CN109427529A - 等离子体处理设备和使用其制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种等离子体处理设备和制造半导体器件的方法。所述等离子体处理设备包括：处理室，其具有内部空间；静电卡盘，其在处理室中并且衬底被安装在其上；气体注入单元，其在处理室的一侧将处理气体注入到处理室中；等离子体施加单元，其将注入到处理室的处理气体转变为等离子体；以及等离子体调节单元，其设置在静电卡盘周围并且可操作以调节衬底上的等离子体的密度。

Description

等离子体处理设备和使用其制造半导体器件的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月1日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2017-0111933的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明构思涉及半导体制造设备和使用其制造半导体器件的方法。更具体地，本发明构思涉及等离子体处理设备和使用其制造半导体器件的方法。
背景技术
诸如半导体器件、LCD器件、LED器件等的电子装置可以使用等离子体处理设备来制造。等离子体处理设备的示例包括等离子体膜沉积设备和等离子体刻蚀设备。然而，当使用等离子体处理设备时，难以精确地控制处理室中的等离子体。
发明内容
根据本发明构思的一个方面，提供了一种等离子体处理设备，包括：处理室，其具有发生等离子体处理的内部；衬底支承，其设置在所述处理室中，所述衬底支承包括静电卡盘，所述静电卡盘具有专用于支承将进行等离子体处理的衬底的支承表面；气体注入器，其向所述处理室的内部打开，以将处理气体注入到所述处理室中；等离子体发生器，其将注入所述处理室的处理气体转变成等离子体；以及等离子体调节单元，其包括主体和辅助电源，所述主体包括在与所述静电卡盘的支承表面基本相同的水平面处设置在所述支承表面的径向外侧的铁磁材料，并且所述辅助电源电耦接到所述主体。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种等离子体处理设备，包括：处理室，其具有发生等离子体处理的内部；衬底支承，其包括设置在所述处理室的下部的静电卡盘，所述静电卡盘具有专用于支承将进行等离子体处理的衬底的支承表面；偏置电源，其电连接至所述静电卡盘；气体注入器，其向所述处理室的内部打开，以将处理气体注入到所述处理室中；高频电极单元，其设置在所述处理室的上部并包括至少一个电极；高频电源，其电连接至所述高频电极单元的所述至少一个电极；等离子体调节单元，其包括主体和辅助电源，所述主体包括在与所述静电卡盘的支承表面基本相同的水平面处设置在所述支承表面的径向外侧的铁磁材料，并且所述辅助电源电耦接到所述主体；以及控制单元，所述偏置电源、所述高频电源和所述辅助电源电连接至所述控制单元并且所述控制单元可操作以调节所述处理室中的等离子体密度分布。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种等离子体处理设备，包括：处理室，其具有内部空间；气体注入单元，其将处理气体注入到所述处理室的一侧；高频电极单元，其位于所述处理室的顶侧，并且高频电力通过高频天线被供应至所述高频电极单元；静电卡盘，其远离高频电极单元设置，在所述静电卡盘上，衬底安装在处理室的下侧，并且向所述静电卡盘供应偏置电力；以及等离子体调节单元，其围绕所述静电卡盘并且用于调节基于所述偏置电力和所述高频电力而产生的等离子体在所述衬底的中心部分和外周部分之间的等离子体密度差异。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种等离子体处理设备，包括：处理室，其具有发生等离子体处理的内部；衬底支承，其设置在所述处理室中，所述衬底支承包括静电卡盘，所述静电卡盘具有专用于支承将进行等离子体处理的衬底的支承表面；气体供应系统，其连接至所述处理室并将处理气体供应至所述处理室；等离子体发生器，其将注入到所述处理室的处理气体转变为等离子体；以及等离子体调节单元。所述支承表面占据所述处理室的内部的轴向中心区域。所述等离子体调节单元包括环形的铁磁材料的核和绝缘体，所述核在与所述衬底支承表面基本相同的水平面处围绕所述处理室的所述轴向中心区域延伸，所述绝缘体覆盖所述铁磁材料的核，并且辅助电源电耦接至所述环形的铁磁材料的核。
根据本发明构思的另一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：将衬底安装到处理室中的静电卡盘上；将处理气体注入到所述处理室中；以及通过经由包括围绕所述静电卡盘的等离子体调节单元的等离子体处理设备将所述处理气体转变为等离子体来对所述衬底进行处理。
附图说明
通过结合附图对本发明构思的示例进行的下列详细描述将更清楚地理解本发明构思，在附图中：
图1是根据本发明构思的等离子体处理设备的示例的示意性截面图；
图2A是图1的等离子体处理设备的等离子体调节单元的平面图；
图2B是沿着图2A的线IIB-IIB截取的等离子体调节单元的截面图；
图3是根据本发明构思的等离子体处理设备的示例的示意性截面图；
图4是根据本发明构思的等离子体处理设备的另一示例的示意性截面图；
图5是根据本发明构思的等离子体处理设备的另一示例的示意性截面图；
图6是根据本发明构思的等离子体处理设备的示例的示意性截面图；
图7是图6的等离子体处理设备的高频电极单元的平面图；
图8A、图8B和图8C是示出静电卡盘上的磁场根据施加到本发明构思的等离子体处理设备的等离子体调节单元的DC电压而变化的仿真图；
图8D和图8E是示出根据图8A至图8C的构成主体部分的铁磁芯单元的磁畴变化的概念图；
图9A是示出本发明构思的等离子体处理设备的仿真操作中根据距衬底的中心部分的水平距离的磁通密度的曲线图；
图9B是示出本发明构思的等离子体处理设备的仿真操作中根据距衬底的中心部分的水平距离的刻蚀速率的曲线图；
图10是示出在本发明构思的等离子体处理设备中相对于衬底的表面的垂直和水平方向上的磁通密度的概念图；
图11A、图11B和图11C是示出本发明构思的等离子体处理设备的仿真操作中根据距衬底的中心部分的水平距离和距衬底表面的垂直距离的磁通密度的图；
图12A和图12B是示出当使用图6和图7的等离子体处理设备执行等离子体处理时在衬底的中心部分和外周部分处的图案临界尺寸(CD)的曲线图；
图13是由图6的等离子体处理设备执行等离子体处理方法的流程图；以及
图14是使用本发明构思的等离子体处理设备制造半导体器件的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明构思的等离子体处理设备PTA的示例的示意性截面图。图2A是等离子体处理设备PTA的等离子体调节单元50的平面图。图2B是沿着图2A的线IIB-IIB截取的等离子体调节单元50的截面图。
具体而言，呈现感应耦合等离子体(ICP)刻蚀或沉积设备作为等离子体处理设备PTA的示例。等离子体处理设备PTA包括其中安装有气体注入单元16和气体排出单元18的处理室10。处理室10可以具有内部空间6。内部空间6可以是处理等离子体的处理室。处理室10可以接地。诸如刻蚀气体或沉积气体的处理气体可以通过气体注入单元16被引入到处理室10中，并且可以通过气体排出单元18被排出到外部。处理室10可以被保持在高真空状态以防止在等离子体反应期间可能由诸如颗粒等污染物引起的工艺缺陷。
高频电极单元26和包括静电卡盘14的衬底支承也可以安装在处理室10中。高频电极单元26和静电卡盘14可以分别用作第一电极和第二电极，并且可以被安装为面向彼此。高频电极单元26可以安装在处理室10的顶侧处的电介质窗20上。高频电极单元26可以包括高频天线22和24。
高频天线22和24可以分别包括对应于衬底12的中心部分的内部天线22和位于内部天线22外部并对应于衬底12的外周部分的外部天线24。高频电极单元26可以连接到高频电源30，其通过阻抗匹配器28提供高频电力，即射频(RF)电力。
由高频电源30提供的高频电力可以具有27MHz或更高的频率。例如，由高频电源30提供的高频电力可以具有60MHz的频率。由于高频天线22和24分别包括内部天线22和外部天线24，所以通过精确地控制磁场，衬底12上的等离子体密度可以是均匀的。
衬底12(例如，晶片)可以安装在静电卡盘14上。晶片可以具有300mm的直径。晶片可以是硅晶片。静电卡盘14可以连接到通过阻抗匹配器32提供高频电力的偏置电源34。通过偏置电源34提供的高频电力可以具有100KHz和10MHz之间的频率。例如，通过偏置电源34提供的高频电力可以具有2MHz的频率。如果不是必须的，阻抗匹配器28和32可以省略。
注入到处理室10中的处理气体可以通过等离子体发生器40转变成等离子体，该等离子体发生器40在下文中可以称为等离子体施加单元40。等离子体施加单元40可以包括电连接到高频电极单元26的高频电源30。当通过高频电源30向高频电极单元26施加电力时，注入处理室10中的处理气体可以转变为等离子体。当通过偏置电源34向静电卡盘14施加高频或低频电力时，可以通过偏置(即，引导)使处理室10中产生的等离子体朝向衬底12加速。
在等离子体处理设备PTA中，等离子体调节单元50可以安装在静电卡盘14周围。等离子体调节单元50可以调节衬底12上的等离子体密度，即可以调节等离子体密度分布。等离子体密度可影响衬底12上的膜质量的刻蚀均匀性或沉积均匀性。例如，如果衬底12上的等离子体密度不均匀，则衬底12的中心部分的刻蚀速率可能不同于衬底12的外周部分的刻蚀速率。
等离子体调节单元50可以包括位于静电卡盘14周围的主体部分36和电耦合到主体部分36的辅助偏置电源38。主体部分36可以被支承在处理室10的内侧壁表面11上。主体部分36可以具有如图2A所示的环形或圆柱形形状，即，主体部分36可以是“环形的”。通常，可以认为主体部分36在与静电卡盘14的支承表面基本相同的水平面上设置在支承表面的径向外侧。术语“在基本相同的水平面”将被理解为指的是以下事实：在设备的正常操作工艺参数下，出于下面还将更详细解释的原因，主体部分36(下面更详细地描述)竖直地足够靠近支承表面，以显著影响将出现或刚出现在支承表面处(并且因此在待处理的衬底的表面处)的等离子体密度。
主体部分36可以包括环形铁磁芯36a(其在下文中可以被称为“芯单元”)和绝缘体36b(其在下文中可以被称为“绝缘体涂层单元”)，绝缘体36b覆盖(或围绕)铁磁芯单元36a，如图2B所示。铁磁芯单元36a可以涂覆有电绝缘材料以形成绝缘体涂层单元36b。通常，静电卡盘14的支承表面可以占据处理室10的内部的轴向中心区域，并且铁磁芯单元36a可以在接近支承表面的水平面的水平面处(即，在与支承表面基本相同的水平面处)围绕处理室10的轴向中心区域延伸。
铁磁芯单元36a可以包括坡莫合金(permalloy)、超透礠合金(supermalloy)或超级坡莫合金(super permalloy)(有时称为超合金坡莫合金)材料。坡莫合金可以是Ni(镍)-Fe(铁)磁性合金。铁磁芯单元36a的坡莫合金可以具有60％至90％的Ni和作为剩余部分的Fe。例如，坡莫合金可以包括78％的Ni和22％的Fe。铁磁芯单元36a的超透礠合金可以是Ni(镍)-Mo-Fe(铁)磁性合金。超透礠合金可以包括79％的Ni、5％的Mo和作为剩余部分的Fe。铁磁芯单元36a的超级坡莫合金可以是40％-80％Ni、6％和更少的Cr、2％和更少的Si、4％和更少的Sn以及16％-60％的Fe。坡莫合金、超透礠合金和超级坡莫合金可以在弱磁场中容易地磁化，并且可以各自是具有400至10,000,000的高相对磁导率的合金。
绝缘体涂层单元36b可以是诸如氧化钇层(Y2O3)或氧化铝层(Al2O3)的氧化物。当通过辅助偏置电源38向主体部分36的铁磁芯单元36a施加电力(即直流电压)时，可以调节衬底12的外周部分处的磁场。铁磁芯单元36a是具有高相对磁导率的磁体，并且可以用于屏蔽磁效应(即磁场)。
因此，等离子体调节单元50可以控制衬底12的外周部分(包括衬底的外周边缘)处的电场，以调节在衬底12的中心部分和外周部分之间的等离子体密度差异。例如，等离子体调节单元50可以导致衬底12上的均匀等离子体密度，并且因此衬底12上中心部分的刻蚀速率和的外周部分的刻蚀速率可以基本上相同。
图3是根据本发明构思的等离子体处理设备PTA-1的示例的示意性截面图。
具体地，等离子体处理设备PTA-1与图1的等离子体处理设备PTA相似，不同之处在于高频电极单元26-1被构造为平板电极，并且静电卡盘14接地。在图3中，与图1中相同的附图标记表示相同的部件。
例如，等离子体处理设备PTA-1可以是电容耦合等离子体(CCP)刻蚀或沉积设备。等离子体处理设备PTA-1使用平板电极作为高频电极单元26-1。当通过高频电源30向高频电极单元26-1供电时，注入处理室10的处理气体可以转变为等离子体。因此，在该示例中，等离子体发生器由电源30和平板电极构成。
在等离子体处理设备PTA-1中，等离子体调节单元50可以安装在静电卡盘14周围。等离子体处理设备PTA-1可以通过经由辅助偏置电源38向主体部分36供电(即直流电压)来调节衬底12上的外周部分处的电场。
因此，等离子体处理设备PTA-1可以控制衬底12上的中心部分和外周部分之间的等离子体密度差异。等离子体调节单元50可以使衬底12上的中心部分的刻蚀速率和外周部分的刻蚀速率或中心部分处的沉积速率和外周部分处的沉积速率基本相同。
图4是根据本发明构思的等离子体处理设备PTA-2的另一示例的示意性截面图。
具体地，等离子体处理设备PTA-2与图1的等离子体处理设备PTA相似，不同之处在于聚焦单元54安装在包括静电卡盘14-1的衬底支承的与静电卡盘的表面(例如，专用于容纳和支承衬底12的衬底表面)分离的外周部分处。在图4中，与图1中相同的附图标记表示表示相同的部件。
在等离子体处理设备PTA-2中，聚焦单元54可以在衬底支承的外周部分处围绕衬底支承表面/衬底12安装。聚焦单元54可以位于与衬底12分离的位置，并且可以安装在衬底支承的外周部分的上部中的环形凹部52中。聚焦单元54可以是环形或圆柱形部件，其与衬底12间隔开地围绕衬底12延伸。聚焦单元54可以是聚焦环。
聚焦单元54可以用来调节衬底12的外周部分处的电场。聚焦单元54可以在衬底12的中心部分和外周部分之间提供均匀的等离子体密度。在等离子体处理设备PTA-2中，等离子体调节单元50可以围绕静电卡盘14-1安装。
由于聚焦单元54和等离子体调节单元50，等离子体处理设备PTA-2可以调节衬底12上的中心部分和外周部分之间的等离子体密度差异。例如，等离子体处理设备PTA-2可以使衬底12上的中心部分的刻蚀速率和外周部分的刻蚀速率基本相同。
图5是根据本发明构思的等离子体处理设备PTA-3的另一示例的示意性截面图。
具体地，等离子体处理设备PTA-3与图1的等离子体处理设备PTA相似，不同之处在于构成等离子体调节单元50的主体部分36-1由处理室10的底部13支承。在图5中，与图1中相同的附图标记表示表示相同的部件。
在等离子体处理设备PTA-3中，构成等离子体调节单元50的主体部分36-1可以通过支承部件56由处理室10的底部13支承，或者仅“支承”安装到处理室10的底部13。当主体部分36-1通过支承部件56由处理室10的底部13支承时，主体部分36-1可以更靠近衬底支承表面/衬底12更稳定地安装。
等离子体处理设备PTA-3可通过经由辅助偏置电源38向主体部分36-1施加电力(即，DC电压)来更好地调节衬底12上的外周部分处的电场。因此，等离子体处理设备PTA-3可以更好地调节衬底12上的中心部分和外周部分之间的等离子体密度差异。例如，等离子体调节单元50可以使衬底12上的中心部分的刻蚀速率和外周部分刻蚀速率的基本相同。
图6是根据本发明构思的等离子体处理设备1000的示例的示意性截面图。图7是图6的等离子体处理设备1000的高频电极单元1155的平面图。
作为示例，等离子体处理设备1000可以是感应耦合等离子体(ICP)刻蚀或沉积设备。等离子体处理设备1000可以类似于参考图1、图2A和图2B示意性地示出和描述的等离子体处理设备PTA。然而，本发明构思的等离子体处理设备1000不限于ICP刻蚀或沉积设备。也就是说，可以采用将处理气体转变为等离子体的各种形式的等离子体发生器。
等离子体处理设备1000可以是使用诸如ICP的等离子体在处理室1110中处理衬底90(例如，在衬底上刻蚀或沉积薄膜)的设备。衬底90可以是晶片，诸如硅晶片。晶片的直径可以是300mm。处理室1110可以是包括内部空间的等离子体室。诸如氧化物膜或氮化物膜的材料的膜可以形成在衬底90上。
等离子体处理设备1000可以包括：衬底支承101，其包括在处理室1110中将衬底90安装在其上的静电卡盘；顶部气体注入单元500，其用于将处理气体注入到处理室1110中；等离子体施加单元(等离子体发生器)260，其用于将注入到等离子体处理设备1000的处理气体激励为等离子体；以及等离子体调节单元170，其用于控制等离子体密度。换句话说，等离子体处理设备1000可以包括衬底支承101、顶部气体注入单元500、等离子体施加单元260、等离子体调节单元170等。等离子体处理设备1000可以包括控制各个组件的控制器(控制单元)300。
下面将更详细地描述等离子体处理设备1000的各种组件的示例。衬底支承101可以包括基座110、通过粘合层130接合到基座110的加热器介电层140以及包括静电介电层150和嵌入静电介电层150中的电极155的静电卡盘。粘合层130可以是包括第一粘合剂131和第二粘合剂132的双层结构。金属板120可以设置在第一粘合剂131和第二粘合剂132之间。基座110可以具有圆形或圆盘形状。基座110可以包括诸如铝(Al)、钛(Ti)、不锈钢、钨(W)或其合金的金属。
安装有衬底支承101的处理室1110的内部可以是高温环境，并且当衬底90暴露于高温等离子体时，衬底90例如可能被离子轰击损坏。可能需要冷却衬底90以避免对衬底90的损害并得到均匀的等离子体处理。
为了冷却衬底90，基座110可以设置有冷却剂通道112，冷却水流经该冷却剂通道112。例如，冷却液体可以包括水、乙二醇、硅油、液体特氟龙、水和乙二醇的混合物。冷却剂通道112可以具有相对于基座110的中心轴线的同心结构或螺旋管结构。冷却剂通道112可以连接到温度调节器230和控制单元300。在冷却剂通道112中循环的冷却液体的流速和温度可以由温度调节器230和控制单元300调节。
基座110可以电连接到偏置电源220。偏置电源220可以向基座110施加高频或射频电力。当通过偏置电源220将高频电力施加到基座110时，在处理室1110中产生的等离子体可以被进一步引导朝向衬底90。
基座110可以包括温度传感器114。温度传感器114可以将基座110的测量温度传输到控制单元300。可以基于由温度传感器114测量的温度预测静电卡盘的温度或者衬底90的温度。
加热器介电层140可以包括嵌入式加热器电极145。加热器介电层140可以包括诸如陶瓷(例如，氧化铝层(Al2O3)、氮化铝层(AlN)、氧化钇层(Y2O3))的电介质，或诸如聚酰亚胺的树脂。加热器介电层140可以是圆形或圆盘形。
加热器电极145可以由诸如钨(W)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、钛(Ti)、镍-铬(Ni-Cr)合金、镍-铝(Ni-Al)合金等的金属形成，或由诸如碳化钨(WC)、碳化钼(MoC)、氮化钛(TiN)等的导电陶瓷形成。
加热器电极145可以电连接到加热器电源240和控制单元300。加热器电极145可以响应于来自加热器电源240的电力(例如，AC电压)而被加热，使得静电卡盘和衬底90的温度可以被调节。加热器电极145可以具有相对于加热器介电层140的中心轴线的同心或螺旋图案。
嵌入静电介电层150中的电极155可以被称为钳位电极。静电介电层150可以包括诸如陶瓷(例如，氧化铝层(Al2O3)、氮化铝层(AlN)、氧化钇层(Y2O3))的电介质，或诸如聚酰亚胺的树脂。静电介电层150可以是圆形或圆盘形的。
衬底90可以设置在静电卡盘的静电介电层150上。吸附电极155可以由导电材料制成，例如，诸如钨(W)、铜(Cu)、镍(Ni)、钼(Mo)、钛(Ti)、镍-铬(Ni-Cr)合金、镍-铝(Ni-Al)合金等的金属，或者诸如碳化钨(WC)、碳化钼(MoC)、氮化钛(TiN)等的导电陶瓷。
吸附电极155可以电连接到控制单元300和静电卡盘电源210。可以通过由静电卡盘电源210施加的电力(例如，DC电压)在吸附电极155和衬底90之间产生静电力，使得衬底90可以被吸引到静电介电层150。
静电卡盘电源210、偏置电源220、加热器电源240和温度调节器230可以由控制单元300控制。控制单元300可以基于由温度传感器114测量的温度辨别衬底支承101和衬底90的温度，并调节加热器电源240的电力，从而调节由加热器电极145产生的热量。因此，可以适当控制衬底支承101和衬底90的温度。
衬底支承101可由固定于处理室1110的内壁表面的支承1114来支承。可在衬底支承101与处理腔室1110的内壁表面之间设置挡板1120。气体排放单元1124可以设置在处理室1110的下部，并且可以连接到真空泵1126。可以在处理室1110的外壁表面上设置用于打开和关闭开口1127的闸阀1128，通过开口1127将衬底90放入和取出处理室1110。
在等离子体处理设备1000中，等离子体调节单元170可以安装在静电卡盘的顶部周围。等离子体调节单元170可以包括主体部分166和辅助偏置电源168，主体部分166在静电卡盘的顶部周围(在与衬底支承表面大致相同的水平面上)延伸并沿径向向外布置，辅助偏置电源168电耦接到主体部分166。辅助偏置电源168可以电连接到控制单元300。主体部分166可以被支承在处理室1110的内壁上。主体部分166可以是圆柱形的。主体部分166可以是环形的。
主体部分166可以包括参照图1、图2A和图2B所述的铁磁芯单元(图2B中的36a)和绝缘体涂层单元(图2B中的36b)。铁磁芯单元36a可以包括坡莫合金或包括钼的超级坡莫合金材料。绝缘体涂层单元36b可以包括氧化物。铁磁芯单元36a可以是具有高相对磁导率的磁性材料，并且可用于屏蔽来自处理室1110外部的磁效应(即磁场)。可以通过经由辅助偏置电源168向主体部分166的铁磁芯单元36a施加电力(即，DC电压)来调节衬底90的外周部分处的磁场。
可以在处理室1110的天花板上提供与静电卡盘隔开的介电窗口1152。用于接收高频电极单元1155的天线室1156可以与处理室1110一体地安装在介电窗口上方。高频电极单元1155可以包括具有螺旋形或同心圆形的线圈形式的高频天线1154。
构成高频电极单元1155的高频天线1154可以包括对应于衬底90的中心部分的内部天线1154I和位于内部天线1154I外部并且对应于衬底90的外周部分的外部天线1154O，如图7所示。当高频天线1154包括内部天线1154I和外部天线1154O时，可以通过更精确地控制磁场来均匀地控制衬底90上的等离子体密度。
高频电极单元1155可以经由阻抗匹配器1158电连接到高频电源1157。高频电源1157可以输出适合于产生等离子体的高频电力。可以提供阻抗匹配器1158以用于对高频电源1157和负载(例如，高频电极单元1155)的阻抗进行匹配。等离子体施加单元260可以包括电连接到高频电极单元1155和阻抗匹配器1158的高频电源1157。
气体供应源1166可通过顶部气体注入单元500注入处理气体。气体供应源1166可通过设置在介电窗口1152中的顶部气体注入单元500(例如，孔)注入处理气体。因此，介电窗口1152的部分可以用作气体注入器。处理气体可以是刻蚀气体或沉积气体。气体供应源1166可以安装在处理室1110的顶部。
衬底90可以被装载(或安装)在处理室1110中的衬底支承101的静电卡盘上，以便使用等离子体处理设备1000执行刻蚀处理。衬底90可以通过从静电卡盘电源210向静电卡盘施加电力而产生的静电力被固定到静电卡盘。
诸如刻蚀气体的处理气体可以从气体供应源1166经由顶部气体注入单元500被引入到处理室1110中。此时，处理室1110中的压力可以通过真空泵1126被设定为预定值。可以经由阻抗匹配器1158从高频电源1157向高频电极单元1155施加电力。另外，可以从偏置电源220向基座110施加电力。
引入到处理室1110中的刻蚀气体可以在介电窗口1152下方的处理室1110的处理腔室1172中均匀地扩散。通过在高频电极单元1155中流动的电流可以在高频电极单元1155周围产生磁场，表示磁场的磁场线可以通过介电窗口1152穿过处理腔室1172。由于磁场随时间变化，可以在处理室1110中产生感应电场，并且被感应电场加速的电子与刻蚀气体的分子或原子碰撞而产生等离子体。
可以通过使用包括高频电源1157和阻抗匹配器1158的等离子体施加单元260将等离子体供应到衬底90，使得可以在处理腔室1172中执行衬底处理，即刻蚀处理或沉积处理。为了精确地控制在处理室1110的处理腔室1172中产生的等离子体，本发明构思的等离子体处理设备1000可以包括等离子体调节单元170。
等离子体调节单元170可以调节衬底90的外周部分处的磁场和与磁场相关的电场，以调节衬底90上的中心部分和外周部分之间的等离子体密度差异。例如，等离子体调节单元170可以导致衬底90上的均匀等离子体密度，并且因此衬底90上的中心部分的刻蚀速率和外周部分的刻蚀速率可以基本相同。
下面将参考图8至图12对使用图6和图7中示出并描述的等离子体处理设备的仿真结果进行描述。
图8A至图8C示出了仿真结果，其示出静电卡盘上的磁场根据施加到本发明构思的等离子体处理设备的等离子体调节单元170的DC电压的变化。图8D和图8E是示出在其结果如图8A至图8C所示的仿真中构成主体部分166的铁磁芯单元的磁畴变化的图。
具体地，图8A示出了DC电压未被施加到等离子体调节单元170的主体部分166的仿真的结果。图8B和图8C示出了辅助偏置电源168分别将-50V和-100V的直流电压施加到等离子体调节单元(图6的170)的主体部分166的仿真的结果。
如图8A至图8C所示，邻近位于介电窗口1152附近的高频电极单元1155的磁场的强度相对较高，并且在朝向静电卡盘的方向上在远离高频电极单元1155的位置处的磁场强度相对较低。在图8A至8C中，附图标记ML表示磁场的磁力线之一。
另外，如图8A所示，当直流电压未被施加到等离子体调节单元170的主体部分166时，静电卡盘的表面上的磁场以及因此衬底90的表面上的磁场可以是均匀的并且可能不会减少。这是因为在主体部分166的铁磁芯单元中以不规则方向形成磁畴的磁矩(如图8D所示)并且主体部分166不屏蔽磁场。
相反，如图8B和图8C所示，当通过辅助偏置电源168将DC电压施加到等离子体调节单元170的主体部分166时，静电卡盘的表面上的磁场以及因此衬底90的表面上的磁场可能不均匀并且在外周部分处被屏蔽。具体地，如图8C所示，当DC电压被强有力地施加到主体部分166时，静电卡盘的表面上的磁场以及因此衬底90的表面上的磁场在外周部分处可被大量屏蔽。
这是因为主体部分166的铁磁芯单元中的磁畴的磁矩在一个方向上规则地形成(如图8E所示)并且主体部分166屏蔽磁场。
结果，本发明构思的等离子体处理设备可以包括等离子体调节单元170，并且当辅助偏置电源168将DC电压施加到等离子体调节单元170的主体部分166时，可以调节静电卡盘和衬底90的表面上的磁场范围，同样地，可以调节与磁场相关的电场的范围，从而产生均匀的等离子体密度。
图9A是示出本发明构思的等离子体处理设备中根据距衬底的中心部分的水平距离的磁通密度的仿真结果的曲线图。图9B是示出本发明构思的等离子体处理设备中根据距衬底的中心部分的水平距离的刻蚀速率的仿真结果的曲线图。
具体地，在图9A和图9B中，X轴上的“0”表示直径为300mm的衬底的中心部分，并且“150”和“-150”表示衬底的直径的端部处的衬底的外周部分。沿着X轴的值表示距衬底中心部分的水平间隔或距离。当DC电压未施加到等离子体调节单元170的主体部分166的铁磁芯单元时，如图9A中由--●--绘制的曲线图所示，衬底的中心部分和外周部分之间的磁通密度的差异很大。
另一方面，当DC电压施加到等离子体调节单元170的主体部分166的铁磁芯单元时，如图9A中由··■··和─◆─绘制的曲线图所示，衬底的中心部分和外周部分之间的磁通密度的差异不大于当DC电压未施加到铁磁芯单元时的磁通密度的差异。
另外，当DC电压未施加到等离子体调节单元170的主体部分166的铁磁芯单元时，如图9B中由--●--绘制的曲线图所示，衬底的中心部分和外周部分之间的刻蚀速率的差异很大。
另一方面，当DC电压施加到等离子体调节单元170的主体部分166的铁磁芯单元时，如图9B中由··■··和─◆─绘制的曲线图所示，衬底的中心部分和外周部分之间的刻蚀速率的差异不大于当DC电压未施加到铁磁芯单元时的刻蚀速率的差异。
因为本发明构思的等离子体处理设备包括等离子体调节单元(例如，图6的170)，所以当将DC电压施加到等离子体调节单元170的主体部分166时，可以保持均匀的等离子体密度。结果，可以使衬底的中心部分和外周部分之间的磁通密度或刻蚀速率的差异最小化。
图10是示出在本发明构思的等离子体处理设备中在相对于衬底90的水平(顶部)表面的垂直和水平方向上的磁通密度的图。图11A至图11C是示出从本发明的等离子体处理设备的仿真操作获得的结果的曲线图，其示出根据与衬底90的中心部分的水平距离并且根据到衬底90的表面的垂直距离的磁通密度。
具体地，在图10中，底部“底”、中间部“中间”和顶部“顶”是在等离子体处理设备的静电卡盘上的衬底90的表面的垂直方向上彼此间隔开的处理室中的各个水平面。在图10中，与图8A至图8C相同的附图标记表示相同的部件。
图11A至图11C分别示出在图10的等离子体处理设备的静电卡盘上的衬底90的表面的垂直方向上的处理室的顶部“顶”、中间部“中间”和底部“底”处根据距衬底90的中心部分的水平距离的磁通密度。
在图11A至图11C中，X轴上的“0”表示直径为300mm的衬底90的中心部分，并且“150”和“-150”表示衬底90的外周边缘上沿着衬底90的直径彼此相对的点。距离表示距衬底90的中心部分的水平间距。
如图11A所示，在静电卡盘上的衬底90的表面的垂直方向上的顶部“顶”可在衬底90的中心部分处具有高磁通密度并在衬底90的外周部分处具有低磁通密度，如由附图标记“a”表示的曲线图所示。
如图11B所示，在静电卡盘上的衬底90的表面的垂直方向上的中间部分“中间”可在衬底90的中心部分处具有高磁通密度并在衬底90的外周部分处具有低磁通密度，如由附图标记“b1”和“c1”表示的曲线图所示。
此外，如图11B的“b1”所示，即使DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6中的170)的主体部分(图6中的166)的铁磁芯单元，在衬底90的中心部分的磁通密度和外周部分的磁通密度之间仍可能存在差异。由图11B的附图标记“c1”表示的曲线图示了没有DC电压施加到主体部分166的铁磁芯单元的情况。
如图11C所示，当没有DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6中的170)的主体部分(图6中的166)的铁磁芯单元时，如由附图标记“c2”表示的曲线图所示，在静电卡盘上的衬底90的表面的垂直方向上的底部“底”在衬底90的中心部分的磁通密度与外周部分的磁通密度之间可以有很大的差异。
另一方面，当DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6中的170)的主体部分(图6中的166)的铁磁芯单元时，如由附图标记“b2”表示的曲线图所示，在静电卡盘上的衬底90的表面的垂直方向上的底部“底”在衬底90的中心部分的磁通密度和外周部分的磁通密度之间可以没有很大的差异。
因为本发明构思的等离子体处理设备包括等离子体调节单元(例如，图6的170)，所以当DC电压施加到构成等离子体调节单元170的主体部分166的铁磁芯单元时，衬底90的中心部分和外周部分之间的磁通密度的差异被最小化。结果，在整个衬底90上观察到均匀的等离子体密度。
图12A和图12B是示出通过使用图6和图7的等离子体处理设备进行等离子体处理而形成的在衬底90的中心部分和外周部分处的图案的临界(critical)尺寸(CD)的曲线图。
具体地，图12A和图12B示出当使用图6和图7的等离子体处理设备进行刻蚀时，衬底90的中心部分和外周部分处的图案的CD。在图12A和图12B中，X轴上的“0”表示直径为300mm的衬底90的中心部分，并且“150”表示衬底90的外周上的沿着直径彼此相对的点。距离表示距衬底90的中心部分的水平间隔。
图12A示出了没有DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6的170)的主体部分166的铁磁芯单元的情况。图12B示出了-50V和-100V的DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6的170)的主体部分166的铁磁芯单元的情况。
如图12A所示，当没有DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6的170)的主体部分166的铁磁芯单元时，图案CD可能在衬底90的外周部分处在朝向衬底90的外周边缘的方向上急剧减小。
另一方面，如图12B所示，当DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6的170)的主体部分166的铁磁芯单元时，图案CD在衬底90的外周部分中不会改变(变小)。
因为本发明构思的等离子体处理设备包括等离子体调节单元(例如，图6的170)，所以当DC电压施加到构成等离子体调节单元(图6的170)的主体部分166的铁磁芯单元时，衬底90的中心部分和外周部分之间的刻蚀速率的差异被最小化。
图13是示出使用图6的等离子体处理设备的等离子体处理方法的流程图。
注意，在描述图13所示的方法时，与图6中相同的附图标记表示相同的部件。因此，将仅简要描述或省略已经关于图6详细描述的操作的一些相同方面。等离子体处理方法可以包括将其上形成有例如氧化物膜或氮化物膜的材料膜的衬底90安装(装载)到处理室1110中的静电卡盘上(S100)。
可以将处理室1110的压力和静电卡盘的温度设定为预定值(S120)。处理室1110的压力和静电卡盘的温度可以是由控制单元300调节的一些处理参数。在等离子体处理操作期间可以改变处理室1110的压力和静电卡盘的温度。
随后，可以将处理气体注入到处理室1110中(S140)。使用顶部气体注入单元500以受控的流速(另一个处理参数)将处理气体注入处理室1110中。
随后，可以激发注入到处理室1110中的处理气体并由此将其转变成等离子体以对衬底90上的材料膜进行等离子体处理(S160)。如上所述，使用等离子体施加单元260(等离子体发生器)将注入到处理室1110中的处理气体转变成等离子体。等离子体处理可以是对在衬底90上形成的材料膜进行刻蚀的过程或者形成薄膜的过程。在等离子体处理期间，可以使用等离子体调节单元170来调节衬底90上的中心部分和外周部分之间的等离子体密度。
等离子体施加单元260可以包括高频电源1157。等离子体施加单元260还可以包括阻抗匹配器1158。等离子体调节单元170可以包括围绕包括静电卡盘的衬底支承101的顶部设置的主体部分166和电耦接到主体部分166的辅助偏置电源168。由等离子体施加单元260的高频电源1157和等离子体调节单元170的辅助偏置电源168施加的电力(电力值)可以构成处理参数。
如上所述，可以在等离子体处理的一个或一系列处理期间使用控制单元300来控制处理参数。如上所述，控制单元300可以控制至少一个处理参数，如上所述，所述处理参数包括处理室1110中的压力、静电卡盘的温度、从顶部气体注入单元500供应的处理气体的流速以及由等离子体施加单元260或等离子体调节单元170供应的电力。随后，可从处理室1110卸下经过等离子体处理的衬底90以完成等离子体处理(S180)。
图14是示出使用本发明构思的等离子体处理设备制造半导体器件的方法的流程图。
为了方便起见，将对使用图6的等离子体处理设备1000来制造半导体装置的方法进行描述。因此，当描述图14所示的方法时，与图6中相同的附图标记表示相同的部件。因此，将仅简要描述或省略已经关于图6详细描述的操作的一些相同方面。
制造半导体器件的方法可以包括将衬底90安装(装载)到处理室1110中的衬底支承101的静电卡盘上(S200)。可以将处理室1110的压力和静电卡盘的温度设定为预定值(S220)。处理室1110的压力和静电卡盘的温度可以是由控制单元300控制的一些处理参数。在衬底处理过程期间可以改变处理室1110的压力和静电卡盘的温度。
然后，可以将处理气体注入到处理室1110中(S240)。可以使用顶部气体注入单元500以受控流速(另一个处理参数)注入处理气体。处理气体可以是刻蚀气体或沉积气体(即，薄膜形成气体)。
随后，可以通过使用设置有围绕静电卡盘的等离子体调节单元170的等离子体处理设备将处理气体激发(将处理气体转变)为等离子体来处理衬底90(S260)。注入到处理室1110中的处理气体可以通过等离子体施加单元260(等离子体发生器)转变成等离子体。等离子体施加单元260可以包括高频电源1157。等离子体施加单元260还可以包括阻抗匹配器1158。
衬底90的处理可以包括在安装在处理室1110内的衬底90上形成薄膜层或者对形成在衬底90上的材料膜进行刻蚀。换句话说，衬底90的处理可以是用于在衬底90上沉积薄膜(例如，氧化物或氮化物膜)的沉积处理。衬底90的处理可以是用于对衬底90上形成的材料膜(例如，氧化物膜或氮化物膜)进行刻蚀的刻蚀处理。
衬底90的处理可以包括使用等离子体调节单元170调节衬底90上的等离子体密度，以例如减少衬底90的中心部分和外周部分之间的等离子体密度的差异。等离子体调节单元170可以包括位于静电卡盘周围的主体部分166和电连接到主体部分166的辅助偏置电源168。
等离子体调节单元170可包括圆柱形铁磁芯单元(图2B中的36a)、涂覆并围绕铁磁芯单元的绝缘体涂覆单元(图2B中的36b)以及电连接到铁磁芯单元的辅助偏置电源168。可以通过辅助偏置电源168将DC电压施加到铁磁芯单元，以调节衬底90上的中心部分和外周部分之间的磁场。
随后，可以从处理室1110卸下经过完全处理的衬底90，以完成制造半导体器件的方法(S280)。
尽管已经参考本发明构思的示例具体示出和描述了本发明构思，但是将理解的是，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

Claims (25)

1.一种等离子体处理设备，包括：
处理室，其具有发生等离子体处理的内部；
衬底支承，其设置在所述处理室中，所述衬底支承包括静电卡盘，所述静电卡盘具有专用于支承将进行等离子体处理的衬底的支承表面；
气体注入器，其向所述处理室的内部打开，以将处理气体注入到所述处理室中；
等离子体发生器，其将注入所述处理室的处理气体转变成等离子体；以及
等离子体调节单元，其包括主体和辅助电源，所述主体包括在与所述静电卡盘的支承表面相同的水平面处设置在所述支承表面的径向外侧的铁磁材料，并且所述辅助电源电耦接到所述主体。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，所述等离子体发生器包括高频电极单元和高频电源，所述高频电极单元包括至少一个电极，并且所述高频电源电连接至所述高频电极单元的所述至少一个电极。
3.根据权利要求2所述的等离子体处理设备，其中，所述高频电极单元的所述至少一个电极包括高频天线。
4.根据权利要求2所述的等离子体处理设备，其中，所述高频电极单元的所述至少一个电极包括平板电极。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，还包括电连接至所述静电卡盘的偏置电源。
6.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，所述等离子体调节单元的主体是环形的或圆柱形的。
7.根据权利要求6所述的等离子体处理设备，其中，所述主体被支承在所述处理室的内侧壁表面上。
8.根据权利要求6所述的等离子体处理设备，还包括从所述处理室的底部延伸的支承件，其中，所述主体固定至所述支承件以经由所述支承件由所述处理室的所述底部来支承。
9.根据权利要求6所述的等离子体处理设备，其中，所述主体包括所述铁磁材料的核以及覆盖所述核的绝缘体。
10.根据权利要求9所述的等离子体处理设备，其中，所述核包括坡莫合金材料、超透礠合金材料或超级坡莫合金材料，并且所述绝缘体包括氧化物。
11.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，还包括用于调节所述静电卡盘的外周部分处的电场的聚焦单元。
12.一种等离子体处理设备，包括：
处理室，其具有发生等离子体处理的内部；
衬底支承，其包括设置在所述处理室的下部的静电卡盘，所述静电卡盘具有专用于支承将进行等离子体处理的衬底的支承表面；
偏置电源，其电连接至所述静电卡盘；
气体注入器，其向所述处理室的内部打开，以将处理气体注入到所述处理室中；
高频电极单元，其设置在所述处理室的上部并包括至少一个电极；
高频电源，其电连接至所述高频电极单元的所述至少一个电极；
等离子体调节单元，其包括主体和辅助电源，所述主体包括在与所述静电卡盘的支承表面相同的水平面处设置在所述支承表面的径向外侧的铁磁材料，并且所述辅助电源电耦接到所述主体；以及
控制单元，所述偏置电源、所述高频电源和所述辅助电源电连接至所述控制单元并且操作以调节所述处理室中的等离子体密度分布。
13.根据权利要求12所述的等离子体处理设备，其中，所述高频电极单元的所述至少一个电极包括高频天线。
14.根据权利要求12所述的等离子体处理设备，其中，所述等离子体调节单元的主体是环形的或圆柱形的。
15.根据权利要求14所述的等离子体处理设备，其中，所述主体被支承在所述处理室的内侧壁表面上。
16.根据权利要求14所述的等离子体处理设备，还包括从所述处理室的底部延伸的支承件，其中，所述主体固定至所述支承件以经由所述支承件由所述处理室的所述底部来支承。
17.根据权利要求14所述的等离子体处理设备，其中，所述主体包括所述铁磁材料的核以及覆盖所述核的绝缘体，所述铁磁材料的核包括坡莫合金材料、超透礠合金材料或超级坡莫合金材料，并且所述绝缘体包括氧化物。
18.根据权利要求12所述的等离子体处理设备，其中，所述高频电极单元的所述至少一个电极包括平板电极。
19.一种制造半导体器件的方法，所述方法包括：
将衬底安装到处理室中的静电卡盘上；
将处理气体注入到所述处理室中；以及
通过经由包括围绕所述静电卡盘的等离子体调节单元的等离子体处理设备将所述处理气体转变为等离子体来对所述衬底进行处理。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，对所述衬底进行处理包括在安装在所述处理室中的所述衬底上形成薄膜层或对形成在所述衬底上的材料膜进行刻蚀。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，对所述衬底进行处理还包括：
经由等离子体施加单元将所述处理气体转变为等离子体；以及
经由所述等离子体调节单元调节所述衬底上的等离子体密度。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述等离子体调节单元包括位于所述静电卡盘周围的主体部分和电连接至所述主体部分的辅助偏置电源，以调节所述衬底上的中心部分和外周部分之间的等离子体密度差异。
23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述等离子体调节单元包括圆柱形的铁磁芯单元、围绕所述铁磁芯单元的绝缘体涂层单元和电连接至所述铁磁芯单元的辅助偏置电源，以通过经由所述辅助偏置电源向所述铁磁芯单元施加直流电压来调节所述衬底上的中心部分和外周部分之间的磁场。
24.一种等离子体处理设备，包括：
处理室，其具有发生等离子体处理的内部；
衬底支承，其设置在所述处理室中，所述衬底支承包括静电卡盘，所述静电卡盘具有专用于支承将进行等离子体处理的衬底的支承表面，所述支承表面占据所述处理室的内部的轴向中心区域；
气体供应系统，其连接至所述处理室并将处理气体供应至所述处理室；
等离子体发生器，其将注入到所述处理室的处理气体转变为等离子体；以及
等离子体调节单元，其包括环形的铁磁材料的核和绝缘体，所述铁磁材料的核在与所述静电卡盘的所述支承表面靠近的水平面处围绕所述处理室的轴向中心区域延伸，所述绝缘体覆盖所述铁磁材料的核，并且辅助电源电耦接至所述环形的铁磁材料的核。
25.根据权利要求24所述的等离子体处理设备，其中，所述铁磁材料是坡莫合金材料、超透礠合金材料或超级坡莫合金材料。
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