CN109935511B - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种等离子体处理装置，具备：处理室，配置于真空容器内部；样品台，配置于该处理室内部，在上表面放置处理对象的晶片；电介质制的圆板构件，在处理室上方与样品台上表面对置配置；圆板状的上部电极，面向样品台的一侧被圆板构件覆盖而配置，被提供用于形成用于在处理室内形成等离子体的电场的第1高频电力；线圈，覆盖处理室的上方和周围配置于真空容器的外部，产生用于形成等离子体的磁场；和下部电极，配置于样品台的内部，被提供用于在放置于样品台的晶片上形成偏置电位的第2高频电力，具备：环状的凹部，在圆板构件与上部电极之间形成于圆板构件一侧；和金属制的环状的构件，嵌入该环状的凹部并且与上部电极相接。据此，提升处理的成品率。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及对放在配置于真空容器内部的处理室内的样品台的上表面的半导体晶片等基板状的样品使用在处理室内形成的等离子体进行处理的等离子体处理装置，尤其涉及具备板状电极和电介质制的板构件的等离子体处理装置，所述电极在样品台上表面上方与其对置而配置，提供用于形成等离子体的电力，所述板构件在该电极的下方构成处理室的上表面，并且透过形成等离子体的电场。
背景技术
在半导体器件的制造工艺中，广泛运用如下等的等离子体处理：将半导体晶片等基板状的样品配置于经过减压的容器内部的处理室内，在该处理室内形成等离子体，对包含预先配置在样品表面的掩模层和处理对象的膜层的膜结构的处理对象的膜层进行蚀刻。作为在处理室内形成等离子体的构成，例如能够如下那样形成：对其间夹着处理室内的等离子体形成用的空间而上下配置的上部电极和下部电极这两片电极对置配置的电容耦合型的平行平板电极的任意一方提供给定频率的高频电力，通过形成于两者之间的空间的电场来使提供给该空间的气体激发、离解。上述平行平板型的等离子体处理装置将形成于两片电极间的空间的等离子体内的离子等带电粒子、具有高活性的活性粒子(自由基)吸引到晶片上表面的膜结构来进行处理。
近年来半导体器件的尺寸的微型化得到发展，对蚀刻处理后的尺寸的精度的要求也持续变高。为了实现这样的要求，从在处理室内的气体的粒子离解的比例较高的状态下进行处理的现有技术，考虑如下技术：维持以较低的适度的比例产生离解的状态，并且以较低压来生成高密度的等离子体，从而进行处理。为了生成等离子体而提供的电力的频率一般是10MHz以上的高频带，频率越高则越利于生成高密度的等离子体。但由于若高频化，则电磁波的波长变短，因此等离子体处理室内的电场分布变得不再一样。已知该电场分布成为能以贝塞尔(Bessel)函数的叠加表现的中心部高的分布。
因电场在中心部变高而等离子体的电子密度也提高，因此蚀刻速率的面内分布的均匀性变差。由于蚀刻速率的面内分布的变差会使量产性降低，因此谋求能提高高频电力的频率并提高蚀刻速率的晶片面内的均匀性。
作为解决这样的课题的现有技术，已知JP特开2007-250838号公报(专利文献1)记载的技术。本现有技术的等离子体处理装置具备：第1电极，其配置于真空容器内部的处理室上方，提供等离子体形成用的高频电力，为圆板状；和第2电极，其配置于处理室下方，配置于其上载有晶片的样品台内部，提供高频电力，在该等离子体处理装置中，具备如下构成：第1电极配置于电极板下表面下方，在与其接合的电极支承体与电极板的接合面具备空间，中央部的空间的高度大于外周部。并且，通过这样的构成，缓和了在上部电极的中心部与外周部的电场的强度的分布的不均匀，特别是缓和了中心部变高的中间高的分布，能使从中心朝向外周的方向上的电场的强度的分布更接近于均匀。
而且，非专利文献1中提出如下技术：使用外部的磁场来提高晶片的外周侧的区域的电力吸收效率，使形成在被电极所夹的空间内的电子密度的径向上的分布更接近于均匀。在该现有技术中，由于由线圈形成的磁场的强度能通过增减提供给该线圈的电流的值来调节到所期望的范围内的值，因此，即使形成等离子体的条件不同，也能对应于处理室内的电场的分布的变动来调节等离子体的强度或电子等带电粒子的分布。据此，有如下优点：扩大了能更接近于均匀地形成等离子体的条件的余量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2007-250838号公报
非专利文献
非专利文献1：Ken’etsu Yokogawa et al.；Real time estimation and controloxide-etch rate distribution using plasma emission distribution measurement；Jap anese Journal of Applied Physics，Vol.47，No.8，2008，pp.6854-6857
发明内容
在上述现有技术中，由于对以下情况考虑不充分而出现了问题。即，在上述专利文献1的构成中，在一定的条件下能使电场分布均匀。但对应于处理室内的压力的值、作为等离子体形成用或晶片处理用而提供的气体的种类、高频电场的频率的值、电力的大小等形成等离子体的处理室内的条件而形成的电场、以及受其较强影响的等离子体的强度或带电粒子的分布会发生变动。为此在专利文献1记载的现有技术中，在形成等离子体的大范围的条件下，使处理室内的电场或等离子体的强度的分布接近于均匀是有极限的。
另外，在非专利文献1公开的构成中，使夹着形成等离子体的空间配置的电极的径向上的电场的梯度和磁场的梯度完全一致在技术上是困难的，因此形成在电极的中心与其外周端的中间部位形成于空间内的电子密度会变小的区域。这样的电子密度的“下降”成为其出现的部位的下方的空间中的等离子体的强度或离子等带电粒子的密度局部降低的主要原因。其结果，关于面对等离子体配置于空间的下方的晶片上表面的位于上述“下降”的下方的部位的处理的特性，例如在蚀刻处理的情况下，蚀刻速率也降低，从而在晶片上表面的面内方向上，会使处理后的加工形状从所期望形状偏离的量的不均匀度增大，这有可能会有损处理的成品率。
对这样的问题点，上述现有技术中并未考虑到。
本发明的目的在于提供一种抑制了等离子体的分布的不均匀度、进而使处理的成品率提升的等离子体处理装置。
上述目的通过如下等离子体处理装置达成，等离子体处理装置具备：处理室，其配置于真空容器内部；样品台，其配置于该处理室内部，在其上表面放置处理对象的晶片；电介质制的圆板构件，其在处理室上方与样品台上表面对置配置；圆板状的上部电极，其面向样品台的一侧被圆板构件覆盖而配置，被提供用于形成用于在处理室内形成等离子体的电场的第1高频电力；线圈，其覆盖所述处理室的上方以及周围配置于真空容器的外部，产生用于形成等离子体的磁场；和下部电极，其配置于样品台的内部，被提供用于在放置于样品台的晶片上形成偏置电位的第2高频电力，等离子体处理装置还具备：环状的凹部，其在圆板构件与上部电极之间形成于圆板构件一侧；和金属制的环状的构件，其嵌入该环状的凹部并且与上部电极相接。
另外，上述目的通过在等离子体处理装置中如下那样构成来达成，等离子体处理装置具备：处理室；下部电极部，其在处理室的内部设置在处理室的下部；上部电极部，其与该下部电极部对置地设置在处理室的内部；真空排气部，其将处理室的内部排气成真空；高频电力施加部，其对上部电极部施加高频电力；磁场产生部，其设置在处理室的外部，使处理室的内部产生磁场；高频偏置电力施加部，其对下部电极部施加高频偏置电力；和气体提供部，其从上部电极的一侧向处理室的内部提供处理气体，上部电极部具有：天线电极部，其接受从高频电力施加部施加的高频电力；由导电材料形成的气体分散板，其周边部的附近与天线电极部紧密接触，在中央部的附近形成凹部从而在与天线电极部之间形成空间，将从气体提供部提供的处理气体存积在空间；和由绝缘性构件形成的喷淋板，其覆盖该气体分散板，形成大量将形成在天线电极部与气体分散板之间的空间中所存积的处理气体提供给处理室的内部的孔，在该喷淋板的面向气体分散板的一侧形成圆环状的槽部，在圆环状的槽部的内部嵌入与气体分散板电连接的导电性的构件。
发明效果
根据本发明，能生成从电极中心部到外周部电子密度的均匀性极高的等离子体，能实现在晶片面内均匀性高的蚀刻速率分布。
附图说明
图1是示意表示本发明的实施例所涉及的等离子体处理装置的构成的概略的纵剖视图。
图2是放大示意表示图1所示的本实施例所涉及的等离子体处理装置的天线部以及其周围的构成的概略的纵剖视图。
图3是示意表示图2所示的本实施例所涉及的天线部的构成的变形例的底视图。
图4是表示图1所示的实施例所涉及的等离子体处理装置对半导体晶片进行蚀刻处理时的蚀刻速率的示例的图表。
图5是表示在图1所示的实施例所涉及的等离子体处理装置中相对于等离子体形成用高频电力的频率的变化的晶片的半径方向上的电子密度降低的区域的位置的变化的示例的图表。
图6是表示在图1所示的实施例所涉及的等离子体处理装置以及现有技术中在晶片的半径方向上不同的位置配置了多个凸部的情况下的晶片的半径方向上的等离子体的电子密度的分布的示例的图表。
图7是表示相对于图1所示的实施例所涉及的等离子体处理装置的凸部的高度与喷淋板的厚度之比的变化的、与该等离子体处理装置实施的晶片的蚀刻处理的蚀刻速率的关系的图表。
图8是表示图1所示的等离子体处理装置的凹部的宽度与喷淋板的直径的比率和该等离子体处理装置实施的蚀刻处理的蚀刻速率的偏差的关系的图表。
附图标号说明
10 上部电极
12 下部电极
101 处理室
102 载置台
103 晶片
104 第1线圈
105 第2线圈
106 磁轭
107 天线主体
108 气体分散板
109 气体提供源
110 喷淋板
111 等离子体
112 高频电源
113 第1匹配器
114 滤波器
115 第2匹配器
116 偏置形成用高频电源
117 第1直流电源
118 第2直流电源
119 热交换气体提供源
120 排气泵
121 电介质膜
122 绝缘环
201 缓冲室
202 凸部
203 凹部
具体实施方式
以下使用附图来说明本发明的实施方式。
〔实施例〕
使用图1以及图2来说明本发明的第1实施例。图1是示意表示本发明的实施例所涉及的等离子体处理装置的构成的概略的纵剖视图。
本实施例的等离子体处理装置100是具备将内部减压来形成等离子体的处理室，夹着处理室的形成等离子体的空间上下配置提供高频电力的圆板状的电极，使用等离子体对配置于处理室内部并内置上下电极中的下方的电极的样品台上所配置的半导体晶片等基板状的样品进行蚀刻处理的等离子体蚀刻装置。特别是如下那样的平行平板型的等离子体处理装置：将提供的高频电力所形成的电场从上部电极的表面导入到处理室内，并且将由在真空容器外部包围处理室的上方以及侧方的周围而配置的线圈形成的磁场提供到处理室内，导入到处理室内的气体的原子或分子激发、离解而形成的等离子体和高频的电力电容耦合。
在图1所示的构成中，等离子体处理装置100具备真空容器125，真空容器125是呈圆筒形状的容器，在内部具备作为呈圆筒形状的空间的处理室101。在真空容器125的内部的上部以及下部具备：夹着处理室101的形成等离子体111的空间而配置的上部电极10和下部电极12；和与上部电极10以及下部电极12各自电连接并各自提供给定的频率的高频电力的高频电源112。
另外，在真空容器125配置具备涡轮分子泵等排气泵120的真空排气部1200，该排气泵120与处理室101连通，并将其内部的气体、等离子体111的粒子排气来进行减压，排气用配管1201的面对处理室101的排气用的开口1202配置在下部电极12的上表面的下方，其中该排气用配管1201形成配置于排气泵120的入口与处理室101之间的排气路。
下部电极12具备：作为配置在处理室101的形成等离子体111的空间的下方的样品台的由金属制的构件形成的载置台(电极主体)102；设置在载置台102与真空容器125的壁面之间来将载置台102和真空容器125电绝缘的绝缘构件1020；和形成于载置台102上并载置晶片103的电介质膜121，该下部电极12与配置于上方的上部电极10对置配置。
在下部电极12的上方，与其对置地配置构成上部电极10的天线部。本实施例的天线部(上部电极10)具备呈圆板形状的导电体制的天线主体107、气体分散板108和喷淋板(shower plate)110。
呈圆板形状的导电体制的天线主体107经由同轴电缆205等波导与提供VHF段的高频电力的高频电源112电连接。
气体分散板108配置于天线主体107的下方，是具备圆板或圆筒形状的构件，将来自气体提供源109的处理用的气体导入到内部，在该内部进行分散。
喷淋板110配置于气体分散板108的下方并构成处理室101的顶板面，形成有被分散的处理用的气体通过内侧被导入到处理室101内的多个贯通孔即气体导入孔。在形成于喷淋板110的槽，环状地埋入导电体制的凸部202，导电体制的凸部202的上表面与气体分散板108相接。
天线部(上部电极10)在真空容器125上部的盖构件1251的内侧，在与其之间夹着绝缘用的石英等电介质制的构件所构成的环状的绝缘环122而配置。
天线部(上部电极10)的外周侧部分在天线部(上部电极10)与盖构件1251之间环状地包围天线部(上部电极10)的周围，绝缘环122的外周部的下端面包围喷淋板110的外周配置在与喷淋板110的下表面相同或近似于能视作相同程度的高度位置(所谓，面位置)，构成处理室101的顶板面。
本实施例的构成上部电极10的天线主体107和气体分散板108以及环状的凸部202由铝等导电材料构成，面向处理室101的形成等离子体111的空间的喷淋板110由石英等电介质材料构成。
天线主体107经由第1匹配器113通过同轴电缆205与提供用于生成等离子体111的VHF段的高频电力的高频电源112电连接。另外，为了天线主体107和气体分散板108一起作为提供给下部电极12的高频电力的接地电极发挥功能，天线主体107经由滤波器114与接地电位的部位连接。
滤波器114被设计成：不使从高频电源112对天线部(上部电极10)的天线主体107施加的等离子体生成用的VHF段的电力通过，使提供给构成载置晶片103的下部电极12的载置台102的用于在晶片103上表面上方形成偏置电位的高频电力通过。
为了将等离子体111的电子密度设为～1010cm-3程度来抑制等离子体111的过剩的离解，并降低等离子体111的电位(potential)来减低给处理室101的内壁的损伤，高频电源112所产生的高频电力的频率期望设为50～500MHz，在本实施例中使用200MHz的频率。经由同轴电缆205从高频电源112提供给天线部(上部电极10)的200MHz的高频电力被提供给天线主体107以及与其连接的导电体制的气体分散板108，从气体分散板108的喷淋板110侧的表面通过喷淋板110辐射到处理室101内。
在真空容器125的外侧且处理室101的圆筒形部分的上方以及侧方，第1线圈104以及第2线圈105环状包围真空容器125以及内部的天线部(上部电极10)和同轴电缆205而配置。
从未图示的电源提供给第1线圈104以及第2线圈105的直流电流使能提高通过从高频电源112提供的200MHz的高频电力加热处理室101的内部产生的等离子体111的效率的磁场产生。通过覆盖该第1线圈104以及第2线圈105的外周侧以及上方而配置的导电体制的磁轭106，由第1线圈104以及第2线圈105产生的磁场被调节分布，使得通过磁轭106而磁力线朝向所谓中心轴方向向下逐渐发散，从天线部(上部电极10)以及处理室101的上下方向的中心轴的上方观察绕着该中心轴辐射状，图1上朝下且朝向处理室101之外(图1上左右方向)。
在构成配置于处理室101的下方的下部电极12的载置台102的上表面，用热喷涂等方法被覆上表面而配置了氧化铝或氧化钇等陶瓷这样的电介质材料制的电介质膜121。该电介质膜121构成在其上放置晶片103的下部电极12的载置面。
在电介质膜121的内部配置多个静电吸附用电极123以及124，其使用静电力使晶片103吸附保持在电介质膜121，该静电力是在电介质膜121上载置晶片103的状态下提供直流电力而形成的。静电吸附用电极123与第1直流电源117连接，静电吸附用电极124与第2直流电源118连接。
在构成下部电极12的载置台102的内部隔着绝缘构件1020配置冷媒流路(未图示)，其经由配管等与未图示的制冷组件等温度调节器连结，绕着呈圆筒形的载置台102的中心同心状或螺旋状地多重配置。温度调节器中调节成给定范围内的温度的冷却剂等冷媒通过未图示的配管流入到冷媒流路，通过该冷媒流路流出并回到温度调节器，来进行循环，由此在载置台102中，能将静电吸附于其上表面的电介质膜121的晶片103的温度维持在适于处理的范围内的值。
进而，载置台102以及绝缘构件1020具备贯通内部而形成、上端的开口配置于电介质膜121上表面的通路1021，通路1021的下端与热交换气体提供源119连结。
在晶片103通过与第1直流电源117连接的静电吸附用电极123以及与第2直流电源118连接的静电吸附用电极124静电吸附而保持于电介质膜121的上表面的状态下，来自热交换气体提供源119的He等热交换气体通过通路102提供给电介质膜121的上表面与晶片103的背面之间的间隙，两者之间的热传递增大，促进了晶片103与载置台102之间的热交换，由此提升了与载置台102之间的热交换所引起的晶片103的温度的调节的响应性和精度。
在处理室101的载置台102的上表面的下方的壁面配置排气用的开口1202，其经由排气用配管1201与构成真空排气部1200的真空泵即排气泵120连结，将处理室101内部的气体、等离子体、反应生成物粒子等排出。在排气泵120的入口与排气用的开口1202之间的排气用配管1201上配置增减配管内部的排气用路径的截面积来增减排气的流量或速度的未图示的排气调节阀。
在以上那样的构成中，首先，在用未图示的搬运单元将晶片103放在下部电极12的电介质膜121的上表面的状态，通过第1直流电源117对静电吸附用电极123施加直流电力，通过第2直流电源118对静电吸附用电极124施加直流电力，由此使电介质膜121的上表面产生静电力，将晶片103静电吸附在电介质膜121的上表面。
在如此通过静电力将晶片103吸附、保持在电介质膜121的上表面的状态下，将处理用气体从形成于天线部(上部电极10)的喷淋板110的多个气体导入孔204(参考图2)导入到处理室101的内部，并使真空排气部1200的排气泵120动作，来将处理室101的内部排气。
这时，通过配置于气体提供源109的内部或气体提供源109与气体分散板108之间的气体提供路径1091上的未图示的气体流量调节器(质量流量调节器)控制提供给处理室101的内部的气体的流量或速度，通过调节设置在真空排气部1200的未图示的排气调节阀的开度，控制排气的流量或速度，使二者平衡，从而将处理室101内的压力调节到适于晶片103的处理的范围内的值。
如此，在将处理室101内的压力调节到适于晶片103的处理的范围内的值的状态下，从高频电源112经由第1匹配器113对上部电极10的天线主体107施加VHF段的高频电力，从未图示的直流电源对第1线圈104以及第2线圈105施加直流电流。其结果，从天线部(上部电极10)的气体分散板108的下表面(喷淋板110的一侧)到喷淋板110形成电场，由第1线圈104以及第2线圈105、磁轭106产生的磁场形成在处理室101内。
由此，从喷淋板110的多个气体导入孔204导入到处理室101内的气体被激发、离解，从而在上部电极10与下部电极12之间的处理室101的空间产生等离子体111。
在下部电极12的由金属制的构件形成的载置台102经由第2匹配器115电连接偏置形成用高频电源116。通过在形成等离子体111的状态下从偏置形成用高频电源116对载置台102施加给定频率的偏置形成用的高频电力，从而在静电吸附于形成在载置台102的上表面的电介质膜121的晶片103的上方形成偏置电位。在该状态下，利用对应于等离子体111的电位与偏置电位的电位差的能量，等离子体111中的离子等带电粒子被加速，被吸引向晶片103的方向，从而与晶片103碰撞。由此，预先形成于晶片103的上表面的膜结构中所含的处理对象的膜层的表面被蚀刻处理。
为了不给等离子体111内的带电粒子的密度或强度的分布带来影响，本实施例中的从偏置形成用高频电源116施加给载置台102的偏置形成用的高频电力的频率期望与从高频电源112施加给天线主体107的高频电力的频率200MHz相比充分低，期望设为400kHz～4MHz。若是400kHz～4MHz的频率区域，则从偏置形成用高频电源116提供的偏置形成用的高频电力带来的等离子体111的生成能小到能无视的程度。
另一方面，由于从偏置形成用高频电源116提供的偏置形成用的高频电力的频率越高则被吸引到晶片103的离子等带电粒子所具有的能量的偏差的幅度就越窄，因此，通过控制离子的碰撞的能量，能提升调节蚀刻处理的速度等处理的特性等的控制性。在本实施例中，将从偏置形成用高频电源116施加给载置台102的高频偏置形成用的高频电力的频率设为4MHz。
使用图2到图3来说明本实施例的天线部(上部电极10)的构成的详细情况。图2是将图1所示的本实施例所涉及的等离子体处理装置100的天线部(上部电极10)以及其周围的构成的概略放大来示意进行表示的纵剖视图。图3是示意表示图2所示的本实施例所涉及的天线部(上部电极10)的构成的变形例的从下部电极12侧观察的俯视图。
在图2(a)所示的示例中，天线部(上部电极10)使呈圆板形状的金属制的天线主体107的上表面中心部与同轴电缆205连接，通过该同轴电缆205对天线主体107提供来自高频电源112的高频电力。在天线主体107的下方(下部电极12侧)，呈与天线主体107相同直径的圆板形状的金属制的气体分散板108使外周部附近与天线主体107紧贴从而连接。
进而，在气体分散板108的下方(下部电极12侧)，呈圆板或圆筒形状的电介质制的喷淋板110在其上表面覆盖气体分散板108的下表面，使上下表面对置从而连结。
在气体分散板108的下表面、即面向喷淋板110的一侧，沿着外周形成密封用槽部1081。在该密封用槽部1081装配O环等密封构件1082并用喷淋板110夹入，使气体分散板108和喷淋板110紧贴，由此其内外被气密密封。
在天线主体107的下表面的外周部分附近、即与气体分散板108的上表面相接的部分，沿着天线主体107的下表面的外周部分形成具有给定的截面形状的密封用槽部1071。在该密封用槽部1071装配O环等密封构件1072并用气体分散板108加入，使天线主体107和气体分散板108紧贴，由此其内外被气密密封。
在此，在气体分散板108，在从圆筒状的外周面空出某宽度的内侧的部分沿着外周面形成凹陷部1083，使天线主体107和气体分散板108以在密封用槽部1071装配了O环等密封构件1072的状态紧贴，由此在气体分散板108与天线主体107之间形成凹陷部1083所构成的缓冲室201。
该缓冲室201经由气体提供路径1091与上述的气体提供源109连结并连通，来自气体提供源109的气体被导入到该缓冲室201内并在内部扩散。另外，在构成缓冲室201的下表面的气体分散板108和配置于其下方的喷淋板110形成贯通它们的直径0.3～1.5mm左右的微小的多个气体导入孔204、214。在缓冲室201内扩散的从气体提供源109提供的气体通过形成于气体分散板108的气体导入孔204以及形成于喷淋板110的气体导入孔214而被导入到下方的处理室101内。
在本实施例中，进一步在喷淋板110的与气体分散板108相接的面的一侧绕着喷淋板110的中心轴环状地形成凹部203，在该凹部203嵌入形成为环状的导电体制的凸部202。导电体制的凸部202根据与凹部203的深度的关系设定厚度，使得在嵌入在凹部203的状态下导电体制的凸部202的上表面与气体分散板108接触。即，喷淋板110的形成凹部203的部分减低凹部203的深度的量的平板状的喷淋板110的厚度。
在喷淋板110和气体分散板108使上下的面对置而连结的状态下，在凹部203的内部嵌入导电体制的凸部202，凹部203的内部被构成凸部202的导电体制的材料充满，从与气体分散板108接触的凸部202的底面(下部电极12的一侧)到喷淋板110的底面(下部电极12的一侧)的距离，小于从凹部203以外的其他部位的喷淋板110底面(下部电极12的一侧)与气体分散板108的底面(下部电极12的一侧)之间的距离。
在本实施例中，嵌入在形成于喷淋板110的凹部203的环状的凸部202的配置位置，在从上部电极10侧观察载置于下部电极12的晶片103时，配置为环状的凸部202的外周部成为晶片103的外周缘的内侧的区域。即，相对于穿过晶片103的中心的上下方向的轴同心状配置的环状的凸部202的外周缘配置在比晶片103的直径小的位置。
特别在本实施例中，晶片103的直径为约300mm，配置在从配置成同心圆状的气体分散板108的中心起半径方向的50到100mm的范围内的位置。进而，凸部202的厚度(凸部202的高度)被设为1到5mm，半径方向的大小(形成为环状的凸部202的环的宽度)被设为5到30mm的值。特别在本实施例中，将凸部202的半径方向上的宽度的中点(凸部202的内径与外径的1/2的部位)的位置设为从气体分散板108的中心起80mm，将高度设为4mm，将宽度设为20mm。
凸部202由金属等导电体构成，在将凸部202插入到形成于喷淋板110的凹部203而在喷淋板110装配了气体分散板108的状态下，凸部202与气体分散板108接触从而与气体分散板108电连接。若在该状态下从高频电源112对天线主体107施加高频电力，则经由气体分散板108也对凸部202提供高频电力。另外，凸部202的内部也贯通形成气体导入孔2024，其与形成于天线主体107的气体导入孔204和形成于喷淋板110的气体导入孔214连接。
在图2(b)示出图2(a)所示的天线部(上部电极10)的由金属等导电体构成的凸部202的变形例。图2(b)所示的天线部(上部电极10-1)的由金属等导电体构成的凸部2021在面向气体分散板108的一侧形成凹陷2022，构成为在与气体分散板108的下表面抵接而连接的状态下，在凸部2021与气体分散板108之间形成凹陷2022所构成的间隙。
通过设为这样的构成，形成于气体分散板108的气体导入孔204直接与凹陷2022所构成的间隙连通，形成于喷淋板110的气体导入孔214经由形成于该凸部2021的气体导入孔20214与凹陷2022所构成的间隙连通。通过设为这样的构成，提供给缓冲室201的气体在凸部2021的部分经由气体导入孔204和该凹陷2022所构成的间隙被导入到处理室101。其中，构成为，凸部2021的图上下表面(与喷淋板110相接的一侧)以及侧壁面配置于喷淋板110背面的对应的位置，与嵌入凸部2021的凹部203的内壁面或底部抵接，从而能使两者之间的间隙尽可能小。
图3(a)是从下方(下部电极12的一侧)观察图2(a)所示的天线部(上部电极10)的气体分散板108以及配置于其下方的由金属等导电体构成的凸部202的构成的概略的情况的图。如本图所示那样，凸部202是绕着气体分散板108的中心同心状配置的环状的构件。另外，凸部202不仅可以如图3(a)所示那样构成为相连成1个的构件，也可以由多个构件构成，另外不仅能配置在半径方向上单一的直径的位置，还可以配置在多个位置，即多重地配置。
图3(b)是图3(a)所述实施例的变形例，是从下方观察而凸部202-1是在从中心起半径方向上相同位置在周向上环状地配置多个圆弧状的导电体制的构件的示例。图3(c)是从下方观察而在半径方向上多个位置即直径不同的位置在周向上配置2个封闭一体的导电体制的环状构件即凸部202-2和202-3的示例。图3(d)表示在半径方向的相同位置绕着中心环状地配置呈圆筒形状的多个导电体制的构件202-4的示例。
使用图4，将用本实施例所涉及的等离子体处理装置100对半导体晶片103进行蚀刻处理的情况下的蚀刻速度(蚀刻速率)的分布401与在天线部(上部电极10)不使用导电体制的凸部202的现有技术中进行蚀刻处理的情况下(现有例)的蚀刻速度(蚀刻速率)的分布402进行比较，并示出。
在图4所示的图表中，蚀刻速率的分布401是表示图1所示的本实施例所涉及的等离子体处理装置100对半导体晶片103进行蚀刻处理时的蚀刻速率的晶片面内的分布的示例的图。在横轴表示距晶片中心的距离，在纵轴表示蚀刻速率的相对值。
在图4的图表中，作为现有例示出的蚀刻速率的分布402的从晶片中心起的分布表示使用天线部的构成不同于本实施例中的图2(a)所示的天线部(上部电极10)的构成的蚀刻装置进行蚀刻处理的情况下的结果。即，在进行图4的图表中作为现有例示出的蚀刻速率的分布402的蚀刻处理的蚀刻装置中，具备如下构成：在本实施例中说明的气体分散板108与喷淋板110之间未配置凸部202以及将其嵌入的凹部203，气体分散板108和喷淋板110使其平坦的上下表面彼此对置而连结。特别地，图4所示的示例表示使用本实施例所涉及的等离子体处理装置和现有技术的示例(现有例)所涉及的技术对光刻用抗蚀剂进行蚀刻处理的结果。
该蚀刻处理对将光刻用抗蚀剂涂布到直径300mm的硅晶片而得到的构成进行，使用SF6与CHF3的混合气体作为处理用气体，在处理室内的压力4Pa、等离子体形成用的高频电力800W、频率200MHz、晶片上表面上方的偏置形成用高频电力50W这样的条件形成等离子体来进行该蚀刻处理。
如图4所示那样，在使用作为现有例而示出的蚀刻速率的分布402的情况下的在气体分散板与喷淋板之间未设置导电体制的凸部的现有的等离子体处理装置(在图1所示的本实施例中的等离子体处理装置100的构成中，没有导电体制的凸部202，在喷淋板110未形成用于埋入导电体制的凸部202的槽，气体分散板108与喷淋板110的对置的面以整面接触)进行蚀刻处理的情况下，在晶片上的半径位置50～100mm的区域确认到蚀刻速率的下降。
与此相对，在使用本实施例的等离子体处理装置100进行处理的蚀刻速率的分布401的情况下，大幅改善了蚀刻速率的下降，在晶片上表面的面内的半径方向上减低了蚀刻速率的偏差。
图4所示的现有例中的蚀刻装置中的等离子体形成用高频电力设为与本实施例的情况相同的频率200MHz。
在图4的作为现有例而示出的蚀刻速率的分布402的情况下在晶片103的中心起半径位置50～100mm的区域产生蚀刻速率的下降的理由认为如以下那样。即，通过提供给天线部的该频率的电力而在处理室内形成的电场的强度的分布、进而使用该电场而形成的等离子体的强度或密度的分布以贝塞尔函数的叠加表征。其结果，成为处理室的中心部的值较高的分布。与此相伴，仅以该电场在处理室内形成的情况下的等离子体的电子密度也在中心部变高。
在用作形成这样的电场的分布的现有例的蚀刻装置中，也是在处理室外部具备线圈等磁场形成单元来在处理室内形成磁场，调整该磁场，从而越去向晶片的外周侧越提高电力吸收效率，从而能使电子密度在某程度上均匀化。
在用作上述说明的现有例的蚀刻装置中，通过在处理室101内形成由在处理室101的上方以及侧方的外侧绕着其中心轴同轴状包围处理室配置的第1线圈104、第2线圈105以及磁轭106形成的向下逐渐发散的磁场，使处理室101内的电子密度的分布从中心朝向水平方向的外侧变高，由此校正中间高的电场的强度分布，从而能起到使等离子体111内的电子密度更接近于均匀的作用。
但是在下部电极12的上方使上部电极10以及下部电极12的径向上的电场的梯度和磁场的梯度完全一致在技术是困难的，会在提供高频电力的上部电极10即天线部的圆板状的构件的中心与外周端的中间形成电子密度局部减少的区域。这种局部的电子密度的降低成为使与该部位对应的晶片103的半径方向的位置的某部位的蚀刻速率降低的主要原因，使晶片面内的蚀刻速率的均匀性变差。
另一方面，在作为本实施例示出的蚀刻速率的分布401的情况下，具有如下构成：在安装于与天线主体107电连接的气体分散板108的下表面的喷淋板110，在与天线主体同心圆状的位置形成凹部203，在该凹部203嵌入导电体制的凸部202。设定凹部203的深度和凸部202的高度(厚度)，使得该导电体制的凸部202在以埋入凹部203的状态与喷淋板110组合时与气体分散板108接触从而与气体分散板108电连接。
如此，通过使气体分散板108和凸部202接触，电介质制的喷淋板110具备通过凸部202在径向局部增减其厚度的构成。
在将电介质制的喷淋板110假定为电磁波的波导管时，相当于波导管的喷淋板110的高度急剧变化而产生电纳(susceptance)，在凹部203，在与天线主体107或气体分散板108垂直的方向上电场的强度增大。在其半径方向上，对应于局部的环状的电场的强度的增大，在处理室101内的下部电极12的上方，在凸部202正下方的部位以及其附近的区域，等离子体111内的电子的密度增大。作为其结果，晶片103的面内的半径方向上的蚀刻速率的偏差减低，能改善蚀刻速率的均匀性。
在本实施例中，使导电体制的凸部202的位置配置在与载置于下部电极12的晶片103的上方的区域中的等离子体111的电子密度易于出现降低的区域对应的位置是重要的。另一方面，载置于下部电极12的晶片103的半径方向上的电子密度易于降低的区域的位置根据生成等离子体111的频率而变化。
在图5示出如下的一例：上述实施例的等离子体处理装置100中，电子密度在晶片103上局部降低的位置、即载置于下部电极12的晶片103的中心或上部电极10的中心起的半径方向的位置与从高频电源112施加给上部电极10的高频电力的频率的关系。另外，使用图6来说明为了生成等离子体111而使从高频电源112施加给上部电极10的高频电力的频率变化的情况下的电子密度的分布的一例。
图5中，曲线501是表示在图1所示的本实施例所涉及的等离子体处理装置100中、相对于从高频电源112施加给上部电极10的等离子体形成用高频电力的频率的变化的、载置于下部电极12的晶片103的半径方向上的电子密度降低的区域的位置的变化的示例的图。
如图5的曲线501所示那样，电子密度的分布(晶片103的半径方向上的电子密度降低区域的产生位置)对应于从高频电源112施加给上部电极10的等离子体形成用高频电力的频率的大小而变动。即，可知等离子体形成用高频电力的频率越低，则电子密度局部降低的区域越接近于晶片103的外周端缘。
从图5可知，在本实施例中所用的等离子体形成用高频电力的频率200MHz下，在晶片103的半径方向上从中心起80mm前后的位置形成电子密度局部降低的区域。在本实施例中，具备如下构成：在与此对应的位置、具体说是气体分散板108的中心起半径方向80mm的位置配置凸部202，使凸部202的宽度的中心位于该位置。
与用图4所说明的同样，图6(a)是表示作为现有例使用的等离子体处理装置中的载置于下部电极12的晶片的半径方向上的等离子体的电子密度的分布601的示例的图表，该现有例的等离子体处理装置的构成为：没有图1中说明的本实施例的构成中的导电体制的凸部202，在喷淋板110未形成用于埋入导电体制的凸部202的槽，气体分散板108和喷淋板110的对置的面整面接触。
图6(b)是表示在图1所示的本实施例所涉及的等离子体处理装置100中导电体制的凸部202在晶片的半径方向上在不同位置配置多个的情况下的晶片的半径方向上的等离子体的电子密度的分布602的示例的图表。
在图6(b)中，作为与将凸部202的宽度的中心的半径方向尺寸设为80mm的情况下的本实施例进行比较的比较例1，示出求取将凸部202的厚度的中心配置在晶片103的半径方向的位置60mm的情况下的等离子体的电子密度的分布603的结果，作为比较例2，示出求取将凸部202的宽度的中心配置在晶片103的半径方向的位置100mm的情况下的等离子体的电子密度的分布604。
如图6(a)所示的现有例的等离子体的电子密度的分布601那样，对于在晶片103的半径方向上电子密度局部降低并未特别进行应对，在晶片103的半径方向上存在电子密度局部降低的区域，与此相对，在图6(b)所示的凸部202配置在晶片103的半径方向的80mm的位置的本实施例中的等离子体的电子密度的分布602中，半径方向上的电子密度的值的偏差减低。
另一方面，在图6(b)所示的凸部202在半径方向上配置于60mm以及100mm的比较例1、2的等离子体的电子密度的分布603以及604中，即使局部的电子密度降低的区域与现有例比较在半径方向上移动，电子密度的降低的大小的改善的程度也小，或者形成极大值和极小值而其差的大小大于图6(a)所示的现有例中的等离子体的电子密度的分布601的局部的降低的大小。
如此可知，不仅有效地减低了晶片103的半径方向上的电子密度的大小的偏差，还存在配置与气体分散板108接触从而与气体分散板108电气上一体化的导电体制的凸部202的合适的位置的范围，在该范围配置导电体制的凸部202是为了使晶片103的面内的等离子体处理的均匀性提升从而提升等离子体处理的成品率而重要的。
接下来使用图7来说明凸部202的高度与蚀刻速率偏差的关系。图7是表示相对于图1所示的本实施例所涉及的等离子体处理装置100的导电体制的凸部202的高度(厚度)与喷淋板110的厚度之比的变化的、该等离子体处理装置100实施的晶片103的蚀刻处理的蚀刻速率的偏差701的关系的图表。
在本图中，将导电体制的凸部202的高度(厚度)＝喷淋板110的凹部203的深度设为d，将喷淋板110的厚度设为t。在本实施例中，喷淋板110的厚度t设为16mm。将喷淋板110的厚度t与凹部203的深度d的关系定义为d/t，示出相对于该d/t的变化的偏差的均方值(偏差)，该偏差是对晶片103进行蚀刻处理时得到的各位置的蚀刻速率的值相对于晶片103的中心到外周缘的半径方向的位置上的蚀刻速率的值的平均值的偏差。
如图7所示那样，虽然d/t的值从0起不断增大，并且蚀刻速率的偏差701减低而不断改善，但是若d/t的值为0.5以上，则偏差反而会增大。认为这是因为，伴随d/t的值的增大，凸部202的配置所引起的其下方的处理室101内的部位的电子密度增大的量变大，d/t为0.5以上时，蚀刻速率在与凸部202对应的部分会局部增大，蚀刻速率的偏差701变差。
接下来使用图8来说明凸部202的宽度或凹部203的宽度w与蚀刻速率的偏差的关系。图8是表示图1所示的等离子体处理装置100的凹部203的宽度w与喷淋板110的径φ(图2(a)中是在喷淋板110插入天线主体107以及气体分散板108的部分的直径)的比率(w/φ)和该等离子体处理装置100实施的蚀刻处理的蚀刻速率的偏差801的关系的图表。
在此，凸部202的宽度和喷淋板110的凹部203的宽度w一致，或者后者稍大而近似为能视作一致的程度，将喷淋板110的直径φ与凹部203的宽度w的关系设为w/φ。另外，在本例中，将喷淋板110的直径设为400mm。
与图7的情况同样，图8中也示出相对于w/φ的变化的偏差的均方值(偏差)，该偏差是对晶片103进行蚀刻处理时得到的各位置的蚀刻速率的值相对于晶片103的中心到外周缘的半径方向的位置上的蚀刻速率的值的平均值的偏差。
如本图所示那样可知，凹部203的宽度w相对于喷淋板110的直径φ的比率若从0起不断增大，则直到某值为止，蚀刻速率的偏差801逐渐变小，若进一步增大，则偏差会再次变大。即，可知在给定的比率w/φ下，蚀刻速率的偏差801成为极小。
蚀刻速率的偏差成为图8所示那样的关系的理由认为是，伴随凹部203的宽度w(凸部202的宽度)变小而等离子体111的电场集中，使电子密度增大的区域变小而成为局部，宽度越大就在越大的区域使等离子体111的电子密度增大。
在这点上，可知，凹部203的宽度w与喷淋板110的直径φ的比率，在有效地减低电子密度的大小的半径方向上的蚀刻速率的偏差801上存在合适的位置的范围。在未形成凹部203、不具备凸部202的构成中，若在比蚀刻速率降低的区域大的范围内提高电子密度，则与将凹部203的宽度w设为最佳的情况相比，蚀刻速率的均匀性变差。在本实施例中，如图8所示那样，通过使凹部203的宽度w与喷淋板110的直径φ的比率小于0.14，从而减低了蚀刻速率的偏差801。
另外，在上述说明的实施例中，说明了由不同构件构成导电性的凸部202和气体分散板108，在将导电性的凸部202嵌入到形成于喷淋板110的凹部203的状态下，使导电性的凸部202与气体分散板108接触从而成为电连接的状态的构成，但是也可以一体形成导电性的凸部202和气体分散板108。
如以上那样，根据本发明的实施例，在从晶片103的中心到外周缘的半径方向上，形成于处理室101内的电场的强度的分布的偏差减低，其结果，处理室101内的电子密度的晶片103的半径方向上的偏差减低。为此，形成于处理室101内的等离子体111的强度或密度的该半径方向上的分布更接近于均匀。
进而，在利用这样的等离子体111的晶片103的蚀刻处理中，在该半径方向的晶片103上表面的各部位的蚀刻速率等利用等离子体的处理的特性的偏差减低，处理的成品率提升。

Claims (7)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于具备：
处理室，其配置于真空容器内部；
样品台，其配置于该处理室内部，在其上表面放置处理对象的晶片；
上部电极，其具有：电介质制的圆板构件，其在所述处理室上方与所述样品台上表面对置配置；以及圆板状的上部电极主体，其面向所述样品台的一侧被所述圆板构件覆盖而配置，被提供用于形成用于在所述处理室内形成等离子体的电场的第1高频电力；
线圈，其在所述处理室的上方以及周围配置于所述真空容器的外部，产生用于形成所述等离子体的磁场；和
下部电极，其配置于所述样品台的内部，被提供用于在放置于所述样品台的所述晶片上形成偏置电位的第2高频电力，
所述等离子体处理装置还具备：
环状的凹部，其在所述圆板构件与所述上部电极主体之间形成于所述圆板构件一侧；和
金属制的环状的构件，其嵌入所述环状的凹部并且与所述上部电极主体相接，
所述磁场形成为其磁力线绕着所述磁场的中心轴向下逐渐发散，所述金属制的环状的构件位于比放置所述晶片的所述样品台的晶片的载置面外周缘的正上方更靠中心轴的一侧。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述第1高频电力具备50到500MHz的范围内的频率。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述环状的构件与所述上部电极主体一体地形成。
4.根据权利要求1或2所述的等离子体处理装置，其特征在于，
所述电介质制的圆板构件配置为其上表面与所述上部电极主体下表面空开间隙，在下表面具备多个提供给所述处理室内的处理用的气体的导入孔。
5.一种等离子体处理装置，其特征在于具备：
处理室；
下部电极部，其在所述处理室的内部设置在所述处理室的下部；
上部电极部，其与所述下部电极部对置地设置在所述处理室的内部；
真空排气部，其将所述处理室的内部排气成真空；
高频电力施加部，其对所述上部电极部施加高频电力；
磁场产生部，其设置在所述处理室的外部，使所述处理室的内部产生磁场；
高频偏置电力施加部，其对所述下部电极部施加高频偏置电力；和
气体提供部，其从所述上部电极部的一侧向所述处理室的内部提供处理气体，
所述上部电极部具有：
天线电极部，其接受从所述高频电力施加部施加的高频电力；
由导电材料形成的气体分散板，其周边部的附近与所述天线电极部紧密接触，在中央部的附近形成凹部从而在与所述天线电极部之间形成空间，将从所述气体提供部提供的处理气体存积在所述空间；和
由绝缘性构件形成的喷淋板，其覆盖所述气体分散板，形成大量将形成在所述天线电极部与所述气体分散板之间的所述空间中所存积的所述处理气体提供给所述处理室的内部的孔，
在所述喷淋板的面向所述气体分散板的一侧形成圆环状的槽部，在所述圆环状的槽部的内部嵌入与所述气体分散板电连接的导电性的构件。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，
嵌入到所述喷淋板的所述圆环状的槽部的内部的所述导电性的构件由圆环状的导电性构件形成，与所述气体分散板接触从而与所述气体分散板电连接。
7.根据权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于，
嵌入到所述喷淋板的所述圆环状的槽部的内部的所述导电性的构件与所述气体分散板一体地形成。
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