CN110770880A - 等离子处理装置 - Google Patents

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Abstract

提供能减少样品的针对面内方向的处理的偏差并提高处理的成品率的技术。本等离子处理装置(1)具备：配置于样品台(110)内的第1电极(基材(110B))；包围样品台(110)的上表面部(310)(电介质膜部(110A))的外周侧地配置的环状的第2电极(导体环(114))；覆盖第2电极并包围上表面部(310)的外周地配置的电介质制的环状构件(基座环(113))；用于对第1电极以及第2电极各自从高频电源提供高频电力的多个供电路径；和配置于向第2电极的供电路径上的匹配器(117)。并且，向第2电极的供电路径上的匹配器(117)与第2电极之间的第1部位(A1)、和接地部位之间经由被设为给定的值的电阻(118)电连接。

Description

等离子处理装置
技术领域
本发明涉及等离子处理装置的技术。另外，本发明涉及在使用等离子对载置在设置于真空容器内的处理室内的样品台上的处理对象的半导体晶片等基板状的样品进行处理时，对样品台提供高频电力来进行处理的技术。
背景技术
在制作半导体器件的工序中，广泛进行如下那样的处理：对将包含预先形成于半导体晶片等样品的上表面的掩模层、和处理对象的膜层在内的多个膜层叠而构成的膜结构基于该掩模层进行蚀刻处理，来形成电路结构。在这样的蚀刻处理中，一般使用如下等离子处理装置，该等离子处理装置使用在真空容器内的处理室内形成的等离子对配置于该处理室内的样品进行处理。
特别，在当前较多使用的等离子处理装置中，使用高频偏置技术。在该技术中，导入到处理室内的处理用的气体被激发，利用形成于样品的上表面的高频电力所引起的偏置电位将被电离、解离而形成的等离子内的离子等带电粒子吸引到样品表面。由此，进行各向异性高的蚀刻。
过去以来，这样的等离子处理装置为了提升半导体器件的生产率和成品率，要求对样品的表面针对其面内的方向更均匀地进行处理。例如，在具有圆形或近似于能视作圆形的程度的大致圆形的晶片的上表面，在中央侧的区域和外周侧的区域，有时对处理对象的膜层进行蚀刻的处理的进展的速度会不同。在该情况下，有时处理后得到的中央侧区域的膜层的形状和外周侧区域中的膜层的形状之差会变大。并且，有时从蚀刻处理的工序得到的电路的性能之差会变大，该性能的其中一者会处于容许范围之外。由此，出现了制造半导体器件的成品率会受损这样的课题。
对于这样的一般的课题，例如想到以下这样的情况。即，对于晶片上表面的针对面内方向的处理速度之差来说，认为晶片的外周侧部分中的等离子的电位或带电粒子的分布的偏倚是一个原因。并且，考虑针对晶片上表面的整体使电场的强度的值和分布更接近于均匀。
作为与上述那样的等离子处理装置相关的现有技术例，能举出JP特开2016-31955号公报(专利文献1)。在专利文献1中，作为等离子处理装置等，记载了以下那样的要点。在该等离子处理装置中，在包围晶片的载置面的外周而配置的环状的凹陷部配备：具有导电性的环状的构件；和覆盖该构件的上部的电介质制的环盖体，其中，该晶片的载置面构成配置于处理室内的样品台的上部上表面。该等离子处理装置在晶片的处理中对该具有导电性的环状的构件提供高频电力。特别地，将被独立调节成与偏置电位形成用的高频电力不同的频率或不同的电力值的另一高频电力提供到具有导电性的环状的构件，其中，该偏置电位形成用的高频电力被提供给配置于样品台内部的电极即金属制的基材。由此，将形成于处理中的晶片的上表面上方的偏置电位的值、基于高频电力的电场的强度的分布针对晶片面内方向控制成所期望的值、分布。由此，可减少针对面内方向得到处理的结果的处理后的膜结构的形状的偏差，提高处理的成品率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2016-31955号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在现有技术例的等离子处理装置中，由于对以下的点未进行充分考虑，因此出现了课题。
即，考虑等离子处理装置具有对载置晶片的基材提供高频电力的第1电路、和对环状构件提供高频电力的第2电路(例如包含匹配器)的情况。在该情况下，有时第1电路和第2电路会在等离子中电耦合，电力的一部分会从第1电路泄漏到第2电路。因此，由于根据等离子和2个高频电力的条件的不同，第2电路中的匹配器会变得不稳定，因而通过该环状构件进行的晶片外周缘附近的电场的控制就会变得很困难。
另外，在该等离子处理装置的结构中，由于覆盖导电性的构件的电介质制的环盖体的阻抗非常大，因此可知这样的话不能有效地提供高频电力。进一步地，另外，通过从第1电路漏出的电力，在电介质的环盖体中会产生电压，晶片外周缘附近的蚀刻性能有可能会发生变化。
本发明的目的在于，关于等离子处理装置提供如下技术：能够对应于各种等离子条件来抑制样品的外周缘附近的电场的不均匀，减少样品的针对面内方向的处理的偏差，提高处理的成品率。
用于解决课题的手段
本发明当中代表性的实施方式是等离子处理装置，特征在于具有以下所示的结构。一个实施方式的等离子处理装置对放置在配置于真空容器内的处理室内的样品台的上表面的上方的样品使用形成于所述样品室内的等离子进行处理，所述等离子处理装置具备：配置于所述样品台内的第1电极；在所述样品台的所述第1电极的包含所述上表面的上表面部的外周侧包围所述上表面部地配置的环状的第2电极；覆盖所述第2电极并包围包含所述第1电极的所述上表面部的外周地配置的电介质制的环状构件；对所述第1电极以及所述第2电极各自提供来自高频电源的高频电力的多个供电路径；和配置于所述多个供电路径当中从所述高频电源向所述第2电极的供电路径上的匹配器，所述匹配器与所述第2电极之间的所述供电路径上的第1部位、和接地部位之间经由被设为给定的值的电阻元件电连接。
发明效果
根据本发明当中代表性的实施方式，关于等离子处理装置，能够对应于各种等离子条件来抑制样品的外周缘附近的电场的不均匀，减少样品的针对面内方向的处理的偏差，提高处理的成品率。
附图说明
图1是示意表示本发明的一个实施方式的等离子处理装置的结构的概略的纵截面图。
图2是等效地示出图1的实施方式的等离子处理装置中的高频偏置电力的路径的电路图。
图3是在图1的等离子处理装置中将样品台的一部分放大来示意示出的图。
具体实施方式
以下，使用图1～图3来说明本发明的一个实施方式的等离子处理装置。
[等离子处理装置(1)]
图1是示意表示本发明的一个实施方式的等离子处理装置1的结构概略的纵截面图。另外，说明上使用X方向、Y方向、Z方向。Z方向是铅垂方向，是圆筒等形状的中心轴方向。X方向、Y方向是构成与Z方向垂直的水平面、晶片等的面的2个方向，与径向对应。在图1中示出以Z方向的一点划线的中心轴为中心的截面。
在本实施方式的等离子处理装置1中示出使用ECR(Electron CyclotronResonance：电子回旋共振)进行等离子蚀刻处理的微波ECR等离子蚀刻装置所相关的结构例。在ECR方式中，作为用于在处理室104内形成等离子的电场，使用特定的频率的微波，进而对处理室104内提供具有与该电场的频率对应的强度的磁场。通过这些电场与磁场的相互作用而发生ECR。并且，在本方式中，通过ECR将提供到处理室104内的气体的原子或分子激发，来形成等离子，对晶片140上表面的处理对象的膜结构进行蚀刻。
图1所示的实施方式的等离子处理装置1具备：在内部具备处理室104的真空容器101；等离子形成单元；和排气单元。
处理室104具有圆筒形状，内部被做成真空。处理室104等具有圆筒等轴对称形状。
等离子形成单元包围真空容器101的Z方向的上方以及处理室104而配置，提供用于形成等离子的电场以及磁场。等离子形成单元特别作为形成ECR的单元，具体具有多个螺线管线圈108等。
在真空容器101的上部的圆筒形的侧壁的外周、电介质窗103以及空间部1020的上方，包围它们来配置用于生成磁场的圆筒形的多个螺线管线圈108。提供到处理室104的电场与由螺线管线圈108生成的磁场发生相互作用(即ECR)，将提供到处理室104的处理用的气体的粒子激发，在处理室104内产生等离子109。另外，针对2.45GHz的微波，ECR的发生所需的磁通密度是0.0875T。
排气单元包含配置于真空容器101的Z方向的下方且将处理室104内的气体、等离子粒子等排出到外部的真空泵。
在处理室104的上部配置电介质窗103。电介质窗103具有圆板形状，从Z方向的上方提供的微波透过内部而被提供到处理室104内。在处理室104与电介质窗103之间有未图示的O环等密封构件。由此，处理室104和外部的气氛被气密密封。
在电介质窗103的下方配置簇射板102。簇射板102具有用于流过处理用的气体并将其导入到处理室104内的多个贯通孔。簇射板102构成处理室104的主要空间的顶面。在电介质窗103与簇射板102之间构成与未图示的气体导入管路连接并被填充气体的、高度小的给定厚度的空间。
另外，在处理室104的底部，在与底部大致同心的位置配置真空排气口105。通过真空排气口105由涡轮分子泵等真空排气单元将提供的气体、在处理室104内生成的等离子的粒子排出到外部。
为了经由空间部120将用于生成等离子的微波的电场提供到处理室104内，在电介质窗103的上方配置电场在内部进行传播的波导管107。波导管107更详细来说是圆形波导管和方形波导管通过拐角部连接而构成的。
在波导管107的端部(图示的X方向的一个端部)连接磁控管等电场产生用电源106。由电场产生用电源106形成的电场在波导管107中传播并被导入到电介质窗103的上方的空间部120。在电介质窗103与波导管107之间配置共振用的圆筒形状的空间部120。空间部120的底面与电介质窗103对应。
电介质窗103为了使电场透过而由石英等材质的构件构成。微波电场透过电介质窗103而被提供到处理室104内。该电场的频率并没有特别限定，在本实施方式中使用2.45GHz的微波。
在处理室104的下部(例如在图1的Z方向上为下半部分程度的空间)，在与处理室104大致同心的位置配置样品台110。样品台110具有圆柱形状或圆板形状，在上表面载置样品即晶片140。
样品台110更详细来说包含基材110B(第1电极)、基材110B的上部的电介质膜部110A、和配置于基材110B以及电介质膜部110A的外周的环状构件113。基材110B是构成样品台110的主要部分的具有圆柱或圆板形状的金属制(导体制)的构件(第1电极)。
在图3示出将图1的样品台110等一部分放大的示意图。在图3中，还图示了配置于电介质膜部110A的内部的膜状的电极303(静电吸附电极)的示例。
放置有晶片140的样品台110的上表面(载置面300)与晶片140同样地具有圆形或近似于能视作圆形的程度的形状。包含该上表面的上表面部310是通过在基材110B的上表面用热喷涂来被覆由氧化铝、氧化钇等陶瓷构成的电介质膜而作为电介质膜部110A来构成的。
在上表面部310的电介质膜部110A内内置膜状的电极303。该膜状的电极303是用于静电吸附晶片140的静电吸附电极。
样品台110内的基材110B、或电介质膜部110A内的膜状的电极通过供电用的线缆等并经由匹配器(第1匹配器)112与配置于处理室104外的高频电源(第1高频电源)111电连接。
在本等离子处理装置1中，在晶片140的处理中，对样品台110的基材110B或膜状的电极303从高频电源111经由匹配器112提供高频电力。在晶片140的处理中，在样品台110的上表面上方的处理室104内的等离子形成用的空间中形成等离子109(概略地以虚线框区域示出)。由此，对应于该高频电力(第1高频电力)与形成于该空间的等离子109的电位的电位差，在晶片140上形成偏置电位。对应于该偏置电位与等离子109的电位之间的电位差，等离子109内的离子等带电粒子被向晶片140上表面吸引。并且，该被吸引的带电粒子与预先形成于晶片140上表面的膜结构碰撞，对膜结构内的处理对象的膜层进行蚀刻处理。
另外，在样品台110(基材110B以及电介质膜部110A)的上部，如图3所示那样具有中央部分在X方向、Y方向上比外周部分高的凸部320。该凸部310的上表面构成晶片140的载置面300。该凸部320的上表面配合晶片140的形状而具有大致圆形。
进而，在样品台110的上部，在处于该凸部320的外周侧的部分，包围该凸部320的外周地形成使Z方向的高度变低的凹部330。该凹部330换言之是环状的空间。该凹部330中的上表面301(从凸部320向外周伸出的侧壁部分的上表面)和凸部320的外周的侧面302的上部由覆膜覆盖。该覆膜是与电介质膜部110A相同的陶瓷材料制。
进而，在该凹部330的上表面301的覆膜上放置有基座环113(其中的上部是向内周侧伸出的部分)。基座环113是由石英等材料构成的电介质制的环状构件。由该基座环113包围样品台110的上表面部310的凸部320的外周侧，并且还包围基材110B的外周侧。样品台110作为包含基座环113的形状而具有圆柱或圆板形状。
在基座环113被放置在凸部320的外周侧的凹部330的状态下，基座环113的石英制的上表面在Z方向上与构成处理室104的顶面的簇射板102对置并面对等离子109。基座环113的石英制的环内周壁面与凸部320的外周侧壁面(侧面302)隔着给定的间隙对置，并包围凸部320的外周侧壁面。进而，基座环113的上表面包围样品台110的凸部320的上表面即载置面300的外周。
根据这样的结构，样品台110的凸部320的侧壁面以及凹部330的上表面301相对于等离子109被基座环113覆盖而被保护。
另外，在本实施方式中，在石英制的基座环113(特别是配置于上表面部310的外周的环状部分)的内部配置导体环114(第2电极)。导体环114在包含样品台110的晶片140的载置面300的电介质膜部110A(上表面部310的凸部320)的外周侧配置在包围该凸部320(包含膜状的电极303)的位置。导体环114由金属等具有导电性的材料构成。
导体环114与高频电源(第2高频电源)115经由匹配器(第2匹配器)116以及负载阻抗可变盒(负载阻抗调节电路)117并通过供电用的线缆等电连接。
在本等离子处理装置1中，在晶片140的处理中，来自高频电源115的高频电力(第2高频电力)通过包含供电用的线缆的供电用的路径而被提供到导体环114。由此，在导体环114的上方形成基于导体环114的电位与等离子109的电位之间的电位差的电场。
等离子处理装置1调节第2高频电力向导体环114的提供。由此，使从晶片140上表面的中心部至外周侧部分并进而延续到基座环113的上表面的区域的上方的电场的强度、电位的分布接近于适合处理的所期望的强度、分布。并且，调节会影响到晶片140上表面的蚀刻处理的速度、带电粒子的入射角度的、针加工后的形状的晶片140中的径向(X方向、Y方向)的分布。
另外，在本实施方式中，导体环114与阻抗可变盒117之间的供电路径上的给定的部位A1与被设为接地电位的电极即接地(接地电极)119连接。该接地119与给定的部位A1之间经由被设为给定的值的电阻(电阻元件)118电连接。另外，高频电源115与接地119电连接。高频电源111与接地119电连接。基材110B(第1电极)与接地119电连接。
[等离子处理装置(2)]
图2是表示图1的实施方式的等离子处理装置中的与高频电力相关的等效电路的说明图。特别，在图2的示例中，针对从图1的高频电源111提供的偏置形成用的第1高频电力、以及从高频电源115提供到导体环114的偏置形成用的第2高频电力，沿着各自的供电的路径示意地示出等效的电路。
在本例中，在高频电源(第1高频电源)111中，一端侧的供电路径与接地电位的部位电连接。在高频电源111中，从另一端侧输出的给定的第1频率的电力(第1高频电力)经由配置于与另一端连接的供电路径上的匹配器(第1匹配器)112被提供到样品台110的第1电极即基材110B。并且，该电力通过基材110B而被提供到构成基材110B的上表面部310的电介质膜部110A。该电力通过表示电介质膜部110A的静电电容的电介质膜电容124(电容C1)、和表示形成于晶片140上表面上方的鞘的静电电容的鞘电容125(电容C2)向等离子109的电阻分量126传送，流到接地电位的部位。
另外，同样地，在高频电源(第2高频电源)115中，一端侧的供电路径与接地电位的部位电连接。在高频电源115中，从另一端侧输出与高频电源111的输出电力不同的第2频率的电力(第2高频电力)。从高频电源115的另一端侧输出的该电力经由配置于将另一端部与导体环114之间连接的供电路径上的匹配器(第2匹配器)116、以及负载阻抗调节电路117来提供。该电力的一部分通过导体环114并通过表示基座环113的静电电容的基座环电容127(C3)、以及表示形成于基座环113上表面上方的鞘的静电电容的鞘电容128(C4)向等离子109的电阻分量129传送。该电力的其他部分由与前述的部位A1连接的电阻118消耗，流到接地119等接地电位的部位。
另一方面，高频电源111和高频电源115通过电介质即等离子109、或与供电线缆等高频电力用的供电路径连接的样品台110的内部而电耦合。因此，高频电源111和高频电源115产生从至少任意一方输出的高频电力的一部分流入到另一方的供电路径的所谓泄漏的现象。在图2的电路上，将该供电路径彼此的耦合用等离子109中的电阻分量130以及电容分量131示出。电容分量131是匹配器112与基材110B之间的供电路径(第1供电路径)、以及负载阻抗调节电路117与导体环114之间的供电路径(第2供电路径)的供电路径彼此之间的电容分量。
在本实施方式的等离子处理装置1中，使高频电源111的输出(第1高频电力)相对于导体环114侧的高频电源115的输出(第2高频电力)相对变高。即，第2高频电力低于第1高频电力。从高频电源111侧的第1供电路径漏出到高频电源115侧的第2供电路径的电力量与从高频电源115侧的第2供电路径漏出到高频电源111侧的第1供电路径的电力量相比更大。
在相对于本实施方式的比较例的等离子处理装置中，将从匹配器(第2匹配器)116泄漏的电力探测为反射电力，并想要配合该反射电力地匹配高频电源(第2高频电源)115的供电路径上的阻抗，这样来进行动作。因此，该供电路径中的匹配反而会变得不稳定。另外，由于这时的负载阻抗大，因此根据蚀刻条件，阻抗匹配变得困难。进一步地，另外，该泄漏的电力在基座环电容127、鞘电容128中产生电压。在不能调节这样的电压的大小的情况下，晶片140的外周侧部分中的蚀刻性能会与期望偏离。
在本实施方式的等离子处理装置1中，基座环113与匹配器(第2匹配器)116之间、特别是基座环113与负载阻抗调节电路117之间的第2供电路径上的给定的部位A1和接地119之间被电连接。并且，在包含该分支的第2供电路径中，将向鞘电容127泄漏的来自高频电源(第1高频电源)111的高频电力分支，使其经由电阻118从接地119流到接地电极。由此，使从高频电源111观察的负载阻抗与匹配器116那侧相比在电阻118那侧变小，从而使从高频电源111流入匹配器116的电力量减少。由此，匹配器(第2匹配器)116能稳定地进行阻抗匹配。由此，不用考虑从高频电源111向匹配器116的电力的侵入，能独立地设定向导体环114提供的电力。
另外，图2所示的等效电路上，从高频电源(第2高频电源)115起的通过基座环113的第2供电路径上的从匹配器(第2匹配器)116观察的负载即基座环电容127和鞘电容128被串联连接，相对于这样的串联连接的结构将电阻118并联连接。由此，可降低该串联连接的结构的基于电容的阻抗的大小。由此，匹配器(第2匹配器)116能对应于各种蚀刻条件有效地使阻抗得到匹配。
进一步地，另外，可降低从电容分量131观察的基座环电容127以及鞘电容128的阻抗。由此，能经由表示在上述2个供电路径之间泄漏的高频电力的耦合的电容分量131来减少因漏电力而产生的基座电容127以及鞘电容128中的电压的下降。由此，能抑制因漏电力产生的晶片140的外周侧部的蚀刻性能的变动。
如以上那样，根据实施方式的等离子处理装置1，能对应于各种等离子条件来抑制样品(晶片140)的外周缘附近的电场的不均匀，减少样品的针对面内方向的处理的偏差，提高处理的成品率。
以上，基于实施方式具体说明了本发明，但本发明并不限定于前述的实施方式，能在不脱离其要旨的范围内进行各种变更。在上述实施方式中，以利用微波ECR等离子的蚀刻装置为例进行了说明，但在利用其他方式的等离子(例如有磁场UHF等离子、电容耦合型等离子、感应耦合型等离子、表面波激发等离子)的干式蚀刻装置等中也能与上述同样地进行运用，能得到与上述同样的作用效果。
附图标记说明
1 等离子处理装置
101 真空容器
102 簇射板
103 电介质窗
104 处理室
105 真空排气口
106 电场产生用电源
107 波导管
108 螺线管线圈
109 等离子
110 样品台
110A 电介质膜部
11 0B基材
111 高频电源
112 匹配器
113 基座环
114 导体环
115 高频电源
116 匹配器
117 负载阻抗调节电路
118 电阻
119 接地
120 空间部
124 电介质膜电容
125 鞘电容
126 电阻分量
127 基座环电容
128 鞘电容
129 电阻分量
130 电阻分量
131 电容分量
140 晶片
300 载置面
301 上表面
302 侧面
303 电极
310 上表面部
320 凸部
330 凹部。

Claims (4)

1.一种等离子处理装置，对放置在配置于真空容器内的处理室内的样品台的上表面的上方的样品使用形成于所述样品室内的等离子进行处理，
所述等离子处理装置的特征在于，具备：
配置于所述样品台内的第1电极；
在所述样品台的所述第1电极的包含所述上表面的上表面部的外周侧包围所述上表面部地配置的环状的第2电极；
覆盖所述第2电极并包围包含所述第1电极的所述上表面部的外周地配置的电介质制的环状构件；
对所述第1电极以及所述第2电极各自提供来自高频电源的高频电力的多个供电路径；和
配置在所述多个供电路径当中从所述高频电源向所述第2电极的供电路径上的匹配器，
所述匹配器与所述第2电极之间的所述供电路径上的第1部位、和接地部位之间经由被设为给定的值的电阻元件电连接。
2.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述高频电源包含：
与所述第1电极电连接并用于提供第1频率的第1高频电力的第1高频电源；和
与所述第2电极电连接并用于提供第2频率的第2高频电力的第2高频电源，
所述多个供电路径包含：
从所述第1高频电源对所述第1电极提供所述第1高频电力的第1供电路径；和
从所述第2高频电源对所述第2电极提供所述第2高频电力的第2供电路径，
在所述第2供电路径上的所述第1部位与所述接地部位之间具备所述电阻元件。
3.根据权利要求2所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述第2高频电力低于所述第1高频电力。
4.根据权利要求1所述的等离子处理装置，其特征在于，
所述第1电极具有凸型形状，该凸型形状包含具有第1直径的所述上表面部、和处于所述上表面部的下侧且具有大于所述第1直径的第2直径的下侧部，
所述环状构件具有：
覆盖所述第2电极地配置于所述上表面部的外周侧的第1部分；和
配置于所述下侧部的外周侧的第2部分。
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