CN110752136A - 等离子处理装置以及等离子处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供等离子处理装置以及等离子处理方法，即使不改变所期望的工艺条件也能提升等离子点火性，抑制给被处理物的处理后尺寸带来影响。等离子处理装置(100)具备：处理室(114)；产生微波并投射到处理室(114)内的磁控管(105)；配置于处理室(114)内并放置晶片(300)的电极；产生用于使所述电极静电吸附晶片(300)的电位的静电吸附电源(112)；将工艺气体提供到处理室(114)内的工艺气体提供源(118)；和等离子点火促进装置，所述等离子点火促进装置是将经过脉冲调制的紫外线照射到处理室(114)内的紫外线光源(102、115)。

Description

等离子处理装置以及等离子处理方法
技术领域
本发明涉及等离子处理装置以及等离子处理方法。
背景技术
近年来，半导体器件等制造工艺中的设计规则日益严格化，对制造物要求确保更高的尺寸精度。例如，在低温气体等离子中进行的蚀刻中，为了提高蚀刻的均匀性而要求降低等离子密度。为了降低等离子密度，有降低气体压力的方法、降低微波功率等的方法，但不管哪种方法，都存在等离子点火困难的可能。
与此相对，在专利文献1中公开了对处理室同微波一起同时提供紫外线的半导体制造装置。在相关的半导体制造装置中，提供的紫外线为了激发等离子中的原子、分子来提高其能量起作用，微波发挥维持等离子的功能。因此，能提升等离子点火性，并能提升处理速率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平6-349776号公报
但是，在相关的现有技术中，由于将紫外线连续对晶片进行照射而晶片的温度上升，存在影响到加工尺寸的可能性。
发明内容
本发明鉴于上述现有技术的课题而提出，其目的在于，提供等离子处理装置以及等离子处理方法，不改变所期望的工艺条件就能提升等离子点火性并抑制给被处理物的处理后尺寸带来影响。
为了解决上述课题，代表性的本发明的等离子处理装置之一具备：处理室，对样品进行等离子处理；高频电源，提供用于生成等离子的高频电力；样品台，载置所述样品；和紫外线光源，照射紫外线，该等离子处理装置还具备控制部，其控制所述紫外线光源，使得在将所述高频电力提供到所述处理室内之前，将经过脉冲调制的紫外线照射到所述处理室内。
另外，代表性的本发明的等离子处理装置之一具备：处理室，对样品进行等离子处理；高频电源，提供用于生成等离子的高频电力；样品台，载置所述样品；和紫外线光源，照射紫外线，该等离子处理装置还具备控制部，其控制所述高频电源和所述紫外线光源，使得将所述高频电力提供到所述处理室内，并使经过脉冲调制的紫外线照射到所述处理室内。
另外，代表性的本发明的等离子处理方法之一使用通过高频电力生成的等离子来在处理室内对样品进行处理，该等离子处理方法以如下方式来实现，即，通过在将所述高频电力提供到所述处理室内之前，使经过脉冲调制的紫外线照射到所述处理室内来生成等离子。
发明效果
根据本发明，能提供等离子处理装置以及等离子处理方法，不改变所期望的工艺条件就能提升等离子点火性并抑制给被处理物的处理后尺寸带来影响。
上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明而变得明确。
附图说明
图1是微波ECR等离子处理装置的简要结构图。
图2是比较脉冲紫外线和连续紫外线的持续时间而示出的图，在横轴取时间来示出。
图3是表示在样品台载置晶片并施加静电吸附电压时的介电分离状况的简要图。
图4是晶片的顶视图，表示来自脉冲紫外线光源的紫外线照射位置和晶片上带电分布状况。
图5是表示等离子处理装置的启动定时的序列的图，在纵轴取各部的导通/截止来表示，在横轴取时间来表示。
图6是表示点火判定以及点火时间记录的流程的流程图。
附图标记说明
101 高频电源
102 脉冲紫外线光源
103 石英光纤
104 波导管
105 磁控管
106 准直透镜
107 顶板
108 螺线管线圈
109 等离子
111 控制部
112 静电吸附电源
113 样品台
114 处理室
115 脉冲紫外线光源
116 LAN线缆
117 微波以及紫外线提供口
118 工艺气体提供源
300 晶片
301 内侧电极基材
302 外侧电极基材
303 喷涂膜
304 库伦引力
306 脉冲紫外线
401 脉冲紫外线的照射位置
403 晶片表面上的外侧区域
404 晶片表面上的中心区域
具体实施方式
参考附图来说明本发明所涉及的实施方式的等离子处理装置。图1是在等离子生成单元中利用微波和磁场的微波ECR(Electron CyclotronResonance，电子回旋共振)等离子处理装置的简要截面图。特别，在等离子处理装置中，在使用低气体压力、低微波功率、低占空比等工艺条件的情况下，在工艺开始时不能合适地进行等离子点火，这成为重要的技术课题。根据本实施方式，在相关的工艺条件下也能提升等离子点火性。
微波ECR等离子处理装置100具备：能将内部真空排气的处理室114；配置被处理物(也称作样品)即晶片300的样品台113；设于样品台113上方的石英等的微波以及紫外线提供口117；设于其上的波导管104；通过内置的第1高频电源提供高频电力而产生微波的磁控管105；设于波导管的窥视窗之上的脉冲紫外线光源102；设于处理室114的周围的螺线管线圈108；与样品台连接的静电吸附电源112；高频电源(第2高频电源)101；工艺气体提供源118；和控制部(处理器)111。
作为脉冲紫外线光源，例如能使用输出5W且能出射波长185nm～2000nm的光的灯。能使用出射光当中紫外段(185nm～450nm)的光来进行后述的处理。
以下，说明利用微波ECR等离子处理装置100的等离子处理的工艺。首先，晶片300在被搬入处理室114内后，通过静电吸附电源112而被静电吸附在样品台113。接下来，由工艺气体提供源118将工艺气体经由气体导入口(图略)从簇射板119提供到处理室114内，通过真空泵(图略)调整成给定的压力。
接下来，从磁控管105振荡频率2.45GHz的微波，使其通过波导管104传播到处理室114内。通过微波和由螺线管线圈108产生的磁场的作用来激发处理气体，由此在晶片300上部的空间生成等离子109。使用该等离子109进行搭载于样品台113的晶片300的蚀刻工艺。
在上述的微波ECR等离子处理装置中具备控制各器件的启动定时的系统。具体地，高频电源101、脉冲紫外线光源102、磁控管105、螺线管线圈108、静电吸附电源112、光检测器110等器件经由LAN(Local AreaNetwork)线缆116与控制部111连接，通过在控制部111中编排序列来分别控制这些器件。特别地，控制部111能对脉冲紫外线光源102进行脉冲调制，这里能调整脉冲间隔。
若使绕着由螺线管线圈108产生的磁场进行圆运动的频率和从外部投入的电磁波的频率一致，位于气体分子的外侧的电子就会因共振(ECR)而开始高速旋转运动。在该电子的动能为电离能量以上时，位于原子或分子的最外层的电子就会飞出，与相邻的原子或分子碰撞。电子的数量对碰撞的电子加上从分子或原子飞出的电子就会成为2倍。其结果，电子的数量如雪崩现象那样增加，若超过某阈值，就会形成等离子。但是，在工艺条件为低气体压力、低微波功率时，在原子或分子之间的距离远的情况下，或电离的电子不具有足以向旁边的原子或分子飞出的能量的情况下，等离子点火很困难。
在本实施方式中，在微波ECR等离子处理装置100设置脉冲紫外线光源102。如图2所示那样，从脉冲紫外线光源102以2/100秒间隔产生脉冲紫外线(照射脉冲状的紫外线)。紫外线的一个脉冲(称作闪烁)作为一例持续1.5μs，这时放出100mJ的能量。另外，脉冲紫外线的波形中的紫外线的脉冲的周期与紫外线的照射时间的比例尺不同，紫外线的照射时间相对于紫外线的脉冲的周期表示为约6667倍。在本规格下，若使脉冲紫外线的间隔至少为1/155秒以上，就不会使晶片温度实质上升。因此，将脉冲紫外线的间隔至少设为1/150秒以上即可。
若脉冲紫外线光源102产生脉冲紫外线，则产生的脉冲紫外线经由石英光纤(例如直径：0.8mm)103和准直透镜(例如直径：3mm、扩散性tan(a)：0.08，其中，a＝纤径/焦点)106与微波入射方向平行且朝向被处理前的晶片表面入射到处理室114。由此，位于工艺气体分子或原子的外层的电子通过从脉冲紫外线吸收光子而被激发。
进而，若通过了工艺气体的脉冲紫外线入射到晶片表面，就会在晶片表面引起光电效应，由此产生自由电子。因而，能通过注入微波，使用点火前在处理室114被激发的电子、或自由电子，来改善等离子的点火性。
上述那样在导入微波和磁场前对工艺气体照射紫外线是为了提高位于工艺气体分子或原子的外侧的电子的能级(激发)。一般，电子的激发状态不稳定，仅能在激发状态停留10-8s。并且，若有点火的火种，等离子就会通过雪崩现象而瞬间生成。因而，比起连续的紫外线照射，瞬间的光输出高的脉冲紫外线照射更能瞬间激发大量的气体，适于实现等离子点火的改善。
进而，能使用在电容器中积存电荷来进行发光的类型的脉冲紫外线光源，由此不再为了产生脉冲紫外线而需要光源的预热，易于配合处理的动作定时，适于应用。另外，在以相同的100mJ的功率连续地发出紫外线的情况下，需要约70KW的大型电源，等离子装置的设备成本变高，也不能实现节能。根据这样的观点，也期望使用脉冲紫外线。
在图3示出设于样品台上的电极的放大图。该电极具有圆盘状的内侧电极基材301、包围其的环状的外侧电极基材302和喷涂膜303。若静电吸附电源112(图1)对电分离的两个电极基材301、302分别施加极性不同的电压(例如+1500V和-1500V)，就会因感应电而在喷涂膜303的表面和晶片300的背面分别在与电极基材301、302对应的区域产生正负的电位。晶片300由通过该电位产生的库伦引力304吸附在电极表面。另外，关于设于样品台上的电极，可以仅设置具有负的电位的一极的电极构件。
晶片300在被载置于样品台113(图1)之上后，通过静电吸附电源112被静电吸附在样品台113。更具体地，如图3所示那样，在对喷涂膜303施加负电压的情况下，晶片300的中央表面因感应电而具有负的电位。即，成为电子丰富存在于晶片300的中央表面的状态。在此，若对丰富具有电子的晶片300的中央表面照射脉冲紫外线306，就会因光电效应而使电子从晶片300的中央表面飞出，飞出的电子通过晶片300的表面上的负电位被向工艺气体加速。进而，电子在ECR面附近通过微波和磁场被加速，成为等离子点火的火种。
另外，若对内侧电极基材301施加负的电压，则与内侧电极基材301对应的被静电吸附的晶片300的表面的中心区域404(图4)具有负电荷，并且与外侧电极基材302对应的晶片300的表面的外侧区域403(图4)具有正的电荷。因而，优选将脉冲紫外线的照射位置401设置在被静电吸附的晶片300的具有负电荷的中心区域404的上方，将脉冲紫外线照射到上述的具有负电荷的区域(负的带电区域)。另外，优选使脉冲紫外线电源在静电吸附要处理的晶片300之前动作。
在此，在微波ECR等离子处理装置中，在将从准直透镜到晶片的距离设为约785mm时，若如上述那样经由光纤103和准直透镜106将脉冲紫外线照射到晶片表面，晶片表面的被照射范围就成为直径6cm的圆形区域。在无视传播中的光损失的情况下，在照射时间1.5μs期间在晶片表面受到的光的强度成为161mJ/s/cm2。灯加热所赋予的热量是光强度的1/10程度(16.1mJ/s/cm2)，由于与来自处理中等离子的热量(500mJ/s/cm2)相比要小，因此晶片表面的温度几乎不改变。与此相对，若以100mJ的功率连续照射1sec，则抵达晶片表面的光的强度成为41551mJ/s/cm2，晶片表面温度有可能会上升。因而，为了不使晶片表面温度上升地对点火给予足够的能量，期望使用脉冲紫外线。
为了不使脉冲紫外线和微波在传播中途损失增大，期望在紫外线传播中使用光纤103，进而，优选对位于处理室上的顶板107和簇射板119使用石英制品。
在使用被脉冲调制的紫外线来照射工艺气体以及晶片表面的负带电区域时，为了验证等离子的点火改善效果，而使用上述的微波ECR等离子处理装置100以多种方案来实施点火改善确认实验。由于是验证等离子点火改善效果的实验，因此准备三个种类的处理模式(参考图5)，准备两个种类的处理条件(参考表1、2)。
说明利用上述的微波ECR等离子处理装置100的确认实验中所使用的三个处理模式(也仅称作模式)。在图5中，ESC是指静电吸附电源的驱动电压。在图5(a)所示的处理模式1中，将被处理前的晶片运送到处理室114，在放置在样品台113的电极之上的状态下，首先，在施加ESC电压而使晶片被吸附后，导入工艺气体，通过真空泵(图略)调整成给定的压力，通过磁控管驱动而导入给定微波和磁场，使等离子点火。在处理模式1中不进行脉冲紫外线的照射。
另一方面，在图5(b)所示的处理模式2中，将被处理前的晶片运送到处理室114，在放置在样品台113的电极之上的状态下，首先，在施加ESC电压而使晶片被吸附后，导入工艺气体，通过真空泵(图略)调整成给定的压力，进而，使脉冲紫外线光源(102或115)动作，接下来，通过磁控管驱动而导入给定的微波和磁场，使等离子点火。
进而，在图5(c)所示的处理模式3中，将被处理前的晶片运送到处理室114，放置在样品台113的电极之上，首先，使脉冲紫外线光源(102或115)动作，接着，施加ESC电压而使晶片被吸附，控制部111之后导入工艺气体，通过真空泵(图略)调整成给定的压力，通过磁控管驱动而导入给定微波和磁场，使等离子点火。
说明利用上述的微波ECR等离子处理装置100的确认实验用的两个处理条件。
表在1和表2示出两个种类的处理条件。处理条件的参数被称作方案，进行基于表1、2所示的方案的动作。在方案1中，将Cl2用作工艺气体，流量设为150ml/min，气体压力和微波功率分别设定为0.5Pa和1000W。
【表1】
处理条件
Figure BDA0001945670350000081
实验结果
Figure BDA0001945670350000082
在方案2中，将Cl2和CH3F用作工艺气体，流量分别将Cl2设为40ml/min、将CH3F设为150ml/min，气体压力和微波功率分别设定为0.2Pa和600W。方案2与方案1相比，气体压力和微波功率低，比较难以点火。
【表2】
处理条件
Figure BDA0001945670350000091
实验结果
Figure BDA0001945670350000092
在图6示出由控制部111进行的点火时间的判定和记录的处理流程。由图1的光检测器110监视处理室内的发光状况(发光等级)，将其数据送到控制部111。在步骤S01中开始脉冲紫外线以及给定微波和磁场的导入，并且控制部111使计数器(未图示)开始，首先，若在步骤S02中判断为是经过10s的计数时间之前(步骤S02“是”)，则在步骤S03中，由控制部111对发光数据进行分析。若发光等级超过某阈值(步骤S03“是”)，则控制部111判定为等离子点火，在步骤S04中开始处理工艺，并停止计数器，将其计数时间作为等离子点火时间存储。
另一方面，若发光等级未超过某阈值(步骤S03“否”)，就使流程回到步骤S02，一边继续导入脉冲紫外线以及给定微波和磁场，一边继续进行计数，在步骤S03中由控制部111继续监视发光等级。
若在发光等级的监视中，控制部111判断为从脉冲紫外线以及给定微波和磁场的导入开始经过了10s的计数时间(步骤S02“否”)，则判断为等离子点火失败，在步骤S05中视作错误。在这样的情况下，控制部111将等离子点火时间作为10.1秒来存储。
[关于点火改善性以及照射方向依赖性的研讨]
进行如下的比较试验，确认点火改善效果。
·图5(a)的处理模式1(无紫外线)
·图5(b)的处理模式2(其中，使用位于装置侧方的脉冲紫外线光源115，从侧方使脉冲紫外线入射到处理室114)
·图5(b)的处理模式2(其中，使用位于装置上方的脉冲紫外线光源102，从上方使脉冲紫外线入射到处理室114)
如表1所示那样，以处理模式1对Si(硅)晶片实施10次方案1的处理的结果是，10次所相应的点火时间的平均值是1.13s。接下来，以处理模式2对Si晶片实施10次方案1的处理的结果是，10次所相应的点火时间的平均值是1.00s。最后，以处理模式2对Si晶片实施10次方案1的处理的结果是，10次所相应的点火时间的平均值是0.64s。
根据以上的结果可知，与不照射脉冲紫外线的情况相比，照射脉冲紫外线的情况提升了等离子点火性。另外，可知，与从侧方照射脉冲紫外线相比，从上方(朝向Si晶片和工艺气体)照射能进一步改善点火性。
[关于点火改善性的研讨]
进行如下的比较实验，确认点火改善效果。
·图5(a)的处理模式1(无紫外线)
·图5(c)的处理模式3(其中，使用位于装置上方的脉冲紫外线光源102，从上方使脉冲紫外线入射到处理室114)
如表2所示那样，以处理模式1对Si晶片实施10次方案2的处理的结果是，10次所相应的点火时间的平均值是4.67s。另一方面，以处理模式3对Si晶片实施10次方案2的处理的结果是，10次所相应的点火时间的平均值是0.87s。
根据以上的结果，即使改变方案，也是与不照射脉冲紫外线的情况相比，照射脉冲紫外线的情况更加提升等离子点火性。
通过以上的确认实验可知，使用脉冲紫外线不管照射工艺气体和晶片表面的哪一者，都能看到点火改善效果。另外，由于重叠两个效果能引出最佳的点火效果，因此优选使脉冲紫外线光源在晶片的静电吸附前动作。这是因为，通过在晶片的静电吸附前照射紫外线，飞出到晶片上的电子会增加。
具体期望以下的工序。在本实施方式的微波ECR等离子处理装置100中，首先，使脉冲紫外线光源102动作，开始照射脉冲紫外线。接下来，通过由静电吸附电源112对样品台113施加直流电压而使处理前的晶片300被静电吸附。之后，提供工艺气体，通过真空泵调整成给定的压力。然后，将从磁控管105产生的微波和从螺线管线圈108产生的磁场导入到处理室内，进行等离子点火。若引发等离子点火，则之后就会连续生成等离子。通过前述的等离子对半导体晶片实施给定的工艺。
另外，在上述的实施方式中，将电子回旋共振(ECR)设为等离子生成单元进行了说明，但并不限定于此，还能运用于激发工艺气体的其他等离子放电方法中。例如，能在电容耦合等离子(CCP)、感应耦合等离子(ICP)、电磁感应耦合等离子(EMCP)等等离子生成方式中运用本发明。
另外，本发明并不限定于上述的实施方式，而包含各种变形例。例如上述的实施方式为了易于理解地说明本发明而详细进行了说明，但不一定限定于具备说明的全部结构。另外，能将某实施方式中的结构的一部分置换成其他实施方式的结构，另外，还能在某实施方式的结构中加进其他实施方式的结构。另外，还能对各实施方式中的结构的一部分进行其他结构的追加、删除、置换。

Claims (6)

1.一种等离子处理装置，具备：
处理室，对样品进行等离子处理；
高频电源，提供用于生成等离子的高频电力；
样品台，载置所述样品；和
紫外线光源，照射紫外线，
所述等离子处理装置的特征在于，
还具备控制部，其控制所述紫外线光源，使得在将所述高频电力提供到所述处理室内之前，将经过脉冲调制的紫外线照射到所述处理室内。
2.一种等离子处理装置，具备：
处理室，对样品进行等离子处理；
高频电源，提供用于生成等离子的高频电力；
样品台，载置所述样品；和
紫外线光源，照射紫外线，
所述等离子处理装置的特征在于，
还具备控制部，其控制所述高频电源和所述紫外线光源，使得将所述高频电力提供到所述处理室内，并使经过脉冲调制的紫外线照射到所述处理室内。
3.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述样品台具备施加用于使所述样品被静电吸附的直流电压的电极，
所述控制部控制所述紫外线光源，使得在将所述直流电压施加到所述电极之前，使所述经过脉冲调制的紫外线照射到所述处理室内。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的等离子处理装置，其特征在于，
配置所述紫外线光源，来将所述经过脉冲调制的紫外线照射到所述样品。
5.根据权利要求4所述的等离子处理装置，其特征在于，
配置所述紫外线光源，来将所述经过脉冲调制的紫外线照射到被所述样品台静电吸附的样品的负的带电区域。
6.一种等离子处理方法，使用通过高频电力生成的等离子来在处理室内对样品进行处理，
所述等离子处理方法的特征在于，
通过在将所述高频电力提供到所述处理室内之前，将经过脉冲调制的紫外线照射到所述处理室内来生成等离子。
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