CN102468106B - 等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过抑制被处理基板的周缘部的温度上升，能够提高等离子体处理的面内均匀性，能够进行均匀的等离子体处理的等离子体处理装置。该等离子体处理装置具有：处理腔室，能够将该处理腔室的内部气密地闭塞；处理气体供给机构，用于向处理腔室内供给处理气体；排气机构，用于从处理腔室内排气；等离子体生成机构，用于生成处理气体的等离子体；载置台，设于处理腔室内，且构成为将被处理基板和以围绕该被处理基板的周围的方式配置的聚焦环载置在同一平面上；调温机构，用于调节载置台的温度；静电吸盘，配置于载置台的上表面且具有延伸至聚焦环的下部的吸附用电极。

Description

等离子体处理装置
技术领域
本发明涉及一种等离子体处理装置。
背景技术
以往以来，在半导体装置的制造工序等工序中，使用利用等离子体对半导体晶圆、液晶显示装置用玻璃基板等基板进行处理的等离子体处理装置，例如等离子体蚀刻装置、等离子体CVD装置等。
作为上述的等离子体处理装置，例如在处理腔室内设置载置基板的载置台，在该载置台上配置有用于吸附基板的静电吸盘的等离子体处理装置为人所知。对于如上述地在载置台上配置有静电吸盘的等离子体处理装置，为了保护静电吸盘免受等离子体影响，使载置台的载置面的形状呈凸状，并使该凸状的载置面的大小比基板稍小，配置于载置面的静电吸盘的吸附面不暴露在等离子体中的结构为人所知。
此外，对于在半导体晶圆等基板的周围设有聚焦环的结构的等离子体处理装置，除设置半导体晶圆吸附用的静电吸盘之外，还设置聚焦环吸附用的静电吸盘，通过将聚焦环吸附在载置台上，利用在载置台内循环的调温介质也进行聚焦环的温度调节的方法为人所知(例如参照专利文献1)。
另外，对于处理例如直径300mm的半导体晶圆的等离子体处理装置，形成为凸状的载置台的载置面的直径(静电吸盘的吸附面的直径)例如设为296mm～298mm左右，通过使静电吸盘的吸附面处于全部被半导体晶圆覆盖的状态，从而在处理中使静电吸盘的吸附面不暴露在等离子体中。另外，在该情况下，使埋设于静电吸盘的吸附面内的静电吸盘用电极的直径比吸附面的直径更小。
此外，将薄板状的聚焦环载置在与半导体晶圆同一平面上，使聚焦环的阻抗接近半导体晶圆的阻抗的等离子体处理装置也为人所知(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本特开平10-303288号公报
专利文献2：日本特开2004-235623号公报
如上所述，以往以来，在等离子体处理装置中，通过使载置基板的载置台的载置面和配置于该载置面的静电吸盘的吸附面的直径比进行等离子体处理的半导体晶圆的直径小，静电吸盘的吸附面不暴露在等离子体中。
可是，对于上述结构的等离子体处理装置，因为半导体晶圆的周缘部没有被静电吸盘吸附，所以半导体晶圆的周缘部的温度与其他的部分相比有变高的倾向。因此，由于半导体晶圆的中央部与周缘部之间的温度的差，在半导体晶圆的中央部与周缘部的等离子体处理的状态有时不同。例如，在蚀刻对象膜上形成孔的情况下，有时孔的穿透性在半导体晶圆的中央部与周缘部不同，或蚀刻对象膜相对于光致抗蚀剂的选择比在半导体晶圆的中央部与周缘部不同，该蚀刻对象膜利用等离子体蚀刻形成在半导体晶圆上。因此，存在等离子体处理的面内均匀性变差的问题。另外，上述的专利文献2的技术是关注于阻抗的技术，而对温度没有考虑。
发明内容
本发明应对上述以往的情况，目的在于提供一种通过抑制被处理基板的周缘部的温度上升，能够提高等离子体处理的面内均匀性，能够进行均匀的等离子体处理的等离子体处理装置。
本发明的等离子体处理装置的一技术方案的特征在于，具有：处理腔室，能够将该处理腔室的内部气密地闭塞；处理气体供给机构，用于向上述处理腔室内供给处理气体；排气机构，用于从上述处理腔室内排气；等离子体生成机构，用于生成上述处理气体的等离子体；载置台，设于上述处理腔室内，且构成为将被处理基板和以围绕该被处理基板的周围的方式配置的聚焦环载置在同一平面上；调温机构，用于调节上述载置台的温度；静电吸盘，配置于上述载置台的上表面，且具有延伸至上述聚焦环的下部的吸附用电极。
根据本发明，能够提供一种通过抑制被处理基板的周缘部的温度上升，能够提高等离子体处理的面内均匀性，能够进行均匀的等离子体处理的等离子体处理装置。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的一实施方式所涉及的等离子体蚀刻装置的概略结构的图。
图2是表示图1的等离子体蚀刻装置的主要部分结构的图。
图3是表示变形例所涉及的等离子体蚀刻装置的主要部分结构的图。
图4是表示测量半导体晶圆的温度分布的结果的曲线图。
图5是表示测量半导体晶圆的各部的光致抗蚀剂的蚀刻速率的结果的曲线图。
图6表示以往装置的主要部分结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图就实施方式说明本发明的详细内容。
图1是示意性地表示本实施方式所涉及的等离子体蚀刻装置的主要部分概略结构的图。等离子体蚀刻装置1构成为电极板上下平行地相对且连接有等离子体形成用电源的电容耦合型平行平板蚀刻装置。
等离子体蚀刻装置1包括例如由表面被阳极氧化处理过的铝等构成且成形为圆筒形状的处理腔室2，该处理腔室2接地。借助由陶瓷等绝缘性的材料形成为圆筒状的支承构件3，在处理腔室2内的底部设有呈大致圆柱状的基座(载置台)5。
在基座5上，载置作为被处理基板的半导体晶圆W和围绕该半导体晶圆W周围的环状的聚焦环15。该聚焦环15例如由硅等构成，具有提高蚀刻的面内均匀性的作用。此外，基座5发挥下部电极的作用，在基座5上连接有高通滤波器(HPF)6。
在基座5的内部设有冷却介质室7，在该冷却介质室7中，冷却介质经由冷却介质导入管8被导入而循环并从冷却介质排出管9被排出。然后，在冷却介质室7中循环的冷却介质的冷热通过基座5向半导体晶圆W传导，由此将半导体晶圆W控制至所要的温度。
基座5的上侧成形为平面状，在其平面状的上侧面设有静电吸盘11。如图2所示，通过在绝缘层11a之间夹设作为导电层的吸附用电极11b而构成静电吸盘11。静电吸盘11配置为覆盖基座5的上侧面整体，吸附用电极11b配置为从半导体晶圆W的周缘部向外侧延伸，并延伸至聚焦环15的下部。从图1所示的直流电源13对该静电吸盘11的吸附用电极11b施加例如1.5kV的直流电压。由此，利用例如库仑力静电吸附半导体晶圆W和聚焦环15。
在基座5、静电吸盘11中，形成有用于向半导体晶圆W的背面供给传热介质(例如He气体等)的气体通路14，借助该传热介质将基座5的冷热经由静电吸盘11传导至半导体晶圆W，使半导体晶圆W维持在规定的温度。
如上所述，对于本实施方式的等离子体蚀刻装置1，基座5的上侧不呈凸状而是成形为平面状，静电吸盘11的吸附用电极11b配置为从半导体晶圆W的周缘部向外侧延伸，并延伸至聚焦环15的下部。因而，半导体晶圆W处于直到其周缘部为止其整体被静电吸盘11吸附的状态。由此，利用基座5的冷热对半导体晶圆W的整体进行温度调节，能够抑制半导体晶圆W的周缘部的温度上升。
此外，对于本实施方式，因为吸附用电极11b延伸至聚焦环15的下部，所以成为能够利用1个吸附用电极11b静电吸附半导体晶圆W和硅制的聚焦环15的结构。如上述地使基座5的上表面包括至聚焦环15的载置部地成为平面状，成为通过1个吸附用电极11b吸附半导体晶圆W和聚焦环15的结构，因此能够无需另外形成用于吸附聚焦环15的吸附用电极的工序地容易实现聚焦环15的吸附结构。
构成静电吸盘11的绝缘层11a和吸附用电极11b能够在构成基座5的、由铝等形成的基材上利用喷镀形成。如上述地利用喷镀形成绝缘层11a等时，绝缘层11a被等离子体切削，在其厚度减少的情况下，能够利用喷镀进行修补。此外，因为能够通过一次的喷镀而形成用于吸附半导体晶圆W和聚焦环15的吸附用电极，所以能够廉价地实现聚焦环15的吸附结构。
作为构成绝缘层11a的材料，能够使用例如Al2O3、Y2O3等陶瓷。Y2O3具有对等离子体的抵抗性高、难于被等离子体切削的特性。此外，在使用与半导体晶圆相同材质的硅的情况下，能够防止半导体晶圆被不同材质的物质污染。此外，作为构成聚焦环15的材料，能够使用硅、氮化硅。
如图2所示，在静电吸盘11上载置半导体晶圆W时，在半导体晶圆W的周缘部与聚焦环15的内周部之间，根据与半导体晶圆W的输送精度等的关系，形成例如0.5mm～2mm左右的间隔C。然后，等离子体从该间隔C的部分进入，该部分的静电吸盘11的绝缘层11a被等离子体切削得最为严重。于是，吸附用电极11b的上部的绝缘层11a的厚度变薄，一旦失去绝缘抗性，该静电吸盘11将无法再继续使用。
因此，如图3所示，优选设置弯曲部11c，该弯曲部11c在吸附用电极11b的、位于半导体晶圆W与聚焦环15之间的交界部分的部分(位于间隔C的下方的部分)上，成为朝向下方弯曲的形状。通过如上述地在吸附用电极11b上设置弯曲部11c，能够延长直到失去绝缘抗性为止的使用时间，能够谋求静电吸盘11的长寿命化。另外，吸附用电极11b的上部的绝缘层11a的厚度例如为几百微米左右，在该情况下优选使从吸附用电极11b在弯曲部11c向下方弯曲几十微米到一百微米左右。
如图1所示，在基座5的上方，与该基座5平行相对地设有上部电极21。该上部电极21借助绝缘材22被支承于处理腔室2的上部。上部电极21由电极板24、电极支承体25构成，该电极支承体25支承该电极板24、且由导电性材料构成。电极板24例如由导电体或半导体构成，具有多个喷出孔23。该电极板24形成与基座5的相对面。
在上部电极21的电极支承体25的中央设置气体导入口26，在该气体导入口26上连接有气体供给管27。而且在该气体供给管27上，经由阀28以及质量流量控制器29，连接有处理气体供给源30。从处理气体供给源30供给用于等离子体蚀刻处理的处理气体。
在处理腔室2的底部连接有排气管31，在该排气管31上连接有排气装置35。排气装置35包括涡轮分子泵等真空泵，且构成为能够将处理腔室2内抽真空至规定的减压气氛，例如1Pa以下的规定的压力。此外，在处理腔室2的侧壁上设有闸阀32，在打开该闸阀32的状态下，半导体晶圆W在相邻的加载互锁真空室(未图示)之间被输送。
在上部电极21上连接有第1高频电源40，在该第1高频电源40的供电线的中途插入有匹配器41。此外，在上部电极21上连接有低通滤波器(LPF)42。该第1高频电源40例如构成为，输出50MHz～150MHz的范围的频率的高频电力。通过如上述地对上部电极21施加频率高的高频电力，能够在处理腔室2内形成较为理想的解离状态且高密度的等离子体。
在作为下部电极的基座5上连接有第2高频电源50，在该第2高频电源50的供电线的中途插入有匹配器51。该第2高频电源50输出比第1高频电源40频率低的高频电力，通过施加如上述的低频率的高频电力，能够对作为被处理基板的半导体晶圆W不造成损伤地施加适当的离子作用。作为第2高频电源50的频率，可以使用20MHz以下左右的频率(对于本实施方式为13.56MHz)。
上述结构的等离子体蚀刻装置1由控制部60统一控制其动作。在该控制部60中，设有包括CPU且用于控制等离子体蚀刻装置1的各部的过程控制器(process control)61、用户界面部62和存储部63。
用户界面部62由工程管理人员为了管理等离子体蚀刻装置1而进行输入命令的操作的键盘、可视化地显示等离子体蚀刻装置1的运转状况的显示器等构成。
在存储部63中存储有制程程序，该制程程序存储有用于利用过程控制器61的控制实现在等离子体蚀刻装置1中进行的各种处理的控制程序(软件)、处理条件数据等。然后，根据需要，通过按照来自用户界面部62的指示等从存储部63调用任意的制程程序并使过程控制器61执行，从而在过程控制器61的控制下，在等离子体蚀刻装置1中进行所希望的处理。此外，对于控制程序、处理条件数据等制程程序而言，也可以利用存储在能够通过计算机读取的计算机存储介质(例如硬盘、CD、软盘、半导体存储器等)等中的状态下的制程程序，或者从其他装置，例如经由专用线路而进行随时传输地联机地利用。
在利用图1所示的等离子体处理装置1进行半导体晶圆W的等离子体蚀刻的情况下，首先，在打开闸阀32之后，从未图示的加载互锁真空室将半导体晶圆W搬入处理腔室2内，并载置于静电吸盘11上。然后，通过由直流电源13施加直流电压，半导体晶圆W被静电吸附于静电吸盘11上。接着，关闭闸阀32，利用排气装置35将处理腔室2内抽真空至规定的真空度。
之后，打开阀28，一边利用质量流量控制器29调整来自处理气体供给源30的规定的处理气体的流量，一边通过处理气体供给管27、气体导入口26向上部电极21的中空部导入该处理气体，如图1的箭头所示，进一步通过电极板24的喷出孔23，对半导体晶圆W均匀地喷出该处理气体。
然后，将处理腔室2内的压力维持在规定的压力。之后，由第1高频电源40对上部电极21施加规定的频率的高频电力。由此，在上部电极21与作为下部电极的基座5之间生成高频电场，使处理气体解离并等离子化。
另一方面，由第2高频电源50对作为下部电极的基座5施加频率比上述的第1高频电源40低的高频电力。由此，向基座5一侧拉入等离子体中的离子，利用离子辅助沉积提高蚀刻的各向异性。
在该等离子体蚀刻时，对于本实施方式的等离子体蚀刻装置1，半导体晶圆W直到周缘部都被静电吸盘11吸附，能够抑制半导体晶圆W的周缘部的温度上升，所以与以往相比能够提高等离子体蚀刻处理的面内均匀性，能够进行均匀的等离子体蚀刻处理。
然后，完成规定的等离子体蚀刻处理时，停止高频电力的供给和处理气体的供给，按照与上述步骤相反的步骤，将半导体晶圆W从处理腔室2内搬出。
图4的曲线图表示，在直径300mm(半径150mm)的半导体晶圆上，使等离子体作用60秒而进行蚀刻时，测量半导体晶圆各部的温度的结果。图4的纵轴表示温度，横轴表示距晶圆中心的距离，虚线(标记◆)表示以往的装置的情况，实线(标记△)、点划线(标记×)、双点划线(标记□)表示本实施方式的情况。此外，实线(标记△)为使用Al2O3的喷镀被膜的ESC和厚度为1.4mm的硅制聚焦环的情况，点划线(标记×)为使用Y2O3的喷镀被膜的ESC和厚度为1.4mm的硅制聚焦环的情况，双点划线(标记□)为使用Y2O3的喷镀被膜的ESC和厚度为2.0mm的硅制聚焦环的情况。
如图6所示，所谓的虚线(标记◆)的以往的装置的情况为，载置台(基座)105形成为中央部向上方突出的凸状，由绝缘层111a和作为导电层的吸附用电极111b构成的静电吸盘111的直径设为比半导体晶圆W的直径小，聚焦环115配置于形成在载置台(基座)105周围的台阶部上。
如图4所示，可以看出，相对于在以往的装置的情况下半导体晶圆W的周缘部的温度大幅上升，在本实施方式中能够抑制半导体晶圆W的周缘部的温度的上升。
图5的(a)、(b)的曲线图表示在以往的装置与本实施方式的等离子体蚀刻装置(使用Al2O3的喷镀被膜的ESC和厚度为1.4mm的硅制聚焦环)进行等离子体蚀刻处理时，测量半导体晶圆的各部的光致抗蚀剂的蚀刻速率的结果。在这些曲线图中，纵轴表示蚀刻速率，横轴表示距晶圆中心的距离。此外，虚线表示沿着X轴的位置的蚀刻速率，实线表示沿着与X轴正交的Y轴的位置的蚀刻速率。
如图5的(a)所示，在以往的装置的情况下，在半导体晶圆W的周缘部中光致抗蚀剂的蚀刻速率急剧地上升。相对于此，如图5的(b)所示，在本实施方式的情况下，能够抑制在半导体晶圆W的周缘部中光致抗蚀剂的蚀刻速率的上升。由此，能够抑制在半导体晶圆W的周缘部，光致抗蚀剂与例如蚀刻对象的硅氧化膜等的选择比下降。另外，在图5的(a)所示的以往的装置的情况下，面内的平均蚀刻速率为57.4nm/min(面内的均匀性为±10％)，而在图5的(b)所示的实施方式的情况下，面内的平均蚀刻速率为57.8nm/min(面内的均匀性为±6.1％)，与以往的装置的情况相比，本实施方式能够提高面内的均匀性。由此，通过抑制半导体晶圆W的周缘部的温度上升，能够提高光致抗蚀剂的选择比的面内均匀性。
此外，本发明并不仅限定于上述的实施方式，可以进行各种的变形。例如，等离子体蚀刻装置不限于图1所示的平行平板型的上下部高频施加型，也能够应用于只对下部电极施加1种或2种频率的高频电力的类型的等离子体蚀刻装置等。此外，不限于等离子体蚀刻装置，例如只要是成膜装置等使用等离子体的处理装置，都能够应用本发明。
附图标记的说明
1、等离子体蚀刻装置；2、处理腔室；5、基座；11、静电吸盘；11a、绝缘层；11b、吸附用电极；15、聚焦环；W、半导体晶圆。

Claims (3)

1.一种等离子体处理装置，其特征在于，具有：
处理腔室，其能够将该处理腔室的内部气密地闭塞；
处理气体供给机构，其用于向上述处理腔室内供给处理气体；
排气机构，其用于从上述处理腔室内排气；
等离子体生成机构，其用于生成上述处理气体的等离子体；
载置台，其设于上述处理腔室内，且构成为将被处理基板和以围绕该被处理基板的周围的方式配置的聚焦环载置在同一平面上；
调温机构，其用于调节上述载置台的温度；
静电吸盘，其配置于上述载置台的上表面，且具有延伸至上述聚焦环的下部的吸附用电极，
上述静电吸盘的上述吸附用电极的位于上述被处理基板与上述聚焦环之间的交界部分的部分成为朝向下方弯曲的形状，
上述静电吸盘具有在绝缘层之间夹设有上述吸附用电极的结构，上述绝缘层和上述吸附用电极利用喷镀形成。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述等离子体生成机构通过向上述载置台与上部电极之间供给高频电力而生成上述处理气体的等离子体，该上部电极以与该载置台相对的方式配置。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，
上述静电吸盘的绝缘层是由Y2O3或Al2O3构成的喷镀被膜。
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