特許文献１）。

このような下部２周波重畳印加方式は、プラズマの密度および異方性エッチングの選択性を第１高周波および第２高周波によりそれぞれ個別的に最適化することができるという利点の他、上部電極にポリマー等の堆積物（デポ）が付着することの抑制に比較的低い周波数の第２高周波が有効に作用するという利点も有している。

ところで、近年、半導体等の製造プロセスにおけるデザインルールが益々微細化し、特にプラズマエッチングでは、より高い寸法精度が求められており、エッチングにおけるマスクや下地に対する選択比や面内均一性をより高くすることが求められている。そのため、チャンバ内のプロセス領域の低圧力化、低イオンエネルギー化が指向され、そのためにプラズマ生成のために４０ＭＨｚ以上といった従来よりも格段に高い周波数の高周波が用いられつつある。

しかしながら、このようにプラズマ生成のために高い周波数の高周波電力を使用すると、その高周波電流が電極の中心部に集中する傾向にあり、中心部側のプラズマ電位がエッジ部側よりも高くなり、プラズマ密度が不均一になってしまう。そして、このような高周波数の高周波電力で生成された低圧で低イオンエネルギーのプラズマでは、プラズマ電位の面内不均一にともなうプラズマ密度の不均一が処理の不均一やチャージアップダメージを引き起こしやすくなるといった問題が生じる。

このような問題点を解決する技術として、特許文献２には、上部電極を内側電極と外側電極とに分割し、これらに別個に直流電圧を印加することにより、プラズマの空間電位分布を制御して、エッチングレート等のプラズマ処理パラメータの面内均一性を向上させる技術が開示されている。

しかしながら、特許文献２に記載された技術を単に下部２周波重畳印加方式のプラズマ処理装置に適用しただけでは、エッチングレート等の制御範囲が狭く、またエッチングレートの向上にともなってデポが増加してＣＤ不均一を生じるといった副作用のおそれがある。
特開２０００−１５６３７０号公報 特開２００６−２８６８１４号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、下部２周波重畳印加方式において、プラズマ処理の均一性制御範囲が広くかつデポによるＣＤ不均一のような副作用が生じ難い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。

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、前記処理容器内に配置され、外側部分を構成する外側電極と中央部分を構成する内側電極とに分割された第１電極と、前記処理容器内に前記第１電極に対向して配置され、被処理基板を支持する第２電極と、前記第２電極に相対的に周波数の高い第１の高周波電力を印加する第１の高周波電力印加ユニットと、前記第２電極に相対的に周波数の低い第２の高周波電力を印加する第２の高周波電力印加ユニットと、前記外側電極に直流電圧を印加する第１の直流電圧印加回路と、前記内側電極に直流電圧を印加する第２の直流電圧印加回路と、前記第１の直流電圧印加回路および前記第２の直流電圧印加回路を制御する制御装置と、前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットとを具備し、前記第１電極と前記第２電極との間がプラズマ生成空間となり、前記プラズマ生成空間側から前記第１電極を見た際の前記外側電極における周波数―インピーダンス特性が、前記外側電極に印加される直流電圧が増加するに従い、前記第１の高周波電力の周波数においてインピーダンスが減少し、前記第２の高周波電力の周波数においてインピーダンスが増加する特性になるように、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性が設定されることを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

上記第１の観点において、前記プラズマ生成空間側から前記第１電極を見た際の前記内側電極における周波数―インピーダンス特性が、前記内側電極に印加される直流電圧が増加するとともに、前記第１の高周波電力の周波数においてインピーダンスが増加し、前記第２の高周波電力の周波数においてインピーダンスが増加する特性になるように、前記内側電極から見た前記第２の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性が設定されることが好ましい。

前記外側電極に印加する直流電圧が最大の時に形成されるプラズマシースの前記第１の高周波電力の周波数に対するインピーダンスを打ち消すように、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路のインピーダンスが設定されていることが好ましい。

前記外側電極および前記内側電極に直流電圧を印加しない場合に、前記第１の高周波電力の周波数に対するインピーダンスが、前記第２の高周波電力の周波数に対するインピーダンスよりも大きくなるように、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性および前記内側電極から見た前記第２の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性が設定されることが好ましい。

前記第１の直流電圧印加回路は、前記第１の高周波電力の周波数の流入を抑制するローパスフィルタを有し、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性は、前記ローパスフィルタの周波数−インピーダンス特性を調整することにより設定されるようにすることができる。

前記第２の直流電圧印加回路は、前記第２の高周波電力の周波数の流入を抑制するローパスフィルタを有し、前記内側電極から見た前記第２の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性は、前記ローパスフィルタの周波数−インピーダンス特性を調整することにより設定されるようにすることができる。

前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性は、前記第１の高周波電力の周波数よりも僅かに低い周波数が直列共振周波数となり、前記第２の高周波電力の周波数近傍にも直列共振周波数が存在するものとすることができる。

前記第１の高周波電力の周波数は、３０〜１１０ＭＨｚであり、前記第２の高周波電力の周波数は、０．１〜３０ＭＨｚであることが好ましい。

本発明の第２の観点では、上記第１の観点のプラズマ処理装置におい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、前記内側電極へ印加される直流電圧値を所定の値に設定し、その直流電圧値を前記内側電極へ印加しながら、プラズマ密度の均一性が所望の値となるように、前記外側電極へ印加する直流電圧値を調整して処理条件を決定し、その条件でプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

本発明の第３の観点では、コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、前記プログラムは、実行時に、上記プラズマ処理方法が行われるように前記プラズマ処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体を提供する。

本発明によれば、前記プラズマ生成空間側から前記第１電極を見た際の前記外側電極における周波数―インピーダンス特性が、前記外側電極に印加される直流電圧が増加するとともに、前記第１の高周波電力の周波数においてインピーダンスが減少し、前記第２の高周波電力の周波数においてインピーダンスが増加する特性になるように、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性が設定されるので、第１の高周波電力の高周波パワーを外側電極に誘導し、より高いプラズマ密度を得ることができ、外側のプラズマ密度の調整マージンを大きくすることができるととともに、第２の高周波電力の高周波パワーを外側電極から引き離し、前記第１の高周波電力が印加された際におけるその自己バイアス効果を低減し、直流電圧印加によるプラズマのデポ性上昇効果を弱めて、デポによるＣＤの不均一といった副作用を抑制することができる。

また、このような装置において、まず、前記内側電極へ印加される直流電圧値を所定の値に設定し、その直流電圧値を前記内側電極へ印加しながら、プラズマ密度の均一性が所望の値となるように、前記外側電極へ印加する直流電圧値を調整して処理条件を決定し、その条件でプラズマ処理を行うので、確実に適切なプラズマ処理条件を見出すことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について具体的に説明する。
ここでは、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマエッチング装置について説明する。図１は本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略断面図である。このプラズマエッチング装置は、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されており、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなる略円筒状のチャンバ（処理容器）１０を有している。このチャンバ１０は保安接地されている。

チャンバ１０の底部には、セラミックス等からなる絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上に例えばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、その上に被処理基板である半導体ウエハＷが載置される。

サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電力で吸着保持する静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は、導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートで挟んだ構造を有するものであり、電極２０には直流電源２２が電気的に接続されている。そして、直流電源２２からの直流電圧により生じたクーロン力等の静電力により半導体ウエハＷが静電チャック１８に吸着保持される。

静電チャック１８（半導体ウエハＷ）の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの均一性を向上させるための、例えばシリコンからなる導電性のフォーカスリング（補正リング）２４が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面には、例えば石英からなる円筒状の内壁部材２６が設けられている。

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

さらに、図示しない伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給ライン３２を介して静電チャック１８の上面と半導体ウエハＷの裏面との間に供給される。

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

この上部電極３４は、絶縁性遮蔽部材４２を介して、チャンバ１０の上部に支持されており、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、このギャップには絶縁部材７２が設けられる。

外側上部電極３４ａは、電極板３６ａと、この電極板３６ａ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とを有する。電極板３６ａ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。

内側上部電極３４ｂは、多数のガスのガス吐出孔３７を有する電極板３６ｂと、この電極板３６ｂ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、ガス拡散室４０が設けられている。ガス拡散室４０からはガス吐出孔３７に連通する多数のガス通流孔４１が下方に延びている。

電極支持体３８ｂ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Ｃ_４Ｆ_８ガスのようなフロロカーボンガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）がガス供給管６４からガス拡散室４０に至り、ガス通流孔４１およびガス吐出孔３７を介してシャワー状にプラズマ生成空間に吐出される。すなわち、上部電極３４は処理ガスを供給するためのシャワーヘッドとして機能する。

外側上部電極３４ａには、第１の直流電圧印加回路４７ａを介して第１の可変直流電源５０ａが電気的に接続されている。第１の直流電圧印加回路４７ａは、給電線４５ａと、その間に介在された４０ＭＨｚの高周波電流を抑制するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａとを有している。第１の可変直流電源５０ａは、オン・オフスイッチ５２ａにより給電のオン・オフが可能となっている。内側上部電極３４ｂには、第２の直流電圧印加回路４７ｂを介して第２の可変直流電源５０ｂが電気的に接続されている。第２の直流電圧印加回路４７ｂは、給電線４５ｂと、その間に介在された４０ＭＨｚの高周波電流を抑制するためのローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ｂとを有している。第２の可変直流電源５０ｂは、オン・オフスイッチ５２ｂにより給電のオン・オフが可能となっている。第１および第２の可変直流電源５０ａ，５０ｂの極性および電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ５２のオン・オフはコントローラ（制御装置）５１により制御されるようになっている。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａ，４６ｂは、後述する第１の高周波電源からの高周波の流入を抑制するとともに、これら高周波電源の周波数に対応して、外側上部電極３４ａから見た上部側の第１の直流電圧印加回路４７ａのインピーダンス、および内側上部電極３４ｂから見た上部側の第２の直流電圧印加回路４７ｂのインピーダンスを適切な値とするためのものであり、好適にはＬＣフィルタで構成される。

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

下部電極であるサセプタ１６には、整合器８７を介して第１の高周波電源８９が電気的に接続され、また、整合器８８を介して第２の高周波電源９０が接続されている。第１の高周波電源８９は、２７ＭＨｚ以上の周波数、例えば４０ＭＨｚの第１の高周波電力を出力する。第２の高周波電源９０は、１３ＭＨｚ以下の周波数、例えば３．２ＭＨｚの第２の高周波電力を出力する。

整合器８７，８８は、それぞれ第１および第２の高周波電源８９，９０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１および第２の高周波電源８９，９０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。

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

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、これにより異常放電防止効果を発揮する。

プラズマエッチング装置の各構成部は、制御部（全体制御装置）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、オペレータがプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ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。

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。レシピは記憶部９７中の記憶媒体に記憶されている。記憶媒体はハードディスクのような固定的なものであってもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のものであってもよい。また、他の装置から、例えば専用回線を介してレシピを適宜伝送させるようにしてもよい。

そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース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。なお、本発明の実施の形態で述べるプラズマ処理装置（プラズマエッチング装置）は、この制御部９５を含むものとする。

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Ｃ_４Ｆ_８ガスのようなフロロカーボンガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）に代表されるハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。さらに、ＡｒガスやＯ_２ガス等の他のガスが含まれていてもよい。

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、下部電極であるサセプタ１６に、第１の高周波電源８９からプラズマ生成用の第１の高周波電力を所定のパワーで印加するとともに、第２の高周波電源９０よりイオン引き込み用の第２の高周波電力を所定のパワーで印加する。そして、第１および第２の可変直流電源５０ａ，５０ｂから第１の直流電圧印加回路４７ａおよび第２の直流電圧印加回路４７ｂを介して所定の直流電圧を外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂ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。

上部電極３４の電極板３６に形成されたガス吐出孔３７から吐出された処理ガスは、高周波電力により生じた上部電極３４と下部電極であるサセプタ１６間のグロー放電中でプラズマ化し、このプラズマで生成される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。

このプラズマエッチング装置では、下部電極であるサセプタ１６に第１の高周波電源８９からの相対的に高い周波数領域の第１の高周波電力と、第２の高周波電源９０からの相対的に低い周波数領域の第２の高周波電力とを重畳して印加するので、より周波数の高い第１の高周波電力によるプラズマ密度の調整と、より周波数の低い第２の高周波電力によるイオン引き込み性の調整とを個別的に行うことができ、これらにより、プラズマの密度および異方性エッチングの選択性の調整を行うことができる。また、このような下部２周波重畳印加方式により、より低い第２の高周波電力を上部電極３４に対するデポ付着の抑制に有効に作用させることができるといった利点も得ることができる。また、第１の高周波電源８９から印加される高周波電力は、例えば４０ＭＨｚといった高い周波数領域の高周波電力であるので、低圧の条件下で低イオンエネルギーの高密度プラズマを形成することができる。

ただし、このように高い周波数の高周波電力によってプラズマを生成する場合には、その高周波電流が電極の中心部に集中する傾向にあり、中心部側のプラズマ電位がエッジ部側よりも高くなるため、本実施形態では、それを回避するために、上部電極３４を外側上部電極３４ａと内側上部電極３４ｂに、それぞれ個別的に第１および第２の可変直流電源５０ａ，５０ｂから適正な強さの直流電圧を印加してプラズマの空間電位の分布を調整するようにしている。

すなわち、上部電極に直流電圧を印加するとプラズマシースが拡大してプラズマの空間電位を調整することができることから、外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに第１および第２の直流電圧印加回路４７ａ，４７ｂを介して第１および第２の可変直流電源５０ａ，５０ｂから個別的に直流電圧を印加してその値を調整することにより、プラズマが形成される空間の外側と内側の空間電位分布を制御することができ、プラズマ密度を調整することができる。具体的には、図２に示すように、外側上部電極３４ａに印加する直流電圧の値を大きくしてプラズマシースを広げることにより、プラズマ密度の均一化を図る。

しかしながら、単に、外側上部電極３４ａと内側上部電極３４ｂに印加する直流電圧の値を変化させるだけでは、プラズマ密度（電子密度）の制御範囲が狭く、ひいてはエッチングレート等のプラズマ処理パラメータの制御範囲が狭くなり、またエッチングレートの向上にともなってデポが増加してＣＤ不均一を生じるといった副作用が生じるおそれがある。

そこで、本実施形態では、高周波電力および直流電圧を印加していない場合の外側上部電極３４ａから見た上部側の第１の直流電圧印加回路４７ａにおける周波数−インピーダンス特性を調整して、内側上部電極３４ｂから見た上部側の第２の直流電圧印加回路４７ｂにおける周波数−インピーダンス特性とは異なるものとし、外側上部電極３４ａへの直流電圧印加の効果を高める。

具体的には、高周波電力および直流電圧を印加した場合に、プラズマ生成空間側から見た際の外側上部電極３４ａにおける周波数−インピーダンス特性が、印加する直流電圧の増加に従い、高周波側の第１の高周波電力の周波数でインピーダンスが減少し、低周波側の第２の高周波電力の周波数でインピーダンスが増加するように、外側上部電極３４ａから見た第１の直流電圧印加回路４７ａのインピーダンス設計を行う。これにより、プラズマ密度の（電子密度）の制御範囲を広くするとともに、デポの増加によるＣＤの不均一といった副作用を解消することができる。このようなインピーダンス設計は、例えば、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａのインピーダンスを調整することにより実現することができる。その他、電極間容量や給電ラインのインピーダンスの調整によっても実現することができる。

以下、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａのインピーダンスにより調整する場合を例にとって詳細に説明する。
従来は、例えば、第１の高周波電源８９の周波数を４０ＭＨｚとし、第２の高周波電源９０の周波数を３．２ＭＨｚとしたとき、直流印加回路に用いられるローパスフィルタ（ＬＰＦ）として、図３に示すような周波数−インピーダンス特性のものが一般的に用いられていた。すなわち、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）として用いられる並列ＬＣ回路は、一般に、特定の周波数でインピーダンスが高い方へ突出する並列共振周波数と、この並列共振周波数から離れた特定の周波数でインピーダンスが低い方へ突出する直列共振周波数を有し、正のインピーダンスを与えるコイル成分と負のインピーダンスを与えるコンデンサの大きさ等を調整することによりこれら並列共振周波数および直列共振周波数の位置を調整することができるが、通常は、図３に示すように、高周波側の第１の周波数である４０ＭＨｚ付近が並列共振周波数となるようにし、低周波側の第２の周波数である３．２ＭＨｚ付近が直列共振周波数となるようにして、４０ＭＨｚ付近では高インピーダンスであり、３．２ＭＨｚ付近では低インピーダンスの特性を有するものが用いられていた。このような特性を有するローパスフィルタ（ＬＰＦ）を上部電極の直流電圧印加回路に用いた場合には、高周波電力および直流電圧を印加していない時の上部電極から見た上部側の周波数−インピーダンス特性は例えば図４に示すようになる。すなわち、第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚ付近が直列共振周波数となり、１０ＭＨｚ付近が並列共振周波数となり、第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚではインピーダンスが緩やかに低下している。

プラズマを生成するとともに上部電極に直流電圧を印加すると、その電圧に相当するプラズマシースが形成され、プラズマ空間側から上部電極を見た際のインピーダンスは、図４のインピーダンス曲線が右にシフトしたものとなり、印加直流電圧の値が大きくなるに従ってシフト量は大きくなるが、図４に示すように、第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚでは、インピーダンス曲線が右にシフトするとインピーダンスが増加するようになり、このようなインピーダンス特性を外側上部電極３４ａに適用しても、プラズマ密度（電子密度）の制御が十分なものとはいえない。したがって、外側上部電極３４ａでは直流電圧印加によって、よりその制御範囲を広げることが望まれる。ただし、内側上部電極３４ｂでは直流電圧印加によってプラズマ密度を上昇させる必要はないため、従来のインピーダンス曲線で十分である。

一方、低周波数側の第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚに対しては、その自己バイアス（Ｖｄｃ）効果を低減し、直流電圧印加によるプラズマのデポ性上昇効果を弱めて、デポによるＣＤの不均一といった副作用を抑制する必要がある。

そこで、本実施形態では、図５に示すように、内側上部電極３４ｂへの直流電圧印加回路のローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ｂとして、図３に示すような従来と同様のインピーダンス特性を有するものを用い、外側上部電極３４ａへの直流電圧印加回路のローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａとして、直列共振周波数が第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚ付近の他に６０ＭＨｚ付近に存在し、並列共振周波数が１５ＭＨｚ付近に存在するインピーダンス特性を有するものを用いて、直流電圧がより有効に作用するようにした。

図５のようなインピーダンス特性のローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａを用いることにより、図６に示すように、外側上部電極３４ａから見た上部側の第１の直流電圧印加回路４７ａの周波数−インピーダンス特性を、従来の特性と同等の内側上部電極４６ｂから見た周波数−インピーダンス特性とは異なった以下のような特性とする。

すなわち、図５の特性のローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａを用いることにより、外側上部電極４６ａから見た第１の直流電圧印加回路４７ａの周波数−インピーダンス特性を、低周波数側の第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚ付近が直列共振周波数となり、高周波数側の第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚよりも多少小さい周波数も直列共振周波数となるように設定する。

これにより、プラズマを生成するとともに外側上部電極３４ａに直流電圧を印加すると、プラズマ空間側から外側上部電極３４ａを見た際のインピーダンスは、高周波数側の第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚでは、印加する直流電圧が上昇するほど直列共振周波数に近づいていき、４０ＭＨｚの高周波パワーを外側上部電極３４ａに誘導し、より高いプラズマ密度（電子密度）を得ることができる。すなわち、このようなインピーダンス設計は、直流電圧印加によるプラズマ密度（電子密度）上昇効果を強める機能を発揮する。これにより、外側のプラズマ密度の調整マージンを大きくすることができ、プラズマ密度の面内均一性、ひいてはエッチングレート等の処理特性の面内均一性を制御する範囲を広くすることができる。一方、低周波数側の第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚでは、プラズマ空間側から外側上部電極３４ａを見た際のインピーダンスは、印加する直流電圧が上昇するほど直列共振周波数から遠ざかり、３．２ＭＨｚの高周波パワーを外側上部電極３４ａから引き離し、上記３．２ＭＨｚが印加された際におけるその自己バイアス（Ｖｄｃ）効果を低減し、直流電圧印加によるプラズマのデポ性上昇効果を弱めて、デポによるＣＤの不均一といった副作用を抑制することができる。

これに対し、内側上部電極３４ｂでは、従来のインピーダンス設計を行い、高周波数側の第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚでは、印加する直流電圧が上昇してもインピーダンスは増加していき、プラズマ密度の上昇が抑制されるようにする。一方、低周波数側の第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚでは、外側上部電極３４ａと同様、印加する直流電圧が上昇するほど直列共振周波数から遠ざかるようにされる。

なお、図３〜６において、縦軸のインピーダンスＺは、抵抗成分をＲ、リアクタンス成分をＸとすると、Ｚ＝（Ｒ^２＋Ｘ^２）^１／２で表すことができるが、Ｒはほぼ無視できるため、Ｘのみ考慮すれば十分である。ある周波数でのＸの値は実際には正負があり、これらの図のインピーダンス曲線におけるその周波数での傾きが右上がりの時にＸが正であり、右下がりの時にＸが負である。したがって、図５より、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａのインピーダンスは３．２ＭＨｚに対して−１Ω付近、４０ＭＨｚに対して−２０Ω付近となり、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ｂのインピーダンスは、３．２ＭＨｚに対して−３Ω付近、４０ＭＨｚに対して−４０００Ω付近となる。

また、図６に示すように、３．２ＭＨｚに対する外側上部電極３４ａから見た上部側のインピーダンスが直列共振周波数よりも僅かに大きい値となっているが、これは、高周波電力を印加した時点でインピーダンス曲線が右側にシフトするからである。すなわち、直流電圧印加前の３．２ＭＨｚに対する外側上部電極３２ｂから見た上部側のインピーダンスを直列共振周波数よりも小さい範囲で極力直列共振周波数に近づけて直流電圧印加によるデポ性上昇効果を低減する効果をより大きくするためである。

このようなインピーダンス調整においては、外側上部電極３４ａに印加される直流電圧は、周波数が第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚにおいて、インピーダンスシフトが最大でも図６の直列共振周波数までになるようにすることが好ましい。換言すると、外側上部電極３４ａに印加する直流電圧を最大にしたときに形成されるプラズマシースの４０ＭＨｚに対するインピーダンスを打ち消すように、外側上部電極３４ａから見た上部側インピーダンスが設定されることが好ましい。直流電圧がこのような大きさを超えるとかえってインピーダンスが上昇して好ましくない。

また、図６に示すように、直流電圧を印加していない状態で、外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂともに、相対的に周波数の高い第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚに対するインピーダンスが、相対的に周波数の低い第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚのインピーダンスよりも高いことが好ましい。第１の高周波電力の周波数である４０ＭＨｚに対して高めのインピーダンスを与えることで、第１の高周波電力が下部電極であるサセプタ１６から上部電極へ流れにくくなり、プラズマの電子電流のうち壁部に流れる割合が相対的に増大し、プラズマが半径方向外側へ広がるようになって、プラズマ密度の均一性を高めることが可能となる。一方、第２の高周波電力の周波数である３．２ＭＨｚに対して低めのインピーダンスを与えることで、３．２ＭＨｚの高周波に追従して振動するプラズマ中のイオンを上部電極３４に強い衝撃で入射させて上部電極３４表面のデポをスパッタ除去する機能を高くすることができる。

このようにインピーダンス設計された外側上部電極３４ａおよび内側上部電極３４ｂに印加される直流電圧を調整してプラズマ処理の条件出しを行う際には、まず、デポ除去性および安定性の観点から内側上部電極３４ｂに印加する直流電圧を決定し、内側上部電極３４ｂにはそのようにして決定された直流電圧を一定値で印加しながら、プラズマ密度の面内均一性が所望の値になるように、外側上部電極３４ａに印加する直流電圧の値を調整する。

このように、内側上部電極３４ｂに印加する適切な直流電圧を決定してから、外側上部電極３４ａに印加する直流電圧を均一性を見ながら調整するので、確実に適切なプラズマ処理条件を見出すことができる。

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、上記実施形態では、プラズマ生成用の第１の高周波電力の周波数を４０ＭＨｚ、イオン引き込み用の第２の高周波電力の周波数を３．２ＭＨｚにした場合を例にとって説明したが、これに限るものではなく、第１の高周波電力の周波数としては３０〜１１０ＭＨｚ、例えば１００ＭＨｚなどを採用することができ、第２の高周波電力の周波数としては０．１〜３０ＭＨｚ、例えば０．３ＭＨｚや１３．５６ＭＨｚなどを採用することができる。

また、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａ，４６ｂのインピーダンス特性は一例に過ぎず、プロセスに応じて任意の特性を使用することができる。また、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４６ａはインピーダンスが可変のものを用いてもよい。また、上述したように、外側上部電極３４ａ、内側上部電極３４ｂから見た上部側のインピーダンスの調整は、ローパスフィルタに限らず、電極間容量や給電ラインのインピーダンスの調整等、種々の方法を採用することが可能である。また、本発明においては、内側上部電極３４ｂから見た上部側のインピーダンス特性は特に限定されるものではなく、プロセスに応じて適宜設定される。

さらに、上記実施形態では、本発明をプラズマエッチングに適用した場合について説明したが、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化等の他のプラズマ処理にも適用することができる。さらに、上記実施形態では、被処理基板が半導体ウエハである場合について説明したが、フラットパネルディスプレイ用の基板等、他の基板のプラズマ処理の場合にも適用可能である。

本発明の一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１の装置において、外側上部電極および内側上部電極に直流電圧を印加した場合のプラズマシースを模式的に示す図。 上部電極への直流電圧印加回路に用いられる従来のローパスフィルタ（ＬＰＦ）の周波数−インピーダンス特性を示すグラフ。 図３の特性のローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いた場合の上部電極から見た上部側の周波数−インピーダンス特性を示すグラフ。 図１の装置において、外側上部電極への直流電圧印加回路に用いられるローパスフィルタ（ＬＰＦ）および内側上部電極への直流電圧印加回路に用いられるローパスフィルタ（ＬＰＦ）の周波数−インピーダンス特性を示すグラフ。 図５の特性のローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いた場合の外側上部電極から見た上部側の周波数−インピーダンス特性および内側上部電極から見た上部側の周波数−インピーダンス特性を示すグラフ。

符号の説明

１０…チャンバ（処理容器）
１６…サセプタ（下部電極）
３４…上部電極
３４ａ…外側上部電極
３４ｂ…内側上部電極
４６ａ，４６ｂ…ローパスフィルタ
４７ａ…第１の直流電圧印加回路
４７ｂ…第２の直流電圧印加回路
５０ａ…第１の可変直流電源
５０ｂ…第２の可変直流電源
５１…コントローラ
５２ａ，５２ｂ…オン・オフスイッチ
６６…処理ガス供給源
８４…排気装置
８９…第１の高周波電源
９０…第２の高周波電源
Ｗ…半導体ウエハ（被処理基板）

Claims (10)

1. 被処理基板が収容され、真空排気可能な処理容器と、
   前記処理容器内に配置され、外側部分を構成する外側電極と中央部分を構成する内側電極とに分割された第１電極と、
   前記処理容器内に前記第１電極に対向して配置され、被処理基板を支持する第２電極と、
   前記第２電極に相対的に周波数の高い第１の高周波電力を印加する第１の高周波電力印加ユニットと、
   前記第２電極に相対的に周波数の低い第２の高周波電力を印加する第２の高周波電力印加ユニットと、
   前記外側電極に直流電圧を印加する第１の直流電圧印加回路と、
   前記内側電極に直流電圧を印加する第２の直流電圧印加回路と、
   前記第１の直流電圧印加回路および前記第２の直流電圧印加回路を制御する制御装置と、
   前記処理容器内に処理ガスを供給する処理ガス供給ユニットと
   を具備し、
   前記第１電極と前記第２電極との間がプラズマ生成空間となり、
   前記プラズマ生成空間側から前記第１電極を見た際の前記外側電極における周波数―インピーダンス特性が、前記外側電極に印加される直流電圧が増加するに従い、前記第１の高周波電力の周波数においてインピーダンスが減少し、前記第２の高周波電力の周波数においてインピーダンスが増加する特性になるように、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性が設定されることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記プラズマ生成空間側から前記第１電極を見た際の前記内側電極における周波数―インピーダンス特性が、前記内側電極に印加される直流電圧が増加するとともに、前記第１の高周波電力の周波数においてインピーダンスが増加し、前記第２の高周波電力の周波数においてインピーダンスが増加する特性になるように、前記内側電極から見た前記第２の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性が設定されることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記外側電極に印加する直流電圧が最大の時に形成されるプラズマシースの前記第１の高周波電力の周波数に対するインピーダンスを打ち消すように、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路のインピーダンスが設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記外側電極および前記内側電極に直流電圧を印加しない場合に、前記第１の高周波電力の周波数に対するインピーダンスが、前記第２の高周波電力の周波数に対するインピーダンスよりも大きくなるように、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性および前記内側電極から見た前記第２の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性が設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第１の直流電圧印加回路は、前記第１の高周波電力の周波数の流入を抑制するローパスフィルタを有し、前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性は、前記ローパスフィルタの周波数−インピーダンス特性を調整することにより設定されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第２の直流電圧印加回路は、前記第２の高周波電力の周波数の流入を抑制するローパスフィルタを有し、前記内側電極から見た前記第２の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性は、前記ローパスフィルタの周波数−インピーダンス特性を調整することにより設定されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記外側電極から見た前記第１の直流電圧印加回路の周波数−インピーダンス特性は、前記第１の高周波電力の周波数よりも僅かに低い周波数が直列共振周波数となり、前記第２の高周波電力の周波数近傍にも直列共振周波数が存在するものであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずか１項に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記第１の高周波電力の周波数は、３０〜１１０ＭＨｚであり、前記第２の高周波電力の周波数は、０．１〜３０ＭＨｚであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかのプラズマ処理装置におい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、
   まず、前記内側電極へ印加される直流電圧値を所定の値に設定し、
   その直流電圧値を前記内側電極へ印加しながら、プラズマ密度の均一性が所望の値となるように、前記外側電極へ印加する直流電圧値を調整して処理条件を決定し、
   その条件でプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
10. コンピュータ上で動作し、プラズマ処理装置を制御するためのプログラムが記憶された記憶媒体であって、
    前記プログラムは、実行時に、請求項９のプラズマ処理方法が行われるように前記プラズマ処理装置を制御させることを特徴とする記憶媒体。

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