TWI431683B

TWI431683B - Plasma processing device and plasma processing method

Info

Publication number: TWI431683B
Application number: TW096111087A
Authority: TW
Inventors: Naoki Matsumoto; Chishio Koshimizu; Yoshinobu Hayakawa; Hidetoshi Hanaoka; Manabu Iwata; Satoshi Tanaka
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2014-03-21
Also published as: CN101661863A; EP1840937B1; JP2007266533A; CN101661863B; TW200802598A; JP5031252B2; KR20070098643A; KR100926380B1; CN101047114A; EP1840937A1

Description

電漿處理裝置及電漿處理方法

本發明係關於對被處理基板施以電漿處理之技術，特別是關於雙頻重疊施加方式之電容耦合型電漿處理裝置及電漿處理方法。

半導體元件或FPD(Flat Panel Display：平板顯示器)製造程序之蝕刻、堆積、氧化、及濺鍍等處理中，由於能以相對較低溫使處理氣體進行良好的反應，因此常利用電漿。以往，片狀式電漿處理裝置，特別是在電漿蝕刻裝置中，電容耦合型電漿處理裝置為主流。

一般而言，電容耦合型電漿處理裝置，係將上部電極與下部電極平行配置於構成真空腔室之處理容器內，將被處理基板(半導體晶圓、玻璃基板等)裝載於下部電極之上，施加高頻電壓於兩電極中之任一側。藉由此高頻電壓在兩電極間所形成之電場使電子加速，因電子與處理氣體之碰撞游離產生電漿，藉由電漿中之自由基或離子對基板表面實施所欲之微細加工(例如蝕刻加工)。此處，由於施加高頻側之電極，係經由匹配器內之阻隔電容器連接於高頻電源，因此具有陰極之作用。將高頻施加於支持基板之下部電極並以下部電極為陰極的陰極耦合方式，係藉由利用下部電極所產生之自偏壓電壓以大致垂直於基板之方向吸引電漿中之離子，而能進行非等向性蝕刻。

下部雙頻重疊施加方式，如上述之電容耦合型電漿處理裝置中，係一種將適合於產生電漿之相對較高頻率(一般為27MHz以上)的第一高頻、與適合於吸引離子之相對較低頻率(一般為13.56MHz以下)的第二高頻，重疊施加於支持基板之下部電極的方式(參照例如專利文獻1)。

此種下部雙頻重疊施加方式，除具有可藉由第一高頻及第二高頻分別將電漿密度及非等向性蝕刻之選擇性個別最佳化的優點外，亦具有使聚合物等堆積物(以下簡稱為堆積)容易附著於上部電極之製程中，對防止或抑制堆積附著之較低頻率之第二高頻有效作用的優點。亦即，當離子射入陽極之上部電極時，附著於電極之堆積膜(若附著有氧化膜亦包含氧化膜)因離子碰撞而濺射。與此濺射相關之離子數量係由第一高頻所產生，加速該離子之電場則由頻率較低之第二高頻所產生。

[專利文獻1]日本特開2000－156370

使用上述下部雙頻重疊施加方式之習知電容耦合型電漿處理裝置，一般係將未施加高頻之陽極側的上部電極直流接地。通常，由於處理容器係由鋁或不銹鋼等金屬所構成並保護接地，因此可經由處理容器使上部電極呈接地電位，所以採用將上部電極直接裝於處理容器頂板之一體組裝之構成、或直接利用處理容器之頂板作為上部電極之構成。

然而，對近年來半導體製造程序之設計規則的微細化要求低壓下之高密度電漿。下部雙頻重疊施加方式之電容耦合型電漿處理裝置中，主要有助於電漿產生之高頻亦即第一高頻之頻率逐漸變高，最近標準使用40MHz以上之頻率。然而，當第一高頻之頻率變高時，因該高頻電流會集中於電極之中心部，導致兩電極間之處理空間所產生之電漿的密度亦電極中心部側較電極邊緣部側高，造成降低製程之面內均一性問題被放大檢視。另一方面，由於主要有助於吸引離子用之高頻亦即第二高頻之頻率較低，因此不會集中於電極中心部。亦即，將上部電極直接裝於處理容器、或一體形成且直流接地之習知裝置中，對第二高頻之作用，亦即與吸引離子至基板或抑制上部電極之堆積附著的相關作用，並未發現任何問題點。

本發明係有鑑於上述習知技術之問題點所構成，提供一種在將兩種高頻重疊施加於支持被處理基板之電極之雙頻重疊施加方式的電容耦合型中，能完全防止或抑制於另一側之對向電極形成非所欲之膜，且能隨意控制電漿密度之空間分布特性，以提高製程之面內均一性的電漿處理裝置及電漿處理方法為目的。

為達成上述目的，本發明之第一電漿處理裝置，其特徵為具有：可真空排氣之接地處理容器、經由絕緣物或空間安裝於前述處理容器之第一電極、於前述處理容器內與前述第一電極以既定間隔隔開且平行配置，並使與前述第一電極對向來支持被處理基板之第二電極、施加具有第一頻率之第一高頻於前述第二電極的第一高頻供電部、施加第二高頻其具有較前述第一頻率低之第二頻率於前述第二電極的第二高頻供電部、供給所欲之處理氣體於前述第一電極與前述第二電極與前述處理容器側壁間之處理空間的處理氣體供給部、以及電氣連接於前述第一電極與接地電位間之電感器。

又，本發明之第一電漿處理方法，係在可抽成真空之接地處理容器內，將第一電極與第二電極以既定間隔隔開且平行配置，將前述第一電極經由電氣上並連之電容性構件與電感性構件連接於接地電位，以第二電極支持被處理基板使與前述第一電極對向，將前述處理容器內真空排氣至既定壓力，一邊施加具有第一頻率之第一高頻與具有較前述第一頻率低之第二高頻於前述第二電極，一邊將所欲之處理氣體供給至前述第一電極與前述第二電極與前述處理容器側壁間之處理空間，在前述處理空間內產生前述處理氣體之電漿，在前述電漿之下對前述基板施以所欲之處理；其特徵為：預估自前述處理空間與前述第一電極之邊界面經由前述第一電極至接地電位止之高頻傳送路徑時之頻率－阻抗特性中，將前述頻率－阻抗特性設定成使對應於前述第二頻率之阻抗較對應於前述第一頻率之阻抗低。

又，本發明所採用之電容耦合型中，當來自第一高頻電源之第一高頻施加於第二電極時，藉由第二電極與第一電極間之高頻放電、及第二電極與處理容器之側壁(內壁)間之高頻放電，在處理空間內產生處理氣體之電漿，所產生之電漿往四面特別是往上方及半徑方向外側擴散，電漿中之電子流通過第一電極或處理容器側壁等流往接地。又，當來自第二高頻電源之第二高頻施加於第二電極時，電漿中追隨第二高頻振動之離子不僅以第二電極所產生之自偏壓吸引至基板上，亦射入第一電極使該電極表面濺射，若附著有堆積等之膜便將該膜除去。

根據本發明，第一電極除經由絕緣物或空間安裝於接地電位之處理容器內之外，亦經由電感性構件或電感器連接於接地電位。藉此，預估自處理空間與第一電極之邊界面經由第一電極至接地電位止之高頻傳送路徑時之等效電路，係並連連接電感器之線圈部分與絕緣物等之電容部分的並連LC電路。

一般而言，並連LC電路中，在某特定頻率(反共振頻率)阻抗為突出且較高，相反地在離開反共振頻率之頻率則阻抗相當低。藉由利用此特性，本發明之電漿處理裝置中，可對第一高頻賦予較高之阻抗，對第二高頻賦予較低之阻抗。藉由本發明之最佳形態，上述等效電路或並連LC電路之頻率－阻抗特性中，在5~200MHz之頻帶內能得到反共振頻率。

藉由對第一高頻賦予較高之阻抗，使第一高頻之電流較難自第二電極流往第一電極。因此，電漿之電子流中流向處理容器側壁之比例相對增大，電漿密度呈往半徑方向外側擴展。以此方式，將上述並連LC電路對第一高頻之阻抗最適當設定於較高值，藉此既能使電漿密度之空間分部特性在徑方向均一化，亦能任意加以控制。另一方面，藉由降低上述並連LC電路對第二高頻之阻抗，能使電漿中追隨第二高頻振動之離子，以較強之碰撞順利射入第一電極，將附著於該電極表面之非所欲的膜良好地予以濺射(除去)。

本發明之第二電漿處理裝置，其特徵為具有：可真空排氣之接地處理容器、經由絕緣物或空間安裝於前述處理容器之第一電極、於前述處理容器內與前述第一電極以既定間隔隔開且平行配置，並使與前述第一電極對向來支持被處理基板的第二電極、施加具有第一頻率之第一高頻於前述第二電極的第一高頻供電部、施加第二高頻其具有較前述第一頻率低之第二頻率於前述第二電極的第二高頻供電部、供給所欲之處理氣體於前述第一電極與前述第二電極與前述處理容器側壁間之處理空間的處理氣體供給部、以及電氣串連連接於前述第一電極與接地電位間之電感器及電容器。

本發明之第二電漿處理方法，係在可抽成真空之接地處理容器內，將第一電極與第二電極以既定間隔隔開且平行配置，將前述第一電極經由電氣串並連之電感性構件與電容性構件連接於接地電位，以第二電極支持被處理基板使與前述第一電極對向，將前述處理容器內真空排氣至既定壓力，一邊施加具有第一頻率之第一高頻與具有較前述第一頻率低之第二高頻於前述第二電極，一邊將所欲之處理氣體供給至前述第一電極與前述第二電極與前述處理容器側壁間之處理空間，於前述處理空間內產生前述處理氣體之電漿，在前述電漿之下對前述基板施以所欲之處理；其特徵為：預估自前述處理空間與前述第一電極之邊界面經由前述第一電極至接地電位止之高頻傳送路徑時之頻率－阻抗特性中，將前述頻率－阻抗特性設定成使對應於前述第二頻率之阻抗較對應於前述第一頻率之阻抗低。

上述第二電漿處理裝置及方法中，預估自處理空間與第一電極之邊界面經由第一電極至接地電位止之高頻傳送路徑時之等效電路，係構成串並連LC電路。此串並連LC電路中，在某特定頻率(共振頻率)阻抗極端的低，另一特定頻率(反共振頻率)阻抗極端的高。利用此特性，當然可對第一高頻賦予適當較高之阻抗，對第二高頻亦可賦予明顯較低之阻抗。藉由本發明之最佳形態，上述等效電路或串並連LC電路之頻率－阻抗特性中，在0.1kHz~15MHz之頻帶內能得到共振頻率，在5~200MHz之頻帶內能得到反共振頻率。以此方式，將上述串並連LC電路對第一高頻之阻抗最適當設定於較高之值，藉此能使電漿密度之空間分部特性在徑方向均一化或能隨意加以控制，且將上述並連LC電路對第二高頻之阻抗實質上降低至短路狀態，藉此可進一步提高將非所欲之膜自第一電極表面除去的濺射效果。

本發明之第三電漿處理裝置，其特徵為具有：可真空排氣之接地處理容器、經由絕緣物或空間安裝於前述處理容器之第一電極、於前述處理容器內與前述第一電極以既定間隔隔開且平行配置，並使與前述第一電極對向來支持被處理基板的第二電極、施加具有第一頻率之第一高頻於前述第二電極的第一高頻供電部、施加第二高頻其具有較前述第一頻率低之第二頻率於前述第二電極的第二高頻供電部、供給所欲之處理氣體於前述第一電極與前述第二電極與前述處理容器側壁間之處理空間的處理氣體供給部、施加所欲之直流電壓於前述第一電極的直流電源、以及電氣連接於前述第一電極與前述直流電源間，實質上使直流直接通過並對高頻具有所欲之頻率－阻抗特性的濾波器。

上述第三電漿處理裝置，經由濾波器將所欲之直流電壓自直流電源施加於第一電極，除發揮該部分之作用效果外，亦可藉由濾波器本身之頻率－阻抗特性對第一及第二高頻之各作用帶來所欲之修正或控制或輔助。例如，藉由將該濾波器構成於串並連LC電路，與上述第二電漿處理裝置相同，可提升電漿密度之空間分布特性或對第一電極之濺射(除去非所欲之膜)效果。

根據本發明之電漿處理裝置及電漿處理方法，藉由上述之構成及作用，能解決雙頻重疊施加方式之電容耦合型中，第一及第二高頻之各作用的取捨。特別是能完全防止或抑制於另一側對向電極形成非所欲之膜，且能隨意控制電漿密度之空間分布特性，以提升製程之面內均一性。

以下，參照添附圖式說明本發明之最佳實施形態。

圖1係表示本發明之第一實施形態中電漿處理裝置之構成。此電漿處理裝置係構成下部雙頻重疊施加方式之電容耦合型(平行平板型)電漿蝕刻裝置，具有例如表面經耐酸鋁處理(陽極氧化處理)之鋁所構成的圓筒形真空腔室(處理容器)10。真空腔室10係經保護接地。

於腔室10底部，經由陶瓷等絕緣板12配置有圓柱形之基座支持台14，於此基座支持台14之上設有例如由鋁所構成之基座16。基座16係構成下部電極，於此之上裝載例如半導體晶圓W作為被處理基板。

於基座16之上面，設有以靜電吸力來保持半導體晶圓W之靜電轉盤18。此靜電轉盤18係將由導電膜所構成之電極20包夾於一對絕緣層或絕緣片之間，於電極20電氣連接有直流電源22。藉由來自直流電源22之直流電壓，能以庫倫力將半導體晶圓W吸附保持於靜電轉盤18。在靜電轉盤18周圍，於基座16之上面配置有用以提升蝕刻均一性之例如由矽所構成的聚焦環24。於基座16及基座支持台14之側面貼附有例如由石英所構成之圓筒狀的內壁構件25。

於基座支持台14之內部，設有例如朝圓周方向延伸之冷媒室26。於此冷媒室26，藉由外接之冷卻單元(未圖示)經由配管27a,27b循環供給既定溫度之冷媒例如冷卻水。可藉由冷媒之溫度來控制基座16上之半導體晶圓W的處理溫度。次外，將來自傳熱氣體供給機構(未圖示)之傳熱氣體例如He氣經由氣體供給管線28供給至靜電轉盤18上面與半導體晶圓W背面之間。

第一及第二高頻電源30,70分別經由匹配器32,72及供電棒33,74，電氣連接於基座16。第一高頻電源30，係輸出主要有助於電漿產生之既定頻率例如40MHz的高頻。另一方面，第二高頻電源70，係輸出既定頻率例如2MHz之高頻，主要有助於對基座16上之半導體晶圓W吸引離子，及防止或除去後述之上部電極34中堆積或氧化膜等非所欲之膜的附著。

於基座16之上方，設有與此基座平行對向之上部電極34。此上部電極34，係由以下所構成：電極板36，具有多數個氣體噴出孔36a之例如由Si,SiC等半導體材料所構成、以及電極支持體38，由將此電極板36支持成可裝卸的導電材料例如表面經耐酸鋁處理之由鋁所構成；經由環狀之絕緣體35以電氣浮置狀態安裝於腔室10。以此上部電極34與基座16與腔室10之側壁形成電漿產生空間或處理空間PS。環狀絕緣體35，係由例如氧化鋁(Al₂ O₃ )所構成，以將上部電極34外周面與腔室10側壁之間的間隙塞成氣密之方式安裝，機構上支持上部電極34且電氣上構成上部電極34與腔室10間之電容的一部分。

電極支持體38，於其內部具有氣體緩衝室40，且於其下面具有自氣體緩衝室40連通至電極板36之氣體噴出孔36a的多數個氣體通氣孔38a。於氣體緩衝室40經由氣體供給管線42連接有處理氣體供給源44，於氣體供給管線42設有質量流量控制器(MFC)46及開閉閥48。當既定處理氣體自處理氣體供給源44導入於氣體緩衝室40時，從電極板36之氣體噴出孔36a朝向基座16上之半導體晶圓W，處理氣體以噴霧狀噴出至處理空間PS。以此方式，上部電極34亦兼作為將處理氣體供給至處理空間PS之蓮蓬頭。

又，於電極支持體38內部，設有使冷媒例如冷卻水流動之通路(未圖示)，藉由外部冷卻單元經由冷媒將上部電極34整體特別是電極板36調整至既定溫度。此外，為使對上部電極34之溫度控制更穩定，亦可採用將例如由電阻發熱元件所構成之加熱器(未圖示)安裝於電極支持體38之內部或上面的構成。

於上部電極34上面與腔室10頂板間，設有中空之空間或間隙50，且於腔室10上面之中心部形成有貫通孔52，在間隙50與貫通孔52之中設有朝鉛直方向延伸之棒狀電感器54。此棒狀電感器54，下端直接連接於上部電極34之上面中心部，上端經由導線56連接於接地電位(通常連接於腔室10)。亦可採用將棒狀電感器54之上端直接安裝於上部電極34之頂板的構成作為其他實施例。

於基座16及基座支持台14與腔室10側壁之間，所形成之環狀空間為排氣空間，於此排氣空間底部設有腔室10之排氣口58。於此排氣口58經由排氣管60連接於排氣裝置62。排氣裝置62具有渦輪分子泵等真空泵，能將腔室10室內特別是處理空間PS減壓至所欲之真空度。又，於腔室10側壁安裝有用來使半導體晶圓W之搬出入口64開閉的閘閥66。

此電漿蝕刻裝置中，當進行蝕刻時，首先使閘閥66成為打開狀態，將加工對象之半導體晶圓W搬入腔室10內，再裝載於靜電轉盤18上。接著，自處理氣體供給源44將既定處理氣體亦即蝕刻氣體(一般為混合氣體)以既定流量及流量比導入於腔室10內，藉由排氣裝置62將腔室10內之壓力真空排氣至設定值。此外，自第一及第二高頻電源30,70分別以既定功率將第一高頻(40MHz)及第二高頻(2MHz)重疊並施加於基座16。又，自直流電源22將直流電壓施加於靜電轉盤18之電極20，以使半導體晶圓W固定於靜電轉盤18上。自上部電極34之蓮蓬頭所吐出之蝕刻氣體在處理空間PS藉由高頻放電而電漿化，以此電漿所產生之自由基或離子對半導體晶圓W主面之膜進行蝕刻。

此電容耦合型電漿蝕刻裝置，係將適合於電漿產生之相對較高頻率的第一高頻40MHz施加於基座(下部電極)16，藉此使電漿以所欲之解離狀態高密度化，能在更低壓之條件下形成高密度電漿，且將適合於吸引離子之相對較低頻率的第二高頻2MHz施加於基座16，藉此對靜電轉盤18上之半導體晶圓W實施選擇性較高的非等向性蝕刻，並可藉由射入離子或濺射對上部電極34實施堆積膜或氧化膜之除去(電極表面清潔化)。

其次，關於圖2~圖4，說明本實施形態之電漿蝕刻裝置中，本發明之作用的特徵。此外，圖2及圖3為方便圖解，省略實質上與電漿產生或空間分布控制無關之第二高頻電源70。

如上述，此電漿蝕刻裝置，係將上部電極34經由環狀絕緣體35安裝於腔室10，且上部電極34與接地電位間連接有棒狀電感器54。亦即，若拆除電感器54，上部電極34係以直流浮置狀態設置於處理容器10內所構成。

首先，說明將上部電極34直接安裝於例如腔室10並連接於直流接地電位時之作用。此時，如圖2所示，當來自高頻電源30之第一高頻施加於基座16時，藉由基座16與上部電極34間、及基座16與腔室10側壁間之高頻放電，在處理空間PS內產生處理氣體之電漿，所產生之電漿往四面特別是上方及半徑方向外側擴散，電漿中之電子流通過上部電極34或腔室10側壁等流往接地。此處，基座16中第一高頻之頻率愈高，因皮膚效應高頻電流愈容易集中於基座中心部，而且自基座16觀看時由於同電位(接地電位)之上部電極34與腔室10側壁，距離上前者較後者近，因此在電極中心部更多之高頻電力向處理空間PS釋出。因此，電漿中之電子流中流向腔室10側壁之比例相當低，大部分流往上部電極34而且是流往其中心部。其結果，電漿密度之空間分布特性不僅電極中心部最高而且與電極邊緣部出現明顯差異。

相對於此，如此實施形態般將上部電極34以直流浮置狀態安裝於腔室10，且經由棒狀電感器54連接於接地電位之構成中，預估自處理空間PS與上部電極34之邊界面經由上部電極34至接地電位止之高頻傳送路徑時之等效電路，如圖3所示般，係線圈L₅₄ 與電容器C₃₅ ,C₅₀ 並連連接。此處，線圈L₅₄ 為棒狀電感器54之電感成分，正確應為將棒狀電感器54之電阻成分(未圖示)串連連接於此線圈L₅₄ 。一側之電容器C₃₅ 為上部電極34與腔室10側壁間之電容，主要係由環狀絕緣體35所產生。另一側之電容器C₅₀ 為上部電極34與腔室10頂板間之電容，主要係由間隙50內之空氣所產生。

此時，當自高頻電源30施加第一高頻於基座16時，藉由基座16與上部電極34間之高頻放電、及基座16與腔室10側壁間之高頻放電，在處理空間PS內產生蝕刻氣體之電漿，所產生之電漿往上方及半徑方向外側擴散，電漿中之電子流通過上部電極34或腔室10側壁等流往接地。接著基座16中，高頻電流容易集中於基座中心部，自基座16觀看上部電極34較腔室10側壁近的部分亦與圖2之情形相同。但是，上部電極34與接地電位間存在有由線圈L₅₄ 與電容器C₃₅ ,C₅₀ 所構成之並連LC電路80，當此並連LC電路80對第一高頻給予較大阻抗Z時，即使高頻電流容集中於基座16之中心部，亦不容易從該中心部流往正上方之上部電極34。因此，電漿之電子流中流向腔室10側壁之比例即相對增大，電漿之密度便往半徑方向外側擴展。理論上依照並連LC電路80之阻抗Z，即能以任何比例控制分別流經基座16與上部電極34間，及基座16與腔室10側壁間之電子流，進一步亦能隨意控制使電漿密度之空間分布特性以徑方向均一化。

圖4係表示此電漿蝕刻裝置中預估自處理空間PS與上部電極34之邊界面經由上部電極34至接地電位止之高頻傳送路徑時之頻率－阻抗特性的一例。圖中，對頻率單調遞增之阻抗X_L 係線圈L₅₄ 之感抗(| j ω L₅₄ |)。對頻率單調遞減之阻抗X_C 係電容器C₃₅ ,C₅₀ 之容抗(| 1/j ω(C₃₅ ＋C₅₀ )|)。理論上，以該等感抗X_L 與容抗X_C 呈相同大小(絕對值)之頻率，並連LC電路80會引起並連共振或反共振，如圖示般，並連LC電路80之阻抗Z表示在該反共振頻率f_o 以角狀突出之極大值。此反共振頻率f_o 最好出現於包含第一高頻之頻率的頻帶(最好為5~200MHz)內。

因此，如圖示般，能藉由在第一高頻之頻率(40MHz)附近(極端而言與其一致)隨意改變或選擇參數，亦即選定或設定電感器54之阻抗以得到反共振頻率f_o ，即可將並連LC電路80對第一高頻之阻抗Z選擇成任意較高之值Z₄₀ 。

更重要之點，如圖4所示，在於藉由將反共振頻率f_o 設定於上述頻帶(最好為5~200MHz)內，即可將並連LC電路80對第二高頻之阻抗Z₈₀ 選定成較對第一高頻之值Z₄₀ 更懸殊的較低之值Z₂ 。亦即，在於可將上部電極34以對第二高頻較低之阻抗來接地之點。藉此，能使電漿中將追隨第二高頻振動之離子，以較強之碰撞順利射入上部電極34之電極板36，並確實將附著於電極板36表面之堆積膜或氧化膜濺射(除去)。

圖5A及圖5B係表示此實施形態之電漿蝕刻裝置之氧化膜(SiO₂ )及光阻(PR)蝕刻率的面內分布特性之一實施例。此實施例中，將電感器54之阻抗選擇為400nH，將電容器C₃₅ ,C₅₀ 之合成電容選擇為250pF(低電容)。又，圖6~圖7係表示比較例。亦即，圖6A及圖6B係分別表示刪除電感器54且將電容器C₃₅ ,C₅₀ 之合成電容選擇為20000pF(高電容)時，氧化膜及光阻之蝕刻率的空間分布特性作為第一比較例。又，圖7A及圖7B係分別表示刪除電感器54且將電容器C₃₅ ,C₅₀ 之合成電容選擇為250pF(低電容)時，氧化膜及光阻之蝕刻率的空間分布特性作為第二比較例。實施例及比較例共通之主要蝕刻條件如以下。

晶圓口徑：300mm處理氣體：C₄ F₆ /C₄ F₈ /Ar/O₂ ＝流量40/20/500/60sccm腔室內壓力：30mTorr高頻電力：40MHz/2MHz＝2500/3200W溫度：上部電極溫度＝60℃

從圖6A及圖6B可知，未具備電感器54且將上部電極34之接地電容設定成高電容(20000pF)之第一比較例中，氧化膜之蝕刻率及光阻之蝕刻率在晶圓中心部雖均保持相對較平坦之值，但由於在晶圓邊緣部附近(R＝±120mm附近)急遽降低，因此其等之面內均一性分別為±4.1%,±19.1%並不理想。

另一方面，未具備電感器54且將上部電極34之接地電容設定成低電容(250pF)之第二比較例中，如圖6A及圖6B所示，製程均一性較第一比較例大幅提升。更詳言之，氧化膜之蝕刻率與第一比較例相較，在中心部雖無太大之差別但在邊緣部上升，因而均一性提升至±2.4%。又，光阻蝕刻率在晶圓上各位置均增大，呈相當平坦之分布，面內均一性大幅改善至±4.4%。

相對於此，實施例中，從圖5A及圖5B明顯可知，製程均一性較第二比較例更為提升。更詳言之，氧化膜蝕刻率在晶圓上各位置均上升，特別是在邊緣部大幅上升，面內均一性提升至±1.2%。又，光阻蝕刻率亦在晶圓上各位置幾乎為均一，面內均一性改善至±2.5%。

一般而言，氧化膜之蝕刻率分布係反映電漿中之電子密度分布亦即反映電漿密度分布，光阻之蝕刻率分布由於受電漿之母氣體解離的影響，因此更強烈依存於電漿密度分布。因此，從圖5A及圖5B之實驗結果可知，藉由實施例抑制在處理空間PS所產生之電漿往電極中心部集中而使往半徑方向外側擴展，而大幅提升了電漿密度之均一性。

如上述可知，第二比較例中，與第一比較例相較亦能相當程度改善電漿密度之均一性。然而，未具備電感器54之第二比較例，構成上部電極34之接地電路之低電容(250pF)的電容器C₃₅ ,C₅₀ 不僅對第一高頻(40MHz)亦對第二高頻(2MHz)賦予相當高之阻抗。更正確而言，從圖4之容抗X_C 之頻率特性可了解，對第二高頻(2MHz)之阻抗較對第一高頻(40MHz)為高。如此若上部電極34對第二高頻之接地電路的阻抗較高時，追隨第二高頻射入上部電極34之離子的碰撞較弱，會出現降低濺射效果之不適情形。

此點，實施例係藉由具備電感器54，可將並連LC電路80對第一高頻(40MHz)的阻抗選定成任意較高之值，且對第二高頻(2MHz)為相當低之值。藉此，能如上述大幅改善電漿密度之均一性，另一方面亦能充分確保射入上部電極34之碰撞強度進而確保濺射(電極表面之清潔化)的效果。

其中一例，使用蝕刻氣體中聚合物產生量較多之C₄ F₈ ，當測量實施例與比較例中附著於上部電極34表面之堆積膜的速率(堆積率)時，獲得第二比較例為80nm/5分鐘、實施例為－100nm/5分鐘之測量結果。此堆積率定量化實驗中主要蝕刻條件如以下所示。

處理氣體：C₄ F₈ /Ar＝流量5/1000sccm腔室內壓力：40mTorr高頻電力：40MHz/2MHz＝2000/400W溫度：上部電極/腔室側壁/下部電極＝150/150/40℃蝕刻時間：5分鐘

以此方式，確認相對於第二比較例中堆積膜係累積附著於上部電極34表面，實施例中能將堆積膜以蝕刻模式高效率從上部電極34表面除去。

圖8係表示第二實施形態中電漿蝕刻裝置之構成。相異之點在於，相對於第一實施形態將電感器54上端經由導線56接地，此第二實施形態係經由DC濾波單元82將可變直流電源84電氣連接於電感器54上端。其他部分之構成及功能與第一實施形態相同。

圖9係表示DC濾波單元82內之電路構成例。此實施例之DC濾波單元82，係將2個線圈86,88與電感器54串連連接於自可變直流電源84至上部電極34止之直流傳送路徑上，兩線圈86,88間之節點N₁ 與接地電位之間、及線圈88與可變直流電源84間之節點N₂ 與接地電位之間，分別連接有電容器90,92，以此等線圈86,88及電容器90,92構成串並連LC電路94。

此外，為將DC濾波單元82內之各電氣零件或電氣元件保持於適當溫度，亦可於DC濾波單元82內部設置風扇等冷卻(送風)機構。又，此DC濾波單元82只要是在電感器54與可變直流電源84之間，雖可配置於任意之位置，但最好裝載於腔室10頂板(上面)之上。

自可變直流電源84輸出之直流電壓，係經由串並連LC電路94之線圈86,88及電感器54施加於上部電極34。另一方面，來自高頻電源30,70施加於基座16之第一、第二高頻，若經由處理空間PS進入上部電極34，之後即通過電感器54及DC濾波單元82內之串並連LC電路94流向接地，幾乎不流往可變直流電源84側。

可變直流電源84，係以依照製程種類或條件來輸出具有任意極性及電壓位準之直流電壓的方式所構成。藉由施加適度之直流電壓於上部電極34，已知可發揮至少以下一種效果：(1)增大上部電極34之自偏壓電壓的絕對值，以加強上部電極34之濺射(除去堆積)的效果、(2)擴大上部電極34之電漿鞘，以縮小所形成之電漿的效果、(3)將上部電極34附近所產生之電子照射於被處理基板(半導體晶圓W)的效果、(4)可控制電漿梯度的效果、(5)提升電子密度(電漿密度)的效果、(6)提升中心部之電漿密度的效果。此外，對無須施加直流電壓於上部電極34時作準備，最好於可變直流電源84與串並連LC電路94之間設置例如由繼電器開關所構成之導通/斷開切換用開關96。

此實施形態中，DC濾波單元82內之串並連LC電路94係以使來自可變直流電源84之直流電壓直接通過上部電極34側，且以來自上部電極34側之相對於高頻的低頻帶(最好為100kHz~15MHz)引起串連共振，以高頻帶(最好為5MHz~200MHz)引起並連共振的方式所構成，利用此種串並連LC電路94之頻率－阻抗特性，進一步提升下部雙頻重疊施加方式中第一及第二高頻之其他各作用。

圖10表示此實施形態中串並連LC電路94單獨之頻率－阻抗特性Z₉₄ 及預估自處理空間PS與上部電極34之邊界面經由上部電極34至接地電位止之高頻傳送路徑時之頻率－阻抗特性Z_A 的一例。

如圖10所示，此實施例係將串並連LC電路94之共振頻率設定為約2MHz，將反共振頻率設定為約45MHz。此頻率一阻抗特性Z₉₄ 中，相對於對應於第一高頻(40MHz)之阻抗為約1000 Ω相當高，對應於第二高頻之阻抗(2MHz)為約1 Ω極端的低。電感器54或電容器C₃₅ ,C₅₀ 等自然合併於此串並連LC電路94之上部電極34周圍整體的接地電路之頻率－阻抗特性Z_A ，反共振頻率為約10MHz雖移至低頻側但共振頻率依然保持2MHz附近之值。其次，對應於第一高頻(40MHz)之阻抗大幅降至約20 Ω，另一方面對應於第二高頻(2MHz)之阻抗微降至約0.7 Ω，兩阻抗間仍有20倍以上之差異。

圖10中應特別注目於：藉由利用串並連LC電路94之共振現象，即使環繞上部電極34整體之接地電路的頻率－阻抗特性Z_A 中，亦能將對應於第二高頻(2MHz)之阻抗降低至1 Ω以下。藉此，自第二高頻(2MHz)觀看上部電極34宛如短路(虛擬短路)於接地電位之狀態，以仿效第二高頻之振動能盡量提高離子射入上部電極34之衝擊力進而提高濺射(除去堆積)效果。

此外，圖10所示之頻率－阻抗特性Z₉₄ ,Z_A 係一例，能藉由改變串並連LC電路94中線圈86,88之電感及電容器90,92之電容即可適當變更或調整。

又，圖9之電路構成係一例，可在DC濾波單元82內或其周圍作各種變形。例如，串並連LC電路94能以任意數量之線圈及電容器來構成，電路網之形式不限於圖9之一型，T型、π型等亦可。又，於串並連LC電路94與可變直流電源84之間，亦可為其他功能插入電路元件例如雜訊消除用線圈(未圖示)等。

又，DC濾波單元82內亦可具備可變阻抗元件。例如，如圖11所示，可將線圈86改成可變電抗、將電容器90改成可變電容器。

此外，如圖12所示，能以將上部電極34透過由電感器54或電容器98所構成之串連LC電路100加以接地的構成，代用作為串並連LC電路94。此時，上部電極34周圍整體之接地電路，亦即預估自處理空間PS與上部電極34之邊界面經由上部電極34至接地電位止之高頻傳送路徑時之等效電路，係形成將電容器C₃₅ ,C₅₀ (圖3)並連連接於此串連LC電路100所構成之串並連LC電路(未圖示)。此串並連LC電路之頻率－阻抗特性中，與圖10所示者相同，只要將電感器54之電感及電容器98之電容設定成在既定頻帶內可得所欲之共振頻率與較此共振頻率高之所欲的反共振頻率，最好在極靠近第二高頻之頻率可得共振頻率。

又，如圖12所示，當使用可變直流電源84時，只要將可變直流電源84之輸出端子電氣連接於電感器54與電容器98間之節點N_a 即可。當然，亦可採用將可變直流電源84刪除之構成。此時，對上部電極34亦可將電感器54與電容器98對調，亦即將電容器98串連連接於上部電極34與電感器54之間。電感器54不限於棒狀之導體，由線圈狀之導體所構成者亦可，可使用具有電容性阻抗之任意電感性元件或構件。

又，實施形態之電漿蝕刻裝置中，亦可將上部電極34周圍之靜電電容或接地電容改成可變，圖13~圖15表示靜電電容可變部之構成例。

圖13及圖14所示之靜電電容可變部102，具有：導體板104，可移動於接觸或接近上部電極34上面之第一位置與離開上部電極34上方之第二位置、操作機構106，用來使此導體板104上下移動或變位、靜電電容控制部108，經由操作機構106將上部電極34之接地電容控制於所欲之值。圖13之操作機構106，係由具有導電性之材質、對高頻具有導電性之材質或對高頻具有低阻抗之材質所構成，直接或經由腔室10接地。圖14之操作機構106，亦可以絕緣性之材質構成。此靜電電容可變方式，能依照導體板104之高度位置改變上部電極34之接地電容。使導體板104愈接近腔室10之頂板面，能愈縮小上部電極34之接地電容。相反地，使導體板104愈接近上部電極34之上面，能愈增加上部電極34之接地電容。極端之狀況下使導體板104接觸上部電極34並將上部電極34接地時，亦可使接地電容變成無限大。

圖15所示之靜電電容可變部102之構成，係於設於上部電極34與腔室10側壁間之環狀絕緣體35之中，形成環狀液體收容室110，使來自腔室10外具有適當介電常數之液體(例如Galden之有機溶劑)Q可經由配管112進出。改變液體Q之種類(介電常數)或液量即可使環狀絕緣體35整體靜電電容成為可變，進而使上部電極34之接地電容成為可變。

作為另外之構成例，亦可將可變電容器(未圖示)連接於上部電極34與腔室10之間。

其次，藉由適當組合此等可變電容器或靜電電容可變部102、電感器54之可變電感的可變電感元件(未圖示)、以及如圖11所示之DC濾波單元82內的可變阻抗元件等，即可實現任意之頻率－阻抗特性。更詳言之，藉由上述可變電容器或靜電電容可變部102，可調整主要有助於電漿產生之對第一高頻的阻抗值，藉由DC濾波單元82內之可變阻抗元件，可調整主要有助於吸引離子之對第二高頻的阻抗值。

又，亦可採用如圖16之構成作為另一實施形態。具體而言，其構成係經由匹配器32及供電棒33將第一高頻自高頻電源30供電至基座16，並自高頻電源70經由匹配器72及供電棒74將第二高頻供電(下部雙頻重疊施加方式)至基座16，且將上部電極分割成半徑方向之圓盤狀的內側上部電極34與環狀的外側上部電極122兩部分。於內側上部電極34與外側上部電極122間插入環狀之絕緣體120，於外側上部電極122與腔室10側壁間插入環狀之絕緣體124。藉由此種構成，可使以第一高頻為主之較高頻率容易流經通過外側上部電極122至腔室10側壁(接地)之流路，使以第二高頻為主之較低頻率容易流經通過內側上部電極34及導電棒52至接地之流路。

上述實施形態中所使用之第一及第二高頻的各頻率為一例，可依照製程使用任意之頻率。通常，若將主要有助於電漿產生之第一高頻的頻率選擇為13.5MHz以上之值時，即可將主要有助於將離子吸引至基板或將離子吸引至上部電極之第二高頻的頻率選擇為13.5MHz以下之值。

不限於上述實施形態之上部電極34周圍的接地電路以外，可對裝置內各部之構成或功能作各種變形。上述實施形態雖為有關電漿蝕刻裝置及電漿蝕刻方法，但本發明亦可適用於電漿CVD、電漿氧化、電漿氮化、以及濺鍍等其他平行平板型電漿處理裝置及電漿處理方法。又，本發明中被處理基板並不限於半導體晶圓，平板顯示器用之各種基板或光罩、CD基板、以及印刷電路板等亦可。

10．．．腔室(處理容器)

12．．．絕緣板

14．．．基座支持台

16．．．基座(下部電極)

18．．．靜電轉盤

20．．．電極

22．．．直流電源

24．．．聚焦環

25．．．內壁構件

26．．．冷媒室

27a,27b．．．配管

28．．．氣體供給管線

30．．．第一高頻電源

32．．．匹配器

33．．．供電棒

34．．．上部電極/內側上部電極

35．．．環狀絕緣體

36．．．電極板

36a．．．氣體噴出孔

38．．．電極支持體

38a．．．氣體通氣孔

40．．．氣體緩衝室

42．．．氣體供給管

44．．．處理氣體供給源

46．．．質量流量控制器(MFC)

48．．．開閉閥

50．．．間隙

52．．．貫通孔/導體棒

54．．．電感器

56．．．導線

58．．．排氣口

60．．．排氣管

62．．．排氣裝置

64．．．搬出入口

66．．．閘閥

70．．．第二高頻電源

72．．．匹配器

74．．．供電棒

80．．．並連LC電路

82．．．DC濾波單元

84．．．可變直流電源

86,88．．．線圈

90,92,98．．．電容器

96．．．導通/斷開切換用開關

94．．．串並連LC電路

100．．．串連LC電路

102．．．靜電電容可變部

104．．．導體板

106．．．操作機構

108．．．靜電電容控制部

110．．．液體收容室

112．．．配管

120．．．絕緣體

122．．．外側上部電極

124．．．絕緣體

He．．．氦

N₁ ,N₂ ,N_a ．．．節點

Q．．．液體

PS．．．處理空間(電漿產生空間)

W．．．半導體晶圓

[圖1]係表示本發明之第一實施形態中電漿蝕刻裝置之構成的垂直剖面圖。

[圖2]係示意表示比較例之電漿蝕刻裝置中電容耦合型高頻放電構造的圖。

[圖3]係示意表示圖1之電漿蝕刻裝置中電容耦合型高頻放電構造的圖。

[圖4]係表示圖1之電漿蝕刻裝置中預估經由上部電極至接地電位止之高頻傳送路徑時之頻率－阻抗特性之一例的圖。

[圖5A]係表示實施例中氧化膜蝕刻率之面內分布特性的圖。

[圖5B]係表示實施例中光阻蝕刻率之面內分布特性的圖。

[圖6A]係表示第一比較例中氧化膜蝕刻率之面內分布特性的圖。

[圖6B]係表示第一比較例中光阻蝕刻率之面內分布特性的圖。

[圖7A]係表示第二比較例中氧化膜蝕刻率之面內分布特性的圖。

[圖7B]係表示第二比較例中光阻蝕刻率之面內分布特性的圖。

[圖8]係表示本發明之第二實施形態中電漿蝕刻裝置之構成的垂直剖面圖。

[圖9]係表示圖9之電漿蝕刻裝置中DC濾波單元內電路構成例的電路圖。

[圖10]係表示圖2之電漿蝕刻裝置中DC濾波單元內串並連LC電路之頻率－阻抗特性及預估經由上部電極至接地電位止之高頻傳送路徑時之頻率－阻抗特性之一例的圖。

[圖11]係表示DC濾波單元內電路構成之一變形例的電路圖。

[圖12]係表示第二實施形態中串並連LC電路之一變形例的電路圖。

[圖13]係表示實施形態之電漿蝕刻裝置中靜電電容可變部之一實施例的局部剖面圖。

[圖14]係表示實施形態之電漿蝕刻裝置中靜電電容可變部之其他實施例的局部剖面圖。

[圖15]係表示實施形態之電漿蝕刻裝置中靜電電容可變部之其他實施例的局部剖面圖。

[圖16]係表示實施形態之一變形例中電漿蝕刻裝置之構成的垂直剖面圖。