等离子体蚀刻方法和等离子体蚀刻装置的制作方法

专利名称：等离子体蚀刻方法和等离子体蚀刻装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对半导体基板等被处理基板实施等离子体蚀刻的等离子体蚀刻方法、 等离子体蚀刻装置和存储介质。
背景技术：
在例如半导体器件的制造工艺中，为了在形成于作为被处理基板的半导体晶片的 规定的层形成规定的图案，多采用将抗蚀剂作为掩膜、通过等离子体进行蚀刻的等离子体 蚀刻处理。作为用于进行这样的等离子体蚀刻的等离子体蚀刻装置，能够使用各种装置，其 中，电容耦合型平行平板等离子体蚀刻装置是主流。电容耦合型平行平板等离子体装置，在腔室内配置一对平行平板电极(上部和下 部电极)，将处理气体导入腔室内，并且对电极的至少一个施加高频电力而在电极间形成高 频电场，通过该高频电场生成处理气体的等离子体，对半导体晶片的规定的层施加等离子 体蚀刻。具体而言，已知一种等离子体蚀刻装置(例如专利文献1)，其通过施加等离子体 形成用的相对较高频率的高频电力和离子引入用的相对较低频率的高频电力来形成适当 的等离子体状态，由此，能够以高选择比实现再现性高的蚀刻处理。而且，在这种蚀刻中，使 用在等离子体中正离子占支配地位的处理气体进行蚀刻。然而，近来，随着半导体器件的微细化的发展，要求深宽比为20以上的HARC (High Aspect Ratio Contact)蚀刻。在这样的HARC蚀刻中作为蚀刻掩膜的光抗蚀剂带负电， 在蚀刻初期，电荷在蚀刻面中和，但是当随蚀刻进行而深宽比变高时，正离子在孔的底部积 存，使得蚀刻面带正电。因此，对蚀刻的促进起重要作用的正离子在孔内由于排斥而转向， 导致产生蚀刻形状的歪曲、变形。此外，正离子难以到达孔的底部，因此导致蚀刻率低下。专利文献1 日本特开2000-173993号公报

发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，目的在于提供一种等离子体蚀刻方法和等离子 体蚀刻装置，能够形状特性良好且以高蚀刻率对被蚀刻膜进行蚀刻从而形成高深宽比的 孔。此外，本发明的目的在于提供一种存储介质，存储使这种等离子体蚀刻方法得以 实行的程序。为了解决上述问题，本发明的第一方面的等离子体蚀刻方法，其使用等离子体蚀 刻装置在蚀刻对象膜形成孔，该等离子体蚀刻装置包括收纳被处理体且内部能够被真空 排气的处理容器、配置于上述处理容器内作为被处理体的载置台发挥作用的下部电极、与 上述下部电极相对置地配置于上述处理容器内的上部电极、向上述处理容器内供给处理气 体的处理气体供给单元、对上述上部电极或下部电极的至少一方施加等离子体生成用的高频电力的等离子体生成用高频电力施加单元、和对上述上部电极施加负的直流电压的直流 电源，上述等离子体蚀刻方法的特征在于交替反复第一条件和第二条件，其中，上述第一 条件为，接通上述等离子体生成用高频电力施加单元，在上述处理容器内生成等离子体，并 且从上述直流电源对上述上部电极施加负的直流电压；上述第二条件为，关断上述等离子 体生成用高频电力施加单元，使上述处理容器内的等离子体猝灭，并且从上述直流电源对 上述上部电极施加负的直流电压，利用上述第一条件由等离子体中的正离子使蚀刻进行， 利用上述第二条件生成负离子，利用上述直流电压将负离子供给到上述孔内，由此中和上 述孔内的正电荷。 在上述第一方面，上述等离子体蚀刻装置优选还包括对上述下部电极施加偏压施 加用的高频电力的偏压施加用高频电力供给单元，与上述等离子体生成用高频电力施加单 元的接通、关断同步地使上述偏压施加用高频电力供给单元的输出变化，在关断上述等离 子体生成用高频电力施加单元使等离子体猝灭的期间中，设置使上述偏压施加用高频电力 供给单元关断、或使上述偏压施加用高频电力供给单元的输出为比第一输出低的输出即第 二输出的期间。此外，在该情况下，优选在接通上述等离子体生成用高频电力施加单元而 生成等离子体的期间中，设置使上述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使上述偏压施 加用高频电力供给单元的输出为比第一输出低的输出即第二输出的 期间。本发明的第二方面的等离子体蚀刻方法，其使用等离子体蚀刻装置在蚀刻对象膜 形成孔，该等离子体蚀刻装置包括收纳被处理体且内部能够被真空排气的处理容器、配 置于上述处理容器内作为被处理体的载置台发挥作用的下部电极、与上述下部电极相对置 地配置于上述处理容器内的上部电极、向上述处理容器内供给处理气体的处理气体供给单 元、对上述上部电极或下部电极的至少一方施加等离子体生成用的高频电力的等离子体生 成用高频电力施加单元、和对上述上部电极施加负的直流电压的直流电源，上述等离子体 蚀刻方法的特征在于进行第一阶段，连续地从上述等离子体生成用高频电力施加单元供 给高频电力，在上述处理容器内生成等离子体，并且从上述直流电源对上述上部电极施加 负的直流电压，然后，进行交替反复第一条件和第二条件的第二阶段，其中，上述第一条件 为，接通上述等离子体生成用高频电力施加单元，在上述处理容器内生成等离子体，并且从 上述直流电源对上述上部电极施加负的直流电压；上述第二条件为，关断上述等离子体生 成用高频电力施加单元，使上述处理容器内的等离子体猝灭，并且从上述直流电源对上述 上部电极施加负的直流电压，在上述第二阶段，利用上述第一条件由等离子体中的正离子 使蚀刻进行，利用上述第二条件生成负离子，利用上述直流电压将负离子供给到上述孔内， 由此中和上述孔内的正电荷。在上述第二方面，上述等离子体蚀刻装置优选还包括对上述下部电极施加偏压施 加用的高频电力的偏压施加用高频电力供给单元，在上述第一阶段，从上述偏压施加用高 频电力供给单元连续地以第一输出施加偏压，在上述第二阶段，与上述等离子体生成用高 频电力施加单元的接通、关断同步地使上述偏压施加用高频电力供给单元的输出变化，在 关断上述等离子体生成用高频电力施加单元使等离子体猝灭的期间中，设置使上述偏压施 加用高频电力供给单元关断、或使上述偏压施加用高频电力供给单元的输出为比第一输出 低的输出即第二输出的期间。此外，在此时，优选在上述第二阶段，在接通上述等离子体生 成用高频电力施加单元而生成等离子体的期间中，设置使上述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使上述偏压施加用高频电力供给单元为比第一输出低的输出即第二输出的期 间。在上述第一方面和第二方面，优选上述第二条件的1次的时间为10 μ sec以上、 50 μ sec以下。此外，上述第一条件和上述第二条件的反复，能够呈脉冲状进行。作为上述 被处理体的蚀刻对象膜的典型例，能够列举绝缘膜。本发明的第三方面的等离子体蚀刻装置，其特征在于，包括处理容器，其收纳被 处理体且内部能够被真空排气；下部电极，其配置于上述处理容器内作为被处理体的载置 台发挥作用；上部电极，其与上述下部电极相对置地配置于上述处理容器内；处理气体供 给单元，其向上述处理容器内供给处理气体；等离子体生成用高频电力施加单元，其对上述 上部电极或下部电极的至少一方施加等离子体生成用的高频电力；直流电源，其对上述上 部电极施加负的直流电压；和控制部，其控制上述等离子体生成用高频电力施加单元，上述 控制部，进行包括交替反复第一条件和第二条件的控制，其中，上述第一条件为，接通上述 等离子体生成用高频电力施加单元，在上述处理容器内生成等离子体，并且从上述直流电 源对上述上部电极施加负的直流电压；上述第二条件为，关断上述等离子体生成用高频电 力施加单元，使上述处理容器内的等离子体猝灭，并且从上述直流电源对上述上部电极施 加负的直流电压，此时，利用上述第一条件利用等离子体中的正离子使蚀刻进行，利用上述 第二条件生成负离子，利用上述直流电压将负离子供给到上述孔内，由此中和上述孔内的 正电荷。在上述第三方面，优选还包括对上述下部电极施加偏压施加用的高频电力的偏压 施加用高频电力供给单元，上述控制部，与上述等离子体生成用高频电力施加单元的接通、 关断同步地使上述偏压施加用高频电力供给单元的输出变化，在关断上述等离子体生成用 高频电力施加单元使等离子体猝灭的期间中，设置使上述偏压施加用高频电力供给单元关 断、或使上述偏压施加用高频电力供给单元的输出为比第一输出低的输出即第二输出的期 间。此外，在该情况下，上述控制部优选在接通上述等离子体生成用高频电力施加单元而 生成等离子体的期间中，设置使上述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使上述偏压施 加用高频电力供给单元的输出为比第一输出低的输出即第二输出的期间。本发明的第四方面的计算机可读取的存储介质，其存储有用于控制等离子体蚀刻 装置的、在计算机上运行的程序，该等离子体蚀刻装置包括收纳被处理体且内部能够被 真空排气的处理容器、配置于上述处理容器内且用作被处理体的载置台的下部电极、与上 述下部电极相对置地配置于上述处理容器内的上部电极、向上述处理容器内供给处理气体 的处理气体供给单元、对上述上部电极或下部电极的至少一方施加等离子体生成用的高频 电力的等离子体生成用高频电力施加单元、和对上述上部电极施加负的直流电压的直流电 源，上述计算机可读取的存储介质的特征在于上述程序，在计算机上对上述等离子体蚀刻 装置进行控制，使得在其运行时进行上述第一方面或第二方面的等离子体蚀刻方法.根据本发明，交替反复以下第一条件和第二条件第一条件为，接通等离子体生成 用高频电力施加单元，在处理容器内生成等离子体，并且从直流电源对上部电极施加负的 直流电压；第二条件为，关断等离子体生成用高频电力施加单元，使处理容器内的等离子 体猝灭，并且从直流电源对上部电极施加负的直流电压，利用第一条件由等离子体中的正 离子使蚀刻进行，利用第二条件生成负离子，利用上述直流电压将负离子供向上述孔内，由此中和孔内的正电荷，因此，在第二条件时中和孔内的正电荷后，在第一条件生成等离子体 时，正离子在孔内无转向地行进。因此，能够获得良好的蚀刻形状，能够抑制由随蚀刻进行 而深宽比变高所导致的蚀刻率降低。


图1是表示能够实施本发明的等离子体蚀刻方法的等离子体蚀刻装置的概略截 面图。图2是表示图1的等离子体蚀刻装置中与第一高频电源连接的第一匹配器的结构 的图。图3是表示作为本发明的等离子体蚀刻方法所应用的被处理体的半导体晶片的 结构例的截面图。图4是示意表示蚀刻初期的被处理体的状态的截面图。图5是表示进行了蚀刻后的阶段中被处理体的状态的截面示意图。图6是表示本发明的实施方式的等离子体蚀刻方法的第二阶段中的直流电源、第 一高频电源、等离子体发光强度、正离子、负离子的状态的时序图。图7是用于说明在第二阶段中关断等离子体生成用的第一高频电源时的状态的 示意图。图8是用于说明在第二阶段中关断等离子体生成用的第一高频电源后使其接通 的状态的示意图。图9是表示本发明的实施方式的等离子体蚀刻方法的第二阶段中的偏压施加用 的第二高频电力的优选施加方式的图。图10是用于说明在等离子体生成时使偏压施加用的高频电力接通、关断的作用 的图。图11是表示在等离子体生成时施加高频偏压的情况下的等离子体中和晶片表面 的电子能量的图。图12是表示在等离子体生成时不施加高频偏压的情况下的等离子体中和晶片表 面的电子能量的图。图13是表示能够实施本发明的等离子体蚀刻方法的其他的等离子体蚀刻装置的 概略截面图。图14是表示图13的等离子体蚀刻装置中与第一高频电源连接的第一匹配器的结 构的图。附图标记说明10 腔室(处理容器)16 基座(下部电极)34 上部电极46,46" 第一匹配器48、48、 第一高频电源50 可变直流电源66 处理气体供给源
84排气装置88第二匹配器90 第二高频电源95 RF 控制器100 控制部
102 存储部W 半导体晶片(被处理基板)
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式具体地进行说明。图1是表示能够实施本发明的等离子体蚀刻方法的等离子体蚀刻装置的概略截 面图。该等离子体蚀刻装置作为电容耦合型平行平板等离子体蚀刻装置而构成，具有例 如由表面被阳极氧化处理过的铝构成的、大致圆筒状的腔室(处理容器)10。该腔室10被 保护接地。在腔室10的底部，隔着由陶瓷等构成的绝缘板12配置圆柱状的基座支承台14，在 该基座支承台14之上设置有例如由铝构成的基座16。基座16构成下部电极，在其上载置 作为被处理基板的半导体晶片W。在基座16的上表面，设置有以静电力吸附保持半导体晶片W的静电卡盘18。该静 电卡盘18具有以一对绝缘层或绝缘片夹着由导电膜构成的电极20的结构，直流电源22与 电极20电连接。而且，通过由来自直流电源22的直流电压产生的库仑力等静电力，半导体 晶片W被吸附保持于静电卡盘18。在静电卡盘18(半导体晶片W)的周围，在基座16的上表面配置有用于提高蚀刻 的均勻性的、例如由硅构成的导电性的聚焦环(校正环)24。在基座16和基座支承台14的 侧面，设置有例如由石英构成的圆筒状的内壁部件26。在基座支承台14的内部，例如在圆周上设置有冷却介质室28。在该冷却介质室， 能够由设置于外部的未图示的冷机单元经由配管30a、30b循环供给规定温度的冷却介质 例如冷却水，通过冷却介质的温度对基座上的半导体晶片W的处理温度进行控制。来自未图示的传热气体供给机构的传热气体例如He气(氦气)经由气体供给线 32被供向静电卡盘18的上表面与半导体晶片W的背面之间。在作为下部电极的基座16的上方，以与基座16相对置的方式平行地设置有上部 电极34。而且，上部电极34和下部电极16之间的空间为等离子体生成空间。上部电极34 形成与作为下部电极的基座16上的半导体晶片W相对置且与等离子体生成空间接触的面 即对置面。该上部电极34由电极板36和电极支承体38构成，该电极板36通过绝缘性遮挡 部件42支承在腔室10的上部，构成与基座16相对置的面且具有多个排出孔37，电极支承 体38可装卸自由地支承该电极板36，为由导电性材料例如铝构成的水冷结构。电极板36 优选焦耳热较少的低电阻的导体或半导体，此外，如后所述从强化抗蚀剂的观点出发优选 含硅物质。从这样的观点出发，电极板36优选由硅或SiC构成。在电极支承体38的内部，设置有气体扩散室40，与气体排出孔37连通的多个气体流通孔41从该气体扩散室40向下方延伸。在电极支承体38形成有将处理气体导向气体扩散室40的气体导入口 62，在该气体导入口 62连接有气体供给管64，在气体供给管64连接有处理气体供给源66。在气体 供给管64，从上游侧依次设置有质量流量控制器(MFC) 68和开闭阀70(也可以用FCS代替 MFC)。而且，从处理气体供给源66将作为用于蚀刻的处理气体例如C4F8的这样的氟碳气体 (fluorocarbon gas, CxFy)由气体供给管64供至气体扩散室40，经由气体流通孔41和气体 排出孔37呈喷淋状地排出到等离子体生成空间。即，上部电极34具有用于供给处理气体 的喷淋头的功能。在上部电极34，经由低通滤波器(LPF) 46a与可变直流电源50电连接。可变直流 电源50以负极为上部电极34侧的方式连接，对上部电极34施加负的电压。来自可变直流 电源50的供电能够通过接通、关断开关52进行接通、关断。此外，可变直流电源50的电流、电压、以及接通、关断开关52的接通、关断，通过控制器51进行控制。低通滤波器(LPF) 46a 捕获来自后述的第一高频电源和第二高频电源的高频，优选由LR滤波器或LC滤波器构成。圆筒状的接地导体IOa设置为，从腔室10的侧壁向比上部电极34的高度位置更靠上方的位置延伸。在作为下部电极的基座16，经由第一匹配器46电连接有第一高频电源48。第一 高频电源48输出27 IOOMHz的频率例如40MHz的高频电力。第一匹配器46使负载阻抗 与第一高频电源48的内部(或者输出)阻抗匹配，起到当在腔室10内生成等离子体时使 第一高频电源48的输出阻抗与负载阻抗在表观上一致的作用。此外，在作为下部电极的基座16，也经由第二匹配器88电连接有第二高频电源 90。通过从该第二高频电源90将高频电力供向作为下部电极的基座16来对半导体晶片W 施加偏压，离子被引入半导体晶片W。第二高频电源90输出400kHz 13. 56MHz范围内的 频率例如3MHz的高频电力。第二匹配器88用于使负载阻抗与第二高频电源90的内部(或 者输出)阻抗匹配，起到当在腔室10内生成等离子体时使第二高频电源90的内部阻抗与 包含腔室10内的等离子体的负载阻抗在表观上一致的作用。在第一高频电源48、第二高频电源90、第一匹配器46、和第二匹配器88连接有RF 控制器95，该第一高频电源48、第二高频电源90、第一匹配器46、和第二匹配器88通过RF 控制器95进行控制。具体而言，RF控制器95能够控制第一高频电源48的接通、关断、以及 输出，能够进行控制为以下状态使第一高频电源48连续地接通而生成等离子体的状态、 和交替地接通、关断而以例如脉冲状交替形成等离子体存在的状态和等离子体猝灭的状态 这一状态。此外，RF控制器95能够对偏压用的第二高频电源90的接通、关断、以及输出进 行控制，能够形成在等离子体处理中以规定的输出连续地施加偏压的状态、以及使第二高 频电源90的输出与第一高频电源48的接通、关断同步地将输出控制成例如脉冲状。可以在 使第二高频电源90与第一高频电源48的接通、关断同步地控制输出时，交替地进行接通、 关断，也可以完全不关断地交替形成高输出和低输出。该第一匹配器46，如图2所示，具有从第一高频电源46的供电线96分支设置的 第一可变电容器97、设置于供电线96的该分支点的第一高频电源48侧的第二可变电容器 98、和设置于分支点的相反侧的线圈99。在本实施方式的情况下，与通常的等离子体蚀刻不同，第一高频电源48，当处于高频电力以规定周期接通、关断的模式时，由RF控制器95进行控制，使得第一匹配器46的匹配动作与该接通、关断同步地切换。在该情况下，当使第一高频电力供给单元48在接通、关断模式下动作时，RF控制 器95进行控制，使得在关断时不进行第一匹配器46的动作，而在接通时进行控制使得第一 匹配器46进行使第一高频电源48的内部阻抗与包含腔室10内的等离子体的负载阻抗一 致的动作。第二匹配器88，基本上与第一匹配器46同样地构成，当使第二高频电源90的输出 与第一高频电源48的接通、关断同步地进行输出控制时，由RF控制器95进行控制，使得第 二匹配器88的匹配动作与该输出控制同步地切换。在该情况下，RF控制器95进行控制，使得当使第二高频电源90与第一高频电源 48的接通、关断同步地进行输出控制时不进行第二匹配器88的动作。但是，在第二匹配器 88的动作足够快的情况下，也可以进行控制使得在高输出时第二匹配器88进行使第二高 频电源90的内部阻抗与包含腔室10内的等离子体的负载阻抗一致这样的动作。在腔室10的底部设置有排气口 80，在该排气口 80经由排气管82与排气装置84 连接。排气装置84具有涡轮分子泵等真空泵，能够将腔室10内减压至期望的真空度。此 夕卜，在腔室10的侧壁设置有半导体晶片W的搬入搬出口 85，该搬入搬出口 85通过门阀86能 够开闭。此外，沿着腔室10的内壁可装卸自由地设置有用于防止蚀刻的副产物(沉积物) 附着在腔室10的沉积物屏蔽11。即，沉积物屏蔽11构成腔室壁。此外，沉积物屏蔽11也 设置于内壁部件26的外周。在腔室10的底部的腔室侧壁的沉积物屏蔽11和内壁部件26 侧的沉积物屏蔽11之间设置有排气板83。作为沉积物屏蔽11和排气板83，能够适用在铝 件覆盖Y2O3等陶瓷而成的材料。在沉积物屏蔽11的构成腔室内壁的部分的与晶片W大致相同高度的部分，设置有 与地DC连接的导电性部件(GND块)91，由此起到防止异常放电的效果。另外，该导电性部 件91如果设置于等离子体生成区域，则其位置不限于图1的位置，也可以设置于例如基座 16的周围等基座16侧，也可以环状地设置于上部电极34的外侧等上部电极附近。等离子体处理装置的各构成部例如电源系统、气体供给系统、驱动系统、以及RF 控制器95等具有与包括微处理器(计算机)的控制部(整体控制装置)100连接进行控制 的结构。此外，在控制部100，连接有由操作者为了管理等离子体处理装置而进行指令的输 入操作等的键盘、将等离子体处理装置的运行状况可视化显示的显示器等构成的用户界面 101。此外，在控制部100，连接存储有用于通过控制部100的控制来实现在等离子体处 理装置中执行的各种处理的控制程序、用于根据处理条件使等离子体处理装置的各构成部 执行处理的程序即处理方案的存储部102。处理方案存储于存储部102中的存储介质。存 储介质可以是硬盘、半导体存储器，也可以是⑶R0M、DVD、闪存等可移动的存储介质。此外， 也可以从其他装置通过例如专用线路适当地传送方案。而且，根据需要，按照来自用户界面101的指示等从存储部102调出任意的处理方 案使控制部100执行，由此，在控制部100的控制下，能够在等离子体处理装置进行期望的 处理。另外，将在本发明的实施方式中所述的等离子体处理装置(等离子体蚀刻装置)设 为包括该控制部100的装置。
接下来，对在这样构成的等离子体处理装置中进行的本发明所涉及的高深宽比的接触孔的蚀刻(HARC蚀刻)进行说明。这里，例如如图3所示那样，准备具有在Si基板120上形成有绝缘膜121并将其上的通过光刻而被图案化的光抗蚀剂膜122作为蚀刻掩膜而形成的结构的半导体晶片W， 对绝缘膜121实施HARC蚀刻。首先，令门阀86为开状态，经由搬入搬出口 85将上述结构的半导体晶片W搬入腔室10内，载置于基座16上。而且，通过排气装置84对腔室10内进行排气，并且从处理气 体供给源66将处理气体以规定的流量供向气体扩散室40，经由气体流通孔41和气体排出 孔37供向腔室10内，并且将其中的压力设为例如0. 1 150Pa的范围内的设定值。在该状 态下，对作为下部电极的基座16，从第一高频电源48施加27 IOOMHz的频率例如40MHz 的较高频率的等离子体生成用的高频电力，并且从第二高频电源90连续地施加400kHz 13. 56MHz的频率例如3MHz的比等离子体生成用的高频电力低的频率的离子引入用的高频 电力，进而对上部电极34从可变直流电源50连续地施加规定的直流电压，对半导体晶片W 进行第一阶段的蚀刻。此时，半导体晶片W，通过从直流电源22对静电卡盘18的电极20施 加直流电压而被静电卡盘18固定。这里，作为处理气体，能够采用以往所使用的各种气体，例如能够适用由C4F8气体 这样的氟碳气体(CxFy)所代表的含有卤素的气体。进而，也可以含有Ar气、O2气等其他的 气体。从形成于上部电极34的电极板36的气体排出孔37排出的处理气体，在通过 高频电力产生的、介于上部电极34与作为下部电极的基座16之间的辉光放电(glow discharge)中等离子体化，利用由该等离子体所生成的正离子、自由基，对半导体晶片W的 绝缘膜121进行蚀刻。此时，通过对下部电极施加等离子体形成用的高频电力，能够在距晶片更近的部 位生成等离子体，此外能够使等离子体不扩散至较大的区域而抑制处理气体的离解，因此 即使在腔室10内的压力高、等离子体密度低这样的条件下，也能够使蚀刻率上升。此外，在 等离子体形成用的高频电力的频率高的情况下，也能够确保比较大的离子能量，因此具有 高效率。此外，如本实施方式那样，通过对下部电极分别施加等离子体形成用的高频电力和 离子引入用的高频电力，能够独立地控制等离子体蚀刻所需的等离子体形成的功能和离子 引入的功能。从而，能够满足要求高微细加工性能的蚀刻的条件。进而，对等离子体生成用 供给27MHz以上的高频率区域的高频电力，因此，能够在优选的状态下使等离子体高密度 化，即使在更低压的条件下，也能够生成高密度的等离子体。此外，当这样形成等离子体时， 通过控制器51从可变直流电源50对上部电极34施加负的直流电压，因此，等离子体中的 正离子碰撞到上部电极34而在其附近生成二次电子，使该二次电子向铅直方向下方加速 而供给到作为被处理体的半导体晶片W。然而，这样的蚀刻是等离子体中的正离子占支配地位而进行的，但是，在蚀刻初 期，通过蚀刻形成的接触孔123较浅，如图4所示，光抗蚀剂膜122通过等离子体中的电子 而带负电，由于电子到达蚀刻面，因此即使正离子被供给到蚀刻面，电荷也能中和。从而，蚀 刻正常地进行。然而，随着蚀刻进行，如图5所示那样，当接触孔123的深宽比逐渐变高时，电子变得难以到达接触孔123内，从而在接触孔123内正离子积存，蚀刻面变成带正电的状态。在该状态下进行蚀刻时，为了蚀刻而进入接触孔123内的正离子，由于与接触孔 123内的正电荷之间的排斥而转向，从而导致产生蚀刻形状的歪曲、变形。此外，正离子难以 到达孔的底部，因此导致蚀刻率的降低。因此，在蚀刻进行了某个程度之后，切换为第二阶段，即，保持从可变直流电源50 连续地施加直流电压的状态，将等离子体生成用的第一高频电源48交替地接通、关断而交 替地反复生成等离子体的状态(有等离子体(Plasma on))、和等离子体消失的状态(无等 离子体(plasma off))。图6所示为第二阶段的直流电源50、第一高频电源48、等离子体发光强度、正离 子、和负离子的状态。如该图所示，在第二阶段，当关断第一高频电源48时，等离子体发光 强度降低，等离子体消失。随着该等离子体发光强度的降低，正离子减少，负离子由于剩余 的电子而增加。由于对上部电极34施加有负的直流电压，因此，如图7所示那样，存在于电 极间的处理空间的负离子通过直流电压被送入接触孔123内，将其中的正电荷中和。而且， 在接下来接通第一高频电源48时，接触孔123内的正电荷减少，因此，如图8所示那样，正 离子能够在接触孔123内直线前进。从而，像这样对上部电极34施加负的直流电压、并且 交替地接通、关断第一高频电源48从而交替地形成有等离子体时的正离子占支配地位的 模式(regime)、和无等离子体时的负离子占支配地位的模式，由此，能够抑制接触孔123内 的正离子的转向，使蚀刻形状良好，能够提高蚀刻率。在该情况下，使等离子体生成用的第一高频电源48关断的时间优选10 μ sec以 上、50 μ sec以下。通过使其为10 μ sec以上，能够形成正离子少而负离子多的状态，但是如 果超过50 μ sec,则对蚀刻不起作用的时间变长，效率降低。在该第二阶段，优选与第一高频电源48的接通、关断同步地使偏压施加用的第二 高频电源90的输出变化。具体而言，(1)在关断第一高频电源48使等离子体猝灭的期间， 设置关断第二高频电源90或者使输出降低的期间。(2)除此之外，在接通第一高频电源48 而生成等离子体的期间，设置关断第二高频电源90或者使输出降低的期间。作为进行(1) 和(2)这两方的顺序例，能够列举以下顺序如图9(a)所示的顺序，即，在关断等离子体生 成用的第一高频电源48使等离子体猝灭的期间，关断第二高频电源90或者将其设为低于 第一阶段的输出，在接通第一高频电源48而生成等离子体的期间，使偏压施加用的第二高 频电源90的输出交替地反复与第一阶段相同的第一输出和关断(输出为0)或低于第一阶 段的输出即第二输出；如图9(b)所示的顺序，即，使第一输出和第二输出的切换周期与第 一高频电源48的接通、关断周期一致，使其时机错开。作为仅有上述(1)的顺序例，能够列 举如图9(c)所示的顺序，即，使第二高频电源的第一输出和第二输出的切换时机与第一高 频电源的接通、关断时机完全一致。关于上述(1)，在关断第一高频电源48使等离子体猝灭的期间，当第二高频电源 90为第一输出时，在作为下部电极的基座16上残存有相当厚度的等离子体鞘，该等离子体 鞘成为负离子的势垒，因此，在等离子体猝灭期间，关断第二高频电源90或者将其设定为 第二输出，使等离子体鞘变成0或极小，形成这样的势垒实质上不存在的状态。因此，能够 进一步提高接通、关断上述第一高频电源48的效果。另一方面，关于上述(2)，如以下所述.
在接通第一高频电源48而生成等离子体时，通过对上部电极34施加负的直流电 压，等离子体中的正离子碰撞到上部电极34而生成二次电子，该二次电子向铅直方向下方 加速，但是在偏压施加用的第二高频电源90的输出为第一输出的情况下，如图10(a)所示 那样，由于在作为下部电极的基座16上形成有厚的等离子体鞘S，因此，该等离子体鞘S形 成二次电子的势垒，几乎不会到达接触孔123内。对此，在偏压施加用的第二高频电源90 的输出为0或更低的第二输出的情况下，如图10(b)所示那样，能够使等离子体鞘S变薄， 由于二次电子的势垒小，因此，能够通过施加于上部电极34的直流电压使向铅直方向下方 加速的二次电子有效地到达接触孔123内，能够中和接触孔123内的正电荷。从而，由此也 能够进一步提高接通、关断上述第一高频电源48的效果。图11是表示在施加2MHz的高频偏压(Vpp = 1000V)的情况下的等离子体中(距 晶片15mm的上方)和晶片表面的电子能量的图，(a)为等离子体中，(b)为晶片表面。另一 方面，图12是表示在没有施加高频偏压的情况下的等离子体中(距晶片15mm的上方)和 晶片表面的电子能量的图，(a)为等离子体中，(b)为晶片表面。从这些图中能够确认以下 效果通过关断高频偏压，能降低针对通过施加DC而从上部电极34释放并加速的具有能量 的二次电子的势垒。另外，由于无等离子体而使负离子增加的效果，如果不是等离子体几乎完全消失就不会有效地发挥，因此，在关断第一高频电源48时也施加的直流电压，需要为实质上对 等离子体的生成不起作用的大小。此外，根据顺序不同，在关断第一高频电源48时，也存在 施加来自第二高频电源90的高频电力的情况，但是此时也需要该高频电力为实质上对等 离子体生成不起作用的输出。此外，偏压施加用的第二高频电源90的第二输出，只要是等 离子体鞘的厚度为二次电子可透过的程度的厚度这样的输出，则也可以不必为0(关断)， 但是优选为0(关断)。接着，对能够实施本发明的方法的其他的等离子体蚀刻装置进行说明。图13是表 示能够实施本发明的等离子体蚀刻方法的其他的等离子体蚀刻装置的概略截面图。该等离子体蚀刻装置，在将等离子体生成用的高频电力施加于上部电极这一点上 与图1的装置不同，但是其他的结构基本上与第一实施方式的等离子体蚀刻装置相同，因 此在图13中，对与图1相同的部件赋予相同的符号并省略说明。在本实施方式中，用于生成等离子体的第一高频电源48、经由第一匹配器46、和 供电棒44与上部电极34连接。第一高频电源48—具有与第一实施方式的第一高频电源48 相同的功能，其频率优选27 IOOMHz的范围。第一匹配器46、使负载阻抗与第一高频电 源48、的内部(或者输出)阻抗匹配，起到当在腔室10内生成等离子体时能够使第一高频 电源48、的输出阻抗与负载阻抗在表观上一致的作用。第一匹配器46的输出端子与供电 棒44的上端连接。此外，可变直流电源50也经由上述第一匹配器46—和供电棒44与上部 电极34连接。第一匹配器如图14所示，具有从第一高频电源48—的供电线49分支设置的 第一可变电容器54、和设置于供电线49的该分支点的下游侧的第二可变电容器56，通过该 结构发挥上述的功能。此外，在第一匹配器46、设置有捕获来自第一高频电源48—的高频 电力(例如40MHz)和来自第二高频电源90的高频电力(例如3MHz)的滤波器58，使得直 流电压电流(以下，简称为“直流电压”)能够被有效地供向上部电极34。即，来自可变直流电源50的直流电流经由滤波器58流到供电线49。该滤波器58由线圈59和电容器60 构成，通过该结构，来自第一高频电源48、的高频电力和来自第二高频电源90的高频电力 被捕获。此外，在圆筒状接地导体IOa的顶部部分与供电棒44之间设置有筒状的绝缘部件 44a,由此供电棒44与接地导体IOa电绝缘。在上部电极34，电连接有用于使来自第一高频电源48—的高频电力(例如40MHz) 不通过、而来自第二高频电源90的高频电力(例如3MHz)通向地的低通滤波器(LPF)92。 该低通滤波器(LPF) 92优选由LR滤波器或LC滤波器构成，但是即使仅有1根导线也能够 对来自第一高频电源48的高频电力(例如60MHz)提供足够大的电抗，因此也能够这样即 可。另一方面，在作为下部电极的基座16，电连接有用于使来自第一高频电源48、的高频电 力(例如40MHz)通向地的高通滤波器(HPF)94。
在图13的等离子体蚀刻装置中，也对上部电极34施加直流电压，并且通过接通、 关断等离子体生成用的第一高频电源在无等离子体时由负离子中和接触孔内的正电 荷，在有等离子体时使正离子直线前进。此外，通过使偏压施加用的第二高频电源90的输 出变化，也能够获得由二次电子对接触孔中的正电荷进行中和的效果。在该图13的装置中，向上部电极34供给等离子体生成用的第一高频电力，向作为 下部电极的基座16供给离子引入用的第二高频电力，因此能够扩大等离子体的控制容限， 此外，向上部电极34供给27MHz以上的高频率区域的高频电力，因此能够在优选的状态下 使等离子体高密度化，即使在更低压的条件下也能够生成高密度的等离子体。但是，像这样在对上部电极施加等离子体形成用的高频电力的情况下，在上部电 极附近生成等离子体，因此，在腔室10内的压力高、等离子体密度低这样的条件下，使对于 晶片的蚀刻率上升较为困难。另外，在上述任一个实施方式中，当对上述第一高频电力和第二高频电力能够采 用的频率进行例示时，作为第一高频电力，能够列举27MHz、40MHz、60MHz、80MHz、1 OOMHz，作 为第二高频电力，能够列举400kHz、800kHz、IMHz、2MHz、3MHz、13MHz、13. 6MHz，能够根据处 理适当地组合使用。以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不限定于上述实施方式，能够 做出各种变形。例如，在上述实施方式中，当进行等离子体蚀刻时，进行对上部电极34施加 直流电压且连续地施加等离子体生成用的高频电力的第一阶段、和对上部电极34施加直 流电压且接通、关断等离子体生成用高频电力的第二阶段，但是也可以仅进行第二阶段。此 夕卜，作为本发明适用的被处理体，不限于图3所示的结构，也可以构成为例如在光抗蚀剂和 蚀刻对象膜之间具有反射防止膜、硬掩膜。蚀刻对象膜典型的为绝缘膜，但也不限于此。
权利要求
一种等离子体蚀刻方法，其使用等离子体蚀刻装置在蚀刻对象膜形成孔，该等离子体蚀刻装置包括收纳被处理体且内部能够被真空排气的处理容器、配置于所述处理容器内作为被处理体的载置台发挥作用的下部电极、与所述下部电极相对置地配置于所述处理容器内的上部电极、向所述处理容器内供给处理气体的处理气体供给单元、对所述上部电极或下部电极的至少一方施加等离子体生成用的高频电力的等离子体生成用高频电力施加单元、和对所述上部电极施加负的直流电压的直流电源，所述等离子体蚀刻方法的特征在于交替反复第一条件和第二条件，其中，所述第一条件为，接通所述等离子体生成用高频电力施加单元，在所述处理容器内生成等离子体，并且从所述直流电源对所述上部电极施加负的直流电压；所述第二条件为，关断所述等离子体生成用高频电力施加单元，使所述处理容器内的等离子体猝灭，并且从所述直流电源对所述上部电极施加负的直流电压，利用所述第一条件由等离子体中的正离子使蚀刻进行，利用所述第二条件生成负离子，利用所述直流电压将负离子供给到所述孔内，由此中和所述孔内的正电荷。
2.如权利要求1所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于所述等离子体蚀刻装置，还包括对所述下部电极施加偏压施加用的高频电力的偏压施 加用高频电力供给单元，与所述等离子体生成用高频电力施加单元的接通、关断同步地使所述偏压施加用高频 电力供给单元的输出变化，在关断所述等离子体生成用高频电力施加单元使等离子体猝灭 的期间中，设置使所述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使所述偏压施加用高频电力 供给单元的输出为比第一输出低的输出即第二输出的期间。
3.如权利要求2所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于在接通所述等离子体生成用高频电力施加单元而生成等离子体的期间中，设置使所述 偏压施加用高频电力供给单元关断、或使所述偏压施加用高频电力供给单元的输出为比第 一输出低的输出即第二输出的期间。
4.一种等离子体蚀刻方法，其使用等离子体蚀刻装置在蚀刻对象膜形成孔，该等离子 体蚀刻装置包括收纳被处理体且内部能够被真空排气的处理容器、配置于所述处理容器 内作为被处理体的载置台发挥作用的下部电极、与所述下部电极相对置地配置于所述处理 容器内的上部电极、向所述处理容器内供给处理气体的处理气体供给单元、对所述上部电 极或下部电极的至少一方施加等离子体生成用的高频电力的等离子体生成用高频电力施 加单元、和对所述上部电极施加负的直流电压的直流电源，该等离子体蚀刻方法的特征在 于进行第一阶段，其连续地从所述等离子体生成用高频电力施加单元供给高频电力，在 所述处理容器内生成等离子体，并且从所述直流电源对所述上部电极施加负的直流电压，然后，进行交替反复第一条件和第二条件的第二阶段，其中，所述第一条件为，接通所 述等离子体生成用高频电力施加单元，在所述处理容器内生成等离子体，并且从所述直流 电源对所述上部电极施加负的直流电压；所述第二条件为，关断所述等离子体生成用高频 电力施加单元，使所述处理容器内的等离子体猝灭，并且从所述直流电源对所述上部电极 施加负的直流电压，在所述第二阶段，利用所述第一条件由等离子体中的正离子使蚀刻进行，利用所述第二条件生成负离子，利用所述直流电压将负离子供给到所述孔内，由此中和所述孔内的正电荷。
5.如权利要求4所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于所述等离子体蚀刻装置，还包括对所述下部电极施加偏压施加用的高频电力的偏压施加用高频电力供给单元，在所述第一阶段，从所述偏压施加用高频电力供给单元连续地以第一输出施加偏压，在所述第二阶段，与所述等离子体生成用高频电力施加单元的接通、关断同步地使所 述偏压施加用高频电力供给单元的输出变化，在关断所述等离子体生成用高频电力施加单 元使等离子体猝灭的期间中，设置使所述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使所述偏 压施加用高频电力供给单元的输出为比第一输出低的输出即第二输出的期间。
6.如权利要求5所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于在所述第二阶段，在接通所述等离子体生成用高频电力施加单元而生成等离子体的期间中，设置使所述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使所述偏压施加用高频电力供给 单元为比第一输出低的输出即第二输出的期间。
7.如权利要求1 6中任一项所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于 所述第二条件实施1次的时间为10ii sec以上、50 ii sec以下。
8.如权利要求1 6中任一项所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于 所述第一条件和所述第二条件的反复呈脉冲状进行。
9.如权利要求1 6中任一项所述的等离子体蚀刻方法，其特征在于 所述被处理体的蚀刻对象膜是绝缘膜。
10.一种等离子体蚀刻装置，其特征在于，包括处理容器，其收纳被处理体且内部能够被真空排气； 下部电极，其配置于所述处理容器内作为被处理体的载置台发挥作用； 上部电极，其与所述下部电极相对置地配置于所述处理容器内； 处理气体供给单元，其向所述处理容器内供给处理气体；等离子体生成用高频电力施加单元，其对所述上部电极或下部电极的至少一方施加等 离子体生成用的高频电力；直流电源，其对所述上部电极施加负的直流电压；和控制部，其控制所述等离子体生成用高频电力施加单元，所述控制部，进行包括交替反复第一条件和第二条件的控制，其中，所述第一条件为， 接通所述等离子体生成用高频电力施加单元，在所述处理容器内生成等离子体，并且从所 述直流电源对所述上部电极施加负的直流电压；所述第二条件为，关断所述等离子体生成 用高频电力施加单元，使所述处理容器内的等离子体猝灭，并且从所述直流电源对所述上 部电极施加负的直流电压，此时，利用所述第一条件由等离子体中的正离子使蚀刻进行，利用所述第二条件生成负离子，利用所述直流电压将负离子供给到所述孔内，由此中和所述孔内的正电荷。
11.如权利要求10所述的等离子体蚀刻装置，其特征在于还包括对所述下部电极施加偏压施加用的高频电力的偏压施加用高频电力供给单元，所述控制部，与所述等离子体生成用高频电力施加单元的接通、关断同步地使所述偏压施加用高频电力供给单元的输出变化，在关断所述等离子体生成用高频电力施加单元使 等离子体猝灭的期间中，设置使所述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使所述偏压施 加用高频电力供给单元的输出为比第一输出低的输出即第二输出的期间。
12.如权利要求11所述的等离子体蚀刻装置，其特征在于所述控制部，在接通所述等离子体生成用高频电力施加单元而生成等离子体的期间 中，设置使所述偏压施加用高频电力供给单元关断、或使所述偏压施加用高频电力供给单 元的输出为比第一输出低的输出即第二输出的期间。
全文摘要
本发明提供一种等离子体蚀刻方法和等离子体蚀刻装置。该等离子体蚀刻方法，能够以形状性能良好且高蚀刻率对被蚀刻膜进行蚀刻从而形成高深宽比的孔。当通过等离子体蚀刻在蚀刻对象膜形成孔时，接通等离子体生成用高频电力施加单元，在处理容器内生成等离子体，并且交替反复以下第一条件和第二条件第一条件，从直流电源对上部电极施加负的直流电压，第二条件，关断等离子体生成用高频电力施加单元使处理容器内的等离子体猝灭，并且从直流电源对上部电极施加负的直流电压，利用第一条件由等离子体中的正离子使蚀刻进行，利用第二条件生成负离子，由所述直流电压将负离子供向上述孔内，由此中和孔内的正电荷。
文档编号H01J37/32GK101800161SQ201010103969
公开日2010年8月11日 申请日期2010年1月26日 优先权日2009年1月26日
发明者八田浩一, 冈本晋, 大矢欣伸, 持木宏政 申请人:东京毅力科创株式会社