特許 5916056 プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5916056

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20160422BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101B

【請求項の数】19

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2011-171005(P2011-171005)

(22)【出願日】2011年8月4日

(65)【公開番号】特開2012-69921(P2012-69921A)

(43)【公開日】2012年4月5日

【審査請求日】2014年7月15日

(31)【優先権主張番号】特願2010-186017(P2010-186017)

(32)【優先日】2010年8月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100086564

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 聖孝

(72)【発明者】

【氏名】大矢 欣伸

(72)【発明者】

【氏名】田邊 明良

(72)【発明者】

【氏名】安田 吉紀

【審査官】 内田 正和

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１５７６９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４４４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１１２１３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５４４４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１６６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００９０１１８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空排気可能な処理容器内に配置された第１の電極上に被処理基板を載置する工程と、
前記処理容器内で処理ガスを励起してプラズマを生成する工程と、
前記プラズマから前記基板にイオンを引き込むために周波数の異なる第１および第２の高周波を前記第１の電極に重畳して印加する工程と、
前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施す工程と
を有し、
前記プラズマ処理において前記基板に引き込まれるイオンのエネルギーに依存する所定のプロセス特性を最適化するように、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比を制御し、
前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加し、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比に応じて前記直流電圧の絶対値を制御する、
プラズマ処理方法。

【請求項2】

前記基板に引き込まれるイオンのエネルギーに依存する複数のプロセス特性を同時に最適化するように、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比を制御する、請求項１に記載のプラズマ処理方法。

【請求項3】

前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー分布の最小エネルギーおよび最大エネルギーを独立に制御する、請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法。

【請求項4】

前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー分布において、最小エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域が第１のプロセス特性を支配的に左右し、最大エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域が第２のプロセス特性を支配的に左右する、請求項３に記載のプラズマ処理方法。

【請求項5】

前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー分布において、最小エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域と最大エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域に相対的に多くのイオンが分布し、中間のエネルギー領域に分布するイオンが相対的に少ない、請求項４に記載のプラズマ処理方法。

【請求項6】

前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー分布において、最小エネルギーから最大エネルギーまでの全領域にイオンがほぼ均一に分布する、請求項３に記載のプラズマ処理方法。

【請求項7】

前記第１の高周波の周波数は１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚの範囲内にあり、前記第２の高周波の周波数は６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚの範囲内にある、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項8】

前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー分布の幅を調節するために、前記第１および第２の高周波のトータルパワーを調整する、請求項７に記載のプラズマ処理方法。

【請求項9】

前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー分布の幅を調節するために、前記第２の高周波のパワーに対する前記第１の高周波のパワーの比を調整する、請求項７または請求項８に記載のプラズマ処理方法。

【請求項10】

前記基板に引き込まれるイオンの最小エネルギーを制御するために、前記第２の高周波のパワーを調整する、請求項７〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項11】

前記基板に引き込まれるイオンの最大エネルギーを制御するために、前記第１および第２の高周波のトータルパワーを調整する、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項12】

前記処理容器内に前記第１の電極と所定の間隔を隔てて平行に向かい合う第２の電極が設けられ、前記処理ガスを放電させるための第３の高周波を前記第１の電極または前記第２の電極に印加する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項13】

前記第３の高周波の周波数は２７ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの範囲内にある、請求項１２に記載のプラズマ処理方法。

【請求項14】

前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比から前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー総量を求め、前記エネルギー総量を多くするほど前記直流電圧の絶対値を大きくし、前記エネルギー総量を少なくするほど前記直流電圧の絶対値を小さくする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。

【請求項15】

被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記処理容器内で前記基板を載置して保持する第１の電極と、
前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むために第１の周波数を有する第１の高周波を前記第１の電極に印加する第１の高周波給電部と、
前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むために前記第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する第２の高周波を前記第１の電極に印加する第２の高周波給電部と、
前記プラズマから前記基板に引き込まれるイオンのエネルギーに依存する少なくとも１つのプロセス特性を最適化するように、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比を制御する制御部と、
前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加するための可変直流電源と、
前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比に応じて前記直流電圧の絶対値を制御するＤＣバイアス制御部と
を有するプラズマ処理装置。

【請求項16】

前記第１の高周波の周波数は１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚの範囲内であり、前記第２の高周波の周波数は６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚの範囲内にある、請求項１５に記載のプラズマ処理装置。

【請求項17】

前記プラズマ生成部が、
前記処理容器内で前記第１の電極と所定の間隔を隔てて平行に向かい合う第２の電極と、
前記処理ガスを放電させるために前記第２の周波数よりも高い第３の周波数を有する第３の高周波を前記第１の電極または前記第２の電極に印加する第３の高周波給電部と
を有する、請求項１５または請求項１６に記載のプラズマ処理装置。

【請求項18】

前記第３の高周波の周波数は２７ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの範囲内にある、請求項１７に記載のプラズマ処理装置。

【請求項19】

前記ＤＣバイアス制御部は、
前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比から前記基板に引き込まれるイオンのエネルギー総量を求める演算部と、
前記エネルギー総量を多くするほど前記直流電圧の絶対値を大きくし、前記エネルギー総量を少なくするほど前記直流電圧の絶対値を小さくするコントローラと
を有する、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被処理基板にプラズマ処理を施す技術に係わり、特にプラズマ空間に配置される基板にイオン引き込み用の高周波を印加するプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスやＦＰＤ（Flat Panel Display）の製造プロセスにおけるエッチング、堆積、酸化、スパッタリング等の処理では、処理ガスに比較的低温で良好な反応を行わせるためにプラズマが多く利用されている。この種のプラズマプロセスにおいては、真空の処理容器内で処理ガスを放電または電離させるために、高周波（ＲＦ）やマイクロ波が使用されている。

【0003】

たとえば容量結合型のプラズマ処理装置においては、処理容器内に上部電極と下部電極とを平行に配置し、下部電極の上に被処理基板（半導体ウエハ、ガラス基板等）を載置し、上部電極もしくは下部電極にプラズマ生成に適した周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以上）の高周波を印加する。この高周波の印加によって相対向する電極間に生成された高周波電界により電子が加速され、電子と処理ガスとの衝突電離によってプラズマが発生する。そして、このプラズマに含まれるラジカルやイオンの気相反応あるいは表面反応によって、基板上に薄膜が堆積され、あるいは基板表面の素材または薄膜が削られる。

【0004】

このように、プラズマプロセスでは、基板に入射するラジカルとイオンが重要な役割を果たす。特に、イオンは、基板に入射する際の衝撃によって物理的な作用を奏する点が重要である。

【0005】

従来より、プラズマプロセスにおいては、基板を載置する下部電極に比較的低い周波数（通常１３．５６ＭＨｚ以下）の高周波を印加し、下部電極上に発生する負のバイアス電圧またはシース電圧によりプラズマ中のイオンを加速して基板に引き込むＲＦバイアス法が多く用いられている。このようにプラズマからイオンを加速して基板表面に衝突させることにより、表面反応、異方性エッチングあるいは膜の改質等を促進することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平７−３０２７８６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記のようなＲＦバイアスの機能を搭載する従来のプラズマ処理装置は、下部電極に印加するイオン引き込み用の高周波を１種類（単一周波数）に限定し、その高周波のパワー、下部電極上の自己バイアス電圧あるいはシース電圧を制御パラメータとしている。

【0008】

しかしながら、本発明者がプラズマプロセスの技術開発の中でＲＦバイアスの作用について研究を重ねたところ、イオン引き込み用に単一の高周波を用いる従来方式は、複合的なプロセス特性を求められる最先端のプラズマプロセスにおいてはイオンエネルギー分布の制御性に難があることが分かってきた。

【0009】

より詳細には、イオン引き込み用に単一の高周波を用いたときに基板に入射するイオンのエネルギー分布(ＩＥＤ：Ion Energy Distribution）を解析すると、図１９Ａ〜図１９Ｃおよび図２０Ａ〜図２０Ｃに示すように、定型的に、連続したエネルギーバンドの中に全ての入射イオンのエネルギーが収まり、最大エネルギー付近および最小エネルギー付近にイオンが多く集中する（ピークが現れる）。したがって、イオンエネルギーの平均値だけでなく、イオンが多く集中する最大エネルギーおよび最小エネルギーを自在に可変できれば、プラズマプロセスにおいて求められるＲＦバイアス機能の制御性の向上が見込まれるのであるが、そうはならない。

【0010】

従来方式によれば、イオン引き込み用に低めの周波数たとえば０．８ＭＨｚの高周波を用いた場合、そのＲＦパワーを可変すると、イオンエネルギー分布特性は、図１９Ａ（低パワー）、図１９Ｂ（中パワー）、図１９Ｃ（高パワー）に示すように変化する。すなわち、最小エネルギーが略０ｅＶに固定されたまま、最大エネルギーがＲＦパワーに比例して１０００ｅＶ（図１９Ａ）、２０００ｅＶ（図１９Ｂ）、３０００ｅＶ（図１９Ｃ）と変化する。

【0011】

しかし、イオン引き込み用に高めの周波数たとえば１３ＭＨｚの高周波を用いた場合は、そのＲＦパワーを可変すると、イオンエネルギー分布特性は、図２０Ａ（低パワー）、図２０Ｂ（中パワー）、図２０Ｃ（高パワー）に示すように変化する。すなわち、最大エネルギーがＲＦパワーに比例して６５０ｅＶ、１３００ｅＶ、１９５０ｅＶと変化する一方で、最小エネルギーもＲＦパワーに比例して３５０ｅＶ、７００ｅＶ、１０５０ｅＶと変化する。

【0012】

なお、図１９Ａ〜図１９Ｃおよび図２０Ａ〜図２０Ｃのイオンエネルギー分布特性はアルゴン（Ａｒ⁺）イオンについてのものであるが、他のイオンでも同様の特性（パターン）が見られる。

【0013】

このように、従来方式においては、イオンエネルギー分布の最大エネルギーまたは平均エネルギーを任意に可変することはできても、最大エネルギーから独立して最小エネルギーを任意に可変することはできない。したがって、たとえば図２０Ｃの仮想線（一点鎖線）Ｋで示すようなイオンエネルギー分布特性を実現することはできない。そのことによって、本発明の実施形態の説明の中で後述するように、たとえばＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact）のプラズマエッチングにおいてエッチング速度および選択比とエッチング形状との間のトレードオフを巧みに回避できないことが問題となっている。

【0014】

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、ＲＦバイアス機能の制御性を向上させて、微細加工の様々な要求条件に対してプラズマプロセスの最適化を実現できるプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明のプラズマ処理方法は、真空排気可能な処理容器内に配置された第１の電極上に被処理基板を載置する工程と、前記処理容器内で処理ガスを励起してプラズマを生成する工程と、前記プラズマから前記基板にイオンを引き込むために周波数の異なる第１および第２の高周波を前記第１の電極に重畳して印加する工程と、前記プラズマの下で前記基板に所望のプラズマ処理を施す工程とを有し、前記プラズマ処理において前記基板に引き込まれるイオンのエネルギーに依存する所定のプロセス特性を最適化するように、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比を制御し、前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加し、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比に応じて前記直流電圧の絶対値を制御する。

【0016】

また、本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、前記処理容器内に所望の処理ガスを供給する処理ガス供給部と、前記処理容器内で前記処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記処理容器内で前記基板を載置して保持する第１の電極と、前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むために第１の周波数を有する第１の高周波を前記第１の電極に印加する第１の高周波給電部と、前記プラズマから前記第１の電極上の前記基板にイオンを引き込むために前記第１の周波数よりも高い第２の周波数を有する第２の高周波を前記第１の電極に印加する第２の高周波給電部と、前記プラズマから前記基板に引き込まれるイオンのエネルギーに依存する少なくとも１つのプロセス特性を最適化するように、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比を制御する制御部と、前記第２の電極に負極性の直流電圧を印加するための可変直流電源と、前記第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比に応じて前記直流電圧の絶対値を制御するＤＣバイアス制御部とを有する。

【0017】

本発明においては、被処理基板を載置する第１の電極にイオン引き込みに適した第１および第２の周波数をそれぞれ有する第１および第２の高周波を重畳して印加し、それら第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比を可変制御し、さらに第２の電極に負極性の直流電圧を印加し、第１および第２の高周波のトータルパワーおよびパワー比に応じて直流電圧の絶対値を制御する。これにより、プラズマから基板に入射するイオンのエネルギー分布において最小エネルギーおよび最大エネルギーを独立に制御することが可能であり、さらにはイオンエネルギー分布特性の形状を凹型やフラット型にすることも可能であり、多種多様なプロセス特性あるいは複合的なプロセス特性に対してイオンエネルギー分布特性を最適化し、ひいてはプロセス特性を最適化することができる。

【発明の効果】

【0018】

本発明のプラズマ処理方法またはプラズマ処理装置によれば、上記のような構成および作用により、ＲＦバイアス機能の制御性を向上させて、微細加工の様々な要求条件に対してプラズマプロセスの最適化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。

【図2】実施形態の２周波ＲＦバイアス法におけるシース電圧およびイオン応答電圧の波形を示す図である。

【図3】実施形態で用いる変換関数を示す図である。

【図4】単周波ＲＦバイアス法におけるイオンエネルギー分布およびイオン応答電圧を示す図である。

【図5】２周波ＲＦバイアス法におけるイオンエネルギー分布およびイオン応答電圧を示す図である。

【図6A】実施形態において、イオンエネルギー分布の最大エネルギーを固定したまま最小エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。

【図6B】イオンエネルギー分布の最大エネルギーを固定したまま最小エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。

【図6C】イオンエネルギー分布の最大エネルギーを固定したまま最小エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。

【図7A】実施形態において、イオンエネルギー分布の最小エネルギーを固定したまま最大エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。

【図7B】イオンエネルギー分布の最小エネルギーを固定したまま最大エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。

【図7C】イオンエネルギー分布の最小エネルギーを固定したまま最大エネルギーを一定範囲内で任意に調節できる機能を示す図である。

【図8A】実施形態において、エネルギー中心値を固定したまま、エネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。

【図8B】エネルギー平均値（中心値）を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。

【図8C】エネルギー平均値を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。

【図8D】エネルギー平均値を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。

【図8E】エネルギー平均値を固定したままエネルギーバンドの幅を一定範囲内で任意に可変できる機能を示す図である。

【図9】実施形態の２周波バイアス法における周波数の組み合わせ方法を説明するための図である。

【図10】ＨＡＲＣプロセスのエッチング加工を模式的に示す縦断面図である。

【図11A】ＳiＯ₂膜のエッチングにおいてＣ₄Ｆ₈ガスの流量を変化させたときのエッチング速度およびＣＦ重合膜の厚さを示すグラフ図である。

【図11B】ＳiＮ膜のエッチングにおいてＣ₄Ｆ₈ガスの流量を変化させたときのエッチング速度およびＣＦ重合膜の厚さを示すグラフ図である。

【図12】ＨＡＲＣプロセスにおけるネッキングを模式的に示す縦断面図である。

【図13】ＨＡＲＣプロセスにおける酸化膜および有機膜のエッチングイールドのイオンエネルギー依存性と、これに従来方式の単周波バイアスで対応する場合のイオンエネルギー分布特性とを示す特性を示す図である。

【図14】ＨＡＲＣプロセスにおける酸化膜および有機膜のエッチングイールドのイオンエネルギー依存性と、これに実施形態の２周波バイアスで対応する場合のイオンエネルギー分布特性とを示す特性を示す図である。

【図15】ＨＡＲＣプロセスにおいてマスク（有機膜）の各部にイオンが入射する際の入射角度を示す図である。

【図16】２周波バイアス法によるＨＡＲＣプロセスにおいて得られたパターン断面形状および特性データを示す図である。

【図17】２周波バイアス法によるＨＡＲＣプロセスにおいて得られたパターン断面形状（拡大図）および特性データを示す図である。

【図18】別の実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。

【図19A】低めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを低くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。

【図19B】低めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを中位の値に選んだときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。

【図19C】低めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを高くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。

【図20A】高めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを低くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。

【図20B】高めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを中位の値に選んだときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。

【図20C】高めの周波数を用いる従来の単周波バイアス法においてＲＦパワーを高くしたときに得られるイオンエネルギー分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図１〜図１８を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
［装置全体の構成］

【0021】

図１に、本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置の構成を示す。このプラズマ処理装置は、下部２周波／上部１周波印加方式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、たとえば表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）されたアルミニウムからなる円筒形の真空チャンバ（処理容器）１０を有している。チャンバ１０は保安接地されている。

【0022】

チャンバ１０の底部には、セラミックなどの絶縁板１２を介して円柱状のサセプタ支持台１４が配置され、このサセプタ支持台１４の上にたとえばアルミニウムからなるサセプタ１６が設けられている。サセプタ１６は下部電極を構成し、この上に被処理基板としてたとえば半導体ウエハＷが載置される。

【0023】

サセプタ１６の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着力で保持するための静電チャック１８が設けられている。この静電チャック１８は導電膜からなる電極２０を一対の絶縁層または絶縁シートの間に挟み込んだものであり、電極２０には直流電源２２がスイッチ２４を介して電気的に接続されている。直流電源２２からの直流電圧により、半導体ウエハＷを静電気力で静電チャック１８に吸着保持できるようになっている。静電チャック１８の周囲でサセプタ１６の上面には、エッチングの面内均一性を向上させるためのたとえばシリコンからなるフォーカスリング２６が配置されている。サセプタ１６およびサセプタ支持台１４の側面にはたとえば、石英からなる円筒状の内壁部材２８が貼り付けられている。

【0024】

サセプタ支持台１４の内部には、たとえば円周方向に延びる冷媒室または冷媒通路３０が設けられている。この冷媒通路３０には、外付けのチラーユニット（図示せず）より配管３２ａ，３２ｂを介して所定温度の冷媒たとえば冷却水ｃｗが循環供給される。冷媒ｃｗの温度によってサセプタ１６上の半導体ウエハＷの処理温度を制御できるようになっている。さらに、伝熱ガス供給機構（図示せず）からの伝熱ガスたとえばＨeガスが、ガス供給ライン３４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。

【0025】

サセプタ１６には、イオン引き込み用の第１高周波電源３６および第２高周波電源３８がそれぞれ下部整合器４０，４２および下部給電導体４４，４６を介して電気的に接続されている。下部給電導体４４，４６は共通の導体たとえば給電棒であってもよい。

【0026】

第１高周波電源３６は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷにプラズマのイオンを引き込むのに適した低めの周波数たとえば０．８ＭＨｚの第１高周波ＲＦ_L1を可変のパワーで出力するように構成されている。一方、第２高周波電源３８は、サセプタ１６上の半導体ウエハＷにプラズマのイオンを引き込むのに適した高めの周波数たとえば１３ＭＨｚの第２高周波ＲＦ_L2を可変のパワーで出力するように構成されている。

【0027】

サセプタ１６の上方には、このサセプタと平行に対向して上部電極４８が設けられている。この上部電極４８は、多数のガス噴出孔５０ａを有するたとえばＳi、ＳiＣなどの半導体材料からなる電極板５０と、この電極板５０を着脱可能に支持する導電材料たとえば表面がアルマイト処理されたアルミニウムからなる電極支持体５２とで構成されており、チャンバ１０の上部にリング状の絶縁体５４を介して取り付けられている。この上部電極４８とサセプタ１６との間にプラズマ生成空間または処理空間ＰＳが設定されている。リング状絶縁体５４は、たとえばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、上部電極４８の外周面とチャンバ１０の側壁との間の隙間を気密に塞いでおり、上部電極４８を非接地で物理的に支持している。

【0028】

電極支持体５２は、その内部にガスバッファ室５６を有するとともに、その下面にガスバッファ室５６から電極板５０のガス噴出孔５０ａに連通する多数のガス通気孔５２ａを有している。ガスバッファ室５６にはガス供給管５８を介して処理ガス供給源６０が接続されており、ガス供給管５８にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）６２および開閉バルブ６４が設けられている。処理ガス供給源６０より所定の処理ガスがガスバッファ室５６に導入されると、電極板５０のガス噴出孔５０ａよりサセプタ１６上の半導体ウエハＷに向けて処理空間ＰＳに処理ガスがシャワー状に噴出されるようになっている。このように、上部電極４８は処理空間ＰＳに処理ガスを供給するためのシャワーヘッドを兼ねている。

【0029】

上部電極４８には、プラズマ励起用の第３高周波電源６６が上部整合器６８および上部給電導体たとえば給電棒７０を介して電気的に接続されている。第３高周波電源６６は、処理ガスの容量結合による高周波放電つまりプラズマ生成に適した周波数たとえば６０ＭＨｚの第３高周波ＲＦ_Hを可変のパワーで出力するように構成されている。なお、プラズマ生成用の第３高周波ＲＦ_Hの周波数は、通常２７ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの範囲内で選ばれる。

【0030】

サセプタ１６およびサセプタ支持台１４とチャンバ１０の側壁との間に形成される環状の空間は排気空間となっており、この排気空間の底にはチャンバ１０の排気口７２が設けられている。この排気口７２に排気管７４を介して排気装置７６が接続されている。排気装置７６は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１０の室内、特に処理空間ＰＳを所望の真空度まで減圧できるようになっている。また、チャンバ１０の側壁には半導体ウエハＷの搬入出口７８を開閉するゲートバルブ８０が取り付けられている。

【0031】

チャンバ１０の外に設置される可変直流電源８２の一方の端子つまり出力端子は、スイッチ８４および直流給電ライン８５を介して上部電極４８に電気的に接続されている。可変直流電源８２はたとえば−２０００〜＋１０００Ｖの直流電圧Ｖ_DCを出力できるように構成されている。可変直流電源８２の他方の端子は接地されている。可変直流電源８２の出力（電圧、電流）の極性および絶対値およびスイッチ８４のオン・オフ切換は、後述する制御部８８からの指示の下でＤＣコントローラ８３により制御される。

【0032】

直流給電ライン８５の途中に設けられるフィルタ回路８６は、可変直流電源８２からの直流電圧Ｖ_DCをスルーで上部電極４８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４８を通って直流給電ライン８５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８２側へは流さないように構成されている。

【0033】

また、チャンバ１０内で処理空間ＰＳに面する適当な箇所に、たとえばＳi，ＳiＣ等の導電性材料からなるＤＣグランドパーツ（図示せず）が取り付けられている。このＤＣグランドパーツは、接地ライン（図示せず）を介して常時接地されている。

【0034】

制御部８８は、マイクロコンピュータを含み、このプラズマエッチング装置内の各部たとえば静電チャック用のスイッチ２４、第１、第２および第３高周波電源３６，３８，６６、整合器４０，４２，６８、処理ガス供給部（６０，６２，６４）、排気装置７６、ＤＣバイアス用の可変直流電源８２およびスイッチ８４、チラーユニット、伝熱ガス供給部等の動作を個別的および統括的に制御する。また、制御部８８は、マン・マシン・インタフェース用のタッチパネル（図示せず）および各種プログラムや設定値等のデータを格納する記憶装置（図示せず）等とも接続されている。なお、この実施形態では、制御部８８およびＤＣコントローラ８３がＤＣバイアス制御部を構成している。

【0035】

このプラズマエッチング装置において、エッチング加工を行なうには、先ずゲートバルブ８０を開状態にし、加工対象の半導体ウエハＷをチャンバ１０内に搬入して、静電チャック１８の上に載置する。そして、処理ガス供給源６０より所定の処理ガスつまりエッチングガス（一般に混合ガス）を所定の流量および流量比でチャンバ１０内に導入し、排気装置７６による真空排気でチャンバ１０内の圧力を設定値にする。さらに、第３高周波電源６６より所定のパワーでプラズマ生成用の第３高周波ＲＦ_H（６０ＭＨｚ）を上部電極４６に印加する。他方で、第１および第２高周波電源３６，３８よりそれぞれ所定のパワーでイオン引き込み用の第１高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）および第２高周波ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）をサセプタ（下部電極）１６に印加する。また、スイッチ２４をオンにし、静電吸着力によって、静電チャック１８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。また、必要に応じて、スイッチ８４をオンにし、可変直流電源８２からの所定の直流電圧Ｖ_DCを上部電極４８に印加する。シャワーヘッド（上部電極）４８より吐出されたエッチングガスは両電極１６，４８間で高周波の放電によってプラズマ化し、このプラズマに含まれるラジカルやイオンによって半導体ウエハＷの主面の膜がエッチングされる。

【0036】

この実施形態のプラズマエッチング装置は、プロセス中にプラズマから半導体ウエハＷに入射するイオンのエネルギーを制御するために、２つの高周波電源３６，３８よりイオン引き込みに適した２種類の高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ），ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）をサセプタ１２に重畳して印加するハードウェア構成（３２〜４６）を有し、エッチング加工の仕様、条件またはレシピに応じて制御部８８が両高周波ＲＦ_L1，ＲＦ_L2のトータルパワーおよびパワー比を制御するようになっている。

［実施形態におけるＲＦバイアス機能］

【0037】

この実施形態のプラズマエッチング装置においては、上記のように、プロセス中には、第１高周波電源３６および第２高周波電源３８よりイオン引き込み用の第１高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）および第２高周波ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）が重畳してサセプタ（下部電極）１６に印加される。そうすると、プラズマ生成空間ＰＳに臨むサセプタ１６または半導体ウエハＷの表面に生じるイオンシースには、図２に示すような両高周波ＲＦ_L1，ＲＦ_L2が重畳された負極性のシース電圧Ｖ_S(t)が発生する。なお、図２では、イオンシースの中で両高周波ＲＦ_L1，ＲＦ_L2が重畳されている状態をわかりやすくするために、第１高周波ＲＦ_L1の電圧（パワー）に比して第２高周波ＲＦ_L2の電圧（パワー）が著しく小さい場合を示している。

【0038】

プラズマからのイオンは、このようなシース電圧Ｖ_S(t)により加速されて半導体ウエハＷの表面に入射する。その際、入射イオンの加速度またはエネルギーは、その時のシース電圧Ｖ_S(t)の瞬時値（絶対値）に依存する。つまり、シース電圧Ｖ_S(t)の瞬時値（絶対値）が大きい時にイオンシース内に入ったイオンは大きな加速度または運動エネルギーでウエハ表面に入射し、シース電圧Ｖ_S(t)の瞬時値（絶対値）が小さい時にイオンシース内に入ったイオンは小さな加速度または運動エネルギーでウエハ表面に入射する。

【0039】

もっとも、イオンシース内で、イオンはシース電圧Ｖ_S(t)に対して１００％（係数１）以下のある感度で応答（加速運動）する。この応答感度または変換関数α(f)は、図３に示すようにＲＦバイアスに用いられる高周波の周波数ｆに依存して（逆比例して）変わり、次の式（１）で表わされる。
α(f)＝１／{（ｃｆτ_i）^p＋１}^1/p ・・・・（１）
ただし、ｃ＝0.3×２π、ｐ＝5、τ_i＝３ｓ（Ｍ／２ｅＶ_s）、Ｍはイオンの質量数、ｓはイオンのシース通過時間、Ｖ_sはシース電圧である。

【0040】

したがって、イオンシース内のイオンの加速に寄与する正味のシース電圧つまりイオン応答電圧Ｖ_i(t)は次の式（２）で表わされる。
Ｖ_i(t)＝α(f) Ｖ_S(t) ・・・・（２）

【0041】

図２に示すイオン応答電圧Ｖ_i(t)および図３に示す変換関数α(f)はＡr⁺イオンについてのものであるが、他のイオンもシース電圧Ｖ_S(t)およびＲＦバイアスの周波数に対して同様の特性を示す。

【0042】

図２の電圧波形からもわかるように、イオンシース内のイオンは、周波数が低めの第１高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）に対しては略１００％の感度（α(f)≒１）で応答（加速運動）し、周波数が高めの第２高周波ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）に対しては略５０％の感度（α(f)≒０．５）で応答（加速運動）する。

【0043】

上記のようなイオン応答電圧Ｖ_i(t)に基づいて、下記の式（３）から図４および図５に示すような考え方でイオンエネルギー分布ＩＥＤを計算で求めることができる。
ＩＥＤ（Ｅ_i）∝Σ_i（ｄＶ_i／ｄｔ_i） ・・・・（３）

【0044】

図４は、ＲＦバイアスに低めの周波数を有する単一の高周波を用いた場合のＩＥＤおよびイオン応答電圧Ｖ_i(t)を示している。一方、図５は、ＲＦバイアスに低めの周波数および高めの周波数をそれぞれ有する２つの高周波を用いた場合のＩＥＤおよびイオン応答電圧Ｖ_i(t)を示している。

【0045】

ＲＦバイアスに単一の高周波を用いる単周波バイアス法によれば、図１９Ａ〜図１９Ｃおよび図２０Ａ〜図２０Ｃにつき上述したように、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）が定型的に最大エネルギー付近および最小エネルギー付近にイオンが多く集中する（ピークが現れる）ような分布形状になり、ＲＦパワーを如何様に可変しても最小エネルギーを任意に可変することができないという制約が付く。

【0046】

これに対して、この実施形態におけるようにＲＦバイアスに２つの高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ），ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）を用いる２周波バイアス法によれば、両高周波ＲＦ_L1，ＲＦ_L2のトータルパワーおよび／またはパワー比を調整することにより、イオンエネルギー分布（ＩＥＤ）の最大エネルギーおよび最小エネルギーの各々を独立に制御することができる。

【0047】

すなわち、この実施形態においては、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、最大エネルギーをたとえば約２０００ｅＶに固定したまま最小エネルギーをたとえば約０ｅＶ〜１０００ｅＶの範囲内で任意に調節することができる。

【0048】

また、図７Ａ〜図７Ｃに示すように、最小エネルギーをたとえば約３５０ｅＶに固定したまま最大エネルギーをたとえば約６５０ｅＶ〜２６５０ｅＶの範囲内で任意に調節することができる。

【0049】

なお、図６Ａ〜図６Ｃおよび図７Ａ〜図７ＣにおけるＩＥＤ特性は、Ａr⁺イオンについて計算したものである。他のイオンでもパターン的には同様の特性が得られる。また、両高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ），ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）の電圧値は各々の周波数のバイアス電圧の振幅値であり、ＲＦパワーにも換算可能である。

【0050】

また、この実施形態においては、図６Ｂ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝３４０Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝１０００Ｖ］、図７Ｂ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝５００Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝５００Ｖ］に示すように、２周波のＲＦバイアスによって、エネルギーバンドの全領域にわたってイオンを略均一に分布させることも可能である。さらには、図７Ｃ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝１０００Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝５００Ｖ］に示すように、最小エネルギーおよび最大エネルギーのイオン入射数よりも中間エネルギーのイオン入射数を多くすることも可能である。

【0051】

さらに、この実施形態においては、図８Ａ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝１５００Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝０Ｖ］、図８Ｂ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝１１２５Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝３７５Ｖ］、図８Ｃ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝７５０Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝７５０Ｖ］、図８Ｄ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝３７５Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝１１２５Ｖ］、図８Ｅ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝０Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝１５００Ｖ］に示すように、２周波のＲＦバイアスによって、エネルギー平均値または中心値をたとえば１５００Ｖに固定したまま、エネルギーバンドの幅Ｅ_Wをたとえば約１０００ｅＶから約３０００Ｖの範囲内で任意に可変することも可能である。

【0052】

このように、この実施形態においては、ＲＦバイアスに第１高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）のみを用いた場合のＩＥＤ特性（図８Ａ）と、ＲＦバイアスに第２高周波ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）のみを用いた場合のＩＥＤ特性（図８Ｅ）との間で、エネルギーバンドの幅Ｅ_Wを任意に調節して中間のＩＥＤ特性を得ることができる。

【0053】

また、中間ＩＥＤ特性の中でも、第１高周波ＲＦ_L1に対する第２高周波ＲＦ_L2のパワー比が１１２５Ｖ：３７５Ｖ＝３：１のときに得られる図８ＢのＩＥＤ特性は、特徴的な凹型の分布形状を示している。すなわち、最小エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域（約２５０ｅＶ〜約７５０ｅＶ）と最大エネルギーおよびその近辺のエネルギー領域（約２２５０ｅＶ〜約２７５０ｅＶ）にイオンが帯状に集中し、中間のエネルギー領域（約７５０ｅＶ〜約２２５０ｅＶ）では一様にイオン分布数が少ない。この凹型のＩＥＤ特性は、両高周波ＲＦ_L1，ＲＦ_L2のいずれか一方を用いた場合のように最小エネルギーおよび最大エネルギーにイオンが尖頭的に集中するＵ型のＩＥＤ特性（図８Ａ、図８Ｅ）とも異なる。

【0054】

なお、図示省略するが、図８Ｄ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝３７５Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝１１２５Ｖ］と図８Ｅ［ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）＝０Ｖ，ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）＝１５００Ｖ］との中間でも、つまり第１高周波ＲＦ_L1に対する第２高周波ＲＦ_L2のパワー比が約１：３０のときも、図８Ｂと同様の凹型の中間ＩＥＤ特性が得られる。

【0055】

このように、この実施形態においては、ＲＦバイアスに周波数の異なる第１高周波ＲＦ_L1および第２高周波ＲＦ_L2を組み合わせて使用し、それらのトータルパワーおよび／またはパワー比を制御することにより、サセプタ１２上の半導体ウエハＷの表面に入射するイオンのエネルギー分布（ＩＥＤ）に関して、エネルギーバンド幅および分布形状さらには入射エネルギーの総量を多種多様に制御することができる。

【0056】

ここで、第１高周波ＲＦ_L1および第２高周波ＲＦ_L2の周波数は上記の値（０．８ＭＨｚ，１３ＭＨｚ）に限定されるものではなく、一定の範囲内で任意に選定してよい。図８ＡのＩＥＤ特性と図８ＥのＩＥＤ特性との対比からわかるように、単周波バイアスにおけるイオンエネルギー分布の幅（エネルギーバンド）Ｅ_Wは、周波数が低いほど広く、周波数が高いほど狭くなる。

【0057】

これは、図９に示すように、周波数と変換関数α(f)との関係に対応している。したがって、エネルギーバンドＥ_Wの可変範囲を大きくするには、エッチングプロセスで支配的な作用を奏するイオンの種類（Ｆ⁺、Ａｒ⁺，Ｃ₄Ｆ₆⁺等）にも依存するが、基本的には、第１高周波ＲＦ_L1の周波数を低めの値（好ましくは１００ｋＨｚ〜６ＭＨｚ）に選定し、第２高周波ＲＦ_L2の周波数を高めの値（好ましくは６ＭＨｚ〜４０ＭＨｚ）に選定するのがよい。特に、第２高周波ＲＦ_L2の周波数が高くなりすぎると、つまり４０ＭＨｚを越えると、プラズマ生成効果が強くなり、ＲＦバイアスとしては適さなくなるので、４０ＭＨｚ以下の周波数が望ましい。

［プロセスに関する実施例］

【0058】

上記のように、この実施形態におけるプラズマエッチング装置は、この種の従来装置に比してＲＦバイアス機能の制御性を著しく向上させており、特に異方性エッチングにおいて大なるプロセス性能を発揮することができる。

【0059】

ここで、この実施形態のプラズマエッチング装置を好適に使用できるエッチング加工として、図１０に示すようなＨＡＲＣ（High Aspect Ratio Contact）プロセスを例にとる。ＨＡＲＣプロセスは、絶縁膜または酸化膜（典型的にはＳiＯ₂膜）９０に細くて深いコンタクトホール（またはビアホール）９２を形成するエッチング加工技術であり、大規模集積回路の製造プロセスにおけるＢＥＯＬ（Back End Of Line）のコンタクトエッチング（またはビアホールエッチング）に用いられている。

【0060】

ＨＡＲＣプロセスでは、高アスペクト比の微細孔９２を形成するために、高精度の異方性形状とマスク９４（および下地膜９６）に対する高い選択比が要求される。そのために、エッチャントガスにフルオロカーボン系のガスが用いられ、ＣＦ_xラジカルによりマスク９４およびＳiＯ₂膜９０の孔９２の側壁９８に重合膜を側壁保護膜として堆積させながら、ＲＦバイアスによりＣＦ_x⁺やＡｒ⁺等のイオンをＳiＯ₂膜９０の孔９２の中に垂直に引き込んで垂直エッチングを行う技法が採られている。この場合、化学的に活性度の高いＦラジカルは異方性および選択性の両方を低下させるので、Ｆラジカルの生成が少なくてＣ／Ｆ比の大きいＣ₄Ｆ₈、Ｃ₅Ｆ₈、Ｃ₄Ｆ₆等のガスが広く用いられている。

【0061】

このようなＨＡＲＣプロセスにおいて、ＳiＯ₂膜のエッチング速度を高くするためには、（１）イオン入射量の増加、（２）ラジカル中のＦ総量の増加、および（３）十分なイオンエネルギーが必要である。そのために、上記（１）の要求条件に対しては［１］プラズマ生成用高周波のパワーを調整し、上記（２）の要求条件に対しては［２］フルオロカーボンガス（たとえばＣ₄Ｆ₈）の流量を調整し、上記（３）の要求条件に対しては［３］イオン引き込み用高周波のパワーを調整する手法が採られている。

【0062】

また、マスク９４（および下地膜９６）に対するＳiＯ₂膜９０の選択比を高くするためには、（４）適正なＯ₂／Ｃ₄Ｆ₈流量比および（５）Ａｒ希釈による全ガス流量の増加が必要である。そのために、上記（４）の要求条件に対しては［４］Ｏ₂ガス流量を調整し、上記（５）の要求条件に対しては［５］Ａｒガス流量を調整する手法が採られている。

【0063】

なお、選択比に関する上記（４），（５）の要求条件は、次のようなエッチングのメカニズムに基づいている。すなわち、エッチング中の定常状態ではフルオロカーボンラジカルが常にＳiＯ₂膜の表面に照射されるので、その表面上に数分子層のＣＦ膜が存在する。このＣＦ膜の厚さはエッチング速度と密接な関係がある。

【0064】

図１１Ａおよび図１１Ｂに、エッチングガスとしてＣ₄Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂の混合ガスを用いた場合に、ＡｒガスとＯ₂ガスの流量を固定し、Ｃ₄Ｆ₈ガスの流量を変化させたときのＳiＯ₂膜およびＳiＮ膜のそれぞれのエッチング速度とそれらの膜表面にそれぞれ堆積するＣＦ重合膜の厚さを示す。

【0065】

図１１Ａに示すように、ＳiＯ₂のエッチングにおいては、Ｃ₄Ｆ₈流量を上げていくと、エッチング速度（Ｅ／Ｒ）が１１sccmまでは増大し、１１sccmで極大値を示した後、ＣＦ膜厚の増加に反比例して減少し、２２sccm以上では横ばいになる。ここで、Ｃ₄Ｆ₈流量が１１sccmのときのＳiＯ₂上のＣＦ膜厚は１ｎｍと薄いが、これはＳiＯ₂エッチング時に放出される酸素がＣＦ膜と反応して揮発性の物質を生成する（つまりＣＦ膜を除去する）からである。

【0066】

一方、図１１Ｂに示すように、ＳiＮのエッチングにおいては、酸素の放出がなく、代わりに窒素が放出されるが、そのＣＦ膜除去能力は酸素よりも格段に小さいため、ＳiＮ上のＣＦ膜厚は５ｎｍと厚くなり、エッチングが抑制される。

【0067】

なお、ＳiＯ₂エッチングおよびＳiＮエッチングのいずれにおいても、添加ガスのＯ₂はＣＦ膜除去レートを調節する機能を有している。

【0068】

上記のようなＨＡＲＣプロセスにおいて、下地膜９６にはＳiＮが用いられ、マスク９４には一般に有機膜が用いられている。有機膜も、上記のような条件でＣ₄Ｆ₈ガスの流量を変化させたときのエッチング速度およびＣＦ膜厚については、ＳiＮと同様の特性を示す。

【0069】

このように、エッチング時の酸素放出の有無または放出量の違いに基づくＣＦ膜の厚みの違い、ひいてはエッチング速度の違いを利用し、［４］Ｏ₂／Ｃ₄Ｆ₈流量比を調整することにより、さらには［５］選択比を悪化させるＦ原子ラジカルをＡｒ希釈（全ガス流量の増加）で低減することにより、下地膜９６のＳiＮやマスク９４の有機膜（上層のフォトレジストを含むこともある）に対するＳiＯ₂膜の選択比を十分高くすることができる。

【0070】

上記のように、一般のプラズマエッチング装置においては、［１］プラズマ生成用高周波のパワー、［２］フルオロカーボンガス（たとえばＣ₄Ｆ₈）の流量、［３］イオン引き込み用高周波のパワー、［４］Ｏ₂／Ｃ₄Ｆ₈流量比（特にＯ₂流量）、［５］Ａｒ流量についての各調整技術を駆使することによって、ＨＡＲＣプロセスにおいても高いエッチング速度と高選択比を達成することができる。ただし、ＨＡＲＣプロセスでは、非常に高い選択比を必要とするため、堆積性の非常に強い条件を用いなければならず、結果として、付着率の高いラジカルを用いることになる。

【0071】

その場合、図１２の（ｂ）に示すように、側壁９８上の堆積膜１００の被覆性（カバレッジ）が悪化し、孔９２の入口付近が狭くなって、ネッキング１０２が発生しやすくなる。ネッキング１０２が発生すると、孔９２の底へのラジカルやイオンの供給が不十分になり、それによって孔底ＣＤ（Critical Dimension）の縮小や、孔底を垂直に削るエッチングレートの低下につながる。また、ネッキング１０２の上方で入射イオンが反射され、ネッキング１０２の下方で側壁９８の抉れ（ボーイング）を発生させることもある。

【0072】

このように、高い選択比を得るためには、付着率の高いラジカル（Ｃ_xＦ_yラジカル）を使用する必要があるが、それによってネッキング１０２が発生しやすくなる。そうかといって、ネッキング１０２を回避するために、付着率の低いラジカルを使用すると、図１２の（ａ）に示すように、マスク９４上の堆積膜１００が薄くなりすぎて、十分な選択比が得られなくなる。

【0073】

上記のように、ＨＡＲＣプロセスにおいては、ブランケット特性（エッチング速度、選択比）とエッチング形状との間にトレードオフの関係があり、イオン引き込み用に単一周波数の高周波を用いる従来のＲＦバイアス技術の下ではこのトレードオフの問題を解決することができなかった。

【0074】

図１３の（ａ）に、ＨＡＲＣプロセスにおいて付着率の高いラジカルを使用した場合の入射イオンのエネルギーに対する酸化膜（ＳiＯ₂）および有機膜のエッチングイールドの特性を示す。上記のように付着率の高いラジカルを使用すると、低いイオンエネルギー領域ではマスク（有機膜）の表面が堆積膜で保護され、酸化膜だけが選択的にエッチングされる。そして、イオンエネルギーがある閾値Ｅ_tを越えてから、イオン照射による物理的エッチングが堆積膜の保護を上回ってマスク（有機膜）が削られるようになる。もちろん、入射イオンのエネルギーが大きくなることによって、酸化膜のエッチングイールドも単調に増大する。

【0075】

選択比を高くする観点からすれば、閾値Ｅ_t付近のエネルギー領域にイオンが集中的に分布するようなイオンエネルギー分布特性が好ましい。ところが、従来方式（単周波バイアス法）のように単周波のＲＦバイアスで対応するとなると、図１３の（ｂ）に示すようにイオンエネルギー分布が閾値Ｅ_tよりも低い領域にすっぽり収まる。この場合、最小エネルギー付近に集中するイオンは酸化膜のエッチングにほとんど寄与しない。それでも、最大エネルギー付近に集中するイオンの働きによって何とか高い選択比を得るようにはしても、上記のようなネッキング１０２を回避または抑制することはできない。

【0076】

本発明者が、図１５に示すようなＨＡＲＣプロセスのモデルにおいて、有機膜表面の法線Ｎに対する入射角θが０°である箇所（マスク上面）と入射角θが８０°である箇所（ネッキング斜面１０４）とでイオンエネルギーに対するエッチングイールドの特性を比較したところ、次のようなことが判明した。すなわち、図１４の（ａ）に示すように、マスク上面（θ＝０°）の方がネッキング箇所（θ＝８０°）よりもエッチングイールドの立ち上がりこそ早いが、入射イオンのエネルギーが所定値Ｅ_sよりも大きくなると両者の関係が逆転して、ネッキング斜面１０４（θ＝８０°）の方がマスク上面（θ＝０°）よりもエッチングされやすくなる。つまり、イオン照射によって、マスク上面も削られるが、それ以上にネッキング斜面１０４が効率よく削られて、ネッキングＣＤが拡大するという改善効果が得られる。

【0077】

このようなＨＡＲＣプロセスにおける酸化膜および有機膜（マスク）のエッチングイールド／イオンエネルギー特性に鑑みれば、図１４の（ｂ）に示すように、上記閾値Ｅ_tの近傍でそれよりも低い第１のエネルギー領域と上記所定値Ｅ_sの近傍でそれよりも高い第２のエネルギー領域とに跨って２極化した凹型のＩＥＤ特性が非常に都合の良いことがわかる。

【0078】

すなわち、上記第１のエネルギー領域にイオンが集中的に分布することによって選択比が高くなり、上記第２のエネルギー領域にイオンが集中的に分布することによってネッキング１０２が効果的に回避または抑制される。

【0079】

また、上記第１のエネルギー領域と上記第２のエネルギー領域との間のエネルギー領域は、選択比向上およびネッキング抑制のいずれの観点からも望ましくない領域であり、この中間領域に分布するイオンが少ないことは利益に適っている。

【0080】

本発明者が、上記のようなＨＡＲＣプロセスの実験に実施形態のプラズマエッチング装置を使用し、第１高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）および第２高周波ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）のパワー比を変えて、エッチング特性を比較したところ、図１６および図１７に示すような結果が得られた。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
エッチングガス：Ｃ₄Ｆ₆Ｏ₂＝６０／２００／６０sccm
チャンバ内の圧力： ２０mTorr
温度： 上部電極／チャンバ側壁／下部電極＝６０／６０／２０℃
高周波電力： プラズマ生成用高周波（６０ＭＨｚ）＝１０００Ｗ
イオン引き込み用高周波（１３ＭＨｚ／０．８ＭＨｚ）＝
４５００／０Ｗ，４０００／５００Ｗ，３０００／１５０
０Ｗ， ２０００／２５００Ｗ， １０００／３５００Ｗ，
０／４５００Ｗ （６通り）
直流電圧： Ｖ_DC＝−３００Ｖ
エッチング時間： ２分

【0081】

この実験では、イオン引き込み用の第１高周波ＲＦ_L1（０．８ＭＨｚ）および第２高周波ＲＦ_L2（１３ＭＨｚ）のトータルパワーを一定（４５００Ｗ）に固定し、パワー比をパラメータとして４５００／０Ｗから０／４５００Ｗまで６段階選んだ。

【0082】

ＨＡＲＣプロセスにおいて、好ましいエッチング特性は、ＳiＯ₂膜のエッチング速度が大きいこと、マスク選択比が大きいこと、ネッキングＣＤとボーイングＣＤとの差が小さいこと、マスク側壁傾斜角が大きいことである。かかる観点から評価すると、第１高周波ＲＦ_L1および第２高周波ＲＦ_L2のパワーをＲＦ_L1＝１０００Ｗ，ＲＦ_L2＝３５００Ｗに選んだ場合のエッチング特性が総合的に最も良い結果を示していることがわかる。この場合、両高周波ＲＦ_L1，ＲＦ_L2のパワー比はＲＦ_L2：ＲＦ_L1＝３．５：１であり、図示省略するが、図８Ｂと同様の凹型のＩＥＤ特性が得られる。

【0083】

上記のように、本発明の２周波バイアス法によれば、ＨＡＲＣプロセスにおけるトレードオフを巧みに解決することができる。他にも、本発明の２周波バイアス法によれば、穴あけエッチング加工における選択比とトップＣＤ／ボーイングＣＤ／ボトムＣＤのトレードオフや、プラズマＣＶＤにおける成長速度とシームレス形状のトレードオフ等も上記と同様に解決することができる。

【0084】

また、上記のようなＨＡＲＣプロセスに対しては、本発明の２周波バイアス法によって得られる凹型のＩＥＤ特性が有効に作用した。しかし、本発明の２周波バイアス法によって得られるフラット型のＩＥＤ特性（図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｃ）や山形のＩＥＤ特性（図７Ｃ）も、従来の単周波バイアス法によっては得られない独特な特性であり、或る所定のプロセス特性を最適化し得る可能性を有している。

［実施形態におけるＤＣバイアス機能］

【0085】

この実施形態のプラズマエッチング装置は、必要に応じて、スイッチ８４をオンにし、可変直流電源８２からの直流電圧Ｖ_DCを上部電極４８に印加するようになっている。このように、上部電極３４に適度な直流電圧Ｖ_DC、特に負極性で適度な大きさ（絶対値）の直流電圧Ｖ_DCを印加することにより、プラズマエッチングのマスクに使われるフォトレジスト膜（特にＡｒＦレジスト膜）のエッチング耐性を強化することができる。

【0086】

すなわち、可変直流電源８２より直流電圧Ｖ_DCを負極性の高圧（好ましくは第３高周波ＲＦ_Hの印加によって上部電極４８に発生する自己バイアスよりも絶対値の大きな負極性の電圧）で上部電極４８に印加すると、上部電極４８とプラズマとの間に形成される上部イオンシースが厚くなる。これにより、プラズマ中のイオンが上部イオンシースの電界で加速されて上部電極４８の電極板５０にぶつかる際のイオン衝撃エネルギーが増し、γ放電によって電極板５０より放出される２次電子^-が多くなる。そして、電極板５０より放出された２次電子は、上部イオンシースの電界でイオンとは逆方向に加速されてプラズマＰＲを通り抜け、さらに下部イオンシースを横断して、サセプタ１６上の半導体ウエハＷ表面のレジストマスクに所定の高エネルギーで打ち込まれる。こうしてレジストマスクの高分子が電子のエネルギーを吸収すると、組成変化や構造変化、架橋反応などを起こして、改質層が形成され、エッチング耐性（プラズマ耐性）が強くなる。上部電極４８に印加する負極性の直流電圧Ｖ_DCの絶対値を大きくするほど、レジストマスクに打ち込まれる電子のエネルギーが増して、レジストマスクにおけるエッチング耐性増強の効果が大きくなる。

【0087】

一方で、この実施形態のプラズマエッチング装置においては、上述したように、サセプタ１６側のＲＦバイアスに周波数の異なる第１高周波ＲＦ_L1および第２高周波ＲＦ_L2を組み合わせて使用し、それらのトータルパワーおよび／またはパワー比を制御することにより、サセプタ１６上の半導体ウエハＷの表面に入射するイオンのエネルギー分布（ＩＥＤ）に関して、エネルギーバンド幅および分布形状さらには入射エネルギーの総量を多種多様に制御することができる。特に、第１高周波ＲＦ_L1および第２高周波ＲＦ_L2のそれぞれのパワーを有意の値に選んで組み合わせると、エネルギー分布（ＩＥＤ）の中で中間エネルギーのイオン入射数が飛躍的に増加して、入射エネルギーの総量が増大する。ところが、入射エネルギーの総量が多いと、レジストマスクがダメージを受けて、その表面が荒れたり、いわゆるＬＥＲ（Line Edge Roughness）やＬＷＲ（Line Width Roughness）等の凹凸変形や蛇行変形を来たしやすくなる。

【0088】

そこで、この実施形態では、制御部８８において、第１高周波ＲＦ_L1および第２高周波ＲＦ_L2のトータルパワーおよびパワー比の設定値から入射エネルギーの総量を割り出し（概算で可）、入射エネルギーの総量が多いときは、ＤＣコントローラ８３を通じて、上部電極４８に印加する負極性の直流電圧Ｖ_DCの絶対値を大きくして、レジストマスクのエッチング耐性を強化する。しかし、入射エネルギーの総量が少ないときは、レジストマスクのエッチング耐性を強化する必要性に乏しいだけでなく、次の理由から、上部電極４８に印加する負極性の直流電圧Ｖ_DCの絶対値を小さ目に制御するのが好ましい。

【0089】

すなわち、この実施形態のプラズマエッチング装置においては、エッチングガスの高周波放電により、フロロカーボンガスＣ_xＦ_yが解離してＦ原子やＣＦ₃等の反応種が生成される。これらの反応種は半導体ウエハＷ表面の被加工膜と反応し、揮発性の生成物（たとえばＳiＦ₄）を作ると同時に、デポジションとなる重合膜（たとえば（ＣＦ₂）_n）も作る。上部電極４８の電極板５０がＳｉ含有導電材の場合は、半導体ウエハＷ表面だけでなく電極板５０表面でも同様の反応が起こり、双方で反応種が消費される。ここで、上部電極４８に負極性（≦０Ｖ）の直流電圧Ｖ_DCが印加されると、イオンアシスト効果が働いて電極板５０表面のエッチング反応（つまり反応種の消費）が促進され、ＣリッチなＣＦｘが多量に発生し、半導体ウエハＷ表面ではエッチングレートが低下してデボジションが強まる。負極性直流電圧Ｖ_DCの絶対値を大きくするほど、電極板５０表面におけるイオンアシスト効果が大きくなり、上記の作用に基づく半導体ウエハＷ表面におけるエッチングレートの減速とデボジションの増速が強まる。このことは、サセプタ１６上の半導体ウエハＷの表面に入射するイオンのエネルギー総量が少ない場合は、望ましくない。したがって、この場合、制御部８８は、ＤＣコントローラ８３を通じて、上部電極４８に印加する負極性の直流電圧Ｖ_DCの絶対値を小さ目に制御する。

［他の実施形態または変形例］

【0090】

上記した実施形態では、第３高周波電源６６より出力されるプラズマ生成用の第３高周波ＲＦ_Hを上部電極４８に印加した。別の実施形態として、図１８に示すように、第３高周波電源６６および整合器６８をサセプタ（下部電極）１６に電気的に接続し、プラズマ生成用の第３高周波ＲＦ_Hをサセプタ１６に印加してもよい。

【0091】

上記実施形態は、チャンバ内で平行平板電極間の高周波放電によってプラズマを生成する容量結合型プラズマ処理装置に係るものであった。しかし、本発明は、チャンバの上面または周囲にアンテナを配置して高周波の誘導電磁界の下でプラズマを生成する誘導結合型プラズマ処理装置や、マイクロ波のパワーを用いてプラズマを生成するマイクロ波プラズマ処理装置等にも適用可能である。

【0092】

本発明は、プラズマエッチング装置に限定されず、プラズマＣＶＤ、プラズマ酸化、プラズマ窒化、スパッタリングなどの他のプラズマ処理装置にも適用可能である。また、本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ、ＥＬ素子または太陽電池用の各種基板や、フォトマスク、ＣＤ基板、プリント基板等も可能である。

【符号の説明】

【0093】

１０ チャンバ
１６ サセプタ（下部電極）
３６ 第１高周波電源
３８ 第２高周波電源
４８ 上部電極
６０ 処理ガス供給源
７６ 排気装置
８２ 可変直流電源
８８ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図8E】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図18】

【図19A】

【図19B】

【図19C】

【図20A】

【図20B】

【図20C】

【図9】

【図16】

【図17】