CN101150044A - 聚焦环和等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种与现有技术相比能够提高等离子体处理的而内均匀性的聚焦环和等离子体处理装置。聚焦环(5)包括由导电性材料构成的第一环状部件(5a)和由绝缘性材料构成的第二环状部件(5b)。在第一环状部件(5a)的内侧边缘部形成有位置低于载置在载置台(2)上的半导体晶片(30)的下面的台阶部(50)，该台阶部(50)延伸到半导体晶片(30)的周边部下侧。第二环状部件(5b)配置在第一环状部件(5a)的下侧，介于第一环状部件(5a)与载置台(2)之间。

Description

聚焦环和等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及配置在用于对被处理基板实施等离子体蚀刻处理等等离子体处理的等离子体处理装置中的聚焦环和等离子体处理装置。

背景技术

一直以来，等离子体蚀刻装置等等离子体处理装置大量用于例如半导体装置的微细电路的制造工序等。

作为这种等离子体处理装置，已知所谓的平行平板电极型等离子体处理装置，在设置在处理腔室内的载置台上配置半导体晶片等被处理体基板，向该载置台和作为相对电极的上部电极之间施加高频电力，产生等离子体，进行处理。

而且，已知在这种等离子体处理装置中，在载置台上以包围被处理基板周围的方式配置环状的聚焦环，能够提高处理的面内均匀性。并且，已知下述技术，由环状的导电性部件和配置在该环状导电性部件下部的环状绝缘性部件构成聚焦环，形成从被处理基板指向环状导电性部件的电场，由此能够防止等离子体绕入被处理基板周边部的背面侧，减少在该部位产生沉积(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开2005-277369号公报

在上述的现有技术中，由环状的导电性部件和配置在该环状导电性部件下部的环状绝缘性部件构成聚焦环的技术，涉及等离子体处理装置，该等离子体处理装置的类型为，在相对电极中，向上部电极供给高于用于产生等离子体的频率的高频电力，向下部电极(载置台)施加低于用于引入离子的频率的偏置用高频电力。即，在该现有技术中，利用向上部电极施加的高频产生等离子体，因此通过调整配置在下部电极上的聚焦环，主要控制向被处理基板周边部的离子的引入状态(离子的引入角度和向背面的绕入)。

相对与此，发现在将上部电极作为接地电位、利用向下部电极(载置台)施加的高频电力产生等离子体的类型的等离子体处理装置中，目前具有如下的问题。

即，例如，在通过等离子体蚀刻处理对被处理基板进行等离子体蚀刻时，即使在使用同一聚焦环和等离子体处理装置的情况下，由于蚀刻气体的种类等，有时被处理基板的周边部的蚀刻速率增高，或者有时被处理基板的周边部的蚀刻速率降低，存在蚀刻处理的面内均匀性恶化的问题。特别是在使用不产生沉积(堆积物)的蚀刻气体系的情况下，无法通过调整沉积量等工艺调整面内均匀性，所以必须通过硬件的调整提高蚀刻处理的而内均匀性。

发明内容

本发明是针对上述现有问题而提出的，目的在于提供一种与现有技术相比能够提高等离子体处理的面内均匀性的聚焦环和等离子体处理装置。

本发明第一方面的聚焦环，其特征在于：其以包围被处理基板周围的方式载置在等离子体处理装置的载置台上，上述等离子体处理装置向载置上述被处理基板的上述载置台施加高频电力，在与上述载置台相对设置的作为接地电位的上部电极之间产生等离子体，对上述被处理基板实施等离子体处理。上述聚焦环包括：由导电性材料构成的第一环状部件，其在内侧边缘部具有位置低于载置在上述载置台上的上述被处理基板的下面的台阶部，上述台阶部延伸到上述被处理基板的周边部下侧；和由绝缘性材料构成的第二环状部件，其配置在上述第一环状部件的下侧，介于上述第一环状部件与上述载置台之间。

本发明第二方面的聚焦环是第一方面所述的聚焦环，其特征在于：上述第二环状部件由氧化铝陶瓷构成。

本发明第三方面的聚焦环是第一方面或第二方面所述的聚焦环，其特征在于：上述第一环状部件由硅、碳或SiC构成。

本发明第四方面的聚焦环是第一方面～第三方面中任一项所述的聚焦环，其特征在于：上述第一环状部件的比上述台阶部更外侧的部分的上面，为位置高于载置在上述载置台上的上述被处理基板表面的平坦部。

本发明第五方面的等离子体处理装置，其特征在于，包括：收容被处理基板并实施规定的等离子体处理的处理腔室；设置在上述处理腔室内并载置有上述被处理基板的载置台；用于向上述载置台供给高频电力并产生等离子体的高频电源；与上述载置台相对设置作为接地电位的上部电极；和聚焦环，其以包围上述被处理基板周围的方式载置在上述载置台上，包括由导电性材料构成的第一环状部件和由绝缘材料构成的第二环状部件，上述第一环状部件在内侧边缘部具有位置低于载置在上述载置台上的上述被处理基板的下面的台阶部，上述台阶部延伸到上述被处理基板的周边部下侧，上述第二环状部件配置在上述第一环状部件的下侧，介于上述第一环状部件与上述载置台之间。

本发明第六方面的等离子体处理装置是第五方面所述的等离子体处理装置，其特征在于：上述第二环状部件由氧化铝陶瓷构成。

本发明第七方面的等离子体处理装置是第五方面或第六方面所述的等离子体处理装置，其特征在于：上述第一环状部件由硅、碳或SiC构成。

本发明第八方面的等离子体处理装置是第五方面～第七方面中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：上述第一环状部件的比上述台阶部更外侧的部分的上面，为位置高于载置在上述载置台上的上述被处理基板表面的平坦部。

发明效果

根据本发明，能够提供一种与现有技术相比能够提高等离子体处理的面内均匀性的聚焦环和等离子体处理装置。

附图说明

图1是示意性地表示本发明一种实施方式的等离子体处理装置的大致构成图。

图2是示意性地表示图1的主要部分截面构成的图。

图3是用于说明聚焦环的消耗状态的图。

图4是用于说明现有的聚焦环的消耗状态的图。

符号说明

1：处理腔室；2：载置台；5：聚焦环；5a：第一环状部件；5b：第二环状部件；10：RF电源；16：喷头；30：半导体晶片。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。图1是表示作为本实施方式的等离子体处理装置的等离子体蚀刻装置结构的图。等离子体蚀刻装置气密地构成，具有作为电接地电位的处理腔室1。该处理腔室1呈圆筒状，例如由铝等构成。在该处理腔室1内，设置有大致水平地载置被处理基板半导体晶片30的载置台2。该载置台2兼作为下部电极，例如由铝等导电性材料构成，隔着绝缘板3被导体的支撑台4所支撑。另外，在载置台2上的外周部分，以包围半导体晶片30周围的方式设有形成为环状的聚焦环5。聚焦环5包括由导电性材料构成的第一环状部件5a和配置在该第一环状部件5a下侧的由绝缘性材料构成的第二环状部件5b。后面对该聚焦环5的详细构成进行描述。

在载置台2上，通过匹配箱11连接有RF电源10。从RF电源10向载置台2供给规定频率(例如13.56MHz)的高频电力。另一方面，与载置台2相对，在其上方互相平行地设置有喷头16，该喷头16为接地电位。因此，这些喷头16与载置台2发挥着作为一对相对电极(上部电极和下部电极)的功能。

在载置台2的上面，设置有用于静电吸附半导体晶片30的静电卡盘6。该静电卡盘6，在绝缘体6b之间插入电极6a而构成，直流电源12与电极6a连接。于是，通过从直流电源12向电极6a施加直流电压，能够利用库仑力等吸附半导体晶片30。

在载置台2的内部，形成有未图示的致冷剂流路，通过使合适的致冷剂在其中循环，能够将半导体晶片30控制在规定的温度。另外，在聚焦环5的外侧设置有排气环13。排气环13通过支撑台4与处理腔室1导通。

在处理腔室1的顶部，在以与载置台2相对的方式设置的喷头16的下面，设有多个气体喷出孔18，且在其上部设有气体导入部16a。并且，其内部形成有空间17。气体导入部16a上连接有气体供给配管15a，该气体供给配管15a的另一端与供给等离子体蚀刻用的处理气体(蚀刻气体)的处理气体供给系统15连接。

从处理气体供给系统15供给的处理气体，通过气体供给配管15a、气体导入部16a到达喷头16内部的空间17，然后从气体喷出孔18向半导体晶片30喷出。作为从处理气体供给系统15供给的处理气体的示例，例如为N₂/O₂的混合气体、N₂/H₂的混合气体等。

在处理腔室1的下部形成有排气口19。该排气口19与排气系统20连接。并且，通过使设置于排气系统20的真空泵工作，能够将处理腔室1内减压到规定的真空度。另一方面，在处理腔室1的侧壁设置有打开关闭晶片30的搬入搬出口的闸阀24。

另一方面，在处理腔室1的周围，同心状地配置有环状磁铁21，其在载置台2与喷头16之间的空间内产生磁场。该环状磁铁21能够通过未图示的电动机等旋转单元进行旋转。

上述结构的等离子体蚀刻装置的整体动作由控制部60控制。该控制部60中设有具备CPU并控制等离子体蚀刻装置各部的过程控制器61、用户接口62和存储部63。

用户接口62由工序管理者用于管理等离子体蚀刻装置而输入指令的键盘、可视化显示等离子体蚀刻装置的运转状况的显示器等构成。

存储部63中存储有方案，该方案记录有用于在过程控制器61的控制下实现在等离子体蚀刻装置中执行的各种处理的控制程序(软件)和处理条件的数据等。并且，根据需要，按照来自用户接口62的指示等，从存储部63调出任意方案，由过程控制器61执行，在过程控制器61的控制下，在等离子体蚀刻装置中进行希望的处理。而且，控制程序和处理条件数据等方案，可以在存储于计算机能够读取的计算机存储介质(例如硬盘、CD、软盘、半导体存储器等)等中的状态下使用，或者，也可以例如通过专用线路从其他的装置随时传送，在线使用。

下面，说明利用上述结构的等离子体蚀刻装置，对半导体晶片30进行等离子体蚀刻的顺序。首先，打开闸阀24，利用未图示的搬送机器人(robot)等，将半导体晶片30通过未图示的负载锁定室搬入处理腔室1内，载置在载置台2上。然后，使搬送机器人退出到处理腔室1外，关闭闸阀24。接着，利用排气系统20的真空泵通过排气口19对处理腔室1内进行排气。

在处理腔室1内达到规定的真空度之后，从处理气体供给系统15向处理腔室1内导入规定的处理气体(蚀刻气体)，使处理腔室1内保持在规定的压力，例如8.0Pa，在该状态下，从RF电源10向载置台2供给频率例如为13.56MHz、功率例如为100～5000W的高频电力。此时，从直流电源12向静电卡盘6的电极6a施加规定的直流电压，利用库仑力吸附半导体晶片30。

在这种情况下，如上所述，通过向作为下部电极的载置台2施加高频电力，能够在上部电极喷头16与下部电极载置台2之间形成电场。另一方面，利用环状磁铁21在处理腔体1的上部1a形成水平磁场，所以，由于电子的转移在半导体晶片30所存在的处理空间内产生磁控管放电，利用由此形成的处理气体的等离子体，对半导体晶片30进行蚀刻处理。

然后，如果规定的蚀刻处理完成，就停止高频电力的供给和处理气体的供给，按照与上述顺序相反的顺序，将半导体晶片30从处理腔室1内搬出。

接着，参照图2说明聚焦环5的结构。图2是示意性地表示载置有聚焦环5的载置台2的部分的主要部分截面结构的图。在该图中，为了容易了解各构成部件的形状，在各构成部件之间设有间隔，而实际上这些部件彼此之间(半导体晶片30和聚焦环5之间除外)紧贴。如该图所示，聚焦环5由第一环状部件5a和配置在该第一环状部件5a下侧的第二环状部件5b构成。

第一环状部件5a由硅、碳、SiC等导电性材料构成，形成为环状。在该第一环状部件5a的内侧边缘部，形成有台阶部50，该台阶部50的位置低于载置在载置台2上的半导体晶片30的下面。该台阶部50延伸到半导体晶片30的周边部下侧。并且，比台阶部50更外侧的部分的上面为平坦的平坦部51。该平坦部51高于台阶部50，至少在该第一环状部件5a开始使用前的初始状态下，平坦部51的上面高于载置在载置台2上的半导体晶片30的表面。并且，该第一环状部件5a的平坦部51由于暴露在等离子体中而逐渐消耗，其高度会逐渐降低。在本实施方式中，第一环状部件5a的厚度(图2所示的d)为数毫米左右，例如4mm；台阶部50的厚度(图2所示的c)，例如为2.5mm；台阶部50的径向的长度(图2所示的e)，例如为2mm左右。

第二环状部件5b例如由氧化铝陶瓷、石英等绝缘性材料构成，形成为环状。该第二环状部件5b配置于第一环状部件5a的下侧，介于第一环状部件5a与载置台2之间。即，第二环状部件5b以不使第一环状部件5a直接载置在载置台2上的方式构成，在本实施方式中，具有与第一环状部件5a的径向长度(图2所示的a)相同的径向长度(图2所示的b)。并且，第二环状部件5b的厚度(图2所示的f)为数毫米左右，例如为3mm。其中，在图2中，40是由石英等构成的外壳，41是由石英等构成的绝缘环。

在本实施方式中，聚焦环5如上述构成是因为以下的理由。即，在向载置台2(下部电极)施加高频电力、在与作为接地电位的喷头16(上部电极)之间产生等离子体的类型的等离子蚀刻装置中，通过使用上述结构的聚焦环5，与现有技术相比，能够降低在聚焦环5上部的空间内形成的等离子体的强度(密度)。由此，能够使等离子体集中到载置在载置台2上的半导体晶片30上部的空间，与现有技术相比，能够进一步提高在该部分形成的等离子体的强度(密度)，并且，能够与在聚焦环5上部的空间内形成的等离子体形成相对的强度(密度)差。结果，能够提高半导体晶片30的整体蚀刻速率，并且，抑制半导体晶片30边缘部的蚀刻速率的增加或减少等的发生，提高等离子体蚀刻处理的面内均匀性。并且，为了稳定在半导体晶片30上部的空间内形成的等离子体和在聚焦环5上部的空间内形成的等离子体在边界部分的等离子体的变化，如图2所示，第一环状部件5a和第二环状部件5b，均延伸到半导体晶片30的周边部下侧。

作为实施例1，使用上述结构的聚焦环5，在下述条件下进行有机系抗蚀剂掩模的等离子体蚀刻。

蚀刻气体：N₂/O₂＝200/22sccm

压力：2.26Pa(17mTorr)

高频电力：300W

间隙(gap)：40mm

温度：60℃

背面的氦压力(边缘/中心)：931/3325Pa(7/25Torr)

上述实施例1的结果为，在使用石英制的第二环状部件5b的情况下，蚀刻速率的平均值为153.1nm/min，面内的蚀刻速率的偏差为±2.3％。而在使用氧化铝陶瓷(Al₂O₃)制的第二环状部件5b的情况下，蚀刻速率的平均值为147.4nm/min，面内的蚀刻速率的偏差为±1.8％。

作为比较例1，如图4所示，使用不具有第二环状部件5b的一体型的现有聚焦环500，其它的蚀刻条件与上述实施例1相同，进行蚀刻。结果，蚀刻速率的平均值为144.0nm/min，面内的蚀刻速率的偏差为±4.5％。并且，在该比较例1中，在半导体晶片30的边缘部蚀刻速率增高的方向不均匀，而该趋势在实施例1中得到缓解。另外，使用氧化铝陶瓷制的第二环状部件5b的情况与使用石英制的第二环状部件5b的情况相比，能够进一步改善蚀刻速率的面内均匀性。但是，使用石英制的第二环状部件5b时的蚀刻速率的平均值较高。因此，在第二环状部件5b的材质不同的情况下，由于介电常数和介电损耗等特性不同，相对于高频的阻抗也将发生变化，所以作用效果有所不同。因此，优选选择合适的绝缘材料。

作为实施例2，使用上述结构的聚焦环5，在下述条件下进行有机系抗蚀剂掩模的等离子体蚀刻。

蚀刻气体：N₂/H₂＝200/600sccm

压力：7.98Pa(60mTorr)

高频电力：700W

间隙：40mm

温度：20℃

背面的氦压力(边缘/中心)：931/3325Pa(7/25Torr)

上述实施例2的结果为，在使用石英制的第二环状部件5b的情况下，蚀刻速率的平均值为150.7nm/min，面内的蚀刻速率的偏差为±4.8％。而在使用氧化铝陶瓷(Al₂O₃)制的第二环状部件5b的情况下，蚀刻速率的平均值为145.7nm/min，面内的蚀刻速率的偏差为±3.2％。作为比较例2，如图4所示，使用不具有第二环状部件5b的一体型的现有聚焦环500，其它的蚀刻条件与上述实施例2相同，进行蚀刻。结果，蚀刻速率的平均值为134.7nm/min，面内的蚀刻速率的偏差为±5.5％。并且，在该比较例2中，在半导体晶片30边缘部的蚀刻速率降低的方向不均匀，而该趋势在实施例2中得到缓解。另外，使用氧化铝陶瓷制的第二环状部件5b的情况与使用石英制的第二环状部件5b的情况相比，能够进一步改善蚀刻速率的面内均匀性。但是，使用石英制的第二环状部件5b时的蚀刻速率的平均值较高。上述实施例的结果如表1所示。

[表1]

		蚀刻速率(nm/min)	偏差(％)
				实施例1	石英	153.1	2.3
氧化铝陶瓷	147.4	1.8
			比较例1			144	4.5
实施例2	石英	150.7		4.8
			氧化铝陶瓷		145.7	3.2
	比较例2			134.7			5.5

由上述实施例1、2的结果可知，在本实施方式中，通过降低在聚焦环5上部的空间内形成的等离子体的强度(密度)，能够使等离子体集中到半导体晶片30上部的空间。与现有技术相比，通过提高在该部分形成的等离子体的强度(密度)，能够提高蚀刻速率。另外，通过降低在聚焦环5上部的空间内形成的等离子体的影响，能够改善半导体晶片30的边缘部的蚀刻速率的不均匀性，提高蚀刻速率的面内均匀性。在这种情况下，半导体晶片30的边缘部的蚀刻速率无论存在降低趋势还是存在升高趋势，都能够得到改善效果。

另外，如实施例2，使用N₂/H₂＝作为蚀刻气体的情况下，由于产生沉积，使聚焦环5上部的等离子体强度降低，能够控制为使半导体晶片30的边缘部的蚀刻速率增大的方向。另一方面，如实施例1，在使用不产生沉积的气体系的情况下，通过降低聚焦环5上部的等离子体强度，能够控制为使半导体晶片30的边缘部的蚀刻速率降低的方向。

如上所述，在本实施方式中，为了确认由聚焦环5得到的降低在其上部空间内形成的等离子体强度(密度)的效果，以五个点测定产生等离子体经过5分钟后的聚焦环5(第二环状部件5b为石英制)表面的温度，取平均值，温度为140℃。另一方面，对在比较例中使用的聚焦环500进行同样的测定，温度为176℃。从该结果能够确认由聚焦环5得到的降低在其上部空间内形成的等离子体的强度(密度)的效果。

另外，如图4(a)、(b)所示，聚焦环500由于使用导致其表面被蚀刻而逐渐消耗，其高度逐渐降低(图4(b))。因此，在半导体晶片30上形成的等离子体的状态也由于该聚焦环500的消耗而发生变动。作为一个示例，使用聚焦环500，将KrF抗蚀剂作为掩模进行蚀刻，形成线状的SiO₂层，相对于图4(a)所示的初始状态中线宽为130nm，在聚焦环500被使用210小时后的图4(b)所示的状态中线宽为131.9nm，产生约2nm的CD变化。推测CD变化的原因在于，在初始状态下聚焦环500的上方形成的等离子体，伴随着聚焦环500的消耗逐渐转移到半导体晶片30的上方，形成在半导体晶片30上的等离子体发生变动。

另一方面，使用本实施方式的聚焦环5进行同样的等离子体蚀刻后，相对于图3(a)所示的初始状态中线宽为130.2nm，在聚焦环5被使用210小时后的图3(b)所示的状态中线宽为129.8nm，能够将CD变化降到0.4nm。推测其理由为，在使用聚焦环5的情况下，初始状态在聚焦环5上方形成的等离子体的强度低，所以即使聚焦环5消耗、在聚焦环5上方形成的等离子体强度发生变化，对半导体晶片30上方的等离子体带来的影响也小。因此，本实施方式的聚焦环5还能够得到减小因消耗引起的CD变化的效果。

另外，本发明不限于上述实施方式，可以有各种变形。例如，等离子体蚀刻装置不限定于如图所示的平行平板型的下部单频施加型，也同样适用于下部双频施加型的等离子体蚀刻装置。

Claims (8)

1.一种聚焦环，其特征在于：

该聚焦环以包围被处理基板周围的方式载置在等离子体处理装置的载置台上，所述等离子体处理装置向载置所述被处理基板的所述载置台施加高频电力，在与所述载置台相对设置的作为接地电位的上部电极之间产生等离子体，对所述被处理基板实施等离子体处理，

所述聚焦环包括：由导电性材料构成的第一环状部件，其在内侧边缘部具有位置低于载置在所述载置台上的所述被处理基板的下面的台阶部，所述台阶部延伸到所述被处理基板的周边部下侧；和

由绝缘性材料构成的第二环状部件，其配置在所述第一环状部件的下侧，介于所述第一环状部件与所述载置台之间。

2.如权利要求1所述的聚焦环，其特征在于：

所述第二环状部件由氧化铝陶瓷构成。

3.如权利要求1或2所述的聚焦环，其特征在于：

所述第一环状部件由硅、碳或SiC构成。

4.如权利要求1～3中任一项所述的聚焦环，其特征在于：

所述第一环状部件的比所述台阶部更外侧的部分的上面，为位置高于载置在所述载置台上的所述被处理基板表面的平坦部。

5.一种等离子体处理装置，其特征在于，包括：

收容被处理基板并实施规定的等离子体处理的处理腔室；

设置在所述处理腔室内并载置有所述被处理基板的载置台；

用于向所述载置台供给高频电力并产生等离子体的高频电源；

与所述载置台相对设置作为接地电位的上部电极；和

聚焦环，其以包围所述被处理基板周围的方式载置在所述载置台上，包括由导电性材料构成的第一环状部件和由绝缘材料构成的第二环状部件，所述第一环状部件在内侧边缘部具有位置低于载置在所述载置台上的所述被处理基板的下面的台阶部，所述台阶部延伸到所述被处理基板的周边部下侧，所述第二环状部件配置在所述第一环状部件的下侧，介于所述第一环状部件与所述载置台之间。

6.如权利要求5所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述第二环状部件由氧化铝陶瓷构成。

7.如权利要求5或6所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述第一环状部件由硅、碳或SiC构成。

8.如权利要求5～7中任一项所述的等离子体处理装置，其特征在于：

所述第一环状部件的比所述台阶部更外侧的部分的上面，为位置高于载置在所述载置台上的所述被处理基板表面的平坦部。

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