CN101431854A - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体处理装置。其具有：收容被处理基板并能够真空排气的处理容器；在处理容器内对置配置的第一电极和第二电极；将高频电力施加到所述第一电极的高频电源；将直流电压施加到所述第一电极的直流电源；和将处理气体供给到处理容器内的处理气体供给单元。在第一电极与第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理。其中，第一电极具有电极支承部件和设置于电极支承部件的等离子体侧的多个电极板，在多个电极板的每一个电极板与电极支承部件之间插有电介质膜，多个电极板分别通过开关与直流电源连接，来自直流电源的直流电压能够选择性地施加于多个电极板。

Description

等离子体处理装置
本案是申请日为2006年3月31日、申请号为200610067101.6、发明名称为等离子体处 理装置和等离子体处理方法的分案申请
技术领域
本发明涉及在半导体基板等被处理基板上进行等离子体蚀刻等的等离子体处理的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
背景技术
例如，在半导体器件的制造过程中，为了在作为被处理基板的半导体晶片上形成的规定的层上形成规定的图形，多采用以保护层作为掩摸，通过等离子体进行蚀刻的等离子体蚀刻处理。
作为进行这种等离子体蚀刻用的等离子体蚀刻装置，可以使用各种装置，其中主流为电容结合型平行平板等离子体处理装置。
电容结合型平行平板等离子体蚀刻装置，是在腔室内配置一对平行平板电极(上部电极和下部电极)，将处理气体导入腔室内，同时将高频施加到一个电极，在电极间形成高频电场，通过该高频电场形成处理气体的等离子体，并对半导体晶片的规定层进行等离子体蚀刻。
具体而言，已知通过将等离子体形成用的高频施加到上部电极形成等离子体，将离子注入用的高频施加到下部电极，形成适当的等离子体状态的等离子体蚀刻装置，由此，可以进行在选择比高、再现性高的蚀刻处理。
最近，随着设计规则的微细化，要求在等离子体处理中有低压化下的高密度的等离子体，在电容结合型等离子体处理装置中，要施加比现有高得多的50MHz以上的高频率的高频电力(例如专利文献1)。
然而，当施加到上部电极的高频的频率高时，从高频电源经过供电棒施加到电极背面的高频由于表皮效应，在电极表面上传递集中到电极下面(等离子体接触面)的中心上，使电极下面的中心部的电场强度比外周部的电场强度高，生成的等离子体密度也在电极中心部比在电极外周部高，使蚀刻处理首先在中心进行。
为了解决这个问题，在专利文献2中提出利用高电阻材料构成上部电极的下面中心部，由此，使更多的高频电力作为焦耳热消费掉，使上部电极的下面(等离子体接触面)与电极外周部相比相对电极中心部降低的技术。
但在专利文献2的技术中，存在焦耳热引起的高频电力消费(能量损失)多等问题。
[专利文献1]日本专利特开2000-173993号公报
[专利文献2]日本专利特开2000-323456号公报
发明内容
本发明是鉴于这个问题提出，其目的在于提供一种不论等离子体状态如何，都可以容易地确保等离子体的均匀性的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
此外，另一个目的是要提供可以实现任意的等离子体分布的等离子体处理装置和等离子体处理方法。
为了解决上述问题，根据本发明的第一观点提供一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；将高频电力施加到上述第一电极的高频电源；将直流电压施加到上述第一电极的直流电源；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给单元，其可在上述第一电极与上述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，并且，上述第一电极被构成为在其外侧部分来自上述直流电源的电流实际上不能流过。
根据本发明的第二观点提供一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；将高频电力施加到上述第一电极的高频电源；将直流电压施加到上述第一电极的直流电源；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给单元，其可在上述第一电极与上述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，并且，上述第一电极具有外侧部分和内侧部分，其被构成为来自上述高频电源的高频电流在上述外侧部分和上述内侧部分二者中流过，来自上述直流电源的直流电流在上述内侧部分中流过，在上述外侧部分实际上不能流过。
在本发明的第二观点的等离子体处理装置中，上述第一电极具有电极支承部件，上述外侧部分和内侧部分支承在上述电极支承部件上，上述高频电源和上述直流电源与上述电极支承部件连接，在上述电极支承部件与上述外侧部分之间隔着遮断来自上述直流电源的直流但使来自上述高频电源的高频通过的电介质膜。
此外，在本发明的第二观点的等离子体处理装置中，上述第一电极的上述外侧部分由具有遮断来自上述直流电源的直流但使来自上述高频电源的高频通过的电阻值的材料构成。
而且，本发明的第二观点的等离子体处理装置，其特征在于：上述第一电极的上述外侧部分与上述内侧部分分离，其具有从上述高频电源向上述外侧部分供给高频电流的第一供电部件；从上述高频电源向上述内侧部分供给高频电流的第二供电部件；和从上述直流电源向上述内侧部分供给直流电流的直流供电部件，在上述第一供电部件与上述外侧部件之间隔着遮断来自上述直流电源的直流但使来自上述高频电源高频通过的绝缘膜。
进而，在本发明的第二观点的等离子体处理装置中，还具有控制来自上述直流电源的施加电压或施加电流或施加电力的控制装置。此外，上述第一电极为上部电极，上述第二电极为载置被处理基板的下部电极。而且，还具有将离子引入用的高频电力施加到上述第二电极的离子引入用高频电源。
根据本发明的第三观点提供一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；将高频电力施加到上述第一电极的高频电源；将直流电压施加到上述第一电极的直流电源；从上述高频电源向上述第一电极供电的高频供电部；从上述直流电源向上述第一电极供电的直流供电部；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给单元，其可在上述第一电极与上述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，其中，上述第一电极分离为外侧部分和内侧部分，它们分别绝缘，上述高频供电部具有从上述高频电源向上述外侧部分供给高频电流的第一供电部件；从上述高频电源向上述内侧部分供给高频电流的第二供电部件；和设置在上述第二供电部件上的电容器；上述直流供电部具有从上述直流电源向上述内侧部分供给直流电流的直流供电部件。
在本发明的第三观点的等离子体处理装置中，上述电容为电容可变的可变电容器。
根据本发明的第四观点提供一种等离子体处理装置，其特征在于具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；设置在上述第一电极的内侧的第一内侧电极；设置在上述第二电极的外侧的第一外侧电极；将直流电压施加到上述第一内侧电极的直流电源；将高频电力施加到上述第一外侧电极的高频电源；从上述直流电源向上述第一内侧电极供电的直流供电部；从上述高频电源向上述第一外侧电极供电的高频供电部；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给单元，其可在上述第一电极与上述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理。
在本发明的第四观点的等离子体处理装置中，还具有控制来自上述直流电源的施加电压或施加电流或施加电力的控制装置。上述第一电极为上部电极，上述第二电极为载置被处理基板的下部电极。此外，还具有将离子引入用的高频电力施加到上述第二电极的离子引入用高频电源。
在本发明的第一～第四观点的等离子体处理装置中，在上述等离子体处理时从上述直流电源施加直流电压，在清洁时停止从上述直流电源施加直流电压。
根据本发明的第五观点提供一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；将高频电力施加到上述第一电极的高频电源；将直流电压施加到上述第一电极的直流电源；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给单元，其可在上述第一电极与上述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，其中，上述第一电极在面内方向形成规定的电阻分布，在上述第一电极的表面形成规定的直流电场和高频电场的分布。
根据本发明的第六观点提供一种等离子体处理方法，其特征在于，使用具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；将高频电力施加到上述第一电极的高频电源；将直流电压施加到上述第一电极的直流电源；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给单元的等离子体处理装置，其在上述第一电极与上述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，在向上述第一电极供给直流电压时，来自上述直流电源的电流实际上不在其外侧部分中流过。
根据本发明的第七观点提供一种等离子体处理方法，其特征在于，使用具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；将高频电力施加到上述第一电极上的高频电源；将直流电压施加到上述第一电极上的直流电源；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给单元的等离子体处理装置，其在上述第一电极与上述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，其中，将上述第一电极分离为外侧部分和内侧部分，在向上述第一电极施加直流电压和高频电压时，使来自上述高频电源的高频电流在上述外侧部分和上述内侧部分二者中流过，来自上述直流电源的直流电流在上述内侧部分中流过，实际上不在上述外侧部分中流过。
根据本发明的第八观点提供一种等离子体处理方法，其特征在于，使用具有：收容被处理基板并可真空排气的处理容器；在处理容器内相对配置的第一电极和第二电极；设置在上述第一电极的内侧的第一内侧电极；设置在上述第一电极的外侧的第一外侧电极；将直流电压施加到上述第一内侧电极的直流电源；将高频电力施加到上述第一外侧电极的高频电源；从上述直流电源向上述第一内侧电极供电的直流供电部；从上述高频电源向上述第二外侧电极供电的高频供电部；和将处理气体供给到上述处理容器内的处理气体供给装置的等离子体处理装置，其可在上述第一电极与第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理。
在本发明的第六～第八观点的等离子体处理装置方法中，在上述等离子体处理时从上述直流电源施加直流电压，在清洁时停止从上述直流电源施加直流电压。
附图说明
图1为表示本发明的第一实施方式的等离子体蚀刻装置的概略截面图。
图2为说明图1的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的模式图。
图3为表示在图1的等离子体蚀刻装置中，当将直流电压施加到上部电极时，抑制异常放电的波形的示意图。
图4为表示本发明的第二实施方式的等离子体蚀刻装置的概略截面图。
图5为说明图4的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的模式图。
图6为表示本发明的第三实施方式的等离子体蚀刻装置的概略截面图。
图7为说明图6的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的模式图。
图8为说明本发明的第四实施方式的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的模式图。
图9为说明本发明的第五实施方式的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的示意图。
图10为表示使用图6的等离子体蚀刻装置，使可变直流电源的电压变化时的电子密度分布的示意图。
图11为表示使用图6的等离子体蚀刻装置，使可变直流电源的直流电压变化时，和不施加直流电压，使可变电容器的电容变化时的电子密度分布的示意图。
图12为表示使用图6的等离子体蚀刻装置，在没有Ar气的气体组成下，由可变直流电源施加直流电压，进行等离子体蚀刻时的电子密度分布的示意图。
图13为表示本发明的第六实施方式的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的模式图。
图14为表示本发明的第六实施方式的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的变形例的模式图。
图15为表示本发明的第七实施方式的等离子体蚀刻装置的上部电极结构的模式图。
图16为表示本发明的第八个实施方式的等离子体蚀刻装置上部电极结构的模式图。
图17为表示上部电极形状的变形例的模式图。
符号说明
10—腔室(处理容器)
16—基座(下部电极)
34、34’、134、234、334、434—上部电极
36a、136a—外侧电极板
36b、136b—内侧电极板
39、39a、139—电介质膜
46、88—匹配器
48—第一高频电源
50—可变直流电源
51—控制器
66—处理气体供给源
78—可变电容器
84—排气装置
90—第二高频电源
136、436、536—电极板
236a—外侧部分
236b—内侧部分
W—半导体晶片(被处理基板)
具体实施方式
以下，参照附图具体说明在等离子体蚀刻装置中使用本发明的实施方式。
首先，说明本发明的第一实施方式。
图1为表示本发明的第一实施方式的等离子体蚀刻装置概略截面图。
该等离子体蚀刻装置作为电容结合型平行平板等离子体蚀刻装置构成，例如具有表面经过阳极氧化处理的铝构成的大致圆筒状的腔室(处理容器)10。该腔室10保安接地。
圆柱形的基座支承台14隔着由陶瓷等构成的绝缘板12配置在腔室10的底部，在该基座支承台14上，设置有例如由铝构成的基座16。
在基座16的上面设置有利用静电力吸附保持作为被处理基板的半导体晶片W的静电卡盘18，半导体晶片W载置在该静电卡盘18上，该静电卡盘18具有由一对绝缘层或绝缘片夹住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。此外，通过来自直流电源22的直流电压产生的库仑力等静电力将半导体晶片W吸附保持在静电卡盘18上。
在静电卡盘18(半导体晶片W)周围的基座16的上面，配置有用于提高蚀刻的均匀性的例如由硅构成的导电性的聚焦环(补正环)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的内部设置有冷媒室28。规定温度的冷媒，例如冷却水从设置在外部的未图示的冷却部件，隔着管路30a、30b循环供给到该冷媒室，通过冷媒的温度控制基座上的半导体晶片W的处理温度。
此外，来自未图示的传热气体供给机构的传热气体，例如He气，隔着气体供给管路32供给到静电卡盘18的上面与半导体晶片W的背面之间。
在隔开作为下部电极的基座16的空间的上方，与基座16相对地平行设置有上部电极34。此外，上部和下部电极34、16之间的空间成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，与等离子体生成空间连接的面，即相对面。
该上部电极34由隔着绝缘性遮蔽部件42支承在腔室10的上部，具有构成基座16的相对面并且具有多个输出孔37、呈圆环状设置的外侧电极板36a；形成设置在该外侧电极板36a的内侧上的圆盘状的内侧电极板36b；和可自由装卸地支承该外侧电极板36a和内侧电极板36b、由导片材料，例如表面经阳极氧化处理的铝构成的水冷结构的电极支承体38构成。在外侧电极板36a与内侧电极板36b之间形成有间隙。此外，在外侧电极板36a与电极支承体38之间，隔着由铝的阳极氧化皮膜等构成的薄的电介质膜(绝缘膜)39。外侧电极板36a和内侧电极板36b由焦耳热少的低电阻的导电体或半导体，例如硅或SiC构成。在电极支承体38的内部设置有气体扩散室40，与气体输出孔37连通的多个气体通流孔41从该气体扩散室40向下方延伸。
在电极支承体38上形成有将处理气体导入气体扩散室40的气体导入口62，气体供给管64与该气体导入口62连接，气体供给源66与气体供给管64连接。在该气体供给管64上，从上游侧依次设置有质量流量控制器(MFC)68和开闭阀70。此外，作为蚀刻用的处理气体，例如C4F8气一样的碳氟化合物气体(CxFy)，从处理气体供给源66经过气体供给管64到气体扩散室40，隔着气体通流孔41和气体输出孔37呈喷淋状地输出到等离子体生成空间。即，上部电极34起供给处理气体用的喷淋头的作用。
第一高频电源48隔着匹配器46和供电棒44与上部电极34电连接。第一高频电源48输出13.56MHz以上的频率，例如60MHz的高频电力。匹配器46使负荷电阻与第一高频电源48的内部(或输出)电阻匹配，起到使在腔室10内生成等离子体时，第一高频电源48的输出电阻与负荷电阻在表观上一致的作用。匹配器46的输出端子与供电棒44的上端连接。
另一方面，除第一高频电源48之外，可变直流电源50与上述上部电极34电连接。优选可变直流电源50由双极性电源构成。具体而言，该可变直流电源50隔着低通滤波器(LPF)58与上部电极34的电极支承体38连接，通过继电器电路52可使供电接通过、断开。通过低通滤波器(LPF)58可以收集来自第一高频电源48的高频电力和来自后述的第二高频电源的高频电力。可变直流电源50的极性和电流、电压与继电器电路52的接通、断开由控制器51控制。
来自可变直流电源50的直流电流从电极支承体38流入内侧电极板36b，由于上述电介质膜39的存在，构成为不能流向外侧电极板36a。电介质膜39形成得很薄，来自第一高频电源48的高频电流流向外侧电极板36a。其中，作为电介质膜39，可调整其材质和厚度，使得来自可变直流电源50的直流电流实际上不流动但来自第一高频电源48的高频电流流动。
圆筒状的接地导体10a被设置成从腔室10的侧壁与上部电极34的高度位置相比的上方延伸，该圆筒状接地导体10a的顶壁部分通过筒状的绝缘部件44a与上部供电棒44电绝缘。
第二高频电源90隔着匹配器88与作为下部电极的基座16电连接。通过从该第二高频电源90向下部电极16供给高频电力，可将离子引入半导体晶片W侧。第二高频电源90输出2～27MHz范围内的频率，例如2MHz的高频电力。匹配器88使负荷电阻与第二高频电源90的内部(或输出)电阻匹配，在腔室10内生成等离子体时起使第二高频电源90的内部电阻与负荷电阻在表观上一致的作用。
用于使来自第一高频电源48的高频电力(60MHz)不通，来自第二高频电源90的高频电力(2MHz)通向接地的低通滤波器(LPF)92与上部电极34电连接。该低通滤波器(LPF)92最好由LR滤波器或LC滤波器构成。由于仅利用一根导线也可将充分大的电抗给与来自第一高频电源48的高频电力(60MHz)，因此可以实现。另一方面，将来自第一高频电源48的高频电力(60MHz)通向接地用的高通滤波器(HPF)94与作为下部电极的基座16电连接。
在腔室10的底部设置有排气口80，排气装置84隔着排气管82与该排气口80连接。排气装置84具有涡轮分子泵等真空泵，可将腔室10内减压至期望的真空度。此外，在腔室10的侧壁上设置有半导体晶片W搬入搬出口85，该搬入搬出口85可通过闸阀86开闭。此外，为了防止蚀刻衍生物(沉积物)沿着腔室10的内壁附着在腔室10上，可自由装卸地设置有沉积物遮蔽板11。即，沉积物遮蔽板11构成腔室壁。此外，沉积物遮蔽板11也可设置在内壁部件26的外周。在腔室10的底部的腔壁的沉积物遮蔽板11与内壁部件26侧的沉积物遮蔽板11之间设置有排气板83。作为沉积物遮蔽板11和排气板83，可使用在铝材上覆盖Y2O3等陶瓷。
在与构成沉积物遮蔽板11的腔室内壁的部分的晶片W大致高度相同的部分上设置有直流接地的导电性部件(GND块体)91，这样可发挥后述防止异常放电的效果。
等离子体蚀刻装置的各构成部与控制部(过程控制器)95连接进行控制。此外，工序管理者用于管理等离子体蚀刻装置的、进行指令输入操作的键盘、可视化显示等离子体处理装置工作状况的显示器等构成的用户界面96与控制部分95连接。
进而，等离子体蚀刻装置实行的各种处理在控制部95的控制下实现的控制程序，和根据处理条件，使等离子体蚀刻装置的各构成部实现处理的程序，即存放方法的存储部97与控制部95连接。方法可以存储在硬盘或半导体存储器中，在存储于可由CD-ROM、DVD等可移动的计算机可读取的存储介质中的状态下，也可以存放在存储部97的规定位置。
根据需要，可按照来自用户界面96的指示等从存储部97中调出任意的方法并使控制部95运行，在控制部95的控制下，由等离子体蚀刻装置进行期望的处理。
在这样构成的等离子体蚀刻装置中进行蚀刻处理时，首先使门阀86呈打开状态，隔着搬入搬出口85将作为蚀刻对象的半导体晶片W搬入腔室10内，载置在基座16上。此外，以规定的流量从处理气体供给源66将蚀刻用的处理气体供给到气体扩散室40，再隔着气体通流孔41和气体输出孔37供给到腔室10内，同时通过排气装置84排出腔室10内的气体，使其中的压力达到例如0.1～150Pa范围内的设定值。这里，作为处理气体可采用现有使用的各种气体，例如可以使用以C4F8气体那样的碳氟化合物气体(CxFy)为代表的，含有卤素元素的气体。此外，除了Ar气或O2气等之外也可以含有其他气体。
由此，在将蚀刻气体导入腔室10内的状态下，以规定功率从第一高频电源48将等离子体生成用高频电力(60MHz)施加到上部电极34，使等离子体燃烧并生成，同时，以规定功率将通过第二高频电源90将用于离子注入的高频电力(2MHz)施加到作为下部电极的基座16。之后，将来自可变直流电源50的规定的直流电压施加到上部电极34。进而，从静电卡盘18的直流电源22将直流电压施加到静电卡盘18的电极20，将半导体晶片W固定在基座16上。
从形成在上部电极34的内侧电极板36b上的气体输出孔37输出的处理气体，在上部电极34和作为下部电极的基座16之间的辉光放电中被等离子体化，通过该等离子体生成的原子团或离子蚀刻半导体晶片W的被处理面。
在本实施方式中，如图2模式地所示，使第一高频电源48和可变直流电源50与电极支承体38连接，电极支承体38支承的电极板与外侧电极板36a和内侧电极板36b分离，外侧电极板36a与电极支承体38之间形成有电介质膜39。该电介质膜39构成为遮断来自可变直流电源50的直流但可使来自第一高频电源48的高频通过，因此，高频电流在外侧电极板36a和内侧电极板36b二者中流过，直流电流不在外侧电极板36a中流过，仅在内侧电极板36b中流过。
在这种情况下，在施加直流电力的内侧电极板36b上，通过直流电压在上部电极34侧形成厚的DC薄片，由于该薄片的电容高频电力难以进入，形成直流电力主导地等离子体。另一方面，在没有直流电流流过的外侧电极板36a不形成DC薄片，形成高频电力主导的等离子体。由此，自我匹配地与内侧电极板36b对应的部分成为直流等离子体主导，但外侧电极板36a的部分成为高频等离子体主导。
在生成阶段，直流等离子体均匀性高，由于仅利用静电场不能形成等离子体，因此，在相对电极之间的空间中形成等离子体，但在相对电极的外侧部分不形成等离子体。因此，由于在相对电极的周边有对外侧的损失，所以有电极中央部的等离子体密度高的倾向。与此相对，高频等离子体在相对电极的外侧的空间中容易扩散，可以在相对电极的外侧形成高密度的等离子体。由于在本实施方式中，在与内侧电极板36b对应的部分上主要形成直流等离子体，与外侧电极板36a对应的部分主要形成高频等离子体，因此当半导体晶片蚀刻时，可利用能实现均匀性高的等离子体的直流电力控制晶片中央部分的等离子体密度(电子密度)，利用能实现外周部分的等离子体密度(电子密度)容易向相对的电极外侧扩散的等离子体的高频电力控制。因此，通过控制第一高频电源48和可变直流电源50的功率，在任意情况下都可得到均匀性极高等离子体。具体而言，例如，在不导入Ar气形成等离子体的情况下，对于现有的高频等离子体，存在中央部的等离子体密度降低的倾向，不能使等离子体密度充分均匀，而通过本实施方式，即使在这种情况，也可提高等离子体密度均匀性。此外，通过控制第一高频电源48和可变直流电源50的功率，也可形成期望的等离子体密度分布。
在本实施方式中，由于供给高频率区域(离子不能跟踪的10MHz以上)的电力作为从第一高频电源48施加到上部电极34的高频电力，可以使蚀刻气体成为对蚀刻优选的状态的激励状态，而且可实现高密度化，即使在更低压的条件下也可以形成高密度等离子体。
此外，从可变直流电源50供给的直流电力生成电子温度高的等离子体，使蚀刻气体成为对蚀刻优选的状态的离子化状态，可以实现高的等离子体密度。
此外，通过在与内侧电极板36b对应的部分形成直流主导的等离子体，可得到以下的效果。
可以加大上部电极34表面的自偏压Vdc，即使在上部电极34附着有聚合物的情况下，也可产生飞溅作用，可使上部电极34的表面清洁。与此同时，将最优量的聚合物供给到半导体晶片W上，可以消除光致抗蚀刻膜表面的粗糙度。此外，通过使上部电极34本身飞溅，将电极材料本身供给到半导体晶片W表面，可以强化光致抗蚀刻膜。进而，如上所述，在上部电极34侧形成的等离子体壳厚度变大，这样的量的等离子体扁平化。由此，半导体晶片W上的有效滞留时间增加，而且等离子体集中在晶片W上，可抑制扩散，减少分解空间，结果，可抑制碳氟化合物系的处理气体分解，难以腐蚀光致抗蚀刻膜。
然而，当将直流电压施加到上部电极34上时，电子积存在上部电极34上，有可能在与腔室10的内壁之间等处产生异常放电。为了抑制这种异常放电，在本实施方式中，在腔室壁侧的沉积物遮蔽板11上设置有作为DC接地的构件的GND块体91。该GND块体91在等离子体面上露出，与沉积物遮蔽板11的内部的导电部电连接，从可变直流电源50施加到上部电极34上的直流电压电流，经过处理空间到达GND块体91，隔着沉积物遮蔽板11接地。GND块体91为导电体，优选含有Si、SiC等含有硅的物质。C也可以使用。通过该GND块体91，可使积存在上述上部电极34上的电子放出，可防止异常放电。GND块体91的突出长度优选为10mm以上。如果将上述GND块体91设置在等离子体形成区域中，其位置不限于图1的位置。
此外，如果将上述GND块体91设置在等离子体形成区域，其位置不限于图1，例如可以设置在基座16的周围等，设置在基座16侧，或呈环状地设置在上部电极34的外侧等，设置在上部电极34的附近。
此外，为了防止异常放电，在将直流电压施加到上部电极34的情况下，通过适当方法与直流电压重叠，周期性地施加图3所示的极短的反极性脉冲、使电子中和的方法也有效。
其次，说明本发明的第二实施方式。
图4为表示本发明的第二实施方式的等离子体蚀刻装置的概略截面图。其中，在图4中，与图1相同的部件用相同的符号表示，省略其说明。
在本实施方式中，设置具有以下结构的上部电极34’代替实施方式一的上部电极34。上部电极34’由与基座16具有规定的间隔，由相对配置的圆环状或环形体状的外侧上部电极34a和在该外侧上部电极34a的半径方向内侧绝缘的状态下配置圆板状的内侧上部电极34b构成。在外侧上部电极34a与内侧上部电极34b之间，形成例如0.25～2.0mm的缺口(间隙)，在该缺口中设置有例如由石英构成的电介质体72。在外侧上部电极34a与腔室10的侧壁之间，气密地安装有由例如氧化铝(Al2O3)构成的圆环状的绝缘遮蔽部件42。
外侧上部电极34a具有电极板136a、可装卸地支承该电极板136a的导电材料，例如由表面经阳极氧化处理的铝构成的电极支承体38a、隔在电极支承体38a与电极板136a之间的铝的阳极氧化皮膜等构成的薄的电介质膜39a。优选电极板136a由焦耳热小的低电阻的导电体或半导体，例如硅或SiC构成。与实施方式一相同的第一高频电源48隔着与实施方式一相同的匹配器46、上部供电棒74、连接器98和供电筒100与外侧上部电极34a电连接。匹配器46的输出端子与上部供电棒74的上端连接。
供电筒100由圆筒状或圆锥状或与其接近的形状的导电板，例如铝板或铜板构成，下端在圆周方向连续地与外侧部电极34a连接，上端则通过连接器98与上部供电棒74的下端部电连接。在供电筒100的外侧，腔室10的侧壁构成从与上部电极34’的高度位置相比上方延伸、圆筒状的接导体10a。该圆筒状的接地导体10a的上端部通过筒状的绝缘部件74a与上部供电棒74电绝缘。在这种结构中，在从连接器98看的负荷电路中，在供电筒100和外侧上部电极34a与圆筒状接地导体10a上，形成使供电筒100和外侧上部电极34a成为波导路的同轴线路。
内侧上部电极34b具备具有多种气体的气体输出孔37b的电极板136b，和由可装卸地支承该电极板136b的导电材料，例如表面经阳极氧化处理的铝构成的电极支承体38b。在电极支承体38b的内部设置有被由例如O形环构成的环状隔壁部件43分割的中心气体扩散室40a和周边气体扩散室40b。与气体输出孔37b连通的多个气体通流孔41b从中心气体扩散室40a和周边气体扩散室40b向下方延伸。由在中心气体扩散室40a和设置在其下面的多个气体通流孔41b以及与它们连通的多个气体输出孔37b构成中心喷淋头，由周边气体扩散室40b和设置在其下面的多气体通流孔41b以及与它们连通的多个气体输出孔37b构成周边喷淋头。
从共同的处理气体供给源66，以期望的流量比将处理气体供给到两个气体扩散室40a、40b。即，来自处理气体供给源66的气体供给管64在途中分支为二个分支管64a、64b，与在电极支承体38b上形成的气体导入口62a、62b连接，使来自气体导入口62a、62b的处理气体通至气体导入室40a、40b。流量控制阀71a、71b分别设置在分支管64a、64b上，由于从处理气体供给源66到气体扩散室40a、40b的流路电导相等，所以通过流量控制阀71a、71b可以任意调整向中心气体导入室40a和周边气体导入室40b供给的处理气体的流量比。在气体供给管64上设置有与实施方式一相同的质量流量控制器(MFC)68和开闭阀70。由此，通过调整导入中心气体扩散室40a和周边气体扩散室40b的处理气体的流量比，可以任意调整从中心喷淋头输出的气体的流量FC和从周边喷淋头输出的气体流量FE的比率(FC/FE)。其中，分别从中心喷淋头和周边喷淋头输出的处理气体每单位面积的流量可能不同。进而，可以独立或个别地选定分别从中心喷淋头和周边喷淋头输出处理气体的气体种类或气体混合比。
与实施方式一相同的第一高频电源48隔着匹配器46、上部供电棒74、连接器98和下部供电棒76与内侧上部电极34b的电极支承体38b电连接。
另一方面，与第一实施方式同样，可变直流电源50与上述上部电极34’连接。具体而言，可变直流电源50隔着低通滤波器(LPF)58与内侧上部电极34b连接。与实施方式一同样，可变直流电源50的极性、电压、电流和继电器电路52的接通、断开通过控制器51控制。
当在这样构成的等离子体蚀刻装置中进行蚀刻处理时，与第一实施方式同样，首先，将作为蚀刻对象的半导体晶片W搬入腔室10内，载置在基座16上。之后，以规定的流量和流量比将蚀刻用的处理气体从处理气体供给源66供给到中心气体扩散室40a和周边气体扩散室40b，在经过气体输出孔37b输出至腔室10内的同时，与第一实施方式同样，通过排气装置84排出腔室10内的气体，维持设定压力。
这样在将蚀刻气体导入腔室10内的状态下，以规定的功率从第一高频电源48将等离子体生成用的高频电力(60MHz)施加到上部电极34’，燃烧、生成等离子体，同时以规定功率从第二高频电源90将离子引入用的高频电力(2MHz)施加到作为下部电极的基座16上。再从可变直流电源50将规定电压施加到内侧上部电极34b上。此外，从直流电源22将规定的电压施加到静电卡盘18的电极20上，将半导体晶片W固定在基座16上。
从内侧上部电极34b的气体输出孔37b输出的蚀刻气体，在通过高频电力产生的、在上部电极34’与作为下部电极的基座16之间的发光放电中等离子体化，通过该等离子体生成原子团或离子蚀刻半导体晶片W的被处理面。
在本实施方式中，如图5模式所示，将上部电极34’分离为外侧上部电极34a和内侧上部电极34b，由于存在上部供电棒74和下部供电棒76以及供电筒100，所以使第一高频电源48与外侧上部电极34a和内侧上部电极34b连接，可变直流电源50仅与内侧上部电极34b连接。此外，在外侧上部电极34a的外侧电极板136a与电极支承体38a之间形成电介质膜39a，该电介质膜39a构成为遮断来自可变直流电源50的直流但使来自第一高频电源48的高频通过，因此，高频电流在外侧电极板136a和内侧电极板136b二者中流过，但直流电流不在外侧电极板136a中流过，仅在内侧电极板136b中流过。
在这种情况下，在施加直流电力的内侧电极板136b的表面附近，由直流电压形成厚的DC薄片，该薄片的电容使得高频电力难以进入，形成直流电力主导的等离子体。另一方面，在没有直流电流流过的外侧电极板136a上不形成DC薄片，形成高频电力主导的等离子体。由此，自我匹配地与内侧电极板136b对应的部分成为直流等离子体主导，外侧电极板136a的部分成为高频等离子体主导。
因此，通过与第一实施方式同样的机制可使等离子体密度均匀化。此外，可以形成期望的等离子体密度分布。
此外，在上部电极34’中，将直接与半导体晶片W相对的内侧上部电极34b兼用作成喷淋头，由于可利用中心喷淋头和周边喷淋头任意调整气体输出流量的比率，因此可在径向方向控制气体分子或原子团的密度的空间分布，可以任意控制由原子团基造成的蚀刻特性的空间分布特性。
其次，说明本发明的第三实施方式。
图6为表示本发明的第三实施方式的等离子体蚀刻装置的概略截面图。其中，图6的装置的基本结构与图4的装置相同，与图4相同的部件用相同的符号表示，省略其说明。
在本实施方式中，只是在下部供电棒76途中设置有可变调整电容的可变电容器78这一点和在外侧上部电极34a中，在外侧电极板136a与电极支承体38a之间不设置电介质膜这一点与第二实施方式不同。如后所述，该可变电容器78具有调整外侧电场强度和内侧电场强度平衡的功能。
在本实施方式中，基本上与上述第一和第二实施方式同样地进行等离子体蚀刻，如图7模式所示，将上部电极34’分离为外侧上部电极34a和内侧上部电极34b，由于存在上部供电棒74和下部供电棒76以及供电筒100，所以，使第一高频电源48与外侧上部电极34a和内侧上部电极34b连接，而使可变直流电源50仅与内侧上部电极34b连接，在下部供电棒76上设置有可变电容器78，因此，在从高频电源48和可变直流电源50供电的情况下，高频电流在外侧电极板136a和内侧电极板136b二者中流过，而直流电流被可变电容器78遮断，不在外侧电极板136a中流过，仅在内侧电极136b中流过。
在这种情况下，在施加直流电力的内侧电极板136b的表面附近，同样地通过直流电压形成厚的DC薄片，该薄片电容使得高频电力难以进入，形成直流电力主导的等离子体。另一方面，在没有直流电流流过的外侧电极板136a上不形成DC薄片，形成高频电力主导的等离子体。由此，自我匹配地与内侧电极板136b对应的部分成为直流等离子体主导，外侧电极板136a的部分成为高频等离子体主导。
因此，通过与第一实施方式同样的机制，可使等离子体密度均匀化。此外，可以形成期望的等离子体密度分布。
在本实施方式的情况下，为了在内侧电极板136b的表面附近形成厚的DC薄片，通常，高频电力基本上在外侧电极板136a中流过，但在来自可变直流电源50的直流电力较小的情况下等，通过改变可变电容器78的电容，可以在一定程度上调整高频电力的外侧电极板136a和内侧电极板137b的分配比。即，通过改变可变电容器78的电容，可以增减通向内侧电极板136b的供电线路的电阻或电抗，由此，可以改变通向外侧电极板136a的供电线路的电压降和通向内侧电极板136b的供电线路的电压降的相对比率，进而可以调整投入到外侧电极板136a的高频电力和投入到内侧电极板136b的高频电力的比率。
其次，说明本发明的第四实施方式。
本实施方式的等离子体蚀刻装置的基本结构与图1所示的第一实施方式的等离子体蚀刻装置相同，如图8模式所示，一体的电极板136具有支承在电极支承体138上的结构，而且具有由电阻高的材料构成电极板136的外侧部分236a，由电阻低的材料构成内侧部分236b的上部电极134这一点不同。此外，与第一实施方式相同，第一高频电源48和可变直流电源50与上部电极134的电极支承体138电连接。
电极板136的外侧部分236a为来自可变电流电源50的直流电流实际上不流过的程度的高电阻，电极板136的内侧部分236b为来自可变直流电源50的直流电流充分流动的低电阻。为了形成这种电阻差，可以使用掺杂技术、不同种类材料的粘合等各种方法。
在本实施方式中，基本上与上述第一～第三实施方式同样地进行等离子体蚀刻。如图8模式所示，第一高频电源48和可变直流电源50与电极支承体138连接，作为支承在电极支承体138上的电极板136，由于外侧部分236a为直流电流实际上不流过的高电阻，内侧部分236b使用直流电流充分流动的低电阻，因此，高频电流在外侧电极板236a和内侧电极板236b二者中流过，但直流电流不在外侧电极板236a中流过，仅在内侧电极板236b中流过。
在这种情况下，在施加直流电力的电极板136的内侧电极板236b的表面附近，同样地，通过直流电压形成厚的DC薄片，该薄片的电容使得高频电力难以进入，形成直流电力主导的等离子体。另一方面，在没有直流电流流过的外侧电极板236a上不形成DC薄片，形成高频电力主导的等离子体。由此，与内侧电极板236b对应的部分成为直流等离子体主导，外侧电极板236a的部分成为高频等离子体主导。
因此，通过与第一实施方式同样的机制，可使等离子体密度均匀化。此外，可以形成期望的等离子体密度分布。
其次，说明本发明的第五实施方式。
图9模式地表示的本实施方式的等离子体蚀刻装置的基本结构与图6、7所示的第三实施方式的等离子体蚀刻装置几乎完全相同，只是不设置下部供电棒76和可变电容器78这一点与第三实施方式不同。因此在图9中，与图6、7相同的部件用相同的符号表示，省略其说明。
在本实施方式中，将上部电极34’分离为外侧上部电极34a和内侧上部电极34b，由于存在上部供电棒74和供电筒100，所以使第一高频电源48仅与外侧上部电极34a连接，使可变直流电源50仅与内侧上部电极34b连接。来自第一高频电源48的高频电流仅在外侧电极板136a中流过，来自可变直流电源50的直流电流仅在内侧电极板136b中流过。
在这种情况下，在施加直流电力的内侧电极板136b的表面附近，形成由直流电力产生的等离子体，另一方面，在施加高频电力的外侧电极板136a的表面附近形成由高频电力产生的等离子体。因此，可通过与第一实施方式同样的机制使等离子体密度均匀化。此外，可以形成期望的等离子体密度分布。进而，由于在外侧电极板的表面附近仅形成由高频电力产生的等离子体，在内侧电极板的表面附近仅形成由直流电力产生的等离子体，因此与上述第一～四实施方式相比，可以进行控制性更好的等离子体的密度的均匀化，形成期望的等离子体密度分布。
在以上的第一～五实施方式中，可通过大致相同的机制使等离子体密度均匀化，说明利用图6所示的第三实施方式的等离子体蚀刻装置实际进行这种等离子体密度控制的结果。
这里，在图6的装置中，将半导体晶片装入腔室内，放置在基座上，作为处理气体将C4F8气体以8mL/min、将Ar气以1000mL/min、将N2气以150mL/min的流量导入腔室内，使腔室内的压力为6.7Pa，将60MHz下1000W的高频电力施加到上部电极，将2MHz下3000W的高频电力施加到作为下部电极的基座，取这样的通道的蚀刻条件，改变可变直流电源的电压。可变电容器(CPI)的步数为136的一定值。测定这时的半导体晶片上方的等离子体的电子密度(等离子体密度)的分布。结果如图10所示。其中，图10的直流电压(DC)的值用绝对值表示，后述的图11、图12的直流电压(DC)的值也用绝对值表示。如图10所示，根据所施加的直流电压的值，半导体晶片的中央部的电子密度变化，确认在直流电压300、450V左右时电子密度的均匀性特别高。
其次，使用图6的装置，在相同的处理气体组成、相同的压力下，将60MHz下1200W的高频电力施加到上部电极，将2MHz下2000W的高频电力施加到作为下部电极的基座，进行等离子体蚀刻时，使可变电容器(CPI)的步数为136的一定值。当改变可变直流电源的电压时，不从可变直流电源施加电压，而当改变可变电容器(CPI)的步数时测定离等离子体的密度的分布。结果如图11所示。图11(a)为改变可变直流电源的电压的情况，(b)为改变可变电容器(CPI)的步数的情况，两者的电子密度的均匀性相同，但利用直流电压的电子密度的控制宽度大，等离子体密度分布的自由度高。
其次，使用相同的图6的装置，使C4F8气以8mL/min、Ar气以0mL/min、N2气以150mL/min的没有Ar的条件下，使腔室内的压力为6.7Pa，将60MHz下1000W的高频电力施加到上部电极，将2MHz下3000W的高频电力施加到作为下部电极的基座，将可变直流电源的电压改变为600V、900V。取可变电容器(CPI)的步数为136的一定值。测定这时的半导体晶片上方的等离子体的电子密度(等离子体密度)的分布。结果如图12所示。如图12所示，在直流电压900V下可得到大致均匀的电子密度。在这种气体组成中，不施加直流电压，仅利用可变电容器(CPI)得不到等离子体的均匀性。
此外，在上述第一～五实施方式中，当进行等离子体蚀刻时，从第一高频电源48将高频电力施加到上部电极，从第二高频电源90将高频电力施加到基座16，同时，从可变直流电源50将直流电压施加到上部电极。这里，当清洁腔室内部时，优选不从第一高频电源48将高频电力施加到上部电极，不从第二高频电源90将高频电力施加到基座16，不从可变直流电源50将直流电压施加到上部电极，优选清洁时断开继电器电路52。
其次，说明本发明的第六实施方式。
在本实施方式的等离子体蚀刻装置中，如图13所示，上部电极234具有隔着可使高频电流在电极支承体238下通过但直流电流不能通过的厚度的电介质膜139，支承圆环上的外侧电极板336a和在其内侧的圆盘状的内侧电极板336b的结构，变直流电源50可将直流电压施加到外侧电极板336a上和内侧电极板336b上，通过开关241和242，可使通向它们的直流电压接通、断开。即，将直流电压施加到外侧电极板336a和内侧电极板336b的任一个上，可自由选择都施加直流电压，或都不施加直流电压，其它结构与图1完全相同。
采用这种结构，当进行等离子体蚀刻时，可将直流电压从可变直流电源50施加到外侧电极板336a和内侧电极板336b，由于可独立地接通、断开，因此可显著提高等离子体密度分布的控制性，可提高等离子体密度分布的自由度。
如图14所示，在上部电极234的外侧，还设置有圆环状的辅助电极235，使可变直流电源50与该辅助电极235连接，通过使用开关243可接通、断开，除了可以如上所示那样提高等离子体密度分布的自由度之外，还可通过将直流电压施加到辅助电极235，使辅助电极235起到上部电极的一部分的作用，可更提高等离子体密度的均匀性。
其次，说明本发明的第七实施方式。
在本实施方式的等离子体蚀刻装置中，如图15所示，上部电极334具有在电极支承体338下形成具有电阻不同的部位的电极板436的结构。具体而言，在电极支承体338的最外侧和中央部配置有分别作成圆环状和圆板状的低电阻部分436a、436b，在它们之间配置有高电阻部分436c。低电阻部分436a、436b为来自可变直流电源50的直流电流可以很充分流动的低电阻，高电阻部分436c为来自第一高频电源48的高频电流可流过，但来自可变直流电源50的直流电流实际上不流过的高电阻。其他结构与图1完全相同。
采用这种结构，在等离子体蚀刻时，可将直流电压从可变直流电源50施加到最外侧和中心部分，可从在上部电极334的下面形成比第四实施方式的情况更细的高频电场和直流电场的分布，可更提高等离子体密度分布的控制性。
其次，说明本发明的第八实施方式。
在本实施方式的等离子体蚀刻装置中，如图16所示，上部电极434具有在电极支承体438下形成可使电阻改变的电极板536的结构。如图16的下部所示，该电极板536形成中央部为低电阻，向着外侧慢慢成为高电阻的电阻分段。此外，电阻最高的外侧部分为来自第一高频电源48的高频电流流过，但来自可变直流电源50的直流电流实际上不流过的高电阻，中央部为来自可变直流电源50的直流电流可以充分流过的低电阻。其他结构与图1完全相同。
采用这种结构，在等离子体蚀刻时，与第四实施方式的情况同样，来自第一高频电源48的高频电源在电极板536的整个部分流过，在高电阻的外侧部分，来自可变直流电源50的直流电流实际上不流过。此外，在外侧部分与中央部分之间的电阻变化的部分，流过与该电阻相应量的直流电流。由此，在电极板536的外侧部分、中心部分和其间的部分形成高频电场和直流电场的分布，可以比第四实施方式的情况更提高等离子体密度分布的控制性。
其中，本发明不限于上述实施方式，可以有各种变形。例如，上部电极不一定是水平的也可以，如图17所示，作为第一实施方式的上部电极34，可以形成锥状的外侧电极板36a’部分。由此，可以更提高等离子体的均匀性。当然，在其他实施方式中，将上部电极作成同样的结构可得到同样的效果。
此外，在上述实施方式中，表示将等离子体形成用的高频电力和直流电力施加到上部电极的情况，在将它们施加到下部电极的情况中也可以使用。
此外，只要不超出本发明的范围，将上述实施方式的构成元件进行适当组合或去除上述实施方式的一部分构成元件，都在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种等离子体处理装置，具有：
收容被处理基板并能够真空排气的处理容器；
在处理容器内对置配置的第一电极和第二电极；
将高频电力施加到所述第一电极的高频电源；
将直流电压施加到所述第一电极的直流电源；和
将处理气体供给到所述处理容器内的处理气体供给单元，
该等离子体处理装置在所述第一电极与所述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，其特征在于：
所述第一电极具有电极支承部件和设置于所述电极支承部件的所述等离子体侧的多个电极板，在所述多个电极板的每一个电极板与所述电极支承部件之间插有电介质膜，
所述多个电极板分别通过开关与所述直流电源连接，来自所述直流电源的直流电压能够选择性地施加于所述多个电极板。
2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电介质膜阻断来自的所述直流电源的直流，使来自所述高频电源的高频通过。
3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于：
在所述多个电极板的外侧还设置有圆环状的辅助电极，所述辅助电极通过开关与所述直流电源连接。
4.一种等离子体处理装置，具有：
收容被处理基板并能够真空排气的处理容器；
在处理容器内对置配置的第一电极和第二电极；
将高频电力施加到所述第一电极的高频电源；
将直流电压施加到所述第一电极的直流电源；和
将处理气体供给到所述处理容器内的处理气体供给单元，
该等离子体处理装置在所述第一电极与所述第二电极之间生成处理气体的等离子体并对被处理基板进行等离子体处理，其特征在于：
所述第一电极具有电极支承部件和设置于所述电极支承部件的所述等离子体侧的电极板，
所述电极板具有电阻低的内侧部分和电阻高的外侧部分，
在所述第一电极的表面形成规定的直流电场分布。
5.如权利要求4所述的等离子体处理装置，其特征在于：
所述电极板在所述外侧部分的更外侧具有电阻低的部分。
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