CN110970282A - 气体生成方法及蚀刻装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够容易并且以低成本形成长宽比高的图案的气体生成方法及蚀刻装置。基于本实施方式的气体生成方法是具备生成蚀刻气体的第1腔室和使用蚀刻气体进行蚀刻处理的第2腔室的蚀刻装置中的气体生成方法。向第1腔室中供给包含碳(C)及氟(F)的第1气体，使第1腔室内的压力比蚀刻处理时的第2腔室内的压力高。在第1腔室内，对第1气体施加高频电力由该第1气体生成包含碳(C)及氟(F)的第2气体。将第2气体作为蚀刻气体向第2腔室供给。

Description

气体生成方法及蚀刻装置
技术领域
本实施方式涉及气体生成方法及蚀刻装置。
背景技术
超大规模集成电路(ULSI)通过推进基于比例法则的微细化、高集成化来提高其性能。ULSI的制造工艺中有光刻、成膜、化学机械研磨、蚀刻等工序，特别是在蚀刻工艺中要求非常高精度的加工形状控制，利用等离子体的RIE(Reactive Ion Etching，反应离子蚀刻)担负着重要的作用。为了实现近年来的高集成化，除了微细化(晶圆的平面方向的缩小)以外三维化(厚度方向的增大)也在发展，其结果是，要求相对于蚀刻形状的纵横比率即长宽比的增大的应对。在蚀刻装置中，为了得到对于蚀刻处理而言最佳的蚀刻气体，需要将各种种类的蚀刻气体以所期望的比率混合并导入。在1980年代作为蚀刻气体使用了CF4/CHF3混合气体等，但到了1990年代则开发c(cyclo)-C4F8或C4F6及c-C5F8这样的分子量大、C/F比大的气体并使用的倾向增强。但是，在这些有效的蚀刻气体中，也有高价的气体，或者，也有获得困难的气体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第0502817号
非专利文献
非专利文献1：K.Fujita et al，Journal of Vacuum Science and TechnologyB，17(1999)957.
发明内容
发明所要解决的课题
提供能够容易并且以低成本形成长宽比高的图案的气体的生成方法及蚀刻装置。
用于解决课题的手段
基于本实施方式的气体生成方法是具备生成蚀刻气体的第1腔室和使用蚀刻气体进行蚀刻处理的第2腔室的蚀刻装置中的气体生成方法。向第1腔室中供给包含碳(C)及氟(F)的第1气体，使第1腔室内的压力比蚀刻处理时的第2腔室内的压力高。在第1腔室内，对第1气体施加高频电力而由该第1气体生成包含碳(C)及氟(F)的第2气体。将第2气体作为蚀刻气体供给至第2腔室。
附图说明
图1是表示基于第1实施方式的蚀刻装置的构成例的概略截面图。
图2是表示基于第1实施方式的气体生成方法的一个例子的流程图。
图3是表示源气体CmFn的气体成分及蚀刻气体CxFy的气体成分各自的组成比的图表。
图4是表示高频电力密度与源气体的利用效率的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的实施方式进行说明。本实施方式并不限定本发明。附图是示意性或概念性的图，各部分的比率等未必限于与现实的比率相同。在说明书和附图中，对于与关于已出的附图中已述的要素同样的要素标注同一符号并适当省略详细的说明。
(第1实施方式)
图1是表示基于第1实施方式的蚀刻装置1的构成例的概略截面图。蚀刻装置1具备气体生成腔室10、蚀刻腔室20和纯化装置30。
作为第1腔室的气体生成腔室10具备作为第1电极的接地电极11和作为第2电极的碳电极12。接地电极11作为能够搭载基板W0的平台而设置。基板W0例如为包含硅等的半导体基板，但没有特别限定。
碳电极12介由阻抗匹配电路(未图示)与高频电源50连接，在与接地电极11之间利用高频电力施加电场。碳电极12由可耐受因高施加电力而引起的温度上升、即使与气体反应也不会排出不优选的成为半导体器件的污染源那样的金属化合物等副产物的高纯度的碳制成。与接地电极11对置的碳电极12的对置面例如为大致圆形，其直径例如为约10mm。接地电极11与碳电极12之间的间隙为约5mm以下，优选为约1mm以下。
源气体供给部40介由配管P1而与气体生成腔室10进行配管连接。将气体生成腔室10利用真空排气系统(未图示)进行排气后，由源气体供给部40导入源气体并保持在所期望的压力。源气体供给部40为主要储藏向气体生成腔室10导入的源气体CmFn(m、n为正整数)的储气瓶。在第1实施方式中，源气体(第1气体)为包含碳(C)及氟(F)的CmFn，为m值及比率m/n比较低的低次的PFC气体。源气体CmFn例如主要为CF4。
高频电源50例如以约13.56MHz～300MHz对碳电极12施加约200W以上的高频电力。另外，通过将腔室10内的压力设定为1Torr以上、优选10Torr以上而缩短粒子的平均自由行程，从而在电极12的前端附近生成局部存在等离子体。由此，能够将接地电极11与碳电极12之间的高频电力密度设定为约0.5kW/cm3以上，优选设定为约3kW/cm3以上。需要说明的是，高频电源50的输出功率(电力)根据接地电极11与碳电极12的相对面积或它们之间的距离而变更，能够将高频电力密度设定为约0.5kW/cm3以上，优选设定为约3kW/cm3以上即可。
在高压力的接地电极11与碳电极12之间维持放电状态，使处于它们之间的气体电离。即，气体生成腔室10通过对其内部的气体施加高频电力而使其电离，成为等离子体状态。由此，气体生成腔室10生成蚀刻气体。
这里，气体生成腔室10基于比蚀刻处理时的蚀刻腔室20内的压力高的压力使源气体CmFn电离，成为等离子体状态D。例如，若蚀刻处理时的蚀刻腔室20内的压力为10mTorr～100mTorr，则气体生成腔室10内的源气体CmFn的压力为20Torr～400Torr。即，气体生成腔室10内的压力远高于蚀刻腔室20内的压力。另外，高频电源50将接地电极11与碳电极12之间的高频电力密度设定为约0.5kW/cm3以上。若基于像这样高的压力及高的电力密度，将CF4那样的低次的PFC气体电离，则不仅发生解离反应，而且还发生合成反应。
例如，在基于比较低的压力使用电感耦合等离子体(ICP(Inductively CoupledPlasma))、或电容耦合等离子体(CCP(Capacitively Coupled Plasma))使PFC气体电离的情况下，主要产生CF4→CF3+F→CF2+2F→CF+3F→C+4F那样的解离反应。
与此相对，像本实施方式那样，若基于比较高的压力及高电力密度将低次的PFC气体电离，则由于以高密度生成的自由基间的碰撞频率高，所以CF2+CF2→C2F4、CF2+CF2→C2F2+2F、CF2+CF3→C2F4+F、CF3+CF3→C2F6、C2F2+CF3→C3F5、C2F4+C2F4→C4F6+2F、C2F4+C2F4→C4F8等合成反应也以高概率产生。即，若基于比较高的压力及高电力密度将CF4那样的低次PFC气体电离，则能够生成主要包含C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6、C4F8等中的至少1者的高次PFC气体(第2气体)。
若进行一般化，则本实施方式的蚀刻装置1基于比较高的压力及高电力密度，将主要包含CmFn(m、n为正整数)的源气体电离，生成主要包含CxFy(x、y为正整数)的蚀刻气体。此时，至少x>m，和/或x/y>m/n。即，作为第2气体的蚀刻气体与作为第1气体的源气体相比成为高次的PFC气体。这里的高次是指x>m和/或显示出x/y>m/n、具有富碳的组成的PFC气体。
高次气体为了形成长宽比高的图案而变得必须，但是稀少且高价。例如C4F8气体的单价与CF4气体的单价相比高数倍。C4F6气体的单价与C4F8气体的单价相比进一步高。
但是，根据本实施方式，使用主要包含廉价的低次气体的源气体，能够生成主要包含高价的高次气体的蚀刻气体。由此，能够抑制半导体装置的制造成本的上升，并且使用高次气体作为蚀刻气体。其结果是，能够以低成本形成长宽比高的图案。
再次参照图1，继续说明蚀刻装置1的构成。在气体生成腔室10中，由于电离的等离子体状态的气体为活性状态，所以与上述的碳电极12同样地，需要选定在与接地电极11之间利用高频电力施加电场时即使与气体反应也不可能造成不良影响的材质。例如，在接地电极11上载置基板W0，保护接地电极11。这种情况下，基板W0被活性状态的气体削去，产生包含半导体的成分的气体。即，在基板W0中使用硅并且使CF4气体电离的情况下，产生SiF4。SiF4不会造成污染等不良影响，也可以利用于蚀刻工艺，但在不需要的情况下，可在纯化装置30中除去。另外，作为别的实施方式，在不需要SiF4的情况下也可以将Al2O3或C的基板W0载置于接地电极11上。由此，能够抑制因放电而引起的基板的消耗或SiF4的产生。
纯化装置30具备包含按照将从气体生成腔室10得到的蚀刻气体中包含的特定的气体选择性吸附的方式选定的药剂例如沸石等的过滤器31。纯化装置30介由配管P2与气体生成腔室10进行配管连接，介由配管P3、P4与蚀刻腔室20进行配管连接。过滤器31将蚀刻气体进行分离、纯化而仅使所期望的蚀刻气体通过。例如，过滤器31将蚀刻气体中包含的分子量比较大的SiF4气体选择性吸附、除去，即，将这样的不需要的气体去除(吸附而分离)，使所期望的气体即分子量比SiF4小的蚀刻气体通过。
蚀刻腔室20能够容纳成为蚀刻处理的对象的半导体基板W1，使用介由纯化装置30从气体生成腔室10得到的蚀刻气体对半导体基板W1进行蚀刻处理。蚀刻处理没有特别限定，例如可以为一般的RIE(Reactive Ion Etching)法。蚀刻处理中使用的蚀刻气体如上所述主要包含C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6、C4F8等高次气体中的至少1者。由此，能够抑制半导体装置的制造成本的上升，并且使用高次气体作为蚀刻气体。
蚀刻处理中使用过的蚀刻气体介由配管P5向蚀刻腔室20的外部排气。
阀V1设置于配管P2与P3之间，在纯化装置30中与过滤器31及阀V2并联连接。阀V2在配管P2与P3之间与过滤器31串联连接。阀V3设置于配管P3、P4与配管P6之间。阀V4连接于配管P4与蚀刻腔室20之间。
需要说明的是，阀V1、V3是为了将气体生成腔室10内的气体从配管P6进行排气而设置的。阀V2、V4是为了将来自气体生成腔室10的PFC气体用过滤器31进行纯化、并将纯化后的PFC气体向蚀刻腔室20供给而设置的。因而，在阀V1、V3以开状态将气体生成腔室10进行排气时，阀V2、V4成为闭状态。另一方面，在阀V2、V4以开状态将来自气体生成腔室10的PFC气体纯化并向蚀刻腔室20供给时，阀V1、V3成为闭状态。
接着，对基于本实施方式的气体生成方法进行说明。
图2是表示基于第1实施方式的气体生成方法的一个例子的流程图。首先，将阀V1、V3设定为开状态，将气体生成腔室10减压，从源气体供给部40将源气体CmFn向气体生成腔室10供给(S10)。此时，源气体供给部40例如将源气体CmFn以约150sccm导入。源气体CmFn为包含碳(C)及氟(F)的低次的PFC气体，例如为主要包含CF4的气体。
这里，气体生成腔室10内的压力比蚀刻处理时的蚀刻腔室20内的压力高。例如相对于蚀刻处理时的蚀刻腔室20内的压力10mTorr～100mTorr，气体生成腔室10内的源气体CmFn的压力为20Torr～400Torr。例如气体生成腔室10内的压力被调整为约80Torr。
接着，将阀V1、V3设定为闭状态，在气体生成腔室10中，对接地电极11与碳电极12之间施加电场，使源气体CmFn电离(S20)。此时，高频电源50将接地电极11与碳电极12之间的高频电力密度设定为约0.5kW/cm3以上。若像这样基于高压力及高电力密度，将源气体CmFn电离而设定为等离子体状态，则发生合成反应，能够生成C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6、C4F8等高次PFC气体作为蚀刻气体CxFy。此时，至少x>m，和/或x/y>m/n。
图3是表示源气体CmFn的气体成分及蚀刻气体CxFy的气体成分各自的组成比的图表。在该实验中，是使用FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy，傅里叶变换红外光谱仪)将气体生成腔室10中的等离子体放电前后的气体成分进行解析的结果。等离子体放电前的源气体CmFn包含约100％的CF4。另一方面，等离子体放电后的蚀刻气体CxFy成为包含约42％的CF4、约30％的C2F4、约9％的C2F6、约19％的SiF4的混合气体。另外，可知原来的源气体CF4的约42％被合成为高次的PFC气体。
再次参照图2。将阀V2、V4设定为开状态，纯化装置30将蚀刻气体CxFy进行纯化(S30)。在气体生成腔室10中，在接地电极11与碳电极12之间配置有半导体基板W0。因此，在生成蚀刻气体CxFy时，在蚀刻气体CxFy中，混合存在SiF4等不优选的气体作为杂质。本实施例中纯化装置30利用过滤器31选择性地、可逆地吸附所需要的气体、例如C2F4气体，使不需要的其它气体通过并废弃后，使C2F4通过升温等方法再脱离，由此进行浓缩、纯化。该情况下也只要在过滤器31中使用根据目的而选定的沸石等即可。像这样使需要的气体吸附、脱离，将蚀刻气体C2F4纯化。由此，得到纯度高的PFC气体。
接着，将来自纯化装置30的PFC气体作为蚀刻气体CxFy向蚀刻腔室20供给。蚀刻腔室20使用比CF4高次的PFC气体作为蚀刻气体对半导体基板W1进行蚀刻。(S40)。蚀刻气体CxFy包含C2F4、C2F6等高次气体。由此，能够以低成本形成长宽比高的图案。另外，在蚀刻腔室20中，除了合成气体的气体导入配管以外，还可以通过未图示的气体导入配管混合O2、Ar等其它气体而进行蚀刻，由此能够最佳地控制图案的加工形状等特性。进而，在本实施方式中，源气体CmFn使用廉价的CF4气体。因此，能够抑制半导体装置的制造成本的上升。
(第2实施方式)
基于第2实施方式的蚀刻装置1可以与图1中所示的构成相同。但是，根据第2实施方式，源气体供给部40向气体生成腔室10中供给高次气体(例如C4F8)作为源气体。第2实施方式的其他构成可以与第1实施方式的对应的构成相同。另外，第2实施方式的动作也可以相同。因此，气体生成腔室10基于高的压力及高的电力密度，将C4F8那样的高次的PFC气体进行电离。
这种情况下，例如在源气体为主要包含C4F8的高次PFC气体的情况下，产生C4F8→2C2F4、C4F8→C2F2+C2F6、C4F8→CF3+C3F5、C4F8→C4F6+F2等解离反应。当然，有时通过解离反应而分解的PFC气体还进一步被合成。由此，蚀刻气体成为主要包含C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6中的至少1者的PFC气体。该蚀刻气体虽然与源气体C4F8相比为低次，但是C/F比同等的气体也较多，为比CF4高次的PFC气体。已知若将C2F4作为蚀刻气体导入则显示出比C4F8高的针对掩模选择性，对蚀刻是有效的。但是，C2F4气体难以安全地处理，作为半导体工艺气体难以获得。因此，即使像第2实施方式那样使用高次气体作为源气体，也能够与第1实施方式同样地当场生成主要包含对蚀刻有效的高次气体的气体并进行供给。
若进行一般化，则第2实施方式的蚀刻装置基于比较高的压力及高电力密度将主要包含CmFn(m、n为正整数)的源气体电离，生成主要包含CxFy(x、y为正整数)的蚀刻气体。此时，至少x≤m，和/或x/y≥m/n。即，作为第2气体的蚀刻气体与作为第1气体的源气体相比成为低次的PFC气体。另一方面，蚀刻气体优选为比CF4高次。因此，优选为x≥2。
接着，对基于第2实施方式的气体生成方法进行说明。
首先，将阀V1、V3设定为开状态，将气体生成腔室10减压，从源气体供给部40将源气体CmFn向气体生成腔室10供给(S10)。此时，源气体供给部40例如将源气体CmFn以约200sccm导入。源气体CmFn为包含碳(C)及氟(F)的高次的PFC气体，例如为主要包含C4F8的气体。
这里，气体生成腔室10内的压力比蚀刻处理时的蚀刻腔室20内的压力高。例如，气体生成腔室10内的源气体CmFn的压力为20Torr～400Torr。例如气体生成腔室10内的压力被调整为约50Torr。
接着，将阀V1、V3设定为闭状态，在气体生成腔室10中，对接地电极11与碳电极12之间施加电场，使源气体CmFn电离(S20)。此时，高频电源50将接地电极11与碳电极12之间的高频电力密度设定为约0.5kW/cm3以上。若像这样基于高压力及高电力密度将源气体CmFn电离并设定为等离子体状态，则产生分解反应，生成C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6等比CF4高次的PFC气体作为蚀刻气体CxFy。
在第2实施方式中，对接地电极11与直径为6.35mm的碳电极12之间的0.5mm的间隙施加高频电力，将源气体C4F8气体电离。此时，通过以1Hz的频率对等离子体暴露时间进行ON/OFF控制，基板W0的表面温度被维持为约500℃以下。
图4中示出高频电力密度与源气体C4F8气体的分解效率的关系。如图4的图表中所示的那样，本实施方式中，通过将高频电力密度设定为约5kW/cm3以上，能够以接近100％的高效率将源气体C4F8气体进行分解并改性。其结果是，由源气体C4F8气体生成含有86％的C2F4和14％的C2F6的蚀刻气体。
之后，通过执行图2的步骤S30以后的步骤，在蚀刻腔室20中，尽管供给了源气体C4F8气体，也能够使用比CF4高次的PFC气体作为蚀刻气体对半导体基板W1进行蚀刻。即，变得能够导入C2F4作为蚀刻气体，由此，第2实施方式也能够得到与第1实施方式同样的效果。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提出的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式可以以其他的各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形包含于发明的范围或主旨中，同样地包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。
符号的说明
1蚀刻装置、10气体生成腔室、11接地电极、12碳电极、20蚀刻腔室、30纯化装置、31过滤器、40源气体供给部、50高频电源、W0、W1半导体基板、V1～V4阀、P1～P6配管。

Claims (17)

1.一种气体生成方法，其是具备生成蚀刻气体的第1腔室和使用所述蚀刻气体进行蚀刻处理的第2腔室的蚀刻装置中的气体生成方法，其具备：
向所述第1腔室中供给包含碳(C)及氟(F)的第1气体，使所述第1腔室内的压力比蚀刻处理时的所述第2腔室内的压力高，
在所述第1腔室内，对所述第1气体施加高频电力而由该第1气体生成包含碳(C)及氟(F)的第2气体，
将所述第2气体作为蚀刻气体向所述第2腔室供给。
2.根据权利要求1所述的气体生成方法，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
至少x>m。
3.根据权利要求1所述的气体生成方法，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
x/y>m/n。
4.根据权利要求2所述的气体生成方法，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
x/y>m/n。
5.根据权利要求1～权利要求4中任一项所述的气体生成方法，其中，
所述第1气体主要包含CF4，
所述第2气体主要包含C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6、C4F8中的至少1者。
6.根据权利要求1～权利要求4中任一项所述的气体生成方法，其中，
所述第1腔室具备对所述第1气体施加电场的第1电极及第2电极，
在所述第2气体的生成中，通过使处于所述第1电极与所述第2电极之间的所述第1气体电离而生成所述第2气体。
7.根据权利要求1或根据权利要求3所述的气体生成方法，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
至少x≤m。
8.根据权利要求6所述的气体生成方法，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
x/y≥m/n。
9.根据权利要求6所述的气体生成方法，其中，
所述第1气体主要包含C4F8，
所述第2气体主要包含C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6中的至少1者。
10.一种蚀刻装置，其具备：
对包含碳(C)及氟(F)的第1气体施加高频电力而由该第1气体生成包含碳(C)及氟(F)的第2气体的第1腔室、和
使用所述第2气体作为蚀刻气体而进行蚀刻处理的第2腔室，
所述第2气体的生成时的所述第1腔室内的压力比蚀刻处理时的所述第2腔室内的压力高。
11.根据权利要求10所述的蚀刻装置，其中，所述第1腔室具备能够搭载基板的第1电极、和对所述第1气体施加电场的第2电极。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的蚀刻装置，其中，进一步具备纯化部，所述纯化部设置于所述第1腔室与所述第2腔室之间，从所述第2气体中除去不需要的气体，或者从也包含不需要的气体的第2气体中将需要的气体组吸附、脱离并提取。
13.根据权利要求10所述的蚀刻装置，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
至少x>m。
14.根据权利要求10所述的蚀刻装置，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
x/y≥m/n。
15.根据权利要求10所述的蚀刻装置，其中，
所述第1气体主要包含CF4，
所述第2气体主要包含C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6、C4F8中的至少1者。
16.根据权利要求10所述的蚀刻装置，其中，
所述第1气体主要包含CmFn，m、n为正整数，
所述第2气体主要包含CxFy，x、y为正整数，
至少x≤m。
17.根据权利要求10所述的蚀刻装置，其中，
所述第1气体主要包含C4F8，
所述第2气体主要包含C2F2、C2F4、C2F6、C3F5、C3F6、C4F6中的至少1者。
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