專利名稱：等離子體處理裝置和等離子體處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在被處理基板上實(shí)施等離子體處理的技術(shù)，特別是涉及電容耦合型的等離子體處理裝置和等離子體處理方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體裝置和FPD(平面平板顯示器Flat Panel Display)的制造工藝中的蝕刻、堆積、氧化和濺射等的處理中，為了以比較低的溫度使處理氣體進(jìn)行良好的反應(yīng)，經(jīng)常利用等離子體。在現(xiàn)有技術(shù)中，在單片式的等離子處理裝置，特別是等離子蝕刻裝置中，電容耦合型的等離子處理裝置已成為主流。
通常，電容耦合型的等離子體處理裝置在作為真空腔室而形成的處理容器內(nèi)平行地配置有上部電極和下部電極，在下部電極上載置被處理基板(半導(dǎo)體晶片、玻璃基板等)，向兩電極的任一個施加高頻電壓。利用由該高頻電壓在兩電極之間形成的電場使電子加速，由電子與處理氣體的沖突電離產(chǎn)生等離子體，利用等離子體中的自由基和離子在基板表面上實(shí)施需要的加工(例如蝕刻加工)。這里，由于施加了高頻的一側(cè)的電極通過匹配器內(nèi)的隔離電容器(blocking capacitor)與高頻電源連接，作為陰極(cathode)工作。在支撐基板的下部電極上施加高頻，將其用作陰極的陰極耦合方式，利用下部電極生成的自偏壓，將等離子體中的離子幾乎垂直的引入基板，由此，能夠進(jìn)行方向性好的各向異性蝕刻(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1日本特開平6-283474現(xiàn)有的電容耦合型等離子體處理裝置一般來說將不施加高頻的陽極側(cè)的電極接地。通常，由于處理容器由鋁或不銹鋼等的金屬構(gòu)成，并被安全地接地，因此能夠通過處理容器將陽極作為接地電位。因此，在陰極耦合方式中，采用將作為陽極的電極的上部電極直接附加在處理容器的頂部組成一體的結(jié)構(gòu)，或采用將處理容器的頂部直接作為上部電極利用的結(jié)構(gòu)。
然而，隨著近年來的半導(dǎo)體制造工藝中的設(shè)計規(guī)則的微細(xì)化，要求在低壓下的高密度的等離子體，在上述的電容耦合型等離子處理裝置中，高頻的頻率逐漸變高，最近，已使用標(biāo)準(zhǔn)40MHz以上的頻率。然而，頻率變高，高頻電流在電極的中心部聚集，由此在兩電極之間的處理空間中生成的等離子的密度在電極中心部側(cè)比在電極邊緣部側(cè)高，處理的面內(nèi)均勻性下降的問題變得顯著。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于上述的問題而進(jìn)行的，本發(fā)明的目的在于提供等離子處理裝置和等離子處理方法，所述等離子處理裝置和等離子處理方法能夠在電容耦合型中相對的2個電極之間施加高頻，均勻化并任意控制生成的等離子體密度的空間分布，提高處理的面內(nèi)均勻性。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的等離子處理裝置，具有能真空排氣的處理容器；隔著絕緣物或空間以電浮起狀態(tài)安裝在上述處理容器上的第一電極；在上述處理容器內(nèi)與上述第一電極空出規(guī)定間隔平行配置，與上述第一電極相對支撐被處理基板的第二電極；向上述第一電極、上述第二電極和上述處理容器的側(cè)壁之間的處理空間供給需要的處理氣體的處理氣體供給部；用于在上述處理空間內(nèi)生成上述處理氣體的等離子體，而向上述第二電極施加第一高頻的第一高頻供電部，設(shè)定上述第一電極和上述處理容器之間的靜電電容，使得在上述處理空間內(nèi)生成的等離子體得到期望的等離子體密度分布特性。
此外，本發(fā)明的等離子處理方法，在能真空的處理容器內(nèi)空出規(guī)定間隔平行配置第一電極和第二電極；與上述第一電極相對，利用第二電極支撐被處理基板；對上述處理容器內(nèi)進(jìn)行真空排氣，直到規(guī)定的壓力；向上述第一電極、上述第二電極和上述處理容器的側(cè)壁之間的處理空間供給期望的處理氣體；向上述第二電極施加第一高頻，在上述處理空間生成上述處理氣體的等離子體；在上述等離子體下，對上述基板實(shí)施期望的等離子體處理，該方法中，設(shè)定上述第一電極和上述處理容器之間的靜電電容，使得上述第一電極隔著絕緣體相對于上述處理容器電浮起，在上述處理空間生成的等離子體得到期望的等離子體密度分布特性。
在本發(fā)明采用的電容耦合型中，向第二電極施加來自高頻電源的高頻，利用第二電極與第一電極之間的高頻放電和第二電極與處理容器的側(cè)壁(內(nèi)壁)之間的高頻放電在處理空間內(nèi)生成處理氣體的等離子體，生成的等離子體向四方尤其是上方和半徑方向外側(cè)擴(kuò)散，等離子體中的電子電流通過第一電極或處理容器側(cè)壁等流入地。這里，由于第一電極為本發(fā)明的隔著絕緣物或空間電浮起的狀態(tài)，安裝在處理容器內(nèi)，成為從第二電極看在第一電極與接地電位之間附加有靜電電容的阻抗的結(jié)構(gòu)。通過將該第一電極的周圍的靜電電容設(shè)定成適宜的值，能夠?qū)崿F(xiàn)在處理空間生成的等離子體的密度的空間分布特性在徑向均勻化并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行任意控制。
作為在本發(fā)明中的第一電極與處理容器之間的靜電電容，優(yōu)選值是5000pF以下，更優(yōu)選在2000pF以下，也可以低到250pF左右。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，從第二電極看在第一電極的背面與處理容器之間設(shè)置有從處理空間獨(dú)立的真空空間。這樣的真空空間對于第一電極具有隔熱作用和防止放電的功能，并且賦予介電常數(shù)最低的靜電電容。也能夠適宜采用用絕緣體覆蓋真空空間的內(nèi)壁的全部或一部分的結(jié)構(gòu)。
為了使第一電極的周圍的靜電電容盡可能地低，在另一個優(yōu)選實(shí)施方式中，優(yōu)選用絕緣體構(gòu)成從第二電極看與第一電極背面相對的處理容器的部位的全部或一部分。
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的一個實(shí)施方式，為了向處理空間供給處理氣體，在第一電極的上部或上方設(shè)置氣體室，并在第一電極的下面形成用于從氣體室向處理空間噴出處理氣體的多個氣體噴出孔。由此，能夠使得在處理容器內(nèi)電浮起的第一電極上，沒有任何障礙的具有噴淋頭的功能。
此外，作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方式，設(shè)置有用于堵塞在第一電極的外周面與處理容器的側(cè)壁之間的間隙的環(huán)狀絕緣體。這樣的環(huán)狀絕緣體以物理保持第一電極，并形成第一電極與處理容器之間的靜電電容的一部分。
在優(yōu)選的一個實(shí)施方式中，在第一電極(上部電極)的外周面與處理容器的側(cè)壁之間形成有空間。此外，第一電極在半徑方向上分成圓盤狀的內(nèi)側(cè)電極和環(huán)狀的外側(cè)電極兩部分。并且，在內(nèi)側(cè)電極和外側(cè)電極之間插入有環(huán)狀的第四絕緣體或形成有空間?；蛘?，在外側(cè)電極與上述處理容器的側(cè)壁之間插入有環(huán)狀的第五絕緣體或形成有空間。因?yàn)槟軌蚴雇鈧?cè)電極與處理容器之間的靜電電容大于內(nèi)側(cè)電極與處理容器之間的靜電電容，所以優(yōu)選。
此外，另一個優(yōu)選實(shí)施方式中，第一電極在半徑方向上分成圓盤狀的內(nèi)側(cè)電極和環(huán)狀的外側(cè)電極兩部分，在內(nèi)側(cè)電極和外側(cè)電極之間插入環(huán)狀的第四絕緣體，在外側(cè)電極與處理容器的側(cè)壁之間插入環(huán)狀的第五絕緣體。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，能夠使內(nèi)側(cè)電極的接地電容顯著降低，能夠增強(qiáng)使電極中心部的等離子體密度相對減少而使電極邊緣部的等離子體密度相對增大的效果。
根據(jù)本發(fā)明的等離子處理裝置及等離子處理方法，根據(jù)上述的結(jié)構(gòu)和作用，能使由電容耦合型的高頻放電生成的等離子體的密度的空間的分布均勻化并能夠進(jìn)行任意的控制，從而提高處理的面內(nèi)均勻性。


圖1是表示本發(fā)明的一個實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置的結(jié)構(gòu)的縱截面圖。
圖2是表示實(shí)施方式的一個變形例的等離子蝕刻裝置的結(jié)構(gòu)的縱截面圖。
圖3是表示比較例的等離子蝕刻裝置的電容耦合型高頻放電的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4是表示實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置的電容耦合型高頻放電的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5是表示對在實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置中，對將上部電極的接地電容選為高電容和低電容2種情況的電子密度的空間分布特性進(jìn)行比較的圖。
圖6是表示實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置中，對將上部電極的接地電容選為高電容和低電容2種情況的氧化膜的蝕刻速率的面內(nèi)分布特性進(jìn)行比較的圖。
圖7是表示實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置中，對將上部電極的接地電容選為高電容和低電容的2種情況的光致抗蝕劑的蝕刻速率的面內(nèi)分布特性進(jìn)行比較的圖。
圖8是表示實(shí)施方式的一個變形例的等離子蝕刻裝置的結(jié)構(gòu)的縱截面圖。
圖9是表示圖8的等離子蝕刻裝置的電容耦合型高頻放電的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖10是表示實(shí)施方式的一個變形例的等離子蝕刻裝置的結(jié)構(gòu)的縱截面圖。
圖11是表示圖10的等離子蝕刻裝置的電容耦合型高頻放電的結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖12是表示實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置的靜電電容可變部的一個實(shí)施例的部分截面圖。
圖13是表示實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置的靜電電容可變部的另一個實(shí)施例的部分截面圖。
圖14是表示實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置的靜電電容可變部的又一個實(shí)施例的部分截面圖。
圖15是表示實(shí)施方式的一個變形例的等離子蝕刻裝置的結(jié)構(gòu)的縱截面圖。
圖16是表示實(shí)施方式的一個變形例的等離子蝕刻裝置的結(jié)構(gòu)的縱截面圖。
符號說明10腔室(處理容器)；16基座(下部電極)；30高頻電源；34上部電極；34A內(nèi)側(cè)上部電極；34B外側(cè)上部電極；35環(huán)狀絕緣體；36電極板；36a氣體噴出孔；38電極支撐體；40氣體緩沖室；42氣體供給管；44處理氣體供給源；50真空空間；52絕緣體；64高頻電源；70，72電容；73絕緣體；74，76環(huán)狀絕緣體；80，82，84 電容；86，92靜電電容可變部
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說明。
在圖1中，表示了本發(fā)明的一個實(shí)施方式的等離子處理裝置的結(jié)構(gòu)。該等離子處理裝置構(gòu)成為陰極耦合的電容耦合型(平行平板型)等離子蝕刻裝置，例如，具有由表面進(jìn)行氧化鋁膜處理(陽極氧化處理)的鋁構(gòu)成的圓筒形的真空腔室(處理容器)10。腔室10被安全接地。
在腔室10的底部，隔著陶瓷等的絕緣板12配置有圓柱狀的基座支撐臺14，在該基座支撐臺14的上面設(shè)置有例如由鋁構(gòu)成的基座16。基座16構(gòu)成下部電極，在其上載置有例如半導(dǎo)體晶片W作為被處理基板。
在基座16的上面設(shè)置有用于利用靜電吸附力保持半導(dǎo)體晶片W的靜電卡盤18。該靜電卡盤18是將由導(dǎo)電膜構(gòu)成的電極20夾在一對絕緣層或絕緣片之間得到的部件，直流電源22與電極20電連接。利用來自直流電源22的直流電壓，能夠利用庫侖力將半導(dǎo)體晶片W吸附保持在靜電卡盤18上。在靜電卡盤18的周圍，在基座16的上面配置有用于提高蝕刻的均勻性的，例如由硅構(gòu)成的聚焦環(huán)24。在基座16和基座支撐臺14的側(cè)面貼附有例如由石英構(gòu)成的圓筒狀的內(nèi)壁部件25。
在基座支撐臺14的內(nèi)部設(shè)置有例如在圓周方向延伸的制冷劑室26。在該制冷劑室26中，利用外加的冷卻單元(未圖示)，通過配管27a、27b循環(huán)供給規(guī)定溫度的制冷劑例如冷卻水。利用制冷劑的溫度能夠控制基座16上的半導(dǎo)體晶片W的處理溫度。并且，通過氣體供應(yīng)管線28，向靜電卡盤18的上面與半導(dǎo)體晶片W的背面之間供應(yīng)來自導(dǎo)熱氣體供給機(jī)構(gòu)(未圖示)的導(dǎo)熱氣體例如He氣。
在基座16上通過匹配器32和供電棒33電連接有等離子體生成用的高頻電源30。該高頻電源30在腔室10內(nèi)進(jìn)行等離子體處理時，向基座16施加規(guī)定的高頻例如40MHz的高頻。
在基座16的上方，與該基座平行相對設(shè)置有上部電極34。該上部電極34由具有多個氣體噴出孔36a的例如Si、SiC等的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的電極板36，和可以自由裝卸地支撐該電極板36的由導(dǎo)電材料例如表面經(jīng)過氧化鋁膜處理后的鋁構(gòu)成的電極支撐體38構(gòu)成，在腔室10內(nèi)，以隔著環(huán)狀的絕緣體35電浮起的狀態(tài)進(jìn)行安裝。由該上部電極34、基座16和腔室10的側(cè)壁形成等離子體生成空間或處理空間PS。環(huán)狀絕緣體35例如由氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成，以氣密的堵塞上部電極34的外周面與腔室10的側(cè)壁之間的縫隙的方式被安裝，物理支撐上部電極34，并構(gòu)成上部電極34與腔室10之間的靜電電容的一部分。
電極支撐體38在其內(nèi)部具有氣體緩沖室40，并在其下面具有從氣體緩沖室40與電極板36的氣體噴出孔36a連通的多個氣體通氣孔38a。處理氣體供給源44通過氣體供給管42與氣體緩沖室40連接，氣體供給管42上設(shè)置有質(zhì)量流量控制器(MFC)46和開關(guān)閥48。從處理氣體供應(yīng)源44將規(guī)定的處理氣體導(dǎo)入氣體緩沖室42，通過電極板36的氣體噴出孔36a，以噴淋狀向著基座16上的半導(dǎo)體晶片W，向處理空間PS噴出處理氣體。由此，上部電極34兼作為向處理空間PS供給處理氣體用的噴淋頭。
此外，在電極支撐體38的內(nèi)部設(shè)置有流過制冷機(jī)，例如冷卻水的通路(未圖示)，利用外部的冷卻單元通過制冷劑將整個上部電極34，尤其是電極板36調(diào)整到規(guī)定的溫度。再者，為了使針對上部電極34的溫度控制更加穩(wěn)定，可以使用在電極支撐體38的內(nèi)部或上面安裝例如由電阻發(fā)熱元件構(gòu)成的加熱器(未圖示)的結(jié)構(gòu)。
在上部電極34的上面與腔室10的頂點(diǎn)之間設(shè)置有具有規(guī)定的縫隙尺寸的縫隙，在其縫隙的一部分或全體形成真空空間50。該真空空間50具有下述功能使上部電極34與腔室10和周圍溫度熱斷開；通過排除氣體，防止在上部電極34和腔室10之間的放電；因?yàn)檎婵盏慕殡姵?shù)為1，可以使上部電極34和腔室10之間的容量盡可能的小。其中，真空空間50與處理空間PS分別進(jìn)行真空排氣，利用氣密結(jié)構(gòu)保持真空狀態(tài)。在該實(shí)施方式中，為了進(jìn)一步提高防止放電的功能，以片狀的絕緣體52覆蓋真空空間50的內(nèi)壁的全部或一部分(圖示例僅覆蓋上面)。該絕緣體52適宜使用耐熱性優(yōu)異的聚酰亞胺系樹脂，也可以使用Teflon(注冊商標(biāo))或石英。
在基座16、基座支撐臺14與腔室10的側(cè)壁之間形成的環(huán)狀空間為排氣空間，在該排氣空間的底上設(shè)置有腔室10的排氣口54。排氣裝置58通過排氣管56與該排氣口54連接。排氣裝置58具有渦輪分子泵等的真空泵，能夠?qū)⑶皇?0的室內(nèi)尤其是處理空間PS減壓到期望的真空度。并且，在腔室10的側(cè)壁上安裝有開閉半導(dǎo)體晶片W的搬入搬出口60的閘閥62。
在該等離子蝕刻裝置中，為了進(jìn)行蝕刻，首先打開閘閥62，并將加工對象的半導(dǎo)體晶片W搬入到腔室10內(nèi)，載置在靜電卡盤18上。以規(guī)定流量或流量比從處理氣體供應(yīng)源44將處理氣體即蝕刻氣體(通常為混合氣體)導(dǎo)入到腔室10內(nèi)，通過排氣裝置58的真空排氣，使腔室10內(nèi)的壓力成為設(shè)定值。從高頻電源30向基座16以規(guī)定的功率施加高頻(40MHz)。此外，從直流電源22向靜電卡盤18的電極20施加直流電壓，將半導(dǎo)體晶片W固定在靜電卡盤18上。從上部電極34的噴頭被噴出的蝕刻氣體在處理空間PS利用高頻的放電等離子化，由該等離子體產(chǎn)生的自由基或離子對半導(dǎo)體晶片W的主面的膜進(jìn)行蝕刻。
該電容耦合型等離子蝕刻裝置，通過在基座(下部電極)16上施加40MHz或40MHz以上的高頻，將等離子體在理想解離狀態(tài)下高密度化，即使是在更低壓的條件下也能形成高密度等離子體。并且，是陰極耦合方式，利用在基座16上生成的自偏壓將等離子體中的離子幾乎垂直地引入到晶片W中，能夠進(jìn)行各向異性的蝕刻。
此外，也可以是將與等離子體生成相適應(yīng)的比較高的頻率(例如40MHz)的第一高頻，和與離子引入相適應(yīng)的比較低的頻率(例如2MHz)的第二高頻，重疊地施加在下部電極上的下部雙頻率重疊施加方式。作為這樣的裝置結(jié)構(gòu)，例如如圖2所示，可以在基座16上增設(shè)用于供給第二高頻的高頻電源64、匹配器66和供電棒68。在這樣的下部雙頻重疊施加方式中，能夠由第一高的頻率(40MHz)使由處理空間PS生成的等離子體的密度最適化，由第二高的頻率(2MHz)使由基座16生成的自偏壓或離子層最適化，可以實(shí)現(xiàn)選擇性更高的各向異性蝕刻。
下面，對該等離子體裝置的本發(fā)明的特征進(jìn)行詳細(xì)的說明。如上所述，該等離子體裝置在陰極耦合方式中，將上部電極34以隔著環(huán)狀絕緣體35及上部真空空間50等，以電懸浮的狀態(tài)而被安裝在腔室10上。
首先，作為比較例，對直接將上部電極34安裝在腔室10上作為接地電位的情況進(jìn)行說明。這種情況下，如圖3所示，將來自高頻電源30的高頻施加在基座16上，利用在基座16與上部電極34之間的高頻放電及在基座16與腔室10的側(cè)壁之間的高頻放電在處理空間PS內(nèi)生成處理氣體的等離子體。生成的等離子體向四方尤其是上方及半徑方向外側(cè)擴(kuò)散，等離子體中的電子電流通過上部電極34和腔室10的側(cè)壁等流入地。這里，在基座16的高頻的頻數(shù)越高，越容易由趨膚效應(yīng)引起在基座中心部集中高頻電流。然而，由于從基座16看，處于同電位(接地電位)的上部電極34與腔室10側(cè)壁中的前者在距離上比后者近，因此在電極中心部有更多的高頻功率向處理空間PS釋放。因此，等離子體中的電子電流中的流向腔室10的側(cè)壁的比例相當(dāng)?shù)?，大部分流到上部電極34中，流到其中心部。其結(jié)果是，等離子體密度的空間分布特性在電極中心部最高并且與電極邊緣部之間的差變得顯著。
與此相對，如上述實(shí)施方式所示，以浮起狀態(tài)，將上部電極34安裝在腔室10上，如圖4所示，處理空間PS內(nèi)的等離子體分布向半徑外側(cè)延伸。在圖4中，上部電極34通過電容70、72與腔室10電連接。這里，電容70是在上部電極34與腔室10的側(cè)壁之間的靜電電容，主要由環(huán)狀絕緣體35提供。另一方面，電容72是上部電極34與腔室10的頂點(diǎn)之間的靜電電容，主要由真空空間50和絕緣體52提供。
在這樣的情況下，將來自高頻電源30的高頻施加在基座16上，利用在基座16與上部電極34之間的高頻放電以及在基座16與腔室10的側(cè)壁之間的高頻放電，在處理空間PS內(nèi)生成蝕刻氣體的等離子體。生成的等離子體向上方及半徑方向外側(cè)擴(kuò)散，等離子體中的電子電流通過上部電極34和腔室10的側(cè)壁等流入地。這里，在基座16，容易在基座中心部集中高頻電流，從基座16看，上部電極34位于比腔室10的側(cè)壁更近的位置，在這一點(diǎn)上與圖3的情況相同。然而，在上部電極34與接地電位之間附加電容70、72的阻抗，由此，即使是在基座12的中心部集中了高頻電流，也難以從該處流向正上方的上部電極34。因此，在等離子體PS中的電子電流中的流向腔室10的側(cè)壁的比例決不低。從理論上說，根據(jù)接地電容70，72的電容的值(電容值)，對怎樣的在基座16與上部電極34之間和在基座16與腔10的側(cè)壁之間流過的電子電流的比都能夠分別進(jìn)行任意控制。于是能夠在徑向使等離子體密度的空間分布特性均勻化并能進(jìn)行任意的控制。
在圖5～圖7中，利用該實(shí)施方式的等離子體蝕刻裝置(圖2)，對SiO2通孔進(jìn)行蝕刻，比較上部電極34的接地電容即上部電極34周圍的電容70、72的合成電容選為20000pF(高電容)和250pF(低電容)兩種時的電子密度Ne的空間分布特性，和氧化膜(SiO2)蝕刻速度和光致抗蝕劑(PR)蝕刻速度的面內(nèi)分布特性。
晶片口徑300mm處理氣體C4F6/C4F8/Ar/O2＝流量40/20/500/60sccm腔室內(nèi)的壓力30mTorr高頻功率40MHz/2MHz＝2500/3200W從圖5～圖7可以看出，雖然在上部電極34的接地電容是高電容(20000pF)的情況下，電子密度Ne在晶片中心部高并保持比較均勻的值，但在晶片邊緣附近(從R＝±120mm周圍)急劇降低。由于氧化膜的蝕刻速率及光致抗蝕劑的蝕刻速率的任一個都依賴于電子密度分布，它們的面內(nèi)均勻性不好，分別是±4.1％，±19.1％。與此相對，在上部電極34的接地電容是低電容(250pF)的情況下，電子密度Ne在晶片中心部減小，另一方面，在晶片區(qū)域(-150mm～150mm)的外側(cè)即排氣區(qū)域增大，晶片中心部與晶片邊緣部之間的差縮小。與此相關(guān)聯(lián)，氧化膜的蝕刻速率及光致抗蝕劑的蝕刻速率在晶片中心部與晶片邊緣部之間的差縮小。尤其是，氧化膜的蝕刻速率僅在中心部降低，在邊緣部幾乎不降低，面內(nèi)均勻性提高到±2.4％。并且，雖然光致抗蝕劑的蝕刻速率在全體范圍增大，但是，面內(nèi)均勻性有大的改善，直到±4.4％。
這樣，通過將上部電極34的周圍的靜電電容或接地電容從高電容(20000pF)變成低電容(250pF)，能夠使在基座12和上部電極34之間流過的電子電流相對減小。與此同時，使在基座12和腔室10的側(cè)壁之間流過的電子電流相對增加，由此，能夠相對減少電極中心部的等離子體密度，相對增大電極邊緣部的等離子密度。作為結(jié)果，能夠提高氧化膜和光致抗蝕劑的蝕刻速率的面內(nèi)均勻性。尤其是涉及光致抗蝕劑的蝕刻速率的面內(nèi)均勻性的顯著的提高(19.1％→4.4％)，在現(xiàn)有技術(shù)中是沒有的。
本發(fā)明者通過反復(fù)上述實(shí)驗(yàn)確認(rèn)只要上述電極34的接地電容5000pF以下，就能夠得到上述的蝕刻速率的面內(nèi)均勻性的效果。再者，如果上部電極34的接地電容低至2000pF以下，能夠可靠的得到上述的蝕刻速率的面內(nèi)均勻性中實(shí)用上的效果。
在圖8及圖10中，表示適用于上部電極34的接地電容低的裝置結(jié)構(gòu)的例子。在圖8中表示的結(jié)構(gòu)例由絕緣體73構(gòu)成與上部電極34的背面即上面相對的腔室10的部位即頂部分。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠盡可能地減小乃至除去上部電極34的背面與腔室10的頂部分之間的電容耦合，能夠形成實(shí)質(zhì)上電除去了圖9所示的上部電極34背后的電容72(圖4)的接地電容。由此，能夠進(jìn)一步地增強(qiáng)相對減少電極中心部的等離子體密度、相對增大電極邊緣部的等離子密度的效果。其中，雖然圖中表示的例子全部由絕緣體73構(gòu)成腔室10的頂部分，使背部或上部電容72的電容最小化，但是，用導(dǎo)電體構(gòu)成頂部分的外周部分，適宜調(diào)節(jié)與中心部的絕緣體73之間的面積比，就能夠?qū)⒈巢侩娙?2的電容調(diào)節(jié)到期望的值。
在圖10中表示的結(jié)構(gòu)例中，將上部電極34在半徑方向上分割成的圓盤狀的內(nèi)側(cè)上部電極34A和環(huán)狀的外側(cè)上部電極34B這兩部分，在兩電極34A、34B之間氣密地插入環(huán)狀的內(nèi)側(cè)絕緣體74，在外側(cè)上部電極34B與腔室10的側(cè)壁之間氣密地插入環(huán)狀的外側(cè)絕緣體76。兩環(huán)狀絕緣體74、76的材料優(yōu)選是介電常數(shù)小的石英，也可以是陶瓷或氧化鋁(Al2O3)等。再者，也可以形成空間而取代兩環(huán)狀絕緣體74、76。在兩上部電極34A、34B與腔室10的頂之間設(shè)置有與大氣連通的空間78。
在這樣的裝置結(jié)構(gòu)中，兩上部電極34A、34B中的任一個均電浮起。如圖11所示，在內(nèi)側(cè)上部電極34A與腔室10之間存在有電容80，在外側(cè)上部電極34B與腔室10之間存在有電容82，在內(nèi)側(cè)上部電極34A與外側(cè)上部電極34B之間存在有電容84。這里，電容80主要由空間78提供，電容82主要由外側(cè)環(huán)狀絕緣體76提供，電容84主要由內(nèi)側(cè)環(huán)狀絕緣體74提供。
如果從高頻電源30向基座16施加高頻，利用基座16與內(nèi)側(cè)上部電極34A之間的高頻放電、基座16與外側(cè)上部電極34B之間的高頻放電，以及基座16與腔室10的側(cè)壁之間的高頻放電，在處理空間PS內(nèi)生成蝕刻氣體的等離子體。等離子體中的電子電流中的一部分通過內(nèi)側(cè)上部電極34A→電容80→腔室10的第一路徑流向地，其它的一部分通過外側(cè)上部電極34B→電容82→腔室10的第二路徑流向地。其它的一部分通過內(nèi)側(cè)上部電極34A→電容84→外側(cè)上部電極34B→電容82→腔室10的第三路徑流向地，剩余的部分直接達(dá)到腔室10的側(cè)壁、流向地。其中，由于第三路徑的阻抗最高，流過的電流很少，從內(nèi)側(cè)上部電極34A流向地的電流的總量減少。這部分流到第二路徑或腔室10的側(cè)壁的電流的比例增加。由此，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)相對減少電極中心部的等離子體密度、相對增大電極邊緣部的等離子密度的效果。并且，在外側(cè)上部電極34B上設(shè)置氣體室或氣體噴出孔，能夠具備噴淋頭的功能。
此外，可以使外側(cè)上部電極34B與腔室10之間的靜電電容比在內(nèi)側(cè)上部電極34A與腔室10之間的靜電電容大。由此，與第一路徑和第三路徑相比，能夠可靠增加在第二路徑和腔室10中流過的電流的比例。
在該實(shí)施方式的等離子蝕刻裝置中，可以使上部電極34的周圍的靜電電容或接地電容可變，在圖12～14中表示了靜電電容可變部的結(jié)構(gòu)例。
在圖12和圖13中所示的靜電電容可變部86具有可以在與上部電極34的上面相接觸或接近的第一位置和從上部電極34離開至上方的第二位置之間移動的導(dǎo)體板88；用于使該導(dǎo)體板88上下移動或變位的操作機(jī)構(gòu)90；用于通過操作機(jī)構(gòu)90，將上部電極34的接地電容控制在期望值的靜電電容控制部85。圖12的操作機(jī)構(gòu)90由導(dǎo)電性的材質(zhì)，或相對于高頻的具有導(dǎo)電性的性質(zhì)的材質(zhì)，或相對高頻的低阻抗的材質(zhì)構(gòu)成，直接或通過腔室10接地。圖13的操作機(jī)構(gòu)90可以是絕緣性的材質(zhì)。該靜電電容可變方式能夠?qū)?yīng)于導(dǎo)體板88的高度位置，使上部電極34的接地電容可變。導(dǎo)體板88越接近腔室10的頂面，上部電極34的接地電容就能變得越小。相反，導(dǎo)體板88越接近上部電極38的上面，上部電極34的接地電容就能變得越大。在極端的情況下，使導(dǎo)體板88與上部電極34相接觸并使上部電極34接地，接地電容能變成無限大。
在圖14中表示的靜電電容可變部92，在上部電極34與腔室10的側(cè)壁之間設(shè)置的環(huán)狀絕緣體35中形成有液體收容室94，成為能夠通過配管96從腔室10的外面導(dǎo)出和導(dǎo)入具有適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)的液體(例如Galden那樣的有機(jī)溶劑)Q的結(jié)構(gòu)。通過使液體Q的種類(介電常數(shù))或液體量變化，能夠使環(huán)狀絕緣體35的全部的靜電電容以及上部電極34的接地電容可變。
作為別的結(jié)構(gòu)例，還可以是在上部電極34與腔室10之間連接可變電容器(未圖示)的結(jié)構(gòu)。
此外，如圖15中所示，在上部電極34與直流電源98電連接，可以是將任意的直流電壓施加在上部電極34上的結(jié)構(gòu)。在這樣的情況下，上部電極34變成在從腔室10的電位即接地電位以電懸浮狀態(tài)，起到直流作用。通過在上部電極34上施加適度的直流電壓，能夠起到以下效果中的至少一種(1)使上部電極34的自偏壓的絕對值變大從而增強(qiáng)上部電極34的濺射(除去堆積物)的效果，(2)使上部電極34的等離子層擴(kuò)大從而使形成的等離子體縮小化的效果，(3)使在上部電極34的附近產(chǎn)生的電子照射在被處理基板(半導(dǎo)體晶片W)上的效果，(4)能夠控制等離子體電位的效果，(5)使電子密度(等離子體密度)上升的效果，(6)使中心部的等離子體密度上升的效果。
此外，可以采用在圖16所示的結(jié)構(gòu)。具體地說，在如圖2所示，通過匹配器32及供電棒33從高頻電源30向基座16供給第一高頻的同時，通過匹配器66及供電棒68從高頻電源64供給第二高頻(下部雙頻重疊施加方式)，并且如圖10所示，將上部電極34在半徑方向上分成圓盤狀的內(nèi)側(cè)上部電極34A和環(huán)狀的外側(cè)上部電極34B這兩部分。
此外，雖然從靜電電容的觀點(diǎn)來說明在上述的實(shí)施方式的相對于上部電極34的接地電位的電浮起狀態(tài)(floating狀態(tài))，但是，也可以從阻抗的觀點(diǎn)進(jìn)行說明。
例如，在上述圖5～圖7的試驗(yàn)結(jié)果所述使上部電極34的接地電容在5000pF以下，能夠得到蝕刻速率的面內(nèi)均勻性效果，使其在2000pF以下，能夠可靠的得到蝕刻速率的面內(nèi)均勻性的效果。將其換成阻抗的觀點(diǎn)來看，可以使從處理空間PS一側(cè)看，要求上部電極34的阻抗分別為10Ω以上、5Ω以上。
此外，在上述的實(shí)施方式中，針對由電極板36和電極支撐體38構(gòu)成的上部電極34的接地電容進(jìn)行了說明。然而，也可以是在電極板36和電極支撐體38之間設(shè)置真空空間或電介質(zhì)，只將電極板36作為上部電極34的結(jié)構(gòu)，即只有電極板36形成浮起狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。此外，還可以將與電極板36或電極支撐體38直流結(jié)合的別的導(dǎo)電性部件作為與電極板36和電極支撐體38一起構(gòu)成上部電極34的部件。
在上述的實(shí)施方式中使用的高頻只是一個例子，可以與工藝相對應(yīng)，使用任意的頻率。此外，裝置內(nèi)的各個部分的結(jié)構(gòu)也可以有各種變形。上述實(shí)施方式為等離子體蝕刻裝置和等離子體蝕刻方法相關(guān)的實(shí)施方式，本發(fā)明也適用于等離子體CVD、等離子體氧化、等離子體氮化、濺射等的其他等離子體處理裝置和處理方法。此外，本發(fā)明的被處理基板，并不限于半導(dǎo)體晶片，也可以是平面平板顯示用的各種基板，光掩模、CD基板、印刷基板等。
權(quán)利要求
1.一種等離子處理裝置，包括能夠真空排氣的處理容器；隔著絕緣物或空間以電浮起狀態(tài)安裝在所述處理容器內(nèi)的第一電極；在所述處理容器內(nèi)與所述第一電極空開規(guī)定間隔平行配置的、與所述第一電極相對并支撐被處理基板的第二電極；向所述第一電極、所述第二電極和所述處理容器的側(cè)壁之間的處理空間供給期望的處理氣體的處理氣體供給部；和為了在所述處理空間生成所述處理氣體的等離子體，向所述第二電極施加第一高頻的第一高頻供電部，設(shè)定所述第一電極和所述處理容器之間的靜電電容，使得在所述處理空間生成的等離子體得到期望的等離子體密度分布特性。
2.如權(quán)利要求1所述的等離子處理裝置，其特征在于，包括用于使所述第一電極與所述處理容器之間的靜電電容可變的靜電電容可變部。
3.如權(quán)利要求1或2所述的等離子處理裝置，其特征在于使所述第一電極與所述處理容器之間的靜電電容的值為5000pF以下而構(gòu)成所述第一電極的周圍。
4.如權(quán)利要求3所述的等離子處理裝置，其特征在于使所述第一電極與所述處理容器之間的靜電電容的值為2000pF以下而構(gòu)成所述第一電極的周圍。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于所述處理容器由導(dǎo)電體構(gòu)成并接地。
6.如權(quán)利要求1～5中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于從所述第二電極看，所述第一電極的背面與所述處理容器之間設(shè)置有從所述處理空間獨(dú)立的真空空間。
7.如權(quán)利要求6所述的等離子處理裝置，其特征在于具有覆蓋所述真空空間的內(nèi)壁的全部或一部分的第一絕緣體。
8.如權(quán)利要求1～7中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于使用第二絕緣體構(gòu)成從所述第二電極看與所述第一電極的背面相對的所述處理容器的部位的全部或部分。
9.如權(quán)利要求1～8中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于所述第一電極是上部電極，所述第二電極是下部電極。
10.如權(quán)利要求9所述的等離子處理裝置，其特征在于在所述第一電極的上部或上方設(shè)置有導(dǎo)入來自所述處理氣體供給部的所述處理氣體的氣體室，在所述第一電極上形成有多個氣體噴出孔，用于從所述氣體室向所述處理空間噴出所述處理氣體。
11.如權(quán)利要求10所述的等離子處理裝置，其特征在于在所述第一電極的外周面與所述處理容器的側(cè)壁之間設(shè)置有環(huán)狀的第三絕緣體。
12.如權(quán)利要求11所述的等離子處理裝置，其特征在于所述第三絕緣體以塞住所述第一電極的外周面與所述處理容器的側(cè)壁之間的縫隙的方式設(shè)置。
13.如權(quán)利要求10所述的等離子處理裝置，其特征在于在所述第一電極的外周面與所述處理容器的側(cè)壁之間形成有空間。
14.如權(quán)利要求1～13中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于所述第一電極在半徑方向上分為圓盤狀的內(nèi)側(cè)電極和環(huán)狀的外側(cè)電極兩部分。
15.如權(quán)利要求14所述的等離子處理裝置，其特征在于在所述內(nèi)側(cè)電極與所述外側(cè)電極之間插入有環(huán)狀的第四絕緣體、或形成有空間。
16.如權(quán)利要求14或15所述的等離子處理裝置，其特征在于在所述外側(cè)電極與所述處理容器的側(cè)壁之間插入有環(huán)狀的第五絕緣體、或形成有空間。
17.如權(quán)利要求14～16中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于所述外側(cè)電極與所述處理容器之間的靜電電容大于所述內(nèi)側(cè)電極與所述處理容器之間的靜電電容。
18.如權(quán)利要求1～17中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于包括向所述第二電極施加頻率低于所述第一高頻的第二高頻的第二高頻供電部。
19.如權(quán)利要求1～18中任一項(xiàng)所述的等離子處理裝置，其特征在于包括用于向所述第一電極施加期望的直流電壓的直流電源。
20.一種等離子處理方法，在能夠真空的處理容器內(nèi)空出規(guī)定的間隔平行配置第一電極和第二電極，與所述第一電極相對、利用第二電極支撐被處理基板，對所述處理容器內(nèi)進(jìn)行真空排氣，達(dá)到規(guī)定的壓力，將期望的處理氣體供給至所述第一電極、所述第二電極和所述處理容器的側(cè)壁之間的處理空間，在所述第二電極上施加第一高頻，在所述處理空間中生成所述處理氣體的等離子體，在所述等離子體下，對所述基板實(shí)施期望的等離子體處理，其中，設(shè)定所述第一電極和所述處理容器之間的靜電電容，使得所述第一電極隔著絕緣體或空間，相對于所述處理容器電浮起，并使得在所述處理空間生成的等離子體得到期望的等離子體密度分布特性。
21.如權(quán)利要求20所述的等離子處理方法，其特征在于所述第一電極與所述處理容器之間的靜電電容為可變。
22.如權(quán)利要求20或21所述的等離子處理方法，其特征在于將所述第一電極與所述處理容器之間的靜電電容的值選定為2000pF以下。
23.如權(quán)利要求22所述的等離子處理裝置，其特征在于將所述第一電極與所述處理容器之間的靜電電容的值選定為250pF以下。
全文摘要
本發(fā)明提供一種等離子體處理裝置和等離子體處理方法，能夠使通過電容耦合型的高頻放電生成的等離子體密度的空間分布均勻化，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行任意控制，提高等離子體的面內(nèi)均勻性。本發(fā)明的等離子體處理裝置，下部電極的基座(16)載置被處理基板(W)，通過高頻電源(30)施加等離子體生成用的高頻。在基座(16)上方，與其平行的相對配置有上部電極(34)，隔著環(huán)狀的絕緣體(35)以電浮起的狀態(tài)安裝在腔室(10)上。上部電極(34)的上面與腔室(10)的頂面之間設(shè)置有規(guī)定的間隔尺寸，其縫隙的一部分或全部形成真空空間(50)。該真空空間(50)的內(nèi)壁的全部或一部分由片狀的絕緣體(52)覆蓋。
文檔編號H01L21/02GK101047113SQ200710091349
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者松本直樹, 早川欣延, 花岡秀敏, 兒玉法明, 輿水地鹽, 巖田學(xué), 田中諭志 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社